我国程序设计教学的知识图谱分析

摘  要：为探索我国程序设计教学改革的特征和演进脉络，该文采用知识可视化的文献计量方法，对我国1999年至2023年的程序设计教学的文献进行分析。研究结果为，程序设计教学研究呈现三大特征包括新工科重塑程序设计教学理念、在线课程平台重构程序设计教学模式和人工智能驱动程序设计学习变革。通过关键词时间图谱得出研究结论，我国程序设计教学研究与教育部的政策导向及时代环境存在紧密联系；我国程序设计教学研究的演进可以归纳为早期萌芽、稳步增长和深化发展三个不同阶段。

关键词：程序设计；知识图谱；教学改革；人工智能；数字化

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）09-0085-04

Abstract： In order to explore the characteristics and evolution of programming teaching reform in China， the paper adopts the bibliometric method of knowledge visualization to analyze the literature on programming teaching in China from 1999 to 2023. The research results show that programming teaching research presents three major characteristics， including the reshaping of programming teaching concepts by the new engineering， the reconstruction of programming teaching modes by online course platforms， and the transformation of programming learning driven by artificial intelligence. The research conclusion drawn from the keyword time graph is that： there is a close connection between the research on programming teaching in China and the policy orientation and era environment of the Ministry of Education; The evolution of programming teaching research in China can be summarized into three different stages： early germination， steady growth， and deepening development.

Keywords： programming design; knowledge graph; reform in education; artificial intelligence; digitization

程序设计能力是大学生必须掌握的一项数字化技能，程序设计课程是高等学校一门重要的公共基础课程，其重要性不言而喻。因此，本研究选择国内公认的、具有权威性的科学研究水平标准的中国知网（CNKI）数据库。主题词设置为“程序设计教学/C教学/C++教学/Python教学/VB教学”，对北大核心和CSSCI来源的期刊进行高级检索，研究周期设置为1999年至2023年，文献检索日期为2024年1月15日，检索出504条样本。为了拓展样本数据集，以“程序设计教学”为主题词，检索《计算机教育》期刊，检索日期为 2024年1月17日，检索出650条样本。为确保研究样本文献的可靠性与一致性，通过人工筛选方式，剔除与程序设计教学主题词不相关的文献，最终确定526篇中文文献纳入研究样本。本文基于文献计量学与可视化分析方法，借助CiteSpace（6.3.R1）软件，采用知识图谱技术对我国程序设计教育领域的演变轨迹及发展趋势进行分析。知识图谱运用图形和图像展示节点和关系，将抽象的数据进行可视化表达。通过共现、聚类、突现等方式，揭示相关知识结构、规律与分布情况，具备直观性与科学性[1]。

一  程序设计教学研究的热点主题

关键词作为文献的精髓与集中体现，直接反映了程序设计教学研究领域的研究焦点。关键词共现、关键词聚类等研究手段，是展示程序设计教学研究领域中关键词之间相互关联性及其核心地位的关键研究途径。这些方法有助于明确研究重点，剖析程序设计教学研究的本质属性。

（一）  关键词共现图谱分析

以“关键词”作为程序设计教学图谱分析的节点，时间切片跨度设置为1年，运用 g-index算法，将阈值k设置为25，绘制出程序设计教学研究关键词共现图谱，如图1所示。在程序设计教学研究关键词共现图谱中，共计380个节点和728条连线，节点的字体大小代表关键词出现的频率高低，而节点间的连线则反映了各关键词之间的相互关联程度。本文对关键词出现频次进行重新梳理：程序设计（98次）、教学改革（95次）、C语言（45次）、教学方法（44次）、实验教学（35次）、教学模式（30次）、计算思维（26次）和翻转课堂（21次）。为了更精确地描述程序设计教学关键词之间的相互关系和地位，本研究将程序设计教学关键词共现频次和中介中心性以表格形式展现，见表 1。

（二）  关键词聚类图谱分析

关键词聚类的目标是通过高频词的相似性与差异性进行分析，揭示高频词之间的联系，以便提炼出程序设计教学研究的核心主题。为了呈现主题聚类的分布特征，本研究采用对数似然率算法（LLR）实施聚类标签提取，进而构建程序设计教学研究关键词聚类图谱，如图2所示。在研究中，通过对聚类模块值Q的分析发现，其值为0.614 7，而聚类平均轮廓值S则达到了0.857 5。这两个指标均高于0.6，表明在程序设计教学领域聚类结构显著、且聚类轮廓清晰，因此聚类可信度较高。聚类编号较低，即排序位置较前，则聚类中所涉及的程序设计教学研究的关键词更为丰富。图2展示了前11个聚类的类团，具体包括#0教学改革、#1教学模式、#2程序设计、#3教学、#4在线教学、#5实验教学和#6教学实践、#7案例教学、#8教学方法、#9实践教学和#10 创新能力。依据图2的关键词聚类图谱，结合表2的核心标签词，对程序设计教学的研究焦点进行总结，同时对我国程序设计教学研究的主题特性进行剖析。

1  新工科重塑程序设计教学理念

2017 年教育部启动新工科教育与实践，以支持“中国制造2025”“互联网+”“人工智能2.0”等重大国家战略[2]。为了响应新工科教育的核心理念，即“能力产出导向、以学生为中心和持续改进”，程序设计教学理念逐渐从“重语言轻设计、重知识轻能力”转变为“知识和能力并重、设计与实践并行”。卢爱臣等[3]在计算机程序设计课程中倡导采用项目式驱动的工程实践教学方法。刘杰等[4]对基于OBE教学理念的C程序设计课程教学改革进行了深入研究。黄继平等[5]提出，在新工科背景下，以“模糊角色、赋能学生”为核心的程序设计课程教学创新理念。

2  在线课程平台重构程序设计教学模式

持续迭代的信息技术在我国得到了广泛应用，程序设计类课程中出现了慕课、翻转课堂等创新教学模式。在线课程平台通过系统化的程序设计教育，不仅呈现课堂教学资源，更提供全面的教育服务。与此同时，在线平台深度融合程序设计课堂教学，使得程序设计教学模式从以“教”为核心转变为教师主导、学生主体化的教学模式，实现了真正的“以学生为中心”的教学理念。苏小红等[6]在哈尔滨工业大学研究C语言程序设计课程中实施“MOOC+SPOCs+大班翻转课堂”混合式教学模式。浙江大学温圳等[7]探索元宇宙背景下的 C 语言程序设计教学模式，利用“智云课堂”实现了元宇宙中随时随地登录并与现实同步的目标。在东南大学的计算机程序设计课程中，李骏扬等[8]对线上线下混合式教学与多层次认知网络构建的有机融合教学模式进行了深入探索。

3  人工智能驱动程序设计学习变革

人工智能领域的迅猛进步，从“机器学习”到“深度学习”的快速发展，促使程序设计课程的学习变革。采用人工智能技术，对学生在程序设计课程中的学习状况、基础知识掌握和学习水平进行实时监测，以实现个性化的分析、决策和评估。在智能分析学生个性化需求的基础上，实现对学生程序设计学习进度的智能调控，以及智能推动学生学习内容的发展。王筱竹[9]采用以亚马逊语音技能工具包（ASK）为代表的人工智能工具，使学生通过语音对话形式掌握程序设计知识，提供了一种基于知识图谱的教育方法。苏小红等[10]提出了一种创新的教学路径，旨在通过“注重能力培养、个性化教学、AI技术辅助以及产学研结合”等方面，全面提升学生的程序设计技能。谭敏等[11]借助深度学习方法，构建了一套包含实验课教学模型的程序设计类课程体系，涵盖学习过程监控、教学效果评估以及个性化学习内容推荐等方面。刘建明等[12]运用多种平台的数据分析技术，提出了一种“个性协同化”的智慧程序设计实验教学模型。

二  程序设计教学研究的演进脉络

关键词时间线以时间为维度，揭示程序设计教学研究关键词的演变轨迹，有助于反映研究主题的演进过程，并呈现出程序设计教学研究的发展脉络。为了全面呈现程序设计教学研究关键词分布的时空演变，基于关键词之间的共现关系，采用g-index算法对关键词聚类。依据关键词节点所属的聚类（纵轴）和时间序列（横轴），将各节点映射到相应的位置，进而构建程序设计教学研究关键词时间线图谱，如图3所示。在时间线图谱中，程序设计教学研究关键词节点以环形形式展现，节点尺寸与关键词出现频次成正比，环形与时间轴年份相对应，宽度与当年关键词频次呈现一致，环形连线表示各节点之间的传承联系。通过关键词时间线图谱分析，我们发现：#0教学改革、#2程序设计、#3教学等基础关键词在早期诞生，并且频繁与近年来新出现的关键词共现，展示了对程序设计教学研究的长期影响。研究主题#1教学模式、#4在线教学、#5实验教学等延续性最好。#9实践教学、#10创新能力逐渐不再有新的关键词诞生，说明#9和#10的研究主题的热度呈现明显的衰退趋势。具体而言，程序设计教学研究主题呈现分为三个阶段。

（一）  早期萌芽阶段（1999—2006年）

早期萌芽阶段，程序设计教学研究成果的数量相对较少，共有29篇文献，仅占总发文量的5.51%。在此阶段，我国程序设计教育研究领域呈现出单一的视角，研究聚焦于“教学设计”“教学方法”和“教学改革”等议题。

（二）  稳步增长阶段（2007—2016年）

稳定增长阶段，程序设计教学研究文献发表数量呈现爆炸式增长，总共达到313篇，占据了总发文数量的 59.51%，研究成果丰硕，研究视角和研究方法日益多样化。研究主题包括“竞赛与教学结合”“工程教育”“翻转课堂”“思维导图”“卓越计划”“任务驱动”以及“交叉融合”等方面。这些主题的广泛涉及，反映了程序设计教学研究的多元化特点。依据图3的关键词时间线分析，可以观察到程序设计教学研究与教育部的政策导向及时代环境存在紧密联系。2010年教育部实施“卓越工程师教育培养计划”，简称“卓越计划”。张志锋等[13]对“卓越计划”在程序设计课程中的执行策略进行了深入研究。在“卓越计划”背景下，张俊三等[14]针对程序设计类课程教学进行了改革措施。2015年教育部出台《教育部关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》。苏小红等[15]针对MOOC背景，提出了C 语言程序设计混合教学模式的设计方案。高春颖等[16]研究了基于网络化平台的C语言程序设计教学模式。