基于CiteSpace生物化学实验教学动态与热点可视化分析

王 航， 王利凤， 乔玉欢， 李 董， 杨 爽

(南开大学医学院， 天津 300071)

随着生物化学学科的迅速发展，作为一门多学科的重要基础课，已经渗透到各个领域，尤其是医学学科[1]。不仅其基本理论在医学各个领域有所铺垫，其主要技术更是在临床实践中得到广泛应用，包括病理诊断和治疗方法。然而，因为生物化学基本理论抽象性较强，所以学习难度较大。与之相比，生物化学实验则更具有直观性、实践性、补充性和拓展性。所以，生物化学实验对学生掌握其基础知识和技能发挥至关重要的作用[2-3]。

生物化学实验教学目标是增强学生对生物化学基本理论的理解，掌握现代生物科学与技术的实验原理与技能；同时，培养学生的科学素养，提高学生发现问题和解决问题的能力。这就要求教师们充分把握学科发展的热点和方向，及时对实验教学内容进行更新和改革。实验教学可以系统地将其基本理论进行串联，有助于学生们成体系地理解和记忆课堂学到的知识。尤其对于医科学生，通过生物化学的学习能更好地掌握医学检验的基本原理和方法，又可以将临床难题导向科学研究。新时代对医科学生有新的培养要求，不仅要求学生们充分掌握已有的基础理论和技术方法，还要培养学生们对未知领域的探索能力，充分调动学生们的科研积极性。因此，近些年生物化学实验课在教学的形式和内容上进行了各个方面的创新和改革，取得较为丰硕的成果。为了及时充分地掌握生物化学实验教学的动态和热点，笔者通过知识图谱可视化分析的方法，总结近10年重要的学术文献，分析和归纳出我国生物化学实验教学的发展趋势和热点分布，为生物化学实验教学领域后续的改革和与发展提供思路。

1 资料与方法

1.1 资料

以“生物化学实验”和“教学”为关键词，选取中国学术期刊网络出版总库(中国知网CNKI)作为数据来源进行文献检索，检索时间为2011年1月1日至2020年12月31日，剔除新闻报道、资讯、会议摘要和硕博士论文等无关数据，共获得1 189篇学术文献。

1.2 方法

本文采用CiteSpace软件进行文献的可视化分析，客观地展现生物化学实验教学的发展轨迹和前沿。CiteSpace软件是由美国德雷塞尔大学计算机与情报学学院陈超美教授在库恩科学革命结构理论，以及文献共被引分析等理论的启发下，基于JAVA开发的用于学术研究的科学计量学知识图谱工具[4]，在自然科学和社会科学的各个研究领域都得到了广泛的应用。

在CNKI数据库获得有效的文献数据后进行格式转换，将文献导出格式为Ref格式。本研究选择CiteSpace 5.6R5版本的软件构建知识图谱，具体的软件设置如下：Time slicing(时区跨度)设定为2011年至2020年；Year per slice(单个时间分区)设定为1年；Term source(主题聚类词来源)选择标题、摘要、作者关键词与关键词累加；可视图显示选择静态聚类视图和合并网络视图；Pruning修饰算法选择修剪切片网络。

2 结果

2.1 2011-2020年度发文趋势基本平稳

关于生物化学实验教学研究在2011～2020年的近10年的发文量基本趋势平稳。其中，2017年和2018年有所下降，其他年度发文量约在120篇(见Fig.1)。结果显示，生物化学实验教学始终得到足够的重视。2020年正值新冠疫情严重时期，但发文量并未受疫情影响，这反映出各教学单位对生物化学实验的进一步重视。新冠病毒的核酸提取、RT-PCR检测和相关基础研究均属于生物化学范畴。由此预计，未来结合线上教学等新模式的开展，围绕生物化学实验教学的发文量会继续增加。

2.2 生物化学实验教学的研究热点

2.2.1 词频与中心度较高的是“生物化学”和“生物化学实验” 具有较高的中心度、频次主题和关键词反映了在一段时间内研究者共同关注和研究的热点。频次主题和关键词标记一篇文章核心要义，开展主题及关键词分析能够深刻把握文章的核心内容。CiteSpace主题和关键词聚类能够明确体现某研究领域关注的热点[5]。中心度衡量节点权重的基本指标，反映了节点在网络中的重要度。本文中对2011年～2020年出现频次大于30的关键词进行统计分析，具体结果见Table 1。

2.2.2 关键词共现情况 关键词聚类图谱可以反映研究的演进情况。在主题及关键词的共现性分析中，节点大小反映了主题及关键词频次的高低。关键词共现频次和中心度越突出，说明节点重要性越强。根据关键词聚类图谱(见Fig.2)，频次较高的有“生物化学”、“实验教学”、“教学改革”、“生物化学实验”、“改革”、“教学方法”、“创新能力”和“教学模式”等，反映了本项研究在推进和发展过程中关注的重点内容。“生物化学”和“教学”通常不是研究的对象，而是与“改革”、“创新”、“模式”和“方法”等进行关联研究。这体现近10年，教师们一直在尝试将新的实验技术和新的教学模式应用到生物化学实验教学中，以期能够得到更好的教学效果。

图1 发文数量的年度分析 图中横坐标代表具体年份，纵坐标表示发文数量，柱形图上端数字表示具体的文章数量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

图2 生物化学实验教学关键词共现图谱和聚类 图中不同颜色表示不同的聚类和节点，字体越大表示频次越高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 生物化学实验教学的发展趋势与前沿

2.3.1 突变词引用强度最高的是“翻转课堂” 突变词是指在较短时间内出现次数多或使用频率较高的关键词。突变词检测一般包括强度和年代分布，其反映出一段时间内研究的前沿和发展趋势。Fig.3列出10个研究前沿的主题及关键词突现率情况。“临床生物化学”一类，时间划定为“2011～2012 年”，强度为5.183；“多媒体”一类，时间划定为“2011～2012 年”，强度为2.8205；“实验室”一类，时间划定为“2012～2013年”，强度为2.4851；“实践”一类，时间划定为“2013～2015年”，强度为3.2571；“课程改革”一类，时间划定为“2015～2016年”，强度为2.4163；“能力培养”一类，时间划定为“2016～2018年”，强度为3.0611；“翻转课堂”一类，时间划定为“2017～2020年”，强度为7.1469；“教学效果”一类，时间划定为“2017～2018 年”，强度为2.5689；“生物化学与分子生物学”一类，时间划定为“2017～2020 年”，强度为5.7428。内容显示，突变强度最高的是“翻转课堂”。其次，较为值得关注的是“微课”的出现。这都反映了教学模式的改变，将学习的主动权交还给学生，课堂上的宝贵时间主要用于解决具体的问题和项目，其目的是为了让学生通过实践获得更真实的学习，老师也有更充足的时间与每个学生交流，满足学生的个性化发展。

图3 10个研究前沿的主题及突变词突现率 图中蓝色线段表示2011～2020年时间段，红色线段表示具体的年份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 关键词主题演化情况 关键词Timeline分析，指利用关键词的时空演进情况来掌握某领域的发展趋势。本研究绘制出我国2011年～2020年间生物化学实验教学研究的时空演进情况的可视化图谱。结果见Fig.4所示，提取出相关的9个聚类，并将关键词按照时间顺序进行排列，展示其演进情况。将时区划分成3个阶段：2010年～2013年间主要是关注传统教学方式的开展，例如备课、教学质量、教学效果和教学模式等；2013年～2016年间则是关注创新与改革，例如自主学习、创新实践、课程改革和临床实践等；2016年～2020年间更多学者关注多媒体和网络教学，例如微课、MOOC、虚拟仿真和创新激励等。这提示，新技术与新模式的引入极大地丰富了教学的内容。新冠疫情期间，网络教学极大地弥补了线下教学。虚拟仿真技术则使较多的在普通实验室无法完成的实验得以完成，使学生能够更充分地掌握所学的知识。围绕网络教学与虚拟仿真开展的生物化学实验教学，在其后续仍是需要关注的重点。

图4 生物化学实验教学共现词与网络聚类Timeline图谱 横轴代表演进时间，#0 - #8代表关键词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 期刊来源情况

通过分析期刊中某一主题刊文量的多少能够反映期刊对该主题的关注度[6]。本文将生物化学实验教学研究相关主题文献刊发量在5篇以上的期刊进行了整理，总计有6种，占该主题刊文总数的86.11%，详见Table 2。其中，刊文量位列前2位的是《基础医学教育》和《实验技术与管理》。说明这2个期刊对于生物化学实验教学的研究较为重视，刊文质量较高，这与其办刊方向和期刊的受众范围紧密相关。

表2 载文量≥5的期刊

4 讨论

本文利用CiteSpace软件绘制了2011年～2020年间生物化学实验教学研究的知识网络图谱，对刊文量趋势、研究热点和发展趋势等方面进行了可视化分析。研究发现，近10年间与生物化学实验教学研究相关的文章发表数量基本保持平稳，体现出其始终得到学者的重视，具有较高的热度。对高频词和突变词分析可以发现，这10年间学者们紧跟时代步伐，一直在生物化学实验教学上寻求技术革新和模式创新，也是刊文量的整体趋势平稳的一个重要原因。从生物化学实验教学的研究脉络和主题分析，总体可分为3个主要阶段，即基础、深层和发展三个维度的研究，由备课和教学质量等基础研究，逐步转向创新实践和课程改革的深层研讨，再转为网络教学和虚拟仿真等发展研究。值得一提的是，网络教学和虚拟仿真教学在新冠疫情期间极大地弥补和支持了下线教学，同时也代表着未来一段时间内的发展趋势。

依据本研究所得到的学术文献，分析和归纳我国生物化学实验教学的动态与热点，本文不难发现，传统生物化学实验教学中存在的问题是近10年来研究的焦点。传统的生物化学实验教学普遍存在课前预习效果不佳、缺乏符合教学需要的演示操作视频、实验内容单一、验证性实验较多、综合设计性实验较少、学生动手操作时间不够和难以激发学生的热情[7-9]。并且实验考核方式也相对简单，一般是依照学生最终实验成功率及其所填写的实验报告质量为标准，并不能真实反映学生的动手能力与分析问题的能力，导致部分学生错误地认为，还是分数以及结果最为重要[8-10]。

这些问题具体应从几个方面予以解决。首先，是改革生物化学实验课程的授课方式。授课方式决定着学生们的学习方式。大学应该注重培养学生自主学习的能力，按照最新的发展趋势，翻转课堂、MOOC和微课等方式已经在理论教学中充分使用，也应该充分应用在实验教学中，提高学生课前预习的比重，提高学生自主学习的能力，充分调动学生带着问题来做实验。其次，应该提高新实验技术的应用。以虚拟仿真为例，在普通实验室内无法完成的实验内容都可以借助虚拟仿真来实现。例如，在负压实验室内提取新冠病毒核酸实验，可通过虚拟仿真技术搭建虚拟P3实验室，通过VR技术全真体验新冠病毒核酸提取的实验步骤。引领潮流的实验技术与方法能充分调动学生的积极性，避免学生与社会脱节[11]。最后，应提高自主创新型实验内容的比例。鼓励学生充分利用已经掌握的实验技术进行新实验方案设计。切口要小，方案要具体，经过小组讨论和教师点评等方式优化实验方案，充分调动学生们的主观能动性。

综上所述，本研究通过对近10年间生物化学实验教学的研究成果知识图谱分析，得出研究热点包括实验教学改革、翻转课堂、微课、MOOC、网络教学和虚拟仿真等，并讨论了生物化学实验教学的发展趋势及所面临的问题，提出了合理的解决思路，为后期开展生物化学实验教学研究的学者们提供了选题方向的参考。此外，本文存在一定的局限性，因未含统计发表在国外期刊上的相关文献，即缺少学科发展的国际化方向，相关内容仍有待进一步挖掘和探讨。