中学物理教学研究热点及趋势的可视化分析

檀亚丽 许 敏 桑芝芳

(苏州大学物理与光电·能源学部,江苏 苏州 215006)

探索和分析中学物理教学的研究成果,可以更好地掌握中学物理教学研究的最新动态,并对有效指导中学物理教学具有重要意义．运用科学知识图谱可视化技术深度挖掘相关研究成果,可更客观、更直接、更形象地展示物理教学研究的趋势和热点问题．本文以CiteSpace Ⅲ为研究工具,对中学物理教学研究的数据进行了图谱分析,进而总结出中学物理教学研究的热点及趋势．

1 研究数据来源及其研究方法

1.1 数据来源及统计

本文以中国知网(CNKI)检索的期刊类相关文献为研究对象,检索的关键词为“中学物理”,共检索到26278条文献,由于时间跨度比较大,数据太多,选取2000—2017年之间的6本期刊文献进行研究:《物理教师》、《中学物理教学参考》、《物理通报》、《中学物理》、《物理教学探讨》、《物理教学》．这6本期刊的转载量在物理教学方面的期刊中是名列前茅的,参考意义和价值较大．通过人工删除一些无关文献(期刊序言,目录综述,会议记录等),最终确定24256篇文献为本文研究所用．

1.2 分析工具以及图谱的生成

本文研究运用的分析工具是信息可视化应用软件Citepace Ⅲ,版本号是4.0.R5 SE(32-bit),是在科学计量学、数据可视化背景下逐渐发展起来的一款引文可视化分析软件．其核心功能是产生由多个文献共被引网络组合而成的一种独特的共被引网络科学知识图谱.所谓知识图谱,即以科学知识为对象,综合运用科学计量学、信息可视化技术、应用数学、图形学等学科的理论和方法来揭示科学知识发展进程与结构关系的一种图形．知识图谱可以客观、形象地展示单凭个人经验难以直观获得的前沿领域的总体图景、亲缘关系和演化规律等,已成为把握学科发展动态、学科研究方向、辅助科技决策的重要工具．绘制知识图谱不仅能够从宏观层次上看到森林，还可以在微观水平上看到树木与枝叶，对生成的知识图谱进行分析,从而获得本研究领域的热点问题和前沿变化趋势．具体操作: ① 将CNKI中检索到的文献以refwork格式批量导出保存为download.xxx格式并在citespace上进行CNKI格式转换,转换成软件运行可处理的格式．② 设定相关参数．时间跨度设定为2000—2017年．时间切片为1年;节点类型设为关键词;阈值(c,cc,cv)分别设为(3，3，20),c为最低被引次数,即关键词满足出现次数大于3次,cc为共被引次数,即关键词共引次数大于3次,cv为共引系数,即关键词相似系数大于0.02．最终生成的图谱里,出现以节点环为中心的中心词(可以是研究机构、发文作者、文章关键词等)，其出现频次越高,生成以关键词为中心的图圈就越大,并且以灰度的深浅来表示关键词出现的年份．③ 最后一步点击go,即生成关键词共引知识图谱．

2 中学物理教育研究论文发表数量和作者情况

2.1 中学物理教育研究论文发表数量趋势图

如图1所示,自2000年以来我国学者对中学物理教育的研究总趋势是呈现出增长的趋势,说明中学物理教育受到了越来越多的关注,由于近些年物理学科教育的研究的深度发展,研究文章篇幅明显增长,发文量相对有所减少．所以我们从图1中可以明显地看出2012～2013年,发文量达到顶峰,之后趋于平缓．

图1 关于中学物理教育文献数量的趋势

2.2 中学物理教育研究的作者情况

笔者统计了中学物理教育研究论文的作者，软件所生成的作者的分布图谱如图2所示，图中节点名称为作者的名字,名称字体的大小代表中心性,节点环大小代表发文量,节点环的灰度深浅代表作者发文见刊的年限．

从图2中我们可以看出,节点环“郭玉英”、“邢红军”等作者是图中相对较明显的,说明这些作者在中学物理教育方面的发文数量是比较多的,节点环由中心至圈外灰度渐变,说明研究者们从2000～2017年在中学物理教育这方面的研究是连续不断的,总的来说他们对中学物理教育的研究热情是逐年上升并呈现出一种趋于平稳的状态．我们还可以看出,学者之间的合作关系相对是比较密切的(e=209),但是合作关系大都仅仅局限在同一个研究机构和区域,没有明显的跨学科和跨教育研究机构的合作,少部分有3个教育机构之间的研究合作关系,不同机构之间研究比较分散,没有形成具有一定凝聚力的教学科研群体．

3 内容知识图谱及其分析

3.1 中学物理教育研究热点

图谱中节点环也就是引文年环代表着某篇文章的引文历史．引文年轮的灰度渐变,相同灰度代表相同年限,一个年轮的厚度和其相应时间分区内引文数量或者说频次是成正比的．节点在网络中的重要性指标用中介中心性来表示,Citespace中用这一指标来发现和衡量文献的重要性,并用深灰度对该类文献或者其关键词(或者作者、期刊以及机构等)进行重点进行标注，表示节点对其他节点两两之间的联系起到控制作用,体现其在整个网络中的重要地位．通过节点外圈的标注可以看出来中学物理教学的重要性及基础性,笔者将从物理教育关键词的中心性和突变率两个维度来分析中学物理教育的热点问题和发展前沿．

我们从研究内容上分析,节点中心度和频次高的关键词就代表着一段时间内研究者共同关注的问题,也就是我们说的研究热点．中心性反应了该点在网络中的重要性,也就是说,关键词在网络中出现的频次越高,说明节点在该领域越重要．图3显示了关键词共现图谱结果．

如图3所示,国内研究文献分析数据节点共为600个,网络连线为2817,网络密度为0.0006(n=14393,e=2817,D=0.006)出现频次较高的关键词除了图谱中显示最多的“物理教学”之外,还有例如“物理规律”、“新课程”、“实验教学”、“物理教师的专业发展”等等．由于一些关键词在研究问题中比较笼统,不够精准,我们从图谱中并不能特别准确地找到近几年的热点问题,所以笔者根据分析图谱,并结合自己阅览过的文献资料分析近几年中学物理研究的热点．

图3 关键词共现图谱

(1) 关于科学方法教育.

关于科学方法教育研究,迄今为止已经走过了将近40余年的历程,这一领域中,张宪魁教师是我们研究的领军人物,一直推动着这一研究领域的发展,激发了相关研究成果的发表和一线教师的教学尝试.例如其初步建立起的物理科学方法体系;李正福等人对科学方法显性教育进行了理论建构,指出科学方法作为物理认识活动的中介,是连接物理现象与物理知识的纽带,在物理理论的发展中起着桥梁作用,并由此建立起物理学智能结构图,科学方法处于物理学智能结构的核心．从物理教学实践来看,科学方法教育主要体现在物理学智能结构的两条路径上,一是物理现象→科学方法→物理知识,这一路径反映了物理知识的获得过程;二是物理知识→科学方法→延伸应用，这一路径反映了物理知识的应用过程．张锦科、吴政等人从自身教学实际出发,就如何将教材中的科学方法显性化、怎样通过概念规律教学、习题教学等开展科学方法的教育分享了心得感悟．作为科学探究的核心要素之一,“猜想与假设”决定着探究的方向,是探究活动的前提．而实际的教学过程中,教师在这一环节上“走过场”现象较普遍,甚至许多教师把它当做可有可无的环节,严重制约了学生思维能力的培养和科学素养的提升.引导学生构建科学猜想,培养其猜想能力,除了要理解科学猜想内涵,创设合理情境诱发猜想外,猜想方法的引导是尤为必要的．部分教师在其教学实践中总结了以下方法:外推法、类比法、单位法、分析法和枚举法．还有些教师提出高质量的假设必须同时具有3个基本特性:科学性、可验证性、预测性．以上研究者们均从认知规律的角度对猜想与假设的构建提出了有较强可操作性的方法指导．

(2) 关于物理核心概念.

近年来国际科学教育的研究热点是以“大概念”或“核心概念”来统整课程核心概念．从2016年以来,对核心概念的研究的文章逐渐增多．所谓核心概念就是在学科知识体系中占据核心地位的精炼的关键概念．在教学过程中围绕“少而精”的核心概念进行教学设计和教学活动,并通过教学来促进学生对科学概念的理解．文献[12]中按照科学概念的抽象水平对科学概念进行层次分析,由低到高为“基础概念-重要概念-核心概念-学科核心概念”．文献[13]中介绍了美国新一代科学教育标准,指出了改革标准对中学物理核心概念界定、教学等具有重要启示．在实践层面,文献[14]中以高中物理速度为例,围绕学科核心概念重新认识速度概念的建构及其纵向、横向的关联,从整体上把知识和认知方法加以整合,促进学生对知识体系的把握和认识的深化,具有借鉴意义．

(3) 关于学习进阶.

学习进阶的研究也引起我国教育研究者的重视．学习进阶的概念从提出到有广泛明确的内涵的界定经历了较长的一段时间,美国学者 Alicia C.Alonzo和我国学者翟小铭对学习进阶的研究认为“学习进阶既不同于课程文件中的“内容进阶”,也不是简单的回答“是否学会了”这个问题,而是定量化地描述学生在学习某一主题时不同的思考方式,关注的是学生怎样思考”．我国其他研究学者也从应用的角度开展了研究,主要有两个方面,一方面是应用学习进阶思想处理学段间的教学衔接问题,另一方面是应用学习进阶改进物理教学设计,还有教师将学习进阶思想应用于习题课的教学之中．

(4) 关于中学物理问题的讨论.

近年来,研究者对具体物理问题、物理知识的关注也很多．具体物理问题的研究主要针对学生的一些学习难点、教师的教学难点以及考试的热点问题,并适当地提出有利于物理教学的建议,大多数集中在运动学、力学、电磁学的问题上．

运动学方面有关速度和加速度、圆周运动与天体运动问题的讨论文章较多； 力学包括各种力的问题的探讨,尤其是关于摩擦力的各种问题、受力分析与力的平衡的问题等；在电磁学方面,主要在电路问题、电磁感应问题以及带电粒子的运动问题方面讨论文章较多．

总之，相对于机构合作网络和作者合作网络图谱,关键词的共现网络结构密度有所提升,但是总体上分析关键词共现网络的结构还是比较松散,密度不高．笔者结合相关文献阅读初步整理了中学物理教育研究的热点问题，在未来的物理教育研究中要注意做好不同教育部门或机构之间的交流与合作,促进共享,并且在此基础上要加深教育研究的深度．

3.2 中学物理教育研究趋势

突现词(burst)指在较短的时间内出现的较多或使用频率较高的词,根据词的词频率变化我们就可以判断出在该研究领域的前沿或者研究趋势．根据citespace对2000以来数据的处理,我们得到突现词出现的年限表格,从中摘取几个出现突现率相对较高的几个关键词作为参考，如表1所示.

从表1中可以大致看出近几年的研究趋势,从2000出现的“计算机辅助教学”、“演示效果”,到现在计算机教学的普及与应用．同年出现的演示实验的“演示效果”研究,到提倡学生的“探索性实验”以及教师的“探究性教学”,再到一些教学方法、教学策略的研究,包括“同课异构”、“问题具体化”和强调学生的“主体性地位”,发挥学生的“探究者”身份．最后近几年的关注点集中在“课堂教学策略”以及“物理课程教学”,致力于教学过程中的教学思想、方法模式、技术手段等方面的研究．从表1中可以看出近几年的物理教育研究能够与时俱进,响应课程改革的要求,紧跟时代的潮流．

表1 突现率图表

根据突现率图表，结合笔者阅读的大量文献分析，认为未来几年突发性较强的、在中学物理教育研究中扮演十分重要角色的关键词为“核心素养”、“现代教育技术”、“创客理念”、“中高考改革”等等．

目前学生发展核心素养的框架已经确立，以核心素养培养为导向的高中新课程标准已经颁布，该新课程标准有哪些重要变化？为什么会有这样的变化？均需要专家学者的详细阐释和一线教师的仔细揣摩.随着新课标的颁布，物理学科核心素养也得到清晰的界定，关于物理核心素养以及如何提升物理核心素养已经有许多论文进行讨论，但物理核心素养理念的进一步落地生根还需要广大研究者从课程建设、教学方式、测量与评价等方面进行系列的研究.随着现代科技的发展,教师的教学方式、方法也在与时俱进,网络的发展和智能手机的普遍应用都对物理教学有一定的助推作用．现代教育技术的应用越来越广泛,2015年以来对“智能手机”在物理教育教学中的应用的研究逐渐增多,另外互联网教学、“微课”、“慕课”以及微信公众号等等也逐渐改变着教与学的方式．

创客教育的发展．做中学、快乐教育、大成智慧、构造论这些创客教育背后的核心理念决定了创客教育具有无限的价值潜能．今后会有越来越多的教师将创客理念应用到教学中去,物理教师的创客教育行动也将催生一批学生物理创客．

中高考改革也是近几年大家关注的问题之一,各地中高考改革方案的出台必将对物理课程教学带来重大的影响.在新的模式下,课程多元化、教学方式多样化、物理专用教室、走班制等从理论走向实践,这一切都要求中学物理教师具有较强的课程领导力,需要深入研究并解决新的中高考背景下物理教学的实践问题．

我们身处一个价值多元的时代,各种物理教育理论逐渐走向实践,并且不断吸收外国的先进教育思想,基于我国的教育现状,取其精华,为我国物理教育所用．所以我们物理教育研究者应该把握研究趋势,把理论与实践结合起来,为中国的物理教育事业添砖加瓦．

4 结论与思考

本研究通过citespace软件,对CNKI数据库中的2000～2017年有关中学物理教育的文献生成的图谱及相关数据进行了不同层次的分析和可视化研究,并结合相关文献阅读分析得出以下几个重要结论: ① 中学物理教育具有重要的研究价值,教育研究成果数量呈现日益发展的上升趋势．② 参与中学物理教育研究的机构较多,研究者的队伍也在不断壮大,在物理教育研究领域中的领军队伍多集中出现．但是研究机构之间各自为营,合作较少．在未来的物理教育研究中,我们需要加强研究者之间的交流与合作，机构之间的信息共享,促进物理教育研究的深、广度发展．③ 中学物理教育的研究热点为“物理核心概念”、“学习进阶”、“科学方法教育”等方面．关键词共现网络结构相对密集,密度适中,在未来的研究中还需要物理教育研究者保持对研究主题、研究内容和研究方向的深度开发,提高自身对物理教育新方向的敏感度,抓住核心问题．④ 我国中学物理教育的研究趋势体现在“核心素养”、“中高考改革”、“现代教育技术”、“创客理念”等方面,反映出我国的物理教育研究跟着时代发展,跟着课程新课标不断研究深入和进步,在以后的研究中还需要借助新技术开拓新的研究方向,开展跨多机构、多学科、多领域的合作研究．

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