近十年國內大學物理演示實驗相關研究的趨勢與展望

王嘉寶 王曉杰

摘 要 物理演示實驗通過具象的實驗幫助學生理解理論知識，在物理教學中有著重要的作用。本論文利用Citespace軟件對中國知網(wǎng)近十年來（2013—2022年）與國內大學物理演示實驗相關的208篇文獻進行量化分析，包括期刊類型和發(fā)文量、作者和機構、研究主題、研究熱點等維度。根據(jù)量化分析得到的主要研究領域和研究熱點，對物理演示實驗的價值、類別和成效進行質性分析。最后對近幾年大學物理演示實驗教學的不足進行總結分析，并對未來大學物理演示實驗的發(fā)展提出了五點建議。

關鍵詞 物理演示實驗;Citespace;實驗教學;發(fā)展趨勢

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理學的研究離不開實驗，物理學理論的發(fā)展需要實驗結果的支持。南開大學物理學科的創(chuàng)始人饒毓泰先生曾說過：“物理學教育一定要重視實驗教學”。

由此可見，演示實驗在物理教學中有著重要的地位，是課堂理論教學不可或缺的一項教學輔助手段，可以使抽象的物理知識具象化，幫助學生理解物理概念。大學物理演示實驗不同于大學物理實驗課，實驗課有明確的實驗內容和要求，演示實驗則重在激發(fā)學生的學習興趣，讓學生理解和掌握課堂理論知識。國外的一些高等院校十分重視大學物理演示實驗。例如，德國的物理教學大綱規(guī)定只有經過大量實驗和細致觀察才能得到物理規(guī)律，其基礎物理教材中有大量的演示實驗。美國也相當重視物理演示實驗，不僅演示實驗數(shù)量眾多，教學方式也非常多樣[1]。近年來國內高校對物理演示實驗教學越來越重視，建立了專門的演示實驗室，在教學方面作出很多新的嘗試[2]，采用隨堂演示、開放演示、走廊展廳演示等多種教學形式[3]。

近十年間，大學物理演示實驗不停地發(fā)展與進步，在教學技術[4]、自制儀器[5]、人才培養(yǎng)[6]和實驗室建設[7]方面發(fā)展迅速，已經逐步形成明確的研究體系，但針對目前的研究趨勢還缺乏深入的研究和系統(tǒng)分析。因此，本文采用文獻檢索法，收集國內近十年大學物理演示實驗相關研究的文獻資料，然后采用量化研究和質性分析的方法，對文獻進行統(tǒng)計分析，歸納出國內大學物理演示實驗相關研究的發(fā)展趨勢以及研究現(xiàn)狀。Citespace軟件系統(tǒng)是由美國德雷塞爾大學陳超美博士開發(fā)的一款主要用于計量和分析文獻數(shù)據(jù)的信息可視化軟件，可以繪制文獻的科學知識圖譜，直觀展現(xiàn)某一科學研究領域的研究熱點和前沿方向等[8]。目前，Citespace已廣泛用于教育教學方面的研究[9-10]。

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（CNKI）中對“物理演示實驗”和“教學”兩個關鍵詞進行檢索，經篩選后總計論文208篇。研究的時間跨度為2013—2022年，篩選原則為：與大學物理演示實驗教學有關的文獻并且除去會議通知、會議紀要、報紙、碩士論文。隨后從期刊發(fā)文量和期刊類型分析、作者、機構，關鍵詞，研究熱點等維度對這些文獻進行量化分析，揭示國內大學物理演示實驗的研究現(xiàn)狀、總結研究主題和熱點問題。此外，基于現(xiàn)有的文獻，對國內大學物理演示實驗的教學方式、技術應用、教學創(chuàng)新等內容進行分析討論，并據(jù)此對未來的教學提出建議。

1 近十年國內大學物理演示實驗相關研究量化分析

1.1 發(fā)文量和期刊類型

歷年文獻發(fā)文量反映了近十年國內大學物理演示實驗研究領域的發(fā)展速度。近十年在國內期刊論文中發(fā)表的與大學物理演示實驗相關的論文的發(fā)文量統(tǒng)計如圖1 所示。從圖1 可以看出，2018年以前發(fā)文數(shù)量比較平穩(wěn)，平均值為27篇。2019年和2020年有所下降，但仍保持一定的發(fā)文量。2021年后發(fā)文量急劇下降。之后一直呈下降趨勢。根據(jù)近幾年高等學校物理演示實驗教學研討會的相關信息來看， 2021年舉辦的第15屆高等學校物理演示實驗教學研討會相較于前幾屆研討會，參與的高校由100多所變?yōu)?0多所，參會人數(shù)由近300名減少為170名左右，會議收到的論文數(shù)量也從三四十篇減少到16篇，參評的演示實驗儀器由100多件減少為86件。上述分析表明疫情對演示實驗的教學研究沖擊較大。

對期刊類型進行分析發(fā)現(xiàn)208篇文獻共來自88種學術期刊。其中北大核心期刊7種，科技核心5種，JST 收錄期刊14種，南開大學高質量論文期刊15種。發(fā)文量前十的期刊信息見表1。從表1中可以看出排名前十的期刊發(fā)文量共有97篇，占比46.6%。其中，《物理與工程》發(fā)表的期刊最多，近十年共發(fā)表了20篇論文，占比9.6%。其17篇和12篇，占比13.9%。其中，《物理實驗》是每屆高等學校物理演示實驗教學研討會后收到的近兩年來物理演示實驗教學改革、創(chuàng)新的成果的圖2 近十年國內大學物理演示實驗研究作者合作圖推薦期刊。

1.2 作者和機構合作分析

作者合作圖是Citespace中的一種重要的圖表類型，用于表示不同作者之間的合作關系。通過合作圖，可以分析作者發(fā)表論文的頻次、合作者之間的聯(lián)系、強度以及研究主題的聚集等信息。可以掌握相關研究的深度和廣度。在Citespace軟件中分析的節(jié)點類型選擇為“Author”，選擇顯示的作者姓名為出現(xiàn)頻率大于等于2的所有作者，結果如圖2所示。從圖2中可以看到節(jié)點N=238，節(jié)點越大標明作者頻次出現(xiàn)越多。連線數(shù)量E=220，連線代表作者之間的合作聯(lián)系，連線越粗說明他們在同一篇文獻中出現(xiàn)的頻率越高[11]。從節(jié)點數(shù)和連線數(shù)可以看出論文作者之間有一定的合作關系，但總體來看研究者之間較為分散，沒有形成明顯的合作網(wǎng)絡。說明不同高校教師之間合作較少。

此外，本文對近十年作者發(fā)文量進行了統(tǒng)計，結果表明作者發(fā)文量較少，發(fā)文量大于等于3篇的作者只有十三位。其信息如表2所示。從表中搞科研看出所屬單位均為高校。其中浙江大學有3位作者。核心作者群可以集中反映研究的發(fā)展趨勢，依據(jù)普萊斯定律，核心作者發(fā)文最低積累量為0.749與發(fā)文量最大的作者的發(fā)文量的算術平方根的乘積[12]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)發(fā)文量最多的作者發(fā)文量為3篇，計算得核心作者發(fā)文最低積累量為1.297，即發(fā)文量大于等于2篇的作者為核心作者，總人數(shù)為38人，占所有作者的15.9%，核心作者占比較少，說明高校教師在論文發(fā)表方面需要進一步提高。

作者機構統(tǒng)計可以顯示哪些研究機構走在特定研究領域的前沿部分[13]。近十年大學物理演示實驗研究機構的合作關系如圖3所示。圖3左上角顯示數(shù)據(jù)“N=189，E=19”，N 代表節(jié)點，即機構出現(xiàn)的位置節(jié)點，節(jié)點越大標明機構頻次出現(xiàn)越多;E代表連線數(shù)量，連線代表機構之間的合作聯(lián)系，連線越粗說明他們在同一篇文獻中出現(xiàn)的頻率越高。機構合作圖中有189個節(jié)點，19條連線，說明各機構之間的合作較少。

1.3 關鍵詞共現(xiàn)

圖4顯示了出現(xiàn)頻次為8的關鍵詞共現(xiàn)圖。關鍵詞核心概括了論文的核心內容，共現(xiàn)分析直觀地展示了此領域的主要研究內容和研究熱點[14]。圖4中字號較大的關鍵詞為演示實驗、大學物理、物理演示實驗、教學模式、教學改革、教學方法、實驗教學和大學物理實驗等，這些關鍵詞在文獻中出現(xiàn)頻率高，具體頻次參見表3。剔除掉與檢索關鍵詞相同的部分，剩下的關鍵詞為大學物理、教學模式、教學改革、教學方法、實驗教學和大學物理實驗。上述關鍵詞體現(xiàn)了目前關于大學物理演示實驗的研究熱點。

1.4 關鍵詞聚類

聚類功能可以整合分散的熱點關鍵詞進行系統(tǒng)研究，聚類圖譜側重于體現(xiàn)聚類間的結構特征，突出關鍵節(jié)點及重要連接[15]。Citespace根據(jù)網(wǎng)絡結構和聚類的清晰度，提供了模塊值（Q 值）和平均輪廓值（S 值），S 值越接近1，網(wǎng)絡的同質性越高，Q 大于0.3時，聚類的社團結構顯著，S 大于0.7時，聚類是令人信服的[16]。對關鍵詞進行聚類得到的結果如圖5所示。Q =0.6183，S =0.9032，說明聚類結構十分顯著且令人信服。此外，從圖5中可以看出共有八個聚類。關鍵詞聚類圖譜可以表明該領域不同研究關注點，每個聚類的標簽都是共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵詞，聚類的數(shù)字越小，包含的關鍵詞越多。本文選取了每一聚類的前三個代表性最強的關鍵詞，如表4所示，借助這些關鍵詞有助于了解近十年國內大學物理演示實驗的核心研究領域。

通過對表4中的關鍵詞進行分析，結合圖4中的關鍵詞信息，可將近十年國內大學物理演示實驗的研究分為以下幾個領域：

1.大學物理演示實驗教學的理論方面，主要包括教學改革、教學模式和演示實驗教學等。

2.大學物理演示實驗的教學技術方面，主要包括微課、翻轉課堂和多媒體技術等。

3.人才培養(yǎng)模式方面，主要包括創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科學素質和應用型人才培養(yǎng)模式等。

1.5 研究演進階段

圖6為對每一組聚類的時間演化進行研究的時間線圖。其中主要研究了6個聚類，每個聚類的標簽是共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵詞，這些關鍵詞按照它們在對應時間內出現(xiàn)的年份，在所屬的聚類中鋪展開來，顯示出每個聚類里關鍵詞的發(fā)展情況。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，早期大學物理演示實驗關注的焦點主要集中在“物理演示實驗”。隨時間發(fā)展，逐步轉向“教學創(chuàng)新”“實驗室建設”“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”等方面。近年來，“便攜式儀器”“虛擬實驗”“新工科”等成為關注領域，演示實驗的教學在逐步發(fā)展，同時演示方法也隨著科技水平的發(fā)展不斷增多，演示儀器也逐步走向便攜和創(chuàng)新。

圖7列出了近十年大學物理演示實驗的研究過程中短期反復出現(xiàn)的詞。這些短期反復出現(xiàn)的詞稱為突變詞，通過分析突變詞生成突變詞圖譜，可以得到關鍵詞引用量激增的年份，并且顯示出該詞的流行時間段[10]。圖7中突增率最高的詞為新工科、多媒體、物理演示實驗、科學素質、物理實驗、演示儀器、教學內容等，說明這些方面的發(fā)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。從不同時期來看，早期的突變詞為科學素質、教學內容和多媒體。隨時間發(fā)展，突現(xiàn)詞轉變?yōu)閯?chuàng)新、大學物理實驗和物理演示實驗。近年來，光的偏振、演示儀器、新工科成為新的研究熱點。

2 近十年國內大學物理演示實驗相關研究質性分析

結合近十年國內大學物理演示實驗相關研究的量化分析結果，本部分將對國內大學物理演示實驗相關研究進行質性的文本分析。具體包括演示實驗的作用、物理演示實驗的類別、物理演示實驗的成效等方面。

2.1 物理演示實驗的價值

物理演示實驗能夠幫助學生理解物理概念，使抽象的物理知識具象化，大多情況下由教師在課堂教學中進行演示，學生在老師的操作下進行觀察，從而提升對物理的興趣，增加探索欲望，達到理解和掌握物理理論知識的目的[17]。大學物理演示實驗和普通物理實驗以及近代物理實驗并不相同，演示實驗的主體一般是老師，老師對物理現(xiàn)象進行演示，學生進行觀察和理解。隨著教育的改革，演示實驗的主體更傾向于學生，更加注重學生的參與性和互動性，注重培養(yǎng)學生的動手能力和主動性。通過與老師的互動和小組合作，往往能培養(yǎng)學生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題然后解決問題的能力，培養(yǎng)合作意識，增強學習積極性，也使得對深層知識的掌握和對科學真理的探求素養(yǎng)得到提升。以西藏大學為例，引入物理演示實驗的區(qū)內生源班有更好的大學物理教學效果[18]。

同時物理演示實驗對大學物理實驗課程的教學效果也有促進作用，如電子科技大學中山學院通過加強演示實驗環(huán)節(jié)，激發(fā)學生發(fā)明創(chuàng)造，并且通過教師團隊的努力，使大學物理實驗儀器進行了改造升級，且對物理實驗的內容、教學方法、設備等方面進行了改革，有效地促進了大學物理實驗課程的發(fā)展[19]。

隨著對物理演示實驗教學重視程度的增加，近幾年在演示實驗教學相關的教改項目立項逐漸增加。例如，在2022年教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會教學研究立項項目中關于物理演示實驗教學的項目有清華大學的《大學物理典型課堂演示實驗教學研究》和南開大學的《國際化視野下融合思政元素的大學物理演示實驗項目庫建設與研究》。2022年教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會大中物理教育銜接工作委員會教學研究課題中增加了要增加了依托物理演示實驗教學面向學生和社會公眾的物理科學素養(yǎng)和科普教學的研究和實踐。其中，南開大學的《基于項目式學習的物理科普教育實踐探索》、新疆師范大學的《基于大學物理演示實驗開展科普教育的實踐研究》和蘇州科技大學的《高校科普創(chuàng)新工作體系的探索與實踐》獲得立項。