我國虛擬實驗研究現狀的實證分析*

李凌云 王 佳 王海軍

【摘要】采用文獻分析法,對1999年～2008年間中國知網收錄的所有關于“虛擬實驗”方面的648篇文章進行了統計,從研究數量、研究內容、關注學科三個方面進行了分析,最后提出了現階段虛擬實驗研究的一些的思考。

【關鍵詞】虛擬實驗;研究現狀;實證分析

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097(2009)12—0111—04

引言

從廣義的角度而言,虛擬實驗是指區別于實際動手實驗,通過各種仿真手段實現的仿真實驗。虛擬實驗主要用虛擬儀器、設備代替傳統的實驗儀器和實驗設備進行實驗,對實驗結果的性能和實驗過程中產生的“虛擬電路或設備”進行預測和評價,從而縮短實驗操作時間和設計周期,降低實驗成本[1]。虛擬實驗大多通過軟件實現,能夠減少儀器設備的損壞,還可以避免真實實驗或操作所帶來的各種危險,因此,能有效解決真實實驗資源不足的現狀。由于虛擬設備的研究與應用的迅速發展,通過計算機可以模擬各種實驗設備,使用者可以通過虛擬實驗系統完成實驗的理論設計和實踐,多層次、多角度對實驗設計和結果進行分析,然后再回到真實實驗室進行實踐檢驗。這樣既節省了實驗時間,又提高了實驗效率,促進了創造性思維的發展。目前虛擬實驗在學校實驗教學與科學研究中發揮重要作用,引起了人們廣泛的關注。

虛擬實驗在國外研究較早,因其誘人的應用前景,各國均在大力發展,出現了很多成熟的系統[2-5]。我國的虛擬實驗的研究起步較晚,但是發展速度較快。根據目前從網上可查到的信息和各院校開放的對外服務看,國內部分大學已陸續建立了虛擬實驗系統[6-8]。為了詳細了解我國虛擬實驗的研究狀況,本文采用量化統計的方法,通過對中國知網中4個數據庫收錄的所有關于虛擬實驗方面的論文進行統計和分析,探析其研究的現狀和存在的問題,尋找解決問題的途徑。

一 研究資料和方法

本文所用的研究樣本為1999年～2008年10年間中國知網上的有關虛擬實驗的論文,包括中國期刊全文數據庫、中國博士論文全文數據庫、中國優秀碩士學位論文全文數據庫、中國重要會議論文全文數據庫4個數據庫收錄的所有關于“虛擬實驗”方面的文章,采用的檢索項是“篇名”或“題名”,檢索詞為“虛擬實驗”,“精確”查找。

應該說明的是,一項研究往往是多方面的,綜合的,可以歸入好幾種分類,很難設計出一個單一的分類方案來囊括全部的研究內容。針對很多文章分類不明確,或者內容涵蓋多個領域,筆者采用“標題+摘要+全文”的分析方法,對論文關注的主要內容進行歸類和分析。

二 有關虛擬實驗研究論文的統計與分析

1 按研究數量分析

從1999年～2008 年,共檢索到關于“虛擬實驗”的文獻648篇,其中中國期刊全文數據庫共發表研究論文533篇;中國博士論文全文數據庫收錄論文2篇;中國優秀碩士學位論文全文數據庫共收錄論文85篇;中國重要會議論文全文數據庫收錄論文28篇。各年收錄論文情況見表1?？傮w看來,關于“虛擬實驗”的研究論文數量龐大,研究和關注程度呈逐年上升趨勢。尤其是2006～2008這三年來,年產生論文數量超過100篇,其中博碩士論文也達10年最高,說明關于虛擬實驗的研究得到了研究者們廣泛的關注,研究內容也有了一定的深度。

表1 研究論文的基本信息統計

2 按研究內容分

我們將所有的研究樣本分為理論和實踐兩大類進行分類整理,有關統計結果如表2所示。圖1為論文分類數量的逐年統計結果。表中數據顯示,在1999～2008年發表的論文中,偏重于理論研究與探討的論文147篇,占22.7%,而偏向實踐研究方面的論文501篇,占77.3%,后者是前者的3倍多。從圖1可以看出,雖然理論和實踐研究數量均呈逐年上升趨勢,但是這10年來關于虛擬實驗方面的研究一直偏重于實踐方面,并且有逐漸增大的趨勢。

表2 樣本論文的分類統計

圖1 虛擬實驗理論與實踐研究數量逐年統計圖

(1)理論研究

我們將理論研究的文獻進行二次整理和分析,按照論文研究的內容將理論研究劃分為教學思考、教學模式、技術介紹與分析等7個方面,各年統計情況見表3。圖2則反映理論研究類各論文數量的逐年發展情況。

“教學思考”方面論文102篇,研究內容包含虛擬實驗的教學功效、教學前景、虛實結合實驗以及虛擬實驗室建設的思考、虛擬實驗建構的必要性探討、系統介紹、實驗內容與步驟的介紹等方面。這方面的研究主要存在的問題是,很多文章內容較短,對于虛擬實驗的教學功能、前景、在教學中的作用與地位、開設虛擬實驗的必要性和構想等闡述較多,很多選題雷同,總體看來研究內容不夠深入。

“教學模式”方面的論文一共15篇,大多是物理、電工電子等具體學科中虛擬實驗的教學模式的簡單介紹以及虛擬實驗在探究學習、合作學習中的應用,缺少對教學模式應用的效果分析。其中,基于網絡的虛擬實驗的教學研究得到了重視,說明了人們已經逐漸認識到了網絡虛擬實驗與單機版虛擬實驗相比所具有的優勢。

“技術介紹與分析”方面的論文17篇,主要集中在虛擬實驗開發的技術介紹,如Vrml、Java、Matlab、Java3D、Cult3D、虛擬儀器技術等。有些文章從多個方面對這些技術進行了比較分析,揭示出各自的優缺點,對實驗開發有一定的參考意義。

“現狀與趨勢”方面的論文10篇,分別介紹了國內外已開發的成熟的虛擬實驗系統、虛擬儀器技術與基于虛擬儀器技術的虛擬實驗系統的發展和應用前景,一些文章指出了當前研究的不足,并提出發展趨勢。

此外,有一篇論文從哲學層面對虛擬實驗的發展階段進行了探討,其余2篇論文分別是虛擬實驗技術的研究與應用創新團隊介紹以及會議內容介紹。

表3 理論研究的分類統計

圖2 理論研究類各論文數量的逐年發展情況

(2)實踐研究

同樣,將所有偏向實踐應用的論文進行整理與分類,如表4所示,圖3為實踐研究類論文數量的逐年發展的情況。本文將實踐類論文分為“設計與開發”、“教學應用”以及“虛擬實驗方法”三類。

“設計與開發”方面論文431篇,占實踐類論文的86%。內容包括虛擬實驗過程設計與開發、實驗系統(管理網站)的設計與開發、虛擬儀器間通信的標準化建設、實驗模型的設計與實現、實驗儀器的建模等方面。開發工具有Authorware、flash、VB、C++ builder、Matlab、LabVIEW、EWB、Java3D、VRML等,多達十余種。類型從二維虛擬實驗系統到三維虛擬實驗系統;從純軟件開發的虛擬實驗系統到基于虛擬儀器技術的遠程控制虛擬實驗系統,涉及物理、計算機、交通、機械設計、電子工程、檢測等多個學科。從以上數據可以看出,設計與開發類的研究是近年來研究的重點和熱點。從一個側面說明了技術性和學科適用性對虛擬實驗的使用和推廣起著至關重要的作用。

“教學應用”方面論文61篇,僅占實踐類論文的12.2%。研究內容包括虛擬實驗在具體學科教學中的應用實例、實驗實施方法和效果、實驗現狀調查等方面。但是對具體學科教學內容的應用實例介紹比較多,對實驗實施方法和效果、實驗教學與應用現狀調查很少。由此可見,目前人們對虛擬實驗的教學應用研究的熱情不高,對實驗的教學設計及其應用效果研究認識還不夠。

“虛擬實驗方法”方面論文9篇,這部分研究關注相對較少,主要集中在使用虛擬實驗的方法模擬具體學科知識,側重于學科知識的發現與研究。

表4實踐研究類論文分類統計

圖3 實踐類論文數量的逐年發展的情況

3 按關注學科分析

中圖分類號是指采用《中國圖書館分類法》對科技文獻進行主題分析,并依照文獻內容的學科屬性和特征,分門別類地組織文獻所獲取的分類代號。因此,本文參考中圖分類號來分析文獻所屬學科。需要說明的是,虛擬實驗的研究是一個交叉學科,既可能運用到相關專業知識,又需要相應的計算機技能。我們在參考中圖分類號進行統計的過程中,發現有一些文獻分屬多個學科。為了側重于研究“虛擬實驗”的關注學科,本文在統計時將這些文獻分別列屬于相應學科。

本文對相關領域進行歸類,共列出17個大類,分別涵蓋教育、自然科學、工業技術、交通運輸等領域(見圖4),其中“其他領域”包括哲學、農業科學、基礎醫學、貿易經濟、體育、天文學與地球科學、管理學以及食品工業,各有1篇文獻。由圖4可見,目前很多領域對虛擬實驗進行了關注,其中以“自動化技術、計算機技術”領域對虛擬實驗最為關注,10年來研究論文總量為313篇,側重于使用各種技術進行實驗平臺的設計與開發、實驗模型與儀器的建模等方面。其次是教育技術領域,文獻總量為131篇,主要側重于計算機化教學以及教學應用等方面。其他對虛擬實驗關注較多的是“無線電電子學、電信技術與電工技術”、“高等教育”、“機械、儀表工業”領域。由此可見,在關注學科中,“計算機技術”和“教育技術”領域最為突出,說明虛擬實驗的發展跟計算機技術有著極其重要的關系;其次,教育技術、高等教育、課程與教學論領域的關注說明了虛擬實驗在教育教學中的作用已經引起人們的關注,虛擬實驗的教學應用將成為人們下一階段研究的主要內容。

圖4 各領域中關于“虛擬實驗”研究論文數量情況

三 對目前虛擬實驗研究的思考

1 理論研究深度還不夠

通過對虛擬實驗現狀的文獻分析,我們發現,理論研究與實踐研究數量差距較大,說明目前人們在該領域的研究重實踐、輕理論,這與很多領域重理論、輕實踐的現狀不太相同。

理論類論文很多還停留在對于虛擬實驗教學功能、構建虛擬實驗系統的必要性、系統介紹等層次。目前人們對虛擬實驗在教學中的功能、作用以及構建虛擬實驗系統的必要性等已經有了明確的認識,因此,應加強對指導虛擬實驗教學的理論研究。對虛擬實驗與真實實驗結合的過程中,教師與學生的角色變化以及新型的教與學方式的轉變應給予關注。

2 虛擬實驗系統通用模型的設計與開發不多

實踐領域“設計與開發”方向的研究最多,說明目前人們對開發出適合學科特點的虛擬實驗系統的迫切性。但是研究集中在基于某一門課程虛擬實驗的實現,開發的技術種類繁多?；谝环N技術開發的某一學科虛擬實驗已有成熟的系統產生,但是有些研究者換一個設計案例仍然進行研究,這無形中造成了資源的浪費。因此,如何開發出某一學科的虛擬實驗通用模型,實現基于此平臺的二次開發,以避免不必要的重復勞動,提高開發效率,對現階段虛擬實驗教學的深入開展顯得尤為重要。

3 加強虛擬實驗系統應用研究

通過以上文獻分析可以看出一個明顯的現象,就是廣大研究者對開發出的虛擬實驗系統在教學中的應用情況不太關注。對虛擬實驗系統應用于教學的過程設計與效果分析、虛擬實驗系統開發評價等方面的研究不多,尤其是關于學生對虛擬實驗系統學習體驗的調查和從學生視角對使用虛擬實驗系統進行學習的評價很少。實際上,這方面的研究,對于檢查所開發平臺的有效性、實用性有很重要的意義。

4 加強學科之間的交流與合作

通過關注學科的分析,說明虛擬實驗已經引起很多領域研究者的關注。但是研究群體仍以相應學科的人員為主,學科之間的交流與合作還需加強。多學科的交流與合作可以結合多方面的研究力量,從多視角深入地進行研究,拓展其在各個領域的應用。

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參考文獻

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[5] National University of Singapore.NUS Internet Remote Experimention[EB/OL].

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[7] 崔光佐,程旭,楊芙清.基于WWW的網上虛擬實驗室設計與實現[EB/OL].

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