杜 慧，柏江竹，王 懂，周榮庭

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 科技傳播系, 合肥 230026;2.安徽新華傳媒股份有限公司沉浸式媒體技術(shù)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230026)

隨著數(shù)字技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，生物學(xué)教學(xué)方式從基于生物材料的“濕實(shí)驗(yàn)”教學(xué)和借用簡(jiǎn)單的多媒體技術(shù)的教學(xué)發(fā)展衍生出沉浸式媒體技術(shù)輔助的教學(xué)方法，在醫(yī)學(xué)生物學(xué)、外科學(xué)、人體工學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科的教學(xué)中均展現(xiàn)出相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)和潛力。沉浸式媒體作為一種通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等感知覺(jué)通道為用戶帶來(lái)沉浸式體驗(yàn)的媒體技術(shù)[1]，可以輔助學(xué)習(xí)者主動(dòng)投入學(xué)習(xí)、提升認(rèn)知、培養(yǎng)移情和關(guān)聯(lián)能力[2]。借助沉浸式媒體，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以靜態(tài)、二維和單向傳播的內(nèi)容，可變?yōu)橐詣?dòng)態(tài)、三維和交互性方式呈現(xiàn)，從而增強(qiáng)教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果，具有重要的實(shí)踐意義。近年來(lái)在生物學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，以虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的沉浸式媒體技術(shù)被越來(lái)越多地運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐，改變了當(dāng)前的教育教學(xué)形態(tài)，推動(dòng)和引領(lǐng)了生物教學(xué)和現(xiàn)代化信息技術(shù)尤其是新媒體技術(shù)的融合與創(chuàng)新。

研究采取廣義上的定義，將當(dāng)前采用可穿戴式設(shè)備的和基于桌面屏幕設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)分支作為沉浸式媒體技術(shù)，以便涵蓋相關(guān)研究。具有沉浸性、交互性與構(gòu)想性特征的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用方興未艾，且改變傳統(tǒng)教育模式的效果已初見(jiàn)端倪，將對(duì)生物實(shí)驗(yàn)的技術(shù)和教學(xué)產(chǎn)生重大影響[3-4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的“境身一體”的虛擬學(xué)習(xí)空間可以提供沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維和想象力[2]。

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)室等多種場(chǎng)景在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也逐步凸顯，除了輔助高校的科研工作外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也具有利用率高、易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)根據(jù)真實(shí)的生物實(shí)驗(yàn)過(guò)程和場(chǎng)景構(gòu)建出的虛擬實(shí)驗(yàn)室，在涉及超乎日常經(jīng)驗(yàn)的微觀領(lǐng)域或涉及成本高、難度大、危險(xiǎn)性高的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的情況下，可發(fā)揮超越傳統(tǒng)“濕實(shí)驗(yàn)”的低成本、便利性、安全性和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)。推進(jìn)生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)、應(yīng)用和推廣是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和動(dòng)力[6]。

國(guó)外很多學(xué)者早在20世紀(jì)90年代就已開(kāi)始相關(guān)研究，如意大利學(xué)者Riva[7]在2000年提出VR技術(shù)在臨床和教育實(shí)踐中的應(yīng)用。

綜上，沉浸式媒體技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)中已經(jīng)產(chǎn)生巨大影響，然而目前尚沒(méi)有系統(tǒng)地分析國(guó)內(nèi)外研究狀況的相關(guān)文獻(xiàn)。因此，本研究采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)進(jìn)行采集和分析，尤其對(duì)國(guó)外研究進(jìn)行梳理，旨在明確中外的研究重點(diǎn)及差異，為我國(guó)的相關(guān)研究提供參考。

1 研究方法

以沉浸式媒體輔助的生物學(xué)教學(xué)的研究文獻(xiàn)為對(duì)象，通過(guò)共詞分析、共現(xiàn)分析等文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對(duì)收集到的研究文獻(xiàn)進(jìn)行剖析，并結(jié)合可視化技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，從而以直觀和量化的形式明確這個(gè)研究領(lǐng)域的知識(shí)背景和研究前沿，同時(shí)嘗試定位本領(lǐng)域的研究趨勢(shì)和未來(lái)研究方向。在這些文獻(xiàn)中，當(dāng)多個(gè)術(shù)語(yǔ)被列為同一篇文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞時(shí)，它們之間就具有共現(xiàn)關(guān)系并建立連接，得到關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)，即共詞分析網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)關(guān)鍵詞成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其連接以邊的形式呈現(xiàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的大小與其共現(xiàn)頻次成正比，因而可以表示該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性[8]。通過(guò)共詞網(wǎng)絡(luò)追蹤關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)從而跟蹤此領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢(shì)。

借助Chen[9]開(kāi)發(fā)的文獻(xiàn)計(jì)量軟件CiteSpace和Van eck等[10]開(kāi)發(fā)的文本挖掘和可視化分析軟件VosViewer進(jìn)行共現(xiàn)分析。CiteSpace軟件內(nèi)置的標(biāo)簽提取算法(如Log-Likelihood Ratio, LLR算法)[11]等，均具有研究支持，感興趣的讀者可根據(jù)參考文獻(xiàn)深入了解，VosViewer中的相關(guān)算法也同樣獲得驗(yàn)證。

2 數(shù)據(jù)收集

為了獲得這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展全貌，對(duì)中外的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行比較分析，明確中西方的研究重點(diǎn)及其差異。因此，本研究選取的數(shù)據(jù)來(lái)自兩方面：其一是Web of Science(WoS)核心合集，包括Science Citation Index、Social Science Citation Index和Arts & Humanities Citation Index等3個(gè)權(quán)威檢索，時(shí)間區(qū)段是所有年份，檢索時(shí)間為2021年5月16日，文獻(xiàn)類型為研究論文；其二是中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)，包括所有期刊論文數(shù)據(jù)，檢索時(shí)間同上。本文的檢索詞包括3個(gè)方面，即沉浸式媒體、生物學(xué)和教學(xué)。沉浸式媒體包括虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在生物學(xué)教學(xué)場(chǎng)景中還包括虛擬仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)等。在生物學(xué)方面，本文根據(jù)國(guó)家的學(xué)科分類和檢索詞的包含關(guān)系，對(duì)檢索詞進(jìn)行了豐富，教學(xué)方面則使用常用的同義詞。

綜合以上，在中國(guó)知網(wǎng)上使用高級(jí)檢索方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，檢索式為“SU=(′沉浸式媒體′+′虛擬現(xiàn)實(shí)′+′增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)′+′混合現(xiàn)實(shí)′+′虛擬仿真′+′虛擬實(shí)驗(yàn)′+′仿真實(shí)驗(yàn)′)and SU=(′生物′+′細(xì)胞′+′基因′+′蛋白質(zhì)′+′酶′+′生態(tài)學(xué)′+′植物′+′動(dòng)物′+′心理學(xué)′+′遺傳′+′昆蟲(chóng)′+′病毒′+′生理學(xué)′)and SU=(′教育′+′教學(xué)′+′課程′+′人才培養(yǎng)′)”，共檢索到604條中文文獻(xiàn)，去除5條非研究論文的無(wú)效文獻(xiàn)后，剩余599條。

采用同樣的檢索詞拓展方法，在Web of Science上使用高級(jí)檢索，本研究獲得310條文獻(xiàn)記錄。檢索式為“TS=(″immersive media″ OR ″virtual reality″ OR ″augmented reality″ OR ″mixed reality″ OR ″simulation experiment″)AND TS=(teach* OR educat* OR tutoring OR pedagog* OR schooling)AND TS=(biolog* OR ″DNA″ OR ″RNA″ OR ″protein″ OR ″microbiolog*″ OR ″bioinformatics″ OR ″genetics″ OR ″physiolog*″ OR ″e(cuò)colog*″ OR ″psycholog*″ OR ″biochemistry″)”

3 結(jié)果與討論

3.1 發(fā)文趨勢(shì)分析

由圖1可知，總體上中外的發(fā)文量均呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，其中中文論文具有指數(shù)型增長(zhǎng)的特征，說(shuō)明這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展正處于快速發(fā)展階段。需要說(shuō)明的是，考慮到研究的示范作用，本文選取的外文數(shù)據(jù)庫(kù)僅包含核心合集，因而數(shù)量較少。國(guó)外于1994年發(fā)表第一篇相關(guān)文獻(xiàn)，從2000年開(kāi)始躍升并持續(xù)產(chǎn)出。中文文獻(xiàn)數(shù)在2011年躍升，此后才呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。相比之下，國(guó)外在2000年就迎來(lái)第一次研究熱潮，遠(yuǎn)早于國(guó)內(nèi)，這也解釋了國(guó)外研究在主題方面的前沿性和深度。

圖1 WoS和CNKI中相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量

3.2 研究機(jī)構(gòu)分析

考察文獻(xiàn)作者所在機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外發(fā)文量最高的10個(gè)機(jī)構(gòu)如圖2所示。國(guó)內(nèi)發(fā)文量最高的前10個(gè)單位中，3個(gè)單位來(lái)自江蘇省，顯示了其對(duì)該領(lǐng)域的重視。進(jìn)一步考察上述單位發(fā)現(xiàn)，這10家單位中，有6家單位均具有生物或醫(yī)學(xué)相關(guān)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其中四川大學(xué)具有兩個(gè)。第11至第20家單位中則有8家單位也有國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。這一系列中心源自教育部發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展2015年國(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》，旨在依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。目前這個(gè)計(jì)劃包括遴選出的100個(gè)入選單位，為推動(dòng)中國(guó)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育起到了引領(lǐng)作用，其中不乏與生物學(xué)教學(xué)相結(jié)合的中心。

圖2 CNKI(a)和WoS(b)中發(fā)文量前10的研究機(jī)構(gòu)

就科研合作而言，目前發(fā)文量最高的幾個(gè)高校中已經(jīng)形成了幾個(gè)穩(wěn)定的研究團(tuán)隊(duì)。例如：華中師范大學(xué)的李兵、胡原和萬(wàn)建形成了較好的科研合作，研究主要集中在珍稀植物[12]和動(dòng)物[13]和其他生物類[14]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；張彪、魏萬(wàn)紅、杜坤和潘志明等揚(yáng)州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表了13篇此領(lǐng)域的論文，重點(diǎn)關(guān)注植物物種鑒別[15]和分類等植物類相關(guān)的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用。此外，四川大學(xué)的林宏輝研究組在生物類虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)機(jī)制[16]，南京醫(yī)科大學(xué)的高興亞在機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)[17]等方面，也在各自高校內(nèi)形成了良好的科研合作團(tuán)隊(duì)。

在WoS中，發(fā)文量排名前10的機(jī)構(gòu)包括來(lái)自美國(guó)的6所高校，占據(jù)核心地位。利用VosViewer工具，得到國(guó)際機(jī)構(gòu)的合作網(wǎng)絡(luò)圖(圖3)。根據(jù)機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系，目前該領(lǐng)域形成了4個(gè)主要的合作聚類，分別以不同的顏色標(biāo)記，包括英國(guó)(紫色)、美國(guó)(紅色)、意大利[藍(lán)色，其中意大利營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究所(Istituto Auxologico Italiano)發(fā)文量最高]以及一支國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)(綠色)。這個(gè)領(lǐng)域中，英國(guó)、美國(guó)和意大利各自形成了國(guó)家內(nèi)部具有優(yōu)勢(shì)的緊密的科研合作，而來(lái)自澳大利亞、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)與歐洲和美國(guó)的部分機(jī)構(gòu)形成了國(guó)際合作。相比之下，中國(guó)的幾所大學(xué)雖然也各自形成了研究團(tuán)隊(duì)，但是其合作局限于所在高校，很少有成規(guī)模的機(jī)構(gòu)間合作。

圖3 國(guó)際機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

3.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

根據(jù)關(guān)鍵詞的共詞分析，在中文論文的關(guān)鍵詞共詞分析網(wǎng)絡(luò)(圖4)中，相關(guān)研究主要包括3個(gè)方面：(1)教學(xué)改革：主要包括“教學(xué)模式”“教學(xué)方法”“教學(xué)改革”等關(guān)鍵詞，指明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教育方式帶來(lái)的革新；(2)虛擬實(shí)驗(yàn)：包括“虛擬實(shí)驗(yàn)室”“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”等關(guān)鍵詞，說(shuō)明目前主要形式是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，它的推廣和發(fā)展是我國(guó)高等教育改革的重要內(nèi)容和必然趨勢(shì)[18]；(3)應(yīng)用場(chǎng)景：主要有“生物工程”“生物制藥”“動(dòng)物醫(yī)學(xué)”等，說(shuō)明在國(guó)內(nèi)的沉浸式媒體技術(shù)與生物學(xué)教育的場(chǎng)景中，實(shí)踐應(yīng)用仍然是主要的著力點(diǎn)。

圖4 知網(wǎng)中文論文關(guān)鍵詞共詞網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)WoS論文的關(guān)鍵詞共詞網(wǎng)絡(luò)(圖5)，國(guó)外的相關(guān)研究的關(guān)注點(diǎn)也集中在3個(gè)方面。(1)教育和環(huán)境：包括“science education”“student”“environment”等關(guān)鍵詞，說(shuō)明教育仍然是這一領(lǐng)域的核心議題；(2)分子可視化：包括“protein structure”“biochemistry”“molecular visualization”等關(guān)鍵詞，國(guó)外在分子生物學(xué)等微觀視角下的生物學(xué)教學(xué)中投入大量研究，這是與國(guó)內(nèi)研究相異之處；(3)認(rèn)知和心理學(xué)：包括“stress”“anxiety”“emotion”“motivation”“serious game”等，說(shuō)明大量涉及認(rèn)知和心理學(xué)的教學(xué)應(yīng)用。

圖5 WoS核心合集論文關(guān)鍵詞共詞網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)中外研究的關(guān)鍵詞共詞分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的研究各有側(cè)重：除教育之外，國(guó)內(nèi)的研究主要集中于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用場(chǎng)景，這與教育部的規(guī)劃和政策密切相關(guān)，體現(xiàn)出行政主導(dǎo)的態(tài)勢(shì)；國(guó)外的研究更深入，在微觀生物學(xué)教學(xué)和認(rèn)知與心理學(xué)方面形成了研究特色。

為了深入挖掘國(guó)外研究前沿和趨勢(shì)，本研究對(duì)圖5中的共詞網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚類分析得到圖6，由CiteSpace內(nèi)置的LLR算法提取聚類標(biāo)簽，得到6個(gè)主要聚類。其中，最新的聚類在于呈紅色的節(jié)點(diǎn)，包括“分子可視化(molecular visualization)”“自閉癥(autism)”“心理學(xué)(psychology)”“嚴(yán)肅游戲(serious game)”，指出了分子生物學(xué)和認(rèn)知與心理學(xué)兩個(gè)主要趨勢(shì)。沉浸式媒體技術(shù)在自閉癥的教育[19]和干預(yù)訓(xùn)練方面提供了重要的技術(shù)支持[20]。嚴(yán)肅游戲結(jié)合了游戲的趣味性與知識(shí)和技能的傳達(dá)性等優(yōu)勢(shì)，是游戲和認(rèn)知、心理學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)的研究重點(diǎn)[21]。因此，分子可視化、自閉癥等認(rèn)知障礙的治療和訓(xùn)練以及嚴(yán)肅游戲是近年來(lái)此領(lǐng)域可能的研究趨勢(shì)。

圖6 WoS核心合集論文關(guān)鍵詞共詞網(wǎng)絡(luò)聚類圖

4 結(jié)論

研究利用共詞分析、共現(xiàn)分析等文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，梳理了當(dāng)前領(lǐng)域的文獻(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，分析了國(guó)內(nèi)外高產(chǎn)的研究機(jī)構(gòu)和作者的合作網(wǎng)絡(luò)，并借助關(guān)鍵詞共詞分析探索了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的重點(diǎn)和趨勢(shì)，為國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究者和教學(xué)實(shí)踐者跟蹤研究前沿、研究熱點(diǎn)和定位研究趨勢(shì)提供了一定的參考。目前國(guó)內(nèi)的研究仍然集中在實(shí)踐與應(yīng)用層面上，相較國(guó)外同行，在認(rèn)知與心理學(xué)方向的沉浸式媒體教學(xué)探索方面仍有巨大空間有待挖掘。