我國中小學計算思維研究現狀與趨勢
——基于CiteSpace的可視化分析

涂雅婷 陸康康 王昂昂

（浙江師范大學 教師教育學院，浙江 金華 321004）

一、引言

信息時代，計算機已經成為人們日常生活中不可或缺的組成部分。計算機處理問題的高效便捷，引發人們對計算機模塊化、程序化的邏輯方式進行思考。自1980年，Seymour Papert 在文章中首次使用“計算思維”一詞，到2006年，周以真教授對計算思維做出了詳細的概念界定，計算思維迅速受到關注。隨著對計算思維的研究越來越深入，許多國家開始意識到將計算思維納入課程結構的必要性。2018年，我國教育部發表《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》文件，文件中提出信息技術的四個學科核心素養，并將計算思維列為信息技術的學科核心素養之一[1]。

為了更全面地把握我國中小學計算思維研究領域的研究熱點與發展趨勢，本文使用CiteSpace 分析工具，對2011—2021年國內中小學計算思維相關研究進行全面性的可視化分析，旨在揭示我國中小學計算思維研究的現狀、熱點和趨勢，以更好地推動我國計算思維研究的發展。

二、研究方案

（一）研究工具

本研究使用的研究工具是由美國的陳超美教授開發的可視化分析工具CiteSpace[2]。CiteSpace 可以用來進行學術文獻的可視化分析，通過分析CiteSpace 軟件制作的關鍵詞共現、關鍵詞聚類等圖譜，能夠較為全面地了解某一學科或領域的前沿熱點以及發展趨勢，具有便捷、高效的特點，因此CiteSpace 軟件被廣泛使用于知識圖譜可視化領域。

（二）數據來源

本研究的研究對象選自中國知網（CNKI）中的核心期刊數據庫、CSSCI 期刊數據庫和碩博論文數據庫，檢索條件為“（主題：計算思維）AND（主題：小學+初中+高中+中學）”，詞頻為“精確”，時間跨度為2011—2021年，檢索時間為2021年8月。對檢索結果進行手工篩選，刪除會議報告、綱要等無關文獻，最終得到343 篇有效文獻。

三、研究結果分析

（一）年度發文量分析

文獻的發文量可以有效體現某研究領域發展的興衰變化。在一定程度上，發表的文獻數量可以反映一個研究領域的研究情況，以及研究者對該研究領域的態度[3]。一段時間內，文獻發文量越多，代表研究者對該領域的關注度越高。對檢索得到文獻進行統計分析后，得到如圖1所示的中小學計算思維研究年度發文量。由圖1可以看出，2011—2017年間，以計算思維為主題的文獻數量較少，發文量雖略有上漲但幅度不大，說明該領域的研究處于起步階段。2017—2020年間，發文量呈現大幅上漲的趨勢，這可能與2018年時我國教育部發布了《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》文件有關。在《普通高中信息技術課程標準（2017年版)》文件中，明確了信息技術學科的四個核心素養，分別是：信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任[4]。2021年的發文量有所下降，除了與檢索時間為2021年8月有關，還可能的原因是計算思維研究領域發展到較成熟階段。我國計算思維研究經歷了十多年的發展，研究領域的影響不斷擴大，計算思維的培養逐漸受到越來越多的關注和重視。

圖1 計算思維研究年度發文量

（二）文獻機構來源分析

對文獻機構來源進行分析，可以篩選出該研究領域的核心機構。分析結果顯示，本研究的文獻主要來自各高校、中小學和發展研究院。經過統計，在表1中展示發文篇數排名前10 的機構。

表1 計算思維文獻機構來源

分析表1中數據，可以看出發文量排名前十位的機構是各類高校，其中有8 所師范大學、2 所其他大學，這說明師范類大學是計算思維研究領域的主力軍。與此同時，小部分非師范類院校的教育相關專業也對計算思維投以關注。值得注意的是，華中師范大學和上海師范大學兩所師范類大學發文篇數較多，以較大優勢名列前茅，反映出這兩個機構在計算思維研究領域有較強的研究潛力和研究影響力。對發文機構進行統計，發表5篇以上文章的機構共有14 個，大部分為師范類大學。由此可見，關注計算思維研究的大多是師范類大學，小部分中小學、發展研究院等機構也在關注并進行計算思維研究。

（三）發文作者分析

分析作者合作網絡圖，有利于識別該領域研究的核心作者或學術團體[5]。作者合作網絡圖如圖2所示，其中節點有157 個、連線有31 條、網絡密度為0.0025，表明計算思維領域研究者整體分散度高。

圖2 計算思維研究作者合作網絡圖

在本研究中，華東師范大學的李鋒和曲阜師范大學的于穎為最高產作者，均發文3 篇。從所有作者的數據分析，共有10 位作者發文量不少于2 篇，約占總數的6.37%，另外有147 位作者發表文章1 篇。可以看出，國內研究計算思維的作者雖然數量較多，但是長時間深入研究的作者較少。李鋒所處網絡合作節點較大，與任友群、柳瑞雪、趙健、祝智庭作者有合作，說明其合作較廣泛；楊鑫、解月光有合作關系；錢松嶺、董玉琦有合作關系。

（四）關鍵詞共現分析

關鍵詞是對文章內容的總結歸納，關鍵詞的出現頻次可以反映出該研究方向受關注情況，體現其是否為研究領域內的研究熱點。因此，通過觀察關鍵詞共現網絡，分析關鍵詞大小、關鍵詞之間的連線等方面，能夠了解該研究領域在一段時間內有哪些研究熱點。

本文采用關鍵詞分析法，設置文獻發表時間為2011—2021年，時間切片（Years Pers Slice）為1年，選擇單位時間內出現頻次最高的前50%（Top N%），裁剪方式設置為Pruning Sliced Networks，形成如圖3所示的關鍵詞共現圖譜。

圖3 關鍵詞共現分析圖譜

按照關鍵詞出現頻次進行排序，將出現頻次排名前十的關鍵詞及其中心度展示在表2。關鍵詞的中心度越高，說明該關鍵詞越重要。

表2 關鍵詞頻次與中心度

結合關鍵詞共現分析圖譜以及關鍵詞與中心度表進行分析，可以發現“計算思維”的出現頻次和中心度最高，出現170 次，中心度為1.06，這說明作為研究領域中心的計算思維，具有較高的基礎性與中心性。“Scratch”的出現頻次排名第二，出現52 次，中心度為0.11。Scratch作為一種適合兒童的簡單易學的可視化編程語言，在教育領域的應用范圍極其廣泛，是培養計算思維的有效途徑。除此之外，關鍵詞還有“教學設計”“信息技術”“核心素養”“教學模式”等，反映了計算思維研究中主要研究方向和研究關注點的變化趨勢。

（五）關鍵詞突現分析

關鍵詞突現是指在某一段時間內，某個關鍵詞的被引用次數突然增加或減少，關鍵詞突現值越大，其突現頻次變化率越高[6]。通過分析這些關鍵詞突現的情況，可以了解到某個研究方向的前沿性和研究發展趨勢。

本文設置γ=0.5，Minimum Duration 保持默認值為2，獲得5 個突現詞，如圖4所示。按照出現年份對突現詞進行排序得到：核心素養（2017—2018年）、信息技術教育（2012—2014年）、信息技術課程（2015—2017年）、算法與程序設計（2013—2018年）、教學實踐（2013—2017年），這說明了計算思維研究領域各個時間階段的研究熱點。

圖4 關鍵詞突現分析圖譜

（六）關鍵詞聚類分析

關鍵詞聚類是指將研究領域中知識結構密切相關的關鍵詞聚成一類，通過觀察關鍵詞聚類視圖，可以得到研究領域的分布情況，呈現出不同的研究主題[7]。為深入挖掘各個主題的聯系，本研究對呈現出的關鍵詞使用LLR 算法進行聚類，聚類結果如圖5所示。Q 值=0.6384，說明了該聚類的結構顯著，S 值=0.8693，說明了該聚類合理且具有可信度。

圖5 關鍵詞聚類分析圖譜

聚類1 是計算思維，此聚類包含的關鍵詞有培養策略、信息意識、App Inventor 等。計算思維的概念最初是1980年，Seymour Papert 在《頭腦風暴：兒童、計算機和強大的想法》一書中引入的，Papert 主要將計算思維稱為編程和思維技能之間的關系[8]。2006年時，美國計算機科學家周以真教授在《Communications of the ACM》雜志上詳細闡述了她對計算思維的理解，她認為計算思維是涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動[9]。國內學者對計算思維的看法不一，如任友群認為，人們可以通過計算思維，將復雜問題簡單化，從而形成一系列的模塊化、系統化的問題解決方案[10]。

聚類2 是Scratch，此聚類包含的關鍵詞有校本課程、創客教育、STEM 教育等。Scratch 受眾廣，簡單易學，在中小學信息技術課堂中引入Scratch 教學，可有效拓展課堂。大部分學者認為學習Scratch 編程可以有效提高計算思維，因此如何通過Scratch 教學提升學習者的計算思維是研究者關注的重點之一。如孫丹在Scratch 教學基礎上，挖掘我國青少年編程教育課程的重點內容，針對編程教學的實施方面發表了自己的見解和建議[11]。

聚類3 是信息技術，此聚類包含的關鍵詞有高中信息技術、案例設計、計算思維評價等。學者們大多從信息技術的應用、信息技術與教學的融合等方面開展研究。如曹曉明設計了一個完整系統的教學案例，很好地將計算思維與高中階段課程相融合，提升學習者計算思維，在一定程度上推動信息技術的教學改革[12]。

聚類4 是學科核心素養，此聚類包含的關鍵詞有信息技術課程、新課標、支架式教學等。在基礎教育改革的浪潮中，學科核心素養被多次提及和強調，如何落實學科核心素養已經成為了刻不容緩、亟待解決的關鍵問題。如于穎以學科核心素養中的計算思維為指導，將信息技術學科核心素養與教學內容相結合，設計出基于核心素養的課程教學結構[13]。

聚類5 是Steam 教育，此聚類包含的關鍵詞有教育機器人、創新能力、信息科技等。學者主要關注Steam 環境與計算思維的培養相結合的途徑，如李鋒認為通過Stem課程，為學習者構建“做中學”“學中做”的學習環境，可以有效提升學習者的計算思維能力[14]。

聚類6 是教學設計，此聚類包含的關鍵詞有初中信息技術、PBL 教學模式、任務驅動等。此類研究聚焦于信息技術課程的教學設計方面。如余燕芳在教學設計中注重計算思維的培養，進行了基于“項目—任務—活動”的項目設計，將計算思維結構和主題融入課堂教學中[15]。

聚類7 是教學模式，此聚類包含的關鍵詞有行動研究、信息技術教育、課程標準等。教學模式是對教學過程的簡化，在倡導學生個性發展的如今，傳統講授式教學模式已不足以滿足個性發展的需求，更多的教學模式需要進一步探索。如陳興治認為在信息技術的支持下，摸清學習者的偏差認知轉變，進行個性化實驗教學，可以有效提高學習者的計算思維水平[16]。

聚類8 是教學實踐，此聚類包含的關鍵詞有可視化編程、校本教材、培養模型等。學者的研究主要包括教學實踐中的K-12 教學、案例教學的設計、校本課程的開發等方面。如寧可為結合信息技術課程的特點，將App Inventor 引入信息技術的課堂，發現學生的計算思維有明顯提高[17]。

（七）時間線視圖分析

時間線視圖主要用來概述聚類與聚類之間的關系和某個聚類在時間上存在的跨度，通過分析時間線視圖，能夠知曉研究領域的發展趨勢[18]。在CiteSpace 中設置時間切片為1年，選擇時間線視圖(Timeline View)，即可生成如圖6所示的時間線視圖。

圖6 時間線視圖圖譜

根據圖中不同聚類的時間線可以判斷，計算思維在2011年研究較少，未成體系；從2012年起，計算思維研究受到了廣泛的關注；2012年一直持續到2021年，研究者們一直持續關注計算思維的研究。2013—2020年，計算思維研究持續矚目，逐漸出現了Scratch、信息技術、教學模式、教學設計、核心素養、可視化編程、項目式學習等新熱點。而后至2021年8月，計算思維聚焦于兒童編程學習、計算思維評價、拋錨式教學模式、實驗研究，計算思維研究得到進一步的發展，轉向如何更好地落實計算思維教學。

四、結論與展望

（一）研究結論

基于CiteSpace 分析工具的分析結果，我國中小學計算思維研究現狀有以下幾個特征：

1.從目前我國中小學計算思維研究領域的發文量來看，研究文獻呈上升趨勢，在2017年時，相關文獻出現爆發式增長，不難看出計算思維已經成為了近幾年的教育研究熱點，計算思維的研究有較大的研究意義與價值。

2.從文獻機構和發文作者來看，大多數計算思維研究來源于師范類大學，少部分來源于其他大學、中小學和發展研究院，說明師范類大學對計算思維相關方向的研究關注度高。計算思維領域的發文作者整體分散度高，各機構、作者間合作研究仍有契機。

3.從研究熱點來看，通過分析關鍵詞共現圖譜、關鍵詞聚類圖譜等，可以發現我國中小學計算思維研究大多關注計算思維、Scratch、信息技術、核心素養等幾個方面。

4.從研究趨勢來看，結合關鍵詞時間線視圖分析，發現計算思維研究具有階段性特征，研究關注點已經逐漸從計算思維的理論基礎轉到應用實踐。可以預測未來的計算思維研究會更加關注計算思維在教學中的落實，如兒童編程學習，以及計算思維的評價。

（二）未來展望

1.計算思維的教學

隨著研究者對計算思維的研究不斷深入，國內對計算思維的研究逐漸從計算思維的概念、原理等描述性研究落實到計算思維的教育教學研究。目前計算思維的理論研究逐漸成熟，但在教學實踐層面仍然缺少面向計算思維培養的系統化課程。研究者可以根據計算思維的核心概念，從計算思維概念的多維度出發，構建面向計算思維培養的教學模式，設計開發出培養計算思維能力的系統化課程。同時，計算思維與課程的結合不應僅僅局限于信息技術學科，還可以依托其他相關學科，如將計算思維引入數學、物理等相關學科中，培養學生計算思維能力，加深學生計算思維能力的跨領域應用，讓學生體驗計算思維解決現實世界復雜問題中的作用。除此之外，由于不同年齡段學生的認知能力存在差異，每個年齡階段學生適合的教學策略也應有所不同，未來的研究應該嘗試引入不同的學習策略，如支架式學習、審美體驗式學習等。最后，計算思維教學過程中仍須注意到學生的個體差異性，計算思維能力的培養并非填鴨式的教學就可以達成，應嘗試讓學生個性化地自適應培養個體計算思維。

2.計算思維的評價

教育教學的重要環節之一是評價反饋，計算思維教育之中不可或缺的一部分就是計算思維的評價。對學習者的計算思維進行評價，不僅可以及時評估學習者的計算思維水平變化，還可以激勵學習者對計算思維的興趣。計算思維能力的衡量依托于合理的計算思維評價標準和準確的計算思維評價工具。目前，國際上計算思維的定義還沒有達成一致的共識，導致計算思維領域的評價體系較為混亂，而國內學者對計算思維的定義意見不一，且大多使用國外的計算思維工具，未能進行評價工具的本土化。計算思維評價的混亂現狀，導致鮮有學者致力于將計算思維的評價理論化、系統化。因此，如何形成統一的、廣受認可的計算思維評價標準，開發出適宜國情、可信度高的計算思維評價工具，是未來計算思維研究領域十分具有研究價值與意義的重要問題。其次，計算思維的評價標準在統一后還有待實踐的考證。如何將計算思維評價標準實踐應用于我國中小學真實的課堂之中，針對不同的教學環境與內容，計算思維的評價是否具有足夠的廣泛適用性。例如在教學內容方面，除信息技術學科外，計算思維的評價標準面對其他學科，例如數學、科學等，又是否需要做出不同的適應調整，這些問題值得研究者深入思考。

3.教師計算思維能力的培養

計算思維的培養與教師自身的計算思維水平息息相關，只有提升教師自身的計算思維能力，才能進一步引導發展學生的計算思維能力，從而培養更多的計算思維人才。計算思維領域需要更扎實的理論研究和更多的實踐教學來幫助教師實施計算思維能力的培養和提升。教師要想更好地實施計算思維的教學，就必須接受全面的計算思維相關教育，對職前、入職、在職教師分別開展不同層次的針對性培訓，來幫助教師樹立正確的計算思維觀念，提升教師計算思維能力，是行之有效的方法。同時也需要注意到教師計算思維能力專業發展的個性化需求，例如研發本土化的計算思維評價工具，為教師量身打造計算思維培養指導建議，從而滿足不同階段、不同個體的教師計算思維能力培養的獨特需求。需要注意的是，對于教師計算思維能力的培養不是一蹴而就的，除了滿足其層次化、個性化的要求之外，也要保持教師計算思維學習的持續性，要求教師始終保持高計算思維能力水準，從而為教師在計算思維教學實踐中提供強有力的支撐。