彭章輝 高守寶

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250358)

全國中學生物理競賽(簡稱物理競賽)是主要面向在校高中生展開的課外競賽活動，從1984年開始創(chuàng)辦至今已連續(xù)進行36次，現(xiàn)已形成規(guī)模宏大、層次多樣的格局.《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》提出強國必先強教，凸顯提高國民素質(zhì)的重要性和緊迫性，探索發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的途徑[1].2020年1月，教育部印發(fā)《關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學科招生改革試點工作的意見》[2]，提出在部分高校開展基礎(chǔ)學科招生改革試點(稱為“強基計劃”)，這為具有物理學科潛質(zhì)和特長的學生通過參加物理競賽拓寬了成長發(fā)展通道.物理競賽不僅注重人才選拔，也有利于推動物理教學發(fā)展，具有發(fā)展學生終身學習能力和滿足社會對高端拔尖人才需求的關(guān)鍵作用.

研究以2000-2020年近20年來有關(guān)物理競賽的文獻為數(shù)據(jù)來源，運用共詞分析、聚類分析和多維尺度分析等方法對文獻樣本進行定量研究，解讀物理競賽的高頻關(guān)鍵詞及繪制知識圖譜，以此展現(xiàn)物理競賽的重點領(lǐng)域和發(fā)展進程.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在中國知網(wǎng)中，對2000-2020年發(fā)表的論文以“物理競賽”或“物理奧林匹克”為篇名進行檢索，獲得文獻622篇.對無作者、試題及參考答案發(fā)布、活動通告、會議信息、無關(guān)論文等不符合要求的文獻進行剔除后，獲得有效論文395篇，將其作為研究樣本.

1.2 研究工具

data數(shù)據(jù)3.0，GIGO1.1，CO_OC1.7，UCINET6與SPSS21.

1.3 研究過程

首先，使用data數(shù)據(jù)3.0對395篇論文進行關(guān)鍵詞提取，利用GIGO1.1對原始關(guān)鍵詞進行近義或同義詞合并，如將“競賽題”與“競賽試題”進行合并處理為“競賽題”，最終剩余有效關(guān)鍵詞883個，累計出現(xiàn)頻次為1 618次，將詞頻≥4的41個關(guān)鍵詞作為高頻關(guān)鍵詞.

然后，使用CO_OC1.7導(dǎo)出高頻關(guān)鍵詞的共現(xiàn)矩陣和頻次，在SPSS21導(dǎo)入共現(xiàn)矩陣轉(zhuǎn)化得到相似矩陣和相異矩陣，在UCINET6中導(dǎo)入相似矩陣得到知識圖譜進行社會網(wǎng)絡(luò)分析，包括三大中心度(即點度中心度、接近中心度和中介中心度).

最后，將相似矩陣、相異矩陣進行聚類樹狀圖和多維尺度分析，深入探析物理競賽的發(fā)展趨勢和研究進程.具體操作過程如圖1所示.

圖1 文獻樣本數(shù)據(jù)分析詳圖

2 研究結(jié)果分析

2.1 高頻關(guān)鍵詞分析

對395篇論文中的883個關(guān)鍵詞進行分析，依據(jù)普賴斯公式

其中M為高頻關(guān)鍵詞閾值，Nmax代表文獻被引頻次的最高值[3].在此次研究文本中，被引率最高的是《全國中學生物理競賽與國際奧林匹克物理競賽》[4]一文，已被累計引用 15次，由普賴斯公式計算可得M≈2.901，即高頻關(guān)鍵詞的閾值要大于3，筆者根據(jù)文本實際研究需要，抽取出詞頻≥4的41個高頻關(guān)鍵詞，累計出現(xiàn)551次，占總頻次的34.05%，具體結(jié)果如表1所示.

表1 物理競賽高頻關(guān)鍵詞表(詞頻≥4)

在表1中，能明確地看出前10位關(guān)鍵詞為物理競賽(274)、競賽題(38)、高中物理(31)、微元法(13)、競賽輔導(dǎo)(11)、物理過程(11)、簡諧運動(9)、點電荷(7)、壓軸題(7)和物理模型(6).對高頻關(guān)鍵詞的提取能初步地判斷國內(nèi)物理競賽整體集中于競賽試題方面，僅停留在對關(guān)鍵詞頻次統(tǒng)計分析難以發(fā)現(xiàn)此領(lǐng)域的內(nèi)在聯(lián)系.因此，需要借助關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析法進一步深入研究.

2.2 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

為了得到國內(nèi)物理競賽研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)程度，本文利用UCINET6得到了如圖2所示共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，直觀地展示當前此領(lǐng)域的研究熱點.圖中的正方形代表一個關(guān)鍵詞的節(jié)點，節(jié)點越大表明它在整個社會網(wǎng)絡(luò)中的重要性越大.

圖2清晰地展示了以“物理競賽”為中心構(gòu)成的高頻關(guān)鍵詞關(guān)系網(wǎng)絡(luò).首先，“物理競賽”的節(jié)點最大，有向箭頭最多，在網(wǎng)絡(luò)圖譜中具有關(guān)鍵地位.其次，“競賽題”“高中物理”“電流表”和“微元法”的有向箭頭也比較多，也是當前國內(nèi)物理競賽領(lǐng)域的熱點、重點.

圖2 物理競賽高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

另外，運用點度中心度(Degree)、接近中心度(Closeness)、中介中心度(Between)對圖2的共詞網(wǎng)絡(luò)分析圖進行客觀地描述.點度中心度反映節(jié)點之間聯(lián)通能力的強弱，數(shù)值越大，聯(lián)通能力越強，代表其在網(wǎng)絡(luò)中越重要.接近中心度是指兩點之間最短路徑的長度，其值越小，表明該節(jié)點越處于核心地位，反之則表明其在網(wǎng)絡(luò)中越處于邊緣位置.中介中心度代表節(jié)點間的連接能力.其中第一個指標高為某學科領(lǐng)域研究熱點所在；前兩個指標低，第三個指標高則表示該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢[5].鑒于篇幅，在此列舉了20個關(guān)鍵詞的三大中心度指標，結(jié)果如圖3所示.由圖3可知：“物理競賽”“競賽題”“高中物理”和“微元法”在上述3個指標的值都比較高，說明它們不僅是當前國內(nèi)物理競賽研究的熱點，也是今后需要關(guān)注的方面.“核心素養(yǎng)”的點度中心度和接近中心度較低，而中介中心度較高，屬于較少涉及的內(nèi)容，受關(guān)注度相對較低，但也代表了該領(lǐng)域研究的前沿，可能會成為未來的研究方向.

圖3 物理競賽關(guān)鍵詞中心度分析

2.3 高頻關(guān)鍵詞的聚類分析和多維尺度分析

基于上述分析，已初步清晰了物理競賽領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián).繼續(xù)將data數(shù)據(jù)3.0生成的共現(xiàn)矩陣通過SPSS21轉(zhuǎn)化得到一個41×41的相似矩陣(表2).再將關(guān)鍵詞聚類分析，以獲得我國物理競賽研究的主題領(lǐng)域結(jié)構(gòu).相似矩陣中的數(shù)值越接近1，表明相似度越大；反之，相似度越小.從表2觀察它們的相似性大小可以簡單地看出，與“物理競賽”相關(guān)性較高的前三位關(guān)鍵詞分別為“競賽題(0.523)”“高中物理(0.433)”和“競賽輔導(dǎo)(0.374)”.這表明在物理競賽中，第一，文獻大部分是對競賽試題的分析，主要包括對解題方法技巧的分析；第二，由于競賽題的難度高于平時所學的知識，需要一線教師或者競賽教練等輔導(dǎo)學生運用一題多解、巧解多題、思維拓展等方法解題；另有部分則是對競賽輔導(dǎo)的心得體會和經(jīng)驗總結(jié).

表2 物理競賽高頻關(guān)鍵詞相似矩陣(部分)

為進一步體現(xiàn)物理競賽領(lǐng)域的研究熱點，采用SPSS21對關(guān)鍵詞相似矩陣進行聚類分析，根據(jù)聚類分析的原理，得出物理競賽研究的高頻關(guān)鍵詞分為三大研究類圖，具體分布如表3所示.

表3 物理競賽高頻關(guān)鍵詞聚類結(jié)果

從表3中可以看出：對利用數(shù)學方法與技巧對競賽解題的分析是當前物理競賽研究領(lǐng)域的最大熱點(種類1)，為進一步確定研究領(lǐng)域中熱點所在的具體位置，需采用SPSS21對表2的相似矩陣轉(zhuǎn)化為相異矩陣進行多維尺度分析，加之聚類分類結(jié)果得出物理競賽的熱點知識圖譜，結(jié)果如圖4所示.根據(jù)戰(zhàn)略坐標原理[6]，圓圈為高頻關(guān)鍵詞在圖中所處的位置，距離越近，表明關(guān)系越緊密；反之，關(guān)系越疏遠.

圖4 物理競賽研究熱點知識圖譜

種類1為競賽試題研究領(lǐng)域，主要分布于第一、第二象限，說明其為整個研究領(lǐng)域的熱點與中心，涉及物理競賽、競賽題、解題技巧等關(guān)鍵詞.從研究內(nèi)容看，多集中于知識、題型、能力、試題情境、解答思路等方面.如對地面上失去萬有引力后物體的運動情況作出了進一步的深度分析[7]；一題兩種解答的結(jié)果探討得出往復(fù)運動物體機械能守恒的條件[8]；對庫侖扭秤實驗在試題中的出題存在商榷之處的探討[9]；少部分競賽試題答案存在錯解的矯正分析[10].筆者在閱讀文獻時發(fā)現(xiàn)，也有涉及競賽試題與物理高考內(nèi)容的比較研究[11，12]，主要是高考試題以競賽題為縮影進行改編，體現(xiàn)了競賽題對高考具有一定的備考導(dǎo)向作用.從解題方法看，主要體現(xiàn)為數(shù)學方法與技巧在競賽題中的運用，如圖像法、微元法、綜合法在電磁學中的運用[13]；運用數(shù)學方法中的微積分、幾何相關(guān)知識、復(fù)數(shù)等巧解試題求解競賽題[14]，表明了數(shù)學思維在物理競賽中的重要性.研究表明，物理競賽試題中的STSE的占比很高，關(guān)注基本知識和基本技能的訓練，密切聯(lián)系科技前沿發(fā)展，著重考查推理論證能力、邏輯思維能力和創(chuàng)新能力[15].對競賽試題進行研究，能讓教師清楚物理競賽試題的特點、提升中學生學習物理的興趣以及心理品質(zhì)的發(fā)展，從而不斷完善物理競賽教育.可見，競賽試題在整個物理競賽研究中具有關(guān)鍵作用，是未來研究需要持續(xù)關(guān)注的內(nèi)容.

種類2為核心素養(yǎng)與競賽試題分析領(lǐng)域，涉及核心素養(yǎng)、試題分析、中學生等關(guān)鍵詞，主要分布于第三、第四象限，處于網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的邊緣區(qū)域，但同時也是未來需要關(guān)注的熱點方向，具有進一步的發(fā)展空間.從文獻量來看，在中國知網(wǎng)以“物理競賽”和“核心素養(yǎng)”為主題搜索，共有13篇，其中就有12篇發(fā)表于2019年和2020年，說明此領(lǐng)域為新興領(lǐng)域，研究還處于起始階段.研究內(nèi)容主要為以核心素養(yǎng)為背景的競賽試題分析與物理競賽教學，如基于數(shù)理核心素養(yǎng)對2014-2018年的預(yù)賽試題進行分析發(fā)現(xiàn)題目均涉及物理觀念，同時對競賽題在科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等方面也作了相關(guān)分析[16].如在核心素養(yǎng)啟示下進一步促進物理競賽的教與學，提升學生的物理素養(yǎng)，加強培養(yǎng)學生的綜合運用能力、探索與質(zhì)疑精神，更全面地了解物理學體系[17].因國內(nèi)學者對核心素養(yǎng)的研究主要是在基礎(chǔ)教育改革方面，在結(jié)合物理競賽方面的研究還尚淺，但近年來競賽試題逐漸加入對核心素養(yǎng)的考查，不僅針對物理核心素養(yǎng)，同時對數(shù)學核心素養(yǎng)也提出了較高要求.物理競賽注重人才選拔，為適應(yīng)新時代發(fā)展需求，物理競賽以核心素養(yǎng)為依托更能為國家培養(yǎng)所需人才.可見，未來基于核心素養(yǎng)的物理競賽研究會日趨增多，此領(lǐng)域的研究可能會成為熱門方向.

種類3為競賽輔導(dǎo)教學領(lǐng)域，主要分布于第三象限，涉及競賽輔導(dǎo)、高中物理、物理學科等關(guān)鍵詞.此領(lǐng)域主要探討競賽輔導(dǎo)教學、培養(yǎng)物理競賽選手以及經(jīng)驗體會.從文獻量看，在中國知網(wǎng)中以“物理競賽輔導(dǎo)”為主題在“2000-2005”“2006-2010”“2011-2015”“2016-2020”年份間進行檢索，分別得到9，6，25，22篇文獻，這說明研究者在物理競賽輔導(dǎo)方面的關(guān)注度在不斷提高，這也從側(cè)面說明此領(lǐng)域還有很大的潛在發(fā)展空間.在研究內(nèi)容上，主要為從理論和實踐層面來提升學生的綜合能力，由于物理競賽的內(nèi)容包括較多高中物理之外的知識，教師需要突破傳統(tǒng)教學模式，積極開展啟發(fā)式、探究式、個性化教學等方式，如針對不同檔次的學生依據(jù)需要層次理論對學生進行啟發(fā)式教育，從而激發(fā)學生的自主探索意識[18].在研究方向上，隨著素質(zhì)教育、核心素養(yǎng)、全人教育的倡導(dǎo)，學者們不再囿于培養(yǎng)競賽選手，而是轉(zhuǎn)向?qū)W生科學態(tài)度、思維能力和心理健康的培養(yǎng)，為國家積蓄創(chuàng)新人才做準備，研究的深度、廣度在不斷拓展.輔導(dǎo)教學不僅僅是針對學生的競賽成績，更要依據(jù)學生的不同學習程度和發(fā)展情況制定個性化教學，達到科學育人的目標.教師在競賽輔導(dǎo)中處于主導(dǎo)作用，應(yīng)根據(jù)每個學生的不同心理特征進行分層教學和設(shè)計個性化學習任務(wù)單，協(xié)助學生在最近發(fā)展區(qū)內(nèi)取得優(yōu)異成績.

3 結(jié)論與啟示

3.1 研究主題分析

當前我國物理競賽研究分為競賽試題研究領(lǐng)域、核心素養(yǎng)與競賽試題分析領(lǐng)域和競賽輔導(dǎo)教學領(lǐng)域.其中競賽解題研究為核心領(lǐng)域，核心素養(yǎng)與競賽題分析為新興發(fā)展領(lǐng)域，競賽輔導(dǎo)教學屬于潛在發(fā)展領(lǐng)域.我國物理競賽研究已不再局限于物理競賽本身，而同時延伸到核心素養(yǎng)、教育教學等其他領(lǐng)域的研究，拓寬了物理競賽的研究深廣度.

3.2 研究趨勢分析

競賽試題研究領(lǐng)域，在研究內(nèi)容上，基本上是對某一個題或某類題型的具體解題之中，深入細致地分析解題過程與步驟，并且解題多關(guān)注于力學和電磁學方面，在熱學、光學、近代物理3類涉及較少.僅有少許碩士論文涉及對預(yù)賽或決賽試題的力學、電磁學、光學、熱學、近代物理進行整體分析[16，19].在解題方法上，主要運用數(shù)學方法與技巧，如微積分和幾何相關(guān)知識，且多為定性研究，缺乏可靠的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐.對此，研究者未來可開展對整套試題如預(yù)賽、復(fù)賽、決賽等方面進行更為全面的研究，同時加強對光學、熱學、近代物理3方面的分析，使得物理競賽研究板塊更為全面.方法上可采用定量研究與定性研究相結(jié)合、注意多樣化以及科學化等方式深化分析研究內(nèi)容[20].

核心素養(yǎng)與競賽題分析領(lǐng)域，已有文獻對競賽試題與核心素養(yǎng)的分析研究還處于起步階段，僅有少許文獻談及核心素養(yǎng)對物理競賽教學的啟示與價值.物理競賽試題類型中STSE占比最多，說明試卷命題注重與科技、社會、環(huán)境的聯(lián)系，近年來也愈發(fā)凸顯物理學科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的特點.相信隨著核心素養(yǎng)教育的實踐愈加成熟，廣大物理教育研究者可關(guān)注核心素養(yǎng)視角下物理競賽的研究方向，進一步凸顯物理競賽的育人價值功能.聚焦核心素養(yǎng)是達到培養(yǎng)全面發(fā)展的人的基本要求，以此在豐富物理教育研究的實踐中推動物理競賽和物理教學不斷向前發(fā)展.

競賽輔導(dǎo)教學領(lǐng)域，加強物理競賽輔導(dǎo)，提升物理教育質(zhì)量.競賽輔導(dǎo)的目的在于促進學生的全面發(fā)展，需要從著重對競賽選手的培養(yǎng)到更關(guān)注學生在創(chuàng)新能力、科學素養(yǎng)和思維品質(zhì)等方面的提升，促進競賽研究從科學的角度對創(chuàng)新人才進行培養(yǎng)與選拔.可以預(yù)期隨著課程改革和素質(zhì)教育等的成熟研究，競賽輔導(dǎo)與其結(jié)合研究將會成為熱門趨勢，進而不斷提升物理教學質(zhì)量.此外，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”已如火如荼地開展，仿真模擬技術(shù)與物理教學的整合能夠?qū)崿F(xiàn)學生學習方式的轉(zhuǎn)變，同時在評估學生科學素養(yǎng)等方面有便利之處[21]，與競賽輔導(dǎo)教學結(jié)合勢必會加速物理競賽發(fā)展，在物理競賽中的應(yīng)用與研究也將會占有一席之地.

綜上，物理競賽在促進物理教育發(fā)展、提高教師專業(yè)水平和滿足社會對高端拔尖人才需求等方面具有十分重要的地位.本文通過對當前國內(nèi)物理競賽研究熱點的可視化分析，旨在為未來物理競賽研究提供數(shù)據(jù)支撐和研究方向參考.