基于文献计量学分析的沉浸式媒体技术下生物学教学研究热点

杜 慧，柏江竹，王 懂，周荣庭

(1.中国科学技术大学 科技传播系, 合肥 230026;2.安徽新华传媒股份有限公司沉浸式媒体技术文化和旅游部重点实验室, 合肥 230026)

随着数字技术和互联网技术的发展，生物学教学方式从基于生物材料的“湿实验”教学和借用简单的多媒体技术的教学发展衍生出沉浸式媒体技术辅助的教学方法，在医学生物学、外科学、人体工学、心理学、神经科学、微生物学等学科的教学中均展现出相对传统教学方法的优势和潜力。沉浸式媒体作为一种通过视觉、听觉、触觉、力觉、动觉等感知觉通道为用户带来沉浸式体验的媒体技术[1]，可以辅助学习者主动投入学习、提升认知、培养移情和关联能力[2]。借助沉浸式媒体，传统实验教学中以静态、二维和单向传播的内容，可变为以动态、三维和交互性方式呈现，从而增强教学效果和学习效果，具有重要的实践意义。近年来在生物学教学活动中，以虚拟现实、增强现实技术为代表的沉浸式媒体技术被越来越多地运用于教学实践，改变了当前的教育教学形态，推动和引领了生物教学和现代化信息技术尤其是新媒体技术的融合与创新。

研究采取广义上的定义，将当前采用可穿戴式设备的和基于桌面屏幕设备的虚拟现实技术分支作为沉浸式媒体技术，以便涵盖相关研究。具有沉浸性、交互性与构想性特征的虚拟现实技术在教育领域中的应用方兴未艾，且改变传统教育模式的效果已初见端倪，将对生物实验的技术和教学产生重大影响[3-4]。虚拟现实技术构建的“境身一体”的虚拟学习空间可以提供沉浸式的学习体验，培养学习者的创新思维和想象力[2]。

随着虚拟实验技术的成熟，虚拟仿真实验、虚拟实验室等多种场景在教育领域的应用价值也逐步凸显，除了辅助高校的科研工作外，在实验教学方面也具有利用率高、易维护等诸多优点[5]。利用计算机图形技术根据真实的生物实验过程和场景构建出的虚拟实验室，在涉及超乎日常经验的微观领域或涉及成本高、难度大、危险性高的生物学实验的情况下，可发挥超越传统“湿实验”的低成本、便利性、安全性和可重复性等优势。推进生物类虚拟仿真实验教学资源建设、应用和推广是虚拟仿真实验教学中心可持续发展的重要途径和动力[6]。

国外很多学者早在20世纪90年代就已开始相关研究，如意大利学者Riva[7]在2000年提出VR技术在临床和教育实践中的应用。

综上，沉浸式媒体技术在生物学教学中已经产生巨大影响，然而目前尚没有系统地分析国内外研究状况的相关文献。因此，本研究采用文献计量学方法，对国内外研究文献进行采集和分析，尤其对国外研究进行梳理，旨在明确中外的研究重点及差异，为我国的相关研究提供参考。

1 研究方法

以沉浸式媒体辅助的生物学教学的研究文献为对象，通过共词分析、共现分析等文献计量学方法对收集到的研究文献进行剖析，并结合可视化技术进行呈现，从而以直观和量化的形式明确这个研究领域的知识背景和研究前沿，同时尝试定位本领域的研究趋势和未来研究方向。在这些文献中，当多个术语被列为同一篇文献的关键词时，它们之间就具有共现关系并建立连接，得到关键词网络，即共词分析网络。网络中每个关键词成为一个节点，其连接以边的形式呈现，每个节点的大小与其共现频次成正比，因而可以表示该节点在网络中的重要性[8]。通过共词网络追踪关键节点从而跟踪此领域的知识结构和发展趋势。

借助Chen[9]开发的文献计量软件CiteSpace和Van eck等[10]开发的文本挖掘和可视化分析软件VosViewer进行共现分析。CiteSpace软件内置的标签提取算法(如Log-Likelihood Ratio, LLR算法)[11]等，均具有研究支持，感兴趣的读者可根据参考文献深入了解，VosViewer中的相关算法也同样获得验证。

2 数据收集

为了获得这个领域的发展全貌，对中外的相关研究文献进行比较分析，明确中西方的研究重点及其差异。因此，本研究选取的数据来自两方面：其一是Web of Science(WoS)核心合集，包括Science Citation Index、Social Science Citation Index和Arts & Humanities Citation Index等3个权威检索，时间区段是所有年份，检索时间为2021年5月16日，文献类型为研究论文；其二是中国知网(CNKI)，包括所有期刊论文数据，检索时间同上。本文的检索词包括3个方面，即沉浸式媒体、生物学和教学。沉浸式媒体包括虚拟现实、增强现实和混合现实等技术，在生物学教学场景中还包括虚拟仿真、虚拟实验等。在生物学方面，本文根据国家的学科分类和检索词的包含关系，对检索词进行了丰富，教学方面则使用常用的同义词。

综合以上，在中国知网上使用高级检索方式进行数据收集，检索式为“SU=(′沉浸式媒体′+′虚拟现实′+′增强现实′+′混合现实′+′虚拟仿真′+′虚拟实验′+′仿真实验′)and SU=(′生物′+′细胞′+′基因′+′蛋白质′+′酶′+′生态学′+′植物′+′动物′+′心理学′+′遗传′+′昆虫′+′病毒′+′生理学′)and SU=(′教育′+′教学′+′课程′+′人才培养′)”，共检索到604条中文文献，去除5条非研究论文的无效文献后，剩余599条。

采用同样的检索词拓展方法，在Web of Science上使用高级检索，本研究获得310条文献记录。检索式为“TS=(″immersive media″ OR ″virtual reality″ OR ″augmented reality″ OR ″mixed reality″ OR ″simulation experiment″)AND TS=(teach* OR educat* OR tutoring OR pedagog* OR schooling)AND TS=(biolog* OR ″DNA″ OR ″RNA″ OR ″protein″ OR ″microbiolog*″ OR ″bioinformatics″ OR ″genetics″ OR ″physiolog*″ OR ″ecolog*″ OR ″psycholog*″ OR ″biochemistry″)”

3 结果与讨论

3.1 发文趋势分析

由图1可知，总体上中外的发文量均呈现逐年上升趋势，其中中文论文具有指数型增长的特征，说明这个领域的发展正处于快速发展阶段。需要说明的是，考虑到研究的示范作用，本文选取的外文数据库仅包含核心合集，因而数量较少。国外于1994年发表第一篇相关文献，从2000年开始跃升并持续产出。中文文献数在2011年跃升，此后才呈现快速增长趋势。相比之下，国外在2000年就迎来第一次研究热潮，远早于国内，这也解释了国外研究在主题方面的前沿性和深度。

图1 WoS和CNKI中相关文献发文量

3.2 研究机构分析

考察文献作者所在机构。国内外发文量最高的10个机构如图2所示。国内发文量最高的前10个单位中，3个单位来自江苏省，显示了其对该领域的重视。进一步考察上述单位发现，这10家单位中，有6家单位均具有生物或医学相关的国家级虚拟仿真实验教学中心，其中四川大学具有两个。第11至第20家单位中则有8家单位也有国家级虚拟仿真实验教学中心。这一系列中心源自教育部发布的《关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，旨在依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。目前这个计划包括遴选出的100个入选单位，为推动中国的虚拟仿真实验教育起到了引领作用，其中不乏与生物学教学相结合的中心。

图2 CNKI(a)和WoS(b)中发文量前10的研究机构

就科研合作而言，目前发文量最高的几个高校中已经形成了几个稳定的研究团队。例如：华中师范大学的李兵、胡原和万建形成了较好的科研合作，研究主要集中在珍稀植物[12]和动物[13]和其他生物类[14]虚拟仿真实验教学；张彪、魏万红、杜坤和潘志明等扬州大学的研究团队合作发表了13篇此领域的论文，重点关注植物物种鉴别[15]和分类等植物类相关的虚拟仿真系统应用。此外，四川大学的林宏辉研究组在生物类虚拟实验室的建设机制[16]，南京医科大学的高兴亚在机能实验学虚拟实验平台的建设[17]等方面，也在各自高校内形成了良好的科研合作团队。

在WoS中，发文量排名前10的机构包括来自美国的6所高校，占据核心地位。利用VosViewer工具，得到国际机构的合作网络图(图3)。根据机构间的合作关系，目前该领域形成了4个主要的合作聚类，分别以不同的颜色标记，包括英国(紫色)、美国(红色)、意大利[蓝色，其中意大利营养学研究所(Istituto Auxologico Italiano)发文量最高]以及一支国际合作团队(绿色)。这个领域中，英国、美国和意大利各自形成了国家内部具有优势的紧密的科研合作，而来自澳大利亚、韩国、新加坡等国家的研究团队与欧洲和美国的部分机构形成了国际合作。相比之下，中国的几所大学虽然也各自形成了研究团队，但是其合作局限于所在高校，很少有成规模的机构间合作。

图3 国际机构合作网络

3.3 关键词共现分析

根据关键词的共词分析，在中文论文的关键词共词分析网络(图4)中，相关研究主要包括3个方面：(1)教学改革：主要包括“教学模式”“教学方法”“教学改革”等关键词，指明了虚拟现实技术为教育方式带来的革新；(2)虚拟实验：包括“虚拟实验室”“虚拟仿真实验”“传统实验”等关键词，说明目前主要形式是虚拟仿真实验室，它的推广和发展是我国高等教育改革的重要内容和必然趋势[18]；(3)应用场景：主要有“生物工程”“生物制药”“动物医学”等，说明在国内的沉浸式媒体技术与生物学教育的场景中，实践应用仍然是主要的着力点。

图4 知网中文论文关键词共词网络

根据WoS论文的关键词共词网络(图5)，国外的相关研究的关注点也集中在3个方面。(1)教育和环境：包括“science education”“student”“environment”等关键词，说明教育仍然是这一领域的核心议题；(2)分子可视化：包括“protein structure”“biochemistry”“molecular visualization”等关键词，国外在分子生物学等微观视角下的生物学教学中投入大量研究，这是与国内研究相异之处；(3)认知和心理学：包括“stress”“anxiety”“emotion”“motivation”“serious game”等，说明大量涉及认知和心理学的教学应用。

图5 WoS核心合集论文关键词共词网络

通过中外研究的关键词共词分析发现，国内外的研究各有侧重：除教育之外，国内的研究主要集中于虚拟仿真实验和应用场景，这与教育部的规划和政策密切相关，体现出行政主导的态势；国外的研究更深入，在微观生物学教学和认知与心理学方面形成了研究特色。

为了深入挖掘国外研究前沿和趋势，本研究对图5中的共词网络进行聚类分析得到图6，由CiteSpace内置的LLR算法提取聚类标签，得到6个主要聚类。其中，最新的聚类在于呈红色的节点，包括“分子可视化(molecular visualization)”“自闭症(autism)”“心理学(psychology)”“严肃游戏(serious game)”，指出了分子生物学和认知与心理学两个主要趋势。沉浸式媒体技术在自闭症的教育[19]和干预训练方面提供了重要的技术支持[20]。严肃游戏结合了游戏的趣味性与知识和技能的传达性等优势，是游戏和认知、心理学领域近年来的研究重点[21]。因此，分子可视化、自闭症等认知障碍的治疗和训练以及严肃游戏是近年来此领域可能的研究趋势。

图6 WoS核心合集论文关键词共词网络聚类图

4 结论

研究利用共词分析、共现分析等文献计量学方法，梳理了当前领域的文献增长趋势，分析了国内外高产的研究机构和作者的合作网络，并借助关键词共词分析探索了国内外相关研究的重点和趋势，为国内的相关研究者和教学实践者跟踪研究前沿、研究热点和定位研究趋势提供了一定的参考。目前国内的研究仍然集中在实践与应用层面上，相较国外同行，在认知与心理学方向的沉浸式媒体教学探索方面仍有巨大空间有待挖掘。