利用可视化应用软件进行的中学物理实验教学前沿分析

赵露 王林

摘 要 准确把握当前国内中学物理实验教学的研究热点和前沿问题对于中学物理教学有着重要的指导意义。本文以1990年到2015年中国知网数据库（CNKI）中涉及的中学物理实验教学相关文献为研究对象，运用科学计量软件CiteSpace III进行可视化分析后绘制出中学物理实验教学科学知识图谱，通过相关文献关键词共引知识图谱，找出了近25年来国内中学物理实验教学的研究热点和前沿问题，通过图谱分析可以发现突变值最大的共引关键词依次为自制教具和电子白板。本研究结论对今后中学物理教师的物理实验教学和研究具有一定的参考价值。

关键词 物理实验教学 CiteSpace 知识图谱 热点问题 前沿领域

物理学是以实验为基础的科学，一切理论都以实验作为唯一的检验基准。中学物理教学内容主要由三部分构成：物理概念的形成，物理问题的解决，物理方法的应用。单纯靠理论知识的讲授无法激起学生的共鸣，要让学生灵活掌握并应用所学物理知识，就必须借助于实验。因此，在中学物理教学中，实验占有尤为重要的地位。理清国内中学物理实验教学的研究热点和前沿问题对中学物理实验教学和研究有着重要的意义。

一、研究方法

1.数据来源

本文以2015年11月4日在中国知网（CNKI）中检索的相关文献为研究对象，检索关键词为“中学物理实验教学”，共检索到59601条文献，由于时间跨度较大，选取1990年至2015年期间的相关文献进行研究，通过删除无关文献等一系列整理，最终确定672篇文献为本文研究的数据来源。

2.分析工具及图谱生成

以美国费城德雷塞尔大学副教授、大连理工大学陈超美博士开发的信息可视化应用软件CiteSpace为分析工具，CiteSpace的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[1]，以及自动生成的一些相关分析结果，通过对生成的知识图谱进行分析，可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中检索到的文献进行格式转换。先将CNKI中的数据导出为Refworks格式，然后利用CiteSpace3.9R4中的数据转换功能将导出的数据转换为CiteSpace3.9R4可处理的格式。（2）设定相关参数。间跨度（Time Slicing）设为1990年至2015年，时间分区（Years Per Slice）为1年；节点类型（Node Types）设为关键词（Keyword）；阈值（c，cc，ccv）分别设为（3，3，20）、（3，3，20）、（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，即关健词共引次数大于3次，ccv为共引系数，即关键词相似系数大于0.20。（3）生成关键词共引知识图谱：如图1所示，最终得到的知识图谱包含21个节点，34条连线。图谱中节点环的大小表示频次，外部带有小圈的节点环表示具有高中介中心度的关键节点。中介中心度是测量某一节点被其他节点之间的最短路径穿过的程度指标，中介中心度高的节点对其他节点两两之间的联系起到控制作用，体现了其在整个网络中的重要地位[2]。

从图1中可以看到该关键词共引的知识图谱模块值Modularity Q=0.4494，Q>0.3，说明划分出来的社团结构是显著的；平均轮廓值Mean Silhouette=0.6053，S>0.5，说明得到的聚类是合理的[3]。通过紫色外圈的标注可以看出实验教学的重要性及基础性，之后将从共引关键词的中心性和突变率两个维度来分析中学物理实验教学的热点问题和发展前沿。

二、中学物理实验教学领域的热点和前沿分析

1.中学物理实验教学研究的热点问题

关键词的频度（Frequency）和中心性（Centrality）可以反映该领域发展路径及热点问题，表1列出了前20个关键词的频度、中心性等指标，从表中可以看出，除了实验教学、中学物理、中学物理教学等关键词出现的频率相当高之外，教学方法、自制教具、演示实验、农村中学、电子白板也有着较高的频率，依此可以得出中学物理实验教学方法的探讨和农村中学的物理实验教学一直以来都是人们研究的热点。

（1）中学物理实验教学的模式和方法探讨

实验教学是中学物理教学的重要组成部分，尤其是新课程标准的实施，对于学生的探究能力和动手能力有了更明确的要求，这无疑提高了实验在中学物理教学中的地位，而且实验也是中、高考出题人极其重视的内容，出于中国的应试教育背景，执教者在实验教学上花费了不少心思，特别是物理实验教学方法的探讨，一只以来都备受研究着和执教者的青睐。

①从验证性实验到探究性实验的转变

传统的物理实验主要以验证性实验为主，验证性实验是一种由步骤驱使的、针对已知的实验结果而进行的教学活动，其实验器材、实验方案通常由教科书、实验手册或教师给定，实验室提供[4]。实验过程中，学生总是按照既定的步骤进行操作，这就淡化了实验所具有的功能，无法达到强化知识的目的和学生探究能力的培养。因而，一种新的物理实验教学模式应运而生——探究性实验，探究性实验充分考虑了学生的主体地位，学生利用教师的引导来进行思考、摸索，最终找到最佳的实验方案。在这个学生主动获取知识的过程中，其创造性思维得到充分发挥，同时也加深了对课本知识的理解和运用，使实验真正服务于课堂，服务于学生。

②中学物理实验教学常用方法

目前国内大部分中学物理实验教学都借助于一种或多种教学媒介，在有效组织实验课的同时，使用电子白板、动画、网络、虚拟仿真等技术穿插于课堂中来使抽象的物理知识变为具体的物理现象，不仅激发了学生的兴趣，而且调动了学生的学习积极性，使课堂更为生动；同时，富有趣味的演示实验也会使学生产生浓厚的兴趣，演示实验要尽量贴近学生生活，能使学生产生共鸣，这样才能起到事半功倍的效果。

（2）农村中学物理实验教学的现状及思考

农村中学的物理实验教学也是人们关注的焦点。由于农村地区实验器材缺乏、师资条件有限[5]，物理实验的教学已出现实施不到位的现象。因此，有些教师开始探讨低成本物理实验开发，教师应该具备一定的实验素质，能够依据地方特色和现有条件开发一些贴近学生日常生活的小实验，根据学生的实际情况组织实验活动，这样不仅充分发挥了实验的功能，有效地缓解了实验器材不足所带来的影响，同时也提高了中学教师自身的专业技能。

2.中学物理实验教学研究的前沿领域

在CiteSpace软件绘制出的知识图谱中，突变词是指在较短时间内出现较多或使用频次增长率明显提高的词。通过绘制Top20的关键词的突变值图2（Citation Bursts）、图3（Citation History）可以分析出中学物理实验教学领域的前沿动态，对研究者的研究和执教者的教学都有着非常重要的意义。图2、图3中可以看出突变值最大的共引关键词依次为自制教具和电子白板。

（1）自制教具在中学物理实验教学中的突出地位

自制教具是教师和学生为改进教学方法，就地取材、自己设计制作的教具，是教师自身科学知识与教学经验、操作技能的结晶[6]。鉴于我国目前中学物理实验教学现状，自制教具既可以培养学生的创造力、开阔学生思维，也是解决当前实验仪器不足的有效途径，因此执教者在教学过程中能够根据实际情况亲自动手制作一些教具已经成为了一项不可缺少的技能。新课程教学大纲明确提出：“要发动学生和老师一起自制教具。”所以，自制教具的过程也是师生互动、共同进步的过程，这对于教师和学生的发展都有着深刻的意义。

自制教具具有针对性强，见效快的特征，因此它具有强大的生命力。在大力推行的过程中，应注意带着启发性、经济性、可靠性、可观性这四点要求进行自制教具的设计。在设计自制教具时应遵循这样的原则：做大一点、使用信手可得的材料、结构简单、能进行鲜明的演示、教育目标恰当、做好一点[7]。

（2）电子白板在中学物理实验教学中的作用

从2012年开始，研究者开始探索将电子白板与中学物理实验教学相结合，交互式电子白板是一种由计算机控制并与投影仪相连接的触感式白板，交互式电子白板系统有四个组成要素：计算机、投影仪、相关应用软件以及电子白板，使用者可以通过点触或非点触的笔操作白板来控制计算机[8]。利用电子白板的交互功能能够使教师和学生之间产生更多的互动，提高课堂效率。而且执教者可以将不易操作的物理实验拍成视频，插入电子白板课件中进行播放，从而达到教学目标。但是目前中学教师对于电子白板的使用，仅限于一些表面的功能，没有充分利用其交互功能，这是需要进行改善的。

三、结论

本文通过对国内1990年到2015年中学物理实验教学的相关文献进行梳理、分析，概括出了该领域的研究热点和发展走向。实验在中学物理教学过程中占据着重要的地位，探究性实验的出现在物理实验教学的海洋中掀起了巨大的波浪，在中学物理实验教学中执教者应多设计探究性实验，培养学生的探究能力和发散思维，同时，充分利用身边的资源进行教具设计，通过自制教具、电子白板等的使用来抓住课堂。研究者也应在今后的研究中来完善自制教具的设计和信息技术与物理实验课程的整合，让物理实验和信息技术成为中学课堂的好帮手。

参考文献

[1] 刘则渊，陈悦，侯海燕.科学知识图谱方法与应用[M].北京：人民出版社，2008.

[2] 陈超美，CiteSpace II：科学文献中新趋势与新动态的识别与可视化[J].情报学报，2009（3）.

[3] 陈悦，陈超美，刘则渊.CiteSpace知识图谱的方法论功能[J].科学学研究，2015（2）.

[4] 冯杰.高中物理探究实验及案例分析[M].北京：北京大学出版社，2011.

[5] “农村中学物理实验教学现状与改革的研究”课题组，杨昌权.农村中学物理实验教学现状与改革的研究[J].软件导刊：教育技术，2010（9）.

[6] 谭福奎.中学物理教具设计与制作技术[M].北京：光明日报出版社，2013.

[7] 大隅纪和.教具的活用技术[M].北京：人民教育出版社，1989.

[8] F.Saltan，K.Arslan，K.A New Teacher Tool，Interactive White Boards：A Meta Analysis.In I. Gibson et al.（Eds.），Proceedings of Society for Information Technology & Teacher Education International Conference 2009. Chesapeake，VA：AACE，2009.pp.2115～2120.

[作者：赵露（1992-），女，山西吕梁人，宁夏大学物理电气信息学院在读硕士研究生；王林（1959-），男，宁夏银川人，宁夏大学物理电气信息学院教授，硕士生导师。]

【责任编辑 孙晓雯】