軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的可視化分析

摘 要：準確把握軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的現(xiàn)狀和研究熱點，對于中學(xué)物理教學(xué)有著重要的指導(dǎo)意義。根據(jù)CiteSpace和VOSviewer兩款軟件的可視化結(jié)果，從發(fā)文趨勢、作者及機構(gòu)偶聯(lián)、關(guān)鍵詞突現(xiàn)等方面對軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的現(xiàn)狀與研究熱點進行剖析。研究發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域正處于發(fā)展黃金期，但相關(guān)研究者和機構(gòu)應(yīng)加強合作，關(guān)注新興軟件技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。如何將這些新興軟件技術(shù)有效融入物理教學(xué)設(shè)計和實踐中，以提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，成為當前的研究熱點。

關(guān)鍵詞：軟件技術(shù)；中學(xué)物理教學(xué)；研究熱點；可視化分析

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0073-6

近年來，軟件技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是在教育部《教育信息化２．０行動計劃》和《中國教育現(xiàn)代化２０３５》等政策的推動下，催生了各種新型教學(xué)手段和多功能的教學(xué)軟件。這些技術(shù)的不斷革新與物理課堂教學(xué)深度融合，吸引了眾多研究者的關(guān)注。然而，當前該領(lǐng)域的研究是否已經(jīng)趨于飽和？相關(guān)研究者和研究機構(gòu)的合作程度如何？當前及未來一段時間的研究熱點又是什么？為了解答這些問題，將使用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ兩款文獻計量工具，發(fā)揮二者的優(yōu)勢互補，對相關(guān)文獻進行發(fā)文量、作者合作、機構(gòu)偶聯(lián)以及關(guān)鍵詞突現(xiàn)的分析。通過這些分析，旨在為研究者提供有價值的參考建議，以促進軟件技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的進一步應(yīng)用與發(fā)展。

１ 研究設(shè)計

ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ是當前較為熱門的兩款可視化文獻計量工具，而中國知網(wǎng)是國內(nèi)最大的中文文獻數(shù)據(jù)庫。本文基于中國知網(wǎng)的數(shù)據(jù)，利用這兩款可視化工具進行統(tǒng)計分析，以明確研究趨勢和熱點。

１．１ 文獻檢索與篩選

軟件技術(shù)泛指在需求提出、系統(tǒng)開發(fā)到維護使用的全過程中所涉及的技術(shù)［１］。本研究所探討的“軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)”主要包括依托軟件技術(shù)的教學(xué)方式，利用軟件技術(shù)開發(fā)的教學(xué)平臺，以及各種具體的教學(xué)軟件。

研究數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)，在檢索時，為確保涵蓋盡可能多的相關(guān)文獻，應(yīng)使用寬泛的檢索詞［２］。經(jīng)過多次探索，最終確定的檢索式為（ＳＵ％＝（‘中學(xué)物理’＋‘高中物理’＋‘初中物理’） ＯＲ ＴＩ％（‘中學(xué)物理’＋‘高中物理’＋‘初中物理’）） ＡＮＤ（ＳＵ％＝（‘軟件’＋‘軟件技術(shù)’） ＯＲ ＴＩ％（‘軟件’＋ ‘軟件技術(shù)’）），檢索日期為２０２３年４月１７日，共檢索到文獻８６０篇。隨后，兩名研究者Ａ、Ｂ獨立進行手動篩選，排除會議論文、作者信息不全、研究主題與軟件技術(shù)無關(guān)的文獻，以及重復(fù)文獻。最后，由第三名研究者Ｃ核對比較，確定符合標準的文獻共計６０２篇。

１．２ 研究思路與方法

研究采用可視化方法，將數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ繪制可視化圖譜。這兩款軟件具備“圖”和“譜”的雙重特性，不僅能夠通過圖形將數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，還能以譜系的方式序列化表達，使結(jié)果的呈現(xiàn)更加直觀［３］。付健等從軟件功能算法的角度分析并指出，ＣｉｔｅＳｐａｃｅ基于時間的可視化方式有助于考察研究主題隨時間的變化；同時，其聚類算法能夠幫助研究者發(fā)現(xiàn)突現(xiàn)詞，從而探討熱點和把握研究方向［４］。宋秀芳等則比較了兩款軟件的可視化結(jié)果，指出在進行作者偶聯(lián)分析時，ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ的分析結(jié)果與原數(shù)據(jù)的符合程度顯著高于ＣｉｔｅＳｐａｃｅ［５］。

基于上述分析，使用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ繪制機構(gòu)偶聯(lián)圖譜并尋找突現(xiàn)詞，客觀評述軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的研究趨勢和熱點；在考察作者發(fā)文及合作情況時，則基于ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ生成的圖譜進行分析。

在ＣｉｔｅＳｐａｃｅ ６．２．Ｒ２中導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化格式后，得到有效數(shù)據(jù)５９６條。時間劃分（Ｔｉｍｅ

Ｓｌｉｃｉｎｇ）設(shè)置為２０００年１月至２０２３年３月，時間切片（Ｙｅａｒｓ Ｐｅｒ Ｓｌｉｃｅ）為１年。在分析研究機構(gòu)時，進行了數(shù)據(jù)清洗，例如將“西南師范大學(xué)”合并到“西南大學(xué)”，以最大程度確保分析結(jié)果的客觀性和準確性。

在利用ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ１．６．１９進行作者分析時，依據(jù)普賴斯（Ｐｒｉｃｅ）公式［６］計算核心作者發(fā)文量N=0.749×■，其中η■為該領(lǐng)域最高產(chǎn)作者的發(fā)文數(shù)量。計算結(jié)果為N=１．４９８，向上取整為２，因此發(fā)文量大于等于2篇的作者可視為該研究領(lǐng)域的核心作者候選人，共５２人。

２ 可視化結(jié)果分析

導(dǎo)出軟件繪制的圖譜后，從年度發(fā)文量、作者及研究機構(gòu)合作關(guān)系、關(guān)鍵詞等方面進行剖析。

２．１ 發(fā)文量趨勢

逐年發(fā)文量趨勢可以反映某一研究領(lǐng)域熱度的變化［７］，如圖１所示。結(jié)果顯示，在研究涵蓋的時間范圍內(nèi)，關(guān)于軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的相關(guān)文獻最早發(fā)表于２０００年。２０００年至２００８年每年發(fā)文量在１至７篇之間浮動。自２００９年起，年度發(fā)文量有所增長；到２０１１年，相較于２００８年之前的發(fā)文量已經(jīng)翻番。這一時期發(fā)文量的增長與我國互聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及密切相關(guān)。

在２０１１年至２０１５年間，年發(fā)文量趨于穩(wěn)定。自２０１５年開始，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，軟件技術(shù)也借此東風(fēng)蓬勃發(fā)展并應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域。在此期間，“互聯(lián)網(wǎng)＋教育”成為突現(xiàn)熱詞［８］。２０１６年至２０２０年，年發(fā)文量呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的指數(shù)型增長。盡管２０２１年開始增長速度有所減緩，但年發(fā)文量依然保持在歷史高位。

根據(jù)普賴斯的劃分，當前該領(lǐng)域的研究即將過渡到成熟階段，因此可以預(yù)測在未來一段時間，論文數(shù)量將保持較穩(wěn)定的線性增長［９］。由于文獻只檢索到２０２３年３月，因此當年節(jié)點用虛線連接，但不難推測２０２３年的發(fā)文量將保持高位，這表明在中學(xué)物理教學(xué)中引入軟件技術(shù)的研究前景良好。

２．２ 作者合作分析

根據(jù)１．２節(jié)計算得出的５２位核心作者候選人，共發(fā)文１１５篇，占總發(fā)文量的１９．３０％。根據(jù)普賴斯定律，該研究領(lǐng)域高產(chǎn)作者群尚未形成［１０］。在ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ生成的作者共現(xiàn)疊加圖譜（圖２）中，以節(jié)點大小表示作者的發(fā)文量，相互有重疊或連線的節(jié)點表示這些作者之間存在合作關(guān)系，而冷暖色調(diào)則表示作者的發(fā)文年份。該圖譜側(cè)重于刻畫某位作者的發(fā)文量及發(fā)文時間。

通過分析圖譜可以發(fā)現(xiàn)，在軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的相關(guān)研究中，多數(shù)研究人員未形成長期、穩(wěn)定的合作關(guān)系。其中，陳林和王鵬的發(fā)文量均為４篇，而桑芝芳、李廣富、狄莉麗等７位作者的發(fā)文量均為３篇。從時間上看，以李廣富為代表的作者群在近一年內(nèi)有文獻發(fā)表，分別以陳林和洪哲新為代表的2個作者群在近三年內(nèi)有文獻發(fā)表。此外，潘文術(shù)、丁宗星等研究者也在近期積極參與該領(lǐng)域的研究。

在作者合作密度圖譜中（圖３），所在區(qū)域熱度越高的作者與其他研究者的合作關(guān)系越廣泛，圖譜側(cè)重于刻畫相關(guān)作者群的合作密切程度。可見，李廣富、彭朝陽、洪哲新等研究者之間存在較多的合作關(guān)系。在已形成的作者合作群中，以李廣富為代表的合作群發(fā)文最多，共計１１篇。然而，不同的作者群之間缺乏有效的溝通與合作，整體合作關(guān)系仍顯得比較零散。

２．３ 發(fā)文機構(gòu)分析

機構(gòu)共現(xiàn)疊加圖譜能夠呈現(xiàn)研究機構(gòu)之間的合作情況，以及某一研究機構(gòu)的發(fā)文量和發(fā)文時間。為了準確統(tǒng)計機構(gòu)的發(fā)文情況，將下屬單位合并到一級單位，例如，將“陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院”合并為“陜西師范大學(xué)”。為便于解讀機構(gòu)之間的合作情況，對節(jié)點位置進行了調(diào)整，同時將發(fā)文量僅有一篇且無合作關(guān)系的機構(gòu)隱藏，機構(gòu)標簽的閾值設(shè)為３。經(jīng)處理后，繪制的圖譜如圖４所示，可以看到，絕大多數(shù)中學(xué)發(fā)文不足3篇。

圖４的網(wǎng)絡(luò)密度為０．００１１，表明該領(lǐng)域相關(guān)研究機構(gòu)之間的合作并不密切。從圖中可以直觀地看出，合作關(guān)系幾乎只存在于中學(xué)與中學(xué)之間，與高校之間的合作數(shù)量很少，只有江蘇省句容市第三中學(xué)與安徽師范大學(xué)之間存在較穩(wěn)定的合作關(guān)系，而不同高校之間幾乎沒有合作。

從發(fā)文量來看，參與該項研究的中學(xué)數(shù)量雖然眾多，但多數(shù)僅發(fā)文一篇。發(fā)文量較多的機構(gòu)均為高校，其中華中師范大學(xué)的發(fā)文量最高，達到２７篇，其次是南京師范大學(xué)和西南大學(xué)，各為１８篇。發(fā)文量達到１０篇的機構(gòu)共有１１所，表１中列出了這些機構(gòu)的發(fā)文詳情，線段表示時間的連續(xù)性，顏色越深表示對應(yīng)年份研究頻率越高。

在發(fā)文時間方面，華中師范大學(xué)、西南大學(xué)、四川師范大學(xué)等院校的研究起步較早，且研究的持續(xù)性較好。南京師范大學(xué)在早期也有文獻發(fā)表，但近三年相關(guān)成果較少。值得注意的是，西南大學(xué)在近半年內(nèi)有新的文獻發(fā)表。同時，寧夏大學(xué)在近兩年也開始關(guān)注該領(lǐng)域的研究。

從表１中機構(gòu)突現(xiàn)時間來看，華中師范大學(xué)是最早在該領(lǐng)域集中研究的機構(gòu)，且其突現(xiàn)持續(xù)時間也最長。西南大學(xué)自２０００年開始在該領(lǐng)域進行研究，目前正處于突現(xiàn)期。盡管寧夏大學(xué)的研究起步較晚，但它已成為當前重要的研究機構(gòu)之一?？傮w來看，表１中列出的各高校在研究起步上雖然存在先后之分，但研究持續(xù)性均較好，且至今沒有中斷的情況。這與２．１節(jié)對研究階段的劃分相吻合，表明該研究正處于黃金期。

２．４ 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析

通過分析ＣｉｔｅＳｐａｃｅ提取的出現(xiàn)頻率突增的關(guān)鍵詞，可以考察研究領(lǐng)域的歷史演變，識別正在興起的研究新趨勢和涌現(xiàn)的新主題［１１］。對２０００年以來的研究進程提取突現(xiàn)強度Ｔｏｐ２０的關(guān)鍵詞，結(jié)果如表２所示。表中，加粗線段對應(yīng)的年份為突現(xiàn)期。

ＣｉｔｅＳｐａｃｅ提供了三種對突現(xiàn)關(guān)鍵詞的排序方式：按突現(xiàn)開始時間、按突現(xiàn)持續(xù)時間和按突現(xiàn)強度。軟件默認的排序方式為按突現(xiàn)開始時間，這也是大多數(shù)文獻選取的方式。由于突現(xiàn)開始時間和持續(xù)時間可以通過圖形直觀表示，按突現(xiàn)強度降序排列，以結(jié)合突現(xiàn)強度對研究主題演變和前沿進行更全面的分析。

２０００—２００６年：突現(xiàn)詞包括多媒體、計算機輔助教學(xué)、物理課件等。此階段軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的研究處于起步階段，涉及的技術(shù)相對單一。２００３年后，開始出現(xiàn)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的研究，但其強度不高，未成為主流。

２００６—２０１０年：課程整合和虛擬實驗成為新的突現(xiàn)詞。課程整合的研究突現(xiàn)強度更高、持續(xù)時間更長，既包含學(xué)科內(nèi)部的整合（如課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式以及課程資源的整合）［１２］，也涉及學(xué)科課程與信息技術(shù)之間的整合［１３］。本文分析的５９６篇文獻中，主要關(guān)注學(xué)科課程與信息技術(shù)之間的整合。此時，多媒體與計算機輔助教學(xué)仍處于突現(xiàn)期，表明研究者關(guān)注軟件技術(shù)對實際教學(xué)效果的改善。

２０１０—２０１６年：新的突現(xiàn)詞包括實驗數(shù)據(jù)處理和交互性，表明這一階段利用軟件技術(shù)提升實驗教學(xué)效果的研究逐步興起。這為２０１６年之后發(fā)文量的大幅增長奠定了基礎(chǔ)，與發(fā)文量趨勢分析結(jié)果相互印證。

２０１７年之后：隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的教學(xué)輔助手段為中學(xué)物理課堂提供支持，新的突現(xiàn)詞數(shù)量陡然增多。突現(xiàn)強度較高的關(guān)鍵詞包括核心素養(yǎng)、智能手機、可視化、微課和高中物理實驗。此階段研究者的關(guān)注點更為廣泛，軟件技術(shù)開始與新教育理念結(jié)合［１４］，以物理實驗和微課為基礎(chǔ)的研究成為主流，相關(guān)研究進入快速發(fā)展階段。智能手機作為功能豐富、集成度高的工具，已成為生活中不可或缺的組成部分。無論是攝像頭等硬件配置，還是Ｐｈｙｐｈｏｘ等軟件應(yīng)用，將智能手機應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)是方便快捷且效果顯著的選擇［１５］。教學(xué)內(nèi)容的可視化則是物理學(xué)習(xí)的重要手段，包括知識結(jié)構(gòu)的可視化呈現(xiàn)和實驗數(shù)據(jù)的可視化處理［１６］。當前教學(xué)內(nèi)容的可視化正處于突現(xiàn)期，值得研究者關(guān)注和思考。

直到２０２３年，依舊處于突現(xiàn)期的關(guān)鍵詞包括核心素養(yǎng)、可視化、教學(xué)策略、教學(xué)設(shè)計、高中物理實驗、ＧｅｏＧｅｂｒａ軟件和虛擬仿真軟件等。這表明，應(yīng)用可視化、ＧｅｏＧｅｂｒａ、虛擬仿真軟件等軟件技術(shù)的主要目標是將其有效融入教學(xué)策略中，以提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，這也成為當前及未來一段時間的研究熱點。然而，近年來新興的軟件技術(shù)種類繁多。在表２中列出的突現(xiàn)強度前２０位的關(guān)鍵詞中，屬于新興軟件技術(shù)的僅有可視化、微課、ＧｅｏＧｅｂｒａ軟件和虛擬仿真軟件等。這表明研究者們對其他新興軟件技術(shù)的關(guān)注還遠遠不夠。因此，可以預(yù)測，新型教學(xué)軟件的開發(fā)和應(yīng)用將成為未來研究的熱點之一。

３ 結(jié) 論

在基于文獻計量學(xué)的研究中，使用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ兩款軟件對軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的相關(guān)文獻進行了可視化分析，包括發(fā)文量趨勢、作者合作情況、發(fā)文機構(gòu)以及關(guān)鍵詞突現(xiàn)等方面。結(jié)果表明，軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的相關(guān)研究目前剛剛步入成熟階段，處于研究的黃金期。同時，基于分析結(jié)果，提出以下研究建議：

第一，加強交流合作，重視實證研究。

一方面，作者之間的合作尚顯不足，領(lǐng)域內(nèi)高產(chǎn)作者群尚未形成，已形成的合作群體之間缺乏交流。相關(guān)研究者應(yīng)重視加強合作，延長研究周期，持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域熱點的變化。另一方面，研究機構(gòu)之間的合作也需加強。盡管發(fā)文量大、研究周期長的機構(gòu)多為高校，但高校之間缺乏合作，各中學(xué)與高校之間也未能形成良好的合作關(guān)系，這表明高校的研究成果亟待在中學(xué)物理課堂中應(yīng)用。研究者應(yīng)結(jié)合本校及本班實際，強化實證取向，找到切實可行的應(yīng)用方案，推進研究成果落地，研究內(nèi)容也不應(yīng)局限于單一課例。

第二，關(guān)注教育技術(shù)的發(fā)展，緊跟當下研究熱點。

隨著時代的發(fā)展，教育技術(shù)已成為現(xiàn)代教育不可或缺的手段［１７］，并在不斷更新與發(fā)展。一些相對老舊的技術(shù)（如多媒體課件的設(shè)計與應(yīng)用）在２０１０年前已有大量研究成果，至２０１６年趨于飽和，顯然不再是研究熱點。研究者應(yīng)關(guān)注當下熱門的教育技術(shù)，例如可視化教學(xué)，其具有圖像化、形象化、具體化、多元化等特征［１８］，能夠?qū)㈦[形、抽象的知識變得顯性和具體，簡化學(xué)習(xí)過程，非常適合中學(xué)物理概念教學(xué)和模型建構(gòu)，可作為未來研究的方向。

第三，關(guān)注新興軟件技術(shù)。

研究者們已開始重視將某些新興軟件（如ＧｅｏＧｅｂｒａ）應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，但對測量分析軟件ＭＡＴＬＡＢ、虛擬實驗軟件ＮＯＢＯＯＫ，以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)（ＶＲ）、元宇宙技術(shù)等的應(yīng)用仍顯不足。因此，研究者可在未來加強對其他新興軟件技術(shù)的關(guān)注，圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個維度，探索軟件技術(shù)與教學(xué)理念的有效融合，提出既具創(chuàng)新性又切實可行的核心素養(yǎng)提升路徑。

當然，本文的研究仍存在諸多不足。例如，在檢索策略上尚需改進；所使用的分析工具也有局限性。未來，可結(jié)合ＵＣＩＮＥＴ、Ｂｉｃｏｍｂ、ＨｉｓｔＣｉｔｅ等軟件的可視化結(jié)果，對文獻進行對比分析。此外，未來研究可納入外文文獻進行分析，以提供更全面、客觀的建議。相信隨著越來越多的研究者關(guān)注并投入軟件技術(shù)輔助中學(xué)物理教學(xué)的研究，相關(guān)研究成果定能為物理課堂注入更多活力，使其洋溢著新技術(shù)的生機。

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［１７］莊琪．互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下現(xiàn)代教育技術(shù)對于教育改革的價值分析——評《互聯(lián)網(wǎng)時代的現(xiàn)代教育技術(shù)教學(xué)改革》［Ｊ］．中國教育學(xué)刊，２０２２（１）：１３０．

［１８］董麗娜，鄭勤紅． 運用物理可視化教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力——以“彈力”教學(xué)設(shè)計為例［Ｊ］．中學(xué)物理教學(xué)參考，２０２３，５２（８）：３０－３２．

（欄目編輯 賈偉堯）

收稿日期：2024-04-11

基金項目：遼寧省教育廳普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目（838）；渤海大學(xué)中小學(xué)教學(xué)改革聯(lián)合研究項目（2024ZXX

JG02）；渤海大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項目“《課例分析》課程多維資源庫建設(shè)及在提高專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)和分析能力中的應(yīng)用”（YJG20230001）；渤海大學(xué)教學(xué)改革研究項目“課程思政指導(dǎo)下的《近代物理實驗》教學(xué)探究”（BHUX

JGB2022061）。

作者簡介：趙誠磊（1998-），男，碩士研究生，研究方向為中學(xué)物理教學(xué)。

*通信作者：張研研（1980-），女，副教授，主要從事中學(xué)和大學(xué)物理教學(xué)研究工作。