物理教學中思維導圖研究熱點的知識圖譜

何淯鹛 葉建柱

(溫州大學物理與電子信息工程學院 浙江 溫州 325035)

1 引言

思維導圖是由英國著名心理學家托尼巴贊在19世紀70年代創立的一種思維工具和學習方法.近年來，思維導圖作為一種新型教學工具在教育界掀起一股熱潮，被教師們應用到不同的學科教學當中，研究其教學效用.物理學科當然也不例外.

物理學是一門以實驗為基礎的科學，對學生的抽象思維和形象思維能力要求較高.很多學生在建立物理模型、解決物理綜合性問題、透過物理現象挖掘物理本質等方面的能力較弱.將思維導圖引入到物理教學，能有針對性地解決學生在這方面的困難.同時，物理是一門強調知識系統性與思維發散性的學科，與思維導圖放射性和結構化的繪圖原則是相契合的.因此，思維導圖與物理學科貌似具有更密切的聯系，將思維導圖運用到物理教學中潛藏著巨大的價值.物理學科的教育學者們都注意到了這點，在新課改的背景下，紛紛都將目光轉移到了思維導圖上，研究思維導圖在物理教學中的理論基礎、應用價值，探討思維導圖下的新型物理教學模式并進行了一系列實證研究.那么，經過近年來的不斷努力，研究進程到底如何了呢？

人們對于某個學科研究進程的了解大多是基于文獻綜述，憑借個人的主觀判斷進行總結歸納，較少采用量化的方法，讓全部的文獻說話.當前，國際上正在流行的科學知識圖譜技術為我們提供了這樣的技術支持.知識圖譜能夠用直觀的圖像展示出最前沿領域和學科知識的信息匯聚點，從宏觀、中觀、微觀等不同層面來揭示一個領域或學科的發展概貌，使人們便于全面審視一個學科的結構和研究熱點[1].本文正是借鑒這一方法，繪制出物理學科思維導圖的研究熱點知識圖譜，客觀和直觀地展示近年來我國該領域的研究成果.

2 研究方法

2.1 資料來源

首先，確定樣本.進入中國知網(CNKI)，檢索主題詞為“物理思維導圖”的所有文獻，檢索時間為“2005-2017年”，共查閱到與主題相關的文獻346篇.其次，剔除其中不符合要求的文獻，如重復發表、會議記錄、雜文隨感等，共得到有效論文319篇.最后，對材料標準化處理，對論文的關鍵詞進行格式和內容的標準化，例如刪去沒有實際意義的動詞“優化”，將“實踐教學”和“實踐性教學”統一為“實踐性教學”等.

2.2 研究工具

采用bicomb2.0 (Biliographic Item Co-Oc-currence Matrix Builder)書目共現分析系統和IBM19.0(statistical Product and Service Solu-tions)“統計產品與服務解決方案”軟件作為本研究的兩大基本研究工具.

3 研究過程

首先，確定高頻關鍵詞.使用bicomb2.0對319篇文章進行關鍵詞提取，總共得到1 460個關鍵詞.導出出現頻次大于等于6的關鍵詞，得到前33位關鍵詞及他們的詞頻統計，即研究結果一.

其次，建立高頻關鍵詞共詞矩陣.共詞矩陣是一個對稱矩陣，主對角線上的數據表示關鍵詞與自身的共現頻次，即相關程度；非主對角線上單元格的數據代表兩個不同關鍵詞之間的共現頻次，如“思維導圖”與“初中物理”的共詞頻次為49，即表明這兩個關鍵詞共在49篇文獻中被同時使用[2].

再次，構造相似矩陣.為適應不同的多元統計方法對數據的要求，需要在共詞矩陣的基礎上利用Ochiai等值系數的方法構造出相似矩陣：

Ochiai相似系數

其中，等值系數Eij的值在0～1之間，代表敘詞A和B共同出現的概率；Cij代表敘詞A和B在文獻中共同出現的頻次；Ci代表敘詞A在文獻中出現的頻次；Cj代表敘詞B在文獻中出現的頻次[2].

第四，轉換相異矩陣.由于相似矩陣中0值過多，統計時容易造成誤差，因此，采用1-相似矩陣的做法，生成相異矩陣，得到研究結果二.

第五，進行高頻關鍵詞聚類分析.將詞篇矩陣導入到spss19.0中，使用系統聚類，生成關鍵詞的聚類樹圖，得到研究結果三.

第六，進行多維尺度分析.運用spss19.0對高頻關鍵詞相異系數矩陣進行多維尺度分析，繪制出關鍵詞知識圖譜，得到研究結果四.

最后，結合聚類和知識圖譜對研究結果進行分析和解釋.

4 研究結果與分析

4.1 高頻關鍵詞詞頻統計及分析

對319篇文章中的1 460個關鍵詞進行詞頻統計分析，共抽取出33個高頻關鍵詞，其排序結果如表1所示.

表1 前33位高頻關鍵詞排序

從表1可初步了解我國近年來物理學科對于思維導圖的研究熱點和研究趨勢.詞頻統計結果初步表明，物理學科對于思維導圖的研究多圍繞教學應用、復習解題、知識框架和物理思維等方面展開，且廣泛應用于中等教育的實踐教學中.

4.2 高頻關鍵詞相異系數矩陣

在相異矩陣(表2)中，數值的大小表明對應的兩個關鍵詞共同出現的頻率，數值越接近1，表明兩個關鍵詞一同出現的概率低；數值越接近零，表明兩個關鍵詞一同出現的概率高[3].

表2 高頻關鍵詞Ochiai系數相異矩陣(部分)

從表2可以看出，與“思維導圖”相關性較高的前三位關鍵詞分別是初中物理(0.564)、物理教學(0.629)、實踐性教學(0.637).基于表1的研究結果我們可進一步得知，在諸多高頻關鍵詞中，“思維導圖”與“初中物理”“物理教學”“實踐性教學”一起出現的頻率，遠遠大于其與其他關鍵詞出現的頻率，這表明在已發表的文獻中，經常論及思維導圖與初中物理實踐性教學的關系，也即將思維導圖運用到初中物理實踐性教學的研究當中.

4.3 高頻關鍵詞聚類分析

聚類分析是一種建立分類的多元統計分析方法，它能夠將一批變量根據其諸多特征，在沒有先驗知識的情況下進行自動分類[4]，較為相似的先分為一小類，若干相似的分為一大類，分類的結果在某種程度上反映了變量間的親疏關系.

根據關鍵詞聚類分析的原理，從圖1可以直觀地看出物理思維導圖研究高頻關鍵詞可以分為四大研究領域，具體分類如表3所示.

結合相應文獻，對四大領域的研究內容分析如下：

種類一為思維導圖在物理實踐性教學中的應用研究，包含初中物理、實踐性教學、高中物理等10個關鍵詞.這類研究指明了思維導圖在物理實踐性教學中的作用和應用意義.思維導圖能夠將教學內容呈現得更加生動、具體，幫助教師明確教學思路，合理地進行教學設計，鞏固課堂教學，促進課堂交流.同時探討了基于思維導圖的新型物理教學模式，可簡單表述為課前準備、課中繪制、課后完善，內容涉及概念教學、規律教學、實驗教學等，年級涉及初中和高中.并且對該教學模式展開實證研究，結果顯示，這種教學模式能切實落實三維目標，有效提高學生學習成績，深受廣大一線教師和學生的喜歡，論證了將思維導圖應用于物理教學的必要性和可行性.

種類二為思維導圖在解題中的應用研究，是對思維導圖的應用擴展，包括解題思路、解題過程等7個關鍵詞.這類研究認為，傳統的解題方式比較機械和死板，是單獨處理題目中的每個知識要素，對題目中相互聯系的知識點進行分散處理，造成學生解不出題目的困擾.應用思維導圖，有利于引導學生理清知識間的邏輯關系，準確地搜索和定位相關知識，自主建構物理模型，實現思維的可視化，從而形成清晰的解題思路，加快解題速度，提高解題能力.并提出了若干解題實例，例如電學計算、物理綜合性大題等.

種類三為思維導圖在輔助學生學習中的應用研究，包括物理學習、學習過程、學習能力等11個關鍵詞.這類文獻著重研究思維導圖對學生學習的幫助，提供了相關理論基礎，并對此做了實證研究.引導學生自主進行思維導圖的繪制，包括記錄課堂內容和整理知識點等，讓他們順應自己的思考方式將知識點連接起來，這樣的做法一方面能加強學生自己對于所學知識的了解，便于記憶，另一方面，學生不再是知識的搬運工，而是知識的組織者，學習過程變得豐富有趣，增強了自主學習的獨立性，突出學生的主體地位.

種類四為思維導圖對物理思維的培養，建立知識框架方面的研究，包括思維過程、知識的理解等5個關鍵詞.物理思維過程是把所觀察到的物理現象、物理事實、物理過程等在大腦中形成清晰的物理圖景，再反復加工，合理改造，去偽存真，把感性認識上升到理性認識的過程.思維導圖能幫助學生理清思維的脈絡，把抽象的思維過程形象化、可視化并固化下來，形成清晰的知識框架，建立完整的物理體系.同時，思維導圖有助于培養學生的發散性思維，在思考問題時能沖破單向思維的束縛，從多方面多角度透過物理現象看到物理本質.

圖1 物理學科思維導圖研究領域關鍵詞聚類圖

表3 高頻關鍵詞聚類結果

從樹形圖可以看出，思維導圖在物理實踐性教學中的應用研究是當前物理教學中對思維導圖進行研究及應用的最大熱點(種類一).想要了解研究動態和研究趨勢，還需對相異矩陣進行多維尺度分析.

4.4 關鍵詞多維尺度分析

多維尺度分析是一種探索性的數據分析方法，它將含有多個變量的大型數據壓縮到一個低維空間，形成一個直觀的空間二維(或三維)圖形，以空間中的點表示變量之間的潛在規律性聯系.在spss19.0中，點擊“Multidimen-sional Scalin(ALSCAL)”，并選擇“從數據創建距離”，度量區間為“Euclidean”，標準化方法選擇Z得分.本研究采用相異矩陣進行多維尺度分析，得到的分析結果如圖2[5]所示.

圖2 思維導圖研究熱點知識圖譜

在此二維坐標圖中，各個關鍵詞所處的位置用小圓圈表示，關鍵詞關系越密切，它們所代表的圓圈距離越近，反之，則越遠[6].經觀察發現，知識圖譜中點與點的聚集情況與聚類分析樹狀圖中研究領域的分類基本一致(允許有少數關鍵詞對應的領域和聚類分析結果有出入).

根據戰略坐標圖的解讀原則，從圖2可以看出，領域一具有較高的向心度，說明該領域與其他主題領域關系密切，在當前整個研究領域中占有重要地位，是核心主題或者關注熱點，具有強大生命力，不易消失.但內部關鍵詞間不夠緊密，說明研究不夠成熟，仍有進一步挖掘的空間.領域二處于第三象限向第四象限過渡處，說明該領域有進一步發展的可能.領域三處于第二象限，具有較高的軸密度，但向心度較低，說明該領域內部聯系緊密，已經自成一體被很好地研究過，是個比較成熟和獨立的研究領域，但可能由于發展到一定規模后沒有有效提升，已經不是當前學術界的研究熱點.領域四整體處于第三象限，向心度較低，內部聯系不夠緊密，說明該領域處于整個研究領域的邊緣地位，相關的研究文獻不多，尚未得到研究學者們的足夠重視.

結合相關文獻并請教有關的專家，得出思維導圖在物理學科的研究動態是：由幫助學生學習(領域三)逐步過渡到指導物理實踐性教學(領域一)中去，在課堂教學方面的應用越來越多.同時，如何將物理思維與思維導圖相融合，從而建立完善的知識結構體系(領域四)，以及如何將思維導圖確實有效地落實到物理解題(領域二)中去，幫助學生解答物理難題仍然有進一步的研究空間.

5 結論與展望

本研究利用bicomb2.0和spss19.0兩款軟件的相關功能，對我國2005年到2017年物理學科對思維導圖的研究進行了定性和定量的分析，繪制了知識圖譜，比較直觀地了解了該領域的研究現狀和研究熱點.主要圍繞四大領域：思維導圖在物理實踐性教學中的應用，在物理解題方面的應用，在輔助學生學習中的應用以及在培養物理思維方面的應用.其中在學習和教學方面的研究比較透徹和熱門，在

思維和解題中的應用仍有進一步研究的空間.

如何把物理變得簡單易懂，如何讓物理教學變得更生動愉悅，讓更多的學生喜歡物理，是物理教師們一直在思考的問題.思維導圖作為一種教學手段，能使物理教學變得更順利更輕松；作為一種學習手段，能使物理學習變得更容易更有趣；作為一種思維工具，能讓大腦在運作時效率更高.這無疑會成為廣大教師們的教學幫手，在未來有更多施展拳腳的空間.本文通過對物理教學中思維導圖研究熱點的可視化分析，旨在總結當前的研究現狀，分析前沿動態，為未來的研究提供有力的理論支持和數據支撐，為未來的教育工作者指明研究方向.

參 考 文 獻

1 郭文斌,陳秋珠.特殊教育研究熱點知識圖譜.華東師范大學學報(教育科學版),2012(03):49～54

2 孫曉寧,儲節旺.近十年知識管理領域碩博士學位論文研究熱點分析——以共詞分析為方法.情報雜志,2012(06):85～90

3 郭婷,鄭穎.數據挖掘在國內圖書情報領域的應用現狀分析——基于文獻計量分析和共詞分析.情報科學,2015(10):91～98

4 唐曉波,葉珍芳.國內社會化媒體研究現狀——基于文獻計量分析.情報科學,2015(12):135～141

5 孫曉寧,閆勵,張強.科學知識圖譜在學科可視化研究中的應用.圖書館,2014(05):87～91

6 祁占勇,陳鵬,張旸.中國教育政策學研究熱點的知識圖譜.教育研究,2016(08):47～56