基于文献计量的虚拟仿真教学研究现状和趋势分析

柳长峰，王 睿，李 琦

（中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083）

0 引言

虚拟仿真是一种采用计算机技术和其他专用软硬件来模仿真实系统的技术和手段，其最早的研究记录可以追溯到上世纪20 年代用来训练飞行员的飞行模拟器［1］。由于其具有能突破环境限制、缩短操作时间和周期、降低成本和避免真实操作所带来的各种危险等优越性，各国投入大量的人力物力开展虚拟仿真领域的研究。随着计算机技术的进步，尤其是近年来人工智能、大数据、5G等现代信息技术的飞速发展，虚拟仿真已经广泛应用到各个领域中。

长期以来，虚拟仿真技术应用集中在军事、工业生产和科研领域［2-4］。“虚拟实验”概念的提出标志着虚拟仿真技术正式应用到教育领域［5］。虚拟仿真技术创造性地解决了教学实践领域的“做不到”“做不好”“做不了”和“做不上”等共性难题，带来了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。我国教育领域中虚拟仿真应用起步晚、发展快，教育部先后颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》和《关于2017 -2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，有力地促进了虚拟仿真技术在教育领域的应用。

本文文献计量学的方法，对中国知网的文献数据和国家虚拟仿真实验教学课程共享平台的课程进行可视化分析，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教学的发展脉络、现状和趋势，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。

1 分析方法

1.1 数据来源

文献来源于中国学术期刊网络出版总库（CNKI），选择“虚拟仿真”和“教学”为检索词进行主题检索，检索时间截止到2023 年3 月，检索语言为中文，期刊来源选择北大核心期刊。共检索到论文1 537 篇，对其进行人工去重，剔除会议征稿、评论、新闻、勘误、报道、介绍等，共筛选出有效文献1 508 篇。然后将检索数据进行格式转换，建立起相关文献的Excel 数据表。国家虚拟仿真实验教学课程共享平台自2017 年开始开设课程，截止到2023 年4 月10 日，在此平台中可以检索到相关课程3 466 个。

1.2 分析方法

利用上述从CNKI获取到的数据进行格式数据转换，并导出每篇文章的期刊、年份、标题、单位、作者、关键词及摘要，按照年份顺序分别保存为txt格式。研究使用CiteSpace6.2R2 版本进行知识图谱研究分析，对所有年份文献进行共被引分析，绘制文献共被引聚类图谱，高中介中心性文献以时间维度宏观分析该领域的发展过程；使用关键词共现功能结合突发检测功能进行研究前沿分析。具体参数为：将时区跨度分割设定在2000～2023 年；单个时间切片为2 年；主题聚类词来源选择标题、摘要、作者关键词与关键词累加，算法选用LLR（对数似然比检验），修饰算法选择最小生成树算法和修剪切片网络，参数选择“g-index，k=25”。

2 数据分析

2.1 论文期刊与数量分布

年度文献发表数量是评价科研成果的重要指标之一。可检索到的关于虚拟仿真教学的文献最早发表于2000 年［6］，在2000～2013 年，发文量较低（＜20 篇），无空窗期。2014 年开始，文献数量开始快速增长，并于2021 年达到峰值（262 篇），之后有所回降，但整体数量稳定（见图1）。

图1 年度发表文献数量（2023年文献数量截止到2023年3月）

对虚拟仿真教学相关论文发文期刊进行统计（见表1），该研究方向学术论文主要集中发表在《实验技术与管理》和《实验室研究与探索》期刊上，发文量分别为564 篇和390，远高于其他刊物，占总发文量的2/3 左右。此外，教育类、外语类期刊也有较多的相关论文发表。这一特点表明虚拟仿真教学领域的研究期刊较为集中。

表1 发文期刊分布

2.2 机构分布

发表论文的数量能够在一定程度上反映该机构在该学科或研究方向上的发展和积累情况。对虚拟仿真教学文献的发文机构进行统计排序（见表2），排名前3的机构依次为哈尔滨工程大学（30 篇）、吉林大学（29 篇）和中国石油大学（华东）（27 篇）。排名前10的机构以行业特色工科大学和高水平综合类大学为主，其原因是因为该类大学受行业特点影响，对虚拟仿真教学的需求更大。

表2 发文机构分布

2.3 学科分布和基金资助情况

按照CNKI的学科分类（见表3），发文量排名前3的依次为高等教育（920 篇）、计算机软件及计算机应用（460 篇）和教育理论与教育管理（339 篇），这3 类占到半数以上。医学类、生物学、建筑科学和机械类占总数的15%左右。1 508 篇文献中有590 篇受基金资助（见表4），资助率为39.12%。其中国家自然科学基金资助197 篇；教育部产学合作协同育人项目资助44 篇；国家重点研发计划资助24 篇；国家社会科学基金资助18 篇；中央高校基本业务费资助16 篇；其余为各省高等教育教改经费。这一特点显示关于虚拟仿真教学的研究资助来源多样，以国家层面资助为主。

表3 发文学科分布

表4 基金资助分布情况

2.4 高被引论文分析

高被引论文的分布特征能够客观反映该学科领域的研究动态。根据中国知网全文数据库对虚拟仿真教学的相关学术论文被引频次进行统计，选取排名前10的高被引论文进行分析（见表5）。10 篇论文被引频次共3 328 次，最高被引频次677 次，最低被引频次159 次。从文章发表时间和内容来看，明显可以分为两个阶段：2013～2016 年文章8 篇，内容主要为虚拟仿真实验中心建设；2018～2020 年文章2 篇，内容为虚拟仿真教学项目及课程建设。

表5 前10 篇高被引论文［7-16］

3 关键词分析

3.1 关键词词频与共现关系分析

科学研究的热点可以通过关键词进行归纳分析。通过CiteSpace对关键词频次进行统计（见表6），分析其共现情况。可以看出，关键词出现频次最高和中心中介度最高的关键词基本重合，主要有“虚拟仿真”“实验教学”“虚拟现实”“教学改革”“新工科”“实验平台”等，这些关键词间共现关系较为简单且通达度高（见图2），具有很强的相关性，表明这些关键词代表了相关研究的集中领域，是长期的研究热点。

表6 关键词频度统计表

图2 关键词共现图谱

3.2 聚类及时间树分析

通过关键词聚类分析，样本数据共产生11 个较大的聚类（见图3）。这些关键词聚类在一定程度上代表了当前虚拟仿真教学的基本研究内容，即通过虚拟仿真实验中心（平台）和虚拟仿真课程、仪器的建设，利用信息技术和虚实结合手段，实现教学模式和教学体系的变革，更好地为培养人才服务。从关键词聚类时间树（见图4）分析来看，“虚拟仿真”和“实验教学”在2006 年左右出现，2017 年之前已实验中心（平台）的建设为主，2018 年开始以课程建设、教学方式和体系、人才培养内容占多数。

图3 关键词聚类分析图谱

图4 关键词聚类时间树图谱

3.3 关键词突变分析

CiteSpace统计的突现关键词（Bursts）能精确显示起止的年份，也能在一定程度上反映研究的主题变化趋势。图5 展示了2000～2023 年排在前列的14 个突现关键词。可以看出：2000～2009 年间出现的突现词为“虚拟仪器”“仿真”“多媒体”“虚拟现实”等，处于对虚拟仿真教学的探索阶段；2010 年突现词为“职业教育”，标志着虚拟仿真技术已经进入到教学领域中。2014～2016 年突现词为“云平台”“创新人才”“资源共享”“教学体系”等，现实以实验平台建设和共享为主。2018 至今的突现词为“互联网+”“土木工程”“课程建设”“线上教学”和“教学实践”，说明这一阶段的研究以课程建设为主，由于2020～2022 年新冠疫情影响，线上（在线）教学相关研究增多。而“课程建设”是从2020 年出现持续至今的突现词，可能代表着目前虚拟仿真教学的前沿趋势［14-19］。

图5 突现关键词图谱

3.4 国家虚拟仿真实验教学课程共享平台建设

国家虚拟仿真实验教学课程共享平台自2017 年开始课程建设，截止到2023 年3 月，共有在此平台中可以检索到60 个专业类别的3 466 个相关虚拟仿真课程，覆盖高校2 683 个，实验突破1 500 万人次。其中工科类1 582 个，占总数46%；理科444 个，占总数14%；教育学和法学数量最少，分别为65 和81 个（见图6）。从课程上线时间来看，2017 年295 个，2018 年722 个，2019 年1 048 个，2021 年1 173 个，2022 年193个，2023 年为35 个，自2022 年后明显减少。

图6 国家虚拟仿真实验教学课程共享平台实验课程学科分布

4 讨论

4.1 虚拟仿真教学研究的阶段演化和研究热点的变化

虚拟仿真教学受宏观政策影响较大。根据重要政策的时间节点相关、科研文献和实验课程的统计分析，可以将我国虚拟仿真教学实践过程和研究热点分为以下3 个阶段：

（1）虚拟仿真教学探索期（2000～2013 年）。该阶段并未出台国家层面的相关文件和政策，早期的虚拟仿真教学主要应用在大学的远程教育和安全培训方面，之后有了一些虚拟实验与课程结合、虚拟实验和虚拟仪器设计等。这一阶段文献量少（见图1），但“虚拟仿真”和“实验教学”两个关键词已经出现，说明已有学者关注虚拟仿真在教学中的应用。如杨炳元等阐述了内蒙古西部电网继电保护数字仿真系统［6］；谭珂等探讨了虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用［17］等。

（2）实验中心（平台）建设期（2014～2017 年）。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，重点内容包括虚拟仿真实验教学资源、管理和共享平台、管理队伍和管理体系。各高校开展了极富成效的虚拟仿真实验教学中心和平台的建设工作。该时期研究文献数量快速增长，于2017 年达到第一个峰值（135 篇），内容主要集中在虚拟仿真实验教学中心、共享平台的建设和管理体系研究，关键词集中在“实验中心”和“教学平台”［7，10-15］。也有部分虚拟仿真实验教学方法的探讨文献。

（3）课程体系建设时期（2018 年至今）。2017年，教育部发布了基于《教育部办公厅关于2017～2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4 号），并建成了国家虚拟仿真实验教学课程共享平台。受政策影响，各大高校开展了示范性虚拟仿真实验教学项目建设，一时间形成了百花齐放的局面。这一阶段相关文献数量继续增长，并于2021 年达到峰值（262 篇）。在研究内容上则以课程建设为主，关键词增加了“新工科”“互联网+”“新文科”等［8，17-21］。2020～2022 年新冠疫情期间，“线上教学”成为突现词，体现出虚拟仿真教学有力地支持了这一非常时期的线上教学［22-28］。

4.2 特点与不足

经过近20 多年的建设，我国虚拟仿真教学和研究取了可人的成绩，主要表现出以下的特点。

（1）虚拟仿真教学和研究为政策导向型。自2013 年以来，虚拟仿真教学和研究紧跟国家政策引导，积极研究政策的实施和落地方式，关注发展中存在的问题并提出解决方案，不断与时俱进。但同时也需要指出，如果没有经费和政策的持续支持，虚拟仿真教学和研究难以保障。从文献数量和国家虚拟仿真实验教学课程来看，2022 年已经出现明显的下降趋势。工业和信息化部和教育部等多部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022～2026 年）》，推进“虚拟仿真实验教学2.0”，支持高等院校加强虚拟现实相关学科专业建设，鼓励产学研合作等，这将为虚拟仿真教学和研究的持续发展注入新的活力。

（2）学科领域不断拓展。根据年度发文量和关键词统计分析，虚拟仿真教学的相关研究数量逐步提升，其学科领域由早期的工科占绝对优势，发展到目前工科为主，覆盖大部分学科，在文学、马克思主义理论和艺术学等学科也有广泛应用。

（3）与发表科研论文相比，地方普通院校在国家虚拟仿真实验教学课程建设上的参与度更高。从国家虚拟仿真实验教学课程“国家一流课程”的建设单位可以看出，既有北京大学、清华大学、天津大学等高水平双一流院校，也有塔里木大学、常州大学、泉州师范学院等地方普通高校。这一现象反映出虚拟仿真实验课程对各级各类学校而言都是新兴事物，虽然高水平院校在科研方面占据明显优势，但虚拟仿真实验课程建设上并不存在明显优势。

5 结语

本文通过CiteSpace 6.2 R2 可视化文献计量分析软件对于中国知网数据库中2000 年到2023 年3 月发表的虚拟仿真教学相关的文献进行知识图谱的分析，结合国家虚拟仿真实验教学课程相关情况，认为文献数量整体呈上升趋势，期刊、学科分类和研究机构较为集中。“虚拟仿真”“实验教学”“虚拟现实”“教学改革”“新工科”“实验平台”等高频关键词代表了该领域的研究热点，突现词“课程建设”可能为今后的研究方向。在此基础上，将我国虚拟仿真教学的发展和研究可以分为3 个阶段：虚拟仿真教学探索期（2000～2013年）、实验中心（平台）建设期（2014～2017 年）和课程体系建设时期（2018 年至今）。