我國虛擬仿真實驗教學的發展與趨勢研究

董桂偉 趙國群 王桂龍

摘 要：借助CiteSpace可視化文獻計量分析軟件，對在中國知網檢索的2011—2020年虛擬仿真實驗教學文獻進行系統分析，并繪制知識圖譜。結果顯示，我國虛擬仿真實驗教學的發展大致經歷三個階段，即2011—2015年的探索與嘗試階段、2016—2018年的開發與建設階段和2019—2020年的應用與創新階段;“虛擬仿真技術”“虛擬仿真實驗教學中心”“實驗教學改革”“實驗教學體系”和“教學模式”五個高頻關鍵詞代表了過去十年間我國虛擬仿真實驗教學的研究熱點;“虛擬現實”代表著目前虛擬仿真實驗教學的發展前沿。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;發展脈絡;研究熱點;前沿趨勢

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，旨在通過信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合破解高等學校特別是高等工科院校實驗教學中許多“做不到、做不好、做不了、做不上”的問題，是繼“互聯網+教育”之后的一種新型“智能+教育”形態[1]。自2017年首批示范性虛擬仿真實驗教學項目認定以來，全國各高校在教育部有關文件精神的指導下，突出以學生為中心的教學理念，選取準確適宜的教學內容，不斷推進現代信息技術融入實驗教學，成功開發了系列優質虛擬仿真實驗教學項目，為高水平創新型人才培養提供了重要支撐[2-4]。截至2020年底，各高校在“iLAB”虛擬仿真實驗教學共享平臺上線虛擬仿真實驗教學項目2079項，其中獲得國家級認定的728項，虛擬仿真實驗教學取得了良好階段性成果[5]。特別需要指出的是，2020年疫情防控期間，各高校充分發揮虛擬仿真實驗教學項目的在線學習優勢，為無法返校的大學生提供在線實驗學習資源，通過線上授課、學習等在線教學活動，保證了新冠疫情特殊時期的教學進度和教學質量。

廣義而言，虛擬仿真實驗主要指利用計算機和互聯網技術，通過虛擬儀器和設備代替傳統真實的實驗儀器和設備而進行的各種仿真性實驗。1989年，美國弗吉尼亞大學的威廉·沃爾夫教授首次提出“虛擬實驗”的概念后，虛擬實驗系統的開發與應用在國內外諸多高校和研究機構得到了迅速發展，但綜合來看，虛擬仿真實驗的應用長期以來主要集中在科學研究和工業生產領域[6-7]。通過虛擬和仿真的形式開展實驗教學，不失為我國高等教育的一項重大創新。教育部高教司吳巖司長指出，虛擬仿真解決了世界性的實驗教學、實踐教學、實訓教學的難題，也解決了中國大學生動手能力不足的短板問題。虛擬仿真實驗教學拓展了教學內容的廣度和深度，延伸了教學的時間和空間，讓“網上做實驗”和“虛擬做真實驗”成為現實，對增強大學生實踐能力、提高人才培養質量和水平具有重要作用。

隨著本科教學質量工程的開展和一流課程建設的推進，虛擬仿真實驗教學項目建設逐漸豐富和體系化，推動著虛擬仿真實驗教學逐步走向探索實驗教學內容體系平衡關系、創新線上線下混合式教學模式等改革和發展“深水區”。適時“回看”是避免彎路、科學發展的重要前提，從宏觀上分析和研究近些年來我國虛擬仿真實驗教學的基本狀況、研究熱點和發展趨勢等問題，對虛擬仿真實驗教學的進一步深入發展具有重要意義。在此背景下，本文應用文獻計量學的方法，對近十年中國知網的文獻數據進行可視化分析，繪制虛擬仿真實驗教學研究的知識圖譜，通過定量數據客觀和直觀地展現我國虛擬仿真實驗教學的發展脈絡、研究熱點和前沿趨勢，以期為虛擬仿真實驗教學的創新建設和發展提供借鑒和參考。

一、數據來源與研究方法

1.數據來源

本文以近十年中國知網全文數據庫收錄的虛擬仿真實驗教學文獻為研究對象。數據檢索范圍包括中國學術期刊網絡出版總庫、中國博士學位論文全文數據庫、中國優秀碩士學位論文全文數據庫、中國重要會議論文全文數據庫和國際會議論文全文數據庫，文獻檢索時間為2020年12月15日，文獻發表時間為2011年1月1日至2020年11月30日。鑒于文獻數據量的考慮，筆者以題名為“虛擬仿真”并“實驗教學”的精確匹配進行檢索，共獲取文獻1223篇，剔除廣告、會議通知、重復文獻等信息后，獲得有效文獻1191篇，如圖1所示。

2.研究方法

本文采用可視化的文獻計量分析工具Cite-Space（V5.7.R2）軟件，對中國知網檢索的虛擬仿真實驗教學文獻進行知識圖譜分析。所謂知識圖譜，是以信息科學、圖形學、數學等學科為基礎，借助信息可視化技術和計量學方法對文獻進行引文分析和共現分析，并以生動形象的圖形和網絡譜系揭示文獻的科學知識結構、規律和分布情況。CiteSpace軟件是一款在科學計量學、數據和信息可視化背景下發展起來的引文可視化分析軟件，最初由美國Drexel University的陳超美博士研發，現已被廣泛應用于分析學術論文、期刊和作者之間的共被引關系，繪制科學知識圖譜[8]。

將本文所獲文獻經過格式轉換后導入CiteSpace軟件，時區分割（Time Slicing）跨度設為2011—2020年，默認時間切片為1年;文獻處理（Text Processing）功能區中Text Source選中Title（標題）、Abstract（摘要）、Author Keywords（作者關鍵詞）和Keywords Plus（WoS增補關鍵詞）;術語類型（Term Type）選中Burst Detection，用以探測突發性術語;節點類型（Node Types）選擇keyword，節點強度選擇余弦函數（Cosine）和時間切片內（Within slices），閾值選擇（Top N per slice）為50，即每年切片中排名前50的共現詞;運算生成關鍵詞共現網絡知識圖譜。

CiteSpace軟件融合了聚類分析、社會網絡分析、多維尺度分析等多種方法，通過可視化手段呈現科學知識的研究現狀，從中獲取可視化知識圖形和序列化知識譜系，進而發現特定學科和領域知識結構的隱含模式和規律。對此，本文借助該軟件對我國虛擬仿真實驗教學的發展脈絡、研究熱點和前沿趨勢三個方面展開分析和探討。

二、發展脈絡

通過圖1可以發現，在本文檢索條件下，國內關于虛擬仿真實驗教學的文獻出版由2011年的7篇增長到2020年的268篇，且呈現逐年增長的趨勢，表明近十年虛擬仿真實驗教學在國內發展迅速。具體來看，2011—2013年年均文獻出版量相對較少，在10篇以內;2014—2015年年均文獻出版量有了一定程度的增加，但尚未突破100篇;自2016年開始，文獻出版量有了明顯增加和穩步提升，達到年均近200篇;2019—2020年兩年來，文獻出版量進一步增加，基本保持在年均300篇左右。對此，筆者通過對已獲文獻的文本分析，在文獻追蹤的基礎上獲得關鍵、重要文獻進行研讀后發現，我國虛擬仿真實驗教學的發展可大致劃分為三個階段，即2011—2015年的探索與嘗試階段、2016—2018年的開發與建設階段，以及2019—2020年的應用與創新階段。結合這三個階段的年度劃分，本文進一步借助CiteSpace軟件，對這三個時間段的已獲文獻進行了獨立的知識圖譜分析，以探討和找尋我國虛擬仿真實驗教學的大致發展脈絡。

1.以探索與嘗試為主的初步發展階段

CiteSpace軟件通過分析文獻中的關鍵詞詞頻的高低分布來獲取熱點主題，并可生成時間順序的時區圖譜，用以對相關研究的演進路徑進行分析。利用該軟件對2011—2015年累計獲取的144篇虛擬仿真實驗教學文獻進行運算分析后，得到如圖2所示的關鍵詞共現時區圖譜。

在關鍵詞共現知識圖譜中，節點越大表示該關鍵詞出現的頻率越高。在圖2中，“虛擬仿真”和“實驗教學”是出現頻次最高的兩個關鍵詞，這是由于在文獻檢索中是以“虛擬仿真”和“實驗教學”這兩個為限定條件的。圖中時區表明，“虛擬仿真”和“實驗教學”兩個關鍵詞在2011年已經出現，表明盡管2011年檢索所獲的文獻量較少（只有7篇），但已有學者開始關注虛擬仿真技術在實驗教學中的初步應用。如蔡衛國探討了虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[9]，秦景良等研究了虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用等[10]。之后的2012年和2013年文獻量仍相對較少，說明僅有少數高等教育工作者對此進行持續研究和關注[11]。直到2014年，文獻出版量開始有較大幅度上升，結合圖2所示的關鍵詞共現情況，出現頻次較高的關鍵詞有“實驗教學中心”和“虛擬仿真實驗教學中心”等，這與教育部2013年8月啟動的國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作相契合[12]，故這一時期的虛擬仿真教學文獻主題重點圍繞平臺建設與實踐所展開。綜合來看，2011—2015年我國虛擬仿真實驗教學基本屬于剛起步階段，少數學者就虛擬仿真技術在實驗教學中的應用進行了初步的探索與嘗試，而國家對虛擬仿真實驗教學中心的支持和建設為虛擬仿真實驗教學項目的開展奠定了良好的平臺基礎。

2.以開發與建設為主的快速發展階段

圖3是2016—2018年獲取的486篇虛擬仿真實驗教學文獻的關鍵詞共現時區圖譜。忽略掉“虛擬仿真”和“實驗教學”這兩個限定條件關鍵詞，可以發現，“虛擬仿真實驗”作為出現頻率第三的關鍵詞開始出現，這說明在前期虛擬仿真實驗教學中心平臺建設的良好基礎上，通過虛擬仿真技術進行實驗項目建設和開展實驗教學已經成為各高校的一項主題工作。特別是，教育部辦公廳于2017年7月發布關于開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，對虛擬仿真實驗教學項目的建設目標和建設內容等做出明確指示，進一步激發了各高校和相關教師開展虛擬仿真實驗教學的積極性。據不完全統計，僅2018年，全國各高校在不同網絡平臺上線虛擬仿真實驗教學項目1000余門，覆蓋了包括圖3所示的藥理學、電工電子、藥學等在內的30多個學科門類。

結合對2016—2018年文獻的文本分析，同樣可見，這一時期的文獻大都圍繞“XXX虛擬仿真實驗教學項目的設計構建”“虛擬仿真技術在XXX課程的開發應用”等主題所展開[13-15]，實驗教育類核心刊物《實驗技術與管理》《實驗室研究與探索》等每期均有5篇以上的相關文獻出版，進一步表明虛擬仿真實驗教學進入以項目開發與建設為主的快速發展階段。

3.以應用與創新為主的融合發展階段

近年來，虛擬仿真實驗教學文獻出版量明顯增加，達到年均300篇左右，說明虛擬仿真實驗教學在國內各高校已經形成了良好的課程規模和較成熟的教學模式。圖4給出了2019—2020年虛擬仿真實驗教學文獻的關鍵詞共現時區圖譜。可以發現，忽略掉“虛擬仿真”“實驗教學”限定條件關鍵詞和“虛擬仿真實驗”“虛擬仿真技術”等2016—2018年已經出現的高頻次關鍵詞后，2019—2020年兩年來圍繞虛擬仿真實驗教學而開展的“教學改革”“實踐教學”“仿真實驗教學”等關鍵詞出現頻次開始明顯增加，對照這一時期的文獻文本分析，也可看到以“虛擬仿真實驗”為基礎開展的“翻轉課堂”“虛實結合課堂”等新型教學形式也開始不斷涌現[16-18]。

這說明經歷了前期以虛擬仿真實驗教學項目開發和建設為主的快速發展階段后，虛擬仿真實驗教學開始走向以應用與創新為主的融合發展階段。這是虛擬仿真實驗教學發展的必然要求，因為項目建設是基礎，教學應用是途徑，而融合發展支撐服務于創新人才培養才是目的。據此本文預見，虛擬仿真實驗教學以應用與創新為主的融合發展階段在接下來還將會持續一段較長的時間，直到完全有機融入人才培養體系和模式中。

三、研究熱點

上述基于文獻出版統計情況和時區知識圖譜的分析給出了我國虛擬仿真實驗教學的大致發展脈絡，而虛擬仿真實驗教學歷經建設和發展十年來，其總體研究熱點有哪些以及圍繞這些熱點國內學者展開了哪些研究，取得了什么成果，厘清這些問題對于深刻把握虛擬仿真實驗教學的發展脈絡和特征具有重要作用。對此，本文對2011—2020年所獲全部文獻進行基于CiteSpace軟件的可視化分析，為了提高結果的可讀性，CiteSpace軟件設定網絡裁剪功能區（Pruning）參數選擇最小生成數（Minimum Spanning Tree）和對合并后的網絡裁剪（Pruning the merged network）相結合，生成關鍵詞共現網絡知識圖譜，如圖5所示。

圖5顯示的是十年來文獻關鍵詞出現頻率閾值在15次以上的網絡結構，剔除文獻檢索時的“虛擬仿真”和“實驗教學”兩個限定條件關鍵詞以及與之相近的“虛擬仿真實驗”和“仿真實驗教學”關鍵詞，因為這顯然不是我們分析的焦點。進一步來分析，“實驗教學中心”“實驗教學平臺”與“虛擬仿真實驗教學中心”，以及“教學改革”與“實驗教學改革”，其表述內容基本相近，筆者在此做節點的合并處理，并進一步運算得到頻次排在前5位的關鍵詞為“虛擬仿真技術”“虛擬仿真實驗教學中心”“實驗教學改革”“實驗教學體系”和“教學模式”，如表1所示。在此，本文認為這五個高頻關鍵詞代表了2011—2020十年間我國虛擬仿真實驗教學研究的熱點，結合文獻的二次閱讀，對其逐一述評如下。

1.虛擬仿真技術

在對關鍵詞節點進行剔除和合并后，“虛擬仿真技術”獲得112頻次，居首位。這是因為虛擬仿真技術是開展虛擬仿真實驗教學的決定性支撐，沒有虛擬仿真技術的研究與發展，就沒有虛擬仿真實驗教學可談。2011—2020年十年間，虛擬仿真技術有了質的飛躍，在交互性、生動性、直觀性等方面取得了比較大的進步，先后出現了動畫仿真、可視交互仿真、多媒體仿真和虛擬環境仿真、虛擬現實仿真等一系列新的仿真思想和虛擬技術。虛擬仿真技術的快速發展給高等教育手段的改善和提升帶來了巨大空間，國家《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》明確要求，要深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用。故此，虛擬仿真技術近十年來特別是在2016年以來得到了教育界和產業界的廣泛研究和關注，如張劍葳等論述了虛擬仿真技術在文物建筑專業教學中的重要價值[19]，并指出“虛擬仿真技術在解決文物建筑專業教學的時空制約方面具有明顯優勢”;在分析虛擬現實技術發展對高校實驗教學改革的影響及應對策略時，高東鋒等強調高等院校應以實驗項目的使用為需求引導中國虛擬現實產業發展的方向[20]，推動和引領高等教育教學與現代信息技術的深度融合。放眼未來發展，虛擬仿真技術發展方興未艾，我們有理由相信未來有關虛擬仿真技術在實驗教學中的應用仍將成為高等教育研究的熱點。

2.虛擬仿真實驗教學中心

“虛擬仿真實驗教學中心”作為虛擬仿真實驗教學的基礎平臺位列關鍵詞頻次第二位，在2011—2020年間并不奇怪，與這期間的國家政策導向有顯著關系。2013年，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，隨后，全國各高校根據此要求，結合自身實際情況和不同專業特點，開展了積極和富有成效的虛擬仿真實驗教學中心建設。截至2016年，先后有2批200個實驗教學中心被認定為國家級虛擬仿真實驗教學中心。在國家級虛擬仿真實驗教學中心的創建過程中，各高校針對不同領域、不同層次乃至不同地域的特點，在虛擬仿真實驗教學中心的建設理念、建設思路、建設方案和平臺功能等方面都做了深刻的思考和探索，并就相關建設經驗進行了總結和分享[21-23]。所以，虛擬仿真實驗教學中心成為這一時期的研究熱點是當然之選，而隨著虛擬仿真實驗教學中心建設的逐步體系化和全面化，關于虛擬仿真實驗教學中心的研究應會有所回落。

3.實驗教學改革

“實驗教學改革”作為頻次第三位的關鍵詞，其首次出現年份大約在2015年，之后的5年間獲得了78次的詞頻數，充分顯現了其研究熱度。客觀上，隨著社會的發展、科技的進步以及高等教育的發展，教學改革或實驗教學改革是歷史必然。特別是進入21世紀以來，伴隨現代教育技術的迅速發展，高等教育面臨著理論到實踐的重大變革，一是互聯網和多媒體新技術在教育教學中的大量應用，極大地豐富和拓展了現代教育資源和學習環境;二是作為“數字原住民”的當代大學生，利用智能手機、筆記本電腦、平板電腦等各類電子設備通過網絡捕捉信息和學習知識已成為其生活和學習的日常[24]。如仍以傳統的資源和形式開展實驗教學，其教學效果和人才培養成效必將大打折扣。虛擬仿真實驗教學的引入是對傳統實驗教學不足的有效改善，同時克服了真實實驗項目條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等一系列問題，同時還可激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力[25-26]。在此背景下，基于虛擬仿真的實驗教學改革研究必將持續展開。

4.實驗教學體系和教學模式

“實驗教學體系”和“教學模式”的詞頻數分別為27和26，占據第四位和第五位。實驗教學體系和教學模式其實是實驗教學過程中關系緊密的兩個方面，或者在廣義上教學體系是可以涵蓋教學模式的，所以在此本文將兩者合并討論。隨著虛擬仿真實驗教學項目的建設和虛擬仿真實驗教學的開展，勢必會對原有的實驗教學體系和教學模式形成沖擊，針對這種情況，如何重構新時期的實驗教學體系、創新虛擬仿真實驗教學模式就成為該領域研究的重點。對此，不少學者已經進行了富有成效的探索，如構建“虛實結合”的教學體系、“線上線下”的混合式教學模式等[27-28]，為虛擬仿真實驗教學的成功開展積累了寶貴經驗。下一階段，虛擬仿真實驗教學的建設仍將大力推進和持續改善，而關于實驗教學體系和教學模式的研究也將更加集中和突出。

四、前沿趨勢

一個研究領域的研究前沿可以借助CiteSpace軟件的關鍵詞突現檢測來確定。突現關鍵詞是指在一段時間內該主題得到高度關注，代表了當時正在興起并具有很大發展潛力和價值的研究方向，故而其在一定程度上揭示了該研究領域的前沿趨勢。

圖6展示了2011年至2020年排在前6位的突現關鍵詞。可以發現，2011年至2016年間突現的關鍵詞有“示范中心”“雙語教學”和“劑量”，初步分析是由于2011至2016年間文獻出版量相對較少，而相關學者這一時期對于虛擬仿真實驗教學的研究還處于探索和嘗試階段所致;2014至2017年突現的關鍵詞“實驗教學中心”與教育部2013年啟動的國家級虛擬仿真實驗教學中心認定事件相吻合;2015年至2017年突現的關鍵詞“醫學”，對照這一時期的文獻文本分析，其與這三年中虛擬仿真實驗在醫學領域的大量應用關系密切;最后，“虛擬現實”是從2018年出現持續至今的突現關鍵詞，本文認為其代表著目前虛擬仿真實驗教學的前沿趨勢。

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是通過計算機技術讓用戶進入一個仿真的現實虛擬世界中獲得相應的體驗，與一般意義的虛擬仿真相比，虛擬現實技術可以使用戶的視覺、觸覺、聽覺等感受最大程度“真實化”，而且實驗人會在這種“真實化”的刺激下做出相應的反應[29]。

因此，虛擬現實技術應用到實驗教學，可以進一步提升學生實驗過程中的沉浸感和激發其構想性，這對于培養和提高學生的創新能力具有重要作用。結合所獲文獻的二次閱讀，可以進一步發現近兩年來國內關于虛擬現實實驗教學的研究呈現明顯增長趨勢，湯嘉立等對智慧虛擬現實實驗室的構建開展了研究[30]，發現虛擬現實技術可以極大地調動學生主動實踐的積極性，學習興趣和主觀能動性大幅提升;王萍、李敏、蔡軍等人分別探索了虛擬現實技術在靜脈注射、太陽電池制備和病理尸檢等實驗項目中的應用情況，指出沉浸式虛擬現實技術提高了學生對實驗操作內容的掌握程度，學生對虛擬體驗的滿意度較高，沉浸式虛擬現實技術在實驗教學領域有良好的應用前景[31-33]。由此可以預見，基于虛擬現實的實驗教學研究將成為未來虛擬仿真實驗教學研究的核心議題。

五、結論與展望

借助CiteSpace可視化文獻計量分析軟件對中國知網檢索的2011—2020年虛擬仿真實驗教學文獻進行知識圖譜分析，結合所獲文獻的出版量統計信息和二次閱讀，分析發現我國虛擬仿真實驗教學的發展可大致劃分為三個階段，即2011—2015年的探索與嘗試階段、2016—2018年的開發與建設階段以及2019—2020年的應用與創新階段;基于2011—2020年文獻關鍵詞共現知識圖譜，認為“虛擬仿真技術”“虛擬仿真實驗教學中心”“實驗教學改革”“實驗教學體系”和“教學模式”五個高頻關鍵詞代表了這十年間我國虛擬仿真實驗教學的研究熱點;以及通過關鍵詞突現檢測，探尋到“虛擬現實”是未來虛擬仿真實驗教學的發展前沿。

從近十年來我國虛擬仿真實驗教學的發展脈絡、研究熱點和前沿趨勢來看，我國虛擬仿真實驗教學正處在蓬勃發展之際。將來一段時期內仍需繼續建設虛擬仿真實驗教學一流課程，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的實驗教學課程體系，同時要在資源建設的同時，創新和完善虛擬仿真實驗教學模式，要在虛擬仿真實驗教學內容上體現時代前沿性、在在線教學形式上呈現互動先進性以及在學生學習效果上突出創新探究性，全面打造以教學資源建設為核心、教學模式創新和教學形式改革為支撐、教學效果提升為目標的高階性、創新性并具有一定挑戰度的“虛擬仿真實驗教學2.0”。

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