基于CiteSpace的我國虛擬實驗研究現狀與趨勢

田 夏， 孟 佳

(上海交通大學 教務處，上海 200240)

基于CiteSpace的我國虛擬實驗研究現狀與趨勢

田 夏， 孟 佳

(上海交通大學 教務處，上海 200240)

虛擬實驗是信息技術和學科專業深度融合的產物，虛擬實驗的相關研究成為國內外研究熱點。為更好地把握我國虛擬實驗的研究方向和發展趨勢，運用文獻計量學和知識圖譜研究的方法，對我國2001～2015年核心期刊發表的虛擬實驗相關的研究論文進行統計分析。研究顯示，我國虛擬實驗研究主要分為“虛擬實驗技術研究”和“虛擬實驗教育研究”兩大領域：“虛擬實驗技術研究”隨著研究前沿不斷發展，集中關注虛擬儀器、虛擬現實技術、虛擬實驗室3個領域；“虛擬實驗教育研究”形成了“虛擬實驗與教育結合的探索期”“教育信息化引導的過渡期”“以虛擬資源為核心的發展期”3個時期的演進。

虛擬實驗； 文獻計量； 研究現狀

0 引 言

就廣義角度而言，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。虛擬實驗主要采用互聯網和計算機技術，利用虛擬儀器、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，體現環保與安全的理念[1-2]。到目前為止, 虛擬實驗已經歷了思想實驗，計算機仿真和虛擬現實3個階段[3]。國外虛擬實驗發展較為迅速，自從1989 年美國弗吉尼亞大學的威廉·沃爾夫(William Wolf)教授提出“虛擬實驗”的概念以來，虛擬實驗系統的開發與應用就得到了迅速發展，國外很多高校、研究機構均投入大量的人力、物力和財力去設計、開發虛擬實驗系統，虛擬實驗的相關研究不斷深入，應用不斷普及[4]。虛擬實驗能縮短實驗操作時間和設計周期，降低實驗成本，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，實現資源共享，能有效解決真實實驗資源不足的現狀。我國虛擬實驗的研究起步較晚，但是發展速度較快,國內部分大學已陸續建立了虛擬實驗系統，全國目前已經建立300家虛擬仿真實驗教學示范中心，覆蓋27個省市自治區。

為更好地把握我國虛擬實驗的研究方向和發展趨勢，本文運用文獻計量學和知識圖譜研究的方法，對虛擬實驗相關的研究進行統計分析，以期揭示我國虛擬實驗研究狀況和特點，為我國虛擬實驗研究的進一步推進提供借鑒和參考。

1 數據獲取與研究方法

本文選擇了北大中文核心期刊數據庫作為數據收集來源，從中國知網(CNKI)中選取2001～2015年核心期刊為來源期刊，在“主題”欄鍵入“虛擬實驗”(數據庫檢索時間截止為2016年3月20日)，從檢索到的836篇論文中剔除8篇非學術論文，然后將檢索數據進行格式轉換，建立起了828篇虛擬實驗研究論文的EXCEL數據表。

CiteSpace是由美國陳超美博士團隊開發的一款可視化科學文獻趨勢動態分析軟件，可系統對學科發展軌跡和前沿進行匯總分析，在社會科學研究領域起到了廣泛的應用[5]。利用上述從CNKI獲取到的數據進行Ref格式數據轉換，通過構建知識圖譜的方法研究2001～2015年15年來“虛擬實驗”領域的研究趨勢和研究熱點。研究使用CiteSpace3.0.R6版本進行知識圖譜研究分析：將時區跨度分割設定在2001～2015；單個時間分區為1年；主題聚類詞來源選擇標題、摘要、作者關鍵詞與關鍵詞累加；前中后閾值分別為(2,2,20)、(4,3,20)、(4,3,20)；修飾算法選擇最小生成樹算法和修剪切片網絡；可視圖顯示選擇靜態聚類視圖和合并網絡視圖。主題聚類詞類型選擇名詞短語，生成關鍵詞聚類圖譜；主題聚類詞類型選擇膨脹詞，生成前沿關鍵詞時區圖譜，并使用上述兩大圖譜展開研究工作。

2 研究產出分析

2.1論文數量分布

根據虛擬實驗相關論文發文期刊統計(表1)，排序前3位的依次是《實驗室研究與探索》(142篇)、《實驗技術與管理》(139篇)和《中國電化教育》(23篇)。論文數排序前10的刊物中，包含自然科學總論(實驗技術)類、計算機類、教育技術學與機械類刊物等，其中自然科學總論(實驗技術)類刊物發文量占總發文數1/3，且遠高于其刊物，表明虛擬實驗領域的研究期刊較為集中，此外計算機領域研究刊物也發表大量的虛擬實驗研究相關論文。

表1 發文刊物分析

根據發文數量年度統計分析表明(見圖1)，關于虛擬實驗的研究論文從2001年(16篇)到2010年(94篇)呈現整體遞增趨勢，自2011年之后出現波動，但整體數目穩定但有所下降。基金支持率年度分析表明(見圖2)，基金資助論文比率從2001年的31.3%整體呈現逐步攀升趨勢，2015年達到最大值90.7%，表明我國研究領域對于虛擬實驗的問題越來越重視。

圖1 發文數量年度分析

圖2 基金支持論文率年度分析

2.2發文機構分析

根據發文數量進行排序(見表2)，其中排名前3的發文機構依次是華中科技大學(26篇)、吉林大學(25篇)和大連理工大學(21篇)，同時海軍航空工程學院、南京航空航天大學、中國礦業大學等行業特色類高校也在虛擬實驗研究領域投入研究，理工類研究型高校和行業特色類高校成為虛擬實驗研究的主體。由于航空、礦業領域學生實驗受到環境、場地、設備限制較多，因此虛擬實驗需求更大。

表2 第一作者所在機構分析

2.3作者分析

將828篇文章作者按照作者人數統計分析表明(表3)，2～4人的合作研究共計601篇，占到了總數的72.5%，成為了虛擬實驗研究的主要形式。虛擬實驗由于對研究者的理論知識背景和實踐經驗都有一定要求，領域的研究成員主要以多人合作的研究形式為主。

表3 作者人數分析

2.4研究分類分析

828篇文章按照中國知網的學科分類(見表4)，學科分類排名前三的學科類別依次為計算機軟件及計算機運用(425篇)、高等教育(74篇)、教育理論與教育管理(68篇)。其中計算機學科領域占“虛擬實驗”研究的半數以上，教育類學科(包含高等教育、教育理論與教育管理、職業教育、成人教育等)研究約占“虛擬實驗”研究的20%。

表4 研究分類分析

*根據CKNI分類，小部分論文存在歸屬多個分類的現象

3 知識學分析

關鍵詞聚類圖譜反映研究的演進情況，根據關鍵詞聚類圖譜(見圖3)和頻次靠前的關鍵詞分析(見表5)，我國虛擬實驗相關研究主要集中在“實驗教學”、“虛擬實驗室”、“虛擬現實”、“虛擬儀器”等主要研究領域。關鍵詞中心中介度(見表6)表明該關鍵詞在整個知識圖譜中的信息連接溝通作用，其中“虛擬實驗室”、“虛擬現實”、“Web”等關鍵詞起到了研究中連接各關鍵詞的紐帶作用。

圖3 關鍵詞聚類圖譜

表5 頻次前6位的關鍵詞

表6 中心中介度前6位的關鍵詞

膨脹值(Burst)表明關鍵詞在某個時間段激增情況(見表7)，一定程度蘊含了該關鍵詞研究興趣的產生，其中“modelica”、“虛擬技術”、“vrml”、“云計算”等高膨脹值關鍵詞較為突出。通過前沿關鍵詞時區圖譜(見圖4)，自2001～2015年，我國“虛擬實驗”相關研究大致呈現“虛擬實驗技術發展”、“虛擬實驗教學發展”兩大維度研究熱點。

4 總結與討論

針對我國虛擬實驗研究的發展，虛擬實驗的研究主要分為“虛擬實驗技術研究”和“虛擬實驗教育研究”兩大塊，兩大塊研究呈現不同的發展趨勢。

圖4 前沿關鍵詞時區圖譜

表7 高膨脹值關鍵詞列表

4.1“虛擬實驗”技術研究熱點的演進與特點

4.1.1“虛擬實驗”技術研究熱點的演進

虛擬技術是一系列高新技術的集合，匯集了計算機圖形學、計算機仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、仿真技術、人機接口技術、傳感器技術以及圖像實時生成技術等多項技術。隨著飛速發展的高性能計算機硬件設施和計算機軟件的不斷發展，“虛擬實驗”以其低成本性、高效性、開放性等優勢，已經成為技術研究的熱點內容。

2001～2015年，隨著計算機技術的日新月異，針對“虛擬實驗技術”主要研究“虛擬儀器”、“虛擬現實”、“虛擬實驗室”，把互聯網技術、動畫技術以及虛擬現實等技術引入到虛擬實驗設計中，從技術的角度進行虛擬實驗可行性和實現性的研究。

(1) 2004年以前，技術研究關注于引進國外虛擬實驗軟件投入教學活動，該時期虛擬實驗技術研究主要集中在軟件技術應用層面，如運用labview，matlab等虛擬實驗軟件代替傳統的真實的實驗器材和實驗環境，完成教學活動。

(2) 2004年起，“虛擬技術”成為“虛擬實驗”領域的研究前沿，研究集中關注各類虛擬技術如何應用于虛擬實驗中，該時期涌現出大量“虛擬技術”相關的研究。部分虛擬實驗技術研究將Flash技術應用于虛擬實驗，Flash具有操作簡便、矢量圖形設計、編程元素豐富、強大的多媒體支持功能等優點，基于Flash的虛擬實驗提供了綜合性的操作交互，并且能模擬傳統現場實驗的環境。部分研究運用VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言)搭建虛擬實驗平臺，VRML提供了建造虛擬現實空間所需要的圖像模型和結構框架，提供一些簡單的基本形狀節點來建模復雜的3D模型，如用于虛擬一些實驗儀器，或是虛擬真實的實驗室環境。此外VRML技術也規定了網絡的通訊規范和相應的用戶交互裝置 ,用戶可以利用網上的服務器/瀏覽器模式來設計網上虛擬實驗，VRML的平臺獨立性、低帶寬要求、靈活高效地創建三維場景使得VRML技術在虛擬實驗方面有著良好的性能，但VRML交互性差，需要借助Java 語言或C++語言進行編程才能實現復雜的交互功能[9-10]。為解決虛擬現實開發平臺的復雜性問題，部分研究關注Virtools應用于虛擬實驗的場景，Virtools作為一種快速便捷的專業虛擬現實設計開發平臺，可以快速簡便設計3D 應用程序，極大程度降低了開發難度[11]。2010年起，研究前沿集中于解決復雜物理系統多領域統一建模與仿真問題而提出的一種面向對象基于方程的陳述式建模語言——Modelica。

(3) 2012年開始，云計算興起，云計算與虛擬實驗融合成為虛擬實驗研究領域的前沿。云計算應用于虛擬實驗中可以將本地或異地的不同實驗用戶與虛擬實驗室聯結起來共享一個虛擬的實驗空間，集合本地實驗和遠程實驗，實現虛擬實驗教學和管理，此外云計算對用戶端設備要求低、使用方便，可以實現不同實驗室甚至不同高校間實驗室軟硬件資源共享，最大程度降低資源重復浪費狀況，集中化管理各虛擬實驗室相對零散的資源，實現資源的統一調度、靈活移植和共享應用[12-13]。

4.1.2“虛擬實驗”技術研究的特點與不足

隨著虛擬實驗技術研究不斷發展，使用專用的計算機軟硬件儀器資源，改變傳統實驗儀器的使用方式的“虛擬儀器”；通過模擬人與周圍真實環境交互方式而建立的“虛擬現實技術”；通過基于圖像的虛擬現實技術、硬件實驗資源、軟件實驗資源構成的“虛擬實驗室”成為虛擬實驗技術的3個主要研究領域。

2001～2015年,“虛擬實驗”技術研究發展不斷深入，但也呈現“虛擬實驗研究通用型平臺開發不足”“缺乏統一的虛擬實驗技術開發標準”“虛擬實驗技術理論研究缺乏”三大不足。

(1) 虛擬實驗研究通用型平臺開發不足。由于虛擬實驗研究平臺開發技術繁多，縱觀2001～2015年虛擬實驗技術的相關研究，相關技術的研究均局限于某個具體領域，甚至某一門課程，普遍缺乏通用型的虛擬技術開發平臺，直接導致研究各自為政，造成重復開發，資源浪費，虛擬實驗技術研究的論文被引率不高一定程度反映了這一問題。

(2) 缺乏統一的虛擬實驗技術開發標準。隨著虛擬技術不斷發展，各類技術開發缺乏一套統一的開發描述標準，導致虛擬試驗技術難以跨平臺構建，已有的技術可移植性差，無法繼承已有的技術進行進一步研究，導致虛擬實驗技術研究呈現相對分散的趨勢。

(3) 虛擬實驗技術理論研究缺乏。虛擬實驗技術的研究應用領域較多，深入的、對虛擬實驗技術發展的原創理論研究和技術研究缺乏，成為虛擬實驗技術進一步發展的阻力。

4.2“虛擬實驗”教育研究熱點的演進與特點

4.2.1“虛擬實驗”教育研究熱點的演進

2001～2015年“虛擬實驗”教育研究熱點大致分為“虛擬實驗與教育結合的探索期”(2001～2010年)、“教育信息化引導的過渡期”(2011～2012年)、“以虛擬資源為核心的發展期(2013年以后)”3個時期。

(1) 虛擬實驗與教育結合的探索期(2001～2010年)。這一時期虛擬實驗教育研究處于發展初期，虛擬實驗教育研究處于萌芽狀態，相關研究數量較少，該時期對虛擬實驗教育的認知比較局限，大量的虛擬實驗教育相關研究集中關注遠程教育與互聯網教學，將虛擬實驗作為互聯網遠程教育的方式之一，或者將虛擬實驗與各類信息管理系統結合。

(2) 教育信息化引導的過渡期(2011～2012年)。2011年隨著教育信息化的不斷發展，針對虛擬實驗教育領域，開始有了一些虛擬實驗與課程結合、虛擬實驗室構建和虛擬實驗設計等。2012年3月，教育部發布《教育信息化十年發展規劃(2011～2020年)》，明確教育信息化對于促進教育公平、提高教育質量、創新教育模式的支撐和帶動作用，同時明確要求開發整合各類優質教育教學資源，加強教學實驗平臺等信息化建設[14]。隨著規劃的發布，2012年的虛擬實驗教育研究出現鮮明的教育信息化趨勢，涌現出實驗教學系統設計、虛擬實驗輔助實體實驗、虛擬實驗體系與教學等一系列的研究。

(3) 以虛擬資源為核心的發展期(2013年以后)。2013年起，教育部發布《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，將虛擬仿真資源建設、虛擬仿真實驗教學的管理、虛擬實驗教學師資隊伍和虛擬實驗教學中心管理體系作為建設內容，其中虛擬仿真資源共享作為虛擬仿真實驗教學示范中心的重點[15]。本著虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，隨著虛擬實驗教學示范中心建設的逐步推進，虛擬實驗教育研究迎來了以虛擬資源為核心的發展期。該時期涌現大量針對虛擬實驗教育相關的研究，包括虛擬實驗資源共享策略、虛擬實驗示范中心建設、虛擬實驗教學體系研究、虛擬實驗管理體系研究和虛擬實驗教學方法等，該時期的研究基本與國家政策和教育部針對虛擬仿真實驗教學中心的工作重點吻合。

4.2.2“虛擬實驗”教育研究的特點與不足

虛擬實驗教育研究取得了一定的成就，形成了良好的發展形勢，呈現“研究領域逐步穩定”“密切關注政策熱點”兩大特點。

(1) 研究領域逐步穩定。根據發文數量年度分析，近年來虛擬實驗教育研究數量逐步提升且趨于穩定，理工類和行業特色類高校成為研究主力；此外，大量的研究基金用于支持虛擬實驗教育研究，該研究領域將獲得更多的研究資源。隨著3個時期的演進，未來研究熱點將集中于“虛擬實驗教學資源”“虛擬實驗教學方法”“虛擬實驗示范中心”等研究熱點。

(2) 密切關注政策導向。虛擬實驗教育研究不僅是一項研究問題，同時也是一項政策實施問題。15年的研究過程中，虛擬實驗教育的研究方向緊跟政策制度導向，積極研究探討改革和發展中的問題，體現了良好的與時俱進的特點。

由于虛擬實驗教育的自身特點，我國虛擬實驗教育研究也存在“教學資源建設共享不足”“與教學大綱結合不足”兩大弊端。①教學資源建設、共享不足。虛擬實驗起源于互聯網對時空局限的突破，具有可靠、安全、經濟的優勢，同時也對教學資源和資源共享具有較大的需求。虛擬實驗教學資源建設與共享呈現明顯的政策敏感性，目前虛擬實驗資源建設缺乏頂層設計，間接導致虛擬實驗教學資源缺乏建設、共享、運行模式標準研究，導致優質虛擬實驗教學資源建設不足、共享機制存在一定程度不完善。②與教學大綱結合不足。虛擬實驗教學在實施過程中應該樹立教學大綱的核心地位，虛擬實驗應該與實體實驗結合，通過轉變教學手段與方法，最終滿足教學大綱的需求。目前我國的虛擬實驗教學研究，教學大綱和虛擬實驗結合不足，導致虛擬實驗教學過程中“虛實結合”的研究總體仍然偏少。

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[14] 中華人民共和國教育部. 教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》的通知(教技[2012]5號) [EB/OL]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html. 2012-3-13.

[15] 中華人民共和國教育部. 關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知(教高司函[2013]94號) [EB/OL].http://www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.2013-8-13.

TheCurrentSituationandProspectofChinaVirtualExperimentResearchBasedonCiteSpace

>TIANXia,MENGJia

(Academic Affairs Division, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Virtual experiment, a hot research area, is a combination of information technology and academic disciplines. With the methods of paper output, word frequency analysis, CiteSpace knowledge mapping and content analysis, this paper has a bibliometric analysis of the distributions and themes of the GCJC papers in recent 2001-2015 about virtual experiment research in China. Studies show that virtual experiment research in China is mainly parted in two fields, the research of virtual experiment techniques and the research of virtual experiment education. The research of virtual experiment techniques focuses on the virtual facilities, virtual reality technology and virtual lab. The research of virtual experiment education has developed the evolution of three periods, the exploration period of the virtual experiment and education’s combination, the transition period of educational information guidance and development period with virtual resources as the core.

virtual experiment; bibliometrics; research status

G 642.0

A

1006-7167(2017)09-0097-05

2016-12-01

2016年上海交通大學實驗室創新研究課題(16SG-011)

田 夏(1985-)，男，湖北武漢人，碩士，助理研究員，研究方向為實踐教學、創新創業教育。Tel.021-34206468；E-mail：tianxiabest@sjtu.edu.cn