基于知識圖譜的虛擬仿真發展研究及趨勢分析

葉蔓

（池州學院文學與傳媒學院，安徽 池州 247000）

虛擬仿真（Virtual Reality）是伴隨現代網絡技術、圖形圖像、計算機視覺以及多媒體技術等的不斷進步而衍生的一種新的模擬技術，是利用軟件開發出一個虛擬的環境來模仿真實世界或者構想中的世界，并通過視覺、聽覺、觸覺與虛擬環境進行交互。在利用虛擬仿真技術開發的虛擬環境中，學習者通過真實的體驗感和沉浸感可以彌補現實世界中資源不足等一系列問題，取得理想的交互效果。

虛擬仿真技術正在越來越多的被應用于各行各業中，如醫學、軍事、航天、航海、化工、旅游、高校教學等。國家也出臺了一系列相應政策來推動虛擬仿真技術的發展。2018年教育部啟動國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作，并指出中央部委所屬高校要將“國家虛擬仿真實驗教學項目”納入“十三五”期間中央高校教育教學改革專項的重要內容，予以重點支持[1]。2019年10月，由工信部和江西省人民政府聯合主辦的以“VR讓世界更精彩——VR+5G開啟感知新時代”為主題的世界VR產業大會，標志著虛擬仿真技術在新時代的發展中正呈現蓬勃的生機[2]。

本研究以虛擬仿真技術為研究對象，利用知識圖譜分析軟件從發文作者、研究機構、關鍵詞、突顯詞等多角度分析虛擬仿真的研究現狀以及發展趨勢，為將來虛擬仿真技術的進一步研究提供數據來源和參考。

1 研究數據來源

以中國知網數據庫作為研究數據來源,從CNKI中選取篇名為“虛擬仿真”的期刊文獻共五千余篇,數據庫檢索截止時間為2021年9月。虛擬仿真的概念最早出現于1990年，但在長達十五年間并沒有被太多關注，自1990年以來的虛擬仿真技術研究發表年度趨勢如圖1。

圖1 虛擬仿真技術研究發表年度趨勢圖

從整體分析，自2016年以來，虛擬仿真的研究呈逐年上升趨勢，每年發文量突破500篇；2018年教育部啟動國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作，從2018年開始,關于虛擬仿真的研究論文數量開始迅速增長[3]；2019年10月，世界VR產業大會順利召開，虛擬仿真技術出現蓬勃發展的趨勢，近兩年虛擬仿真的研究論文數量每年突破1000篇。可見，虛擬仿真技術的研究背后離不開國家政策的推動與經濟發展的導向。

2 研究方法

本研究采用知識圖譜分析軟件對格式轉換后的文獻數據進行分析。知識圖譜是利用知識域為研究對象，顯示某一領域的發展進程與結構關系，既是可視化的知識圖形，也是序列化的知識譜系[4]。這幾年，“知識圖譜”概念被經常提及，用于數據可視化分析的軟件也層出不窮，如VoSviewer、Bibexel、Citespace等，每個軟件分析的側重點不同。

CiteSpace是一款基于JAVA語言開發的，用于挖掘潛在知識，實現數據和信息可視化的軟件。通過分析特定領域文獻，以探尋該學科領域演化的關鍵路徑及起到關鍵作用的知識轉折點，并通過可視化圖譜的繪制對該學科或領域的發展起到推動作用[5]。該軟件主要對研究主題、研究機構、研究趨勢等進行數據分析。主要功能有：作者合作網絡分析（尋找合作團隊）、研究機構合作網絡分析（尋找具有影響力的機構）、關鍵詞共現分析（尋找研究聚類）、突顯值分析（尋找研究熱點）等。

3 虛擬仿真知識圖譜分析

3.1 虛擬仿真研究作者分析

利用Citespace5.8.R1軟件從研究文獻中提取作者信息，設置 Time Slicing 為”from 2011 to 2021”，Year per slice 為1，在Node Types功能中選擇”Author”。節點閾值設置”Top 5 levels of most cited or occurred items from each slice”，其他值設為默認，得到如圖所示的作者共現合作圖譜。從圖2中可以看出，從2011年-2021年共有196位作者研究虛擬仿真，研究團隊雖然較多，但規模不大，且發文量不多；發文量較多的作者處于相對獨立的狀態，研究方向多是虛擬仿真實驗平臺的構建、三維模型的建立、虛擬場景的搭建等，李玲和劉平安組成的研究團隊比較關注虛擬仿真技術在醫學實驗教學方面的研究；王淵和賈永興研究團隊比較關注虛擬仿真技術在信號與系統方面的應用；劉亞豐、余龍江組成的團隊側重于虛擬仿真實驗中心建設、規劃以及實驗教學的體系構建和模式探索。由此可見，虛擬仿真研究團隊合作不深入，研究主力分散，缺乏合作研究成果。

圖2 虛擬仿真作者共現合作圖譜

3.2 虛擬仿真研究機構合作譜圖分析

通過研究機構合作圖譜分析可以體現出虛擬仿真研究領域的核心機構以及機構間的合作聯系程度，在Node Types功能中選擇”Institution”，選擇每個時間片段中出現頻次最高的10個節點數據，生成研究機構合作圖譜，得到機構292個，機構間連線13條，網絡密度0.0008，屬于較低值。

圖3 虛擬仿真研究機構合作圖譜

抽取2016-2019虛擬技術研究上升期有突出貢獻的真研究機構所發表的文獻進行閱讀分析，桂林理工大學藝術學院在資源環境工程、微生物實驗研究上比較突出，通過虛擬仿真技術創造安全的實驗環境，降低實驗過程中毒、爆、火等風險，大大降低實驗器材和藥品的損耗。比如微生物數字切片系統、大型真菌虛擬3D模擬識別系統、細菌分子生物學分類鑒定仿真系統、根瘤菌發酵工藝仿真實驗、真菌栽培工藝仿真實驗、污水微生物處理工藝仿真實驗等[6]。

青島科技大學化工學院利用虛擬仿真技術搭建大型儀器三維操作平臺，高度仿真的工業級化工裝置操作場景可以很好與企業實習相融合。2015年，青島科技大學化工過程與裝備虛擬仿真實驗教學中心獲批為國家級虛擬仿真實驗教學中心(教高廳函[2015]3號)。2019年，青島科技大學化學工程與工藝專業獲批為國家一流本科專業。同年開發的“催化裂化吸收單元3D虛擬仿真綜合實驗”項目獲批國家虛擬仿真實驗教學項目。該校通過校企合作擴充虛實結合的化工實習案例庫，實現新工科背景下高素質人才的培養[7]。

對虛擬仿真研究有重要貢獻的研究機構是華中科技大學，華中科技大學關于虛擬仿真研究的發文量如下圖4。該機構在機械設計、物流大數據等虛擬仿真實驗平臺的建立以及虛擬仿真實驗教學體系的構建等方面做出突出貢獻。尤其是華中科技大學的生命科學與技術學院多次提出了在教育信息化背景下如何通過虛擬仿真實驗這種新的教學模式來推動教學改革并促進教學質量的提高[8]。通過“互聯網+”將虛擬仿真實驗教學項目設計并應用到教學中，可以有效地解決目前高校實驗資源短缺、器材陳舊、場景單一等問題，培養學生的實踐操作技能，學習者可以隨時隨地在虛擬實驗中通過模擬來提高專業技能，從而激發創造性。

圖3 華中科技大學關于虛擬仿真研究的發文量圖

結合研究作者和機構合作圖譜對網絡密度、發文量等研究數據分析，華中科技大學發文量居第一位，以劉亞豐和余龍江組成的團隊研究成果頗多，但其他研究力量分散，未形成有影響力的研究團隊和跨機構間的合作。

3.3 虛擬仿真研究主題譜圖分析

3.3.1 關鍵詞聚類可視化分析 利用citespace軟件生成關鍵詞聚類圖譜，對虛擬仿真關鍵詞進行聚類分析，設置Time Slicing為”from 2011 to 2021”，Year per slice 為1，在Node Types功能中選擇”Keyword”。節點閾值設置為”Top 50 per slice”，其他值設為默認，經自動聚類分析以及可視化呈現，得出如圖5所示的關鍵詞共現圖譜。從圖譜可以看出，Citespace聚類分析生成#0-#5共6個研究聚類，分別是虛擬仿真、虛擬仿真實驗、虛擬仿真技術，仿真實驗教學、仿真技術、unity3D。通過圖譜分析以及參考相關文獻可以了解虛擬仿真技術的發展歷程。

圖4 虛擬仿真關鍵詞聚類圖譜

虛擬仿真是沉浸性、交互性和想象性高度融合的技術。2011-2013年，基于VR技術的虛擬眼鏡由谷歌公司上市，同時Oculus公司推出虛擬現實頭戴設備，這兩種主流VR設備的迅速發展，使得虛擬體驗逐漸由半沉浸式過度到沉浸式。但設備成本高昂，交互性仍然低；虛擬仿真場景大多基于真實世界，旨在解決真實問題，很少涉及現實生活中沒有或無法親臨的場景，想象性沒有得到體現。

自2014年起，虛擬仿真實驗團隊及實驗室逐漸興起，尤其在互聯網巨頭臉書公司收購Oculus公司，這預示互聯網開始涉足虛擬現實領域。虛擬仿真實驗室是借助虛擬現實技術、多媒體和網絡來搭建實驗場景，廣泛應用于各大領域。尤其是在教育領域，虛擬仿真實驗用來輔助實驗教學，可部分甚至是全部替代實驗教學環節。虛擬現實技術還與線上教學相結合，這種新的混合式教學模式可以解決傳統實驗教學中實驗器材緊缺、實驗結果不可逆、實驗成本高昂、實驗資源浪費等一系列問題。

unity3D軟件是一款游戲引擎，虛擬仿真是用于制作三維動畫設計，在Unity3d中除了自帶的模型設計功能，還可以直接導入3DMAX建好的模型，通過關鍵幀數動畫來進行場景模擬以及路徑和動作設置，導入聲音影像等資源，從而真實地模擬出虛擬場景，讓用戶有沉浸式的體驗，unity3D軟件強大的引擎功能可以跨平臺操作，手機和電腦等多操作系統都可以使用，還可以安裝插件，從而簡化設計過程，并帶來很好的交互功能。

2020年以來,在5G商用化進程加速和新冠肺炎疫情背景下“非接觸式”經濟的新需求為虛擬仿真產業發展帶來了新的機遇。虛擬仿真、增強現實技術在支撐服務疫情防控、加快企業復工復產、強化服務保障、提高抗疫效率中發揮了積極作用[9]。

3.3.2 關鍵詞聚類提取 高頻關鍵詞能反映研究領域的研究主題，本文利用Citespace軟件對被研究文獻提取關鍵詞，獲得關鍵詞255個，其中出現頻次前10位的高頻關鍵詞如下表1所示。

表1 虛擬仿真高頻關鍵詞統計表

去除檢索時的關鍵詞虛擬仿真和意思相近的虛擬現實、虛擬仿真技術，實驗教學和實踐教學做關鍵詞合并，得到實驗教學、虛擬仿真實驗、教學改革、教學模式、新工科這5個高頻關鍵詞，認真閱讀相關文獻，將我國近十年來虛擬仿真實驗教學研究梳理如下：

實驗教學旨在培養學生分析和解決問題的能力，提高實踐操作。傳統的實驗教學因受實驗場地、器材等多因素限制，多采用分組教學的方式，實驗形式單一，規模偏小，缺乏互動，學習的主動性得不到提高，創新性得不到有效培養[10]。

隨著現代社會的高速發展，新技術不斷涌現，虛擬仿真實驗是結合虛擬現實、現代網絡技術和計算機多媒體等技術而衍生的一種實驗模式，是利用軟件開發出一個虛擬的實驗環境，讓學習者通過平臺模擬來完成實驗項目，從而實現預期的實驗效果。在利用虛擬實驗技術開發的虛擬實驗環境中，學習者有真實的體驗感和沉浸感，可以彌補現實中實驗教學資源不足等一系列問題，取得理想的實驗效果。

傳統實驗教學模式已不能滿足應用型高校對人才的培養，成本高昂、場地單一、設備陳舊、材料老化、人員配備不足等問題逐漸暴露。為彌補傳統實驗教學的不足，高校紛紛提出教學改革。將虛擬仿真實驗應用到教學中，能有效解決目前實驗資源短缺、器材陳舊、場景單一等問題，能有效培養學習者的實踐操作技能，學習者可以隨時隨地在虛擬實驗中通過模擬來提高專業技能，從而激發創造性。目前，虛擬仿真實驗中的各類建模、交互技術均已實現，虛擬仿真實驗教學平臺在高校中得到快速推廣，這種新的教學模式可以將傳統實驗過程通過三維的形式完美展示，實驗場景逼真，既培養了學生的實踐能力，又比傳統實驗更能加深學生對教學內容的掌握。

2017年，教育部積極推進新工科建設，高校掀起一股新工科熱潮，紛紛改革教學模式，培養具有較強實踐能力的應用型人才是高校教學改革的目標。加強教學互動，落實以生為本，提高學生的課堂參與度。在傳統實驗中引入虛擬仿真技術這種新的教學改革模式，能有效提高學生的學習興趣，引導學生主動學習、提前預習，并通過虛擬仿真實驗平臺加強理解，分析問題和解決問題的能力得到鍛煉。

3.3.3 關鍵詞共現圖譜突顯詞提取 從關鍵詞中提取突顯詞，通過突顯詞研究來分析虛擬仿真研究的前言和發展趨勢，得到突顯詞圖譜（圖5）如下，可以直觀的看到突顯詞持續年份。自2016年以來，虛擬仿真實驗室開始出現，在國家政策的引領下，教育資源實現開放共享，虛擬仿真實驗教學平臺在高校間如雨后春筍般涌現，近年來，新工科背景下的混合式教學會是虛擬仿真研究領域的熱點。

圖5 虛擬仿真突顯詞提取

4 結語

本文對2011-2021年以來的虛擬仿真相關文獻利用Citespace知識圖譜軟件進行研究。從發文量看，虛擬仿真技術近兩年處于上升趨勢，并隨著國家政策的推動和經濟發展的導向繼續蓬勃發展；從研究作者和機構看，研究主體和核心力量較分散，雖然已形成有影響力的研究機構，但核心團體較少，研究主體和跨機構間的合作程度有待提高。研究熱點方面，新工科環境下的虛擬仿真實驗教學研究頗多，目前混合式教學已經普及，高校應更加關注應用型人才的培養，結合全媒體時代的特性，對虛擬仿真實驗平臺在教學模式上加以改革，這些研究結論為虛擬仿真后續發展提供數據支撐和參考。