计算思维研究与发展综述

　　计算思维作为计算时代的新产物，是一种可以灵活运用计算工具与方法求解问题的思维活动，对促进人的整体和终身发展具有不可替代的重要作用。为了更好地了解计算思维领域的研究现状，特运用内容分析法分别对国内外计算思维相关文献进行分析。

　　一、计算思维的历史

　　早在2011年，计算思维就已被纳入美国《CSTA K-12标准(2011修订版)》。随后，英国2013年“新课程计划”、澳大利亚2015年“新课程方案”也都将计算思维作为其新信息技术课程的重要内容[5]。在国内，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会、中国计算机学会等组织，较早对计算思维的概念、定位、目标与培养等方面展开了较为深入地探讨，先后举办了一系列与计算思维密切相关的会议。其中，C9高校联盟在2010年发布的《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》中强调，要把培养学生计算思维能力作为计算机基础教学的一项重要的、长期的和复杂的核心任务[6]。2012年，教育部教高司函〔2012〕188号文件正式公布，批准“以计算思维为导向的大学计算机基础课程研究”等22个大学计算机课程改革项目，以培养计算思维为重点，推动大学计算机课程改革[7]。2013年，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发表了《计算机教学改革宣言》，指出以计算思维为切入点的大学计算机课程改革，将是大学计算机课程的第三次重大改革，旨在通过培养学生计算思维的意识和方法，提高计算机应用水平[8]。在2017新版《普通高中信息技术课程标准》中，则进一步明确指出：信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个核心要素组成[9]。可见，培养学生的计算思维势在必行。

　　二、研究设计

　　本研究选取“中国知网”(CNKI)刊发的“计算思维”相关核心期刊文献与硕博士学位论文，作为国内研究样本。核心期刊样本的获取方法为：使用“中国知网”的高级检索功能，在类别来源中选择“期刊”，内容检索条件选择“篇名”，并输入关键词“计算思维”，在文献来源中同时选中“核心期刊”和“CSSCI”进行检索，检索日期为2017年8月8日，共检索出核心文献117篇，剔除非学术性及与计算思维无关的文献后，将剩余的109篇作为本研究的有效期刊文献样本;硕博士论文样本的获取方法、检索日期同上，共检索出硕博士文献34篇，剔除部分与计算思维无关的文献后，将剩余的30篇文献作为本研究有效的硕博学位论文样本。至此，国内研究样本共139篇，即有效的核心期刊文献与有效的硕博学位论文之和，主要采用内容分析法，从研究样本的数量、来源、研究类型等三个不同方面进行分析，从细节入手，全面阐述国内计算思维研究的进展。

　　国外研究样本的获取方法为：以Computational Thinking为标题，在Web of Science数据库中进行检索，检索日期为2018年1月2日，共检索到相关文献349篇。以研究内容中的理论研究与应用研究进行分类，试图分析：国外研究是如何对计算思维进行解读的，应用研究主要聚焦于哪个层次，在应用方面主要开展了哪些工作，以及取得了哪些进展等问题。根据我们所关注的这几个问题，采用“滚雪球”方法从文献的参考文献中获取相关的文献资料，最终获得国外计算思维研究的样本为423篇。

　　三、国内计算思维研究成果的数量统计分析

　　(一)文献数量分析

　　从图1计算思维文献年度分布情况看出，硕博学位论文数与论文总数的趋势大致相同，可以认为硕博学位论文引领着计算思维的相关研究。有关“计算思维”在核心期刊上的文献最早出现在2009年，第一篇是2009年1月董荣胜等人在《计算机科学)杂志上发表的《计算思维与计算机方法论》[11]。2011-2014年，文献数量持续增长，究其原因，可能缘于2010年C9高校联盟发布了《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》，明确了计算思维能力的培养将是我国计算机基础教学的一项重要的、长期的和复杂的核心任务。在此背景下，越来越多的学者意识到计算思维的重要性，并积极地开展了相关的研究工作。到2014年，文献数量已达38篇，较2013年增长了123.53%，2015年文献的数量也达30篇，2016年文献数量虽然减少为20篇，但也显著高于2013年及以前的量。因此可以认为，计算思维的研究经过一段较为迅速发展后，增长趋势有所减弱，目前趋于稳定。

　　(二)文献来源分析

　　我们通过分析文献的来源情况，可以了解当前哪些研究群体对该研究领域较为关注。本研究选取了计算思维文献来源TOP10，来分析计算思维研究的发展态势：其中以《中国大学教学》数量最多，其次为“硕博学位论文”。《计算机工程与科学》、《计算机科学》、《中国电化教育》、《现代教育技术》、《电化教育研究》随后，这说明当前计算思维研究开展的主阵地是高校，计算机科学与教育技术领域的学者是计算思维研究的主力军。此外，还有《职教论坛》、《教育与职业》、《高等农业教育》等杂志。可见，计算思维教育已经引起多个研究领域的重视。同时我们发现，国内计算思维文献来源虽然较为分散，但基本都聚焦于计算思维教育这一主题。

　　(三)研究类型分析

　　通常，研究类型是对研究问题总体研究方式的抽象概括，它能较好地反映研究者的研究方式和研究思路[12]。为此，我们参照社会研究类型的分类方式[13]，从研究目的、研究内容两个不同的视角，对计算思维文献的研究类型进行分析，如表1所示。

　　以表1的分类方式为指导，我们对139篇计算思维的文献进行分类，按照研究目的分类与研究内容分类所获得的结果，分别如图2、图3所示。

　　如图2所示，根据研究目的分类的总体情况，我国学者对计算思维的研究主要以探索性研究为主，描述性研究其次，解释性研究的数量最少，只有7篇，仅占文献总数的4.76%。从文献数量的发展趋势上看，2010年以后，探索性研究与描述性研究的数量都有一定的增长。到2014年，探索性研究和描述性研究的数量分别为26篇和11篇，较上年分别增长了136.36%和120.00%。可以认为，探索性研究与描述性研究的数量都有较为明显的增长趋势，且增长的速度较快。而解释性研究的数量不仅少，也无明显的增减趋势，反映出当前我国学者对计算思维的研究还处在认识和资料积累的探索阶段，对计算思维的研究深度还有待进一步加强。

　　如图3所示，从研究内容分类的总体情况看，我国学者对计算思维的研究在2010年以前以理论研究为主，2010年以后主要以应用研究为主，应用研究的文献数量占总数的59.71%，主要聚焦于如何有效的培养学生的计算思维。从文献数量的发展趋势上看，2010年以后，应用研究与理论研究的数量都有较为明显的增长趋势。除了2009年与2017年理论研究的文献数量高于应用研究的之外，其余年份理论研究的数量都显著低于应用研究。这反映我国学者对计算思维的研究，刚起步不久就已实现由理论层面的探讨向应用研究方向转变。然而，随着研究的推进，不少学者意识到理论研究对应用具有重要的指导作用，而计算思维的理论体系还不完善，因此不少学者又重新回到了对计算思维理论的探讨上。

　　综上，从计算思维文献按研究目的分类结果可知，我国学者对计算思维的研究还停留在对计算思维的认识与资料积累的探索阶段，对计算思维研究的深度还有待进一步地加强。从计算思维文献按研究内容分类结果可知，目前计算思维的研究还未形成完善的理论体系，我国学者对计算思维的关注重心较早就从理论研究转向应用研究。

　　四、国内研究成果的述评

　　以上通过对计算思维研究的数据统计，可以反映出这个领域的宏观态势，而文献的研究成果，则可以全面呈现该领域发展的具体情况。我们从研究类型分类方式中的研究内容视角出发，对计算思维的理论研究与应用研究成果进行简要的阐述与总结，便于更为全面地反映国内计算思维研究领域现有的研究成果与发展趋势。

　　(三)计算思维的研究趋势分析

　　1、计算思维的发展现状

　　当前，国内计算思维研究处于初级阶段，但发展迅速。自2006年周以真教授在Computational Thinking文章中对计算思维进行详细的阐述之后，就已经引起国内学者较为广泛的关注，至今已积累了较多的研究成果，主要聚焦于计算思维教育。我们从上述的分析中可知，近年来，计算思维研究的文献数量呈较快的増长趋势，学者们也从不同的维度，对计算思维开展了相关的理论研究与实践探索。从研究的目的上看，目前主要还是以探索性研究与描述性研究为主，解释性研究的数量还较少。这说明我国学者对计算思维的研究，还处在认识和资料积累的初级阶段。

　　(2)当前国内计算思维研究范围较为广泛，却缺乏深度。计算机科学与教育技术研究领域的学者是国内研究计算思维的主力军，此外，农学、医学等其他学科领域的学者也相继地对计算思维教育做了一些探讨。由于学者们研究目的与学科背景都不尽相同，在很大程度上致使计算思维的研究并不聚焦，范围较泛甚至略微有些散。我们通过对文献内容的梳理，发现国内计算思维研究的一致性理论并不多，学者们对计算思维的认识看法也各不相同，计算思维研究的面比较广，研究内容比较分散、不够系统，且研究多停留在尝试和探索阶段，因此我们认为，国内计算思维研究的深度有待进一步提升。

　　(3)当前国内计算思维在高等教育领域研究多，基础教育领域少。我们通过对计算思维相关文献应用层次的分析，发现当前国内计算思维研究主要集中于高等教育领域，基础教育层面的研究仅占总数的20.48%。正如前述，推行计算思维教育的目的，在于培养学生的计算思维意识和方法，为学生的整体发展与终身发展服务。然而，意识和方法的形成是一个循序渐进的长期过程，所以不能指望在高等教育阶段就能一蹴而就，需要也必须从基础抓起。从全球范围来看，美国、英国、新加坡等国家都十分重视基础教育阶段的计算思维教育。因此，很有必要加大对基础教育阶段计算思维教育的关注，将计算思维教育贯穿于各级各类的教育过程中，实行系统化、前后有机贯通的计算思维教育。

　　(4)当前国内计算思维研究虽然由理论研究转应用，但未切中要害。我们从前面的分析可知，在当前计算思维的理论体系还不够完善的情况下，我国学者对计算思维的研究，已实现由理论层面的探讨向应用研究方向的转变。前面通过对研究内容的分析，我们发现国内学者为了促进计算思维教育的落地，已经围绕计算思维的内涵、价值、培养策略与教学模式等方面开展了相关研究，但依然有不少关键问题没有涉及或虽有触及但不够深人。例如：计算思维教育的体制与机制、课程体系、实践平台、师资队伍建设、教学评价等关键问题的研究需要突破，才能更好地促进计算思维教育的健康发展。

　　2、计算思维的发展趋势

　　(1)2014年文献峰值过后开始回落。无论是对计算思维的理论研究与实践研究，还是对计算思维的探索性研究与描述性研究，都在2014年达到一个峰值，2015年开始文献数值呈一定的下滑。我们通过分析这些文献，发现这主要是2013年《计算机教学改革宣言》为计算思维的研究提供了强劲发展的动力。然而，随着我国课程改革的深人推进，核心素养逐步进人了公众视野，培养学生核心素养成为未来学校教育的基本任务与新的发展趋势。这在一定程度上弱化了国内学者对计算思维的关注程度，致使计算思维的研究热潮有所消退。我们需要特别指出的是，核心素养落实于学科课程教学的前提是学科核心素养的确立。在2017新版《普通高中信息技术课程标准》中，已明确将计算思维列为信息技术学科核心素养的关键要素之一。因此，如何培养和发展学生的计算思维，提高学生应用计算机知识分析和解决问题的能力，依旧是一项需要深人研究和探索的工作。

　　(2)计算思维教育的研究持续升温。虽然从2015年开始，计算思维的文献数量有所减少，但通过对文献内容的分析，我们发现聚焦于计算思维培养策略与教学模式的研究都呈现持续升温的状态。两者的共同点是都指向计算思维教育的研究，两者的区别在于：计算思维培养策略的研究多是从理论层面，探讨有效培养学生计算思维的方式、方法和途径;而计算思维教学模式的研究多是通过教学实践，来验证所构建的教学模式在培养学生计算思维方面的有效性。我们认为，两者虽然都聚焦于计算思维教育，但是从理论推演出的计算思维培养策略，在具体应用中的效果如何还有待检验，即并不保证这些培养策略一定行之有效。还需要通过充分的实践，来验证所构建的教学模式是否能够较好地培养学生的计算思维。目前，由于这些研究开展实践的时间都较短，所形成的教学效果还不稳定，可推广性也有待验证。因此，关于计算思维教育的有效性与可推广性，无疑会成为今后研究的热点。

　　计算思维的理论探讨正逐步深入。一直以来，国内也有一些学者专注于计算思维的理论研究，对计算思维的概念、内涵、特征、价值等方面进行了有益的探讨。但鲜有对计算思维理论体系进行深入分析并进行架构，使得对计算思维理论体系的探讨一直不温不火。正因为如此，计算思维的理论体系至今还不完善。令人欣喜的是，2017年理论研究的文献数量不仅暂时领先，而且学者们除了探讨计算思维的概念、本质、特性之外，对计算思维的基础进行了分析[56]。还有学者从计算科学和思维科学的双重视角，根据思维的三棱结构尝试建构了计算思维的三棱结构[57]。可见，对计算思维理论体系的探讨开始逐步深入。实践活动离不开科学理论的指导，只有学者们持续不断地对计算思维的理论体系进行深入探讨并创新，才能促进计算思维实践的进一步发展。

　　五、国外研究进展及比较与借鉴

　　2017年6月，“国际计算思维挑战赛”(International Challenge on Informatics and Computational Thinking)中国赛区正式拉开序幕，大赛的目标定位在让3至18岁(幼儿园小班至高中三年级)的学生和教师发展自己的计算思维能力。“国际计算思维挑战赛”作为全世界计算思维最高级别的赛事，对于推动社会各界关注并参与计算思维教育，发挥着重要作用。正如前述，我国对计算思维较为系统进行探讨近几年才开始，计算思维研究整体上还不够成熟，而国外计算思维研究已处于成熟的早期阶段[58]。因此，有必要通过梳理国外计算思维可借鉴的研究成果，进行国内外比较借鉴，为我国计算思维教育的开展提供一些有益参考与启示，才能促使我国的计算思维研究更好地与国际接轨。