基于知識圖譜的虛擬仿真發(fā)展研究及趨勢分析

葉蔓

（池州學(xué)院文學(xué)與傳媒學(xué)院，安徽 池州 247000）

虛擬仿真（Virtual Reality）是伴隨現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像、計算機(jī)視覺以及多媒體技術(shù)等的不斷進(jìn)步而衍生的一種新的模擬技術(shù)，是利用軟件開發(fā)出一個虛擬的環(huán)境來模仿真實世界或者構(gòu)想中的世界，并通過視覺、聽覺、觸覺與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。在利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的虛擬環(huán)境中，學(xué)習(xí)者通過真實的體驗感和沉浸感可以彌補(bǔ)現(xiàn)實世界中資源不足等一系列問題，取得理想的交互效果。

虛擬仿真技術(shù)正在越來越多的被應(yīng)用于各行各業(yè)中，如醫(yī)學(xué)、軍事、航天、航海、化工、旅游、高校教學(xué)等。國家也出臺了一系列相應(yīng)政策來推動虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展。2018年教育部啟動國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認(rèn)定工作，并指出中央部委所屬高校要將“國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目”納入“十三五”期間中央高校教育教學(xué)改革專項的重要內(nèi)容，予以重點(diǎn)支持[1]。2019年10月，由工信部和江西省人民政府聯(lián)合主辦的以“VR讓世界更精彩——VR+5G開啟感知新時代”為主題的世界VR產(chǎn)業(yè)大會，標(biāo)志著虛擬仿真技術(shù)在新時代的發(fā)展中正呈現(xiàn)蓬勃的生機(jī)[2]。

本研究以虛擬仿真技術(shù)為研究對象，利用知識圖譜分析軟件從發(fā)文作者、研究機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞、突顯詞等多角度分析虛擬仿真的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，為將來虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)一步研究提供數(shù)據(jù)來源和參考。

1 研究數(shù)據(jù)來源

以中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫作為研究數(shù)據(jù)來源,從CNKI中選取篇名為“虛擬仿真”的期刊文獻(xiàn)共五千余篇,數(shù)據(jù)庫檢索截止時間為2021年9月。虛擬仿真的概念最早出現(xiàn)于1990年，但在長達(dá)十五年間并沒有被太多關(guān)注，自1990年以來的虛擬仿真技術(shù)研究發(fā)表年度趨勢如圖1。

圖1 虛擬仿真技術(shù)研究發(fā)表年度趨勢圖

從整體分析，自2016年以來，虛擬仿真的研究呈逐年上升趨勢，每年發(fā)文量突破500篇；2018年教育部啟動國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認(rèn)定工作，從2018年開始,關(guān)于虛擬仿真的研究論文數(shù)量開始迅速增長[3]；2019年10月，世界VR產(chǎn)業(yè)大會順利召開，虛擬仿真技術(shù)出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，近兩年虛擬仿真的研究論文數(shù)量每年突破1000篇。可見，虛擬仿真技術(shù)的研究背后離不開國家政策的推動與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的導(dǎo)向。

2 研究方法

本研究采用知識圖譜分析軟件對格式轉(zhuǎn)換后的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。知識圖譜是利用知識域為研究對象，顯示某一領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系，既是可視化的知識圖形，也是序列化的知識譜系[4]。這幾年，“知識圖譜”概念被經(jīng)常提及，用于數(shù)據(jù)可視化分析的軟件也層出不窮，如VoSviewer、Bibexel、Citespace等，每個軟件分析的側(cè)重點(diǎn)不同。

CiteSpace是一款基于JAVA語言開發(fā)的，用于挖掘潛在知識，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息可視化的軟件。通過分析特定領(lǐng)域文獻(xiàn)，以探尋該學(xué)科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及起到關(guān)鍵作用的知識轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并通過可視化圖譜的繪制對該學(xué)科或領(lǐng)域的發(fā)展起到推動作用[5]。該軟件主要對研究主題、研究機(jī)構(gòu)、研究趨勢等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。主要功能有：作者合作網(wǎng)絡(luò)分析（尋找合作團(tuán)隊）、研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析（尋找具有影響力的機(jī)構(gòu)）、關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析（尋找研究聚類）、突顯值分析（尋找研究熱點(diǎn)）等。

3 虛擬仿真知識圖譜分析

3.1 虛擬仿真研究作者分析

利用Citespace5.8.R1軟件從研究文獻(xiàn)中提取作者信息，設(shè)置 Time Slicing 為”from 2011 to 2021”，Year per slice 為1，在Node Types功能中選擇”Author”。節(jié)點(diǎn)閾值設(shè)置”Top 5 levels of most cited or occurred items from each slice”，其他值設(shè)為默認(rèn)，得到如圖所示的作者共現(xiàn)合作圖譜。從圖2中可以看出，從2011年-2021年共有196位作者研究虛擬仿真，研究團(tuán)隊雖然較多，但規(guī)模不大，且發(fā)文量不多；發(fā)文量較多的作者處于相對獨(dú)立的狀態(tài)，研究方向多是虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建、三維模型的建立、虛擬場景的搭建等，李玲和劉平安組成的研究團(tuán)隊比較關(guān)注虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)方面的研究；王淵和賈永興研究團(tuán)隊比較關(guān)注虛擬仿真技術(shù)在信號與系統(tǒng)方面的應(yīng)用；劉亞豐、余龍江組成的團(tuán)隊側(cè)重于虛擬仿真實驗中心建設(shè)、規(guī)劃以及實驗教學(xué)的體系構(gòu)建和模式探索。由此可見，虛擬仿真研究團(tuán)隊合作不深入，研究主力分散，缺乏合作研究成果。

圖2 虛擬仿真作者共現(xiàn)合作圖譜

3.2 虛擬仿真研究機(jī)構(gòu)合作譜圖分析

通過研究機(jī)構(gòu)合作圖譜分析可以體現(xiàn)出虛擬仿真研究領(lǐng)域的核心機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)間的合作聯(lián)系程度，在Node Types功能中選擇”Institution”，選擇每個時間片段中出現(xiàn)頻次最高的10個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成研究機(jī)構(gòu)合作圖譜，得到機(jī)構(gòu)292個，機(jī)構(gòu)間連線13條，網(wǎng)絡(luò)密度0.0008，屬于較低值。

圖3 虛擬仿真研究機(jī)構(gòu)合作圖譜

抽取2016-2019虛擬技術(shù)研究上升期有突出貢獻(xiàn)的真研究機(jī)構(gòu)所發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀分析，桂林理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院在資源環(huán)境工程、微生物實驗研究上比較突出，通過虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造安全的實驗環(huán)境，降低實驗過程中毒、爆、火等風(fēng)險，大大降低實驗器材和藥品的損耗。比如微生物數(shù)字切片系統(tǒng)、大型真菌虛擬3D模擬識別系統(tǒng)、細(xì)菌分子生物學(xué)分類鑒定仿真系統(tǒng)、根瘤菌發(fā)酵工藝仿真實驗、真菌栽培工藝仿真實驗、污水微生物處理工藝仿真實驗等[6]。

青島科技大學(xué)化工學(xué)院利用虛擬仿真技術(shù)搭建大型儀器三維操作平臺，高度仿真的工業(yè)級化工裝置操作場景可以很好與企業(yè)實習(xí)相融合。2015年，青島科技大學(xué)化工過程與裝備虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲批為國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(教高廳函[2015]3號)。2019年，青島科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)獲批為國家一流本科專業(yè)。同年開發(fā)的“催化裂化吸收單元3D虛擬仿真綜合實驗”項目獲批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。該校通過校企合作擴(kuò)充虛實結(jié)合的化工實習(xí)案例庫，實現(xiàn)新工科背景下高素質(zhì)人才的培養(yǎng)[7]。

對虛擬仿真研究有重要貢獻(xiàn)的研究機(jī)構(gòu)是華中科技大學(xué)，華中科技大學(xué)關(guān)于虛擬仿真研究的發(fā)文量如下圖4。該機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計、物流大數(shù)據(jù)等虛擬仿真實驗平臺的建立以及虛擬仿真實驗教學(xué)體系的構(gòu)建等方面做出突出貢獻(xiàn)。尤其是華中科技大學(xué)的生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院多次提出了在教育信息化背景下如何通過虛擬仿真實驗這種新的教學(xué)模式來推動教學(xué)改革并促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高[8]。通過“互聯(lián)網(wǎng)+”將虛擬仿真實驗教學(xué)項目設(shè)計并應(yīng)用到教學(xué)中，可以有效地解決目前高校實驗資源短缺、器材陳舊、場景單一等問題，培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作技能，學(xué)習(xí)者可以隨時隨地在虛擬實驗中通過模擬來提高專業(yè)技能，從而激發(fā)創(chuàng)造性。

圖3 華中科技大學(xué)關(guān)于虛擬仿真研究的發(fā)文量圖

結(jié)合研究作者和機(jī)構(gòu)合作圖譜對網(wǎng)絡(luò)密度、發(fā)文量等研究數(shù)據(jù)分析，華中科技大學(xué)發(fā)文量居第一位，以劉亞豐和余龍江組成的團(tuán)隊研究成果頗多，但其他研究力量分散，未形成有影響力的研究團(tuán)隊和跨機(jī)構(gòu)間的合作。

3.3 虛擬仿真研究主題譜圖分析

3.3.1 關(guān)鍵詞聚類可視化分析 利用citespace軟件生成關(guān)鍵詞聚類圖譜，對虛擬仿真關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，設(shè)置Time Slicing為”from 2011 to 2021”，Year per slice 為1，在Node Types功能中選擇”Keyword”。節(jié)點(diǎn)閾值設(shè)置為”Top 50 per slice”，其他值設(shè)為默認(rèn)，經(jīng)自動聚類分析以及可視化呈現(xiàn)，得出如圖5所示的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。從圖譜可以看出，Citespace聚類分析生成#0-#5共6個研究聚類，分別是虛擬仿真、虛擬仿真實驗、虛擬仿真技術(shù)，仿真實驗教學(xué)、仿真技術(shù)、unity3D。通過圖譜分析以及參考相關(guān)文獻(xiàn)可以了解虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展歷程。

圖4 虛擬仿真關(guān)鍵詞聚類圖譜

虛擬仿真是沉浸性、交互性和想象性高度融合的技術(shù)。2011-2013年，基于VR技術(shù)的虛擬眼鏡由谷歌公司上市，同時Oculus公司推出虛擬現(xiàn)實頭戴設(shè)備，這兩種主流VR設(shè)備的迅速發(fā)展，使得虛擬體驗逐漸由半沉浸式過度到沉浸式。但設(shè)備成本高昂，交互性仍然低；虛擬仿真場景大多基于真實世界，旨在解決真實問題，很少涉及現(xiàn)實生活中沒有或無法親臨的場景，想象性沒有得到體現(xiàn)。

自2014年起，虛擬仿真實驗團(tuán)隊及實驗室逐漸興起，尤其在互聯(lián)網(wǎng)巨頭臉書公司收購Oculus公司，這預(yù)示互聯(lián)網(wǎng)開始涉足虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域。虛擬仿真實驗室是借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)來搭建實驗場景，廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。尤其是在教育領(lǐng)域，虛擬仿真實驗用來輔助實驗教學(xué)，可部分甚至是全部替代實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還與線上教學(xué)相結(jié)合，這種新的混合式教學(xué)模式可以解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實驗器材緊缺、實驗結(jié)果不可逆、實驗成本高昂、實驗資源浪費(fèi)等一系列問題。

unity3D軟件是一款游戲引擎，虛擬仿真是用于制作三維動畫設(shè)計，在Unity3d中除了自帶的模型設(shè)計功能，還可以直接導(dǎo)入3DMAX建好的模型，通過關(guān)鍵幀數(shù)動畫來進(jìn)行場景模擬以及路徑和動作設(shè)置，導(dǎo)入聲音影像等資源，從而真實地模擬出虛擬場景，讓用戶有沉浸式的體驗，unity3D軟件強(qiáng)大的引擎功能可以跨平臺操作，手機(jī)和電腦等多操作系統(tǒng)都可以使用，還可以安裝插件，從而簡化設(shè)計過程，并帶來很好的交互功能。

2020年以來,在5G商用化進(jìn)程加速和新冠肺炎疫情背景下“非接觸式”經(jīng)濟(jì)的新需求為虛擬仿真產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在支撐服務(wù)疫情防控、加快企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)、強(qiáng)化服務(wù)保障、提高抗疫效率中發(fā)揮了積極作用[9]。

3.3.2 關(guān)鍵詞聚類提取 高頻關(guān)鍵詞能反映研究領(lǐng)域的研究主題，本文利用Citespace軟件對被研究文獻(xiàn)提取關(guān)鍵詞，獲得關(guān)鍵詞255個，其中出現(xiàn)頻次前10位的高頻關(guān)鍵詞如下表1所示。

表1 虛擬仿真高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計表

去除檢索時的關(guān)鍵詞虛擬仿真和意思相近的虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真技術(shù)，實驗教學(xué)和實踐教學(xué)做關(guān)鍵詞合并，得到實驗教學(xué)、虛擬仿真實驗、教學(xué)改革、教學(xué)模式、新工科這5個高頻關(guān)鍵詞，認(rèn)真閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，將我國近十年來虛擬仿真實驗教學(xué)研究梳理如下：

實驗教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，提高實踐操作。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)因受實驗場地、器材等多因素限制，多采用分組教學(xué)的方式，實驗形式單一，規(guī)模偏小，缺乏互動，學(xué)習(xí)的主動性得不到提高，創(chuàng)新性得不到有效培養(yǎng)[10]。

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，虛擬仿真實驗是結(jié)合虛擬現(xiàn)實、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)多媒體等技術(shù)而衍生的一種實驗?zāi)Ｊ?，是利用軟件開發(fā)出一個虛擬的實驗環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者通過平臺模擬來完成實驗項目，從而實現(xiàn)預(yù)期的實驗效果。在利用虛擬實驗技術(shù)開發(fā)的虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)習(xí)者有真實的體驗感和沉浸感，可以彌補(bǔ)現(xiàn)實中實驗教學(xué)資源不足等一系列問題，取得理想的實驗效果。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式已不能滿足應(yīng)用型高校對人才的培養(yǎng)，成本高昂、場地單一、設(shè)備陳舊、材料老化、人員配備不足等問題逐漸暴露。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，高校紛紛提出教學(xué)改革。將虛擬仿真實驗應(yīng)用到教學(xué)中，能有效解決目前實驗資源短缺、器材陳舊、場景單一等問題，能有效培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的實踐操作技能，學(xué)習(xí)者可以隨時隨地在虛擬實驗中通過模擬來提高專業(yè)技能，從而激發(fā)創(chuàng)造性。目前，虛擬仿真實驗中的各類建模、交互技術(shù)均已實現(xiàn)，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺在高校中得到快速推廣，這種新的教學(xué)模式可以將傳統(tǒng)實驗過程通過三維的形式完美展示，實驗場景逼真，既培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力，又比傳統(tǒng)實驗更能加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握。

2017年，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，高校掀起一股新工科熱潮，紛紛改革教學(xué)模式，培養(yǎng)具有較強(qiáng)實踐能力的應(yīng)用型人才是高校教學(xué)改革的目標(biāo)。加強(qiáng)教學(xué)互動，落實以生為本，提高學(xué)生的課堂參與度。在傳統(tǒng)實驗中引入虛擬仿真技術(shù)這種新的教學(xué)改革模式，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、提前預(yù)習(xí)，并通過虛擬仿真實驗平臺加強(qiáng)理解，分析問題和解決問題的能力得到鍛煉。

3.3.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜突顯詞提取 從關(guān)鍵詞中提取突顯詞，通過突顯詞研究來分析虛擬仿真研究的前言和發(fā)展趨勢，得到突顯詞圖譜（圖5）如下，可以直觀的看到突顯詞持續(xù)年份。自2016年以來，虛擬仿真實驗室開始出現(xiàn)，在國家政策的引領(lǐng)下，教育資源實現(xiàn)開放共享，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺在高校間如雨后春筍般涌現(xiàn)，近年來，新工科背景下的混合式教學(xué)會是虛擬仿真研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

圖5 虛擬仿真突顯詞提取

4 結(jié)語

本文對2011-2021年以來的虛擬仿真相關(guān)文獻(xiàn)利用Citespace知識圖譜軟件進(jìn)行研究。從發(fā)文量看，虛擬仿真技術(shù)近兩年處于上升趨勢，并隨著國家政策的推動和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的導(dǎo)向繼續(xù)蓬勃發(fā)展；從研究作者和機(jī)構(gòu)看，研究主體和核心力量較分散，雖然已形成有影響力的研究機(jī)構(gòu)，但核心團(tuán)體較少，研究主體和跨機(jī)構(gòu)間的合作程度有待提高。研究熱點(diǎn)方面，新工科環(huán)境下的虛擬仿真實驗教學(xué)研究頗多，目前混合式教學(xué)已經(jīng)普及，高校應(yīng)更加關(guān)注應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，結(jié)合全媒體時代的特性，對虛擬仿真實驗平臺在教學(xué)模式上加以改革，這些研究結(jié)論為虛擬仿真后續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和參考。