利用可視化應(yīng)用軟件進(jìn)行的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)前沿分析

趙露 王林

摘 要 準(zhǔn)確把握當(dāng)前國(guó)內(nèi)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題對(duì)于中學(xué)物理教學(xué)有著重要的指導(dǎo)意義。本文以1990年到2015年中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)（CNKI）中涉及的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)為研究對(duì)象，運(yùn)用科學(xué)計(jì)量軟件CiteSpace III進(jìn)行可視化分析后繪制出中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)科學(xué)知識(shí)圖譜，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共引知識(shí)圖譜，找出了近25年來(lái)國(guó)內(nèi)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題，通過(guò)圖譜分析可以發(fā)現(xiàn)突變值最大的共引關(guān)鍵詞依次為自制教具和電子白板。本研究結(jié)論對(duì)今后中學(xué)物理教師的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) CiteSpace 知識(shí)圖譜 熱點(diǎn)問(wèn)題 前沿領(lǐng)域

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，一切理論都以實(shí)驗(yàn)作為唯一的檢驗(yàn)基準(zhǔn)。中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容主要由三部分構(gòu)成：物理概念的形成，物理問(wèn)題的解決，物理方法的應(yīng)用。單純靠理論知識(shí)的講授無(wú)法激起學(xué)生的共鳴，要讓學(xué)生靈活掌握并應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)，就必須借助于實(shí)驗(yàn)。因此，在中學(xué)物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)占有尤為重要的地位。理清國(guó)內(nèi)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究有著重要的意義。

一、研究方法

1.數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以2015年11月4日在中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）中檢索的相關(guān)文獻(xiàn)為研究對(duì)象，檢索關(guān)鍵詞為“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，共檢索到59601條文獻(xiàn)，由于時(shí)間跨度較大，選取1990年至2015年期間的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究，通過(guò)刪除無(wú)關(guān)文獻(xiàn)等一系列整理，最終確定672篇文獻(xiàn)為本文研究的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.分析工具及圖譜生成

以美國(guó)費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)副教授、大連理工大學(xué)陳超美博士開(kāi)發(fā)的信息可視化應(yīng)用軟件CiteSpace為分析工具，CiteSpace的核心功能是產(chǎn)生由多個(gè)文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)組合而成的一種獨(dú)特的共被引網(wǎng)絡(luò)[1]，以及自動(dòng)生成的一些相關(guān)分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)生成的知識(shí)圖譜進(jìn)行分析，可獲得本研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題和前沿變化趨勢(shì)。具體操作：（1）將CNKI中檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。先將CNKI中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Refworks格式，然后利用CiteSpace3.9R4中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CiteSpace3.9R4可處理的格式。（2）設(shè)定相關(guān)參數(shù)。間跨度（Time Slicing）設(shè)為1990年至2015年，時(shí)間分區(qū)（Years Per Slice）為1年；節(jié)點(diǎn)類(lèi)型（Node Types）設(shè)為關(guān)鍵詞（Keyword）；閾值（c，cc，ccv）分別設(shè)為（3，3，20）、（3，3，20）、（3，3，20），c為最低被引次數(shù)，即關(guān)鍵詞滿足出現(xiàn)次數(shù)大于3次，cc為共被引次數(shù)，即關(guān)健詞共引次數(shù)大于3次，ccv為共引系數(shù)，即關(guān)鍵詞相似系數(shù)大于0.20。（3）生成關(guān)鍵詞共引知識(shí)圖譜：如圖1所示，最終得到的知識(shí)圖譜包含21個(gè)節(jié)點(diǎn)，34條連線。圖譜中節(jié)點(diǎn)環(huán)的大小表示頻次，外部帶有小圈的節(jié)點(diǎn)環(huán)表示具有高中介中心度的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。中介中心度是測(cè)量某一節(jié)點(diǎn)被其他節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑穿過(guò)的程度指標(biāo)，中介中心度高的節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)兩兩之間的聯(lián)系起到控制作用，體現(xiàn)了其在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的重要地位[2]。

從圖1中可以看到該關(guān)鍵詞共引的知識(shí)圖譜模塊值Modularity Q=0.4494，Q>0.3，說(shuō)明劃分出來(lái)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)是顯著的；平均輪廓值Mean Silhouette=0.6053，S>0.5，說(shuō)明得到的聚類(lèi)是合理的[3]。通過(guò)紫色外圈的標(biāo)注可以看出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性及基礎(chǔ)性，之后將從共引關(guān)鍵詞的中心性和突變率兩個(gè)維度來(lái)分析中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題和發(fā)展前沿。

二、中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿分析

1.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題

關(guān)鍵詞的頻度（Frequency）和中心性（Centrality）可以反映該領(lǐng)域發(fā)展路徑及熱點(diǎn)問(wèn)題，表1列出了前20個(gè)關(guān)鍵詞的頻度、中心性等指標(biāo)，從表中可以看出，除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)、中學(xué)物理、中學(xué)物理教學(xué)等關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率相當(dāng)高之外，教學(xué)方法、自制教具、演示實(shí)驗(yàn)、農(nóng)村中學(xué)、電子白板也有著較高的頻率，依此可以得出中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探討和農(nóng)村中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直以來(lái)都是人們研究的熱點(diǎn)。

（1）中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式和方法探討

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，尤其是新課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)于學(xué)生的探究能力和動(dòng)手能力有了更明確的要求，這無(wú)疑提高了實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的地位，而且實(shí)驗(yàn)也是中、高考出題人極其重視的內(nèi)容，出于中國(guó)的應(yīng)試教育背景，執(zhí)教者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上花費(fèi)了不少心思，特別是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探討，一只以來(lái)都備受研究著和執(zhí)教者的青睞。

①?gòu)尿?yàn)證性實(shí)驗(yàn)到探究性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是一種由步驟驅(qū)使的、針對(duì)已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，其實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方案通常由教科書(shū)、實(shí)驗(yàn)手冊(cè)或教師給定，實(shí)驗(yàn)室提供[4]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生總是按照既定的步驟進(jìn)行操作，這就淡化了實(shí)驗(yàn)所具有的功能，無(wú)法達(dá)到強(qiáng)化知識(shí)的目的和學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。因而，一種新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生——探究性實(shí)驗(yàn)，探究性實(shí)驗(yàn)充分考慮了學(xué)生的主體地位，學(xué)生利用教師的引導(dǎo)來(lái)進(jìn)行思考、摸索，最終找到最佳的實(shí)驗(yàn)方案。在這個(gè)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的過(guò)程中，其創(chuàng)造性思維得到充分發(fā)揮，同時(shí)也加深了對(duì)課本知識(shí)的理解和運(yùn)用，使實(shí)驗(yàn)真正服務(wù)于課堂，服務(wù)于學(xué)生。

②中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用方法

目前國(guó)內(nèi)大部分中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)都借助于一種或多種教學(xué)媒介，在有效組織實(shí)驗(yàn)課的同時(shí)，使用電子白板、動(dòng)畫(huà)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬仿真等技術(shù)穿插于課堂中來(lái)使抽象的物理知識(shí)變?yōu)榫唧w的物理現(xiàn)象，不僅激發(fā)了學(xué)生的興趣，而且調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使課堂更為生動(dòng)；同時(shí)，富有趣味的演示實(shí)驗(yàn)也會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣，演示實(shí)驗(yàn)要盡量貼近學(xué)生生活，能使學(xué)生產(chǎn)生共鳴，這樣才能起到事半功倍的效果。

（2）農(nóng)村中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及思考

農(nóng)村中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于農(nóng)村地區(qū)實(shí)驗(yàn)器材缺乏、師資條件有限[5]，物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)已出現(xiàn)實(shí)施不到位的現(xiàn)象。因此，有些教師開(kāi)始探討低成本物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，教師應(yīng)該具備一定的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)，能夠依據(jù)地方特色和現(xiàn)有條件開(kāi)發(fā)一些貼近學(xué)生日常生活的小實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況組織實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，這樣不僅充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)的功能，有效地緩解了實(shí)驗(yàn)器材不足所帶來(lái)的影響，同時(shí)也提高了中學(xué)教師自身的專(zhuān)業(yè)技能。

2.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的前沿領(lǐng)域

在CiteSpace軟件繪制出的知識(shí)圖譜中，突變?cè)~是指在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較多或使用頻次增長(zhǎng)率明顯提高的詞。通過(guò)繪制Top20的關(guān)鍵詞的突變值圖2（Citation Bursts）、圖3（Citation History）可以分析出中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，對(duì)研究者的研究和執(zhí)教者的教學(xué)都有著非常重要的意義。圖2、圖3中可以看出突變值最大的共引關(guān)鍵詞依次為自制教具和電子白板。

（1）自制教具在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的突出地位

自制教具是教師和學(xué)生為改進(jìn)教學(xué)方法，就地取材、自己設(shè)計(jì)制作的教具，是教師自身科學(xué)知識(shí)與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、操作技能的結(jié)晶[6]。鑒于我國(guó)目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，自制教具既可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、開(kāi)闊學(xué)生思維，也是解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)儀器不足的有效途徑，因此執(zhí)教者在教學(xué)過(guò)程中能夠根據(jù)實(shí)際情況親自動(dòng)手制作一些教具已經(jīng)成為了一項(xiàng)不可缺少的技能。新課程教學(xué)大綱明確提出：“要發(fā)動(dòng)學(xué)生和老師一起自制教具?！彼裕灾平叹叩倪^(guò)程也是師生互動(dòng)、共同進(jìn)步的過(guò)程，這對(duì)于教師和學(xué)生的發(fā)展都有著深刻的意義。

自制教具具有針對(duì)性強(qiáng)，見(jiàn)效快的特征，因此它具有強(qiáng)大的生命力。在大力推行的過(guò)程中，應(yīng)注意帶著啟發(fā)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可觀性這四點(diǎn)要求進(jìn)行自制教具的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)自制教具時(shí)應(yīng)遵循這樣的原則：做大一點(diǎn)、使用信手可得的材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能進(jìn)行鮮明的演示、教育目標(biāo)恰當(dāng)、做好一點(diǎn)[7]。

（2）電子白板在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

從2012年開(kāi)始，研究者開(kāi)始探索將電子白板與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，交互式電子白板是一種由計(jì)算機(jī)控制并與投影儀相連接的觸感式白板，交互式電子白板系統(tǒng)有四個(gè)組成要素：計(jì)算機(jī)、投影儀、相關(guān)應(yīng)用軟件以及電子白板，使用者可以通過(guò)點(diǎn)觸或非點(diǎn)觸的筆操作白板來(lái)控制計(jì)算機(jī)[8]。利用電子白板的交互功能能夠使教師和學(xué)生之間產(chǎn)生更多的互動(dòng)，提高課堂效率。而且執(zhí)教者可以將不易操作的物理實(shí)驗(yàn)拍成視頻，插入電子白板課件中進(jìn)行播放，從而達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。但是目前中學(xué)教師對(duì)于電子白板的使用，僅限于一些表面的功能，沒(méi)有充分利用其交互功能，這是需要進(jìn)行改善的。

三、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)1990年到2015年中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理、分析，概括出了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展走向。實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中占據(jù)著重要的地位，探究性實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的海洋中掀起了巨大的波浪，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中執(zhí)教者應(yīng)多設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和發(fā)散思維，同時(shí)，充分利用身邊的資源進(jìn)行教具設(shè)計(jì)，通過(guò)自制教具、電子白板等的使用來(lái)抓住課堂。研究者也應(yīng)在今后的研究中來(lái)完善自制教具的設(shè)計(jì)和信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)課程的整合，讓物理實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)成為中學(xué)課堂的好幫手。

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[作者：趙露（1992-），女，山西呂梁人，寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院在讀碩士研究生；王林（1959-），男，寧夏銀川人，寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師。]

【責(zé)任編輯 孫曉雯】