近10年來有關高校實驗室的研究熱點及前沿探析

鎮 麗 華

(南通大學 經濟與管理學院， 江蘇 南通 226000)

0 引 言

高校實驗室研究體系龐大，分支眾多，涵蓋了實驗室建設與管理、設備配置、實驗師資、實驗教學、實驗室安全與環境等多個方面[1]，因此其文獻的研究視角和研究內容也呈現出多樣化趨勢。近年來隨著高校改革的逐步深入，實驗教學在人才培養中的作用凸顯，更多的學者開始注重實驗室的研究，涌現出不少成果。鑒于此，為了進一步了解實驗室領域的研究現狀與發展趨勢，本文采用文獻計量學和知識圖譜的研究方法，運用可視化軟件繪制高校實驗研究的知識圖譜，對CNKI中實驗系列中文核心期刊2011～2020年的文獻進行可視化分析，剖析當前的研究熱點和前沿，為后續研究提供借鑒和參考。

1 數據來源與方法

由于核心期刊文獻質量更高，對問題的研究更深入，也更具代表性[2]，所以本研究選取中國知網(CNKI)實驗室系列核心期刊作為數據來源，將文獻來源設置為“實驗技術與管理”或“實驗室研究與探索”，時間范圍限定為2011-01-01日～2020-12-31日，檢索得到18 386條記錄，剔除實驗示范中心、期刊導讀、人物專訪、名人名言等無效數據，得到有效記錄17 749條。將這些記錄以Refworks和NoteFirst格式導出，選用Excel、Bicomb和CiteSpace為研究工具，通過對文獻的年發文量、作者、研究機構、關鍵詞詞頻和聚類的可視化分析，梳理高校實驗室研究體系的熱點與前沿。

2 文獻計量分析

2.1 發文量分布

采用Excel對檢索到的文獻進行年度刊載量統計，繪制高校實驗體系研究文獻年發文量分布圖。由圖1可知，論文發表總量從2011年的2 154篇到2020年的1 597篇，總體呈下降趨勢，尤其在2011～2014年階段，下降趨勢顯著，其原因可能是期刊對研究深度提高了要求。2014～2020年雖有波動，但整體數目平穩稍有下降。就兩大期刊而言，2011～2013年《實驗室研究與探索》的發文量要高于《實驗技術與管理》，2014～2020年二者相對均衡。

2.2 核心作者及合作關系分析

作者發文量是衡量該作者基于該研究主題影響度與貢獻度大小的一個重要指標，通過對作者發文量的分析，可以明確這一領域的核心作者群[3]。根據普萊斯定律，核心作者的估算方法可以表示為：

(1)

式中，Nmax為發表論文最多作者的論文數量，M為核心作者的最低發文量，即發表論文M篇以上的作者即為核心作者[4]。

當一篇論文由多個作者共同完成時，考慮到貢獻度的問題，只統計第一作者。運用Bicomb軟件統計10年來以第一作者身份在上述兩種期刊上發表論文的有11 400余人，其中發文數量最多的是重慶郵電大學的陳功貴，數量達18篇。依據計算公式，得出M≈3.18，即發表4篇及以上數量的作者為高校實驗室研究領域的核心作者。表1給出了核心作者發文量情況，據統計，核心作者發文量共計2 828篇，遠低于論文總數的50%，根據普萊斯定律，說明實驗室研究領域的作者仍比較分散，暫未形成核心作者群。

表1 作者發文量統計

運用CiteSpace[5-6]對作者之間的合作關系進行分析，結點類型選擇“Author”，篩選標準選擇“TopN”，得到實驗室研究領域作者合作網絡圖譜，如圖2所示。圖中結點的大小與作者發文量成正比，結點間連線的粗細反應作者間合作發文的強度。因為存在作者重名的現象，現結合相關文獻進行分析，去除劉艷、劉洋、王超、王偉、李斌、李鵬、楊柳等重名結點及相關連線后，得到3人以上的學術團隊有4個，分別是：北京科技大學的柯紅巖、崔家瑞、金仁東、李擎、錢大益、劉云等組成的團隊；浙江大學的馮建躍與杭州電子科技大學的姜周曙、張建良、亓文濤、吳越等組成的團隊；南開大學的李欣、趙玉紅、趙立青、張金紅、周浩組成的團隊；清華大學的黃開勝、艾德生、江軼、吳丹組成的團隊。除了馮建躍團隊作者之間有跨機構的合作，多數有合作關系的作者來自同一機構，跨機構合作較少，暫未形成較好的作者合作網絡。

圖2 作者合作關系圖

2.3 研究機構分析

研究機構分析能夠揭示哪些機構處于某一學科領域前沿，為其他的學習者和機構提供學習交流和合作的方向[7]。借助CiteSpace軟件對論文的研究機構合作關系進行分析，結點類型選擇“Institution”，篩選標準選擇“g-index”，k默認缺省值25，得到研究機構之間的合作關系可視化圖譜，如圖3所示，圖譜共有628個結點，每個節點代表一個機構。由圖3可知，主要發文機構包括中國石油大學(華東)理學院(90篇)、中國石油大學(華東)信息與控制工程學院(74篇)、哈爾濱工程大學自動化學院(72篇)、北京大學實驗室與設備管理部(61篇)、中國石油大學(華東)機電工程學院(57篇)、吉林大學儀器科學與電氣工程學院(54篇)。圖譜628個結點之間只有180條連線，除了北京大學實驗室與設備管理部與其他機構有合作外，其他機構多為獨立研究或者機構內部二級單位合作，跨機構合作仍較少。

圖3 研究機構合作關系圖

3 實驗室研究的熱點與前沿分析

關鍵詞是文章主題內容的表達和提煉，學科領域中高頻次、高中心性的關鍵詞所表征的研究主題常被用于確定一個研究領域的研究熱點[8]。借助CiteSpace對2011～2020年度兩大期刊文獻進行關鍵詞共現分析并繪制關鍵詞聚類圖譜，以此來明確實驗室研究領域的熱點主題與發展前沿。

3.1 關鍵詞共現分析

在CiteSpace中結點類型選擇“Keyword”，篩選標準選擇“Thresholds”， 閾值(c,cc,ccv)設置為(4,4,20)、(5,4,20)、(5,4,20)，運行得到實驗室研究領域的關鍵詞共現圖譜、關鍵詞頻次及中心度。分別列出關鍵詞頻次和中心性位于前15的關鍵詞，如表2所示。

表2 關鍵詞統計

由表2可知，“實驗教學”的頻次最高，為1 833，其次是“實踐教學”，頻次為666，中心性最高的是“實踐教學改革”，說明實驗、實踐教學改革是實驗體系的主要研究內容。另外，實驗室建設、創新能力、虛擬仿真、人才培養、大型儀器設備等關鍵詞的頻次或中心性也較高，這與加強創新型應用型人才培養、探索新的實驗教學方式和實驗室管理模式等發展趨勢基本相符。

3.2 關鍵詞聚類分析

為了進一步了解實驗領域的研究熱點，在關鍵詞共現的基礎上進行聚類，得到關鍵詞聚類圖譜，如圖4所示。圖4中，聚類模塊值ModularityQ=0.847 1>0.3，聚類輪廓值S=0.927 7>0.7，說明聚類效果顯著且可信。

圖4 關鍵詞聚類圖譜

根據聚類圖譜提取實驗室研究領域關鍵詞聚類信息，如表3所示。

分析高頻關鍵詞和關鍵詞聚類信息，將實驗室研究領域的熱點主題歸納為以下幾類：

(1) 實驗與實踐教學改革研究。聚類#0、#4～#8、#11、#14、#16共現關鍵詞有實驗教學模式、實踐教學體系、教學設計、教學質量、能力培養、虛擬仿真、物聯網、傳感器等。實驗與實踐教學對培養學生實踐操作能力、創新能力具有至關重要的作用，學者們圍繞這一主題開展了一系列研究，尤其是在先進教學技術的推動下，學者們轉換實驗教學模式和教學方法，以期改善教學效果和人才培養質量。

(2) 實驗室建設與管理研究。聚類#1、#2、#9、#10共現關鍵詞有實驗室管理、實驗室建設、實驗教學示范中心、實驗技術隊伍、實驗室安全等。實驗室作為實驗教學的主體機構，自身的建設發展是開展實驗教學的重要保障，因此各大高校和學者都高度重視實驗室的建設研究。“互聯網+”“大數據”“虛擬仿真”等新興技術的出現更是助推實驗室的建設、管理和運行產生了巨大的變革。

表3 關鍵詞共現聚類信息表

(3) 儀器設備管理研究。聚類#3、#13共現關鍵詞有大型儀器設備、資源共享、設備采購等。儀器設備是高校促進創新人才培養、開展高水平科學研究和社會服務的有力支撐。切實加強和完善儀器設備特別是價值較高的大型儀器設備的采購、使用與管理，是目前高校資產管理部門共同關注的課題，也是加快“雙一流”高校建設的重要舉措。

3.3 前沿分析

凸現的關鍵詞是指在一段時間內出現頻次突然增多的關鍵詞，其在一定程度上可以反映某一研究領域的前沿與趨勢[9]。CiteSpace具有檢測突變詞功能，為此關鍵詞聚類后在控制面板中選擇“Burstness”得到實驗研究領域2011～2020年間25個突現詞列表(見圖5)，圖譜清晰顯示了關鍵詞的突現及持續年份。對突現詞進行分析，可將10年來實驗室研究前沿的演進過程大致分為4個階段。

圖5 關鍵詞突現圖譜

第1階段為2011～2013年。該階段的研究角度主要集中在高等學校實驗中心建設方面。學者們紛紛響應國家卓越工程師教育培養計劃，積極探索構建各級各類實驗教學中心的模式和思路，如國家級環境科學與工程實驗教學示范中心、省級電氣與新能源實驗教學示范中心、高校設計藝術類實驗中心等，在中心建設的過程中不斷更新實驗教學觀念，完善實驗教學體系，變革實驗教學方法與手段，創新管理模式。

第2階段為2014～2015年。這一階段高校開始考慮深度轉型發展，而“協同創新”機制恰好為高校從“封閉式教學”向“開放式教學”方式的轉型發展提供了良好的契機。例如杜云翔等[10]提出建立區域內高校大型儀器設備協同創新共享平臺，解決我國科技主體分散、缺乏協同、資源配置不均等問題；時連君等[11]以校企合作為切入口，通過建立校企協同創新平臺、實施高校教育與社會生產相結合的教育機制，推動創新型、應用型人才的培養。這個階段還伴隨著智能手機的普及和網絡技術的飛速發展，學者們將這些引入課堂作為實驗教學改革的主要手段，比如基于手機系統搭建數據處理移動平臺來協助師生進行高效的數據分析及處理[12]、實施翻轉課堂線上線下混合教學模式加強學生的自主學習能力[13]等。

第3階段為2016～2017年。這個階段全國高校都在推進信息化技術與實驗室的融合與應用，關聯的突現主題詞有“虛擬仿真”“互聯網+”“大數據”等，其中“虛擬仿真”是10年來突現強度最大的主題詞，說明對虛擬仿真的相關研究最為活躍。部分學者借助虛擬仿真手段對一些高風險、高成本、不可逆的實驗項目模擬實驗過程，使得實驗更具直觀性和形象性，比如靳滿滿等[14]自主構建了高度仿真的化工專業虛擬實驗環境平臺，實現了真實實驗難以完成的教學功能，再比如成丹等[15]從生物學野外實習教學的實際應用出發，構建了天目山生物學野外實習虛擬仿真實訓系統，化解了傳統野外實習的困難，同時也擴充了教學信息量。還有學者借助信息技術來提升實驗室管理水平，如張奇峰[16]運用互聯網、大數據等手段，通過視頻監控系統、消防監控系統等科技設施，構建高校實驗室安全體系，為高校師生提供科學安全的實驗環境。這一階段的另一研究熱點是大學生創新創業教育，它是國家培養具有創新精神人才的重大戰略舉措，也是高校深化教育改革的必經之路。創新創業教育以怎樣的形式融入人才培養過程是學者對這個主題研究思考的主要內容，胡海山等[17]提出需從理念更新、機制完善、課程建設、實踐實訓、教學改革、學籍管理以及全方位保障等方面著力，形成暢通有效的創新創業人才培養路徑；黃幼川[18]從調整辦學思路、建立創新創業實踐基地、優化創新創業教育工作機制3個角度給出了推動創新創業教育健康發展的具體思路。

第4階段為2018年～2020年。這個階段的熱門突現詞主要是“新工科”和“實驗室安全”。新工科是新時代工程教育的新理念、新格局、新走向，學者以此為背景圍繞實驗室建設與管理、實踐教學、人才培養等方面探討改革的途徑，例如陳浪城等[19]結合新工科建設背景，提出建立多學科交叉融合實驗平臺、加強實驗室建設項目管理、優化實驗室管理模式和運行機制的實驗室特色管理體系；周靜等[20]利用新工科背景下地方院校融合多環境的優勢構建了理工科專業“四層次四方位”實踐教學模式；李志彬等[21]從教育理念、培養方案、教學方法、合作教學、創新創業平臺、師資隊伍建設等方面論述了地方本科院校工程專業新工科人才培養的建設思路。在實驗室數量、規模和層次的不斷提升中，實驗室的安全管理面臨嚴峻的挑戰，高校實驗安全事故時有發生，嚴重威脅到師生的生命安全。梳理兩大期刊實驗室安全相關的文獻發現，實驗室安全類的研究主要集中在3個方面：① 不同學科實驗室安全管理體系的構建，如生物類、化學類、醫學類、環境類、理工類等；② 生化實驗室安全，主要是生化實驗廢棄物的管理和處置、實驗室儀器或實驗過程操作不當引發的有害物質泄露造成環境污染等；③ 實驗室安全教育，包括新生入學增設安全教育課程和安全知識學習系統的開發設計等。

4 總結與展望

本文對CNKI實驗系列兩大中文核心期刊《實驗技術與管理》和《實驗室研究與探索》近10年發表的論文進行了可視化計量分析，從分析情況看，10年來實驗室研究文獻數量經歷了從大幅下降到小幅上升再到小幅下降的過程；研究作者較為分散；研究機構多為機構內部合作，跨機構合作較少；研究內容多涉及實驗實踐教學改革研究、實驗室建設與管理研究、儀器設備管理研究等方面，研究熱點主要有虛擬仿真、新工科、創新創業、實驗室安全、虛擬仿真實驗、虛擬現實、翻轉課堂、互聯網+等。縱觀以上結果，認為未來實驗室領域的研究可以從以下3個角度展開：

(1) 深化內容拓展研究。目前該領域研究主要圍繞實驗實踐教學、實驗室建設與管理、儀器設備等方面展開，后續研究仍須深入。同時，應關注新興技術的應用，不斷探索研究內容的創新，如實驗技術與各學科的深入融合、以科技為支撐的實驗中心服務效果評價等，從而拓展研究的廣度和深度。

(2) 加強跨界融合研究。實驗體系研究不能光停留在機構內部合作上，需要加強與校際、企業、社會力量等的合作，在融合中推動體系的發展升級，不斷內生出新的研究內容。因此，創新跨界合作模式、資源共享機制、協同發展等仍然是未來實驗室領域的研究熱點。

(3) 重視外在因素研究。實驗室的建設與發展需要經費、政策等外在因素的支持。研究發現，現有文獻中大多以實驗室內部建設、擁有的設備資源、實驗教師隊伍等在實驗體系中的作用為主，缺乏對外在因素的考量。對實驗體系外在因素的研究應既包含微觀的基礎性保障又包含宏觀的整體性保障，如組織領導、經費投入、資源配置、制度建設、政策保障等。

研究也存在不足之處：① 樣本文獻只選取了核心期刊，可能會影響信息收集的完整性；② 文章主要進行文獻計量和知識圖譜分析，展現的是實驗室領域文獻的形式特征，沒有對內容進行詳細分析，也沒有深入挖掘該領域涉及到的學科發展規律，未來研究可以擴大樣本收集范圍，采用內容分析法在熱點分析的基礎上發現學科分支的前沿問題。