國內(nèi)虛擬實(shí)驗研究的知識圖景及態(tài)勢展望

吳華君 陳其鐵 何聚厚

摘 要：實(shí)驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新能力的主要途徑，虛擬實(shí)驗基于多媒體、計算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)創(chuàng)設(shè)相關(guān)的軟硬件實(shí)驗操作環(huán)境，在實(shí)驗教學(xué)中大有可為。為更好掌握我國虛擬實(shí)驗研究的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢，筆者借助文獻(xiàn)計量學(xué)和知識圖譜研究方法，對在中國知網(wǎng)檢索的近二十年與虛擬實(shí)驗相關(guān)文獻(xiàn)開展定量統(tǒng)計與定性分析。結(jié)果顯示，我國虛擬實(shí)驗研究呈現(xiàn)“逐年化遞增、周期性回落”趨勢，理工類科研院校及團(tuán)隊成為虛擬實(shí)驗研究的主力軍?；谘芯筷P(guān)鍵詞的可視化分析、聚類分析與多維尺度分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗研究領(lǐng)域主要涉及虛擬實(shí)驗教育教學(xué)應(yīng)用研究和虛擬實(shí)驗設(shè)計、開發(fā)及相關(guān)技術(shù)研究兩大板塊，并由此衍生出虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究、虛擬實(shí)驗教學(xué)體系研究、虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)技術(shù)研究、虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)過程研究四個主要領(lǐng)域。文章預(yù)測未來虛擬實(shí)驗研究主要圍繞個性化虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)、虛擬實(shí)驗教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊構(gòu)建、混合環(huán)境下虛擬實(shí)驗教學(xué)應(yīng)用及虛擬實(shí)驗設(shè)計、開發(fā)的新技術(shù)研究四個方面展開。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗;虛擬仿真實(shí)驗;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);實(shí)驗教學(xué);高等教育;知識圖譜

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2022）02-0010-10

收稿日期：2022-01-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目“師范生課堂教學(xué)表達(dá)能力自主實(shí)訓(xùn)與評價模型研究”（62177032）;陜西省社會科學(xué)基金項目“彈性教學(xué)模式研究”（2020P006）;貴州省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于數(shù)學(xué)建模‘學(xué)、訓(xùn)、賽、創(chuàng)’的高職學(xué)生創(chuàng)新能力提升研究與實(shí)踐”（2021A067）;貴州騰云教育科技有限公司校企合作課題“職業(yè)教育課程建設(shè)現(xiàn)狀與實(shí)踐路徑研究”（GZTY2021002）

作者簡介：吳華君（1993— ），男，貴州遵義人，貴州騰云教育科技有限公司教研中心研究員，碩士研究生，研究方向為教育技術(shù)學(xué)、教師專業(yè)能力發(fā)展;陳其鐵（1980— ），男，貴州貴陽人，貴州騰云教育科技有限公司董事長，研究方向為虛擬仿真實(shí)驗開發(fā)理論與實(shí)踐;何聚厚（1970— ），男，甘肅天水人，博士、博士生導(dǎo)師，陜西師范大學(xué)現(xiàn)代教學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室副主任，研究方向為技術(shù)增強(qiáng)教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用。

虛擬實(shí)驗是指基于多媒體、計算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)創(chuàng)設(shè)相關(guān)的軟硬件操作環(huán)境，以輔助、部分替代甚至完全替代真實(shí)實(shí)驗的仿真實(shí)驗。其強(qiáng)調(diào)實(shí)驗操作的交互性和實(shí)驗結(jié)果的可模擬性，通過虛擬實(shí)驗獲得的實(shí)驗效果相當(dāng)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗效果。伴隨著虛擬技術(shù)的進(jìn)步，虛擬實(shí)驗的發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以科學(xué)實(shí)驗為基礎(chǔ)的思想實(shí)驗階段、以程序建模為基礎(chǔ)的計算機(jī)仿真實(shí)驗階段和以交互式環(huán)境為基礎(chǔ)的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗三個階段[1]。信息技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用為虛擬實(shí)驗的發(fā)展提供了重要支撐，同時也推動了高等院校實(shí)驗教學(xué)的技術(shù)融合發(fā)展，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展教學(xué)實(shí)驗和課程學(xué)習(xí)，有效解決傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗教學(xué)中高危險、高損耗、高污染、難捕捉、難臨場、難再現(xiàn)等問題[2]。

縱觀我國虛擬實(shí)驗的研究與實(shí)踐，存在著起步較晚但發(fā)展快速的特點(diǎn)。自2013年以來，我國高校在有關(guān)文件指導(dǎo)和政府支持下大力加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中心建設(shè)，不斷推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗教學(xué)相融合，為高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了重要支撐[3]。隨著職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)系統(tǒng)化、體系化特征逐漸明晰，以及本科院校一流課程建設(shè)進(jìn)入深水區(qū)，逐漸推動虛擬實(shí)驗教學(xué)從關(guān)注軟硬件建設(shè)到探索混合式實(shí)驗教學(xué)體系、創(chuàng)新課程教學(xué)模式和開展虛擬教學(xué)教研嬗變。適時回首方能穩(wěn)步前進(jìn)，從宏觀層面對虛擬實(shí)驗發(fā)展與研究動態(tài)進(jìn)行回顧總結(jié)，有助于把握虛擬實(shí)驗發(fā)展路徑及發(fā)展規(guī)律，推動形成完備的虛擬實(shí)驗研究與實(shí)踐體系，并進(jìn)一步拓展相關(guān)研究領(lǐng)域。出于上述思考，研究基于文獻(xiàn)計量學(xué)和知識圖譜方法，通過虛擬實(shí)驗相關(guān)文獻(xiàn)的定量數(shù)據(jù)和內(nèi)容分析呈現(xiàn)我國虛擬實(shí)驗發(fā)展脈絡(luò)、研究軌跡和前沿趨勢，以期為虛擬實(shí)驗及虛擬實(shí)驗教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展和進(jìn)一步研究提供借鑒參考。

一、研究設(shè)計

（一）研究方法

共詞分析法（也叫關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析）是基于所選文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的一種內(nèi)容分析方法，實(shí)現(xiàn)對某一研究主題的關(guān)鍵詞在同一篇文獻(xiàn)中共同出現(xiàn)情況的分析，并在關(guān)鍵詞矩陣基礎(chǔ)上構(gòu)建關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步開展社會網(wǎng)絡(luò)分析和聚類分析。聚類分析是對研究主題包含的關(guān)鍵詞在不同分類標(biāo)準(zhǔn)下的類別劃分，使得具有較高相似度的關(guān)鍵詞聚集在同一主題下，而較高相異度的關(guān)鍵詞分散在不同主題下。多維尺度分析主要是通過測定關(guān)鍵詞在概念空間的距離以確定各關(guān)鍵詞之間的結(jié)構(gòu)并對研究問題進(jìn)行聚類，以明確各個研究聚類的聯(lián)系密切程度和聚類內(nèi)部的緊密情況。本研究基于知識圖譜可視化方法對我國虛擬實(shí)驗研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析呈現(xiàn)，采用EXCEL和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件、BICOMB 2.0共詞分析軟件、UCINET 6.0社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件等開展共詞分析、聚類分析和多維尺度分析等計量分析，確保研究結(jié)果的科學(xué)性和有效性。

（二）研究過程

1.數(shù)據(jù)獲取

為了解我國虛擬實(shí)驗研究進(jìn)展，以CNKI中國知網(wǎng)檢索庫為數(shù)據(jù)來源，通過高級檢索設(shè)計檢索關(guān)鍵詞為虛擬實(shí)驗或虛擬實(shí)驗室或虛擬仿真實(shí)驗執(zhí)行精確檢索，文獻(xiàn)來源限定為核心期刊，檢索時間截至2021年8月31日，共檢索到1348篇文獻(xiàn)用于研究分析。

2.數(shù)據(jù)處理

本研究基于以下五個步驟開展數(shù)據(jù)處理：①在CNKI導(dǎo)出NoteFirst格式的檢索題錄;②利用BICOMB 2.0共詞分析軟件提取并分析文獻(xiàn)關(guān)鍵詞等信息，構(gòu)建高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣;③利用UCINET 6.0社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件進(jìn)行高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析，確立關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)關(guān)系;④使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行高頻關(guān)鍵詞樣本聚類分析，繪制高頻關(guān)鍵詞聚類圖;⑤基于相異系數(shù)矩陣開展多維尺度分析，繪制高頻關(guān)鍵詞研究熱點(diǎn)戰(zhàn)略坐標(biāo)圖。

二、數(shù)據(jù)分析

（一）研究文獻(xiàn)描述統(tǒng)計

研究文獻(xiàn)在不同年代的數(shù)量分布情況反映了該研究主題在某段時間的研究熱度和關(guān)注度。從文獻(xiàn)發(fā)表年份統(tǒng)計結(jié)果（見下頁圖2）來看，文獻(xiàn)數(shù)量總體上呈現(xiàn)出“逐年化遞增、周期性回落”的趨勢，相關(guān)研究在2019年達(dá)到頂峰。而關(guān)于虛擬實(shí)驗的研究最早出現(xiàn)在趙時亮于1999年發(fā)表在《科學(xué)技術(shù)與辯證法》雜志上的《虛擬實(shí)驗：從思想實(shí)驗到虛擬現(xiàn)實(shí)》一文中。

從期刊分布看，文獻(xiàn)主要分布于49個核心期刊，且20.41%的核心期刊刊載65.21%的研究成果。從期刊類別來看，相關(guān)研究主要分布在實(shí)驗研究類專業(yè)期刊（如《實(shí)驗技術(shù)與管理》《實(shí)驗室研究與探索》等）和計算機(jī)應(yīng)用類期刊（如《計算機(jī)工程與設(shè)計》《計算機(jī)工程與應(yīng)用》等），以及計算機(jī)教育類期刊（如《現(xiàn)代教育技術(shù)》《中國遠(yuǎn)程教育》等）。早期關(guān)于虛擬實(shí)驗的研究更多集中在計算機(jī)教育與計算機(jī)應(yīng)用類期刊中，主要探討虛擬實(shí)驗及虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。而隨著虛擬實(shí)驗研究和應(yīng)用的持續(xù)推進(jìn)與不斷深入，研究主題向系統(tǒng)化的虛擬實(shí)驗教學(xué)中心和虛擬實(shí)驗教學(xué)體系構(gòu)建轉(zhuǎn)變。整體來看，《實(shí)驗技術(shù)與管理》和《實(shí)驗室研究與探索》是載文量較大的兩個核心期刊，引領(lǐng)和推動著我國虛擬實(shí)驗領(lǐng)域的研究進(jìn)程（見表1）。

發(fā)文機(jī)構(gòu)分布體現(xiàn)了該機(jī)構(gòu)在虛擬實(shí)驗研究領(lǐng)域的成果數(shù)量和研究實(shí)力，高校作為科技創(chuàng)新的主力軍，在虛擬實(shí)驗的研究和推動中起著核心作用?；诘谝蛔髡咚跈C(jī)構(gòu)的分布統(tǒng)計（見表2），吉林大學(xué)、大連理工大學(xué)和華中科技大學(xué)分別占據(jù)機(jī)構(gòu)分布的前三席，尤其是吉林大學(xué)以51篇核心期刊文獻(xiàn)居于榜首，這主要源于吉林大學(xué)高等教育研究所楊雪教授團(tuán)隊長期對虛擬實(shí)驗教學(xué)理論及實(shí)踐應(yīng)用的研究探索。理工類研究型高校和行業(yè)特色院校由于實(shí)訓(xùn)實(shí)驗受到空間、設(shè)備和技術(shù)安全性等限制，其對虛擬實(shí)驗和虛擬實(shí)驗環(huán)境的需求更大，相關(guān)研究成果更加集中，如大連理工大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國礦業(yè)大學(xué)等。

研究文獻(xiàn)的基金資助情況體現(xiàn)了該研究領(lǐng)域的受重視情況和發(fā)展水平，基于基金支持分析結(jié)果（見表3），有148項研究成果受到國家自然科學(xué)基金支持，支持占比10.98%，其余基金如國家科技支撐計劃（33篇）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（17篇）也支撐了虛擬實(shí)驗研究的發(fā)展，表明我國科研機(jī)構(gòu)對于虛擬實(shí)驗的研究相當(dāng)重視。

（二）研究關(guān)鍵詞統(tǒng)計

高頻關(guān)鍵詞可以較好地反映研究主題在某一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，研究選取詞頻大于15的關(guān)鍵詞為高頻關(guān)鍵詞，以較為全面地反映虛擬實(shí)驗的研究熱點(diǎn)。由表4可知，虛擬實(shí)驗研究領(lǐng)域前10個高頻關(guān)鍵詞分別是虛擬實(shí)驗（403）、虛擬仿真技術(shù)（300）、仿真實(shí)驗教學(xué)（278）、虛擬實(shí)驗室（266）、虛擬仿真實(shí)驗（126）、虛擬實(shí)驗系統(tǒng)（85）、虛擬儀器（59）、VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言）（50）、網(wǎng)絡(luò)（47）、遠(yuǎn)程教育（41），排在前10位的高頻關(guān)鍵詞反映了虛擬實(shí)驗主要是以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行虛擬實(shí)驗、虛擬實(shí)驗環(huán)境開發(fā)及其教學(xué)應(yīng)用研究。

（三）關(guān)鍵詞可視化分析

為進(jìn)一步探討虛擬實(shí)驗研究主題下各研究關(guān)鍵詞的關(guān)系特征，在高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，使用BICOMB 2.0軟件構(gòu)建高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣，然后使用UCINET 6.0社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件繪制高頻關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)分析圖（見下頁圖3）。圖中節(jié)點(diǎn)大小表示該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率高低，節(jié)點(diǎn)間的連線粗細(xì)代表兩個關(guān)鍵詞聯(lián)系的緊密程度，連線越粗則表示關(guān)系越強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)間距離表示兩個關(guān)鍵詞之間聯(lián)系的緊密程度，距離越近則表示聯(lián)系越緊密。

從圖3可看出，虛擬實(shí)驗、虛擬仿真實(shí)驗、虛擬實(shí)驗室、虛擬仿真技術(shù)位于圖譜的中間，即這些詞與其他關(guān)鍵詞共同出現(xiàn)在文獻(xiàn)中的次數(shù)最多，它們在虛擬實(shí)驗的研究中處于核心地位。虛擬實(shí)驗系統(tǒng)、仿真實(shí)驗教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、遠(yuǎn)程教育等處于網(wǎng)絡(luò)中間，圍繞在虛擬實(shí)驗、虛擬實(shí)驗室、虛擬仿真技術(shù)周圍，并分別與它們有較近的距離，連線也比較粗，說明它們與虛擬實(shí)驗研究的聯(lián)系較為緊密，相關(guān)的研究成果也比較豐富。而教學(xué)模式、教學(xué)方法、實(shí)驗教學(xué)改革、VRML等位于邊緣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，雖然目前與虛擬實(shí)驗、虛擬實(shí)驗室、虛擬仿真技術(shù)的聯(lián)系不很緊密，但與虛擬實(shí)驗有直接的關(guān)系，是未來虛擬實(shí)驗的研究熱點(diǎn)。

（四）關(guān)鍵詞聚類分析

將關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣導(dǎo)入SPSS 22.0中構(gòu)建相關(guān)矩陣，然后通過計算得到關(guān)鍵詞相異矩陣，將相異矩陣導(dǎo)入SPSS 22.0中進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析。根據(jù)聚類分析結(jié)果，可將關(guān)鍵詞聚類分為4類（見下頁圖4）。

主題一主要涉及虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究，包括虛擬仿真技術(shù)、仿真實(shí)驗教學(xué)、實(shí)驗教學(xué)平臺、虛擬仿真實(shí)驗、虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心、虛擬實(shí)驗系統(tǒng)共6個關(guān)鍵詞。宏觀來看，虛擬實(shí)驗教學(xué)平臺、虛擬實(shí)驗系統(tǒng)與虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心都屬于虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境的范疇，而虛擬仿真技術(shù)是開展虛擬實(shí)驗教學(xué)與實(shí)踐的基礎(chǔ)性支撐，沒有虛擬仿真技術(shù)的研究與發(fā)展，虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)就是空中樓閣。

主題二主要涉及虛擬實(shí)驗教學(xué)體系研究，包括實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)方法、實(shí)驗教學(xué)體系、實(shí)驗教學(xué)改革和教學(xué)模式共5個關(guān)鍵詞。隨著虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)和虛擬實(shí)驗教學(xué)活動開展愈加深入，必然會對原有實(shí)驗教學(xué)體系和教學(xué)模式帶來更新與重構(gòu)。因此，如何重構(gòu)虛擬環(huán)境下實(shí)驗教學(xué)體系、創(chuàng)新虛擬實(shí)驗教學(xué)模式和方式方法成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

主題三主要涉及虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)技術(shù)研究，包括Virtools、Simulink、LabVIEW、Flash、Matlab和VRML共6個關(guān)鍵詞。虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)是虛擬實(shí)驗教學(xué)實(shí)施與開展的前提條件，而計算機(jī)硬件發(fā)展和計算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)為虛擬實(shí)驗設(shè)計開發(fā)研究提供了重要的技術(shù)支撐和工具支撐，Virtools、Simulink、LabVIEW、Flash、Matlab和VRML等各種虛擬技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了從技術(shù)角度探討虛擬實(shí)驗的開發(fā)應(yīng)用，進(jìn)一步豐富虛擬實(shí)驗的研究和實(shí)踐。

主題四主要涉及虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)過程研究，包括虛擬實(shí)驗室、虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)、虛擬實(shí)驗、遠(yuǎn)程教育、交互共6個關(guān)鍵詞。一個完整虛擬實(shí)驗的設(shè)計開發(fā)包括虛擬實(shí)驗儀器、虛擬實(shí)驗交互過程與虛擬實(shí)驗空間（虛擬實(shí)驗室）三個層次。此外，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬交互為異步學(xué)習(xí)和異地實(shí)驗提供了技術(shù)支撐，這進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗教學(xué)和遠(yuǎn)程教育的發(fā)展。

（五）關(guān)鍵詞多維尺度分析

關(guān)鍵詞聚類分析可以得到虛擬實(shí)驗研究各領(lǐng)域之間的相關(guān)性，有助于明確虛擬實(shí)驗的研究趨勢。為得到更加明確的聚類結(jié)果，研究使用多維尺度分析對聚類分析結(jié)果進(jìn)行驗證，以更加直觀地呈現(xiàn)虛擬實(shí)驗的研究熱點(diǎn)（見圖5）。

在圖5關(guān)于虛擬實(shí)驗研究熱點(diǎn)戰(zhàn)略坐標(biāo)圖中，小圓圈表示各個高頻關(guān)鍵詞所處位置，圓圈距離中心越近越能反映其核心地位，同時圓圈之間距離越近，表示它們的相關(guān)性越大。橫軸為向心度，表示研究聚類內(nèi)部各要素聯(lián)系密切程度;縱軸為密度，表示研究聚類間相互作用強(qiáng)度。橫軸和縱軸將坐標(biāo)圖分為四個象限，主題一跨第二、第三象限，但主要位于第三象限，該象限向心度和密度都比較低，表示虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究內(nèi)部聯(lián)系不夠緊密，且與其他聚類相互作用較弱。主題二同樣跨第二、第三象限，但主要位于第二象限，該象限向心度較低，但密度較高，表示關(guān)于虛擬實(shí)驗教學(xué)體系和教學(xué)模式的研究較為緊密，但與其他聚類的聯(lián)系不夠。主題三主要位于第四象限，該象限向心度較高但密度較低，說明虛擬實(shí)驗研究中關(guān)于虛擬實(shí)驗開發(fā)技術(shù)的研究雖然和其他領(lǐng)域關(guān)系密切，但內(nèi)部研究還不夠成熟。主題四位于第一象限，該象限密度和向心度都比較高，說明虛擬實(shí)驗研究中關(guān)于虛擬實(shí)驗應(yīng)用的研究關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，研究結(jié)構(gòu)也比較成熟穩(wěn)定。

三、研究熱點(diǎn)

虛擬實(shí)驗研究領(lǐng)域知識圖譜可以較好地反映該領(lǐng)域下各個研究主題之間關(guān)聯(lián)密切程度，并由此分析得出該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。從上述分析可以看出，虛擬實(shí)驗相關(guān)研究主要圍繞虛擬實(shí)驗的教育應(yīng)用研究和虛擬實(shí)驗設(shè)計、開發(fā)及相關(guān)技術(shù)研究兩大板塊展開，并由此延伸出四個主要研究領(lǐng)域，即虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究、虛擬實(shí)驗教學(xué)體系研究、虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)技術(shù)研究和虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)過程研究。

（一）虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究

信息技術(shù)的不斷進(jìn)步促進(jìn)了教育教學(xué)方式的持續(xù)變革，傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)環(huán)境受限于時間、地點(diǎn)、經(jīng)費(fèi)和設(shè)備的約束，極大制約了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。我國最早在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中提出要加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程和實(shí)驗系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗室建設(shè)，并將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件建設(shè)情況作為高等院校教育信息化發(fā)展水平框架的主要指標(biāo)[4]。實(shí)驗教學(xué)環(huán)境從實(shí)景到虛擬的變化，推動著實(shí)驗教學(xué)方式從以師生語言交互為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐远喔泄俪两浇换橹?，有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)實(shí)驗教學(xué)信息傳輸?shù)母咝院捅Ｕ嫘?，提升?shí)驗教學(xué)效果。因此，虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)研究成為虛擬實(shí)驗研究的一大熱點(diǎn)。

虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境包含開展虛擬實(shí)驗教學(xué)的硬件（計算機(jī)終端、虛擬實(shí)驗設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和設(shè)備場地等）環(huán)境和軟件（基礎(chǔ)軟件、虛擬實(shí)驗操作系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗教學(xué)平臺）環(huán)境兩部分，硬件環(huán)境主要用于為虛擬實(shí)驗教學(xué)開展提供物理設(shè)備支持，軟件環(huán)境主要包括虛擬實(shí)驗操作控制中心、虛擬實(shí)驗教學(xué)與管理中心和虛擬實(shí)驗教學(xué)資源中心。虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心是集虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)資源、平臺、隊伍和制度建設(shè)于一體，以虛擬仿真技術(shù)等計算機(jī)技術(shù)服務(wù)實(shí)驗教學(xué)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗教學(xué)資源開放共享的虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境。截至目前，我國已建成1000余個國家級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心和虛擬實(shí)驗教學(xué)項目，在整合各類實(shí)驗教學(xué)資源，推進(jìn)高校實(shí)驗教學(xué)模式改革，促進(jìn)信息技術(shù)在教育教學(xué)的規(guī)范應(yīng)用方面具有重要作用。

（二）虛擬實(shí)驗教學(xué)體系研究

虛擬實(shí)驗教學(xué)體系是指促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的虛擬實(shí)驗教學(xué)包含的實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗教學(xué)過程、實(shí)驗教學(xué)評價及實(shí)驗教學(xué)管理等因素綜合構(gòu)成的相互聯(lián)系的有機(jī)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗教學(xué)體系建設(shè)是虛擬實(shí)驗研究和開展的核心工作。虛擬仿真技術(shù)等計算機(jī)信息技術(shù)在促進(jìn)虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)和虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)活動的開展上的逐漸深入，給傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)體系和教學(xué)模式帶來影響。因此，探索如何重構(gòu)虛擬環(huán)境下的實(shí)驗教學(xué)體系、推動虛擬實(shí)驗教學(xué)模式重構(gòu)成為虛擬實(shí)驗研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。相關(guān)研究人員已對虛擬實(shí)驗教學(xué)體系和教學(xué)模式開展系列探索，如構(gòu)建遠(yuǎn)程教育環(huán)境下的“實(shí)驗前預(yù)習(xí)—實(shí)驗中幫助—實(shí)驗后測試”三階段教學(xué)體系[5]，基于虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心開展“理論授課—虛擬實(shí)驗—實(shí)驗室教學(xué)”的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗教學(xué)模式[6]，還有研究人員提出在虛擬實(shí)驗教學(xué)體系構(gòu)建中存在重虛仿輕實(shí)踐、重驗證輕創(chuàng)新、重購置輕研發(fā)和重導(dǎo)學(xué)輕自學(xué)的“四重四輕”問題[7]，為推進(jìn)虛擬實(shí)驗教學(xué)研究和實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)提供了指導(dǎo)方案。

（三）虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)技術(shù)研究

計算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展為虛擬實(shí)驗研究提供了技術(shù)支持和平臺工具支撐，虛擬仿真技術(shù)通過計算機(jī)模擬真實(shí)實(shí)驗環(huán)境和人機(jī)交互促進(jìn)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)、分析能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的發(fā)展。關(guān)于虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)技術(shù)的研究，大致可以分為基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的探索嘗試階段、基于程序建模技術(shù)的開發(fā)建設(shè)階段和基于系統(tǒng)性建設(shè)的應(yīng)用創(chuàng)新階段。探索嘗試階段以DCOM（Distributed Component Object Model，分布式組件對象模型）、WWW（World Wide Web，萬維網(wǎng)）和VRML探索遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗教學(xué)通信與管理。開發(fā)建設(shè)階段基于LabVIEW、Virtools、Simulink、Flash和Unity 3D等虛擬程序開發(fā)環(huán)境和可視化仿真軟件構(gòu)建虛擬實(shí)驗系統(tǒng)，增強(qiáng)虛擬實(shí)驗仿真效果和交互能力，有效促進(jìn)虛擬實(shí)驗教學(xué)水平提升。應(yīng)用創(chuàng)新階段不以某種單一的軟件或技術(shù)為主，而是綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、三維建模、體感交互等多種虛擬技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)化、集成化虛擬實(shí)驗系統(tǒng)或虛擬實(shí)驗環(huán)境，對整合虛擬實(shí)驗資源、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、促進(jìn)虛擬實(shí)驗的跨越發(fā)展起重要的推動作用。

（四）虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)過程研究

由于虛擬實(shí)驗的趣味性、虛擬性、易維護(hù)性和跨時空等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用在課程教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和企業(yè)實(shí)踐等教學(xué)培訓(xùn)活動方面。關(guān)于虛擬實(shí)驗設(shè)計與開發(fā)研究，主要涉及如何基于學(xué)習(xí)理論和教學(xué)理論設(shè)計虛擬實(shí)驗改善課程實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量，如何通過交互設(shè)計提升虛擬實(shí)驗及實(shí)驗系統(tǒng)的交互感知水平，以及如何在網(wǎng)絡(luò)在線課程中結(jié)合虛擬實(shí)驗優(yōu)化實(shí)踐性教學(xué)效果。實(shí)驗是實(shí)踐性學(xué)科重要的教學(xué)過程，虛擬實(shí)驗基于仿真的虛擬儀器和虛擬設(shè)備，目前廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、工程、建筑等實(shí)踐性學(xué)科和物理、化學(xué)等理論性學(xué)科領(lǐng)域。以具身認(rèn)知理論、遷移理論、認(rèn)知負(fù)荷理論等教學(xué)理論為指導(dǎo)的虛擬實(shí)驗開發(fā)有助于更好滿足實(shí)驗教學(xué)要求，更好提升實(shí)驗教學(xué)效果。交互性是虛擬實(shí)驗應(yīng)用過程中關(guān)注的主要方面，因此關(guān)于虛擬實(shí)驗交互設(shè)計及交互設(shè)計應(yīng)用效果的研究有助于激發(fā)學(xué)生實(shí)驗興趣和提升實(shí)驗體驗[8]。另外，在以慕課課程主導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)在線課程學(xué)習(xí)中，普遍存在重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象，這不利于學(xué)生知識體系的完整構(gòu)建。而融入虛擬實(shí)驗的在線課程可以較好地彌補(bǔ)異步空間實(shí)踐環(huán)境和實(shí)驗設(shè)備缺失的弊端，實(shí)現(xiàn)課程資源開放共享，促進(jìn)在線學(xué)習(xí)效果提升[9]。

四、發(fā)展趨勢

綜上所述，虛擬實(shí)驗作為當(dāng)前實(shí)驗教學(xué)的重要組成部分，在促進(jìn)實(shí)驗教學(xué)資源均衡、推動學(xué)生問題分析能力和創(chuàng)新能力發(fā)展等方面有較為廣闊的發(fā)展前景。結(jié)合虛擬實(shí)驗的研究和實(shí)踐現(xiàn)狀，提出以下四點(diǎn)研究趨勢。

（一）個性化虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境設(shè)計與開發(fā)研究

虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境下學(xué)習(xí)者具有的個性化學(xué)習(xí)目標(biāo)和需求是虛擬實(shí)驗教學(xué)持續(xù)發(fā)展和價值最大化的影響因素，所以在虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)中應(yīng)充分考慮并支持學(xué)生輕松、投入的學(xué)習(xí)體驗和個性化學(xué)習(xí)過程。當(dāng)前對于虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境的設(shè)計多是基于固定的實(shí)驗?zāi)繕?biāo)、規(guī)范的實(shí)驗操作過程和預(yù)定的實(shí)驗結(jié)論的驗證性實(shí)驗，這是一種教師本位和知識本位的實(shí)驗教學(xué)邏輯，忽略了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性思維能力發(fā)展，不利于當(dāng)前高等教育領(lǐng)域提倡的復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[10]。因此，要促進(jìn)復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，首先要具備個性化學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)活動，而個性化虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境作為開展個性化、沉浸式虛擬實(shí)驗教學(xué)活動的重要支撐平臺，支持和幫助學(xué)習(xí)者知識的自主建構(gòu)和創(chuàng)新發(fā)展[11]。未來的虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境應(yīng)立足于個性化實(shí)驗教學(xué)平臺開發(fā)打造、個性化虛擬實(shí)驗教學(xué)方式方法構(gòu)建、個性化實(shí)驗教學(xué)管理機(jī)制創(chuàng)新和個性化實(shí)驗教學(xué)支持服務(wù)保障等視角開展研究及探索實(shí)踐，提升實(shí)踐性教學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

（二）虛擬實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建研究

已有研究通過打造高質(zhì)量虛擬實(shí)驗平臺和虛擬實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)提升虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境建設(shè)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣激發(fā)，同時培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題分析能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力。如果在虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境研究中過多關(guān)注軟硬件為主的實(shí)驗環(huán)境建設(shè)，忽視了作為人才培養(yǎng)第一要素的教師隊伍的建設(shè)，同時由于實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊教師比較擅長學(xué)科研究與實(shí)踐，而缺乏信息技術(shù)和虛擬實(shí)驗研發(fā)的能力，甚至直接向企業(yè)購買標(biāo)準(zhǔn)化虛擬實(shí)驗產(chǎn)品，無法突出學(xué)科和專業(yè)特色，那么高水平、高素質(zhì)的創(chuàng)造型人才培養(yǎng)就是空中樓閣。同時，相關(guān)文件也指出，虛擬實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊?wèi)?yīng)同時具備虛擬實(shí)驗教學(xué)和虛擬實(shí)驗資源開發(fā)與環(huán)境維護(hù)的雙重功能，這是虛擬實(shí)驗持續(xù)發(fā)展的重要保障[12]。所以，從提升團(tuán)隊教學(xué)水平、實(shí)驗水平、技術(shù)水平和管理水平等角度加強(qiáng)虛擬實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)是促進(jìn)虛擬實(shí)驗教學(xué)發(fā)展的重要路徑。如通過師資互聘、校企合作等手段打造一支具有先進(jìn)教育教學(xué)理念、高水平實(shí)驗操作能力、較強(qiáng)信息技術(shù)開發(fā)能力，能準(zhǔn)確把握技術(shù)發(fā)展方向和專業(yè)建設(shè)方向，包含學(xué)科理論專家、實(shí)驗教學(xué)專家、平臺維護(hù)人員和實(shí)驗管理人員的虛擬實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊?；虿捎脧男?nèi)虛擬實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊中遴選實(shí)驗教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師參加虛擬實(shí)驗開發(fā)技術(shù)培訓(xùn)的“內(nèi)培”模式，以及從校外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)企業(yè)中引進(jìn)具有豐富開發(fā)經(jīng)驗的技術(shù)骨干的“外引”模式，支撐虛擬實(shí)驗教學(xué)資源開發(fā)，促進(jìn)虛擬實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)發(fā)展。

（三）混合學(xué)習(xí)環(huán)境下虛擬實(shí)驗教學(xué)應(yīng)用研究

混合環(huán)境下的虛擬實(shí)驗教學(xué)是基于混合式學(xué)習(xí)理念，融合在線學(xué)習(xí)平臺、虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境和線下實(shí)驗室并發(fā)揮虛擬實(shí)驗和傳統(tǒng)實(shí)驗優(yōu)勢的實(shí)驗教學(xué)方式[13]。從線下實(shí)驗室教學(xué)到虛擬實(shí)驗教學(xué)再到混合虛擬實(shí)驗教學(xué)的進(jìn)化路徑是實(shí)驗教學(xué)發(fā)展的趨勢所在。當(dāng)前研究對線上、線下虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗教學(xué)已有初步探討，如在大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)上提出“MOOC+虛擬實(shí)驗”的混合教學(xué)模式[14]，基于具身認(rèn)知理論設(shè)計開發(fā)健康教育VR游戲[15]，在一定程度上為混合環(huán)境下虛擬實(shí)驗教學(xué)研究提供了理論思路。但相關(guān)研究缺乏虛擬實(shí)驗教學(xué)模式應(yīng)用及教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量評價的實(shí)證研究，以及關(guān)于虛擬實(shí)驗環(huán)境下的教師專業(yè)發(fā)展和虛擬教研研究。未來希望基于我國虛擬實(shí)驗教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀和教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)狀，增強(qiáng)以實(shí)證研究范式探討虛擬實(shí)驗教學(xué)應(yīng)用的促進(jìn)機(jī)制。

（四）虛擬實(shí)驗及實(shí)驗環(huán)境開發(fā)的新技術(shù)研究

虛擬實(shí)驗環(huán)境中高沉浸感、強(qiáng)交互性的實(shí)驗操作讓學(xué)習(xí)者專注于體驗虛擬實(shí)驗活動，加強(qiáng)對虛擬實(shí)驗及實(shí)驗環(huán)境開發(fā)、集成的關(guān)鍵技術(shù)研究，有助于提升虛擬實(shí)驗操作體驗的沉浸感和交互性，促進(jìn)實(shí)驗?zāi)康倪_(dá)成。盡管目前的虛擬技術(shù)可以較好地應(yīng)對虛擬實(shí)驗開發(fā)及實(shí)驗環(huán)境構(gòu)建，但仍存在一些問題。如有學(xué)者提到當(dāng)前在虛擬實(shí)驗技術(shù)上主要存在三個方面的問題：第一是核心技術(shù)開發(fā)深度的問題，第二是實(shí)驗環(huán)境中用戶信息安全性的問題，第三是實(shí)驗環(huán)境的可訪性問題[16]。另外，還有如虛擬實(shí)驗道德倫理等問題。目前也有一部分研究開始致力于探討新技術(shù)與虛擬實(shí)驗的融合應(yīng)用，如楊思等人將數(shù)字全息虛擬投影技術(shù)應(yīng)用在服裝測試上，有效增強(qiáng)空間視覺效果和沉浸感[17]。劉東奇等提出基于邊緣計算信息網(wǎng)架構(gòu)的配電臺虛擬電站運(yùn)行控制策略，在虛擬電站實(shí)驗中有效克服信號延遲和遠(yuǎn)程傳輸成本等問題[18];在虛擬實(shí)驗環(huán)境及用戶信息安全方面，區(qū)塊鏈技術(shù)的非對稱加密機(jī)制可以為用戶信息和實(shí)驗數(shù)據(jù)安全提供保障[19]?；诖?，作為新興信息技術(shù)，未來虛擬實(shí)驗技術(shù)會帶來更多高價值應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯 王策）

Knowledge Landscape and Prospect for the Status and Trends of Domestic Virtual Experimental Research

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WU Huajun 1，CHEN Qitie 1，HE Juhou 2

（1.Guizhou Tengyun Education Technology Co.， Ltd.，Guiyang，Guizhou，China 550081;?2.Key Laboratory of Modern Teaching Technology，Ministry of Education，Shaanxi Normal University，Xi’an，Shaanxi，China 710062）

Abstract： Experimental teaching is the main approach for training students’ practical ability and creative ability.Based on technologies like media，computer simulation and virtual realtiy，etc.to create related hardware and software experimental operating environment，virtual experiment can complete great things in experimental teaching.In order to master the research hotspots and developing trends of national virtual experiment research in a better way，the author has borrowed the bibliometrics and knowledge map research methods to carry out quantitative statistics and qualitative analysis towards literatures related to virtual experiment over the past years retrieved in CNKI.The results show that national virtual experiment research has presented the trend of “increasing year by year and declining periodically”，and research institutions and teams of science and engineering have become the main force of virtual experiment research.Based on the results of visualized analysis，cluster analysis and multi-dimensional scale analysis of key words，the research has found that virtual experiment research field mainly involves two sections like the application research of virtual experiment education and teaching，and the design，development and related technology research of virtual experiment，hence deriving into four main areas like research on the construction of virtual experimental teaching environment， research on the virtual experimental teaching system，research on virtual experiment design and development technology，and research on the virtual experimental design and development process.The article has predicted that the future virtual experiment research will revolve around four aspects like the construction of personalized virtual experiment teaching environment， construction of virtual experimental teaching innovation team，application of virtual experiment teaching and virtual experiment design in a mixed environment， and research on new technologies of virtual experimental design and development.

Key words：? virtual experiment;virtual simulation experiment;virtual reality technology;experimental teaching;higher education;knowledge map