近十年国内教学系统设计研究现状的可视化分析

陈云红,李冰楠,李朝乾,郑雪薇,邓贵斌,李书明

(湖北师范大学 计算机与信息工程学院,湖北 黄石 435002)

如果从1962年格拉泽(Glaser,R.)明确提出“教学系统”概念以及对教学系统进行设计算起,“教学设计”已经经历了半个多世纪的发展历程。它最初诞生于美国,经历了最初的发展阶段,随后则跨海越洋传播至世界其他许多国家[1]。教学设计亦称为“教学系统设计”[2](Instructional System Design,ISD),它以多学科理论为基础,综合多种理论自成体系[3],从教学活动、教材建设、教育资源利用、学习评价等方面,通过精心设计的教学系统来更有效地完成教学任务,促进学习者学习[4],具有很强的实践性,可以说是教育技术学的灵魂[5]。《外语电化教学》杂志1987年刊登了第一篇有关教学设计的文章,教学设计开始被引入国内[6],教育技术研究者和学科专家们开始了教学系统设计理论的宣传和实践活动,教学系统设计理论受到了空前的重视[7]。随着信息化教学不断推广应用,教学系统已经成为辅助教师开展教学活动的主要工具[8]。而教学设计是教学系统的基础,好的教学系统配以好的教学设计能取得更好的教学效果。我国教学设计研究在经过三十多年的历程之后,无论在理论研究方面还是实践方面都有了一定的发展,那么它现在是否已经成熟呢[9]?为了分析教学系统设计的发展历程,研究者以“教学系统设计”为主题在中国知网检索,结果显示自2006年以后发文量不断上升,研究主题和研究内容已覆盖不同领域。为了深入探讨近十年国内教学系统设计的研究现状,本研究采用了可视化的分析方法。

1 研究方法与过程

1.1 研究方法

采用文献计量法和内容分析法来分析近十年国内发表的关于ISD这一研究主题的文献。文献计量法主要利用数理统计方法处理文献信息篇章之间的定量关系,得出的结论偏重概率规律,是一个从文献外部特征出发的定量为主的分析方法[9]。文献计量法可以帮助研究者获得有关文献的信息,包括文献的质量、主题的发展趋势、文献来源和文献之间的关系。内容分析法是一种对传播信息内容进行系统、客观和量化描述的研究方法。它适合于对一切可以记录与保存并且有价值的文献作定量研究,如今被广泛运用到新闻传播、图书情报、政治军事、社会学、心理学等社会科学各领域中[10]。内容分析的过程是层层推理的过程,其目的是弄清楚被分析对象中本质性的事实和趋势,揭示其中所含有的隐性内容,可对事物发展作情报预测。

1.2 研究过程

在中国知网(CNKI)上检索关键字“教学系统设计,ISD”,选取时间2013～2022年,剔除与主题词无关的文献后,最终得到有效文献591篇,并导出为Refworks和xls格式。运用Python、CiteSpace、GraphPad Prism 9(美国GraphPad software公司开发的一款极小的视窗型统计分析软件[11])工具对导出文献进行文献计量可视化分析。采用内容分析法分析处理结果,探讨国内ISD研究领域的研究现状。

2 文献统计分析

图1中,导出格式为xls的591篇文献字段如Fund、Volume、URL、DOI中有较多空值需剔除,文章选取年度、来源、机构、研究者、学科(CLC中图分类号)、关键词、摘要7个属性,从发文趋势、合作关系、关键词聚类三个维度对591篇有效文献进行可视化分析。

图1 2013～2022年591篇文献的各项属性数值分布

2.1 发文趋势分析

图2中,近十年国内ISD相关研究的发文量整体呈增长趋势,2014年发文量为48篇最低,2022年达到峰值77篇,平均年发文59篇,年增长2篇以上。虽然在2014、2018、2021年出现下滑,但降幅较小,整体趋于平稳。

图2 2013～2022年发文分布图

借助GraphPad Prism 9和Python生成图3,显示了近十年国内ISD相关研究按文献来源划分的结果,发文量最高的是信息与电脑(理论版)期刊,共39篇,其次是电脑知识与技术期刊21篇,排名在第2～10的期刊发文量均不超过20篇,排名10之后的期刊发文量均不足10篇。发文量排名前10的期刊主要为电子信息类,教育技术类不在其列,表明教育技术类期刊的参与度不够。按机构划分,近十年国内ISD相关研究,发文量最多的是电子科技大学14篇,排名2～10的机构发文量均只有3篇,排名10之后的机构发文量均不超过2篇。排名前10的机构中有西北师范大学、华中师范大学、咸阳师范学院3所师范院校,师范院校也参与了研究,但就总发文量而言,师范院校,尤其是重点师范大学的参与度不高。

图3 2013～2022年文献来源和机构发文分布图

2.2 合作关系分析

CiteSpace提供了作者合作和机构合作的合作图谱,合作图谱可以发现某个研究领域学者、国家或研究机构之间的社会关系,为评价科研人员、国家或机构的学术影响力提供一个新的视角,有利于我们发现那些值得关注的科研人员、国家或机构[12]。

图4显示了CiteSpace分析591篇Refworks格式文献研究者的合作关系,连线表示有合作。研究者总共273人,合作74次,内部主干区域网络节点均无连线,外部边缘区域有连线,但线条较细,表明多数研究者之间没有合作关系,少数有合作关系的研究者之间合作频次也较低。对比连线发现,两人一组的研究者合作37次,仅有8组研究者的团队合作规模超过3人。研究者之间的合作频次较低,魏鑫鑫、陈清奎之间有三次合作,排名最高;于爱兵出现三次,有一次合作;傅士强、周冰、王宝林、张云丽、张鹏等人单独发文两次,与其余研究者无合作。

图4 2013～2022年度研究者合作图

图5显示了ISD相关研究机构数量排名前100的节点,机构总数为270,共合作48次,图中内部主干区域网络节点均无连线,外部边缘区域有连线,但线条较细,表明多数机构之间没有合作关系,少数有合作关系的机构之间合作频次也较低。对比连线发现,两个机构一组的合作有23次,三个及以上机构一组的合作仅有6次,北京竞业达沃凯森教育科技有限公司与柳州铁道职业技术学院及哈尔滨工程大学工程训练中心与大庆石化公司乙烯工程指挥部之间有两次合作,排名最高。北京印刷学院新媒体学院、上海第二工业学院等机构有两次合作,但合作对象不同。整体而言,机构发文趋于分散,合作频次不高。

图5 2013～2022年度机构合作图

图6筛选了ISD相关研究出现频次和合作频次较高的学科,软件工程单独发文75次,计算机化教学单独发文44次,排名靠前。软件工程与计算机化教学合作24次,计算机化教学与计算机仿真合作8次,其余的合作为3～4次。软件工程和计算机化教学在整个研究中所占比重较大,但更多是以单独发文出现。筛选的结果中,软件工程与其它学科有三次合作,计算机化教学与其它学科有四次合作,这两门学科在该类研究中与其它学科有更多合作。

图6 2013～2022年学科合作图

2.3 关键词聚类分析

CiteSpace依据网络结构和聚类的清晰度,提供了模块值(Q值)和平均轮廓值(S值)两个指标,可以作为我们评判图谱绘制效果的一个依据[12]。Q>0.3意味着划分出来的社团结构是显著的,当S值在0.7时,聚类是高效率令人信服的,若在0.5以上,聚类一般认为是合理的[12]。CiteSpace提供了不同可视化方式的选择,其中默认的是聚类视图(Cluster),它侧重于体现聚类间的结构特征,突出关键节点及重要连接,时间线视图( Timeline)侧重于勾画聚类之间的关系和某个聚类中文献的历史跨度[12]。图7为Clustering功能对关键词、摘要聚类生成得到的研究主题。Q值为0.7341,表明聚类结构效果显著,S值为0.9474,表明聚类结果令人信服,该研究领域内研究主题同质性较高,可以很好的反应研究内容。聚类序号越小,内含的关键词则越多,研究主题排名由高到低依次是教学系统、网络教学、实验教学、虚拟现实、教学设计五大类。虚拟现实与网络教学、教学设计有交集,网络教学与虚拟现实、实验教学交集较多,实践教学包含于实验教学,表明虚拟现实、网络教学、实验教学与其它主题有直接关联。人工智能与教学设计、教学系统距离较近,他们之前存在相关性。教学系统靠近教学设计、虚拟现实、网络教学和实验教学,表明与这四个主题相关。

图7 2013～2022年关键词主题聚类图谱

使用CiteSpace的Timeline功能,对关键词、摘要聚类生成图8时间线图谱,得到ISD领域在近十年内的研究主题和研究内容。研究主题关键词教学系统出现96次,聚类排名最高,研究内容高频词在2013～2015年较少,在2015～2020年有导线计算、振动传输、体育教学、增加现实、工程图学能,在2022年出现深度学习。研究主题关键词网络教学出现29次,聚类排名次高,研究内容高频词在2013～2015年有信息系统、中学教学,在2015～2020年有教学改革、互联网、信息收集、数据分析,在2020～2022年有学习分析、对比实验、程序设计、教学改良、体育美学。研究主题关键词网络教学出现27次,聚类排名第三,研究内容高频词在2013～2015年有交通控制、组态软件,在2015～2020年有在线教学、辅助教学、大数据、高等数学、全站仪,在2020～2022年有三网融合、实验体系。研究主题关键词虚拟现实出现19次,聚类排名第四,研究内容高频词在2013～2015年有教学系统设计、教学效果,在2015～2020年有计算机、虚拟仿真、大数据、仿真实验、在线评估,在2022年有线上教学。研究主题关键词教学设计出现19次,聚类排名第五,研究内容高频词在2013～2015年有微格教学、仿真教学、教学评价、教学模式、实验教学,在2015～2020年有人机交互、虚拟仿真、虚拟现实、VR技术、仿真实验、远程教学,在2020～2022年有在线评估、线上教学。结果表明聚类排名前五的主题之间,研究内容彼此存在关联。

图8 2013～2022年关键词时间线聚类图谱

围绕时间线聚类排名前五的研究主题,借助Python中的Wordcloud词云技术,高度概括并且形象化地展示出文中的核心内容与思想,突出显示关键词[13],以此分析研究主题之间的关联。

2.3.1 围绕教学系统的研究 研究主题举例:在线数学教学系统设计及其应用效果研究

来源:中国远程教育

机构:北京大学教育学院教育技术系;北京大学教育信息化国际研究中心;成都市棕北中学;北京乐学一百在线教育科技有限公司。

由来源和机构可知,该研究出自教育技术类期刊,师范专业研究者也参与了合作。图9中,教学系统、计算机、实验班、远程教育、计算机辅助为全文高频词。结合摘要可知,该教学系统是一种计算机化平台,是在教学理论指导下设计的网上数学教学系统,用在教学实验课程中,以满足学生个性化学习的需求,体现了教学系统同时与教学设计、网络教学、实验教学、具体学科相结合的特点。

图9 在线数学教学系统设计及其应用效果研究词云图

2.3.2 围绕网络教学的研究 研究主题举例:基于B/S架构的交互性教学系统设计关键技术研究

来源:软件导刊(教育技术)

机构:广东农工商职业技术学院

由来源可知,该研究出自教育技术类期刊。图10中,教学系统、Web、交互性、服务器、教学内容为全文高频词。结合摘要可知,该研究的目的是为交互性网络教学系统设计提供技术支持和方法指导,体现了网络教学与教学系统和教学设计相结合的特点,重关键技术的研究。

图10 基于B/S架构的交互性教学系统设计关键技术研究词云图

2.3.3 围绕实验教学的研究 研究主题举例:心理实验教学系统设计思路与发展探索

来源:中国教育技术装备

机构:武汉大学哲学学院

由来源可知,该研究出自教育技术类期刊。图11中,教学系统、实验教学、计算机、心理学、实验设计为全文高频词。结合摘要可知,心理实验教学系统是一种计算机化平台,其设计由早期的教师演示发展到后来的支持学生参与设计,再到现在的云端大数据技术,体现了实验教学与现代信息技术接轨并与教学设计、教学系统、具体学科以及网络教学相结合的特点。

图11 心理实验教学系统设计思路与发展探索词云图

2.3.4 围绕虚拟现实的研究 研究主题举例:基于虚拟现实技术的微格教学系统设计

来源:实验技术与管理

机构:温州大学国资与实验室管理处;温州大学教师教育学院

由机构可知,师范专业研究者参与了合作。图12中,教学系统、师范生、虚拟现实、实验教学为全文高频词。结合摘要可知,该研究利用虚拟现实技术构建一个包括教学场景、虚拟角色、虚拟教学情景和教学技能评价的师范生技能培训微格教学系统,体现了虚拟现实与教学系统、教学设计以及具体专业领域相结合的特点。

图12 基于虚拟现实技术的微格教学系统设计词云图

2.3.5 围绕教学设计的研究 研究主题举例:新一代信息技术环境下网络教学设计范式重构——基于“课程编导”理念的在线教学系统设计研究

来源:中国电化教育

机构:北京理工大学教育研究院;延安大学教育科学学院

由来源和机构可知,该研究出自教育技术类期刊,师范专业研究者也参与了合作。图13中,信息技术、在线教育、学习者、互联网为全文高频词。结合摘要可知,该研究探讨了新一代信息技术环境下在线教学资源的设计、开发与应用,体现了教学设计与网络教学以及信息技术相结合的特点,即重教学理论又重技术应用。

图13 新一代信息技术环境下网络教学设计范式重构词云图

教学系统泛指计算机化平台,教学设计倾向于教学理论指导的设计,教学系统、网络教学、实验教学、虚拟现实、教学设计五大主题研究内容彼此联系紧密,教育技术类期刊和师范专业研究者均有参与五大主题内容的研究。

3 结果与讨论

3.1 发文趋势现状

近十年来,国内ISD研究的年发文量一直保持在较高水平,且整体呈上升趋势,长期高产的年发文量表明ISD的研究正处于蓬勃发展的阶段,已被广泛的关注,其研究也在不断深入。从机构和文献来源发文量来看,师范院校和教育技术类期刊,参与度不足,对该研究领域提供的理论指导还不够。未来师范院校和教育技术类期刊有较大空间去助力ISD研究领域理论体系的发展和完善。

3.2 合作关系现状

近十年来国内ISD的相关研究中,从研究者合作来看,研究者相互之间合作的频次较低。从机构合作来看,机构之间合作的频次也较低。从学科合作来看,不同学科之间的交叉度还不够。因此研究者、机构、学科内部之间的合作力度均不足,未来有较大空间去加强各个维度内部的合作,助力ISD交叉学科及研究的多元化发展。

3.3 研究内容发展现状

近十年国内ISD研究主题排名前五的主题中,教学系统作为关键字与教学设计、虚拟现实、网络教学、实验教学均有关联,教学系统的研究内容在2013年早期分门别类,到2020年后聚焦于深度学习。网络教学主要依托于信息技术,尤其是数据挖掘、多媒体技术。实验教学与教学系统、网络教学结合紧密。虚拟现实的研究在2013年早期重教学系统设计和教学效果,在2015～2020年间与实验教学结合较多,到2020年后与网络教学结合紧密。教学设计在2013年早期多与教学系统、实验教学相结合,在2015～2020年间与虚拟现实结合较多,在2020年后与网络教学有更多的结合。尽管不同的主题在近十年间发展的趋势存在差异,但五大主题彼此一直结合紧密。未来的ISD研究应继续加强五大主题彼此的联系,促进其深度融合和创新发展,以提高ISD领域的研究质量和水平。