中學物理教學研究熱點及趨勢的可視化分析

檀亞麗 許 敏 桑芝芳

(蘇州大學物理與光電·能源學部,江蘇 蘇州 215006)

探索和分析中學物理教學的研究成果,可以更好地掌握中學物理教學研究的最新動態,并對有效指導中學物理教學具有重要意義．運用科學知識圖譜可視化技術深度挖掘相關研究成果,可更客觀、更直接、更形象地展示物理教學研究的趨勢和熱點問題．本文以CiteSpace Ⅲ為研究工具,對中學物理教學研究的數據進行了圖譜分析,進而總結出中學物理教學研究的熱點及趨勢．

1 研究數據來源及其研究方法

1.1 數據來源及統計

本文以中國知網(CNKI)檢索的期刊類相關文獻為研究對象,檢索的關鍵詞為“中學物理”,共檢索到26278條文獻,由于時間跨度比較大,數據太多,選取2000—2017年之間的6本期刊文獻進行研究:《物理教師》、《中學物理教學參考》、《物理通報》、《中學物理》、《物理教學探討》、《物理教學》．這6本期刊的轉載量在物理教學方面的期刊中是名列前茅的,參考意義和價值較大．通過人工刪除一些無關文獻(期刊序言,目錄綜述,會議記錄等),最終確定24256篇文獻為本文研究所用．

1.2 分析工具以及圖譜的生成

本文研究運用的分析工具是信息可視化應用軟件Citepace Ⅲ,版本號是4.0.R5 SE(32-bit),是在科學計量學、數據可視化背景下逐漸發展起來的一款引文可視化分析軟件．其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科學知識圖譜.所謂知識圖譜,即以科學知識為對象,綜合運用科學計量學、信息可視化技術、應用數學、圖形學等學科的理論和方法來揭示科學知識發展進程與結構關系的一種圖形．知識圖譜可以客觀、形象地展示單憑個人經驗難以直觀獲得的前沿領域的總體圖景、親緣關系和演化規律等,已成為把握學科發展動態、學科研究方向、輔助科技決策的重要工具．繪制知識圖譜不僅能夠從宏觀層次上看到森林，還可以在微觀水平上看到樹木與枝葉，對生成的知識圖譜進行分析,從而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中檢索到的文獻以refwork格式批量導出保存為download.xxx格式并在citespace上進行CNKI格式轉換,轉換成軟件運行可處理的格式．② 設定相關參數．時間跨度設定為2000—2017年．時間切片為1年;節點類型設為關鍵詞;閾值(c,cc,cv)分別設為(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,即關鍵詞共引次數大于3次,cv為共引系數,即關鍵詞相似系數大于0.02．最終生成的圖譜里,出現以節點環為中心的中心詞(可以是研究機構、發文作者、文章關鍵詞等)，其出現頻次越高,生成以關鍵詞為中心的圖圈就越大,并且以灰度的深淺來表示關鍵詞出現的年份．③ 最后一步點擊go,即生成關鍵詞共引知識圖譜．

2 中學物理教育研究論文發表數量和作者情況

2.1 中學物理教育研究論文發表數量趨勢圖

如圖1所示,自2000年以來我國學者對中學物理教育的研究總趨勢是呈現出增長的趨勢,說明中學物理教育受到了越來越多的關注,由于近些年物理學科教育的研究的深度發展,研究文章篇幅明顯增長,發文量相對有所減少．所以我們從圖1中可以明顯地看出2012～2013年,發文量達到頂峰,之后趨于平緩．

圖1 關于中學物理教育文獻數量的趨勢

2.2 中學物理教育研究的作者情況

筆者統計了中學物理教育研究論文的作者，軟件所生成的作者的分布圖譜如圖2所示，圖中節點名稱為作者的名字,名稱字體的大小代表中心性,節點環大小代表發文量,節點環的灰度深淺代表作者發文見刊的年限．

從圖2中我們可以看出,節點環“郭玉英”、“邢紅軍”等作者是圖中相對較明顯的,說明這些作者在中學物理教育方面的發文數量是比較多的,節點環由中心至圈外灰度漸變,說明研究者們從2000～2017年在中學物理教育這方面的研究是連續不斷的,總的來說他們對中學物理教育的研究熱情是逐年上升并呈現出一種趨于平穩的狀態．我們還可以看出,學者之間的合作關系相對是比較密切的(e=209),但是合作關系大都僅僅局限在同一個研究機構和區域,沒有明顯的跨學科和跨教育研究機構的合作,少部分有3個教育機構之間的研究合作關系,不同機構之間研究比較分散,沒有形成具有一定凝聚力的教學科研群體．

3 內容知識圖譜及其分析

3.1 中學物理教育研究熱點

圖譜中節點環也就是引文年環代表著某篇文章的引文歷史．引文年輪的灰度漸變,相同灰度代表相同年限,一個年輪的厚度和其相應時間分區內引文數量或者說頻次是成正比的．節點在網絡中的重要性指標用中介中心性來表示,Citespace中用這一指標來發現和衡量文獻的重要性,并用深灰度對該類文獻或者其關鍵詞(或者作者、期刊以及機構等)進行重點進行標注，表示節點對其他節點兩兩之間的聯系起到控制作用,體現其在整個網絡中的重要地位．通過節點外圈的標注可以看出來中學物理教學的重要性及基礎性,筆者將從物理教育關鍵詞的中心性和突變率兩個維度來分析中學物理教育的熱點問題和發展前沿．

我們從研究內容上分析,節點中心度和頻次高的關鍵詞就代表著一段時間內研究者共同關注的問題,也就是我們說的研究熱點．中心性反應了該點在網絡中的重要性,也就是說,關鍵詞在網絡中出現的頻次越高,說明節點在該領域越重要．圖3顯示了關鍵詞共現圖譜結果．

如圖3所示,國內研究文獻分析數據節點共為600個,網絡連線為2817,網絡密度為0.0006(n=14393,e=2817,D=0.006)出現頻次較高的關鍵詞除了圖譜中顯示最多的“物理教學”之外,還有例如“物理規律”、“新課程”、“實驗教學”、“物理教師的專業發展”等等．由于一些關鍵詞在研究問題中比較籠統,不夠精準,我們從圖譜中并不能特別準確地找到近幾年的熱點問題,所以筆者根據分析圖譜,并結合自己閱覽過的文獻資料分析近幾年中學物理研究的熱點．

圖3 關鍵詞共現圖譜

(1) 關于科學方法教育.

關于科學方法教育研究,迄今為止已經走過了將近40余年的歷程,這一領域中,張憲魁教師是我們研究的領軍人物,一直推動著這一研究領域的發展,激發了相關研究成果的發表和一線教師的教學嘗試.例如其初步建立起的物理科學方法體系;李正福等人對科學方法顯性教育進行了理論建構,指出科學方法作為物理認識活動的中介,是連接物理現象與物理知識的紐帶,在物理理論的發展中起著橋梁作用,并由此建立起物理學智能結構圖,科學方法處于物理學智能結構的核心．從物理教學實踐來看,科學方法教育主要體現在物理學智能結構的兩條路徑上,一是物理現象→科學方法→物理知識,這一路徑反映了物理知識的獲得過程;二是物理知識→科學方法→延伸應用，這一路徑反映了物理知識的應用過程．張錦科、吳政等人從自身教學實際出發,就如何將教材中的科學方法顯性化、怎樣通過概念規律教學、習題教學等開展科學方法的教育分享了心得感悟．作為科學探究的核心要素之一,“猜想與假設”決定著探究的方向,是探究活動的前提．而實際的教學過程中,教師在這一環節上“走過場”現象較普遍,甚至許多教師把它當做可有可無的環節,嚴重制約了學生思維能力的培養和科學素養的提升.引導學生構建科學猜想,培養其猜想能力,除了要理解科學猜想內涵,創設合理情境誘發猜想外,猜想方法的引導是尤為必要的．部分教師在其教學實踐中總結了以下方法:外推法、類比法、單位法、分析法和枚舉法．還有些教師提出高質量的假設必須同時具有3個基本特性:科學性、可驗證性、預測性．以上研究者們均從認知規律的角度對猜想與假設的構建提出了有較強可操作性的方法指導．

(2) 關于物理核心概念.

近年來國際科學教育的研究熱點是以“大概念”或“核心概念”來統整課程核心概念．從2016年以來,對核心概念的研究的文章逐漸增多．所謂核心概念就是在學科知識體系中占據核心地位的精煉的關鍵概念．在教學過程中圍繞“少而精”的核心概念進行教學設計和教學活動,并通過教學來促進學生對科學概念的理解．文獻[12]中按照科學概念的抽象水平對科學概念進行層次分析,由低到高為“基礎概念-重要概念-核心概念-學科核心概念”．文獻[13]中介紹了美國新一代科學教育標準,指出了改革標準對中學物理核心概念界定、教學等具有重要啟示．在實踐層面,文獻[14]中以高中物理速度為例,圍繞學科核心概念重新認識速度概念的建構及其縱向、橫向的關聯,從整體上把知識和認知方法加以整合,促進學生對知識體系的把握和認識的深化,具有借鑒意義．

(3) 關于學習進階.

學習進階的研究也引起我國教育研究者的重視．學習進階的概念從提出到有廣泛明確的內涵的界定經歷了較長的一段時間,美國學者 Alicia C.Alonzo和我國學者翟小銘對學習進階的研究認為“學習進階既不同于課程文件中的“內容進階”,也不是簡單的回答“是否學會了”這個問題,而是定量化地描述學生在學習某一主題時不同的思考方式,關注的是學生怎樣思考”．我國其他研究學者也從應用的角度開展了研究,主要有兩個方面,一方面是應用學習進階思想處理學段間的教學銜接問題,另一方面是應用學習進階改進物理教學設計,還有教師將學習進階思想應用于習題課的教學之中．

(4) 關于中學物理問題的討論.

近年來,研究者對具體物理問題、物理知識的關注也很多．具體物理問題的研究主要針對學生的一些學習難點、教師的教學難點以及考試的熱點問題,并適當地提出有利于物理教學的建議,大多數集中在運動學、力學、電磁學的問題上．

運動學方面有關速度和加速度、圓周運動與天體運動問題的討論文章較多； 力學包括各種力的問題的探討,尤其是關于摩擦力的各種問題、受力分析與力的平衡的問題等；在電磁學方面,主要在電路問題、電磁感應問題以及帶電粒子的運動問題方面討論文章較多．

總之，相對于機構合作網絡和作者合作網絡圖譜,關鍵詞的共現網絡結構密度有所提升,但是總體上分析關鍵詞共現網絡的結構還是比較松散,密度不高．筆者結合相關文獻閱讀初步整理了中學物理教育研究的熱點問題，在未來的物理教育研究中要注意做好不同教育部門或機構之間的交流與合作,促進共享,并且在此基礎上要加深教育研究的深度．

3.2 中學物理教育研究趨勢

突現詞(burst)指在較短的時間內出現的較多或使用頻率較高的詞,根據詞的詞頻率變化我們就可以判斷出在該研究領域的前沿或者研究趨勢．根據citespace對2000以來數據的處理,我們得到突現詞出現的年限表格,從中摘取幾個出現突現率相對較高的幾個關鍵詞作為參考，如表1所示.

從表1中可以大致看出近幾年的研究趨勢,從2000出現的“計算機輔助教學”、“演示效果”,到現在計算機教學的普及與應用．同年出現的演示實驗的“演示效果”研究,到提倡學生的“探索性實驗”以及教師的“探究性教學”,再到一些教學方法、教學策略的研究,包括“同課異構”、“問題具體化”和強調學生的“主體性地位”,發揮學生的“探究者”身份．最后近幾年的關注點集中在“課堂教學策略”以及“物理課程教學”,致力于教學過程中的教學思想、方法模式、技術手段等方面的研究．從表1中可以看出近幾年的物理教育研究能夠與時俱進,響應課程改革的要求,緊跟時代的潮流．

表1 突現率圖表

根據突現率圖表，結合筆者閱讀的大量文獻分析，認為未來幾年突發性較強的、在中學物理教育研究中扮演十分重要角色的關鍵詞為“核心素養”、“現代教育技術”、“創客理念”、“中高考改革”等等．

目前學生發展核心素養的框架已經確立，以核心素養培養為導向的高中新課程標準已經頒布，該新課程標準有哪些重要變化？為什么會有這樣的變化？均需要專家學者的詳細闡釋和一線教師的仔細揣摩.隨著新課標的頒布，物理學科核心素養也得到清晰的界定，關于物理核心素養以及如何提升物理核心素養已經有許多論文進行討論，但物理核心素養理念的進一步落地生根還需要廣大研究者從課程建設、教學方式、測量與評價等方面進行系列的研究.隨著現代科技的發展,教師的教學方式、方法也在與時俱進,網絡的發展和智能手機的普遍應用都對物理教學有一定的助推作用．現代教育技術的應用越來越廣泛,2015年以來對“智能手機”在物理教育教學中的應用的研究逐漸增多,另外互聯網教學、“微課”、“慕課”以及微信公眾號等等也逐漸改變著教與學的方式．

創客教育的發展．做中學、快樂教育、大成智慧、構造論這些創客教育背后的核心理念決定了創客教育具有無限的價值潛能．今后會有越來越多的教師將創客理念應用到教學中去,物理教師的創客教育行動也將催生一批學生物理創客．

中高考改革也是近幾年大家關注的問題之一,各地中高考改革方案的出臺必將對物理課程教學帶來重大的影響.在新的模式下,課程多元化、教學方式多樣化、物理專用教室、走班制等從理論走向實踐,這一切都要求中學物理教師具有較強的課程領導力,需要深入研究并解決新的中高考背景下物理教學的實踐問題．

我們身處一個價值多元的時代,各種物理教育理論逐漸走向實踐,并且不斷吸收外國的先進教育思想,基于我國的教育現狀,取其精華,為我國物理教育所用．所以我們物理教育研究者應該把握研究趨勢,把理論與實踐結合起來,為中國的物理教育事業添磚加瓦．

4 結論與思考

本研究通過citespace軟件,對CNKI數據庫中的2000～2017年有關中學物理教育的文獻生成的圖譜及相關數據進行了不同層次的分析和可視化研究,并結合相關文獻閱讀分析得出以下幾個重要結論: ① 中學物理教育具有重要的研究價值,教育研究成果數量呈現日益發展的上升趨勢．② 參與中學物理教育研究的機構較多,研究者的隊伍也在不斷壯大,在物理教育研究領域中的領軍隊伍多集中出現．但是研究機構之間各自為營,合作較少．在未來的物理教育研究中,我們需要加強研究者之間的交流與合作，機構之間的信息共享,促進物理教育研究的深、廣度發展．③ 中學物理教育的研究熱點為“物理核心概念”、“學習進階”、“科學方法教育”等方面．關鍵詞共現網絡結構相對密集,密度適中,在未來的研究中還需要物理教育研究者保持對研究主題、研究內容和研究方向的深度開發,提高自身對物理教育新方向的敏感度,抓住核心問題．④ 我國中學物理教育的研究趨勢體現在“核心素養”、“中高考改革”、“現代教育技術”、“創客理念”等方面,反映出我國的物理教育研究跟著時代發展,跟著課程新課標不斷研究深入和進步,在以后的研究中還需要借助新技術開拓新的研究方向,開展跨多機構、多學科、多領域的合作研究．

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