近十年國(guó)內(nèi)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中應(yīng)用的可視化分析

劉華　黃秋玉　孫喜妹

摘? 要? 隨著信息化教學(xué)改革的加速推進(jìn)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)參與課堂教學(xué)將成為中國(guó)高等教育教學(xué)未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。利用CiteSpace軟件對(duì)我國(guó)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展情況進(jìn)行研究，尋找研究重點(diǎn)及熱點(diǎn)，剖析演化趨勢(shì)，推進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用，為我國(guó)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞? 虛擬仿真技術(shù)；CiteSpace；課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）03-0004-05

0? 引言

隨著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式逐漸趨向數(shù)字化、信息化、智能化，但學(xué)習(xí)的效率與效果卻未顯著提高，學(xué)習(xí)多處于表面化階段。因此，借助信息技術(shù)大力推進(jìn)高校信息化教學(xué)改革必然成為中國(guó)高等教育未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

虛擬仿真技術(shù)是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級(jí)的仿真技術(shù)，其特點(diǎn)為沉浸性、虛擬性、真實(shí)性以及交互性等。將其引入教學(xué)可提升學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力，學(xué)生可充分利用身體各種感官體驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，比如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等多種感官體驗(yàn)，這可幫助學(xué)生深入地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容[1]。我國(guó)對(duì)虛擬仿真技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代初，2013年，教育部啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)[2]。

高等院校的目標(biāo)是培養(yǎng)具有家國(guó)情懷，追求卓越，引領(lǐng)未來(lái)的高質(zhì)量人才，需要理論和實(shí)踐相結(jié)合。但是在教學(xué)過(guò)程中，由于教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器更新較慢及數(shù)量不足直接影響了教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)效率的提升，所以學(xué)校應(yīng)積極在教學(xué)方法及模式等方面探索與創(chuàng)新，以便使培養(yǎng)的學(xué)生適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求。

虛擬仿真技術(shù)與課程教學(xué)有機(jī)結(jié)合，不但能為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供便利，而且能有效幫助學(xué)生對(duì)理論知識(shí)消化吸收，同時(shí)也使學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到充分調(diào)動(dòng)，進(jìn)而提升其主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。

CiteSpace是一種應(yīng)用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的信息可視化軟件系統(tǒng)，主要基于共引分析理論和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法等對(duì)特定領(lǐng)域文獻(xiàn)（集合）進(jìn)行計(jì)量，以探尋出學(xué)科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及知識(shí)拐點(diǎn)，并通過(guò)繪制可視化圖譜來(lái)分析學(xué)科演化潛在動(dòng)力機(jī)制、探測(cè)學(xué)科發(fā)展前沿[3]。

本文運(yùn)用CiteSpace軟件對(duì)我國(guó)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探尋研究熱點(diǎn)，分析演化趨勢(shì)，以期為我國(guó)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考與借鑒。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

檢索2012年1月1日—2022年10月31日CNKI有關(guān)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)。檢索式：（虛擬仿真技術(shù)OR VR OR 虛擬現(xiàn)實(shí)）AND課程教學(xué)。

熟練掌握信息檢索策略的兩名工作人員分別審讀檢索獲得的文獻(xiàn)題目、摘要和全文，并納入與主題相關(guān)的文獻(xiàn)，同時(shí)手工篩選排除學(xué)位論文、學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告、重復(fù)發(fā)表的文章和沒(méi)有獲得權(quán)限的文章等。

1.2? 文獻(xiàn)計(jì)量和可視化分析方法

利用CiteSpace 5.8.R3軟件，對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索篩選出的文獻(xiàn)進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量及可視化分析。

1）利用CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)，將檢索篩選出來(lái)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)生成Refworks格式的文件，然后轉(zhuǎn)換成WOS數(shù)據(jù)格式，并按照CiteSpace要求保存為downloa-d_XXX.txt格式。

2）把保存為download_XXX.txt格式的中文文獻(xiàn)導(dǎo)入CiteSpace軟件中進(jìn)行發(fā)文量和關(guān)鍵詞的可視化分析。

3）設(shè)置信息挖掘的限制條件，即時(shí)間跨度設(shè)置為2012年1月—2022年12月，時(shí)間分割區(qū)設(shè)置為1年，演算時(shí)閾值（Top N% per slice）選擇50，剪切方式（Pruning）采用Pathfinder法，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型選取關(guān)鍵詞做共現(xiàn)及聚類(lèi)分析，繪制可視化圖譜以可視化形式呈現(xiàn)相應(yīng)科學(xué)知識(shí)圖譜，并分析虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)等。

2? 結(jié)果

2.1? 發(fā)文量

在2012—2022年（截止日期為2022年10月31日），CNKI共納入759篇。發(fā)表論文年度趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，最近10年國(guó)內(nèi)關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在相關(guān)課程教學(xué)中應(yīng)用方面的發(fā)文量總體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)；隨著2014年教育部啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，2014年以后虛擬仿真相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，且在2016年后增速明顯；2017—2019年間發(fā)文量上升較慢但保持穩(wěn)定狀態(tài)；2019年之后上升明顯，這種上升很大一部分原因來(lái)自國(guó)家和教育部對(duì)虛擬仿真項(xiàng)目的重視和關(guān)注。

2.2? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

根據(jù)多諾霍提出的區(qū)分高頻詞和低頻詞的公式，將利用CiteSpace分析所得到的關(guān)鍵詞數(shù)679代入公式運(yùn)算，可得出閾值為36，在679個(gè)關(guān)鍵詞中頻次超過(guò)36的關(guān)鍵詞共有7個(gè)[4]。根據(jù)中心度指標(biāo)數(shù)分析，當(dāng)中心度值≥0.1時(shí)，說(shuō)明這個(gè)詞具有很強(qiáng)的影響力；另外，這個(gè)數(shù)值越高，表示該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的作用及重要性越高，相關(guān)研究也就越豐富[5]，見(jiàn)圖2。

圖2中，每個(gè)圓圈代表一個(gè)關(guān)鍵詞，圓圈越大，就意味著被引用的頻率越高，所受到的關(guān)注也越來(lái)越多，而節(jié)點(diǎn)間的共被引頻率和研究關(guān)系的遠(yuǎn)近則用圓圈之間的連線及距離遠(yuǎn)近表示，被引頻率和中心度較高的圓圈是2012年以來(lái)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中應(yīng)用的研究熱點(diǎn)[5]。取頻次＞36的關(guān)鍵詞作為高頻關(guān)鍵詞，且這些關(guān)鍵詞的中心度均≥0.1，都與虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的研究具有高相關(guān)性，國(guó)內(nèi)學(xué)者近10年的關(guān)注點(diǎn)集中在虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真、VR技術(shù)等在課程教學(xué)中的應(yīng)用，以及在教學(xué)模式中的探索，其中在教學(xué)領(lǐng)域的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用主要側(cè)重于實(shí)踐性教學(xué)課程，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)了教學(xué)課程實(shí)踐與信息技術(shù)的融合，成為當(dāng)今中國(guó)高校實(shí)踐性教學(xué)課程最重要的教學(xué)手段之一[6-8]，見(jiàn)表1。

2.3? 關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析

得到共現(xiàn)圖譜后，根據(jù)關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系及強(qiáng)度，再基于聚類(lèi)算法計(jì)算出聚類(lèi)結(jié)果，最后按關(guān)鍵詞提取聚類(lèi)標(biāo)簽，共得到7個(gè)聚類(lèi)標(biāo)簽，使用對(duì)數(shù)似然率算法對(duì)聚類(lèi)關(guān)鍵詞進(jìn)行提取，見(jiàn)表2。關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析可以理解為對(duì)所有關(guān)鍵詞進(jìn)行一定的主題分組，能夠更進(jìn)一步地了解關(guān)鍵詞的內(nèi)在邏輯關(guān)系。一般認(rèn)為，聚類(lèi)效率＞0.5則是合理的聚類(lèi)，而＞0.7聚類(lèi)是高效的[5]。從表2得出，各聚類(lèi)均＞0.7。

總體來(lái)看，7個(gè)類(lèi)團(tuán)之間具有很好的一致性。再根據(jù)發(fā)表論文關(guān)鍵詞發(fā)展路徑和發(fā)文時(shí)間分析，得出關(guān)鍵詞聚類(lèi)時(shí)線圖，見(jiàn)圖3。聚類(lèi)中的關(guān)鍵詞與時(shí)間之間的聯(lián)系可以通過(guò)該關(guān)鍵詞聚類(lèi)時(shí)線圖看出，同一聚類(lèi)中的關(guān)鍵詞位于同一坐標(biāo)上，存在連線便表示關(guān)鍵詞之間出現(xiàn)了共現(xiàn)情況。從總體上看，虛擬仿真技術(shù)在我國(guó)當(dāng)前的課程教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)逐步發(fā)展演變的過(guò)程。

目前，國(guó)內(nèi)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的相關(guān)研究主要集中在該技術(shù)在課程教學(xué)以及教學(xué)模式上的研究。許多研究者從課堂教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，研究關(guān)于某一類(lèi)課程教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)模式。比如馬利華[9]針對(duì)實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程內(nèi)容的教學(xué)模式進(jìn)行了研究，其特征是在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程具有可逆性和學(xué)生自主學(xué)習(xí)；李振華[10]則探討研究了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的技能訓(xùn)練教學(xué)模式，該模式注重基于學(xué)科原理的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和真實(shí)的技能應(yīng)用環(huán)境中體驗(yàn)技能，重點(diǎn)是評(píng)估培訓(xùn)效果。

3? 討論

3.1? 發(fā)文量分析

從目前發(fā)表的關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的文獻(xiàn)來(lái)看，該技術(shù)整體上呈現(xiàn)上升發(fā)展趨勢(shì)。這種技術(shù)剛出現(xiàn)時(shí)，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)和了解還不足，同時(shí)研究及應(yīng)用相對(duì)較少，發(fā)展速度也相對(duì)較緩慢，自2016年開(kāi)始，該領(lǐng)域的研究論文數(shù)量迅速增加，說(shuō)明信息技術(shù)的快速發(fā)展，是教育網(wǎng)絡(luò)化、信息化發(fā)展成為大趨勢(shì)的重要因素之一，而虛擬仿真技術(shù)也隨著這波大趨勢(shì)逐漸進(jìn)入更多人的視野中，并得到重視和研究。虛擬仿真技術(shù)的不斷完善，再加上我國(guó)學(xué)者在涉及該項(xiàng)技術(shù)以及衍生技術(shù)的研究力度不斷加大，使得該方向的研究在教育領(lǐng)域更加多元化，如進(jìn)入了醫(yī)學(xué)教育、機(jī)械教育等教育領(lǐng)域。此外，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》將虛擬仿真技術(shù)列入三大信息技術(shù)，并提出在醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)、藝術(shù)與教育、軍事和工業(yè)制造管理等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域重點(diǎn)研究虛擬仿真技術(shù)和系統(tǒng)[11]，在我國(guó)教育的發(fā)展中虛擬仿真技術(shù)扮演著重要的角色，因此，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景是良好的。

3.2? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)、聚類(lèi)分析

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域中的研究主要體現(xiàn)在以下方面。

1）虛擬仿真技術(shù)的相關(guān)系統(tǒng)軟件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)和運(yùn)用研究。虛擬仿真技術(shù)為教育領(lǐng)域的發(fā)展提供了巨大的支持和幫助，包括虛擬仿真技術(shù)的相關(guān)課程教學(xué)設(shè)備、平臺(tái)、環(huán)境以及相關(guān)配套技術(shù)，同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供了可視化模型，都是該技術(shù)在課程教學(xué)領(lǐng)域中的重要體現(xiàn)。比如VR、虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[12]、人機(jī)交互[13]等，這些環(huán)境、輔助工具讓學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解得更深刻。

2）將虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用重點(diǎn)放在移動(dòng)教學(xué)[14]等方面，主要包含教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。這些新興技術(shù)的出現(xiàn)為教學(xué)發(fā)展帶來(lái)了新的方法和方式，打破了以往的教學(xué)模式以及固化的教學(xué)思維。

3）虛擬仿真技術(shù)使學(xué)習(xí)者有了更豐富的學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)模式來(lái)選擇。通過(guò)搭建沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，給學(xué)習(xí)者帶來(lái)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)上的交互與學(xué)習(xí)體驗(yàn)[1]。此外，根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的特性，能夠有效解決更多的教學(xué)問(wèn)題，例如提供更多的教學(xué)資源，有效合理地利用現(xiàn)實(shí)教學(xué)場(chǎng)地并提供新的虛擬教學(xué)場(chǎng)地，提供危險(xiǎn)性實(shí)訓(xùn)操作的虛擬仿真平臺(tái)，減少由于教學(xué)過(guò)程不可逆而導(dǎo)致的教學(xué)資源浪費(fèi)，提供更多的教學(xué)儀器設(shè)備以供選擇等。

但是，目前虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用也面臨著相應(yīng)的困難及挑戰(zhàn)。

首先，虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用和對(duì)課堂教學(xué)方法的探索還不夠深入，在現(xiàn)階段主要在理論層面，并且由于VR課程的制作與設(shè)計(jì)一直面臨著一些問(wèn)題，比如技術(shù)與課程之間融合不足等使得教學(xué)課程的設(shè)置和教學(xué)方法模式過(guò)于簡(jiǎn)單，教學(xué)課程與教學(xué)內(nèi)容之間的匹配度并不高。這些也是現(xiàn)階段虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中所存在的主要問(wèn)題，想要實(shí)現(xiàn)更有效的學(xué)習(xí)效果，就必須選擇更完善的教學(xué)模式及教學(xué)方法。

其次，由于滿(mǎn)足虛擬仿真技術(shù)所需的硬件配置要求過(guò)高，完整且成熟的軟硬件產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，所以需要通過(guò)提高硬件配置的方式來(lái)創(chuàng)造良好的沉浸式體驗(yàn)。

最后，如果長(zhǎng)時(shí)間依賴(lài)該技術(shù)進(jìn)行課程教學(xué)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握水平與成效很難衡量，因?yàn)樘摂M環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間還存在著很明顯的差距，所以要構(gòu)建更合理、更完善的互聯(lián)網(wǎng)教育資源共享體系，防止重復(fù)建設(shè)，以及資源浪費(fèi)，在全方位使用虛擬仿真技術(shù)教學(xué)資源的同時(shí)還應(yīng)該認(rèn)真規(guī)范管理這些教學(xué)資源，并建立與之相對(duì)應(yīng)的合理考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，才能更好地促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用。

4? 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)輔助課程教學(xué)有著突出的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動(dòng)性，尤其可以克服教學(xué)資源短缺、課堂教學(xué)場(chǎng)地不足、課堂教學(xué)過(guò)程不可逆等困難與問(wèn)題，但虛擬仿真技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合仍處在起步階段，相關(guān)核心技術(shù)有待深入研發(fā)和提升，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用也亟待完善。相信其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用在未來(lái)必定不止于此，發(fā)展前景極為廣闊。在信息時(shí)代，虛擬仿真技術(shù)成為一種新興的技術(shù)手段，未來(lái)一定會(huì)成為全新的教育教學(xué)手段并且被廣泛應(yīng)用，其將和傳統(tǒng)的教學(xué)模式相結(jié)合，創(chuàng)造和豐富教學(xué)課程與內(nèi)容，為學(xué)習(xí)者提供更加先進(jìn)的智能學(xué)習(xí)環(huán)境，優(yōu)化并創(chuàng)造更多元化的教學(xué)方式，有效提升教學(xué)以及學(xué)習(xí)效果。

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