彭章輝 高守寶

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250358)

全國中學(xué)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(dòng)，從1984年開始創(chuàng)辦至今已連續(xù)進(jìn)行36次，現(xiàn)已形成規(guī)模宏大、層次多樣的格局.《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》提出強(qiáng)國必先強(qiáng)教，凸顯提高國民素質(zhì)的重要性和緊迫性，探索發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的途徑[1].2020年1月，教育部印發(fā)《關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)工作的意見》[2]，提出在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)(稱為“強(qiáng)基計(jì)劃”)，這為具有物理學(xué)科潛質(zhì)和特長的學(xué)生通過參加物理競賽拓寬了成長發(fā)展通道.物理競賽不僅注重人才選拔，也有利于推動(dòng)物理教學(xué)發(fā)展，具有發(fā)展學(xué)生終身學(xué)習(xí)能力和滿足社會(huì)對(duì)高端拔尖人才需求的關(guān)鍵作用.

研究以2000-2020年近20年來有關(guān)物理競賽的文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)來源，運(yùn)用共詞分析、聚類分析和多維尺度分析等方法對(duì)文獻(xiàn)樣本進(jìn)行定量研究，解讀物理競賽的高頻關(guān)鍵詞及繪制知識(shí)圖譜，以此展現(xiàn)物理競賽的重點(diǎn)領(lǐng)域和發(fā)展進(jìn)程.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在中國知網(wǎng)中，對(duì)2000-2020年發(fā)表的論文以“物理競賽”或“物理奧林匹克”為篇名進(jìn)行檢索，獲得文獻(xiàn)622篇.對(duì)無作者、試題及參考答案發(fā)布、活動(dòng)通告、會(huì)議信息、無關(guān)論文等不符合要求的文獻(xiàn)進(jìn)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(shù)據(jù)3.0，GIGO1.1，CO_OC1.7，UCINET6與SPSS21.

1.3 研究過程

首先，使用data數(shù)據(jù)3.0對(duì)395篇論文進(jìn)行關(guān)鍵詞提取，利用GIGO1.1對(duì)原始關(guān)鍵詞進(jìn)行近義或同義詞合并，如將“競賽題”與“競賽試題”進(jìn)行合并處理為“競賽題”，最終剩余有效關(guān)鍵詞883個(gè)，累計(jì)出現(xiàn)頻次為1 618次，將詞頻≥4的41個(gè)關(guān)鍵詞作為高頻關(guān)鍵詞.

然后，使用CO_OC1.7導(dǎo)出高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)矩陣和頻次，在SPSS21導(dǎo)入共現(xiàn)矩陣轉(zhuǎn)化得到相似矩陣和相異矩陣，在UCINET6中導(dǎo)入相似矩陣得到知識(shí)圖譜進(jìn)行社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析，包括三大中心度(即點(diǎn)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(jìn)行聚類樹狀圖和多維尺度分析，深入探析物理競賽的發(fā)展趨勢(shì)和研究進(jìn)程.具體操作過程如圖1所示.

圖1 文獻(xiàn)樣本數(shù)據(jù)分析詳圖

2 研究結(jié)果分析

2.1 高頻關(guān)鍵詞分析

對(duì)395篇論文中的883個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，依據(jù)普賴斯公式

其中M為高頻關(guān)鍵詞閾值，Nmax代表文獻(xiàn)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(xué)生物理競賽與國際奧林匹克物理競賽》[4]一文，已被累計(jì)引用 15次，由普賴斯公式計(jì)算可得M≈2.901，即高頻關(guān)鍵詞的閾值要大于3，筆者根據(jù)文本實(shí)際研究需要，抽取出詞頻≥4的41個(gè)高頻關(guān)鍵詞，累計(jì)出現(xiàn)551次，占總頻次的34.05%，具體結(jié)果如表1所示.

表1 物理競賽高頻關(guān)鍵詞表(詞頻≥4)

在表1中，能明確地看出前10位關(guān)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(dǎo)(11)、物理過程(11)、簡諧運(yùn)動(dòng)(9)、點(diǎn)電荷(7)、壓軸題(7)和物理模型(6).對(duì)高頻關(guān)鍵詞的提取能初步地判斷國內(nèi)物理競賽整體集中于競賽試題方面，僅停留在對(duì)關(guān)鍵詞頻次統(tǒng)計(jì)分析難以發(fā)現(xiàn)此領(lǐng)域的內(nèi)在聯(lián)系.因此，需要借助關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析法進(jìn)一步深入研究.

2.2 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

為了得到國內(nèi)物理競賽研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)程度，本文利用UCINET6得到了如圖2所示共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，直觀地展示當(dāng)前此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).圖中的正方形代表一個(gè)關(guān)鍵詞的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)越大表明它在整個(gè)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的重要性越大.

圖2清晰地展示了以“物理競賽”為中心構(gòu)成的高頻關(guān)鍵詞關(guān)系網(wǎng)絡(luò).首先，“物理競賽”的節(jié)點(diǎn)最大，有向箭頭最多，在網(wǎng)絡(luò)圖譜中具有關(guān)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(dāng)前國內(nèi)物理競賽領(lǐng)域的熱點(diǎn)、重點(diǎn).

圖2 物理競賽高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

另外，運(yùn)用點(diǎn)度中心度(Degree)、接近中心度(Closeness)、中介中心度(Between)對(duì)圖2的共詞網(wǎng)絡(luò)分析圖進(jìn)行客觀地描述.點(diǎn)度中心度反映節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)通能力的強(qiáng)弱，數(shù)值越大，聯(lián)通能力越強(qiáng)，代表其在網(wǎng)絡(luò)中越重要.接近中心度是指兩點(diǎn)之間最短路徑的長度，其值越小，表明該節(jié)點(diǎn)越處于核心地位，反之則表明其在網(wǎng)絡(luò)中越處于邊緣位置.中介中心度代表節(jié)點(diǎn)間的連接能力.其中第一個(gè)指標(biāo)高為某學(xué)科領(lǐng)域研究熱點(diǎn)所在；前兩個(gè)指標(biāo)低，第三個(gè)指標(biāo)高則表示該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)[5].鑒于篇幅，在此列舉了20個(gè)關(guān)鍵詞的三大中心度指標(biāo)，結(jié)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(gè)指標(biāo)的值都比較高，說明它們不僅是當(dāng)前國內(nèi)物理競賽研究的熱點(diǎn)，也是今后需要關(guān)注的方面.“核心素養(yǎng)”的點(diǎn)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(nèi)容，受關(guān)注度相對(duì)較低，但也代表了該領(lǐng)域研究的前沿，可能會(huì)成為未來的研究方向.

圖3 物理競賽關(guān)鍵詞中心度分析

2.3 高頻關(guān)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(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián).繼續(xù)將data數(shù)據(jù)3.0生成的共現(xiàn)矩陣通過SPSS21轉(zhuǎn)化得到一個(gè)41×41的相似矩陣(表2).再將關(guān)鍵詞聚類分析，以獲得我國物理競賽研究的主題領(lǐng)域結(jié)構(gòu).相似矩陣中的數(shù)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(guān)性較高的前三位關(guān)鍵詞分別為“競賽題(0.523)”“高中物理(0.433)”和“競賽輔導(dǎo)(0.374)”.這表明在物理競賽中，第一，文獻(xiàn)大部分是對(duì)競賽試題的分析，主要包括對(duì)解題方法技巧的分析；第二，由于競賽題的難度高于平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，需要一線教師或者競賽教練等輔導(dǎo)學(xué)生運(yùn)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(duì)競賽輔導(dǎo)的心得體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié).

表2 物理競賽高頻關(guān)鍵詞相似矩陣(部分)

為進(jìn)一步體現(xiàn)物理競賽領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，采用SPSS21對(duì)關(guān)鍵詞相似矩陣進(jìn)行聚類分析，根據(jù)聚類分析的原理，得出物理競賽研究的高頻關(guān)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(guān)鍵詞聚類結(jié)果

從表3中可以看出：對(duì)利用數(shù)學(xué)方法與技巧對(duì)競賽解題的分析是當(dāng)前物理競賽研究領(lǐng)域的最大熱點(diǎn)(種類1)，為進(jìn)一步確定研究領(lǐng)域中熱點(diǎn)所在的具體位置，需采用SPSS21對(duì)表2的相似矩陣轉(zhuǎn)化為相異矩陣進(jìn)行多維尺度分析，加之聚類分類結(jié)果得出物理競賽的熱點(diǎn)知識(shí)圖譜，結(jié)果如圖4所示.根據(jù)戰(zhàn)略坐標(biāo)原理[6]，圓圈為高頻關(guān)鍵詞在圖中所處的位置，距離越近，表明關(guān)系越緊密；反之，關(guān)系越疏遠(yuǎn).

圖4 物理競賽研究熱點(diǎn)知識(shí)圖譜

種類1為競賽試題研究領(lǐng)域，主要分布于第一、第二象限，說明其為整個(gè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與中心，涉及物理競賽、競賽題、解題技巧等關(guān)鍵詞.從研究內(nèi)容看，多集中于知識(shí)、題型、能力、試題情境、解答思路等方面.如對(duì)地面上失去萬有引力后物體的運(yùn)動(dòng)情況作出了進(jìn)一步的深度分析[7]；一題兩種解答的結(jié)果探討得出往復(fù)運(yùn)動(dòng)物體機(jī)械能守恒的條件[8]；對(duì)庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)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(cuò)解的矯正分析[10].筆者在閱讀文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，也有涉及競賽試題與物理高考內(nèi)容的比較研究[11，12]，主要是高考試題以競賽題為縮影進(jìn)行改編，體現(xiàn)了競賽題對(duì)高考具有一定的備考導(dǎo)向作用.從解題方法看，主要體現(xiàn)為數(shù)學(xué)方法與技巧在競賽題中的運(yùn)用，如圖像法、微元法、綜合法在電磁學(xué)中的運(yùn)用[13]；運(yùn)用數(shù)學(xué)方法中的微積分、幾何相關(guān)知識(shí)、復(fù)數(shù)等巧解試題求解競賽題[14]，表明了數(shù)學(xué)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(guān)注基本知識(shí)和基本技能的訓(xùn)練，密切聯(lián)系科技前沿發(fā)展，著重考查推理論證能力、邏輯思維能力和創(chuàng)新能力[15].對(duì)競賽試題進(jìn)行研究，能讓教師清楚物理競賽試題的特點(diǎn)、提升中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣以及心理品質(zhì)的發(fā)展，從而不斷完善物理競賽教育.可見，競賽試題在整個(gè)物理競賽研究中具有關(guān)鍵作用，是未來研究需要持續(xù)關(guān)注的內(nèi)容.

種類2為核心素養(yǎng)與競賽試題分析領(lǐng)域，涉及核心素養(yǎng)、試題分析、中學(xué)生等關(guān)鍵詞，主要分布于第三、第四象限，處于網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的邊緣區(qū)域，但同時(shí)也是未來需要關(guān)注的熱點(diǎn)方向，具有進(jìn)一步的發(fā)展空間.從文獻(xiàn)量來看，在中國知網(wǎng)以“物理競賽”和“核心素養(yǎng)”為主題搜索，共有13篇，其中就有12篇發(fā)表于2019年和2020年，說明此領(lǐng)域?yàn)樾屡d領(lǐng)域，研究還處于起始階段.研究內(nèi)容主要為以核心素養(yǎng)為背景的競賽試題分析與物理競賽教學(xué)，如基于數(shù)理核心素養(yǎng)對(duì)2014-2018年的預(yù)賽試題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)題目均涉及物理觀念，同時(shí)對(duì)競賽題在科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面也作了相關(guān)分析[16].如在核心素養(yǎng)啟示下進(jìn)一步促進(jìn)物理競賽的教與學(xué)，提升學(xué)生的物理素養(yǎng)，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力、探索與質(zhì)疑精神，更全面地了解物理學(xué)體系[17].因國內(nèi)學(xué)者對(duì)核心素養(yǎng)的研究主要是在基礎(chǔ)教育改革方面，在結(jié)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(duì)核心素養(yǎng)的考查，不僅針對(duì)物理核心素養(yǎng)，同時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)也提出了較高要求.物理競賽注重人才選拔，為適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展需求，物理競賽以核心素養(yǎng)為依托更能為國家培養(yǎng)所需人才.可見，未來基于核心素養(yǎng)的物理競賽研究會(huì)日趨增多，此領(lǐng)域的研究可能會(huì)成為熱門方向.

種類3為競賽輔導(dǎo)教學(xué)領(lǐng)域，主要分布于第三象限，涉及競賽輔導(dǎo)、高中物理、物理學(xué)科等關(guān)鍵詞.此領(lǐng)域主要探討競賽輔導(dǎo)教學(xué)、培養(yǎng)物理競賽選手以及經(jīng)驗(yàn)體會(huì).從文獻(xiàn)量看，在中國知網(wǎng)中以“物理競賽輔導(dǎo)”為主題在“2000-2005”“2006-2010”“2011-2015”“2016-2020”年份間進(jìn)行檢索，分別得到9，6，25，22篇文獻(xiàn)，這說明研究者在物理競賽輔導(dǎo)方面的關(guān)注度在不斷提高，這也從側(cè)面說明此領(lǐng)域還有很大的潛在發(fā)展空間.在研究內(nèi)容上，主要為從理論和實(shí)踐層面來提升學(xué)生的綜合能力，由于物理競賽的內(nèi)容包括較多高中物理之外的知識(shí)，教師需要突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，積極開展啟發(fā)式、探究式、個(gè)性化教學(xué)等方式，如針對(duì)不同檔次的學(xué)生依據(jù)需要層次理論對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式教育，從而激發(fā)學(xué)生的自主探索意識(shí)[18].在研究方向上，隨著素質(zhì)教育、核心素養(yǎng)、全人教育的倡導(dǎo)，學(xué)者們不再囿于培養(yǎng)競賽選手，而是轉(zhuǎn)向?qū)W(xué)生科學(xué)態(tài)度、思維能力和心理健康的培養(yǎng)，為國家積蓄創(chuàng)新人才做準(zhǔn)備，研究的深度、廣度在不斷拓展.輔導(dǎo)教學(xué)不僅僅是針對(duì)學(xué)生的競賽成績，更要依據(jù)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)程度和發(fā)展情況制定個(gè)性化教學(xué)，達(dá)到科學(xué)育人的目標(biāo).教師在競賽輔導(dǎo)中處于主導(dǎo)作用，應(yīng)根據(jù)每個(gè)學(xué)生的不同心理特征進(jìn)行分層教學(xué)和設(shè)計(jì)個(gè)性化學(xué)習(xí)任務(wù)單，協(xié)助學(xué)生在最近發(fā)展區(qū)內(nèi)取得優(yōu)異成績.

3 結(jié)論與啟示

3.1 研究主題分析

當(dāng)前我國物理競賽研究分為競賽試題研究領(lǐng)域、核心素養(yǎng)與競賽試題分析領(lǐng)域和競賽輔導(dǎo)教學(xué)領(lǐng)域.其中競賽解題研究為核心領(lǐng)域，核心素養(yǎng)與競賽題分析為新興發(fā)展領(lǐng)域，競賽輔導(dǎo)教學(xué)屬于潛在發(fā)展領(lǐng)域.我國物理競賽研究已不再局限于物理競賽本身，而同時(shí)延伸到核心素養(yǎng)、教育教學(xué)等其他領(lǐng)域的研究，拓寬了物理競賽的研究深廣度.

3.2 研究趨勢(shì)分析

競賽試題研究領(lǐng)域，在研究內(nèi)容上，基本上是對(duì)某一個(gè)題或某類題型的具體解題之中，深入細(xì)致地分析解題過程與步驟，并且解題多關(guān)注于力學(xué)和電磁學(xué)方面，在熱學(xué)、光學(xué)、近代物理3類涉及較少.僅有少許碩士論文涉及對(duì)預(yù)賽或決賽試題的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、近代物理進(jìn)行整體分析[16，19].在解題方法上，主要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法與技巧，如微積分和幾何相關(guān)知識(shí)，且多為定性研究，缺乏可靠的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐.對(duì)此，研究者未來可開展對(duì)整套試題如預(yù)賽、復(fù)賽、決賽等方面進(jìn)行更為全面的研究，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)光學(xué)、熱學(xué)、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(jié)合、注意多樣化以及科學(xué)化等方式深化分析研究內(nèi)容[20].

核心素養(yǎng)與競賽題分析領(lǐng)域，已有文獻(xiàn)對(duì)競賽試題與核心素養(yǎng)的分析研究還處于起步階段，僅有少許文獻(xiàn)談及核心素養(yǎng)對(duì)物理競賽教學(xué)的啟示與價(jià)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(huì)、環(huán)境的聯(lián)系，近年來也愈發(fā)凸顯物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的特點(diǎn).相信隨著核心素養(yǎng)教育的實(shí)踐愈加成熟，廣大物理教育研究者可關(guān)注核心素養(yǎng)視角下物理競賽的研究方向，進(jìn)一步凸顯物理競賽的育人價(jià)值功能.聚焦核心素養(yǎng)是達(dá)到培養(yǎng)全面發(fā)展的人的基本要求，以此在豐富物理教育研究的實(shí)踐中推動(dòng)物理競賽和物理教學(xué)不斷向前發(fā)展.

競賽輔導(dǎo)教學(xué)領(lǐng)域，加強(qiáng)物理競賽輔導(dǎo)，提升物理教育質(zhì)量.競賽輔導(dǎo)的目的在于促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，需要從著重對(duì)競賽選手的培養(yǎng)到更關(guān)注學(xué)生在創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)和思維品質(zhì)等方面的提升，促進(jìn)競賽研究從科學(xué)的角度對(duì)創(chuàng)新人才進(jìn)行培養(yǎng)與選拔.可以預(yù)期隨著課程改革和素質(zhì)教育等的成熟研究，競賽輔導(dǎo)與其結(jié)合研究將會(huì)成為熱門趨勢(shì)，進(jìn)而不斷提升物理教學(xué)質(zhì)量.此外，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”已如火如荼地開展，仿真模擬技術(shù)與物理教學(xué)的整合能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)在評(píng)估學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)等方面有便利之處[21]，與競賽輔導(dǎo)教學(xué)結(jié)合勢(shì)必會(huì)加速物理競賽發(fā)展，在物理競賽中的應(yīng)用與研究也將會(huì)占有一席之地.

綜上，物理競賽在促進(jìn)物理教育發(fā)展、提高教師專業(yè)水平和滿足社會(huì)對(duì)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(duì)當(dāng)前國內(nèi)物理競賽研究熱點(diǎn)的可視化分析，旨在為未來物理競賽研究提供數(shù)據(jù)支撐和研究方向參考.