我国虚拟现实教育现状的可视化研究

张钰川 等

李兆峰  冯小燕  索笑尘  胡萍

摘  要：随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实教育受到了研究者的广泛关注。文章借助CiteSpace可视化分析软件，从整体上考察近十年我国虚拟现实教育领域的发展脉络、研究热点和发展趋势。通过关键词共现分析发现：近十年在不同教育阶段，我国虚拟现实教育研究主题十分丰富，特别是对虚拟现实技术，虚拟仿真实验，增强现实结合虚拟现实改进教学等研究非常深入。通过分析突现词的变化发现：近十年，我国虚拟现实教育研究的前沿内容主要包含翻转课堂、人工智能、元分析、深度学习等。

关键词：虚拟现实；CiteSpace；文献计量；可视化分析

中图分类号：TP391.4  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）24-0135-08

Visual Research on the Current Situation of Virtual Reality Education in China

——Knowledge Graph Analysis Based on CiteSpace

ZHANG Yuchuan1， LI Zhaofeng1， FENG Xiaoyan1， 2， SUO Xiaochen1， HU Ping1

（1.School of Information Engineering， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang  453003， China;

2.Postdoctoral Innovation Practice Base， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang  453003， China）

Abstract： With the development of Virtual Reality technology， Virtual Reality education has received widespread attention from researchers. This paper uses CiteSpace visual analysis software to comprehensively examine the development context， research hotspots and trends of Virtual Reality education field in China in the past decade. Through keyword co-occurrence analysis， it is found that in the past decade， the research topics of Virtual Reality education in China have been very rich at different stages of education， especially the research on the field of Virtual Reality technology， virtual simulation experiments， and the combination of Augmented Reality and Virtual Reality to improve teaching is very deep. Through analyzing the changes in emerging words， it is found that in the past decade， the cutting-edge research on Virtual Reality education in China mainly includes flipped classrooms， Artificial Intelligence， meta-analysis， Deep Learning， and so on.

Keywords： Virtual Reality; CiteSpace; bibliometrics; visual analysis

0  引  言

虛拟现实（Virtual Reality， VR）技术兴起于20世纪60年代，是集立体显示技术和自然交互技术等多种技术于一体的综合性技术，借由虚拟显示环境可以模拟出在真实自然空间中的视觉和听觉等效果，并同时借助数字计算机、传感器系统等实现多种自然时空交互体验[1]。20世纪80年代，虚拟现实开始应用于教育领域，尤其是培训行业和职业教育领域[2]。20世纪90年代，美国率先将虚拟现实引入高等教育和基础教育中[3]。近年来，虚拟现实技术在我国教育领域中的应用也展示了促进教学变革的巨大潜力。国家各级政府部门、教育行业、工业信息化领域密切关注虚拟现实教育的未来发展并开展了各项研究。本研究以高质量的学术成果为基础，借助CiteSpace可视化分析软件，通过研究关键词共现、聚类分析、突现词变化分析等方面考察了近十年我国虚拟现实教育的研究现状，以期为后继研究者提供借鉴和参考，拓宽研究思路。

1  数据来源与研究方法

为了探明我国关于虚拟现实教育的研究状况，以中国知网为文献检索库，将搜索方式设置为高级检索，将主题词“VR”“虚拟现实”与“教学”“教育”“学习”组成联合词，以“VR”and“教学”或者“VR”and“教育”或者“VR”and“学习”或者“虚拟现实”and“教学”或者“虚拟现实”and“教育”或者“虚拟现实”and“学习”方式进行联合搜索，来源类别为核心期刊与CSSCI收录期刊，时间段设定为2011—2021年，共检索到911篇期刊论文。对初次检索到的文献逐一进行人工筛选，剔除与本主题相关性较弱的文章114篇，最终得到研究样本797篇。

本研究选用的分析工具是CiteSpace V（5.8.R3）软件。CiteSpace软件是陈超美教授基于Java开发的一款信息可视化软件，被广泛应用于识别并显示文献中的发展新趋势和新动态[4]。

2  研究产出分析

2.1  论文数量分布

如图1所示在本文检索条件下，国内关于虚拟现实教育领域研究的文献发布数量由2011年的46篇增长到2021年的156篇，表明近十年虚拟现实教育研究在国内发展迅速。具体来看，2011年到2013年属于虚拟现实教育的起步发展时期，相关文献研究数量趋于平稳，都在46篇左右。2014年到2017年属于虚拟现实教育的快速发展时期，在2014年3月，Facebook宣布收购Oculus，虚拟现实行业开始渐渐步入春天，虚拟现实技术在教育领域中的应用也逐渐广泛开展；2015年12月，乐视教育宣布切入虚拟现实领域；2016年3月，百度教育宣布将在贫困山区构建虚拟现实教室。同时从2014年直到2017年，相关文献数量一直呈增加趋势，文献增长势头于2017年达到一个峰值（113篇）。2017年以后属于虚拟现实教育的创新发展时期，发文数量呈现波浪上升的趋势。2018年发文量略微下降，可能是经过前几年高速增长，论文数量增长略显疲态。近年来，随着虚拟现实技术的迅猛发展和虚拟现实设备成本的不断降低，虚拟现实技术的应用重新吸引了广大教育研究者的目光，虚拟现实教育研究热度在2021年迎来了第二个高峰。

2.2  主要研究机构和合作网络分析

为了解该领域主要研究机构的发文数量与合作研究情况，将软件界面中网络配置区的节点类型设置为机构（Institution），对研究样本进行可视化处理。通过可视化处理结果发现：就研究机构的类别而言，绝大多数研究机构是国内重点高校的教育类院系，除了教育类院系，对虚拟实验需求很大的理工类研究型高校和行业特色类高校也是虚拟现实教育研究的主体，尤其是北京理工大学教育技术研究所，发文量最高，说明该研究所在虚拟现实教育研究领域具有很强的实力。就研究机构的地域分布而言，发文量前10名的机构大部分来自经济发达地区，分析其原因可能是进行虚拟现实教育研究，需要一定的资金支持。就研究机构合作网络来看，通过机构共现图谱发现，关于虚拟现实教育应用研究，研究机构组织间仍缺乏有效的信息交流，未建立起全面的合作体系。另外就主要研究机构的发文总量来看，研究样本为797篇，但表1中仅有35篇，表明虚拟现实教育研究主题散发、多点，对虚拟现实教育的研究整体上还处于萌芽爆发前期。

2.3  主要发文作者及合作网络分析

将软件界面中网络配置区的节点类型设置为作者（Author），得出的作者合作网络图谱如图2所示。通过学者间连线数量可以发现，可以看出高产作者之间连线较多，部分学者间形成了较小规模的合作网络，但总体上未形成较大规模的合作团队。在高校研究虚拟现实教育应用的学者们之间合作还不是很频繁，且往往联系比较紧密的学者都来自同一所高校。如果学者们能够跨学校，跨机构进行更多的合作，将更有有利于推进学术繁荣与创新。

通过统计分析作者发文数量，发现主要代表学者有张琳、李小平、陈建珍等，发文数量均在四篇及以上，此外通过表2可以更直观地观测到发文数量在前10名的作者。这些作者大部分来自国内重点的师范类或理工类高校，研究专业大多为教育学或计算机专业，可见对虚拟现实教育应用的研究离不开技术的支持和教育理论的指导。虚拟现实教育研究者的关注点不同，创新点上也颇不相同，但为推动虚拟现实教育的深入发展和教学创新都做出了积极的学术贡献，例如张琳的研究主要涉及“虚拟现实教学系统设计”“虚拟现实教学情境设计”等主题，同时还探索了虚拟现实与增强现实相结合的教学系统如何设计等问题。李小平与张琳的合作较为紧密，研究方向也基本一致，他们共同研究首次提出了建立一套基于虚拟现实体验式学习模式“VR/AR智能环境教学”的控制理论，有利于提高在虚拟现实智能环境下的实际教学质量[5]。高璐等人的研究方向集中于虚拟现实技术在口腔颌面解剖中的应用，以期为口腔医学临床教学提供更好的方法[6，7]。夏晓燕等人提出VR课程化外语具身教学设计的基本框架，并梳理了相关基本步骤，为VR在外语教学中的应用提供了创新思路[8]。虚拟现实教育应用的研究者虽然主要是计算机领域和教育学领域的专家，但也有来自其他各个学科领域的专家，例如医学、建筑学等，虚拟现实教育应用研究的主题十分丰富。

3  基于时间线图谱的发展脉络分析

将软件界面中网络配置区的节点类型设置为关键词（Keyword），对搜集到的文献进行裁剪，呈现出的时间线图谱如图3所示。按照关键词的出现顺序，近十年虚拟现实教育研究热点的演进大致可以分为三个阶段：

虚拟现实与教育结合的探索与尝试阶段（2011—2015年）。2011年，随着教育信息化的迅速发展，研究者逐步将虚拟实验与课程结合起来，进一步深化了虚拟现实技术在教育中的应用，同时一些高校也开始建设虚拟现实实验室。2014年智慧实验室、智慧教室的兴起也推动了虚拟现实教育的发展。该时期不仅涌现了大量关于虚拟实验教育的理论研究，还有不少学者对虚拟现实教育进行了实证研究，研究主题包括虚拟实验资源共享策略、虚拟实验教学方法等。该时期是虚拟现实教育的初步探索阶段，主要集中在对实验教学，实践教学，实训教学的研究和对vrml、三维动画、三维建模、虚拟仿真等技术的研究。

虚拟现实与教育结合的快速发展阶段（2016—2018年）。2016年，随着虚拟现实技术日益走向成熟，“VR +教育”逐步吸引国内眾多学者的视线，虚拟现实教育关注对象从虚拟现实系统的理论研究与应用开发转向到虚拟现实与多学科融合。教育部办公厅于2017年发布了关于组织开展高校示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，进一步激发了各高校科研院所和实验室对开展虚拟仿真实验教学活动的积极性[9]。这期间也是从教育信息化的1.0阶段向整个教育信息化阶段2.0阶段转变之后的特殊时期，虚拟现实教学建设开始成为我国2018年教育信息化发展的重点工作任务之一[10]，对照这一发展时期相关的研究文献，可以大致看到以虚拟现实平台为基础开展的“翻转课堂”以及“虚实结合课堂”等多种新型教学实践形式不断涌现，同时在教育实践领域增强现实技术与虚拟现实技术的有效融合的应用也逐步兴起。

虚拟现实与教育结合的应用创新发展阶段（2019年至2021年）。这个阶段的关键词主要集中在“在线教育”“混合现实”“云平台”“劳动教育”等，同时“具身体验”“情感计算”等关键词的出现说明将虚拟现实应用于教育教学领域时也开始逐渐关注学生的情感体验。2020年3月，中共中央、国务院发布了《关于全面加强新时代大中小学劳动教育的意见》[11]，再次强调了劳动教育的重要性。将虚拟现实、智能导师等新兴计算机技术引入学校课堂成为必然趋势，加强学生与机器的协作劳动，对于提升劳动教育的效率具有关键性意义[12]。2021年5G时代的来临也将给虚拟现实应用于教育教学领域的研究带来深远的影响。虚拟现实教育研究经历了前期技术开发研究和基础教学理论研究的快速起步发展的阶段后，开始渐渐走向以关注学生情感体验与教学模式创新研究为主的融合发展阶段。

4  基于关键词共现、聚类的热点研究领域分析

4.1  基于关键词共现的热点研究领域分析

研究热点是在某一时期能够吸引大多数学者进行的研究主题，也是有紧密联系文献所共同研究的问题[13]。将软件界面中网络配置区的节点类型设置为关键词（Keyword），筛选出词频数大于等于4的关键词并合并意思相近的关键词，绘制出虚拟现实教育研究的关键词共现图谱，可以直观看出节点较大的关键词，例如“虚拟现实”“增强现实”“虚拟仿真”“人工智能”等都是国内虚拟现实教育研究的高频关键词。

关键词中心度表示了该关键词作为中介的“桥梁沟通”能力，关键词的中心度取值越高，代表其对信息流动产生的媒介和传递作用越突出[14]。本研究筛选出的中介中心度排名前10的关键词如表3所示，“虚拟现实”“增强现实”“实验教学”“虚拟仿真”四个关键词不仅出现频次高，中心度也很高，说明这四个关键词既是该研究领域的关键节点也是研究热点。除了“虚拟现实”之外，“增强现实”出现频次最多，中心度最高，说明其是最为重要的一个节点。回溯相关领域的研究文献，增强现实之所以起到了重要的媒介和传递作用，是由于对虚拟现实教育应用研究往往还结合了增强现实技术。例如李亮等人就提出了以虚拟现实结合增强移动现实技术的复合型教学资源的设计方法[15]。孔玺等人研究过关于混合现实技术教育应用的现状[16]。其余关键词虽然出现频次不高，但它们同样在该研究领域中起到了重要的媒介和传递作用。结合“实验教学”和“虚拟仿真”等词出现的频次与中心度，可以看出虚拟现实教育领域的研究热点主要在实验研究（包含实验教学、实践教学、虚拟实验等）和技术理论研究（包含虚拟仿真、VR技术、人机交互等）两大领域。虚拟现实教育应用主要体现在利用虚拟仿真技术开展虚拟仿真实验教学。虚拟仿真实验教学与普通教学方法的不同之处就在于利用虚拟仿真技术开展实验实践教学可以让学生进行人机交互。另外“游戏化”“具身认知”“学习环境”等关键词体现出研究者较为关注虚拟现实教育中学生的学习体验，虚拟现实沉浸式的体验环境与学习者之间的交互更能激发学习者潜在的学习动机和探究兴趣，如图3所示。

4.2  基于关键词聚类的热点研究领域分析

为提高可视化程度，本文筛选出了如图5所示对关键词共现图谱进行提取处理的前8个聚类标签集团。通过分析每个类团研究的具体内容发现近十年我国虚拟现实教育的研究热点大致可以分为以下四个领域。

4.2.1  虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种能够促进教育教学发展的新型手段。分析聚类结果可以发现“虚拟现实”与“VR技术”这两个聚类里包含的高频关键词除去它们本身外还包括“AR技术”“混合现实”“在线教育”“5G时代”等。说明对虚拟现实技术的研究往往离不开对增强现实和混合现实的研究，许多学者都曾研究过虚拟现实、增强现实技术以及混合现实技术在教育领域中的综合应用。同时说明虚拟现实技术在在线教育中的应用也十分广泛，微课，慕课等新型教学模式的兴起在一定程度上也推动了虚拟现实技术在教育领域的发展。当前在线教育平面网页枯燥且过于单调，难以做到全面调动学生的学习积极性，导致学生参与感不强，而虚拟现实技术可以帮助教育工作者很好地解决这些问题。随着5G技术逐渐走入国民的生活，“VR+5G"技术也进入课堂，通过改变传统的教学模式，助力教育迈向现代化。

4.2.2  虚拟仿真实验教学

虚拟现实技术近年来在教育领域中取得的实际应用成效集中体现在开展虚拟仿真实验教学，虚拟仿真实验主要指利用虚拟仿真技术让学生在缺少真实的实验仪器和设备的条件下进行虚拟实验操作，达到实验教学的目的[10]。2013年，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，随后，全国高校相继响应国家号召，结合本校课程实际情况和专业特点，进行了一系列富有创新性的虚拟课程和虚拟仿真实验教学中心建设。虚拟仿真技术的研究就是对三维建模，三维仿真等技术的研究。从聚类结果来看，虚拟仿真实验被广泛应用于各个专业，例如安全教育，体育教学等。虚拟仿真既解决了实验、实践、实训教学存在的各种困难，同时也解决了学生动手能力弱、实操训练不足的短板问题。

4.2.3  增强现实

这个领域里包含的高频关键词除去“增强现实”外还包括职业教育，智慧实验，智慧教育等。增强现实技术允许用户看到真实世界以及融合于真實世界之中的虚拟对象，增强了用户与现实互动的体验[17]。增强现实技术和虚拟现实技术一样都是新兴教育技术手段，在教育教学中的应用也越来越广泛[18]。从聚类结果可以看出，增强现实技术往往应用于职业教育，智慧实验和智慧教育。增强现实技术在理工科学科的应用较多且对理工科学生的学习效果影响显著，而对文科学生学习相关课程的效果影响较弱。主要原因在于理工科领域的基础知识需要依靠大量实验获得，而增强现实技术恰好为此类课程打破了空间的界限，学生可以在增强现实环境中反复进行多次实验，解决了传统学习环境下实验设备、空间不足等问题。增强现实与虚拟现实技术的融合使用也是虚拟现实教育领域研究的一大热点问题。

4.2.4  人工智能

这个领域里包含的高频关键词除去它们本身外还包括教学模式，翻转课堂，未来课堂，虚拟课堂等。人工智能（Artificial Intelligence， AI），是一门综合了计算机科学、信息论、生理学等的交叉学科[19]。近几年随着人工智能相关理论的蓬勃发展，智能化（Intelligent）也成为虚拟现实技术除3I特性外又一大显著特征。人工智能的理论创新、技术变革为虚拟现实技术在教育领域进入一个新的发展阶段创造了良好的契机。人工智能的发展引起了传统教学模式的改变，翻转课堂，虚拟课堂等新兴教学模式逐渐受到广大教育工作者的青睐，将虚拟现实技术融合到翻转课堂中也是当前一大教育研究热点。将教育与人工智能结合成为教育发展的新取向，智能教育对教师教学和学生学习等产生了深刻的影响，加快了教育变革的步伐。同时5G技术以迅猛之势出现于社会大众视野中，5G为以网络技术为支撑的物联网、虚拟现实、人工智能等技术带来了新的突破和创新[20]。

5  基于突现词变化的前沿研究主题分析

通过分析如图6所示的突现词突显强度、出现时间及持续时间，本研究把近十年我国虚拟现实教育研究的前沿主题概括为以下三个。

5.1  虚拟现实技术重构翻转课堂教学模式

翻转课堂教学模式发挥了现代信息技术教育的特有优势，让学科教学理念从传统的“教为中心”逐渐转变向“学为中心”，受到广大教育工作者的青睐。随着虚拟现实等新兴技术的日益成熟和迅速发展，加快了传统教学模式变革的步伐。近年来，不少学者在虚拟现实技术的支持下对翻转课堂进行拓展创新，重构翻转课堂教学模式，促进了学生的个性化发展。虚实结合的翻转课堂模式，改变了教师主导教学的传统教学理念，让学生自主学习，充分发挥两者的主观能动性，沉浸式的课堂环境能有效激发学生的学习兴趣，有助于学生实现深度学习。未来虚拟现实技术将持续应用于教学模式的改革中，在新兴教学模式中发挥中坚作用。

5.2  采用元分析法对虚拟现实技术能否促进学习进行研究

元分析是指关于同一问题的多项独立研究结论不一致的情况下，按照一定操作程序抽取所需研究信息，并通过加权处理计算出整合后的合并效应值，从而获得更加客观、科学和广泛的研究结果[21]。随着教育领域实证研究越来越多，该方法在评价研究结论不一致的教育问题上得到了广泛应用。近年来在虚拟现实教育研究领域，就有不少学者针对虚拟现实技术能否促进学习这一问题采用元分析的方法进行研究，例如刘清堂等采用元分析方法，对国际上30项有关虚拟实验对学习效果影响的实验研究进行分析[22]，崔钰婷等利用元分析方法探索虚拟现实技术对学生学习绩效的影响，可见元分析在研究虚拟现实教育方面取得的成效方面具有卓越的应用价值[23，24]。

5.3  将虚拟现实技术融入课堂教学有效促进学习者进行深度学习

有研究认为深度学习是一种预期达到的目标，最终目的是让学生掌握未来学习与生活必备的知识与技能，包括核心学科知识的掌握、解决问题的意识和辩证性思维等基本能力，这些能力可以支持学生将知识联会贯通并进行实际应用，更加有效地解决实际问题，可以促进学生对经验和知识的深度理解以及有效迁移。虚拟现实的沉浸式体验恰好激发了学生的兴趣，使学生产生了在真实学习环境中无法充分提供的心流状态和交互感，能让学生更专注地投入到学习中。刘妍等人对虚拟现实（VR）沉浸式环境如何实现深度取向的学习投入这一问题展开了相关研究[25]，陈雨婷进行了深度学习视域下SVVR支持小学生写作学习的实证研究[26]。这些研究均证明合理地将虚拟现实技术融入课堂教学中可以有效促进学习者进行深度学习，学生在虚拟课堂中的全身心投入式体验学习可以促进其发生经验、知识迁移。信息化时代的教育对学生核心素养发展的十分重视，因此为探究信息化时代下如何促进学习者进行深度学习将会是研究者们持续关注的热点问题。

6  国内虚拟现实技术在教育领域应用研究的趋势展望

本研究借助 CiteSpace可视化分析软件发现：近十年，我国虚拟现实教育的研究热点主要集中在虚拟现实技术、虚拟仿真实验教学、增强现实和人工智能几大领域，而研究前沿主要包含翻转课堂、元分析、深度学习等主题。通过阅读研究样本文献分析，笔者认为我国虚拟现实教育研究具有以下发展趋势：

6.1  增强学习者与虚拟现实环境的互动

目前市面上開发的虚拟现实产品几乎都存在头戴设备的重量与体积过大、视域相对狭窄、使用体验不佳等问题。另外，在视觉、听觉等方面的体验感受，虚拟现实技术已经超越了传统的多媒体技术，但当虚拟现实技术应用于教育教学领域时，其沉浸性和交互性仍处于较低水平，大多只停留于桌面虚拟现实交互。虚拟现实在技术开发上的不足限制了虚拟现实在教育领域的应用。在未来，进一步增强学习者与虚拟现实环境的互动，提高学习者其他的感官体验将会是研究者们着重考虑的问题。

6.2  将技术理论与学习理论有机结合

虚拟现实技术虽然被广泛应用各个学科教学领域，但相关研究更多的是关注虚拟现实技术的应用效果，虚拟现实技术未能与教育有效的融合，有时甚至会增加学生的认知负荷，对学习效果产生负面的影响，造成这一现象的主要原因是缺乏通过结合虚拟现实技术发展原创理论和现有学习理论对学习效果影响机制的深入研究。在今后的虚拟现实教育研究中，学者们将不再只停留于对技术的追求，而是让技术理论与学习理论有机结合，更好地促进虚拟现实教育的发展。

6.3  加强教育实证研究

当前我国虚拟现实教育领域的文章多以理论构想为主，今后，我国虚拟现实教育研究者应提高方法论素养，更多地通过基于实证的方式使研究更具有说服力。当下的虚拟现实教育研究主要以量化研究方法为主，主题涵盖了以理工类为主的各门学科。大数据时代，许多研究者更青睐使用量化研究方法，但是由于教学的复杂性，仅利用量化研究难以探寻教学的本质。今后在虚拟现实教育领域的研究中学者们将更倾向于通过收集分析多模态的数据、规范量化数据汇报等方法来提高研究结果的信效度，有效指导虚拟现实技术在真实教育情境中的实践和应用。

7  结  论

目前虚拟现实教育的发展是技术在迎合教育信息化发展的需要，而正确的导向应该是以技术来引导教育的变革。就目前研究数据表明，虚拟现实教育具有良好的发展前景，将虚拟现实技术广泛地应用到教育教学领域是促进教育信息化快速发展的必要手段之一。在未来，虚拟现实技术不仅是一种教学工具，更应该与教育融合形成更多的新型教学模式和方法。虽然虚拟现实教育有着光明的发展前景，研究者们仍需用理性的目光看待虚拟现实技术的迅猛发展，虚拟现实教育研究中依旧存在许多问题有待解决，如技术、资金、教师能力水平等的限制；如何将虚拟现实技术与其他教育技术进行兼容形成教育产业链；如何结合虚拟现实技术和教学大纲等。今后还需要教育工作者的不断探索和实践，让其在教育领域中发挥最大的潜力，起到更为积极的作用。

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作者简介：张钰川（1999—），女，汉族，湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向：VR/AR教育应用研究；李兆峰（1978—），男，汉族，河南新乡人，硕士生导师，副教授，硕士研究生，研究方向：VR/AR教育应用。

收稿日期：2023-04-20

基金项目：国家自然科学基金项目（62207009）；河南省科技攻关计划项目（222102320111）；河南省哲学社会科学规划课题（2020CJY041）；河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2021SJGLX475）