基于CiteSpace的高分子實驗課程研究知識圖譜分析

黃雪英， 來再提·阿斯拜克， 馬夢迪， 曹 郁

(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院， 武漢 430079)

高分子實驗是許多院校高分子及相關(guān)專業(yè)的一門必修課程[1]，該課程是聯(lián)系高分子化學(xué)和實際操作的重要平臺，目的是培養(yǎng)學(xué)生的高分子合成技能、解決問題的能力及創(chuàng)新意識.相對于理論教學(xué)，實驗教學(xué)的特點是實踐性、直接性和綜合性[2].我國目前正處于經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的時期，不僅需要一大批拔尖的創(chuàng)新型人才，更需要眾多的高層次應(yīng)用技術(shù)技能型人才[3]，而高分子實驗教學(xué)的設(shè)置也正符合國家對應(yīng)用型人才的需求.因此，高分子實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢得到了廣泛關(guān)注，正在成為有關(guān)研究者重點關(guān)注的領(lǐng)域.

CiteSpace是基于JAVA的科技文本挖掘及可視化的軟件，發(fā)布于2004年.該軟件通過直觀的知識圖譜，識別并展現(xiàn)某一領(lǐng)域的研究進展和前沿方向，利用信息可視化方法、文獻計量學(xué)方法及數(shù)據(jù)挖掘算法集成的基本原理，繪制可視化圖譜，建立節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)來分析研究對象之間的共現(xiàn)關(guān)系與共被引關(guān)系等[4].

為準確把握高分子實驗教學(xué)研究的熱點主題及趨勢，本文使用CiteSpace計量可視化分析軟件分別對CNKI以及Web of Science(WOS)平臺刊載的有關(guān)高分子實驗教學(xué)文獻進行可視化分析，并對國內(nèi)外相關(guān)文獻進行對比，期望能得出國內(nèi)外關(guān)于高分子實驗教學(xué)的研究熱點及發(fā)展趨勢，這對我國高分子實驗教學(xué)的設(shè)計以及培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才具有重要的意義.

1 研究方法

1.1 檢索策略

本文利用CiteSpace 5.6.R3軟件，對CNKI以及Web of Science平臺刊載的有關(guān)高分子實驗教學(xué)文獻進行可視化圖譜分析，主要包括作者合作、機構(gòu)合作以及關(guān)鍵詞分析.

1.2 文獻來源與處理

1.2.1 中文數(shù)據(jù)庫 中文文獻分析數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫.在CNKI中以主題為“高分子”并含“實驗”并含“教學(xué)”或含“課程”進行高級檢索，時間范圍設(shè)置為1985年至2020年，條件設(shè)置為精確.經(jīng)過剔除不相關(guān)文獻、重復(fù)文獻以及會議論文等非期刊類文獻后得到有價值文獻718篇.

1.2.2 外文數(shù)據(jù)庫 外文文獻數(shù)據(jù)來源于Web of Science核心期刊數(shù)據(jù)庫，在Web of Science中檢索主題為“polymer experiment”AND “undergraduate” OR “curriculum” OR “teaching” OR “education”，時間間隔設(shè)置為1986年至2020年，對文獻進行去重復(fù)處理后得到有價值文獻172篇.

2 結(jié)果與討論

2.1 基于CNKI數(shù)據(jù)庫的文獻可視化分析

2.1.1 作者合作 作者合作網(wǎng)絡(luò)圖不僅可以直觀看出作者的發(fā)文量，還可以體現(xiàn)作者之間的合作關(guān)系.如圖1為作者合作網(wǎng)絡(luò)圖，可以看出作者合作密切狀態(tài).表1列出了發(fā)文量≥6的幾位作者及其首發(fā)年份，結(jié)合圖1與表1，作者何平笙、朱平平以及楊海洋從2000年以來合作關(guān)系相對密切，且發(fā)文量也相對較多，其中何平笙發(fā)文量最高，有12篇，說明這幾位作者長期以來一直致力于對高分子實驗教學(xué)的研究，他們主要從事高分子物理實驗教程的編寫，將教學(xué)研究成果、科研成果、新概念、新規(guī)律和新實驗事實融入到實驗內(nèi)容中，為從事該學(xué)科研究生教學(xué)以及從事高分子科學(xué)研究工作的人員提供了參考.近幾年內(nèi)合作密切且發(fā)文量較多的幾位作者有唐萍、張春慶、李戰(zhàn)勝、曹玉明、李健豐等人，其中發(fā)文量較高的有唐萍、張春慶，均發(fā)文7篇.

圖1 研究作者合作網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Collaboration network diagram of research authors

表1 研究作者發(fā)文量Tab.1 The amount of papers issued by research authors

2.1.2 機構(gòu)合作 機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖展現(xiàn)不同機構(gòu)間的合作關(guān)系.將NodeTypes設(shè)置為Institution，進行機構(gòu)合作分析.圖2為由CNKI的數(shù)據(jù)得到的機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖.其中，節(jié)點數(shù)為349，連線數(shù)為62，密度為0.001.可以看出，該領(lǐng)域的機構(gòu)合作散亂，沒有明顯的合作圈，表2列出了發(fā)文量≥6的機構(gòu)及其首發(fā)年份，結(jié)合圖2與表2，可以看出，發(fā)文量較高的機構(gòu)如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子科學(xué)與工程系的發(fā)文年份范圍比較廣，首發(fā)時間為1998年，發(fā)文量為11篇，說明該機構(gòu)長期關(guān)注高分子實驗教學(xué)，并在該領(lǐng)域有一定的學(xué)術(shù)影響.大部分機構(gòu)都集中在一些大學(xué)的材料科學(xué)與工程學(xué)院，如桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院等，也屬于研究成果相對高產(chǎn)機構(gòu).

圖2 研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Cooperation network diagram of research institutions

表2 研究機構(gòu)發(fā)文量Tab.2 The amount of papers issued by research institutions

2.1.3 關(guān)鍵詞分析

1) 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜.關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最能體現(xiàn)該領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢.研究熱點是指在某一時間段內(nèi)，有內(nèi)在聯(lián)系的、數(shù)量相對較多的一組論文所探討的研究問題或?qū)ｎ}[5].而關(guān)鍵詞是作者對文章核心內(nèi)容的高度提煉與概括，反映了一篇文獻的核心內(nèi)容及重要信息[6-7]，因此，出現(xiàn)頻次高的關(guān)鍵詞常常被用來確定一個研究領(lǐng)域的熱點問題.

本文將Node Types設(shè)置為Keyword，剔除檢索關(guān)鍵詞，得到了關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示.表3列出除了搜索關(guān)鍵詞以外出現(xiàn)頻次較高的熱門關(guān)鍵詞，如“教學(xué)改革”“高分子材料”“創(chuàng)新能力”“應(yīng)用型人才”等出現(xiàn)的頻次較高，體現(xiàn)了近幾年該領(lǐng)域的研究熱點.

由圖3及表3可知，關(guān)鍵詞“教學(xué)改革”首次出現(xiàn)于2001年，且出現(xiàn)頻次明顯較高，有151次.該關(guān)鍵詞的歷史分布可以由表4中的歷史分布圖可知，該詞的被引頻次從2005年開始就逐漸升高，且在2015年達到了最高頻次20次.但從2015年后，其被引頻次就呈逐年下降的趨勢.

表3 關(guān)鍵詞分布Tab.3 Keywords distribution

圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Keywords co-occurrence network diagram

另外，關(guān)于“教學(xué)改革”的相關(guān)文獻及被引年份和頻次見表4.其中，被引頻次較高的文獻為表中序列的1號和2號文獻，分別被引40次和16次.下述文獻重點探討了高分子化學(xué)實驗教學(xué)改革.胡建設(shè)等[8]的高分子化學(xué)與物理實驗教學(xué)探索與實踐中，根據(jù)東北大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)特點，對高分子化學(xué)與物理實驗教學(xué)的內(nèi)容、方法及模式進行了全面的改革和深化.趙穎等[9]在高分子實驗教學(xué)改革初探中同樣也是針對目前高分子實驗教學(xué)體系中存在的問題探討了教學(xué)改革的途徑.向德軒等[10]在基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的高分子實驗改革中提到從建立開放實驗室、更新教學(xué)內(nèi)容、改革授課方式、建立新的考核模式等幾個方面對高分子實驗教學(xué)進行改革，為應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了新思路；趙亞奇等[11]的創(chuàng)新實踐背景下的高分子實驗技術(shù)教學(xué)改革研究中提出構(gòu)建創(chuàng)新實踐背景下的學(xué)生合作教學(xué)機制，實現(xiàn)實驗理論教學(xué)體系的搭建，建立特色的高分子實驗技術(shù)教學(xué)模式，以適用于高分子應(yīng)用技術(shù)型人才的培養(yǎng).楊金燕等[12]針對高分子實驗課程教學(xué)中所存在的一些問題，指出要通過對實驗項目的重新整合、不斷改進實驗內(nèi)容、提高實驗內(nèi)容的趣味性和實用性以及強化綠色環(huán)保實驗理念等幾個方面進行了一系列改革，來提高學(xué)生的綜合實際應(yīng)用能力，可以為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高素質(zhì)應(yīng)用型人才起到很好的作用.

表4 “教學(xué)改革”關(guān)鍵詞的歷史分布及相關(guān)文獻Tab.4 Historical distribution of “teaching reform” and related literature

2) 關(guān)鍵詞聚類.通過CiteSpace軟件進行關(guān)鍵詞的聚類分析從而生成關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜(如圖4).國內(nèi)關(guān)于高分子實驗教學(xué)文獻的關(guān)鍵詞聚類分為18類，這些聚類折射出我國高分子實驗教學(xué)的熱點問題現(xiàn)狀，聚類的標簽通常是采用尋徑網(wǎng)絡(luò)算法[13]，可以從標題、關(guān)鍵詞和摘要中抽取得到.

圖4 關(guān)鍵詞聚類圖Fig.4 Keywords clustering diagram

如表5所示，列出了聚類的分類，以及每個聚類中所含文獻數(shù)量及其標識詞(前5個).由表可得，聚類0、8、9號可歸為實驗教學(xué)改革，1、2、3、4、5、7、10、18號可分為高分子化學(xué)、高分子物理以及高分子材料課程的教學(xué)方法以及通過教學(xué)放大培養(yǎng)不同類型人才的功能，11、12、13、14、15、16號可以歸為通過特定高分子實驗內(nèi)容展開綜合性實驗和設(shè)計性實驗.

表5 關(guān)鍵詞聚類表Tab.5 Keyword clustering table

3) 時間線視圖.時間線視圖展現(xiàn)關(guān)鍵詞的各個聚類發(fā)展演變的時間跨度和研究進程[14].如圖5所示，聚類0～12號所含的文獻較多，說明所得的聚類領(lǐng)域比較重要.其中比較明顯的7號中，教學(xué)改革始于2001年，其所涉及的領(lǐng)域有分析化學(xué)、塑料材料、高分子化學(xué)專業(yè)等，而且與2和3號中與高分子材料的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容有聯(lián)系，說明高分子化學(xué)的教學(xué)改革主要在于不同學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法的改革.8號中高分子化學(xué)實驗始于1995年，主要與應(yīng)用型人才、創(chuàng)新型實驗、交互式實驗、微型化實驗有關(guān)，這些都是近幾年高分子實驗改革的主要方向.同樣，12號與6號有一定聯(lián)系，且與創(chuàng)新性實驗有關(guān)，這正符合了該領(lǐng)域一直以來對教學(xué)模式改革的探索.

圖5 時間線視圖Fig.5 Timeline view

4) 突現(xiàn)情況.突現(xiàn)詞是某一個時間段內(nèi)被引頻次突然增多的關(guān)鍵詞，可以用來反應(yīng)某一時間段內(nèi)的研究趨勢.基于進一步研究高分子實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢，得到關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖(如圖6)，由圖可知，“教學(xué)模式”“高分子物理實驗”均為近十年的突現(xiàn)詞，其中，“教學(xué)模式”為2011年至2014年的熱點詞，說明這幾年對高分子實驗教學(xué)模式的研究是該領(lǐng)域的熱點，從2016年至2017年，“高分子物理實驗”是熱點研究內(nèi)容.

圖6 關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖Fig.6 Keywords emergence

2.2 基于Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫的文獻可視化分析

2.2.1 作者合作 圖7為Web of Science(WOS)中數(shù)據(jù)的作者合作可視化網(wǎng)絡(luò)圖，很明顯，外文文獻中該領(lǐng)域中的作者合作關(guān)系并不密切，發(fā)文量較高的Krepps、Hutchison以及 Otieno三者之間有合作關(guān)系，其他有合作關(guān)系的作者其發(fā)文量很少.

圖7 WOS數(shù)據(jù)中的研究作者合作網(wǎng)絡(luò)圖Fig.7 Collaboration network diagram of WOS research authors

表6為外文文獻中作者的發(fā)文量分布，列出了發(fā)文量≥2的部分作者，很明顯，外文文獻在該領(lǐng)域的作者發(fā)文量遠遠少于中文文獻，發(fā)文量最高的作者Krepps僅發(fā)文3篇.

表6 WOS數(shù)據(jù)中的研究作者發(fā)文量Tab.6 The amount of papers issued by WOS research authors

2.2.2 機構(gòu)合作 圖8為Web of Science中數(shù)據(jù)的機構(gòu)合作圖，可以看出，外文文獻的機構(gòu)合作關(guān)系更是散亂，發(fā)文量較高的三個機構(gòu)Eastern Kentucky University、Lee University、University of Kentucky有合作關(guān)系，由表7得這三個機構(gòu)的發(fā)文量均為2篇，同樣遠不如中文文獻的機構(gòu)發(fā)文量.

圖8 WOS數(shù)據(jù)中的研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖Fig.8 Cooperation network diagram of WOS research institutions

表7 WOS數(shù)據(jù)中的研究機構(gòu)發(fā)文量Tab.7 The amount of papers issued by WOS research institutions

2.2.3 關(guān)鍵詞分析 為了將國內(nèi)外對高分子實驗教學(xué)研究熱點進行對比，本文分析了從Web of Science中獲得文獻的關(guān)鍵詞共現(xiàn)，得到了關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖(如圖9)，關(guān)鍵詞分布(見表8).剔除搜索關(guān)鍵詞，剩下laboratory instruction、hands-on learning/manipulative等關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次較多，這些頻次較高的關(guān)鍵詞說明國外高分子實驗建設(shè)重在提升學(xué)生的動手操作能力，這與國內(nèi)重在培養(yǎng)應(yīng)用型人才是相吻合的.

圖9 WOS數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.9 keyword co-occurrence network diagram from WOS

表8 WOS數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵詞分布Tab.8 Keyword distribution from WOS

本文將關(guān)鍵詞“l(fā)aboratory instruction”及“hands-on learning/manipulative”進行文獻分析(見表9)，并且由表中的歷史分布圖可以看出，“l(fā)aboratory instruction”出現(xiàn)于2011年，頻次有5次，在2010年—2020年期間，頻次波動的范圍較大，且在2019年的相關(guān)文獻中出現(xiàn)了11次，頻次最高.說明國外近幾年重視實驗室的建設(shè)工作.另外，有2篇被引頻次較高的文獻，其中Weizman H等[15]通過讓學(xué)生接觸并獨立完成基于Diels-Alder反應(yīng)的自愈聚合反應(yīng)，提高學(xué)生對實驗的興趣以及動手能力，側(cè)面說明實驗室建設(shè)的重要性；Hemling M等[16]通過設(shè)計學(xué)生實驗，建設(shè)新型實驗室，創(chuàng)建微流控制系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性及自信心.

關(guān)鍵詞“hands-on learning/manipulative”即動手學(xué)習(xí)操作，首次出現(xiàn)于2011年，也是2019年出現(xiàn)最高頻次，達到了7次.同樣也說明國外高分子實驗重視提高學(xué)生的各方面能力，其中被引頻次為37的作者Tomasik J H等[17]通過實驗室的開發(fā)、實施和評估，建立一個使學(xué)生能夠獨立操作，且激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新，提高學(xué)生動手操作能力的一種新型實驗室.

通過對高頻關(guān)鍵詞的分析，關(guān)鍵詞“l(fā)aboratory instruction”和“hands-on learning/manipulative”共同出現(xiàn)在了部分高被引文獻中，說明國外對高分子實驗的研究重在新型實驗設(shè)計和新型實驗室的建設(shè)，旨在激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，提高學(xué)生動手操作能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力與自信心.

3 結(jié)論

對比國內(nèi)外對高分子實驗教學(xué)的研究情況，在文獻分布上，Web of Science數(shù)據(jù)庫相關(guān)文獻發(fā)文量遠少于國內(nèi)文獻發(fā)文量；在作者合作以及機構(gòu)合作上，國外合作緊密度遠不如國內(nèi)情況，說明國內(nèi)重在研究高分子實驗課程建設(shè)，可以看出我國更關(guān)注高分子實驗教學(xué)領(lǐng)域，這在某種程度上體現(xiàn)了我國對教育的重視程度較高.另外，根據(jù)圖譜中作者和機構(gòu)分布的特點，可以發(fā)現(xiàn)我國高分子實驗課程研究處于“部分集中，整體分散”的特點，如高產(chǎn)量作者何平笙、朱平平、楊海洋都為中國科技技術(shù)大學(xué)的一個團隊，另外張春慶、曹玉明、李劍豐都為大連理工大學(xué)的一個團隊，說明不同地域、機構(gòu)之間的學(xué)術(shù)聯(lián)系較弱，不利于高水平高分子實驗教學(xué)研究的發(fā)展，表明國內(nèi)研究者對高分子實驗教學(xué)的研究領(lǐng)域還處于比較淺的層次，未能形成持續(xù)發(fā)展的局面.因此，應(yīng)在尋求科研合作和支持的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前的研究前沿和熱點開展多中心、大樣本的研究模式.

在關(guān)鍵詞共現(xiàn)上，國內(nèi)如“教學(xué)改革”“高分子材料”“高分子物理實驗”“創(chuàng)新能力”“應(yīng)用型人才”等出現(xiàn)頻次較高.在“教學(xué)改革”方向，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1) 開展趣味性、綜合性、設(shè)計性及研究性實驗激發(fā)學(xué)生的實驗興趣.2) 建立開放實驗室，改革授課方式，提高學(xué)生動手能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才.3) 結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)，靈活應(yīng)用互動式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、科研能力.

國外如“實驗室建設(shè)”“動手操作能力”出現(xiàn)的頻次較高，由此映射出，國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究熱點的異同點.相同之處在于國內(nèi)外都重視學(xué)生的動手能力，重在激發(fā)學(xué)生對高分子實驗的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力；不同之處在于國內(nèi)重在實驗教學(xué)的改革，而國外重在實驗室的建設(shè)，但這反應(yīng)國內(nèi)外對實驗教學(xué)有不同的側(cè)重點.

對CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫中文獻的可視化分析可以得出，國內(nèi)在高分子實驗教學(xué)的研究上較為突出，這符合了近幾年國內(nèi)教育事業(yè)的發(fā)展.國內(nèi)對高分子實驗教學(xué)模式的改革也是在我國社會以及科技的發(fā)展背景下，旨在建立一種新型的實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型人才，而在這一點上，國內(nèi)外對高分子實驗教學(xué)的研究目的是相吻合的.