基于Citespace的物理演示實驗可視化分析

袁 琳,孫敬姝,蓋學敏

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

近年來，物理演示實驗內容隨著科學技術的進步不斷地推陳出新，并在教學實踐探索中延伸出了更多的研究方向，開拓出了更加廣闊的研究領域. 回溯并分析一定時期內該領域研究成果的知識脈絡及發展歷程，有利于調整和確立物理演示實驗未來的研究方向，起到“彰往而知來”的作用. 通過Citespace軟件構建物理演示實驗的科學知識圖譜，繪制、挖掘、分析和顯示過去一段時間內物理演示實驗研究的熱點、時間線等要素及其相互關系，有助于了解和預測該領域的科學前沿和動態，挖掘開辟新的未知領域，進而為后續的物理演示實驗研究和教學提供參考和研究方向.

1 數據收集、研究工具與研究方法

1.1 數據收集

在中國知網的數據庫中，設定檢索條件：關鍵詞和主題為物理演示實驗；檢索時間：2007—2017年. 檢索結果共有492條，除去會議通知、會議紀要、報紙、碩士論文，剩余期刊和會議論文共423條，將這部分文獻的標題、關鍵詞、作者信息和摘要等數據導出為可以被Citespace識別的reforks格式，便于進行后續的數據處理與分析.

1.2 研究工具

Citespace是由美國Drexel University信息科學與技術學院教授陳超美博士應用Java語言開發的一款信息可視化軟件，建立在共引分析理論基礎上，利用尋徑網絡等算法，對一定限定條件下收集的特定領域內的大量文獻進行統計，以期探索出該領域研究重點、熱點的演化路徑與節點，并通過多種可視化圖譜和表格形成對學科或主題演化的潛在動力機制和發展前沿的分析與探測，實現從知識基礎到研究前沿的映射[1].

1.3 研究方法

將知識圖譜和文獻信息計量學結合，采用詞頻分析、聚類分析、社會網絡分析、時間線視圖分析法對時間分區等參量進行設定后運行程序[2]，得到物理演示實驗相關研究的各項分析圖譜，分析研究機構、關鍵詞等的相似性和測度，顯示物理演示實驗研究領域的研究基礎和研究前沿.

2 數據分析

2.1 物理演示實驗研究作者分析

作者群體的狀況集中體現了學科科研實踐的趨向，是某一學科領域科研活動的縮影之一，通過對作者群體進行研究，可以把握學科科研活動的深度和廣度，對于科研活動的管理、組織、協調和引導都有積極的意義[3]. 由表1可以得出結論:在2007—2017年間，各研究者的發文量總數較少且個體相互之間差距較小，最大發文量為3篇的作者有7位，個人發文的年限并沒有成線性關系且發文年限相對集中，即其研究并沒有保持長久的持續性. 2007—2010年間，整體發文章總數處于急速上升階段，并于2010年達到了峰值，隨后數值逐步下降，但近2年又有所回升，目前正處于物理演示實驗研究的上升期.

表1 研究作者統計表

圖1是通過最小樹法得到的物理演示實驗研究作者知識圖譜，圖譜中節點之間的連線較少且中心性小，結果表明：各研究作者之間合作關系不明顯，多為獨立研究，且現有學者合作關系主要以“學緣”關系為主，具體表現為師生或者同事之間的聯合；少有跨區域、跨學校的“地緣”合作.

圖1 物理演示實驗研究作者知識圖譜

2.2 物理演示實驗作者機構分析

作者機構統計能夠顯示哪些研究機構走在特定領域的研究前沿[4]. 選擇Institution為Citespace節點，得到如圖2所示的物理演示實驗作者機構知識圖譜.

圖2 物理演示實驗作者機構知識圖譜

圖2中的各個節點分別代表不同作者所在的研究機構，節點標簽的大小取決于出現頻次的高低[5]. 圖2的數據顯示，整體格局分布比較分散，各研究機構基本都是孤立的點，同一地區內的研究機構也沒有交集，頻次最高為5的研究機構為黑龍江科技學院數力系，其次是頻次為4的安徽科技學院理學院，圖2中顯示的其他研究機構如哈爾濱工業大學物理系、華東師范大學物理系、吉林大學物理學院等也是研究物理演示實驗中不可或缺的力量. 總結可知物理演示實驗的研究多在各大高校中進行，物理演示實驗研究和應用范圍具有一定的可擴展性，除物理學以外的專業也可以采用演示實驗的方式進行教學及研究.

2.3 物理演示實驗研究熱點分析

詞頻分析法是利用能夠解釋或表達文獻核心內容的關鍵詞或主題詞在某一研究領域文獻中出現的頻次高低，確定該領域研究熱點和發展動向的文獻計量方法[6]. Citespace中的Term來源是文章的關鍵詞部分，運行結果得到如圖3所示的物理演示實驗研究熱點知識圖譜.

圖3 物理演示實驗研究熱點知識圖譜

圖3中節點代表物理演示實驗相關文獻的聚類，如物理演示實驗的節點最大，證明收集的文獻數據中，該詞匯出現的頻次越多，即針對該部分的研究量最大；節點位置位于中心表明其在該研究領域中處于核心地位. 由圖3可知：大學物理是演示實驗研究中比重較大的部分，遠高于中學物理演示實驗；節點圓環標識中，可根據內部的顏色和寬度表示各時段內節點內容出現的頻數；凸顯點代表新興研究領域. 節點間的連線能夠體現出共現關系，連線的粗細程度反映共現強度，連線顏色對應該節點首次共現的時間，根據連線顏色變化顯示其隨時間發展變化情況[7]. 其中，深色節點如“演示實驗”具有較高的中心性，可有效連接網絡中的其他節點，起承接作用，屬于關鍵節點.

經過聚類后，得到圖4，聚類頻次最高的詞是“演示實驗”，這與本次研究的檢索式一樣，不參與后續討論. 剔除“演示實驗”后得到的聚類頻次較高、中心性較高的關鍵詞有：大學物理、教學效果、實驗教學、教學改革、思維能力、教學模式等，這些關鍵詞主要可以被分為理論與時間兩大類，隨后研究重點逐步轉向了創新思維和創新能力方面的研究. 圖4中突增率最高的詞為物理實驗、物理現象、教學模式和實驗演示，說明這些方面的發展勢頭較猛，是物理演示實驗研究過程中在某一時間段內受到關注最多的領域，即研究重點，具有一定的研究價值. 在后續的研究中，可以針對這些研究重點，結合創新知識進行再研究.

在同一聚類標簽下，包括許多被劃分的同類詞匯，見表2.

圖4 物理演示實驗研究熱點聚類圖

表2 聚類標簽下具體分類詞匯

續表2

圖譜由最中心的物理演示實驗逐漸演化出了整個研究體系,且主要分為2類:一類是自主研制儀器或者改進、設計實驗等的設計類論文，一類是課程與教學論方面的理論研究. 研究認為若詞匯的中心性超過0.1，則說明其有較強的影響力，即該詞的承上啟下作用越大，也證明了研究熱點之間的轉化關系越強. 對應表3可探悉出現有研究的知識邏輯演進脈絡，圍繞演示實驗、物理演示實驗、大學物理、實驗教學、教學效果、教學改革、大學物理教學展開的研究為其主要內容，在這些研究熱點之外，對其他主題的關注度也有待提高.

表3 熱點關鍵詞統計表

2.4 物理演示實驗時間線視圖分析

時間線視圖5主要側重于聚類之間的關系和單個聚類中文獻的歷史跨度[8]. 圖5中橫向坐標軸代表被收集文獻的發表時間，即2007—2017年，縱軸表示物理演示實驗聚類的節點. 引文年輪的顏色對應引文時間，年輪的厚度與該時間段內引文數成正比. 如圖5所示，縱向分析結果與上述聚類圖分析結果一致. 橫向分析可以發現，早期物理演示實驗關注的焦點主要集中在“物理演示實驗”上，隨實踐發展，逐步向“教學改革”、“教學模式”過渡. 近年來，“素質教育”、“創新”、“教學設計”則成為學者們重視的研究領域，這是從關注課程本身到關注學生發展的觀念轉化，也是研究前沿的演進方向的轉變.

圖5 物理演示實驗時間線視圖知識圖譜

2.5 不足之處

本研究也存在不足，其主要原因在于：數據來源于中國知網，由于該數據庫沒有開放引文部分，所以缺乏引文方面的深入分析. 在具體操作時，數據檢索的全面性、Citespace的參量選取和閾值設定等方面有一定的主觀性. 此外，CNKI收錄的文獻有限，不能完全代表物理演示實驗發展的狀況.

3 結論與建議

通過繪制以物理演示實驗為主題論文的各類可視化圖譜，以圖譜方式揭示了物理演示實驗的科研整體狀況. 得出如下結論與建議：

1)10年間每年發表的文獻總數在10～30篇，略有起伏但總體較為平緩，發表論文總數較少，對于物理演示實驗方面的研究有待增加.

2)通過對研究者分析，發現各研究者的研究多建立在“學緣”基礎上，相互之間聯系較少，建議增強校際合作，集思廣益.

3)通過作者機構知識圖譜可知，高校為目前物理演示實驗研究的核心機構團隊，也有部分中學教師參與研究. 此種情況下，建議增加中學生和中學教師走進大學物理演示實驗基地等活動的開展，實現中學物理和大學物理更好銜接.

4)分析標引詞和關鍵詞聚類結果發現，頻次和中心性排名前20的關鍵詞集中在物理演示實驗教學領域，但是較為籠統，多是理論方面的研究，建議微觀與宏觀相結合，從整體的教學模式、教學設計到具體課堂如何教學、實驗如何設計等都要結合時代背景和技術條件進行創新與整合.

5)分析物理演示實驗文獻的時間線視圖，可以了解研究主題隨時間變化的情況. 物理演示實驗領域早期研究的熱點集中在教師的教上，現在逐漸轉移到學生的學上，強調能力的培養而不只是知識的傳授，對學生創新精神、動手能力、觀察能力等的培養具有一定的積極意義.

[1] 文庭孝，劉曉英. 我國非物質文化遺產研究的可視化分析——基于三種可視化工具的比較分析[J]. 圖書館，2016(2)：21-27.

[2] 劉冬梅. 中小型高校圖書館文獻傳遞數據研究——以北京農學院圖書館基于Citespace的可視化分析為例[J]. 農業圖書情報學刊，2016，28(10)：83-86.

[3] 邱均平，馬瑞敏. 基于CSSCI的圖書館、情報與檔案管理一級學科文獻計量評價研究[J]. 中國圖書館學報，2006，32(1)：24-29.

[4] 張永山. 《情報科學》2009年文獻計量學分析[J]. 情報科學，2010，28(11)：1661-1665,1692.

[5] 趙來娟. 國內移動圖書館研究熱點可視化分析[J]. 農業圖書情報學刊，2015(8)：46-51.

[6] 邱均平，溫芳芳. 近5年來圖書情報學研究熱點與前沿的可視化——基于13種高影響力外文源刊的計量研究[J]. 中國圖書館學報，2011，37(3)：51-60.

[7] 劉清泉，趙偉，李成增. 2000～2011年招生就業的文獻計量分析[J]. 齊齊哈爾大學學報(自然科學版)，2014，30(6)：58-62.

[8] 劉冬梅. 國內現代農業可視化分析——基于Citespace圖譜計量分析[J]. 農業圖書情報學刊，2016，28(9)：51-54.