基于知識圖譜的物理學術競賽發展分析

摘 要 國際青年物理學家錦標賽及其本土化后形成的中國大學生物理學術競賽、中國青年物理學家錦標賽和各地區高校的系列物理學術競賽在基礎物理教學中發揮著越來越重要的作用。本文基于CiteSpace可視化軟件，分析了CNKI 中文數據庫、WOS數據庫和Scoups數據庫中以PT系列物理學術競賽為主題的文獻，運用計量分析方法和知識圖譜技術展示了文獻的年代分布、關鍵詞共現圖譜、時間線圖、突現詞圖譜和研究機構共現圖譜等信息，并結合當前賽事發展探究了知識圖譜在追蹤賽事發展、物理問題研究與案例分析、基礎物理實驗教學改革中的應用。

關鍵詞 IYPT;CUPT;學術競賽;CiteSpace;知識圖譜

國際青年物理學家錦標賽（InternationalYoung Physicists Tournament，IYPT）是蘇聯于1988年發起的一項物理賽事，每年舉辦一屆。2007年，來自奧地利維也納大學的Dr.RomanoA.Rupp教授被聘為南開大學應用物理學院院長，并介紹了其作為主辦方承辦1999 年IYPT 的經驗。當年，南開大學李川勇教授等觀摩韓國首爾第20屆IYPT。2008年，由南開大學領隊的第一支中國IYPT代表隊在克羅地亞參賽。2009年南開大學承辦第22屆IYPT[1]，IYPT 走進中國。目前，IYPT和其在中國衍生出來的全國范圍的中國大學生物理學術競賽（China UndergraduatePhysics Tournament，CUPT）、中國青年物理學家錦標賽（China Young Physicists Tournament，簡稱CYPT）、省市范圍的如江蘇省青年物理學家錦標賽（Jiangsu Yong Physicists Tournament，JSYPT）、上海市中學生物理學術競賽（Shanghai YoungPhysicists Tournament，SYPT）、各高校物理學術競賽等PT 系列學術競賽發展迅速，吸引了越來越多的地區和學校的重視。

科學知識圖譜是顯示科學知識的發展進程與結構關系的一種圖形，屬于科學計量學范疇[2]。傳統的科學計量學圖譜以簡單的二維、三維圖形，如柱形圖、線性圖、點布圖等表達統計結果，現代科學知識圖譜則以更復雜的三維立體圖來顯示科學知識的關聯性。20世紀50年代加菲爾德（E.Garfield）提出[3]并創建了科學引文索引（ScienceCitation Index，SCI），奠定了當代引文分析的基礎。20世紀90年代著名德國科學計量學家克雷奇默（H. Kretschmer）開發的關于科學合作的三維空間模型[4，5]則大大地推動了科學知識圖譜的發展。美國德雷塞爾大學華裔科學家陳超美意識到深入研究科學知識圖譜并將其應用到科學實踐中的巨大潛力，并開發出了知識圖譜的可視化軟件CiteSpace，其已經在許多領域得到應用[6]。

PT系列學術賽事旨在提高學生綜合運用所學知識分析解決實際物理問題的能力，培養學生的開放性思維能力，使學生的知識、能力和素質得到全面協調發展[7]。 IYPT每年設置十七道題目，這些問題往往切入點簡單，物理背景豐富，適合在高中和大學的基礎物理實驗教學中推廣[7-11]。此外，知識圖譜技術可以對基礎物理實驗教學起到輔助作用，如林子艦等[12]曾探討了知識圖譜技術在基礎物理實驗教學中的應用。

本文試圖基于知識圖譜技術，利用CiteSpace可視化軟件，對大家感興趣的IYPT 問題、當前論文的發文情況、中外研究對比等進行分析，同時探究其在追蹤賽事發展、物理問題研究與案例分析、基礎物理實驗教學改革等方面的應用。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

我們選擇CNKI數據庫作為中文文獻的來源，選擇 WOS數據庫[13]和Scoups數據庫[14]作為外文文獻的來源。文獻采集的方法為采用數據庫高級檢索的方法，對于中文數據庫，在關鍵詞和全文中輸入“IYPT”“CUPT”“CYPT”“YPT”“物理學術競賽”詞，各搜索詞條間邏輯關系選擇“OR”;對于外文數據庫，在關鍵詞、主題和全文中輸入“IYPT”和“International Young PhysicistsTournament”詞，各搜索詞條間邏輯關系選擇“OR”。為了保證文獻的可用性，逐一核對檢索的文獻，刪去不相關的文獻，最終得到242篇中文文獻和28篇外文文獻。

1.2 研究方法

本文以可視化軟件CiteSpace6.1.R3對收集的文獻進行可視化分析。文獻的具體處理方法為：（1）首先將時間切片設置為包含所有文獻的時間范圍，切片間隔為1年;（2）選擇聚點類型：Author（作者分析）、Institution（機構分析）、Country（國家分析）、Term（詞共現分析）、Keywords（關鍵詞）等;（3）選擇標準：每個時間切片中選取其中被引頻次最高的50個詞;（4）本次實驗中的樣本數據量較少，因此不進行篩選。如果數據量太多，可視化圖像比較復雜的話，可以選擇“Pruning”對圖像進行修剪。

2 結果與分析

2.1 發文量分析

本文對截止到2022年9月1日的242篇中文文獻按照發表年份進行了分析和繪圖。從圖1中可以看到，近五年間以PT 系列競賽為主題的發文量保持增長態勢，說明PT 系列競賽在中國各高校和中學的影響力越來越大。同時可以發現圖3 CNKI文庫關鍵詞共現圖譜（主要部分）2015—2016年論文增幅達到最大的14篇，這與CUPT國賽隊伍數量增幅一致，在2015—2016年期間，國賽參賽隊伍增幅達到近年來最大的16支[15];2018年發文數量達到最大，且近幾年一直保持在30篇以上的發文量，同時從2018年開始，由于參賽隊伍大幅增加，CUPT開始設置區域賽。圖2給出了CUPT參賽隊伍數量（2018年及以后為區域賽參賽隊伍總數量）與論文發表數量隨時間的變化圖，經過計算，兩者間的皮爾森相關系數為0.8916，屬于強相關性[16]，說明CUPT 的規模發展對論文研究發表有較強的促進作用。

2.2 關鍵詞共現圖譜分析

表1展示了詞頻排名前10的關鍵詞的名稱、引用頻次以及中心性。其中，關鍵詞“IYPT”“CUPT”“物理學術競賽”引用頻次最高，分別為42、31、18，中心性分別為0.45、0.37、0.09。

本次分析結果共獲得669個節點，1305條連線，密度為0.0058。由圖3可以看到IYPT 中的一些熱點問題，例如2014年第十六題“Magneticbrakes”（磁力剎車），2015 年第三題“ArtificiaMuscle”（人造肌肉），2018年第十一題“Azimuthalradial Pendulun”（方位徑向擺）以及2019年第六題“Hurricane Balls”（颶風球）等[7]。同時可以看到IYPT研究中一些常見的關鍵詞。第一類是分析軟件，包括“數值模擬”和“Matlab”一詞。第二類是物理問題的研究對象，比如“圓盤”一詞，1995年第七題“Three discs”（三個圓盤）、1998年第三題“Spinning disc”（旋轉圓盤）、2003年第十四題“Rotating disk”（旋轉圓盤）、2016年第十一題“Rolling on a disc”（在圓盤上滾動）、2022年第二題“Rayleigh disk”（瑞利圓盤）等，均與圓盤的運動相關[7]。第三類是物理教育，包括“物理教學”“綜合素質”“創新能力”等與學生科學素養相關的詞匯，這與PT 系列競賽設置的宗旨相關，IYPT、CUPT、物理學術競賽等PT賽事重在培養學生創新意識、主動意識、合作意識等綜合素質，因此有眾多學者在研究如何更好地通過物理競賽培養學生的科學素養和解決問題的能力[8，17]。圖4 CNKI文庫關鍵詞時間線圖2.3 時間線圖與突變詞圖譜分析

時間線圖是關鍵詞共線圖譜的另一種時間線表現形式，重點表現了不同時間研究領域的熱點及其衍生關系，可以通過圖看到在不同時間段受到較多關注的熱門問題。圖4展示了以聚類標簽為豎軸、以關鍵詞的時間年份為橫軸，得到以PT系列競賽為主題的關鍵詞的聚類時間線圖譜。

在CiteSpace中可以使用Burstness生成突變詞圖譜。突變詞是指在某段時間內爆發，代表了這段時間內的研究前沿和發展趨勢的關鍵詞。聚類時間線圖譜和突變詞圖譜都可以反應不同時間研究的熱點問題。如圖5所示，設置伽馬γ參數為0.37，關鍵詞突變持續時間最少一年，并顯示16個突變詞，通過調節伽馬γ參數可以顯現更多的突變詞。如2018年出現突變詞“熱水噴泉”，反映了2016年IYPT中第七題“Hot Water Fountain”（熱水噴泉）;2020年出現突變詞“沙漏”，反映了2018年IYPT中第十三題“Weighing Time”（計量時間）。

2.4 作者和作者單位分布網絡

通過對作者單位機構進行合作網絡分析，可以更直觀和清晰地看到PT 競賽在各高校/地區的發展情況，如圖6所示。本次分析結果共獲得209個節點，138條連線，密度為0.0063。節點越大，代表該單位發文量越大;節點之間代表了不同單位的合作情況，連線越粗代表合作發文量越多。從圖6中可以看到，目前在發文方面形成了幾個核心高校單位：南開大學物理科學學院22篇，北京師范大學15篇，南京師范大學教師教育學院15篇，西南交通大學物理科學與技術學院10篇。在發文單位中，除了高校外，還有金陵中學仙林分校中學部、首都師范大學附屬中學、南京外國語學校等中學單位。IYPT、CYPT、JSYPT 和SYPT 是面向中學生的物理學術競賽，目前已經有很多中學引入PT 系列賽事并研討如何基于學術競賽提高學生各方面的綜合素質[18]，凸顯了PT在銜接大中物理教育中的作用。同時，研究團隊多為星狀、點狀分布，未形成網狀分布。這與PT 賽事規則相關，PT 競賽規則要求各高校的學生獨立組隊完成，因此較少存在各高校協作完成的情況。

2.5 外文數據庫分析

由于WOS和Scoups數據庫的文獻較少，因此將兩者文獻數據合并后去重（2022年文獻統計截止至09月01日）。如圖7所示，與中文發文量相比，外文數據庫總的發文量較低但發文時間段長，這是由于IYPT是由蘇聯于1988年首次舉辦并開始在國外發展，而中國在2008年才首次組隊參賽。同時也可以看到，外文發文量在最近3年開始明顯增加，如圖8所示，其主要發文國家或地區來源于新加坡、中國、美國和英國，分別占比25.0%、17.9%、14.3%和14.3%。

外文庫關鍵詞共現圖譜如圖9所示，從圖中可以看出，外文數據庫同中文數據庫一樣，發表的論文中既有對具體問題的研究，如“looping pendulum”“damping effect”“fighter aircraft”等，也有對于IYPT 在培養學生團隊協作、分析問題能力等問題上的探討，如 “participating team”，“open ended problem”等。可以看出IYPT 針對的群體主要為“high school student”，即在國外IYPT主要面對高中生群體，針對大學生的為In-ternational Physicists Tournament[19]。目前IPT在國內尚未形成IYPT 的規模，每年由南開大學領隊參賽。

外文數據庫作者單位共現圖譜如圖10所示。從圖中可以看出，外文數據庫中尚未形成明顯核心學術合作團體和發文單位，成點狀和星狀分布，其中主要分文單位有Raffles Institution（萊佛士書院）和Slovak Acad Sci（斯洛伐克科學院）等。

3 知識圖譜分析對物理競賽和實驗探究的輔助作用

3.1 物理教育研究

通過CiteSpace對數據庫發文的可視化分析，可以增加師生了解IYPT 的本土化過程，了解系列賽事研究情況比如當前發文量趨勢、主要發文合作學術團隊、主要發文高校單位等。發文情況也可以從側面反映競賽的一些特征：發文量不斷增加意味著對PT系列競賽認可度的提高，同時競賽隊伍規模的發展促進了教學論文的發表和相關研究。

3.2 物理問題研究

對于受關注度較高的IYPT 題目，通常會有諸多學者以不同的角度去探討，形成“百家爭鳴”。鑒于PT題目的開放性，知識圖譜技術有助于將這些觀點進行連接，形成知識網絡。例如，通過關鍵詞共現圖譜可以將各文章的關鍵詞聯系起來，而這些關鍵詞通常包含了IYPT 題目需要考慮的主要因素和切入點。以2016 年第七題“HotWater Fountain”（熱水噴泉）為例，在CiteSpace的共現圖譜中選中熱水噴泉后得到如圖11（a）所示的分叉圖。從中我們可以得到研究這一問題可能的思路。例如“控制變量法”是由于題目要求探究不同參數下噴泉能達到的最大高度，因此總體思路自然需要通過控制變量法驗證不同參數的影響。“伯努利方程”“連續性定理”“范德瓦爾斯方程”等從理論上啟示分析的切入點，“莫爾吸量管”提示了可能的實驗儀器。 又如2020 年第六題“Saxon Bowl”（撒克遜碗），從圖11（b）中可以看到，這一問題的自變量有孔徑大小、碗底直徑、液體密度等，因變量則有下沉速度、下沉時間等，“伯努利方程”“阻尼項”提示理論分析的切入點和誤差修正項。通過知識圖譜可視化分析，有利于提高對問題的宏觀認識，為我們接下來具體研究奠定基礎。

3.3 基礎實驗教學改革

IYPT中有許多實驗有趣且物理內涵豐富，適合將其引入實驗教學，如2014年第十六題“MagneticBrakes”（磁力剎車）、2018年第十一題“Azimuthal-Radial Pendulum”（方向徑向擺）等。眾多高校采用將IYPY 題目作為教學改革的實驗內容，并借鑒IYPT 和CUPT 的競賽模式讓學生自由組隊并進行實驗答辯[20，21]。基于CiteSpace對詞頻、突變詞圖譜等的分析可以得到受關注度較高的題目，此類實驗研究往往比較透徹，可以優先考慮將此類實驗引入實驗教學當中。由圖4可知，“光環”曾在2017年發生突變，說明人們對相關問題研究熱情增加，進而對節點進行分析，通過點擊“Node Details”可以了解發文情況。此問題對應第28屆IYPT 第14題“環繞的光”，陳晨等以此題為例探究了如何將IYPT 實驗融入中學教學以提高學生的綜合素質[22]。

在關鍵詞可視化分析中，我們可以看到不同年份的試題通過關鍵詞連接，這些實驗在某些方面具有關聯性，可以通過節點分析實現不同實驗之間的關聯。因此，可以通過已發表論文深入研究該類實驗的物理基礎和變量因素[21，22]，找到共通的物理原理，并將其作為專題引入實驗教學。例如，將IYPT 中 “Bubble crystal（泡泡晶體）”“Light rings（光環）”“Soap membrane filter（肥皂膜過濾器）”“Pulling glasses apart（拉開玻璃）”以及“Herons Fountain（海倫噴泉）”的試題設置了表面張力現象小專題，方便學生從更多角度認識表面張力[23]。

4 結語

本文采用可視化分析方法，分析了CNKI文庫中關于PT 系列競賽的論文，對中外數據庫的發文情況進行了對比，并介紹了CiteSpace在進行關鍵詞共現圖譜、時間線圖、突變詞圖譜和作者與作者單位分布等方面的應用。結果表明：（1）從發文量看，近五年發文量保持較高位且呈增長趨勢，顯示了PT系列競賽影響力的不斷增加;（2）從發文作者和發文作者單位上來看，當前已經形成幾個核心學術合作團體和核心發文高校單位，但整體上呈星狀和點狀分布，未形成大的網狀結構;（3）在WOS和Scoups外文數據庫中，發文量較少，且未形成核心學術團體和核心發文高校單位，但近三年發文量增多。整體來看，PT 系列競賽在各高校和中學受到越來越多的關注，在相關論文發表中出現了一批高產單位和核心作者，發文研究主題和范圍廣。此外，知識圖譜在基礎實驗教學改革具有良好的輔助作用：通過對關鍵詞的可視化分析，可以得知不同時間段關注的熱點和研究材料，引入到實驗教學中以提升教學水平。

綜上所述，本文利用知識圖譜技術，展示了物理學術競賽在物理教育研究、物理問題研究和基礎實驗教學改革三個方面的突出優點。本文清晰地展示了IYPT、CUPT、CYPT 以及各高校物理學術競賽等PT系類競賽的發展情況。物理學術競賽能夠有效地培養學生們運用知識分析和解決實際問題的能力，促進學生的知識、能力和素養全面協調發展。借助于知識圖譜技術，能夠幫助研究者更清晰地認識問題發展脈絡，了解知識點關聯，豐富物理圖像，促進物理學生競賽向基礎物理教學中的轉化。

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基金項目： 高等學校教學研究項目（DJZW202010hb）;南開大學實驗教學改革項目（21NKSYSX02）;國家基礎科學人才培養基金項目（J1210027）;南開大學物理基地能力提高項目（J1103208）。