基于知识图谱的计算思维研究热点与趋势分析

2018-12-10田治何仁生蔡孟秋

软件导刊 2018年9期

田治　何仁生　蔡孟秋

摘要摘要：计算思维已成为当前计算机领域与教育领域关注的一个热点。以中国期刊网全文数据库作为文献来源，以关键词包含“计算思维”的核心期刊论文为主要研究对象，共得到文献214篇。通过系统聚类分析与多维尺度分析可知，在我国计算思维研究热点中主要围绕四大主题展开：计算思维理论研究、计算思维与学科课程研究、计算思维导向的计算机课程改革研究、基于计算思维的教学模式研究。未来需要积极开展计算思维培养体系研究、计算思维培养模式研究、计算思维评价体系与实证研究及计算思维促进创新能力培养策略研究。

关键词关键词：计算思维；计算机学科；计算机教育；研究综述

DOIDOI：10.11907/rjdk.173352

中图分类号：TP301

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）009000904

英文标题The Research Hotspot and Trend Analysis of Computational Thinking Based on Knowledge Atlas

——副标题

英文作者TIAN Zhi， HE Rensheng， CAI Mengqiu

英文作者单位（School of Physics and Electronics，Hunan University，Changsha 410000，China）

英文摘要Abstract：Computational thinking has become a hotspot in the field of computer science and education. This article takes the China National Knowldge Infrastructure database as the literature source， and the papers with the key words of computational thinking from core journals as main research objects， by which 214 papers are obtained. It is concluded from the system cluster analysis and multidimensional scale analysis that the research focus of computational thinking in China focuses on four main themes covering computational thinking theory research， computational thinking and subject curriculum research， computer curriculum reform research based on computational thinking， and teaching model research on computational thinking. It is pointed out in the future the following research need to be carried out actively including research on the training system of computational thinking， research on the training mode of computational thinking， the evaluation system and empirical research of computational thinking， and the strategy of fostering innovative ability by computational thinking.

英文关键词Key Words：computational thinking； computer science； computer education； research overview

0引言

2006年美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授[1]在COMMUNICATIONS OF THE ACM上发表了Computational Thinking论文。之后，计算思维概念得到了国内外各界学者的广泛研究与探讨。目前，计算思维已经成为我国计算机教育的重点研究课题。2010年《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》发布，明确指出计算机基础教学的核心任务是培养学生的“计算思维”能力[2]。2012年教育部高教司批准设立了22个以计算思维为切入点的大学计算机课程改革项目。2016年高中信息技术课程标准修订将计算思维作为信息技术学科核心素养之一[3]。计算思维研究成为各个教育阶段关注重点。本文利用计算思维研究热点知识图谱，结合定量分析与定性分析两种方式，分析计算思维研究热点与发展趋势。这将为深入认识计算思维内涵，认清与把握今后计算思维的发展趋势提供有力支持。

1研究设计

1.1样本来源与数据选择

本文以中国期刊网全文数据库（CNKI）作为文献来源，论文检索期刊限定为CSSCI来源期刊与中文核心期刊。以关键词“计算思维”为检索条件，检索截止日期设为2017年12月8日，共检索到文献249篇，除去非直接相关文献，共得到有效文献214篇。

1.2数据分析方法与工具

本文采用一般计量分析、共现分析、聚类分析、多維尺度分析等数据分析方法，得到可视化知识图谱，展现出计算思维研究热点与趋势。数据分析工具为文献题录信息统计分析工具SATI3.2与统计分析软件SPSS 20.0，研究过程有数据获取、共词分析、知识图谱分析3个阶段，具体过程如图1所示。

2研究结果与分析

2.1高频关键词分析

本文应用SATI3.2软件提取样本文献关键词，将词

频大于3的关键词确定为研究高频关键词，整理得到26个高频关键词，高频关键词出现的频率累计为3024%，达到知识图谱规定的分析标准值。关键词具体情况如表1所示。

关键词作为文章内容标签，可以在很大程度上反映文章核心内容，因此高频关键词反映了某个研究领域的研究热点。由表1可知，频次大于或等于8从高到低依次为计算思维、教学改革、大学计算机基础、计算机基础教学、大学计算机、教学模式、信息技术课程、程序设计、能力培养、信息技术。这些高頻关键词涉及教学改革、计算机基础教学、信息技术课程等多个方面，由此可以看出计算思维的提出，引发了大学计算机教学改革、高中信息技术课程改革、学生能力培养等多方面的研究。总之，计算思维在大学计算机教学方面的研究应用最为广泛。

计算思维研究热点不仅体现在关键词出现的频次上，还体现在关键词之间的关系上。本文利用SATI软件生成了高频关键词相异矩阵（27×27），如表2所示。

相异矩阵中数值越接近1，表明两个关键词之间距离越远，相似度越小；数值越接近0，表明两个关键词距离越近，相似度越大。从完整的关键词相异矩阵进行分析，距离较近的关键词有计算思维与程序设计（0.947 4）、大学计算机与非计算机专业（0.82）、大学计算机与课程改革（0.871 4）、信息技术课程与核心素养（0.911 1）、课程改革与信息素养（0.857 1）、美国与计算机科学（0.857 1）等，以上数据在一定程度上反映了计算思维研究热点。

2.2高频关键词聚类分析

关键词聚类分析是指把关系密切的关键词聚在一起，形成类团，使类团内相似性最大，类团间相似性最小。将STAI产生的高频关键词矩阵（27×27）导入 SPSS20.0 中进行聚类分析，得到高频关键词聚类如图2所示。

2.3多维尺度分析

多维尺度分析法是一种将多维空间的研究对象简化到低维空间进行定位、分析与归类，同时保留研究对象间原始关系的数据分析方法[4]。采用SPSS 22.0进行多维尺度分析，采用Euclidean距离模型生成计算思维研究知识图谱。如图3所示，本文根据知识图谱将计算思维研究分为4个领域。

2.4研究热点分析

通过聚类分析与多维尺度分析，可将我国计算思维研究热点概括为以下4个方面：

（1）计算思维理论研究。

涉及的关键词有大学计算机基础、计算机基础教学、计算学科、能力培养、教学改革与实践教学等。这些关键词都与计算机学科有关，计算思维是计算机学科思维，是计算机学科区别其它学科的依据之一，计算思维能力是计算机人才必备的一项能力。研究学科思维可以促进学科发展，在计算思维前期研究阶段，研究内容主要集中在计算思维内涵、特点等方面。国内外广泛认同的计算思维定义来自周以真（Jeannette Wing）教授，他将计算思维定义为运用计算机科学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的一系列思维活动。国内很多关于计算思维的定义都是在此基础上产生的。例如，董荣胜[5]将周以真教授定义中的“基础概念”更改为“思想与方法”，从计算机方法论角度定义计算思维[5]。同时，有研究者指出周以真教授关于计算思维的观点具有一定局限性，不是经过深入科学论证得到的结果。计算思维概念在学者之间还没有达成共识，计算思维理论研究还将是研究者关注的热点。

（2）计算思维与学科课程的联系。

涉及的关键词有软件工程、计算机课程、计算机科学、计算机人才、信息技术、计算机教育、核心素养与信息技术课程等。其关键词涉及多方面、多领域，计算思维作为一种基本思维方式在各个学科中都有体现。目前研究主要集中在大学计算机基础课程与高中信息技术课程，大学计算机基础课程强调计算思维的培养是计算机学科的重要价值。战德臣等[6]分析了当前计算机教育存在的危机，提出危机应对办法。随着新一轮信息技术课程改革，计算思维在高中阶段引起了激烈讨论。例如，张学军等[7]采用大量案例，对高中信息技术课程中蕴含的计算思维进行细致分析，挖掘出各个模块内容中蕴含的计算思维，为有效实施计算思维教育提供了保障。任友群等[8]阐述了计算思维进入中小学信息技术教育的必要性与可行性。

（3）计算思维导向的计算机课程改革。

涉及的关键词有抽象、课程体系、课程改革、大学计算机、非计算机专业与信息素养等。关键词还包括计算机学科知识与课程改革方面，随着计算机的逐渐普及，大学计算机教育只有改革才能在新形势下继续发展。刘贵松等[9]提出课程改革的顶层规划，分析了计算机课程的总体教学目标，探讨了大学计算机系列课程有关改革措施。何明等[10]提出教学改革要从意识、思维方法与能力3个方面培养学员计算思维能力。马宪敏[11]提出基于分层理念的计算机课程改革方案，课程内容应重点突出计算思维能力训练。戴振华等[12]在计算思维理论指导下，从课程教学目标制定、教学内容分配、教学组织实施等方面进行了改革探索。

（4）基于计算思维的教学模式研究。

涉及的关键词有教学模式、实践、实验教育、程序设计与教学方法等。其将理论与实践相结合，探讨教育实践。教学模式是围绕特定教学目标而形成的具有相对稳定结构的理论化教学模型或范式，培养学习者计算思维已成为计算机教育的目标之一。李辉等[13]构建了基于计算思维的大学计算机基础“任务驱动式”教学模式，以培养学生综合思维与职业能力。杨文正等[14]构建了以计算思维为导向的混合教学模式，提出多元混合教学思路，并以“大学计算机基础”课程为例，提出多元混合教学应用建议。韩秋枫[15]提出了基于计算思维的探究式教学模式。

2.5研究趋势分析

为了准确把握我国计算思维未来研究趋势，根据上述热点，进行试探性讨论。需要指出的是：趋势只代表着一种可能，它与事实之间还有一定距离。

（1）计算思维培养体系研究。

把握国关于计算思维培养的研究主要涉及大学计算机基础课程与高中信息技术课程。但是普通高中信息技术课程教学主要是培养学生的信息素养，中学与大学的培养是没有联系的，是分散的，这些都不利于学生计算思维的培养。加快面向计算思维的教学改革步伐，把计算思维的培养作为高中信息技术课程与大学计算机基础课程的核心学科素养。同时加强各学段各年级计算机科学教育间的连贯性，明确规划从小学到高中到大学每一阶段学生应达到的目标。只有各学段各年级统一规划、联合培养，才能使学生的计算思维能力与知识技能水平逐步提升。

（2）计算思维培养途径研究。

随着互联网技术的发展，虚拟现实技术与人工智能越来越普及，社会越来越重视人才的计算思维能力。仅依靠中学信息技术课程与大学计算机基础课程培养大学生的计算思维能力是不够的，有必要加强计算机思维的跨学科教育。在生命科学、自然科学、社会学科等众多领域都应该开展计算思维培养，但目前很多研究都只针对计算机基础学科领域，有一定的局限性。然而，各不同学科思维习惯不同，如何在跨学科的课堂中进行计算思维培养，并将计算思维的培养与学科性质及教学目标相结合也有待研究。

（3）计算思维评价体系与实证研究。

从现有国内外文献来看，有很多关于计算思维概念的界定及教学实践研究，但如何更有效地培养学生的计算思维，如何评价学生的计算思维能力仍显不足。随着计算思维研究的进一步深入，未来必然要建立计算思维评价体系，并进行实证研究，探讨计算思维的培养效果以及对学生发展的影响。

（4）以计算思维促进创新能力培养研究。

创新是时代的主题，创新能力是推动人类进步的重要力量。近几年随着人工智能技术、虚拟现实技术等新技术的发展，社会大环境变得越来越智能化。每个人都应该对这些新技术背后的思维方式有所理解，每个国家都应该有掌握这些技术的创新性人才，才能保证国家竞争力。计算思维是创新性人才必备的能力，掌握计算思维能力的作用与意义越来越突出。

3结语

计算思维是新形势下创新性人才必备的关键能力，是推动我国计算机领域及人工智能领域发展的重要力量。本文以中国期刊网全文数据库为文献来源，以关键词为“计算思维”的核心期刊文献为样本，采用可视化研究技术揭示当前我国计算思维研究的热点，以内容分析法预测计算思维未来发展趋势。但计算机软件存在一定的机械性，不能十分准确地辨别与计算思维意义相近的关键词，数据统计难免存在误差。同时由于自身研究水平有限，研究存在一定的局限。期待有更多的人加入计算思维的研究，让计算思维在多学科、多领域、多层面发挥作用。

参考文献参考文献：

[1]WING J M.Computational thinking[J].Communications of the ACM.2006，49（3）：3335.

[2]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学，2010（9）：711.

[3]李锋，赵健.高中信息技术课程标准修订：理念与内容[J].中国电化教育，2016（12）：49.

[4]王佑镁，陈慧斌.近十年我国电子书包研究热点与发展趋势——基于共词矩阵的知识图谱分析[J].中国电化教育，2014（5）：410.

[5]董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学，2009（4）：5052.

[6]战德臣，聂兰顺，徐晓飞.“大学计算机”——所有大学生都应学习的一门计算思维基础教育课程[J].中国大学教学，2011（4）：1520.

[7]张学军.高中信息技术课程蕴含的计算思维分析[J].电化教育研究，2015（8）：8085.

[8]任友群，隋豐蔚，李锋.数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J].中国电化教育，2016（1）：18.

[9]刘贵松.大学计算机系列课程改革思考[J].中国大学教学，2012（11）：3942.

[10]何明.基于计算思维的大学计算机基础课程改革方法探析[J].计算机工程与科学，2014（36）：9699.

[11]马宪敏.基于计算思维的大学计算机基础课程改革研究[J].软件导刊，2013（10）：174175.