中學物理實驗教學研究的國際經(jīng)驗與趨勢展望
——基于HistCite的圖譜量化分析

于海波，張敏書，陳留定

(1.東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024;2.河南師范大學 物理學院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

實驗教學是物理教育的重要組成部分，實驗教學研究是物理教育領域的重要話題，一直受國際物理教育研究者的重視. 廣泛學習、參考和借鑒國際物理實驗教學研究者的研究成果，有助于提升我國物理實驗教學研究的科學性、前沿性和有效性.

物理實驗既是物理理論形成和發(fā)展的重要基礎，也是檢驗物理理論的重要方式，同時，物理實驗作為物理學內(nèi)容的重要組成部分，也是物理教學的重要內(nèi)容. 通常將以物理實驗為主要內(nèi)容的教學稱為物理實驗教學. 作為物理教學的重要課型，物理實驗教學研究一直是國內(nèi)外物理教育研究領域的重要話題. 近年來，信息技術的發(fā)展在推動物理教育觀念更新、模式變革、體系重構的同時，也使得物理實驗教學更加多元、靈活和開放. 物理實驗教學研究的核心話題、重要方式等也呈現(xiàn)出新的樣態(tài). 分析國際中學物理實驗教學研究的現(xiàn)實樣態(tài)，能夠為優(yōu)化我國實驗教學提供參考.

1 方法與樣本

1.1 研究方法

HistCite軟件是當前國際進行引文歷史和引文圖譜分析時的常用軟件，該軟件由Eugene Garfield等人研究并開發(fā). 用該軟件進行文獻分析，一方面，可以通過文獻中引證事項的時間序列及聯(lián)系，運用引文時序網(wǎng)絡圖展示某個研究主題的引證關系，幫助研究者了解該領域研究的歷史演進和發(fā)展脈絡；另一方面，可以通過分析研究文獻發(fā)表的時間、作者、國家(地區(qū))、研究機構、載文期刊、關鍵詞等內(nèi)容，幫助研究者迅速把握研究領域的主要科研力量分布、重要研究話題等.

本研究使用HistCitePro 2.1梳理中學物理實驗教學領域的外文文獻，并選取文獻發(fā)表量或本數(shù)據(jù)集被引用頻次排位前5名或前10名的研究成果作為高影響力的文獻進行具體分析和解讀，以定位國際上該研究領域的重點研究成果，厘清發(fā)展脈絡，發(fā)現(xiàn)研究熱點，把握需要進一步研究的問題，進而預測未來研究走勢.

1.2 樣本選擇

1)在 Web of Science (簡稱 WOS)核心合集中，以“experiment teaching”(實驗教學)為主題詞，進行初步檢索.

2)進行精煉檢索. 將文獻類型設定為論文、研究方向設定為Physics(物理)、數(shù)據(jù)庫設定為WOS核心合集.

3)為了使所獲得的文獻數(shù)據(jù)與本文的研究對象能夠準確匹配，于“在結果中檢索”一欄分2次輸入關鍵詞篩選文獻，第一次輸入“high school”，篩選過后得到有用文獻371篇，第二次將關鍵詞“high school”改為“middle school”，篩選過后得到有用文獻36篇，2次檢索的結果均添加至標記結果列表，除去4篇重復文獻，共得到有效文獻403篇.

4)在檢索頁面中，選擇“保存為其他文件格式”，記錄內(nèi)容選擇“全記錄與引用的參考文獻”，文件格式選擇“純文本”，獲得原始數(shù)據(jù).

5)運用Notepad++文本編輯軟件處理原始數(shù)據(jù)的純文本文件，借助查找功能補充資料中遺漏的信息，避免分析結果中出現(xiàn) UNKNOWN(不詳)的情況.

通過以上操作，得到引文分析的可用數(shù)據(jù).

2 國際中學物理實驗教學研究總體概況

2.1 文獻發(fā)表年份分析

為考察國際上中學物理實驗教學研究在時間維度上的發(fā)展態(tài)勢，繪制了中學物理實驗教學研究刊文量時間分布圖(見圖1)，其中柱形圖表示每年的刊文量(Recs)，折線圖表示相應年份所發(fā)表文獻的總引用次數(shù)(TLCS). 總體來看，近30年來，中學物理實驗教學研究整體呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢. 2000年之前，年發(fā)文量較低，均不超過5篇,相關文獻大多發(fā)表于2010年以后. 從文獻的被引用頻次來看，2010年之前的文獻被引用頻次相對較高. 本數(shù)據(jù)集中被引頻次較高的前5篇文獻均發(fā)表于2005年之前，研究內(nèi)容涉及物理實驗教學質(zhì)量的調(diào)查研究、基于計算機的物理實驗開發(fā)研究、虛擬實驗與實物實驗教學成效的比較研究3個方面.

比較來看，2017年刊文量高達50篇，約占總文獻數(shù)的12.41%. 這可能是受2016年美國發(fā)布的《STEM 2026：教育中的創(chuàng)新愿景》的影響，該報告對“游戲”“創(chuàng)新”“技術”“操作”等關鍵詞進行了強調(diào). 而“技術”“操作”作為物理實驗教育領域的關鍵詞，再次受到研究者的關注和重視. 2017年，美國科學課程與教材研究組織“生物科學課程研究”(Biological sciences curriculum study，簡稱 BSCS)發(fā)布了《科學教材評價指南》(Guidelines for the evaluation of instructional materials in science)，對包含多媒體教學資源在內(nèi)的教師教學材料給出了評估指標[1]，其中創(chuàng)新、體驗、技術、實踐等學科熱詞極大程度地促進了研究人員對中學物理實驗教學研究的熱情. 在接下來的3年里，關于物理實驗教學的研究成果頻出，2017-2019年的刊文量達到總文獻數(shù)的28.92%.

2.2 國家/地區(qū)分布分析

分析發(fā)現(xiàn)，403篇文獻的研究機構分布于57個國家或地區(qū)，其中發(fā)文量(Recs)與篇均引用次數(shù)(TLCS/Recs)排名前十的國家或地區(qū)如表1所示. 這10個國家或地區(qū)的發(fā)文量約占總文獻量的85.36%，對國際中學物理實驗教學研究做出了重要貢獻. 其中，美國發(fā)文量最多，約占總文獻數(shù)的38.46%，TLCS排名第一，但TLCS/Recs排名第九,說明美國對中學物理實驗教學的關注度較高，研究成果豐富，有一定影響力，但權威性和認可度有待提升. 對比Recs排名前十和TLCS/Recs排名前十的國家發(fā)現(xiàn)，Recs排名前十的國家中，僅有美國和羅馬尼亞的TLCS/Recs大于1，其他8個國家或地區(qū)均不高，說明這8個國家或地區(qū)盡管在中學物理實驗教學研究領域取得了一定成果，但影響力和同行認可度有待提升.

值得注意的是，本數(shù)據(jù)集中的文獻僅有1篇來自于Finland(芬蘭)，但其TLCS/Recs卻最高，分析發(fā)現(xiàn)：該文獻發(fā)表于2011年，是較早關于虛擬實驗教學效果與虛擬實驗、實物實驗相結合教學效果的比較研究，為后續(xù)研究者進一步探索虛擬實驗與實物實驗相結合的物理實驗教學研究提供了依據(jù). Cyprus(塞浦路斯)的Recs排名第十一，但TLCS/Recs排名第二，表明塞浦路斯在中學物理實驗教學研究方面具有不容小覷的影響力，分析發(fā)現(xiàn)：塞浦路斯關于中學物理實驗教學的研究內(nèi)容較為集中，主要關注虛擬實驗教學研究；研究對象較為廣泛，涵蓋中學生、本科生和在職物理教師；對特定主題下的實驗教學關注度較廣，對熱學、電學、光學等學科中的實驗教學均有研究. 研究話題新、研究內(nèi)容集中、研究對象廣泛、涉及的學科知識全，從而使得塞浦路斯的研究成果成為后續(xù)研究者開展虛擬實驗教學研究參考借鑒的權威之作.

2.3 載文期刊分布分析

分析文獻來源能反映該領域研究成果的主要發(fā)布陣地. 403篇文獻被刊發(fā)于145種期刊，其中TLCS排名前十的期刊如表2所示. 這10個期刊可分為3類：a.主要關注物理實驗教育教學問題的純教育類期刊，例如《Journal of Research in Science Teaching》《International Journal of Science Education》《Science Education》；b.綜合性期刊，例如《American Journal of Physics》《Romanian Reports in Physics》《Physics Today》；c.具有主題特色的期刊，例如《Physics Teacher》《Computers & Education》《Journal of Computer Assisted Learning》《Cognition and Instruction》. 該分類反映了中學物理實驗教學研究的主題化. 從期刊的分布發(fā)現(xiàn)：a.物理實驗教學研究絕非囿于物理學科之內(nèi)，而是與教育學、心理學、計算機科學等領域存在緊密聯(lián)系；b.信息技術與物理實驗教學的融合研究是該研究領域的重要話題.

表2 物理實驗教學期刊本地總引用次數(shù)TLCS排名表(前十)

3 國際中學物理實驗教學研究熱點分析

主題詞是文獻計量研究中的重要指標，主題詞的頻次越高，說明學術界對其關注度越高. 分析文獻，梳理出文獻量、TLCS指數(shù)分別排名前十的主題詞如表3所示. 整體而言，Student，Physical，Eeperiment等詞出現(xiàn)的頻次較高，這是由于本研究的核心檢索詞是中學物理實驗教學，所以與之相關的文獻數(shù)和被引用頻次雙高. 而核心檢索詞Teaching的使用和被引頻次均不高，主要是因為很多研究從具體的話題切入研究實驗教學問題，并未直接使用Teaching一詞. 從表中可以看出，Understanding和Learning的被引用頻次較高，進一步分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究者從物理實驗教學對促進學生理解物理概念、掌握物理規(guī)律、深化物理學習等方面的價值入手開展研究. 這也可以說明實驗是學生物理學習的重要內(nèi)容，也是促進學生物理學習的重要手段. 主題詞Virtual被引用頻次也較高，可見，目前中學物理實驗教學研究領域關于虛擬實驗的相關話題已成為一大研究熱點. 另外，從高頻主題詞Based來看，基于現(xiàn)代信息技術改進傳統(tǒng)物理實驗、基于虛擬實驗開展物理實驗教學等是當前中學物理實驗教學研究領域的重要話題.

表3 中學物理實驗教學研究主題詞列表(前十)

深入閱讀并分析一些重要文獻及其引證關系，也是把握中學物理實驗教學研究熱點、脈絡及進展的有效方式. 選擇HistCite中的“Gragh maker”功能，將繪圖依據(jù)設置為“select by LCS count limit 100”，即對本地數(shù)據(jù)庫中LCS前100的文獻進行引文時序圖繪制，如圖2所示. 該圖左側為文獻發(fā)表年份，圓圈中數(shù)字為文獻編號，圓圈大小與該文獻的TLCS值正相關(圓圈越大，說明被引用次數(shù)越多). 由圖2可知，被引用頻次較高的文獻主要分布在1980-2012年，說明該時期是中學物理實驗教學研究領域重要文獻的高產(chǎn)期. 為了完整和具體地了解其研究特點，通過詳細研讀重要文獻，并結合圖 2 中被引次數(shù)多和引證關系相對復雜的文獻鏈進行了深入分析.

3.1 物理實驗教學價值研究

關于物理實驗教學價值的研究一直是中學物理實驗教學研究領域的重要話題. 很多研究者結合常見的中學物理教學實踐開展了關于實驗教學價值的比較研究、實證探索等. 圖2中“18-31-61-991”“31-33-39/40-68-207”等文獻引證鏈都是對物理實驗教學價值的探索. 其中，文獻18發(fā)表的時間較早，該研究對物理實驗在促進學生理解阻力、速度和加速度、力和運動等一些重要概念的作用和價值以及實踐過程進行了分析和闡述. 盡管研究并未對實際教學效果開展調(diào)查，但是其對物理實驗的重視和強調(diào)為后續(xù)研究者開展物理實驗教學的實證研究打下了基礎. 39和40號文獻也是該主題下引用頻次較高的文獻，這2篇文獻相關性較高，前者是關于學生電路學習現(xiàn)狀以及存在問題的調(diào)查研究[2]，后者在前者基礎上以物理實驗為基礎設計了教學過程并開展教學實踐[3]. 實踐證明，基于物理實驗的電路教學，能夠更好地促進學生對電學概念的理解以及提升學生解決電路問題的能力. 在此基礎上，羅恩(Ronen)等人進一步細化研究范圍，著重對學生在包含電阻元件的直流電路相關知識內(nèi)容學習的迷思概念進行詳細調(diào)查，研究結果再一次驗證了電學實驗對學生電路理解的促進作用[4]. 隨著研究的不斷豐富，物理實驗在培養(yǎng)學生科學態(tài)度、科學探究能力[5]、開放性問題解決能力、對知識和方法的遷移運用能力、交流合作能力等方面的獨特優(yōu)勢逐漸得以檢驗和驗證[6].

圖2 中學物理實驗教學引文關系時序圖

比較來看，關于物理實驗教育價值的研究大多集中在對虛擬實驗教育價值的探索，這主要得益于近些年信息技術的快速發(fā)展. 從圖2可以看出，多條引文鏈之間相互交織，每條引文鏈中均有文獻涉及對虛擬實驗的相關討論. 由此可見，依托虛擬技術開展物理實驗教學研究，探索物理實驗教學的優(yōu)化與改進路徑，是當前甚至未來物理實驗教學研究的重要話題. 但從當前的研究來看，虛擬實驗在物理實驗教學中的地位和作用，不同研究者觀點不一致，具體可以分為以下3類：

1)虛擬實驗作為實物實驗的替代，認為虛擬實驗能達到與實物實驗相同的教學效果，并具有重復性高、空間要求低、實驗安全性高、課堂管理容易等優(yōu)勢，可以代替實物實驗進行實驗教學[7].

2)虛擬實驗作為實物實驗的輔助，認為虛擬實驗剝奪了學生動手實驗的機會，而這些對于學生學習物理來說是必不可少的. 只有在沒有真正的實驗室或者實驗太昂貴、太危險、太復雜等情況下，虛擬操作才應該被用于實驗教學[8].

3)認為實物實驗和虛擬實驗各有所長，探索二者的融合實現(xiàn)優(yōu)勢互補，才是物理實驗教學的應然取向[9].

3.2 物理實驗改進與創(chuàng)新研究

實驗是進行實驗教學的重要基礎，對實驗的改進與創(chuàng)新也是中學物理實驗教學研究的重要話題. 關于該主題的研究，本數(shù)據(jù)集中存在多條文獻引證鏈. 例如“23-24-31-91-125/156”“1-47”“11-238”“14-191”“60-83”“213-256”都是關于物理實驗改進與創(chuàng)新的研究. 目前，國際上主要采用2種途徑對中學物理實驗進行改進和優(yōu)化：

1)基于常見電子設備進行實驗開發(fā)研究. 智能電子設備作為新型傳感器，自帶的攝影、錄音等功能可以全程記錄實驗現(xiàn)象，搭配相應軟件，使學生處理數(shù)據(jù)、探究物理現(xiàn)象及規(guī)律變得更加方便. 例如，利用平板電腦、拋物面鏡、LED手電筒制作簡易實驗儀器，通過圖形陰影系統(tǒng)將觀測對象附近透明氣體的溫度變化進行可視化[10]；將智能手機作為測量時間的工具，利用手機語音備忘錄功能，通過聲音波形變化來計時，測量實驗所在地的重力加速度[11]；智能手機、數(shù)據(jù)分析軟件和電動牙刷等器件配合使用，研究駐波形態(tài)[12]；把水滴在手機屏幕上，形成水球，驗證透鏡方程式[13]. 已有研究證明，無論是虛擬實驗，還是虛擬與實物結合的實驗，與實物實驗相比，在對學生進行概念理解的教學指導方面都顯示出更高的作用[14].

2)基于AR技術的物理實驗改進研究. 近幾年來，AR技術為現(xiàn)代實驗室的建設提供了新的媒介和教材. 增強現(xiàn)實技術可以將圖像和視頻形式的二維或三維虛擬物體與真實物體結合起來，使它們與周圍環(huán)境(混合現(xiàn)實)融合，并投影到實時場景中. 配備AR教材促進學生之間的互動學習，營造有利于交流的學習氛圍，幫助學生描述科學和物理現(xiàn)象的概念，并將這些概念可視化. 已經(jīng)開展的研究中，AR技術對學生在熱材料[15]、直流電回路中的基爾霍夫定律[16]、天體物理[17]等主題下的學習態(tài)度與成績呈現(xiàn)正向影響.

3.3 中學生物理實驗素養(yǎng)研究

物理實驗素養(yǎng)是中學生在分析解決物理實驗問題以及完成實驗活動時所表現(xiàn)出來的必備品格和關鍵能力. 培養(yǎng)學生的物理實驗素養(yǎng)是中學物理實驗教學的重要目標之一. 從引文關系時序圖來看，文獻鏈“52-104”“52-79-116-151”是關于學生實驗素養(yǎng)的研究. 從研究內(nèi)容上來看，具體可以分為2個方面的研究：

1)關于學生實驗素養(yǎng)的調(diào)查研究. 文獻52是該研究領域的奠基之作，F(xiàn)red等采用自行編制的問卷，調(diào)查了11歲、13歲和15歲學生的實驗數(shù)據(jù)處理能力，涉及到學生對精密度和精確度區(qū)別的認識、隨機誤差和系統(tǒng)誤差的理解、重復測量原因的認識、重復測量方法的選擇以及數(shù)據(jù)分析、處理與傳播方法的掌握等多個方面，并提出為了培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)處理能力，教師應設置調(diào)查任務，讓學生體驗數(shù)據(jù)收集、分析和處理的全過程[18]. 在此基礎上，Andy等人從數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)比較3個方面對學生的測量觀進行了調(diào)查研究，調(diào)查發(fā)現(xiàn)多數(shù)學生將求平均值作為解決所有實驗誤差問題的靈丹妙藥[19]. 從已有的研究結果來看，學生數(shù)據(jù)分析能力與其完成數(shù)據(jù)收集這一操作任務的能力之間幾乎沒有關系.

2)關于學生實驗素養(yǎng)培養(yǎng)策略的研究. 例如文獻鏈116-151，Eugenia等人認為創(chuàng)設研究性科學學習環(huán)境，讓學生自主設計實驗，檢驗或驗證假設并解決問題，是提升學生實驗能力的重要途徑. 經(jīng)過為期1年的教學實踐，學生的實驗設計能力、數(shù)據(jù)分析能力、合作交流能力均得到了顯著提升，但是對實驗的評估與反思能力并未發(fā)生顯著變化. 基于此，Eugenia等人進一步提出：教學中可以通過編制實驗指導手冊、引導學生自評互評等方式，指導學生對實驗方法、過程和效果等進行反思與總結，從而提升學生的實驗反思水平. 基于該設想，Eugenia等人進一步將實驗反思、形成性評估等融入到教學實踐，經(jīng)過為期1年的實踐檢驗，實踐效果顯著[20].

3.4 物理實驗教學模式研究

如何開展實驗教學是國際上中學物理實驗教學研究領域關注的重要話題之一. 從實驗教學中實驗的開放性程度來看，中學物理實驗教學模式經(jīng)歷了“封閉—半封閉—開放”的發(fā)展過程(例如“116-228”“151-228”等).

早期的中學物理實驗教學模式是封閉式的. 教學中，教師選擇并規(guī)定問題，確定實驗儀器和實驗步驟；學生根據(jù)教師的指導或?qū)嶒炇謨陨系牟襟E說明，完成實驗并得到預期的數(shù)據(jù)[21]. 這種流程化、封閉式的實驗教學幾乎未給學生留下單獨參與的機會，實驗探究質(zhì)量不高，學生實驗探究能力發(fā)展有限[22]. 例如，Markand和Patrick的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)封閉式的實驗教學是造成高中生問題分析能力、設計和進行實驗的能力、數(shù)據(jù)處理能力以及實驗反思能力等普遍較差的主要原因[23]. 到20世紀90年代，Tobin準備了1份關于實驗教學有效性的綜合研究報告，建議物理教學要讓學生有機會在適合他們的環(huán)境中操作設備和材料，構建學生對現(xiàn)象和相關科學概念的知識[24].

與封閉式和半封閉式實驗教學模式相比，開放式實驗教學模式有以下特征：a.實驗過程開放. 教師向?qū)W生陳述實驗需要探究的問題，由學生自主設計并完成實驗；b.以形成性評價為主. 教師對學生實驗探究情況的評價，不再局限于學生是否得到預期結果，而是更加重視實驗過程中學生的實驗設計能力、數(shù)據(jù)分析和論證能力等方面.

從已有研究結果來看，采用開放式實驗教學模式進行中學物理實驗教學，不僅有助于學生對物理概念的理解和對程序性知識的掌握[25]，還能有效促進學生實驗設計和操作能力、實驗評價和反思能力、遷移能力等多方面能力的發(fā)展[26]. 也有研究者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，開放式實驗教學模式在促進學生多方面發(fā)展的同時，也存在一些問題：a.缺乏程序性的實驗指導文件，易造成學生在實驗過程中不知所措，不知如何開展學習和進行實驗[27]；b.開放式實驗教學模式需要的教學時間較長，一些教師因擔心完不成教學任務而不愿投入這段時間，還有一些教師認為開放式實驗教學在達成課程目標上效果有限[28]. 針對這些問題，Aaron等人開展了為期2年的研究，他們發(fā)現(xiàn)進行開放式物理實驗教學初期，確實存在學生探究效率不高、探究時間過長、教學任務難以完成等問題，但是隨著更多次實驗教學的開展，學生逐漸習慣這種教學模式，探究的主動性和積極性更高，探究效率也明顯提升，課程目標也能高質(zhì)量達成[29].

3.5 物理實驗教學質(zhì)量測評研究

關于物理實驗教學質(zhì)量的測評研究有很多. 從評價內(nèi)容上來看，不同類別的物理實驗教學對教學質(zhì)量進行評價時，評價指標會有所不同. 具體可以分為3類：

1)實物實驗教學中，將學生的探究結果作為主要指標. 文獻鏈“15-51-65-81”即為這一類型的研究，這些研究都是對實物實驗教學效果的評價. 例如，15號文獻以全息照片的制作為例[30]，教師首先進行理論知識講授；然后組織學生動手實驗，引導學生在實驗過程中理解光學概念、掌握全息技術；最后，教師根據(jù)學生完成的全息照片是否清楚、是否符合全息技術產(chǎn)品要求以及學生能否就實驗成品制作過程進行解釋說明這3個方面對該節(jié)課的教學質(zhì)量進行評價. 這類實驗教學具有典型的“理論+操作=成品演示”特點，此類實驗教學質(zhì)量以實驗成品質(zhì)量高低為主要評判標準.

2)將計算機作為數(shù)據(jù)采集和處理工具的實驗教學中，通常以學生的數(shù)據(jù)分析和解釋能力、對知識點的掌握情況為主要評價指標[31]. 這主要是因為計算機的引入避免了學生繁重的計算和繪圖工作，學生可以將更多的精力集中在實驗數(shù)據(jù)分析和知識點的學習上[32]. 例如，文獻鏈“23-24-31-48-50”即關于這一主題下的研究.

3)虛擬實驗教學質(zhì)量評價中關注的評價指標較多，主要涵蓋學生對概念的理解和掌握情況、實驗設計能力、實驗操作能力等方面[33-35]. 涉及到該類型的文獻鏈包括“38-93-125-133-175-188-241”“38-156-266”“38-156-290”等.

從評價方法上來看，標準化的測驗或考試和問卷調(diào)查法是最常用的評估方法.

1)標準化的測驗或考試. 大多數(shù)研究將學生對知識的理解和掌握作為評價實驗教學質(zhì)量的重要指標，而標準化的測試則是評估這一指標的最有效方法. 例如，在關于電路的實驗教學中，F(xiàn)inkelstein等人向?qū)W生展示電路圖，并結合該電路圖設置3個問題，用以考查學生對電流、電阻、電壓以及串聯(lián)和并聯(lián)等概念的理解[36].

2)問卷調(diào)查法. 有研究發(fā)現(xiàn)，關于實驗教學質(zhì)量評價的研究中，91%的研究者采用問卷調(diào)查法[37]，李克特量表是最常用的測評工具.

另外，課堂觀察法也是常用的評價方法. 通常情況下，這些方法并不是單獨使用的，研究者一般會使用其中的2種甚至更多. 例如，Tatli等人綜合采用訪談法和課堂觀察法對虛擬實驗教學質(zhì)量進行了評價[38].

3.6 實物實驗和虛擬實驗教學成效比較研究

本數(shù)據(jù)集中多篇文獻涉及到實物實驗與虛擬實驗教學成效的比較研究. 不同研究者的研究發(fā)現(xiàn)也存在一定差異，主要可以分為以下3種：

1)認為實物實驗教學效果更好. 有研究者發(fā)現(xiàn)，在學生的物理學習中，實物實驗必不可少[39]，只有在沒有真正的實驗室、設備太昂貴或太復雜、實驗太危險、要求實驗技術太高或有嚴格的時間限制的情況下，虛擬操作才應該被用于實驗[40].

2)認為虛擬實驗教學效果更好. 例如，F(xiàn)inkelstein等人調(diào)查了學生對簡單電路學習效果的比較研究，調(diào)查顯示，虛擬實驗教學在幫助學生理解電路方面教學效果更好[36].

3)認為二者教學效果相同. 文獻鏈“87-121-175”和“133-266”都是對這一觀點的最好證明. 例如，121號文獻在本數(shù)據(jù)集中的引用次數(shù)排名第四. 該研究以七年級和八年級學生為研究對象開展了實物實驗與虛擬實驗教學效果的比較研究，結果發(fā)現(xiàn)學生在實物實驗和虛擬實驗教學下的學習成效相同. 另外，相關研究還發(fā)現(xiàn)，2種實驗教學在促進學生概念理解[41]、實驗設計能力的發(fā)展[42]等方面具有相同的教學效果.

比較來看，造成不同研究者對實物實驗與虛擬實驗教學成效難以達成一致的主要原因可能是研究者評價教學成效的標準、工具或方法不一. 例如，多數(shù)研究者將學生對物理概念的理解和掌握作為評價教學成效的重要指標，結果發(fā)現(xiàn)虛擬實驗教學效果優(yōu)于或者等同于實物實驗教學效果[43]；有的研究者以學生的操作技能來評估教學成效，結果發(fā)現(xiàn)實物實驗教學效果顯著優(yōu)于虛擬實驗教學效果[44].

近年來，隨著研究的不斷深入，越來越多的研究者開始探索實驗教學中實物實驗與虛擬實驗的融合策略. 文獻鏈“125-137、137-171-188-263”“68-125”等都是關于實物實驗與虛擬實驗融合的實證研究. 研究發(fā)現(xiàn)，在促進學生對光和顏色[45]、熱和溫度[46]、電路等物理概念的理解上[47]，基于實物實驗和虛擬實驗結合的實驗教學，比單獨使用其中任何一種實驗方式的教學都更加有效[48]. 這主要是因為實物實驗和虛擬實驗各有所長，虛擬實驗能夠?qū)﹄娏鞯瘸橄笪锢砀拍钐峁┲庇^演示，數(shù)據(jù)處理上也更加方便快捷；而實物實驗與學生生活經(jīng)驗更加貼合，學生能夠直接接觸實驗并親手操作，二者結合能夠更好地促進學生對概念的理解[49].

4 國際中學物理實驗教學研究特點

4.1 研究主題廣泛，探索深度不一

中學物理實驗教學是世界范圍內(nèi)的共性話題，同樣也是個性話題. 不同國家或地區(qū)獨特的經(jīng)濟和文化特點，在對物理實驗教學、物理實驗室建設等方面的關注度上存在差異，使得其關于物理實驗教學研究的整體水平、所處的現(xiàn)實困境以及未來發(fā)展所具備的優(yōu)勢等都有差別. 學者們基于不同的物理教育發(fā)展與改革目標、物理實驗教學要求，立足于不同的理論視角，結合當?shù)匚锢斫逃龑嶋H，進行了不同主題的研究. 由統(tǒng)計和分析樣本文獻可知，文獻所包含的主題詞多達1 465個，研究內(nèi)容上涉及物理實驗教學中學生的概念理解問題、實驗在教學中的地位和作用問題、虛擬實驗教學問題、虛擬實驗與實物實驗的融合問題、基于計算機模擬的物理實驗優(yōu)化與改進問題以及力學和電學等主題下實驗教學問題等. 豐富的研究主題為物理實驗教學研究的縱深發(fā)展提供了研究基礎. 但是橫向比較來看，不同主題的研究深度差別很大. 例如，國際上對虛擬實驗的教學價值和作用、物理實驗的改進與創(chuàng)新等方面的研究已趨于系統(tǒng)化、精細化，對實物實驗與虛擬實驗的應用研究開始進入批判、反思與整合階段. 但是關于物理教師的實驗能力、中學生實驗素養(yǎng)的研究還比較零碎，缺少系統(tǒng)、深入、標準化的探索.

4.2 實證研究主導，理論探索不足

從研究類型的角度看，實證研究在中學物理實驗教學研究中占據(jù)主導地位，例如關于實驗教學成效、學生實驗素養(yǎng)的調(diào)查研究、不同類別物理實驗教學效果的比較研究等. 盡管從文獻數(shù)量上來看，實證研究占據(jù)主導，但是研究主題卻比較有限，主要有學生實驗素養(yǎng)的調(diào)查研究、聚焦于虛擬實驗教育價值研究、虛擬實驗與實物實驗教學效果的比較研究3個方面. 從這點來看，進一步擴充實證研究的研究主題顯得尤為必要. 并且，已有研究缺乏對物理實驗教學的目的與內(nèi)容、過程與模式、策略與方法、評價指標與標準等基礎性理論問題的研究與探索，更缺少對物理實驗教學價值取向、目標定位、基本理念等方面的分析，多數(shù)研究者僅僅是基于自己的研究假設進行簡單的教學實驗、測量與評價. 如此，雖豐富了研究內(nèi)容，但研究的科學性、系統(tǒng)性和準確性卻難以保證. 例如，對物理實驗教學評價理論建構的不足造成不同研究者在評價實驗教學成效時理論假設、評價指標、表征方式見仁見智、難以統(tǒng)一，從而阻礙了研究向縱深推進.

4.3 研究方法多元化，科學化水平欠佳

從研究方法上來看，研究者越來越重視研究方法的多元化，嘗試以綜合使用多種研究方法的方式來提升研究的科學性. 其中，問卷調(diào)查法、觀察法、實驗研究法、訪談法和比較研究法等是最為常見的研究方法. 知識的復雜性以及各種研究方法的互補性決定了中學物理實驗教學研究應采用多層次、多類型的研究方法. 近些年的研究也表明，研究者在探索中學物理實驗教學問題中，也越來越重視研究方法的多元化和綜合化使用，對研究方法使用的科學性和規(guī)范性有了顯著提升，但仍然存在方法運用缺少規(guī)范、方法有效性檢驗的缺失等問題. 例如，實驗研究中僅僅通過一兩節(jié)課的教學，判斷物理實驗在促進學生科學態(tài)度發(fā)展和實驗技能提升方面的作用；有些關于實物實驗與虛擬實驗教學成效的比較研究，并未有效控制教學實驗過程中的相關變量等.

4.4 區(qū)域化明顯，發(fā)展中國家勢頭強勁

受不同國家或地區(qū)經(jīng)濟水平、教育政策變革等多方面因素的影響，國際中學物理實驗教學研究呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域化特點. 雖然存在很多共性話題，但不同國家或地區(qū)研究的側重點仍存在很大差異. 例如，教育信息化水平較高的美國、澳大利亞等發(fā)達國家，關于中學物理實驗教學研究主要側重于現(xiàn)代信息技術下的物理實驗改進研究；教育信息化水平相對較低的印度尼西亞、塞浦路斯等發(fā)展中國家則更關注虛擬實驗教學效果的實證研究. 即使對于同一研究主題，不同國家在研究進度、研究方法等方面也表現(xiàn)出顯著差異. 由此來看，未來研究應在做好本土化的基礎上，加強國際交流和借鑒. 這也正是學術界倡導物理教育研究要加強國際交流的原因所在. 另外，從近年文獻產(chǎn)出質(zhì)量來看，發(fā)文量較多、文獻引用頻次較高的國家由起初的美國、意大利、德國等發(fā)達國家逐步擴大到世界各國，尤其是一些發(fā)展中國家的話語權、研究熱度和重要程度逐年攀升. 例如，羅馬尼亞是發(fā)展中國家的典型代表，發(fā)文量和文獻引用頻次均比較靠前，在其發(fā)表的12篇文獻中，有6篇發(fā)表于2015年及之后，且這6篇文獻的TLCS/Recs高于其前期發(fā)表的文獻. 這說明該國中學物理實驗教學研究領域的成果在質(zhì)和量上，均有明顯提升. 又例如，來自中國和印度尼西亞的文獻主要集中在2017—2020年，相較于20世紀末和21世紀初，這2個國家關于中學物理實驗教學的研究熱度和研究成果數(shù)量均明顯增長.

5 中學物理實驗教學研究思考與展望

梳理國際上中學物理實驗教學的研究圖譜，把握其研究內(nèi)容、研究進展和研究特點，能夠為我國研究者思考中學物理實驗教學問題提供更多的可能，幫助研究者拓寬研究視野、深化研究內(nèi)容. 吸取國際中學物理實驗教學研究經(jīng)驗，我國中學物理實驗教學的理論研究和實踐探索可以從以下幾個方面做出嘗試.

5.1 重視實驗教學基本理論構建

從國際中學物理實驗教學研究現(xiàn)狀的分析結果來看，以現(xiàn)狀調(diào)查和開展教學實驗為主的實證研究占主導地位，而關于物理實驗教學價值取向、目標定位以及教學模式與策略、過程與方法、評價與考核等基本理論的研究則寥寥無幾. 總體來看，相關理論研究大致可以分為2類：a.結合教學經(jīng)驗進行的理論構建，但基于個人實踐經(jīng)驗構建的概括化理論往往缺乏共識性，引領性不足；b.對其他課型或?qū)W科相關理論的借鑒和移植，這些理論往往難以兼顧中學物理實驗教學的獨特性. 而理論研究成果的缺失或不足容易造成物理實驗教學的盲目化、隨意化以及實驗教學研究的零碎化、淺層化. 鑒于此，未來中學物理實驗教學研究應基于實驗教學的獨特性，結合當前物理教育發(fā)展的時代背景，在反思傳統(tǒng)物理實驗教學理論，批判性借鑒其他學科、其他課型教學理論的基礎上，重構物理實驗教學的基本理論，最終實現(xiàn)實驗教學理論與實踐的良性互動和可持續(xù)發(fā)展.

5.2 加強教師實驗教學能力研究

實驗教學能力是物理教師的基本能力之一，是教師開展物理實驗教學的基礎和前提. 然而，國際中學物理實驗教學研究領域?qū)ξ锢斫處煂嶒灲虒W能力的關注度較低，相關研究大多分布于物理實驗教學策略、物理實驗改進等相關研究中，呈現(xiàn)出零碎化、淺層化、片面化等特征. 豐富和深化物理教師實驗教學能力研究需要關注3個方面：

1)構建頂層式物理教師實驗教學能力標準. 建立頂層式教師實驗教學能力標準，為物理教師實驗教學能力培養(yǎng)、不同研究者開展物理教師實驗教學能力等提供統(tǒng)一參考.

2)關注群體差異. 研究者應結合物理教師的學段差異、水平差異和學校差異，在保證設計理念、邏輯關系與頂層式物理教師實驗教學能力標準一脈相承的基礎上，構建差異化的物理教師實驗教學能力測查和評估框架，進而開展針對性的現(xiàn)狀測查研究或培養(yǎng)研究.

3)重視信息化時代對物理教師實驗教學能力的新要求. 現(xiàn)代信息技術與物理實驗教學的深度融合在對物理實驗教學帶來巨大變化的同時，也對物理教師提出了新要求. 虛擬實驗和實物實驗的整合能力、虛擬實驗的使用能力等成為新時代物理教師實驗教學能力的重要構成要素.

5.3 深化虛擬仿真實驗教學研究

從研究主題詞分析和時序圖分析結果來看，關于虛擬實驗的研究是國際上中學物理實驗教學研究領域的重要話題. 相關研究成果較為豐富，涵蓋了虛擬實驗改進與創(chuàng)新、虛擬實驗教育價值、虛擬實驗教學策略、虛擬實驗與實物實驗的比較研究等多個方面. 我國研究者也開展了大量研究，研究內(nèi)容涉及基于虛擬實驗的物理實驗教學策略、虛擬實驗平臺建設等方面. 相對而言，我國中學物理實驗教學中，涉及到虛擬實驗的研究范圍較廣，但精細度和系統(tǒng)性還有待提升. 進一步推進虛擬實驗在中學物理實驗教學中的應用研究，可從以下2個方面入手：

1)強化虛擬實驗的開發(fā)研究. 近年來，隨著教育技術的普及、線上教育數(shù)量的增加，虛擬實驗在物理實驗教學中的地位越來越重要. 為適應教育未來發(fā)展需要，充分發(fā)揮虛擬實驗的教育價值，不僅要豐富虛擬實驗的內(nèi)容，還要加強虛擬實驗的真實性、交互性和可操作性. 另外，對于實驗步驟如何去程序化，以使學生能夠在虛擬實驗探索過程中自主進行實驗設計，也是亟待解決的問題.

2)繼續(xù)深化實物實驗和虛擬實驗的融合研究. 從國際研究成果來看，實物實驗和虛擬實驗融合的優(yōu)越性已經(jīng)得到證實，如何將二者進行高質(zhì)量的融合，融合的路徑、方法或策略是什么，什么程度的融合才是高質(zhì)量融合，等等，則是需要進一步深入思考和探索的問題.

5.4 關注物理開放實驗教學研究

通過實驗教學培養(yǎng)學生的探究能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力是國際物理實驗教學改革的主旋律. 而實現(xiàn)這一目標的關鍵是提升實驗教學的開放性程度，進行開放式教學. 開放式教學不僅是一種教學模式、教學方法，還是一種教學理念. 開放式實驗教學的核心是以學生為中心，強調(diào)師生互動，關注學生在實驗過程中的自主性，教師的職責在于為學生創(chuàng)造探究環(huán)境.

目前，國際上已圍繞開放式實驗教學的教育價值、教學效果等開展了一系列實踐探索，但關于其教學方法、教學策略、教學模式等方面尚缺少系統(tǒng)、完備的研究. 我國關于開放式實驗教學的研究多局限于高等教育階段，中學階段的相關研究有待進一步擴展和深化. 加強開放式實驗教學的理論和實踐研究：a.要把握開放性實驗教學的核心要義，開放性實驗教學強調(diào)能動性、自主化、民主化、靈活化和生成性等，包括開放的環(huán)境、時間、資源、課程和態(tài)度等5個方面；b.加強大學與中學合作，促進理論與實踐一體化研究. 高校物理教育研究者通常具有相對扎實的理論基礎、開闊的研究視野，中學能夠為相關研究成果的檢驗、運用和推廣提供實踐場域，二者的交流與協(xié)作能夠兼顧開放式實驗教學研究理論與實踐的協(xié)同發(fā)展.

5.5 增強教學研究方法的科學性

近年來，我國研究者在研究中學物理實驗教學問題時，研究方法運用的科學性還有待提高. 國際上中學物理實驗教學研究領域，除了采用現(xiàn)狀調(diào)查研究、案例分析研究和比較研究等傳統(tǒng)的研究方法之外，越來越多的研究者采用實驗法以及混合研究法開展研究. 這些能夠為我國中學物理實驗教學研究的開展起到積極的示范作用. 提升我國中學物理實驗教學研究方法的規(guī)范化和多元化，需注意以下2點：a.根據(jù)問題選方法，選擇研究方法首先需要透徹理解研究問題；b.規(guī)范運用方法，運用研究方法是否科學規(guī)范直接影響著學校教育質(zhì)量研究結論的信度和效度. 未來的研究需進一步提高研究方法的適當性，增強研究過程的規(guī)范性.

5.6 強化實驗教學評價工具研究

國際上關于物理實驗教學質(zhì)量的測評研究尚處于起步階段，尚未形成普遍、成熟的評價工具庫. 在評價指標的選擇上，研究者通常根據(jù)研究目的，選擇學生對知識的理解和掌握、探究能力、觀察能力、實驗操縱能力以及數(shù)據(jù)分析能力中的1個或者幾個方面展開測查，而物理實驗教學是復雜的系統(tǒng)，對其質(zhì)量的評價不能僅僅從學生學習成效進行測評，而應是對其多個構成要素的綜合考量. 在測評試題的編制上，大多數(shù)研究者根據(jù)課堂教學內(nèi)容，選擇物理學科內(nèi)容領域的某一專題自行編制測評試題，其測評試題的信效度難以得到有效保證.

在我國，一些研究者嘗試開展了物理實驗教學的評價研究，但評價指標、評價標準的科學性、系統(tǒng)性和有效性等有待進一步考查和驗證. 加強物理實驗教學評價工具的開發(fā)研究，一方面要立足于物理實驗教學的目標追求，構建針對性的評價指標、評分標準等；另一方面要提升評價工具的有效性和可信度.

6 結束語

從國際視角縱觀中學物理實驗教學研究領域的發(fā)展，教育測量學、心理學等相關理論的合理運用極大地提升了物理實驗教學研究的科學化、規(guī)范化水平，科學技術的不斷發(fā)展為物理實驗改進、物理實驗教學的優(yōu)化等提供了越來越多的資源保障. 未來的中學物理實驗教學研究，在深化傳統(tǒng)物理實驗教學研究的基礎上，還應抓住中學物理實驗教學的獨特性，依據(jù)教育研究的基本理論，充分利用現(xiàn)代信息技術，從教師、學生、物理實驗本身等多視角、多維度地進行物理實驗教學的優(yōu)化與改進、融合與創(chuàng)新. 如此，才能更大程度地拓展中學物理實驗教學的研究內(nèi)容和方法體系，提升中學物理實驗教學研究的理論高度和實踐深度，進而促進中學物理實驗教學質(zhì)量的持續(xù)性提升.