中國虛擬現(xiàn)實教學研究的特征分布和熱點探究基于CNKI核心期刊數(shù)據(jù)庫的文獻計量分析

許琦

(臺州中小企業(yè)信息化應(yīng)用技術(shù)研究所，浙江 臺州 318000；臺州職業(yè)技術(shù)學院，浙江 臺州 318000)

虛擬現(xiàn)實教學以虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)為核心，以實現(xiàn)全方位“沉浸式”的教學模式為目的，綜合了計算機圖形學、計算機模擬與仿真、傳感技術(shù)、人機接口技術(shù)以及顯示技術(shù)等多個領(lǐng)域成果，具有教學內(nèi)容視覺化、交互性好以及真實感強等優(yōu)點。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬難以講解的教學場景，并使之可視化，讓學生在可參與性下學習相關(guān)技能，形成良性的教學循環(huán)，達到最優(yōu)化的教學效果。

國外關(guān)于虛擬現(xiàn)實教學的研究起步較早，并已有大量將虛擬現(xiàn)實技術(shù)成功應(yīng)用于教育領(lǐng)域的實踐和經(jīng)驗。國內(nèi)針對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，還遠遠滯后于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。教育技術(shù)研究者需要理性認識虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?，深入分析虛擬現(xiàn)實教學的研究現(xiàn)狀，反思存在的問題和挑戰(zhàn)。從這點看，對國內(nèi)已發(fā)表文獻(尤其是核心期刊文獻)的脈絡(luò)梳理和前沿追蹤是一項很有意義的工作，也是推動虛擬現(xiàn)實教學研究從感性認識到理性認知的客觀動力。本文嘗試以虛擬現(xiàn)實教學研究的中文核心期刊文獻為研究對象，借助SATI、UCINET、Net Draw等軟件，采用共詞分析、共現(xiàn)強度計算、聚類分析等計量方法，剖析并揭示中國虛擬現(xiàn)實教學研究的特征分布和熱點，以期對該研究領(lǐng)域的進展和趨勢有一個更為深刻的認識和把握，并為相關(guān)學者的后續(xù)研究提供一定的參考。

一、數(shù)據(jù)選擇與統(tǒng)計

本文的文獻計量數(shù)據(jù)來自中國學術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(China Academic Journal Network Publishing Database)。在中國知網(wǎng)高級檢索頁面中選擇期刊檢索，檢索條件如下：關(guān)鍵詞為虛擬現(xiàn)實，并且題名為教學或者教育，來源類別選擇核心期刊和CSSCI期刊，檢索時間為2017年5月30日，檢索得到458篇文獻。舍棄檢索結(jié)果中的報道、調(diào)查、約稿、評論、會議綜述以及其他不相關(guān)文獻等，最終得到350篇有效文獻。

（一）發(fā)文年度統(tǒng)計分析

350篇有效文獻的發(fā)文年度統(tǒng)計情況如圖1所示。

圖1 中國虛擬現(xiàn)實教學研究文獻年度分布

從圖1中可以看出，中國虛擬現(xiàn)實教學研究的脈絡(luò)主要分為三個時期：1997年以前、1998-2005年和2006-2017年。1997年以前為萌芽期，國內(nèi)關(guān)于虛擬現(xiàn)實教學研究的文獻寥寥無幾，每年發(fā)文量為1到2篇。最早的文獻為1995年4月華南師范大學電教系的趙建華老師在現(xiàn)代遠距離教育上發(fā)表的論文《信息技術(shù)在教育中的應(yīng)用》，對信息技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了較為全面的論述，涉及虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機輔助教學和遠距離教學等方法對教學效率、教學質(zhì)量和教育管理等方面的改善和提升。1998-2005年為發(fā)展期，年發(fā)文量有所增加，在10篇上下波動。2006-2017年為增長期，除2007年、2014年和2015年以外，其他年度發(fā)文量均不少于20篇，且在2011年達到高峰(31篇)。2017年不完全統(tǒng)計發(fā)文量為17篇(截止到2017年5月30日)。按照文獻年度分布規(guī)律來看，2017年全年發(fā)文量預計為25篇左右，不會出現(xiàn)大的波動。

（二）載文期刊統(tǒng)計分析

350篇有效文獻的載文期刊統(tǒng)計情況如表1所示。從表1中的信息可知，中國虛擬現(xiàn)實教學研究載文期刊的特征分布如下：（1）從學科屬性上看，載文量前20的期刊中有13個期刊屬于社會科學II輯的教育類，有4個期刊屬于信息科技的計算機應(yīng)用類，有1個期刊屬于農(nóng)業(yè)科技的農(nóng)業(yè)綜合類，有1個期刊屬于工程科技I輯的礦業(yè)工程類，有1個期刊屬于醫(yī)藥衛(wèi)生科技的醫(yī)藥衛(wèi)生綜合類，可見虛擬現(xiàn)實教學研究是一個涉及多學科領(lǐng)域的交叉研究。（2）從載文數(shù)量上看，載文量前20的期刊共發(fā)表相關(guān)文獻224篇，占比(224/350)64%。這表明中國虛擬現(xiàn)實教學研究的載文期刊相對比較集中。（3）從期刊出版周期上，載文量前20的期刊中，3個期刊為雙月刊，11個期刊為月刊，3個期刊為半月刊，3個期刊為旬刊，平均出版周期為0.975個月，出版周期適中。這在一定程度上反映了中國虛擬現(xiàn)實教學研究成果的水平和價值。

二、研究熱點分析

本文利用SATI軟件提取并統(tǒng)計350篇文獻關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻率。對前100個高頻關(guān)鍵詞做共詞分析，以Equivalence系數(shù)為指標計算任意兩個關(guān)鍵詞間的共現(xiàn)強度，建立[100×100]高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣，如圖2所示。共現(xiàn)矩陣中的數(shù)值表示兩個關(guān)鍵詞間的共現(xiàn)度，通常分布在[0，1]區(qū)間內(nèi)。數(shù)值越大，則共現(xiàn)度越大，彼此的關(guān)聯(lián)性越強?；诟哳l關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣，本文應(yīng)用UCINET軟件進行聚類分析，然后借助NetDraw軟件的

表1 中國虛擬現(xiàn)實教學研究載文期刊分布(Top20)

注：①表1中類別標記為C刊的期刊屬于中文社會科學引文索引 (2014-2015)來源期刊(不含擴展版)；②類別標記為核心的期刊屬于中文核心期刊要目總覽(2014版)核心期刊；③類別標記為科技的期刊屬于2016年中國科技核心期刊目錄。Subgroup功能，得到聚類分析的可視化結(jié)果，如圖3所示。

從圖3中可以看出，中國虛擬現(xiàn)實教學的研究熱點主要包括虛擬教學環(huán)境創(chuàng)建、虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)、教學模式改革以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)多學科教學應(yīng)用等問題。

（一）虛擬教學環(huán)境創(chuàng)建

該熱點凝聚了虛擬學習環(huán)境、虛擬實驗系統(tǒng)、遠程教學、遠距離學習、模擬教學、情境教學法、交互設(shè)備等關(guān)鍵詞，其研究成果嘗試基于遠程交互創(chuàng)建一個和諧發(fā)展的、充滿活力的、生態(tài)化的虛擬教學環(huán)境。例如，李繼芳等使用ActiveX實現(xiàn)3D虛擬現(xiàn)實場景的渲染，基于VTML開發(fā)了PLC虛擬仿真實訓平臺，使得學生可以不受時空限制進行虛擬互動實訓，完成PLC硬件協(xié)同設(shè)計、系統(tǒng)搭建以及仿真調(diào)試；席軍強等通過在Matlab /Simulink中搭建八自由度整車動力學模型，應(yīng)用外部交互設(shè)備和Matlab/GUI組建人機交互系統(tǒng)，利用3DMAX和Vizard4.0制作虛擬場景，完成各軟件數(shù)據(jù)接口的設(shè)計，構(gòu)建了車輛電子控制虛擬實驗平臺，實現(xiàn)了理論教學與虛擬實驗教學的良好結(jié)合；郭建等提出了一種機床虛擬仿真教學訓練系統(tǒng)的開發(fā)方案，利用UG建立了機床的三維實體幾何模型，利用Quest3D三維引擎開發(fā)平臺對場景進行實時驅(qū)動和人機交互控制，通過建立簡單包圍模型實現(xiàn)碰撞檢測，在機床虛擬教學培訓中取得了良好的效果。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)

該熱點包含VRML、Virtools、Quest3D、CAI、3DMAX、Java、三維建模、增強現(xiàn)實等關(guān)鍵詞，其研究成果旨在綜合利用各種前沿信息技術(shù)，通過對教學資源進行可視化操作與人機交互，塑造出更具沉浸感的教學場景。例如，羅求順等提出了一種基于Quest3D的鉆床加工虛擬教學系統(tǒng)開發(fā)方案，使用solid edge建立Z5140鉆床的三維模型并導入到3DMAX中渲染，通過GUI和機床三維實體觸控來實現(xiàn)物體狀態(tài)信息的切換，通過鼠標與三維實體觸碰檢測實現(xiàn)人機交互。該方案借助 Quest3D強大的功能模塊，避免了繁瑣的基礎(chǔ)語言編程過程，且可直接導出為.exe文件，方便獨立安裝運行；傅招國等用Solid Works建模，然后用3D MAX進行渲染，通過插件導入Virtools進行交互性的設(shè)計，建立虛擬電梯模型，構(gòu)造虛擬環(huán)境，模擬現(xiàn)實考核流程，以更小的資源消耗、更短的開發(fā)周期和更優(yōu)的考核結(jié)果完成電梯零部件考核工作；賀少華等開發(fā)了一個大型機械裝置虛擬教學訓練系統(tǒng)，利用I-DEAS建立機械仿真三維實體幾何模型，利用OpenGL對場景進行實時驅(qū)動和人機交互控制，實現(xiàn)了虛擬拆卸功能，并加入了基于最優(yōu)拆卸序列的拆卸模式，聯(lián)合OpenGL和VC++實現(xiàn)了機械機構(gòu)的運動仿真和交互式瀏覽，并在實踐中證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

圖2 前100個高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣(部分截圖)

圖3 中國虛擬現(xiàn)實教學研究熱點

（三）教學模式改革

該熱點涵蓋了教學改革、教學方法、教學模式、教學手段、教學設(shè)計、教育技術(shù)等關(guān)鍵詞，其研究成果主要集中在教學方法創(chuàng)新和教學模式改革上。例如，高東鋒等提出了高校應(yīng)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的策略：從厚植基礎(chǔ)，繼續(xù)推動高校開展實驗教學領(lǐng)域的虛擬仿真項目教學改革；優(yōu)勢共享，以搭建在線開放虛擬仿真實驗項目平臺為契機助推優(yōu)質(zhì)資源共享；主動介入，推動和引領(lǐng)高等教育教學與現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合；靳滿滿等自主研發(fā)了20余套化工專業(yè)實驗教學虛擬仿真軟件，按照虛實結(jié)合、能實不虛的原則構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，提供了可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，解決了化工專業(yè)實驗中實驗裝置體積大、流程復雜、物料和設(shè)備損耗大、化學物料易燃和有毒等問題，強化了學生的工程實踐能力的培養(yǎng)，提升了實踐教學的信息化、智能化管理水平；何福本等開發(fā)了適用于主流移動終端操作系統(tǒng)的增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用APP，建立了包括理論知識、工藝規(guī)程和安全應(yīng)知等教學內(nèi)容的增強現(xiàn)實輔助工訓教學模式，實現(xiàn)了平面圖紙的立體化。

（四）虛擬現(xiàn)實技術(shù)多學科教學應(yīng)用

該熱點的研究成果主要體現(xiàn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各個學科的教學應(yīng)用方面。例如，王庭照等探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在肢體障礙兒童、視力障礙兒童以及聽力障礙兒童等特殊教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，并提出了聯(lián)系特殊兒童評估專家，制訂科學的治療和評估標準、尊重特殊兒童發(fā)展的基本規(guī)律，注重多種方法的綜合使用、強調(diào)人文關(guān)懷和回歸主流，強化各類特殊兒童社會適應(yīng)能力的訓練等建議；黃新平等分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學職業(yè)教育實驗教學中的應(yīng)用，可以在低投入、無風險的情況下實現(xiàn)較好的醫(yī)學職業(yè)技能教學效果，為醫(yī)學職業(yè)教育的實驗教學提供了一個新的教學模式；張豪鋒等從教學立體化展示、模擬實驗與實訓仿真教學、實施數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)、實踐生產(chǎn)加工的銜接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控培訓及考核等五個方面研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控專業(yè)教學中的應(yīng)用，提出了基于虛擬數(shù)控仿真的數(shù)控課堂教學模式，并在實踐中驗證了其教學效果。

三、結(jié)束語

本文以CNKI核心期刊數(shù)據(jù)庫收錄的國內(nèi)虛擬現(xiàn)實教學研究文獻為數(shù)據(jù)源，運用SATI、UCINET、NetDraw等軟件，從文獻年度分布、載文期刊等方面分析了中國虛擬現(xiàn)實教學研究的結(jié)構(gòu)性特征分布情況，并以知識圖譜形式展示了熱點問題。結(jié)論如下：（1）從文獻年度分布情況看，1997年以前為萌芽階段，1998-2005年為發(fā)展階段，2006-2017年為增長階段；（2）從載文期刊分布情況可知，國內(nèi)虛擬現(xiàn)實教學研究的載文期刊相對比較集中，而且期刊所在的學科領(lǐng)域也呈現(xiàn)出多樣化特點，包含了教育類期刊、計算機應(yīng)用類期刊、農(nóng)業(yè)綜合類期刊以及礦業(yè)工程類期刊等；（3）中國虛擬現(xiàn)實教學的研究熱點主要包括虛擬教學環(huán)境創(chuàng)建、虛擬現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)、教學模式改革以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)多學科教學應(yīng)用等問題。這些熱點問題也隨著時間的推移而不斷演化發(fā)展。

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