国际数字化实验研究的热点、前沿与启示*

叶剑强 毕华林



国际数字化实验研究的热点、前沿与启示*

叶剑强 毕华林[通讯作者]

（山东师范大学 科学教育与科技创新研究中心，山东济南 250014）

文章以来自Scopus数据库1984～2017年有关数字化实验研究的1610篇文章为研究对象，通过CiteSpace Ш和VOSviewer 1.6.5软件，对近30年来国际上数字化实验研究的网络结构和聚类主题进行了可视化分析。结果显示，在数字化实验研究领域，欧美发达国家既具有高产出论文，也具有较高的中心度，是本领域研究的主导者，但中国、印度等发展中国家进步迅速；在研究热点领域，主要有教育教学的研究、（远程）用户的体验以及数字化技术的开发这三个方向；从热点聚类来看，进入21世纪之后，研究者开始关注虚拟现实技术以及增强现实技术在数字化实验中的应用研究、数字化实验在STEM教学中对中学生科学素养的促进研究以及高校数字化实验课程体系的构建与评价研究等主题。

数字化实验；研究热点；可视化分析；CiteSpace Ш；VOSviewer 1.6.5

引言

数字化实验是以真实实验为基础，借助计算机来完成的实验。数字化实验研究一直是STEM——自然科学（Science）、技术学（Technology）、工程学（Engineering）以及数学（Math）学科领域的研究热点。国际上的数字化实验主要有两类：一种为微型计算机实验室（Microcomputer-Based Laboratories，MBL），另一种为虚拟仿真实验室（Simulation-Based Laboratories，SBL）[1]。前者在国内基础教育领域的应用比较广泛，主要涉及基于传感器的移动手持技术/掌上电脑（Hand Held Technology或Lab in Hand），移动手持技术的便携性及其实时收集、显示和整理数据的功能为它在基础教育中的应用带来诸多便利[2]。后者在国内高等学校中的应用比较普及，即虚拟实验室（Virtual Laboratories）。目前，国内大学大多建有自己的虚拟实验室，主要为了满足日常科研和教学的需要。二战以后，随着第三次科技革命的到来，科学技术的发展为教育教学领域带来新的曙光。尤其在科学教育领域，技术在帮助学生理解科学概念、促进青少年成长及其科学素养的发展方面发挥着越来越重要的作用[3]-[4]。

以MBL为例，它能将真实世界的各类变量（物理、化学、生物等）转化为电信号，然后将模拟电信号转化为数字信号，它对真实世界的数字信号进行过滤与放大、存储与传递、分析与计算、可视化加工与呈现，具有便携、实时、准确、直观和定量等特征。SBL涉及虚拟操作，它能够模拟部分科学实验内容，个体可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习效果等值于甚至优于在真实环境下所获取的，具有交互性、真实性、沉浸性等特征。数字化实验对学生科学概念的理解、实验能力和问题解决能力的培养以及创新精神和科学素养的发展意义重大。

本研究使用可视化的文献计量方法对过去30年来数字化实验研究领域的重要文献进行梳理和挖掘，通过CiteSpace Ⅲ和VOSviewer 1.6.5软件，对国家（地区）及机构、关键词共现、关键词突显、关键词聚类等进行分析，以探究数字化实验领域的研究热点、发展历程以及未来趋势，以期为数字化实验理论研究和实践探索提供参考。

一数据来源与研究方法

1 数据来源

Scopus是目前全球规模最大的文摘和引文数据库，本研究选择Scopus为基础数据源。Scopus的内容相对于其它单一的数据库更全面，涵盖的学科领域也更加广泛。以Scopus为数据源，输入检索语句TS = “Simulation Based Lab” OR “Microcomputer Based Lab” OR “Virtual Lab” OR “Remote Lab” OR“Online Collaboratory” OR “ Lab in Hand ” OR “Hand Held Technology”。检索的时间为1984年1月1日至2017年12月25日，检索的文献类型选择“Article or Conference Paper”。最终得到数字化实验研究文献共1610篇文章，其中研究性论文478篇，会议论文1132篇。

2 研究进程

本研究使用的软件主要包括CiteSpace Ⅲ和VOSviewer 1.6.5。具体研究过程如下：首先，从Scopus数据库中导出检索到的1610篇文献的所有可用信息；其次，将生成的文件导入VOSviewer 1.6.5进行关键词共现分析，然后使用CiteSpace Ⅲ对数据格式进行转换，接着建立分项目，创建New Project，并在偏好Preferences中选择英文支持；再次，在主窗口中右侧配置分析中，其时间配置Time Slicing选择1984～2017年间，切片Years Per Slice为2，节点类型Node Type分别为Country和Keyword，剪裁方法选择MST（Pruning Sliced Networks和Pruning the Merged Network）；最后，对所获得的结果进行可视化分析与解读。

二 国际数字化实验研究的网络结构分析

1 时间维度

为了能够宏观地了解国际上数字化实验研究的具体产出情况，本研究分析了历年来数字化实验研究论文出版数量的趋势变化，如图1所示。从国际网络出版的论文来看，Scopus数据库能够查询到的最早的有关数字化实验的论文来自于1984年的2篇论文：第一篇是美国马萨诸塞州剑桥学院技术教育研究中心的Tinker[5]于1984年参加全美第六届年度全国教育技术大会时所提交的《为有学习障碍的学生所设计的基于微型计算机的科学学习工具》；另一篇则是Hewitt[6]于1984年发表在上的《“虚拟”实验室的理念：基于当前时期的深思》一文。由图1可知，国际上有关数字化实验的研究自1984年以来整体呈现快速上升趋势。

2 国家维度

从研究成果的来源地看，美国、中国、西班牙以及葡萄牙等国家在数字化实验研究领域的合作及产出都比较突出。表1直观地呈现了各个国家在数字化实验研究领域的论文产出数量、论文的被引数以及各个国家的中心度。其中，美国作为高产国家，刊出论文275篇，在数量上排在第一位，其中心度高达0.91，被引频次也达到了117次。而中国在出版数量和被引次数上均位列第3名，但是在中心度上却没有进入前10名。印度也存在类似状况，它的论文数量位居第6名，被引次数位居第4名，但在中心度上也止步于前10名。由此不难看出，欧美发达国家在数字化实验研究领域占据中心性和领导性地位。

图1 文献量变化趋势图

图2 关键词共现

表1 高产量、高被引与高中心度国家分析

3 关键词共现分析

VOSviewer 1.6.5提供基于标签视图（Label View）对关键词进行的共现分析，如图2所示，图中节点为主要关键词，节点和字体的大小由其权重决定，节点间的连线表示关键词的共现关系。标签视图中连线的多少可以表明各关键词研究领域之间联系的紧密或疏松。依据关键词之间的关联性分析得到的共现结果显示，关键词被划分成了3大版块：第一，以学生（Student）、课程（Course）、教师（Instructor）等为代表的教育教学领域关键词；第二，与远程实验室（Remote Lab）、大学（University）以及用户（User）等数字化实验应用领域研究相关的关键词；第三，与模型（Model）、仿真（Simulation）以及数据（Result）等数字化实验技术的整合和开发研究相关的关键词。但是，从图2中也可以看到：上半部分（第二版块）不管是标签、节点的数量，还是连线的密度，都远远低于左下部分（第一版块）和右下部分（第三版块）。这足以说明，目前基于用户个体使用和体验的国际数字化实验研究还不够深入，或者说该类研究依然缺乏精细化分类，各个关键词之间的联系需要得到更多的重视，因此，此类别的研究有待进一步深化。具体而言，可以通过加强此类别与其它版块之间的交叉、融合研究，以求探寻新的研究方向与思路。总体而言，以关键词聚类分析而获取的结果显示，数字化实验的研究主要分布于教育教学的研究、（远程）用户的体验以及数字化技术的开发这三个方面。

4 关键词突现分析

进入21世纪之后，互联网的普及带来了数字实验研究的新热潮，本领域的热点关键词开始突显，如表2所示。研究者们开始关注借助互联网构建教师教学所需的多媒体虚拟课程这一研究主题，但虚拟课程的构建需要借助数据库管理系统，有较大的局限性。基于多媒体网络的异步学习网络模型强调将课堂延伸到学校之外，把课上的视频放到网络上供大家交流与学习，为师生双方都带来较大便利[7]。随着全球化进程的深入，单一、局域式的因特网（强度为8.37）也由此进入全球化互联网时代（强度为5.37）。数字化实验的研究也由此进入了崭新的时代，一些新颖的互联网词汇开始出现，如虚拟现实（强度为2.94）、增强现实（强度为3.0）、交互式模拟（强度为3.37）等。对于需要实验研究的理工科领域而言，数字实验的成熟对他们开展网络虚拟实验活动提供诸多的便利，尤其是基于万维网开发的虚拟实验室可以对研究者进行虚拟实验的耦合和实验数据的采集显示出巨大的潜力[8]。

表2 关键词突现分析

进入2010年以后，关键词突现的频率开始增加，基本上每一年都至少突显一个词。尤其是在STEM教育领域，学者越来越希望在线实验室能够代替或部分取代传统的实验室，基于2D、3D的视频、动画以及文字内容的集成环境对学生的学习能力产生了深刻的影响，它为学生提供了良好的临场感实验环境，并能够帮助学生更好地理解科学概念[9]。

三国际数字化实验研究的主题聚类分析

为了能够更加清晰地洞悉数字化实验研究的热点领域，从“Summary of Clusters”聚类主题信息汇总结果可知，国际上数字化实验研究共有11个聚类主题。其中，有7个核心关键词自成一类，内含关键词超过5个的聚类主题有8个。限于篇幅，这里只选取其中3个展开论述：

①聚类#0的规模最大，它主要讨论了通过虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR）以及改善用户的界面设计来展开网络协作式线上实验。Cardoso等[10]认为基于新兴技术发展的在线实验平台为网络教育培训和在线课程学习提供了便利，尤其是虚拟现实和增强现实、模板、内容和界面设计相结合的技术可以提高用户感知和认知的能力。Cardoso等发现，在被试者药物摄入和排泄的生理过程的数字模拟实验中，学生可以借助可视化和远程系统实时获取数据并观察虚拟系统所演示的生理系统动态行为。协作式网络实验室是虚拟教育的一个热门领域，随着互联网和学术网络的快速成长，越来越多的研究人员对共享实验室服务充满兴趣。随着时代和科技的稳步发展，传统的实验室也会逐步向综合性的数字化实验室过渡。

②聚类#1关注数字化实验在STEM教育领域的应用问题。在中等教育领域，如何通过数字化实验技术提升中学生在自然科学、技术、工程以及数学方面的知识素养是学者们非常关注的热点。Iskander等[11]认为高度交互性的多媒体模块和虚拟组织工具对提升和改善学校STEM课程的有效性有促进作用。数字化实验在讲授抽象科学概念方面已被证明是较有效的手段，特别是STEM领域中的各个学科。Lindgren等[12]以物理课堂为例，让学生身临其境于仿真重力和行星运动，并将他们与只使用了桌面版本模拟仿真学习的学生进行比较。两组成员的科学成绩和科学态度的测试结果表明，基于交互式仿真体验的学生有显著性的收获、更深层次的体验以及更积极的科学态度。由此可以看出，数字化实验除了能够提升学生科学态度、成绩以及活动体验，对于学习环境改变（传统的书面学习—桌面仿真学习—交互式体验学习）也有积极作用。

③聚类#2涉及的主题是有关高等教育数字化实验课程体系的研究。相较于中等教育，高校在建设数字化实验课程体系的过程中，无论是在技术上还是人力资源上都有得天独厚的优势。高等学校学科建设经费以及国家财政补贴也为数字化实验课程体系的建设提供了有利支持。Tawfik[13]于20世纪90年代中期就已经开始将数字化实验室整合到大学课程的研究。他们认为，虽然有关这样的尝试和报道屡见不鲜，但是有关学生具体对应的学习收获以及在何种条件下这种系统可以更有效的研究却很少，并且也缺乏证明其教学有效性的资料和数据。Alves[14]也赞同上述观点，他在高校虚拟实验课堂中开展了对500位学生具体学习收获的初步评价研究。总之，高校在开设数字化实验课程方面不存在资金和技术上的问题也不缺乏相应的人才。但是，在数字化实验课程后期的学生学业评价以及教学有效性评估方面有待本领域研究者继续深入探索。

四结论与启示

本研究利用CiteSpace Ⅲ和VOSviewer 1.6.5对国际上数字化实验研究的论文进行可视化分析，直观形象地得到该领域研究高中心度国家、高频关键词以及热点主题领域。国际上数字化实验研究热点对当前我国数字化实验的研究和发展有以下启示：

第一，持续加大对数字化实验技术创新研究的资本和人力投入。当前国际上数字化实验研究的核心力量主要来自美国、西班牙以及葡萄牙等西方发达国家，这些国家是数字化实验领域的中坚力量，在本领域有较高的影响力。虽然中国、印度等国家在论文数量上的排名比较靠前，但要在本领域达到像上述发达国家那样的影响力还需要持续不断地投入人力和物力资源。

第二，加强协作式远程实验室的深度开发研究。具体表现为：积极改善用户界面设计、开发服务型网络合作实验室以及增强虚拟与现实的联系。2012年以来，世界范围内积极倡导的高校MOOC建设和翻转课堂建设为数字实验研究在远程协作上的深度开发提供了借鉴。未来数字实验技术及实验室的开发在借鉴MOOC的同时，可以利用互联网技术加强其远程线上互动功能的实现。郑卫兵等[15]利用Web 2.0的技术和理念，通过有设计的实验方法，探索了支持混合式教学的资源建设模型，初步实现了学习资源、学习环节和学习过程的贯通，构建了支持分层多元服务的“一站式”教学环境，提高了学生网上学习的参与度和网上教学效果。

第三，深化数字化实验在基础教育领域的应用研究。数字化实验系统创设并提供生动、直观而出人意料的问题情境，能够动态模拟实验过程，刺激学生视觉并引起认知冲突、引发学生理性思考，将大大提高学生学习科学的热情与实验教学的效率。数字化实验在自然科学、数学、技术等学科领域对于促进学生科学概念的理解、培养其科学探究能力等方面起着重要作用。此外，要加快普及基础教育虚拟实验室的建设，有条件的学校可引入移动手持技术设备，把先进的数字化技术整合到中小学的STEM教学之中。而积极借鉴国际上流行的虚拟远程实验室，开展线上实验互动教学，将是我国基础教育数字化实验进一步发展的方向。

第四，建设拥有数字化实验能力的师资队伍，完善数字化实验课程评价体系。相较于基础教育机构，高校拥有更完善的数字化实验设备和科学技术人员。利用高校数字化实验团队培养高校师范生的数字化技术能力，可为他们将来进入基础教育领域打下坚实的基础；也可定期在中小学开展高校教师下基层的培训活动，从而为一线中小学教师提供技术和理论上的帮助。此外，随着高校虚拟实验室建设的逐渐深入与普及，高等教育在步入后数字化实验时代后，要继续完善数字化实验课程体系的构建、积极转变数字化教学模式、科学评价数字化教学效果以及构建多样化数字实验学习模式等。

[1]张婷.数字化实验影响学生概念改变的研究[D].南京:南京师范大学,2015:15.

[2]Linn M C. Technology and science education: Starting points, research programs, and trends[J]. International Journal of Science Education, 2003,(6):727-758.

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[5]Tinker R F. Microcomputer-based science materials for learning disabled students[A]. Bonnette, D T. NECC’ 84, 6th Annual National Educational Computing Conference[C]. Daytonn, Ohio: University of Dayton, 1984:321-321.

[6]Hewitt A D. The “virtual” lab concept: a here-and-now consideration[J]. Computers in healthcare, 1984,(9):53-55.

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[13]Tawfik M, Sancristobal E, Martín S, et al. VISIR: Experiences and challenges[J]. International Journal of Online Engineering, 2012,(1):25-32.

[14]Alves G R, Marques M A, Viegas C, et al. Using VISIR in a Large Undergraduate Course: Preliminary Assessment Results[J]. International Journal of Engineering Pedagogy, 2011, (1):1125-1132.

[15]郑卫兵,赵呈领,刘志英.协作学习2.0:基于Web2.0的协作学习新范式[J].现代教育技术,2009,(1):17-20.

编辑：小西

Hotspots, Frontier Issues and Inspiration of InternationalComputer-based Experimental Research

YE Jian-qiang BI Hua-lin[Corresponding Author]

In this study, 1610 articles on computer-based experimental research published between 1984 and 2017 were selected from the Scopus database and were analyzed. The CiteSpace Ш and VOSviewer 1.65 were used to conduct a visualized analysis on the network structure and clustering topics of the selected articles. The results showed that the developed countries are leaders in this field with high publications and high centrality. However, developing countries such as China and India were in a rapid progress in this field. Considering from the view of research hotspot, computer-based experimental research is widely applied in three areas, namely the educational teaching and learning, (remote) users’ experience and the development of computer-based technology. From the view of hotspot clustering, since the beginning of the 21st century, researchers began to focus on the application of the virtual reality and the augmented reality technology in experiments, the development of collaborative web laboratories, the study of digital experiment to promote scientific literacy of students in STEM and the construction and evaluation of efficient digital experimental curriculum system in higher education, etc.

computer-based experimental research; research hotspot; visualization; CiteSpace Ш; VOSviewer 1.65

G40-057

A

1009—8097（2018）02—0019—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.02.003

本文为高等学校博士学科点专项科研基金资助课题“青少年科技创新能力发展水平测查研究”（项目编号：20133704110007）的阶段性研究成果。

叶剑强，在读博士，研究方向为科学教育，邮箱为1050702337@qq.com。

2017年4月13日