近20年全國中學生物理競賽的研究現狀熱點與趨勢*

彭章輝 高守寶

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250358)

全國中學生物理競賽(簡稱物理競賽)是主要面向在校高中生展開的課外競賽活動，從1984年開始創辦至今已連續進行36次，現已形成規模宏大、層次多樣的格局.《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》提出強國必先強教，凸顯提高國民素質的重要性和緊迫性，探索發現和培養創新人才的途徑[1].2020年1月，教育部印發《關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》[2]，提出在部分高校開展基礎學科招生改革試點(稱為“強基計劃”)，這為具有物理學科潛質和特長的學生通過參加物理競賽拓寬了成長發展通道.物理競賽不僅注重人才選拔，也有利于推動物理教學發展，具有發展學生終身學習能力和滿足社會對高端拔尖人才需求的關鍵作用.

研究以2000-2020年近20年來有關物理競賽的文獻為數據來源，運用共詞分析、聚類分析和多維尺度分析等方法對文獻樣本進行定量研究，解讀物理競賽的高頻關鍵詞及繪制知識圖譜，以此展現物理競賽的重點領域和發展進程.

1 研究方法

1.1 數據來源

在中國知網中，對2000-2020年發表的論文以“物理競賽”或“物理奧林匹克”為篇名進行檢索，獲得文獻622篇.對無作者、試題及參考答案發布、活動通告、會議信息、無關論文等不符合要求的文獻進行剔除后，獲得有效論文395篇，將其作為研究樣本.

1.2 研究工具

data數據3.0，GIGO1.1，CO_OC1.7，UCINET6與SPSS21.

1.3 研究過程

首先，使用data數據3.0對395篇論文進行關鍵詞提取，利用GIGO1.1對原始關鍵詞進行近義或同義詞合并，如將“競賽題”與“競賽試題”進行合并處理為“競賽題”，最終剩余有效關鍵詞883個，累計出現頻次為1 618次，將詞頻≥4的41個關鍵詞作為高頻關鍵詞.

然后，使用CO_OC1.7導出高頻關鍵詞的共現矩陣和頻次，在SPSS21導入共現矩陣轉化得到相似矩陣和相異矩陣，在UCINET6中導入相似矩陣得到知識圖譜進行社會網絡分析，包括三大中心度(即點度中心度、接近中心度和中介中心度).

最后，將相似矩陣、相異矩陣進行聚類樹狀圖和多維尺度分析，深入探析物理競賽的發展趨勢和研究進程.具體操作過程如圖1所示.

圖1 文獻樣本數據分析詳圖

2 研究結果分析

2.1 高頻關鍵詞分析

對395篇論文中的883個關鍵詞進行分析，依據普賴斯公式

其中M為高頻關鍵詞閾值，Nmax代表文獻被引頻次的最高值[3].在此次研究文本中，被引率最高的是《全國中學生物理競賽與國際奧林匹克物理競賽》[4]一文，已被累計引用 15次，由普賴斯公式計算可得M≈2.901，即高頻關鍵詞的閾值要大于3，筆者根據文本實際研究需要，抽取出詞頻≥4的41個高頻關鍵詞，累計出現551次，占總頻次的34.05%，具體結果如表1所示.

表1 物理競賽高頻關鍵詞表(詞頻≥4)

在表1中，能明確地看出前10位關鍵詞為物理競賽(274)、競賽題(38)、高中物理(31)、微元法(13)、競賽輔導(11)、物理過程(11)、簡諧運動(9)、點電荷(7)、壓軸題(7)和物理模型(6).對高頻關鍵詞的提取能初步地判斷國內物理競賽整體集中于競賽試題方面，僅停留在對關鍵詞頻次統計分析難以發現此領域的內在聯系.因此，需要借助關鍵詞共現分析法進一步深入研究.

2.2 高頻關鍵詞共現網絡分析

為了得到國內物理競賽研究領域關鍵詞之間的關聯程度，本文利用UCINET6得到了如圖2所示共現網絡圖譜，直觀地展示當前此領域的研究熱點.圖中的正方形代表一個關鍵詞的節點，節點越大表明它在整個社會網絡中的重要性越大.

圖2清晰地展示了以“物理競賽”為中心構成的高頻關鍵詞關系網絡.首先，“物理競賽”的節點最大，有向箭頭最多，在網絡圖譜中具有關鍵地位.其次，“競賽題”“高中物理”“電流表”和“微元法”的有向箭頭也比較多，也是當前國內物理競賽領域的熱點、重點.

圖2 物理競賽高頻關鍵詞共現網絡

另外，運用點度中心度(Degree)、接近中心度(Closeness)、中介中心度(Between)對圖2的共詞網絡分析圖進行客觀地描述.點度中心度反映節點之間聯通能力的強弱，數值越大，聯通能力越強，代表其在網絡中越重要.接近中心度是指兩點之間最短路徑的長度，其值越小，表明該節點越處于核心地位，反之則表明其在網絡中越處于邊緣位置.中介中心度代表節點間的連接能力.其中第一個指標高為某學科領域研究熱點所在；前兩個指標低，第三個指標高則表示該領域未來的發展趨勢[5].鑒于篇幅，在此列舉了20個關鍵詞的三大中心度指標，結果如圖3所示.由圖3可知：“物理競賽”“競賽題”“高中物理”和“微元法”在上述3個指標的值都比較高，說明它們不僅是當前國內物理競賽研究的熱點，也是今后需要關注的方面.“核心素養”的點度中心度和接近中心度較低，而中介中心度較高，屬于較少涉及的內容，受關注度相對較低，但也代表了該領域研究的前沿，可能會成為未來的研究方向.

圖3 物理競賽關鍵詞中心度分析

2.3 高頻關鍵詞的聚類分析和多維尺度分析

基于上述分析，已初步清晰了物理競賽領域的高頻關鍵詞之間的內在關聯.繼續將data數據3.0生成的共現矩陣通過SPSS21轉化得到一個41×41的相似矩陣(表2).再將關鍵詞聚類分析，以獲得我國物理競賽研究的主題領域結構.相似矩陣中的數值越接近1，表明相似度越大；反之，相似度越小.從表2觀察它們的相似性大小可以簡單地看出，與“物理競賽”相關性較高的前三位關鍵詞分別為“競賽題(0.523)”“高中物理(0.433)”和“競賽輔導(0.374)”.這表明在物理競賽中，第一，文獻大部分是對競賽試題的分析，主要包括對解題方法技巧的分析；第二，由于競賽題的難度高于平時所學的知識，需要一線教師或者競賽教練等輔導學生運用一題多解、巧解多題、思維拓展等方法解題；另有部分則是對競賽輔導的心得體會和經驗總結.

表2 物理競賽高頻關鍵詞相似矩陣(部分)

為進一步體現物理競賽領域的研究熱點，采用SPSS21對關鍵詞相似矩陣進行聚類分析，根據聚類分析的原理，得出物理競賽研究的高頻關鍵詞分為三大研究類圖，具體分布如表3所示.

表3 物理競賽高頻關鍵詞聚類結果

從表3中可以看出：對利用數學方法與技巧對競賽解題的分析是當前物理競賽研究領域的最大熱點(種類1)，為進一步確定研究領域中熱點所在的具體位置，需采用SPSS21對表2的相似矩陣轉化為相異矩陣進行多維尺度分析，加之聚類分類結果得出物理競賽的熱點知識圖譜，結果如圖4所示.根據戰略坐標原理[6]，圓圈為高頻關鍵詞在圖中所處的位置，距離越近，表明關系越緊密；反之，關系越疏遠.

圖4 物理競賽研究熱點知識圖譜

種類1為競賽試題研究領域，主要分布于第一、第二象限，說明其為整個研究領域的熱點與中心，涉及物理競賽、競賽題、解題技巧等關鍵詞.從研究內容看，多集中于知識、題型、能力、試題情境、解答思路等方面.如對地面上失去萬有引力后物體的運動情況作出了進一步的深度分析[7]；一題兩種解答的結果探討得出往復運動物體機械能守恒的條件[8]；對庫侖扭秤實驗在試題中的出題存在商榷之處的探討[9]；少部分競賽試題答案存在錯解的矯正分析[10].筆者在閱讀文獻時發現，也有涉及競賽試題與物理高考內容的比較研究[11，12]，主要是高考試題以競賽題為縮影進行改編，體現了競賽題對高考具有一定的備考導向作用.從解題方法看，主要體現為數學方法與技巧在競賽題中的運用，如圖像法、微元法、綜合法在電磁學中的運用[13]；運用數學方法中的微積分、幾何相關知識、復數等巧解試題求解競賽題[14]，表明了數學思維在物理競賽中的重要性.研究表明，物理競賽試題中的STSE的占比很高，關注基本知識和基本技能的訓練，密切聯系科技前沿發展，著重考查推理論證能力、邏輯思維能力和創新能力[15].對競賽試題進行研究，能讓教師清楚物理競賽試題的特點、提升中學生學習物理的興趣以及心理品質的發展，從而不斷完善物理競賽教育.可見，競賽試題在整個物理競賽研究中具有關鍵作用，是未來研究需要持續關注的內容.

種類2為核心素養與競賽試題分析領域，涉及核心素養、試題分析、中學生等關鍵詞，主要分布于第三、第四象限，處于網絡研究領域的邊緣區域，但同時也是未來需要關注的熱點方向，具有進一步的發展空間.從文獻量來看，在中國知網以“物理競賽”和“核心素養”為主題搜索，共有13篇，其中就有12篇發表于2019年和2020年，說明此領域為新興領域，研究還處于起始階段.研究內容主要為以核心素養為背景的競賽試題分析與物理競賽教學，如基于數理核心素養對2014-2018年的預賽試題進行分析發現題目均涉及物理觀念，同時對競賽題在科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面也作了相關分析[16].如在核心素養啟示下進一步促進物理競賽的教與學，提升學生的物理素養，加強培養學生的綜合運用能力、探索與質疑精神，更全面地了解物理學體系[17].因國內學者對核心素養的研究主要是在基礎教育改革方面，在結合物理競賽方面的研究還尚淺，但近年來競賽試題逐漸加入對核心素養的考查，不僅針對物理核心素養，同時對數學核心素養也提出了較高要求.物理競賽注重人才選拔，為適應新時代發展需求，物理競賽以核心素養為依托更能為國家培養所需人才.可見，未來基于核心素養的物理競賽研究會日趨增多，此領域的研究可能會成為熱門方向.

種類3為競賽輔導教學領域，主要分布于第三象限，涉及競賽輔導、高中物理、物理學科等關鍵詞.此領域主要探討競賽輔導教學、培養物理競賽選手以及經驗體會.從文獻量看，在中國知網中以“物理競賽輔導”為主題在“2000-2005”“2006-2010”“2011-2015”“2016-2020”年份間進行檢索，分別得到9，6，25，22篇文獻，這說明研究者在物理競賽輔導方面的關注度在不斷提高，這也從側面說明此領域還有很大的潛在發展空間.在研究內容上，主要為從理論和實踐層面來提升學生的綜合能力，由于物理競賽的內容包括較多高中物理之外的知識，教師需要突破傳統教學模式，積極開展啟發式、探究式、個性化教學等方式，如針對不同檔次的學生依據需要層次理論對學生進行啟發式教育，從而激發學生的自主探索意識[18].在研究方向上，隨著素質教育、核心素養、全人教育的倡導，學者們不再囿于培養競賽選手，而是轉向對學生科學態度、思維能力和心理健康的培養，為國家積蓄創新人才做準備，研究的深度、廣度在不斷拓展.輔導教學不僅僅是針對學生的競賽成績，更要依據學生的不同學習程度和發展情況制定個性化教學，達到科學育人的目標.教師在競賽輔導中處于主導作用，應根據每個學生的不同心理特征進行分層教學和設計個性化學習任務單，協助學生在最近發展區內取得優異成績.

3 結論與啟示

3.1 研究主題分析

當前我國物理競賽研究分為競賽試題研究領域、核心素養與競賽試題分析領域和競賽輔導教學領域.其中競賽解題研究為核心領域，核心素養與競賽題分析為新興發展領域，競賽輔導教學屬于潛在發展領域.我國物理競賽研究已不再局限于物理競賽本身，而同時延伸到核心素養、教育教學等其他領域的研究，拓寬了物理競賽的研究深廣度.

3.2 研究趨勢分析

競賽試題研究領域，在研究內容上，基本上是對某一個題或某類題型的具體解題之中，深入細致地分析解題過程與步驟，并且解題多關注于力學和電磁學方面，在熱學、光學、近代物理3類涉及較少.僅有少許碩士論文涉及對預賽或決賽試題的力學、電磁學、光學、熱學、近代物理進行整體分析[16，19].在解題方法上，主要運用數學方法與技巧，如微積分和幾何相關知識，且多為定性研究，缺乏可靠的理論基礎和數據支撐.對此，研究者未來可開展對整套試題如預賽、復賽、決賽等方面進行更為全面的研究，同時加強對光學、熱學、近代物理3方面的分析，使得物理競賽研究板塊更為全面.方法上可采用定量研究與定性研究相結合、注意多樣化以及科學化等方式深化分析研究內容[20].

核心素養與競賽題分析領域，已有文獻對競賽試題與核心素養的分析研究還處于起步階段，僅有少許文獻談及核心素養對物理競賽教學的啟示與價值.物理競賽試題類型中STSE占比最多，說明試卷命題注重與科技、社會、環境的聯系，近年來也愈發凸顯物理學科核心素養導向的特點.相信隨著核心素養教育的實踐愈加成熟，廣大物理教育研究者可關注核心素養視角下物理競賽的研究方向，進一步凸顯物理競賽的育人價值功能.聚焦核心素養是達到培養全面發展的人的基本要求，以此在豐富物理教育研究的實踐中推動物理競賽和物理教學不斷向前發展.

競賽輔導教學領域，加強物理競賽輔導，提升物理教育質量.競賽輔導的目的在于促進學生的全面發展，需要從著重對競賽選手的培養到更關注學生在創新能力、科學素養和思維品質等方面的提升，促進競賽研究從科學的角度對創新人才進行培養與選拔.可以預期隨著課程改革和素質教育等的成熟研究，競賽輔導與其結合研究將會成為熱門趨勢，進而不斷提升物理教學質量.此外，隨著信息技術的迅速發展，“互聯網+教育”已如火如荼地開展，仿真模擬技術與物理教學的整合能夠實現學生學習方式的轉變，同時在評估學生科學素養等方面有便利之處[21]，與競賽輔導教學結合勢必會加速物理競賽發展，在物理競賽中的應用與研究也將會占有一席之地.

綜上，物理競賽在促進物理教育發展、提高教師專業水平和滿足社會對高端拔尖人才需求等方面具有十分重要的地位.本文通過對當前國內物理競賽研究熱點的可視化分析，旨在為未來物理競賽研究提供數據支撐和研究方向參考.