國內物理課程視角下科學思維研究現狀、熱點及啟示
——基于CNKI中文文獻的可視化分析

鄧浩儀 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510000)

物理核心素養是由“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”“科學態度與責任”4個要素構成[1]，其中，科學思維是核心素養的核心內容，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.因此，物理科學思維在國內引起了廣泛的討論，成為教育領域研究的熱點.那么，國內物理課程視角下的科學思維研究現狀如何？有哪些研究熱點？如何進一步深入研究？

鑒于此，本研究利用CiteSpace對國內有關物理課程科學思維的論文進行統計和可視化分析，以期了解當前國內物理課程科學思維的研究熱點，呈現其研究趨勢，進而總結當前研究存在的問題及建議，為我國研究學者提供有價值的參考依據.

1 研究設計

1.1 數據來源

本研究的數據來源于中國知網，采用高級檢索，檢索條件表達式為“主題=科學思維OR主題=模型建構OR主題=科學推理OR主題=科學論證OR主題=質疑創新AND主題=物理課程OR(題名=科學思維OR題名=模型建構OR題名=科學推理OR題名=科學論證OR題名=質疑創新OR題名=物理課程) (模糊匹配)”.檢索后共有494篇，篩掉會議論文和英文文獻后剩下的489篇作為本研究的樣本.

1.2 研究方法及工具

本研究使用的分析工具是陳美超開發的CiteSpace，利用其繪制出知識圖譜，用于分析科學思維的發展趨勢和動向[2].

2 結果與分析

2.1 研究現狀分析

2.1.1 時間分布特征

本研究對收集到的文獻按照年份進行統計，得到圖1所示的發表年度趨勢.從圖1可以看出，我國關于科學思維的研究在1999—2016年的發文量都比較少.在2017年，我國開始頒布新課標后，關于科學思維的發文量出現明顯的突增.可見，自2017年以來，國內開始關注科學思維，如今處于從起步階段轉為發展階段.

圖1 國內物理課程視角下的科學思維的發文量年度分布

2.1.2 核心作者及合作網絡分析

對作者進行共現分析，得到作者合作圖譜，如圖2所示，網絡共由266個節點和124條鏈路組成，密度為0.003 5，說明網絡密度不高，未形成緊密聯系的合作網絡.由圖2可知，僅形成2～3個聯系比較緊密的團隊，彭振生、王桂英、王聞琦和李莉來自宿州學院，有緊密聯系.另外，馬亞鵬、廖伯琴、于海波、熊建文等人在該領域也較為活躍.

圖2 作者合作圖譜

2.1.3 研究機構分析

在CiteSpace生成的機構合作的科學知識圖譜(如圖3所示)中，可以看出共有232個機構，48條連線，密度為0.001 8，合作關系不太密切,合作主要集中在同一個省份或同一個學校中.研究覆蓋面較廣，涵蓋多個直轄市或省份，如北京、江蘇、浙江、陜西等.其中合作頻率較高的有西南大學、云南師范大學、南京師范大學、東北師范大學、華中師范大學、安徽師范大學，大部分為師范院校，可見師范類的高校更關注科學思維，在研究方面具有主導性.

圖3 研究論文機構合作分布圖譜

2.2 研究熱點分析

2.2.1 關鍵詞共現圖譜分析

關鍵詞提供了文章核心內容的信息，因此,可以利用關鍵詞共現網絡來查看某個知識領域的研究熱點[3,4].通過同義詞合并，刪減無義詞后，利用軟件分析，得到關鍵詞共現圖譜網絡(如圖4所示)，由299個節點和475條連線組成.節點大小表示相應關鍵詞出現的頻次的多少，節點越大，代表關鍵詞出現的頻次越多.每個節點的大小與對應關鍵詞的出現頻率成正比.

從圖4可以看出，頻次較高的是“核心素養”“物理教學”“科學思維”“教學策略”“新課標”“教學模式”等.由此可以看出，當前研究熱點聚焦在教學中的策略和模式.

圖4 關鍵詞共現圖譜

2.2.2 關鍵詞共現詞頻統計分析

按照關鍵詞出現的頻次大小進行排序，選取頻次前12的關鍵詞，整理如表1所示.

表1 關鍵詞頻次表

接下來將根據表1的關鍵詞頻率，并在相關文獻內容的基礎上，總結出國內物理課程科學思維的研究熱點主要為以下3個方面：

(1)科學思維的教材分析研究

許多學者從科學思維的角度研究分析教材內容，顯化教材中的科學思維.目前，國內針對科學思維而進行的教材研究可以分成以下兩類.第一類是科學思維在教材中的定性分析.由于國內教材的科學思維通常隱含在物理概念、規律和方法等內容當中，導致不同的學者對教材的定性分析切入的角度各有不同，如在教材的欄目、習題、實驗中挖掘模型建構的要素或科學方法，解釋其如何培養學生的模型建構能力和掌握科學方法[5～7].第二類是科學思維在教材中的定量分析.一些學者對教材蘊含的核心素養進行界定與統計，而科學思維僅作為其中一個要素.也有學者對不同教材中科學思維的要素進行定量比較從而提出教學建議與教材編寫建議[8,9].從現有的文獻中，我們可以發現科學思維在教材中的研究還不夠深入，大部分還停留在定性分析，受主觀因素影響較大；而定量研究中可以利用的評價工具比較缺乏.

(2)科學思維的物理教學研究

1)科學思維培養的教學模式

基于教學的內容不同，學者們自行開發了一系列的教學模式，并將其運用在教學過程或者教學設計當中，并應用于實踐當中.主要有3種教學模式.

第一種模式是基于模型建構的教學模式[10].首先，創設情境，引入概念，為建立模型做好準備工作.接著是“思維加工，形成概念”階段，進行模型建立與分析.最后鞏固深化，學生可以驗證自己頭腦中的模型是否可以解決類似的問題.

第二種教學模式是“五環”教學模式(如圖5所示)[11].有學者將其模式應用在高一的6種主要物理課型中[12]，并進行教學設計，發現這種方式可以培養學生的思維能力，但是也存在局限性，如教師容易將模式僵化，自主性不強的學生學習動機不足等問題.

圖5 “五環”教學模式結構圖

第三種是5E教學模式.5E教學模式由5個環節構成——參與、探究、解釋、遷移和評價(如圖6所示).主要是通過探究的方式，培養學生的科學思維，也要將新舊知識結合，進行合理外推[13].

圖6 5E教學模式

2)科學思維培養的教學策略

通過閱讀文獻，關于科學思維培養的教學策略可以分為3類.

首先是問題與情境下的任務驅動.融合問題與任務的情境驅動運用廣泛且高效，起到啟發誘導的作用.在情境方面，不同學者會創設不同的情境，如生活情境、實驗情境、物理學史情境等情境[14～20]，幫助學生理解抽象的知識.在問題方面，通過分析課標、教材、學情來確定教學目標從而確定核心問題，接著以一系列階梯型的問題鏈的形式進行設問，培養學生探究問題的思維[21].

其次是物理學史滲透.物理學史的滲透通常用在含有經典的物理實驗的物理課程當中，大部分學者會選用自由落體運動、牛頓第一定律等課例來進行教學設計或者實證[22～26].通過講述歷史故事、使用多媒體材料或者演示歷史等方式，對研究問題的不同觀點進行思考與思想的碰撞，從而達成科學思維教育.

最后是問題解決.有學者將近年的高考題進行歸類和尋找共性，將題目中的文字信息轉化為真實情境和物理模型，促進學生模型建構的能力.再對問題進行改編，讓學生進行求解，培養學生的分析推理、綜合能力，讓學生在解題過程中掌握物理規律和方法[27].也有學者提出針對解答中的錯誤來培養思維的縝密性，還可以通過優化習題的情境，創設開放性的問題，培養學生的質疑意識[28].

(3)科學思維的評價研究

1)科學思維的層次與水平劃分

在高中階段，大部分學者按照課標進行劃分，也有學者結合文獻，與專家、一線教師討論后將其進一步進行詳細的劃分，提出科學思維能力的表現框架[29].在初中階段，有學者借鑒新課標的水平劃分，對照《義務教育物理課程標準(2011年版)》中有關科學思維的描述，將科學思維分解為情境轉換、現象分析、證據意識、質疑創新4個要素，并劃分為初級、中級、高級3個水平[30].

2)關于評價方式

主要方法是問卷調查和訪談.其中問卷調查主要是通過試題和被試者的作答情況來進行判斷與評價，有學者就是利用高考題或者平時的測驗題目挑選出來進行測試[29～31]，也有學者自行設計題目[32]，但是這類測試很難有效排除學生物理知識的掌握程度和粗心導致失誤對物理思維能力測量的干擾.訪談則主要是對測試后的學生和教師進行訪談，了解科學思維的培養困難和成因.

3)命題方式

在命題類型方面，大部分研究包括選擇題、計算題、簡答題、材料題等多種類型.在命題的內容方面，根據命題面對的對象不同，分為學生和教師兩類.關于學生層面的調查問卷是從科學思維的4個要素進行考核，從而了解學生科學思維的現狀和程度水平.關于教師層面的調查問卷主要分為新課標中科學思維的認識水平以及理解程度、對學生科學思維能力的實際培養情況、對科學思維教學策略的認識與傾向3種內容.

3 研究結論與展望

3.1 研究結論

近年來，與國內物理課程科學思維相關的文章持續增長，越來越受到關注，具有相當大的發展空間.然而根據作者、機構合作的共現分析可知，作者和機構合作不緊密，較為孤立.根據關鍵詞共現分析可知，目前研究主要呈現3大熱點：第一，對教材中有關科學思維的內容從定性逐漸過渡到定量研究；第二，關于物理教學中如何滲透科學思維，涌現多種教學模式與教學策略；第三，科學思維的評價研究開始不斷促進發展，但是開發的量表較少.

3.2 展望

3.2.1 科學思維的教材分析上

在教材分析上，國內研究更側重于質性分析，分析的內容多樣，但是學者們通常結合案例進行說明，容易停留在表層，研究深度不夠，帶有作者的主觀思想.在定量的分析上，學者們注重核心素養的整體測量，但科學思維鮮有突出獨特之處，提煉與總結較為寬泛.此外，可以發現對教材進行評價的量表較少.教材是知識的載體，若能開發關于評價教材的評價工具，對教材有更深入的研究，有助于教師更好地進行科學思維的培養.

3.2.2 科學思維的教學研究上

從現有的文獻來看，專門針對科學思維提出的策略、模式較少.這是因為科學思維隱含在物理觀念、科學探究等內容和形式當中.文獻中的模式大部分與案例結合來介紹，給了教師一定的參考策略.但這些案例較少進行實踐驗證，另外具有局限性，教師不易進行模式的選擇.因此，可以繼續推進可實施的科學思維教學模式的進程，將科學思維滲透在教學當中.學者、機構之間可以將研究成果進行交流與轉化，促進教學研究.

3.2.3 科學思維的評價研究上

目前，科學思維的評價研究缺乏一定的系統性.當前國內聚焦于現狀研究，利用問卷、訪談的形式進行調查，評價單一.因此，應該采用多種方式來評價學生的科學思維，例如增加自評類的問卷調查，可以結合學生通過量表描述自己的行為習慣和思維習慣進行分析.此外，對科學思維影響因素的實踐調查較為缺乏，未來可考慮從這方面進行拓展.