国内物理课程视角下科学思维研究现状、热点及启示——基于CNKI中文文献的可视化分析

邓浩仪 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510000)

物理核心素养是由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”4个要素构成[1]，其中，科学思维是核心素养的核心内容，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.因此，物理科学思维在国内引起了广泛的讨论，成为教育领域研究的热点.那么，国内物理课程视角下的科学思维研究现状如何？有哪些研究热点？如何进一步深入研究？

鉴于此，本研究利用CiteSpace对国内有关物理课程科学思维的论文进行统计和可视化分析，以期了解当前国内物理课程科学思维的研究热点，呈现其研究趋势，进而总结当前研究存在的问题及建议，为我国研究学者提供有价值的参考依据.

1 研究设计

1.1 数据来源

本研究的数据来源于中国知网，采用高级检索，检索条件表达式为“主题=科学思维OR主题=模型建构OR主题=科学推理OR主题=科学论证OR主题=质疑创新AND主题=物理课程OR(题名=科学思维OR题名=模型建构OR题名=科学推理OR题名=科学论证OR题名=质疑创新OR题名=物理课程) (模糊匹配)”.检索后共有494篇，筛掉会议论文和英文文献后剩下的489篇作为本研究的样本.

1.2 研究方法及工具

本研究使用的分析工具是陈美超开发的CiteSpace，利用其绘制出知识图谱，用于分析科学思维的发展趋势和动向[2].

2 结果与分析

2.1 研究现状分析

2.1.1 时间分布特征

本研究对收集到的文献按照年份进行统计，得到图1所示的发表年度趋势.从图1可以看出，我国关于科学思维的研究在1999—2016年的发文量都比较少.在2017年，我国开始颁布新课标后，关于科学思维的发文量出现明显的突增.可见，自2017年以来，国内开始关注科学思维，如今处于从起步阶段转为发展阶段.

图1 国内物理课程视角下的科学思维的发文量年度分布

2.1.2 核心作者及合作网络分析

对作者进行共现分析，得到作者合作图谱，如图2所示，网络共由266个节点和124条链路组成，密度为0.003 5，说明网络密度不高，未形成紧密联系的合作网络.由图2可知，仅形成2～3个联系比较紧密的团队，彭振生、王桂英、王闻琦和李莉来自宿州学院，有紧密联系.另外，马亚鹏、廖伯琴、于海波、熊建文等人在该领域也较为活跃.

图2 作者合作图谱

2.1.3 研究机构分析

在CiteSpace生成的机构合作的科学知识图谱(如图3所示)中，可以看出共有232个机构，48条连线，密度为0.001 8，合作关系不太密切,合作主要集中在同一个省份或同一个学校中.研究覆盖面较广，涵盖多个直辖市或省份，如北京、江苏、浙江、陕西等.其中合作频率较高的有西南大学、云南师范大学、南京师范大学、东北师范大学、华中师范大学、安徽师范大学，大部分为师范院校，可见师范类的高校更关注科学思维，在研究方面具有主导性.

图3 研究论文机构合作分布图谱

2.2 研究热点分析

2.2.1 关键词共现图谱分析

关键词提供了文章核心内容的信息，因此,可以利用关键词共现网络来查看某个知识领域的研究热点[3,4].通过同义词合并，删减无义词后，利用软件分析，得到关键词共现图谱网络(如图4所示)，由299个节点和475条连线组成.节点大小表示相应关键词出现的频次的多少，节点越大，代表关键词出现的频次越多.每个节点的大小与对应关键词的出现频率成正比.

从图4可以看出，频次较高的是“核心素养”“物理教学”“科学思维”“教学策略”“新课标”“教学模式”等.由此可以看出，当前研究热点聚焦在教学中的策略和模式.

图4 关键词共现图谱

2.2.2 关键词共现词频统计分析

按照关键词出现的频次大小进行排序，选取频次前12的关键词，整理如表1所示.

表1 关键词频次表

接下来将根据表1的关键词频率，并在相关文献内容的基础上，总结出国内物理课程科学思维的研究热点主要为以下3个方面：

(1)科学思维的教材分析研究

许多学者从科学思维的角度研究分析教材内容，显化教材中的科学思维.目前，国内针对科学思维而进行的教材研究可以分成以下两类.第一类是科学思维在教材中的定性分析.由于国内教材的科学思维通常隐含在物理概念、规律和方法等内容当中，导致不同的学者对教材的定性分析切入的角度各有不同，如在教材的栏目、习题、实验中挖掘模型建构的要素或科学方法，解释其如何培养学生的模型建构能力和掌握科学方法[5～7].第二类是科学思维在教材中的定量分析.一些学者对教材蕴含的核心素养进行界定与统计，而科学思维仅作为其中一个要素.也有学者对不同教材中科学思维的要素进行定量比较从而提出教学建议与教材编写建议[8,9].从现有的文献中，我们可以发现科学思维在教材中的研究还不够深入，大部分还停留在定性分析，受主观因素影响较大；而定量研究中可以利用的评价工具比较缺乏.

(2)科学思维的物理教学研究

1)科学思维培养的教学模式

基于教学的内容不同，学者们自行开发了一系列的教学模式，并将其运用在教学过程或者教学设计当中，并应用于实践当中.主要有3种教学模式.

第一种模式是基于模型建构的教学模式[10].首先，创设情境，引入概念，为建立模型做好准备工作.接着是“思维加工，形成概念”阶段，进行模型建立与分析.最后巩固深化，学生可以验证自己头脑中的模型是否可以解决类似的问题.

第二种教学模式是“五环”教学模式(如图5所示)[11].有学者将其模式应用在高一的6种主要物理课型中[12]，并进行教学设计，发现这种方式可以培养学生的思维能力，但是也存在局限性，如教师容易将模式僵化，自主性不强的学生学习动机不足等问题.

图5 “五环”教学模式结构图

第三种是5E教学模式.5E教学模式由5个环节构成——参与、探究、解释、迁移和评价(如图6所示).主要是通过探究的方式，培养学生的科学思维，也要将新旧知识结合，进行合理外推[13].

图6 5E教学模式

2)科学思维培养的教学策略

通过阅读文献，关于科学思维培养的教学策略可以分为3类.

首先是问题与情境下的任务驱动.融合问题与任务的情境驱动运用广泛且高效，起到启发诱导的作用.在情境方面，不同学者会创设不同的情境，如生活情境、实验情境、物理学史情境等情境[14～20]，帮助学生理解抽象的知识.在问题方面，通过分析课标、教材、学情来确定教学目标从而确定核心问题，接着以一系列阶梯型的问题链的形式进行设问，培养学生探究问题的思维[21].

其次是物理学史渗透.物理学史的渗透通常用在含有经典的物理实验的物理课程当中，大部分学者会选用自由落体运动、牛顿第一定律等课例来进行教学设计或者实证[22～26].通过讲述历史故事、使用多媒体材料或者演示历史等方式，对研究问题的不同观点进行思考与思想的碰撞，从而达成科学思维教育.

最后是问题解决.有学者将近年的高考题进行归类和寻找共性，将题目中的文字信息转化为真实情境和物理模型，促进学生模型建构的能力.再对问题进行改编，让学生进行求解，培养学生的分析推理、综合能力，让学生在解题过程中掌握物理规律和方法[27].也有学者提出针对解答中的错误来培养思维的缜密性，还可以通过优化习题的情境，创设开放性的问题，培养学生的质疑意识[28].

(3)科学思维的评价研究

1)科学思维的层次与水平划分

在高中阶段，大部分学者按照课标进行划分，也有学者结合文献，与专家、一线教师讨论后将其进一步进行详细的划分，提出科学思维能力的表现框架[29].在初中阶段，有学者借鉴新课标的水平划分，对照《义务教育物理课程标准(2011年版)》中有关科学思维的描述，将科学思维分解为情境转换、现象分析、证据意识、质疑创新4个要素，并划分为初级、中级、高级3个水平[30].

2)关于评价方式

主要方法是问卷调查和访谈.其中问卷调查主要是通过试题和被试者的作答情况来进行判断与评价，有学者就是利用高考题或者平时的测验题目挑选出来进行测试[29～31]，也有学者自行设计题目[32]，但是这类测试很难有效排除学生物理知识的掌握程度和粗心导致失误对物理思维能力测量的干扰.访谈则主要是对测试后的学生和教师进行访谈，了解科学思维的培养困难和成因.

3)命题方式

在命题类型方面，大部分研究包括选择题、计算题、简答题、材料题等多种类型.在命题的内容方面，根据命题面对的对象不同，分为学生和教师两类.关于学生层面的调查问卷是从科学思维的4个要素进行考核，从而了解学生科学思维的现状和程度水平.关于教师层面的调查问卷主要分为新课标中科学思维的认识水平以及理解程度、对学生科学思维能力的实际培养情况、对科学思维教学策略的认识与倾向3种内容.

3 研究结论与展望

3.1 研究结论

近年来，与国内物理课程科学思维相关的文章持续增长，越来越受到关注，具有相当大的发展空间.然而根据作者、机构合作的共现分析可知，作者和机构合作不紧密，较为孤立.根据关键词共现分析可知，目前研究主要呈现3大热点：第一，对教材中有关科学思维的内容从定性逐渐过渡到定量研究；第二，关于物理教学中如何渗透科学思维，涌现多种教学模式与教学策略；第三，科学思维的评价研究开始不断促进发展，但是开发的量表较少.

3.2 展望

3.2.1 科学思维的教材分析上

在教材分析上，国内研究更侧重于质性分析，分析的内容多样，但是学者们通常结合案例进行说明，容易停留在表层，研究深度不够，带有作者的主观思想.在定量的分析上，学者们注重核心素养的整体测量，但科学思维鲜有突出独特之处，提炼与总结较为宽泛.此外，可以发现对教材进行评价的量表较少.教材是知识的载体，若能开发关于评价教材的评价工具，对教材有更深入的研究，有助于教师更好地进行科学思维的培养.

3.2.2 科学思维的教学研究上

从现有的文献来看，专门针对科学思维提出的策略、模式较少.这是因为科学思维隐含在物理观念、科学探究等内容和形式当中.文献中的模式大部分与案例结合来介绍，给了教师一定的参考策略.但这些案例较少进行实践验证，另外具有局限性，教师不易进行模式的选择.因此，可以继续推进可实施的科学思维教学模式的进程，将科学思维渗透在教学当中.学者、机构之间可以将研究成果进行交流与转化，促进教学研究.

3.2.3 科学思维的评价研究上

目前，科学思维的评价研究缺乏一定的系统性.当前国内聚焦于现状研究，利用问卷、访谈的形式进行调查，评价单一.因此，应该采用多种方式来评价学生的科学思维，例如增加自评类的问卷调查，可以结合学生通过量表描述自己的行为习惯和思维习惯进行分析.此外，对科学思维影响因素的实践调查较为缺乏，未来可考虑从这方面进行拓展.