王曼曼 米帥帥 岳慶煬 桂維玲

(山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250358)

物理是一個(gè)引領(lǐng)科技發(fā)展的學(xué)科[1]．物理學(xué)科的學(xué)習(xí)能夠從科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)精神與態(tài)度、科學(xué)應(yīng)用等4個(gè)方面為學(xué)生面向未來(lái)的生活和工作做準(zhǔn)備,幫助學(xué)生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力[2]．因此，物理教育必須得到包括物理教育研究人員以及一線教師的重視．那么我國(guó)物理教育都在研究哪些主題？在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)我國(guó)的物理教育研究將會(huì)有什么樣的趨勢(shì)呢？本文針對(duì)我國(guó)2010-2020年物理教育研究的主題及趨勢(shì)進(jìn)行了研究．

1 研究問(wèn)題

學(xué)術(shù)期刊可以反映相關(guān)學(xué)科的研究水平和研究趨勢(shì)[3]．探索和分析中學(xué)物理教學(xué)的研究成果，可以更好地掌握中學(xué)物理教學(xué)研究的最新動(dòng)態(tài)，對(duì)有效指導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)具有重要意義[4]．因此，近年來(lái)不少研究人員采用分析學(xué)術(shù)期刊摘要等內(nèi)容的文獻(xiàn)計(jì)量法對(duì)物理教育研究的期刊內(nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析以獲取我國(guó)物理教育的熱點(diǎn)與趨勢(shì)．除了文獻(xiàn)計(jì)量方法之外，不少研究人員也采用了內(nèi)容分析法對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸類、整理、統(tǒng)計(jì)，以獲取物理教育研究的熱點(diǎn)以及趨勢(shì)．

雖然目前的研究人員主要采用了文獻(xiàn)計(jì)量方法以及內(nèi)容分析方法來(lái)獲取物理教育研究的熱點(diǎn)以及趨勢(shì)，得到我國(guó)物理教育在該主題的發(fā)展?fàn)顩r，但不可否認(rèn)的是，內(nèi)容分析法的解讀過(guò)程存在不可避免的主觀性和研究對(duì)象的單一性，因此分析結(jié)果往往被認(rèn)為是隨機(jī)的、難以證實(shí)的，因而缺乏普遍性[5]．而文獻(xiàn)計(jì)量法多是根據(jù)關(guān)鍵詞共現(xiàn)或關(guān)鍵詞的詞頻匯總結(jié)果來(lái)獲取我國(guó)物理教育研究的熱點(diǎn)，用詞頻變化趨勢(shì)或者突變?cè)~來(lái)反映我國(guó)物理教育研究的發(fā)展趨勢(shì)．該過(guò)程避免了內(nèi)容分析法解讀過(guò)程中存在的主觀性和研究對(duì)象的單一性，能夠得出更為客觀可信的結(jié)論[6]．但需要指出的是，共現(xiàn)分析只是簡(jiǎn)單地描述了高頻關(guān)鍵詞聚集結(jié)果和分布特征，缺乏相應(yīng)語(yǔ)義關(guān)系的揭示，而相同的共現(xiàn)詞對(duì)在不同的文獻(xiàn)中共現(xiàn)可能是由于它們之間不同的語(yǔ)義關(guān)系導(dǎo)致的，這也就意味著相同的詞對(duì)在不同的文獻(xiàn)中共現(xiàn)時(shí)，可能具有不同的意義，但在共詞分析時(shí)卻未考慮這一不同質(zhì)問(wèn)題[7]．因此，根據(jù)句子語(yǔ)義可以更好地確定我國(guó)物理教育研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)．

LDA (Latent Dirichlet Allocation) 主題模型屬于自然語(yǔ)言處理中主題挖掘的典型模型，可以從文本語(yǔ)料庫(kù)中抽取潛在的主題，提供一個(gè)量化研究主題的方法，這種方法目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各類主題發(fā)現(xiàn)中，如熱點(diǎn)挖掘、主題演化、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等[8]，其最主要的功能是抽取出文本的語(yǔ)義主題，可以直接用于文本主題挖據(jù)[9]．因此本文使用LDA主題建模對(duì)我國(guó)2010-2020年中學(xué)物理教育研究的主題和趨勢(shì)進(jìn)行可視化分析，以便解決下列兩個(gè)問(wèn)題：

(1)近10年我國(guó)中學(xué)物理教育研究涉及了哪些主題？

(2)近10年我國(guó)物理教育研究主題呈現(xiàn)的趨勢(shì)是什么？

2 研究方法與實(shí)施

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所選擇的數(shù)據(jù)均為在2010-2020年間被“北京大學(xué)中文核心”所收錄過(guò)的關(guān)于中學(xué)物理教育的期刊所包含的文章．包括《中學(xué)物理》《中學(xué)物理教學(xué)參考》《物理教學(xué)》《物理教師》4本期刊．對(duì)于一篇期刊文章來(lái)說(shuō)，文章的摘要能反映文章的研究目的、內(nèi)容、方法和結(jié)果等重要信息[10]，因此，本文以4本期刊在2010-2020年發(fā)表的全部文章摘要作為本文的文本數(shù)據(jù)．在所獲得的文本數(shù)據(jù)中剔除會(huì)議通知、征稿通知、各類測(cè)試題目及答案解析、無(wú)文章摘要等期刊文章，最終獲得有效期刊論文共26 659篇．

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

本文將檢索到的所有期刊文章的摘要作為文本挖掘的語(yǔ)料庫(kù)．文本挖掘首先需要對(duì)語(yǔ)料庫(kù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，包括刪除特殊符號(hào)[11]，刪除停止詞(百度停止詞列表[12])，刪除低頻詞匯等，以應(yīng)用于LDA主題建模的文檔詞頻矩陣構(gòu)建．

基于LDA模型的文本挖掘，主要存在兩個(gè)步驟，分別是主題數(shù)目選擇以及主題理解．本文利用對(duì)數(shù)似然值(loglikelihood)的變化作為確定主題數(shù)的方法．在本文中，當(dāng)主題數(shù)目為16時(shí)，變化趨勢(shì)趨于平緩．因此本文將16確定為最佳主題數(shù)，即近10年來(lái)我國(guó)物理教育研究共有16個(gè)主題．選取每個(gè)主題前20個(gè)關(guān)鍵詞和對(duì)該主題貢獻(xiàn)最大的前10篇文章確定每個(gè)主題的研究?jī)?nèi)容，根據(jù)每年發(fā)表該主題文章數(shù)作局部曲線回歸，得到我國(guó)物理教育主題變化趨勢(shì)．

3 研究結(jié)果

3.1 主題建模結(jié)果

在完成LDA主題建模之后會(huì)得到主題-文檔矩陣和主題-關(guān)鍵詞矩陣，即每篇文章屬于哪一個(gè)主題和每個(gè)主題所包含的所有關(guān)鍵詞，表1為主題-關(guān)鍵詞表(前20個(gè))．

表1 主題-關(guān)鍵詞

續(xù)表1

LDA主題建模只能得到主題個(gè)數(shù)和每個(gè)主題所包含的關(guān)鍵詞是什么，并不能得到每個(gè)主題的名稱是什么，我們可以根據(jù)每個(gè)主題所包含的關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系確定每個(gè)主題是什么．為了更好地理解主題的內(nèi)涵，我們找到了對(duì)該主題貢獻(xiàn)較大的前10篇文章，結(jié)合前10篇文章的內(nèi)容更好地確定主題．

3.2 各主題文章數(shù)目變化

在完成主題建模后，查看每篇文章的主題歸屬，對(duì)每年發(fā)表該主題的文章數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)每年發(fā)表該主題文章數(shù)作局部曲線回歸，得到近10年我國(guó)中學(xué)物理教育主題變化趨勢(shì)，具體如圖1所示．

圖1 近10年我國(guó)中學(xué)物理教育主題變化趨勢(shì)

圖中橫坐標(biāo)代表文章發(fā)表的年份，縱坐標(biāo)代表每年發(fā)表文章的數(shù)量，每一條曲線代表每個(gè)主題根據(jù)每年的文章數(shù)作的回歸線，在每一條線的上下兩邊有與線顏色相同的點(diǎn)，這些點(diǎn)代表每年的實(shí)際發(fā)文量，點(diǎn)在豎直方向上到回歸曲線的距離代表真實(shí)值與預(yù)測(cè)值的差距，即反映了擬合過(guò)程中的不確定性，點(diǎn)在豎直方向上到回歸曲線的距離越小，代表回歸線擬合的效果越準(zhǔn)確．根據(jù)各主題趨勢(shì)的變化規(guī)律，大致可以將16個(gè)主題分為4種類型：先快速增長(zhǎng)后快速下降型(主題11、主題3)、先緩慢增長(zhǎng)后快速下降型(主題16、主題13)、穩(wěn)定增長(zhǎng)型(主題4)、先緩慢增長(zhǎng)后緩慢下降型(主題1、主題2、主題4、主題5、主題6、主題7、主題8、主題9主題10、主題12、主題14、主題15)．

4 研究結(jié)論

4.1 2010—2020年我國(guó)物理教育研究主題

對(duì)于每個(gè)主題的理解，大致可以分為兩步．首先根據(jù)關(guān)鍵詞的詞義對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行分類，通過(guò)關(guān)鍵詞之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)主題的研究?jī)?nèi)容有一個(gè)大致的判斷；然后再去閱讀對(duì)主題貢獻(xiàn)較大的前10篇文章，總結(jié)這些文章的主要內(nèi)容．最終結(jié)合關(guān)鍵詞之間的內(nèi)在聯(lián)系和文章內(nèi)容確定主題的研究?jī)?nèi)容．以主題1為例，主題1的關(guān)鍵詞可以分為3類.

第1類：“高考”“試”“復(fù)習(xí)”“考”“考試”“高”“分”“試卷”“競(jìng)賽”，這些詞都是與考試有關(guān)．

第2類：“題”“解”“題目”“命題”“近”“江蘇”，這些詞都是與考試題有關(guān)．

第3類：“考查”“分析”“要求”“綜合”“選擇”，這些詞都是與評(píng)價(jià)有關(guān)．

根據(jù)對(duì)關(guān)鍵詞的分類和詞之間的內(nèi)在聯(lián)系，大致可以判斷主題1是對(duì)中考和高考試題的研究．對(duì)主題1研究?jī)?nèi)容有了大致判斷之后，再去閱讀對(duì)主題1貢獻(xiàn)較大的前10篇文章，其主要內(nèi)容為對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)與斜面、曲面相結(jié)合問(wèn)題歸類例析[13]，在高考題中運(yùn)動(dòng)合成分解方法在復(fù)合場(chǎng)中的應(yīng)用[14]，對(duì)高考物理卷中某個(gè)題的分析討論[15]，對(duì)物理競(jìng)賽中某個(gè)題的討論與分析[16]，對(duì)高考試卷中和物理競(jìng)賽中某個(gè)題解法的再探析[17～19]，對(duì)于某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的分析討論[20，21]．綜上，可得主題1的研究?jī)?nèi)容為：高考試題研究，對(duì)高考試題命題特點(diǎn)、考查學(xué)生方式進(jìn)行分析研究．采用同樣的方法去理解其他主題的內(nèi)容，16個(gè)主題所研究的內(nèi)容如下：

主題1：高考試題研究．對(duì)高考物理試題命題特點(diǎn)、考查方式進(jìn)行研究．

主題2：物理解題思想．使用微元法、極限法、圖像法等思想方法解決物理問(wèn)題．

主題3：學(xué)生思維培養(yǎng)．在物理教學(xué)中如何發(fā)揮教師主導(dǎo)作用從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)，包括創(chuàng)造性思維、批判性思維．

主題4：核心素養(yǎng)．如何結(jié)合教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)．

主題5：生活中的物理．在實(shí)際生活中例如各種運(yùn)動(dòng)、舞蹈、技術(shù)體現(xiàn)了哪些物理原理．

主題6：物理課堂模式改革．為了提高物理課堂效率而對(duì)物理課堂模式進(jìn)行改革．

主題7：物理概念教學(xué)．對(duì)概念教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解．

主題8：教學(xué)反思．教師在上完一節(jié)課(新課教學(xué)、習(xí)題課、試卷評(píng)講課)之后，根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)或者作業(yè)情況及時(shí)進(jìn)行反思．

主題9：物理教材．對(duì)物理教材中所包含的物理學(xué)史、某一節(jié)不同版本教材的編排、教材中插圖等教材內(nèi)容的研究．

主題10：物理現(xiàn)象分析．基于物理知識(shí)分析常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，例如對(duì)聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)部分所出現(xiàn)的回音現(xiàn)象、物態(tài)變化、衍射現(xiàn)象等現(xiàn)象進(jìn)行分析研究．

主題11：高效課堂．教師應(yīng)用什么樣的教學(xué)策略，提高課堂教學(xué)效率打造高效課堂．

主題12：課程改革．基于課程改革對(duì)于學(xué)生、物理教學(xué)的思考．

主題13：電路及電磁場(chǎng)問(wèn)題．對(duì)電路及電磁場(chǎng)問(wèn)題的研究分析．

主題14：物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)．對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)以提高實(shí)驗(yàn)的精確度．

主題15：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)．在教學(xué)過(guò)程中尊重學(xué)生的主體地位，引起學(xué)生的興趣，使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)．

主題16：力學(xué)問(wèn)題．針對(duì)各種球體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析和研究．

4.2 2010—20120年我國(guó)物理教育研究主題變化趨勢(shì)

根據(jù)圖1，我們大致可以將近10年我國(guó)物理教育研究分為兩個(gè)階段．

階段一：各主題的研究增長(zhǎng)期(2010-2015年)，在這一段時(shí)間內(nèi)，各主題的發(fā)文量都呈現(xiàn)增長(zhǎng)狀態(tài)．究其原因，2010年我國(guó)頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020》(以下簡(jiǎn)稱《綱要》)，其對(duì)于當(dāng)前及今后一段時(shí)期內(nèi)教育的工作方針做出了“優(yōu)先發(fā)展，育人為本，改革創(chuàng)新，促進(jìn)公平，提高質(zhì)量”的整體規(guī)劃[22]．《綱要》的頒布推動(dòng)了我國(guó)教育事業(yè)的發(fā)展，因此在這一階段我國(guó)學(xué)者對(duì)于我國(guó)物理教育各方面的研究都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)．其中對(duì)主題1高考試題研究、主題13電路及電磁場(chǎng)問(wèn)題、主題16力學(xué)問(wèn)題在這一段時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他主題．所以在這一階段主題1高考試題研究、主題13電路及電磁場(chǎng)問(wèn)題、主題16力學(xué)問(wèn)題為我國(guó)物理教育研究的熱點(diǎn)．對(duì)這一階段我國(guó)物理教育研究的熱點(diǎn)進(jìn)一步分析可知：在這一階段注重研究高考的命題特點(diǎn)，如何考查，而力學(xué)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)問(wèn)題是高考常見(jiàn)題型[23]．可以看出在2010-2015年我國(guó)物理教育比較注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)試、做題能力．隨著改革的進(jìn)一步深化和各地減輕學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)呼聲的高漲，全國(guó)多地中小學(xué)開(kāi)展高效課堂的研究與實(shí)踐[24]，這就促使對(duì)主題11高效課堂和主題3學(xué)生思維培養(yǎng)的研究相對(duì)于其他主題增長(zhǎng)較快，在2015年左右對(duì)主題11高效課堂和主題3學(xué)生思維培養(yǎng)的研究熱度超過(guò)主題1、主題13，使主題16、主題11和主題3成為研究的熱點(diǎn)．此外，在物理課程改革中，通過(guò)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不僅可以提高教師的創(chuàng)新思維，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)[25]，這就使得對(duì)主題14對(duì)物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究在這一階段同樣快速增長(zhǎng)，但對(duì)其研究熱度并未超過(guò)主題11、主題16、主題3，當(dāng)2015年之后對(duì)主題3和主題16的研究熱度快速下降．在2016年左右主題11和主題14成為我國(guó)的教育熱點(diǎn)．

階段二：除主題4外其他各主題的研究下降期(2015-2020)．自2003年教育部發(fā)布普通高中課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)稿至2013年已經(jīng)指導(dǎo)我國(guó)普通高中課程改革10余年，面對(duì)經(jīng)濟(jì)、科技的迅猛發(fā)展和社會(huì)生活的深刻變化，普通高中課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)稿還有一些不相適應(yīng)和亟待改進(jìn)之處[26]．自2014年始《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》修訂組 (以下簡(jiǎn)稱“修訂組”) 對(duì)2003年頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn) (實(shí)驗(yàn)稿) 》 (以下簡(jiǎn)稱《實(shí)驗(yàn)稿》) 進(jìn)行了修訂，本次修訂注重落實(shí)物理課程育人價(jià)值,以核心素養(yǎng)為主導(dǎo)[27]．因此在這一階段僅對(duì)主題4核心素養(yǎng)的研究一直呈現(xiàn)不斷上升狀態(tài)，對(duì)其他主題的研究都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)．其中基于對(duì)課堂教學(xué)困境與問(wèn)題解決的需求，需要將一些現(xiàn)代技術(shù)(如DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn))融入物理課堂[28]，因此對(duì)于主題6物理課堂模式改革研究在2015-2017年快速增長(zhǎng)．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017)》正式提出了注重培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，也就是注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，因此對(duì)主題6課堂教學(xué)模式改革的研究也逐漸下降．此外由于強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)而不僅僅是培養(yǎng)學(xué)生的解題能力和解題思維，導(dǎo)致對(duì)主題1高考試題研究、主題13電路及電磁場(chǎng)問(wèn)題、主題16力學(xué)問(wèn)題的研究快速下降，所以在2015-2020年我國(guó)物理教育研究的熱點(diǎn)是對(duì)核心素養(yǎng)的研究，預(yù)計(jì)在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)物理教育研究的熱點(diǎn)可能還是對(duì)核心素養(yǎng)的研究．

5 研究建議

本研究基于上述研究結(jié)論，針對(duì)未來(lái)物理教育研究主題提出以下相關(guān)建議.

(1)要結(jié)合自身特點(diǎn)

我國(guó)教育部印發(fā)的課程標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的改革文件指導(dǎo)著未來(lái)我國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革的實(shí)踐，對(duì)我國(guó)的物理教育研究起著指導(dǎo)作用．但是在緊跟這些課程文件的同時(shí)也要結(jié)合本地或者本學(xué)校、本班級(jí)的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)改革或者研究．

(2)多個(gè)主題應(yīng)同時(shí)發(fā)展

從上述研究結(jié)論可以看出，在我國(guó)2017版課程標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，物理教育對(duì)核心素養(yǎng)的研究快速增長(zhǎng)，而其他研究均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)．核心素養(yǎng)體現(xiàn)在物理教育的方方面面，應(yīng)該將對(duì)核心素養(yǎng)的研究與其他主題相結(jié)合．