国内虚拟现实技术在教育中的研究热点及趋势

2017-02-28孙校凤周艳明姚凌江唐雨佳

中小学信息技术教育 2017年2期

孙校凤+周艳明+姚凌江+唐雨佳

【摘要】2016年被称作“虚拟现实元年”，各个领域投身于其中的研究者呈井喷式增长，为此笔者运用SATI软件对2000-2016年9月CNKI上439篇文献进行了定性和定量的分析，以期梳理出国内虚拟现实技术在教育中的研究现状、热点及趋势。通过高频关键词共词和聚类分析，得出目前国内研究者主要关注的五个方面问题：虚拟现实技术在教学领域的关键技术研究、在实验教学和职业教育的应用研究以及与远程教育、教学效果的相关研究。

【关键词】虚拟现实技术；共词分析；教育；SATI

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）02-0032-05

前言

随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术（以下简称“VR技术”）已经进入了军事、医学、娱乐、教育等多个方面，并且在这些领域发挥着极其重要的作用。VR技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。其不仅涉及计算机技术，还与多种学科密切相关，比如通信、数学、力学、光学、热学、声学、生理学、美学、心理学等，是一门多种学科交叉、多种技术集合的前沿研究领域。[1]

近年来，我国学者也开始对VR技术展开积极的研究，各种研究成果出现了井喷式增长。为此，笔者对VR技术在教育中的研究成果进行了梳理，以分析出VR技术在教育中的研究现状及趋势。本文借助SATI文献题录信息统计分析工具，用科学计量的研究方法对2000-2016年9月在中国知网上发表的关于VR技术和教育相关的重要文献进行了定量和定性的分析，以可视化的形式呈现国内VR技术在教育中的研究现状，从而在此基础上探讨其发展趋势及研究的不足之处。

研究方法与资料筛选

本文主要采用文献信息統计分析的技术方法进行综述。国内外关于文献数据统计与分析的辅助工具已有很多，比如国外的Bibexcel、Ucinet、Citespace等，这些软件都主要针对Web of Science（WoS）等国外数据库平台开发，需要专门的数据输入格式，对国内期刊全文数据库题录数据不能直接处理。考虑到这个原因，笔者选择了由国内刘启元开发的SATI软件对文献题录信息进行处理，利用一般计量分析、共词分析、聚类分析等数据分析方法，挖掘和呈现出文献信息的可视化数据结果。[2]

为确保文献的代表性和学术性，笔者将CNKI数据库来源定位在CSSCI及核心期刊两个子库，以“虚拟现实技术”或“增强现实技术”并含“教育”或“教学”为主题词，时间跨度为2000-2016年9月进行检索，通过逐篇浏览剔除会议报道、征文公告等，最终筛选出439篇文献作为样本。

文献特征分析

1. 文献的时间特征

某学科领域论文的时间分布在一定程度上可以反映出该领域学术研究的进展速度和理论水平。[3]从时间分布上看，2010年是VR技术在我国教育领域研究的重要时间结点，这一年研究成果达到一个峰值，共有45篇文献。CNKI中第一篇关于VR技术在教育中的研究论文是1994年李蕾编译的《影响美国未来的发展趋势》，主要介绍了美国未来学家马文·卡特伦发表的一份有关美国未来发展趋势的长篇报告，报告中关于未来教育的发展趋势提到了VR技术。[4]随后2006年开始我国学者对VR技术在教育中的研究有所增加，但是纵观2000-2016年9月论文数目分布情况，发现国内发表的研究成果时间分布发散。由此可见，相关研究进展较慢、研究水平较低，处于研究的起步阶段。

2. 文献载体和主体特征

某研究领域论文发表的主要刊物和研究队伍状况同样可以在一定程度上反映出该领域学术研究的进展水平。通过SATI将样本的“文献来源”字段进行抽取并频次统计，得出刊发相关研究文献数量最多的主要有《实验技术与管理》（36篇）《中国电化教育》（32篇）《现代教育技术》（30篇）《实验室研究与探索》（25篇）《电化教育研究》（18篇）《系统仿真学报》（14篇）《中国远程教育》（10篇）等，其他较多期刊发表数目都在1～4篇之间。有关VR技术在教育中的研究文献分布不集中，体现出了此研究成果还不成熟。

将样本的“机构”字段抽取并统计频次，相关研究团队及学术机构主要集中在国内较高水平的师范类及综合类大学，且主要分布在教育技术和计算机相关院系。其中，华东师范大学发表了4篇相关研究论文，其他研究主体都为1～2篇，且大部分研究主体之间的位置分散，表明这些研究机构之间的合作不显著，没有形成具有竞争力的核心研究团队。

高频关键词共词分析

1. 高频关键词确定及共词矩阵构建

共词分析一般只需要文献中的高频关键词即可。经过Excel统计处理得到1117个关键词，共1907频次。参照Donohue于1975年提出的低频与高频词分界临界值计算公式[5]，将本研究高低频关键词阈值定为7次，共筛选了29个高频关键词（见表1），约占总频次的30%。

在高频关键词的基础上，构建共词矩阵是进行科学计量分析的关键环节。笔者运用SATI软件生成了一个行列数为29的高频关键词相异矩阵（见表2）。

2. 主题聚类分析

为进一步探索高频关键词之间的关系，笔者将相异矩阵导入到SPSS中对关键词进行Ward法系统聚类分析，本研究的聚类图如图1所示。

根据聚类分析图，可以将VR技术在教育中的研究热点分为五个类团。

（1）VR技术在教学领域的关键技术研究

此类文献重点阐述了VR技术在教学中应用的关键技术和实现途径。文献中大多会涉及3D MAX、VRML、Virtools、三维建模、数据手套等技术。例如：徐超等在《虚拟实验教学可视化设计关键技术研究》一文中着重对虚拟实验教学可视化设计的场景优化和X3D动态交互过程两个关键技术进行分析，并给出一个典型的应用案例。[6]吕蕾等人提出了一种基于数据手套的静态手势识别方法，从而提高了手势识别的正确率和效率，保证了用户和虚拟环境交互的实时性。[7]

（2）VR技术在实验教学中的应用研究

相关文献主要集中在2009-2015年，具体分析了传统实验教学的局限性及虚拟实验的优势和所面临的挑战。大部分学者认为将VR技术应用到实验教学中是一个有益的尝试，可以在一定程度上弥补传统实验教学的不足。其中，黄荣怀从虚拟实验用户可信度水平的视角，提出了包含模拟性实验、探究性实验以及实证性实验三个层次的虚拟实验PDR 层次模型，并用实例阐释了三个层次的实验类型。[8]燕浩鹏在《虚拟现实技术在旅游实验教学体系中的应用》一文中介绍了VR技术在旅游实验教学中能够构建虚拟知识学习系统、虚拟实验教学系统和虚拟训练教学系统，具有完善教学模式、丰富教学手段、突破风险成本时间限制、实现教考结合等优点。[9]由此可见，VR技术已经成为实验教学的一个重要研究领域。

（3）VR技术在职业教育中的应用研究

这方面的研究从时间上来看跨度比较大，2001-2016年都有研究者关注。文献研究了VR技术在职业教育中的应用类型、方式、特点、优势及应用过程中存在的问题，并且提出了构建虚拟平台、虚拟学习社区等策略，以期促进职业教育的教学改革。其中，许爱军等认为VR技术在职业教育中应用的问题主要有：技术有限与现实有差距；学生自主性过强，教师难以监控；师生情感交流缺失；降低技能训练效果等。[10]黄新平等应用VR技术创建的虚拟实验教学平台为学习者提供一个逼真、形象和可重复操作的虚拟环境，在低投入、无风险的情况下实现了较好的医学职业技能教学效果，为医学职业教育的实验教学提供了一个新的教学模式。[11]

（4）VR技术与教学效果的研究

如何提高教学效果一直是教育領域的重要议题。由于VR技术及网络技术的发展，应用这些技术实现教育信息化、提高教学质量成为该领域的一个研究热点。童宇阳列举了3D打印技术在中小学学科教学中的应用案例，并且指出3D打印技术目前面临的局限性。[12]张力研究了应用VR技术提高网络教学质量，通过阐述相关理论、主流技术、针对性实验对比研究和实际教学应用分析，论证了VR技术与网络教学相互促进的发展趋势。[13]

（5）VR技术与远程教育的研究

VR技术与远程教育的结合标志着教育信息化进入了一个新纪元。顾至欣研究了虚拟现实环境中远程学习行为的影响因素。其通过实证研究发现，虚拟现实学习系统的有用性、易用性和愉悦性感知均影响远程学习者的使用意愿和学习行为，最终提出了促进虚拟现实环境中的远程学习的建议，对于进一步将VR技术运用到远程教育中去具有比较大的建设性。[14]刘琳等在《基于情感计算和Web3D技术的现代远程教学模型》一文中提出了一个基于情感计算和Web 3D技术的现代远程教学系统模型，旨在解决现代远程教学系统中情感交流和人机交互匮乏的问题。[15]随着网络技术与计算机技术的不断发展，利用VR技术去解决远程教育中的一些问题将是该领域的一个研究方向。

结论与思考

本研究依据高频关键词共词分析理论，运用聚类分析的方法，对近16年间国内关于VR技术在教育中的研究热点和趋势进行了可视化分析，结果发现相关研究仍处于初级阶段，大部分研究纵深度和系统性不够。但可以看出国内学者已经开始逐步关注将VR技术引入到教学中来。目前，国内研究者主要关注五个方面的问题：VR技术在教学领域的关键技术研究、在实验教学和职业教育的应用研究以及与远程教育、教学效果的相关研究。随着VR技术的不断发展，笔者认为，将这一新型技术应用到教育领域中去的本质，不在于如何增加一种新的媒体技术，而在于结合这一新型技术创造更好的教学方式，这将是VR技术应用到教育中的难点和重点。相信随着研究的不断深入，VR技术在教育领域中会发挥更大的作用。

注：姚凌江为本文通讯作者。

参考文献

Grigore C. Burdea， Philippe coiffet. virtual reality technolog（2nd ed）[M]. USA：Wiley， John&Sons， 2003.

刘启元，叶鹰. 文献题录信息挖掘技术方法及其软件SATI的实现——以中外图书情报学为例[J/OL]. 信息资源管理学报，2012，（1）： 50-58. http：//www.liuqiyuan.com/.

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李蕾. 影响美国未来的发展趋势[J]. 国外未来教育，1994： 63.

Donohue， J.C.Understanding Scientific Literature： A Bibliographic Approach[M]. The MIT Press： cambridge， 1975.

徐超，葛红美，钱俊. 虚拟实验教学可视化设计关键技术研究[J]. 湖北大学学报（自然科学版），2009（4）： 333-335.

吕蕾，张金玲等. 一种基于数据手套的静态手势识别方法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2015（27）.

黄荣怀，郑兰琴，程薇. 虚拟实验及其学习者可信度认知[J]. 开放教育研究，2012（6）： 9-15.

燕浩鹏. 虚拟现实技术在旅游实验教学体系中的应用[J]. 教育与职业，2008（30）： 155-156.

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