中国虚拟仿真实验实训教学研究热点及趋势——基于CiteSpace的可视化分析

胡超凤

（江苏经贸职业技术学院，南京 211168）

引言

随着互联网、大数据、人工智能和虚拟现实的爆炸式发展，信息技术和生产生活交汇融合，其与实验实训教学的深度融合破解了学校实验、实训中的“老大难”问题。第十一届“中国大学教学论坛”提出，虚拟仿真实验实训教学是“互联网+教育”之后的“智能+教育”，可能会开启教育的未来，成为新的教育形态[1]，其是一种新的教育生产力，发挥了虚拟现实、人工智能、交互技术等新一代信息技术的优势，以此解决了学校实验、实训中现实条件不具备或实际运行困难的问题，解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”等问题。虚拟仿真实验实训教学实施了个性化、多样性的探究学习过程，拓展了智慧教学新路径，提升了学生综合运用知识能力，发展了学生创新思维等综合能力，可谓是教育领域的“思维发电机”。熊宏齐[2][3]提出，虚拟仿真实验教学项目具有实验内容精彩、实验构思巧妙、实验技术先进、实验做法灵活、实验评价客观、形象展现抽象、拓展实验教学的广度和深度、加速推进实验教学与理论教学平衡发展等8个新时代的教学特征，且提出其注重“提升‘高阶性’”“突出‘创新性’”“增加‘挑战度’”。截至2022 年8月，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台提供了3291 门虚拟仿真实验课程资源，9966 期次智能实验室，有3291 个实验中心，1200 多万人次的应用评价[4]。

然而，我国虚拟仿真实验实训教学方面的建设、管理及开放共享等还处在起步与摸索的阶段，面临着资源建设缺乏统一标准与规范、相关的优质资源难以满足现有需求、在教学应用中不够全面深入、与其他教学手段结合不够紧密、教师缺少相关的教学知识经验、相关资源的共享机制和渠道不够健全与成熟，及缺乏相关评估体系和教学效果的绩效评价体系等一系列问题[5]。为更好地推动我国虚拟仿真实验实训教学的发展，本文采用知识图谱研究方法对相关文献的关键词等指标进行整理分析，为我国虚拟仿真实验实训教学的相关研究作出参考。

一、研究数据及方法

本文借助CiteSpace 软件对相关研究文献进行关键词等指标整理、挖掘、图形呈现，揭示其研究的热点、演变过程及趋势。本文选取中国知网CNKI 中的SCI 来源期刊、EI 来源期刊、北大核心、CSSCI、CSCD 数据库作为目标数据库，以“虚拟仿真*（实训教学+实验教学）”进行主题搜索，截至2022年8月8日，共搜索目标文献1159篇，剔除无关无效文献，共整理获得有效目标文献1105 篇。本文采用CiteSpace 软件，时间跨度为2002—2022 年，时间切片为1 年，数据阈值为TopN%=50%，使用寻径（Pathfinder）功能，针对有效目标文献1105篇进行整理分析。

二、研究结果分析

（一）年发文量、作者、机构分析

文章刊载量的增减可在一定程度上反映学者对该研究领域的关注度及重视度[6]。导入数据运行CiteSpace 软件，得到虚拟仿真实验实训教学年发文量图谱（见图1），趋势线R2=0.915，说明趋势具有较强的准确性。分析可得，2002—2010 年为虚拟仿真实验实训教学相关研究的起步期，年发文量均在2篇以下；2011—2022年期间，发文量一直处于快速增长的态势，仅有2018 年稍有回落，但也有114篇。随着信息技术的快速迭代，实验内容的快速更新，预测未来将会爆发更多的研究热点。

图1 虚拟仿真实验实训教学年发文量

对文献发文机构进行合作网络图谱分析，可了解机构间的合作、互引关系[7]197。导入数据运行CiteSpace 软件，得到虚拟仿真实验实训教学机构合作网络图谱（见图2），节点有305 个，连线为104 个，Density 值为0.00721。可见，我国虚拟仿真实验实训教学的研究机构比较分散，仅有机构内部会有微弱的联系与合作。主要研究机构有30 多个，学科背景多为理工科，文献产量高于20 篇的一级机构有5 个，分别是哈尔滨工程大学（25 篇）、中国石油大学（华东，24 篇）、吉林大学（23 篇）、同济大学（23 篇）、华中师范大学（21 篇）。哈尔滨工程大学的研究主要集中在虚拟仿真技术在工科学科的应用，如船舶、电子等专业的实验实训教学资源建设及应用等方面，中国石油大学（华东）的研究主要集中在石油开发类虚拟仿真实验实训具体案例的教学总结与实证研究等方面，吉林大学关于虚拟仿真实验实训教学的研究形式多样，内容多元化、丰富化，同济大学、华中师范大学主要也集中在具体案例的教学总结与实证研究等方面。除此之外，华中科技大学、东南大学、西南大学、中国矿业大学、哈尔滨工业大学、山东大学等也有一定的研究成果，发文量均为15 篇以上，其研究与发展值得持续关注。

图2 虚拟仿真实验实训教学机构合作网络图谱

对CiteSpace作者合作网络图谱分析，可了解研究领域的学者分布及其之间的合作、互引关系[7]196。导入数据运行CiteSpace 软件，得到虚拟仿真实验实训教学作者合作网络图谱（见图3），节点425个，连接线388个，密度值为0.0043，当前作者合作形成了一定的范围，主要有以李兵、张彪、刘亚丰为首的团队，相关主题发文量达5篇以上的学者有李兵（10 篇）、魏万红（8 篇）、杜坤（8 篇）、张彪（7 篇）、刘亚丰（7 篇）、程知群（6 篇）、马学条（6 篇）、马军（5 篇）、龚成斌（5 篇）、熊宏齐（5篇）等。华中师范大学李兵教授主要研究高校生物学实验教学及信息化资源在大型仪器共享平台管理中的应用，扬州大学杜坤教授主要研究高校生物学实验教学平台在资源配置、优化教学、规范管理、科研创新与开放合作等方面的应用，扬州大学魏万红教授主要研究高校生物学实验教学及实训室管理等，东南大学熊宏齐教授研究基于虚拟仿真的线上线下融合构建专业实验教学体系，扬州大学张彪教授主要是对生物类虚拟仿真实验教学及实验实训中心可持续发展模式进行研究，华中科技大学刘亚丰博士主要研究教育信息化背景下虚拟仿真教学资源建设等方面。当前，虚拟仿真实验实训教学的研究主要聚焦在各高校的资源建设与管理及实验实训教学具体应用等方面。

图3 虚拟仿真实验实训教学作者合作网络图谱

（二）文献被引量分析

文献被引量可在一定程度上反映文献引起同行反响的程度及文章质量的高低，被引频次多的文献主题往往也是研究的重点与热点[6]。本文列举了被引量前十的相关文献，这些文献的主题主要集中在虚拟仿真技术在教育教学领域中的应用，包括资源建设、管理及人才培养模式等方面。具体而言，被引用量第一的是教育部高等教育司司长吴岩在发表建设“金课”观点时，强调虚拟仿真实验实训教学的重要性及未来的发展，强调了其是未来的“智能+教育”[1]。而被引用量第二、三、六、九的则都是讨论如何建设虚拟仿真实验实训教学中心，可见，虚拟仿真实训室的重要性[8][9][10][11]。被引用量第四的是王卫国、胡今鸿等[12]对现今国内外虚拟仿真实验实训教学的现状与发展做出的思考，介绍相关的应用信息技术、主要类别与基本形式，并提出建设具有完备数字化学习条件和虚拟实验环境的未来教学实验室，促使学生从以往的课程内容单一消费者向创造者和设计者转变，加快新兴信息技术在教育教学领域中的应用。被引用量第五的是针对相关资源的开放共享机制的探索与研究，提出了顶层、政策、应用三层平台组织架构的管理体制和以保障、评价、激励、交流协作机制为主体的运行机制[13]。被引用量第七、十的是虚拟仿真技术的具体应用，以及如何充分利用虚拟仿真技术的优势[14][15]。被引用量第八的则是从建设虚拟仿真实验平台的角度探索创新人才培养模式[16]。

（三）关键词分析

关键词是文章核心思想的高度概括与提炼，它出现的频次及关联程度在一定程度上反映该领域研究的重点及热点[7]220。在CiteSpace 中通过关键词词频、中心性及内在关联程度分析，可在一定程度上判断出该领域研究的主题及热点，并通过关键词词汇突现性和时序变化，分析其研究的热点及其演变的过程[7]227。最后结合研究的现状，根据热点历时性走向，预测其未来研究趋势。

1.关键词共现分析

关键词共现图谱中，词频的高低在一定程度上反映出该领域内研究的重点与热点。导入数据运行CiteSpace 软件，得到虚拟仿真实验实训教学关键词共现图谱（见图4），有546个节点，701条连接线，网络密度值为0.0047，网络密度数值偏低，说明各节点间分散且联系较少。关键词共现频次在10 次以上的，除了与主题强相关的“虚拟仿真、实验教学、实践教学、虚实结合、虚拟现实、虚拟实验、实验平台、信息化、仿真实验”外，还有“人才培养、新工科、教学改革、教学体系、教学模式、互联网+”，这反映了虚拟仿真技术除了广泛应用于实验实训教学中，对促进教学模式的改变及应用于新工科人才培养等方面也有强有力的影响。

图4 虚拟仿真实验实训教学关键词共现图谱

在CiteSpace 软件中，高频关键词并不一定都具有高的中心度，仅凭高频关键词并不能很精准地确定研究重点与热点，应结合中心度高的关键词进行分析。一般中心度数值大于0.1为高，可相对精确定位出该领域的研究重点与热点。通过高频关键词和高中心性关键词分析可知，除去“虚拟仿真、实验教学、实训教学”等主题关键词外，高频次关键词有“教学改革、虚拟仿真技术实验室建设、人才培养”等，与关键词共现图谱相吻合。结合关键词的中心度来看，“教学改革、信息化、云平台、互联网+”是网络的支撑点，其“教育信息化、信息技术”的中心度均大于0.15，对网络起到有效的支撑作用，“增强现实、单片机、人才培养、实验平台、国家级实验教学示范中心、交互式”对整个网络的稳定性奠定了基础。因此，“教学改革、仿真技术、人才培养”是主要的研究热点，其次是“云平台、互联网+、实验平台”等。

2.关键词聚类分析

关键词聚类是研究领域内具有相似研究主题的关键词形成的互相联系的网络集群，集群的内涵由其文章中的高频关键词来标识[7]90。使用Pathfinder 算法，对关键词网络通过对数似然率算法（Log-Likelihood Rate，LLR）进行聚类，并以该类中LLR 算子取值最高的特征词的名称作为聚类名称[7]90。导入数据运行CiteSpace 软件，生成得到聚类结果，如图5虚拟仿真实验实训教学关键词聚类网络图谱所示，该网络包含17 个聚类，节点数为546 个，节点间701 条连线。该网络的模块性评价值Q值为0.8749，表明虚拟仿真实验实训教学研究领域有明确定义的关键词聚类。衡量网络同质性的Mean Silhouette 值为0.9652，表示聚类结果是合理的。本研究将这17 个聚类进一步总结归纳为四大类。一是虚拟仿真的相关技术，如“#0 虚拟仿真、#2 虚拟仿真实验、#5 虚拟实验、#7 虚实结合、#9 虚拟仿真技术、#11 仿真、#12 虚拟现实、#15 虚拟系统”。二是利用虚拟仿真技术做相关教学，如“#1 实验教学、#3 实训教学、#4 仿真实验教学、#10 线上教学”。三是利用虚拟仿真技术做资源建设与实验室建设，如“#6 实验教学平台、#8云平台、#14实验室建设”。四是利用虚拟仿真技术做相关的人才培养，如“#13 人才培养、#16护理教育”。这些聚类与上文中关键词共现、高频关键词、高中心性关键词的分析结果相吻合，都是集中在虚拟仿真的教学应用及其资源、中心建设与相关人才培养等方面。

图5 虚拟仿真实验实训教学关键词聚类网络图谱

3.关键词突现分析

关键词的突现词是指在较短时间内出现频次较高的词，突现词的词频变化可在一定程度上反映该研究领域的前沿与趋势[7]132。导入数据运行CiteSpace 软件，得到虚拟仿真实验实训教学关键词突现年表（见图6），共得到22 个突现词，本文列出了排在前11位的突现关键词。“仿真实验、实验平台、资源共享、云平台、教学资源”主要在2015—2018 年间突现，这在一定程度上说明，虚拟仿真实验实训教学与国家教育政策及信息技术的快速发展关联度较高；“虚拟实验、土木工程、开放教育”主要在2017一2019年间突现，表明虚拟仿真实验实训教学开始真正走入具体的课堂设计、课堂应用中；“实验设计”主要在2020一2022年间突现，表明虚拟仿真实验实训教学开始主导创新教学的改革及应用。

图6 虚拟仿真实验实训教学关键词突现年表

4.关键词时序分析

关键词时序图谱可在一定程度上反映出该领域研究内容的更新速度和学科的活力[7]132。本研究在关键词突现年表的基础之上，导入数据运行CiteSpace软件，分析生成关键词时序图谱，如图7虚拟仿真实验实训教学关键词时序图谱所示，得到评价网络的模块性Modularity Q 值为0.5433，衡量网络同质性Mean Silhouette 值为0.8526，说明图谱网络聚类较好，聚类结果合理。根据关键词出现的时序，虚拟仿真实验实训教学的研究发展大致分为3 个阶段：第1 阶段为酝酿期（2002 年—2011 年），无任何关键词；第2 阶段为快速发展期（2012 年—2020 年），关键词从2012 年开始逐渐快速增加，主要是“虚拟仿真实验、实训教学、教学改革、实验教学中心、仿真实验教学”，主要围绕虚拟仿真技术在教学方面的应用，这与信息技术开始发展及国家开始重视虚拟仿真技术在教学上的应用有一定关系；第3阶段为成熟时期（2021年至今），开始出现“水处理生物学”等技术关键词，表明虚拟仿真的技术有了更为成熟及先进前沿的发展。

图7 虚拟仿真实验实训教学关键词时序图谱

三、结论及讨论

人工智能、大数据、5G 等信息技术的飞速发展，给教育带来了新的动力，并提供了丰富的信息资源和工具平台等支持。虚拟仿真技术在教育教学中的运用所带来的是教育理念的革新，以及教学手段、方法、技术、内容乃至时空的革命，将成为时代发展的必然趋势。我国虚拟仿真实验实训教学经过20 余年的建设与发展，学者们的关注度、发文量及研究层次与文章质量都得到了较大提升；研究合作团队及核心作者群也已初步形成，尽管作者合作暂时局限于机构内部，相信随着教育与技术的发展，很快会在全国形成大规模的合作群；高被引文献主要集中在虚拟仿真技术的教学应用及相关资源建设、管理、相关人才培养的探讨等方面；研究的重点已从实验实训教学资源建设、管理、具体案例的应用等方面，逐步转向人才培养、前沿虚拟仿真技术应用教学、示范中心建设及互联网+等方面，这与信息技术的快速发展及未来教育发展的趋势分不开。

当前，虚拟仿真实验实训教学研究还局限在相关实训室的建设管理、实验实训教学的具体案例分析、前沿技术手段的应用与推广等方面，未来，虚拟仿真实验实训的重点是突出相关技术先进性、深度融合性、国际引领性及相关研究的系统性、科学性及可推广性等方面。故建议在未来的虚拟仿真实验实训教学研究中，可从跨专业融合、紧跟技术前沿、推动共享应用等3个方面进行思考与提升。

（一）跨专业融合

现代大学呈现了一些新的特征，学科分化与问题综合的矛盾，对教育提出了更高的要求。自然科学与人文科学研究方法论日益趋同，更加依赖于实验实训的支撑。要想为飞速发展的社会培养适应的人才，就必须打破学科、专业、院系的壁垒，灵活地设置有挑战性的项目，让学生以完成项目为抓手，串起各院系的相关课程和知识点。虚拟仿真技术和设计可训练学生思维方式，在实现跨学科项目方面具有重要优势，应用虚拟仿真技术可让学生对学习有更高关注度，从而获得更好的学习成效，是未来教育发展的重要组成部分。

（二）紧跟技术前沿

积极促进5G 技术、大数据、人工智能等现代技术与教育教学深度融合，建立“互联网+教学”“智能+教学”的教育新形态。虚拟仿真技术和相关装备支持下的实验实训教学，虚拟仿真教学环境的构建、沉浸式教学方式等，是未来教育和培训的重要组成部分，发挥着重要作用。同时，远程学习和网络技术推动着教育的发展，虚拟仿真具有巨大的潜力。虚拟现实增强、云计算、多媒体大数据、三维建模、人工智能、人机交互传感器、超级计算等技术，将在实验实训教学项目中得到应用，使信息技术与理论知识、实验实训应用等充分交汇融合，新的信息技术将有效拓展实验实训教学内容的广度和深度，激发学生的学习兴趣。

（三）推动共享应用

制定虚拟仿真相关资源的建设指导框架，提升教师虚拟仿真相关教学指导能力，认证相关实验实训体系，实现产教融合。随着区块链技术的发展，实现虚拟仿真相关资源整合共享，通过相关资源的使用权共享，使丰富的资源平台能够提供更便捷、更智能的服务，为学生及社会创造出更多的价值，促进社会的可持续发展。