我国中小学计算思维研究现状与趋势——基于CiteSpace的可视化分析

涂雅婷 陆康康 王昂昂

（浙江师范大学 教师教育学院，浙江 金华 321004）

一、引言

信息时代，计算机已经成为人们日常生活中不可或缺的组成部分。计算机处理问题的高效便捷，引发人们对计算机模块化、程序化的逻辑方式进行思考。自1980年，Seymour Papert 在文章中首次使用“计算思维”一词，到2006年，周以真教授对计算思维做出了详细的概念界定，计算思维迅速受到关注。随着对计算思维的研究越来越深入，许多国家开始意识到将计算思维纳入课程结构的必要性。2018年，我国教育部发表《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》文件，文件中提出信息技术的四个学科核心素养，并将计算思维列为信息技术的学科核心素养之一[1]。

为了更全面地把握我国中小学计算思维研究领域的研究热点与发展趋势，本文使用CiteSpace 分析工具，对2011—2021年国内中小学计算思维相关研究进行全面性的可视化分析，旨在揭示我国中小学计算思维研究的现状、热点和趋势，以更好地推动我国计算思维研究的发展。

二、研究方案

（一）研究工具

本研究使用的研究工具是由美国的陈超美教授开发的可视化分析工具CiteSpace[2]。CiteSpace 可以用来进行学术文献的可视化分析，通过分析CiteSpace 软件制作的关键词共现、关键词聚类等图谱，能够较为全面地了解某一学科或领域的前沿热点以及发展趋势，具有便捷、高效的特点，因此CiteSpace 软件被广泛使用于知识图谱可视化领域。

（二）数据来源

本研究的研究对象选自中国知网（CNKI）中的核心期刊数据库、CSSCI 期刊数据库和硕博论文数据库，检索条件为“（主题：计算思维）AND（主题：小学+初中+高中+中学）”，词频为“精确”，时间跨度为2011—2021年，检索时间为2021年8月。对检索结果进行手工筛选，删除会议报告、纲要等无关文献，最终得到343 篇有效文献。

三、研究结果分析

（一）年度发文量分析

文献的发文量可以有效体现某研究领域发展的兴衰变化。在一定程度上，发表的文献数量可以反映一个研究领域的研究情况，以及研究者对该研究领域的态度[3]。一段时间内，文献发文量越多，代表研究者对该领域的关注度越高。对检索得到文献进行统计分析后，得到如图1所示的中小学计算思维研究年度发文量。由图1可以看出，2011—2017年间，以计算思维为主题的文献数量较少，发文量虽略有上涨但幅度不大，说明该领域的研究处于起步阶段。2017—2020年间，发文量呈现大幅上涨的趋势，这可能与2018年时我国教育部发布了《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》文件有关。在《普通高中信息技术课程标准（2017年版)》文件中，明确了信息技术学科的四个核心素养，分别是：信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任[4]。2021年的发文量有所下降，除了与检索时间为2021年8月有关，还可能的原因是计算思维研究领域发展到较成熟阶段。我国计算思维研究经历了十多年的发展，研究领域的影响不断扩大，计算思维的培养逐渐受到越来越多的关注和重视。

图1 计算思维研究年度发文量

（二）文献机构来源分析

对文献机构来源进行分析，可以筛选出该研究领域的核心机构。分析结果显示，本研究的文献主要来自各高校、中小学和发展研究院。经过统计，在表1中展示发文篇数排名前10 的机构。

表1 计算思维文献机构来源

分析表1中数据，可以看出发文量排名前十位的机构是各类高校，其中有8 所师范大学、2 所其他大学，这说明师范类大学是计算思维研究领域的主力军。与此同时，小部分非师范类院校的教育相关专业也对计算思维投以关注。值得注意的是，华中师范大学和上海师范大学两所师范类大学发文篇数较多，以较大优势名列前茅，反映出这两个机构在计算思维研究领域有较强的研究潜力和研究影响力。对发文机构进行统计，发表5篇以上文章的机构共有14 个，大部分为师范类大学。由此可见，关注计算思维研究的大多是师范类大学，小部分中小学、发展研究院等机构也在关注并进行计算思维研究。

（三）发文作者分析

分析作者合作网络图，有利于识别该领域研究的核心作者或学术团体[5]。作者合作网络图如图2所示，其中节点有157 个、连线有31 条、网络密度为0.0025，表明计算思维领域研究者整体分散度高。

图2 计算思维研究作者合作网络图

在本研究中，华东师范大学的李锋和曲阜师范大学的于颖为最高产作者，均发文3 篇。从所有作者的数据分析，共有10 位作者发文量不少于2 篇，约占总数的6.37%，另外有147 位作者发表文章1 篇。可以看出，国内研究计算思维的作者虽然数量较多，但是长时间深入研究的作者较少。李锋所处网络合作节点较大，与任友群、柳瑞雪、赵健、祝智庭作者有合作，说明其合作较广泛；杨鑫、解月光有合作关系；钱松岭、董玉琦有合作关系。

（四）关键词共现分析

关键词是对文章内容的总结归纳，关键词的出现频次可以反映出该研究方向受关注情况，体现其是否为研究领域内的研究热点。因此，通过观察关键词共现网络，分析关键词大小、关键词之间的连线等方面，能够了解该研究领域在一段时间内有哪些研究热点。

本文采用关键词分析法，设置文献发表时间为2011—2021年，时间切片（Years Pers Slice）为1年，选择单位时间内出现频次最高的前50%（Top N%），裁剪方式设置为Pruning Sliced Networks，形成如图3所示的关键词共现图谱。

图3 关键词共现分析图谱

按照关键词出现频次进行排序，将出现频次排名前十的关键词及其中心度展示在表2。关键词的中心度越高，说明该关键词越重要。

表2 关键词频次与中心度

结合关键词共现分析图谱以及关键词与中心度表进行分析，可以发现“计算思维”的出现频次和中心度最高，出现170 次，中心度为1.06，这说明作为研究领域中心的计算思维，具有较高的基础性与中心性。“Scratch”的出现频次排名第二，出现52 次，中心度为0.11。Scratch作为一种适合儿童的简单易学的可视化编程语言，在教育领域的应用范围极其广泛，是培养计算思维的有效途径。除此之外，关键词还有“教学设计”“信息技术”“核心素养”“教学模式”等，反映了计算思维研究中主要研究方向和研究关注点的变化趋势。

（五）关键词突现分析

关键词突现是指在某一段时间内，某个关键词的被引用次数突然增加或减少，关键词突现值越大，其突现频次变化率越高[6]。通过分析这些关键词突现的情况，可以了解到某个研究方向的前沿性和研究发展趋势。

本文设置γ=0.5，Minimum Duration 保持默认值为2，获得5 个突现词，如图4所示。按照出现年份对突现词进行排序得到：核心素养（2017—2018年）、信息技术教育（2012—2014年）、信息技术课程（2015—2017年）、算法与程序设计（2013—2018年）、教学实践（2013—2017年），这说明了计算思维研究领域各个时间阶段的研究热点。

图4 关键词突现分析图谱

（六）关键词聚类分析

关键词聚类是指将研究领域中知识结构密切相关的关键词聚成一类，通过观察关键词聚类视图，可以得到研究领域的分布情况，呈现出不同的研究主题[7]。为深入挖掘各个主题的联系，本研究对呈现出的关键词使用LLR 算法进行聚类，聚类结果如图5所示。Q 值=0.6384，说明了该聚类的结构显著，S 值=0.8693，说明了该聚类合理且具有可信度。

图5 关键词聚类分析图谱

聚类1 是计算思维，此聚类包含的关键词有培养策略、信息意识、App Inventor 等。计算思维的概念最初是1980年，Seymour Papert 在《头脑风暴：儿童、计算机和强大的想法》一书中引入的，Papert 主要将计算思维称为编程和思维技能之间的关系[8]。2006年时，美国计算机科学家周以真教授在《Communications of the ACM》杂志上详细阐述了她对计算思维的理解，她认为计算思维是涵盖计算机科学广度的一系列思维活动[9]。国内学者对计算思维的看法不一，如任友群认为，人们可以通过计算思维，将复杂问题简单化，从而形成一系列的模块化、系统化的问题解决方案[10]。

聚类2 是Scratch，此聚类包含的关键词有校本课程、创客教育、STEM 教育等。Scratch 受众广，简单易学，在中小学信息技术课堂中引入Scratch 教学，可有效拓展课堂。大部分学者认为学习Scratch 编程可以有效提高计算思维，因此如何通过Scratch 教学提升学习者的计算思维是研究者关注的重点之一。如孙丹在Scratch 教学基础上，挖掘我国青少年编程教育课程的重点内容，针对编程教学的实施方面发表了自己的见解和建议[11]。

聚类3 是信息技术，此聚类包含的关键词有高中信息技术、案例设计、计算思维评价等。学者们大多从信息技术的应用、信息技术与教学的融合等方面开展研究。如曹晓明设计了一个完整系统的教学案例，很好地将计算思维与高中阶段课程相融合，提升学习者计算思维，在一定程度上推动信息技术的教学改革[12]。

聚类4 是学科核心素养，此聚类包含的关键词有信息技术课程、新课标、支架式教学等。在基础教育改革的浪潮中，学科核心素养被多次提及和强调，如何落实学科核心素养已经成为了刻不容缓、亟待解决的关键问题。如于颖以学科核心素养中的计算思维为指导，将信息技术学科核心素养与教学内容相结合，设计出基于核心素养的课程教学结构[13]。

聚类5 是Steam 教育，此聚类包含的关键词有教育机器人、创新能力、信息科技等。学者主要关注Steam 环境与计算思维的培养相结合的途径，如李锋认为通过Stem课程，为学习者构建“做中学”“学中做”的学习环境，可以有效提升学习者的计算思维能力[14]。

聚类6 是教学设计，此聚类包含的关键词有初中信息技术、PBL 教学模式、任务驱动等。此类研究聚焦于信息技术课程的教学设计方面。如余燕芳在教学设计中注重计算思维的培养，进行了基于“项目—任务—活动”的项目设计，将计算思维结构和主题融入课堂教学中[15]。

聚类7 是教学模式，此聚类包含的关键词有行动研究、信息技术教育、课程标准等。教学模式是对教学过程的简化，在倡导学生个性发展的如今，传统讲授式教学模式已不足以满足个性发展的需求，更多的教学模式需要进一步探索。如陈兴治认为在信息技术的支持下，摸清学习者的偏差认知转变，进行个性化实验教学，可以有效提高学习者的计算思维水平[16]。

聚类8 是教学实践，此聚类包含的关键词有可视化编程、校本教材、培养模型等。学者的研究主要包括教学实践中的K-12 教学、案例教学的设计、校本课程的开发等方面。如宁可为结合信息技术课程的特点，将App Inventor 引入信息技术的课堂，发现学生的计算思维有明显提高[17]。

（七）时间线视图分析

时间线视图主要用来概述聚类与聚类之间的关系和某个聚类在时间上存在的跨度，通过分析时间线视图，能够知晓研究领域的发展趋势[18]。在CiteSpace 中设置时间切片为1年，选择时间线视图(Timeline View)，即可生成如图6所示的时间线视图。

图6 时间线视图图谱

根据图中不同聚类的时间线可以判断，计算思维在2011年研究较少，未成体系；从2012年起，计算思维研究受到了广泛的关注；2012年一直持续到2021年，研究者们一直持续关注计算思维的研究。2013—2020年，计算思维研究持续瞩目，逐渐出现了Scratch、信息技术、教学模式、教学设计、核心素养、可视化编程、项目式学习等新热点。而后至2021年8月，计算思维聚焦于儿童编程学习、计算思维评价、抛锚式教学模式、实验研究，计算思维研究得到进一步的发展，转向如何更好地落实计算思维教学。

四、结论与展望

（一）研究结论

基于CiteSpace 分析工具的分析结果，我国中小学计算思维研究现状有以下几个特征：

1.从目前我国中小学计算思维研究领域的发文量来看，研究文献呈上升趋势，在2017年时，相关文献出现爆发式增长，不难看出计算思维已经成为了近几年的教育研究热点，计算思维的研究有较大的研究意义与价值。

2.从文献机构和发文作者来看，大多数计算思维研究来源于师范类大学，少部分来源于其他大学、中小学和发展研究院，说明师范类大学对计算思维相关方向的研究关注度高。计算思维领域的发文作者整体分散度高，各机构、作者间合作研究仍有契机。

3.从研究热点来看，通过分析关键词共现图谱、关键词聚类图谱等，可以发现我国中小学计算思维研究大多关注计算思维、Scratch、信息技术、核心素养等几个方面。

4.从研究趋势来看，结合关键词时间线视图分析，发现计算思维研究具有阶段性特征，研究关注点已经逐渐从计算思维的理论基础转到应用实践。可以预测未来的计算思维研究会更加关注计算思维在教学中的落实，如儿童编程学习，以及计算思维的评价。

（二）未来展望

1.计算思维的教学

随着研究者对计算思维的研究不断深入，国内对计算思维的研究逐渐从计算思维的概念、原理等描述性研究落实到计算思维的教育教学研究。目前计算思维的理论研究逐渐成熟，但在教学实践层面仍然缺少面向计算思维培养的系统化课程。研究者可以根据计算思维的核心概念，从计算思维概念的多维度出发，构建面向计算思维培养的教学模式，设计开发出培养计算思维能力的系统化课程。同时，计算思维与课程的结合不应仅仅局限于信息技术学科，还可以依托其他相关学科，如将计算思维引入数学、物理等相关学科中，培养学生计算思维能力，加深学生计算思维能力的跨领域应用，让学生体验计算思维解决现实世界复杂问题中的作用。除此之外，由于不同年龄段学生的认知能力存在差异，每个年龄阶段学生适合的教学策略也应有所不同，未来的研究应该尝试引入不同的学习策略，如支架式学习、审美体验式学习等。最后，计算思维教学过程中仍须注意到学生的个体差异性，计算思维能力的培养并非填鸭式的教学就可以达成，应尝试让学生个性化地自适应培养个体计算思维。

2.计算思维的评价

教育教学的重要环节之一是评价反馈，计算思维教育之中不可或缺的一部分就是计算思维的评价。对学习者的计算思维进行评价，不仅可以及时评估学习者的计算思维水平变化，还可以激励学习者对计算思维的兴趣。计算思维能力的衡量依托于合理的计算思维评价标准和准确的计算思维评价工具。目前，国际上计算思维的定义还没有达成一致的共识，导致计算思维领域的评价体系较为混乱，而国内学者对计算思维的定义意见不一，且大多使用国外的计算思维工具，未能进行评价工具的本土化。计算思维评价的混乱现状，导致鲜有学者致力于将计算思维的评价理论化、系统化。因此，如何形成统一的、广受认可的计算思维评价标准，开发出适宜国情、可信度高的计算思维评价工具，是未来计算思维研究领域十分具有研究价值与意义的重要问题。其次，计算思维的评价标准在统一后还有待实践的考证。如何将计算思维评价标准实践应用于我国中小学真实的课堂之中，针对不同的教学环境与内容，计算思维的评价是否具有足够的广泛适用性。例如在教学内容方面，除信息技术学科外，计算思维的评价标准面对其他学科，例如数学、科学等，又是否需要做出不同的适应调整，这些问题值得研究者深入思考。

3.教师计算思维能力的培养

计算思维的培养与教师自身的计算思维水平息息相关，只有提升教师自身的计算思维能力，才能进一步引导发展学生的计算思维能力，从而培养更多的计算思维人才。计算思维领域需要更扎实的理论研究和更多的实践教学来帮助教师实施计算思维能力的培养和提升。教师要想更好地实施计算思维的教学，就必须接受全面的计算思维相关教育，对职前、入职、在职教师分别开展不同层次的针对性培训，来帮助教师树立正确的计算思维观念，提升教师计算思维能力，是行之有效的方法。同时也需要注意到教师计算思维能力专业发展的个性化需求，例如研发本土化的计算思维评价工具，为教师量身打造计算思维培养指导建议，从而满足不同阶段、不同个体的教师计算思维能力培养的独特需求。需要注意的是，对于教师计算思维能力的培养不是一蹴而就的，除了满足其层次化、个性化的要求之外，也要保持教师计算思维学习的持续性，要求教师始终保持高计算思维能力水准，从而为教师在计算思维教学实践中提供强有力的支撑。