高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)的文獻(xiàn)計(jì)量分析

楊 穎，肖 潭，南景富，黃 芹

（廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

虛擬仿真的概念最早于1965 年由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要奠基人Suther-land 博士提出[1]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)為依托，利用虛擬仿真語(yǔ)言建模，結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與學(xué)科知識(shí)創(chuàng)建二維、三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)學(xué)生在線實(shí)驗(yàn)的功能，具有形象生動(dòng)、效果直觀、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，許多高校開設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，為了深入了解其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)1998—2020 年間1 272 篇相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了可視化文獻(xiàn)計(jì)量分析，梳理了發(fā)展現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)，以期為探究未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及技術(shù)手段應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

文獻(xiàn)計(jì)量分析依據(jù)文獻(xiàn)各類特征數(shù)量，采用數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)語(yǔ)言描述，可定量評(píng)價(jià)發(fā)展現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)水平[3]。知識(shí)圖譜法是文獻(xiàn)計(jì)量的表現(xiàn)方法之一，具有可視化直觀呈現(xiàn)科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)、研究熱點(diǎn)與演變，預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文選用CiteSpace（5.6.R5 版本）軟件進(jìn)行有關(guān)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)的文獻(xiàn)計(jì)量分析。CiteSpace 是由美國(guó)德雷塞爾大學(xué)陳超美博士開發(fā)的一款用于前沿科學(xué)知識(shí)可視化分析的軟件[5]，可用于創(chuàng)建和可視化包含作者、機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞、引文等信息的科學(xué)知識(shí)圖譜，目前已被全球研究者用于多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展研究[6]。本文選取機(jī)構(gòu)、作者、關(guān)鍵詞作為可視化分析對(duì)象，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1998—2020 年，設(shè)定時(shí)間切片為1 年。在關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜、機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)及作者合作網(wǎng)絡(luò)可視化分析中分別選擇 key word、institution、author 為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)類型（node type），在各時(shí)間切片內(nèi)選擇top 50（頻次出現(xiàn)排名前50 的項(xiàng)目）進(jìn)行分析，連線強(qiáng)度選擇cosine。

2 研究數(shù)據(jù)庫(kù)

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(guó)知網(wǎng)《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（網(wǎng)絡(luò)版）》（CAJD）數(shù)據(jù)庫(kù)中收集，文獻(xiàn)時(shí)間跨度為1998—2020 年。CAJD 是世界上最大的連續(xù)動(dòng)態(tài)更新的中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)，目前已成為科研工作者獲取文獻(xiàn)資料及分析科學(xué)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(guān)鍵詞”等檢索方式[5]。為建立研究數(shù)據(jù)庫(kù)用以文獻(xiàn)計(jì)量分析，本文選取“主題”檢索方式以全面檢索在“標(biāo)題”“摘要”或“關(guān)鍵詞”等類別中包含所檢詞匯的全部文獻(xiàn)。

2.2 檢索表達(dá)式

確定涵蓋主題的所有檢索字段以建立全面高質(zhì)的研究數(shù)據(jù)庫(kù)是本研究至關(guān)重要的一步。本文嚴(yán)格確定檢索字段及表達(dá)式，最大程度地實(shí)現(xiàn)全面檢索。

首先，在中國(guó)知網(wǎng)首頁(yè)，按“主題”檢索“高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，僅獲取79 條記錄，搜索結(jié)果存在明顯限制。去掉限制定語(yǔ)“高校”后檢索“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，獲取1 703 條記錄。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)檢索結(jié)果中與“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”主題相關(guān)的文獻(xiàn)大部分在高等教育研究范圍內(nèi)，而此類文獻(xiàn)并未刻意標(biāo)示“高校”研究語(yǔ)境。為盡量擴(kuò)大檢索范圍獲取研究主題相關(guān)所有數(shù)據(jù)源，利用中國(guó)知網(wǎng)內(nèi)置“計(jì)量可視化分析——檢索結(jié)果”功能對(duì)以上1 703 條文獻(xiàn)主題分布進(jìn)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(jìn)行選取，確定了專業(yè)檢索表達(dá)式字段構(gòu)成，字段間由邏輯運(yùn)算符“*”“+”和“–”連接，研究數(shù)據(jù)庫(kù)建立流程如圖1 所示。

2.3 研究數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與完善

為建立高質(zhì)量的研究數(shù)據(jù)庫(kù)，本文選取了期刊、博碩士、會(huì)議等三種文獻(xiàn)類型。以期刊數(shù)據(jù)源的獲得為例，在中國(guó)知網(wǎng)“高級(jí)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(dá)式，勾選了SCI 來(lái)源期刊、EI 來(lái)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(huì)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(kù)建立流程

為確保數(shù)據(jù)源中文獻(xiàn)主題的相關(guān)性，對(duì)1 399 條記錄進(jìn)行人工初篩后由Endnote 軟件除重。初篩中刪除了無(wú)作者的卷首語(yǔ)，院校虛擬仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介、虛擬仿真教學(xué)會(huì)議論壇總結(jié)報(bào)告、高教指導(dǎo)、信息理論、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的思政、法制及德育教育、虛擬校園游覽設(shè)計(jì)、情境教學(xué)理論研究及未被檢索排除的隱性中小學(xué)教育等對(duì)研究貢獻(xiàn)意義不大的內(nèi)容，最終獲得主題相關(guān)期刊記錄717 條，博碩士462 條、會(huì)議論文93 條，共計(jì)1 272 條。

3 分析與討論

3.1 年度發(fā)文量

高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)文量年度變化趨勢(shì)如圖2 所示。

圖2 發(fā)文量年度變化趨勢(shì)

1998—2019 年以來(lái)，基于虛擬仿真手段的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)歷了由緩慢至快速發(fā)展的階段，2019 年總發(fā)文量達(dá)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(huì)議論文發(fā)文量曲線受會(huì)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(guān)研究，2010 年會(huì)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(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此圖2 中4 條曲線的末尾均呈下降趨勢(shì)。從期刊與博碩論文的首次峰值出現(xiàn)時(shí)間差可見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法從初期建模論證、技術(shù)成熟至實(shí)踐教學(xué)研究歷時(shí)近10 年，博碩論文科學(xué)系統(tǒng)性的探索為虛擬仿真技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的應(yīng)用和完善與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及國(guó)家教育信息化政策引導(dǎo)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(tái)和建模語(yǔ)言，如 Open GVS、WTK、VRML 等[1]；1996 年，國(guó)家在“863”計(jì)劃中將“分布式虛擬環(huán)境”確定為重點(diǎn)項(xiàng)目[7]。1998 年，我國(guó)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)元年。至2001 年底，教育部批準(zhǔn)47所高校設(shè)立網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院（后擴(kuò)至67 所）和19 個(gè)網(wǎng)上合作研究中心在CERNET 上開展遠(yuǎn)程教育和協(xié)同科研工作[8]，遠(yuǎn)程教育時(shí)代面向?qū)W習(xí)者開展的線上實(shí)驗(yàn)是最早出現(xiàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式[9]，圖2 顯示總發(fā)文量的增長(zhǎng)點(diǎn)即在2001 年。

圖2 顯示2008—2011 年間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(zhǎng)近一倍。發(fā)文量的快速增長(zhǎng)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(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，其中提出了建設(shè)1 500 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)，并計(jì)劃到2020 年認(rèn)定1 000 項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。虛擬仿真技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與完善表明其在未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、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(jī)構(gòu)與作者

筆者在生成研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)時(shí)，合并了數(shù)據(jù)源中機(jī)構(gòu)名稱表達(dá)，即僅保留機(jī)構(gòu)名稱，略去二級(jí)單位，得到高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。共生成43 個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 條連線，圖3 中機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)以年輪圓圈表示，節(jié)點(diǎn)大小與機(jī)構(gòu)發(fā)文總數(shù)成正比，年輪厚度與相應(yīng)時(shí)間分區(qū)內(nèi)發(fā)文數(shù)成正比，顏色按時(shí)間圖例中灰色至紅色的變化依次表示發(fā)文時(shí)間的由遠(yuǎn)及近。

圖3 研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

圖3 中的3 條連線表示有3 組研究機(jī)構(gòu)間存在合 作發(fā)文關(guān)系，具體為教育部高等教育司實(shí)驗(yàn)處與寧波大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)與華中師范大學(xué)、西安電子科技大學(xué)與安徽師范大學(xué)。整體網(wǎng)絡(luò)表明目前國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究領(lǐng)域進(jìn)行機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)內(nèi)跨部門間的合作發(fā)文。

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

圖4 展示了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作者合作網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)大小與該作者發(fā)文量成正比，節(jié)點(diǎn)間連線表明了作者之間的合作關(guān)系強(qiáng)度。

圖4 作者合作網(wǎng)絡(luò)

由圖4 可知，馬軍、張鵬、路勇、余龍江、劉亞豐、龔成斌等為該領(lǐng)域相對(duì)高產(chǎn)的學(xué)者，他們分別在軌道交通、船舶動(dòng)力技術(shù)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與資源共享、化學(xué)化工等方面進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。結(jié)合圖3 和圖4 分析可知，國(guó)內(nèi)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究領(lǐng)域的學(xué)者更傾向于同一機(jī)構(gòu)內(nèi)的合作發(fā)文，這可能與當(dāng)前的研究環(huán)境有關(guān)。當(dāng)前是示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)期，各高等院校致力于本校特色專業(yè)的實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)，而資源共享機(jī)制尚不成熟[10-11]，因此機(jī)構(gòu)間合作發(fā)文的情況相對(duì)較少。同時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建立涉及教育學(xué)、信息學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及其應(yīng)用學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，其研究必然需多方合作完成。

未來(lái)，隨著資源共享機(jī)制的完善，機(jī)構(gòu)間合作發(fā)文及研究成果有望大幅提升，可促進(jìn)跨學(xué)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(diǎn)

研究熱點(diǎn)是某一時(shí)期內(nèi)某領(lǐng)域中出現(xiàn)頻率相對(duì)較高、受到專家學(xué)者廣泛探討研究的問題或?qū)ｎ}，隨研究技術(shù)的成熟、社會(huì)發(fā)展、人類需求變化而發(fā)生演變。通常，專家學(xué)者在寫作過程中會(huì)謹(jǐn)慎選擇可代表文章核心思想的術(shù)語(yǔ)性關(guān)鍵詞，因此文章關(guān)鍵詞是進(jìn)行研究熱點(diǎn)分析時(shí)值得信賴的指標(biāo)[5]。根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次高低與時(shí)間以節(jié)點(diǎn)連線的方式形成的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可直觀呈現(xiàn)某一時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)科研究熱點(diǎn)、主題分布、發(fā)展前沿。

本文對(duì)1998—2020 年高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究文獻(xiàn)進(jìn)行了關(guān)鍵詞分析。由于初始共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)存在大量近同義詞，導(dǎo)致所獲網(wǎng)絡(luò)凝練度較低。本文編寫了近同義詞合并文件對(duì)涉及相同概念的關(guān)鍵詞進(jìn)行合并（如“虛擬技術(shù)”“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”“仿真技術(shù)”均作為“虛擬仿真技術(shù)”等）。同時(shí)為提高網(wǎng)絡(luò)可讀性，在呈現(xiàn)時(shí)將出現(xiàn)頻次較高的“虛擬仿真”“虛擬仿真教學(xué)”“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“虛擬仿真平臺(tái)”等6個(gè)主題性關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)隱去，得到如圖5 所示的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

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

（1）聚類#1 展現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多種技術(shù)手段，從節(jié)點(diǎn)大小可知出現(xiàn)頻次較高的是LabVIEW、VRML、Virtools、Unity3D、交互設(shè)計(jì)及三維仿真。從節(jié)點(diǎn)年輪顏色變化來(lái)看，VRML 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言在2010 年之前得到廣泛應(yīng)用，在之后的5年間有所下降；以圖形化編程語(yǔ)言替代傳統(tǒng)文本編程的LabVIEW 軟件在2010 年后逐步進(jìn)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(shí)境編輯軟件在2011—2018 年間應(yīng)用頻次持續(xù)增長(zhǎng)，2019 年后有所下降；Unity3D 軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)較晚，但自2016 年到目前為止，具備完善靈活編輯優(yōu)點(diǎn)的Unity3D 已成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主流技術(shù)手段之一。

（2）聚類#2 展現(xiàn)了高校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的教學(xué)方式。其中，最早出現(xiàn)的為遠(yuǎn)程教育方式，從圖中“遠(yuǎn)程教育”與“VRML”節(jié)點(diǎn)間緊密的連線關(guān)系可知虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展方式與其所處時(shí)代技術(shù)背景密切相關(guān)。另一出現(xiàn)頻次較高的為2016 年后提出的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，旨在保障人才培養(yǎng)計(jì)劃的完整性與實(shí)踐教學(xué)效果。

（3）聚類#3 展示了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改革建設(shè)的方向，其中出現(xiàn)頻次較高的有實(shí)驗(yàn)教學(xué)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。“資源共享”與“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)理念提出時(shí)間相近，秉承教育部示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知精神，利用示范性建設(shè)項(xiàng)目的帶頭作用促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的普及與發(fā)展，有利于節(jié)約建設(shè)成本，提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域。其中在土木工程、碰撞檢測(cè)、數(shù)字電路、單片機(jī)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)頻次較高，其主要原因是這些專業(yè)受到客觀實(shí)驗(yàn)條件的限制，如實(shí)物實(shí)驗(yàn)開展的經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本、危險(xiǎn)性均較高且容錯(cuò)率、可及性較低。虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在以上學(xué)科領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用表明其對(duì)未來(lái)高等教育新型應(yīng)用型學(xué)科的發(fā)展將起到不可小覷的作用。

3.4 發(fā)展趨勢(shì)與前沿

關(guān)鍵詞突現(xiàn)依據(jù)關(guān)鍵詞在某一時(shí)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(shì)以及預(yù)測(cè)前沿[6]。1998—2020 年高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)文獻(xiàn)中，排名前15 的突發(fā)性高頻關(guān)鍵詞如表1 所示。

表1 排名前15 的突發(fā)性高頻關(guān)鍵詞

表中各突發(fā)性高頻關(guān)鍵詞的時(shí)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(yuǎn)程教育，最晚的為近兩年突現(xiàn)的虛實(shí)結(jié)合教學(xué)理念及Unity3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)技術(shù)。

突發(fā)性關(guān)鍵詞的演變可有效反映此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)的遷移與研究發(fā)展趨勢(shì)，從表中可看出高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展基本可分為三個(gè)階段：第一階段是基于VRML、Java、Flash 技術(shù)的探索建模階段，突現(xiàn)時(shí)間出現(xiàn)在2003—2010 年，致力于利用新型描述性語(yǔ)言建立富有動(dòng)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(shè)計(jì)為需求，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組件庫(kù)、Virtools、MATLAB、Simulink 為載體的教學(xué)應(yīng)用階段，突現(xiàn)時(shí)間出現(xiàn)在2005—2014 年，開始考慮用戶的三維動(dòng)態(tài)交互需求，各具優(yōu)勢(shì)的虛擬仿真制作軟件逐漸興起；第三階段為3Ds Max、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、虛實(shí)結(jié)合、Unity3D 等教學(xué)理念與應(yīng)用技術(shù)的升級(jí)階段，突現(xiàn)時(shí)間出現(xiàn)在2014—2020 年，這一時(shí)期，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念與方式更加成熟，技術(shù)表現(xiàn)手段也更加立體完善。

未來(lái)，隨著人口結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的終身學(xué)習(xí)需求的增長(zhǎng)，以及人工智能與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在自適應(yīng)教學(xué)中的普及應(yīng)用，新型遠(yuǎn)程教育模式有可能再次突現(xiàn)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域[13]。同時(shí)，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與低功耗續(xù)航能力將大幅緩解VR 技術(shù)的計(jì)算壓力[14]，促進(jìn)基于VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。在沉浸式的感知交互方面，隨著沉浸式虛擬仿真設(shè)備成本的降低及頭戴式設(shè)備舒適度的提高，未來(lái)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(shù)開展促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)1998—2020 年高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)的年度發(fā)文量、研究機(jī)構(gòu)與作者、研究熱點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)與前沿進(jìn)行了科學(xué)計(jì)量分析。

從年度發(fā)文量來(lái)看，高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究前期發(fā)展相對(duì)緩慢，目前處于快速發(fā)展時(shí)期。從研究機(jī)構(gòu)與作者來(lái)看，參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究機(jī)構(gòu)數(shù)量、機(jī)構(gòu)間合作度及研究活躍度均有待提高。研究熱點(diǎn)方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的技術(shù)較多，目前受教育研究者廣泛運(yùn)用的有 Unity3D、LabVIEW、Virtools 等開發(fā)軟件；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)上，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)原則與資源共享的建設(shè)理念被頻繁提到，關(guān)注人才培養(yǎng)的完整性與虛擬仿真教學(xué)資源的高效利用；在學(xué)科應(yīng)用上，目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在土木工程、碰撞檢測(cè)等實(shí)物實(shí)驗(yàn)成本較高、危險(xiǎn)性較大且實(shí)踐需求較高的學(xué)科中應(yīng)用較廣泛。

隨著國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的完善、資源共享機(jī)制的成熟，在不久的將來(lái)，跨學(xué)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(luò)及人工智能技術(shù)的VR/AR 等沉浸式虛擬仿真手段也將在技術(shù)成熟、成本降低時(shí)逐漸應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教育中，有效改善目前學(xué)生專業(yè)實(shí)踐教育中存在的不足，促進(jìn)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。