摘?要:以CNKI數(shù)據(jù)庫中19932021年的文獻(xiàn)為樣本,運用文獻(xiàn)計量學(xué)方法,分析虛擬仿真技術(shù)在機械類專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究文獻(xiàn),揭示文獻(xiàn)的產(chǎn)出量和發(fā)文變化趨勢,探究研究內(nèi)容和研究熱點演變軌跡。結(jié)果表明,2011年后由于國家政策的引導(dǎo),機械專業(yè)虛擬仿真實驗教育的研究進(jìn)入快速發(fā)展期;研究內(nèi)容聚焦于實驗教學(xué)改革、教學(xué)體系建設(shè)、虛擬仿真實驗應(yīng)用課程、虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)、實驗室建設(shè)。通過定量數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)果,有助于把握我國高校機械類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和趨勢,為高校開展虛擬仿真實驗教學(xué)提供思路和借鑒。
關(guān)鍵詞:虛擬仿真;實驗教學(xué);機械專業(yè);文獻(xiàn)計量學(xué)分析
中圖分類號:G642.0
Review?on?theApplication?of?Virtual?Simulation?Technology
in?the?Experimental?Teaching?of?Mechanical?Engineering?Majors
Yuan?Sheng
School?of?Logistics?Engineering?Wuhan?University?of?Technology?HubeiWuhan?430063
Abstract:Based?on?the?publications?in?the?CNKI?data?base?between?1993?and?2021,this?paper?applies?bibliometric?analysis?on?evaluating?the?research?literature?of?the?application?of?virtual?simulation?technology?in?the?experimental?teaching?of?mechanical?engineering?majors.The?paper?aims?to?reveal?the?trends?in?the?publication?statistics?of?the?research?literature,and?investigate?the?evolutional?trajectory?of?the?research?topics?and?hotspots.The?results?show?that?the?research?on?virtual?simulation?based?experimental?education?in?mechanical?engineering?developed?rapidly?after?2011?because?of?national?policy?stimulus,and?the?research?focuses?include?experimental?education?reform,education?system?design,virtual?simulation?based?laboratory?courses,virtual?simulation?based?laboratory?teaching?techniques,and?laboratory?construction.The?results?obtained?by?quantitative?data?analysis?in?this?paper?will?help?illustrate?the?current?state?and?future?trends?of?the?virtual?simulation?based?experimental?teaching?of?mechanical?engineering?majors?in?China,and?provide?insight?and?reference?for?universities?to?conduct?virtual?simulation?based?experiment?teaching.
Keywords:Virtual?simulation;Experimental?teaching;Major?in?mechanics;Bibliometric?analysis
實驗教學(xué)是機械類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的不可或缺的環(huán)節(jié),對于提升學(xué)生解決問題的能力有著重要的作用。隨著社會對大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力要求的逐步提高,國家對實驗教學(xué)提出了新的要求,教育部辦公廳發(fā)布了關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知[1],要求高校深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合,不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用,著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平,高校因此紛紛開展實驗教學(xué)改革,將虛擬仿真技術(shù)融于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。在這一背景下,全面梳理和分析虛擬仿真技術(shù)在機械類專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用和研究情況,能夠把握我國高校實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和趨勢,為高校開展實驗教學(xué)提供思路和借鑒。
一、研究方法
文獻(xiàn)計量學(xué)是借助文獻(xiàn)的各種特征、采用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法描述、評價某領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向的一種方法,被廣泛應(yīng)用于各種研究中[2]。本文以中國知網(wǎng)收錄的期刊論文、會議論文、學(xué)位論文為研究對象,采用文獻(xiàn)計量學(xué)方法,從發(fā)表時間、關(guān)鍵詞等角度對機械類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱點、研究主題進(jìn)行較為深入細(xì)致的分析,并深入梳理近年來研究主題或研究熱點隨時間的變化情況及相互關(guān)系。
二、數(shù)據(jù)來源
中國知網(wǎng)總庫平臺包括90%以上的中國知識資源如:期刊、學(xué)位論文、會議論文等資源類型,是國內(nèi)最大的中文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫。本文選取該平臺收錄的期刊、學(xué)位論文、會議論文,基本上能覆蓋本領(lǐng)域的中文研究成果,能確保研究樣本的全面性和完整性。選擇的主題詞:虛擬仿真、實驗教學(xué)、機械專業(yè),檢索表達(dá)式:虛擬仿真AND實驗教學(xué)AND機械專業(yè),文獻(xiàn)類型設(shè)定為期刊、學(xué)位論文、會議論文,檢索時間范圍不限,通過主題途徑檢索,得到檢索結(jié)果661條。為確保檢索結(jié)果的密切相關(guān),對檢索結(jié)果進(jìn)行了初篩,剔除了高校虛擬仿真實驗教學(xué)中心簡介和部分新聞報道等,最終得到期刊論文514篇,學(xué)位論文62篇,會議論文12篇,總計588篇文獻(xiàn)作為本文的最終研究樣本。
三、發(fā)文趨勢分析
在數(shù)據(jù)庫中檢索得知虛擬仿真技術(shù)用于實驗教學(xué)的時間可以回溯到1993年左右,而從圖1本文研究樣本的發(fā)表時間分布情況看出,文章發(fā)表最早年份是2001年,表明虛擬仿真技術(shù)用于實驗教學(xué)很早就有,而機械類課程中虛擬仿真實驗教學(xué)最早出現(xiàn)的時間是2001年,發(fā)文數(shù)量總體上是呈增長趨勢,2010年以前增長緩慢,2011年開始進(jìn)入快速增長期,2011—2020年發(fā)文總數(shù)449篇,占全部文獻(xiàn)數(shù)的76.36%,2019年達(dá)到峰值,當(dāng)年發(fā)文89篇。2011年以后文獻(xiàn)的快速增長主要歸因于國家政策的引導(dǎo)。教育部在2012年印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》中提出:重點推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育的深度融合,促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化。2017年印發(fā)的《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》,明確提出于2017—2020年在普通本科高等學(xué)校開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作,并統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認(rèn)定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目,其中機械類認(rèn)定30個項目。這兩個文件頒布后,高校紛紛開展虛擬仿真實驗教學(xué)的探索和實踐,研究者也與時俱進(jìn)更多地關(guān)注虛擬仿真實驗教學(xué)的研究。當(dāng)前是國家級示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)時期,今后一段時間內(nèi)定會有更多的相關(guān)研究成果出現(xiàn)。
四、研究內(nèi)容分析
(一)研究熱點
為了更加直觀清晰地展示研究熱點和研究者關(guān)注的重點,本文使用科睿維安公司的文本挖掘工具DDA軟件繪制詞云圖,將研究主題可視化。588篇文章涉及的關(guān)鍵詞有1067個,首先對關(guān)鍵詞進(jìn)行清洗和整理,比如同義詞合并、刪除個別沒有實際意義的關(guān)鍵詞,得到經(jīng)過規(guī)范處理的關(guān)鍵詞855個。為了提高圖的清晰性和可讀性,本文選取出現(xiàn)3次以上的關(guān)鍵詞繪制詞云圖。
詞云圖中,不同的關(guān)鍵詞用顏色區(qū)分,關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率越多,該關(guān)鍵詞的字體越大。圖2顯示,出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞有實驗教學(xué)、教學(xué)改革、虛擬仿真、虛擬實驗、虛擬現(xiàn)實、實驗平臺、Unity3D,這些出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞代表虛擬實驗教學(xué)領(lǐng)域的研究視角和研究熱點,表明實驗教學(xué)改革和虛擬仿真技術(shù)的運用是本領(lǐng)域的熱門話題。
(二)研究主題
通過對提取的關(guān)鍵詞和主題進(jìn)行進(jìn)一步分析,并輔以閱讀相關(guān)文獻(xiàn),可知本領(lǐng)域的研究主要聚焦于以下幾個方面:
1.實驗教學(xué)改革
這類文獻(xiàn)側(cè)重于闡述機械類專業(yè)實驗教學(xué)改革的背景和必要性。機械專業(yè)需要培養(yǎng)學(xué)生的實際工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,在培養(yǎng)過程中實驗教學(xué)占有重要地位。傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在一系列弊端,實驗教學(xué)內(nèi)容單一,缺少多學(xué)科交叉融合實驗,不能較好的激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。國家新工科建設(shè)、中國智造、卓越工程師培養(yǎng)計劃等一系列政策的出臺對實驗教學(xué)提出了新的要求,機械類專業(yè)實驗教學(xué)改革勢在必行,因此研究者順應(yīng)改革趨勢,與時俱進(jìn),緊跟政策導(dǎo)向,積極研究探討改革和實踐中的問題。另一方面,新技術(shù)的不斷出現(xiàn)為現(xiàn)代信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合創(chuàng)造了條件,教育手段和教學(xué)模式也在不斷的改革和進(jìn)步。越來越多的高校開始實驗教學(xué)改革的實踐,探索實驗教學(xué)改革的思路和方向,依托各種課程實施虛擬仿真實驗教學(xué)項目。
2.教學(xué)體系建設(shè)
在這個主題中,主要探討虛擬仿真實驗教學(xué)改革的原則、教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。研究樣本中有9篇文章闡述實驗教學(xué)“虛實結(jié)合”的教學(xué)理念,如蒙艷玫認(rèn)為虛擬實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置與開發(fā)遵循“系統(tǒng)性、層次性、工程性、交互性”和“以實為本、虛實結(jié)合、能實不虛”的原則[3]。李翠超等結(jié)合目前工程訓(xùn)練實踐教學(xué)現(xiàn)狀及特點,提出一種虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補的實踐教學(xué)模式,并從教學(xué)原則、課程體系、教學(xué)設(shè)計、保障條件等方面探討了如何有效開展虛實結(jié)合的實踐教學(xué)[4]。劉清濤論述基于開放共享理念開展線上線下混合教學(xué)模式的實踐[5]。譚雅莉、王葉群提出了“線上+線下”融合式的實驗課教學(xué)模式[67]。虛實結(jié)合、開放共享、線上線下融合作為代表性的教學(xué)模式,將先進(jìn)的信息技術(shù)融入實驗教學(xué)環(huán)節(jié),是傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的有效補充,有利于豐富實驗教學(xué)內(nèi)容,改進(jìn)教學(xué)效果,提高學(xué)生解決問題的能力。
3.虛擬仿真實驗應(yīng)用課程
機械工程領(lǐng)域已經(jīng)開始虛擬仿真實驗教學(xué)的課程大致四類,一是機械制造類課程,比如《機械制造技術(shù)》《數(shù)控加工》《智能制造》《先進(jìn)制造技術(shù)》《數(shù)控技術(shù)》;二是機械設(shè)計類課程,包括《機械原理》《機械設(shè)計》《機械設(shè)計基礎(chǔ)》《機械制圖》《工程機械設(shè)計》《虛擬樣機技術(shù)》;三是機械控制與測試,涵蓋了《機械工程控制基礎(chǔ)》《數(shù)控技術(shù)》《自動控制原理》《控制工程》《機械工程測試技術(shù)》;四是液壓傳動類課程,例如《液壓傳動》《流體傳動與控制》等課程。虛擬仿真實驗技術(shù)在這些課程的實驗環(huán)節(jié)將傳統(tǒng)的硬件實驗軟件化,有效地解決了學(xué)生多、空間小、設(shè)備不足、存在安全隱患等問題[4],隨著虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的完善,相信在不久的將來,虛擬仿真技術(shù)會運用于更多的課程中。
4.虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)
虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用的技術(shù)較多,關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率高低展現(xiàn)了目前廣泛運用的有LabVIEW、Matlab、Unity3D、Virtools、ADAMS等開發(fā)軟件;從關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間可知,虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用最多的技術(shù)是以圖形化編程語言替代傳統(tǒng)文本編程的LabVIEW軟件,自2001年到2020年一直得到廣泛應(yīng)用;其次是Matlab;Unity3D軟件在機械實驗教學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)時間相對較晚,但自2012年第一次出現(xiàn)到目前為止,因其完善靈活編輯的優(yōu)點而熱度遞增,已成為當(dāng)前實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)的主流技術(shù)手段之一[2]。
5.實驗室建設(shè)
研究樣本中虛擬仿真實驗室建設(shè)也是關(guān)注的重點,研究者圍繞實驗室或者實驗中心建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)、實驗教學(xué)平臺開發(fā)展開研究。福州大學(xué)的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè),包括虛擬仿真實驗教學(xué)資源體系建設(shè)、虛擬仿真實驗教學(xué)人才隊伍建設(shè)以及虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)等[8]。李小松對地方高校機電類虛擬實驗教學(xué)中心的建設(shè)成果進(jìn)行了梳理和總結(jié)[9],劉磊介紹“新工科”虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)成果,已開發(fā)工程機械類虛擬仿真實驗教學(xué)資源共計7套[10];長安大學(xué)、中國石油大學(xué)基于開放共享的理念構(gòu)建了開放式虛擬仿真實驗教學(xué)平臺[5,11]。虛擬教學(xué)平臺具有功能集約、資源共享、開放充分的特點,突破了實驗場地和實驗課程安排的限制,能達(dá)到提高教學(xué)能力、豐富教學(xué)內(nèi)容的目的,虛擬仿真實驗室建設(shè)的成果和經(jīng)驗為其他高校提供了借鑒和參考價值。
五、結(jié)語
對CNKI數(shù)據(jù)庫中收錄的1993—2021年虛擬仿真技術(shù)在機械類專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用方面的研究文獻(xiàn),運用文獻(xiàn)計量學(xué)方法進(jìn)行了定量分析,分析結(jié)果表明:2010年以前研究進(jìn)展緩慢,2011年后由于國家政策的引導(dǎo),研究者開始更多地關(guān)注虛擬仿真實驗教學(xué)的研究,研究進(jìn)入快速發(fā)展期;實驗教學(xué)改革和虛擬實驗技術(shù)的應(yīng)用是研究熱點;研究內(nèi)容側(cè)重于實驗教學(xué)改革、教學(xué)體系建設(shè)、虛擬仿真實驗應(yīng)用課程、虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)、實驗室建設(shè)。當(dāng)前是國家級示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)時期,隨著示范項目建設(shè)的完善,今后一段時間內(nèi)定會有更多的相關(guān)研究成果出現(xiàn),研究的深度和廣度也會得到拓展。
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基金項目:國家重點研發(fā)計劃(編號:2018YFC1407405)“綠色船舶和綠色港口海洋環(huán)境安全保障服務(wù)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究”
作者簡介:袁晟(1993—?),男,湖北漢川人,碩士,武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院實驗中心助理實驗師,研究方向:液壓實驗教學(xué)、流體力學(xué)。