中国虚拟现实教学研究的特征分布和热点探究基于CNKI核心期刊数据库的文献计量分析

2018-03-30许琦

太原城市职业技术学院学报 2018年1期

许琦

(台州中小企业信息化应用技术研究所，浙江台州 318000；台州职业技术学院，浙江台州 318000)

虚拟现实教学以虚拟现实技术(Virtual Reality)为核心，以实现全方位“沉浸式”的教学模式为目的，综合了计算机图形学、计算机模拟与仿真、传感技术、人机接口技术以及显示技术等多个领域成果，具有教学内容视觉化、交互性好以及真实感强等优点。利用虚拟现实技术模拟难以讲解的教学场景，并使之可视化，让学生在可参与性下学习相关技能，形成良性的教学循环，达到最优化的教学效果。

国外关于虚拟现实教学的研究起步较早，并已有大量将虚拟现实技术成功应用于教育领域的实践和经验。国内针对虚拟现实技术在教育领域的应用，还远远滞后于产业技术的发展。教育技术研究者需要理性认识虚拟现实技术在教育领域的发展潜力，深入分析虚拟现实教学的研究现状，反思存在的问题和挑战。从这点看，对国内已发表文献(尤其是核心期刊文献)的脉络梳理和前沿追踪是一项很有意义的工作，也是推动虚拟现实教学研究从感性认识到理性认知的客观动力。本文尝试以虚拟现实教学研究的中文核心期刊文献为研究对象，借助SATI、UCINET、Net Draw等软件，采用共词分析、共现强度计算、聚类分析等计量方法，剖析并揭示中国虚拟现实教学研究的特征分布和热点，以期对该研究领域的进展和趋势有一个更为深刻的认识和把握，并为相关学者的后续研究提供一定的参考。

一、数据选择与统计

本文的文献计量数据来自中国学术期刊网络出版总库(China Academic Journal Network Publishing Database)。在中国知网高级检索页面中选择期刊检索，检索条件如下：关键词为虚拟现实，并且题名为教学或者教育，来源类别选择核心期刊和CSSCI期刊，检索时间为2017年5月30日，检索得到458篇文献。舍弃检索结果中的报道、调查、约稿、评论、会议综述以及其他不相关文献等，最终得到350篇有效文献。

（一）发文年度统计分析

350篇有效文献的发文年度统计情况如图1所示。

图1 中国虚拟现实教学研究文献年度分布

从图1中可以看出，中国虚拟现实教学研究的脉络主要分为三个时期：1997年以前、1998-2005年和2006-2017年。1997年以前为萌芽期，国内关于虚拟现实教学研究的文献寥寥无几，每年发文量为1到2篇。最早的文献为1995年4月华南师范大学电教系的赵建华老师在现代远距离教育上发表的论文《信息技术在教育中的应用》，对信息技术在教育领域中的应用进行了较为全面的论述，涉及虚拟现实技术、计算机辅助教学和远距离教学等方法对教学效率、教学质量和教育管理等方面的改善和提升。1998-2005年为发展期，年发文量有所增加，在10篇上下波动。2006-2017年为增长期，除2007年、2014年和2015年以外，其他年度发文量均不少于20篇，且在2011年达到高峰(31篇)。2017年不完全统计发文量为17篇(截止到2017年5月30日)。按照文献年度分布规律来看，2017年全年发文量预计为25篇左右，不会出现大的波动。

（二）载文期刊统计分析

350篇有效文献的载文期刊统计情况如表1所示。从表1中的信息可知，中国虚拟现实教学研究载文期刊的特征分布如下：（1）从学科属性上看，载文量前20的期刊中有13个期刊属于社会科学II辑的教育类，有4个期刊属于信息科技的计算机应用类，有1个期刊属于农业科技的农业综合类，有1个期刊属于工程科技I辑的矿业工程类，有1个期刊属于医药卫生科技的医药卫生综合类，可见虚拟现实教学研究是一个涉及多学科领域的交叉研究。（2）从载文数量上看，载文量前20的期刊共发表相关文献224篇，占比(224/350)64%。这表明中国虚拟现实教学研究的载文期刊相对比较集中。（3）从期刊出版周期上，载文量前20的期刊中，3个期刊为双月刊，11个期刊为月刊，3个期刊为半月刊，3个期刊为旬刊，平均出版周期为0.975个月，出版周期适中。这在一定程度上反映了中国虚拟现实教学研究成果的水平和价值。

二、研究热点分析

本文利用SATI软件提取并统计350篇文献关键词的出现频率。对前100个高频关键词做共词分析，以Equivalence系数为指标计算任意两个关键词间的共现强度，建立[100×100]高频关键词共现矩阵，如图2所示。共现矩阵中的数值表示两个关键词间的共现度，通常分布在[0，1]区间内。数值越大，则共现度越大，彼此的关联性越强。基于高频关键词共现矩阵，本文应用UCINET软件进行聚类分析，然后借助NetDraw软件的

表1 中国虚拟现实教学研究载文期刊分布(Top20)

注：①表1中类别标记为C刊的期刊属于中文社会科学引文索引 (2014-2015)来源期刊(不含扩展版)；②类别标记为核心的期刊属于中文核心期刊要目总览(2014版)核心期刊；③类别标记为科技的期刊属于2016年中国科技核心期刊目录。Subgroup功能，得到聚类分析的可视化结果，如图3所示。

从图3中可以看出，中国虚拟现实教学的研究热点主要包括虚拟教学环境创建、虚拟现实技术研发、教学模式改革以及虚拟现实技术多学科教学应用等问题。

（一）虚拟教学环境创建

该热点凝聚了虚拟学习环境、虚拟实验系统、远程教学、远距离学习、模拟教学、情境教学法、交互设备等关键词，其研究成果尝试基于远程交互创建一个和谐发展的、充满活力的、生态化的虚拟教学环境。例如，李继芳等使用ActiveX实现3D虚拟现实场景的渲染，基于VTML开发了PLC虚拟仿真实训平台，使得学生可以不受时空限制进行虚拟互动实训，完成PLC硬件协同设计、系统搭建以及仿真调试；席军强等通过在Matlab /Simulink中搭建八自由度整车动力学模型，应用外部交互设备和Matlab/GUI组建人机交互系统，利用3DMAX和Vizard4.0制作虚拟场景，完成各软件数据接口的设计，构建了车辆电子控制虚拟实验平台，实现了理论教学与虚拟实验教学的良好结合；郭建等提出了一种机床虚拟仿真教学训练系统的开发方案，利用UG建立了机床的三维实体几何模型，利用Quest3D三维引擎开发平台对场景进行实时驱动和人机交互控制，通过建立简单包围模型实现碰撞检测，在机床虚拟教学培训中取得了良好的效果。

（二）虚拟现实技术研发

该热点包含VRML、Virtools、Quest3D、CAI、3DMAX、Java、三维建模、增强现实等关键词，其研究成果旨在综合利用各种前沿信息技术，通过对教学资源进行可视化操作与人机交互，塑造出更具沉浸感的教学场景。例如，罗求顺等提出了一种基于Quest3D的钻床加工虚拟教学系统开发方案，使用solid edge建立Z5140钻床的三维模型并导入到3DMAX中渲染，通过GUI和机床三维实体触控来实现物体状态信息的切换，通过鼠标与三维实体触碰检测实现人机交互。该方案借助 Quest3D强大的功能模块，避免了繁琐的基础语言编程过程，且可直接导出为.exe文件，方便独立安装运行；傅招国等用Solid Works建模，然后用3D MAX进行渲染，通过插件导入Virtools进行交互性的设计，建立虚拟电梯模型，构造虚拟环境，模拟现实考核流程，以更小的资源消耗、更短的开发周期和更优的考核结果完成电梯零部件考核工作；贺少华等开发了一个大型机械装置虚拟教学训练系统，利用I-DEAS建立机械仿真三维实体几何模型，利用OpenGL对场景进行实时驱动和人机交互控制，实现了虚拟拆卸功能，并加入了基于最优拆卸序列的拆卸模式，联合OpenGL和VC++实现了机械机构的运动仿真和交互式浏览，并在实践中证明了该系统的应用价值。

图2 前100个高频关键词共现矩阵(部分截图)

图3 中国虚拟现实教学研究热点

（三）教学模式改革

该热点涵盖了教学改革、教学方法、教学模式、教学手段、教学设计、教育技术等关键词，其研究成果主要集中在教学方法创新和教学模式改革上。例如，高东锋等提出了高校应对虚拟现实技术的策略：从厚植基础，继续推动高校开展实验教学领域的虚拟仿真项目教学改革；优势共享，以搭建在线开放虚拟仿真实验项目平台为契机助推优质资源共享；主动介入，推动和引领高等教育教学与现代信息技术的深度融合；靳满满等自主研发了20余套化工专业实验教学虚拟仿真软件，按照虚实结合、能实不虚的原则构建了高度仿真的虚拟实验环境，提供了可靠、安全和经济的实验项目，解决了化工专业实验中实验装置体积大、流程复杂、物料和设备损耗大、化学物料易燃和有毒等问题，强化了学生的工程实践能力的培养，提升了实践教学的信息化、智能化管理水平；何福本等开发了适用于主流移动终端操作系统的增强现实技术的应用APP，建立了包括理论知识、工艺规程和安全应知等教学内容的增强现实辅助工训教学模式，实现了平面图纸的立体化。

（四）虚拟现实技术多学科教学应用

该热点的研究成果主要体现为虚拟现实技术在各个学科的教学应用方面。例如，王庭照等探讨了虚拟现实技术在肢体障碍儿童、视力障碍儿童以及听力障碍儿童等特殊教育领域中的应用，并提出了联系特殊儿童评估专家，制订科学的治疗和评估标准、尊重特殊儿童发展的基本规律，注重多种方法的综合使用、强调人文关怀和回归主流，强化各类特殊儿童社会适应能力的训练等建议；黄新平等分析了虚拟现实技术在医学职业教育实验教学中的应用，可以在低投入、无风险的情况下实现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；张豪锋等从教学立体化展示、模拟实验与实训仿真教学、实施数控加工仿真教学系统、实践生产加工的衔接，实现网络数控培训及考核等五个方面研究虚拟现实技术在数控专业教学中的应用，提出了基于虚拟数控仿真的数控课堂教学模式，并在实践中验证了其教学效果。

三、结束语

本文以CNKI核心期刊数据库收录的国内虚拟现实教学研究文献为数据源，运用SATI、UCINET、NetDraw等软件，从文献年度分布、载文期刊等方面分析了中国虚拟现实教学研究的结构性特征分布情况，并以知识图谱形式展示了热点问题。结论如下：（1）从文献年度分布情况看，1997年以前为萌芽阶段，1998-2005年为发展阶段，2006-2017年为增长阶段；（2）从载文期刊分布情况可知，国内虚拟现实教学研究的载文期刊相对比较集中，而且期刊所在的学科领域也呈现出多样化特点，包含了教育类期刊、计算机应用类期刊、农业综合类期刊以及矿业工程类期刊等；（3）中国虚拟现实教学的研究热点主要包括虚拟教学环境创建、虚拟现实技术研发、教学模式改革以及虚拟现实技术多学科教学应用等问题。这些热点问题也随着时间的推移而不断演化发展。

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