计算机基础教学研究可视化分析

张国瑞

(沈阳体育学院，辽宁 沈阳 110102)

引言

我国高校计算机基础课程的开设从20世纪70年代末开始，20世纪90年代起开始普及，到了21世纪得到迅速发展。随着国家信息化进程的加快，计算机基础教育将进入一个新的发展阶段[1]。20世纪80年代末国内就有学者做了关于计算机基础教学的研究，结合专业特色对计算机基础课程设置进行论述[2]，开展关于“层次理论”和“分级教学”的研究[3]。随着计算机基础教学的不断普及，对于计算机基础课程的研究不断深入，教学目标的选择[4]、教学体系的建立[5]等研究逐步开展。进入20世纪90年代，计算机在各个领域不断普及，人们对计算机基础课程重要性的认识不断提高，大量学者以提升人才培养质量为目标，开展了教学内容和教学方法的研究。模块式讲练一体化[6]、探究型教学模式[7]、情境式教学[8]、案例驱动教学法[9]、纺锤式教学法[10]、行动导向教学法[11]、多元化教学法[12]等教学方法陆续被应用到计算机基础教学中。综上所述，不同专业学者从不同角度对计算机基础教学展开研究讨论，但对于该领域的研究热点发展、转变、演化等综合分析较为少见。本文利用文献计量学软件CiteSpace对计算机基础教育重要文献进行可视化分析，构建发文量、作者、发文机构及关键词分析等知识图谱，对计算机基础教育发展至今的研究成果作深入的梳理和总结，以期客观揭示计算机基础教学研究的动态、发展过程及演变趋势，挖掘此领域理论、实践研究的前沿与热点，为计算机基础教学研究提供科学参考。

一、数据来源与研究方法

(一)数据来源

本文以中国知网(CNKI)数据库为数据来源，选择期刊高级检索，检索条件为“主题 = 计算机基础 AND 主题 = 教学”，来源类别选择北大核心、CSSCI和CSCD，时间范围为开展研究至2021年12月31日，选择同义词扩展，在检索到的文献中删去书评、会议纪要及其他与本研究不相关的文献后获取到重要文献588篇，时间分布于1992—2021年。

(二)研究方法

本文使用陈超美开发的文献计量软件CiteSpace 6.1 R1对计算机基础教学重要文献发文量、作者合作网络、发文合作网络、研究热点等信息进行文献计量学分析和可视化呈现。

二、研究结果与分析

(一)发文量分析

对各个时期发文量的分析可以体现此研究领域的发展水平、趋势和速度[13]，根据年度重要文献发文量绘制计算机基础教学重要研究文献曲线图(图1)。图1中可以看出关于计算机基础教学的研究分为三个主要阶段：第一阶段为1992—2005年，这个阶段是计算机基础教学研究的起步阶段，相关的高水平研究比较少，计算机基础教学在国内刚刚开展，计算机基础课程也处于普及阶段；第二阶段为2006—2009年，这一阶段重要文献发文量急剧上升，计算机基础教学研究处于高速发展期，计算机基础教育得到普及，教学质量的要求越来越高，学者们开始将更多的精力投入到此领域的研究；第三阶段为2010—2020年，这一阶段重要文献发文量呈波动下降的变化趋势，是计算机基础教学研究的成熟期。

图1 1992—2021年计算机基础教学重要文献发文量

(二)发文作者网络图谱分析

使用CiteSpace 6.1 R1软件中作者合作网络分析功能对文献进行分析，得到计算机基础教学研究合作网络图谱(图2)。图谱中有959个节点，873条连线，网络密度为0.0019，图中节点大小和作者姓名字体大小代表发文量多少，节点颜色深浅代表发文时间早晚(深色表示时间更早)，节点连线及其宽度代表发文作者间的合作关系与强度。

从图2中可以看出，计算机基础教学重要文献发文作者节点虽多，但构成的合作网络却不多。发文量比较多的几位作者是冯博琴、李瑛、龚沛曾、杨玫、李辉、杨志强、叶惠文，形成了以冯博琴、李辉、张红梅、李瑛等为主导的主要合作团队。其中，发文量最多的作者是冯博琴，共发表重要文献11篇，他和他的团队一直致力于计算机基础教学改革的理论与实践研究[14-17]，探讨了如何建立高水平教学团队及配套硬件设施[18-19]，探索了建设国家级精品课程[20-21]。由张红梅、赵永梅和安利共同主导的研究合作团队是发文量最大的团队，该团队主要围绕教学方法应用开展实践研究，将分层次教学、对分课堂教学模式、混合式教学等教学方法成功运用到计算机基础教学中[22-25]。由李辉主导的团队在教学方法方面做了大量的研究，并且与张红梅等主导的团队在分层次教学方面有所合作[22]。李瑛主导的研究团队也开展了教学方法的研究，他们在任务驱动、小组教学、合作学习、案例教学、翻转课堂等方面开展了理论与实践研究[26-30]。

图2 计算机基础教学重要文献发文作者合作网络图谱

(三)发文机构网络图谱分析

为探索计算机基础教学研究的主要机构力量，使用CiteSpace 6.1 R1对文献进行发文机构可视化分析得到图3。图中每个节点表示一个机构，节点大小和机构名称字体大小表示其发文量，共有435个节点，101条连线，网络密度为0.0011。教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会(简称大学计算机教指委)和西安交通大学是计算机基础教学研究领域的核心机构，大学计算机教指委主要负责建设大学计算机课程、培训教师、教学改革等工作，其对计算机基础教学研究做出了巨大贡献。西安交通大学则是和大学计算机教指委合作最为密切的机构，该校学者多次出任大学计算机教指委主任委员，冯博琴、李波、夏琴、吴宁等高发文量作者组成了该机构的学术骨干。河北外国语职业学院、海军航空工程学院基础部、华南师范大学、郑州轻工业学院等单位的发文量也比较多，构成计算机基础教学研究的主要力量。图3中可以看出，关于计算机基础教学研究的主要机构合作网络只有一个，该网络以大学计算机教指委和西安交通大学为核心，研究内容涉及课程教改、教学方法实践、教学团队建设、精品课程建设等多个方面。但是除了该合作网络外，其他机构虽然也在计算机基础教学领域做了大量研究，但鲜有合作，缺乏交流，研究力量比较分散。

图3 计算机基础教学重要文献发文机构合作网络图谱

(四)关键词共现网络图谱分析

关键词一般是对文献内容的凝练，可以反映各时段内研究主题的热点，关键词共现分析是对若干文献中关键词联系程度进行分析，进而得出该研究领域的研究热点和演化趋势。利用CiteSpace 6.1 R1对文献进行关键词共现分析，得到455个节点，1006条连线，网络密度0.0097的计算机基础教学重要文献关键词共现网络图谱(图4)，同时得到出现频率前20位的重要文献关键词的频次及中介中心性(见表1)。

图4 计算机基础教学重要文献关键词共现网络图谱

图4中每个节点代表一个关键词，节点字号大小和年轮大小代表关键词频次，节点间连线代表关键词之间的联系程度。综合图4和表1可以发现：出现频率最高的关键词是“教学改革”，共出现102次，占文献总数的17.35%，该关键词最早出现在1998年的文献中，2008—2014年出现频率最高，每年都在10次左右；出现频率第二的关键词是“计算思维”，共出现56次，占文献总数的9.52%，该关键词出现较晚，最早出现在2011年，在2012年达到发文量的顶峰。关键词的中介中心性可以反映该关键词在某领域研究中的影响力，而且通常认为在共线网络图谱中，中介中心性大于0.1的节点是关键节点，可以反映该领域研究的核心内容。据此原理，从表1中可以看出，在计算机基础教学研究中“教学改革”“计算思维”“教学模式”“高职”“计算机”“教学方法”6个关键词是核心的研究内容。从高频词中可以发现关于计算机基础教学的研究还是以教学模式、教学方法、教学内容等方面的改革为主，关于计算思维的研究虽然起步比较晚，但研究热度很高，是近几年的研究热点。

表1 计算机基础教学重要文献出现频次前20关键词

(五)关键词突现分析

对关键词进行突现分析可以发现某一时间段内具有特殊意义的关键词，这些突现的关键词可能代表该领域研究方向的变化趋势。利用CiteSpace 6.1 R1进行关键词突现分析，得到1992—2021年计算机基础教学研究领域12个突现关键词(图5)。从图5中可以看出，自1992年以来计算机基础教学研究的热点主题发生了一些变化，总体上看包含了两个重要的阶段。第一个重要阶段为1995—2007年，这一阶段学者们的研究主要围绕计算基础课程的设置开展[31]，比较关注在教学中如何开展上机实践[32]，以及如何结合专业特点合理设置教学内容[33]。第二个重要阶段为2010—2021年，这一阶段重点提出计算机基础教学改革问题，学者们围绕教学方法、教学内容和教学手段等方面开展研究。在这些研究中关于计算思维和应用能力的培养是大家关注的重点，同时任务驱动法、翻转课堂是实践研究的重点。

图5 计算机基础教学重要文献关键词突现

(六)关键词聚类分析及其时序演变分析

关键词聚类可以分析关键词之间的关联，进而提取出主要研究内容，分析出研究的热点。利用CiteSpace 6.1 R1软件对计算机基础教学研究重要文献关键词采用LSI算法进行K均值聚类分析，生成12个聚类团(图6)，聚类模块值Q=0.6093>0.3，聚类结构显著，聚类平均轮廓值S=0.8754>0.7，聚类是令人信服的。同时得到各聚类团的规模、轮廓值及关键词(见表2)，从中发现这些聚类团可以分为四个大类。#0、#7、#9、#13属于计算机基础教学理论研究，#1、#4从能力培养角度研究计算机基础教学，#2、#3、#5、#6侧重于从教学方法方面开展实践研究，#8、#10则是侧重于对教学对象的分析研究。

图6 计算机基础教学重要文献关键词聚类图

表2 计算机基础教学重要文献关键词聚类信息表

使用CiteSpace 6.1 R1软件进一步构建关键词聚类Timeline图(图7)对计算基础教学研究进行时序分析。计算机基础教学理论研究大类中#0教学效果研究最早开始于1998年，结合计算机课程特点分析了如何在教学中培养学生对于计算机的操作能力。[34]此后关于教学方法的研究逐步成为热点，结合不同授课对象设计适合的教学方法[35-37]、教学手段[38-39]是学者们研究的重点。#7课程体系研究的研究始于2001年，易清明等人经过5年努力建设出一套较为完整的计算机基础课程教学体系[40]。在课程体系建设过程中主要研究方向是关于实践教学的研究[41]，针对大学计算机教指委制定的“教学基本要求”，重点培养学生实践能力[42]，结合教学对象的特点设计丰富的实践教学过程与方法[43]。#9课程改革既是最早开展又是持续时间最长的研究方向，关于计算机基础教学的研究始终离不开课程改革。#13社会信息是对计算机基础教学的宏观目标做了一些分析[44]。

图7 计算机基础教学重要文献关键词聚类Timeline图

能力培养研究大类中#1计算思维的研究起步最晚，但研究热度很高，中央军委训练管理部组织编制的《大学计算机基础》教学大纲中明确提出了教学目标是理解和掌握计算理论、计算思维和信息系统应用能力[45]，此后军事院校开展了大量关于计算思维的研究。#4创新研究既包括教学创新[46]又包括培养学生创新能力[47]的研究。

教学方法研究大类中#2上机实习也是属于比较早期的研究内容，该类研究主要集中在1995—2000年之间，这个时期随着计算机硬件设备的普及，如何合理利用计算机设备提升教学质量[48]是学者们的研究重点。#3教学模式研究的范围比较广，学者们从模块化教学[49]、分层教学[50]、网络教学[51]、翻转课堂[52]、主动学习[53]等方面开展了比较全面的研究。#5任务驱动法的相关研究与案例教学法密切相关，夏秦等人在对计算机基础课程综合分析后进行了案例教学应用研究[54]，包空军等人在此基础上提出了“案例引导+任务驱动”的教学方法[55]。#6实验教学类是在#2上机实习类研究基础上，随着计算机基础教学中上机实验部分的比重不断增加，针对实验教学中出现的问题进行分析，探讨解决方案及改进策略[56]。

教学对象研究大类中#8高职类说明高职高校也非常重视计算机基础教学研究，#10非专业类的研究则表明目前关于计算机基础教学的研究涉及除计算机相关专业外的各专业，尤其是工科高校对此课程的研究非常重视。

三、讨论

(一)计算机基础教学研究总体情况

本研究以中国知网(CNKI)为数据来源，利用CiteSpace 6.1 R1软件对588篇关于计算机基础教学研究重要文献的发文量、作者、机构、研究热点等信息进行了计量学分析和可视化呈现，研究文献涉及研究作者959位、研究机构435个。

通过分析发现，2006年之后计算机基础教学的研究量逐渐增加，大学计算机教指委和西安交通大学在这个领域具有较强的研究实力，以他们为核心构建出了主要的研究团队，具有很强的学术影响力。不过除此之外计算机基础教学研究领域的研究团队数量很少，在此领域开展合作研究还有比较大的发展空间。

在计算机基础教学研究发展的30年间，学术研究的热点具有动态变化性。通过关键词突现及聚类时间序列分析，可以发现在1995—2007年，课程体系的建立、教学内容的设定、如何合理有效的开展上机实践是研究的热点。2010年后，教学改革成为主要的研究内容，其中关于计算思维、任务驱动和翻转课堂的研究逐渐成为热点。由此可见，早期各高校刚刚开始设立计算机基础课程时，相关研究主要集中在课程的建设上，后期随着计算机基础课程的不断普及，教学中发现了很多问题，为了解决这些问题，学者们从不同的角度开展了教学改革研究。未来随着教学理念的变化，更加符合OBE教学理念的任务驱动法和翻转课堂法仍会是该领域研究的热点，同时随着大数据技术的不断发展，计算思维能力培养也会是重要的研究内容。

(二)计算思维能力培养

关于计算思维的定义目前被普遍认可的是周以真教授提出的，他认为“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”[57]。2010年，首届“九校联盟(C9)计算机基础课程研讨会”确定了将培养学生计算思维能力作为核心任务[58]，并且提出了围绕计算思维能力的培养建设课程的基本思路。

甘茂华的研究表明，关于计算思维的相关研究还是主要在课程建设和教学方式探索上。[59]陈国良院士认为，大学中计算机基础课程在培养计算思维能力方面起到了关键的作用，并对相关课程的设计提出了构想。[60]朱鸣华在此基础上提出，在课程目标制定时要增加培养学生计算思维能力的内容。[61]王移芝比较全面的对计算机基础课程改革提出了新的思路，要从文化素养、课程体系、教学内容、教学手段等方面开展关于计算思维能力培养的研究。[62]实践研究方面，郑丽坤等为了在计算机基础教学中培养计算思维能力，尝试综合运用双向互动法、实验教学法、反馈递进法、二维教学法等方法进行教学。[63]随着大数据技术的不断发展，吴宁等人有针对性地提出了面向新工科的“大学计算机”课程教学体系。[64]

在计算机基础教学中培养计算思维能力的研究已有十余年，在课程体系建设、教学方法改革方面已经比较成熟，但在各专业教学中结合专业特点进行实践的研究还有待加强，结合不同专业的实际情况探讨如何有效培养计算思维能力并进行实践研究将是未来研究的发展方向。

(三)翻转课堂

通过信息技术的辅助在课后完成知识传授的过程，课堂上在教师帮助和同学协作下完成知识内化的过程，就形成了翻转课堂[65]。这是一种以学生为主体、教师为主导的教学方法，在学习过程中可以充分发展学生的个性，有效培养学生的主动学习能力。杨在宝等人将翻转课堂应用到计算机基础教学中，课前学生利用网络教学资源自主学习并完成相应的练习，课堂上教师根据提问和学生完成练习的情况选择需要进一步讲解的内容，最后由学生自己做出全面的反思。[66]薛云等人在将翻转课堂运用到计算机基础教学时增加了课后学习，由学生自主选择并完成综合大作业，从而使知识得到升华，取得了不错的教学效果，同时也发现存在部分不主动参与学习的学生。[67]翻转课堂的应用研究中学者们也面临着不少的困难，学生课外学习时面临的网络问题、课前教学资源制作成本高、学生自学能力差异大、评价体系与现存学校规章制度冲突、教师额外工作量大等问题将是未来研究中亟待解决的问题。

四、小结与展望

30年来计算机基础教学研究比较成熟，整体上研究者之间、研究机构之间的合作不够，需要进一步加强。研究热点演化过程中教学改革贯穿整个过程，多种有效的教学方法被运用在计算机基础教学研究中。利用计算机基础课程培养学生计算思维能力的研究将持续，并侧重于研究如何有效地结合专业培养目标开展相关实践研究。基于目前将翻转课堂运用到计算机基础教学中所发现的各种问题，未来这方面的研究将会侧重于研究如何解决这些问题。