近十年國內虛擬仿真技術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，運用虛擬仿真技術參與課堂教學將成為中國高等教育教學未來發展的重要趨勢。利用CiteSpace軟件對我國虛擬仿真技術在課程教學領域的發展情況進行研究，尋找研究重點及熱點，剖析演化趨勢，推進虛擬仿真技術在課程教學中的應用，為我國虛擬仿真技術在課程教學領域的發展提供參考與幫助。

關鍵詞? 虛擬仿真技術；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展的重點。

虛擬仿真技術是在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物，是一種更高級的仿真技術，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容[1]。我國對虛擬仿真技術的研究始于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具有家國情懷，追求卓越，引領未來的高質量人才，需要理論和實踐相結合。但是在教學過程中，由于教學實驗儀器更新較慢及數量不足直接影響了教學質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新，以便使培養的學生適應社會發展的需求。

虛擬仿真技術與課程教學有機結合，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動，進而提升其主動學習能力。

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

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

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有關虛擬仿真技術在課程教學領域相關的文獻。檢索式：（虛擬仿真技術OR VR OR 虛擬現實）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，并納入與主題相關的文獻，同時手工篩選排除學位論文、學術會議報告、重復發表的文章和沒有獲得權限的文章等。

1.2? 文獻計量和可視化分析方法

利用CiteSpace 5.8.R3軟件，對CNKI數據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數據庫，將檢索篩選出來的文獻數據生成Refworks格式的文件，然后轉換成WOS數據格式，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軟件中進行發文量和關鍵詞的可視化分析。

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，節點類型選取關鍵詞做共現及聚類分析，繪制可視化圖譜以可視化形式呈現相應科學知識圖譜，并分析虛擬仿真技術在課程教學領域的研究熱點等。

2? 結果

2.1? 發文量

在2012—2022年（截止日期為2022年10月31日），CNKI共納入759篇。發表論文年度趨勢見圖1。由圖1可以看出，最近10年國內關于虛擬仿真技術在相關課程教學中應用方面的發文量總體上呈現波動上升趨勢；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文獻的數量出現明顯增長，且在2016年后增速明顯；2017—2019年間發文量上升較慢但保持穩定狀態；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注。

2.2? 關鍵詞共現分析

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

圖2中，每個圓圈代表一個關鍵詞，圓圈越大，就意味著被引用的頻率越高，所受到的關注也越來越多，而節點間的共被引頻率和研究關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在課程教學中應用的研究熱點[5]。取頻次＞36的關鍵詞作為高頻關鍵詞，且這些關鍵詞的中心度均≥0.1，都與虛擬仿真技術在課程教學中的研究具有高相關性，國內學者近10年的關注點集中在虛擬現實、虛擬仿真、VR技術等在課程教學中的應用，以及在教學模式中的探索，其中在教學領域的虛擬仿真技術應用主要側重于實踐性教學課程，虛擬仿真實踐教學模式實現了教學課程實踐與信息技術的融合，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? 關鍵詞聚類分析

得到共現圖譜后，根據關鍵詞之間的共現關系及強度，再基于聚類算法計算出聚類結果，最后按關鍵詞提取聚類標簽，共得到7個聚類標簽，使用對數似然率算法對聚類關鍵詞進行提取，見表2。關鍵詞聚類分析可以理解為對所有關鍵詞進行一定的主題分組，能夠更進一步地了解關鍵詞的內在邏輯關系。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。再根據發表論文關鍵詞發展路徑和發文時間分析，得出關鍵詞聚類時線圖，見圖3。聚類中的關鍵詞與時間之間的聯系可以通過該關鍵詞聚類時線圖看出，同一聚類中的關鍵詞位于同一坐標上，存在連線便表示關鍵詞之間出現了共現情況。從總體上看，虛擬仿真技術在我國當前的課程教學領域的應用是一個逐步發展演變的過程。

目前，國內虛擬仿真技術在課程教學中的相關研究主要集中在該技術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容出發，研究關于某一類課程教學內容的教學模式。比如馬利華[9]針對實驗類課程內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實的技能訓練教學模式，該模式注重基于學科原理的動態場景和真實的技能應用環境中體驗技能，重點是評估培訓效果。

3? 討論

3.1? 發文量分析

從目前發表的關于虛擬仿真技術在課程教學領域應用的文獻來看，該技術整體上呈現上升發展趨勢。這種技術剛出現時，人們對它的認識和了解還不足，同時研究及應用相對較少，發展速度也相對較緩慢，自2016年開始，該領域的研究論文數量迅速增加，說明信息技術的快速發展，是教育網絡化、信息化發展成為大趨勢的重要因素之一，而虛擬仿真技術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。虛擬仿真技術的不斷完善，再加上我國學者在涉及該項技術以及衍生技術的研究力度不斷加大，使得該方向的研究在教育領域更加多元化，如進入了醫學教育、機械教育等教育領域。此外，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》將虛擬仿真技術列入三大信息技術，并提出在醫學、娛樂、藝術與教育、軍事和工業制造管理等多個相關領域重點研究虛擬仿真技術和系統[11]，在我國教育的發展中虛擬仿真技術扮演著重要的角色，因此，該項技術的發展前景是良好的。

3.2? 關鍵詞共現、聚類分析

通過對關鍵詞共現分析和聚類分析，發現虛擬仿真技術在課程教學領域中的研究主要體現在以下方面。

1）虛擬仿真技術的相關系統軟件的產品設計、研發和運用研究。虛擬仿真技術為教育領域的發展提供了巨大的支持和幫助，包括虛擬仿真技術的相關課程教學設備、平臺、環境以及相關配套技術，同時為學習者提供了可視化模型，都是該技術在課程教學領域中的重要體現。比如VR、虛擬仿真、增強現實[12]、人機交互[13]等，這些環境、輔助工具讓學生對教學內容理解得更深刻。

2）將虛擬仿真技術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。這些新興技術的出現為教學發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實環境，給學習者帶來視覺、聽覺、觸覺上的交互與學習體驗[1]。此外，根據虛擬仿真技術的特性，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，目前虛擬仿真技術在課程教學中的實際應用也面臨著相應的困難及挑戰。

首先，虛擬仿真技術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，教學課程與教學內容之間的匹配度并不高。這些也是現階段虛擬仿真技術在課程教學中所存在的主要問題，想要實現更有效的學習效果，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所需的硬件配置要求過高，完整且成熟的軟硬件產品幾乎沒有，所以需要通過提高硬件配置的方式來創造良好的沉浸式體驗。

最后，如果長時間依賴該技術進行課程教學，學生對知識的掌握水平與成效很難衡量，因為虛擬環境和現實環境之間還存在著很明顯的差距，所以要構建更合理、更完善的互聯網教育資源共享體系，防止重復建設，以及資源浪費，在全方位使用虛擬仿真技術教學資源的同時還應該認真規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在課程教學中的應用。

4? 結束語

虛擬仿真技術輔助課程教學有著突出的優勢，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，但虛擬仿真技術與課程教學的深度融合仍處在起步階段，相關核心技術有待深入研發和提升，在高校實驗教學中的運用也亟待完善。相信其在教育領域中的應用在未來必定不止于此，發展前景極為廣闊。在信息時代，虛擬仿真技術成為一種新興的技術手段，未來一定會成為全新的教育教學手段并且被廣泛應用，其將和傳統的教學模式相結合，創造和豐富教學課程與內容，為學習者提供更加先進的智能學習環境，優化并創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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