高等院校實驗研究的現狀和熱點
——基于中文核心期刊論文的知識圖譜分析

孫小琪， 楊曉新

（1.南通大學教育科學學院，江蘇南通226000；2.南京大學信息管理學院，南京210000）

0 引 言

高校的實驗體系不是孤立存在的，實驗室建設與管理、實驗教學、實驗技術、實驗環境與安全以及儀器設備使用管理等諸多方面都影響著高校的教學成果和人才培養質量。因此其發展水平對高校的教育治理體系和治理能力起著關鍵性作用［1］。而且在建設“雙一流”高校的推動下，國家對高等教育的投入不斷加大，高校的實驗室工作已形成了較為完善的管理體系，吸引了相關學者的廣泛關注，并取得了可觀的研究成果［2-4］。雖然這些已經發表的典型文獻資源能從整體上體現高校實驗體系的研究成果，卻無法實現深層次分析，即缺乏對這些成果進行直觀的量化分析和共性分析［4］。鑒于此，本文借助Bicomb、Ucinet和SPSS軟件分析工具，對《實驗技術與管理》和《實驗室研究與發展》兩大中文核心期刊2015～2019年的發文進行科學化地整理分析，將這些成果進行直觀地可視化展示，以精準化掌握當前高校實驗體系的發展動態和研究熱點，從而推動高校實驗體系的高質量發展，為高校教師、科研人員、實驗技術與管理人員提供多元化的參考。

1 研究方法

1.1 數據來源

《實驗技術與管理》和《實驗室研究與探索》兩大期刊是高校實驗研究中具有廣泛影響力的高水平中文核心刊物，其發表的論文聚焦了近年來高校實驗室工作中的最新前沿，能夠充分地體現當前各大院校實驗體系的研究現狀、熱點以及趨勢等。因此研究這兩大期刊上發表的文章對于分析高校實驗體系的建設發展具有重要作用。通過在CNKI數據庫中檢索以上兩大期刊于2015～2019年間的發文量。檢索項：來源期刊實驗技術與管理和實驗室研究與探索，時間跨度：2015

～2019，共檢索到8 872篇。除去刊物征稿、名人訪談、實驗室宣傳以及特約專欄等與本文研究無關的文章，最后得到有效文章8494篇作為研究對象，其中前者4 237篇，后者4 257篇。

1.2 研究工具與方法

針對從中國知網論文數據庫中導出的8 494篇有效文章，本文采用Bicomb、Ucinet和SPSS軟件對這些研究成果進行分析。具體研究過程和方法如下：

（1）設置檢索條件，從中國知網數據庫中導出符合條件的文獻數據，包括標題、作者、單位、期刊、摘要、關鍵詞和時間，保存為NoteFirst格式。采用NoteFirst格式導出文獻時按照系統默認設置即可。

（2）分別將兩大期刊導出的文獻數據導入Bicomb軟件進行關鍵詞的標準化處理，對同義詞、非實義詞等關鍵詞進行轉換修正，如關鍵詞“虛擬仿真”“虛擬仿真技術”以及“虛擬仿真系統”等均是同義詞，都表示實現虛擬仿真的技術手段，因此可以進行同義詞轉化。然后利用Bicomb軟件分別以作者、第一作者、作者單位以及關鍵詞等為關鍵字段，對發表文獻進行統計分析。

（3）利用Ucinet和SPSS軟件對研究文獻的高頻關鍵詞進行共詞分析和聚類分析。①通過分析文獻中關鍵詞共同出現的頻次來判斷所研究主題的熱點及彼此之間的關系。②通過聚類分析對研究對象的關鍵詞進行歸類，進一步判斷文獻研究主題的內部聯系以及與其他主題之間的相互關系，從而揭示該主題的現狀、熱點及發展趨勢［5-6］。

2 研究現狀與熱點分析

2.1 文獻研究的特征

（1）作者。利用Bicomb軟件分別對《實驗技術與管理》和《實驗室研究與探索》近5年的發文成果按照第一作者進行頻次統計分析。以“第一作者”為關鍵字段，將“頻次閾值”設置為5，即導出了2015～2019年期間以第一作者身份在兩大期刊發表論文在5篇以上（包括5篇）的作者頻次信息。統計結果如圖1所示。在《實驗技術與管理》期刊上，發文量在5篇以上的共有24位作者。其中陳功貴和張磊的發文量名列前茅，分別發表9篇和8篇文章。張建良、趙玉紅、劉艷等4位作者出現了7次，張海峰、呂淑平等5位作者出現了6次，黃開勝、楊亮等13位作者出現了5次。在《實驗室研究與探索》期刊上，以第一作者身份發表5篇以上文章的有14位。其中劉艷發文量最多，出現10次。其次陳功貴發表了8篇文章。張建良、趙玉紅等4位作者出現了6次，王杰、趙海濱等8位作者出現了5次。他們在高校實驗研究工作中取得的成果具有顯著的代表性。例如張海峰關于實驗室建設的研究論文單篇共被引達82次。

圖1 第一作者出現的頻次

此外，以“作者”為關鍵字段，借助Bicomb軟件構建高頻作者的共現矩陣。分析發現在兩大期刊上，兩兩作者共同出現的頻次較少，即說明作者之間缺乏緊密聯系，彼此之間的相互合作比較零散，大都以校內或者機構內合作為主。

（2）研究機構。利用Bicomb軟件對研究成果的單位機構進行了統計分析。結果顯示，2015-2019年期間，在《實驗技術與管理》上出現頻次在50次以上（包括50）的單位共有20個，位居前5的單位分別為中國石油大學（華東）、清華大學、四川大學、中國礦業大學和吉林大學，出現頻次均在100次以上，其中中國石油大學（華東）出現頻次203次。在《實驗室研究與探索》期刊上出現頻次在50次以上的單位共有18個，位居前5的分別為上海交通大學、中國石油大學（華東）、吉林大學、浙江大學和同濟大學?？傮w上看發文量較多的主要集中在國內知名院?；蛘哐芯繖C構，主要以高等院校為主。這也側面說明高等院校，特別是雙一流、國家級、省級示范中心等相對更加重視實驗研究工作，并引領我國實驗體系的建設發展。表2列出了兩大期刊一級單位出現頻次Top10的數據統計。此外，進一步利用Citespace生成了排名前TOP20的研究機構合作圖譜，以探索研究機構之間的合作情況。分析圖譜發現，與作者之間的合作情況相似，研究機構之間連線也較少。說明在實驗研究方面，機構之間也缺乏相互溝通交流，沒有形成一定規模的研究共同體。這可能由于高等院校的獨特性以及數據隱私等原因，很難實現資源的充分共享。

表2 一級單位出現的頻次（Top10）

2.2 高頻關鍵詞

（1）高頻關鍵詞頻次。利用Bicomb系統對研究成果的關鍵詞進行數據清洗和篩選后，分別提取出有效主題關鍵詞。然后利用Bicomb的統計功能，確定前30個高頻關鍵詞為主要研究對象，部分統計結果如表3所示。

分析表3中的數據可以發現，“實驗教學”和“實踐教學”是在兩大期刊上出現頻率最高的兩個關鍵詞，是當前高校實驗研究的熱點。這也意味著在高校實驗教學中，以技能實訓為主、應用為主的教學研究取向。其次，“虛擬仿真”“仿真實驗”“仿真”“實驗平臺”“LabVIEW”“MATLAB”等高頻關鍵詞，代表了不同的技術手段和工具，體現了研究人員在研究實驗教學或者實踐教學的同時，融合多種先進技術。這側面反映了技術，特別是新興技術將不斷推動實驗教學改革研究。此外，“實驗室管理”“實驗室建設”“安全管理”以及“實驗室安全”等關鍵詞的高頻出現，反映了實驗室建設與管理工作的重要性，是開展正常實驗教學的基礎保障?！案咝！焙汀案咝嶒炇摇钡汝P鍵詞體現了具體實驗研究工作的層次和范疇。

表3 高頻次關鍵詞出現頻次（部分）

（2）高頻關鍵詞社會網絡。為了研究當前高校實驗室工作中的研究熱點及彼此之間的關系，進一步利用Bicomb書目共現分析系統和Ucinet軟件繪制高頻關鍵詞的社會網絡。首先利用Bicomb軟件構建了前30個高頻關鍵詞共現矩陣，矩陣大小為30×30（見表4、表5）。矩陣中的數值表示兩兩關鍵詞同時出現的頻次，數值越大它們之間的聯系越親密。然后根據得到的共現矩陣，計算Ochiia系數，轉換成對應的相關矩陣。將相關矩陣導入Ucinet進行再次處理，并保存為.＃＃h和.＃＃d文件，以用于NetDraw繪制關鍵詞的社會網絡，并選擇“degree”為條件對繪制的高頻關鍵詞社會網絡進行中心度分析，如圖2和圖3所示。

表4 《實驗技術與管理》高頻關鍵詞的共現矩陣（部分）

表5 《實驗室研究與探索》高頻關鍵詞的共現矩陣（部分）

觀察圖2和圖3可以發現，當前高校實驗體系中的主要研究主題的分布情況：兩大期刊中，以“教學改革”“實驗教學”為核心研究內容，周邊環繞著“實驗平臺”“實驗室管理”“教學模式”“校企合作”“虛擬仿真”等主題。分析圖2可以看出，“教學改革”處于社會網絡的中心位置，體現了大部分發表文章的地位和核心，是當前實驗體系研究工作的熱點?！皩嶒炂脚_”“實驗教學”“校企合作”“教學模式”“創新能力”“LabVIEW”“虛擬仿真”處于網絡的中部位置，是連接核心主題和邊緣主題的樞紐，側面反映當前高校實驗研究的落腳點，意味著未來的研究趨勢和方向。而“安全管理”“實驗室安全”“開放共享”“實驗裝置”“實驗設計”等處于網絡的最外圍，代表了實驗體系中的一些邊緣研究，有待進一步展開深入探討。分析圖3可以發現同樣的規律，只是有些關鍵詞主題有些區別。

圖2 《實驗技術與管理》高頻關鍵詞的社會網絡

圖3 《實驗室研究與探索》高頻關鍵詞的社會網絡

（3）高頻關鍵詞聚類圖譜。將高頻關鍵詞相關矩陣轉換成相異矩陣并導入SPSS進行多維標度分析，得到兩大期刊2015～2019年研究成果的高頻關鍵詞的聚類圖譜，分別為圖4和圖5所示。其中《實驗技術與管理》聚類圖譜中的Sterss＝0.24，RSQ＝0.80?！秾嶒炇已芯颗c探索》聚類圖譜中的Stress＝0.19，RSQ＝0.

圖4 《實驗技術與管理》高頻關鍵詞聚類圖譜

圖5 《實驗室研究與探索》高頻關鍵詞聚類圖譜

83。說明《實驗室研究與探索》聚類圖譜與源數據擬合度更好，能夠清楚地揭示關鍵詞之間的關系。

鑒于擬合度的原因，本文主要根據圖5中關鍵詞的坐標位置以及和彼此之間的疏密程度，將它們劃分為三大研究主題：①實驗室建設與管理。關鍵詞包括實驗室管理、實驗室建設、實驗室、高校、實驗室安全、安全管理、儀器設備以及物聯網。高校實驗室作為人才培養的第一陣地，是學生進行自主學習和創新創業等能力訓練的重要平臺，是高校人才培養體系中的不可或缺的組成部分［7］。針對“實驗室的建設與管理”這一主題的研究是實驗體系工作的立足點，是其他各個環節的奠基石。因此各大院校及實驗研究人員都高度重視實驗室的建設研究。特別是在以人工智能為代表的新興技術的助推下，必將驅動實驗室建設、管理以及運行等方面都產生巨大變革，而這種變革正在顯現。例如以“智慧”＋“實驗室”“人工智能”＋“實驗室”“大數據”＋“實驗室”“互聯網”＋“實驗室”為主題進行檢索，兩大期刊共檢索到87篇相關文章，而且發文章呈逐漸增長的趨勢。這說明在人工智能技術的引領下，各大高等院校紛紛加快建設步伐，積極構建與現代信息化技術相結合的智慧型實驗室成為高等院校深化教學改革、推進新工科建設的必然趨勢。②實驗教學改革研究。關鍵詞包括：實驗教學、實踐教學、教學模式、創新能力、教學改革、實驗教學示范中心等。如上所述，“實驗教學”在圖3中處于中心位置，是高校實驗體系的研究熱點。實驗室的建設與管理、儀器設備、實驗室安全、實驗技術與方法等流程的研究都是為了更好地服務實驗教學。實驗教學水平的高低對培養學生的實踐操作能力、創新創業能力起著至關重要的作用，因此學者們也針對這一主題開展了一系列的探究。這些研究涉及了醫學、護理學、教育學、心理學、電力學、計算機科學等等［8-10］，涵蓋了我國人才培養體系的絕大部分學科。例如陳功貴［11］針對電力系統的仿真實驗教學進行了大量的研究，以加深學生對實驗算法和原理的認識與理解，提高學生的實踐操作能力。“教學模式”“教學改革”和“創新能力”等這些關鍵詞

體現了在新工科背景下，傳統的實驗理論驗證、培養學生技能的教學理念也面臨著挑戰，高校在人才培養過程中開始聚焦對學生創新實踐能力的培養，以積極適應新時代對創新型人才的需求。張建良等［12］堅持以創新型人才培養為導向，對實驗教學平臺的開發設計進行了大量的研究。例如他們提出的基于學科交叉的創新性實驗平臺建設與實施方法，對推動實驗教學改革起到積極的影響。該篇文章單篇下載次數達505次，共被引23次。這些研究側面反映了越來越多的高校及學者們開始轉變實驗教學理念，特別是在先進的教學技術的推動下，教學模式也在發生變革，要把握以學生為主體不動搖，積極推動實驗教學改革，從而更好地為社會培養兼具創新能力和實踐操作能力的復合型人才服務。③實驗技術與方法的應用研究，關鍵詞包括虛擬現實、翻轉課堂、虛擬仿真、Matlab、單片機、LabVIEW以及開放共享等。技術是推進高校實驗體系建設的關鍵性要素之一，也是未來一段時間的研究方向和趨勢。特別是在教學信息化的大背景下，針對實驗技術與方法的應用研究也逐漸增多。分析兩大期刊的研究成果來看，可歸納為：①以技術分析為主的綜述性研究。探索技術在實驗體系中某個環節的應用及其產生的影響等。例如趙玉紅等［13］對MOOC與生物實驗教學的融合進行了探索。他們結合翻轉課堂的開展方式，將傳統的線下實驗教學與線上平臺相結合，探索＂微視頻＋探究式預實驗＂的實驗教學新模式，以激發學生的科研興趣，培養學生的科研能力和綜合素質。②基于數據的實證研究。利用相關的實驗教學平臺、教學軟件等，采集實驗數據，并對實驗數據進行分析，對教學效果或者實驗效果進行反思等。例如劉立等［14］學者自主設計了一種啟發式翻轉課堂教學模式并將其應用于實際教學中，并對其效果進行了實證研究和分析。③基于實驗技術或者方法的設計開發研究。針對某一學科領域，借助虛擬仿真、VR等技術，設計開發一些新的實驗平臺，以提高實驗教學效果。例如廣東醫科大學的王萍等［15］為了避免醫學實驗教學中的倫理問題，他們借助虛擬現實技術，自主研發了護理學實驗教學軟件。

3 建議及思考

（1）加強合作交流，實現資源交互和共享。人工智能時代開放共享的精神，客觀上要求高等院校要積極加強彼此之間的合作交流，這對于高校實驗體系工作的開展具有極大的推動作用。對于高校而言，通過將高品質的實驗教學資源上傳到云平臺，有助于實現優質資源的交互和共享。對教師個人而言，借助在線云平臺能夠實現高校教師之間的相互連接，讓大規模地在線協作、跨團隊、跨學科研究成為可能。在這種情況下，教師們可以相互交流、學習和協作，不斷豐富各自的實驗教學經驗，提高教學水平，快速響應不斷變化的實驗教學需求。為此，各大高等院校要把握時機，緊跟時代步伐，秉承開放共享的時代精神，加強合作交流，相互取長補短，積極借助智能化的教學平臺以及云網端等技術，實現資源的整合和云化。

（2）關注新興技術的發展和應用。當前虛擬仿真、虛擬現實、MOOC、創客等技術大都還處于高校實驗體系研究的邊緣地帶，具有廣泛的研究空間和價值。特別是人工智能、增強現實、體感技術以及云計算等新興技術地不斷涌現，并逐漸在高校的實驗室建設與管理、實驗教學等一系列環節中得到廣泛應用，這些技術將為高校的實驗體系建設與發展持續注入新的活力。在智能化信息時代，新興技術作為助推創新的重要引擎之一，其對高校的實驗體系建設的影響已初見端倪，如實驗教學環境多樣化：從面對面教學到平臺教學，有助于激發學生的學習興趣，提高教學效果；實驗室管理自動化：從復雜的人工管理到自動化的管理，有助于提高管理效率，實現精細化管理；實驗室建設科學化：從經驗判斷到實證測量，有助于滿足實驗教學需求的精準投入。高校應該與時俱進，積極關注新興技術與實驗體系的融合發展，用這些先進的技術為高等院校實驗體系的深入發展創造條件，為實驗室管理、教學、環境以及儀器設備提供智慧化服務［16］，最終為推動新工科人才培養向智能化、自動化和精準化的方向發展提供更好的服務。

（3）豐富高校實驗室工作的深度研究。當前，我國的高校實驗室發展迅速，已逐漸形成了較為完善的實驗室體系，涌現了一大批的國家級或者省級示范中心，該體系的改革發展將對提升我國的人才培養質量和科研水平起著至關重要的作用。但如前所述，當前高校的實驗室體系研究大都以理論研究為主，缺乏基于問題學習或者項目學習的實證研究和實踐研究，但一些學者已經開始進行了一些探索。如張芬娜等［4］利用知識圖譜技術，通過定量化、可視化已有文獻的研究熱點，對高校教學實驗室綜合改革模型進行分析。因此高校學者們可以借鑒國內外已有的研究經驗，不斷豐富高校實驗體系的深度研究，從而為實驗體系改革提供全面化、科學化的指導。