我国虚拟仿真实验教学的发展与趋势研究

董桂伟 赵国群 王桂龙

摘 要：借助CiteSpace可视化文献计量分析软件，对在中国知网检索的2011—2020年虚拟仿真实验教学文献进行系统分析，并绘制知识图谱。结果显示，我国虚拟仿真实验教学的发展大致经历三个阶段，即2011—2015年的探索与尝试阶段、2016—2018年的开发与建设阶段和2019—2020年的应用与创新阶段;“虚拟仿真技术”“虚拟仿真实验教学中心”“实验教学改革”“实验教学体系”和“教学模式”五个高频关键词代表了过去十年间我国虚拟仿真实验教学的研究热点;“虚拟现实”代表着目前虚拟仿真实验教学的发展前沿。

关键词：虚拟仿真;实验教学;发展脉络;研究热点;前沿趋势

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，旨在通过信息技术、智能技术与实验教学的深度融合破解高等学校特别是高等工科院校实验教学中许多“做不到、做不好、做不了、做不上”的问题，是继“互联网+教育”之后的一种新型“智能+教育”形态[1]。自2017年首批示范性虚拟仿真实验教学项目认定以来，全国各高校在教育部有关文件精神的指导下，突出以学生为中心的教学理念，选取准确适宜的教学内容，不断推进现代信息技术融入实验教学，成功开发了系列优质虚拟仿真实验教学项目，为高水平创新型人才培养提供了重要支撑[2-4]。截至2020年底，各高校在“iLAB”虚拟仿真实验教学共享平台上线虚拟仿真实验教学项目2079项，其中获得国家级认定的728项，虚拟仿真实验教学取得了良好阶段性成果[5]。特别需要指出的是，2020年疫情防控期间，各高校充分发挥虚拟仿真实验教学项目的在线学习优势，为无法返校的大学生提供在线实验学习资源，通过线上授课、学习等在线教学活动，保证了新冠疫情特殊时期的教学进度和教学质量。

广义而言，虚拟仿真实验主要指利用计算机和互联网技术，通过虚拟仪器和设备代替传统真实的实验仪器和设备而进行的各种仿真性实验。1989年，美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授首次提出“虚拟实验”的概念后，虚拟实验系统的开发与应用在国内外诸多高校和研究机构得到了迅速发展，但综合来看，虚拟仿真实验的应用长期以来主要集中在科学研究和工业生产领域[6-7]。通过虚拟和仿真的形式开展实验教学，不失为我国高等教育的一项重大创新。教育部高教司吴岩司长指出，虚拟仿真解决了世界性的实验教学、实践教学、实训教学的难题，也解决了中国大学生动手能力不足的短板问题。虚拟仿真实验教学拓展了教学内容的广度和深度，延伸了教学的时间和空间，让“网上做实验”和“虚拟做真实验”成为现实，对增强大学生实践能力、提高人才培养质量和水平具有重要作用。

随着本科教学质量工程的开展和一流课程建设的推进，虚拟仿真实验教学项目建设逐渐丰富和体系化，推动着虚拟仿真实验教学逐步走向探索实验教学内容体系平衡关系、创新线上线下混合式教学模式等改革和发展“深水区”。适时“回看”是避免弯路、科学发展的重要前提，从宏观上分析和研究近些年来我国虚拟仿真实验教学的基本状况、研究热点和发展趋势等问题，对虚拟仿真实验教学的进一步深入发展具有重要意义。在此背景下，本文应用文献计量学的方法，对近十年中国知网的文献数据进行可视化分析，绘制虚拟仿真实验教学研究的知识图谱，通过定量数据客观和直观地展现我国虚拟仿真实验教学的发展脉络、研究热点和前沿趋势，以期为虚拟仿真实验教学的创新建设和发展提供借鉴和参考。

一、数据来源与研究方法

1.数据来源

本文以近十年中国知网全文数据库收录的虚拟仿真实验教学文献为研究对象。数據检索范围包括中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国重要会议论文全文数据库和国际会议论文全文数据库，文献检索时间为2020年12月15日，文献发表时间为2011年1月1日至2020年11月30日。鉴于文献数据量的考虑，笔者以题名为“虚拟仿真”并“实验教学”的精确匹配进行检索，共获取文献1223篇，剔除广告、会议通知、重复文献等信息后，获得有效文献1191篇，如图1所示。

2.研究方法

本文采用可视化的文献计量分析工具Cite-Space（V5.7.R2）软件，对中国知网检索的虚拟仿真实验教学文献进行知识图谱分析。所谓知识图谱，是以信息科学、图形学、数学等学科为基础，借助信息可视化技术和计量学方法对文献进行引文分析和共现分析，并以生动形象的图形和网络谱系揭示文献的科学知识结构、规律和分布情况。CiteSpace软件是一款在科学计量学、数据和信息可视化背景下发展起来的引文可视化分析软件，最初由美国Drexel University的陈超美博士研发，现已被广泛应用于分析学术论文、期刊和作者之间的共被引关系，绘制科学知识图谱[8]。

将本文所获文献经过格式转换后导入CiteSpace软件，时区分割（Time Slicing）跨度设为2011—2020年，默认时间切片为1年;文献处理（Text Processing）功能区中Text Source选中Title（标题）、Abstract（摘要）、Author Keywords（作者关键词）和Keywords Plus（WoS增补关键词）;术语类型（Term Type）选中Burst Detection，用以探测突发性术语;节点类型（Node Types）选择keyword，节点强度选择余弦函数（Cosine）和时间切片内（Within slices），阈值选择（Top N per slice）为50，即每年切片中排名前50的共现词;运算生成关键词共现网络知识图谱。

CiteSpace软件融合了聚类分析、社会网络分析、多维尺度分析等多种方法，通过可视化手段呈现科学知识的研究现状，从中获取可视化知识图形和序列化知识谱系，进而发现特定学科和领域知识结构的隐含模式和规律。对此，本文借助该软件对我国虚拟仿真实验教学的发展脉络、研究热点和前沿趋势三个方面展开分析和探讨。

二、发展脉络

通过图1可以发现，在本文检索条件下，国内关于虚拟仿真实验教学的文献出版由2011年的7篇增长到2020年的268篇，且呈现逐年增长的趋势，表明近十年虚拟仿真实验教学在国内发展迅速。具体来看，2011—2013年年均文献出版量相对较少，在10篇以内;2014—2015年年均文献出版量有了一定程度的增加，但尚未突破100篇;自2016年开始，文献出版量有了明显增加和稳步提升，达到年均近200篇;2019—2020年两年来，文献出版量进一步增加，基本保持在年均300篇左右。对此，笔者通过对已获文献的文本分析，在文献追踪的基础上获得关键、重要文献进行研读后发现，我国虚拟仿真实验教学的发展可大致划分为三个阶段，即2011—2015年的探索与尝试阶段、2016—2018年的开发与建设阶段，以及2019—2020年的应用与创新阶段。结合这三个阶段的年度划分，本文进一步借助CiteSpace软件，对这三个时间段的已获文献进行了独立的知识图谱分析，以探讨和找寻我国虚拟仿真实验教学的大致发展脉络。

1.以探索与尝试为主的初步发展阶段

CiteSpace软件通过分析文献中的关键词词频的高低分布来获取热点主题，并可生成时间顺序的时区图谱，用以对相关研究的演进路径进行分析。利用该软件对2011—2015年累计获取的144篇虚拟仿真实验教学文献进行运算分析后，得到如图2所示的关键词共现时区图谱。

在关键词共现知识图谱中，节点越大表示该关键词出现的频率越高。在图2中，“虚拟仿真”和“实验教学”是出现频次最高的两个关键词，这是由于在文献检索中是以“虚拟仿真”和“实验教学”这两个为限定条件的。图中时区表明，“虚拟仿真”和“实验教学”两个关键词在2011年已经出现，表明尽管2011年检索所获的文献量较少（只有7篇），但已有学者开始关注虚拟仿真技术在实验教学中的初步应用。如蔡卫国探讨了虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[9]，秦景良等研究了虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用等[10]。之后的2012年和2013年文献量仍相对较少，说明仅有少数高等教育工作者对此进行持续研究和关注[11]。直到2014年，文献出版量开始有较大幅度上升，结合图2所示的关键词共现情况，出现频次较高的关键词有“实验教学中心”和“虚拟仿真实验教学中心”等，这与教育部2013年8月启动的国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作相契合[12]，故这一时期的虚拟仿真教学文献主题重点围绕平台建设与实践所展开。综合来看，2011—2015年我国虚拟仿真实验教学基本属于刚起步阶段，少数学者就虚拟仿真技术在实验教学中的应用进行了初步的探索与尝试，而国家对虚拟仿真实验教学中心的支持和建设为虚拟仿真实验教学项目的开展奠定了良好的平台基础。

2.以开发与建设为主的快速发展阶段

图3是2016—2018年获取的486篇虚拟仿真实验教学文献的关键词共现时区图谱。忽略掉“虚拟仿真”和“实验教学”这两个限定条件关键词，可以发现，“虚拟仿真实验”作为出现频率第三的关键词开始出现，这说明在前期虚拟仿真实验教学中心平台建设的良好基础上，通过虚拟仿真技术进行实验项目建设和开展实验教学已经成为各高校的一项主题工作。特别是，教育部办公厅于2017年7月发布关于开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，对虚拟仿真实验教学项目的建设目标和建设内容等做出明确指示，进一步激发了各高校和相关教师开展虚拟仿真实验教学的积极性。据不完全统计，仅2018年，全国各高校在不同网络平台上线虚拟仿真实验教学项目1000余门，覆盖了包括图3所示的药理学、电工电子、药学等在内的30多个学科门类。

結合对2016—2018年文献的文本分析，同样可见，这一时期的文献大都围绕“XXX虚拟仿真实验教学项目的设计构建”“虚拟仿真技术在XXX课程的开发应用”等主题所展开[13-15]，实验教育类核心刊物《实验技术与管理》《实验室研究与探索》等每期均有5篇以上的相关文献出版，进一步表明虚拟仿真实验教学进入以项目开发与建设为主的快速发展阶段。

3.以应用与创新为主的融合发展阶段

近年来，虚拟仿真实验教学文献出版量明显增加，达到年均300篇左右，说明虚拟仿真实验教学在国内各高校已经形成了良好的课程规模和较成熟的教学模式。图4给出了2019—2020年虚拟仿真实验教学文献的关键词共现时区图谱。可以发现，忽略掉“虚拟仿真”“实验教学”限定条件关键词和“虚拟仿真实验”“虚拟仿真技术”等2016—2018年已经出现的高频次关键词后，2019—2020年两年来围绕虚拟仿真实验教学而开展的“教学改革”“实践教学”“仿真实验教学”等关键词出现频次开始明显增加，对照这一时期的文献文本分析，也可看到以“虚拟仿真实验”为基础开展的“翻转课堂”“虚实结合课堂”等新型教学形式也开始不断涌现[16-18]。

这说明经历了前期以虚拟仿真实验教学项目开发和建设为主的快速发展阶段后，虚拟仿真实验教学开始走向以应用与创新为主的融合发展阶段。这是虚拟仿真实验教学发展的必然要求，因为项目建设是基础，教学应用是途径，而融合发展支撑服务于创新人才培养才是目的。据此本文预见，虚拟仿真实验教学以应用与创新为主的融合发展阶段在接下来还将会持续一段较长的时间，直到完全有机融入人才培养体系和模式中。

三、研究热点

上述基于文献出版统计情况和时区知识图谱的分析给出了我国虚拟仿真实验教学的大致发展脉络，而虚拟仿真实验教学历经建设和发展十年来，其总体研究热点有哪些以及围绕这些热点国内学者展开了哪些研究，取得了什么成果，厘清这些问题对于深刻把握虚拟仿真实验教学的发展脉络和特征具有重要作用。对此，本文对2011—2020年所获全部文献进行基于CiteSpace软件的可视化分析，为了提高结果的可读性，CiteSpace软件设定网络裁剪功能区（Pruning）参数选择最小生成数（Minimum Spanning Tree）和对合并后的网络裁剪（Pruning the merged network）相结合，生成关键词共现网络知识图谱，如图5所示。

图5显示的是十年来文献关键词出现频率阈值在15次以上的网络结构，剔除文献检索时的“虚拟仿真”和“实验教学”两个限定条件关键词以及与之相近的“虚拟仿真实验”和“仿真实验教学”关键词，因为这显然不是我们分析的焦点。进一步来分析，“实验教学中心”“实验教学平台”与“虚拟仿真实验教学中心”，以及“教学改革”与“实验教学改革”，其表述内容基本相近，笔者在此做节点的合并处理，并进一步运算得到频次排在前5位的关键词为“虚拟仿真技术”“虚拟仿真实验教学中心”“实验教学改革”“实验教学体系”和“教学模式”，如表1所示。在此，本文认为这五个高频关键词代表了2011—2020十年间我国虚拟仿真实验教学研究的热点，结合文献的二次阅读，对其逐一述评如下。

1.虚拟仿真技术

在对关键词节点进行剔除和合并后，“虚拟仿真技术”获得112频次，居首位。这是因为虚拟仿真技术是开展虚拟仿真实验教学的决定性支撑，没有虚拟仿真技术的研究与发展，就没有虚拟仿真实验教学可谈。2011—2020年十年间，虚拟仿真技术有了质的飞跃，在交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进步，先后出现了动画仿真、可视交互仿真、多媒体仿真和虚拟环境仿真、虚拟现实仿真等一系列新的仿真思想和虚拟技术。虚拟仿真技术的快速发展给高等教育手段的改善和提升带来了巨大空间，国家《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》明确要求，要深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不斷加强高等教育实验教学优质资源建设与应用。故此，虚拟仿真技术近十年来特别是在2016年以来得到了教育界和产业界的广泛研究和关注，如张剑葳等论述了虚拟仿真技术在文物建筑专业教学中的重要价值[19]，并指出“虚拟仿真技术在解决文物建筑专业教学的时空制约方面具有明显优势”;在分析虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响及应对策略时，高东锋等强调高等院校应以实验项目的使用为需求引导中国虚拟现实产业发展的方向[20]，推动和引领高等教育教学与现代信息技术的深度融合。放眼未来发展，虚拟仿真技术发展方兴未艾，我们有理由相信未来有关虚拟仿真技术在实验教学中的应用仍将成为高等教育研究的热点。

2.虚拟仿真实验教学中心

“虚拟仿真实验教学中心”作为虚拟仿真实验教学的基础平台位列关键词频次第二位，在2011—2020年间并不奇怪，与这期间的国家政策导向有显著关系。2013年，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，随后，全国各高校根据此要求，结合自身实际情况和不同专业特点，开展了积极和富有成效的虚拟仿真实验教学中心建设。截至2016年，先后有2批200个实验教学中心被认定为国家级虚拟仿真实验教学中心。在国家级虚拟仿真实验教学中心的创建过程中，各高校针对不同领域、不同层次乃至不同地域的特点，在虚拟仿真实验教学中心的建设理念、建设思路、建设方案和平台功能等方面都做了深刻的思考和探索，并就相关建设经验进行了总结和分享[21-23]。所以，虚拟仿真实验教学中心成为这一时期的研究热点是当然之选，而随着虚拟仿真实验教学中心建设的逐步体系化和全面化，关于虚拟仿真实验教学中心的研究应会有所回落。

3.实验教学改革

“实验教学改革”作为频次第三位的关键词，其首次出现年份大约在2015年，之后的5年间获得了78次的词频数，充分显现了其研究热度。客观上，随着社会的发展、科技的进步以及高等教育的发展，教学改革或实验教学改革是历史必然。特别是进入21世纪以来，伴随现代教育技术的迅速发展，高等教育面临着理论到实践的重大变革，一是互联网和多媒体新技术在教育教学中的大量应用，极大地丰富和拓展了现代教育资源和学习环境;二是作为“数字原住民”的当代大学生，利用智能手机、笔记本电脑、平板电脑等各类电子设备通过网络捕捉信息和学习知识已成为其生活和学习的日常[24]。如仍以传统的资源和形式开展实验教学，其教学效果和人才培养成效必将大打折扣。虚拟仿真实验教学的引入是对传统实验教学不足的有效改善，同时克服了真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等一系列问题，同时还可激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力[25-26]。在此背景下，基于虚拟仿真的实验教学改革研究必将持续展开。

4.实验教学体系和教学模式

“实验教学体系”和“教学模式”的词频数分别为27和26，占据第四位和第五位。实验教学体系和教学模式其实是实验教学过程中关系紧密的两个方面，或者在广义上教学体系是可以涵盖教学模式的，所以在此本文将两者合并讨论。随着虚拟仿真实验教学项目的建设和虚拟仿真实验教学的开展，势必会对原有的实验教学体系和教学模式形成冲击，针对这种情况，如何重构新时期的实验教学体系、创新虚拟仿真实验教学模式就成为该领域研究的重点。对此，不少学者已经进行了富有成效的探索，如构建“虚实结合”的教学体系、“线上线下”的混合式教学模式等[27-28]，为虚拟仿真实验教学的成功开展积累了宝贵经验。下一阶段，虚拟仿真实验教学的建设仍将大力推进和持续改善，而关于实验教学体系和教学模式的研究也将更加集中和突出。

四、前沿趋势

一个研究领域的研究前沿可以借助CiteSpace软件的关键词突现检测来确定。突现关键词是指在一段时间内该主题得到高度关注，代表了当时正在兴起并具有很大发展潜力和价值的研究方向，故而其在一定程度上揭示了该研究领域的前沿趋势。

图6展示了2011年至2020年排在前6位的突现关键词。可以发现，2011年至2016年间突现的关键词有“示范中心”“双语教学”和“剂量”，初步分析是由于2011至2016年间文献出版量相对较少，而相关学者这一时期对于虚拟仿真实验教学的研究还处于探索和尝试阶段所致;2014至2017年突现的关键词“实验教学中心”与教育部2013年启动的国家级虚拟仿真实验教学中心认定事件相吻合;2015年至2017年突现的关键词“医学”，对照这一时期的文献文本分析，其与这三年中虚拟仿真实验在医学领域的大量应用关系密切;最后，“虚拟现实”是从2018年出现持续至今的突现关键词，本文认为其代表着目前虚拟仿真实验教学的前沿趋势。

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是通过计算机技术让用户进入一个仿真的现实虚拟世界中获得相应的体验，与一般意义的虚拟仿真相比，虚拟现实技术可以使用户的视觉、触觉、听觉等感受最大程度“真实化”，而且实验人会在这种“真实化”的刺激下做出相应的反应[29]。

因此，虚拟现实技术应用到实验教学，可以进一步提升学生实验过程中的沉浸感和激发其构想性，这对于培养和提高学生的创新能力具有重要作用。结合所获文献的二次阅读，可以进一步发现近两年来国内关于虚拟现实实验教学的研究呈现明显增长趋势，汤嘉立等对智慧虚拟现实实验室的构建开展了研究[30]，发现虚拟现实技术可以极大地调动学生主动实践的积极性，学习兴趣和主观能动性大幅提升;王萍、李敏、蔡军等人分别探索了虚拟现实技术在静脉注射、太阳电池制备和病理尸检等实验项目中的应用情况，指出沉浸式虚拟现实技术提高了学生对实验操作内容的掌握程度，学生对虚拟体验的满意度较高，沉浸式虚拟现实技术在实验教学领域有良好的应用前景[31-33]。由此可以预见，基于虚拟现实的实验教学研究将成为未来虚拟仿真实验教学研究的核心议题。

五、结论与展望

借助CiteSpace可视化文献计量分析软件对中国知网检索的2011—2020年虚拟仿真实验教学文献进行知识图谱分析，结合所获文献的出版量统计信息和二次阅读，分析发现我国虚拟仿真實验教学的发展可大致划分为三个阶段，即2011—2015年的探索与尝试阶段、2016—2018年的开发与建设阶段以及2019—2020年的应用与创新阶段;基于2011—2020年文献关键词共现知识图谱，认为“虚拟仿真技术”“虚拟仿真实验教学中心”“实验教学改革”“实验教学体系”和“教学模式”五个高频关键词代表了这十年间我国虚拟仿真实验教学的研究热点;以及通过关键词突现检测，探寻到“虚拟现实”是未来虚拟仿真实验教学的发展前沿。

从近十年来我国虚拟仿真实验教学的发展脉络、研究热点和前沿趋势来看，我国虚拟仿真实验教学正处在蓬勃发展之际。将来一段时期内仍需继续建设虚拟仿真实验教学一流课程，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的实验教学课程体系，同时要在资源建设的同时，创新和完善虚拟仿真实验教学模式，要在虚拟仿真实验教学内容上体现时代前沿性、在在线教学形式上呈现互动先进性以及在学生学习效果上突出创新探究性，全面打造以教学资源建设为核心、教学模式创新和教学形式改革为支撑、教学效果提升为目标的高阶性、创新性并具有一定挑战度的“虚拟仿真实验教学2.0”。

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