基于知识图谱的虚拟仿真发展研究及趋势分析

叶蔓

（池州学院文学与传媒学院，安徽 池州 247000）

虚拟仿真（Virtual Reality）是伴随现代网络技术、图形图像、计算机视觉以及多媒体技术等的不断进步而衍生的一种新的模拟技术，是利用软件开发出一个虚拟的环境来模仿真实世界或者构想中的世界，并通过视觉、听觉、触觉与虚拟环境进行交互。在利用虚拟仿真技术开发的虚拟环境中，学习者通过真实的体验感和沉浸感可以弥补现实世界中资源不足等一系列问题，取得理想的交互效果。

虚拟仿真技术正在越来越多的被应用于各行各业中，如医学、军事、航天、航海、化工、旅游、高校教学等。国家也出台了一系列相应政策来推动虚拟仿真技术的发展。2018年教育部启动国家虚拟仿真实验教学项目认定工作，并指出中央部委所属高校要将“国家虚拟仿真实验教学项目”纳入“十三五”期间中央高校教育教学改革专项的重要内容，予以重点支持[1]。2019年10月，由工信部和江西省人民政府联合主办的以“VR让世界更精彩——VR+5G开启感知新时代”为主题的世界VR产业大会，标志着虚拟仿真技术在新时代的发展中正呈现蓬勃的生机[2]。

本研究以虚拟仿真技术为研究对象，利用知识图谱分析软件从发文作者、研究机构、关键词、突显词等多角度分析虚拟仿真的研究现状以及发展趋势，为将来虚拟仿真技术的进一步研究提供数据来源和参考。

1 研究数据来源

以中国知网数据库作为研究数据来源,从CNKI中选取篇名为“虚拟仿真”的期刊文献共五千余篇,数据库检索截止时间为2021年9月。虚拟仿真的概念最早出现于1990年，但在长达十五年间并没有被太多关注，自1990年以来的虚拟仿真技术研究发表年度趋势如图1。

图1 虚拟仿真技术研究发表年度趋势图

从整体分析，自2016年以来，虚拟仿真的研究呈逐年上升趋势，每年发文量突破500篇；2018年教育部启动国家虚拟仿真实验教学项目认定工作，从2018年开始,关于虚拟仿真的研究论文数量开始迅速增长[3]；2019年10月，世界VR产业大会顺利召开，虚拟仿真技术出现蓬勃发展的趋势，近两年虚拟仿真的研究论文数量每年突破1000篇。可见，虚拟仿真技术的研究背后离不开国家政策的推动与经济发展的导向。

2 研究方法

本研究采用知识图谱分析软件对格式转换后的文献数据进行分析。知识图谱是利用知识域为研究对象，显示某一领域的发展进程与结构关系，既是可视化的知识图形，也是序列化的知识谱系[4]。这几年，“知识图谱”概念被经常提及，用于数据可视化分析的软件也层出不穷，如VoSviewer、Bibexel、Citespace等，每个软件分析的侧重点不同。

CiteSpace是一款基于JAVA语言开发的，用于挖掘潜在知识，实现数据和信息可视化的软件。通过分析特定领域文献，以探寻该学科领域演化的关键路径及起到关键作用的知识转折点，并通过可视化图谱的绘制对该学科或领域的发展起到推动作用[5]。该软件主要对研究主题、研究机构、研究趋势等进行数据分析。主要功能有：作者合作网络分析（寻找合作团队）、研究机构合作网络分析（寻找具有影响力的机构）、关键词共现分析（寻找研究聚类）、突显值分析（寻找研究热点）等。

3 虚拟仿真知识图谱分析

3.1 虚拟仿真研究作者分析

利用Citespace5.8.R1软件从研究文献中提取作者信息，设置 Time Slicing 为”from 2011 to 2021”，Year per slice 为1，在Node Types功能中选择”Author”。节点阈值设置”Top 5 levels of most cited or occurred items from each slice”，其他值设为默认，得到如图所示的作者共现合作图谱。从图2中可以看出，从2011年-2021年共有196位作者研究虚拟仿真，研究团队虽然较多，但规模不大，且发文量不多；发文量较多的作者处于相对独立的状态，研究方向多是虚拟仿真实验平台的构建、三维模型的建立、虚拟场景的搭建等，李玲和刘平安组成的研究团队比较关注虚拟仿真技术在医学实验教学方面的研究；王渊和贾永兴研究团队比较关注虚拟仿真技术在信号与系统方面的应用；刘亚丰、余龙江组成的团队侧重于虚拟仿真实验中心建设、规划以及实验教学的体系构建和模式探索。由此可见，虚拟仿真研究团队合作不深入，研究主力分散，缺乏合作研究成果。

图2 虚拟仿真作者共现合作图谱

3.2 虚拟仿真研究机构合作谱图分析

通过研究机构合作图谱分析可以体现出虚拟仿真研究领域的核心机构以及机构间的合作联系程度，在Node Types功能中选择”Institution”，选择每个时间片段中出现频次最高的10个节点数据，生成研究机构合作图谱，得到机构292个，机构间连线13条，网络密度0.0008，属于较低值。

图3 虚拟仿真研究机构合作图谱

抽取2016-2019虚拟技术研究上升期有突出贡献的真研究机构所发表的文献进行阅读分析，桂林理工大学艺术学院在资源环境工程、微生物实验研究上比较突出，通过虚拟仿真技术创造安全的实验环境，降低实验过程中毒、爆、火等风险，大大降低实验器材和药品的损耗。比如微生物数字切片系统、大型真菌虚拟3D模拟识别系统、细菌分子生物学分类鉴定仿真系统、根瘤菌发酵工艺仿真实验、真菌栽培工艺仿真实验、污水微生物处理工艺仿真实验等[6]。

青岛科技大学化工学院利用虚拟仿真技术搭建大型仪器三维操作平台，高度仿真的工业级化工装置操作场景可以很好与企业实习相融合。2015年，青岛科技大学化工过程与装备虚拟仿真实验教学中心获批为国家级虚拟仿真实验教学中心(教高厅函[2015]3号)。2019年，青岛科技大学化学工程与工艺专业获批为国家一流本科专业。同年开发的“催化裂化吸收单元3D虚拟仿真综合实验”项目获批国家虚拟仿真实验教学项目。该校通过校企合作扩充虚实结合的化工实习案例库，实现新工科背景下高素质人才的培养[7]。

对虚拟仿真研究有重要贡献的研究机构是华中科技大学，华中科技大学关于虚拟仿真研究的发文量如下图4。该机构在机械设计、物流大数据等虚拟仿真实验平台的建立以及虚拟仿真实验教学体系的构建等方面做出突出贡献。尤其是华中科技大学的生命科学与技术学院多次提出了在教育信息化背景下如何通过虚拟仿真实验这种新的教学模式来推动教学改革并促进教学质量的提高[8]。通过“互联网+”将虚拟仿真实验教学项目设计并应用到教学中，可以有效地解决目前高校实验资源短缺、器材陈旧、场景单一等问题，培养学生的实践操作技能，学习者可以随时随地在虚拟实验中通过模拟来提高专业技能，从而激发创造性。

图3 华中科技大学关于虚拟仿真研究的发文量图

结合研究作者和机构合作图谱对网络密度、发文量等研究数据分析，华中科技大学发文量居第一位，以刘亚丰和余龙江组成的团队研究成果颇多，但其他研究力量分散，未形成有影响力的研究团队和跨机构间的合作。

3.3 虚拟仿真研究主题谱图分析

3.3.1 关键词聚类可视化分析 利用citespace软件生成关键词聚类图谱，对虚拟仿真关键词进行聚类分析，设置Time Slicing为”from 2011 to 2021”，Year per slice 为1，在Node Types功能中选择”Keyword”。节点阈值设置为”Top 50 per slice”，其他值设为默认，经自动聚类分析以及可视化呈现，得出如图5所示的关键词共现图谱。从图谱可以看出，Citespace聚类分析生成#0-#5共6个研究聚类，分别是虚拟仿真、虚拟仿真实验、虚拟仿真技术，仿真实验教学、仿真技术、unity3D。通过图谱分析以及参考相关文献可以了解虚拟仿真技术的发展历程。

图4 虚拟仿真关键词聚类图谱

虚拟仿真是沉浸性、交互性和想象性高度融合的技术。2011-2013年，基于VR技术的虚拟眼镜由谷歌公司上市，同时Oculus公司推出虚拟现实头戴设备，这两种主流VR设备的迅速发展，使得虚拟体验逐渐由半沉浸式过度到沉浸式。但设备成本高昂，交互性仍然低；虚拟仿真场景大多基于真实世界，旨在解决真实问题，很少涉及现实生活中没有或无法亲临的场景，想象性没有得到体现。

自2014年起，虚拟仿真实验团队及实验室逐渐兴起，尤其在互联网巨头脸书公司收购Oculus公司，这预示互联网开始涉足虚拟现实领域。虚拟仿真实验室是借助虚拟现实技术、多媒体和网络来搭建实验场景，广泛应用于各大领域。尤其是在教育领域，虚拟仿真实验用来辅助实验教学，可部分甚至是全部替代实验教学环节。虚拟现实技术还与线上教学相结合，这种新的混合式教学模式可以解决传统实验教学中实验器材紧缺、实验结果不可逆、实验成本高昂、实验资源浪费等一系列问题。

unity3D软件是一款游戏引擎，虚拟仿真是用于制作三维动画设计，在Unity3d中除了自带的模型设计功能，还可以直接导入3DMAX建好的模型，通过关键帧数动画来进行场景模拟以及路径和动作设置，导入声音影像等资源，从而真实地模拟出虚拟场景，让用户有沉浸式的体验，unity3D软件强大的引擎功能可以跨平台操作，手机和电脑等多操作系统都可以使用，还可以安装插件，从而简化设计过程，并带来很好的交互功能。

2020年以来,在5G商用化进程加速和新冠肺炎疫情背景下“非接触式”经济的新需求为虚拟仿真产业发展带来了新的机遇。虚拟仿真、增强现实技术在支撑服务疫情防控、加快企业复工复产、强化服务保障、提高抗疫效率中发挥了积极作用[9]。

3.3.2 关键词聚类提取 高频关键词能反映研究领域的研究主题，本文利用Citespace软件对被研究文献提取关键词，获得关键词255个，其中出现频次前10位的高频关键词如下表1所示。

表1 虚拟仿真高频关键词统计表

去除检索时的关键词虚拟仿真和意思相近的虚拟现实、虚拟仿真技术，实验教学和实践教学做关键词合并，得到实验教学、虚拟仿真实验、教学改革、教学模式、新工科这5个高频关键词，认真阅读相关文献，将我国近十年来虚拟仿真实验教学研究梳理如下：

实验教学旨在培养学生分析和解决问题的能力，提高实践操作。传统的实验教学因受实验场地、器材等多因素限制，多采用分组教学的方式，实验形式单一，规模偏小，缺乏互动，学习的主动性得不到提高，创新性得不到有效培养[10]。

随着现代社会的高速发展，新技术不断涌现，虚拟仿真实验是结合虚拟现实、现代网络技术和计算机多媒体等技术而衍生的一种实验模式，是利用软件开发出一个虚拟的实验环境，让学习者通过平台模拟来完成实验项目，从而实现预期的实验效果。在利用虚拟实验技术开发的虚拟实验环境中，学习者有真实的体验感和沉浸感，可以弥补现实中实验教学资源不足等一系列问题，取得理想的实验效果。

传统实验教学模式已不能满足应用型高校对人才的培养，成本高昂、场地单一、设备陈旧、材料老化、人员配备不足等问题逐渐暴露。为弥补传统实验教学的不足，高校纷纷提出教学改革。将虚拟仿真实验应用到教学中，能有效解决目前实验资源短缺、器材陈旧、场景单一等问题，能有效培养学习者的实践操作技能，学习者可以随时随地在虚拟实验中通过模拟来提高专业技能，从而激发创造性。目前，虚拟仿真实验中的各类建模、交互技术均已实现，虚拟仿真实验教学平台在高校中得到快速推广，这种新的教学模式可以将传统实验过程通过三维的形式完美展示，实验场景逼真，既培养了学生的实践能力，又比传统实验更能加深学生对教学内容的掌握。

2017年，教育部积极推进新工科建设，高校掀起一股新工科热潮，纷纷改革教学模式，培养具有较强实践能力的应用型人才是高校教学改革的目标。加强教学互动，落实以生为本，提高学生的课堂参与度。在传统实验中引入虚拟仿真技术这种新的教学改革模式，能有效提高学生的学习兴趣，引导学生主动学习、提前预习，并通过虚拟仿真实验平台加强理解，分析问题和解决问题的能力得到锻炼。

3.3.3 关键词共现图谱突显词提取 从关键词中提取突显词，通过突显词研究来分析虚拟仿真研究的前言和发展趋势，得到突显词图谱（图5）如下，可以直观的看到突显词持续年份。自2016年以来，虚拟仿真实验室开始出现，在国家政策的引领下，教育资源实现开放共享，虚拟仿真实验教学平台在高校间如雨后春笋般涌现，近年来，新工科背景下的混合式教学会是虚拟仿真研究领域的热点。

图5 虚拟仿真突显词提取

4 结语

本文对2011-2021年以来的虚拟仿真相关文献利用Citespace知识图谱软件进行研究。从发文量看，虚拟仿真技术近两年处于上升趋势，并随着国家政策的推动和经济发展的导向继续蓬勃发展；从研究作者和机构看，研究主体和核心力量较分散，虽然已形成有影响力的研究机构，但核心团体较少，研究主体和跨机构间的合作程度有待提高。研究热点方面，新工科环境下的虚拟仿真实验教学研究颇多，目前混合式教学已经普及，高校应更加关注应用型人才的培养，结合全媒体时代的特性，对虚拟仿真实验平台在教学模式上加以改革，这些研究结论为虚拟仿真后续发展提供数据支撑和参考。