高等院校实验研究的现状和热点——基于中文核心期刊论文的知识图谱分析

孙小琪， 杨晓新

（1.南通大学教育科学学院，江苏南通226000；2.南京大学信息管理学院，南京210000）

0 引 言

高校的实验体系不是孤立存在的，实验室建设与管理、实验教学、实验技术、实验环境与安全以及仪器设备使用管理等诸多方面都影响着高校的教学成果和人才培养质量。因此其发展水平对高校的教育治理体系和治理能力起着关键性作用［1］。而且在建设“双一流”高校的推动下，国家对高等教育的投入不断加大，高校的实验室工作已形成了较为完善的管理体系，吸引了相关学者的广泛关注，并取得了可观的研究成果［2-4］。虽然这些已经发表的典型文献资源能从整体上体现高校实验体系的研究成果，却无法实现深层次分析，即缺乏对这些成果进行直观的量化分析和共性分析［4］。鉴于此，本文借助Bicomb、Ucinet和SPSS软件分析工具，对《实验技术与管理》和《实验室研究与发展》两大中文核心期刊2015～2019年的发文进行科学化地整理分析，将这些成果进行直观地可视化展示，以精准化掌握当前高校实验体系的发展动态和研究热点，从而推动高校实验体系的高质量发展，为高校教师、科研人员、实验技术与管理人员提供多元化的参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

《实验技术与管理》和《实验室研究与探索》两大期刊是高校实验研究中具有广泛影响力的高水平中文核心刊物，其发表的论文聚焦了近年来高校实验室工作中的最新前沿，能够充分地体现当前各大院校实验体系的研究现状、热点以及趋势等。因此研究这两大期刊上发表的文章对于分析高校实验体系的建设发展具有重要作用。通过在CNKI数据库中检索以上两大期刊于2015～2019年间的发文量。检索项：来源期刊实验技术与管理和实验室研究与探索，时间跨度：2015

～2019，共检索到8 872篇。除去刊物征稿、名人访谈、实验室宣传以及特约专栏等与本文研究无关的文章，最后得到有效文章8494篇作为研究对象，其中前者4 237篇，后者4 257篇。

1.2 研究工具与方法

针对从中国知网论文数据库中导出的8 494篇有效文章，本文采用Bicomb、Ucinet和SPSS软件对这些研究成果进行分析。具体研究过程和方法如下：

（1）设置检索条件，从中国知网数据库中导出符合条件的文献数据，包括标题、作者、单位、期刊、摘要、关键词和时间，保存为NoteFirst格式。采用NoteFirst格式导出文献时按照系统默认设置即可。

（2）分别将两大期刊导出的文献数据导入Bicomb软件进行关键词的标准化处理，对同义词、非实义词等关键词进行转换修正，如关键词“虚拟仿真”“虚拟仿真技术”以及“虚拟仿真系统”等均是同义词，都表示实现虚拟仿真的技术手段，因此可以进行同义词转化。然后利用Bicomb软件分别以作者、第一作者、作者单位以及关键词等为关键字段，对发表文献进行统计分析。

（3）利用Ucinet和SPSS软件对研究文献的高频关键词进行共词分析和聚类分析。①通过分析文献中关键词共同出现的频次来判断所研究主题的热点及彼此之间的关系。②通过聚类分析对研究对象的关键词进行归类，进一步判断文献研究主题的内部联系以及与其他主题之间的相互关系，从而揭示该主题的现状、热点及发展趋势［5-6］。

2 研究现状与热点分析

2.1 文献研究的特征

（1）作者。利用Bicomb软件分别对《实验技术与管理》和《实验室研究与探索》近5年的发文成果按照第一作者进行频次统计分析。以“第一作者”为关键字段，将“频次阈值”设置为5，即导出了2015～2019年期间以第一作者身份在两大期刊发表论文在5篇以上（包括5篇）的作者频次信息。统计结果如图1所示。在《实验技术与管理》期刊上，发文量在5篇以上的共有24位作者。其中陈功贵和张磊的发文量名列前茅，分别发表9篇和8篇文章。张建良、赵玉红、刘艳等4位作者出现了7次，张海峰、吕淑平等5位作者出现了6次，黄开胜、杨亮等13位作者出现了5次。在《实验室研究与探索》期刊上，以第一作者身份发表5篇以上文章的有14位。其中刘艳发文量最多，出现10次。其次陈功贵发表了8篇文章。张建良、赵玉红等4位作者出现了6次，王杰、赵海滨等8位作者出现了5次。他们在高校实验研究工作中取得的成果具有显著的代表性。例如张海峰关于实验室建设的研究论文单篇共被引达82次。

图1 第一作者出现的频次

此外，以“作者”为关键字段，借助Bicomb软件构建高频作者的共现矩阵。分析发现在两大期刊上，两两作者共同出现的频次较少，即说明作者之间缺乏紧密联系，彼此之间的相互合作比较零散，大都以校内或者机构内合作为主。

（2）研究机构。利用Bicomb软件对研究成果的单位机构进行了统计分析。结果显示，2015-2019年期间，在《实验技术与管理》上出现频次在50次以上（包括50）的单位共有20个，位居前5的单位分别为中国石油大学（华东）、清华大学、四川大学、中国矿业大学和吉林大学，出现频次均在100次以上，其中中国石油大学（华东）出现频次203次。在《实验室研究与探索》期刊上出现频次在50次以上的单位共有18个，位居前5的分别为上海交通大学、中国石油大学（华东）、吉林大学、浙江大学和同济大学。总体上看发文量较多的主要集中在国内知名院校或者研究机构，主要以高等院校为主。这也侧面说明高等院校，特别是双一流、国家级、省级示范中心等相对更加重视实验研究工作，并引领我国实验体系的建设发展。表2列出了两大期刊一级单位出现频次Top10的数据统计。此外，进一步利用Citespace生成了排名前TOP20的研究机构合作图谱，以探索研究机构之间的合作情况。分析图谱发现，与作者之间的合作情况相似，研究机构之间连线也较少。说明在实验研究方面，机构之间也缺乏相互沟通交流，没有形成一定规模的研究共同体。这可能由于高等院校的独特性以及数据隐私等原因，很难实现资源的充分共享。

表2 一级单位出现的频次（Top10）

2.2 高频关键词

（1）高频关键词频次。利用Bicomb系统对研究成果的关键词进行数据清洗和筛选后，分别提取出有效主题关键词。然后利用Bicomb的统计功能，确定前30个高频关键词为主要研究对象，部分统计结果如表3所示。

分析表3中的数据可以发现，“实验教学”和“实践教学”是在两大期刊上出现频率最高的两个关键词，是当前高校实验研究的热点。这也意味着在高校实验教学中，以技能实训为主、应用为主的教学研究取向。其次，“虚拟仿真”“仿真实验”“仿真”“实验平台”“LabVIEW”“MATLAB”等高频关键词，代表了不同的技术手段和工具，体现了研究人员在研究实验教学或者实践教学的同时，融合多种先进技术。这侧面反映了技术，特别是新兴技术将不断推动实验教学改革研究。此外，“实验室管理”“实验室建设”“安全管理”以及“实验室安全”等关键词的高频出现，反映了实验室建设与管理工作的重要性，是开展正常实验教学的基础保障。“高校”和“高校实验室”等关键词体现了具体实验研究工作的层次和范畴。

表3 高频次关键词出现频次（部分）

（2）高频关键词社会网络。为了研究当前高校实验室工作中的研究热点及彼此之间的关系，进一步利用Bicomb书目共现分析系统和Ucinet软件绘制高频关键词的社会网络。首先利用Bicomb软件构建了前30个高频关键词共现矩阵，矩阵大小为30×30（见表4、表5）。矩阵中的数值表示两两关键词同时出现的频次，数值越大它们之间的联系越亲密。然后根据得到的共现矩阵，计算Ochiia系数，转换成对应的相关矩阵。将相关矩阵导入Ucinet进行再次处理，并保存为.＃＃h和.＃＃d文件，以用于NetDraw绘制关键词的社会网络，并选择“degree”为条件对绘制的高频关键词社会网络进行中心度分析，如图2和图3所示。

表4 《实验技术与管理》高频关键词的共现矩阵（部分）

表5 《实验室研究与探索》高频关键词的共现矩阵（部分）

观察图2和图3可以发现，当前高校实验体系中的主要研究主题的分布情况：两大期刊中，以“教学改革”“实验教学”为核心研究内容，周边环绕着“实验平台”“实验室管理”“教学模式”“校企合作”“虚拟仿真”等主题。分析图2可以看出，“教学改革”处于社会网络的中心位置，体现了大部分发表文章的地位和核心，是当前实验体系研究工作的热点。“实验平台”“实验教学”“校企合作”“教学模式”“创新能力”“LabVIEW”“虚拟仿真”处于网络的中部位置，是连接核心主题和边缘主题的枢纽，侧面反映当前高校实验研究的落脚点，意味着未来的研究趋势和方向。而“安全管理”“实验室安全”“开放共享”“实验装置”“实验设计”等处于网络的最外围，代表了实验体系中的一些边缘研究，有待进一步展开深入探讨。分析图3可以发现同样的规律，只是有些关键词主题有些区别。

图2 《实验技术与管理》高频关键词的社会网络

图3 《实验室研究与探索》高频关键词的社会网络

（3）高频关键词聚类图谱。将高频关键词相关矩阵转换成相异矩阵并导入SPSS进行多维标度分析，得到两大期刊2015～2019年研究成果的高频关键词的聚类图谱，分别为图4和图5所示。其中《实验技术与管理》聚类图谱中的Sterss＝0.24，RSQ＝0.80。《实验室研究与探索》聚类图谱中的Stress＝0.19，RSQ＝0.

图4 《实验技术与管理》高频关键词聚类图谱

图5 《实验室研究与探索》高频关键词聚类图谱

83。说明《实验室研究与探索》聚类图谱与源数据拟合度更好，能够清楚地揭示关键词之间的关系。

鉴于拟合度的原因，本文主要根据图5中关键词的坐标位置以及和彼此之间的疏密程度，将它们划分为三大研究主题：①实验室建设与管理。关键词包括实验室管理、实验室建设、实验室、高校、实验室安全、安全管理、仪器设备以及物联网。高校实验室作为人才培养的第一阵地，是学生进行自主学习和创新创业等能力训练的重要平台，是高校人才培养体系中的不可或缺的组成部分［7］。针对“实验室的建设与管理”这一主题的研究是实验体系工作的立足点，是其他各个环节的奠基石。因此各大院校及实验研究人员都高度重视实验室的建设研究。特别是在以人工智能为代表的新兴技术的助推下，必将驱动实验室建设、管理以及运行等方面都产生巨大变革，而这种变革正在显现。例如以“智慧”＋“实验室”“人工智能”＋“实验室”“大数据”＋“实验室”“互联网”＋“实验室”为主题进行检索，两大期刊共检索到87篇相关文章，而且发文章呈逐渐增长的趋势。这说明在人工智能技术的引领下，各大高等院校纷纷加快建设步伐，积极构建与现代信息化技术相结合的智慧型实验室成为高等院校深化教学改革、推进新工科建设的必然趋势。②实验教学改革研究。关键词包括：实验教学、实践教学、教学模式、创新能力、教学改革、实验教学示范中心等。如上所述，“实验教学”在图3中处于中心位置，是高校实验体系的研究热点。实验室的建设与管理、仪器设备、实验室安全、实验技术与方法等流程的研究都是为了更好地服务实验教学。实验教学水平的高低对培养学生的实践操作能力、创新创业能力起着至关重要的作用，因此学者们也针对这一主题开展了一系列的探究。这些研究涉及了医学、护理学、教育学、心理学、电力学、计算机科学等等［8-10］，涵盖了我国人才培养体系的绝大部分学科。例如陈功贵［11］针对电力系统的仿真实验教学进行了大量的研究，以加深学生对实验算法和原理的认识与理解，提高学生的实践操作能力。“教学模式”“教学改革”和“创新能力”等这些关键词

体现了在新工科背景下，传统的实验理论验证、培养学生技能的教学理念也面临着挑战，高校在人才培养过程中开始聚焦对学生创新实践能力的培养，以积极适应新时代对创新型人才的需求。张建良等［12］坚持以创新型人才培养为导向，对实验教学平台的开发设计进行了大量的研究。例如他们提出的基于学科交叉的创新性实验平台建设与实施方法，对推动实验教学改革起到积极的影响。该篇文章单篇下载次数达505次，共被引23次。这些研究侧面反映了越来越多的高校及学者们开始转变实验教学理念，特别是在先进的教学技术的推动下，教学模式也在发生变革，要把握以学生为主体不动摇，积极推动实验教学改革，从而更好地为社会培养兼具创新能力和实践操作能力的复合型人才服务。③实验技术与方法的应用研究，关键词包括虚拟现实、翻转课堂、虚拟仿真、Matlab、单片机、LabVIEW以及开放共享等。技术是推进高校实验体系建设的关键性要素之一，也是未来一段时间的研究方向和趋势。特别是在教学信息化的大背景下，针对实验技术与方法的应用研究也逐渐增多。分析两大期刊的研究成果来看，可归纳为：①以技术分析为主的综述性研究。探索技术在实验体系中某个环节的应用及其产生的影响等。例如赵玉红等［13］对MOOC与生物实验教学的融合进行了探索。他们结合翻转课堂的开展方式，将传统的线下实验教学与线上平台相结合，探索＂微视频＋探究式预实验＂的实验教学新模式，以激发学生的科研兴趣，培养学生的科研能力和综合素质。②基于数据的实证研究。利用相关的实验教学平台、教学软件等，采集实验数据，并对实验数据进行分析，对教学效果或者实验效果进行反思等。例如刘立等［14］学者自主设计了一种启发式翻转课堂教学模式并将其应用于实际教学中，并对其效果进行了实证研究和分析。③基于实验技术或者方法的设计开发研究。针对某一学科领域，借助虚拟仿真、VR等技术，设计开发一些新的实验平台，以提高实验教学效果。例如广东医科大学的王萍等［15］为了避免医学实验教学中的伦理问题，他们借助虚拟现实技术，自主研发了护理学实验教学软件。

3 建议及思考

（1）加强合作交流，实现资源交互和共享。人工智能时代开放共享的精神，客观上要求高等院校要积极加强彼此之间的合作交流，这对于高校实验体系工作的开展具有极大的推动作用。对于高校而言，通过将高品质的实验教学资源上传到云平台，有助于实现优质资源的交互和共享。对教师个人而言，借助在线云平台能够实现高校教师之间的相互连接，让大规模地在线协作、跨团队、跨学科研究成为可能。在这种情况下，教师们可以相互交流、学习和协作，不断丰富各自的实验教学经验，提高教学水平，快速响应不断变化的实验教学需求。为此，各大高等院校要把握时机，紧跟时代步伐，秉承开放共享的时代精神，加强合作交流，相互取长补短，积极借助智能化的教学平台以及云网端等技术，实现资源的整合和云化。

（2）关注新兴技术的发展和应用。当前虚拟仿真、虚拟现实、MOOC、创客等技术大都还处于高校实验体系研究的边缘地带，具有广泛的研究空间和价值。特别是人工智能、增强现实、体感技术以及云计算等新兴技术地不断涌现，并逐渐在高校的实验室建设与管理、实验教学等一系列环节中得到广泛应用，这些技术将为高校的实验体系建设与发展持续注入新的活力。在智能化信息时代，新兴技术作为助推创新的重要引擎之一，其对高校的实验体系建设的影响已初见端倪，如实验教学环境多样化：从面对面教学到平台教学，有助于激发学生的学习兴趣，提高教学效果；实验室管理自动化：从复杂的人工管理到自动化的管理，有助于提高管理效率，实现精细化管理；实验室建设科学化：从经验判断到实证测量，有助于满足实验教学需求的精准投入。高校应该与时俱进，积极关注新兴技术与实验体系的融合发展，用这些先进的技术为高等院校实验体系的深入发展创造条件，为实验室管理、教学、环境以及仪器设备提供智慧化服务［16］，最终为推动新工科人才培养向智能化、自动化和精准化的方向发展提供更好的服务。

（3）丰富高校实验室工作的深度研究。当前，我国的高校实验室发展迅速，已逐渐形成了较为完善的实验室体系，涌现了一大批的国家级或者省级示范中心，该体系的改革发展将对提升我国的人才培养质量和科研水平起着至关重要的作用。但如前所述，当前高校的实验室体系研究大都以理论研究为主，缺乏基于问题学习或者项目学习的实证研究和实践研究，但一些学者已经开始进行了一些探索。如张芬娜等［4］利用知识图谱技术，通过定量化、可视化已有文献的研究热点，对高校教学实验室综合改革模型进行分析。因此高校学者们可以借鉴国内外已有的研究经验，不断丰富高校实验体系的深度研究，从而为实验体系改革提供全面化、科学化的指导。