基于CiteSpace生物化學(xué)實驗教學(xué)動態(tài)與熱點可視化分析

王 航， 王利鳳， 喬玉歡， 李 董， 楊 爽

(南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 天津 300071)

隨著生物化學(xué)學(xué)科的迅速發(fā)展，作為一門多學(xué)科的重要基礎(chǔ)課，已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，尤其是醫(yī)學(xué)學(xué)科[1]。不僅其基本理論在醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域有所鋪墊，其主要技術(shù)更是在臨床實踐中得到廣泛應(yīng)用，包括病理診斷和治療方法。然而，因為生物化學(xué)基本理論抽象性較強，所以學(xué)習(xí)難度較大。與之相比，生物化學(xué)實驗則更具有直觀性、實踐性、補充性和拓展性。所以，生物化學(xué)實驗對學(xué)生掌握其基礎(chǔ)知識和技能發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2-3]。

生物化學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)是增強學(xué)生對生物化學(xué)基本理論的理解，掌握現(xiàn)代生物科學(xué)與技術(shù)的實驗原理與技能；同時，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。這就要求教師們充分把握學(xué)科發(fā)展的熱點和方向，及時對實驗教學(xué)內(nèi)容進行更新和改革。實驗教學(xué)可以系統(tǒng)地將其基本理論進行串聯(lián)，有助于學(xué)生們成體系地理解和記憶課堂學(xué)到的知識。尤其對于醫(yī)科學(xué)生，通過生物化學(xué)的學(xué)習(xí)能更好地掌握醫(yī)學(xué)檢驗的基本原理和方法，又可以將臨床難題導(dǎo)向科學(xué)研究。新時代對醫(yī)科學(xué)生有新的培養(yǎng)要求，不僅要求學(xué)生們充分掌握已有的基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法，還要培養(yǎng)學(xué)生們對未知領(lǐng)域的探索能力，充分調(diào)動學(xué)生們的科研積極性。因此，近些年生物化學(xué)實驗課在教學(xué)的形式和內(nèi)容上進行了各個方面的創(chuàng)新和改革，取得較為豐碩的成果。為了及時充分地掌握生物化學(xué)實驗教學(xué)的動態(tài)和熱點，筆者通過知識圖譜可視化分析的方法，總結(jié)近10年重要的學(xué)術(shù)文獻，分析和歸納出我國生物化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢和熱點分布，為生物化學(xué)實驗教學(xué)領(lǐng)域后續(xù)的改革和與發(fā)展提供思路。

1 資料與方法

1.1 資料

以“生物化學(xué)實驗”和“教學(xué)”為關(guān)鍵詞，選取中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(中國知網(wǎng)CNKI)作為數(shù)據(jù)來源進行文獻檢索，檢索時間為2011年1月1日至2020年12月31日，剔除新聞報道、資訊、會議摘要和碩博士論文等無關(guān)數(shù)據(jù)，共獲得1 189篇學(xué)術(shù)文獻。

1.2 方法

本文采用CiteSpace軟件進行文獻的可視化分析，客觀地展現(xiàn)生物化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展軌跡和前沿。CiteSpace軟件是由美國德雷塞爾大學(xué)計算機與情報學(xué)學(xué)院陳超美教授在庫恩科學(xué)革命結(jié)構(gòu)理論，以及文獻共被引分析等理論的啟發(fā)下，基于JAVA開發(fā)的用于學(xué)術(shù)研究的科學(xué)計量學(xué)知識圖譜工具[4]，在自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個研究領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

在CNKI數(shù)據(jù)庫獲得有效的文獻數(shù)據(jù)后進行格式轉(zhuǎn)換，將文獻導(dǎo)出格式為Ref格式。本研究選擇CiteSpace 5.6R5版本的軟件構(gòu)建知識圖譜，具體的軟件設(shè)置如下：Time slicing(時區(qū)跨度)設(shè)定為2011年至2020年；Year per slice(單個時間分區(qū))設(shè)定為1年；Term source(主題聚類詞來源)選擇標(biāo)題、摘要、作者關(guān)鍵詞與關(guān)鍵詞累加；可視圖顯示選擇靜態(tài)聚類視圖和合并網(wǎng)絡(luò)視圖；Pruning修飾算法選擇修剪切片網(wǎng)絡(luò)。

2 結(jié)果

2.1 2011-2020年度發(fā)文趨勢基本平穩(wěn)

關(guān)于生物化學(xué)實驗教學(xué)研究在2011～2020年的近10年的發(fā)文量基本趨勢平穩(wěn)。其中，2017年和2018年有所下降，其他年度發(fā)文量約在120篇(見Fig.1)。結(jié)果顯示，生物化學(xué)實驗教學(xué)始終得到足夠的重視。2020年正值新冠疫情嚴重時期，但發(fā)文量并未受疫情影響，這反映出各教學(xué)單位對生物化學(xué)實驗的進一步重視。新冠病毒的核酸提取、RT-PCR檢測和相關(guān)基礎(chǔ)研究均屬于生物化學(xué)范疇。由此預(yù)計，未來結(jié)合線上教學(xué)等新模式的開展，圍繞生物化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)文量會繼續(xù)增加。

2.2 生物化學(xué)實驗教學(xué)的研究熱點

2.2.1 詞頻與中心度較高的是“生物化學(xué)”和“生物化學(xué)實驗” 具有較高的中心度、頻次主題和關(guān)鍵詞反映了在一段時間內(nèi)研究者共同關(guān)注和研究的熱點。頻次主題和關(guān)鍵詞標(biāo)記一篇文章核心要義，開展主題及關(guān)鍵詞分析能夠深刻把握文章的核心內(nèi)容。CiteSpace主題和關(guān)鍵詞聚類能夠明確體現(xiàn)某研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點[5]。中心度衡量節(jié)點權(quán)重的基本指標(biāo)，反映了節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要度。本文中對2011年～2020年出現(xiàn)頻次大于30的關(guān)鍵詞進行統(tǒng)計分析，具體結(jié)果見Table 1。

2.2.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)情況 關(guān)鍵詞聚類圖譜可以反映研究的演進情況。在主題及關(guān)鍵詞的共現(xiàn)性分析中，節(jié)點大小反映了主題及關(guān)鍵詞頻次的高低。關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次和中心度越突出，說明節(jié)點重要性越強。根據(jù)關(guān)鍵詞聚類圖譜(見Fig.2)，頻次較高的有“生物化學(xué)”、“實驗教學(xué)”、“教學(xué)改革”、“生物化學(xué)實驗”、“改革”、“教學(xué)方法”、“創(chuàng)新能力”和“教學(xué)模式”等，反映了本項研究在推進和發(fā)展過程中關(guān)注的重點內(nèi)容。“生物化學(xué)”和“教學(xué)”通常不是研究的對象，而是與“改革”、“創(chuàng)新”、“模式”和“方法”等進行關(guān)聯(lián)研究。這體現(xiàn)近10年，教師們一直在嘗試將新的實驗技術(shù)和新的教學(xué)模式應(yīng)用到生物化學(xué)實驗教學(xué)中，以期能夠得到更好的教學(xué)效果。

圖1 發(fā)文數(shù)量的年度分析 圖中橫坐標(biāo)代表具體年份，縱坐標(biāo)表示發(fā)文數(shù)量，柱形圖上端數(shù)字表示具體的文章數(shù)量Fig.1 Annual analysis of the number of articles issued The horizontal coordinates in the graph represent the specific year, the vertical coordinates represent the number of articles issued, and the number at the top of the bar indicates the specific number of articles

圖2 生物化學(xué)實驗教學(xué)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜和聚類 圖中不同顏色表示不同的聚類和節(jié)點，字體越大表示頻次越高Fig.2 Mapping and clustering of keywords for biochemistry experimental teaching Different colors in the graph indicate different clusters, and the larger the node font indicates the higher the frequency

2.3 生物化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢與前沿

2.3.1 突變詞引用強度最高的是“翻轉(zhuǎn)課堂” 突變詞是指在較短時間內(nèi)出現(xiàn)次數(shù)多或使用頻率較高的關(guān)鍵詞。突變詞檢測一般包括強度和年代分布，其反映出一段時間內(nèi)研究的前沿和發(fā)展趨勢。Fig.3列出10個研究前沿的主題及關(guān)鍵詞突現(xiàn)率情況。“臨床生物化學(xué)”一類，時間劃定為“2011～2012 年”，強度為5.183；“多媒體”一類，時間劃定為“2011～2012 年”，強度為2.8205；“實驗室”一類，時間劃定為“2012～2013年”，強度為2.4851；“實踐”一類，時間劃定為“2013～2015年”，強度為3.2571；“課程改革”一類，時間劃定為“2015～2016年”，強度為2.4163；“能力培養(yǎng)”一類，時間劃定為“2016～2018年”，強度為3.0611；“翻轉(zhuǎn)課堂”一類，時間劃定為“2017～2020年”，強度為7.1469；“教學(xué)效果”一類，時間劃定為“2017～2018 年”，強度為2.5689；“生物化學(xué)與分子生物學(xué)”一類，時間劃定為“2017～2020 年”，強度為5.7428。內(nèi)容顯示，突變強度最高的是“翻轉(zhuǎn)課堂”。其次，較為值得關(guān)注的是“微課”的出現(xiàn)。這都反映了教學(xué)模式的改變，將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交還給學(xué)生，課堂上的寶貴時間主要用于解決具體的問題和項目，其目的是為了讓學(xué)生通過實踐獲得更真實的學(xué)習(xí)，老師也有更充足的時間與每個學(xué)生交流，滿足學(xué)生的個性化發(fā)展。

圖3 10個研究前沿的主題及突變詞突現(xiàn)率 圖中藍色線段表示2011～2020年時間段，紅色線段表示具體的年份Fig.3 Top 10 keywords with the strongest citation burists The blue line in the graph indicates the 2011-2020, and the red line indicates the specific year

2.3.2 關(guān)鍵詞主題演化情況 關(guān)鍵詞Timeline分析，指利用關(guān)鍵詞的時空演進情況來掌握某領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。本研究繪制出我國2011年～2020年間生物化學(xué)實驗教學(xué)研究的時空演進情況的可視化圖譜。結(jié)果見Fig.4所示，提取出相關(guān)的9個聚類，并將關(guān)鍵詞按照時間順序進行排列，展示其演進情況。將時區(qū)劃分成3個階段：2010年～2013年間主要是關(guān)注傳統(tǒng)教學(xué)方式的開展，例如備課、教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果和教學(xué)模式等；2013年～2016年間則是關(guān)注創(chuàng)新與改革，例如自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實踐、課程改革和臨床實踐等；2016年～2020年間更多學(xué)者關(guān)注多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，例如微課、MOOC、虛擬仿真和創(chuàng)新激勵等。這提示，新技術(shù)與新模式的引入極大地豐富了教學(xué)的內(nèi)容。新冠疫情期間，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)極大地彌補了線下教學(xué)。虛擬仿真技術(shù)則使較多的在普通實驗室無法完成的實驗得以完成，使學(xué)生能夠更充分地掌握所學(xué)的知識。圍繞網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與虛擬仿真開展的生物化學(xué)實驗教學(xué)，在其后續(xù)仍是需要關(guān)注的重點。

圖4 生物化學(xué)實驗教學(xué)共現(xiàn)詞與網(wǎng)絡(luò)聚類Timeline圖譜 橫軸代表演進時間，#0 - #8代表關(guān)鍵詞Fig.4 Timeline mapping of co-occurring words and network clustering for biochemistry laboratory teaching The horizontal axis represents the evolution time, #0 - #8 represent keywords

2.4 期刊來源情況

通過分析期刊中某一主題刊文量的多少能夠反映期刊對該主題的關(guān)注度[6]。本文將生物化學(xué)實驗教學(xué)研究相關(guān)主題文獻刊發(fā)量在5篇以上的期刊進行了整理，總計有6種，占該主題刊文總數(shù)的86.11%，詳見Table 2。其中，刊文量位列前2位的是《基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育》和《實驗技術(shù)與管理》。說明這2個期刊對于生物化學(xué)實驗教學(xué)的研究較為重視，刊文質(zhì)量較高，這與其辦刊方向和期刊的受眾范圍緊密相關(guān)。

表2 載文量≥5的期刊

4 討論

本文利用CiteSpace軟件繪制了2011年～2020年間生物化學(xué)實驗教學(xué)研究的知識網(wǎng)絡(luò)圖譜，對刊文量趨勢、研究熱點和發(fā)展趨勢等方面進行了可視化分析。研究發(fā)現(xiàn)，近10年間與生物化學(xué)實驗教學(xué)研究相關(guān)的文章發(fā)表數(shù)量基本保持平穩(wěn)，體現(xiàn)出其始終得到學(xué)者的重視，具有較高的熱度。對高頻詞和突變詞分析可以發(fā)現(xiàn)，這10年間學(xué)者們緊跟時代步伐，一直在生物化學(xué)實驗教學(xué)上尋求技術(shù)革新和模式創(chuàng)新，也是刊文量的整體趨勢平穩(wěn)的一個重要原因。從生物化學(xué)實驗教學(xué)的研究脈絡(luò)和主題分析，總體可分為3個主要階段，即基礎(chǔ)、深層和發(fā)展三個維度的研究，由備課和教學(xué)質(zhì)量等基礎(chǔ)研究，逐步轉(zhuǎn)向創(chuàng)新實踐和課程改革的深層研討，再轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和虛擬仿真等發(fā)展研究。值得一提的是，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)在新冠疫情期間極大地彌補和支持了下線教學(xué)，同時也代表著未來一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢。

依據(jù)本研究所得到的學(xué)術(shù)文獻，分析和歸納我國生物化學(xué)實驗教學(xué)的動態(tài)與熱點，本文不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)生物化學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題是近10年來研究的焦點。傳統(tǒng)的生物化學(xué)實驗教學(xué)普遍存在課前預(yù)習(xí)效果不佳、缺乏符合教學(xué)需要的演示操作視頻、實驗內(nèi)容單一、驗證性實驗較多、綜合設(shè)計性實驗較少、學(xué)生動手操作時間不夠和難以激發(fā)學(xué)生的熱情[7-9]。并且實驗考核方式也相對簡單，一般是依照學(xué)生最終實驗成功率及其所填寫的實驗報告質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，并不能真實反映學(xué)生的動手能力與分析問題的能力，導(dǎo)致部分學(xué)生錯誤地認為，還是分數(shù)以及結(jié)果最為重要[8-10]。

這些問題具體應(yīng)從幾個方面予以解決。首先，是改革生物化學(xué)實驗課程的授課方式。授課方式?jīng)Q定著學(xué)生們的學(xué)習(xí)方式。大學(xué)應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，按照最新的發(fā)展趨勢，翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC和微課等方式已經(jīng)在理論教學(xué)中充分使用，也應(yīng)該充分應(yīng)用在實驗教學(xué)中，提高學(xué)生課前預(yù)習(xí)的比重，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，充分調(diào)動學(xué)生帶著問題來做實驗。其次，應(yīng)該提高新實驗技術(shù)的應(yīng)用。以虛擬仿真為例，在普通實驗室內(nèi)無法完成的實驗內(nèi)容都可以借助虛擬仿真來實現(xiàn)。例如，在負壓實驗室內(nèi)提取新冠病毒核酸實驗，可通過虛擬仿真技術(shù)搭建虛擬P3實驗室，通過VR技術(shù)全真體驗新冠病毒核酸提取的實驗步驟。引領(lǐng)潮流的實驗技術(shù)與方法能充分調(diào)動學(xué)生的積極性，避免學(xué)生與社會脫節(jié)[11]。最后，應(yīng)提高自主創(chuàng)新型實驗內(nèi)容的比例。鼓勵學(xué)生充分利用已經(jīng)掌握的實驗技術(shù)進行新實驗方案設(shè)計。切口要小，方案要具體，經(jīng)過小組討論和教師點評等方式優(yōu)化實驗方案，充分調(diào)動學(xué)生們的主觀能動性。

綜上所述，本研究通過對近10年間生物化學(xué)實驗教學(xué)的研究成果知識圖譜分析，得出研究熱點包括實驗教學(xué)改革、翻轉(zhuǎn)課堂、微課、MOOC、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和虛擬仿真等，并討論了生物化學(xué)實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢及所面臨的問題，提出了合理的解決思路，為后期開展生物化學(xué)實驗教學(xué)研究的學(xué)者們提供了選題方向的參考。此外，本文存在一定的局限性，因未含統(tǒng)計發(fā)表在國外期刊上的相關(guān)文獻，即缺少學(xué)科發(fā)展的國際化方向，相關(guān)內(nèi)容仍有待進一步挖掘和探討。