國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究進(jìn)展與比較分析

孫 琦

(江蘇科技大學(xué) 馬克思主義學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

虛擬仿真意同虛擬現(xiàn)實(shí)，由“虛擬現(xiàn)實(shí)之父”杰倫·拉尼爾(Jaron Lanier)于20世紀(jì)80年代提出，是一種多源信息融合、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的仿真系統(tǒng)。自2002年起，虛擬仿真多次被《國(guó)際教育信息化地平線報(bào)告》列入其中，相關(guān)技術(shù)應(yīng)用也成為教育領(lǐng)域的熱門話題。中國(guó)教育部分別于2012年和2013年印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》和《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，習(xí)近平總書記在2018年全國(guó)教育大會(huì)上提出要“堅(jiān)持深化教育改革創(chuàng)新”，這些制度性文件和要求為現(xiàn)代信息技術(shù)助推虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用營(yíng)造了良好的外部環(huán)境，對(duì)教育教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

自虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)虛擬教學(xué)研究的熱度持續(xù)走高，但近年來(lái)學(xué)界比較熱衷的可視化分析方法在該研究領(lǐng)域運(yùn)用較少。因此，筆者借助CiteSpace對(duì)國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究態(tài)勢(shì)進(jìn)行全景掃描，對(duì)比分析其結(jié)構(gòu)特征與熱點(diǎn)主題，以期在該領(lǐng)域的研究方法上作出新的嘗試和突破。

一、 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

(一) 數(shù)據(jù)來(lái)源

為確保數(shù)據(jù)來(lái)源的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和完整性，本研究以CNKI為國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源，檢索條件設(shè)置為：來(lái)源類別=“北大核心+CSSCI+CSCD”,主題=“虛擬仿真+教學(xué)”，出版年度=“1980—2022”,檢索時(shí)間為2022年2月23日，共檢索出1 378篇期刊文獻(xiàn)，剔除會(huì)議通知、撤回稿件、實(shí)訓(xùn)中心簡(jiǎn)介和書評(píng)等文獻(xiàn)，得到有效文獻(xiàn)數(shù)據(jù)1 313條，通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成為國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)樣本；以Web of Science為國(guó)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源，檢索條件設(shè)置為：Database=“Web of Science Core Collection”,Topic=“virtual reality+ teaching”,Publication Date=“All years(1900—2022)”，檢索時(shí)間為2022年2月24日，去除重復(fù)與非研究類文獻(xiàn)，共得到有效文獻(xiàn)數(shù)據(jù)4 071條，作為國(guó)外數(shù)據(jù)樣本。

(二) 研究方法

本研究借助美國(guó)費(fèi)城德雷克塞爾大學(xué)陳超美教授于2004年運(yùn)用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的知識(shí)圖譜軟件(CiteSpace 5.8.R3版本)，以上述國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)樣本為研究對(duì)象進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量，研究一定時(shí)間范圍內(nèi)研究文獻(xiàn)的時(shí)空分布、主體結(jié)構(gòu)和熱點(diǎn)演進(jìn)等，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，呈現(xiàn)出具有完備性的科學(xué)知識(shí)圖譜[1]。在梳理研究概況基礎(chǔ)上，分別選取“作者”“機(jī)構(gòu)”“期刊”和“關(guān)鍵詞”四類節(jié)點(diǎn)繪制科學(xué)圖譜，再?gòu)难芯恐黧w結(jié)構(gòu)和研究主題進(jìn)展兩個(gè)方面進(jìn)行比較分析。

二、 時(shí)空視角下虛擬仿真教學(xué)研究概況

(一) 虛擬仿真教學(xué)研究的空間分布

為直觀地呈現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)在世界范圍內(nèi)的受關(guān)注程度和研究狀況，基于Web of Science Core Collection中各國(guó)發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量，利用CiteSpace獲取相關(guān)研究的主要國(guó)家/地區(qū)分布情況，繪制前10位虛擬仿真教學(xué)研究主要國(guó)家/地區(qū)分布(圖1)。由圖1可知，美國(guó)發(fā)文量最多，其次分別是中國(guó)、英國(guó)、巴西和加拿大，五個(gè)國(guó)家發(fā)文量總和占全球發(fā)文總量的49.1%，對(duì)虛擬仿真教學(xué)研究作出了重要貢獻(xiàn)。美國(guó)、中國(guó)和英國(guó)的中心性較高，在該研究領(lǐng)域中占有重要地位并具有較高影響力。就最早發(fā)文時(shí)間來(lái)看，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家普遍對(duì)虛擬仿真教學(xué)關(guān)注較早且發(fā)文量較大。而隨著數(shù)字化教學(xué)手段尤其是虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)、巴西和澳大利亞等國(guó)家開(kāi)始關(guān)注虛擬仿真教學(xué)，盡管由于研究起步較晚，在發(fā)文量上與美國(guó)存在一定的差距，但能夠躋身于主要研究國(guó)家行列且具有較高中心性，說(shuō)明非歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在虛擬仿真教學(xué)研究中顯示出了較強(qiáng)的國(guó)際交流實(shí)力與潛力。

圖1 虛擬仿真教學(xué)研究主要國(guó)家/地區(qū)分布

(二) 虛擬仿真教學(xué)研究的時(shí)間演變

本研究將數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行發(fā)文時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)，得到國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究發(fā)文量時(shí)序(圖2)。

圖2 國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究發(fā)文量時(shí)序

由圖2可知，國(guó)外虛擬仿真教學(xué)研究始于1992年，至2005年的14年間發(fā)文量一直較小，年均發(fā)文24.6篇，說(shuō)明該研究還未引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，可將該階段認(rèn)為是國(guó)外虛擬仿真教學(xué)研究的萌芽階段。2006至2016年的發(fā)文量呈明顯上升趨勢(shì)，年均發(fā)文130.2篇，可將這段時(shí)期視為該研究的緩慢發(fā)展階段。2017年的發(fā)文量激增，且此后的發(fā)文趨勢(shì)上升顯著，近五年年均發(fā)文450篇(因2022年數(shù)據(jù)不完整，故未將其納入統(tǒng)計(jì))，至此進(jìn)入快速發(fā)展階段。

相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)于虛擬仿真教學(xué)的研究開(kāi)始于2000年，滯后國(guó)外近10年，至2013年的發(fā)文總量為93篇，年均發(fā)文6.6篇，這與國(guó)內(nèi)對(duì)于數(shù)字化教學(xué)手段關(guān)注較晚有直接關(guān)系。不同于國(guó)外研究的發(fā)展歷程，國(guó)內(nèi)研究直接從萌芽期進(jìn)入快速發(fā)展階段，2013年之后的年均發(fā)文達(dá)到150.4篇(同上，2022年數(shù)據(jù)未納入統(tǒng)計(jì))?？傮w來(lái)看，國(guó)內(nèi)研究雖起步較晚，但發(fā)文總量?jī)H次于美國(guó)且近期發(fā)展速率與國(guó)外發(fā)展速率相近，根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)外發(fā)文量均可能持續(xù)升高。

三、 國(guó)內(nèi)外研究主體的對(duì)比分析

(一) 國(guó)內(nèi)外核心作者對(duì)比分析

核心作者是指某研究領(lǐng)域中具有較多研究成果并有較高影響力的科研人員，通過(guò)對(duì)其學(xué)術(shù)活動(dòng)的挖掘和分析，能有效識(shí)別該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展脈絡(luò)。本研究將參數(shù)設(shè)置為：Node Types(提取節(jié)點(diǎn))=“Author”，運(yùn)行CiteSpace軟件并結(jié)合普賴斯定律[2]生成國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究核心作者(表1)。

表1 國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究核心作者

在國(guó)內(nèi)的虛擬仿真教學(xué)研究領(lǐng)域，東南大學(xué)熊宏齊、揚(yáng)州大學(xué)魏萬(wàn)紅和杜坤、華中師范大學(xué)李兵的研究成果最為豐碩，他們大多致力于高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。其中，熊宏齊凝煉出國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)特征[3]，提出了推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需遵循的原則和優(yōu)化路徑[4]，對(duì)國(guó)內(nèi)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)與應(yīng)用具有重要影響。其他核心作者在將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于學(xué)科建設(shè)方面的研究頗多，杜坤等主要探討了生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，以及“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在生物學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[5]，他與魏萬(wàn)紅、張彪基于學(xué)緣關(guān)系構(gòu)成合作網(wǎng)絡(luò)。

在國(guó)外的虛擬仿真教學(xué)研究領(lǐng)域，研究成果最為突出的學(xué)者是倫敦帝國(guó)理工學(xué)院教授Aggarwal，主要從事婦科微創(chuàng)技術(shù)的教學(xué)與培訓(xùn)；在其他的核心作者中，Darzi與Aggarwal基于學(xué)緣關(guān)系構(gòu)成合作網(wǎng)絡(luò)，Tarng和Andaluz主要致力于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育中的研究與應(yīng)用，Li和Zhang則主要研究虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)絡(luò)教育中的應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外核心作者的研究可以看出：

首先，總體來(lái)看，核心作者只是相對(duì)而言，它與數(shù)據(jù)庫(kù)的選取及文獻(xiàn)中作者排序有密切關(guān)系。在本研究中，國(guó)內(nèi)核心作者發(fā)文量占國(guó)內(nèi)發(fā)文總量的21.1%，國(guó)外占27.5%，說(shuō)明當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已形成一定規(guī)模的關(guān)于虛擬仿真教學(xué)研究的學(xué)者隊(duì)伍，但進(jìn)行持續(xù)研究或深入研究的學(xué)者并不多，尚未形成核心作者群。

其次，虛擬仿真教學(xué)研究成果集中在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建等方面。國(guó)外主要基于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，更加注重結(jié)合實(shí)踐解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外作者關(guān)注視角的多樣性從側(cè)面反映出虛擬仿真應(yīng)用的綜合性和廣泛性，未來(lái)在橫向延伸領(lǐng)域上還有很大的拓展空間。

(二) 國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)比分析

研究機(jī)構(gòu)作為另一類型研究主體，在學(xué)術(shù)資源掌握方面具有一定優(yōu)勢(shì)。因此，本研究將國(guó)內(nèi)外發(fā)文量最大的前10個(gè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)成核心機(jī)構(gòu)(表2)。

表2 國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究核心機(jī)構(gòu)

續(xù)表

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)可以看出：

在發(fā)文數(shù)量上，國(guó)內(nèi)外均以高等院校及其附屬機(jī)構(gòu)為主要研究力量。機(jī)構(gòu)間發(fā)文數(shù)量差距不大，其研究成果在虛擬仿真教學(xué)研究領(lǐng)域大多具有較強(qiáng)的學(xué)術(shù)影響力。

在合作網(wǎng)絡(luò)上，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)內(nèi)部形成了一定的合作關(guān)系，但機(jī)構(gòu)間合作較為松散，合作程度也比較低；國(guó)外虛擬仿真教學(xué)研究機(jī)構(gòu)除了內(nèi)部有較多合作，外部還呈現(xiàn)出以多倫多大學(xué)為中心的放射性合作關(guān)系及與一些主要研究機(jī)構(gòu)的多方合作關(guān)系。較為明顯的合作群體有加拿大多倫多大學(xué)、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、美國(guó)哈佛大學(xué)以及美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)；美國(guó)佛羅里達(dá)中央大學(xué)、美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)、美國(guó)哈佛大學(xué)和美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)。

(三) 國(guó)內(nèi)外研究方法對(duì)比分析

虛擬仿真教學(xué)研究的方法主要有規(guī)范研究和實(shí)證研究?jī)纱箢悺?guó)內(nèi)研究首先多以規(guī)范研究為主，運(yùn)用演繹和歸納方法，注重從邏輯性方面說(shuō)明虛擬仿真技術(shù)之于學(xué)科內(nèi)教育教學(xué)的可能性和必要性，如回應(yīng)信息時(shí)代教育技術(shù)革新需求、拓展教學(xué)活動(dòng)場(chǎng)域、重塑教學(xué)主體身份關(guān)系、提升傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量等；其次是概括虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)的融合應(yīng)用，包括構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架、開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)、設(shè)計(jì)學(xué)科內(nèi)虛擬教學(xué)系統(tǒng)、優(yōu)化虛擬教學(xué)環(huán)境等；最后是評(píng)估虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的效果，進(jìn)而探索如何改進(jìn)教育工具、健全政策體系、提升教學(xué)效果的具體路徑。國(guó)外研究多以實(shí)證研究為主，首先確認(rèn)研究假設(shè)，再以觀察數(shù)據(jù)產(chǎn)生的相互關(guān)系為對(duì)象，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)評(píng)估虛擬仿真技術(shù)的實(shí)施結(jié)果，以驗(yàn)證或衡量假設(shè)的正確性。

四、 國(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容的對(duì)比分析

(一) 國(guó)內(nèi)外研究的主要內(nèi)容對(duì)比分析

關(guān)鍵詞是對(duì)文獻(xiàn)重點(diǎn)內(nèi)容的提煉和概括，能夠在一定程度上反映其核心內(nèi)容。本研究首先將參數(shù)設(shè)置為：Node Types=“Keyword”,其他參數(shù)為默認(rèn)值，將相同、相似的詞語(yǔ)合并：將“虛擬仿真”“虛擬現(xiàn)實(shí)”“仿真”“仿真技術(shù)”“虛擬技術(shù)”和“VR技術(shù)”歸類為“虛擬仿真”，將“教學(xué)改革”和“課程改革”歸類為“教學(xué)改革”，將“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”“實(shí)踐教學(xué)”和“實(shí)訓(xùn)教學(xué)”歸類為“實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐教學(xué)”等，將“virtual reality”“simulation”“virtual reality simulation”和“vr”歸類為“virtual reality”，將“skill”和“technology”歸類為“skill”；然后運(yùn)行CiteSpace軟件，得到國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究高頻次關(guān)鍵詞列表；最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類。同樣，文獻(xiàn)共被引[6]知識(shí)圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、聚類和色彩也能體現(xiàn)該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)主題和演變歷程。首先將參數(shù)設(shè)置為：Node Types=“Keyword”(國(guó)內(nèi))和“Reference”(國(guó)外)，然后運(yùn)行CiteSpace軟件生成國(guó)內(nèi)研究的關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜和國(guó)外研究的共被引文獻(xiàn)聚類知識(shí)圖譜(圖3)。從圖3可知，Modularity Q值分別為0.870 9和0.781 3，且Mean Silhouette值分別為0.983 1和0.915 6，表明聚類效果顯著，因而能有效呈現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)研究熱點(diǎn)的集中領(lǐng)域。總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于虛擬仿真教學(xué)研究主要集中于平臺(tái)建設(shè)、教學(xué)改革和學(xué)科化應(yīng)用三個(gè)方面，只是在具體研究視角和應(yīng)用進(jìn)程上稍有不同。

圖3 國(guó)內(nèi)外虛擬教學(xué)研究主題聚類知識(shí)圖譜

1.虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)于虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的研究主要集中于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的環(huán)境建設(shè)和技術(shù)運(yùn)用兩個(gè)方面，體現(xiàn)為#0虛擬仿真、#3虛擬現(xiàn)實(shí)、#6單片機(jī)、#8實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、#11信息技術(shù)、#12虛擬實(shí)驗(yàn)、#0 virtual reality、#3 user studies、#4 augmented reality、#8 head-mounted display、#16 virtual simulation等聚類標(biāo)簽。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的環(huán)境建設(shè)方面，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》提出了建立虛擬實(shí)驗(yàn)室等優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源的要求?！蛾P(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》進(jìn)一步明確了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合能有效解決高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)課成本高、交互性差和可重復(fù)率低等困境，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課可能成為一種新的教育生產(chǎn)力。學(xué)術(shù)界也將此作為研究中的重點(diǎn)課題，王衛(wèi)國(guó)[7]、劉亞豐等[8]、祖強(qiáng)等[9]、Potkonjak等[10]和Jara[11]等分別從建設(shè)背景和意義、發(fā)展途徑、建設(shè)現(xiàn)狀和措施等方面進(jìn)行探討研究，其文獻(xiàn)的被引頻率較高。綜合來(lái)看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)是高等教育信息化建設(shè)的必然要求，不僅需要統(tǒng)籌做好整體規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，還要建立、健全資源共享的可持續(xù)發(fā)展策略。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的技術(shù)運(yùn)用方面，當(dāng)前的主要研究目標(biāo)和研究成果集中在VR設(shè)備、VR內(nèi)容和VR交互三個(gè)方向。如趙沁平和周忠針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)特點(diǎn)、相關(guān)硬件設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用等進(jìn)行了論述[12-13]；王衛(wèi)國(guó)等指出，人機(jī)交互技術(shù)、可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D打印技術(shù)等是目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要應(yīng)用的信息技術(shù)[14]；Noor等討論了創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室所涉及的技術(shù)層面及應(yīng)用的諸多問(wèn)題[15]；Redel-Macias等通過(guò)開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)室操作的虛擬環(huán)境有效促進(jìn)了教學(xué)過(guò)程的開(kāi)展，佐證了虛擬實(shí)驗(yàn)室和交互式模擬能夠提高學(xué)生理解技術(shù)原理的觀點(diǎn)[16]。

2.虛擬仿真教學(xué)改革的研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)于虛擬仿真教學(xué)改革的研究主要集中于教育數(shù)字信息化趨勢(shì)下對(duì)虛擬仿真教學(xué)和培訓(xùn)的探討，尤其是高校以信息技術(shù)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面，體現(xiàn)為#1實(shí)驗(yàn)教學(xué)、#2教學(xué)方法、#4教學(xué)體系、#5教學(xué)改革、#10實(shí)踐教學(xué)、#5 improving classroom teaching、#6 didactic resource、#7 objective assessment、#10 systematic review等聚類標(biāo)簽。

始于2002年由美國(guó)新媒體聯(lián)盟(NMC)主導(dǎo)的“地平線研究項(xiàng)目”所發(fā)布的《國(guó)際教育信息化地平線報(bào)告》在教育信息化建設(shè)方面具有導(dǎo)向作用。2010年的“Common Core Standards of the State”提供了虛擬仿真技術(shù)作用于現(xiàn)代教育的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，傳統(tǒng)教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式也因此深受影響[17]，并加速推進(jìn)了教育信息化的改革與發(fā)展[18]。中國(guó)教育部大力推進(jìn)的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，利用線上虛擬交互實(shí)驗(yàn)的方式降低對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的依賴，解決了許多因現(xiàn)實(shí)條件、資源不均衡等導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題[19]。胡今鴻等認(rèn)為，在制度層面建立有利于資源開(kāi)發(fā)和共享的管理體制和運(yùn)行機(jī)制是高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革亟需解決的問(wèn)題[20]。科學(xué)分析高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本問(wèn)題與趨勢(shì)，能為高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與發(fā)展提供方向性指導(dǎo)[21]。國(guó)外一些學(xué)者還利用虛擬仿真技術(shù)特性積極探尋新教學(xué)模式和方法，如Dodd等嘗試以信號(hào)作為一種技術(shù)，集成桌面虛擬現(xiàn)實(shí)與在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)[22]；Varlet等在探討虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)作捕捉技術(shù)在室內(nèi)團(tuán)體賽艇情境中是否有助于人際協(xié)調(diào)習(xí)得基礎(chǔ)上提出基于人際關(guān)系的協(xié)作學(xué)習(xí)模式[23]。

3.虛擬仿真教學(xué)學(xué)科化應(yīng)用的研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)于虛擬仿真教學(xué)學(xué)科化應(yīng)用的研究主要集中于醫(yī)用外科培訓(xùn)、計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程教育等方面，體現(xiàn)為#7疫情、#9護(hù)理、#1 vascular surgery、#2 gross anatomy education、#9 organic chemistry、#12 medical education、#13 operative dentistry 等聚類標(biāo)簽。

在技術(shù)先導(dǎo)的價(jià)值理念下，虛擬仿真技術(shù)作為一種“技術(shù)工具”，其學(xué)科中的應(yīng)用幾乎涵蓋了大部分科學(xué)學(xué)科，尤其以醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、車輛工程、工程學(xué)學(xué)科為主。蔡巧玲、胡大一在2006年提出醫(yī)學(xué)院應(yīng)適應(yīng)醫(yī)學(xué)模式轉(zhuǎn)變，通過(guò)重視醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)中心的建設(shè)，達(dá)到培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生“知識(shí)、能力、人格”全面發(fā)展的目標(biāo)[24]；杜坤等建構(gòu)了由設(shè)備與技能、形態(tài)與結(jié)構(gòu)、組分與功能三個(gè)模塊組成的生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，完善了虛實(shí)互補(bǔ)的教學(xué)考核體系[5]。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)甚至被應(yīng)用于新文科領(lǐng)域，如盧勇在疫情防控、高校思政課教學(xué)模式創(chuàng)新以及國(guó)家政策支持的背景下，研究了虛擬仿真技術(shù)與高校思政課的深度融合[25]。國(guó)外在醫(yī)學(xué)外科應(yīng)用、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程教育等學(xué)科方面的研究成果頗豐，如Aggarwal等回顧了當(dāng)時(shí)可用于腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)和評(píng)估的工具，并提出虛擬仿真模擬器可用于開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)化的腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)計(jì)劃[26]；Jara等以虛擬遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)阿里坎特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)自動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人課程進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué)[11]。

通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究的主要內(nèi)容可以看出：

首先，在政策支持層面，國(guó)內(nèi)和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家都已將虛擬仿真教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展納入國(guó)家規(guī)劃發(fā)展層面，并充分利用政策和法律手段，對(duì)虛擬仿真教育產(chǎn)業(yè)給予支持，加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展。相比之下，國(guó)內(nèi)支持主體較為單一，多為政府及相關(guān)職能部門，而國(guó)外支持主體則呈多元化趨勢(shì)，如由政府主導(dǎo)、企業(yè)贊助、行業(yè)學(xué)會(huì)主持的教育與課程評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等。

其次，在技術(shù)支持層面，國(guó)內(nèi)多集中于對(duì)平臺(tái)整體建設(shè)的技術(shù)支持，其中既包括相關(guān)硬件設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用，也包含對(duì)所需軟件的技術(shù)支持，如管理隊(duì)伍的技術(shù)培訓(xùn)和管理體系的優(yōu)化配置；國(guó)外多側(cè)重于微觀層面且將其貫穿于教學(xué)研究的整個(gè)過(guò)程，將諸多研究與醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等具體學(xué)科相結(jié)合。

最后，在教學(xué)應(yīng)用層面，國(guó)內(nèi)對(duì)于虛擬仿真教學(xué)的研究在當(dāng)下呈現(xiàn)噴涌狀態(tài)，關(guān)注焦點(diǎn)多為虛擬技術(shù)與各學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究、校企合作形式的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究、虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)建設(shè)研究，研究成果多以“碎片化”形式分布，彼此之間關(guān)聯(lián)較少；國(guó)外虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用研究尤其在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的研究深度明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)，且在“碎片化”研究階段之后已開(kāi)始進(jìn)行學(xué)科化和系統(tǒng)化的虛擬教育理論和應(yīng)用研究。

(二) 國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)對(duì)比分析

突現(xiàn)詞是指在短期內(nèi)多次重復(fù)出現(xiàn)的詞。本研究將參數(shù)設(shè)置為：Node Types=“Keyword”，利用CiteSpace的突發(fā)主題檢測(cè)(Burstness)生成國(guó)內(nèi)外虛擬教學(xué)研究突現(xiàn)詞知識(shí)圖譜(圖4)。

圖4 國(guó)內(nèi)外虛擬教學(xué)研究突現(xiàn)詞知識(shí)圖譜

由圖4可知，國(guó)內(nèi)研究的突現(xiàn)詞有24個(gè)，前19個(gè)突現(xiàn)詞都始于2000年，接連交替出現(xiàn)的生命周期均在10年以上，且突現(xiàn)強(qiáng)度較大，研究方向?yàn)榍拔乃龅娜齻€(gè)方面?！百Y源共享”“虛擬實(shí)驗(yàn)”“新工科”“互聯(lián)網(wǎng)+”這四個(gè)詞發(fā)生突現(xiàn)的時(shí)間較晚、強(qiáng)度較低且生命周期較短。國(guó)外研究的突現(xiàn)詞有40個(gè)，歸類合并后選取其中的25個(gè)作為研究對(duì)象。其中，“acquisition”“operating room”“virtual reality simulation”和“augmented reality”四個(gè)詞的突現(xiàn)強(qiáng)度最大，均在10以上；25個(gè)突現(xiàn)詞的平均生命周期較短，且只有三個(gè)突現(xiàn)詞的生命周期在10年及以上。

國(guó)內(nèi)研究多聚焦于虛擬仿真技術(shù)如何從教學(xué)資源、教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)等方面重塑各學(xué)科領(lǐng)域的線上教學(xué)。近兩年，學(xué)界還將作為虛擬仿真技術(shù)高階發(fā)展產(chǎn)物的元宇宙應(yīng)用于在線教育理論、智能學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建、虛擬教學(xué)方式等教育研究領(lǐng)域。教育元宇宙成為當(dāng)下該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，雖處于發(fā)展的雛形階段，但已展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ锌赡艹蔀槲磥?lái)“智能+教育”轉(zhuǎn)段、升級(jí)的新的支撐點(diǎn)。國(guó)外研究熱點(diǎn)主要包括三個(gè)方面：

一是虛擬教育的本體論研究，既包括建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論對(duì)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用教學(xué)尤其是在情景化構(gòu)建層面的理論和實(shí)踐指導(dǎo)，也包括從教育教學(xué)邏輯范式出發(fā)對(duì)虛擬仿真教學(xué)有效性的探討，還包括因教育工具變革引起的教育活動(dòng)中生產(chǎn)要素的關(guān)系變化研究以及相應(yīng)的教育價(jià)值取向變化研究。

二是虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用研究，包括虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境建設(shè)和虛擬仿真技術(shù)革新兩個(gè)方面。元宇宙教育同樣改變著教育觀念與教學(xué)模式，應(yīng)用導(dǎo)向、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和科技倫理等方面得到更多關(guān)注。

三是醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究，包括在外科醫(yī)學(xué)和護(hù)理教育領(lǐng)域應(yīng)用可視化VR模擬器開(kāi)展教育培訓(xùn)、輔助診斷、醫(yī)患溝通等。國(guó)外研究熱點(diǎn)經(jīng)歷了從理論到實(shí)踐再到學(xué)科化應(yīng)用的多元漸進(jìn)歷程，這與國(guó)內(nèi)聚焦學(xué)科內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的單一特征存在一定差別。

五、 結(jié)論與思考

(一) 研究發(fā)現(xiàn)

本研究通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究文獻(xiàn)的分析可從幾方面得出結(jié)論。首先，各國(guó)均對(duì)虛擬仿真教學(xué)給予較高關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)此已展開(kāi)多方位、多視角和多層面的研究，國(guó)外研究起步較早，目前處于快速發(fā)展階段；國(guó)內(nèi)研究雖起步較晚，但發(fā)文總量?jī)H次于美國(guó)且近期增長(zhǎng)速度與國(guó)外增長(zhǎng)速度相近，未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)外發(fā)文量均可能持續(xù)增加。其次，盡管核心作者和機(jī)構(gòu)的界定具有相對(duì)性，然而虛擬仿真教學(xué)是一項(xiàng)多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的新型應(yīng)用型研究。國(guó)內(nèi)外普遍存在研究團(tuán)隊(duì)成員較多且專業(yè)廣泛、但合作程度較低且不夠穩(wěn)定的狀態(tài)。再次，國(guó)內(nèi)外的研究?jī)?nèi)容主要集中于平臺(tái)建設(shè)、教學(xué)改革和學(xué)科化應(yīng)用三個(gè)維度，但研究的深度和廣度仍有差異，研究熱點(diǎn)和演進(jìn)歷程也各有側(cè)重。相較于國(guó)內(nèi)注重虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用研究而言，國(guó)外對(duì)本體論和醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究也一度呈現(xiàn)白熱化狀態(tài)。最后，國(guó)內(nèi)研究多以規(guī)范研究為主；國(guó)外研究則多為實(shí)證研究，且效用評(píng)估是其研究重點(diǎn)。

(二) 未來(lái)研究展望

隨著教育信息化不斷深入，虛擬仿真教育的關(guān)注度日益提升，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景和重大研究?jī)r(jià)值。通過(guò)對(duì)知識(shí)圖譜的呈現(xiàn)，剖析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)研究的主要內(nèi)容和熱點(diǎn)演進(jìn)：

第一，重視虛擬教學(xué)本體論的理論研究，以提高該研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)性和學(xué)理性，從而能更好地指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用。虛擬仿真教學(xué)作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，能夠推動(dòng)教學(xué)理念更新、教學(xué)方法多元整合、教學(xué)效果科學(xué)評(píng)估。然而，既往研究多從認(rèn)識(shí)論和方法論角度加以展開(kāi)，而對(duì)虛擬教學(xué)本體論的研究相對(duì)較少。教育理念和教學(xué)行為應(yīng)當(dāng)以教育本體論為指導(dǎo)，其最終落腳點(diǎn)始終是人的學(xué)習(xí)和發(fā)展[27]。因此，推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)的常態(tài)化普及，應(yīng)始終堅(jiān)持育人為本、以技術(shù)為輔的發(fā)展理念，避免因新技術(shù)的引入而消解學(xué)習(xí)者獨(dú)立自主的思考能力，在更注重培養(yǎng)學(xué)生思辨能力的人文社科領(lǐng)域尤是如此。

第二，加強(qiáng)從宏觀上把握虛擬仿真教學(xué)的研究框架，注重從微觀上對(duì)專業(yè)學(xué)科具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析，進(jìn)而構(gòu)建出有針對(duì)性和實(shí)效性的虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用研究體系。虛擬仿真教學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果具有顯著的正向促進(jìn)作用，但在學(xué)科應(yīng)用上存在不平衡性，因而需要針對(duì)不同的知識(shí)類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案[28]。如，醫(yī)學(xué)類學(xué)科側(cè)重于操作教學(xué)的程序性知識(shí)，因此應(yīng)豐富虛擬交互方式，并給予學(xué)生多方位感官刺激和多通道體驗(yàn)；針對(duì)社科類的陳述性知識(shí)，應(yīng)通過(guò)直觀呈現(xiàn)的方式展現(xiàn)事物內(nèi)部的聯(lián)系，以便學(xué)習(xí)者更快理解和學(xué)習(xí)。同時(shí)，還要有效促進(jìn)虛擬仿真教學(xué)與評(píng)估的雙向結(jié)合。

第三，強(qiáng)化學(xué)術(shù)研究過(guò)程中的合作交流機(jī)制建設(shè)，積極創(chuàng)建國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)合作交流平臺(tái)，廣泛開(kāi)展國(guó)家、地區(qū)、機(jī)構(gòu)與個(gè)人之間的學(xué)術(shù)交流和合作，形成多學(xué)科共同關(guān)注、深度研究的學(xué)術(shù)氛圍，以期為教學(xué)信息化的改革和發(fā)展貢獻(xiàn)智慧和力量。虛擬仿真教學(xué)在很大程度上能有效提高學(xué)習(xí)效果，但其研究主體和研究?jī)?nèi)容在不同國(guó)家和地區(qū)、不同學(xué)科和領(lǐng)域間都存在差異。未來(lái)發(fā)展需要繼續(xù)依托國(guó)家政策加強(qiáng)虛擬仿真教學(xué)環(huán)境建設(shè)，擴(kuò)大學(xué)科適用范圍，深化各層次研究團(tuán)隊(duì)和機(jī)構(gòu)的合作交流，將虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用從高等教育延伸至中小學(xué)教育，以豐富后疫情時(shí)代的教育教學(xué)方法。