虚拟仿真技术在机械类专业实验教学中的应用研究

摘 要：以CNKI數据库中19932021年的文献为样本，运用文献计量学方法，分析虚拟仿真技术在机械类专业实验教学中的应用研究文献，揭示文献的产出量和发文变化趋势，探究研究内容和研究热点演变轨迹。结果表明，2011年后由于国家政策的引导，机械专业虚拟仿真实验教育的研究进入快速发展期;研究内容聚焦于实验教学改革、教学体系建设、虚拟仿真实验应用课程、虚拟仿真实验教学技术、实验室建设。通过定量数据分析得出的结果，有助于把握我国高校机械类专业虚拟仿真实验教学的现状和趋势，为高校开展虚拟仿真实验教学提供思路和借鉴。

关键词：虚拟仿真;实验教学;机械专业;文献计量学分析

中图分类号：G642.0

Review on theApplication of Virtual Simulation Technology

in the Experimental Teaching of Mechanical Engineering Majors

Yuan Sheng

School of Logistics Engineering Wuhan University of Technology HubeiWuhan 430063

Abstract：Based on the publications in the CNKI data base between 1993 and 2021，this paper applies bibliometric analysis on evaluating the research literature of the application of virtual simulation technology in the experimental teaching of mechanical engineering majors.The paper aims to reveal the trends in the publication statistics of the research literature，and investigate the evolutional trajectory of the research topics and hotspots.The results show that the research on virtual simulation based experimental education in mechanical engineering developed rapidly after 2011 because of national policy stimulus，and the research focuses include experimental education reform，education system design，virtual simulation based laboratory courses，virtual simulation based laboratory teaching techniques，and laboratory construction.The results obtained by quantitative data analysis in this paper will help illustrate the current state and future trends of the virtual simulation based experimental teaching of mechanical engineering majors in China，and provide insight and reference for universities to conduct virtual simulation based experiment teaching.

Keywords：Virtual simulation;Experimental teaching;Major in mechanics;Bibliometric analysis

实验教学是机械类专业人才培养过程中的不可或缺的环节，对于提升学生解决问题的能力有着重要的作用。随着社会对大学生实践能力和创新能力要求的逐步提高，国家对实验教学提出了新的要求，教育部办公厅发布了关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[1]，要求高校深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，高校因此纷纷开展实验教学改革，将虚拟仿真技术融于实验教学环节。在这一背景下，全面梳理和分析虚拟仿真技术在机械类专业实验教学中的应用和研究情况，能够把握我国高校实验教学的现状和趋势，为高校开展实验教学提供思路和借鉴。

一、研究方法

文献计量学是借助文献的各种特征、采用数学和统计方法描述、评价某领域的研究现状和未来发展方向的一种方法，被广泛应用于各种研究中[2]。本文以中国知网收录的期刊论文、会议论文、学位论文为研究对象，采用文献计量学方法，从发表时间、关键词等角度对机械类专业虚拟仿真实验教学领域的研究现状、研究热点、研究主题进行较为深入细致的分析，并深入梳理近年来研究主题或研究热点随时间的变化情况及相互关系。

二、数据来源

中国知网总库平台包括90%以上的中国知识资源如：期刊、学位论文、会议论文等资源类型，是国内最大的中文文献数据库。本文选取该平台收录的期刊、学位论文、会议论文，基本上能覆盖本领域的中文研究成果，能确保研究样本的全面性和完整性。选择的主题词：虚拟仿真、实验教学、机械专业，检索表达式：虚拟仿真AND实验教学AND机械专业，文献类型设定为期刊、学位论文、会议论文，检索时间范围不限，通过主题途径检索，得到检索结果661条。为确保检索结果的密切相关，对检索结果进行了初筛，剔除了高校虚拟仿真实验教学中心简介和部分新闻报道等，最终得到期刊论文514篇，学位论文62篇，会议论文12篇，总计588篇文献作为本文的最终研究样本。

三、发文趋势分析

在数据库中检索得知虚拟仿真技术用于实验教学的时间可以回溯到1993年左右，而从图1本文研究样本的发表时间分布情况看出，文章发表最早年份是2001年，表明虚拟仿真技术用于实验教学很早就有，而机械类课程中虚拟仿真实验教学最早出现的时间是2001年，发文数量总体上是呈增长趋势，2010年以前增长缓慢，2011年开始进入快速增长期，2011—2020年发文总数449篇，占全部文献数的76.36%，2019年达到峰值，当年发文89篇。2011年以后文献的快速增长主要归因于国家政策的引导。教育部在2012年印发的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中提出：重点推进信息技术与高等教育的深度融合，促进教育内容、教学手段和方法现代化。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》，明确提出于2017—2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，并统筹规划到2020年认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目，其中机械类认定30个项目。这两个文件颁布后，高校纷纷开展虚拟仿真实验教学的探索和实践，研究者也与时俱进更多地关注虚拟仿真实验教学的研究。当前是国家级示范性虚拟仿真实验教学项目的建设时期，今后一段时间内定会有更多的相关研究成果出现。

四、研究内容分析

（一）研究热点

为了更加直观清晰地展示研究热点和研究者关注的重点，本文使用科睿维安公司的文本挖掘工具DDA软件绘制词云图，将研究主题可视化。588篇文章涉及的关键词有1067个，首先对关键词进行清洗和整理，比如同义词合并、删除个别没有实际意义的关键词，得到经过规范处理的关键词855个。为了提高图的清晰性和可读性，本文选取出现3次以上的关键词绘制词云图。

词云图中，不同的关键词用颜色区分，关键词出现的频率越多，该关键词的字体越大。图2显示，出现频率较高的关键词有实验教学、教学改革、虚拟仿真、虚拟实验、虚拟现实、实验平台、Unity3D，这些出现频率较高的关键词代表虚拟实验教学领域的研究视角和研究热点，表明实验教学改革和虚拟仿真技术的运用是本领域的热门话题。

（二）研究主题

通过对提取的关键词和主题进行进一步分析，并辅以阅读相关文献，可知本领域的研究主要聚焦于以下几个方面：

1.实验教学改革

这类文献侧重于阐述机械类专业实验教学改革的背景和必要性。机械专业需要培养学生的实际工程应用能力和创新能力，在培養过程中实验教学占有重要地位。传统实验教学存在一系列弊端，实验教学内容单一，缺少多学科交叉融合实验，不能较好的激发学生创新思维。国家新工科建设、中国智造、卓越工程师培养计划等一系列政策的出台对实验教学提出了新的要求，机械类专业实验教学改革势在必行，因此研究者顺应改革趋势，与时俱进，紧跟政策导向，积极研究探讨改革和实践中的问题。另一方面，新技术的不断出现为现代信息技术与高等教育实验教学的深度融合创造了条件，教育手段和教学模式也在不断的改革和进步。越来越多的高校开始实验教学改革的实践，探索实验教学改革的思路和方向，依托各种课程实施虚拟仿真实验教学项目。

2.教学体系建设

在这个主题中，主要探讨虚拟仿真实验教学改革的原则、教学模式和教学内容设计。研究样本中有9篇文章阐述实验教学“虚实结合”的教学理念，如蒙艳玫认为虚拟实验教学内容设置与开发遵循“系统性、层次性、工程性、交互性”和“以实为本、虚实结合、能实不虚”的原则[3]。李翠超等结合目前工程训练实践教学现状及特点，提出一种虚实结合、优势互补的实践教学模式，并从教学原则、课程体系、教学设计、保障条件等方面探讨了如何有效开展虚实结合的实践教学[4]。刘清涛论述基于开放共享理念开展线上线下混合教学模式的实践[5]。谭雅莉、王叶群提出了“线上+线下”融合式的实验课教学模式[67]。虚实结合、开放共享、线上线下融合作为代表性的教学模式，将先进的信息技术融入实验教学环节，是传统实验教学模式的有效补充，有利于丰富实验教学内容，改进教学效果，提高学生解决问题的能力。

3.虚拟仿真实验应用课程

机械工程领域已经开始虚拟仿真实验教学的课程大致四类，一是机械制造类课程，比如《机械制造技术》《数控加工》《智能制造》《先进制造技术》《数控技术》;二是机械设计类课程，包括《机械原理》《机械设计》《机械设计基础》《机械制图》《工程机械设计》《虚拟样机技术》;三是机械控制与测试，涵盖了《机械工程控制基础》《数控技术》《自动控制原理》《控制工程》《机械工程测试技术》;四是液压传动类课程，例如《液压传动》《流体传动与控制》等课程。虚拟仿真实验技术在这些课程的实验环节将传统的硬件实验软件化，有效地解决了学生多、空间小、设备不足、存在安全隐患等问题[4]，随着虚拟仿真实验教学项目建设的完善，相信在不久的将来，虚拟仿真技术会运用于更多的课程中。

4.虚拟仿真实验教学技术

虚拟仿真实验教学应用的技术较多，关键词出现的频率高低展现了目前广泛运用的有LabVIEW、Matlab、Unity3D、Virtools、ADAMS等开发软件;从关键词出现的时间可知，虚拟仿真实验教学应用最多的技术是以图形化编程语言替代传统文本编程的LabVIEW软件，自2001年到2020年一直得到广泛应用;其次是Matlab;Unity3D软件在机械实验教学领域出现时间相对较晚，但自2012年第一次出现到目前为止，因其完善灵活编辑的优点而热度递增，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]。

5.实验室建设

研究样本中虚拟仿真实验室建设也是关注的重点，研究者围绕实验室或者实验中心建设、教学资源建设、实验教学平台开发展开研究。福州大学的国家级虚拟仿真实验教学中心建设，包括虚拟仿真实验教学资源体系建设、虚拟仿真实验教学人才队伍建设以及虚拟仿真实验教学平台建设等[8]。李小松对地方高校机电类虚拟实验教学中心的建设成果进行了梳理和总结[9]，刘磊介绍“新工科”虚拟仿真实验教学资源的建设成果，已开发工程机械类虚拟仿真实验教学资源共计7套[10];长安大学、中国石油大学基于开放共享的理念构建了开放式虚拟仿真实验教学平台[5，11]。虚拟教学平台具有功能集约、资源共享、开放充分的特点，突破了实验场地和实验课程安排的限制，能达到提高教学能力、丰富教学内容的目的，虚拟仿真实验室建设的成果和经验为其他高校提供了借鉴和参考价值。

五、结语

对CNKI数据库中收录的1993—2021年虚拟仿真技术在机械类专业实验教学中的应用方面的研究文献，运用文献计量学方法进行了定量分析，分析结果表明：2010年以前研究进展缓慢，2011年后由于国家政策的引导，研究者开始更多地关注虚拟仿真实验教学的研究，研究进入快速发展期;实验教学改革和虚拟实验技术的应用是研究热点;研究内容侧重于实验教学改革、教学体系建设、虚拟仿真实验应用课程、虚拟仿真实验教学技术、实验室建设。当前是国家级示范性虚拟仿真实验教学项目的建设时期，随着示范项目建设的完善，今后一段时间内定会有更多的相关研究成果出现，研究的深度和广度也会得到拓展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于20172020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html，20170713/20210410.

[2]楊颖，肖潭，南景富，黄芹.高校虚拟仿真实验教学发展趋势的文献计量分析[J].实验技术与管理，2020，37（12）：2428+32.

[3]蒙艳玫，唐治宏，董振，陆冠成，李先旺，梁策.机械工程虚拟仿真实验教学体系的研究与实践[J].实验技术与管理，2016，33（05）：109112.

[4]李翠超，凌芳.虚实结合的虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室科学，2015，18（02）：128131.

[5]刘清涛，张新荣，贺朝霞.工程机械开放式虚拟仿真实验教学管理平台建设[J].实验技术与管理，2018，35（07）：148151.

[6]谭雅莉，邹敏清，胡兆勇，杨继赢.机电类虚拟仿真实验教学模式研究与实践[J].教育教学论坛，2020（28）：235237.

[7]王叶群，王云阳，高振鹏，李振宇，王绍金.线上线下结合的《食品机械与设备》实验课教学模式[J].农业工程，2020，10（12）：9597.

[8]黄捷，林有希，朱晓林.装备设计制造虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理，2020，37（08）：253257.

[9]李小松，丁跃浇，周勇，李荣华，欧昌杰.地方高校机电类专业虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室科学，2019，22（06）：144146+150.

[10]刘磊，张嘉鹭.“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理，2021，38（01）：140143.

[11]王龙庭，石永军，姜浩，徐兴平，盖永革，陆富荣.工程机械虚拟仿真实验教学平台设计[J].实验技术与管理，2019，36（09）：116119.

基金项目：国家重点研发计划（编号：2018YFC1407405）“绿色船舶和绿色港口海洋环境安全保障服务技术与标准研究”

作者简介：袁晟（1993— ），男，湖北汉川人，硕士，武汉理工大学物流工程学院实验中心助理实验师，研究方向：液压实验教学、流体力学。