分子生物学实验教学研究的可视化分析

摘要

以2013年1月至2023年2月中国知网中收录的646篇分子生物学实验教学论文为研究对象，运用可视化分析软件CiteSpace进行分析，建立起发文量、作者合作关系及关键词知识图谱。结果显示：该领域近10年来的发文量具有波动性；初步形成合作关系较为密切的研究团队，但整体合作较为零散；教学改革、教学方法、教学模式、实验课程、创新能力、教学质量、虚拟仿真、改革等为出现频率较高的关键词。关键词聚类分析、时间线分析及突现分析结果表明，建立与虚拟仿真、翻转课堂、慕课等先进技术与优质资源相结合的多样化教学模式，并基于此培养具有良好的科研素质、创新意识、自主学习能力的实践创新型人才，已成为该领域的发展趋势之一。

Graphical abstract

关键词

分子生物学 / 实验教学 / CiteSpace / 软件 / 知识图谱 / 可视化分析

分子生物学是在分子水平上研究基因的结构和功能的学科。随着生物技术发展的日新月异，分子生物学也得以迅速发展与不断完善，其理论与实践已渗透到生命科学和医学研究的各个领域。分子生物学是微观领域的学科，其每个结论、概念都是建立在大量科学实验基础之上的，具有抽象性和复杂性的特征^［1］。在分子生物学实验课堂上，教师鼓励学生动手操作，全程参与实验过程，不仅可以助其掌握基本的实验操作技能，还能加深其对分子生物学理论知识的理解，提高其科研素质和创新能力^［2］。因此，分子生物学实验课程在分子生物学教学中占有重要地位。分子生物学实验教学质量的高低，不仅影响到学生对技术及理论的理解程度，也关乎学生科研素质的培养成效^［3-4］。传统的分子生物学实验课程是以验证为主的基础性实验项目，往往以独立、内容简单的实验形式展开，通常只涉及做实验和写实验报告两部分内容，缺乏连续性和系统性^［5-6］。随着生命科学的迅速发展，新知识、新技术层出不穷，这就要求教师必须充分把握学科热点和方向，与时俱进，在教学过程中贯穿当下最新的科学技术成果，结合分子生物学实验课程的特点改革教学方式，以达成创新型、高素质、应用型人才培养的目标^{［5，7-8］}。

CiteSpace是基于JAVA的文献计量学分析软件，它能够通过可视化手段来呈现某领域的知识结构、规律，并建立起知识图谱，从而将文献之间的关系直观地展现出来，帮助我们识别所关注领域的研究进展、前沿和未来发展趋势，其在科学研究的各个领域都得到了广泛应用^［9］。黄雪英等^［10］运用CiteSpace软件揭示了我国高分子实验课程的研究现状；张会择等^［11］利用CiteSpace系统分析和归纳了我国医学免疫学实验教学的热点分布和发展趋势，发现“以学生为中心”的教育理念在实验教学方法的改革创新研究中得到了各类医学高校专业教师的重视；舒跃育等^［12］借助CiteSpace信息可视化分析软件、文献数据绘制图谱，直观、清晰地展现了中国心理传记学研究的现状及其在国内的发展趋势。近年来，我国分子生物学实验教学体系在探索与实践中经历了改革与发展，取得了一定的成果。为准确把握分子生物学实验教学的发展动态、热点及趋势，及时更新教学内容与方法，笔者运用CiteSpace分析软件，对近10年CNKI数据库刊载的涉及分子生物学实验教学的研究论文进行系统的分析和归纳，以期为该领域的后续改革与发展提供思路。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

检索中国学术期刊网络出版总库（CNKI）收录的与分子生物学实验教学相关文献，其方法为：选择高级检索，在“主题”范围内以“分子生物学实验”（精确）及“教学”（精确）为关键词进行检索，检索时间范围设置为2013年1月1日至2023年2月22日，剔除会议摘要、新闻报道、咨询、硕博士论文等其他类型的文献，共获得646篇与分子生物学实验教学相关的学术期刊文献。

1.2 研究方法

以Refworks格式导出CNKI数据库中检索得到的646篇文献，其文献记录包含全文完整信息；将所得数据导入CiteSpace（V6.2.R2）软件中进行格式转化及后续的可视化分析，建立起知识图谱。具体的软件参数设置如下：时间跨度（Time Slicing）设置为2013年1月1日至2023年2月22日，时间分区设置为1年（Year Per Slice）；节点类型（Node Types）分别选择作者（Author）、关键词（Keywords）进行分析；Pruning修饰算法选择修剪切片网络（Pruning sliced networks）；其余设置选择默认设置。

2 结果及分析

2.1 发文量随时间分布图

如图1所示，该领域10余年间的发文量具有波动性。2013年至2020年间，发文量呈曲折增长，于2019年达到峰值，即年发文量达81篇。2020年，虽然新冠疫情暴发，但当年发文量并未受到疫情影响，以线上授课为主的新型教学策略得到广泛应用并展开了相应的探讨。2021—2022年，虽然发文量有所回落，但基于疫情期间的线上授课模式，未来围绕线上平台与线下实践相结合的新教学模式的探索力度将会进一步加大，预计发文量将会迎来增长。

2.2 作者合作可视化分析

作者合作网络图谱可直观反映出分子生物学实验教学领域的核心作者、作者发文量及作者之间的合作强度。图2显示了发文量≥2篇的作者合作网络。如图2所示，节点代表作者，节点越大，表示作者的发文量越多；节点的颜色代表发文年份；节点的连线代表作者之间的合作关系。该图谱共有286个节点、190条边，网络密度为0.004 7。作者之间的合作较为松散，但形成了几个合作关系较为密切的研究团队；发文量较大的是北京师范大学向本琼学者所在的研究团队，该团队探索了分子生物学实验慕课、虚拟仿真教学平台的建设以及实践类教学平台的建设，探究了项目导向的教学方法及经典文献阅读在分子生物学实验课程中的应用^［13-17］。南开大学石建党学者的研究团队是较早开展分子生物学实验教学研究的团队，多方面探讨了分子生物学实验平台的建设、改革以及管理模式^［18-19］。作者合作网络分析结果显示，分子生物学实验教学应加强教师之间的经验交流与合作，以期促进该领域的改革与教学质量的提升。

2.3 关键词共现分析

关键词共现图谱通过统计一组文献的主题词两两之间在同一篇文献中出现的频率而形成的由这些词对关联组成的网络^［20］。关键词共性分析最能反映出某一特定领域的研究热点。该研究运用CiteSpace软件建立分子生物学实验教学研究关键词共现网络图谱，如图3所示，图谱中共有306个节点、524条边，网络密度为0.011 2。节点反映了关键词出现频次的高低，节点越大，关键词共现频率越高；节点的颜色代表关键词出现的年份，表1列出了出现频次≥7的26个关键词。除搜索关键词以外，教学改革、生物化学、教学方法、教学模式、实验课程、创新能力、教学质量、虚拟仿真等为出现频次较高的关键词，反映了近10年该领域发展所关注的重点内容。教师致力于教学模式的改革与创新，将新的技术与方法运用到分子生物学实验教学中，以期得到更好的教学效果。

2.4 关键词聚类分析

关键词聚类分析是在关键词共现的基础上进行的，可用于探究所关注领域的结构特征，更好地认识该领域的研究主题分布^［21］。该研究运用CiteSpace软件中的LLR（Long-Likehood Ratio）排序算法对关键词进行聚类分析，选择每个聚类中排序最高的关键词为聚类标签，从而建立关键词聚类网络图谱^［22］。如图4所示，分子生物学实验教学文献关键词共聚成54个类别，图谱中标示出聚类中所含文献数量最多的#0-#10聚类集群，表2列出了11个聚类中所含文献数量以及排序前5位的主要关键词。根据各聚类标签及关键词，又可将分子生物学实验教学领域的研究分成三大类别：聚类中的#0实验教学、#1教学改革、#2生物化学、#3实验、#7实践教学，可归为分子生物学实验教学改革研究；聚类中的#5教学方法、#8生物技术、#10虚拟仿真，可归为具体教学方法的研究；聚类中的#4医学、#6基础医学、#9教学内容，可归为分子生物学实验在医学领域的教学实践研究。

2.5 关键词主题演化分析

关键词时间线图谱直观展现某领域关键词各聚类发展演变的时间跨度分布和研究进程，体现了该领域的研究状况和发展趋势^［23］。该研究运用CiteSpace软件绘制近10年分子生物学实验教学研究领域关键词时间线图谱。

分析关键词时间线图谱（图5）发现，该领域研究可大致划分为3个阶段：2013年至2016年，主要关注于总结传统教学方式、初步改革探索的经验，如课程体系建设、教学研究与设计、教学内容、教学目标与手段、教学效果的评价等；2016至2020年，其研究主要聚焦于改革的实践与创新，提倡多元化的教学模式，注重学生实践能力的培养，同时翻转课堂、微课、雨课堂、虚拟仿真等新型科技化教学手段得到广泛的应用与探讨；2020年至2023年，在前阶段改革基础上，更加关注于学生综合素质的培养，如自主学习能力、科研素养、创新精神等，注重课堂的启发性、思辨性、互动性以及价值引领。

2.6 关键词突现分析

突现词分析可反应某一时间段内所关注领域的研究趋势和发展前沿。对2013年1月至2023年3月间分子生物学实验教学领域研究的关键词进行分析，得到关键词突现图，如表3所示。2013年至2016年，虚拟实验、实践、基因工程、教学、生物化学为突现词；2016年至2020年，微课、课程改革、雨课堂、生物工程、医学、翻转课堂、本科生相继突现后逐渐被迭代；2020年至2023年，虚拟仿真、教学效果、研究生突现后持续至今。突现词的分布体现了热点由研究传统教学模式发展为探究教学方式的改革创新以及影响实际教学效果的因素。

3 讨论

运用CiteSpace软件绘制2013年至2023年间分子生物学实验教学研究知识图谱，从发文量分析、作者合作分析、关键词共现分析、关键词聚类分析、关键词主题演化分析、关键词突现分析6个方面对该领域的发展动态、研究热点和发展趋势进行系统的可视化分析。

研究发现，近10年分子生物学实验教学研究发文量具有波动性。2013年至2020年呈曲折增长，新冠疫情暴发后发文量有所回落。疫情期间线上授课模式研究得到了广泛的关注，预计未来围绕线上与线下实践相结合的新教学模式的探究力度将会得到进一步加强，发文量将迎来增长。作者合作图谱显示，近10年我国分子生物学实验教学研究处于整体分散的状态，虽形成几个合作较为密切的研究团队，但团队间的联络较少，作者之间的学术合作较为欠缺。因此，今后应加强教师与机构之间的经验交流与学术合作，增加研究的深度，促进分子生物学实验教学研究的可持续发展。

关键词图谱分析显示，10年间教师始终探究教学模式的改革创新，开展了对传统课堂教学的基础研究，以期建立“以学生为本，以学生发展为中心”的人才培养模式。文献分析显示：针对传统实验教学普遍存在的问题，教育工作者经历了一系列的改革探索与实践。

首先，采用线上线下混合式实验教学模式。教学手段的多样化不仅拓展了教学时空的维度，还有利于激发学生的学习兴趣，提升实验教学效率^［24-26］。线上教学课堂不仅可以发挥国家精品资源共享课程、慕课、微课、雨课堂等资源优势，突破传统的以教室为中心、以教材为中心的教学环境，还可与翻转课堂、虚拟仿真等教学手段相结合，弥补实体课堂的不足，提高教学效果。以基于虚拟仿真技术的虚实结合实验教学模式为例，虚拟仿真技术不仅可以使微观的实验可视化，直观地展现如质粒提取、DNA酶切等微观实验的反应过程，加深学生对基本原理的掌握程度，还可以使长时程实验短期化、危险实验安全化；学生在虚拟环境下便于熟练掌握操作过程及注意事项，从而提高线下实验效率，降低实验风险^［27-28］。

其次，开放性实验模式的建设，能够提升学生的实践能力及创新能力。以验证为主的实验课程设置让学生的参与感不强，无法激发学生的主观能动性；而开放性实验的特点是以综合性、设计性实验为主体，学生能够根据实验目标和课程任务制订实验计划，并在教师的指导下自主完成整个实验操作，有利于提高其综合实践能力和创新意识，锻炼其独立思考能力。实践表明，开放性实验明显提升了学生的参与度，锻炼了学生的问题分析能力，改善了实验报告内容，提高了教学效果。

最后，建设以学生为中心的教学模式。所有的教学设计、教学方法及教学评价的选择，都应当以学生的发展及学习体验为中心。以学生为中心的教学模式，需要与合适的教学方法相结合。翻转课堂的应用可突破传统教学以教师为中心的教学方法，使学生从知识的被动接受者转变为知识建构的主动参与者，将学习的决定权由教师转移至学生，不仅能充分发挥学生的主观能动性，使学生获得对知识的更深层次理解，也能在一定程度上提高学生的实际操作能力^［29-30］。不论教师选择何种教学手段、教学方法，都应以学生的学习成效作为衡量其是否成功实施教学的最重要指标。对于分子生物学实验教学来说，最终目标并非培养机械型的操作人员，而应是将学生培养成为未来胜任不同岗位需求的实践型、应用型研究人员。

该研究采用CiteSpace软件建立了近10年分子生物学实验教学发文量、作者合作关系及关键词研究知识图谱，系统地分析了该领域的研究动态、热点及发展趋势，希望为今后分子生物学实验教学改革研究指明方向，为培养创新应用型人才提供有益的思路。

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基金资助

2022年湖北省高等学校省级教学研究项目“新医科背景下以岗位能力胜任为导向的中医外治特色专业人才培养模式研究”(2022336)