国内中小学计算思维培养研究综述

刘丽君 周雄俊

摘要：计算思维与人们的日常生活及工作密切相关，是高度信息化社会中每个人都应掌握的思维方式。其概念的提出最早起源于计算机科学领域，近年来计算思维逐渐拓展到中小学基础教育领域。本文根据中小学计算思维培养的研究情况，采用内容分析法，对国内期刊上有关中小学计算思维培养研究的文章从文献数量、研究类型和关键词等维度进行量化统计分析。分析发现，已有研究中理论研究和定性研究占多数，目前中小学计算思维的培养大多集中在信息技术学科。在内容分析的基础上，本文对目前中小学计算思维培养研究已有成果进行了简要的陈述与总结，描述了中小学计算思维培养的趋势，以期为该领域的研究者及一线教师提供一些参考和借鉴。

关键词：计算思维培养;中小学;核心素养

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2018）11-0038-07

引言 

2018年1月16日，教育部印发了《普通高中信息技术课程标准》（2017年版）（以下简称新课标）。在新课标中，计算思维作为四大核心素养之一首次被列入信息技术学科教学的范畴，这标志着计算思维的培养将在中小学教学日程中占据重要地位。新课标指出，计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。[1]其概念最早起源于计算机科学领域，由麻省理工学院Seymour Papert教授于1996年提出，而将其提到“台前”，使其开始受到广泛关注的是美国卡内基梅隆大学的周以真教授。2006年3月，周以真教授在美国计算机权威杂志Communications of the ACM上发表并定义了计算思维，提出计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。[2]2011年，ISTE和CSTA对计算思维的概念作了进一步阐释，指出计算思维是一个用来解决问题的过程，有以下六个特点：①制订问题，并能使用外界工具帮助解决问题;②组织和分析数据要符合逻辑;③通过抽象，如模型、仿真等重现数据;④通过一系列有序的步骤支持自动化的解决方案;⑤识别、分析和实施可能的解决方案，找到最有效的方案，并且有效结合这些步骤和资源;⑥将该问题的求解过程进行推广并移植到更广泛的问题中。[3]

随着高度信息化社会的来临，计算思维已经超越传统计算机环境中“为计算而思维”的學术观念，形成“用计算而思维”的数字化生存的普适理念，成为信息化社会中人们处理问题的一种重要思维方式。[4]近年来，计算思维逐渐拓展到基础教育领域，在中小学教育活动中掀起阵阵波澜。高中信息技术新课标指出，在信息活动中，具备计算思维的学生能通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案;能总结利用计算机解决问题的过程与方法，将其迁移到与之相关的其他问题解决中。[5]因此，在学科教学中，除了要求学生掌握阅读、写作和算术之外，还应让其学会运用计算思维去解决问题，以更好地适应时代和创新的需要。

学者牟琴将计算思维的发展历程分为三个阶段，第一阶段为萌芽时期（20世纪80年代），第二阶段为奠基时期（1986—2006年），第三阶段为混沌时期（2006年至今）。[6]学者李峰等人认为，自20世纪60年代至今，计算思维教育历程大体可分为“计算知识接受”“认知工具应用”和“普适价值推广”三个发展阶段。[7]

从以上阶段划分可知，目前计算思维教育正处于混沌时期，其普适价值需要在中小学教育中得到进一步推广，国内相关研究者和中小学一线教师也因此展开了对计算思维培养的研究。以“计算思维 中小学”为检索词进行检索，检索结果显示，我国有关中小学计算思维培养的研究主要发生在2012—2017年间。本文尝试从文献数量、资源类型与作者分布、期刊来源、研究类型和关键词等方面对最终确定的样本文献进行内容分析，梳理出我国中小学计算思维培养的现状、研究存在的问题及发展趋势等，以期为中小学计算思维培养研究者和一线教师提供参考。

研究设计

1.研究样本

利用CNKI数据库进行检索，以专业检索的方式“SU='计算思维' AND SU='中小学'”进行检索，共检索到101篇文章。在此基础上，笔者初步删除了与中小学计算思维培养相关度不大的文献，如篇名涉及到国外、高校、大学等字眼，主题内容与计算思维明显无关，文献来源为非核心期刊或重要期刊等，最终确定了60篇文章为研究样本。

2.研究方法

为了对2012—2017年间我国有关计算思维在中小学培养情况进行详细分析，笔者主要采用内容分析法进行研究，内容分析法是一种以各种文献为研究对象的研究方法。对经过检索和筛选得到的研究样本文献的数量分布、论文作者、研究内容等进行归类统计，通过对统计结果的分析得出研究结论和建议。本研究的数据统计和图表生成主要使用CNKI计量可视化分析、SPSS 22、书目共现分析系统BICOMB2等软件。

笔者主要从文献数量、资源类型与作者分布、期刊来源、研究类型和关键词五个方面着手，通过统计分析，详细阐述中小学计算思维培养的现有研究成果及发展趋势。

3.研究成果数量统计分析

（1）文献数量逐年分布分析

2012—2017年间中小学计算思维培养研究的论文数量分布情况如图1所示。据图可知，自2012年起，相关研究开始涌现，首篇涉及“计算思维 中小学”内容的文献是2012年王荣良撰写的《计算思维：一种新的学科思维方式》。分析逐年数量分布可得，中小学计算思维的培养研究起步较晚，在2012年到2015年之间呈稳定上升趋势。2017年高中信息技术课程标准中提出学科核心素养，将计算思维作为关键要素纳入学科核心素养系统，“计算思维 中小学”相关文献总数达到有史以来最多，刊载在教育技术学核心期刊上的文献数量明显增加。

（2）资源类型与作者分布分析

对60篇样本文献的资源类型和作者分布情况进行统计分析，结果分别如下页表1和下页图2所示。从下页表1可知，53篇文献来源于期刊，7篇为硕士学位论文。从下页图2可知，从事中小学计算思维培养研究的知名专家有王荣良、任友群、李艺和李峰等人。

（3）期刊来源分析

通过分析文献的期刊来源，可了解该研究领域被关注的情况。如下页图3所示，目前“计算思维 中小学”主题检索到的相关文献期刊来源主要分为9种，排名前6位的期刊均为教育技术学专业期刊，依次为《中国信息技术教育》《中小学信息技术教育》《中国电化教育》《电化教育研究》《中小学电教》和《中国教育技术装备》，其中《中国电化教育》和《电化教育研究》为教育技术的核心期刊。以上期刊刊载有关中小学计算思维培养的文献数量约占该主题文献总数的63.3%，可见，涉及中小学计算思维培养的研究主要出现在教育技术学领域，教育技术学者是该研究领域的主力军，但核心期刊每年刊载的中小学计算思维培养的相关论文并不多，其更多是关注大学教育中学生计算思维的培养。

通过分析论文的机构分布情况，可以清楚地了解国内中小学计算思维培养研究的分布情况。图4分析结果显示，师范类高校以及各地教育研究中心、研究院和国内实验小学、实验中学等其他机构对计算思维培养的关注度较高。师范类高校中，华东师范大学在该研究领域的研究成果领先于其他高校，发文数量占样本文献总量的23.3%，任友群、王荣良等华东师范大学研究人员均是中小学计算思维培养研究的知名专家，其研究成果可为相关研究人员提供参考和示范。

（4）研究类型分析

研究类型是对科学研究活动总体研究方式的抽象概括，能集中反映研究者的研究方式和研究思路。李蔚在《我国绩效技术发展的新态势——近七年我国绩效技术学术期刊论文的内容分析》一文中，给出了教育科学研究的类型划分，按研究内容分为理论研究和应用研究，按研究性质分为定性研究和定量研究。[8]

使用上述分类方法对60篇样本文献进行研究内容的类型判定，并对判定结果进行描述性统计分析，结果如图5所示，以2012年为时间起始点，2013年之前，有关中小学计算思维培养的研究以理论研究为主。2013年以后，应用研究类型的文献数量大于理论研究，且逐年增加，研究者们的研究重心逐渐从理论研究转移到应用研究，努力探索中小学计算思维培养实践的优化路径。今后的研究中，教师也应以理论为支撑，将计算思维真正带入中小学教学实践中，通过实践中的总结和反思，探讨出更贴切、更有效的理论以支持和推动相关研究的持续发展。

在判定样本文献为定性研究或定量研究的过程中，由于较多样本文献采用了两者研究结合的方式，难以直接界定其属于哪类。笔者通过对这类文献进行内容分析发现，定性研究往往为定量研究提供获取数据的方式，因此本文将两者结合的文献判定为定量研究。使用SPSS对研究性质判定结果进行描述性统计分析（如图6）。据图可知，2012—2017年间，中小学计算思维培养研究中的定性研究数量均高于定量研究。

（5）關键词分析

关键词可以反映某个领域的研究热点和发展趋势。本文使用书目分析系统BICOMB2对检索到的60篇样本文献进行关键词词频统计分析。陈瑜林在《我国教育技术主要研究领域的历史演进——基于CNKI“两刊”关键词、主题词的类团分析》中提到，进行高频词选择时，一般截取累计频次占总频次的40%左右的关键词作为高频词。[9]经统计得到220条关键词，选取28条出现频次大于等于2的关键词作为高频词，其累计频次百分比达43.20%，符合高频词截取标准，具体统计数据如表2所示。

观察表2可知，除检索所用的主题词“计算思维”和“中小学”之外，信息技术、中小学信息技术、信息技术课程、Scratch、信息素养、高中信息技术、计算机科学、信息技术教育等均为中小学计算思维培养高频关键词统计中排名前10的关键词，这些关键词都“聚焦”于中小学信息技术，说明在中小学信息技术教学中，计算思维的培养受到较多关注，而其他学科对计算思维培养的关注度较低。

研究成果述评

1.理论研究成果述评

在本文统计的60篇样本文献中，通过对文献内容进行分析，最终确定样本文献中理论研究类文章有26篇，约占总样本数量的43%。下页表3为中小学计算思维培养理论研究的主要内容提取结果，理论类文章的研究内容除计算思维概念、研究历程等之外，主要涉及到中小学计算思维培养研究现状、中小学计算思维培养策略与方法、计算思维培养实践过程的反思、计算思维对中小学信息技术学科的启示和影响、面向核心素养的信息技术教育等内容。由此可知，相关理论研究中涉及到的主要内容为中小学信息技术学科中计算思维的培养。

在中小学信息技术课程中的计算思维的培养研究中，核心素养是一个重要的关键词。李艺将核心素养刻画为由双基层、问题解决层和学科思维层构成的“三层结构”，“问题解决以双基为基础，学科思维以双基和问题解决为基础，学科思维唤醒并照耀着问题解决层和双基层，使之一并产生价值和意义。[10]信息技术课程核心素养框架以核心素养为纵向维度，以计算思维为横向维度，将计算思维划分为对象与管理、设计与制作、合作与协作等六组平行且互有关联的思维类别。新课标也将计算思维纳入学科核心素养，指出高中信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成，计算思维是学科核心素养系统的核心及关键要素，影响其他三个要素发展的质和量，在一定程度上决定了学科核心素养的优劣。[11]

在新课标的落实过程中，如何开展计算思维培养实践呢？华东师范大学任友群等人认为，计算思维是一种运用计算概念和工具解决实际问题的过程，也是一种需要系统培养、锻炼的科学思维方式，可以将其从方法习得、工具应用、思维迁移三个层面与中小学信息技术课程融合并落实。[12]为更有效地落实，需要明确计算思维的表现性特征，合理组织教学内容，研究可行的教学方法，即建立计算思维的表现性标准，设计与标准一致性的教学内容，组织实践探究性的教学活动。[13]

已有的相关研究中，大部分研究者都致力于探索中小学信息技术课程中计算思维的培养，但计算思维作为一种解决问题的思维，在解决问题过程中是否体现计算思维并不是以是否使用计算机作为判断依据，而是是否运用了计算科学的学科思维和方法。[14]计算思维不仅是计算机科学家的专利，它对于每个人来说都是一种基本技能，为了能够更好地进行阅读、写作和算数，应该将计算思维融入每个孩子的分析能力中。[15]因此，可以在除信息技术学科之外的其他学科教学中融合计算思维，引导学生像计算机科学家一样思考问题，将计算思维中的分解、递归、建模等思想贯彻到语文、数学等信息技术课程之外的课程教学中去。在日常学习、生活中，培养学生将复杂问题有意识地分解为若干易于管理和执行的简单问题并按顺序和步骤解决的能力。针对具体的问题，引导学生利用信息技术工具推理、判断和决策的过程也是计算思维发展的过程，帮助学生理解“计算”是个人学习与生活的一部分。此外，学校综合课程的开展也为计算思维的教育提供了机会，学生在应用信息技术完成具体任务的过程中，可以体验到计算思维的作用，掌握相应的概念，形成利用计算思维解决问题的方法。[16]研究者谢忠新也认为，中小学学生计算思维的培养途径不仅仅局限于信息技术学科，其他学科、STEAM等多学科融合的课程也能培养学生的计算思维，在非正式的学习中教师同样应该关注计算思维的培养。[17]因此，除信息技术课程，学科融合、综合课程等同样是培养和发展学生计算思维的新思路和重要途径。

2.应用研究成果述评

（1）应用的学科分析

分析样本文献可知，当前计算思维培养实践中涉及到的学科以信息技术学科为主，少数研究基于数学、语文等其他学科。提到计算思维，人们可能认为计算思维的培养是信息技术课程的内容，是信息技术教师需要关注与思考的问题，这种想法较为片面。各学科学习中，学生都需要在完成学习任务时思考如何将复杂的过程分解成若干可行的子步骤来完成所需的任务，如在数学学科中，学生在解决问题之前需要识别和提取问题中的关键信息。英语学科中，学生写作时要规划写作、思考主要事件、区分背景等。可見，计算思维不是中小学信息技术课程独有的，其他学科也涉及到学生计算思维的培养。

（2）应用的载体分析

相关研究者大多围绕编程、信息技术学科基础教学内容等展开实践研究，且存在一个共同点，即都涉及到应用软件，如Scratch编程软件、AppInventor、画图软件、Excel和Photoshop等。统计样本文献发现，基于信息技术学科基础教学内容的应用研究文献占比21%，基于编程内容的应用研究文献占比约为54.6%，主要涉及到Scratch编程、AppInventor安卓程序编程、Arduino和信息学竞赛（如素数、鸡兔同笼）等内容，且以Scratch编程居多（占比约30.3%）。对比可知基于编程内容的研究更多，究其原因，计算思维培养所面向的学习者基础知识储备和自身学习能力等差异性水平较高，而编程学习对学科基础知识的要求更低，更易于中小学生接受，同时也有较多交互性良好的编程平台可供选择，因此相关研究者和一线教师常将计算思维同编程联系起来，利用Scratch培养学生的计算思维能力和创造力，让学生使用Scratch进行动画、故事和游戏等创作，既满足他们创造和表达的需要，又能让他们体验从日常思维到计算思维的转变。如果仅仅用编程作为内容支撑进行计算思维培养可能会使计算思维的培养陷入一种固定模式，因此需要研究者和一线教师们进行更多的探索。

（3）教学思想与方法分析

已有研究中，研究者们常将计算思维同创客教育、STEAM教育、不插电的计算思维、PBL和协作式学习等结合起来。王同聚利用项目学习、体验式学习和个性化学习等创客学习的优势，培养学生的计算思维和创新思维能力，激发学生的创造力和想象力，为发展学生的核心素养助力。[18]窦颖进行了在中小学信息科技课堂中开展不插电的计算机科学教学的应用研究，帮助学生揭示那些被计算机科学家们运用于设计计算机系统的多元化的思路和技术，把问题化繁为简，以激发学习兴趣，培养学生计算思维和创新能力。生诗蕊以高中信息技术课程为依托，将PBL教学模式和计算思维进行整合，提出了计算思维的培养目标，构建了基于PBL的计算思维培养模型，并在高中信息技术课程中的基础知识模块、拓展模块以及研究模块进行了运用。

总结与讨论

相关研究者们对计算思维的定义有一个共同点，即计算思维与“问题解决”密切相关，与我们的学习、生活密切相关，是一种描述当人们思考如何利用计算机来解决问题时所采用的过程和方法。身处高度信息化的社会之中，人们需要具备一定的计算思维能力才能更好地认识和适应社会，就像写作、算术，计算思维应成为日常生活中人们都会做的事情，计算思维也应是人人都具备的，最普遍、最适合、最不可或缺的思维方式。计算思维培养既与信息技术学科相关，也与其他学科密切相关，有必要将计算思维融入到其他学科教学中。

我国中小学计算思维培养尚有较大的发展空间，需要涌现更多的实践研究，推动计算思维融入到具体的教学实践中去。在落实计算思维培养的过程中，应针对小学、初高中不同阶段，按照从易到难、由简至深、螺旋上升的原则进行布局。笔者认为，在今后的中小学教学研究中，计算思维培养将会出现两种趋势：一是信息技术课程成为中小学开展计算思维教育的主要渠道，计算思维作为核心素养已被纳入新课标中，将作为信息技术学科的核心素养存在，自然而然地从小学向高中延续，信息技术学科教师的教学中也会贯穿计算思维的思想。换言之，越来越多的信息技术学科教学内容中会融入计算思维培养的思想。二是计算思维在其他学科教学中的培养。计算思维可看作人或人借助计算机开始解决问题之前所进行的思考，除信息技术学科之外，其他学科均涉及到问题解决。因此，有必要将计算思维培养拓展到其他学科教学中，授人鱼不如授人以渔，教给学生书本知识不如传授学生学习、思考和解决问题的方法，其他学科教师也可将计算思维融入到具体教学内容和教学环节中，培养学生运用计算思维的思想进行理解、思考和解决问题的能力，以更好地适应信息社会的需求。

参考文献：

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第一作者：刘丽君（1995—），女，四川仪陇人，硕士在读，主要从事信息技术教育研究。通讯作者：周雄俊（1976—），男，四川广汉人，副教授，主要从事信息技术教育研究。

基金项目：全国教育信息技术研究2017年度专项课题“基于‘慧道智慧教学平台的混合学习实践研究”（课题编号：176130013）。