李凌云 王 佳 王海軍

【摘要】采用文獻分析法,對1999年～2008年間中國知網(wǎng)收錄的所有關(guān)于“虛擬實驗”方面的648篇文章進行了統(tǒng)計,從研究數(shù)量、研究內(nèi)容、關(guān)注學(xué)科三個方面進行了分析,最后提出了現(xiàn)階段虛擬實驗研究的一些的思考。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗;研究現(xiàn)狀;實證分析

【中圖分類號】G420 【文獻標(biāo)識碼】A【論文編號】1009—8097(2009)12—0111—04

引言

從廣義的角度而言,虛擬實驗是指區(qū)別于實際動手實驗,通過各種仿真手段實現(xiàn)的仿真實驗。虛擬實驗主要用虛擬儀器、設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗儀器和實驗設(shè)備進行實驗,對實驗結(jié)果的性能和實驗過程中產(chǎn)生的“虛擬電路或設(shè)備”進行預(yù)測和評價,從而縮短實驗操作時間和設(shè)計周期,降低實驗成本[1]。虛擬實驗大多通過軟件實現(xiàn),能夠減少儀器設(shè)備的損壞,還可以避免真實實驗或操作所帶來的各種危險,因此,能有效解決真實實驗資源不足的現(xiàn)狀。由于虛擬設(shè)備的研究與應(yīng)用的迅速發(fā)展,通過計算機可以模擬各種實驗設(shè)備,使用者可以通過虛擬實驗系統(tǒng)完成實驗的理論設(shè)計和實踐,多層次、多角度對實驗設(shè)計和結(jié)果進行分析,然后再回到真實實驗室進行實踐檢驗。這樣既節(jié)省了實驗時間,又提高了實驗效率,促進了創(chuàng)造性思維的發(fā)展。目前虛擬實驗在學(xué)校實驗教學(xué)與科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用,引起了人們廣泛的關(guān)注。

虛擬實驗在國外研究較早,因其誘人的應(yīng)用前景,各國均在大力發(fā)展,出現(xiàn)了很多成熟的系統(tǒng)[2-5]。我國的虛擬實驗的研究起步較晚,但是發(fā)展速度較快。根據(jù)目前從網(wǎng)上可查到的信息和各院校開放的對外服務(wù)看,國內(nèi)部分大學(xué)已陸續(xù)建立了虛擬實驗系統(tǒng)[6-8]。為了詳細(xì)了解我國虛擬實驗的研究狀況,本文采用量化統(tǒng)計的方法,通過對中國知網(wǎng)中4個數(shù)據(jù)庫收錄的所有關(guān)于虛擬實驗方面的論文進行統(tǒng)計和分析,探析其研究的現(xiàn)狀和存在的問題,尋找解決問題的途徑。

一 研究資料和方法

本文所用的研究樣本為1999年～2008年10年間中國知網(wǎng)上的有關(guān)虛擬實驗的論文,包括中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、中國博士論文全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫4個數(shù)據(jù)庫收錄的所有關(guān)于“虛擬實驗”方面的文章,采用的檢索項是“篇名”或“題名”,檢索詞為“虛擬實驗”,“精確”查找。

應(yīng)該說明的是,一項研究往往是多方面的,綜合的,可以歸入好幾種分類,很難設(shè)計出一個單一的分類方案來囊括全部的研究內(nèi)容。針對很多文章分類不明確,或者內(nèi)容涵蓋多個領(lǐng)域,筆者采用“標(biāo)題+摘要+全文”的分析方法,對論文關(guān)注的主要內(nèi)容進行歸類和分析。

二 有關(guān)虛擬實驗研究論文的統(tǒng)計與分析

1 按研究數(shù)量分析

從1999年～2008 年,共檢索到關(guān)于“虛擬實驗”的文獻648篇,其中中國期刊全文數(shù)據(jù)庫共發(fā)表研究論文533篇;中國博士論文全文數(shù)據(jù)庫收錄論文2篇;中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫共收錄論文85篇;中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫收錄論文28篇。各年收錄論文情況見表1。總體看來,關(guān)于“虛擬實驗”的研究論文數(shù)量龐大,研究和關(guān)注程度呈逐年上升趨勢。尤其是2006～2008這三年來,年產(chǎn)生論文數(shù)量超過100篇,其中博碩士論文也達10年最高,說明關(guān)于虛擬實驗的研究得到了研究者們廣泛的關(guān)注,研究內(nèi)容也有了一定的深度。

表1 研究論文的基本信息統(tǒng)計

2 按研究內(nèi)容分

我們將所有的研究樣本分為理論和實踐兩大類進行分類整理,有關(guān)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。圖1為論文分類數(shù)量的逐年統(tǒng)計結(jié)果。表中數(shù)據(jù)顯示,在1999～2008年發(fā)表的論文中,偏重于理論研究與探討的論文147篇,占22.7%,而偏向?qū)嵺`研究方面的論文501篇,占77.3%,后者是前者的3倍多。從圖1可以看出,雖然理論和實踐研究數(shù)量均呈逐年上升趨勢,但是這10年來關(guān)于虛擬實驗方面的研究一直偏重于實踐方面,并且有逐漸增大的趨勢。

表2 樣本論文的分類統(tǒng)計

圖1 虛擬實驗理論與實踐研究數(shù)量逐年統(tǒng)計圖

(1)理論研究

我們將理論研究的文獻進行二次整理和分析,按照論文研究的內(nèi)容將理論研究劃分為教學(xué)思考、教學(xué)模式、技術(shù)介紹與分析等7個方面,各年統(tǒng)計情況見表3。圖2則反映理論研究類各論文數(shù)量的逐年發(fā)展情況。

“教學(xué)思考”方面論文102篇,研究內(nèi)容包含虛擬實驗的教學(xué)功效、教學(xué)前景、虛實結(jié)合實驗以及虛擬實驗室建設(shè)的思考、虛擬實驗建構(gòu)的必要性探討、系統(tǒng)介紹、實驗內(nèi)容與步驟的介紹等方面。這方面的研究主要存在的問題是,很多文章內(nèi)容較短,對于虛擬實驗的教學(xué)功能、前景、在教學(xué)中的作用與地位、開設(shè)虛擬實驗的必要性和構(gòu)想等闡述較多,很多選題雷同,總體看來研究內(nèi)容不夠深入。

“教學(xué)模式”方面的論文一共15篇,大多是物理、電工電子等具體學(xué)科中虛擬實驗的教學(xué)模式的簡單介紹以及虛擬實驗在探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)中的應(yīng)用,缺少對教學(xué)模式應(yīng)用的效果分析。其中,基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗的教學(xué)研究得到了重視,說明了人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗與單機版虛擬實驗相比所具有的優(yōu)勢。

“技術(shù)介紹與分析”方面的論文17篇,主要集中在虛擬實驗開發(fā)的技術(shù)介紹,如Vrml、Java、Matlab、Java3D、Cult3D、虛擬儀器技術(shù)等。有些文章從多個方面對這些技術(shù)進行了比較分析,揭示出各自的優(yōu)缺點,對實驗開發(fā)有一定的參考意義。

“現(xiàn)狀與趨勢”方面的論文10篇,分別介紹了國內(nèi)外已開發(fā)的成熟的虛擬實驗系統(tǒng)、虛擬儀器技術(shù)與基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬實驗系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用前景,一些文章指出了當(dāng)前研究的不足,并提出發(fā)展趨勢。

此外,有一篇論文從哲學(xué)層面對虛擬實驗的發(fā)展階段進行了探討,其余2篇論文分別是虛擬實驗技術(shù)的研究與應(yīng)用創(chuàng)新團隊介紹以及會議內(nèi)容介紹。

表3 理論研究的分類統(tǒng)計

圖2 理論研究類各論文數(shù)量的逐年發(fā)展情況

(2)實踐研究

同樣,將所有偏向?qū)嵺`應(yīng)用的論文進行整理與分類,如表4所示,圖3為實踐研究類論文數(shù)量的逐年發(fā)展的情況。本文將實踐類論文分為“設(shè)計與開發(fā)”、“教學(xué)應(yīng)用”以及“虛擬實驗方法”三類。

“設(shè)計與開發(fā)”方面論文431篇,占實踐類論文的86%。內(nèi)容包括虛擬實驗過程設(shè)計與開發(fā)、實驗系統(tǒng)(管理網(wǎng)站)的設(shè)計與開發(fā)、虛擬儀器間通信的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計與實現(xiàn)、實驗儀器的建模等方面。開發(fā)工具有Authorware、flash、VB、C++ builder、Matlab、LabVIEW、EWB、Java3D、VRML等,多達十余種。類型從二維虛擬實驗系統(tǒng)到三維虛擬實驗系統(tǒng);從純軟件開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)到基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程控制虛擬實驗系統(tǒng),涉及物理、計算機、交通、機械設(shè)計、電子工程、檢測等多個學(xué)科。從以上數(shù)據(jù)可以看出,設(shè)計與開發(fā)類的研究是近年來研究的重點和熱點。從一個側(cè)面說明了技術(shù)性和學(xué)科適用性對虛擬實驗的使用和推廣起著至關(guān)重要的作用。

“教學(xué)應(yīng)用”方面論文61篇,僅占實踐類論文的12.2%。研究內(nèi)容包括虛擬實驗在具體學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用實例、實驗實施方法和效果、實驗現(xiàn)狀調(diào)查等方面。但是對具體學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用實例介紹比較多,對實驗實施方法和效果、實驗教學(xué)與應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查很少。由此可見,目前人們對虛擬實驗的教學(xué)應(yīng)用研究的熱情不高,對實驗的教學(xué)設(shè)計及其應(yīng)用效果研究認(rèn)識還不夠。

“虛擬實驗方法”方面論文9篇,這部分研究關(guān)注相對較少,主要集中在使用虛擬實驗的方法模擬具體學(xué)科知識,側(cè)重于學(xué)科知識的發(fā)現(xiàn)與研究。

表4實踐研究類論文分類統(tǒng)計

圖3 實踐類論文數(shù)量的逐年發(fā)展的情況

3 按關(guān)注學(xué)科分析

中圖分類號是指采用《中國圖書館分類法》對科技文獻進行主題分析,并依照文獻內(nèi)容的學(xué)科屬性和特征,分門別類地組織文獻所獲取的分類代號。因此,本文參考中圖分類號來分析文獻所屬學(xué)科。需要說明的是,虛擬實驗的研究是一個交叉學(xué)科,既可能運用到相關(guān)專業(yè)知識,又需要相應(yīng)的計算機技能。我們在參考中圖分類號進行統(tǒng)計的過程中,發(fā)現(xiàn)有一些文獻分屬多個學(xué)科。為了側(cè)重于研究“虛擬實驗”的關(guān)注學(xué)科,本文在統(tǒng)計時將這些文獻分別列屬于相應(yīng)學(xué)科。

本文對相關(guān)領(lǐng)域進行歸類,共列出17個大類,分別涵蓋教育、自然科學(xué)、工業(yè)技術(shù)、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域(見圖4),其中“其他領(lǐng)域”包括哲學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、貿(mào)易經(jīng)濟、體育、天文學(xué)與地球科學(xué)、管理學(xué)以及食品工業(yè),各有1篇文獻。由圖4可見,目前很多領(lǐng)域?qū)μ摂M實驗進行了關(guān)注,其中以“自動化技術(shù)、計算機技術(shù)”領(lǐng)域?qū)μ摂M實驗最為關(guān)注,10年來研究論文總量為313篇,側(cè)重于使用各種技術(shù)進行實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)、實驗?zāi)Ｐ团c儀器的建模等方面。其次是教育技術(shù)領(lǐng)域,文獻總量為131篇,主要側(cè)重于計算機化教學(xué)以及教學(xué)應(yīng)用等方面。其他對虛擬實驗關(guān)注較多的是“無線電電子學(xué)、電信技術(shù)與電工技術(shù)”、“高等教育”、“機械、儀表工業(yè)”領(lǐng)域。由此可見,在關(guān)注學(xué)科中,“計算機技術(shù)”和“教育技術(shù)”領(lǐng)域最為突出,說明虛擬實驗的發(fā)展跟計算機技術(shù)有著極其重要的關(guān)系;其次,教育技術(shù)、高等教育、課程與教學(xué)論領(lǐng)域的關(guān)注說明了虛擬實驗在教育教學(xué)中的作用已經(jīng)引起人們的關(guān)注,虛擬實驗的教學(xué)應(yīng)用將成為人們下一階段研究的主要內(nèi)容。

圖4 各領(lǐng)域中關(guān)于“虛擬實驗”研究論文數(shù)量情況

三 對目前虛擬實驗研究的思考

1 理論研究深度還不夠

通過對虛擬實驗現(xiàn)狀的文獻分析,我們發(fā)現(xiàn),理論研究與實踐研究數(shù)量差距較大,說明目前人們在該領(lǐng)域的研究重實踐、輕理論,這與很多領(lǐng)域重理論、輕實踐的現(xiàn)狀不太相同。

理論類論文很多還停留在對于虛擬實驗教學(xué)功能、構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)的必要性、系統(tǒng)介紹等層次。目前人們對虛擬實驗在教學(xué)中的功能、作用以及構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)的必要性等已經(jīng)有了明確的認(rèn)識,因此,應(yīng)加強對指導(dǎo)虛擬實驗教學(xué)的理論研究。對虛擬實驗與真實實驗結(jié)合的過程中,教師與學(xué)生的角色變化以及新型的教與學(xué)方式的轉(zhuǎn)變應(yīng)給予關(guān)注。

2 虛擬實驗系統(tǒng)通用模型的設(shè)計與開發(fā)不多

實踐領(lǐng)域“設(shè)計與開發(fā)”方向的研究最多,說明目前人們對開發(fā)出適合學(xué)科特點的虛擬實驗系統(tǒng)的迫切性。但是研究集中在基于某一門課程虛擬實驗的實現(xiàn),開發(fā)的技術(shù)種類繁多?；谝环N技術(shù)開發(fā)的某一學(xué)科虛擬實驗已有成熟的系統(tǒng)產(chǎn)生,但是有些研究者換一個設(shè)計案例仍然進行研究,這無形中造成了資源的浪費。因此,如何開發(fā)出某一學(xué)科的虛擬實驗通用模型,實現(xiàn)基于此平臺的二次開發(fā),以避免不必要的重復(fù)勞動,提高開發(fā)效率,對現(xiàn)階段虛擬實驗教學(xué)的深入開展顯得尤為重要。

3 加強虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用研究

通過以上文獻分析可以看出一個明顯的現(xiàn)象,就是廣大研究者對開發(fā)出的虛擬實驗系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用情況不太關(guān)注。對虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的過程設(shè)計與效果分析、虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)評價等方面的研究不多,尤其是關(guān)于學(xué)生對虛擬實驗系統(tǒng)學(xué)習(xí)體驗的調(diào)查和從學(xué)生視角對使用虛擬實驗系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)的評價很少。實際上,這方面的研究,對于檢查所開發(fā)平臺的有效性、實用性有很重要的意義。

4 加強學(xué)科之間的交流與合作

通過關(guān)注學(xué)科的分析,說明虛擬實驗已經(jīng)引起很多領(lǐng)域研究者的關(guān)注。但是研究群體仍以相應(yīng)學(xué)科的人員為主,學(xué)科之間的交流與合作還需加強。多學(xué)科的交流與合作可以結(jié)合多方面的研究力量,從多視角深入地進行研究,拓展其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

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