基于CiteSpace的我國中小學(xué)人工智能教育研究可視化分析

張雯雯，張浩

（貴州師范大學(xué)教育學(xué)院，貴州貴陽 550000)

0 引言

人工智能發(fā)展已引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，涉及計算機(jī)科學(xué)、哲學(xué)、醫(yī)學(xué)、金融等眾多領(lǐng)域，各行各業(yè)均迫切需要一支高素質(zhì)且極具創(chuàng)造性的智能人才隊(duì)伍，在中小學(xué)開展人工智能教育已成為國際普遍共識。2019年教育辦公廳發(fā)布《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》，明確指出啟動中小學(xué)信息素養(yǎng)測評，并推動在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育[1]。2022 年《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版）》把“信息技術(shù)”調(diào)整為“信息科技”，將信息科技及其所占課時從綜合實(shí)踐活動課程中獨(dú)立出來。鑒于人工智能教育的重要戰(zhàn)略地位，故本研究利用CiteSpace軟件對中小學(xué)人工智能教育的研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)和前沿開展可視化分析，為后續(xù)人工智能教育的實(shí)踐和理論深化提供重要信息支撐，以推動中小學(xué)人工智能教育的發(fā)展、不斷培養(yǎng)新時代的智能人才。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 研究樣本

本文以中國知網(wǎng)(CNKI)文獻(xiàn)資源庫為數(shù)據(jù)源，以“中小學(xué)”“人工智能教育”為主題，篩選出在2002年1月1日至2022年12月31日期間發(fā)表的文獻(xiàn)，共計606篇相關(guān)文獻(xiàn)。為保證文獻(xiàn)的可靠與一致性，須對檢索結(jié)果進(jìn)行逐一核查，剔除報紙、會議、目錄以及與本文研究主題相關(guān)度不高的文獻(xiàn)，最終得到有效文獻(xiàn)497篇。以上述497篇中文文獻(xiàn)為研究樣本，對國內(nèi)中小學(xué)人工智能教育展開可視化分析。

1.2 研究方法與工具

CiteSpace 是一款與Java 相關(guān)的可視化文檔分析軟件，可將一個知識領(lǐng)域的演進(jìn)歷程和研究前沿以知識圖譜的形式展現(xiàn)出來[2]?；诖?，本研究運(yùn)用文獻(xiàn)計量分析軟件CiteSpace(6.2.1 版本）繪制可視化知識圖譜。首先根據(jù)CiteSpace的要求，將檢索結(jié)果以Refworks格式導(dǎo)出并命名為Dowload_1-497，將該文檔導(dǎo)入CiteSpace中，完成文檔代碼轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相應(yīng)的文獻(xiàn)分析。其次運(yùn)用CNKI自帶的計量可視化分析功能得出發(fā)文量趨勢圖。最后，利用CiteSpace軟件分析生成相關(guān)圖譜，探尋目前我國中小學(xué)人工智能教育的前沿與趨勢。

2 發(fā)文量趨勢分析

圖1是中國知網(wǎng)(CNKI)2002年1月1日至2023年12月31日期間我國中小學(xué)人工智能教育研究文獻(xiàn)發(fā)文數(shù)量變化趨勢圖。由圖1可知，發(fā)文量整體呈現(xiàn)不斷增長的發(fā)展趨勢。依據(jù)增長率因素，將2002—2022時間區(qū)間劃分為兩部分。第一部分設(shè)置為2002—2016，從圖中可看出該區(qū)間內(nèi)年度發(fā)文量呈震蕩上行趨勢，經(jīng)計算得到年平均發(fā)文量為3篇。第二部分設(shè)置為2017—2022 年，經(jīng)計算年度平均發(fā)文量約為75篇，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一部分區(qū)間的發(fā)文量平均值。2017 年，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，該政策強(qiáng)調(diào)了開展全民智能教育的重要性，要求在中小學(xué)階段設(shè)立人工智能相關(guān)科目、逐步推廣編程教育[3]。2017 年至今，我國中小學(xué)人工智能教育的研究受到積極關(guān)注，說明了國家相關(guān)政策在一定程度上促進(jìn)了該領(lǐng)域的快速發(fā)展。

圖1 CNKI文獻(xiàn)發(fā)文量分析

3 基于關(guān)鍵詞聚類的研究熱點(diǎn)分析

3.1 關(guān)鍵詞頻率

關(guān)鍵詞頻率是指從文獻(xiàn)中概括抽象出的能代表其核心內(nèi)容的主題詞頻率分布，反映了一個特定的時間點(diǎn)及研究方向。本文統(tǒng)計了出現(xiàn)頻率最高的前10個關(guān)鍵詞（見表1)分別是“人工智能”“中小學(xué)”“編程教育”“機(jī)器人”“計算思維”“創(chuàng)客教育”“教學(xué)設(shè)計”“信息技術(shù)”“課程”“教育”，其中頻次最高的是“人工智能”197次，“中小學(xué)”141次，“編程教育”29次，說明這類課題是我國中小學(xué)人工智能教育研究的重點(diǎn)。

表1 關(guān)鍵詞詞頻和中心性情況統(tǒng)計

3.2 關(guān)鍵詞中心性

關(guān)鍵詞“中心性”是指在整個共線網(wǎng)中，中心度高于0.1的關(guān)鍵詞，亦可稱為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以表示在整個共線網(wǎng)絡(luò)中的中心地位。表1中人工智能排第一位，其中心度為0.99；其后依次為中小學(xué)，中心性為0.42；編程教育中心性為0.07，機(jī)器人中心性為0.17。其中“人工智能”節(jié)點(diǎn)中心性最高，說明關(guān)鍵詞“人工智能”在該研究領(lǐng)域處于核心地位。

3.3 基于CiteSpace的關(guān)鍵詞聚類圖譜

通過CiteSpace軟件中得到關(guān)鍵詞聚類圖譜（見圖2)。在該聚類圖中，Q值為0.5744、S值為0.8381，表明該聚類是真實(shí)可靠的。通過關(guān)鍵詞聚類分析，得到了“中小學(xué)”“人工智能”“機(jī)器人”“計算思維”“編程教育”“智能教育”“信息輸出”“創(chuàng)客教育”“教學(xué)實(shí)踐”“智慧教育”等10個類別，表明這些是當(dāng)前我國中小學(xué)人工智能教育研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過對圖5中“關(guān)鍵詞聚類圖譜”的分析，可將當(dāng)前我國中小學(xué)人工智能教育的研究內(nèi)容劃分為：

圖2 關(guān)鍵詞聚類圖

1)中小學(xué)人工智能課程研究

人工智能課程研究的關(guān)鍵詞包括課程建設(shè)、課程教材、機(jī)器人課程、STEAM 課程、編程課程、創(chuàng)客課程等。課程是人才培養(yǎng)的藍(lán)圖，隨著國家政策《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布，國內(nèi)學(xué)者紛紛開始關(guān)注人工智能課程各方面的研究。王本陸、千京龍等從宏觀角度提出應(yīng)從中小學(xué)不同年齡階段逐步落實(shí)和開展人工智能課程，應(yīng)充分考慮到學(xué)生的年齡特點(diǎn)、個性專長以及學(xué)校教育的特點(diǎn)規(guī)劃不同的課程內(nèi)容[4]。教材是課程建設(shè)和實(shí)施的重要藍(lán)本。尚曉晶、江豐光從編寫理念、結(jié)構(gòu)安排、內(nèi)容體系、學(xué)習(xí)目標(biāo)四個方面對臺灣地區(qū)的人工智能教材進(jìn)行了分析，并對比兩岸教材的異同提出相應(yīng)的建議[5]。除此之外，我國中小學(xué)與人工智能相關(guān)的課程有STEAM課程、編程課程、創(chuàng)客課程等。楊金勇、王夢珂探討了STEAM 與創(chuàng)客教育課程建設(shè)存在的問題，試圖整合構(gòu)建STEAM 與創(chuàng)客教育的課程體系[6]。

2)中小學(xué)人工智能教學(xué)研究

人工智能教學(xué)涵蓋了教學(xué)模型、教學(xué)平臺、教學(xué)資源等關(guān)鍵詞。開展人工智能教育已上升為國家戰(zhàn)略。設(shè)計有效地適應(yīng)人工智能教學(xué)的模型逐漸受到研究者的關(guān)注。例如：丁美榮、王同聚設(shè)計了“知識構(gòu)建、STEAM、創(chuàng)客”三位一體的教學(xué)模型以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力、提升學(xué)生的核心素養(yǎng)[7]。曾海、王竹青構(gòu)建了基于元模塊法的人工智能教學(xué)應(yīng)用模型，該模型具有靈活高效的特點(diǎn)[8]。信息時代，人工智能給教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)環(huán)境帶來顛覆式改變，引發(fā)了研究者對人工智能整合教學(xué)的討論。崔向平、趙龍對18029 篇相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析形成了關(guān)鍵技術(shù)、理論基礎(chǔ)、融合形態(tài)、應(yīng)用素養(yǎng)四個研究主題[9]。

3)中小學(xué)人工智能信息素養(yǎng)研究

人工智能素養(yǎng)包括的關(guān)鍵詞主要有教師智能素養(yǎng)、計算思維、創(chuàng)新能力等。2018年《教育部辦公廳開展人工智能助推教師隊(duì)伍建設(shè)行動試點(diǎn)工作的通知》指出要提升教師的智能素養(yǎng)，幫助教師把握人工智能技術(shù)進(jìn)展，為智能教育開展培養(yǎng)一批“種子”[9]。胡小勇、徐歡云將智能素養(yǎng)結(jié)構(gòu)劃分為知識基礎(chǔ)層、能力聚合層、思維支撐層、文化價值深化層，并闡明了各層結(jié)構(gòu)中的核心構(gòu)成要素[10]。在鄉(xiāng)村振興的背景下，鄉(xiāng)村教師的智能素養(yǎng)也逐漸得到學(xué)者們的關(guān)注。權(quán)國龍、杜華等研究者認(rèn)為鄉(xiāng)村教師的智能素養(yǎng)包括AI教育意識、AI教育知識、AI教育能力和AI教育規(guī)范4個維度[11]。除了關(guān)注教師的智能素養(yǎng)，學(xué)生的信息素養(yǎng)主要包括計算思維、創(chuàng)新能力等。王羅那、王建磐對近十年的計算思維相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析、認(rèn)為計算思維經(jīng)歷了萌芽-探索-發(fā)展階段[12]。

4)人工智能教育應(yīng)用研究

人工智能教育應(yīng)用研究涵蓋了教學(xué)實(shí)踐、人工智能教育應(yīng)用模型等關(guān)鍵詞。目前，各類智能教育平臺和系統(tǒng)已經(jīng)開始使用以深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者模型、推薦模型、自動批閱模型等。這些模型決定了平臺的智能性和服務(wù)性。例如：鐘卓和鐘紹春運(yùn)用人工智能技術(shù)，提出了一種能描述智慧學(xué)習(xí)的E-GPPE-C學(xué)習(xí)者模式，并對其特征、要素和運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行說明[13]。李建偉、武佳惠等提出一種從課程、學(xué)習(xí)任務(wù)兩個維度進(jìn)行學(xué)習(xí)路徑推薦的個性化學(xué)習(xí)路徑推薦模型[14]。姜淑慧、江世銀等探討了人工智能教育對教學(xué)過程、學(xué)校管理、教育評價的重塑。并強(qiáng)調(diào)技術(shù)應(yīng)用應(yīng)關(guān)注“人”的互動、強(qiáng)調(diào)管理共生、重視學(xué)評結(jié)合[15]。

4 基于CiteSpace的關(guān)鍵詞時間線圖譜分析

時間線圖譜能夠清楚地反映研究主題范圍的變化、研究的關(guān)聯(lián)性與繼承性、研究的重點(diǎn)演化路徑。本文利用CiteSpace 軟件對我國不同階段的中小學(xué)人工智能教育發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析（見圖3)。聚類號#0人工智能課程，從2003至今一直備受研究者關(guān)注，研究重點(diǎn)是人工智能與中小學(xué)課堂整合，包括人工智能課程在中小學(xué)的課程開發(fā)、課程設(shè)計等方面的探索。2013年的關(guān)注度最高，之后出現(xiàn)下滑趨勢。聚類號#1中小學(xué)，從2003-2022年起，它與人工智能的融合成為熱門話題，2013年的研究熱度更是達(dá)到頂峰。研究內(nèi)容主要是人工智能在中小學(xué)的應(yīng)用。聚類號#2計算思維，隨著新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版）》的發(fā)布，將計算思維作為該課程學(xué)科核心素養(yǎng)之一，通過編程教育培養(yǎng)學(xué)生計算思維得到越來越多的關(guān)注。聚類號#3機(jī)器人，僅2006-2020年度的研究熱度很高，其中針對小學(xué)機(jī)器人課程的教學(xué)設(shè)計與教學(xué)評價在2020年后相關(guān)研究大幅度下降。聚類號#4創(chuàng)客教育，針對中小學(xué)的人工智能教育涉及線上線下相結(jié)合，線上平臺提供虛擬人工智能體驗(yàn)服務(wù)，線下以開源硬件或機(jī)器人教學(xué)方式為主。這些先進(jìn)的技術(shù)服務(wù)為創(chuàng)客教育帶來新的生機(jī)，研究側(cè)重人工智能背景下創(chuàng)客教育的課程設(shè)計。聚類號#5編程教育，自2017以來，編程教學(xué)關(guān)注度一直很高，以Scratch 程序設(shè)計為研究對象，旨在提高學(xué)生的計算思維和能力。聚類號#6 教學(xué)實(shí)踐，研究聚焦為人工智能教育的實(shí)踐研究。聚類號#7信息輸出，聚焦智能機(jī)器人、智能移動機(jī)器人的教學(xué)。聚類號#8智能教育，伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能教育應(yīng)運(yùn)而生，主要涉及AI課程的設(shè)計與應(yīng)用。聚類號#9智慧教育，聚焦于智慧教育平臺的構(gòu)建，智慧教育體系構(gòu)建以及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖3 關(guān)鍵詞時間線圖譜

5 研究啟示與展望

5.1 重視人工智能教育評價體系研究

課堂評價是課堂教學(xué)的重要組成部分，更是教育工作有效開展的依據(jù)。然而已有研究關(guān)于人工智能課程評價的關(guān)注度還不夠，現(xiàn)有的課程評價缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)，以及構(gòu)建完整的課程評價體系。因此未來的研究應(yīng)該關(guān)注科學(xué)評價體系的構(gòu)建。研究人員可根據(jù)《深化新時代教育評價改革方案》文件的要求并結(jié)合不同年齡段學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)逐步建立和完善評價制度，制定不同的評價指標(biāo)。

5.2 倡導(dǎo)多元主體協(xié)作研究

未來研究應(yīng)該整合研究力量，發(fā)揮核心研究力量在人工智能基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的引領(lǐng)作用。通過培養(yǎng)核心研究團(tuán)隊(duì)、鼓勵多種研究力量參與等方式構(gòu)建中小學(xué)人工智能教育研究共同體。同時，加強(qiáng)研究的合作交流、加強(qiáng)不同學(xué)科背景與不同研究機(jī)構(gòu)的研究者協(xié)作研究，增強(qiáng)合作產(chǎn)出，促進(jìn)我國中小學(xué)人工智能教育研究的發(fā)展。

5.3 加強(qiáng)對人工智能教育實(shí)踐研究

當(dāng)前人工智能教育產(chǎn)品缺乏對教育實(shí)踐問題的考察，各類教育系統(tǒng)和平臺使用的各種模型的設(shè)計主要源于自然語言處理、自動批閱、商品推薦領(lǐng)域，忽略了對人工智能教育經(jīng)典案例的分析與總結(jié)，導(dǎo)致研發(fā)出的產(chǎn)品滿足不了教育產(chǎn)業(yè)對個性化、智能化教育服務(wù)的需求。由于缺少經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論的支撐，人工智能教育的實(shí)踐性不強(qiáng)。因此研究者應(yīng)加強(qiáng)對人工智能教育的實(shí)踐研究，引導(dǎo)企業(yè)面向教育的實(shí)踐問題。