近十年國內教學系統設計研究現狀的可視化分析

陳云紅,李冰楠,李朝乾,鄭雪薇,鄧貴斌,李書明

(湖北師范大學 計算機與信息工程學院,湖北 黃石 435002)

如果從1962年格拉澤(Glaser,R.)明確提出“教學系統”概念以及對教學系統進行設計算起,“教學設計”已經經歷了半個多世紀的發展歷程。它最初誕生于美國,經歷了最初的發展階段,隨后則跨海越洋傳播至世界其他許多國家[1]。教學設計亦稱為“教學系統設計”[2](Instructional System Design,ISD),它以多學科理論為基礎,綜合多種理論自成體系[3],從教學活動、教材建設、教育資源利用、學習評價等方面,通過精心設計的教學系統來更有效地完成教學任務,促進學習者學習[4],具有很強的實踐性,可以說是教育技術學的靈魂[5]?！锻庹Z電化教學》雜志1987年刊登了第一篇有關教學設計的文章,教學設計開始被引入國內[6],教育技術研究者和學科專家們開始了教學系統設計理論的宣傳和實踐活動,教學系統設計理論受到了空前的重視[7]。隨著信息化教學不斷推廣應用,教學系統已經成為輔助教師開展教學活動的主要工具[8]。而教學設計是教學系統的基礎,好的教學系統配以好的教學設計能取得更好的教學效果。我國教學設計研究在經過三十多年的歷程之后,無論在理論研究方面還是實踐方面都有了一定的發展,那么它現在是否已經成熟呢[9]?為了分析教學系統設計的發展歷程,研究者以“教學系統設計”為主題在中國知網檢索,結果顯示自2006年以后發文量不斷上升,研究主題和研究內容已覆蓋不同領域。為了深入探討近十年國內教學系統設計的研究現狀,本研究采用了可視化的分析方法。

1 研究方法與過程

1.1 研究方法

采用文獻計量法和內容分析法來分析近十年國內發表的關于ISD這一研究主題的文獻。文獻計量法主要利用數理統計方法處理文獻信息篇章之間的定量關系,得出的結論偏重概率規律,是一個從文獻外部特征出發的定量為主的分析方法[9]。文獻計量法可以幫助研究者獲得有關文獻的信息,包括文獻的質量、主題的發展趨勢、文獻來源和文獻之間的關系。內容分析法是一種對傳播信息內容進行系統、客觀和量化描述的研究方法。它適合于對一切可以記錄與保存并且有價值的文獻作定量研究,如今被廣泛運用到新聞傳播、圖書情報、政治軍事、社會學、心理學等社會科學各領域中[10]。內容分析的過程是層層推理的過程,其目的是弄清楚被分析對象中本質性的事實和趨勢,揭示其中所含有的隱性內容,可對事物發展作情報預測。

1.2 研究過程

在中國知網(CNKI)上檢索關鍵字“教學系統設計,ISD”,選取時間2013～2022年,剔除與主題詞無關的文獻后,最終得到有效文獻591篇,并導出為Refworks和xls格式。運用Python、CiteSpace、GraphPad Prism 9(美國GraphPad software公司開發的一款極小的視窗型統計分析軟件[11])工具對導出文獻進行文獻計量可視化分析。采用內容分析法分析處理結果,探討國內ISD研究領域的研究現狀。

2 文獻統計分析

圖1中,導出格式為xls的591篇文獻字段如Fund、Volume、URL、DOI中有較多空值需剔除,文章選取年度、來源、機構、研究者、學科(CLC中圖分類號)、關鍵詞、摘要7個屬性,從發文趨勢、合作關系、關鍵詞聚類三個維度對591篇有效文獻進行可視化分析。

圖1 2013～2022年591篇文獻的各項屬性數值分布

2.1 發文趨勢分析

圖2中,近十年國內ISD相關研究的發文量整體呈增長趨勢,2014年發文量為48篇最低,2022年達到峰值77篇,平均年發文59篇,年增長2篇以上。雖然在2014、2018、2021年出現下滑,但降幅較小,整體趨于平穩。

圖2 2013～2022年發文分布圖

借助GraphPad Prism 9和Python生成圖3,顯示了近十年國內ISD相關研究按文獻來源劃分的結果,發文量最高的是信息與電腦(理論版)期刊,共39篇,其次是電腦知識與技術期刊21篇,排名在第2～10的期刊發文量均不超過20篇,排名10之后的期刊發文量均不足10篇。發文量排名前10的期刊主要為電子信息類,教育技術類不在其列,表明教育技術類期刊的參與度不夠。按機構劃分,近十年國內ISD相關研究,發文量最多的是電子科技大學14篇,排名2～10的機構發文量均只有3篇,排名10之后的機構發文量均不超過2篇。排名前10的機構中有西北師范大學、華中師范大學、咸陽師范學院3所師范院校,師范院校也參與了研究,但就總發文量而言,師范院校,尤其是重點師范大學的參與度不高。

圖3 2013～2022年文獻來源和機構發文分布圖

2.2 合作關系分析

CiteSpace提供了作者合作和機構合作的合作圖譜,合作圖譜可以發現某個研究領域學者、國家或研究機構之間的社會關系,為評價科研人員、國家或機構的學術影響力提供一個新的視角,有利于我們發現那些值得關注的科研人員、國家或機構[12]。

圖4顯示了CiteSpace分析591篇Refworks格式文獻研究者的合作關系,連線表示有合作。研究者總共273人,合作74次,內部主干區域網絡節點均無連線,外部邊緣區域有連線,但線條較細,表明多數研究者之間沒有合作關系,少數有合作關系的研究者之間合作頻次也較低。對比連線發現,兩人一組的研究者合作37次,僅有8組研究者的團隊合作規模超過3人。研究者之間的合作頻次較低,魏鑫鑫、陳清奎之間有三次合作,排名最高;于愛兵出現三次,有一次合作;傅士強、周冰、王寶林、張云麗、張鵬等人單獨發文兩次,與其余研究者無合作。

圖4 2013～2022年度研究者合作圖

圖5顯示了ISD相關研究機構數量排名前100的節點,機構總數為270,共合作48次,圖中內部主干區域網絡節點均無連線,外部邊緣區域有連線,但線條較細,表明多數機構之間沒有合作關系,少數有合作關系的機構之間合作頻次也較低。對比連線發現,兩個機構一組的合作有23次,三個及以上機構一組的合作僅有6次,北京競業達沃凱森教育科技有限公司與柳州鐵道職業技術學院及哈爾濱工程大學工程訓練中心與大慶石化公司乙烯工程指揮部之間有兩次合作,排名最高。北京印刷學院新媒體學院、上海第二工業學院等機構有兩次合作,但合作對象不同。整體而言,機構發文趨于分散,合作頻次不高。

圖5 2013～2022年度機構合作圖

圖6篩選了ISD相關研究出現頻次和合作頻次較高的學科,軟件工程單獨發文75次,計算機化教學單獨發文44次,排名靠前。軟件工程與計算機化教學合作24次,計算機化教學與計算機仿真合作8次,其余的合作為3～4次。軟件工程和計算機化教學在整個研究中所占比重較大,但更多是以單獨發文出現。篩選的結果中,軟件工程與其它學科有三次合作,計算機化教學與其它學科有四次合作,這兩門學科在該類研究中與其它學科有更多合作。

圖6 2013～2022年學科合作圖

2.3 關鍵詞聚類分析

CiteSpace依據網絡結構和聚類的清晰度,提供了模塊值(Q值)和平均輪廓值(S值)兩個指標,可以作為我們評判圖譜繪制效果的一個依據[12]。Q>0.3意味著劃分出來的社團結構是顯著的,當S值在0.7時,聚類是高效率令人信服的,若在0.5以上,聚類一般認為是合理的[12]。CiteSpace提供了不同可視化方式的選擇,其中默認的是聚類視圖(Cluster),它側重于體現聚類間的結構特征,突出關鍵節點及重要連接,時間線視圖( Timeline)側重于勾畫聚類之間的關系和某個聚類中文獻的歷史跨度[12]。圖7為Clustering功能對關鍵詞、摘要聚類生成得到的研究主題。Q值為0.7341,表明聚類結構效果顯著,S值為0.9474,表明聚類結果令人信服,該研究領域內研究主題同質性較高,可以很好的反應研究內容。聚類序號越小,內含的關鍵詞則越多,研究主題排名由高到低依次是教學系統、網絡教學、實驗教學、虛擬現實、教學設計五大類。虛擬現實與網絡教學、教學設計有交集,網絡教學與虛擬現實、實驗教學交集較多,實踐教學包含于實驗教學,表明虛擬現實、網絡教學、實驗教學與其它主題有直接關聯。人工智能與教學設計、教學系統距離較近,他們之前存在相關性。教學系統靠近教學設計、虛擬現實、網絡教學和實驗教學,表明與這四個主題相關。

圖7 2013～2022年關鍵詞主題聚類圖譜

使用CiteSpace的Timeline功能,對關鍵詞、摘要聚類生成圖8時間線圖譜,得到ISD領域在近十年內的研究主題和研究內容。研究主題關鍵詞教學系統出現96次,聚類排名最高,研究內容高頻詞在2013～2015年較少,在2015～2020年有導線計算、振動傳輸、體育教學、增加現實、工程圖學能,在2022年出現深度學習。研究主題關鍵詞網絡教學出現29次,聚類排名次高,研究內容高頻詞在2013～2015年有信息系統、中學教學,在2015～2020年有教學改革、互聯網、信息收集、數據分析,在2020～2022年有學習分析、對比實驗、程序設計、教學改良、體育美學。研究主題關鍵詞網絡教學出現27次,聚類排名第三,研究內容高頻詞在2013～2015年有交通控制、組態軟件,在2015～2020年有在線教學、輔助教學、大數據、高等數學、全站儀,在2020～2022年有三網融合、實驗體系。研究主題關鍵詞虛擬現實出現19次,聚類排名第四,研究內容高頻詞在2013～2015年有教學系統設計、教學效果,在2015～2020年有計算機、虛擬仿真、大數據、仿真實驗、在線評估,在2022年有線上教學。研究主題關鍵詞教學設計出現19次,聚類排名第五,研究內容高頻詞在2013～2015年有微格教學、仿真教學、教學評價、教學模式、實驗教學,在2015～2020年有人機交互、虛擬仿真、虛擬現實、VR技術、仿真實驗、遠程教學,在2020～2022年有在線評估、線上教學。結果表明聚類排名前五的主題之間,研究內容彼此存在關聯。

圖8 2013～2022年關鍵詞時間線聚類圖譜

圍繞時間線聚類排名前五的研究主題,借助Python中的Wordcloud詞云技術,高度概括并且形象化地展示出文中的核心內容與思想,突出顯示關鍵詞[13],以此分析研究主題之間的關聯。

2.3.1 圍繞教學系統的研究 研究主題舉例:在線數學教學系統設計及其應用效果研究

來源:中國遠程教育

機構:北京大學教育學院教育技術系;北京大學教育信息化國際研究中心;成都市棕北中學;北京樂學一百在線教育科技有限公司。

由來源和機構可知,該研究出自教育技術類期刊,師范專業研究者也參與了合作。圖9中,教學系統、計算機、實驗班、遠程教育、計算機輔助為全文高頻詞。結合摘要可知,該教學系統是一種計算機化平臺,是在教學理論指導下設計的網上數學教學系統,用在教學實驗課程中,以滿足學生個性化學習的需求,體現了教學系統同時與教學設計、網絡教學、實驗教學、具體學科相結合的特點。

圖9 在線數學教學系統設計及其應用效果研究詞云圖

2.3.2 圍繞網絡教學的研究 研究主題舉例:基于B/S架構的交互性教學系統設計關鍵技術研究

來源:軟件導刊(教育技術)

機構:廣東農工商職業技術學院

由來源可知,該研究出自教育技術類期刊。圖10中,教學系統、Web、交互性、服務器、教學內容為全文高頻詞。結合摘要可知,該研究的目的是為交互性網絡教學系統設計提供技術支持和方法指導,體現了網絡教學與教學系統和教學設計相結合的特點,重關鍵技術的研究。

圖10 基于B/S架構的交互性教學系統設計關鍵技術研究詞云圖

2.3.3 圍繞實驗教學的研究 研究主題舉例:心理實驗教學系統設計思路與發展探索

來源:中國教育技術裝備

機構:武漢大學哲學學院

由來源可知,該研究出自教育技術類期刊。圖11中,教學系統、實驗教學、計算機、心理學、實驗設計為全文高頻詞。結合摘要可知,心理實驗教學系統是一種計算機化平臺,其設計由早期的教師演示發展到后來的支持學生參與設計,再到現在的云端大數據技術,體現了實驗教學與現代信息技術接軌并與教學設計、教學系統、具體學科以及網絡教學相結合的特點。

圖11 心理實驗教學系統設計思路與發展探索詞云圖

2.3.4 圍繞虛擬現實的研究 研究主題舉例:基于虛擬現實技術的微格教學系統設計

來源:實驗技術與管理

機構:溫州大學國資與實驗室管理處;溫州大學教師教育學院

由機構可知,師范專業研究者參與了合作。圖12中,教學系統、師范生、虛擬現實、實驗教學為全文高頻詞。結合摘要可知,該研究利用虛擬現實技術構建一個包括教學場景、虛擬角色、虛擬教學情景和教學技能評價的師范生技能培訓微格教學系統,體現了虛擬現實與教學系統、教學設計以及具體專業領域相結合的特點。

圖12 基于虛擬現實技術的微格教學系統設計詞云圖

2.3.5 圍繞教學設計的研究 研究主題舉例:新一代信息技術環境下網絡教學設計范式重構——基于“課程編導”理念的在線教學系統設計研究

來源:中國電化教育

機構:北京理工大學教育研究院;延安大學教育科學學院

由來源和機構可知,該研究出自教育技術類期刊,師范專業研究者也參與了合作。圖13中,信息技術、在線教育、學習者、互聯網為全文高頻詞。結合摘要可知,該研究探討了新一代信息技術環境下在線教學資源的設計、開發與應用,體現了教學設計與網絡教學以及信息技術相結合的特點,即重教學理論又重技術應用。

圖13 新一代信息技術環境下網絡教學設計范式重構詞云圖

教學系統泛指計算機化平臺,教學設計傾向于教學理論指導的設計,教學系統、網絡教學、實驗教學、虛擬現實、教學設計五大主題研究內容彼此聯系緊密,教育技術類期刊和師范專業研究者均有參與五大主題內容的研究。

3 結果與討論

3.1 發文趨勢現狀

近十年來,國內ISD研究的年發文量一直保持在較高水平,且整體呈上升趨勢,長期高產的年發文量表明ISD的研究正處于蓬勃發展的階段,已被廣泛的關注,其研究也在不斷深入。從機構和文獻來源發文量來看,師范院校和教育技術類期刊,參與度不足,對該研究領域提供的理論指導還不夠。未來師范院校和教育技術類期刊有較大空間去助力ISD研究領域理論體系的發展和完善。

3.2 合作關系現狀

近十年來國內ISD的相關研究中,從研究者合作來看,研究者相互之間合作的頻次較低。從機構合作來看,機構之間合作的頻次也較低。從學科合作來看,不同學科之間的交叉度還不夠。因此研究者、機構、學科內部之間的合作力度均不足,未來有較大空間去加強各個維度內部的合作,助力ISD交叉學科及研究的多元化發展。

3.3 研究內容發展現狀

近十年國內ISD研究主題排名前五的主題中,教學系統作為關鍵字與教學設計、虛擬現實、網絡教學、實驗教學均有關聯,教學系統的研究內容在2013年早期分門別類,到2020年后聚焦于深度學習。網絡教學主要依托于信息技術,尤其是數據挖掘、多媒體技術。實驗教學與教學系統、網絡教學結合緊密。虛擬現實的研究在2013年早期重教學系統設計和教學效果,在2015～2020年間與實驗教學結合較多,到2020年后與網絡教學結合緊密。教學設計在2013年早期多與教學系統、實驗教學相結合,在2015～2020年間與虛擬現實結合較多,在2020年后與網絡教學有更多的結合。盡管不同的主題在近十年間發展的趨勢存在差異,但五大主題彼此一直結合緊密。未來的ISD研究應繼續加強五大主題彼此的聯系,促進其深度融合和創新發展,以提高ISD領域的研究質量和水平。