基于Citespace的物理演示实验可视化分析

袁 琳,孙敬姝,盖学敏

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

近年来，物理演示实验内容随着科学技术的进步不断地推陈出新，并在教学实践探索中延伸出了更多的研究方向，开拓出了更加广阔的研究领域. 回溯并分析一定时期内该领域研究成果的知识脉络及发展历程，有利于调整和确立物理演示实验未来的研究方向，起到“彰往而知来”的作用. 通过Citespace软件构建物理演示实验的科学知识图谱，绘制、挖掘、分析和显示过去一段时间内物理演示实验研究的热点、时间线等要素及其相互关系，有助于了解和预测该领域的科学前沿和动态，挖掘开辟新的未知领域，进而为后续的物理演示实验研究和教学提供参考和研究方向.

1 数据收集、研究工具与研究方法

1.1 数据收集

在中国知网的数据库中，设定检索条件：关键词和主题为物理演示实验；检索时间：2007—2017年. 检索结果共有492条，除去会议通知、会议纪要、报纸、硕士论文，剩余期刊和会议论文共423条，将这部分文献的标题、关键词、作者信息和摘要等数据导出为可以被Citespace识别的reforks格式，便于进行后续的数据处理与分析.

1.2 研究工具

Citespace是由美国Drexel University信息科学与技术学院教授陈超美博士应用Java语言开发的一款信息可视化软件，建立在共引分析理论基础上，利用寻径网络等算法，对一定限定条件下收集的特定领域内的大量文献进行统计，以期探索出该领域研究重点、热点的演化路径与节点，并通过多种可视化图谱和表格形成对学科或主题演化的潜在动力机制和发展前沿的分析与探测，实现从知识基础到研究前沿的映射[1].

1.3 研究方法

将知识图谱和文献信息计量学结合，采用词频分析、聚类分析、社会网络分析、时间线视图分析法对时间分区等参量进行设定后运行程序[2]，得到物理演示实验相关研究的各项分析图谱，分析研究机构、关键词等的相似性和测度，显示物理演示实验研究领域的研究基础和研究前沿.

2 数据分析

2.1 物理演示实验研究作者分析

作者群体的状况集中体现了学科科研实践的趋向，是某一学科领域科研活动的缩影之一，通过对作者群体进行研究，可以把握学科科研活动的深度和广度，对于科研活动的管理、组织、协调和引导都有积极的意义[3]. 由表1可以得出结论:在2007—2017年间，各研究者的发文量总数较少且个体相互之间差距较小，最大发文量为3篇的作者有7位，个人发文的年限并没有成线性关系且发文年限相对集中，即其研究并没有保持长久的持续性. 2007—2010年间，整体发文章总数处于急速上升阶段，并于2010年达到了峰值，随后数值逐步下降，但近2年又有所回升，目前正处于物理演示实验研究的上升期.

表1 研究作者统计表

图1是通过最小树法得到的物理演示实验研究作者知识图谱，图谱中节点之间的连线较少且中心性小，结果表明：各研究作者之间合作关系不明显，多为独立研究，且现有学者合作关系主要以“学缘”关系为主，具体表现为师生或者同事之间的联合；少有跨区域、跨学校的“地缘”合作.

图1 物理演示实验研究作者知识图谱

2.2 物理演示实验作者机构分析

作者机构统计能够显示哪些研究机构走在特定领域的研究前沿[4]. 选择Institution为Citespace节点，得到如图2所示的物理演示实验作者机构知识图谱.

图2 物理演示实验作者机构知识图谱

图2中的各个节点分别代表不同作者所在的研究机构，节点标签的大小取决于出现频次的高低[5]. 图2的数据显示，整体格局分布比较分散，各研究机构基本都是孤立的点，同一地区内的研究机构也没有交集，频次最高为5的研究机构为黑龙江科技学院数力系，其次是频次为4的安徽科技学院理学院，图2中显示的其他研究机构如哈尔滨工业大学物理系、华东师范大学物理系、吉林大学物理学院等也是研究物理演示实验中不可或缺的力量. 总结可知物理演示实验的研究多在各大高校中进行，物理演示实验研究和应用范围具有一定的可扩展性，除物理学以外的专业也可以采用演示实验的方式进行教学及研究.

2.3 物理演示实验研究热点分析

词频分析法是利用能够解释或表达文献核心内容的关键词或主题词在某一研究领域文献中出现的频次高低，确定该领域研究热点和发展动向的文献计量方法[6]. Citespace中的Term来源是文章的关键词部分，运行结果得到如图3所示的物理演示实验研究热点知识图谱.

图3 物理演示实验研究热点知识图谱

图3中节点代表物理演示实验相关文献的聚类，如物理演示实验的节点最大，证明收集的文献数据中，该词汇出现的频次越多，即针对该部分的研究量最大；节点位置位于中心表明其在该研究领域中处于核心地位. 由图3可知：大学物理是演示实验研究中比重较大的部分，远高于中学物理演示实验；节点圆环标识中，可根据内部的颜色和宽度表示各时段内节点内容出现的频数；凸显点代表新兴研究领域. 节点间的连线能够体现出共现关系，连线的粗细程度反映共现强度，连线颜色对应该节点首次共现的时间，根据连线颜色变化显示其随时间发展变化情况[7]. 其中，深色节点如“演示实验”具有较高的中心性，可有效连接网络中的其他节点，起承接作用，属于关键节点.

经过聚类后，得到图4，聚类频次最高的词是“演示实验”，这与本次研究的检索式一样，不参与后续讨论. 剔除“演示实验”后得到的聚类频次较高、中心性较高的关键词有：大学物理、教学效果、实验教学、教学改革、思维能力、教学模式等，这些关键词主要可以被分为理论与时间两大类，随后研究重点逐步转向了创新思维和创新能力方面的研究. 图4中突增率最高的词为物理实验、物理现象、教学模式和实验演示，说明这些方面的发展势头较猛，是物理演示实验研究过程中在某一时间段内受到关注最多的领域，即研究重点，具有一定的研究价值. 在后续的研究中，可以针对这些研究重点，结合创新知识进行再研究.

在同一聚类标签下，包括许多被划分的同类词汇，见表2.

图4 物理演示实验研究热点聚类图

表2 聚类标签下具体分类词汇

续表2

图谱由最中心的物理演示实验逐渐演化出了整个研究体系,且主要分为2类:一类是自主研制仪器或者改进、设计实验等的设计类论文，一类是课程与教学论方面的理论研究. 研究认为若词汇的中心性超过0.1，则说明其有较强的影响力，即该词的承上启下作用越大，也证明了研究热点之间的转化关系越强. 对应表3可探悉出现有研究的知识逻辑演进脉络，围绕演示实验、物理演示实验、大学物理、实验教学、教学效果、教学改革、大学物理教学展开的研究为其主要内容，在这些研究热点之外，对其他主题的关注度也有待提高.

表3 热点关键词统计表

2.4 物理演示实验时间线视图分析

时间线视图5主要侧重于聚类之间的关系和单个聚类中文献的历史跨度[8]. 图5中横向坐标轴代表被收集文献的发表时间，即2007—2017年，纵轴表示物理演示实验聚类的节点. 引文年轮的颜色对应引文时间，年轮的厚度与该时间段内引文数成正比. 如图5所示，纵向分析结果与上述聚类图分析结果一致. 横向分析可以发现，早期物理演示实验关注的焦点主要集中在“物理演示实验”上，随实践发展，逐步向“教学改革”、“教学模式”过渡. 近年来，“素质教育”、“创新”、“教学设计”则成为学者们重视的研究领域，这是从关注课程本身到关注学生发展的观念转化，也是研究前沿的演进方向的转变.

图5 物理演示实验时间线视图知识图谱

2.5 不足之处

本研究也存在不足，其主要原因在于：数据来源于中国知网，由于该数据库没有开放引文部分，所以缺乏引文方面的深入分析. 在具体操作时，数据检索的全面性、Citespace的参量选取和阈值设定等方面有一定的主观性. 此外，CNKI收录的文献有限，不能完全代表物理演示实验发展的状况.

3 结论与建议

通过绘制以物理演示实验为主题论文的各类可视化图谱，以图谱方式揭示了物理演示实验的科研整体状况. 得出如下结论与建议：

1)10年间每年发表的文献总数在10～30篇，略有起伏但总体较为平缓，发表论文总数较少，对于物理演示实验方面的研究有待增加.

2)通过对研究者分析，发现各研究者的研究多建立在“学缘”基础上，相互之间联系较少，建议增强校际合作，集思广益.

3)通过作者机构知识图谱可知，高校为目前物理演示实验研究的核心机构团队，也有部分中学教师参与研究. 此种情况下，建议增加中学生和中学教师走进大学物理演示实验基地等活动的开展，实现中学物理和大学物理更好衔接.

4)分析标引词和关键词聚类结果发现，频次和中心性排名前20的关键词集中在物理演示实验教学领域，但是较为笼统，多是理论方面的研究，建议微观与宏观相结合，从整体的教学模式、教学设计到具体课堂如何教学、实验如何设计等都要结合时代背景和技术条件进行创新与整合.

5)分析物理演示实验文献的时间线视图，可以了解研究主题随时间变化的情况. 物理演示实验领域早期研究的热点集中在教师的教上，现在逐渐转移到学生的学上，强调能力的培养而不只是知识的传授，对学生创新精神、动手能力、观察能力等的培养具有一定的积极意义.

[1] 文庭孝，刘晓英. 我国非物质文化遗产研究的可视化分析——基于三种可视化工具的比较分析[J]. 图书馆，2016(2)：21-27.

[2] 刘冬梅. 中小型高校图书馆文献传递数据研究——以北京农学院图书馆基于Citespace的可视化分析为例[J]. 农业图书情报学刊，2016，28(10)：83-86.

[3] 邱均平，马瑞敏. 基于CSSCI的图书馆、情报与档案管理一级学科文献计量评价研究[J]. 中国图书馆学报，2006，32(1)：24-29.

[4] 张永山. 《情报科学》2009年文献计量学分析[J]. 情报科学，2010，28(11)：1661-1665,1692.

[5] 赵来娟. 国内移动图书馆研究热点可视化分析[J]. 农业图书情报学刊，2015(8)：46-51.

[6] 邱均平，温芳芳. 近5年来图书情报学研究热点与前沿的可视化——基于13种高影响力外文源刊的计量研究[J]. 中国图书馆学报，2011，37(3)：51-60.

[7] 刘清泉，赵伟，李成增. 2000～2011年招生就业的文献计量分析[J]. 齐齐哈尔大学学报(自然科学版)，2014，30(6)：58-62.

[8] 刘冬梅. 国内现代农业可视化分析——基于Citespace图谱计量分析[J]. 农业图书情报学刊，2016，28(9)：51-54.