近十年国内虚拟仿真技术在课程教学中应用的可视化分析

刘华　黄秋玉　孙喜妹

摘  要  随着信息化教学改革的加速推进，运用虚拟仿真技术参与课堂教学将成为中国高等教育教学未来发展的重要趋势。利用CiteSpace软件对我国虚拟仿真技术在课程教学领域的发展情况进行研究，寻找研究重点及热点，剖析演化趋势，推进虚拟仿真技术在课程教学中的应用，为我国虚拟仿真技术在课程教学领域的发展提供参考与帮助。

关键词  虚拟仿真技术；CiteSpace；课程教学

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）03-0004-05

0  引言

随着人类社会进入信息时代，学生的学习方式逐渐趋向数字化、信息化、智能化，但学习的效率与效果却未显著提高，学习多处于表面化阶段。因此，借助信息技术大力推进高校信息化教学改革必然成为中国高等教育未来发展的重点。

虚拟仿真技术是在多媒体技术、虚拟现实技术与网络通信技术等信息科技迅猛发展的基础上，将仿真技术与虚拟现实技术相结合的产物，是一种更高级的仿真技术，其特點为沉浸性、虚拟性、真实性以及交互性等。将其引入教学可提升学生深度学习的能力，学生可充分利用身体各种感官体验进行学习，比如视觉、听觉和触觉等多种感官体验，这可帮助学生深入地理解学习内容[1]。我国对虚拟仿真技术的研究始于20世纪90年代初，2013年，教育部启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设[2]。

高等院校的目标是培养具有家国情怀，追求卓越，引领未来的高质量人才，需要理论和实践相结合。但是在教学过程中，由于教学实验仪器更新较慢及数量不足直接影响了教学质量及教学效率的提升，所以学校应积极在教学方法及模式等方面探索与创新，以便使培养的学生适应社会发展的需求。

虚拟仿真技术与课程教学有机结合，不但能为高校实验教学提供便利，而且能有效帮助学生对理论知识消化吸收，同时也使学生的学习积极性得到充分调动，进而提升其主动学习能力。

CiteSpace是一种应用Java语言开发的信息可视化软件系统，主要基于共引分析理论和寻径网络算法等对特定领域文献（集合）进行计量，以探寻出学科领域演化的关键路径及知识拐点，并通过绘制可视化图谱来分析学科演化潜在动力机制、探测学科发展前沿[3]。

本文运用CiteSpace软件对我国虚拟仿真技术在课程教学领域的发展现状进行分析，探寻研究热点，分析演化趋势，以期为我国虚拟仿真技术在课程教学领域的发展提供参考与借鉴。

1  资料与方法

1.1  一般资料

检索2012年1月1日—2022年10月31日CNKI有关虚拟仿真技术在课程教学领域相关的文献。检索式：（虚拟仿真技术OR VR OR 虚拟现实）AND课程教学。

熟练掌握信息检索策略的两名工作人员分别审读检索获得的文献题目、摘要和全文，并纳入与主题相关的文献，同时手工筛选排除学位论文、学术会议报告、重复发表的文章和没有获得权限的文章等。

1.2  文献计量和可视化分析方法

利用CiteSpace 5.8.R3软件，对CNKI数据库中检索筛选出的文献进行文献计量及可视化分析。

1）利用CNKI数据库，将检索筛选出来的文献数据生成Refworks格式的文件，然后转换成WOS数据格式，并按照CiteSpace要求保存为downloa-d_XXX.txt格式。

2）把保存为download_XXX.txt格式的中文文献导入CiteSpace软件中进行发文量和关键词的可视化分析。

3）设置信息挖掘的限制条件，即时间跨度设置为2012年1月—2022年12月，时间分割区设置为1年，演算时阈值（Top N% per slice）选择50，剪切方式（Pruning）采用Pathfinder法，节点类型选取关键词做共现及聚类分析，绘制可视化图谱以可视化形式呈现相应科学知识图谱，并分析虚拟仿真技术在课程教学领域的研究热点等。

2  结果

2.1  发文量

在2012—2022年（截止日期为2022年10月31日），CNKI共纳入759篇。发表论文年度趋势见图1。由图1可以看出，最近10年国内关于虚拟仿真技术在相关课程教学中应用方面的发文量总体上呈现波动上升趋势；随着2014年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设，2014年以后虚拟仿真相关文献的数量出现明显增长，且在2016年后增速明显；2017—2019年间发文量上升较慢但保持稳定状态；2019年之后上升明显，这种上升很大一部分原因来自国家和教育部对虚拟仿真项目的重视和关注。

2.2  关键词共现分析

根据多诺霍提出的区分高频词和低频词的公式，将利用CiteSpace分析所得到的关键词数679代入公式运算，可得出阈值为36，在679个关键词中频次超过36的关键词共有7个[4]。根据中心度指标数分析，当中心度值≥0.1时，说明这个词具有很强的影响力；另外，这个数值越高，表示该节点在网络中的作用及重要性越高，相关研究也就越丰富[5]，见图2。

图2中，每个圆圈代表一个关键词，圆圈越大，就意味着被引用的频率越高，所受到的关注也越来越多，而节点间的共被引频率和研究关系的远近则用圆圈之间的连线及距离远近表示，被引频率和中心度较高的圆圈是2012年以来虚拟仿真技术在课程教学中应用的研究热点[5]。取频次＞36的关键词作为高频关键词，且这些关键词的中心度均≥0.1，都与虚拟仿真技术在课程教学中的研究具有高相关性，国内学者近10年的关注点集中在虚拟现实、虚拟仿真、VR技术等在课程教学中的应用，以及在教学模式中的探索，其中在教学领域的虚拟仿真技术应用主要侧重于实践性教学课程，虚拟仿真实践教学模式实现了教学课程实践与信息技术的融合，成为当今中国高校实践性教学课程最重要的教学手段之一[6-8]，见表1。

2.3  关键词聚类分析

得到共现图谱后，根据关键词之间的共现关系及强度，再基于聚类算法计算出聚类结果，最后按关键词提取聚类标签，共得到7个聚类标签，使用对数似然率算法对聚类关键词进行提取，见表2。关键词聚类分析可以理解为对所有关键词进行一定的主题分组，能够更进一步地了解关键词的内在逻辑关系。一般认为，聚类效率＞0.5则是合理的聚类，而＞0.7聚类是高效的[5]。从表2得出，各聚类均＞0.7。

总体来看，7个类团之间具有很好的一致性。再根据发表论文关键词发展路径和发文时间分析，得出关键词聚类时线图，见图3。聚类中的关键词与时间之间的联系可以通过该关键词聚类时线图看出，同一聚类中的关键词位于同一坐标上，存在连线便表示关键词之间出现了共现情况。从总体上看，虚拟仿真技术在我国当前的课程教学领域的应用是一个逐步发展演变的过程。

目前，国内虚拟仿真技术在课程教学中的相关研究主要集中在该技术在课程教学以及教学模式上的研究。许多研究者从课堂教学内容出发，研究关于某一类课程教学内容的教学模式。比如马利华[9]针对實验类课程内容的教学模式进行了研究，其特征是在虚拟实验平台上学习，实验学习过程具有可逆性和学生自主学习；李振华[10]则探讨研究了基于虚拟现实的技能训练教学模式，该模式注重基于学科原理的动态场景和真实的技能应用环境中体验技能，重点是评估培训效果。

3  讨论

3.1  发文量分析

从目前发表的关于虚拟仿真技术在课程教学领域应用的文献来看，该技术整体上呈现上升发展趋势。这种技术刚出现时，人们对它的认识和了解还不足，同时研究及应用相对较少，发展速度也相对较缓慢，自2016年开始，该领域的研究论文数量迅速增加，说明信息技术的快速发展，是教育网络化、信息化发展成为大趋势的重要因素之一，而虚拟仿真技术也随着这波大趋势逐渐进入更多人的视野中，并得到重视和研究。虚拟仿真技术的不断完善，再加上我国学者在涉及该项技术以及衍生技术的研究力度不断加大，使得该方向的研究在教育领域更加多元化，如进入了医学教育、机械教育等教育领域。此外，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将虚拟仿真技术列入三大信息技术，并提出在医学、娱乐、艺术与教育、军事和工业制造管理等多个相关领域重点研究虚拟仿真技术和系统[11]，在我国教育的发展中虚拟仿真技术扮演着重要的角色，因此，该项技术的发展前景是良好的。

3.2  关键词共现、聚类分析

通过对关键词共现分析和聚类分析，发现虚拟仿真技术在课程教学领域中的研究主要体现在以下方面。

1）虚拟仿真技术的相关系统软件的产品设计、研发和运用研究。虚拟仿真技术为教育领域的发展提供了巨大的支持和帮助，包括虚拟仿真技术的相关课程教学设备、平台、环境以及相关配套技术，同时为学习者提供了可视化模型，都是该技术在课程教学领域中的重要体现。比如VR、虚拟仿真、增强现实[12]、人机交互[13]等，这些环境、辅助工具让学生对教学内容理解得更深刻。

2）将虚拟仿真技术教学应用重点放在移动教学[14]等方面，主要包含教学模式、实验教学等。这些新兴技术的出现为教学发展带来了新的方法和方式，打破了以往的教学模式以及固化的教学思维。

3）虚拟仿真技术使学习者有了更丰富的学习情境和学习模式来选择。通过搭建沉浸式的虚拟现实环境，给学习者带来视觉、听觉、触觉上的交互与学习体验[1]。此外，根据虚拟仿真技术的特性，能够有效解决更多的教学问题，例如提供更多的教学资源，有效合理地利用现实教学场地并提供新的虚拟教学场地，提供危险性实训操作的虚拟仿真平台，减少由于教学过程不可逆而导致的教学资源浪费，提供更多的教学仪器设备以供选择等。

但是，目前虚拟仿真技术在课程教学中的实际应用也面临着相应的困难及挑战。

首先，虚拟仿真技术在课程教学中的实际应用和对课堂教学方法的探索还不够深入，在现阶段主要在理论层面，并且由于VR课程的制作与设计一直面临着一些问题，比如技术与课程之间融合不足等使得教学课程的设置和教学方法模式过于简单，教学课程与教学内容之间的匹配度并不高。这些也是现阶段虚拟仿真技术在课程教学中所存在的主要问题，想要实现更有效的学习效果，就必须选择更完善的教学模式及教学方法。

其次，由于满足虚拟仿真技术所需的硬件配置要求过高，完整且成熟的软硬件产品几乎没有，所以需要通过提高硬件配置的方式来创造良好的沉浸式体验。

最后，如果长时间依赖该技术进行课程教学，学生对知识的掌握水平与成效很难衡量，因为虚拟环境和现实环境之间还存在着很明显的差距，所以要构建更合理、更完善的互联网教育资源共享体系，防止重复建设，以及资源浪费，在全方位使用虚拟仿真技术教学资源的同时还应该认真规范管理这些教学资源，并建立与之相对应的合理考核评价标准，才能更好地促进虚拟仿真技术在课程教学中的应用。

4  结束语

虚拟仿真技术辅助课程教学有着突出的优势，能够显著提升学生学习的积极性和主观能动性，尤其可以克服教学资源短缺、课堂教学场地不足、课堂教学过程不可逆等困难与问题，但虚拟仿真技术与课程教学的深度融合仍处在起步阶段，相关核心技术有待深入研发和提升，在高校实验教学中的运用也亟待完善。相信其在教育领域中的应用在未来必定不止于此，发展前景极为广阔。在信息时代，虚拟仿真技术成为一种新兴的技术手段，未来一定会成为全新的教育教学手段并且被广泛应用，其将和传统的教学模式相结合，创造和丰富教学课程与内容，为学习者提供更加先进的智能学习环境，优化并创造更多元化的教学方式，有效提升教学以及学习效果。

5  参考文献

[1] 徐庚保，曾莲芝.虚拟仿真[J].计算机仿真，2012，29（5）：1-5，46.

[2] 娄言.虚拟现实与增强现实技术导论[M].北京：科学出版社，2017.

[3] CHEN ChaoMei. Science Mapping： A Systematic Reviewof the Literature [J].Journal of Data and InformationScience，2017，2（2）：1-40.

[4] 安兴茹.基于正态分布的词频分析法高频词阈值研究[J].情报杂志，2014，33（10）：129-136.

[5] Chen C， Dubin R， Kim M C. Emerging trends and newdevelopments in regenerative medicine： a scientometricupdate （2000—2014）[J].Expert Opin Biol Ther， 2014，14（9）：1295-1317.

[6] 石新麗，唐飞羽，孙梦雯，等.虚拟实验室在医学实验教学中的应用研究[J].实验技术与管理，2014，31（6）：114-116.

[7] 贺占魁，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].实验技术与管理，2018，35（2）：108-111，116.

[8] 刘佳，郭婷婷，王艳华，等.医学院校开设虚拟现实课程的教学实践[J].中国医学教育技术，2019，33（1）：99-102.

[9] 马利华.基于虚拟环境的药学实验教学模式研究[D].上海：华东师范大学，2011.

[10] 李振华.高职院校虚拟职业技能培训模式的探索[J].中国职业技术教育，2013（4）：69-72.

[11] 朱杰，崔永鹏.虚拟现实技术与新闻行业的关联性研究[J].新闻论坛，2016（5）：7-13.

[12] 朱仲廉，高许斌，官建中.基于“互联网+”的增强现实与混合现实技术在骨科住院医师规范化培训中的应用[J].中华全科医学，2022，20（6）：1052-1055.

[13] 马鹤桐，杨林，李姣.人机交互技术在解剖学教育中的应用[J].医学信息学杂志，2021，42（6）：71-76.

[14] 曹园园，苏宇腾，张亦弛.移动学习平台在预防医学本科生教学中的应用[J].基础医学教育，2022，24（9）：708-711.