計(jì)算思維研究與發(fā)展綜述

計(jì)算思維研究與發(fā)展綜述計(jì)算思維作為計(jì)算時(shí)代的新產(chǎn)物，是一種可以靈活運(yùn)用計(jì)算工具與方法求解問(wèn)題的思維活動(dòng)，對(duì)促進(jìn)人的整體和終身發(fā)展具有不可替代的重要作用。為了更好地了解計(jì)算思維領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，特運(yùn)用內(nèi)容分析法分別對(duì)國(guó)內(nèi)外計(jì)算思維相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。一、計(jì)算思維的歷史早在2011年，計(jì)算思維就已被納入美國(guó)《CSTAK-12標(biāo)準(zhǔn)(2011修訂版)》。隨后，英國(guó)2013年“新課程計(jì)劃”、澳大利亞2015年“新課程方案”也都將計(jì)算思維作為其新信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容[5]。在國(guó)內(nèi)，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)等組織，較早對(duì)計(jì)算思維的概念、定位、目標(biāo)與培養(yǎng)等方面展開(kāi)了較為深入地探討，先后舉辦了一系列與計(jì)算思維密切相關(guān)的會(huì)議。其中，C9高校聯(lián)盟在2010年發(fā)布的《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中強(qiáng)調(diào)，要把培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的一項(xiàng)重要的、長(zhǎng)期的和復(fù)雜的核心任務(wù)[6]。2012年，教育部教高司函〔2012〕188號(hào)文件正式公布，批準(zhǔn)“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研究”等22個(gè)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目，以培養(yǎng)計(jì)算思維為重點(diǎn)，推動(dòng)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革[7]。2013年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)表了《計(jì)算機(jī)教學(xué)改革宣言》，指出以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革，將是大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的第三次重大改革，旨在通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的意識(shí)和方法，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平[8]。在2017新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，則進(jìn)一步明確指出：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)核心要素組成[9]。可見(jiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維勢(shì)在必行。二、研究設(shè)計(jì)本研究選取“中國(guó)知網(wǎng)”(CNKI)刊發(fā)的“計(jì)算思維”相關(guān)核心期刊文獻(xiàn)與碩博士學(xué)位論文，作為國(guó)內(nèi)研究樣本。核心期刊樣本的獲取方法為：使用“中國(guó)知網(wǎng)”的高級(jí)檢索功能，在類別來(lái)源中選擇“期刊”，內(nèi)容檢索條件選擇“篇名”，并輸入關(guān)鍵詞“計(jì)算思維”，在文獻(xiàn)來(lái)源中同時(shí)選中“核心期刊”和“CSSCI”進(jìn)行檢索，檢索日期為2017年8月8日，共檢索出核心文獻(xiàn)117篇，剔除非學(xué)術(shù)性及與計(jì)算思維無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)后，將剩余的109篇作為本研究的有效期刊文獻(xiàn)樣本;碩博士論文樣本的獲取方法、檢索日期同上，共檢索出碩博士文獻(xiàn)34篇，剔除部分與計(jì)算思維無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)后，將剩余的30篇文獻(xiàn)作為本研究有效的碩博學(xué)位論文樣本。至此，國(guó)內(nèi)研究樣本共139篇，即有效的核心期刊文獻(xiàn)與有效的碩博學(xué)位論文之和，主要采用內(nèi)容分析法，從研究樣本的數(shù)量、來(lái)源、研究類型等三個(gè)不同方面進(jìn)行分析，從細(xì)節(jié)入手，全面闡述國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究的進(jìn)展。國(guó)外研究樣本的獲取方法為：以ComputationalThinking為標(biāo)題，在WebofScience數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索，檢索日期為2018年1月2日，共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)349篇。以研究?jī)?nèi)容中的理論研究與應(yīng)用研究進(jìn)行分類，試圖分析：國(guó)外研究是如何對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行解讀的，應(yīng)用研究主要聚焦于哪個(gè)層次，在應(yīng)用方面主要開(kāi)展了哪些工作，以及取得了哪些進(jìn)展等問(wèn)題。根據(jù)我們所關(guān)注的這幾個(gè)問(wèn)題，采用“滾雪球”方法從文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)中獲取相關(guān)的文獻(xiàn)資料，最終獲得國(guó)外計(jì)算思維研究的樣本為423篇。三、國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究成果的數(shù)量統(tǒng)計(jì)分析(一)文獻(xiàn)數(shù)量分析從圖1計(jì)算思維文獻(xiàn)年度分布情況看出，碩博學(xué)位論文數(shù)與論文總數(shù)的趨勢(shì)大致相同，可以認(rèn)為碩博學(xué)位論文引領(lǐng)著計(jì)算思維的相關(guān)研究。有關(guān)“計(jì)算思維”在核心期刊上的文獻(xiàn)最早出現(xiàn)在2009年，第一篇是2009年1月董榮勝等人在《計(jì)算機(jī)科學(xué))雜志上發(fā)表的《計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論》[11]。2011-2014年，文獻(xiàn)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，究其原因，可能緣于2010年C9高校聯(lián)盟發(fā)布了《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，明確了計(jì)算思維能力的培養(yǎng)將是我國(guó)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的一項(xiàng)重要的、長(zhǎng)期的和復(fù)雜的核心任務(wù)。在此背景下，越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到計(jì)算思維的重要性，并積極地開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。到2014年，文獻(xiàn)數(shù)量已達(dá)38篇，較2013年增長(zhǎng)了123.53%，2015年文獻(xiàn)的數(shù)量也達(dá)30篇，2016年文獻(xiàn)數(shù)量雖然減少為20篇，但也顯著高于2013年及以前的量。因此可以認(rèn)為，計(jì)算思維的研究經(jīng)過(guò)一段較為迅速發(fā)展后，增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減弱，目前趨于穩(wěn)定。(二)文獻(xiàn)來(lái)源分析我們通過(guò)分析文獻(xiàn)的來(lái)源情況，可以了解當(dāng)前哪些研究群體對(duì)該研究領(lǐng)域較為關(guān)注。本研究選取了計(jì)算思維文獻(xiàn)來(lái)源TOP10，來(lái)分析計(jì)算思維研究的發(fā)展態(tài)勢(shì)：其中以《中國(guó)大學(xué)教學(xué)》數(shù)量最多，其次為“碩博學(xué)位論文”?！队?jì)算機(jī)工程與科學(xué)》、《計(jì)算機(jī)科學(xué)》、《中國(guó)電化教育》、《現(xiàn)代教育技術(shù)》、《電化教育研究》隨后，這說(shuō)明當(dāng)前計(jì)算思維研究開(kāi)展的主陣地是高校，計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者是計(jì)算思維研究的主力軍。此外，還有《職教論壇》、《教育與職業(yè)》、《高等農(nóng)業(yè)教育》等雜志?？梢?jiàn)，計(jì)算思維教育已經(jīng)引起多個(gè)研究領(lǐng)域的重視。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)計(jì)算思維文獻(xiàn)來(lái)源雖然較為分散，但基本都聚焦于計(jì)算思維教育這一主題。(三)研究類型分析通常，研究類型是對(duì)研究問(wèn)題總體研究方式的抽象概括，它能較好地反映研究者的研究方式和研究思路[12]。為此，我們參照社會(huì)研究類型的分類方式[13]，從研究目的、研究?jī)?nèi)容兩個(gè)不同的視角，對(duì)計(jì)算思維文獻(xiàn)的研究類型進(jìn)行分析，如表1所示。以表1的分類方式為指導(dǎo)，我們對(duì)139篇計(jì)算思維的文獻(xiàn)進(jìn)行分類，按照研究目的分類與研究?jī)?nèi)容分類所獲得的結(jié)果，分別如圖2、圖3所示。如圖2所示，根據(jù)研究目的分類的總體情況，我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究主要以探索性研究為主，描述性研究其次，解釋性研究的數(shù)量最少，只有7篇，僅占文獻(xiàn)總數(shù)的4.76%。從文獻(xiàn)數(shù)量的發(fā)展趨勢(shì)上看，2010年以后，探索性研究與描述性研究的數(shù)量都有一定的增長(zhǎng)。到2014年，探索性研究和描述性研究的數(shù)量分別為26篇和11篇，較上年分別增長(zhǎng)了136.36%和120.00%?？梢哉J(rèn)為，探索性研究與描述性研究的數(shù)量都有較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)的速度較快。而解釋性研究的數(shù)量不僅少，也無(wú)明顯的增減趨勢(shì)，反映出當(dāng)前我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究還處在認(rèn)識(shí)和資料積累的探索階段，對(duì)計(jì)算思維的研究深度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。如圖3所示，從研究?jī)?nèi)容分類的總體情況看，我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究在2010年以前以理論研究為主，2010年以后主要以應(yīng)用研究為主，應(yīng)用研究的文獻(xiàn)數(shù)量占總數(shù)的59.71%，主要聚焦于如何有效的培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。從文獻(xiàn)數(shù)量的發(fā)展趨勢(shì)上看，2010年以后，應(yīng)用研究與理論研究的數(shù)量都有較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。除了2009年與2017年理論研究的文獻(xiàn)數(shù)量高于應(yīng)用研究的之外，其余年份理論研究的數(shù)量都顯著低于應(yīng)用研究。這反映我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究，剛起步不久就已實(shí)現(xiàn)由理論層面的探討向應(yīng)用研究方向轉(zhuǎn)變。然而，隨著研究的推進(jìn)，不少學(xué)者意識(shí)到理論研究對(duì)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用，而計(jì)算思維的理論體系還不完善，因此不少學(xué)者又重新回到了對(duì)計(jì)算思維理論的探討上。綜上，從計(jì)算思維文獻(xiàn)按研究目的分類結(jié)果可知，我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究還停留在對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)與資料積累的探索階段，對(duì)計(jì)算思維研究的深度還有待進(jìn)一步地加強(qiáng)。從計(jì)算思維文獻(xiàn)按研究?jī)?nèi)容分類結(jié)果可知，目前計(jì)算思維的研究還未形成完善的理論體系，我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的關(guān)注重心較早就從理論研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究。四、國(guó)內(nèi)研究成果的述評(píng)以上通過(guò)對(duì)計(jì)算思維研究的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以反映出這個(gè)領(lǐng)域的宏觀態(tài)勢(shì)，而文獻(xiàn)的研究成果，則可以全面呈現(xiàn)該領(lǐng)域發(fā)展的具體情況。我們從研究類型分類方式中的研究?jī)?nèi)容視角出發(fā)，對(duì)計(jì)算思維的理論研究與應(yīng)用研究成果進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述與總結(jié)，便于更為全面地反映國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究領(lǐng)域現(xiàn)有的研究成果與發(fā)展趨勢(shì)。(三)計(jì)算思維的研究趨勢(shì)分析1、計(jì)算思維的發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前，國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究處于初級(jí)階段，但發(fā)展迅速。自2006年周以真教授在ComputationalThinking文章中對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行詳細(xì)的闡述之后，就已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)學(xué)者較為廣泛的關(guān)注，至今已積累了較多的研究成果，主要聚焦于計(jì)算思維教育。我們從上述的分析中可知，近年來(lái)，計(jì)算思維研究的文獻(xiàn)數(shù)量呈較快的増長(zhǎng)趨勢(shì)，學(xué)者們也從不同的維度，對(duì)計(jì)算思維開(kāi)展了相關(guān)的理論研究與實(shí)踐探索。從研究的目的上看，目前主要還是以探索性研究與描述性研究為主，解釋性研究的數(shù)量還較少。這說(shuō)明我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究，還處在認(rèn)識(shí)和資料積累的初級(jí)階段。(2)當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究范圍較為廣泛，卻缺乏深度。計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育技術(shù)研究領(lǐng)域的學(xué)者是國(guó)內(nèi)研究計(jì)算思維的主力軍，此外，農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等其他學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者也相繼地對(duì)計(jì)算思維教育做了一些探討。由于學(xué)者們研究目的與學(xué)科背景都不盡相同，在很大程度上致使計(jì)算思維的研究并不聚焦，范圍較泛甚至略微有些散。我們通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)內(nèi)容的梳理，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究的一致性理論并不多，學(xué)者們對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)看法也各不相同，計(jì)算思維研究的面比較廣，研究?jī)?nèi)容比較分散、不夠系統(tǒng)，且研究多停留在嘗試和探索階段，因此我們認(rèn)為，國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究的深度有待進(jìn)一步提升。(3)當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算思維在高等教育領(lǐng)域研究多，基礎(chǔ)教育領(lǐng)域少。我們通過(guò)對(duì)計(jì)算思維相關(guān)文獻(xiàn)應(yīng)用層次的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究主要集中于高等教育領(lǐng)域，基礎(chǔ)教育層面的研究?jī)H占總數(shù)的20.48%。正如前述，推行計(jì)算思維教育的目的，在于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)和方法，為學(xué)生的整體發(fā)展與終身發(fā)展服務(wù)。然而，意識(shí)和方法的形成是一個(gè)循序漸進(jìn)的長(zhǎng)期過(guò)程，所以不能指望在高等教育階段就能一蹴而就，需要也必須從基礎(chǔ)抓起。從全球范圍來(lái)看，美國(guó)、英國(guó)、新加坡等國(guó)家都十分重視基礎(chǔ)教育階段的計(jì)算思維教育。因此，很有必要加大對(duì)基礎(chǔ)教育階段計(jì)算思維教育的關(guān)注，將計(jì)算思維教育貫穿于各級(jí)各類的教育過(guò)程中，實(shí)行系統(tǒng)化、前后有機(jī)貫通的計(jì)算思維教育。(4)當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算思維研究雖然由理論研究轉(zhuǎn)應(yīng)用，但未切中要害。我們從前面的分析可知，在當(dāng)前計(jì)算思維的理論體系還不夠完善的情況下，我國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的研究，已實(shí)現(xiàn)由理論層面的探討向應(yīng)用研究方向的轉(zhuǎn)變。前面通過(guò)對(duì)研究?jī)?nèi)容的分析，我們發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)學(xué)者為了促進(jìn)計(jì)算思維教育的落地，已經(jīng)圍繞計(jì)算思維的內(nèi)涵、價(jià)值、培養(yǎng)策略與教學(xué)模式等方面開(kāi)展了相關(guān)研究，但依然有不少關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有涉及或雖有觸及但不夠深人。例如：計(jì)算思維教育的體制與機(jī)制、課程體系、實(shí)踐平臺(tái)、師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問(wèn)題的研究需要突破，才能更好地促進(jìn)計(jì)算思維教育的健康發(fā)展。2、計(jì)算思維的發(fā)展趨勢(shì)(1)2014年文獻(xiàn)峰值過(guò)后開(kāi)始回落。無(wú)論是對(duì)計(jì)算思維的理論研究與實(shí)踐研究，還是對(duì)計(jì)算思維的探索性研究與描述性研究，都在2014年達(dá)到一個(gè)峰值，2015年開(kāi)始文獻(xiàn)數(shù)值呈一定的下滑。我們通過(guò)分析這些文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這主要是2013年《計(jì)算機(jī)教學(xué)改革宣言》為計(jì)算思維的研究提供了強(qiáng)勁發(fā)展的動(dòng)力。然而，隨著我國(guó)課程改革的深人推進(jìn)，核心素養(yǎng)逐步進(jìn)人了公眾視野，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)成為未來(lái)學(xué)校教育的基本任務(wù)與新的發(fā)展趨勢(shì)。這在一定程度上弱化了國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的關(guān)注程度，致使計(jì)算思維的研究熱潮有所消退。我們需要特別指出的是，核心素養(yǎng)落實(shí)于學(xué)科課程教學(xué)的前提是學(xué)科核心素養(yǎng)的確立。在2017新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，已明確將計(jì)算思維列為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素之一。因此，如何培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力，依舊是一項(xiàng)需要深人研究和探索的工作。(2)計(jì)算思維教育的研究持續(xù)升溫。雖然從2015年開(kāi)始，計(jì)算思維的文獻(xiàn)數(shù)量有所減少，但通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)內(nèi)容的分析，我們發(fā)現(xiàn)聚焦于計(jì)算思維培養(yǎng)策略與教學(xué)模式的研究都呈現(xiàn)持續(xù)升溫的狀態(tài)。兩者的共同點(diǎn)是都指向計(jì)算思維教育的研究，兩者的區(qū)別在于：計(jì)算思維培養(yǎng)策略的研究多是從理論層面，探討有效培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方式、方法和途徑;而計(jì)算思維教學(xué)模式的研究多是通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，來(lái)驗(yàn)證所構(gòu)建的教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維方面的有效性。我們認(rèn)為，兩者雖然都聚焦于計(jì)算思維教育，但是從理論推演出的計(jì)算思維培養(yǎng)策略，在具體應(yīng)用中的效果如何還有待檢驗(yàn)，即并不保證這些培養(yǎng)策略一定行之有效。還需要通過(guò)充分的實(shí)踐，來(lái)驗(yàn)證所構(gòu)建的教學(xué)模式是否能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。目前，由于這些研究開(kāi)展實(shí)踐的時(shí)間都較短，所形成的教學(xué)效果還不穩(wěn)定，可推廣性也有待驗(yàn)證。因此，關(guān)于計(jì)算思維教育的有效性與可推廣性，無(wú)疑會(huì)成為今后研究的熱點(diǎn)。計(jì)算思維的理論探討正逐步深入。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者專注于計(jì)算思維的理論研究，對(duì)計(jì)算思維的概念、內(nèi)涵、特征、價(jià)值等方面進(jìn)行了有益的探討。但鮮有對(duì)計(jì)算思維理論體系進(jìn)行深入分析并進(jìn)行架構(gòu)，使得對(duì)計(jì)算思維理論體系的探討一直不溫不火。正因?yàn)槿绱?，?jì)算思維的理論體系至今還不完善。令人欣喜的是，2017年理論研究的文獻(xiàn)數(shù)量不僅暫時(shí)領(lǐng)先，而且學(xué)者們除了探討計(jì)算思維的概念、本質(zhì)、特性之外，對(duì)計(jì)算思維的基礎(chǔ)進(jìn)行了分析[56]。還有學(xué)者從計(jì)算科學(xué)和思維科學(xué)的雙重視角，根據(jù)思維的三棱結(jié)構(gòu)嘗試建構(gòu)了計(jì)算思維的三棱結(jié)構(gòu)[57]。可見(jiàn)，對(duì)計(jì)算思維理論體系的探討開(kāi)始逐步深入。實(shí)踐活動(dòng)離不開(kāi)科學(xué)理論的指導(dǎo)，只有學(xué)者們持續(xù)不斷地對(duì)計(jì)算思維的理論體系進(jìn)行深入探討并創(chuàng)新，才能促進(jìn)計(jì)算思維實(shí)踐的進(jìn)一步發(fā)展。五、國(guó)外研究進(jìn)展及比較與借鑒2017年6月，“國(guó)際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽”(InternationalChallengeonInformat