胡超鳳

（江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，南京 211168）

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實的爆炸式發(fā)展，信息技術(shù)和生產(chǎn)生活交匯融合，其與實驗實訓教學的深度融合破解了學校實驗、實訓中的“老大難”問題。第十一屆“中國大學教學論壇”提出，虛擬仿真實驗實訓教學是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”之后的“智能+教育”，可能會開啟教育的未來，成為新的教育形態(tài)[1]，其是一種新的教育生產(chǎn)力，發(fā)揮了虛擬現(xiàn)實、人工智能、交互技術(shù)等新一代信息技術(shù)的優(yōu)勢，以此解決了學校實驗、實訓中現(xiàn)實條件不具備或?qū)嶋H運行困難的問題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”等問題。虛擬仿真實驗實訓教學實施了個性化、多樣性的探究學習過程，拓展了智慧教學新路徑，提升了學生綜合運用知識能力，發(fā)展了學生創(chuàng)新思維等綜合能力，可謂是教育領(lǐng)域的“思維發(fā)電機”。熊宏齊[2][3]提出，虛擬仿真實驗教學項目具有實驗內(nèi)容精彩、實驗構(gòu)思巧妙、實驗技術(shù)先進、實驗做法靈活、實驗評價客觀、形象展現(xiàn)抽象、拓展實驗教學的廣度和深度、加速推進實驗教學與理論教學平衡發(fā)展等8個新時代的教學特征，且提出其注重“提升‘高階性’”“突出‘創(chuàng)新性’”“增加‘挑戰(zhàn)度’”。截至2022 年8月，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺提供了3291 門虛擬仿真實驗課程資源，9966 期次智能實驗室，有3291 個實驗中心，1200 多萬人次的應用評價[4]。

然而，我國虛擬仿真實驗實訓教學方面的建設(shè)、管理及開放共享等還處在起步與摸索的階段，面臨著資源建設(shè)缺乏統(tǒng)一標準與規(guī)范、相關(guān)的優(yōu)質(zhì)資源難以滿足現(xiàn)有需求、在教學應用中不夠全面深入、與其他教學手段結(jié)合不夠緊密、教師缺少相關(guān)的教學知識經(jīng)驗、相關(guān)資源的共享機制和渠道不夠健全與成熟，及缺乏相關(guān)評估體系和教學效果的績效評價體系等一系列問題[5]。為更好地推動我國虛擬仿真實驗實訓教學的發(fā)展，本文采用知識圖譜研究方法對相關(guān)文獻的關(guān)鍵詞等指標進行整理分析，為我國虛擬仿真實驗實訓教學的相關(guān)研究作出參考。

一、研究數(shù)據(jù)及方法

本文借助CiteSpace 軟件對相關(guān)研究文獻進行關(guān)鍵詞等指標整理、挖掘、圖形呈現(xiàn)，揭示其研究的熱點、演變過程及趨勢。本文選取中國知網(wǎng)CNKI 中的SCI 來源期刊、EI 來源期刊、北大核心、CSSCI、CSCD 數(shù)據(jù)庫作為目標數(shù)據(jù)庫，以“虛擬仿真*（實訓教學+實驗教學）”進行主題搜索，截至2022年8月8日，共搜索目標文獻1159篇，剔除無關(guān)無效文獻，共整理獲得有效目標文獻1105 篇。本文采用CiteSpace 軟件，時間跨度為2002—2022 年，時間切片為1 年，數(shù)據(jù)閾值為TopN%=50%，使用尋徑（Pathfinder）功能，針對有效目標文獻1105篇進行整理分析。

二、研究結(jié)果分析

（一）年發(fā)文量、作者、機構(gòu)分析

文章刊載量的增減可在一定程度上反映學者對該研究領(lǐng)域的關(guān)注度及重視度[6]。導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace 軟件，得到虛擬仿真實驗實訓教學年發(fā)文量圖譜（見圖1），趨勢線R2=0.915，說明趨勢具有較強的準確性。分析可得，2002—2010 年為虛擬仿真實驗實訓教學相關(guān)研究的起步期，年發(fā)文量均在2篇以下；2011—2022年期間，發(fā)文量一直處于快速增長的態(tài)勢，僅有2018 年稍有回落，但也有114篇。隨著信息技術(shù)的快速迭代，實驗內(nèi)容的快速更新，預測未來將會爆發(fā)更多的研究熱點。

圖1 虛擬仿真實驗實訓教學年發(fā)文量

對文獻發(fā)文機構(gòu)進行合作網(wǎng)絡(luò)圖譜分析，可了解機構(gòu)間的合作、互引關(guān)系[7]197。導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace 軟件，得到虛擬仿真實驗實訓教學機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜（見圖2），節(jié)點有305 個，連線為104 個，Density 值為0.00721?？梢姡覈摂M仿真實驗實訓教學的研究機構(gòu)比較分散，僅有機構(gòu)內(nèi)部會有微弱的聯(lián)系與合作。主要研究機構(gòu)有30 多個，學科背景多為理工科，文獻產(chǎn)量高于20 篇的一級機構(gòu)有5 個，分別是哈爾濱工程大學（25 篇）、中國石油大學（華東，24 篇）、吉林大學（23 篇）、同濟大學（23 篇）、華中師范大學（21 篇）。哈爾濱工程大學的研究主要集中在虛擬仿真技術(shù)在工科學科的應用，如船舶、電子等專業(yè)的實驗實訓教學資源建設(shè)及應用等方面，中國石油大學（華東）的研究主要集中在石油開發(fā)類虛擬仿真實驗實訓具體案例的教學總結(jié)與實證研究等方面，吉林大學關(guān)于虛擬仿真實驗實訓教學的研究形式多樣，內(nèi)容多元化、豐富化，同濟大學、華中師范大學主要也集中在具體案例的教學總結(jié)與實證研究等方面。除此之外，華中科技大學、東南大學、西南大學、中國礦業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學、山東大學等也有一定的研究成果，發(fā)文量均為15 篇以上，其研究與發(fā)展值得持續(xù)關(guān)注。

圖2 虛擬仿真實驗實訓教學機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

對CiteSpace作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜分析，可了解研究領(lǐng)域的學者分布及其之間的合作、互引關(guān)系[7]196。導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace 軟件，得到虛擬仿真實驗實訓教學作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜（見圖3），節(jié)點425個，連接線388個，密度值為0.0043，當前作者合作形成了一定的范圍，主要有以李兵、張彪、劉亞豐為首的團隊，相關(guān)主題發(fā)文量達5篇以上的學者有李兵（10 篇）、魏萬紅（8 篇）、杜坤（8 篇）、張彪（7 篇）、劉亞豐（7 篇）、程知群（6 篇）、馬學條（6 篇）、馬軍（5 篇）、龔成斌（5 篇）、熊宏齊（5篇）等。華中師范大學李兵教授主要研究高校生物學實驗教學及信息化資源在大型儀器共享平臺管理中的應用，揚州大學杜坤教授主要研究高校生物學實驗教學平臺在資源配置、優(yōu)化教學、規(guī)范管理、科研創(chuàng)新與開放合作等方面的應用，揚州大學魏萬紅教授主要研究高校生物學實驗教學及實訓室管理等，東南大學熊宏齊教授研究基于虛擬仿真的線上線下融合構(gòu)建專業(yè)實驗教學體系，揚州大學張彪教授主要是對生物類虛擬仿真實驗教學及實驗實訓中心可持續(xù)發(fā)展模式進行研究，華中科技大學劉亞豐博士主要研究教育信息化背景下虛擬仿真教學資源建設(shè)等方面。當前，虛擬仿真實驗實訓教學的研究主要聚焦在各高校的資源建設(shè)與管理及實驗實訓教學具體應用等方面。

圖3 虛擬仿真實驗實訓教學作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

（二）文獻被引量分析

文獻被引量可在一定程度上反映文獻引起同行反響的程度及文章質(zhì)量的高低，被引頻次多的文獻主題往往也是研究的重點與熱點[6]。本文列舉了被引量前十的相關(guān)文獻，這些文獻的主題主要集中在虛擬仿真技術(shù)在教育教學領(lǐng)域中的應用，包括資源建設(shè)、管理及人才培養(yǎng)模式等方面。具體而言，被引用量第一的是教育部高等教育司司長吳巖在發(fā)表建設(shè)“金課”觀點時，強調(diào)虛擬仿真實驗實訓教學的重要性及未來的發(fā)展，強調(diào)了其是未來的“智能+教育”[1]。而被引用量第二、三、六、九的則都是討論如何建設(shè)虛擬仿真實驗實訓教學中心，可見，虛擬仿真實訓室的重要性[8][9][10][11]。被引用量第四的是王衛(wèi)國、胡今鴻等[12]對現(xiàn)今國內(nèi)外虛擬仿真實驗實訓教學的現(xiàn)狀與發(fā)展做出的思考，介紹相關(guān)的應用信息技術(shù)、主要類別與基本形式，并提出建設(shè)具有完備數(shù)字化學習條件和虛擬實驗環(huán)境的未來教學實驗室，促使學生從以往的課程內(nèi)容單一消費者向創(chuàng)造者和設(shè)計者轉(zhuǎn)變，加快新興信息技術(shù)在教育教學領(lǐng)域中的應用。被引用量第五的是針對相關(guān)資源的開放共享機制的探索與研究，提出了頂層、政策、應用三層平臺組織架構(gòu)的管理體制和以保障、評價、激勵、交流協(xié)作機制為主體的運行機制[13]。被引用量第七、十的是虛擬仿真技術(shù)的具體應用，以及如何充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢[14][15]。被引用量第八的則是從建設(shè)虛擬仿真實驗平臺的角度探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[16]。

（三）關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是文章核心思想的高度概括與提煉，它出現(xiàn)的頻次及關(guān)聯(lián)程度在一定程度上反映該領(lǐng)域研究的重點及熱點[7]220。在CiteSpace 中通過關(guān)鍵詞詞頻、中心性及內(nèi)在關(guān)聯(lián)程度分析，可在一定程度上判斷出該領(lǐng)域研究的主題及熱點，并通過關(guān)鍵詞詞匯突現(xiàn)性和時序變化，分析其研究的熱點及其演變的過程[7]227。最后結(jié)合研究的現(xiàn)狀，根據(jù)熱點歷時性走向，預測其未來研究趨勢。

1.關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中，詞頻的高低在一定程度上反映出該領(lǐng)域內(nèi)研究的重點與熱點。導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace 軟件，得到虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜（見圖4），有546個節(jié)點，701條連接線，網(wǎng)絡(luò)密度值為0.0047，網(wǎng)絡(luò)密度數(shù)值偏低，說明各節(jié)點間分散且聯(lián)系較少。關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次在10 次以上的，除了與主題強相關(guān)的“虛擬仿真、實驗教學、實踐教學、虛實結(jié)合、虛擬現(xiàn)實、虛擬實驗、實驗平臺、信息化、仿真實驗”外，還有“人才培養(yǎng)、新工科、教學改革、教學體系、教學模式、互聯(lián)網(wǎng)+”，這反映了虛擬仿真技術(shù)除了廣泛應用于實驗實訓教學中，對促進教學模式的改變及應用于新工科人才培養(yǎng)等方面也有強有力的影響。

圖4 虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

在CiteSpace 軟件中，高頻關(guān)鍵詞并不一定都具有高的中心度，僅憑高頻關(guān)鍵詞并不能很精準地確定研究重點與熱點，應結(jié)合中心度高的關(guān)鍵詞進行分析。一般中心度數(shù)值大于0.1為高，可相對精確定位出該領(lǐng)域的研究重點與熱點。通過高頻關(guān)鍵詞和高中心性關(guān)鍵詞分析可知，除去“虛擬仿真、實驗教學、實訓教學”等主題關(guān)鍵詞外，高頻次關(guān)鍵詞有“教學改革、虛擬仿真技術(shù)實驗室建設(shè)、人才培養(yǎng)”等，與關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜相吻合。結(jié)合關(guān)鍵詞的中心度來看，“教學改革、信息化、云平臺、互聯(lián)網(wǎng)+”是網(wǎng)絡(luò)的支撐點，其“教育信息化、信息技術(shù)”的中心度均大于0.15，對網(wǎng)絡(luò)起到有效的支撐作用，“增強現(xiàn)實、單片機、人才培養(yǎng)、實驗平臺、國家級實驗教學示范中心、交互式”對整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。因此，“教學改革、仿真技術(shù)、人才培養(yǎng)”是主要的研究熱點，其次是“云平臺、互聯(lián)網(wǎng)+、實驗平臺”等。

2.關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞聚類是研究領(lǐng)域內(nèi)具有相似研究主題的關(guān)鍵詞形成的互相聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)集群，集群的內(nèi)涵由其文章中的高頻關(guān)鍵詞來標識[7]90。使用Pathfinder 算法，對關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)通過對數(shù)似然率算法（Log-Likelihood Rate，LLR）進行聚類，并以該類中LLR 算子取值最高的特征詞的名稱作為聚類名稱[7]90。導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace 軟件，生成得到聚類結(jié)果，如圖5虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜所示，該網(wǎng)絡(luò)包含17 個聚類，節(jié)點數(shù)為546 個，節(jié)點間701 條連線。該網(wǎng)絡(luò)的模塊性評價值Q值為0.8749，表明虛擬仿真實驗實訓教學研究領(lǐng)域有明確定義的關(guān)鍵詞聚類。衡量網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性的Mean Silhouette 值為0.9652，表示聚類結(jié)果是合理的。本研究將這17 個聚類進一步總結(jié)歸納為四大類。一是虛擬仿真的相關(guān)技術(shù)，如“#0 虛擬仿真、#2 虛擬仿真實驗、#5 虛擬實驗、#7 虛實結(jié)合、#9 虛擬仿真技術(shù)、#11 仿真、#12 虛擬現(xiàn)實、#15 虛擬系統(tǒng)”。二是利用虛擬仿真技術(shù)做相關(guān)教學，如“#1 實驗教學、#3 實訓教學、#4 仿真實驗教學、#10 線上教學”。三是利用虛擬仿真技術(shù)做資源建設(shè)與實驗室建設(shè)，如“#6 實驗教學平臺、#8云平臺、#14實驗室建設(shè)”。四是利用虛擬仿真技術(shù)做相關(guān)的人才培養(yǎng)，如“#13 人才培養(yǎng)、#16護理教育”。這些聚類與上文中關(guān)鍵詞共現(xiàn)、高頻關(guān)鍵詞、高中心性關(guān)鍵詞的分析結(jié)果相吻合，都是集中在虛擬仿真的教學應用及其資源、中心建設(shè)與相關(guān)人才培養(yǎng)等方面。

圖5 虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜

3.關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞的突現(xiàn)詞是指在較短時間內(nèi)出現(xiàn)頻次較高的詞，突現(xiàn)詞的詞頻變化可在一定程度上反映該研究領(lǐng)域的前沿與趨勢[7]132。導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace 軟件，得到虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞突現(xiàn)年表（見圖6），共得到22 個突現(xiàn)詞，本文列出了排在前11位的突現(xiàn)關(guān)鍵詞?！胺抡鎸嶒?、實驗平臺、資源共享、云平臺、教學資源”主要在2015—2018 年間突現(xiàn)，這在一定程度上說明，虛擬仿真實驗實訓教學與國家教育政策及信息技術(shù)的快速發(fā)展關(guān)聯(lián)度較高；“虛擬實驗、土木工程、開放教育”主要在2017一2019年間突現(xiàn)，表明虛擬仿真實驗實訓教學開始真正走入具體的課堂設(shè)計、課堂應用中；“實驗設(shè)計”主要在2020一2022年間突現(xiàn)，表明虛擬仿真實驗實訓教學開始主導創(chuàng)新教學的改革及應用。

圖6 虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞突現(xiàn)年表

4.關(guān)鍵詞時序分析

關(guān)鍵詞時序圖譜可在一定程度上反映出該領(lǐng)域研究內(nèi)容的更新速度和學科的活力[7]132。本研究在關(guān)鍵詞突現(xiàn)年表的基礎(chǔ)之上，導入數(shù)據(jù)運行CiteSpace軟件，分析生成關(guān)鍵詞時序圖譜，如圖7虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞時序圖譜所示，得到評價網(wǎng)絡(luò)的模塊性Modularity Q 值為0.5433，衡量網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性Mean Silhouette 值為0.8526，說明圖譜網(wǎng)絡(luò)聚類較好，聚類結(jié)果合理。根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時序，虛擬仿真實驗實訓教學的研究發(fā)展大致分為3 個階段：第1 階段為醞釀期（2002 年—2011 年），無任何關(guān)鍵詞；第2 階段為快速發(fā)展期（2012 年—2020 年），關(guān)鍵詞從2012 年開始逐漸快速增加，主要是“虛擬仿真實驗、實訓教學、教學改革、實驗教學中心、仿真實驗教學”，主要圍繞虛擬仿真技術(shù)在教學方面的應用，這與信息技術(shù)開始發(fā)展及國家開始重視虛擬仿真技術(shù)在教學上的應用有一定關(guān)系；第3階段為成熟時期（2021年至今），開始出現(xiàn)“水處理生物學”等技術(shù)關(guān)鍵詞，表明虛擬仿真的技術(shù)有了更為成熟及先進前沿的發(fā)展。

圖7 虛擬仿真實驗實訓教學關(guān)鍵詞時序圖譜

三、結(jié)論及討論

人工智能、大數(shù)據(jù)、5G 等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，給教育帶來了新的動力，并提供了豐富的信息資源和工具平臺等支持。虛擬仿真技術(shù)在教育教學中的運用所帶來的是教育理念的革新，以及教學手段、方法、技術(shù)、內(nèi)容乃至時空的革命，將成為時代發(fā)展的必然趨勢。我國虛擬仿真實驗實訓教學經(jīng)過20 余年的建設(shè)與發(fā)展，學者們的關(guān)注度、發(fā)文量及研究層次與文章質(zhì)量都得到了較大提升；研究合作團隊及核心作者群也已初步形成，盡管作者合作暫時局限于機構(gòu)內(nèi)部，相信隨著教育與技術(shù)的發(fā)展，很快會在全國形成大規(guī)模的合作群；高被引文獻主要集中在虛擬仿真技術(shù)的教學應用及相關(guān)資源建設(shè)、管理、相關(guān)人才培養(yǎng)的探討等方面；研究的重點已從實驗實訓教學資源建設(shè)、管理、具體案例的應用等方面，逐步轉(zhuǎn)向人才培養(yǎng)、前沿虛擬仿真技術(shù)應用教學、示范中心建設(shè)及互聯(lián)網(wǎng)+等方面，這與信息技術(shù)的快速發(fā)展及未來教育發(fā)展的趨勢分不開。

當前，虛擬仿真實驗實訓教學研究還局限在相關(guān)實訓室的建設(shè)管理、實驗實訓教學的具體案例分析、前沿技術(shù)手段的應用與推廣等方面，未來，虛擬仿真實驗實訓的重點是突出相關(guān)技術(shù)先進性、深度融合性、國際引領(lǐng)性及相關(guān)研究的系統(tǒng)性、科學性及可推廣性等方面。故建議在未來的虛擬仿真實驗實訓教學研究中，可從跨專業(yè)融合、緊跟技術(shù)前沿、推動共享應用等3個方面進行思考與提升。

（一）跨專業(yè)融合

現(xiàn)代大學呈現(xiàn)了一些新的特征，學科分化與問題綜合的矛盾，對教育提出了更高的要求。自然科學與人文科學研究方法論日益趨同，更加依賴于實驗實訓的支撐。要想為飛速發(fā)展的社會培養(yǎng)適應的人才，就必須打破學科、專業(yè)、院系的壁壘，靈活地設(shè)置有挑戰(zhàn)性的項目，讓學生以完成項目為抓手，串起各院系的相關(guān)課程和知識點。虛擬仿真技術(shù)和設(shè)計可訓練學生思維方式，在實現(xiàn)跨學科項目方面具有重要優(yōu)勢，應用虛擬仿真技術(shù)可讓學生對學習有更高關(guān)注度，從而獲得更好的學習成效，是未來教育發(fā)展的重要組成部分。

（二）緊跟技術(shù)前沿

積極促進5G 技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)與教育教學深度融合，建立“互聯(lián)網(wǎng)+教學”“智能+教學”的教育新形態(tài)。虛擬仿真技術(shù)和相關(guān)裝備支持下的實驗實訓教學，虛擬仿真教學環(huán)境的構(gòu)建、沉浸式教學方式等，是未來教育和培訓的重要組成部分，發(fā)揮著重要作用。同時，遠程學習和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動著教育的發(fā)展，虛擬仿真具有巨大的潛力。虛擬現(xiàn)實增強、云計算、多媒體大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機交互傳感器、超級計算等技術(shù)，將在實驗實訓教學項目中得到應用，使信息技術(shù)與理論知識、實驗實訓應用等充分交匯融合，新的信息技術(shù)將有效拓展實驗實訓教學內(nèi)容的廣度和深度，激發(fā)學生的學習興趣。

（三）推動共享應用

制定虛擬仿真相關(guān)資源的建設(shè)指導框架，提升教師虛擬仿真相關(guān)教學指導能力，認證相關(guān)實驗實訓體系，實現(xiàn)產(chǎn)教融合。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)虛擬仿真相關(guān)資源整合共享，通過相關(guān)資源的使用權(quán)共享，使豐富的資源平臺能夠提供更便捷、更智能的服務(wù)，為學生及社會創(chuàng)造出更多的價值，促進社會的可持續(xù)發(fā)展。