吳華君 陳其鐵 何聚厚

摘 要：實驗教學是培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力的主要途徑，虛擬實驗基于多媒體、計算機仿真、虛擬現實等技術創(chuàng)設相關的軟硬件實驗操作環(huán)境，在實驗教學中大有可為。為更好掌握我國虛擬實驗研究的研究熱點及發(fā)展趨勢，筆者借助文獻計量學和知識圖譜研究方法，對在中國知網檢索的近二十年與虛擬實驗相關文獻開展定量統(tǒng)計與定性分析。結果顯示，我國虛擬實驗研究呈現“逐年化遞增、周期性回落”趨勢，理工類科研院校及團隊成為虛擬實驗研究的主力軍?；谘芯筷P鍵詞的可視化分析、聚類分析與多維尺度分析結果，發(fā)現虛擬實驗研究領域主要涉及虛擬實驗教育教學應用研究和虛擬實驗設計、開發(fā)及相關技術研究兩大板塊，并由此衍生出虛擬實驗教學環(huán)境建設研究、虛擬實驗教學體系研究、虛擬實驗設計與開發(fā)技術研究、虛擬實驗設計與開發(fā)過程研究四個主要領域。文章預測未來虛擬實驗研究主要圍繞個性化虛擬實驗教學環(huán)境建設、虛擬實驗教學創(chuàng)新團隊構建、混合環(huán)境下虛擬實驗教學應用及虛擬實驗設計、開發(fā)的新技術研究四個方面展開。

關鍵詞：虛擬實驗;虛擬仿真實驗;虛擬現實技術;實驗教學;高等教育;知識圖譜

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2022）02-0010-10

收稿日期：2022-01-03

基金項目：國家自然科學基金面上項目“師范生課堂教學表達能力自主實訓與評價模型研究”（62177032）;陜西省社會科學基金項目“彈性教學模式研究”（2020P006）;貴州省教育科學規(guī)劃重點課題“基于數學建?！畬W、訓、賽、創(chuàng)’的高職學生創(chuàng)新能力提升研究與實踐”（2021A067）;貴州騰云教育科技有限公司校企合作課題“職業(yè)教育課程建設現狀與實踐路徑研究”（GZTY2021002）

作者簡介：吳華君（1993— ），男，貴州遵義人，貴州騰云教育科技有限公司教研中心研究員，碩士研究生，研究方向為教育技術學、教師專業(yè)能力發(fā)展;陳其鐵（1980— ），男，貴州貴陽人，貴州騰云教育科技有限公司董事長，研究方向為虛擬仿真實驗開發(fā)理論與實踐;何聚厚（1970— ），男，甘肅天水人，博士、博士生導師，陜西師范大學現代教學教育部重點實驗室副主任，研究方向為技術增強教學、虛擬現實教育應用。

虛擬實驗是指基于多媒體、計算機仿真、虛擬現實等技術創(chuàng)設相關的軟硬件操作環(huán)境，以輔助、部分替代甚至完全替代真實實驗的仿真實驗。其強調實驗操作的交互性和實驗結果的可模擬性，通過虛擬實驗獲得的實驗效果相當于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中的實驗效果。伴隨著虛擬技術的進步，虛擬實驗的發(fā)展歷程大致經歷了以科學實驗為基礎的思想實驗階段、以程序建模為基礎的計算機仿真實驗階段和以交互式環(huán)境為基礎的沉浸式虛擬現實實驗三個階段[1]。信息技術的產生與應用為虛擬實驗的發(fā)展提供了重要支撐，同時也推動了高等院校實驗教學的技術融合發(fā)展，幫助學生在虛擬環(huán)境中開展教學實驗和課程學習，有效解決傳統(tǒng)實訓實驗教學中高危險、高損耗、高污染、難捕捉、難臨場、難再現等問題[2]。

縱觀我國虛擬實驗的研究與實踐，存在著起步較晚但發(fā)展快速的特點。自2013年以來，我國高校在有關文件指導和政府支持下大力加強虛擬仿真實訓教學中心建設，不斷推進現代信息技術與實驗教學相融合，為高水平創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了重要支撐[3]。隨著職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地建設系統(tǒng)化、體系化特征逐漸明晰，以及本科院校一流課程建設進入深水區(qū)，逐漸推動虛擬實驗教學從關注軟硬件建設到探索混合式實驗教學體系、創(chuàng)新課程教學模式和開展虛擬教學教研嬗變。適時回首方能穩(wěn)步前進，從宏觀層面對虛擬實驗發(fā)展與研究動態(tài)進行回顧總結，有助于把握虛擬實驗發(fā)展路徑及發(fā)展規(guī)律，推動形成完備的虛擬實驗研究與實踐體系，并進一步拓展相關研究領域。出于上述思考，研究基于文獻計量學和知識圖譜方法，通過虛擬實驗相關文獻的定量數據和內容分析呈現我國虛擬實驗發(fā)展脈絡、研究軌跡和前沿趨勢，以期為虛擬實驗及虛擬實驗教學的創(chuàng)新發(fā)展和進一步研究提供借鑒參考。

一、研究設計

（一）研究方法

共詞分析法（也叫關鍵詞共現分析）是基于所選文獻關鍵詞的一種內容分析方法，實現對某一研究主題的關鍵詞在同一篇文獻中共同出現情況的分析，并在關鍵詞矩陣基礎上構建關鍵詞共現網絡，進一步開展社會網絡分析和聚類分析。聚類分析是對研究主題包含的關鍵詞在不同分類標準下的類別劃分，使得具有較高相似度的關鍵詞聚集在同一主題下，而較高相異度的關鍵詞分散在不同主題下。多維尺度分析主要是通過測定關鍵詞在概念空間的距離以確定各關鍵詞之間的結構并對研究問題進行聚類，以明確各個研究聚類的聯系密切程度和聚類內部的緊密情況。本研究基于知識圖譜可視化方法對我國虛擬實驗研究熱點進行分析呈現，采用EXCEL和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件、BICOMB 2.0共詞分析軟件、UCINET 6.0社會網絡分析軟件等開展共詞分析、聚類分析和多維尺度分析等計量分析，確保研究結果的科學性和有效性。

（二）研究過程

1.數據獲取

為了解我國虛擬實驗研究進展，以CNKI中國知網檢索庫為數據來源，通過高級檢索設計檢索關鍵詞為虛擬實驗或虛擬實驗室或虛擬仿真實驗執(zhí)行精確檢索，文獻來源限定為核心期刊，檢索時間截至2021年8月31日，共檢索到1348篇文獻用于研究分析。

2.數據處理

本研究基于以下五個步驟開展數據處理：①在CNKI導出NoteFirst格式的檢索題錄;②利用BICOMB 2.0共詞分析軟件提取并分析文獻關鍵詞等信息，構建高頻關鍵詞共現矩陣;③利用UCINET 6.0社會網絡分析軟件進行高頻關鍵詞共現網絡分析，確立關鍵詞網絡關系;④使用SPSS 22.0軟件進行高頻關鍵詞樣本聚類分析，繪制高頻關鍵詞聚類圖;⑤基于相異系數矩陣開展多維尺度分析，繪制高頻關鍵詞研究熱點戰(zhàn)略坐標圖。

二、數據分析

（一）研究文獻描述統(tǒng)計

研究文獻在不同年代的數量分布情況反映了該研究主題在某段時間的研究熱度和關注度。從文獻發(fā)表年份統(tǒng)計結果（見下頁圖2）來看，文獻數量總體上呈現出“逐年化遞增、周期性回落”的趨勢，相關研究在2019年達到頂峰。而關于虛擬實驗的研究最早出現在趙時亮于1999年發(fā)表在《科學技術與辯證法》雜志上的《虛擬實驗：從思想實驗到虛擬現實》一文中。

從期刊分布看，文獻主要分布于49個核心期刊，且20.41%的核心期刊刊載65.21%的研究成果。從期刊類別來看，相關研究主要分布在實驗研究類專業(yè)期刊（如《實驗技術與管理》《實驗室研究與探索》等）和計算機應用類期刊（如《計算機工程與設計》《計算機工程與應用》等），以及計算機教育類期刊（如《現代教育技術》《中國遠程教育》等）。早期關于虛擬實驗的研究更多集中在計算機教育與計算機應用類期刊中，主要探討虛擬實驗及虛擬實驗系統(tǒng)的設計與開發(fā)。而隨著虛擬實驗研究和應用的持續(xù)推進與不斷深入，研究主題向系統(tǒng)化的虛擬實驗教學中心和虛擬實驗教學體系構建轉變。整體來看，《實驗技術與管理》和《實驗室研究與探索》是載文量較大的兩個核心期刊，引領和推動著我國虛擬實驗領域的研究進程（見表1）。

發(fā)文機構分布體現了該機構在虛擬實驗研究領域的成果數量和研究實力，高校作為科技創(chuàng)新的主力軍，在虛擬實驗的研究和推動中起著核心作用?；诘谝蛔髡咚跈C構的分布統(tǒng)計（見表2），吉林大學、大連理工大學和華中科技大學分別占據機構分布的前三席，尤其是吉林大學以51篇核心期刊文獻居于榜首，這主要源于吉林大學高等教育研究所楊雪教授團隊長期對虛擬實驗教學理論及實踐應用的研究探索。理工類研究型高校和行業(yè)特色院校由于實訓實驗受到空間、設備和技術安全性等限制，其對虛擬實驗和虛擬實驗環(huán)境的需求更大，相關研究成果更加集中，如大連理工大學、上海交通大學和中國礦業(yè)大學等。

研究文獻的基金資助情況體現了該研究領域的受重視情況和發(fā)展水平，基于基金支持分析結果（見表3），有148項研究成果受到國家自然科學基金支持，支持占比10.98%，其余基金如國家科技支撐計劃（33篇）、國家高技術研究發(fā)展計劃（17篇）也支撐了虛擬實驗研究的發(fā)展，表明我國科研機構對于虛擬實驗的研究相當重視。

（二）研究關鍵詞統(tǒng)計

高頻關鍵詞可以較好地反映研究主題在某一領域的研究熱點，研究選取詞頻大于15的關鍵詞為高頻關鍵詞，以較為全面地反映虛擬實驗的研究熱點。由表4可知，虛擬實驗研究領域前10個高頻關鍵詞分別是虛擬實驗（403）、虛擬仿真技術（300）、仿真實驗教學（278）、虛擬實驗室（266）、虛擬仿真實驗（126）、虛擬實驗系統(tǒng)（85）、虛擬儀器（59）、VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實建模語言）（50）、網絡（47）、遠程教育（41），排在前10位的高頻關鍵詞反映了虛擬實驗主要是以虛擬仿真技術為基礎，進行虛擬實驗、虛擬實驗環(huán)境開發(fā)及其教學應用研究。

（三）關鍵詞可視化分析

為進一步探討虛擬實驗研究主題下各研究關鍵詞的關系特征，在高頻關鍵詞統(tǒng)計分析基礎上，使用BICOMB 2.0軟件構建高頻關鍵詞共現矩陣，然后使用UCINET 6.0社會網絡分析軟件繪制高頻關鍵詞社會網絡分析圖（見下頁圖3）。圖中節(jié)點大小表示該關鍵詞出現的頻率高低，節(jié)點間的連線粗細代表兩個關鍵詞聯系的緊密程度，連線越粗則表示關系越強，節(jié)點間距離表示兩個關鍵詞之間聯系的緊密程度，距離越近則表示聯系越緊密。

從圖3可看出，虛擬實驗、虛擬仿真實驗、虛擬實驗室、虛擬仿真技術位于圖譜的中間，即這些詞與其他關鍵詞共同出現在文獻中的次數最多，它們在虛擬實驗的研究中處于核心地位。虛擬實驗系統(tǒng)、仿真實驗教學、虛擬現實技術、遠程教育等處于網絡中間，圍繞在虛擬實驗、虛擬實驗室、虛擬仿真技術周圍，并分別與它們有較近的距離，連線也比較粗，說明它們與虛擬實驗研究的聯系較為緊密，相關的研究成果也比較豐富。而教學模式、教學方法、實驗教學改革、VRML等位于邊緣的網絡節(jié)點，雖然目前與虛擬實驗、虛擬實驗室、虛擬仿真技術的聯系不很緊密，但與虛擬實驗有直接的關系，是未來虛擬實驗的研究熱點。

（四）關鍵詞聚類分析

將關鍵詞共現矩陣導入SPSS 22.0中構建相關矩陣，然后通過計算得到關鍵詞相異矩陣，將相異矩陣導入SPSS 22.0中進行關鍵詞聚類分析。根據聚類分析結果，可將關鍵詞聚類分為4類（見下頁圖4）。

主題一主要涉及虛擬實驗教學環(huán)境建設研究，包括虛擬仿真技術、仿真實驗教學、實驗教學平臺、虛擬仿真實驗、虛擬仿真實驗教學中心、虛擬實驗系統(tǒng)共6個關鍵詞。宏觀來看，虛擬實驗教學平臺、虛擬實驗系統(tǒng)與虛擬仿真實驗教學中心都屬于虛擬實驗教學環(huán)境的范疇，而虛擬仿真技術是開展虛擬實驗教學與實踐的基礎性支撐，沒有虛擬仿真技術的研究與發(fā)展，虛擬實驗教學環(huán)境建設就是空中樓閣。

主題二主要涉及虛擬實驗教學體系研究，包括實踐教學、教學方法、實驗教學體系、實驗教學改革和教學模式共5個關鍵詞。隨著虛擬實驗教學環(huán)境建設和虛擬實驗教學活動開展愈加深入，必然會對原有實驗教學體系和教學模式帶來更新與重構。因此，如何重構虛擬環(huán)境下實驗教學體系、創(chuàng)新虛擬實驗教學模式和方式方法成為該領域研究的重點。

主題三主要涉及虛擬實驗設計與開發(fā)技術研究，包括Virtools、Simulink、LabVIEW、Flash、Matlab和VRML共6個關鍵詞。虛擬實驗設計與開發(fā)是虛擬實驗教學實施與開展的前提條件，而計算機硬件發(fā)展和計算機軟件開發(fā)技術為虛擬實驗設計開發(fā)研究提供了重要的技術支撐和工具支撐，Virtools、Simulink、LabVIEW、Flash、Matlab和VRML等各種虛擬技術的發(fā)展，促進了從技術角度探討虛擬實驗的開發(fā)應用，進一步豐富虛擬實驗的研究和實踐。

主題四主要涉及虛擬實驗設計與開發(fā)過程研究，包括虛擬實驗室、虛擬儀器、網絡、虛擬實驗、遠程教育、交互共6個關鍵詞。一個完整虛擬實驗的設計開發(fā)包括虛擬實驗儀器、虛擬實驗交互過程與虛擬實驗空間（虛擬實驗室）三個層次。此外，基于網絡技術的虛擬交互為異步學習和異地實驗提供了技術支撐，這進一步促進了網絡實驗教學和遠程教育的發(fā)展。

（五）關鍵詞多維尺度分析

關鍵詞聚類分析可以得到虛擬實驗研究各領域之間的相關性，有助于明確虛擬實驗的研究趨勢。為得到更加明確的聚類結果，研究使用多維尺度分析對聚類分析結果進行驗證，以更加直觀地呈現虛擬實驗的研究熱點（見圖5）。

在圖5關于虛擬實驗研究熱點戰(zhàn)略坐標圖中，小圓圈表示各個高頻關鍵詞所處位置，圓圈距離中心越近越能反映其核心地位，同時圓圈之間距離越近，表示它們的相關性越大。橫軸為向心度，表示研究聚類內部各要素聯系密切程度;縱軸為密度，表示研究聚類間相互作用強度。橫軸和縱軸將坐標圖分為四個象限，主題一跨第二、第三象限，但主要位于第三象限，該象限向心度和密度都比較低，表示虛擬實驗教學環(huán)境建設研究內部聯系不夠緊密，且與其他聚類相互作用較弱。主題二同樣跨第二、第三象限，但主要位于第二象限，該象限向心度較低，但密度較高，表示關于虛擬實驗教學體系和教學模式的研究較為緊密，但與其他聚類的聯系不夠。主題三主要位于第四象限，該象限向心度較高但密度較低，說明虛擬實驗研究中關于虛擬實驗開發(fā)技術的研究雖然和其他領域關系密切，但內部研究還不夠成熟。主題四位于第一象限，該象限密度和向心度都比較高，說明虛擬實驗研究中關于虛擬實驗應用的研究關聯性強，研究結構也比較成熟穩(wěn)定。

三、研究熱點

虛擬實驗研究領域知識圖譜可以較好地反映該領域下各個研究主題之間關聯密切程度，并由此分析得出該領域未來的發(fā)展趨勢。從上述分析可以看出，虛擬實驗相關研究主要圍繞虛擬實驗的教育應用研究和虛擬實驗設計、開發(fā)及相關技術研究兩大板塊展開，并由此延伸出四個主要研究領域，即虛擬實驗教學環(huán)境建設研究、虛擬實驗教學體系研究、虛擬實驗設計與開發(fā)技術研究和虛擬實驗設計與開發(fā)過程研究。

（一）虛擬實驗教學環(huán)境建設研究

信息技術的不斷進步促進了教育教學方式的持續(xù)變革，傳統(tǒng)實驗教學環(huán)境受限于時間、地點、經費和設備的約束，極大制約了學生的動手能力和創(chuàng)新能力。我國最早在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中提出要加強優(yōu)質網絡課程和實驗系統(tǒng)、虛擬實驗室建設，并將虛擬仿真實訓教學軟件建設情況作為高等院校教育信息化發(fā)展水平框架的主要指標[4]。實驗教學環(huán)境從實景到虛擬的變化，推動著實驗教學方式從以師生語言交互為主轉變?yōu)橐远喔泄俪两浇换橹?，有效提升學生學習興趣，促進實驗教學信息傳輸的高效性和保真性，提升實驗教學效果。因此，虛擬實驗教學環(huán)境建設研究成為虛擬實驗研究的一大熱點。

虛擬實驗教學環(huán)境包含開展虛擬實驗教學的硬件（計算機終端、虛擬實驗設備、網絡服務器和設備場地等）環(huán)境和軟件（基礎軟件、虛擬實驗操作系統(tǒng)和虛擬實驗教學平臺）環(huán)境兩部分，硬件環(huán)境主要用于為虛擬實驗教學開展提供物理設備支持，軟件環(huán)境主要包括虛擬實驗操作控制中心、虛擬實驗教學與管理中心和虛擬實驗教學資源中心。虛擬仿真實驗教學中心是集虛擬仿真實驗教學資源、平臺、隊伍和制度建設于一體，以虛擬仿真技術等計算機技術服務實驗教學，促進優(yōu)質實驗教學資源開放共享的虛擬實驗教學環(huán)境。截至目前，我國已建成1000余個國家級虛擬仿真實驗教學中心和虛擬實驗教學項目，在整合各類實驗教學資源，推進高校實驗教學模式改革，促進信息技術在教育教學的規(guī)范應用方面具有重要作用。

（二）虛擬實驗教學體系研究

虛擬實驗教學體系是指促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的虛擬實驗教學包含的實驗教學目標、實驗教學內容、實驗教學過程、實驗教學評價及實驗教學管理等因素綜合構成的相互聯系的有機系統(tǒng)。虛擬實驗教學體系建設是虛擬實驗研究和開展的核心工作。虛擬仿真技術等計算機信息技術在促進虛擬實驗教學環(huán)境建設和虛擬仿真實驗教學活動的開展上的逐漸深入，給傳統(tǒng)實驗教學體系和教學模式帶來影響。因此，探索如何重構虛擬環(huán)境下的實驗教學體系、推動虛擬實驗教學模式重構成為虛擬實驗研究的重點領域。相關研究人員已對虛擬實驗教學體系和教學模式開展系列探索，如構建遠程教育環(huán)境下的“實驗前預習—實驗中幫助—實驗后測試”三階段教學體系[5]，基于虛擬仿真實驗教學中心開展“理論授課—虛擬實驗—實驗室教學”的“虛實結合”實驗教學模式[6]，還有研究人員提出在虛擬實驗教學體系構建中存在重虛仿輕實踐、重驗證輕創(chuàng)新、重購置輕研發(fā)和重導學輕自學的“四重四輕”問題[7]，為推進虛擬實驗教學研究和實驗教學環(huán)境建設提供了指導方案。

（三）虛擬實驗設計與開發(fā)技術研究

計算機軟硬件技術的快速發(fā)展為虛擬實驗研究提供了技術支持和平臺工具支撐，虛擬仿真技術通過計算機模擬真實實驗環(huán)境和人機交互促進學生探究性學習、分析能力和創(chuàng)新實踐能力的發(fā)展。關于虛擬實驗設計與開發(fā)技術的研究，大致可以分為基于網絡通信技術的探索嘗試階段、基于程序建模技術的開發(fā)建設階段和基于系統(tǒng)性建設的應用創(chuàng)新階段。探索嘗試階段以DCOM（Distributed Component Object Model，分布式組件對象模型）、WWW（World Wide Web，萬維網）和VRML探索遠程虛擬實驗教學通信與管理。開發(fā)建設階段基于LabVIEW、Virtools、Simulink、Flash和Unity 3D等虛擬程序開發(fā)環(huán)境和可視化仿真軟件構建虛擬實驗系統(tǒng)，增強虛擬實驗仿真效果和交互能力，有效促進虛擬實驗教學水平提升。應用創(chuàng)新階段不以某種單一的軟件或技術為主，而是綜合運用網絡通信技術、三維建模、體感交互等多種虛擬技術，構建系統(tǒng)化、集成化虛擬實驗系統(tǒng)或虛擬實驗環(huán)境，對整合虛擬實驗資源、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、促進虛擬實驗的跨越發(fā)展起重要的推動作用。

（四）虛擬實驗設計與開發(fā)過程研究

由于虛擬實驗的趣味性、虛擬性、易維護性和跨時空等特點，目前主要應用在課程教學、實習實訓和企業(yè)實踐等教學培訓活動方面。關于虛擬實驗設計與開發(fā)研究，主要涉及如何基于學習理論和教學理論設計虛擬實驗改善課程實驗教學質量，如何通過交互設計提升虛擬實驗及實驗系統(tǒng)的交互感知水平，以及如何在網絡在線課程中結合虛擬實驗優(yōu)化實踐性教學效果。實驗是實踐性學科重要的教學過程，虛擬實驗基于仿真的虛擬儀器和虛擬設備，目前廣泛地應用在醫(yī)學、工程、建筑等實踐性學科和物理、化學等理論性學科領域。以具身認知理論、遷移理論、認知負荷理論等教學理論為指導的虛擬實驗開發(fā)有助于更好滿足實驗教學要求，更好提升實驗教學效果。交互性是虛擬實驗應用過程中關注的主要方面，因此關于虛擬實驗交互設計及交互設計應用效果的研究有助于激發(fā)學生實驗興趣和提升實驗體驗[8]。另外，在以慕課課程主導的網絡在線課程學習中，普遍存在重理論輕實踐的現象，這不利于學生知識體系的完整構建。而融入虛擬實驗的在線課程可以較好地彌補異步空間實踐環(huán)境和實驗設備缺失的弊端，實現課程資源開放共享，促進在線學習效果提升[9]。

四、發(fā)展趨勢

綜上所述，虛擬實驗作為當前實驗教學的重要組成部分，在促進實驗教學資源均衡、推動學生問題分析能力和創(chuàng)新能力發(fā)展等方面有較為廣闊的發(fā)展前景。結合虛擬實驗的研究和實踐現狀，提出以下四點研究趨勢。

（一）個性化虛擬實驗教學環(huán)境設計與開發(fā)研究

虛擬實驗教學環(huán)境下學習者具有的個性化學習目標和需求是虛擬實驗教學持續(xù)發(fā)展和價值最大化的影響因素，所以在虛擬實驗教學環(huán)境建設中應充分考慮并支持學生輕松、投入的學習體驗和個性化學習過程。當前對于虛擬實驗教學環(huán)境的設計多是基于固定的實驗目標、規(guī)范的實驗操作過程和預定的實驗結論的驗證性實驗，這是一種教師本位和知識本位的實驗教學邏輯，忽略了學生的主觀能動性和創(chuàng)造性思維能力發(fā)展，不利于當前高等教育領域提倡的復合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標的實現[10]。因此，要促進復合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，首先要具備個性化學習過程和學習活動，而個性化虛擬實驗教學環(huán)境作為開展個性化、沉浸式虛擬實驗教學活動的重要支撐平臺，支持和幫助學習者知識的自主建構和創(chuàng)新發(fā)展[11]。未來的虛擬實驗教學環(huán)境應立足于個性化實驗教學平臺開發(fā)打造、個性化虛擬實驗教學方式方法構建、個性化實驗教學管理機制創(chuàng)新和個性化實驗教學支持服務保障等視角開展研究及探索實踐，提升實踐性教學人才培養(yǎng)質量。

（二）虛擬實驗教學團隊構建研究

已有研究通過打造高質量虛擬實驗平臺和虛擬實驗教學系統(tǒng)提升虛擬實驗教學環(huán)境建設質量，促進學生學習興趣激發(fā)，同時培養(yǎng)學習者的問題分析能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力。如果在虛擬實驗教學環(huán)境研究中過多關注軟硬件為主的實驗環(huán)境建設，忽視了作為人才培養(yǎng)第一要素的教師隊伍的建設，同時由于實驗教學團隊教師比較擅長學科研究與實踐，而缺乏信息技術和虛擬實驗研發(fā)的能力，甚至直接向企業(yè)購買標準化虛擬實驗產品，無法突出學科和專業(yè)特色，那么高水平、高素質的創(chuàng)造型人才培養(yǎng)就是空中樓閣。同時，相關文件也指出，虛擬實驗教學團隊應同時具備虛擬實驗教學和虛擬實驗資源開發(fā)與環(huán)境維護的雙重功能，這是虛擬實驗持續(xù)發(fā)展的重要保障[12]。所以，從提升團隊教學水平、實驗水平、技術水平和管理水平等角度加強虛擬實驗教學團隊建設是促進虛擬實驗教學發(fā)展的重要路徑。如通過師資互聘、校企合作等手段打造一支具有先進教育教學理念、高水平實驗操作能力、較強信息技術開發(fā)能力，能準確把握技術發(fā)展方向和專業(yè)建設方向，包含學科理論專家、實驗教學專家、平臺維護人員和實驗管理人員的虛擬實驗教學團隊?；虿捎脧男忍摂M實驗教學團隊中遴選實驗教學經驗豐富的教師參加虛擬實驗開發(fā)技術培訓的“內培”模式，以及從校外虛擬現實技術企業(yè)中引進具有豐富開發(fā)經驗的技術骨干的“外引”模式，支撐虛擬實驗教學資源開發(fā)，促進虛擬實驗教學團隊建設發(fā)展。

（三）混合學習環(huán)境下虛擬實驗教學應用研究

混合環(huán)境下的虛擬實驗教學是基于混合式學習理念，融合在線學習平臺、虛擬實驗教學環(huán)境和線下實驗室并發(fā)揮虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗優(yōu)勢的實驗教學方式[13]。從線下實驗室教學到虛擬實驗教學再到混合虛擬實驗教學的進化路徑是實驗教學發(fā)展的趨勢所在。當前研究對線上、線下虛實結合的實驗教學已有初步探討，如在大學計算機課程教學上提出“MOOC+虛擬實驗”的混合教學模式[14]，基于具身認知理論設計開發(fā)健康教育VR游戲[15]，在一定程度上為混合環(huán)境下虛擬實驗教學研究提供了理論思路。但相關研究缺乏虛擬實驗教學模式應用及教學效果、教學質量評價的實證研究，以及關于虛擬實驗環(huán)境下的教師專業(yè)發(fā)展和虛擬教研研究。未來希望基于我國虛擬實驗教學的發(fā)展現狀和教學實踐現狀，增強以實證研究范式探討虛擬實驗教學應用的促進機制。

（四）虛擬實驗及實驗環(huán)境開發(fā)的新技術研究

虛擬實驗環(huán)境中高沉浸感、強交互性的實驗操作讓學習者專注于體驗虛擬實驗活動，加強對虛擬實驗及實驗環(huán)境開發(fā)、集成的關鍵技術研究，有助于提升虛擬實驗操作體驗的沉浸感和交互性，促進實驗目的達成。盡管目前的虛擬技術可以較好地應對虛擬實驗開發(fā)及實驗環(huán)境構建，但仍存在一些問題。如有學者提到當前在虛擬實驗技術上主要存在三個方面的問題：第一是核心技術開發(fā)深度的問題，第二是實驗環(huán)境中用戶信息安全性的問題，第三是實驗環(huán)境的可訪性問題[16]。另外，還有如虛擬實驗道德倫理等問題。目前也有一部分研究開始致力于探討新技術與虛擬實驗的融合應用，如楊思等人將數字全息虛擬投影技術應用在服裝測試上，有效增強空間視覺效果和沉浸感[17]。劉東奇等提出基于邊緣計算信息網架構的配電臺虛擬電站運行控制策略，在虛擬電站實驗中有效克服信號延遲和遠程傳輸成本等問題[18];在虛擬實驗環(huán)境及用戶信息安全方面，區(qū)塊鏈技術的非對稱加密機制可以為用戶信息和實驗數據安全提供保障[19]?；诖耍鳛樾屡d信息技術，未來虛擬實驗技術會帶來更多高價值應用。

參考文獻

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（責任編輯 王策）

Knowledge Landscape and Prospect for the Status and Trends of Domestic Virtual Experimental Research

—Based on the Perspective of Bibliometric over the Past 20 Years

WU Huajun 1，CHEN Qitie 1，HE Juhou 2

（1.Guizhou Tengyun Education Technology Co.， Ltd.，Guiyang，Guizhou，China 550081;?2.Key Laboratory of Modern Teaching Technology，Ministry of Education，Shaanxi Normal University，Xi’an，Shaanxi，China 710062）

Abstract： Experimental teaching is the main approach for training students’ practical ability and creative ability.Based on technologies like media，computer simulation and virtual realtiy，etc.to create related hardware and software experimental operating environment，virtual experiment can complete great things in experimental teaching.In order to master the research hotspots and developing trends of national virtual experiment research in a better way，the author has borrowed the bibliometrics and knowledge map research methods to carry out quantitative statistics and qualitative analysis towards literatures related to virtual experiment over the past years retrieved in CNKI.The results show that national virtual experiment research has presented the trend of “increasing year by year and declining periodically”，and research institutions and teams of science and engineering have become the main force of virtual experiment research.Based on the results of visualized analysis，cluster analysis and multi-dimensional scale analysis of key words，the research has found that virtual experiment research field mainly involves two sections like the application research of virtual experiment education and teaching，and the design，development and related technology research of virtual experiment，hence deriving into four main areas like research on the construction of virtual experimental teaching environment， research on the virtual experimental teaching system，research on virtual experiment design and development technology，and research on the virtual experimental design and development process.The article has predicted that the future virtual experiment research will revolve around four aspects like the construction of personalized virtual experiment teaching environment， construction of virtual experimental teaching innovation team，application of virtual experiment teaching and virtual experiment design in a mixed environment， and research on new technologies of virtual experimental design and development.

Key words：? virtual experiment;virtual simulation experiment;virtual reality technology;experimental teaching;higher education;knowledge map