近十年国内大学物理演示实验相关研究的趋势与展望

王嘉宝 王晓杰

摘 要 物理演示实验通过具象的实验帮助学生理解理论知识，在物理教学中有着重要的作用。本论文利用Citespace软件对中国知网近十年来（2013—2022年）与国内大学物理演示实验相关的208篇文献进行量化分析，包括期刊类型和发文量、作者和机构、研究主题、研究热点等维度。根据量化分析得到的主要研究领域和研究热点，对物理演示实验的价值、类别和成效进行质性分析。最后对近几年大学物理演示实验教学的不足进行总结分析，并对未来大学物理演示实验的发展提出了五点建议。

关键词 物理演示实验;Citespace;实验教学;发展趋势

物理学是一门以实验为基础的学科，物理学的研究离不开实验，物理学理论的发展需要实验结果的支持。南开大学物理学科的创始人饶毓泰先生曾说过：“物理学教育一定要重视实验教学”。

由此可见，演示实验在物理教学中有着重要的地位，是课堂理论教学不可或缺的一项教学辅助手段，可以使抽象的物理知识具象化，帮助学生理解物理概念。大学物理演示实验不同于大学物理实验课，实验课有明确的实验内容和要求，演示实验则重在激发学生的学习兴趣，让学生理解和掌握课堂理论知识。国外的一些高等院校十分重视大学物理演示实验。例如，德国的物理教学大纲规定只有经过大量实验和细致观察才能得到物理规律，其基础物理教材中有大量的演示实验。美国也相当重视物理演示实验，不仅演示实验数量众多，教学方式也非常多样[1]。近年来国内高校对物理演示实验教学越来越重视，建立了专门的演示实验室，在教学方面作出很多新的尝试[2]，采用随堂演示、开放演示、走廊展厅演示等多种教学形式[3]。

近十年间，大学物理演示实验不停地发展与进步，在教学技术[4]、自制仪器[5]、人才培养[6]和实验室建设[7]方面发展迅速，已经逐步形成明确的研究体系，但针对目前的研究趋势还缺乏深入的研究和系统分析。因此，本文采用文献检索法，收集国内近十年大学物理演示实验相关研究的文献资料，然后采用量化研究和质性分析的方法，对文献进行统计分析，归纳出国内大学物理演示实验相关研究的发展趋势以及研究现状。Citespace软件系统是由美国德雷塞尔大学陈超美博士开发的一款主要用于计量和分析文献数据的信息可视化软件，可以绘制文献的科学知识图谱，直观展现某一科学研究领域的研究热点和前沿方向等[8]。目前，Citespace已广泛用于教育教学方面的研究[9-10]。

在中国知网数据库（CNKI）中对“物理演示实验”和“教学”两个关键词进行检索，经筛选后总计论文208篇。研究的时间跨度为2013—2022年，筛选原则为：与大学物理演示实验教学有关的文献并且除去会议通知、会议纪要、报纸、硕士论文。随后从期刊发文量和期刊类型分析、作者、机构，关键词，研究热点等维度对这些文献进行量化分析，揭示国内大学物理演示实验的研究现状、总结研究主题和热点问题。此外，基于现有的文献，对国内大学物理演示实验的教学方式、技术应用、教学创新等内容进行分析讨论，并据此对未来的教学提出建议。

1 近十年国内大学物理演示实验相关研究量化分析

1.1 发文量和期刊类型

历年文献发文量反映了近十年国内大学物理演示实验研究领域的发展速度。近十年在国内期刊论文中发表的与大学物理演示实验相关的论文的发文量统计如图1 所示。从图1 可以看出，2018年以前发文数量比较平稳，平均值为27篇。2019年和2020年有所下降，但仍保持一定的发文量。2021年后发文量急剧下降。之后一直呈下降趋势。根据近几年高等学校物理演示实验教学研讨会的相关信息来看， 2021年举办的第15届高等学校物理演示实验教学研讨会相较于前几届研讨会，参与的高校由100多所变为60多所，参会人数由近300名减少为170名左右，会议收到的论文数量也从三四十篇减少到16篇，参评的演示实验仪器由100多件减少为86件。上述分析表明疫情对演示实验的教学研究冲击较大。

对期刊类型进行分析发现208篇文献共来自88种学术期刊。其中北大核心期刊7种，科技核心5种，JST 收录期刊14种，南开大学高质量论文期刊15种。发文量前十的期刊信息见表1。从表1中可以看出排名前十的期刊发文量共有97篇，占比46.6%。其中，《物理与工程》发表的期刊最多，近十年共发表了20篇论文，占比9.6%。其17篇和12篇，占比13.9%。其中，《物理实验》是每届高等学校物理演示实验教学研讨会后收到的近两年来物理演示实验教学改革、创新的成果的图2 近十年国内大学物理演示实验研究作者合作图推荐期刊。

1.2 作者和机构合作分析

作者合作圖是Citespace中的一种重要的图表类型，用于表示不同作者之间的合作关系。通过合作图，可以分析作者发表论文的频次、合作者之间的联系、强度以及研究主题的聚集等信息。可以掌握相关研究的深度和广度。在Citespace软件中分析的节点类型选择为“Author”，选择显示的作者姓名为出现频率大于等于2的所有作者，结果如图2所示。从图2中可以看到节点N=238，节点越大标明作者频次出现越多。连线数量E=220，连线代表作者之间的合作联系，连线越粗说明他们在同一篇文献中出现的频率越高[11]。从节点数和连线数可以看出论文作者之间有一定的合作关系，但总体来看研究者之间较为分散，没有形成明显的合作网络。说明不同高校教师之间合作较少。

此外，本文对近十年作者发文量进行了统计，结果表明作者发文量较少，发文量大于等于3篇的作者只有十三位。其信息如表2所示。从表中搞科研看出所属单位均为高校。其中浙江大学有3位作者。核心作者群可以集中反映研究的发展趋势，依据普莱斯定律，核心作者发文最低积累量为0.749与发文量最大的作者的发文量的算术平方根的乘积[12]。统计发现发文量最多的作者发文量为3篇，计算得核心作者发文最低积累量为1.297，即发文量大于等于2篇的作者为核心作者，总人数为38人，占所有作者的15.9%，核心作者占比较少，说明高校教师在论文发表方面需要进一步提高。

作者机构统计可以显示哪些研究机构走在特定研究领域的前沿部分[13]。近十年大学物理演示实验研究机构的合作关系如图3所示。图3左上角显示数据“N=189，E=19”，N 代表节点，即机构出现的位置节点，节点越大标明机构频次出现越多;E代表连线数量，连线代表机构之间的合作联系，连线越粗说明他们在同一篇文献中出现的频率越高。机构合作图中有189个节点，19条连线，说明各机构之间的合作较少。

1.3 关键词共现

图4显示了出现频次为8的关键词共现图。关键词核心概括了论文的核心内容，共现分析直观地展示了此领域的主要研究内容和研究热点[14]。图4中字号较大的关键词为演示实验、大学物理、物理演示实验、教学模式、教学改革、教学方法、实验教学和大学物理实验等，这些关键词在文献中出现频率高，具体频次参见表3。剔除掉与检索关键词相同的部分，剩下的关键词为大学物理、教学模式、教学改革、教学方法、实验教学和大学物理实验。上述关键词体现了目前关于大学物理演示实验的研究热点。

1.4 关键词聚类

聚类功能可以整合分散的热点关键词进行系统研究，聚类图谱侧重于体现聚类间的结构特征，突出关键节点及重要连接[15]。Citespace根据网络结构和聚类的清晰度，提供了模块值（Q 值）和平均轮廓值（S 值），S 值越接近1，网络的同质性越高，Q 大于0.3时，聚类的社团结构显著，S 大于0.7时，聚类是令人信服的[16]。对关键词进行聚类得到的结果如图5所示。Q =0.6183，S =0.9032，说明聚类结构十分显著且令人信服。此外，从图5中可以看出共有八个聚类。关键词聚类图谱可以表明该领域不同研究关注点，每个聚类的标签都是共现网络中的关键词，聚类的数字越小，包含的关键词越多。本文选取了每一聚类的前三个代表性最强的关键词，如表4所示，借助这些关键词有助于了解近十年国内大学物理演示实验的核心研究领域。

通过对表4中的关键词进行分析，结合图4中的关键词信息，可将近十年国内大学物理演示实验的研究分为以下几个领域：

1.大学物理演示实验教学的理论方面，主要包括教学改革、教学模式和演示实验教学等。

2.大学物理演示实验的教学技术方面，主要包括微课、翻转课堂和多媒体技术等。

3.人才培养模式方面，主要包括创新人才培养、科学素质和应用型人才培养模式等。

1.5 研究演进阶段

图6为对每一组聚类的时间演化进行研究的时间线图。其中主要研究了6个聚类，每个聚类的标签是共现网络中的关键词，这些关键词按照它们在对应时间内出现的年份，在所属的聚类中铺展开来，显示出每个聚类里关键词的发展情况。

由图6可以发现，早期大学物理演示实验关注的焦点主要集中在“物理演示实验”。随时间发展，逐步转向“教学创新”“实验室建设”“创新人才培养”等方面。近年来，“便携式仪器”“虚拟实验”“新工科”等成为关注领域，演示实验的教学在逐步发展，同时演示方法也随着科技水平的发展不断增多，演示仪器也逐步走向便携和创新。

图7列出了近十年大学物理演示实验的研究过程中短期反复出现的词。这些短期反复出现的词称为突变词，通过分析突变词生成突变词图谱，可以得到关键词引用量激增的年份，并且显示出该词的流行时间段[10]。图7中突增率最高的词为新工科、多媒体、物理演示实验、科学素质、物理实验、演示仪器、教学内容等，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。从不同时期来看，早期的突变词为科学素质、教学内容和多媒体。随时间发展，突现词转变为创新、大学物理实验和物理演示实验。近年来，光的偏振、演示仪器、新工科成为新的研究热点。

2 近十年国内大学物理演示实验相关研究质性分析

结合近十年国内大学物理演示实验相关研究的量化分析结果，本部分将对国内大学物理演示实验相关研究进行质性的文本分析。具体包括演示实验的作用、物理演示实验的类别、物理演示实验的成效等方面。

2.1 物理演示实验的价值

物理演示實验能够帮助学生理解物理概念，使抽象的物理知识具象化，大多情况下由教师在课堂教学中进行演示，学生在老师的操作下进行观察，从而提升对物理的兴趣，增加探索欲望，达到理解和掌握物理理论知识的目的[17]。大学物理演示实验和普通物理实验以及近代物理实验并不相同，演示实验的主体一般是老师，老师对物理现象进行演示，学生进行观察和理解。随着教育的改革，演示实验的主体更倾向于学生，更加注重学生的参与性和互动性，注重培养学生的动手能力和主动性。通过与老师的互动和小组合作，往往能培养学生在实验中发现问题然后解决问题的能力，培养合作意识，增强学习积极性，也使得对深层知识的掌握和对科学真理的探求素养得到提升。以西藏大学为例，引入物理演示实验的区内生源班有更好的大学物理教学效果[18]。

同时物理演示实验对大学物理实验课程的教学效果也有促进作用，如电子科技大学中山学院通过加强演示实验环节，激发学生发明创造，并且通过教师团队的努力，使大学物理实验仪器进行了改造升级，且对物理实验的内容、教学方法、设备等方面进行了改革，有效地促进了大学物理实验课程的发展[19]。

随着对物理演示实验教学重视程度的增加，近几年在演示实验教学相关的教改项目立项逐渐增加。例如，在2022年教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会教学研究立项项目中关于物理演示实验教学的项目有清华大学的《大学物理典型课堂演示实验教学研究》和南开大学的《国际化视野下融合思政元素的大学物理演示实验项目库建设与研究》。2022年教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会大中物理教育衔接工作委员会教学研究课题中增加了要增加了依托物理演示实验教学面向学生和社会公众的物理科学素养和科普教学的研究和实践。其中，南开大学的《基于项目式学习的物理科普教育实践探索》、新疆师范大学的《基于大学物理演示实验开展科普教育的实践研究》和苏州科技大学的《高校科普创新工作体系的探索与实践》获得立项。