王嘉寶 王曉杰

摘 要 物理演示實(shí)驗(yàn)通過具象的實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解理論知識，在物理教學(xué)中有著重要的作用。本論文利用Citespace軟件對中國知網(wǎng)近十年來（2013—2022年）與國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)的208篇文獻(xiàn)進(jìn)行量化分析，包括期刊類型和發(fā)文量、作者和機(jī)構(gòu)、研究主題、研究熱點(diǎn)等維度。根據(jù)量化分析得到的主要研究領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)，對物理演示實(shí)驗(yàn)的價(jià)值、類別和成效進(jìn)行質(zhì)性分析。最后對近幾年大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足進(jìn)行總結(jié)分析，并對未來大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的發(fā)展提出了五點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞 物理演示實(shí)驗(yàn);Citespace;實(shí)驗(yàn)教學(xué);發(fā)展趨勢

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)的研究離不開實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)理論的發(fā)展需要實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。南開大學(xué)物理學(xué)科的創(chuàng)始人饒毓泰先生曾說過：“物理學(xué)教育一定要重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)”。

由此可見，演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中有著重要的地位，是課堂理論教學(xué)不可或缺的一項(xiàng)教學(xué)輔助手段，可以使抽象的物理知識具象化，幫助學(xué)生理解物理概念。大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)不同于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課有明確的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，演示實(shí)驗(yàn)則重在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生理解和掌握課堂理論知識。國外的一些高等院校十分重視大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)。例如，德國的物理教學(xué)大綱規(guī)定只有經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和細(xì)致觀察才能得到物理規(guī)律，其基礎(chǔ)物理教材中有大量的演示實(shí)驗(yàn)。美國也相當(dāng)重視物理演示實(shí)驗(yàn)，不僅演示實(shí)驗(yàn)數(shù)量眾多，教學(xué)方式也非常多樣[1]。近年來國內(nèi)高校對物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越重視，建立了專門的演示實(shí)驗(yàn)室，在教學(xué)方面作出很多新的嘗試[2]，采用隨堂演示、開放演示、走廊展廳演示等多種教學(xué)形式[3]。

近十年間，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)不停地發(fā)展與進(jìn)步，在教學(xué)技術(shù)[4]、自制儀器[5]、人才培養(yǎng)[6]和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[7]方面發(fā)展迅速，已經(jīng)逐步形成明確的研究體系，但針對目前的研究趨勢還缺乏深入的研究和系統(tǒng)分析。因此，本文采用文獻(xiàn)檢索法，收集國內(nèi)近十年大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究的文獻(xiàn)資料，然后采用量化研究和質(zhì)性分析的方法，對文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納出國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究的發(fā)展趨勢以及研究現(xiàn)狀。Citespace軟件系統(tǒng)是由美國德雷塞爾大學(xué)陳超美博士開發(fā)的一款主要用于計(jì)量和分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的信息可視化軟件，可以繪制文獻(xiàn)的科學(xué)知識圖譜，直觀展現(xiàn)某一科學(xué)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿方向等[8]。目前，Citespace已廣泛用于教育教學(xué)方面的研究[9-10]。

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（CNKI）中對“物理演示實(shí)驗(yàn)”和“教學(xué)”兩個關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，經(jīng)篩選后總計(jì)論文208篇。研究的時間跨度為2013—2022年，篩選原則為：與大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)有關(guān)的文獻(xiàn)并且除去會議通知、會議紀(jì)要、報(bào)紙、碩士論文。隨后從期刊發(fā)文量和期刊類型分析、作者、機(jī)構(gòu)，關(guān)鍵詞，研究熱點(diǎn)等維度對這些文獻(xiàn)進(jìn)行量化分析，揭示國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀、總結(jié)研究主題和熱點(diǎn)問題。此外，基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)，對國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式、技術(shù)應(yīng)用、教學(xué)創(chuàng)新等內(nèi)容進(jìn)行分析討論，并據(jù)此對未來的教學(xué)提出建議。

1 近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究量化分析

1.1 發(fā)文量和期刊類型

歷年文獻(xiàn)發(fā)文量反映了近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的發(fā)展速度。近十年在國內(nèi)期刊論文中發(fā)表的與大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)的論文的發(fā)文量統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。從圖1 可以看出，2018年以前發(fā)文數(shù)量比較平穩(wěn)，平均值為27篇。2019年和2020年有所下降，但仍保持一定的發(fā)文量。2021年后發(fā)文量急劇下降。之后一直呈下降趨勢。根據(jù)近幾年高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會的相關(guān)信息來看， 2021年舉辦的第15屆高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會相較于前幾屆研討會，參與的高校由100多所變?yōu)?0多所，參會人數(shù)由近300名減少為170名左右，會議收到的論文數(shù)量也從三四十篇減少到16篇，參評的演示實(shí)驗(yàn)儀器由100多件減少為86件。上述分析表明疫情對演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究沖擊較大。

對期刊類型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)208篇文獻(xiàn)共來自88種學(xué)術(shù)期刊。其中北大核心期刊7種，科技核心5種，JST 收錄期刊14種，南開大學(xué)高質(zhì)量論文期刊15種。發(fā)文量前十的期刊信息見表1。從表1中可以看出排名前十的期刊發(fā)文量共有97篇，占比46.6%。其中，《物理與工程》發(fā)表的期刊最多，近十年共發(fā)表了20篇論文，占比9.6%。其17篇和12篇，占比13.9%。其中，《物理實(shí)驗(yàn)》是每屆高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會后收到的近兩年來物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、創(chuàng)新的成果的圖2 近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)研究作者合作圖推薦期刊。

1.2 作者和機(jī)構(gòu)合作分析

作者合作圖是Citespace中的一種重要的圖表類型，用于表示不同作者之間的合作關(guān)系。通過合作圖，可以分析作者發(fā)表論文的頻次、合作者之間的聯(lián)系、強(qiáng)度以及研究主題的聚集等信息。可以掌握相關(guān)研究的深度和廣度。在Citespace軟件中分析的節(jié)點(diǎn)類型選擇為“Author”，選擇顯示的作者姓名為出現(xiàn)頻率大于等于2的所有作者，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到節(jié)點(diǎn)N=238，節(jié)點(diǎn)越大標(biāo)明作者頻次出現(xiàn)越多。連線數(shù)量E=220，連線代表作者之間的合作聯(lián)系，連線越粗說明他們在同一篇文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻率越高[11]。從節(jié)點(diǎn)數(shù)和連線數(shù)可以看出論文作者之間有一定的合作關(guān)系，但總體來看研究者之間較為分散，沒有形成明顯的合作網(wǎng)絡(luò)。說明不同高校教師之間合作較少。

此外，本文對近十年作者發(fā)文量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明作者發(fā)文量較少，發(fā)文量大于等于3篇的作者只有十三位。其信息如表2所示。從表中搞科研看出所屬單位均為高校。其中浙江大學(xué)有3位作者。核心作者群可以集中反映研究的發(fā)展趨勢，依據(jù)普萊斯定律，核心作者發(fā)文最低積累量為0.749與發(fā)文量最大的作者的發(fā)文量的算術(shù)平方根的乘積[12]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)發(fā)文量最多的作者發(fā)文量為3篇，計(jì)算得核心作者發(fā)文最低積累量為1.297，即發(fā)文量大于等于2篇的作者為核心作者，總?cè)藬?shù)為38人，占所有作者的15.9%，核心作者占比較少，說明高校教師在論文發(fā)表方面需要進(jìn)一步提高。

作者機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)可以顯示哪些研究機(jī)構(gòu)走在特定研究領(lǐng)域的前沿部分[13]。近十年大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系如圖3所示。圖3左上角顯示數(shù)據(jù)“N=189，E=19”，N 代表節(jié)點(diǎn)，即機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的位置節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)越大標(biāo)明機(jī)構(gòu)頻次出現(xiàn)越多;E代表連線數(shù)量，連線代表機(jī)構(gòu)之間的合作聯(lián)系，連線越粗說明他們在同一篇文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻率越高。機(jī)構(gòu)合作圖中有189個節(jié)點(diǎn)，19條連線，說明各機(jī)構(gòu)之間的合作較少。

1.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)

圖4顯示了出現(xiàn)頻次為8的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖。關(guān)鍵詞核心概括了論文的核心內(nèi)容，共現(xiàn)分析直觀地展示了此領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容和研究熱點(diǎn)[14]。圖4中字號較大的關(guān)鍵詞為演示實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理、物理演示實(shí)驗(yàn)、教學(xué)模式、教學(xué)改革、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)等，這些關(guān)鍵詞在文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻率高，具體頻次參見表3。剔除掉與檢索關(guān)鍵詞相同的部分，剩下的關(guān)鍵詞為大學(xué)物理、教學(xué)模式、教學(xué)改革、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。上述關(guān)鍵詞體現(xiàn)了目前關(guān)于大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的研究熱點(diǎn)。

1.4 關(guān)鍵詞聚類

聚類功能可以整合分散的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行系統(tǒng)研究，聚類圖譜側(cè)重于體現(xiàn)聚類間的結(jié)構(gòu)特征，突出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及重要連接[15]。Citespace根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類的清晰度，提供了模塊值（Q 值）和平均輪廓值（S 值），S 值越接近1，網(wǎng)絡(luò)的同質(zhì)性越高，Q 大于0.3時，聚類的社團(tuán)結(jié)構(gòu)顯著，S 大于0.7時，聚類是令人信服的[16]。對關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類得到的結(jié)果如圖5所示。Q =0.6183，S =0.9032，說明聚類結(jié)構(gòu)十分顯著且令人信服。此外，從圖5中可以看出共有八個聚類。關(guān)鍵詞聚類圖譜可以表明該領(lǐng)域不同研究關(guān)注點(diǎn)，每個聚類的標(biāo)簽都是共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵詞，聚類的數(shù)字越小，包含的關(guān)鍵詞越多。本文選取了每一聚類的前三個代表性最強(qiáng)的關(guān)鍵詞，如表4所示，借助這些關(guān)鍵詞有助于了解近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的核心研究領(lǐng)域。

通過對表4中的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，結(jié)合圖4中的關(guān)鍵詞信息，可將近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的研究分為以下幾個領(lǐng)域：

1.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論方面，主要包括教學(xué)改革、教學(xué)模式和演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。

2.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)技術(shù)方面，主要包括微課、翻轉(zhuǎn)課堂和多媒體技術(shù)等。

3.人才培養(yǎng)模式方面，主要包括創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科學(xué)素質(zhì)和應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式等。

1.5 研究演進(jìn)階段

圖6為對每一組聚類的時間演化進(jìn)行研究的時間線圖。其中主要研究了6個聚類，每個聚類的標(biāo)簽是共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵詞，這些關(guān)鍵詞按照它們在對應(yīng)時間內(nèi)出現(xiàn)的年份，在所屬的聚類中鋪展開來，顯示出每個聚類里關(guān)鍵詞的發(fā)展情況。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，早期大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)關(guān)注的焦點(diǎn)主要集中在“物理演示實(shí)驗(yàn)”。隨時間發(fā)展，逐步轉(zhuǎn)向“教學(xué)創(chuàng)新”“實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”“創(chuàng)新人才培養(yǎng)”等方面。近年來，“便攜式儀器”“虛擬實(shí)驗(yàn)”“新工科”等成為關(guān)注領(lǐng)域，演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)在逐步發(fā)展，同時演示方法也隨著科技水平的發(fā)展不斷增多，演示儀器也逐步走向便攜和創(chuàng)新。

圖7列出了近十年大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的研究過程中短期反復(fù)出現(xiàn)的詞。這些短期反復(fù)出現(xiàn)的詞稱為突變詞，通過分析突變詞生成突變詞圖譜，可以得到關(guān)鍵詞引用量激增的年份，并且顯示出該詞的流行時間段[10]。圖7中突增率最高的詞為新工科、多媒體、物理演示實(shí)驗(yàn)、科學(xué)素質(zhì)、物理實(shí)驗(yàn)、演示儀器、教學(xué)內(nèi)容等，說明這些方面的發(fā)展勢頭較猛，是物理演示實(shí)驗(yàn)研究過程中在某一時間段內(nèi)受到關(guān)注最多的領(lǐng)域，即研究重點(diǎn)，具有一定的研究價(jià)值。從不同時期來看，早期的突變詞為科學(xué)素質(zhì)、教學(xué)內(nèi)容和多媒體。隨時間發(fā)展，突現(xiàn)詞轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和物理演示實(shí)驗(yàn)。近年來，光的偏振、演示儀器、新工科成為新的研究熱點(diǎn)。

2 近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究質(zhì)性分析

結(jié)合近十年國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究的量化分析結(jié)果，本部分將對國內(nèi)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究進(jìn)行質(zhì)性的文本分析。具體包括演示實(shí)驗(yàn)的作用、物理演示實(shí)驗(yàn)的類別、物理演示實(shí)驗(yàn)的成效等方面。

2.1 物理演示實(shí)驗(yàn)的價(jià)值

物理演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生理解物理概念，使抽象的物理知識具象化，大多情況下由教師在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示，學(xué)生在老師的操作下進(jìn)行觀察，從而提升對物理的興趣，增加探索欲望，達(dá)到理解和掌握物理理論知識的目的[17]。大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)和普通物理實(shí)驗(yàn)以及近代物理實(shí)驗(yàn)并不相同，演示實(shí)驗(yàn)的主體一般是老師，老師對物理現(xiàn)象進(jìn)行演示，學(xué)生進(jìn)行觀察和理解。隨著教育的改革，演示實(shí)驗(yàn)的主體更傾向于學(xué)生，更加注重學(xué)生的參與性和互動性，注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和主動性。通過與老師的互動和小組合作，往往能培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題然后解決問題的能力，培養(yǎng)合作意識，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，也使得對深層知識的掌握和對科學(xué)真理的探求素養(yǎng)得到提升。以西藏大學(xué)為例，引入物理演示實(shí)驗(yàn)的區(qū)內(nèi)生源班有更好的大學(xué)物理教學(xué)效果[18]。

同時物理演示實(shí)驗(yàn)對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果也有促進(jìn)作用，如電子科技大學(xué)中山學(xué)院通過加強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造，并且通過教師團(tuán)隊(duì)的努力，使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了改造升級，且對物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、教學(xué)方法、設(shè)備等方面進(jìn)行了改革，有效地促進(jìn)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展[19]。

隨著對物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視程度的增加，近幾年在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的教改項(xiàng)目立項(xiàng)逐漸增加。例如，在2022年教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會教學(xué)研究立項(xiàng)項(xiàng)目中關(guān)于物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目有清華大學(xué)的《大學(xué)物理典型課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究》和南開大學(xué)的《國際化視野下融合思政元素的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目庫建設(shè)與研究》。2022年教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會大中物理教育銜接工作委員會教學(xué)研究課題中增加了要增加了依托物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向?qū)W生和社會公眾的物理科學(xué)素養(yǎng)和科普教學(xué)的研究和實(shí)踐。其中，南開大學(xué)的《基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的物理科普教育實(shí)踐探索》、新疆師范大學(xué)的《基于大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)開展科普教育的實(shí)踐研究》和蘇州科技大學(xué)的《高?？破談?chuàng)新工作體系的探索與實(shí)踐》獲得立項(xiàng)。