基于CiteSpace的我国虚拟实验研究现状与趋势

田 夏， 孟 佳

(上海交通大学 教务处，上海 200240)

基于CiteSpace的我国虚拟实验研究现状与趋势

田 夏， 孟 佳

(上海交通大学 教务处，上海 200240)

虚拟实验是信息技术和学科专业深度融合的产物，虚拟实验的相关研究成为国内外研究热点。为更好地把握我国虚拟实验的研究方向和发展趋势，运用文献计量学和知识图谱研究的方法，对我国2001～2015年核心期刊发表的虚拟实验相关的研究论文进行统计分析。研究显示，我国虚拟实验研究主要分为“虚拟实验技术研究”和“虚拟实验教育研究”两大领域：“虚拟实验技术研究”随着研究前沿不断发展，集中关注虚拟仪器、虚拟现实技术、虚拟实验室3个领域；“虚拟实验教育研究”形成了“虚拟实验与教育结合的探索期”“教育信息化引导的过渡期”“以虚拟资源为核心的发展期”3个时期的演进。

虚拟实验； 文献计量； 研究现状

0 引 言

就广义角度而言，虚拟实验是指区别于实际动手实验，通过各种仿真手段实现的仿真实验。虚拟实验主要采用互联网和计算机技术，利用虚拟仪器、设备代替传统的实验仪器和实验设备进行实验，对实验结果的性能和实验过程进行预测和评价，从而缩短实验操作时间和设计周期，降低实验成本，体现环保与安全的理念[1-2]。到目前为止, 虚拟实验已经历了思想实验，计算机仿真和虚拟现实3个阶段[3]。国外虚拟实验发展较为迅速，自从1989 年美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫(William Wolf)教授提出“虚拟实验”的概念以来，虚拟实验系统的开发与应用就得到了迅速发展，国外很多高校、研究机构均投入大量的人力、物力和财力去设计、开发虚拟实验系统，虚拟实验的相关研究不断深入，应用不断普及[4]。虚拟实验能缩短实验操作时间和设计周期，降低实验成本，减少仪器设备的损坏，还可以避免真实实验或操作所带来的各种危险，实现资源共享，能有效解决真实实验资源不足的现状。我国虚拟实验的研究起步较晚，但是发展速度较快,国内部分大学已陆续建立了虚拟实验系统，全国目前已经建立300家虚拟仿真实验教学示范中心，覆盖27个省市自治区。

为更好地把握我国虚拟实验的研究方向和发展趋势，本文运用文献计量学和知识图谱研究的方法，对虚拟实验相关的研究进行统计分析，以期揭示我国虚拟实验研究状况和特点，为我国虚拟实验研究的进一步推进提供借鉴和参考。

1 数据获取与研究方法

本文选择了北大中文核心期刊数据库作为数据收集来源，从中国知网(CNKI)中选取2001～2015年核心期刊为来源期刊，在“主题”栏键入“虚拟实验”(数据库检索时间截止为2016年3月20日)，从检索到的836篇论文中剔除8篇非学术论文，然后将检索数据进行格式转换，建立起了828篇虚拟实验研究论文的EXCEL数据表。

CiteSpace是由美国陈超美博士团队开发的一款可视化科学文献趋势动态分析软件，可系统对学科发展轨迹和前沿进行汇总分析，在社会科学研究领域起到了广泛的应用[5]。利用上述从CNKI获取到的数据进行Ref格式数据转换，通过构建知识图谱的方法研究2001～2015年15年来“虚拟实验”领域的研究趋势和研究热点。研究使用CiteSpace3.0.R6版本进行知识图谱研究分析：将时区跨度分割设定在2001～2015；单个时间分区为1年；主题聚类词来源选择标题、摘要、作者关键词与关键词累加；前中后阈值分别为(2,2,20)、(4,3,20)、(4,3,20)；修饰算法选择最小生成树算法和修剪切片网络；可视图显示选择静态聚类视图和合并网络视图。主题聚类词类型选择名词短语，生成关键词聚类图谱；主题聚类词类型选择膨胀词，生成前沿关键词时区图谱，并使用上述两大图谱展开研究工作。

2 研究产出分析

2.1论文数量分布

根据虚拟实验相关论文发文期刊统计(表1)，排序前3位的依次是《实验室研究与探索》(142篇)、《实验技术与管理》(139篇)和《中国电化教育》(23篇)。论文数排序前10的刊物中，包含自然科学总论(实验技术)类、计算机类、教育技术学与机械类刊物等，其中自然科学总论(实验技术)类刊物发文量占总发文数1/3，且远高于其刊物，表明虚拟实验领域的研究期刊较为集中，此外计算机领域研究刊物也发表大量的虚拟实验研究相关论文。

表1 发文刊物分析

根据发文数量年度统计分析表明(见图1)，关于虚拟实验的研究论文从2001年(16篇)到2010年(94篇)呈现整体递增趋势，自2011年之后出现波动，但整体数目稳定但有所下降。基金支持率年度分析表明(见图2)，基金资助论文比率从2001年的31.3%整体呈现逐步攀升趋势，2015年达到最大值90.7%，表明我国研究领域对于虚拟实验的问题越来越重视。

图1 发文数量年度分析

图2 基金支持论文率年度分析

2.2发文机构分析

根据发文数量进行排序(见表2)，其中排名前3的发文机构依次是华中科技大学(26篇)、吉林大学(25篇)和大连理工大学(21篇)，同时海军航空工程学院、南京航空航天大学、中国矿业大学等行业特色类高校也在虚拟实验研究领域投入研究，理工类研究型高校和行业特色类高校成为虚拟实验研究的主体。由于航空、矿业领域学生实验受到环境、场地、设备限制较多，因此虚拟实验需求更大。

表2 第一作者所在机构分析

2.3作者分析

将828篇文章作者按照作者人数统计分析表明(表3)，2～4人的合作研究共计601篇，占到了总数的72.5%，成为了虚拟实验研究的主要形式。虚拟实验由于对研究者的理论知识背景和实践经验都有一定要求，领域的研究成员主要以多人合作的研究形式为主。

表3 作者人数分析

2.4研究分类分析

828篇文章按照中国知网的学科分类(见表4)，学科分类排名前三的学科类别依次为计算机软件及计算机运用(425篇)、高等教育(74篇)、教育理论与教育管理(68篇)。其中计算机学科领域占“虚拟实验”研究的半数以上，教育类学科(包含高等教育、教育理论与教育管理、职业教育、成人教育等)研究约占“虚拟实验”研究的20%。

表4 研究分类分析

*根据CKNI分类，小部分论文存在归属多个分类的现象

3 知识学分析

关键词聚类图谱反映研究的演进情况，根据关键词聚类图谱(见图3)和频次靠前的关键词分析(见表5)，我国虚拟实验相关研究主要集中在“实验教学”、“虚拟实验室”、“虚拟现实”、“虚拟仪器”等主要研究领域。关键词中心中介度(见表6)表明该关键词在整个知识图谱中的信息连接沟通作用，其中“虚拟实验室”、“虚拟现实”、“Web”等关键词起到了研究中连接各关键词的纽带作用。

图3 关键词聚类图谱

表5 频次前6位的关键词

表6 中心中介度前6位的关键词

膨胀值(Burst)表明关键词在某个时间段激增情况(见表7)，一定程度蕴含了该关键词研究兴趣的产生，其中“modelica”、“虚拟技术”、“vrml”、“云计算”等高膨胀值关键词较为突出。通过前沿关键词时区图谱(见图4)，自2001～2015年，我国“虚拟实验”相关研究大致呈现“虚拟实验技术发展”、“虚拟实验教学发展”两大维度研究热点。

4 总结与讨论

针对我国虚拟实验研究的发展，虚拟实验的研究主要分为“虚拟实验技术研究”和“虚拟实验教育研究”两大块，两大块研究呈现不同的发展趋势。

图4 前沿关键词时区图谱

表7 高膨胀值关键词列表

4.1“虚拟实验”技术研究热点的演进与特点

4.1.1“虚拟实验”技术研究热点的演进

虚拟技术是一系列高新技术的集合，汇集了计算机图形学、计算机仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、仿真技术、人机接口技术、传感器技术以及图像实时生成技术等多项技术。随着飞速发展的高性能计算机硬件设施和计算机软件的不断发展，“虚拟实验”以其低成本性、高效性、开放性等优势，已经成为技术研究的热点内容。

2001～2015年，随着计算机技术的日新月异，针对“虚拟实验技术”主要研究“虚拟仪器”、“虚拟现实”、“虚拟实验室”，把互联网技术、动画技术以及虚拟现实等技术引入到虚拟实验设计中，从技术的角度进行虚拟实验可行性和实现性的研究。

(1) 2004年以前，技术研究关注于引进国外虚拟实验软件投入教学活动，该时期虚拟实验技术研究主要集中在软件技术应用层面，如运用labview，matlab等虚拟实验软件代替传统的真实的实验器材和实验环境，完成教学活动。

(2) 2004年起，“虚拟技术”成为“虚拟实验”领域的研究前沿，研究集中关注各类虚拟技术如何应用于虚拟实验中，该时期涌现出大量“虚拟技术”相关的研究。部分虚拟实验技术研究将Flash技术应用于虚拟实验，Flash具有操作简便、矢量图形设计、编程元素丰富、强大的多媒体支持功能等优点，基于Flash的虚拟实验提供了综合性的操作交互，并且能模拟传统现场实验的环境。部分研究运用VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)搭建虚拟实验平台，VRML提供了建造虚拟现实空间所需要的图像模型和结构框架，提供一些简单的基本形状节点来建模复杂的3D模型，如用于虚拟一些实验仪器，或是虚拟真实的实验室环境。此外VRML技术也规定了网络的通讯规范和相应的用户交互装置 ,用户可以利用网上的服务器/浏览器模式来设计网上虚拟实验，VRML的平台独立性、低带宽要求、灵活高效地创建三维场景使得VRML技术在虚拟实验方面有着良好的性能，但VRML交互性差，需要借助Java 语言或C++语言进行编程才能实现复杂的交互功能[9-10]。为解决虚拟现实开发平台的复杂性问题，部分研究关注Virtools应用于虚拟实验的场景，Virtools作为一种快速便捷的专业虚拟现实设计开发平台，可以快速简便设计3D 应用程序，极大程度降低了开发难度[11]。2010年起，研究前沿集中于解决复杂物理系统多领域统一建模与仿真问题而提出的一种面向对象基于方程的陈述式建模语言——Modelica。

(3) 2012年开始，云计算兴起，云计算与虚拟实验融合成为虚拟实验研究领域的前沿。云计算应用于虚拟实验中可以将本地或异地的不同实验用户与虚拟实验室联结起来共享一个虚拟的实验空间，集合本地实验和远程实验，实现虚拟实验教学和管理，此外云计算对用户端设备要求低、使用方便，可以实现不同实验室甚至不同高校间实验室软硬件资源共享，最大程度降低资源重复浪费状况，集中化管理各虚拟实验室相对零散的资源，实现资源的统一调度、灵活移植和共享应用[12-13]。

4.1.2“虚拟实验”技术研究的特点与不足

随着虚拟实验技术研究不断发展，使用专用的计算机软硬件仪器资源，改变传统实验仪器的使用方式的“虚拟仪器”；通过模拟人与周围真实环境交互方式而建立的“虚拟现实技术”；通过基于图像的虚拟现实技术、硬件实验资源、软件实验资源构成的“虚拟实验室”成为虚拟实验技术的3个主要研究领域。

2001～2015年,“虚拟实验”技术研究发展不断深入，但也呈现“虚拟实验研究通用型平台开发不足”“缺乏统一的虚拟实验技术开发标准”“虚拟实验技术理论研究缺乏”三大不足。

(1) 虚拟实验研究通用型平台开发不足。由于虚拟实验研究平台开发技术繁多，纵观2001～2015年虚拟实验技术的相关研究，相关技术的研究均局限于某个具体领域，甚至某一门课程，普遍缺乏通用型的虚拟技术开发平台，直接导致研究各自为政，造成重复开发，资源浪费，虚拟实验技术研究的论文被引率不高一定程度反映了这一问题。

(2) 缺乏统一的虚拟实验技术开发标准。随着虚拟技术不断发展，各类技术开发缺乏一套统一的开发描述标准，导致虚拟试验技术难以跨平台构建，已有的技术可移植性差，无法继承已有的技术进行进一步研究，导致虚拟实验技术研究呈现相对分散的趋势。

(3) 虚拟实验技术理论研究缺乏。虚拟实验技术的研究应用领域较多，深入的、对虚拟实验技术发展的原创理论研究和技术研究缺乏，成为虚拟实验技术进一步发展的阻力。

4.2“虚拟实验”教育研究热点的演进与特点

4.2.1“虚拟实验”教育研究热点的演进

2001～2015年“虚拟实验”教育研究热点大致分为“虚拟实验与教育结合的探索期”(2001～2010年)、“教育信息化引导的过渡期”(2011～2012年)、“以虚拟资源为核心的发展期(2013年以后)”3个时期。

(1) 虚拟实验与教育结合的探索期(2001～2010年)。这一时期虚拟实验教育研究处于发展初期，虚拟实验教育研究处于萌芽状态，相关研究数量较少，该时期对虚拟实验教育的认知比较局限，大量的虚拟实验教育相关研究集中关注远程教育与互联网教学，将虚拟实验作为互联网远程教育的方式之一，或者将虚拟实验与各类信息管理系统结合。

(2) 教育信息化引导的过渡期(2011～2012年)。2011年随着教育信息化的不断发展，针对虚拟实验教育领域，开始有了一些虚拟实验与课程结合、虚拟实验室构建和虚拟实验设计等。2012年3月，教育部发布《教育信息化十年发展规划(2011～2020年)》，明确教育信息化对于促进教育公平、提高教育质量、创新教育模式的支撑和带动作用，同时明确要求开发整合各类优质教育教学资源，加强教学实验平台等信息化建设[14]。随着规划的发布，2012年的虚拟实验教育研究出现鲜明的教育信息化趋势，涌现出实验教学系统设计、虚拟实验辅助实体实验、虚拟实验体系与教学等一系列的研究。

(3) 以虚拟资源为核心的发展期(2013年以后)。2013年起，教育部发布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，将虚拟仿真资源建设、虚拟仿真实验教学的管理、虚拟实验教学师资队伍和虚拟实验教学中心管理体系作为建设内容，其中虚拟仿真资源共享作为虚拟仿真实验教学示范中心的重点[15]。本着虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，随着虚拟实验教学示范中心建设的逐步推进，虚拟实验教育研究迎来了以虚拟资源为核心的发展期。该时期涌现大量针对虚拟实验教育相关的研究，包括虚拟实验资源共享策略、虚拟实验示范中心建设、虚拟实验教学体系研究、虚拟实验管理体系研究和虚拟实验教学方法等，该时期的研究基本与国家政策和教育部针对虚拟仿真实验教学中心的工作重点吻合。

4.2.2“虚拟实验”教育研究的特点与不足

虚拟实验教育研究取得了一定的成就，形成了良好的发展形势，呈现“研究领域逐步稳定”“密切关注政策热点”两大特点。

(1) 研究领域逐步稳定。根据发文数量年度分析，近年来虚拟实验教育研究数量逐步提升且趋于稳定，理工类和行业特色类高校成为研究主力；此外，大量的研究基金用于支持虚拟实验教育研究，该研究领域将获得更多的研究资源。随着3个时期的演进，未来研究热点将集中于“虚拟实验教学资源”“虚拟实验教学方法”“虚拟实验示范中心”等研究热点。

(2) 密切关注政策导向。虚拟实验教育研究不仅是一项研究问题，同时也是一项政策实施问题。15年的研究过程中，虚拟实验教育的研究方向紧跟政策制度导向，积极研究探讨改革和发展中的问题，体现了良好的与时俱进的特点。

由于虚拟实验教育的自身特点，我国虚拟实验教育研究也存在“教学资源建设共享不足”“与教学大纲结合不足”两大弊端。①教学资源建设、共享不足。虚拟实验起源于互联网对时空局限的突破，具有可靠、安全、经济的优势，同时也对教学资源和资源共享具有较大的需求。虚拟实验教学资源建设与共享呈现明显的政策敏感性，目前虚拟实验资源建设缺乏顶层设计，间接导致虚拟实验教学资源缺乏建设、共享、运行模式标准研究，导致优质虚拟实验教学资源建设不足、共享机制存在一定程度不完善。②与教学大纲结合不足。虚拟实验教学在实施过程中应该树立教学大纲的核心地位，虚拟实验应该与实体实验结合，通过转变教学手段与方法，最终满足教学大纲的需求。目前我国的虚拟实验教学研究，教学大纲和虚拟实验结合不足，导致虚拟实验教学过程中“虚实结合”的研究总体仍然偏少。

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[15] 中华人民共和国教育部. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函[2013]94号) [EB/OL].http://www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.2013-8-13.

TheCurrentSituationandProspectofChinaVirtualExperimentResearchBasedonCiteSpace

>TIANXia,MENGJia

(Academic Affairs Division, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Virtual experiment, a hot research area, is a combination of information technology and academic disciplines. With the methods of paper output, word frequency analysis, CiteSpace knowledge mapping and content analysis, this paper has a bibliometric analysis of the distributions and themes of the GCJC papers in recent 2001-2015 about virtual experiment research in China. Studies show that virtual experiment research in China is mainly parted in two fields, the research of virtual experiment techniques and the research of virtual experiment education. The research of virtual experiment techniques focuses on the virtual facilities, virtual reality technology and virtual lab. The research of virtual experiment education has developed the evolution of three periods, the exploration period of the virtual experiment and education’s combination, the transition period of educational information guidance and development period with virtual resources as the core.

virtual experiment; bibliometrics; research status

G 642.0

A

1006-7167(2017)09-0097-05

2016-12-01

2016年上海交通大学实验室创新研究课题(16SG-011)

田 夏(1985-)，男，湖北武汉人，硕士，助理研究员，研究方向为实践教学、创新创业教育。Tel.021-34206468；E-mail：tianxiabest@sjtu.edu.cn