張 紅

（揚(yáng)州大學(xué)新聞與傳媒學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000）

0 引言

計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）一詞可追溯到20 世紀(jì)80 年代，Seymour Papert 開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)和教育的現(xiàn)代聯(lián)系，提出計(jì)算機(jī)可以增強(qiáng)思維并改變可及性的模式。直到2006 年，Wing［1］在頗具影響力的研究論文中通過(guò)闡明計(jì)算思維的概念進(jìn)而呼應(yīng)了這些想法，使之備受矚目，并提倡計(jì)算思維是每個(gè)人必不可少的技能，應(yīng)將CT 納入K-12 教育?！坝?jì)算思維教育”一詞強(qiáng)調(diào)了計(jì)算和計(jì)算思維在促進(jìn)學(xué)習(xí)中的作用，這一觀點(diǎn)被稱(chēng)為是Papert 理念的傳承［2］。西方國(guó)家作為開(kāi)拓者，早已興起一場(chǎng)計(jì)算思維教育改革運(yùn)動(dòng)，美洲、歐洲、亞洲、大洋洲的許多國(guó)家在開(kāi)始傳授計(jì)算機(jī)知識(shí)之前紛紛開(kāi)展K-12 年級(jí)的計(jì)算思維教育［3］。劉敏娜等［4］通過(guò)滾雪球的方法梳理文獻(xiàn)，提出計(jì)算思維教育內(nèi)容邊界不清、層次不明；張進(jìn)寶［5］系統(tǒng)化分析計(jì)算思維的概念，認(rèn)為應(yīng)審慎設(shè)計(jì)包括編程在內(nèi)的計(jì)算思維教育活動(dòng)，不能僅關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生算法和編程技巧的“功利性教育”等。

國(guó)內(nèi)少有針對(duì)計(jì)算思維教育的量化分析相關(guān)研究，鑒于此，本文通過(guò)可視化知識(shí)圖譜分析，梳理科學(xué)網(wǎng)（Web of Science）數(shù)據(jù)庫(kù)核心數(shù)據(jù)合集中的文獻(xiàn)，科學(xué)展現(xiàn)國(guó)際計(jì)算思維教育研究熱點(diǎn)、趨勢(shì)，從中吸取經(jīng)驗(yàn)以更好地推動(dòng)我國(guó)計(jì)算思維教育發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文以WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)核心數(shù)據(jù)合集為文獻(xiàn)來(lái)源，檢索時(shí)間為2020 年4 月。以主題為檢索條件“TS=（Computational Thinking AND education）”，檢索時(shí)間跨度為2010 年1 月—2020 年3 月，索引為SCI-EXPANDED、SSCI、A&HCI、ESCI。檢索到432 篇文獻(xiàn)，剔除不符合“計(jì)算思維&教育”主題的文獻(xiàn)，共選取365 篇文獻(xiàn)作為研究樣本。

本文采用的研究工具是陳超美教授開(kāi)發(fā)的一款可視化軟件——CiteSpace5.6.R5，研究方法主要基于科學(xué)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)圖譜理論，以可視化圖譜方式探尋出學(xué)科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑、知識(shí)拐點(diǎn)及學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)［6］。本文通過(guò)共詞圖譜可視化、對(duì)數(shù)極大似然率（Log-Likelihood Ratio，LLR）聚類(lèi)分析及高引用關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計(jì)方法，探討國(guó)際計(jì)算思維教育研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)。

研究前的基礎(chǔ)設(shè)定如下：將時(shí)間閾值設(shè)置為“From 2010 to 2020”；施引文獻(xiàn)選擇“keyword”共現(xiàn)分析功能；連線閾值數(shù)據(jù)對(duì)象強(qiáng)度設(shè)置為“Cosine”類(lèi)型；節(jié)點(diǎn)閾值設(shè)置為“Top N”類(lèi)型（數(shù)值為60），代表選取數(shù)據(jù)合集中計(jì)算思維教育文獻(xiàn)每年被引頻次或出現(xiàn)頻次最高的前60 篇；本研究中知識(shí)圖譜網(wǎng)絡(luò)修剪方式為最小生成樹(shù)（Minimum Spanning Tree），該算法運(yùn)算簡(jiǎn)捷，能很快出結(jié)果；經(jīng)由多次測(cè)試，本研究在此修剪方式下結(jié)果的模塊值（Q 值）和平均輪廓值（S 值）最為理想。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 研究熱點(diǎn)分析

2.1.1 聚類(lèi)視圖分析

運(yùn)用CitiSpace 對(duì)獲取到的365 篇主題文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，得到Q 值為0.55，大于0.30，表明聚類(lèi)結(jié)構(gòu)顯著；S 值為0.77，大于0.70，說(shuō)明國(guó)際計(jì)算思維教育相關(guān)研究聚類(lèi)結(jié)果高效且令人信服。

聚類(lèi)視圖側(cè)重于體現(xiàn)聚類(lèi)間的結(jié)構(gòu)特征，突出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及重要連接。研究使用LLR 算法提取聚類(lèi)命名，聚類(lèi)規(guī)模越大，則編號(hào)越?。?］。從圖1（彩圖掃OSID 碼可見(jiàn)，下同）可看出，主題樣本通過(guò)LLR 聚類(lèi)后分為9 類(lèi)研究主題：編程專(zhuān)業(yè)（聚類(lèi)#0 programming profession）、評(píng)估方法（聚類(lèi)#1evaluation methodologies）、ScratchJr（聚類(lèi)#2 scratchjr）、算法能力（聚類(lèi)#3 algorithmic skills）、工程設(shè)計(jì)（聚類(lèi)#4 engineering design）、教育技術(shù)（聚類(lèi)#5 educational technology）、解決問(wèn)題（聚類(lèi)#6 problem-solving）、機(jī)器人（聚類(lèi)#7 robotics）、小學(xué)（聚類(lèi)#8 elementary）。在二維空間中，聚類(lèi)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有所突出且聯(lián)系緊密，說(shuō)明國(guó)際計(jì)算思維教育研究處于探索階段，且在不斷拓寬，聚類(lèi)結(jié)構(gòu)在向良好狀態(tài)發(fā)展。

圖1 2010-2020 年國(guó)際計(jì)算思維教育研究聚類(lèi)視圖

2.1.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜及引用頻次分析

關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜有利于分析研究熱點(diǎn)及其演變規(guī)律，如圖2 所示，關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜共有節(jié)點(diǎn)N（152）個(gè)、連線E（281）條，其節(jié)點(diǎn)代表計(jì)算思維教育研究的關(guān)鍵詞，由不同顏色的年輪組成，其大小或厚度反映了該關(guān)鍵詞被多篇文章關(guān)注的程度，節(jié)點(diǎn)越大，則關(guān)注越多、共現(xiàn)頻率越高［8］。計(jì)算思維教育研究共現(xiàn)頻率最高的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞為“計(jì)算思維（computational thinking）”，而后有“K-12（K 12）”、“機(jī)器人（robites）”、“學(xué)生（student）”、“Scratch（scratch）”、“計(jì)算機(jī)科學(xué)教育（computer science education）”、“編碼（coding）”、“態(tài)度（attitude）”及“有效性（validity）”。

本文對(duì)引用頻次20 次以上的高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行歸納（見(jiàn)表1），并對(duì)聚類(lèi)及其包含的典型文獻(xiàn)進(jìn)行分析，歸納出計(jì)算思維教育的研究熱點(diǎn)知識(shí)子群。

表1 2010-2020 年國(guó)際計(jì)算思維教育研究高頻關(guān)鍵詞

圖2 2010-2020 年國(guó)際計(jì)算思維教育研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

（1）計(jì)算思維教學(xué)策略。它是由計(jì)算思維、教育、設(shè)計(jì)、編碼、游戲、課程等關(guān)鍵詞形成的“計(jì)算思維教學(xué)策略”熱點(diǎn)子群。教師使用教學(xué)策略有助于最大程度地減少學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。在美國(guó)國(guó)立教育學(xué)院，研究人員正與教師合作開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)用于計(jì)算思維和計(jì)算教育的教學(xué)法，這樣的成果之一就是在學(xué)校中開(kāi)發(fā)了用于計(jì)算思維教學(xué)的非接觸式方法［9］。研究人員為計(jì)算機(jī)教師舉辦講習(xí)班，以體驗(yàn)各種不插電的活動(dòng)（Unplugged Activities），如天秤分類(lèi)（Sortingwith a Balance Scale）、二進(jìn)制卡（Binary Cards）和避免死鎖（Deadlock Avoidance）。

（2）學(xué)科發(fā)展及跨學(xué)科教學(xué)。它是由教育、技術(shù)、數(shù)學(xué)、STEM、計(jì)算機(jī)科學(xué)等關(guān)鍵詞形成的“學(xué)科發(fā)展及跨學(xué)科教學(xué)”熱點(diǎn)子群。研究人員期待能允許CT 的跨學(xué)科方法嵌入不同的學(xué)科領(lǐng)域，有研究試圖將游戲中獲得的CT 轉(zhuǎn)移到數(shù)學(xué)和科學(xué)課程，模擬科學(xué)現(xiàn)象的過(guò)程［10］；Grover 等［11］發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可將從Scratch 學(xué)到的計(jì)算概念應(yīng)用于特定的基于文本的編程語(yǔ)言中；Pollak 等［12］提出將計(jì)算思維整合到教育課程中，不要屈服于民粹主義觀念和過(guò)度簡(jiǎn)化。對(duì)未來(lái)研究的建議之一便是正視“采用跨領(lǐng)域教學(xué)模式”的必要性。

（3）教學(xué)評(píng)價(jià)體系。它是由科學(xué)、Scratch、框架、問(wèn)題解決等關(guān)鍵詞形成的“教學(xué)評(píng)價(jià)體系”熱點(diǎn)子群。衡量CT 在學(xué)術(shù)界普及程度的一項(xiàng)指標(biāo)是評(píng)估自成立以來(lái)近13 年的大量文獻(xiàn)綜述和元研究。備受關(guān)注的Bebras 國(guó)際競(jìng)賽是2003 年在立陶宛誕生的競(jìng)賽，是將學(xué)生的計(jì)算思維轉(zhuǎn)移或投射于任務(wù)之上，解決對(duì)學(xué)生有意義的實(shí)際問(wèn)題；除基于特定干預(yù)措施設(shè)定的具有特定研究目的的評(píng)估：CSTA、Barefoot、Dr.Scratch 和#5c21 模型等，研究人員也在努力開(kāi)發(fā)測(cè)量CT 的量表：有研究在測(cè)試1251 名西班牙學(xué)生（5-10年級(jí)）后，開(kāi)發(fā)出著重于計(jì)算概念（方向、序列、循環(huán)、簡(jiǎn)單函數(shù)）測(cè)試的CT 評(píng)估量表［13］。

（4）教育機(jī)器人。它是由K-12、編程、教育機(jī)器人等關(guān)鍵詞形成的“教育機(jī)器人”熱點(diǎn)子群。機(jī)器人技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于STEM 教育，在編程課程中使用機(jī)器人可以使學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念。Vona 等［14］展示了機(jī)器人技術(shù)的跨學(xué)科課程，包括課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室練習(xí)和鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)的項(xiàng)目；Chiazzese 等［15］表明，機(jī)器人尤其能提升思維技能（如觀察和操作）、能力解決問(wèn)題（如提出假設(shè)和測(cè)試）以及社交和互動(dòng)技能。

（5）計(jì)算觀念。它是由計(jì)算機(jī)科學(xué)教育、編碼、態(tài)度、自我效能等關(guān)鍵詞形成的“計(jì)算觀念”熱點(diǎn)子群。計(jì)算概念和實(shí)踐在衡量學(xué)習(xí)者CT 發(fā)展中起關(guān)鍵作用，而學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)編程的計(jì)算觀念也至關(guān)重要。Brennan 等［16］提出編程過(guò)程中的計(jì)算觀念（Computational Perspectives）——包括表達(dá)、聯(lián)系和質(zhì)疑——來(lái)調(diào)查學(xué)習(xí)者對(duì)自己的理解以及他們與他人和技術(shù)世界的關(guān)系。此外，計(jì)算觀念還包括學(xué)習(xí)者在理解自我時(shí)的動(dòng)機(jī)信念，即價(jià)值和期望：以編程為例，價(jià)值是指學(xué)習(xí)者的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，如他們對(duì)編程學(xué)習(xí)的態(tài)度和興趣；期望是指學(xué)習(xí)者對(duì)編程的信心，包括編程自我效能感（在編程背景下“人們對(duì)其組織和執(zhí)行達(dá)到指定類(lèi)型表現(xiàn)所需的行動(dòng)過(guò)程的能力判斷”）和自我概念（對(duì)一個(gè)人編程能力的信念）［17］。

（6）性別差異。它是由學(xué)生、技能、科學(xué)教育等關(guān)鍵詞形成的“性別差異”熱點(diǎn)子群。Durak 等［18］通過(guò)方便抽樣選取了156 名5-12 年級(jí)的學(xué)生，研究影響計(jì)算思維的因素，發(fā)現(xiàn)受教育程度、數(shù)學(xué)和科學(xué)課程的學(xué)術(shù)成就及思維方式對(duì)計(jì)算思維有影響，而性別對(duì)計(jì)算思維沒(méi)有影響。Cheng［19］使用方便抽樣的方法針對(duì)香港某小學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，男生的社會(huì)影響顯著影響可視化編程環(huán)境（Visual Programming Environment，VPE）的感知有用性，而女生的外部鼓勵(lì)對(duì)VPE 的感知有用性有顯著影響。鑒于感知有用性決定因素的性別差異，建議在教育實(shí)踐中專(zhuān)門(mén)為男孩（將教師期望與學(xué)生使用VPE 聯(lián)系起來(lái)）和女孩（就VPE 中的學(xué)生作業(yè)提供及時(shí)和建設(shè)性的反饋）設(shè)計(jì)教學(xué)策略。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)研究

2.2.1 關(guān)鍵詞突現(xiàn)性分析

關(guān)鍵詞突現(xiàn)性是指某段時(shí)間內(nèi)，該關(guān)鍵詞突然上升或下降的頻率，代表某一研究領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變方向。該值越大，表示關(guān)鍵詞在相應(yīng)時(shí)間段的出現(xiàn)頻次變化率越高，如表2所示。

表2 2010-2020 年國(guó)際計(jì)算思維教育研究突現(xiàn)關(guān)鍵詞

2017 年，CSTA K-12 計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，意味著標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程作為主要輸入的K-12 科學(xué)教育框架受到重視。對(duì)框架的探索不僅存在于K-12 科學(xué)教育框架中，而且存在于計(jì)算思維的基礎(chǔ)定義及評(píng)估問(wèn)題中。近年來(lái)，Brennan&Resnick 提出的CT 三維框架——概念、實(shí)踐和觀念框架在文獻(xiàn)中常被引用?，F(xiàn)以循證設(shè)計(jì)為指導(dǎo)的假設(shè)驅(qū)動(dòng)方法框架有效補(bǔ)充數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)分析方法，可用于解釋學(xué)生的編程過(guò)程并在基于塊的編程環(huán)境中評(píng)估CT。另有研究［20］使用基于教育、社會(huì)和技術(shù)（Pedagogical、Social and Technological）啟示框架的調(diào)查工具捕捉學(xué)生對(duì)在線學(xué)習(xí)環(huán)境的感知，以此設(shè)計(jì)和評(píng)估以學(xué)習(xí)者為中心的在線編程學(xué)習(xí)環(huán)境。

將計(jì)算思維應(yīng)用于高等教育成為研究的一大趨勢(shì)，重點(diǎn)在于如何將計(jì)算思維有效地納入高校課程教學(xué)中。奧地利一所大學(xué)（Alpen-Adria-University）的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室定義了未來(lái)3 個(gè)主要的研究機(jī)會(huì)：計(jì)算思維技能評(píng)估問(wèn)題；計(jì)算機(jī)科學(xué)教育之外計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)廣泛傳播趨勢(shì)下的跨學(xué)科教育需要；將計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)納入普通教師教育課程［12］。在涉及高等教育學(xué)生的研究中可以發(fā)現(xiàn)，反思是一種常用策略，常被要求反思其編程經(jīng)驗(yàn)；高等教育項(xiàng)目的一個(gè)共同元素是引入課程，在這些課程中，學(xué)生為現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題設(shè)計(jì)產(chǎn)品和解決方案，并參與實(shí)際工程項(xiàng)目。

編程突顯年份為2014 年，之后一直成為計(jì)算思維教育實(shí)踐探索新領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)編程是使計(jì)算思維活躍起來(lái)最基本的方法。研究表明，在徽標(biāo)編程語(yǔ)言之后，直到有易于使用的可視化編程語(yǔ)言問(wèn)世，使用編程工具教兒童編程的方法才得以廣泛研究［21］。以Scratch 應(yīng)用為例，常運(yùn)用基于設(shè)計(jì)的研究、數(shù)據(jù)三角測(cè)量、Bloom 的經(jīng)典分類(lèi)法、TPACK 模型和翻轉(zhuǎn)課堂方法，詳細(xì)分析可視化編程在小學(xué)社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)踐與整合，并對(duì)干預(yù)中的效益和實(shí)踐開(kāi)展評(píng)價(jià)。計(jì)算思維教育中需要澄清的問(wèn)題還有關(guān)于計(jì)算思維、計(jì)算機(jī)科學(xué)和編程之間的關(guān)系這一概念區(qū)分問(wèn)題：計(jì)算思維起源于計(jì)算機(jī)科學(xué)，但它不同于計(jì)算機(jī)科學(xué)的是它可促使人們將CT 技能轉(zhuǎn)移到編程以外的領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)主張計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域比編程學(xué)習(xí)更廣泛，而計(jì)算思維因包括一種思考日?；顒?dòng)和問(wèn)題的方法而較計(jì)算機(jī)科學(xué)更加廣泛［22］。

2.2.2 時(shí)間線視圖分析

圖3 2010-2020 年國(guó)際計(jì)算思維教育研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)及時(shí)間線視圖

時(shí)間線視圖側(cè)重于勾畫(huà)聚類(lèi)之間的關(guān)系和某個(gè)聚類(lèi)中文獻(xiàn)的歷史跨度，可用來(lái)分析計(jì)算思維教育研究的發(fā)展趨勢(shì)。聚類(lèi)按降序垂直排列，最大的聚類(lèi)顯示在視圖頂部；在每個(gè)時(shí)間軸下顯示有某年共現(xiàn)頻率最高的3 個(gè)關(guān)鍵詞，共現(xiàn)程度最高的關(guān)鍵詞詞匯標(biāo)簽放在最低位置。根據(jù)圖3 中不同聚類(lèi)的時(shí)間線可判斷：國(guó)際計(jì)算思維教育在2010-2012 年研究較少，未成體系；自2013 年起受到廣泛關(guān)注，于2014-2018 年計(jì)算思維教育迎來(lái)發(fā)展高潮，且持續(xù)矚目，逐漸出現(xiàn)了游戲設(shè)計(jì)（game design）、問(wèn)題解決（problem solving）、教師教育（teachereducation）、機(jī)器人（robotics）、Scratch（scratch）、計(jì)算參與（computationalparticipation）等新熱點(diǎn)；而后至2020 年3 月，國(guó)際計(jì)算思維教育聚焦于學(xué)校（school）、性別（gender）、有效性（validity），并得到進(jìn)一步發(fā)展，以更好實(shí)現(xiàn)其普適性、基礎(chǔ)性。

根據(jù)連線判斷，聚類(lèi)#0 中節(jié)點(diǎn)教育（education）的傳承關(guān)系變化主要發(fā)生在2017 年。計(jì)算思維教育實(shí)施需依托計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科背景開(kāi)展多元化課程，并結(jié)合Scratch 開(kāi)展教學(xué)，聯(lián)結(jié)游戲化培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力。聚類(lèi)#4 中節(jié)點(diǎn)學(xué)生（student）的傳承關(guān)系變化主要發(fā)生在2016 年。在計(jì)算思維教育研究中，需根據(jù)學(xué)生抽象思維開(kāi)展科學(xué)教育，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的知識(shí)、動(dòng)機(jī)、態(tài)度。聚類(lèi)#1 中節(jié)點(diǎn)教學(xué)/學(xué)習(xí)策略（teaching/learning strategy）的傳承關(guān)系變化主要發(fā)生在2016 年。教學(xué)或?qū)W習(xí)策略是進(jìn)行計(jì)算思維教育的重要一環(huán)，初等教育中正在使用可視化編程創(chuàng)建數(shù)字故事和計(jì)算機(jī)游戲，與編程和機(jī)器人技術(shù)一樣，游戲設(shè)計(jì)也需玩家實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)。教育研究者正研究從游戲中轉(zhuǎn)移出的計(jì)算思維，再到模擬科學(xué)現(xiàn)象的過(guò)程，確定個(gè)性化且行之有效的評(píng)估方法以獲得有效教學(xué)反饋是研究者們?nèi)栽谔剿鞯恼n題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用Citespace 軟件對(duì)2010-2020 年第一季度國(guó)際計(jì)算思維教育文獻(xiàn)進(jìn)行了可視化分析，通過(guò)共詞圖譜分析、聚類(lèi)分析科學(xué)梳理出其研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，研究也存在一定局限性，如計(jì)算思維理論研究范圍跨學(xué)科性較強(qiáng)，本文研究?jī)H依托于WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)核心數(shù)據(jù)且針對(duì)教育應(yīng)用領(lǐng)域，難免有主題詞劃分及歸類(lèi)偏差。因此，在后續(xù)研究中，將持續(xù)關(guān)注計(jì)算思維發(fā)展，進(jìn)一步精準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)源，跟進(jìn)分析其在教育應(yīng)用領(lǐng)域中的多元化應(yīng)用，以更好地為中國(guó)本土化計(jì)算思維教育發(fā)展提供思路和參考。