软件技术辅助中学物理教学的可视化分析

摘 要：准确把握软件技术辅助中学物理教学的现状和研究热点，对于中学物理教学有着重要的指导意义。根据CiteSpace和VOSviewer两款软件的可视化结果，从发文趋势、作者及机构偶联、关键词突现等方面对软件技术辅助中学物理教学的现状与研究热点进行剖析。研究发现，该领域正处于发展黄金期，但相关研究者和机构应加强合作，关注新兴软件技术的开发与应用。如何将这些新兴软件技术有效融入物理教学设计和实践中，以提升学生的核心素养，成为当前的研究热点。

关键词：软件技术；中学物理教学；研究热点；可视化分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）12-0073-6

近年来，软件技术的快速发展，尤其是在教育部《教育信息化２．０行动计划》和《中国教育现代化２０３５》等政策的推动下，催生了各种新型教学手段和多功能的教学软件。这些技术的不断革新与物理课堂教学深度融合，吸引了众多研究者的关注。然而，当前该领域的研究是否已经趋于饱和？相关研究者和研究机构的合作程度如何？当前及未来一段时间的研究热点又是什么？为了解答这些问题，将使用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ两款文献计量工具，发挥二者的优势互补，对相关文献进行发文量、作者合作、机构偶联以及关键词突现的分析。通过这些分析，旨在为研究者提供有价值的参考建议，以促进软件技术在中学物理教学中的进一步应用与发展。

１ 研究设计

ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ是当前较为热门的两款可视化文献计量工具，而中国知网是国内最大的中文文献数据库。本文基于中国知网的数据，利用这两款可视化工具进行统计分析，以明确研究趋势和热点。

１．１ 文献检索与筛选

软件技术泛指在需求提出、系统开发到维护使用的全过程中所涉及的技术［１］。本研究所探讨的“软件技术辅助中学物理教学”主要包括依托软件技术的教学方式，利用软件技术开发的教学平台，以及各种具体的教学软件。

研究数据来源于中国知网，在检索时，为确保涵盖尽可能多的相关文献，应使用宽泛的检索词［２］。经过多次探索，最终确定的检索式为（ＳＵ％＝（‘中学物理’＋‘高中物理’＋‘初中物理’） ＯＲ ＴＩ％（‘中学物理’＋‘高中物理’＋‘初中物理’）） ＡＮＤ（ＳＵ％＝（‘软件’＋‘软件技术’） ＯＲ ＴＩ％（‘软件’＋ ‘软件技术’）），检索日期为２０２３年４月１７日，共检索到文献８６０篇。随后，两名研究者Ａ、Ｂ独立进行手动筛选，排除会议论文、作者信息不全、研究主题与软件技术无关的文献，以及重复文献。最后，由第三名研究者Ｃ核对比较，确定符合标准的文献共计６０２篇。

１．２ 研究思路与方法

研究采用可视化方法，将数据分别导入ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ绘制可视化图谱。这两款软件具备“图”和“谱”的双重特性，不仅能够通过图形将数据可视化呈现，还能以谱系的方式序列化表达，使结果的呈现更加直观［３］。付健等从软件功能算法的角度分析并指出，ＣｉｔｅＳｐａｃｅ基于时间的可视化方式有助于考察研究主题随时间的变化；同时，其聚类算法能够帮助研究者发现突现词，从而探讨热点和把握研究方向［４］。宋秀芳等则比较了两款软件的可视化结果，指出在进行作者偶联分析时，ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ的分析结果与原数据的符合程度显著高于ＣｉｔｅＳｐａｃｅ［５］。

基于上述分析，使用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ绘制机构偶联图谱并寻找突现词，客观评述软件技术辅助中学物理教学的研究趋势和热点；在考察作者发文及合作情况时，则基于ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ生成的图谱进行分析。

在ＣｉｔｅＳｐａｃｅ ６．２．Ｒ２中导入原始数据并转化格式后，得到有效数据５９６条。时间划分（Ｔｉｍｅ

Ｓｌｉｃｉｎｇ）设置为２０００年１月至２０２３年３月，时间切片（Ｙｅａｒｓ Ｐｅｒ Ｓｌｉｃｅ）为１年。在分析研究机构时，进行了数据清洗，例如将“西南师范大学”合并到“西南大学”，以最大程度确保分析结果的客观性和准确性。

在利用ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ１．６．１９进行作者分析时，依据普赖斯（Ｐｒｉｃｅ）公式［６］计算核心作者发文量N=0.749×■，其中η■为该领域最高产作者的发文数量。计算结果为N=１．４９８，向上取整为２，因此发文量大于等于2篇的作者可视为该研究领域的核心作者候选人，共５２人。

２ 可视化结果分析

导出软件绘制的图谱后，从年度发文量、作者及研究机构合作关系、关键词等方面进行剖析。

２．１ 发文量趋势

逐年发文量趋势可以反映某一研究领域热度的变化［７］，如图１所示。结果显示，在研究涵盖的时间范围内，关于软件技术辅助中学物理教学的相关文献最早发表于２０００年。２０００年至２００８年每年发文量在１至７篇之间浮动。自２００９年起，年度发文量有所增长；到２０１１年，相较于２００８年之前的发文量已经翻番。这一时期发文量的增长与我国互联网的逐渐普及密切相关。

在２０１１年至２０１５年间，年发文量趋于稳定。自２０１５年开始，互联网技术呈现井喷式发展，软件技术也借此东风蓬勃发展并应用于教学领域。在此期间，“互联网＋教育”成为突现热词［８］。２０１６年至２０２０年，年发文量呈现出相对稳定的指数型增长。尽管２０２１年开始增长速度有所减缓，但年发文量依然保持在历史高位。

根据普赖斯的划分，当前该领域的研究即将过渡到成熟阶段，因此可以预测在未来一段时间，论文数量将保持较稳定的线性增长［９］。由于文献只检索到２０２３年３月，因此当年节点用虚线连接，但不难推测２０２３年的发文量将保持高位，这表明在中学物理教学中引入软件技术的研究前景良好。

２．２ 作者合作分析

根据１．２节计算得出的５２位核心作者候选人，共发文１１５篇，占总发文量的１９．３０％。根据普赖斯定律，该研究领域高产作者群尚未形成［１０］。在ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ生成的作者共现叠加图谱（图２）中，以节点大小表示作者的发文量，相互有重叠或连线的节点表示这些作者之间存在合作关系，而冷暖色调则表示作者的发文年份。该图谱侧重于刻画某位作者的发文量及发文时间。

通过分析图谱可以发现，在软件技术辅助中学物理教学的相关研究中，多数研究人员未形成长期、稳定的合作关系。其中，陈林和王鹏的发文量均为４篇，而桑芝芳、李广富、狄莉丽等７位作者的发文量均为３篇。从时间上看，以李广富为代表的作者群在近一年内有文献发表，分别以陈林和洪哲新为代表的2个作者群在近三年内有文献发表。此外，潘文术、丁宗星等研究者也在近期积极参与该领域的研究。

在作者合作密度图谱中（图３），所在区域热度越高的作者与其他研究者的合作关系越广泛，图谱侧重于刻画相关作者群的合作密切程度。可见，李广富、彭朝阳、洪哲新等研究者之间存在较多的合作关系。在已形成的作者合作群中，以李广富为代表的合作群发文最多，共计１１篇。然而，不同的作者群之间缺乏有效的沟通与合作，整体合作关系仍显得比较零散。

２．３ 发文机构分析

机构共现叠加图谱能够呈现研究机构之间的合作情况，以及某一研究机构的发文量和发文时间。为了准确统计机构的发文情况，将下属单位合并到一级单位，例如，将“陕西师范大学物理学与信息技术学院”合并为“陕西师范大学”。为便于解读机构之间的合作情况，对节点位置进行了调整，同时将发文量仅有一篇且无合作关系的机构隐藏，机构标签的阈值设为３。经处理后，绘制的图谱如图４所示，可以看到，绝大多数中学发文不足3篇。

图４的网络密度为０．００１１，表明该领域相关研究机构之间的合作并不密切。从图中可以直观地看出，合作关系几乎只存在于中学与中学之间，与高校之间的合作数量很少，只有江苏省句容市第三中学与安徽师范大学之间存在较稳定的合作关系，而不同高校之间几乎没有合作。

从发文量来看，参与该项研究的中学数量虽然众多，但多数仅发文一篇。发文量较多的机构均为高校，其中华中师范大学的发文量最高，达到２７篇，其次是南京师范大学和西南大学，各为１８篇。发文量达到１０篇的机构共有１１所，表１中列出了这些机构的发文详情，线段表示时间的连续性，颜色越深表示对应年份研究频率越高。

在发文时间方面，华中师范大学、西南大学、四川师范大学等院校的研究起步较早，且研究的持续性较好。南京师范大学在早期也有文献发表，但近三年相关成果较少。值得注意的是，西南大学在近半年内有新的文献发表。同时，宁夏大学在近两年也开始关注该领域的研究。

从表１中机构突现时间来看，华中师范大学是最早在该领域集中研究的机构，且其突现持续时间也最长。西南大学自２０００年开始在该领域进行研究，目前正处于突现期。尽管宁夏大学的研究起步较晚，但它已成为当前重要的研究机构之一。总体来看，表１中列出的各高校在研究起步上虽然存在先后之分，但研究持续性均较好，且至今没有中断的情况。这与２．１节对研究阶段的划分相吻合，表明该研究正处于黄金期。

２．４ 关键词突现分析

通过分析ＣｉｔｅＳｐａｃｅ提取的出现频率突增的关键词，可以考察研究领域的历史演变，识别正在兴起的研究新趋势和涌现的新主题［１１］。对２０００年以来的研究进程提取突现强度Ｔｏｐ２０的关键词，结果如表２所示。表中，加粗线段对应的年份为突现期。

ＣｉｔｅＳｐａｃｅ提供了三种对突现关键词的排序方式：按突现开始时间、按突现持续时间和按突现强度。软件默认的排序方式为按突现开始时间，这也是大多数文献选取的方式。由于突现开始时间和持续时间可以通过图形直观表示，按突现强度降序排列，以结合突现强度对研究主题演变和前沿进行更全面的分析。

２０００—２００６年：突现词包括多媒体、计算机辅助教学、物理课件等。此阶段软件技术辅助中学物理教学的研究处于起步阶段，涉及的技术相对单一。２００３年后，开始出现有关网络教学的研究，但其强度不高，未成为主流。

２００６—２０１０年：课程整合和虚拟实验成为新的突现词。课程整合的研究突现强度更高、持续时间更长，既包含学科内部的整合（如课程内容、学习方式以及课程资源的整合）［１２］，也涉及学科课程与信息技术之间的整合［１３］。本文分析的５９６篇文献中，主要关注学科课程与信息技术之间的整合。此时，多媒体与计算机辅助教学仍处于突现期，表明研究者关注软件技术对实际教学效果的改善。

２０１０—２０１６年：新的突现词包括实验数据处理和交互性，表明这一阶段利用软件技术提升实验教学效果的研究逐步兴起。这为２０１６年之后发文量的大幅增长奠定了基础，与发文量趋势分析结果相互印证。

２０１７年之后：随着软件技术的发展，越来越多的教学辅助手段为中学物理课堂提供支持，新的突现词数量陡然增多。突现强度较高的关键词包括核心素养、智能手机、可视化、微课和高中物理实验。此阶段研究者的关注点更为广泛，软件技术开始与新教育理念结合［１４］，以物理实验和微课为基础的研究成为主流，相关研究进入快速发展阶段。智能手机作为功能丰富、集成度高的工具，已成为生活中不可或缺的组成部分。无论是摄像头等硬件配置，还是Ｐｈｙｐｈｏｘ等软件应用，将智能手机应用于中学物理教学是方便快捷且效果显著的选择［１５］。教学内容的可视化则是物理学习的重要手段，包括知识结构的可视化呈现和实验数据的可视化处理［１６］。当前教学内容的可视化正处于突现期，值得研究者关注和思考。

直到２０２３年，依旧处于突现期的关键词包括核心素养、可视化、教学策略、教学设计、高中物理实验、ＧｅｏＧｅｂｒａ软件和虚拟仿真软件等。这表明，应用可视化、ＧｅｏＧｅｂｒａ、虚拟仿真软件等软件技术的主要目标是将其有效融入教学策略中，以提升学生的核心素养，这也成为当前及未来一段时间的研究热点。然而，近年来新兴的软件技术种类繁多。在表２中列出的突现强度前２０位的关键词中，属于新兴软件技术的仅有可视化、微课、ＧｅｏＧｅｂｒａ软件和虚拟仿真软件等。这表明研究者们对其他新兴软件技术的关注还远远不够。因此，可以预测，新型教学软件的开发和应用将成为未来研究的热点之一。

３ 结 论

在基于文献计量学的研究中，使用ＣｉｔｅＳｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ两款软件对软件技术辅助中学物理教学的相关文献进行了可视化分析，包括发文量趋势、作者合作情况、发文机构以及关键词突现等方面。结果表明，软件技术辅助中学物理教学的相关研究目前刚刚步入成熟阶段，处于研究的黄金期。同时，基于分析结果，提出以下研究建议：

第一，加强交流合作，重视实证研究。

一方面，作者之间的合作尚显不足，领域内高产作者群尚未形成，已形成的合作群体之间缺乏交流。相关研究者应重视加强合作，延长研究周期，持续关注该领域热点的变化。另一方面，研究机构之间的合作也需加强。尽管发文量大、研究周期长的机构多为高校，但高校之间缺乏合作，各中学与高校之间也未能形成良好的合作关系，这表明高校的研究成果亟待在中学物理课堂中应用。研究者应结合本校及本班实际，强化实证取向，找到切实可行的应用方案，推进研究成果落地，研究内容也不应局限于单一课例。

第二，关注教育技术的发展，紧跟当下研究热点。

随着时代的发展，教育技术已成为现代教育不可或缺的手段［１７］，并在不断更新与发展。一些相对老旧的技术（如多媒体课件的设计与应用）在２０１０年前已有大量研究成果，至２０１６年趋于饱和，显然不再是研究热点。研究者应关注当下热门的教育技术，例如可视化教学，其具有图像化、形象化、具体化、多元化等特征［１８］，能够将隐形、抽象的知识变得显性和具体，简化学习过程，非常适合中学物理概念教学和模型建构，可作为未来研究的方向。

第三，关注新兴软件技术。

研究者们已开始重视将某些新兴软件（如ＧｅｏＧｅｂｒａ）应用于中学物理教学，但对测量分析软件ＭＡＴＬＡＢ、虚拟实验软件ＮＯＢＯＯＫ，以及虚拟现实技术（ＶＲ）、元宇宙技术等的应用仍显不足。因此，研究者可在未来加强对其他新兴软件技术的关注，围绕物理学科核心素养的四个维度，探索软件技术与教学理念的有效融合，提出既具创新性又切实可行的核心素养提升路径。

当然，本文的研究仍存在诸多不足。例如，在检索策略上尚需改进；所使用的分析工具也有局限性。未来，可结合ＵＣＩＮＥＴ、Ｂｉｃｏｍｂ、ＨｉｓｔＣｉｔｅ等软件的可视化结果，对文献进行对比分析。此外，未来研究可纳入外文文献进行分析，以提供更全面、客观的建议。相信随着越来越多的研究者关注并投入软件技术辅助中学物理教学的研究，相关研究成果定能为物理课堂注入更多活力，使其洋溢着新技术的生机。

参考文献：

［１］陈德第，李轴，库桂生．国防经济大辞典［Ｍ］． 北京：军事科学出版社， ２００１：５７１－５７２．

［２］陈超美.ＣｉｔｅＳｐａｃｅⅡ：科学文献中新趋势与新动态的识别与可视化［Ｊ］．陈悦，侯剑华，梁永霞，译．情报学报， ２００９（３）：４０１－４２１．

［３］柏安璇．２１世纪以来国内校本课程研究的回顾与展望——基于ＣｉｔｅＳｐａｃｅ的可视化分析［Ｊ］．贵州师范学院学报，２０１８，３４（１０）：７５－８４．

［４］付健，丁敬达． Ｃｉｔｅｓｐａｃｅ和ＶＯＳｖｉｅｗｅｒ软件的可视化原理比较［Ｊ］．农业图书情报学报，２０１９，３１（１０）：３１－３７．

［５］宋秀芳，迟培娟．Ｖｏｓｖｉｅｗｅｒ与Ｃｉｔｅｓｐａｃｅ应用比较研究［Ｊ］． 情报科学，２０１６，３４（７）：１０８－１１２，１４６．

［６］张子婷，郑彦宁，袁芳．多指标核心作者识别方法研究［Ｊ］．现代情报，２０２０，４０（７）：１４４－１５１．

［７］蒋鑫，洪明．国际教育大数据研究的热点、前沿和趋势——基于ＷＯＳ数据库的量化分析［Ｊ］．中国远程教育， ２０１９（２）：２６－３８．

［８］苏敏，喻国明．以人为本的成长逻辑：中国互联网发展的第一个２５年——基于学术视角的Ｃｉｔｅｓｐａｃｅ可视化分析［Ｊ］．辽宁大学学报（哲学社会科学版），２０１９，４７（６）：１２７－１４１．

［９］严青利，黄长形，白雪帆．循证医学文献增长规律的实证研究——以传染病学循证医学文献的增长为例［Ｊ］．情报杂志，２００６（１１）：１４４－１４５．

［１０］李先跃．中国文化产业与旅游产业融合研究进展及趋势——基于Ｃｉｔｅｓｐａｃｅ计量分析［Ｊ］．经济地理， ２０１９，３９（１２）：２１２－２２０，２２９．

［１１］陈悦，陈超美，刘则渊，等． ＣｉｔｅＳｐａｃｅ知识图谱的方法论功能［Ｊ］．科学学研究， ２０１５，３３（２）：２４２－２５３．

［１２］陈治锋．新课标下基于课程整合的物理教学设计——以“声音的特性”为例［Ｊ］．中学物理教学参考，２０２２，５１（２９）：４４－４６．

［１３］安爱平． 信息技术与物理课程的整合——基于网络环境下的“声音的特性”课例［Ｊ］．物理教师，２００６，27（６）：２３－２４．

［１４］蒙露芸，王笑君．近十年来中外物理教育研究领域现状及趋势浅析［Ｊ］．物理教学，２０２１，４３（１０）：７５－７７．

［１５］洪叶，高雷．基于智能手机软件Ｐｈｙｐｈｏｘ在中学物理实验应用的研究——以“声音的特性”为例［Ｊ］．物理教师， ２０２２，４３（１）：７０－７２，７６．

［１６］李春胜，钟志鹏．高中物理实验可视化：价值、路径与实践——以“带电粒子在电场中的运动”为例［Ｊ］．物理教师，２０２３，４４（５）：５４－５７．

［１７］庄琪．互联网环境下现代教育技术对于教育改革的价值分析——评《互联网时代的现代教育技术教学改革》［Ｊ］．中国教育学刊，２０２２（１）：１３０．

［１８］董丽娜，郑勤红． 运用物理可视化教学培养学生高阶思维能力——以“弹力”教学设计为例［Ｊ］．中学物理教学参考，２０２３，５２（８）：３０－３２．

（栏目编辑 贾伟尧）

收稿日期：2024-04-11

基金项目：辽宁省教育厅普通高等教育本科教学改革研究项目（838）；渤海大学中小学教学改革联合研究项目（2024ZXX

JG02）；渤海大学研究生教育教学改革研究项目“《课例分析》课程多维资源库建设及在提高专业学位研究生教学和分析能力中的应用”（YJG20230001）；渤海大学教学改革研究项目“课程思政指导下的《近代物理实验》教学探究”（BHUX

JGB2022061）。

作者简介：赵诚磊（1998-），男，硕士研究生，研究方向为中学物理教学。

*通信作者：张研研（1980-），女，副教授，主要从事中学和大学物理教学研究工作。