我國教育領域虛擬現實技術研究現狀

劉洋

摘? 要 基于CNKI中文文獻對我國教育領域虛擬現實技術研究文獻進行研究，通過對文獻的題錄信息、關鍵詞運用共現分析法等方法，對我國教育領域虛擬現實技術研究文獻的時間分布、載文期刊、發文機構分布、研究主題及趨勢進行可視化分析，發現當前研究處于持續發展階段， 集中于關于虛擬現實的理論研究、融入教育教學全過程的應用研究和在教育教學各領域的實踐探索三方面，在量化評價、教師素養、基礎教育應用等方面還需要進一步努力。同時分析研究熱點和趨勢，以期為虛擬現實技術在我國教育領域的應用研究提供參考。

關鍵詞 虛擬現實技術;教育領域;中文文獻;可視化分析;共現分析法;SATI 4.0

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）03-0011-08

0 引言

現今普遍認可的虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）

概念由美國學者于1965年在The Ultimate Display一文中提出[1]。1989年，VPL研究公司的創始人雅龍·拉尼爾將虛擬現實引入大眾視野[2]。虛擬現實技術是包括實時變化的逼真環境、人體的行為動作、真實感知和三維交互設備[3]的綜合性實用信息技術。虛擬現實技術在2012年、2016年、2017年的《地平線報告》中多次被評為未來幾年最具潛力的六大技術之一，將虛擬現實技術作為教學輔助媒體運用到教學中具有重要意義，其如何更好融合課程仍是學者研究的重點[4]，還需要更多的實踐與積累。2016年被稱為“虛擬現實技術元年”[5]，自2016年這一承上啟下的重要轉折點起，對教育領域的虛擬現實技術研究現狀進行深入分析，是虛擬現實技術在教育領域繼續發展的必然需要。

1 研究設計

文獻來源? 本研究基于中國知網CNKI中文文獻庫，檢索項選擇為主題，以“虛擬現實教育”和“虛擬現實教學”為檢索詞進行檢索，檢索時間跨度為2016—2019-12，共得到1 307條記錄，除去不屬于教育教學領域虛擬現實技術的文獻，最終得到有效記錄1 169條，每一條記錄包括作者（Author）、題目（Title）、關鍵詞（Keywords）、來源出版物（Journal）、機構地址（Institutions）和文獻的摘要（Summary）等全記錄。將這些記錄的信息錄入生成EndNote文本文件，為后面的時空分析、詞頻分析和共詞分析做準備。

研究方法? 本研究主要采用關鍵詞共詞分析法和聚類分析法。關鍵詞共詞分析是將關鍵詞作為結點，構建共詞網絡，核心程度為結點位置的居中程度，結點間的連線表示詞與詞之間的親疏關系，連線越多則關系越緊密。聚類分析采用聚類算法，可以將關鍵詞中關聯度緊密的關鍵詞聚集在一起形成類團，這些類團可用于分析出某個領域的研究主題[6]。

研究工具? 研究工具有文獻題錄信息統計分析工具SATI 4.0、UCINET及內部集成的可視化工具NetDraw、Excel

2013。

2 我國教育領域虛擬現實技術研究的時空分布

時間分布? 將保存好的EndNote文本文件的題錄信息導入SATI 4.0中，以年份為選項進行頻次統計，得到每個年份分別對應的出版文獻數。將年份及對應出版文獻數輸入Excel中，構建時間分布折線圖，如圖1所示。由圖1可以看出，雖然2012年國際新媒體聯盟組織發布的《地平線報告》中就已經將虛擬現實技術列為未來幾年最具潛力的六大技術之一，但我國2016年的研究數量極少，關注度并不高;但隨著2016年“虛擬現實元年”的到來，虛擬現實技術在教育領域不斷增強的影響力及對傳統教育的沖擊所產生的研究價值，吸引了眾多研究學者投入到研究的大潮中去，2017年研究文獻數量驟然上升，總數達到前幾年文獻總數的10倍，說明我國虛擬現實技術在教育領域的應用和研究開始蓬勃發展;2018年研究文獻總數依舊持續增高，說明教育領域的虛擬現實技術研究已經受到廣泛關注，虛擬現實技術在教育領域的學術、科研成果頗豐;2019年文獻數量依舊可觀，繼續穩步增長。從總體趨勢來看，我國教育領域的虛擬現實技術研究一直不斷發展，對其研究也在不斷深入，特別是從2017年起呈現爆炸式發展。

載文期刊分布? 對1 169篇有效文獻的載文期刊進行詞頻提取，整理載文數量五篇以上的期刊，共34家，結果如表1所示。從表1可知，我國教育領域虛擬現實技術研究文獻載文期刊分布如下。

1）從學科屬性上進行分析。載文數量超過五篇的“高產”期刊中有九家期刊屬于社會科學II輯的教育類，九家期刊屬于信息科技類，八家期刊屬于基礎科學類，哲學與人文科學類有五家期刊，社會科學II輯的社會學及統計學類、農業科技類、經濟與管理科學類各有一家期刊，可見我國教育領域虛擬現實技術研究是多學科共同交叉研究。

2）從載文數量上進行分析。載文數量超過五篇的“高產”期刊發表相關文獻共計267篇，占全部文獻1 169篇的22.84%，這表明我國研究的載文期刊較為集中。除載文數量超過五篇的“高產”期刊外，仍有337家期刊收錄有相關文獻，涉及醫藥衛生科技等相關領域，說明我國教育領域虛擬現實技術研究在逐步向覆蓋范圍更廣的趨勢發展。

發文機構分析? 對文獻的發文機構進行詞頻提取，提取出九家發文數量三篇以上的機構，其中一家為廣州番禺職業技術學院和華南理工大學聯合發文，所以共計發文機構10家，結果如表2所示。由表2可知，我國教育領域虛擬現實技術研究的發文機構情況如下。

1）從發文機構的性質上來看，發文量較高的10家發文機構均是高等院校，其中五家發文機構是高等職業院校，三家為師范類學校，僅有兩家發文機構不屬于這兩類院校，分別為華南理工大學和湖北大學，這說明虛擬現實技術在我國教育領域的應用很大一部分在職業教育。職業教育需要進行大量的實踐操作，受教育環境的限制，運用虛擬現實技術進行實踐教學具有極大的優勢。

2）從發文量上可以看出，研究機構中不存在發文量相當高、尤為突出的情況，可見目前在我國教育領域的虛擬現實技術研究機構中有比較活躍的研究機構，但是并未形成核心的研究機構。

3）從各高校系統的發文院系看，除去高等職業院校，院系較為集中在教育學院、教育技術系，這說明我國教育領域的虛擬現實技術研究機構大多集中在教育和教育技術等較為專業的領域，其他院系研究較少。

3 我國教育領域虛擬現實技術研究主題及趨勢

將保存好的EndNote文本文件的題錄信息文件導入文獻題錄信息統計分析工具SATI 4.0中，格式選擇“EndNote（推薦知網）”，選項選擇“關鍵詞”，對選擇到的1 169篇有效文獻進行字段抽取及頻次統計，共得到原始關鍵詞

1 743個，關鍵詞呈現總頻次為3 039次。為了最大限度消除人為定性因素的影響，體現和反映作者群體對特定關鍵詞的共識度，對于同義或相似詞的詞頻并未進行刪減、合并等操作[7]。本研究選取出現頻次在六次及以上的關鍵詞作為高頻詞，共52個，如表3所示。52個高頻關鍵詞的總呈現頻次為1 319次，占關鍵詞總頻次3 039次的43.40%。除去虛擬現實技術、教育等關鍵詞，詞頻排在前10位的分別是應用、實驗教學、教學改革、增強現實、職業教育、教學模式、教學應用、虛擬仿真、實訓教學、教育應用。目前教育領域的虛擬現實技術研究主要集中在應用虛擬現實技術進行教學，特別是職業教育、仿真實驗等技術性較強的領域。

我國教育領域虛擬現實技術研究熱點和趨勢分析? 通過對高頻關鍵詞的提取，選擇SATI 4.0共現關系矩陣中的多值矩陣，針對關鍵詞構建出一個共現矩陣，如表4所示。此矩陣是無向對稱的關系矩陣，行和列分別表示關鍵詞，當兩個高頻關鍵詞在同一篇文獻中出現時，表明兩者存在某種聯系[6]。另外，共現矩陣中同一關鍵詞的行和列的交叉處的數值就是該關鍵詞的詞頻。此處由于篇幅的限制，僅列舉其中部分共現矩陣。

為了對共現網絡進行分析，將已經構造好的高頻關鍵詞共現矩陣（表4）導入社會網絡分析軟件UCINET，利用UCINET中自帶的可視化工具NetDraw可生成高頻關鍵詞的共現網絡圖，如圖2所示。共現網絡圖可以直觀清楚地反映共現網絡的整體特征。在共現網絡圖中，每個關鍵詞就是一個結點，結點間的連線表示詞與詞之間的親疏關系，連線越多則關系越緊密[6]。

從圖2中可以直觀地看出，首先，虛擬現實技術處于整個共現網絡的中心位置，幾乎與其他的關鍵詞都發生聯系。除虛擬現實技術外，節點間聯系比較頻繁的關鍵詞有應用、教育、職業教育、實驗教學、虛擬仿真、VR，說明這些詞是目前教育領域虛擬現實技術研究中學者關注的重點。其次，實訓教學、教學改革、人才培養、應用研究、增強現實、醫學、高校、3D等處于網絡圖的中間位置，它們是聯系網絡中心節點和邊緣節點的橋梁。教學模式的改變是虛擬現實技術在教育中應用時面對的最大挑戰，虛擬現實技術使學習環境、學生學習、教師授課的方式都產生一定的變化，基于虛擬現實技術的教學模式的研究也是教育領域虛擬現實技術研究的重要方向。最后，英語教學、景觀教育、教育游戲、安全教育等處于網絡圖的邊緣位置，這些節點之間的聯系比較稀疏，但這并不代表它們不是分析重點，而是就目前來講 關于這些方面的研究較少，可能會是未來的教育領域虛擬現實技術研究趨勢及方向[8]。

我國教育領域虛擬現實技術研究主題分析? 選擇SATI 4.0共現關系矩陣中的相似矩陣，導出52個高頻關鍵詞的相似矩陣，如表5所示。相似矩陣的數值可以表現兩個高頻關鍵詞的相似程度，數值越接近1，表明關鍵詞之間相似度越大，差異度更小;數值越接近0，表明關鍵詞間的相似度越小，差異度越大[9]。

本研究利用SATI 4.0對提取出的52個高頻詞的相似矩陣進行聚類分析，通過分析進而得到高頻詞的層次聚類樹狀圖，如圖3所示。

SATI 4.0自動將類間距離分成六段，0～12之間。本研究將關鍵詞聚類的閾值選為3，得到五個聚類類團：類團一包含VR虛擬現實、AR、虛擬現實、VR虛擬現實技術;類團二包含高職院校、高職教育、虛擬現實;類團三包含VR教育、教學、教學改革、人才培養、沉浸感、創新、教育應用、高等教育、高校、交互;類團四包含體育教學、計算機教學、虛擬環境、臨床醫學、人機交互、實踐教學;類團五包含教學設計、教學應用、教學模式、教育培訓、信息技術。根據聚類分析結合共詞網絡分析可以發現，我國教育領域的虛擬現實技術研究主題可以概括為三個方面。

1）理論研究。理論研究類主要包括虛擬現實技術的綜合概述，即虛擬現實技術的概念、興起、發展、特點、優勢與不足等，對應類團一。研究者通過對虛擬現實技術在不同領域的應用研究，總結虛擬現實技術應用現狀。如冷艷萍在《關于計算機虛擬現實關鍵技術的探討》一文中簡述了虛擬現實技術并提出虛擬現實技術主要應用于游戲行業、軍事行業等，正在逐漸被應用于生活和工作中，將對人類的生活和行為產生很大的影響，所以研究計算機虛擬現實關鍵技術是尤為重要的[10]。

2）融入教育教學全過程的應用研究。虛擬現實技術在教學實踐中的應用研究包括在教育改革新形勢下，在人工智能、大數據、“互聯網+”等技術飛速發展的新時代背景下，使用虛擬現實技術作為教學輔助手段的教學模式、教學活動設計、課程設計、教學評價、應用優勢分析等各個過程，對應類團三、類團五。運用虛擬現實技術可以創設虛擬學習環境，建立虛擬實驗系統、虛擬實物，進行虛擬訓練等。對借助虛擬現實技術作為教學輔助手段在教學實踐中應用的結果進行及時和準確的評價，可以對提升課堂效率、強化課程目標達成效果起到極大的幫助作用。如高東鋒等[11]提出，虛擬現實技術在構建驗證實驗環境方面、創新實驗環境方面具有獨特優勢，有利于實現培養學生創新精神、創新能力的目標。閔媛媛[12]提出，虛擬現實技術作為教學輔助手段，具有完善高校旅游管理專業設置的課程教學模式、使學生成為教學主體、突破傳統課程實訓風險、實現成本和時間限制等優勢，虛擬現實技術用于旅游管理課程可以極大提高課程教學質量。

3）在教育教學各領域的實踐探索。教學應用領域對應類團四，主要為實驗教學、專業訓練和藝術設計等，因其有很強的專業性及實踐性，虛擬現實技術具有沉浸性、生動性等特點，可以引導學生通過各種感官刺激獲取知識信息，模擬實踐操作，提高學習效率。

在物理學、化學、計算機科學等實驗教學中，學生可以反復觀看實驗過程，易于上手，模擬實驗操作，可解決實驗器材有限、難以重復演示等問題，降低傳統實驗教學的成本，更將無法直觀看見的復雜結構等抽象內容具象化，極大地提高了學習效率。趙江偉等[13]指出，對于化學學習中一些結構比較復雜的分子，學生很難想象它們的立體結構，對于某些化學行為較難理解，但通過模型，可以直觀地觀察分子的空間結構，幫助學生理解分子空間結構。

針對醫學、汽車技術、勘探等專業性非常強的專業，利用虛擬現實技術，可以精細化、針對性地錘煉學生的實踐分析能力。如黃雄健[14]指出，車輛工程專業學生在學習真實拆裝前，首先應在虛擬拆裝的軟件中學習與練習拆裝，這能夠有效降低真實拆裝中出現操作錯誤的概率，有效促進車輛工程專業實驗教學深度的增加。

4 總結與啟示

虛擬現實技術的飛速發展和其受到的廣泛關注必然會對教育帶來很多益處，但是在熱切關注教育領域虛擬現實技術研究的同時，必然也會伴隨沉穩的實踐和深層次思考的欠缺，研究的火熱與其核心研究文獻數量少的矛盾正說明了這一問題。

機構發展不均? 虛擬現實技術在教育領域的實踐者與研究者絕大部分集中于高校中，特別是高等職業教育院校和師范類院校成為教育領域虛擬現實技術研究的絕對核心，核心文獻數量和質量均處于領先位置。這從一個方面說明了研究的專業性強、準確，但從另一個方面也說明了虛擬現實技術在教育領域發展狀態的不均衡，發展情況好的機構數量十分有限，大多數還處于摸索中。隨著虛擬現實技術的不斷完善和實踐，虛擬現實技術將在教育領域得到進一步發展，而教育領域虛擬現實技術研究深度與廣度的缺失、發展不均衡等問題也將隨著虛擬現實技術的實踐和完善逐步解決。

虛擬現實技術在基礎教育階段應用存在諸多限制? 目前，基礎教育階段的虛擬現實技術研究極少出現，而虛擬現實技術交互性、生動性強的特點非常適合于基礎教育階段學生專注度不足的學情。一方面，優質教育資源稀缺，針對基礎教育階段的教育資源多從美國引進，并不完全適用于我國學情，但其開發成本高，很大程度上限制了適用于我國的優質教育資源的研發，更多優質資源的產生是我國基礎教育階段虛擬現實技術蓬勃發展的基礎;另一方面，設備的便攜性還有待優化，如zSpace等虛擬現實教學輔助設備體積大、難移動，限制了學習者人數和教學環境。要讓更多的學習者能夠使用虛擬現實技術進行探究學習，增強其便攜性是首要任務。

缺少量化評價? 在樣本文獻中，研究多偏重于介紹模型、系統的建設情況，如何應用于教學活動中等，而沒有針對學習者的學習主動性、學習態度以及對知識的掌握程度等情況進行評估，沒有形成一個客觀的量化評價方式，在教學活動結束后無法了解學習者的學習成效，無法對虛擬現實教學應用系統進行客觀評估。為了讓虛擬現實技術在教學中發揮更好的作用，在接下來的研究中，客觀量化的教學評價方式是研究的重點。

缺乏對虛擬現實環境下教師信息技術能力的探究? 虛擬現實技術與傳統教學的融合使教師掌握信息技術能力成為必要，關系到教育教學的質量，但樣本文獻中幾乎未曾涉及。因此，基于虛擬現實技術的教師教育技術能力的現狀、問題及對策研究是一個不可忽視的問題。

5 結語

虛擬現實技術已然成為目前教育領域研究的熱點問題之一，虛擬現實技術在教育領域的興起絕非偶然，計算機技術和網絡技術的不斷進步與滯后的傳統教育模式不斷碰撞對傳統教育帶來巨大沖擊，傳統教育亟待變革，以促進虛擬現實技術在教育領域的發展。對虛擬現實技術這一新興事物的狂熱關注，可能會導致人們在實踐及研究過程中思考不足，因此，如何冷靜地剖析虛擬現實技術在教育領域的發展現狀，推動虛擬現實技術在教育領域穩健發展，是所有教育領域虛擬現實技術研究者需要共同關注的問題。■

參考文獻

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