高校虚拟仿真实验教学发展趋势的文献计量分析

杨 颖，肖 潭，南景富，黄 芹

（广东石油化工学院 建筑工程学院，广东 茂名 525000）

虚拟仿真的概念最早于1965 年由计算机图形学的重要奠基人Suther-land 博士提出[1]。随着计算机科学和互联网技术的快速发展，虚拟仿真实验教学以计算机技术为核心，以互联网信息技术为依托，利用虚拟仿真语言建模，结合实物实验场景与学科知识创建二维、三维虚拟实验环境实现学生在线实验的功能，具有形象生动、效果直观、安全性高等优点[2]。目前，许多高校开设了虚拟仿真实验教学课程，为了深入了解其应用现状与发展趋势，本文对1998—2020 年间1 272 篇相关文献进行了可视化文献计量分析，梳理了发展现状与研究热点，以期为探究未来发展趋势及技术手段应用提供参考。

1 研究方法

文献计量分析依据文献各类特征数量，采用数学与统计学语言描述，可定量评价发展现状与预测发展趋势水平[3]。知识图谱法是文献计量的表现方法之一，具有可视化直观呈现科学领域基础知识结构、研究热点与演变，预测未来发展趋势等优点[4]。

本文选用CiteSpace（5.6.R5 版本）软件进行有关高校虚拟仿真实验教学发展趋势的文献计量分析。CiteSpace 是由美国德雷塞尔大学陈超美博士开发的一款用于前沿科学知识可视化分析的软件[5]，可用于创建和可视化包含作者、机构、关键词、引文等信息的科学知识图谱，目前已被全球研究者用于多个领域的科学发展研究[6]。本文选取机构、作者、关键词作为可视化分析对象，数据时间跨度为1998—2020 年，设定时间切片为1 年。在关键词共现图谱、机构合作网络及作者合作网络可视化分析中分别选择 key word、institution、author 为相应节点类型（node type），在各时间切片内选择top 50（频次出现排名前50 的项目）进行分析，连线强度选择cosine。

2 研究数据库

2.1 数据源与检索方法

本文数据在2020 年4 月从中国知网《中国学术期刊（网络版）》（CAJD）数据库中收集，文献时间跨度为1998—2020 年。CAJD 是世界上最大的连续动态更新的中国学术期刊全文数据库，目前已成为科研工作者获取文献资料及分析科学问题的主要工具之一。

常用检索方法有“全文”“主题”“篇名”“摘要”“关键词”等检索方式[5]。为建立研究数据库用以文献计量分析，本文选取“主题”检索方式以全面检索在“标题”“摘要”或“关键词”等类别中包含所检词汇的全部文献。

2.2 检索表达式

确定涵盖主题的所有检索字段以建立全面高质的研究数据库是本研究至关重要的一步。本文严格确定检索字段及表达式，最大程度地实现全面检索。

首先，在中国知网首页，按“主题”检索“高校虚拟仿真实验教学”，仅获取79 条记录，搜索结果存在明显限制。去掉限制定语“高校”后检索“虚拟仿真实验教学”，获取1 703 条记录。经分析发现检索结果中与“虚拟仿真实验教学”主题相关的文献大部分在高等教育研究范围内，而此类文献并未刻意标示“高校”研究语境。为尽量扩大检索范围获取研究主题相关所有数据源，利用中国知网内置“计量可视化分析——检索结果”功能对以上1 703 条文献主题分布进行了初步分析，从其中符合检索字段含义的同义词和近义词进行选取，确定了专业检索表达式字段构成，字段间由逻辑运算符“*”“+”和“–”连接，研究数据库建立流程如图1 所示。

2.3 研究数据库的建立与完善

为建立高质量的研究数据库，本文选取了期刊、博硕士、会议等三种文献类型。以期刊数据源的获得为例，在中国知网“高级检索”方式下选择“期刊”类子块，在“专业检索”模式下输入检索表达式，勾选了SCI 来源期刊、EI 来源期刊、核心期刊、CSSCI及CSCD，检索获得754 条记录。同理，在博硕士、会议类子模块下检索分别获得552 条和93 条。

图1 研究数据库建立流程

为确保数据源中文献主题的相关性，对1 399 条记录进行人工初筛后由Endnote 软件除重。初筛中删除了无作者的卷首语，院校虚拟仿真平台简介、虚拟仿真教学会议论坛总结报告、高教指导、信息理论、网络环境下的思政、法制及德育教育、虚拟校园游览设计、情境教学理论研究及未被检索排除的隐性中小学教育等对研究贡献意义不大的内容，最终获得主题相关期刊记录717 条，博硕士462 条、会议论文93 条，共计1 272 条。

3 分析与讨论

3.1 年度发文量

高校虚拟仿真实验教学研究领域的发文量年度变化趋势如图2 所示。

图2 发文量年度变化趋势

1998—2019 年以来，基于虚拟仿真手段的高校实验教学经历了由缓慢至快速发展的阶段，2019 年总发文量达到峰值。其中，期刊与博硕论文年度发文量的首次峰值分别出现在2008 年和2017 年。会议论文发文量曲线受会议及研究论坛的召开频次影响，整体较平稳；2001 年首次出现相关研究，2010 年会议发文量出现最大值。另外，由于数据源中2020 年度发文量为未完结动态数据，因此图2 中4 条曲线的末尾均呈下降趋势。从期刊与博硕论文的首次峰值出现时间差可见，虚拟仿真实验教学方法从初期建模论证、技术成熟至实践教学研究历时近10 年，博硕论文科学系统性的探索为虚拟仿真技术手段在实验教学的应用与发展奠定了坚实基础。

虚拟仿真实验教学方法的应用和完善与计算机、互联网技术的蓬勃发展以及国家教育信息化政策引导密不可分。1989—1994 年间，相继出现了一批用于虚拟仿真系统开发的软件平台和建模语言，如 Open GVS、WTK、VRML 等[1]；1996 年，国家在“863”计划中将“分布式虚拟环境”确定为重点项目[7]。1998 年，我国进入互联网元年。至2001 年底，教育部批准47所高校设立网络教育学院（后扩至67 所）和19 个网上合作研究中心在CERNET 上开展远程教育和协同科研工作[8]，远程教育时代面向学习者开展的线上实验是最早出现的虚拟仿真实验教学形式[9]，图2 显示总发文量的增长点即在2001 年。

图2 显示2008—2011 年间虚拟仿真实验教学研究的总出版量出现了小高峰，此外2011—2019 年间发文量增长近一倍。发文量的快速增长可归因于教育部在2012 年印发的《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》与2017 年印发的《关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，其中提出了建设1 500 个虚拟仿真实验项目的目标，并计划到2020 年认定1 000 项左右示范性虚拟仿真实验教学项目。虚拟仿真技术的持续发展与完善表明其在未来实验教学、创新教育中将扮演重要角色，在教育信息化方面存在巨大潜力。

3.2 研究机构与作者

笔者在生成研究机构合作网络时，合并了数据源中机构名称表达，即仅保留机构名称，略去二级单位，得到高校虚拟仿真实验教学研究机构合作网络如图3所示。共生成43 个节点，3 条连线，图3 中机构节点以年轮圆圈表示，节点大小与机构发文总数成正比，年轮厚度与相应时间分区内发文数成正比，颜色按时间图例中灰色至红色的变化依次表示发文时间的由远及近。

图3 研究机构合作网络

图3 中的3 条连线表示有3 组研究机构间存在合 作发文关系，具体为教育部高等教育司实验处与宁波大学、哈尔滨工程大学与华中师范大学、西安电子科技大学与安徽师范大学。整体网络表明目前国内研究机构在虚拟仿真实验教学研究领域进行机构间合作发文的情况较少，大多数合著文章作者更倾向于同机构内跨部门间的合作发文。

依据图中节点大小可判断，在高校虚拟仿真实验教学领域发文贡献较大的为哈尔滨工程大学、东南大学、西南大学、中国石油大学（华东）以及教育部高等教育司实验处。从节点年轮颜色来看浙江师范大学、河北大学在该领域起步较早；哈尔滨工程大学自2013年左右起步到目前为止持续致力于该领域的研究，且研究成果非常突出；西南大学、东南大学与中国石油大学起步时间虽相对较晚，但其均以较快的研究速度在短时间内积累了一定研究成果。

图4 展示了高校虚拟仿真实验教学作者合作网络。其中节点大小与该作者发文量成正比，节点间连线表明了作者之间的合作关系强度。

图4 作者合作网络

由图4 可知，马军、张鹏、路勇、余龙江、刘亚丰、龚成斌等为该领域相对高产的学者，他们分别在轨道交通、船舶动力技术、实验平台建设与资源共享、化学化工等方面进行了虚拟仿真实验教学研究。结合图3 和图4 分析可知，国内高校虚拟仿真实验教学研究领域的学者更倾向于同一机构内的合作发文，这可能与当前的研究环境有关。当前是示范性虚拟仿真实验教学项目的建设时期，各高等院校致力于本校特色专业的实验资源建设，而资源共享机制尚不成熟[10-11]，因此机构间合作发文的情况相对较少。同时教师间合作发文也是高等教育研究的普遍现象[12]，虚拟仿真实验教学项目的建立涉及教育学、信息学、计算机科学及其应用学科的专业知识，其研究必然需多方合作完成。

未来，随着资源共享机制的完善，机构间合作发文及研究成果有望大幅提升，可促进跨学科、跨单位的高等教育合作研究持续发展。

3.3 研究热点

研究热点是某一时期内某领域中出现频率相对较高、受到专家学者广泛探讨研究的问题或专题，随研究技术的成熟、社会发展、人类需求变化而发生演变。通常，专家学者在写作过程中会谨慎选择可代表文章核心思想的术语性关键词，因此文章关键词是进行研究热点分析时值得信赖的指标[5]。根据关键词出现频次高低与时间以节点连线的方式形成的共现网络可直观呈现某一时间跨度内学科研究热点、主题分布、发展前沿。

本文对1998—2020 年高校虚拟仿真实验教学研究文献进行了关键词分析。由于初始共现网络中的关键词节点存在大量近同义词，导致所获网络凝练度较低。本文编写了近同义词合并文件对涉及相同概念的关键词进行合并（如“虚拟技术”“虚拟现实技术”“仿真技术”均作为“虚拟仿真技术”等）。同时为提高网络可读性，在呈现时将出现频次较高的“虚拟仿真”“虚拟仿真教学”“虚拟仿真实验”“虚拟仿真平台”等6个主题性关键词节点隐去，得到如图5 所示的关键词共现图谱。

图5 关键词共现图谱

图5 中共有113 个节点、379 条连线，根据关键词性质手动聚类形成4 个类别，以虚线圆框表示聚类范围。图5 中关键词节点以年轮圆圈形式表示，节点大小与关键词出现总频次成正比，年轮厚度与相应时间分区内出现频次成正比，颜色与出现时间早晚相关，灰色至红色的变化表示出现时间的从远及近。由于数据源中2020 年度文献在数据获取时尚不完整，因此包含红色年轮的节点较少且不明显。

（1）聚类#1 展现了实现虚拟仿真实验教学的多种技术手段，从节点大小可知出现频次较高的是LabVIEW、VRML、Virtools、Unity3D、交互设计及三维仿真。从节点年轮颜色变化来看，VRML 虚拟现实建模语言在2010 年之前得到广泛应用，在之后的5年间有所下降；以图形化编程语言替代传统文本编程的LabVIEW 软件在2010 年后逐步进入研究人员视野，到目前为止仍热度不减；Virtools 作为一款 3D 环境虚拟实境编辑软件在2011—2018 年间应用频次持续增长，2019 年后有所下降；Unity3D 软件在实验教学领域出现时间相对较晚，但自2016 年到目前为止，具备完善灵活编辑优点的Unity3D 已成为当前实现虚拟仿真实验教学的主流技术手段之一。

（2）聚类#2 展现了高校开展虚拟仿真实验教学采用的教学方式。其中，最早出现的为远程教育方式，从图中“远程教育”与“VRML”节点间紧密的连线关系可知虚拟仿真实验教学的开展方式与其所处时代技术背景密切相关。另一出现频次较高的为2016 年后提出的“虚实结合”实验教学理念，旨在保障人才培养计划的完整性与实践教学效果。

（3）聚类#3 展示了虚拟仿真实验平台改革建设的方向，其中出现频次较高的有实验教学体系、资源共享、教育信息化等，这些均为2015 年之后出现的较新的概念。“资源共享”与“虚实结合”教学理念提出时间相近，秉承教育部示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知精神，利用示范性建设项目的带头作用促进虚拟仿真实验教学方式的普及与发展，有利于节约建设成本，提高虚拟仿真实验教学资源的利用率。

（4）聚类#4 展现了目前已经开展虚拟仿真实验教学应用的学科领域。其中在土木工程、碰撞检测、数字电路、单片机、医学等专业领域出现频次较高，其主要原因是这些专业受到客观实验条件的限制，如实物实验开展的经济成本、时间成本、危险性均较高且容错率、可及性较低。虚拟仿真的实验教学方式在以上学科领域的广泛应用表明其对未来高等教育新型应用型学科的发展将起到不可小觑的作用。

3.4 发展趋势与前沿

关键词突现依据关键词在某一时间段出现频次的高低耦合判断而得，可反映研究发展的趋势以及预测前沿[6]。1998—2020 年高校虚拟仿真实验教学文献中，排名前15 的突发性高频关键词如表1 所示。

表1 排名前15 的突发性高频关键词

表中各突发性高频关键词的时间线图例可直观呈现其突现及持续年份，其中最早突现的为1999 年兴起的远程教育，最晚的为近两年突现的虚实结合教学理念及Unity3D 虚拟仿真实验环境建设技术。

突发性关键词的演变可有效反映此领域的研究热点的迁移与研究发展趋势，从表中可看出高校虚拟仿真实验教学的发展基本可分为三个阶段：第一阶段是基于VRML、Java、Flash 技术的探索建模阶段，突现时间出现在2003—2010 年，致力于利用新型描述性语言建立富有动态表现力的虚拟仿真环境界面；第二阶段是以三维仿真、X3D、交互设计为需求，以网络技术、组件库、Virtools、MATLAB、Simulink 为载体的教学应用阶段，突现时间出现在2005—2014 年，开始考虑用户的三维动态交互需求，各具优势的虚拟仿真制作软件逐渐兴起；第三阶段为3Ds Max、实验室建设、虚实结合、Unity3D 等教学理念与应用技术的升级阶段，突现时间出现在2014—2020 年，这一时期，虚拟仿真实验教学理念与方式更加成熟，技术表现手段也更加立体完善。

未来，随着人口结构变化带来的终身学习需求的增长，以及人工智能与大数据分析技术在自适应教学中的普及应用，新型远程教育模式有可能再次突现在虚拟仿真实验教学领域[13]。同时，随着5G 网络技术的蓬勃发展，其强大的网络传输速率与低功耗续航能力将大幅缓解VR 技术的计算压力[14]，促进基于VR技术的虚拟仿真实验教学应用。在沉浸式的感知交互方面，随着沉浸式虚拟仿真设备成本的降低及头戴式设备舒适度的提高，未来高校将有望依托人工智能下的VR/AR 等沉浸式虚拟仿真技术开展促进学生深度学习、创新思维的实验教学课程[15]。

4 结语

本文对1998—2020 年高校虚拟仿真实验教学相关文献的年度发文量、研究机构与作者、研究热点、发展趋势与前沿进行了科学计量分析。

从年度发文量来看，高校虚拟仿真实验教学研究前期发展相对缓慢，目前处于快速发展时期。从研究机构与作者来看，参与虚拟仿真实验教学的研究机构数量、机构间合作度及研究活跃度均有待提高。研究热点方面，虚拟仿真实验教学应用的技术较多，目前受教育研究者广泛运用的有 Unity3D、LabVIEW、Virtools 等开发软件；在实验教学方法与实验室建设上，虚实结合的教学原则与资源共享的建设理念被频繁提到，关注人才培养的完整性与虚拟仿真教学资源的高效利用；在学科应用上，目前虚拟仿真实验教学在土木工程、碰撞检测等实物实验成本较高、危险性较大且实践需求较高的学科中应用较广泛。

随着国家级示范性虚拟仿真实验教学项目建设的完善、资源共享机制的成熟，在不久的将来，跨学科、跨单位间的合作发文及发文量均有望大幅提升，依托5G 网络及人工智能技术的VR/AR 等沉浸式虚拟仿真手段也将在技术成熟、成本降低时逐渐应用于高校实验教育中，有效改善目前学生专业实践教育中存在的不足，促进创新型、应用型人才的培养。