基于文獻(xiàn)計(jì)量的虛擬仿真教學(xué)研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析

柳長(zhǎng)峰，王 睿，李 琦

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083）

0 引言

虛擬仿真是一種采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他專(zhuān)用軟硬件來(lái)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)和手段，其最早的研究記錄可以追溯到上世紀(jì)20 年代用來(lái)訓(xùn)練飛行員的飛行模擬器［1］。由于其具有能突破環(huán)境限制、縮短操作時(shí)間和周期、降低成本和避免真實(shí)操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)等優(yōu)越性，各國(guó)投入大量的人力物力開(kāi)展虛擬仿真領(lǐng)域的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是近年來(lái)人工智能、大數(shù)據(jù)、5G等現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。

長(zhǎng)期以來(lái)，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用集中在軍事、工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域［2-4］。“虛擬實(shí)驗(yàn)”概念的提出標(biāo)志著虛擬仿真技術(shù)正式應(yīng)用到教育領(lǐng)域［5］。虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造性地解決了教學(xué)實(shí)踐領(lǐng)域的“做不到”“做不好”“做不了”和“做不上”等共性難題，帶來(lái)了教育理念的革新以及教學(xué)手段、方法、技術(shù)、內(nèi)容乃至?xí)r空的革命。我國(guó)教育領(lǐng)域中虛擬仿真應(yīng)用起步晚、發(fā)展快，教育部先后頒布了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》和《關(guān)于2017 -2020 年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》，有力地促進(jìn)了虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法，對(duì)中國(guó)知網(wǎng)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)的課程進(jìn)行可視化分析，繪制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的知識(shí)圖譜，通過(guò)定量數(shù)據(jù)客觀和直觀地展現(xiàn)我國(guó)虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)、現(xiàn)狀和趨勢(shì)，以期為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新建設(shè)和發(fā)展提供借鑒和參考。

1 分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文獻(xiàn)來(lái)源于中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù)（CNKI），選擇“虛擬仿真”和“教學(xué)”為檢索詞進(jìn)行主題檢索，檢索時(shí)間截止到2023 年3 月，檢索語(yǔ)言為中文，期刊來(lái)源選擇北大核心期刊。共檢索到論文1 537 篇，對(duì)其進(jìn)行人工去重，剔除會(huì)議征稿、評(píng)論、新聞、勘誤、報(bào)道、介紹等，共篩選出有效文獻(xiàn)1 508 篇。然后將檢索數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，建立起相關(guān)文獻(xiàn)的Excel 數(shù)據(jù)表。國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)自2017 年開(kāi)始開(kāi)設(shè)課程，截止到2023 年4 月10 日，在此平臺(tái)中可以檢索到相關(guān)課程3 466 個(gè)。

1.2 分析方法

利用上述從CNKI獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)出每篇文章的期刊、年份、標(biāo)題、單位、作者、關(guān)鍵詞及摘要，按照年份順序分別保存為txt格式。研究使用CiteSpace6.2R2 版本進(jìn)行知識(shí)圖譜研究分析，對(duì)所有年份文獻(xiàn)進(jìn)行共被引分析，繪制文獻(xiàn)共被引聚類(lèi)圖譜，高中介中心性文獻(xiàn)以時(shí)間維度宏觀分析該領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程；使用關(guān)鍵詞共現(xiàn)功能結(jié)合突發(fā)檢測(cè)功能進(jìn)行研究前沿分析。具體參數(shù)為：將時(shí)區(qū)跨度分割設(shè)定在2000～2023 年；單個(gè)時(shí)間切片為2 年；主題聚類(lèi)詞來(lái)源選擇標(biāo)題、摘要、作者關(guān)鍵詞與關(guān)鍵詞累加，算法選用LLR（對(duì)數(shù)似然比檢驗(yàn)），修飾算法選擇最小生成樹(shù)算法和修剪切片網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)選擇“g-index，k=25”。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 論文期刊與數(shù)量分布

年度文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量是評(píng)價(jià)科研成果的重要指標(biāo)之一。可檢索到的關(guān)于虛擬仿真教學(xué)的文獻(xiàn)最早發(fā)表于2000 年［6］，在2000～2013 年，發(fā)文量較低（＜20 篇），無(wú)空窗期。2014 年開(kāi)始，文獻(xiàn)數(shù)量開(kāi)始快速增長(zhǎng)，并于2021 年達(dá)到峰值（262 篇），之后有所回降，但整體數(shù)量穩(wěn)定（見(jiàn)圖1）。

圖1 年度發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量（2023年文獻(xiàn)數(shù)量截止到2023年3月）

對(duì)虛擬仿真教學(xué)相關(guān)論文發(fā)文期刊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表1），該研究方向?qū)W術(shù)論文主要集中發(fā)表在《實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》和《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》期刊上，發(fā)文量分別為564 篇和390，遠(yuǎn)高于其他刊物，占總發(fā)文量的2/3 左右。此外，教育類(lèi)、外語(yǔ)類(lèi)期刊也有較多的相關(guān)論文發(fā)表。這一特點(diǎn)表明虛擬仿真教學(xué)領(lǐng)域的研究期刊較為集中。

表1 發(fā)文期刊分布

2.2 機(jī)構(gòu)分布

發(fā)表論文的數(shù)量能夠在一定程度上反映該機(jī)構(gòu)在該學(xué)科或研究方向上的發(fā)展和積累情況。對(duì)虛擬仿真教學(xué)文獻(xiàn)的發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)排序（見(jiàn)表2），排名前3的機(jī)構(gòu)依次為哈爾濱工程大學(xué)（30 篇）、吉林大學(xué)（29 篇）和中國(guó)石油大學(xué)（華東）（27 篇）。排名前10的機(jī)構(gòu)以行業(yè)特色工科大學(xué)和高水平綜合類(lèi)大學(xué)為主，其原因是因?yàn)樵擃?lèi)大學(xué)受行業(yè)特點(diǎn)影響，對(duì)虛擬仿真教學(xué)的需求更大。

表2 發(fā)文機(jī)構(gòu)分布

2.3 學(xué)科分布和基金資助情況

按照CNKI的學(xué)科分類(lèi)（見(jiàn)表3），發(fā)文量排名前3的依次為高等教育（920 篇）、計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用（460 篇）和教育理論與教育管理（339 篇），這3 類(lèi)占到半數(shù)以上。醫(yī)學(xué)類(lèi)、生物學(xué)、建筑科學(xué)和機(jī)械類(lèi)占總數(shù)的15%左右。1 508 篇文獻(xiàn)中有590 篇受基金資助（見(jiàn)表4），資助率為39.12%。其中國(guó)家自然科學(xué)基金資助197 篇；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目資助44 篇；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助24 篇；國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金資助18 篇；中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)資助16 篇；其余為各省高等教育教改經(jīng)費(fèi)。這一特點(diǎn)顯示關(guān)于虛擬仿真教學(xué)的研究資助來(lái)源多樣，以國(guó)家層面資助為主。

表3 發(fā)文學(xué)科分布

表4 基金資助分布情況

2.4 高被引論文分析

高被引論文的分布特征能夠客觀反映該學(xué)科領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)。根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)全文數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)虛擬仿真教學(xué)的相關(guān)學(xué)術(shù)論文被引頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選取排名前10的高被引論文進(jìn)行分析（見(jiàn)表5）。10 篇論文被引頻次共3 328 次，最高被引頻次677 次，最低被引頻次159 次。從文章發(fā)表時(shí)間和內(nèi)容來(lái)看，明顯可以分為兩個(gè)階段：2013～2016 年文章8 篇，內(nèi)容主要為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)；2018～2020 年文章2 篇，內(nèi)容為虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目及課程建設(shè)。

表5 前10 篇高被引論文［7-16］

3 關(guān)鍵詞分析

3.1 關(guān)鍵詞詞頻與共現(xiàn)關(guān)系分析

科學(xué)研究的熱點(diǎn)可以通過(guò)關(guān)鍵詞進(jìn)行歸納分析。通過(guò)CiteSpace對(duì)關(guān)鍵詞頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表6），分析其共現(xiàn)情況。可以看出，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次最高和中心中介度最高的關(guān)鍵詞基本重合，主要有“虛擬仿真”“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”“虛擬現(xiàn)實(shí)”“教學(xué)改革”“新工科”“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”等，這些關(guān)鍵詞間共現(xiàn)關(guān)系較為簡(jiǎn)單且通達(dá)度高（見(jiàn)圖2），具有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明這些關(guān)鍵詞代表了相關(guān)研究的集中領(lǐng)域，是長(zhǎng)期的研究熱點(diǎn)。

表6 關(guān)鍵詞頻度統(tǒng)計(jì)表

圖2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

3.2 聚類(lèi)及時(shí)間樹(shù)分析

通過(guò)關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析，樣本數(shù)據(jù)共產(chǎn)生11 個(gè)較大的聚類(lèi)（見(jiàn)圖3）。這些關(guān)鍵詞聚類(lèi)在一定程度上代表了當(dāng)前虛擬仿真教學(xué)的基本研究?jī)?nèi)容，即通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心（平臺(tái)）和虛擬仿真課程、儀器的建設(shè)，利用信息技術(shù)和虛實(shí)結(jié)合手段，實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式和教學(xué)體系的變革，更好地為培養(yǎng)人才服務(wù)。從關(guān)鍵詞聚類(lèi)時(shí)間樹(shù)（見(jiàn)圖4）分析來(lái)看，“虛擬仿真”和“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”在2006 年左右出現(xiàn)，2017 年之前已實(shí)驗(yàn)中心（平臺(tái)）的建設(shè)為主，2018 年開(kāi)始以課程建設(shè)、教學(xué)方式和體系、人才培養(yǎng)內(nèi)容占多數(shù)。

圖3 關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析圖譜

圖4 關(guān)鍵詞聚類(lèi)時(shí)間樹(shù)圖譜

3.3 關(guān)鍵詞突變分析

CiteSpace統(tǒng)計(jì)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞（Bursts）能精確顯示起止的年份，也能在一定程度上反映研究的主題變化趨勢(shì)。圖5 展示了2000～2023 年排在前列的14 個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞。可以看出：2000～2009 年間出現(xiàn)的突現(xiàn)詞為“虛擬儀器”“仿真”“多媒體”“虛擬現(xiàn)實(shí)”等，處于對(duì)虛擬仿真教學(xué)的探索階段；2010 年突現(xiàn)詞為“職業(yè)教育”，標(biāo)志著虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到教學(xué)領(lǐng)域中。2014～2016 年突現(xiàn)詞為“云平臺(tái)”“創(chuàng)新人才”“資源共享”“教學(xué)體系”等，現(xiàn)實(shí)以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和共享為主。2018 至今的突現(xiàn)詞為“互聯(lián)網(wǎng)+”“土木工程”“課程建設(shè)”“線上教學(xué)”和“教學(xué)實(shí)踐”，說(shuō)明這一階段的研究以課程建設(shè)為主，由于2020～2022 年新冠疫情影響，線上（在線）教學(xué)相關(guān)研究增多。而“課程建設(shè)”是從2020 年出現(xiàn)持續(xù)至今的突現(xiàn)詞，可能代表著目前虛擬仿真教學(xué)的前沿趨勢(shì)［14-19］。

圖5 突現(xiàn)關(guān)鍵詞圖譜

3.4 國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)建設(shè)

國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)自2017 年開(kāi)始課程建設(shè)，截止到2023 年3 月，共有在此平臺(tái)中可以檢索到60 個(gè)專(zhuān)業(yè)類(lèi)別的3 466 個(gè)相關(guān)虛擬仿真課程，覆蓋高校2 683 個(gè)，實(shí)驗(yàn)突破1 500 萬(wàn)人次。其中工科類(lèi)1 582 個(gè)，占總數(shù)46%；理科444 個(gè)，占總數(shù)14%；教育學(xué)和法學(xué)數(shù)量最少，分別為65 和81 個(gè)（見(jiàn)圖6）。從課程上線時(shí)間來(lái)看，2017 年295 個(gè)，2018 年722 個(gè)，2019 年1 048 個(gè)，2021 年1 173 個(gè)，2022 年193個(gè)，2023 年為35 個(gè)，自2022 年后明顯減少。

圖6 國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)科分布

4 討論

4.1 虛擬仿真教學(xué)研究的階段演化和研究熱點(diǎn)的變化

虛擬仿真教學(xué)受宏觀政策影響較大。根據(jù)重要政策的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相關(guān)、科研文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)課程的統(tǒng)計(jì)分析，可以將我國(guó)虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐過(guò)程和研究熱點(diǎn)分為以下3 個(gè)階段：

（1）虛擬仿真教學(xué)探索期（2000～2013 年）。該階段并未出臺(tái)國(guó)家層面的相關(guān)文件和政策，早期的虛擬仿真教學(xué)主要應(yīng)用在大學(xué)的遠(yuǎn)程教育和安全培訓(xùn)方面，之后有了一些虛擬實(shí)驗(yàn)與課程結(jié)合、虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器設(shè)計(jì)等。這一階段文獻(xiàn)量少（見(jiàn)圖1），但“虛擬仿真”和“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”兩個(gè)關(guān)鍵詞已經(jīng)出現(xiàn)，說(shuō)明已有學(xué)者關(guān)注虛擬仿真在教學(xué)中的應(yīng)用。如楊炳元等闡述了內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)繼電保護(hù)數(shù)字仿真系統(tǒng)［6］；譚珂等探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練中的應(yīng)用［17］等。

（2）實(shí)驗(yàn)中心（平臺(tái)）建設(shè)期（2014～2017 年）。教育部2013 年8 月啟動(dòng)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，重點(diǎn)內(nèi)容包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、管理和共享平臺(tái)、管理隊(duì)伍和管理體系。各高校開(kāi)展了極富成效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和平臺(tái)的建設(shè)工作。該時(shí)期研究文獻(xiàn)數(shù)量快速增長(zhǎng)，于2017 年達(dá)到第一個(gè)峰值（135 篇），內(nèi)容主要集中在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、共享平臺(tái)的建設(shè)和管理體系研究，關(guān)鍵詞集中在“實(shí)驗(yàn)中心”和“教學(xué)平臺(tái)”［7，10-15］。也有部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探討文獻(xiàn)。

（3）課程體系建設(shè)時(shí)期（2018 年至今）。2017年，教育部發(fā)布了基于《教育部辦公廳關(guān)于2017～2020 年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號(hào)），并建成了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)。受政策影響，各大高校開(kāi)展了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，一時(shí)間形成了百花齊放的局面。這一階段相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量繼續(xù)增長(zhǎng)，并于2021 年達(dá)到峰值（262 篇）。在研究?jī)?nèi)容上則以課程建設(shè)為主，關(guān)鍵詞增加了“新工科”“互聯(lián)網(wǎng)+”“新文科”等［8，17-21］。2020～2022 年新冠疫情期間，“線上教學(xué)”成為突現(xiàn)詞，體現(xiàn)出虛擬仿真教學(xué)有力地支持了這一非常時(shí)期的線上教學(xué)［22-28］。

4.2 特點(diǎn)與不足

經(jīng)過(guò)近20 多年的建設(shè)，我國(guó)虛擬仿真教學(xué)和研究取了可人的成績(jī)，主要表現(xiàn)出以下的特點(diǎn)。

（1）虛擬仿真教學(xué)和研究為政策導(dǎo)向型。自2013 年以來(lái)，虛擬仿真教學(xué)和研究緊跟國(guó)家政策引導(dǎo)，積極研究政策的實(shí)施和落地方式，關(guān)注發(fā)展中存在的問(wèn)題并提出解決方案，不斷與時(shí)俱進(jìn)。但同時(shí)也需要指出，如果沒(méi)有經(jīng)費(fèi)和政策的持續(xù)支持，虛擬仿真教學(xué)和研究難以保障。從文獻(xiàn)數(shù)量和國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程來(lái)看，2022 年已經(jīng)出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。工業(yè)和信息化部和教育部等多部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022～2026 年）》，推進(jìn)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2.0”，支持高等院校加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)學(xué)科專(zhuān)業(yè)建設(shè)，鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作等，這將為虛擬仿真教學(xué)和研究的持續(xù)發(fā)展注入新的活力。

（2）學(xué)科領(lǐng)域不斷拓展。根據(jù)年度發(fā)文量和關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)分析，虛擬仿真教學(xué)的相關(guān)研究數(shù)量逐步提升，其學(xué)科領(lǐng)域由早期的工科占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展到目前工科為主，覆蓋大部分學(xué)科，在文學(xué)、馬克思主義理論和藝術(shù)學(xué)等學(xué)科也有廣泛應(yīng)用。

（3）與發(fā)表科研論文相比，地方普通院校在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)上的參與度更高。從國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程“國(guó)家一流課程”的建設(shè)單位可以看出，既有北京大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)等高水平雙一流院校，也有塔里木大學(xué)、常州大學(xué)、泉州師范學(xué)院等地方普通高校。這一現(xiàn)象反映出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程對(duì)各級(jí)各類(lèi)學(xué)校而言都是新興事物，雖然高水平院校在科研方面占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)上并不存在明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CiteSpace 6.2 R2 可視化文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件對(duì)于中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中2000 年到2023 年3 月發(fā)表的虛擬仿真教學(xué)相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行知識(shí)圖譜的分析，結(jié)合國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程相關(guān)情況，認(rèn)為文獻(xiàn)數(shù)量整體呈上升趨勢(shì)，期刊、學(xué)科分類(lèi)和研究機(jī)構(gòu)較為集中。“虛擬仿真”“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”“虛擬現(xiàn)實(shí)”“教學(xué)改革”“新工科”“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”等高頻關(guān)鍵詞代表了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，突現(xiàn)詞“課程建設(shè)”可能為今后的研究方向。在此基礎(chǔ)上，將我國(guó)虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展和研究可以分為3 個(gè)階段：虛擬仿真教學(xué)探索期（2000～2013年）、實(shí)驗(yàn)中心（平臺(tái)）建設(shè)期（2014～2017 年）和課程體系建設(shè)時(shí)期（2018 年至今）。