学科融合背景下中学可视化教学研究：概念、现状和意义——基于文献知识图谱的可视化分析

郑行军

（福建省福鼎市第一中学，福建 福鼎 355200）

一、研究背景

近几年，教育部颁布了基于发展学科核心素养的普通高中各学科课程标准和“一核四层四翼”高考评价体系，积极推进我国新一轮的基础教育课程改革。《基础教育课程改革纲要》强调，要“改变课程结构过于强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状”[1]。这意味着学科内和学科间的交叉互联会逐渐加强，内容已不局限于某一学科而是多学科知识的交汇，因此，教学内容与教学方式应改变以往单一化的组织形式，在知识内容、思维方法、学科融合等方面呈现多元化特征。如，中学阶段的数学和物理两个学科，相互之间关系最为密切，知识、思维和方法存在着巨大的耦合空间：物理是研究物质运动规律和物质组成结构的科学，而物理的实验论证、理论模型建构和科学推理等必须承载于数学及计算等模拟工具，物理学习的本质是数学、物理知识、思维对物质组织结构和运动原理的深度再认识[2]。可见，积极促进相关学科之间的高阶融合，形成学科汇交的多元化教学体系，是符合新课程标准的教学要求和育人目标的。

二、核心概念的界定

学科融合背景下的中学可视化教学可定义为：依据中学学科的紧密关系和思维互通性，在中学新课程改革的整体框架下研究不同学科的内生特性，催生学科内不同分支和学科之间的交叉互联，形成多学科知识汇交的多元化发展途径，在知识内容、思维方法、学科融合等方面呈现多元化特征，在教学过程中通过不同学科的知识、情境互通关联，引导学生学会整合不同学科视角审视研究事物本原及规律，应用静态、动态的可视化方式或数据、图示组合等视觉表征手段呈现学生在课前自主学习、课堂知识建构、课后巩固提升等学习、评价过程中不可见的思维路径、结构、方法及策略等元素，形成能够直接作用于人感官的外在视觉表象，从而突破学科壁垒，形成新的问题解决策略，建立基于学科又高于学科的解释体系。

这里所指的融合不是两门学科知识简单的拼凑和堆积，而是两门学科依据内在的互通逻辑关系而联结和渗透，从而催生出新的思维方式，这种行为包括广域领域下的思想交流，各种概念、方法、过程、认识论、术语和数据的整合，以及研究与教育的重新组构[3]23。而可视化教学可以使很多抽象化的表征方式直观化，加快交流、整合的进程，促进深度学习。

三、国内相关研究的回顾与思考

（一）国内学科融合研究现状分析

1.学科融合研究总体趋势分析

受历史和文化原因的影响，我国相对于西方国家来说关于学科融合的研究比较滞后，随着新课程改革的不断推进，相关研究也在逐步深入推进。以CNKI（中国知网）文献数据库为搜索引擎，在“高级检索”模式下检索主题确定为“学科交叉”或含“学科融合”或含“学科渗透”并含“教学”，统计时间2000年1月1日至2020年10月26日，经过人工筛选，共检索出国内相关研究文献3325篇，根据CNKI计量可视化分析工具可以看出近20年的学科交叉或学科融合教学的研究整体呈上升趋势，从2000年的28篇到2019年的669篇，发文数量增加近25倍（图1），特别是在2015年之后这种递增趋势愈加明显（2016年：310篇；2017年：375篇；2018年：515篇；2019年：669篇），可以看出学科融合的研究与教育部提出的发展学科核心素养的教育政策有一定的联系——2014年颁布《教育部关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》，但对文献甄选分析发现数学、物理两门学科的融合研究相对较少，在这一领域还有待深入研究。总体来说，学科融合的相关研究近20年来在国内受到了广大教师和研究机构的认可和推广，并引发了广泛的深入探讨，是符合教育发展需求的。

图1 2000-2019年国内学科融合论文发表统计

2.学科融合研究机构分析

学科融合研究机构的可视化分析可以揭示作者群体地域分布，为深入研究该领域的发展情况提供参考[4]110。CNKI研究机构计量分布可以明显看出发文数量最多的前40名全部集中于高校（图2），反映出学科融合研究仍然大多数集中于高等教育或理论研究领域，中学阶段只是停留在表层整合上，缺乏深度理解和运用，以中小学教师为代表的知识研究群体在该领域所占比例严重不足，这与新课程改革对中学教师的专业发展要求是不太匹配的，反观高校研究机构发文量前几位的主要是浙江大学、清华大学、华东师范大学、苏州大学、华中师范大学、陕西师范大学等重点工科或师范类院校，这是符合科学研究发展实情的，学科融合活动的开展要从社会发展需要出发进行教育教学改革和实践探索，这在工科院校和师范院校特别是重点院校上体现的尤其明显。从研究项目的立项和基金级别看（图3），部级比例达到了49.33%，可以得出国家对学科融合的研究给予了足够重视。但在CiteSpace 中进行可视化知识图谱分析，得到的研究机构中心性数据发现，绝大多数机构的中心性都为0，说明机构间的研究缺乏联系，没有相对固定、成熟的项目平台和合作关系，研究仍停留在初期的个体探索和研发阶段，没有形成系统的理论体系。

图2 2000-2019年学科融合研究机构论文发表统计

图3 2000-2019年学科融合研究项目或基金分布图

3.学科融合研究高频关键词分析

关键词往往是一篇学术论文核心的浓缩与提炼，是准确反映研究成果主题信息特征的词汇或短语[5]47，高频关键词可以反映该领域研究的整体状况和热点问题。利用citespace对文献数据转换，时间跨度为“2000-2020”，Years per Slice设置为1，Node Type选择“Keyword”，TopN为50。最终得到了节点数为386，连线数为890，密度为0.012的关键词分析图谱（图4）。

图4 学科融合研究关键词共现网络图谱

从图4中节点的大小，节点间连线的共线关系和繁密程度[6]81可以看出国内对学科融合已经形成了一定规模的学术网络和研究主题。文献收集时以“学科交叉”“学科渗透”“学科融合”为检索条件，因此词频数最高（分别为390、261、239），剔除处理得到图谱频次表（表1）。

表1 学科融合研究关键词频次表

从关键词图谱（图4）和频次表（表1）可以看出，国内学者的研究主要集中于学科融合理论研究、跨学科专业设置、课程改革，学科渗透以及跨学科教学等几个方面，以上高频关键词的共现网络代表了近二十年来学科融合领域的研究热点。如：陕西师范大学马亚鹏提出了高中数理结合的五个层次，并对数学与物理知识的不同步性进行了讨论，提出了相应对策[7]2；湖南师范大学陈超琪在《高中生物与化学的交叉渗透教学研究》中归纳得出生物与化学学科交叉渗透点，总结出交叉渗透的思路和方法，为中学生物交叉渗透教学提供建议[8]；内蒙古师范大学任君在《新课改下加强高中生物与化学交叉融合的必要性和方法》一文中运用调查分析的方法找出高中生物与化学学科在实施交叉性教学中所遇到的问题[9]183；陕西师范大学李晔通过分析美国高中化学教材中涉及的物理知识内容及作用，总结出在美国教材中物理知识与化学知识的结合方式及作用等[10]30。

通过时间线视图（图5）展示各个聚类（即子领域）发展演变的时间跨度和研究进程[11]36，结合突现词检测分析和学科融合拓展教学的相关文献研究发现，虽然融合研究在学术界已经比较普遍，但一般都集中在教材层面的学科知识交叉、学科融合的可行性分析、关于学科融合的看法及教学实践几个方面进行研究，没有提出具体的融合拓展内容，缺乏更深入的思维层面的综合研究，关于学科融合拓展性教学的教学效果分析也比较少，特别是无法将复杂的跨学科知识和思维形象化和简洁化，知识内容过于抽象和深奥超出学生的认知负荷，与高中学段的学习需求不相匹配，起不到学科融合所带来的积极教育作用。

图5 学科融合研究时间线视图

（二）国内可视化研究的现状

1.可视化研究总体趋势分析

在CNKI（中国知网）搜索引擎“高级检索”模式下检索主题确定为“可视化”并含“教学”，统计时2000年1月1日至2020年10月26日，经过人工筛选，共检索出国内相关研究文献5114篇。根据CNKI文献计量数据的分析显示，2000至2020年的20年间，可视化的相关研究呈现逐年递增的趋势（图6），而且主要集中在教育和信息技术应用领域，说明可视化研究在国内教育界已经引起了足够重视，并开始了一定的技术融合探索（图7）。

图6 2000-2019年国内可视化相关论文发表统计

图7 2000-2019年国内可视化研究学科分布

2.可视化研究机构分析

可视化研究的作者群体呈现了与学科融合研究类似的分布特征（图8），前40位全部集中于高校并且以高等师范院校为主，体现了可视化研究仍主要停留在抽象理论的分析和技术应用层面上，与教育部近年提出的发展学科核心素养的教育方向融合较少，缺乏实用性研究，对于基础教育的实践研究尤为匮乏。在所有高校中华东师范大学的研究成果尤其丰硕，这主要归因于刘濯源教授带领的团队在国内最早开发了“思维可视化技术与学科整合的理论和实践研究”项目，进行思维可视化在教学中的应用与实践，该校的“思维可视化教学实验中心”也成为我国在这一领域比较系统的研究机构。

图8 2000-2019年可视化研究机构论文发表统计

3.可视化研究高频关键词分析

利用citespace对文献数据转换，时间跨度为“2000-2020”，Years per Slice设置为1，Node Type选择“Keyword”，TopN为50。最终得到了节点数为259，连线数为1096，密度为0.0328的关键词分析图谱（图9）和频次表（表2），模板值（modularity，Q 值）0.5603、平均轮廓值（silhouette，S 值）0.5085的结果，根据聚类标准表明聚类结构是显著和合理的[12]153。

图9 可视化研究关键词共现网络图谱

表2 可视化研究关键词频次表

从表2可以看出，国内学者对于可视化研究主要围绕以下几个方面进行：思维可视化研究、知识可视化研究、教学技术可视化应用。

（1）思维可视化的相关研究。思维可视化研究目前国内最主要的可视化研究方向，具有代表性的是华东师范大学刘濯源教授的可视化研究项目；北京师范大学也有专门的思维训练研究中心，对思维可视化进行了理论探讨和实践研究，北京师范大学赵国庆在《思维可视化》一本书中详细介绍了思维导图的使用，包括八大思维导图等详细说明，在书中对思维可视化进行了实际的探究和讨论[13]101；内蒙古师范大学邓晓庆在《运用可视化教学提高高中生物理思维能力的实践》中提到，在教学过程中要找到“显化”的教学要素，让抽象思维显性化[14]； 2014 年河南大学赵慧臣、王玥专门针对知网2009 到 2013 年相关文献分析发表论文《我国思维可视化研究的回顾与展望》，认为我国对可视化的研究从前期作为知识可视化的工具在向作为思维可视化的工具转变[15]10。通过CNKI相关文献计量检索分析，发现理论研究比例较高，实践研究较少，将“可视化”并含“融合”并含“思维”作为关键词进行搜索，发现相关文献很少。可见对于可视化教学在专门针对学科教学领域特别是学科融合思维能力培养的方向仍有较大的研究和实践空间。

（2）知识可视化的相关研究。知识可视化的研究也大多以实践为主，方向主要是对知识可视化工具研究，同时开始关注可视化教学领域。比较典型的代表成果有：北京师范大学的“知识工程研究中心”主要进行知识可视化研究，并开发了“易思—认知助手”软件；广西师范大学左芸在《知识可视化在高中物理教学中的应用研究》一文中提出了注重综合知识可视化图解形式的使用，并运用工具将知识可视化与高中物理教学相结合[16]；内蒙古师范大学孟祥北在《运用可视化教学强化高中物理课堂实践活动的研究》中提出了高中物理课堂教学与可视化教学有机结合，用实际案例说明如何应用可视化教学强化课堂实践[17]。从前期的研究成果来看，近几年的知识可视化研究注重知识可视化视觉表征的研究，对于其它表征方式研究较少；知识可视化方法在教学活动当中应用种类单一，缺乏多形式的可视化方法组合研究以及比较研究；缺乏知识可视化对促进知识传承和共享方面的应用研究。

（3）教学技术可视化的相关研究。教学技术可视化侧重于技术与教学的融合研究，国内比较系统的代表性机构是北京师范大学周明全教授主持的“虚拟现实理论和可视化技术”项目，主要研究方向为虚拟现实理论和可视化技术；天津大学曾丽颖等利用智能可视化技术（Spring MVC）准确定位学生发展区，实现全班大面积的个性化智能教学导航[18]76；苏州大学杨娟探讨了如何基于可视化编程工具培养学生计算思维等问题，提出了基于问题解决的计算思维培养模式[19]53；吉林动画学院李猛对3D可视化技术在教育教学中应用进行了相关的研究[20]34。

总体来看国内的可视化教学虽然在近些年也在逐步完善，但仍有很多值得探究的地方，例如较少使用科学计量的方法来进行分析和研究等等。

四、学科融合背景下的可视化教学研究价值和意义

（一）两类研究的对比思考

通过对国内学科融合和可视化研究现状分析，可以得出虽然两个方向研究在国内有一定的普及性，但仍然有较大的拓展空间，学科融合的研究主要问题在于：一是偏重于知识和技能而忽视了思维特别是高阶发散思维、具象思维、灵感思维的培养，没有达到中学进行学科融合教育的目标；二是学科间知识只是机械整合，没有体现出跨学科融合的核心理念，内容复杂、抽象，缺少形象化、简单化描述，学生不易理解，教与学过程缺乏目标性；三是没有形成针对性、科学性、系统性的设计准则与教学模式，缺乏对学科融合教学的科学素养和科学方法的定量或半定量测评手段等。

可视化教学研究的主要问题在于：一是注重“工具”和“方法”等技术方面应用，研究层面仅停留在表象，缺乏深度研究；二是可视化与教学实践融合较少，偏重于理论，缺乏实用性，没有契合课改要求；三是教学技术与评价手段没有和课程进行有效整合，可视化技术优势没有得到体现，无法实现对中学学科教学教育的优化补充，达不到课程改革的实际效果。

对比分析两类研究可以看出学科融合和可视化教学具有一定交汇空间，以可视化教学为策略，学科融合思维能力培养为目标的教学模式能实现两者优势互补，促进教育教学目标完成。可视化教学可以使抽象、复杂的多学科、跨学科知识形象化、具体化和简单化，并提供必要的技术支持，可以将学生学习的信息通过各种图示的方式及时反馈给任课教师，实现可视化反馈，将学生的知识、思维等各种抽象信息具体化出来，让教学变得更加的简单、容易；而学科融合为可视化教学提供了一个很好的承载平台，与各种高阶思维的有效融合，可以促进拓展可视化教学的实用性研究，改变可视化教学过程应用种类单一、注重视觉表征的窘境，促进多种可视化表征方式和方法组合的研究，扩大了可视化研究的外延。

（二）研究价值和意义

基于文献计量数据的分析和资料研究，系统研究可视化教学与评价方法在中学学科融合教学中的应用，力求运用可视化表征方式指导学生完成对相关知识的梳理，使学生更好地学习学科知识，实现学科知识、能力的融合贯通，在当前教育形势下是一种很好的教学途径。

1.学科教育教学的客观需要

自17世纪以后，学科研究特别是自然科学获得了快速发展，并且确立了一套实验论证与理论推导相结合的问题探究模式，发现了自然界的很多未知规律。在这些定律的基础上，经过抽象推理和数学演算形成了系统的学科理论体系。定量化、精准化、细致化发展趋势使得学科结构和内容越来越趋向于复杂化，特别是物理学、数学、化学等自然学科，而可视化教学带来的改变最重要的就是将繁琐的内容简化，让学生更好地理解所学的学科知识。

2.教师教育教学的发展需要

随着“3+3”高考模式的逐渐推广和教育部即将取消考试大纲，学科的命题趋势将会呈现多元化和融合性特征，学生在学习过程会面临更多复杂性问题和不确定性因素，对高中生素养提出了更高的要求。根据调查结果显示，很多考生在学习时存在着很大的畏难情绪，特别是数学和物理两门学科出人意料地成为了学生最不愿意选择的科目。而可视化教学的出现可以很好地改善科目难学或难懂这一状况。在教学过程中教师通过一些浅显、直观的可视化呈现方式，将复杂、抽象的问题形象生动地简化处理，不仅可以让学生对相关学科知识有着深刻理解，而且还可以提高学生的学习兴趣，而就成为了教学环节关键所在，学生学习兴趣很大程度上与课堂引导、环节设计和教师个人素养有关，如何应用契合有效的教学途径，将可视化教学整合到教学实践中，让学生充分参与，积极互动，有效提升，这都是教师需要考虑的。

3.学生进行有效深度学习的需要

可视化教学可以将复杂的概念、规律或模型形象化、图示化，不仅可以让学生更好地理解事物的本质，还可以进一步提高学生热爱学习、深入探索的热情，激发学习的自主性。学生只有对学科产生兴趣，才能真正开始学习。可视化教学可以让学生真正参与到课堂之中，成为学习的主人，可视化教学可以为学生创造直观的知识情境，增强学生感性认识，让抽象思维能力差的同学通过绘制思维导图、概念图等方法逐渐培养思维能力，实现知识由浅及深的聚合与内化。在可视化教学情境中教师对学生进行适当的引导和启发，可以让学生学会使用可视化的工具锻炼自己的思维能力。

五、结语

基于核心素养的可视化教学及评价反馈研究，运用可视化教学理念与学科教学进行有效融合，促进学科知识和能力的多元化融合，从而使教学质量和效率得到更大的提高，对于当下的中学教学的理论和实践都具有重要的指导意义和应用价值，有一定的针对性和实践操作性。以学科融合思维的核心素养维度审视学科教学策略，提高课堂效率，活化知识结构，提高学生的科学素养，完成教育部提出的高考所有学科必须渗透“一点四面”的考查目标；运用可视化技术平台，设计基于知识和思维可视化、项目化的教学模式，契合新高考对于学生学科能力考查需求，并转化为能反映学习者的学科素养、必备知识和学科能力的可视化多维呈现形式，使学生能在不断学习中，循序渐进，活用知识、促进知识、能力、思维和素养的提升，达至适应新高考的教学目标。