虛擬仿真實驗教學課程內容特征與發展趨勢研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A

0 引言

虛擬仿真教學具有拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、節約實驗成本、廣泛的共享性等優點，可解決傳統實驗教學中高成本、高消耗的問題[1]。隨著本科教學質量工程的開展和一流課程建設的推進，虛擬仿真實驗教學項目建設逐漸豐富和體系化，進一步探索虛擬仿真實驗課程建設的實踐路徑，是新時代背景下高校教育面臨的重要命題。

國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（以下簡稱“實驗空間”）是由高等教育出版社負責建設運營，匯聚全部學科專業、覆蓋各個層次高校、直接服務于高等院校和社會學習者使用的實驗教學公共服務平臺。文章基于實驗空間上線的虛擬仿真實驗課程的實驗內容，通過共詞圖譜分析課程內容的技術、教學模式和實驗行為等特征，從時序和學科2個維度開展LDA主題分析，以定量數據較客觀和直觀地剖析虛擬仿真實驗教學的研究熱點和發展趨勢。

1虛擬仿真實驗教學的國內外研究現狀

國外對虛擬仿真技術的研究起步較早，應用較為廣泛，其中《國際教育信息化地平線報告》被視為國際教育信息化建設與發展的風向標。該報告認為，虛擬仿真教學將成為今后國內外教育界對傳統教學進行改革、提升人才培養質量的重要方向，是現代教育重要的引領手段之一，因此備受世界各國教育界的關注[]

近年來，各高校和學者積極探索個性化、智能化、泛在化虛擬仿真實驗教學新模式。實驗室和教學裝備相關學者提出虛擬仿真實驗教學項目8個新時代的教學特征，總結出高質量虛擬仿真實驗教學課程應具備6方面內涵和特征[3]。部分學者利用可視化文獻分析軟件，對虛擬仿真實驗教學相關文獻作者、關鍵詞、發文量和機構等進行可視化分析，探索研究熱點和發展趨勢[4]或者通過問卷調查和多元主體訪談的形式，分析當前高校開展虛擬仿真實驗教學面臨的基本問題與趨勢[5]。部分學者以國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺為研究對象，從課程的高校特點、地域分布、團隊構成和專業特色等開展描述性研究和數據分析，探討面向土木類、材料類等專業虛擬仿真實驗教學的研究熱點和發展趨勢[6]

2虛擬仿真實驗教學研究存在的問題

虛擬仿真實驗教學作為現代教育技術的重要組成部分，在推動實驗教學改革的同時，國內外在虛擬仿真實驗教學的課程建設和發展趨勢研究中存在以下不足之處。首先，研究方法比較單一，文獻分析可能無法及時反映虛擬仿真實驗教學新的發展和趨勢，問卷調查及主體訪談主要是對存在問題的反映、應用效果評價和趨勢預測，容易受到題目的限制和受訪者的主觀性影響。現有研究多依賴案例分析或理論探討，缺乏量化研究和長期跟蹤數據，同時，研究缺乏橫向對比，難以借鑒先進經驗。其次，在研究對象方面，部分學者雖以實驗空間為研究對象，但此類研究主要針對課程建設主體如高校、負責人等且一般面向特定的專業或學科展開，缺乏對虛擬仿真實驗課程發展趨勢分析的全面性和完整性。在虛擬仿真實驗課程建設的研究方面，虛擬仿真實驗的跨學科特性要求打破學科壁壘，但現有研究多停留在“技術 + 學科”的簡單疊加，缺乏跨學科課程設計的方法論。本研究聚焦于分析高校虛擬仿真實驗教學課題特征，針對學科開展主題分析，梳理實驗教學課程發展趨勢，以期為規范高校虛擬仿真實驗教學課程的建設和發展提供方向。

3虛擬仿真實驗教學課程內容特征分析

3.1 課程共詞網絡分析

文章選取2017—2021年在實驗空間上線的3225門虛擬仿真實驗教學一流課程作為研究對象。首先，借助工具爬取虛擬仿真實驗課程的名稱、所屬專業類、上線時間、實驗原理和實驗方法等文本數據，經處理后篩選出有價值的數據。然后利用Python軟件構建課程上線年份的共詞矩陣，再通過Gephi軟件進行可視化分析生成2017—2021年實驗內容文本的共詞圖譜，如圖1所示。為了呈現各個主題詞的關系，將較為低頻的詞匯進行過濾，圖中著色的圓圈代表對應的詞匯，節點的大小代表該詞匯的權重，圓圈之間的連線則是對應的關系，顏色深淺的相似程度表示詞匯的相似類別。

圖1虛擬仿真實驗課程實驗文本內容共詞圖譜

通過對比2017—2021年圖譜中的節點大小和中心詞匯，可以發現虛擬仿真課程實驗內容的變化趨勢。

（1）2017年的圖譜中關于課程實驗原理和學生實驗行為相關詞匯的占比較大，2018年的圖譜中關于課程虛擬仿真技術的運用和實驗教學相關的詞匯數量占比與2017年相比趨于增長。2019年的圖譜中關于課程實驗內容和實驗教學目的相關的詞匯數量與2018年相比趨于增長。

（2）2021年的圖譜較其前幾年中有關課程學生實驗行為和課程教學內容的詞匯趨于增長，說明虛擬仿真實驗課程越來越注重學生在實訓當中的實驗行為和課程仿真技術，進而達到虛擬仿真課程的教學目的和要求。

3.2虛擬仿真實驗教學課程的LDA主題分析

LDA主題建模主要運用于文本分類和預測，可以通過結果進行推薦和建議。

3.2.1時序維度LDA主題分析

通過困惑度算法分別對2017—2021年上線的虛擬仿真實驗課程開展主題數目的計算，確定上線年份對應的LDA主題數分別是6個、8個、8個和8個。以2017年為例，利用LDA實驗文本內容進行主題分類和主題可視化建模，如圖2所示。各年度LDA中的主題包含的內容展示，如表1—4所示。

圖2pyLDAvis主題可視化分析

表12017年虛擬仿真實驗課程主題歸類

表22018年虛擬仿真實驗課程主題歸類

表32019年虛擬仿真實驗課程主題歸類

表42021年虛擬仿真實驗課程主題歸類

通過對比，從2018年開始主題由6個增長到8個，說明課程內容趨于多元化。較于2017年，其余年份都含有“虛擬、仿真、系統、考核、實習、生產”等詞匯，屬于“虛擬仿真技術”和“實訓任務內容”主題。其中2017年較于2018年，“知識、模型、數據\"等詞匯的占比更高，2017年仿真課程偏重于實驗內容的主題，2018年，虛擬技術的內容占比增多，而實驗內容的占比減少；2019年較于2018年，“場景、環境、真實”和“能力、自主、采用”相關詞匯的占比更高，2019年虛擬仿真實驗場景和實驗要求內容的占比更高；2021年，“操作、分析、選擇、教學、教師、實施\"相關的詞匯占比更高。實驗空間在2017—2021年關于學生實驗行為和實驗教學主題的內容一直呈增長趨勢，因此，隨著年份的增長，虛擬仿真平臺更加注重學生的實驗行為和仿真課程的實驗教學模塊。

3.2.2學科維度LDA主題分析

將虛擬仿真實驗課程根據所屬專業分為人文社科類和理工類2大類。人文社科類主要包括文學、歷史、管理、藝術等專業大類共2502門，理工類主要包含理學、工學、農學和醫學4個專業大類共723門。通過LDA主題劃分，理工類和人文社科類的主題歸類，如表5-6所示。

表5人文社科類的主題歸類

表6理工類的主題歸類

通過不同學科類型進行LDA主題歸類并對比，結果如下。

（1）理工類課程數量遠高于人文社科類，但是2個學科領域的主題數目相同，實驗內容、實驗要求和實驗行為等主題具有一致性，說明2類虛擬仿真實驗課程在培養學生的復雜問題解決能力和高階思維能力，實現知識與實踐技能的并行要求是相同的。

（2）理工類的虛擬仿真實驗課程中，“真實、模型、數據、虛擬、仿真”和“系統”與虛擬仿真技術和實驗教學模塊關聯的主題占比更高，說明理工類更注重實驗效果以及實驗教學內容，通過虛擬仿真技術的實現和仿真實驗教學來達成學生的實驗成效。

（3）人文社科類的虛擬仿真實驗課程中，“模塊、理論、知識”和“自主、考核、方法”與課程理論知識以及課程實驗要求關聯主題的占比更高，說明人文社科類更注重對理論知識的掌握、自主學習行為以及評價與考核。人文社科類側重模擬職業的專業實踐和職業技能，通過課程的內容知識學習以及實驗要求對學生的實驗成效產生影響。

4虛擬仿真實驗教學課程的發展趨勢

在虛擬仿真課程的實驗內容方面，學生實驗行為和課程教學的內容隨著時間的變化趨于增長。近年來，更為關注實訓過程中學生的實驗行為和虛擬仿真技術的應用，同時理工類和人文社科類課程在實驗方式和要求等方面存在較大的差異性。

第一、隨著虛擬仿真技術的快速發展與傳統教學領域的高速變革，虛擬仿真技術已經與課堂教學相互融合，從學習效果和用戶體驗方面來看，使用虛擬仿真實驗教學能夠提升受教育者的學習意愿，進而提高學習效果。虛擬仿真實驗課程須與人工智能[7]等新興技術深度融合，在實驗開發方面，向智能化和游戲化等[8]方向發展，包括虛擬對象、交互和內容的智能化，融入更多的游戲化元素，增強用戶的沉浸式體驗。

第二、虛擬仿真實驗課程邁人了以教學資源建設為核心、教學模式創新和教學形式改革為支撐、教學效果提升為目標的綜合性在線實驗教學體系建設階段，而如何在虛擬仿真實驗教學內容上符合“兩性一度”的標準，成為未來虛擬仿真實驗課程建設的重心和關鍵。虛擬仿真實驗教學須創新教學設計和變革教學理念，將傳統的課堂教學、實體實驗與虛擬仿真實驗教學融合，不斷拓展實驗教學的場景，通過實驗教學的數據互通共享和智能化評估，為教師和學生提供更加全面的教學指導與學習反饋，是高校虛擬仿真實驗教學的重要發展方向。

第三、隨著虛擬仿真技術的發展、教學資源建設的完善和教學模式的創新，不同學科領域的虛擬仿真實驗須在教學上體現時代前沿性以及在學習效果上突出創新探究性。人文社科類虛擬仿真實驗起步較晚、發展相對滯后，面臨學科交叉融合的歷史新機遇和新挑戰，應注重學科重組和文理交叉，從傳統的知識驗證型實驗教學轉變為綜合性的跨學科實驗實訓，未來須結合課程對虛擬仿真實驗教學的方法、體系、模式、內容進一步創新，通過實施情景化、案例化等虛擬仿真實驗課程，使學生獲得應用技能的提升和專業實踐經驗，打造新文科線上虛擬仿真實驗課堂。另一方面，在當前新工科教育背景下，理工類學生的實驗教學實踐能力培養顯得極其重要，線上虛擬仿真與線下實操并重，加強實驗前預習和自主學習能力，使學生能夠在虛擬環境下沉浸式、融人式學習，激發學習的積極性，提高實際動手能力。

5結語

在虛擬仿真技術與實驗教學相融合的背景下，針對國家虛擬仿真實驗共享平臺的實驗課程進行了文本挖掘，通過時序和學科類型2個維度分析，不同上線年份和專業類別的仿真課程的實驗內容涉及的主題各異，其應用狀況也存在差異。因此，虛擬仿真技術實驗教學的專業領域和課程內容趨于多元化，各高校在建設虛擬仿真實驗課程時要根據實際需求并且符合發展趨勢，側重于虛擬仿真課程的教學質量，理工科的課程應注重虛擬仿真技術的應用和學生的實驗過程，人文社科應注重課程理論知識的儲備和實驗教學目的的達成。

參考文獻

[1]張臣，王苑奇，羅一帆，等.科教產教雙融合共建虛擬仿真“金課”的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2021（5） ：243-247，276.

[2]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷.國內外虛擬仿真教學的發展現狀[J].教育教學論壇，2020（17）：124-126

[3]張敏，文福安，劉俊波.高質量虛擬仿真實驗教學課程內涵和特征[J].實驗技術與管理，2022（3）：1-4.

[4]董桂偉，趙國群，王桂龍.我國虛擬仿真實驗教學的發展與趨勢研究：基于近十年中國知網文獻的知識圖譜分析[J].中國大學教學，2021（7）：85-92，96.

[5]逯行，朱陶，徐晶晶，等.高校虛擬仿真實驗教學的基本問題與趨勢[J].現代教育技術，2021（12）：61-68.

[7]郁鑫，王立揚，趙貝貝，等.虛擬仿真實驗教學研究現狀和發展趨勢：以液態成形為例[J].實驗室研究與探索，2021（12）：216-221.

[7]彭秀程，楊心怡，嚴哲，等.“AI智能 +VR 技術”支持下虛擬仿真教學的設計與應用[J].數字技術與應用，2023（5）：89-91.

[8]李琰，張佳琳，饒星，等.基于數字化的高校虛擬仿真實驗教學平臺建設與實踐［J].實驗室研究與探索，2023（10）：233-238.

（編輯 王雪芬）

Research on the content characteristics and development trends of virtual simulation experiment teaching courses

WENG Xiang （Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 2121Oo，China）

Abstract：This paper focuses on the National Virtual Simulation Experiment Sharing Platform，analyzing the characteristics of experimental course content from two dimensions：temporal and disciplinary.First，a co-word matrix is constructedanda visualization analysis is performed to explore the trendofchanges in experimental content characteristicsover time.Next，Latent Dirichlet Alocation（LDA）topic modeling isapplied to categorize experimental content from both temporal and disciplinary perspectives，extracting keywords for each topic inthese two dimensions， and analyzing the features and trends of the experimental content.Finally，basedon the platform’scontent features anddevelopmenttrends，the study summarizes the findingsandprovides recommendations forthe directionof virtual simulation experiment construction in higher education institutions.

Key words： virtual simulation; experimental teaching; text mining; LDA theme model

作者簡介：翁翔（1978—），男，高級工程師，碩士;研究方向;教育信息化，虛擬仿真實驗教學。