楊 穎，肖 潭，南景富，黃 芹

（廣東石油化工學院 建筑工程學院，廣東 茂名 525000）

虛擬仿真的概念最早于1965 年由計算機圖形學的重要奠基人Suther-land 博士提出[1]。隨著計算機科學和互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，虛擬仿真實驗教學以計算機技術為核心，以互聯(lián)網(wǎng)信息技術為依托，利用虛擬仿真語言建模，結合實物實驗場景與學科知識創(chuàng)建二維、三維虛擬實驗環(huán)境實現(xiàn)學生在線實驗的功能，具有形象生動、效果直觀、安全性高等優(yōu)點[2]。目前，許多高校開設了虛擬仿真實驗教學課程，為了深入了解其應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，本文對1998—2020 年間1 272 篇相關文獻進行了可視化文獻計量分析，梳理了發(fā)展現(xiàn)狀與研究熱點，以期為探究未來發(fā)展趨勢及技術手段應用提供參考。

1 研究方法

文獻計量分析依據(jù)文獻各類特征數(shù)量，采用數(shù)學與統(tǒng)計學語言描述，可定量評價發(fā)展現(xiàn)狀與預測發(fā)展趨勢水平[3]。知識圖譜法是文獻計量的表現(xiàn)方法之一，具有可視化直觀呈現(xiàn)科學領域基礎知識結構、研究熱點與演變，預測未來發(fā)展趨勢等優(yōu)點[4]。

本文選用CiteSpace（5.6.R5 版本）軟件進行有關高校虛擬仿真實驗教學發(fā)展趨勢的文獻計量分析。CiteSpace 是由美國德雷塞爾大學陳超美博士開發(fā)的一款用于前沿科學知識可視化分析的軟件[5]，可用于創(chuàng)建和可視化包含作者、機構、關鍵詞、引文等信息的科學知識圖譜，目前已被全球研究者用于多個領域的科學發(fā)展研究[6]。本文選取機構、作者、關鍵詞作為可視化分析對象，數(shù)據(jù)時間跨度為1998—2020 年，設定時間切片為1 年。在關鍵詞共現(xiàn)圖譜、機構合作網(wǎng)絡及作者合作網(wǎng)絡可視化分析中分別選擇 key word、institution、author 為相應節(jié)點類型（node type），在各時間切片內(nèi)選擇top 50（頻次出現(xiàn)排名前50 的項目）進行分析，連線強度選擇cosine。

2 研究數(shù)據(jù)庫

2.1 數(shù)據(jù)源與檢索方法

本文數(shù)據(jù)在2020 年4 月從中國知網(wǎng)《中國學術期刊（網(wǎng)絡版）》（CAJD）數(shù)據(jù)庫中收集，文獻時間跨度為1998—2020 年。CAJD 是世界上最大的連續(xù)動態(tài)更新的中國學術期刊全文數(shù)據(jù)庫，目前已成為科研工作者獲取文獻資料及分析科學問題的主要工具之一。

常用檢索方法有“全文”“主題”“篇名”“摘要”“關鍵詞”等檢索方式[5]。為建立研究數(shù)據(jù)庫用以文獻計量分析，本文選取“主題”檢索方式以全面檢索在“標題”“摘要”或“關鍵詞”等類別中包含所檢詞匯的全部文獻。

2.2 檢索表達式

確定涵蓋主題的所有檢索字段以建立全面高質的研究數(shù)據(jù)庫是本研究至關重要的一步。本文嚴格確定檢索字段及表達式，最大程度地實現(xiàn)全面檢索。

首先，在中國知網(wǎng)首頁，按“主題”檢索“高校虛擬仿真實驗教學”，僅獲取79 條記錄，搜索結果存在明顯限制。去掉限制定語“高?！焙髾z索“虛擬仿真實驗教學”，獲取1 703 條記錄。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)檢索結果中與“虛擬仿真實驗教學”主題相關的文獻大部分在高等教育研究范圍內(nèi)，而此類文獻并未刻意標示“高?！毖芯空Z境。為盡量擴大檢索范圍獲取研究主題相關所有數(shù)據(jù)源，利用中國知網(wǎng)內(nèi)置“計量可視化分析——檢索結果”功能對以上1 703 條文獻主題分布進行了初步分析，從其中符合檢索字段含義的同義詞和近義詞進行選取，確定了專業(yè)檢索表達式字段構成，字段間由邏輯運算符“*”“+”和“–”連接，研究數(shù)據(jù)庫建立流程如圖1 所示。

2.3 研究數(shù)據(jù)庫的建立與完善

為建立高質量的研究數(shù)據(jù)庫，本文選取了期刊、博碩士、會議等三種文獻類型。以期刊數(shù)據(jù)源的獲得為例，在中國知網(wǎng)“高級檢索”方式下選擇“期刊”類子塊，在“專業(yè)檢索”模式下輸入檢索表達式，勾選了SCI 來源期刊、EI 來源期刊、核心期刊、CSSCI及CSCD，檢索獲得754 條記錄。同理，在博碩士、會議類子模塊下檢索分別獲得552 條和93 條。

圖1 研究數(shù)據(jù)庫建立流程

為確保數(shù)據(jù)源中文獻主題的相關性，對1 399 條記錄進行人工初篩后由Endnote 軟件除重。初篩中刪除了無作者的卷首語，院校虛擬仿真平臺簡介、虛擬仿真教學會議論壇總結報告、高教指導、信息理論、網(wǎng)絡環(huán)境下的思政、法制及德育教育、虛擬校園游覽設計、情境教學理論研究及未被檢索排除的隱性中小學教育等對研究貢獻意義不大的內(nèi)容，最終獲得主題相關期刊記錄717 條，博碩士462 條、會議論文93 條，共計1 272 條。

3 分析與討論

3.1 年度發(fā)文量

高校虛擬仿真實驗教學研究領域的發(fā)文量年度變化趨勢如圖2 所示。

圖2 發(fā)文量年度變化趨勢

1998—2019 年以來，基于虛擬仿真手段的高校實驗教學經(jīng)歷了由緩慢至快速發(fā)展的階段，2019 年總發(fā)文量達到峰值。其中，期刊與博碩論文年度發(fā)文量的首次峰值分別出現(xiàn)在2008 年和2017 年。會議論文發(fā)文量曲線受會議及研究論壇的召開頻次影響，整體較平穩(wěn)；2001 年首次出現(xiàn)相關研究，2010 年會議發(fā)文量出現(xiàn)最大值。另外，由于數(shù)據(jù)源中2020 年度發(fā)文量為未完結動態(tài)數(shù)據(jù)，因此圖2 中4 條曲線的末尾均呈下降趨勢。從期刊與博碩論文的首次峰值出現(xiàn)時間差可見，虛擬仿真實驗教學方法從初期建模論證、技術成熟至實踐教學研究歷時近10 年，博碩論文科學系統(tǒng)性的探索為虛擬仿真技術手段在實驗教學的應用與發(fā)展奠定了堅實基礎。

虛擬仿真實驗教學方法的應用和完善與計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展以及國家教育信息化政策引導密不可分。1989—1994 年間，相繼出現(xiàn)了一批用于虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺和建模語言，如 Open GVS、WTK、VRML 等[1]；1996 年，國家在“863”計劃中將“分布式虛擬環(huán)境”確定為重點項目[7]。1998 年，我國進入互聯(lián)網(wǎng)元年。至2001 年底，教育部批準47所高校設立網(wǎng)絡教育學院（后擴至67 所）和19 個網(wǎng)上合作研究中心在CERNET 上開展遠程教育和協(xié)同科研工作[8]，遠程教育時代面向學習者開展的線上實驗是最早出現(xiàn)的虛擬仿真實驗教學形式[9]，圖2 顯示總發(fā)文量的增長點即在2001 年。

圖2 顯示2008—2011 年間虛擬仿真實驗教學研究的總出版量出現(xiàn)了小高峰，此外2011—2019 年間發(fā)文量增長近一倍。發(fā)文量的快速增長可歸因于教育部在2012 年印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》與2017 年印發(fā)的《關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，其中提出了建設1 500 個虛擬仿真實驗項目的目標，并計劃到2020 年認定1 000 項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。虛擬仿真技術的持續(xù)發(fā)展與完善表明其在未來實驗教學、創(chuàng)新教育中將扮演重要角色，在教育信息化方面存在巨大潛力。

3.2 研究機構與作者

筆者在生成研究機構合作網(wǎng)絡時，合并了數(shù)據(jù)源中機構名稱表達，即僅保留機構名稱，略去二級單位，得到高校虛擬仿真實驗教學研究機構合作網(wǎng)絡如圖3所示。共生成43 個節(jié)點，3 條連線，圖3 中機構節(jié)點以年輪圓圈表示，節(jié)點大小與機構發(fā)文總數(shù)成正比，年輪厚度與相應時間分區(qū)內(nèi)發(fā)文數(shù)成正比，顏色按時間圖例中灰色至紅色的變化依次表示發(fā)文時間的由遠及近。

圖3 研究機構合作網(wǎng)絡

圖3 中的3 條連線表示有3 組研究機構間存在合 作發(fā)文關系，具體為教育部高等教育司實驗處與寧波大學、哈爾濱工程大學與華中師范大學、西安電子科技大學與安徽師范大學。整體網(wǎng)絡表明目前國內(nèi)研究機構在虛擬仿真實驗教學研究領域進行機構間合作發(fā)文的情況較少，大多數(shù)合著文章作者更傾向于同機構內(nèi)跨部門間的合作發(fā)文。

依據(jù)圖中節(jié)點大小可判斷，在高校虛擬仿真實驗教學領域發(fā)文貢獻較大的為哈爾濱工程大學、東南大學、西南大學、中國石油大學（華東）以及教育部高等教育司實驗處。從節(jié)點年輪顏色來看浙江師范大學、河北大學在該領域起步較早；哈爾濱工程大學自2013年左右起步到目前為止持續(xù)致力于該領域的研究，且研究成果非常突出；西南大學、東南大學與中國石油大學起步時間雖相對較晚，但其均以較快的研究速度在短時間內(nèi)積累了一定研究成果。

圖4 展示了高校虛擬仿真實驗教學作者合作網(wǎng)絡。其中節(jié)點大小與該作者發(fā)文量成正比，節(jié)點間連線表明了作者之間的合作關系強度。

圖4 作者合作網(wǎng)絡

由圖4 可知，馬軍、張鵬、路勇、余龍江、劉亞豐、龔成斌等為該領域相對高產(chǎn)的學者，他們分別在軌道交通、船舶動力技術、實驗平臺建設與資源共享、化學化工等方面進行了虛擬仿真實驗教學研究。結合圖3 和圖4 分析可知，國內(nèi)高校虛擬仿真實驗教學研究領域的學者更傾向于同一機構內(nèi)的合作發(fā)文，這可能與當前的研究環(huán)境有關。當前是示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設時期，各高等院校致力于本校特色專業(yè)的實驗資源建設，而資源共享機制尚不成熟[10-11]，因此機構間合作發(fā)文的情況相對較少。同時教師間合作發(fā)文也是高等教育研究的普遍現(xiàn)象[12]，虛擬仿真實驗教學項目的建立涉及教育學、信息學、計算機科學及其應用學科的專業(yè)知識，其研究必然需多方合作完成。

未來，隨著資源共享機制的完善，機構間合作發(fā)文及研究成果有望大幅提升，可促進跨學科、跨單位的高等教育合作研究持續(xù)發(fā)展。

3.3 研究熱點

研究熱點是某一時期內(nèi)某領域中出現(xiàn)頻率相對較高、受到專家學者廣泛探討研究的問題或專題，隨研究技術的成熟、社會發(fā)展、人類需求變化而發(fā)生演變。通常，專家學者在寫作過程中會謹慎選擇可代表文章核心思想的術語性關鍵詞，因此文章關鍵詞是進行研究熱點分析時值得信賴的指標[5]。根據(jù)關鍵詞出現(xiàn)頻次高低與時間以節(jié)點連線的方式形成的共現(xiàn)網(wǎng)絡可直觀呈現(xiàn)某一時間跨度內(nèi)學科研究熱點、主題分布、發(fā)展前沿。

本文對1998—2020 年高校虛擬仿真實驗教學研究文獻進行了關鍵詞分析。由于初始共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵詞節(jié)點存在大量近同義詞，導致所獲網(wǎng)絡凝練度較低。本文編寫了近同義詞合并文件對涉及相同概念的關鍵詞進行合并（如“虛擬技術”“虛擬現(xiàn)實技術”“仿真技術”均作為“虛擬仿真技術”等）。同時為提高網(wǎng)絡可讀性，在呈現(xiàn)時將出現(xiàn)頻次較高的“虛擬仿真”“虛擬仿真教學”“虛擬仿真實驗”“虛擬仿真平臺”等6個主題性關鍵詞節(jié)點隱去，得到如圖5 所示的關鍵詞共現(xiàn)圖譜。

圖5 關鍵詞共現(xiàn)圖譜

圖5 中共有113 個節(jié)點、379 條連線，根據(jù)關鍵詞性質手動聚類形成4 個類別，以虛線圓框表示聚類范圍。圖5 中關鍵詞節(jié)點以年輪圓圈形式表示，節(jié)點大小與關鍵詞出現(xiàn)總頻次成正比，年輪厚度與相應時間分區(qū)內(nèi)出現(xiàn)頻次成正比，顏色與出現(xiàn)時間早晚相關，灰色至紅色的變化表示出現(xiàn)時間的從遠及近。由于數(shù)據(jù)源中2020 年度文獻在數(shù)據(jù)獲取時尚不完整，因此包含紅色年輪的節(jié)點較少且不明顯。

（1）聚類#1 展現(xiàn)了實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學的多種技術手段，從節(jié)點大小可知出現(xiàn)頻次較高的是LabVIEW、VRML、Virtools、Unity3D、交互設計及三維仿真。從節(jié)點年輪顏色變化來看，VRML 虛擬現(xiàn)實建模語言在2010 年之前得到廣泛應用，在之后的5年間有所下降；以圖形化編程語言替代傳統(tǒng)文本編程的LabVIEW 軟件在2010 年后逐步進入研究人員視野，到目前為止仍熱度不減；Virtools 作為一款 3D 環(huán)境虛擬實境編輯軟件在2011—2018 年間應用頻次持續(xù)增長，2019 年后有所下降；Unity3D 軟件在實驗教學領域出現(xiàn)時間相對較晚，但自2016 年到目前為止，具備完善靈活編輯優(yōu)點的Unity3D 已成為當前實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學的主流技術手段之一。

（2）聚類#2 展現(xiàn)了高校開展虛擬仿真實驗教學采用的教學方式。其中，最早出現(xiàn)的為遠程教育方式，從圖中“遠程教育”與“VRML”節(jié)點間緊密的連線關系可知虛擬仿真實驗教學的開展方式與其所處時代技術背景密切相關。另一出現(xiàn)頻次較高的為2016 年后提出的“虛實結合”實驗教學理念，旨在保障人才培養(yǎng)計劃的完整性與實踐教學效果。

（3）聚類#3 展示了虛擬仿真實驗平臺改革建設的方向，其中出現(xiàn)頻次較高的有實驗教學體系、資源共享、教育信息化等，這些均為2015 年之后出現(xiàn)的較新的概念?！百Y源共享”與“虛實結合”教學理念提出時間相近，秉承教育部示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知精神，利用示范性建設項目的帶頭作用促進虛擬仿真實驗教學方式的普及與發(fā)展，有利于節(jié)約建設成本，提高虛擬仿真實驗教學資源的利用率。

（4）聚類#4 展現(xiàn)了目前已經(jīng)開展虛擬仿真實驗教學應用的學科領域。其中在土木工程、碰撞檢測、數(shù)字電路、單片機、醫(yī)學等專業(yè)領域出現(xiàn)頻次較高，其主要原因是這些專業(yè)受到客觀實驗條件的限制，如實物實驗開展的經(jīng)濟成本、時間成本、危險性均較高且容錯率、可及性較低。虛擬仿真的實驗教學方式在以上學科領域的廣泛應用表明其對未來高等教育新型應用型學科的發(fā)展將起到不可小覷的作用。

3.4 發(fā)展趨勢與前沿

關鍵詞突現(xiàn)依據(jù)關鍵詞在某一時間段出現(xiàn)頻次的高低耦合判斷而得，可反映研究發(fā)展的趨勢以及預測前沿[6]。1998—2020 年高校虛擬仿真實驗教學文獻中，排名前15 的突發(fā)性高頻關鍵詞如表1 所示。

表1 排名前15 的突發(fā)性高頻關鍵詞

表中各突發(fā)性高頻關鍵詞的時間線圖例可直觀呈現(xiàn)其突現(xiàn)及持續(xù)年份，其中最早突現(xiàn)的為1999 年興起的遠程教育，最晚的為近兩年突現(xiàn)的虛實結合教學理念及Unity3D 虛擬仿真實驗環(huán)境建設技術。

突發(fā)性關鍵詞的演變可有效反映此領域的研究熱點的遷移與研究發(fā)展趨勢，從表中可看出高校虛擬仿真實驗教學的發(fā)展基本可分為三個階段：第一階段是基于VRML、Java、Flash 技術的探索建模階段，突現(xiàn)時間出現(xiàn)在2003—2010 年，致力于利用新型描述性語言建立富有動態(tài)表現(xiàn)力的虛擬仿真環(huán)境界面；第二階段是以三維仿真、X3D、交互設計為需求，以網(wǎng)絡技術、組件庫、Virtools、MATLAB、Simulink 為載體的教學應用階段，突現(xiàn)時間出現(xiàn)在2005—2014 年，開始考慮用戶的三維動態(tài)交互需求，各具優(yōu)勢的虛擬仿真制作軟件逐漸興起；第三階段為3Ds Max、實驗室建設、虛實結合、Unity3D 等教學理念與應用技術的升級階段，突現(xiàn)時間出現(xiàn)在2014—2020 年，這一時期，虛擬仿真實驗教學理念與方式更加成熟，技術表現(xiàn)手段也更加立體完善。

未來，隨著人口結構變化帶來的終身學習需求的增長，以及人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術在自適應教學中的普及應用，新型遠程教育模式有可能再次突現(xiàn)在虛擬仿真實驗教學領域[13]。同時，隨著5G 網(wǎng)絡技術的蓬勃發(fā)展，其強大的網(wǎng)絡傳輸速率與低功耗續(xù)航能力將大幅緩解VR 技術的計算壓力[14]，促進基于VR技術的虛擬仿真實驗教學應用。在沉浸式的感知交互方面，隨著沉浸式虛擬仿真設備成本的降低及頭戴式設備舒適度的提高，未來高校將有望依托人工智能下的VR/AR 等沉浸式虛擬仿真技術開展促進學生深度學習、創(chuàng)新思維的實驗教學課程[15]。

4 結語

本文對1998—2020 年高校虛擬仿真實驗教學相關文獻的年度發(fā)文量、研究機構與作者、研究熱點、發(fā)展趨勢與前沿進行了科學計量分析。

從年度發(fā)文量來看，高校虛擬仿真實驗教學研究前期發(fā)展相對緩慢，目前處于快速發(fā)展時期。從研究機構與作者來看，參與虛擬仿真實驗教學的研究機構數(shù)量、機構間合作度及研究活躍度均有待提高。研究熱點方面，虛擬仿真實驗教學應用的技術較多，目前受教育研究者廣泛運用的有 Unity3D、LabVIEW、Virtools 等開發(fā)軟件；在實驗教學方法與實驗室建設上，虛實結合的教學原則與資源共享的建設理念被頻繁提到，關注人才培養(yǎng)的完整性與虛擬仿真教學資源的高效利用；在學科應用上，目前虛擬仿真實驗教學在土木工程、碰撞檢測等實物實驗成本較高、危險性較大且實踐需求較高的學科中應用較廣泛。

隨著國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的完善、資源共享機制的成熟，在不久的將來，跨學科、跨單位間的合作發(fā)文及發(fā)文量均有望大幅提升，依托5G 網(wǎng)絡及人工智能技術的VR/AR 等沉浸式虛擬仿真手段也將在技術成熟、成本降低時逐漸應用于高校實驗教育中，有效改善目前學生專業(yè)實踐教育中存在的不足，促進創(chuàng)新型、應用型人才的培養(yǎng)。