近十年國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)在課程教學中應用的可視化分析

劉華　黃秋玉　孫喜妹

摘? 要? 隨著信息化教學改革的加速推進，運用虛擬仿真技術(shù)參與課堂教學將成為中國高等教育教學未來發(fā)展的重要趨勢。利用CiteSpace軟件對我國虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域的發(fā)展情況進行研究，尋找研究重點及熱點，剖析演化趨勢，推進虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的應用，為我國虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域的發(fā)展提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞? 虛擬仿真技術(shù)；CiteSpace；課程教學

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）03-0004-05

0? 引言

隨著人類社會進入信息時代，學生的學習方式逐漸趨向數(shù)字化、信息化、智能化，但學習的效率與效果卻未顯著提高，學習多處于表面化階段。因此，借助信息技術(shù)大力推進高校信息化教學改革必然成為中國高等教育未來發(fā)展的重點。

虛擬仿真技術(shù)是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級的仿真技術(shù)，其特點為沉浸性、虛擬性、真實性以及交互性等。將其引入教學可提升學生深度學習的能力，學生可充分利用身體各種感官體驗進行學習，比如視覺、聽覺和觸覺等多種感官體驗，這可幫助學生深入地理解學習內(nèi)容[1]。我國對虛擬仿真技術(shù)的研究始于20世紀90年代初，2013年，教育部啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設[2]。

高等院校的目標是培養(yǎng)具有家國情懷，追求卓越，引領(lǐng)未來的高質(zhì)量人才，需要理論和實踐相結(jié)合。但是在教學過程中，由于教學實驗儀器更新較慢及數(shù)量不足直接影響了教學質(zhì)量及教學效率的提升，所以學校應積極在教學方法及模式等方面探索與創(chuàng)新，以便使培養(yǎng)的學生適應社會發(fā)展的需求。

虛擬仿真技術(shù)與課程教學有機結(jié)合，不但能為高校實驗教學提供便利，而且能有效幫助學生對理論知識消化吸收，同時也使學生的學習積極性得到充分調(diào)動，進而提升其主動學習能力。

CiteSpace是一種應用Java語言開發(fā)的信息可視化軟件系統(tǒng)，主要基于共引分析理論和尋徑網(wǎng)絡算法等對特定領(lǐng)域文獻（集合）進行計量，以探尋出學科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及知識拐點，并通過繪制可視化圖譜來分析學科演化潛在動力機制、探測學科發(fā)展前沿[3]。

本文運用CiteSpace軟件對我國虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，探尋研究熱點，分析演化趨勢，以期為我國虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域的發(fā)展提供參考與借鑒。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

檢索2012年1月1日—2022年10月31日CNKI有關(guān)虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域相關(guān)的文獻。檢索式：（虛擬仿真技術(shù)OR VR OR 虛擬現(xiàn)實）AND課程教學。

熟練掌握信息檢索策略的兩名工作人員分別審讀檢索獲得的文獻題目、摘要和全文，并納入與主題相關(guān)的文獻，同時手工篩選排除學位論文、學術(shù)會議報告、重復發(fā)表的文章和沒有獲得權(quán)限的文章等。

1.2? 文獻計量和可視化分析方法

利用CiteSpace 5.8.R3軟件，對CNKI數(shù)據(jù)庫中檢索篩選出的文獻進行文獻計量及可視化分析。

1）利用CNKI數(shù)據(jù)庫，將檢索篩選出來的文獻數(shù)據(jù)生成Refworks格式的文件，然后轉(zhuǎn)換成WOS數(shù)據(jù)格式，并按照CiteSpace要求保存為downloa-d_XXX.txt格式。

2）把保存為download_XXX.txt格式的中文文獻導入CiteSpace軟件中進行發(fā)文量和關(guān)鍵詞的可視化分析。

3）設置信息挖掘的限制條件，即時間跨度設置為2012年1月—2022年12月，時間分割區(qū)設置為1年，演算時閾值（Top N% per slice）選擇50，剪切方式（Pruning）采用Pathfinder法，節(jié)點類型選取關(guān)鍵詞做共現(xiàn)及聚類分析，繪制可視化圖譜以可視化形式呈現(xiàn)相應科學知識圖譜，并分析虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域的研究熱點等。

2? 結(jié)果

2.1? 發(fā)文量

在2012—2022年（截止日期為2022年10月31日），CNKI共納入759篇。發(fā)表論文年度趨勢見圖1。由圖1可以看出，最近10年國內(nèi)關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在相關(guān)課程教學中應用方面的發(fā)文量總體上呈現(xiàn)波動上升趨勢；隨著2014年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，2014年以后虛擬仿真相關(guān)文獻的數(shù)量出現(xiàn)明顯增長，且在2016年后增速明顯；2017—2019年間發(fā)文量上升較慢但保持穩(wěn)定狀態(tài)；2019年之后上升明顯，這種上升很大一部分原因來自國家和教育部對虛擬仿真項目的重視和關(guān)注。

2.2? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

根據(jù)多諾霍提出的區(qū)分高頻詞和低頻詞的公式，將利用CiteSpace分析所得到的關(guān)鍵詞數(shù)679代入公式運算，可得出閾值為36，在679個關(guān)鍵詞中頻次超過36的關(guān)鍵詞共有7個[4]。根據(jù)中心度指標數(shù)分析，當中心度值≥0.1時，說明這個詞具有很強的影響力；另外，這個數(shù)值越高，表示該節(jié)點在網(wǎng)絡中的作用及重要性越高，相關(guān)研究也就越豐富[5]，見圖2。

圖2中，每個圓圈代表一個關(guān)鍵詞，圓圈越大，就意味著被引用的頻率越高，所受到的關(guān)注也越來越多，而節(jié)點間的共被引頻率和研究關(guān)系的遠近則用圓圈之間的連線及距離遠近表示，被引頻率和中心度較高的圓圈是2012年以來虛擬仿真技術(shù)在課程教學中應用的研究熱點[5]。取頻次＞36的關(guān)鍵詞作為高頻關(guān)鍵詞，且這些關(guān)鍵詞的中心度均≥0.1，都與虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的研究具有高相關(guān)性，國內(nèi)學者近10年的關(guān)注點集中在虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真、VR技術(shù)等在課程教學中的應用，以及在教學模式中的探索，其中在教學領(lǐng)域的虛擬仿真技術(shù)應用主要側(cè)重于實踐性教學課程，虛擬仿真實踐教學模式實現(xiàn)了教學課程實踐與信息技術(shù)的融合，成為當今中國高校實踐性教學課程最重要的教學手段之一[6-8]，見表1。

2.3? 關(guān)鍵詞聚類分析

得到共現(xiàn)圖譜后，根據(jù)關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系及強度，再基于聚類算法計算出聚類結(jié)果，最后按關(guān)鍵詞提取聚類標簽，共得到7個聚類標簽，使用對數(shù)似然率算法對聚類關(guān)鍵詞進行提取，見表2。關(guān)鍵詞聚類分析可以理解為對所有關(guān)鍵詞進行一定的主題分組，能夠更進一步地了解關(guān)鍵詞的內(nèi)在邏輯關(guān)系。一般認為，聚類效率＞0.5則是合理的聚類，而＞0.7聚類是高效的[5]。從表2得出，各聚類均＞0.7。

總體來看，7個類團之間具有很好的一致性。再根據(jù)發(fā)表論文關(guān)鍵詞發(fā)展路徑和發(fā)文時間分析，得出關(guān)鍵詞聚類時線圖，見圖3。聚類中的關(guān)鍵詞與時間之間的聯(lián)系可以通過該關(guān)鍵詞聚類時線圖看出，同一聚類中的關(guān)鍵詞位于同一坐標上，存在連線便表示關(guān)鍵詞之間出現(xiàn)了共現(xiàn)情況。從總體上看，虛擬仿真技術(shù)在我國當前的課程教學領(lǐng)域的應用是一個逐步發(fā)展演變的過程。

目前，國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的相關(guān)研究主要集中在該技術(shù)在課程教學以及教學模式上的研究。許多研究者從課堂教學內(nèi)容出發(fā)，研究關(guān)于某一類課程教學內(nèi)容的教學模式。比如馬利華[9]針對實驗類課程內(nèi)容的教學模式進行了研究，其特征是在虛擬實驗平臺上學習，實驗學習過程具有可逆性和學生自主學習；李振華[10]則探討研究了基于虛擬現(xiàn)實的技能訓練教學模式，該模式注重基于學科原理的動態(tài)場景和真實的技能應用環(huán)境中體驗技能，重點是評估培訓效果。

3? 討論

3.1? 發(fā)文量分析

從目前發(fā)表的關(guān)于虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域應用的文獻來看，該技術(shù)整體上呈現(xiàn)上升發(fā)展趨勢。這種技術(shù)剛出現(xiàn)時，人們對它的認識和了解還不足，同時研究及應用相對較少，發(fā)展速度也相對較緩慢，自2016年開始，該領(lǐng)域的研究論文數(shù)量迅速增加，說明信息技術(shù)的快速發(fā)展，是教育網(wǎng)絡化、信息化發(fā)展成為大趨勢的重要因素之一，而虛擬仿真技術(shù)也隨著這波大趨勢逐漸進入更多人的視野中，并得到重視和研究。虛擬仿真技術(shù)的不斷完善，再加上我國學者在涉及該項技術(shù)以及衍生技術(shù)的研究力度不斷加大，使得該方向的研究在教育領(lǐng)域更加多元化，如進入了醫(yī)學教育、機械教育等教育領(lǐng)域。此外，《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》將虛擬仿真技術(shù)列入三大信息技術(shù)，并提出在醫(yī)學、娛樂、藝術(shù)與教育、軍事和工業(yè)制造管理等多個相關(guān)領(lǐng)域重點研究虛擬仿真技術(shù)和系統(tǒng)[11]，在我國教育的發(fā)展中虛擬仿真技術(shù)扮演著重要的角色，因此，該項技術(shù)的發(fā)展前景是良好的。

3.2? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)、聚類分析

通過對關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和聚類分析，發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在課程教學領(lǐng)域中的研究主要體現(xiàn)在以下方面。

1）虛擬仿真技術(shù)的相關(guān)系統(tǒng)軟件的產(chǎn)品設計、研發(fā)和運用研究。虛擬仿真技術(shù)為教育領(lǐng)域的發(fā)展提供了巨大的支持和幫助，包括虛擬仿真技術(shù)的相關(guān)課程教學設備、平臺、環(huán)境以及相關(guān)配套技術(shù)，同時為學習者提供了可視化模型，都是該技術(shù)在課程教學領(lǐng)域中的重要體現(xiàn)。比如VR、虛擬仿真、增強現(xiàn)實[12]、人機交互[13]等，這些環(huán)境、輔助工具讓學生對教學內(nèi)容理解得更深刻。

2）將虛擬仿真技術(shù)教學應用重點放在移動教學[14]等方面，主要包含教學模式、實驗教學等。這些新興技術(shù)的出現(xiàn)為教學發(fā)展帶來了新的方法和方式，打破了以往的教學模式以及固化的教學思維。

3）虛擬仿真技術(shù)使學習者有了更豐富的學習情境和學習模式來選擇。通過搭建沉浸式的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，給學習者帶來視覺、聽覺、觸覺上的交互與學習體驗[1]。此外，根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的特性，能夠有效解決更多的教學問題，例如提供更多的教學資源，有效合理地利用現(xiàn)實教學場地并提供新的虛擬教學場地，提供危險性實訓操作的虛擬仿真平臺，減少由于教學過程不可逆而導致的教學資源浪費，提供更多的教學儀器設備以供選擇等。

但是，目前虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的實際應用也面臨著相應的困難及挑戰(zhàn)。

首先，虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的實際應用和對課堂教學方法的探索還不夠深入，在現(xiàn)階段主要在理論層面，并且由于VR課程的制作與設計一直面臨著一些問題，比如技術(shù)與課程之間融合不足等使得教學課程的設置和教學方法模式過于簡單，教學課程與教學內(nèi)容之間的匹配度并不高。這些也是現(xiàn)階段虛擬仿真技術(shù)在課程教學中所存在的主要問題，想要實現(xiàn)更有效的學習效果，就必須選擇更完善的教學模式及教學方法。

其次，由于滿足虛擬仿真技術(shù)所需的硬件配置要求過高，完整且成熟的軟硬件產(chǎn)品幾乎沒有，所以需要通過提高硬件配置的方式來創(chuàng)造良好的沉浸式體驗。

最后，如果長時間依賴該技術(shù)進行課程教學，學生對知識的掌握水平與成效很難衡量，因為虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境之間還存在著很明顯的差距，所以要構(gòu)建更合理、更完善的互聯(lián)網(wǎng)教育資源共享體系，防止重復建設，以及資源浪費，在全方位使用虛擬仿真技術(shù)教學資源的同時還應該認真規(guī)范管理這些教學資源，并建立與之相對應的合理考核評價標準，才能更好地促進虛擬仿真技術(shù)在課程教學中的應用。

4? 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)輔助課程教學有著突出的優(yōu)勢，能夠顯著提升學生學習的積極性和主觀能動性，尤其可以克服教學資源短缺、課堂教學場地不足、課堂教學過程不可逆等困難與問題，但虛擬仿真技術(shù)與課程教學的深度融合仍處在起步階段，相關(guān)核心技術(shù)有待深入研發(fā)和提升，在高校實驗教學中的運用也亟待完善。相信其在教育領(lǐng)域中的應用在未來必定不止于此，發(fā)展前景極為廣闊。在信息時代，虛擬仿真技術(shù)成為一種新興的技術(shù)手段，未來一定會成為全新的教育教學手段并且被廣泛應用，其將和傳統(tǒng)的教學模式相結(jié)合，創(chuàng)造和豐富教學課程與內(nèi)容，為學習者提供更加先進的智能學習環(huán)境，優(yōu)化并創(chuàng)造更多元化的教學方式，有效提升教學以及學習效果。

5? 參考文獻

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