利用可視化應用軟件進行的中學物理實驗教學前沿分析

趙露 王林

摘 要 準確把握當前國內中學物理實驗教學的研究熱點和前沿問題對于中學物理教學有著重要的指導意義。本文以1990年到2015年中國知網數據庫（CNKI）中涉及的中學物理實驗教學相關文獻為研究對象，運用科學計量軟件CiteSpace III進行可視化分析后繪制出中學物理實驗教學科學知識圖譜，通過相關文獻關鍵詞共引知識圖譜，找出了近25年來國內中學物理實驗教學的研究熱點和前沿問題，通過圖譜分析可以發現突變值最大的共引關鍵詞依次為自制教具和電子白板。本研究結論對今后中學物理教師的物理實驗教學和研究具有一定的參考價值。

關鍵詞 物理實驗教學 CiteSpace 知識圖譜 熱點問題 前沿領域

物理學是以實驗為基礎的科學，一切理論都以實驗作為唯一的檢驗基準。中學物理教學內容主要由三部分構成：物理概念的形成，物理問題的解決，物理方法的應用。單純靠理論知識的講授無法激起學生的共鳴，要讓學生靈活掌握并應用所學物理知識，就必須借助于實驗。因此，在中學物理教學中，實驗占有尤為重要的地位。理清國內中學物理實驗教學的研究熱點和前沿問題對中學物理實驗教學和研究有著重要的意義。

一、研究方法

1.數據來源

本文以2015年11月4日在中國知網（CNKI）中檢索的相關文獻為研究對象，檢索關鍵詞為“中學物理實驗教學”，共檢索到59601條文獻，由于時間跨度較大，選取1990年至2015年期間的相關文獻進行研究，通過刪除無關文獻等一系列整理，最終確定672篇文獻為本文研究的數據來源。

2.分析工具及圖譜生成

以美國費城德雷塞爾大學副教授、大連理工大學陳超美博士開發的信息可視化應用軟件CiteSpace為分析工具，CiteSpace的核心功能是產生由多個文獻共被引網絡組合而成的一種獨特的共被引網絡[1]，以及自動生成的一些相關分析結果，通過對生成的知識圖譜進行分析，可獲得本研究領域的熱點問題和前沿變化趨勢。具體操作：（1）將CNKI中檢索到的文獻進行格式轉換。先將CNKI中的數據導出為Refworks格式，然后利用CiteSpace3.9R4中的數據轉換功能將導出的數據轉換為CiteSpace3.9R4可處理的格式。（2）設定相關參數。間跨度（Time Slicing）設為1990年至2015年，時間分區（Years Per Slice）為1年；節點類型（Node Types）設為關鍵詞（Keyword）；閾值（c，cc，ccv）分別設為（3，3，20）、（3，3，20）、（3，3，20），c為最低被引次數，即關鍵詞滿足出現次數大于3次，cc為共被引次數，即關健詞共引次數大于3次，ccv為共引系數，即關鍵詞相似系數大于0.20。（3）生成關鍵詞共引知識圖譜：如圖1所示，最終得到的知識圖譜包含21個節點，34條連線。圖譜中節點環的大小表示頻次，外部帶有小圈的節點環表示具有高中介中心度的關鍵節點。中介中心度是測量某一節點被其他節點之間的最短路徑穿過的程度指標，中介中心度高的節點對其他節點兩兩之間的聯系起到控制作用，體現了其在整個網絡中的重要地位[2]。

從圖1中可以看到該關鍵詞共引的知識圖譜模塊值Modularity Q=0.4494，Q>0.3，說明劃分出來的社團結構是顯著的；平均輪廓值Mean Silhouette=0.6053，S>0.5，說明得到的聚類是合理的[3]。通過紫色外圈的標注可以看出實驗教學的重要性及基礎性，之后將從共引關鍵詞的中心性和突變率兩個維度來分析中學物理實驗教學的熱點問題和發展前沿。

二、中學物理實驗教學領域的熱點和前沿分析

1.中學物理實驗教學研究的熱點問題

關鍵詞的頻度（Frequency）和中心性（Centrality）可以反映該領域發展路徑及熱點問題，表1列出了前20個關鍵詞的頻度、中心性等指標，從表中可以看出，除了實驗教學、中學物理、中學物理教學等關鍵詞出現的頻率相當高之外，教學方法、自制教具、演示實驗、農村中學、電子白板也有著較高的頻率，依此可以得出中學物理實驗教學方法的探討和農村中學的物理實驗教學一直以來都是人們研究的熱點。

（1）中學物理實驗教學的模式和方法探討

實驗教學是中學物理教學的重要組成部分，尤其是新課程標準的實施，對于學生的探究能力和動手能力有了更明確的要求，這無疑提高了實驗在中學物理教學中的地位，而且實驗也是中、高考出題人極其重視的內容，出于中國的應試教育背景，執教者在實驗教學上花費了不少心思，特別是物理實驗教學方法的探討，一只以來都備受研究著和執教者的青睞。

①從驗證性實驗到探究性實驗的轉變

傳統的物理實驗主要以驗證性實驗為主，驗證性實驗是一種由步驟驅使的、針對已知的實驗結果而進行的教學活動，其實驗器材、實驗方案通常由教科書、實驗手冊或教師給定，實驗室提供[4]。實驗過程中，學生總是按照既定的步驟進行操作，這就淡化了實驗所具有的功能，無法達到強化知識的目的和學生探究能力的培養。因而，一種新的物理實驗教學模式應運而生——探究性實驗，探究性實驗充分考慮了學生的主體地位，學生利用教師的引導來進行思考、摸索，最終找到最佳的實驗方案。在這個學生主動獲取知識的過程中，其創造性思維得到充分發揮，同時也加深了對課本知識的理解和運用，使實驗真正服務于課堂，服務于學生。

②中學物理實驗教學常用方法

目前國內大部分中學物理實驗教學都借助于一種或多種教學媒介，在有效組織實驗課的同時，使用電子白板、動畫、網絡、虛擬仿真等技術穿插于課堂中來使抽象的物理知識變為具體的物理現象，不僅激發了學生的興趣，而且調動了學生的學習積極性，使課堂更為生動；同時，富有趣味的演示實驗也會使學生產生濃厚的興趣，演示實驗要盡量貼近學生生活，能使學生產生共鳴，這樣才能起到事半功倍的效果。

（2）農村中學物理實驗教學的現狀及思考

農村中學的物理實驗教學也是人們關注的焦點。由于農村地區實驗器材缺乏、師資條件有限[5]，物理實驗的教學已出現實施不到位的現象。因此，有些教師開始探討低成本物理實驗開發，教師應該具備一定的實驗素質，能夠依據地方特色和現有條件開發一些貼近學生日常生活的小實驗，根據學生的實際情況組織實驗活動，這樣不僅充分發揮了實驗的功能，有效地緩解了實驗器材不足所帶來的影響，同時也提高了中學教師自身的專業技能。

2.中學物理實驗教學研究的前沿領域

在CiteSpace軟件繪制出的知識圖譜中，突變詞是指在較短時間內出現較多或使用頻次增長率明顯提高的詞。通過繪制Top20的關鍵詞的突變值圖2（Citation Bursts）、圖3（Citation History）可以分析出中學物理實驗教學領域的前沿動態，對研究者的研究和執教者的教學都有著非常重要的意義。圖2、圖3中可以看出突變值最大的共引關鍵詞依次為自制教具和電子白板。

（1）自制教具在中學物理實驗教學中的突出地位

自制教具是教師和學生為改進教學方法，就地取材、自己設計制作的教具，是教師自身科學知識與教學經驗、操作技能的結晶[6]。鑒于我國目前中學物理實驗教學現狀，自制教具既可以培養學生的創造力、開闊學生思維，也是解決當前實驗儀器不足的有效途徑，因此執教者在教學過程中能夠根據實際情況親自動手制作一些教具已經成為了一項不可缺少的技能。新課程教學大綱明確提出：“要發動學生和老師一起自制教具。”所以，自制教具的過程也是師生互動、共同進步的過程，這對于教師和學生的發展都有著深刻的意義。

自制教具具有針對性強，見效快的特征，因此它具有強大的生命力。在大力推行的過程中，應注意帶著啟發性、經濟性、可靠性、可觀性這四點要求進行自制教具的設計。在設計自制教具時應遵循這樣的原則：做大一點、使用信手可得的材料、結構簡單、能進行鮮明的演示、教育目標恰當、做好一點[7]。

（2）電子白板在中學物理實驗教學中的作用

從2012年開始，研究者開始探索將電子白板與中學物理實驗教學相結合，交互式電子白板是一種由計算機控制并與投影儀相連接的觸感式白板，交互式電子白板系統有四個組成要素：計算機、投影儀、相關應用軟件以及電子白板，使用者可以通過點觸或非點觸的筆操作白板來控制計算機[8]。利用電子白板的交互功能能夠使教師和學生之間產生更多的互動，提高課堂效率。而且執教者可以將不易操作的物理實驗拍成視頻，插入電子白板課件中進行播放，從而達到教學目標。但是目前中學教師對于電子白板的使用，僅限于一些表面的功能，沒有充分利用其交互功能，這是需要進行改善的。

三、結論

本文通過對國內1990年到2015年中學物理實驗教學的相關文獻進行梳理、分析，概括出了該領域的研究熱點和發展走向。實驗在中學物理教學過程中占據著重要的地位，探究性實驗的出現在物理實驗教學的海洋中掀起了巨大的波浪，在中學物理實驗教學中執教者應多設計探究性實驗，培養學生的探究能力和發散思維，同時，充分利用身邊的資源進行教具設計，通過自制教具、電子白板等的使用來抓住課堂。研究者也應在今后的研究中來完善自制教具的設計和信息技術與物理實驗課程的整合，讓物理實驗和信息技術成為中學課堂的好幫手。

參考文獻

[1] 劉則淵，陳悅，侯海燕.科學知識圖譜方法與應用[M].北京：人民出版社，2008.

[2] 陳超美，CiteSpace II：科學文獻中新趨勢與新動態的識別與可視化[J].情報學報，2009（3）.

[3] 陳悅，陳超美，劉則淵.CiteSpace知識圖譜的方法論功能[J].科學學研究，2015（2）.

[4] 馮杰.高中物理探究實驗及案例分析[M].北京：北京大學出版社，2011.

[5] “農村中學物理實驗教學現狀與改革的研究”課題組，楊昌權.農村中學物理實驗教學現狀與改革的研究[J].軟件導刊：教育技術，2010（9）.

[6] 譚福奎.中學物理教具設計與制作技術[M].北京：光明日報出版社，2013.

[7] 大隅紀和.教具的活用技術[M].北京：人民教育出版社，1989.

[8] F.Saltan，K.Arslan，K.A New Teacher Tool，Interactive White Boards：A Meta Analysis.In I. Gibson et al.（Eds.），Proceedings of Society for Information Technology & Teacher Education International Conference 2009. Chesapeake，VA：AACE，2009.pp.2115～2120.

[作者：趙露（1992-），女，山西呂梁人，寧夏大學物理電氣信息學院在讀碩士研究生；王林（1959-），男，寧夏銀川人，寧夏大學物理電氣信息學院教授，碩士生導師。]

【責任編輯 孫曉雯】