近10年来有关高校实验室的研究热点及前沿探析

镇 丽 华

(南通大学 经济与管理学院， 江苏 南通 226000)

0 引 言

高校实验室研究体系庞大，分支众多，涵盖了实验室建设与管理、设备配置、实验师资、实验教学、实验室安全与环境等多个方面[1]，因此其文献的研究视角和研究内容也呈现出多样化趋势。近年来随着高校改革的逐步深入，实验教学在人才培养中的作用凸显，更多的学者开始注重实验室的研究，涌现出不少成果。鉴于此，为了进一步了解实验室领域的研究现状与发展趋势，本文采用文献计量学和知识图谱的研究方法，运用可视化软件绘制高校实验研究的知识图谱，对CNKI中实验系列中文核心期刊2011～2020年的文献进行可视化分析，剖析当前的研究热点和前沿，为后续研究提供借鉴和参考。

1 数据来源与方法

由于核心期刊文献质量更高，对问题的研究更深入，也更具代表性[2]，所以本研究选取中国知网(CNKI)实验室系列核心期刊作为数据来源，将文献来源设置为“实验技术与管理”或“实验室研究与探索”，时间范围限定为2011-01-01日～2020-12-31日，检索得到18 386条记录，剔除实验示范中心、期刊导读、人物专访、名人名言等无效数据，得到有效记录17 749条。将这些记录以Refworks和NoteFirst格式导出，选用Excel、Bicomb和CiteSpace为研究工具，通过对文献的年发文量、作者、研究机构、关键词词频和聚类的可视化分析，梳理高校实验室研究体系的热点与前沿。

2 文献计量分析

2.1 发文量分布

采用Excel对检索到的文献进行年度刊载量统计，绘制高校实验体系研究文献年发文量分布图。由图1可知，论文发表总量从2011年的2 154篇到2020年的1 597篇，总体呈下降趋势，尤其在2011～2014年阶段，下降趋势显著，其原因可能是期刊对研究深度提高了要求。2014～2020年虽有波动，但整体数目平稳稍有下降。就两大期刊而言，2011～2013年《实验室研究与探索》的发文量要高于《实验技术与管理》，2014～2020年二者相对均衡。

2.2 核心作者及合作关系分析

作者发文量是衡量该作者基于该研究主题影响度与贡献度大小的一个重要指标，通过对作者发文量的分析，可以明确这一领域的核心作者群[3]。根据普莱斯定律，核心作者的估算方法可以表示为：

(1)

式中，Nmax为发表论文最多作者的论文数量，M为核心作者的最低发文量，即发表论文M篇以上的作者即为核心作者[4]。

当一篇论文由多个作者共同完成时，考虑到贡献度的问题，只统计第一作者。运用Bicomb软件统计10年来以第一作者身份在上述两种期刊上发表论文的有11 400余人，其中发文数量最多的是重庆邮电大学的陈功贵，数量达18篇。依据计算公式，得出M≈3.18，即发表4篇及以上数量的作者为高校实验室研究领域的核心作者。表1给出了核心作者发文量情况，据统计，核心作者发文量共计2 828篇，远低于论文总数的50%，根据普莱斯定律，说明实验室研究领域的作者仍比较分散，暂未形成核心作者群。

表1 作者发文量统计

运用CiteSpace[5-6]对作者之间的合作关系进行分析，结点类型选择“Author”，筛选标准选择“TopN”，得到实验室研究领域作者合作网络图谱，如图2所示。图中结点的大小与作者发文量成正比，结点间连线的粗细反应作者间合作发文的强度。因为存在作者重名的现象，现结合相关文献进行分析，去除刘艳、刘洋、王超、王伟、李斌、李鹏、杨柳等重名结点及相关连线后，得到3人以上的学术团队有4个，分别是：北京科技大学的柯红岩、崔家瑞、金仁东、李擎、钱大益、刘云等组成的团队；浙江大学的冯建跃与杭州电子科技大学的姜周曙、张建良、亓文涛、吴越等组成的团队；南开大学的李欣、赵玉红、赵立青、张金红、周浩组成的团队；清华大学的黄开胜、艾德生、江轶、吴丹组成的团队。除了冯建跃团队作者之间有跨机构的合作，多数有合作关系的作者来自同一机构，跨机构合作较少，暂未形成较好的作者合作网络。

图2 作者合作关系图

2.3 研究机构分析

研究机构分析能够揭示哪些机构处于某一学科领域前沿，为其他的学习者和机构提供学习交流和合作的方向[7]。借助CiteSpace软件对论文的研究机构合作关系进行分析，结点类型选择“Institution”，筛选标准选择“g-index”，k默认缺省值25，得到研究机构之间的合作关系可视化图谱，如图3所示，图谱共有628个结点，每个节点代表一个机构。由图3可知，主要发文机构包括中国石油大学(华东)理学院(90篇)、中国石油大学(华东)信息与控制工程学院(74篇)、哈尔滨工程大学自动化学院(72篇)、北京大学实验室与设备管理部(61篇)、中国石油大学(华东)机电工程学院(57篇)、吉林大学仪器科学与电气工程学院(54篇)。图谱628个结点之间只有180条连线，除了北京大学实验室与设备管理部与其他机构有合作外，其他机构多为独立研究或者机构内部二级单位合作，跨机构合作仍较少。

图3 研究机构合作关系图

3 实验室研究的热点与前沿分析

关键词是文章主题内容的表达和提炼，学科领域中高频次、高中心性的关键词所表征的研究主题常被用于确定一个研究领域的研究热点[8]。借助CiteSpace对2011～2020年度两大期刊文献进行关键词共现分析并绘制关键词聚类图谱，以此来明确实验室研究领域的热点主题与发展前沿。

3.1 关键词共现分析

在CiteSpace中结点类型选择“Keyword”，筛选标准选择“Thresholds”， 阈值(c,cc,ccv)设置为(4,4,20)、(5,4,20)、(5,4,20)，运行得到实验室研究领域的关键词共现图谱、关键词频次及中心度。分别列出关键词频次和中心性位于前15的关键词，如表2所示。

表2 关键词统计

由表2可知，“实验教学”的频次最高，为1 833，其次是“实践教学”，频次为666，中心性最高的是“实践教学改革”，说明实验、实践教学改革是实验体系的主要研究内容。另外，实验室建设、创新能力、虚拟仿真、人才培养、大型仪器设备等关键词的频次或中心性也较高，这与加强创新型应用型人才培养、探索新的实验教学方式和实验室管理模式等发展趋势基本相符。

3.2 关键词聚类分析

为了进一步了解实验领域的研究热点，在关键词共现的基础上进行聚类，得到关键词聚类图谱，如图4所示。图4中，聚类模块值ModularityQ=0.847 1>0.3，聚类轮廓值S=0.927 7>0.7，说明聚类效果显著且可信。

图4 关键词聚类图谱

根据聚类图谱提取实验室研究领域关键词聚类信息，如表3所示。

分析高频关键词和关键词聚类信息，将实验室研究领域的热点主题归纳为以下几类：

(1) 实验与实践教学改革研究。聚类#0、#4～#8、#11、#14、#16共现关键词有实验教学模式、实践教学体系、教学设计、教学质量、能力培养、虚拟仿真、物联网、传感器等。实验与实践教学对培养学生实践操作能力、创新能力具有至关重要的作用，学者们围绕这一主题开展了一系列研究，尤其是在先进教学技术的推动下，学者们转换实验教学模式和教学方法，以期改善教学效果和人才培养质量。

(2) 实验室建设与管理研究。聚类#1、#2、#9、#10共现关键词有实验室管理、实验室建设、实验教学示范中心、实验技术队伍、实验室安全等。实验室作为实验教学的主体机构，自身的建设发展是开展实验教学的重要保障，因此各大高校和学者都高度重视实验室的建设研究。“互联网+”“大数据”“虚拟仿真”等新兴技术的出现更是助推实验室的建设、管理和运行产生了巨大的变革。

表3 关键词共现聚类信息表

(3) 仪器设备管理研究。聚类#3、#13共现关键词有大型仪器设备、资源共享、设备采购等。仪器设备是高校促进创新人才培养、开展高水平科学研究和社会服务的有力支撑。切实加强和完善仪器设备特别是价值较高的大型仪器设备的采购、使用与管理，是目前高校资产管理部门共同关注的课题，也是加快“双一流”高校建设的重要举措。

3.3 前沿分析

凸现的关键词是指在一段时间内出现频次突然增多的关键词，其在一定程度上可以反映某一研究领域的前沿与趋势[9]。CiteSpace具有检测突变词功能，为此关键词聚类后在控制面板中选择“Burstness”得到实验研究领域2011～2020年间25个突现词列表(见图5)，图谱清晰显示了关键词的突现及持续年份。对突现词进行分析，可将10年来实验室研究前沿的演进过程大致分为4个阶段。

图5 关键词突现图谱

第1阶段为2011～2013年。该阶段的研究角度主要集中在高等学校实验中心建设方面。学者们纷纷响应国家卓越工程师教育培养计划，积极探索构建各级各类实验教学中心的模式和思路，如国家级环境科学与工程实验教学示范中心、省级电气与新能源实验教学示范中心、高校设计艺术类实验中心等，在中心建设的过程中不断更新实验教学观念，完善实验教学体系，变革实验教学方法与手段，创新管理模式。

第2阶段为2014～2015年。这一阶段高校开始考虑深度转型发展，而“协同创新”机制恰好为高校从“封闭式教学”向“开放式教学”方式的转型发展提供了良好的契机。例如杜云翔等[10]提出建立区域内高校大型仪器设备协同创新共享平台，解决我国科技主体分散、缺乏协同、资源配置不均等问题；时连君等[11]以校企合作为切入口，通过建立校企协同创新平台、实施高校教育与社会生产相结合的教育机制，推动创新型、应用型人才的培养。这个阶段还伴随着智能手机的普及和网络技术的飞速发展，学者们将这些引入课堂作为实验教学改革的主要手段，比如基于手机系统搭建数据处理移动平台来协助师生进行高效的数据分析及处理[12]、实施翻转课堂线上线下混合教学模式加强学生的自主学习能力[13]等。

第3阶段为2016～2017年。这个阶段全国高校都在推进信息化技术与实验室的融合与应用，关联的突现主题词有“虚拟仿真”“互联网+”“大数据”等，其中“虚拟仿真”是10年来突现强度最大的主题词，说明对虚拟仿真的相关研究最为活跃。部分学者借助虚拟仿真手段对一些高风险、高成本、不可逆的实验项目模拟实验过程，使得实验更具直观性和形象性，比如靳满满等[14]自主构建了高度仿真的化工专业虚拟实验环境平台，实现了真实实验难以完成的教学功能，再比如成丹等[15]从生物学野外实习教学的实际应用出发，构建了天目山生物学野外实习虚拟仿真实训系统，化解了传统野外实习的困难，同时也扩充了教学信息量。还有学者借助信息技术来提升实验室管理水平，如张奇峰[16]运用互联网、大数据等手段，通过视频监控系统、消防监控系统等科技设施，构建高校实验室安全体系，为高校师生提供科学安全的实验环境。这一阶段的另一研究热点是大学生创新创业教育，它是国家培养具有创新精神人才的重大战略举措，也是高校深化教育改革的必经之路。创新创业教育以怎样的形式融入人才培养过程是学者对这个主题研究思考的主要内容，胡海山等[17]提出需从理念更新、机制完善、课程建设、实践实训、教学改革、学籍管理以及全方位保障等方面着力，形成畅通有效的创新创业人才培养路径；黄幼川[18]从调整办学思路、建立创新创业实践基地、优化创新创业教育工作机制3个角度给出了推动创新创业教育健康发展的具体思路。

第4阶段为2018年～2020年。这个阶段的热门突现词主要是“新工科”和“实验室安全”。新工科是新时代工程教育的新理念、新格局、新走向，学者以此为背景围绕实验室建设与管理、实践教学、人才培养等方面探讨改革的途径，例如陈浪城等[19]结合新工科建设背景，提出建立多学科交叉融合实验平台、加强实验室建设项目管理、优化实验室管理模式和运行机制的实验室特色管理体系；周静等[20]利用新工科背景下地方院校融合多环境的优势构建了理工科专业“四层次四方位”实践教学模式；李志彬等[21]从教育理念、培养方案、教学方法、合作教学、创新创业平台、师资队伍建设等方面论述了地方本科院校工程专业新工科人才培养的建设思路。在实验室数量、规模和层次的不断提升中，实验室的安全管理面临严峻的挑战，高校实验安全事故时有发生，严重威胁到师生的生命安全。梳理两大期刊实验室安全相关的文献发现，实验室安全类的研究主要集中在3个方面：① 不同学科实验室安全管理体系的构建，如生物类、化学类、医学类、环境类、理工类等；② 生化实验室安全，主要是生化实验废弃物的管理和处置、实验室仪器或实验过程操作不当引发的有害物质泄露造成环境污染等；③ 实验室安全教育，包括新生入学增设安全教育课程和安全知识学习系统的开发设计等。

4 总结与展望

本文对CNKI实验系列两大中文核心期刊《实验技术与管理》和《实验室研究与探索》近10年发表的论文进行了可视化计量分析，从分析情况看，10年来实验室研究文献数量经历了从大幅下降到小幅上升再到小幅下降的过程；研究作者较为分散；研究机构多为机构内部合作，跨机构合作较少；研究内容多涉及实验实践教学改革研究、实验室建设与管理研究、仪器设备管理研究等方面，研究热点主要有虚拟仿真、新工科、创新创业、实验室安全、虚拟仿真实验、虚拟现实、翻转课堂、互联网+等。纵观以上结果，认为未来实验室领域的研究可以从以下3个角度展开：

(1) 深化内容拓展研究。目前该领域研究主要围绕实验实践教学、实验室建设与管理、仪器设备等方面展开，后续研究仍须深入。同时，应关注新兴技术的应用，不断探索研究内容的创新，如实验技术与各学科的深入融合、以科技为支撑的实验中心服务效果评价等，从而拓展研究的广度和深度。

(2) 加强跨界融合研究。实验体系研究不能光停留在机构内部合作上，需要加强与校际、企业、社会力量等的合作，在融合中推动体系的发展升级，不断内生出新的研究内容。因此，创新跨界合作模式、资源共享机制、协同发展等仍然是未来实验室领域的研究热点。

(3) 重视外在因素研究。实验室的建设与发展需要经费、政策等外在因素的支持。研究发现，现有文献中大多以实验室内部建设、拥有的设备资源、实验教师队伍等在实验体系中的作用为主，缺乏对外在因素的考量。对实验体系外在因素的研究应既包含微观的基础性保障又包含宏观的整体性保障，如组织领导、经费投入、资源配置、制度建设、政策保障等。

研究也存在不足之处：① 样本文献只选取了核心期刊，可能会影响信息收集的完整性；② 文章主要进行文献计量和知识图谱分析，展现的是实验室领域文献的形式特征，没有对内容进行详细分析，也没有深入挖掘该领域涉及到的学科发展规律，未来研究可以扩大样本收集范围，采用内容分析法在热点分析的基础上发现学科分支的前沿问题。