國內外虛擬仿真教學研究進展與比較分析

孫 琦

(江蘇科技大學 馬克思主義學院，江蘇 鎮江 212003)

虛擬仿真意同虛擬現實，由“虛擬現實之父”杰倫·拉尼爾(Jaron Lanier)于20世紀80年代提出，是一種多源信息融合、交互式的三維動態視景和實體行為的仿真系統。自2002年起，虛擬仿真多次被《國際教育信息化地平線報告》列入其中，相關技術應用也成為教育領域的熱門話題。中國教育部分別于2012年和2013年印發了《教育信息化十年發展規劃(2011—2020)》和《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，習近平總書記在2018年全國教育大會上提出要“堅持深化教育改革創新”，這些制度性文件和要求為現代信息技術助推虛擬仿真教學應用營造了良好的外部環境，對教育教學質量產生了深遠影響。

自虛擬仿真技術應用于教育領域，國內外學者對虛擬教學研究的熱度持續走高，但近年來學界比較熱衷的可視化分析方法在該研究領域運用較少。因此，筆者借助CiteSpace對國內外虛擬仿真教學研究態勢進行全景掃描，對比分析其結構特征與熱點主題，以期在該領域的研究方法上作出新的嘗試和突破。

一、 數據來源與方法

(一) 數據來源

為確保數據來源的科學性、準確性和完整性，本研究以CNKI為國內文獻數據來源，檢索條件設置為：來源類別=“北大核心+CSSCI+CSCD”,主題=“虛擬仿真+教學”，出版年度=“1980—2022”,檢索時間為2022年2月23日，共檢索出1 378篇期刊文獻，剔除會議通知、撤回稿件、實訓中心簡介和書評等文獻，得到有效文獻數據1 313條，通過數據格式轉換成為國內數據樣本；以Web of Science為國外文獻數據來源，檢索條件設置為：Database=“Web of Science Core Collection”,Topic=“virtual reality+ teaching”,Publication Date=“All years(1900—2022)”，檢索時間為2022年2月24日，去除重復與非研究類文獻，共得到有效文獻數據4 071條，作為國外數據樣本。

(二) 研究方法

本研究借助美國費城德雷克塞爾大學陳超美教授于2004年運用Java語言開發的知識圖譜軟件(CiteSpace 5.8.R3版本)，以上述國內外數據樣本為研究對象進行文獻計量，研究一定時間范圍內研究文獻的時空分布、主體結構和熱點演進等，通過參數設置，呈現出具有完備性的科學知識圖譜[1]。在梳理研究概況基礎上，分別選取“作者”“機構”“期刊”和“關鍵詞”四類節點繪制科學圖譜，再從研究主體結構和研究主題進展兩個方面進行比較分析。

二、 時空視角下虛擬仿真教學研究概況

(一) 虛擬仿真教學研究的空間分布

為直觀地呈現虛擬仿真教學在世界范圍內的受關注程度和研究狀況，基于Web of Science Core Collection中各國發表的文獻數量，利用CiteSpace獲取相關研究的主要國家/地區分布情況，繪制前10位虛擬仿真教學研究主要國家/地區分布(圖1)。由圖1可知，美國發文量最多，其次分別是中國、英國、巴西和加拿大，五個國家發文量總和占全球發文總量的49.1%，對虛擬仿真教學研究作出了重要貢獻。美國、中國和英國的中心性較高，在該研究領域中占有重要地位并具有較高影響力。就最早發文時間來看，歐美發達國家普遍對虛擬仿真教學關注較早且發文量較大。而隨著數字化教學手段尤其是虛擬仿真技術的發展，中國、巴西和澳大利亞等國家開始關注虛擬仿真教學，盡管由于研究起步較晚，在發文量上與美國存在一定的差距，但能夠躋身于主要研究國家行列且具有較高中心性，說明非歐美發達國家在虛擬仿真教學研究中顯示出了較強的國際交流實力與潛力。

圖1 虛擬仿真教學研究主要國家/地區分布

(二) 虛擬仿真教學研究的時間演變

本研究將數據樣本進行發文時間分布統計，得到國內外虛擬仿真教學研究發文量時序(圖2)。

圖2 國內外虛擬仿真教學研究發文量時序

由圖2可知，國外虛擬仿真教學研究始于1992年，至2005年的14年間發文量一直較小，年均發文24.6篇，說明該研究還未引起國際學術界的廣泛關注，可將該階段認為是國外虛擬仿真教學研究的萌芽階段。2006至2016年的發文量呈明顯上升趨勢，年均發文130.2篇，可將這段時期視為該研究的緩慢發展階段。2017年的發文量激增，且此后的發文趨勢上升顯著，近五年年均發文450篇(因2022年數據不完整，故未將其納入統計)，至此進入快速發展階段。

相比之下，國內對于虛擬仿真教學的研究開始于2000年，滯后國外近10年，至2013年的發文總量為93篇，年均發文6.6篇，這與國內對于數字化教學手段關注較晚有直接關系。不同于國外研究的發展歷程，國內研究直接從萌芽期進入快速發展階段，2013年之后的年均發文達到150.4篇(同上，2022年數據未納入統計)?？傮w來看，國內研究雖起步較晚，但發文總量僅次于美國且近期發展速率與國外發展速率相近，根據發展趨勢來看，未來幾年國內外發文量均可能持續升高。

三、 國內外研究主體的對比分析

(一) 國內外核心作者對比分析

核心作者是指某研究領域中具有較多研究成果并有較高影響力的科研人員，通過對其學術活動的挖掘和分析，能有效識別該領域的研究現狀和發展脈絡。本研究將參數設置為：Node Types(提取節點)=“Author”，運行CiteSpace軟件并結合普賴斯定律[2]生成國內外虛擬仿真教學研究核心作者(表1)。

表1 國內外虛擬仿真教學研究核心作者

在國內的虛擬仿真教學研究領域，東南大學熊宏齊、揚州大學魏萬紅和杜坤、華中師范大學李兵的研究成果最為豐碩，他們大多致力于高校實驗室建設與實驗教學管理。其中，熊宏齊凝煉出國家虛擬仿真實驗教學項目的教學特征[3]，提出了推進虛擬仿真實驗教學需遵循的原則和優化路徑[4]，對國內高校虛擬仿真實驗教學項目的建設與應用具有重要影響。其他核心作者在將虛擬仿真技術應用于學科建設方面的研究頗多，杜坤等主要探討了生物學虛擬實驗室的構建，以及“虛實結合”實驗教學模式在生物學課程教學中的應用[5]，他與魏萬紅、張彪基于學緣關系構成合作網絡。

在國外的虛擬仿真教學研究領域，研究成果最為突出的學者是倫敦帝國理工學院教授Aggarwal，主要從事婦科微創技術的教學與培訓；在其他的核心作者中，Darzi與Aggarwal基于學緣關系構成合作網絡，Tarng和Andaluz主要致力于增強現實技術和虛擬仿真技術在計算機科學與教育中的研究與應用，Li和Zhang則主要研究虛擬遠程實驗室在網絡教育中的應用。

通過對比國內外核心作者的研究可以看出：

首先，總體來看，核心作者只是相對而言，它與數據庫的選取及文獻中作者排序有密切關系。在本研究中，國內核心作者發文量占國內發文總量的21.1%，國外占27.5%，說明當前國內外已形成一定規模的關于虛擬仿真教學研究的學者隊伍，但進行持續研究或深入研究的學者并不多，尚未形成核心作者群。

其次，虛擬仿真教學研究成果集中在虛擬仿真教學系統及實驗平臺的構建等方面。國外主要基于虛擬仿真技術進行應用研究，更加注重結合實踐解決現實問題。國內外作者關注視角的多樣性從側面反映出虛擬仿真應用的綜合性和廣泛性，未來在橫向延伸領域上還有很大的拓展空間。

(二) 國內外研究機構對比分析

研究機構作為另一類型研究主體，在學術資源掌握方面具有一定優勢。因此，本研究將國內外發文量最大的前10個機構統計成核心機構(表2)。

表2 國內外虛擬仿真教學研究核心機構

續表

通過對比國內外主要研究機構可以看出：

在發文數量上，國內外均以高等院校及其附屬機構為主要研究力量。機構間發文數量差距不大，其研究成果在虛擬仿真教學研究領域大多具有較強的學術影響力。

在合作網絡上，國內研究機構內部形成了一定的合作關系，但機構間合作較為松散，合作程度也比較低；國外虛擬仿真教學研究機構除了內部有較多合作，外部還呈現出以多倫多大學為中心的放射性合作關系及與一些主要研究機構的多方合作關系。較為明顯的合作群體有加拿大多倫多大學、英國帝國理工學院、美國哈佛大學以及美國佛羅里達州立大學；美國佛羅里達中央大學、美國佛羅里達大學、美國哈佛大學和美國俄亥俄州立大學。

(三) 國內外研究方法對比分析

虛擬仿真教學研究的方法主要有規范研究和實證研究兩大類。國內研究首先多以規范研究為主，運用演繹和歸納方法，注重從邏輯性方面說明虛擬仿真技術之于學科內教育教學的可能性和必要性，如回應信息時代教育技術革新需求、拓展教學活動場域、重塑教學主體身份關系、提升傳統實驗教學質量等；其次是概括虛擬仿真技術與教育教學的融合應用，包括構建虛擬實驗教學框架、開發虛擬仿真教學平臺、設計學科內虛擬教學系統、優化虛擬教學環境等；最后是評估虛擬仿真技術應用于教育教學的效果，進而探索如何改進教育工具、健全政策體系、提升教學效果的具體路徑。國外研究多以實證研究為主，首先確認研究假設，再以觀察數據產生的相互關系為對象，經過多次實驗評估虛擬仿真技術的實施結果，以驗證或衡量假設的正確性。

四、 國內外研究內容的對比分析

(一) 國內外研究的主要內容對比分析

關鍵詞是對文獻重點內容的提煉和概括，能夠在一定程度上反映其核心內容。本研究首先將參數設置為：Node Types=“Keyword”,其他參數為默認值，將相同、相似的詞語合并：將“虛擬仿真”“虛擬現實”“仿真”“仿真技術”“虛擬技術”和“VR技術”歸類為“虛擬仿真”，將“教學改革”和“課程改革”歸類為“教學改革”，將“實驗教學”“實踐教學”和“實訓教學”歸類為“實驗/實踐教學”等，將“virtual reality”“simulation”“virtual reality simulation”和“vr”歸類為“virtual reality”，將“skill”和“technology”歸類為“skill”；然后運行CiteSpace軟件，得到國內外虛擬仿真教學研究高頻次關鍵詞列表；最后在此基礎上進一步對國內外虛擬仿真教學研究文獻的關鍵詞進行聚類。同樣，文獻共被引[6]知識圖譜中的關鍵節點、聚類和色彩也能體現該研究領域的熱點主題和演變歷程。首先將參數設置為：Node Types=“Keyword”(國內)和“Reference”(國外)，然后運行CiteSpace軟件生成國內研究的關鍵詞聚類知識圖譜和國外研究的共被引文獻聚類知識圖譜(圖3)。從圖3可知，Modularity Q值分別為0.870 9和0.781 3，且Mean Silhouette值分別為0.983 1和0.915 6，表明聚類效果顯著，因而能有效呈現虛擬仿真教學研究熱點的集中領域?？傮w來看，國內外對于虛擬仿真教學研究主要集中于平臺建設、教學改革和學科化應用三個方面，只是在具體研究視角和應用進程上稍有不同。

圖3 國內外虛擬教學研究主題聚類知識圖譜

1.虛擬仿真教學平臺建設的研究

國內外對于虛擬仿真教學平臺建設的研究主要集中于虛擬仿真實驗中心的環境建設和技術運用兩個方面，體現為#0虛擬仿真、#3虛擬現實、#6單片機、#8實驗平臺、#11信息技術、#12虛擬實驗、#0 virtual reality、#3 user studies、#4 augmented reality、#8 head-mounted display、#16 virtual simulation等聚類標簽。

在虛擬仿真實驗中心的環境建設方面，《教育信息化十年發展規劃(2011—2020)》提出了建立虛擬實驗室等優質數字教育資源的要求?！蛾P于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》進一步明確了虛擬仿真實驗教學的重要性。因為信息技術與實驗教學的深度融合能有效解決高校傳統實驗和實訓課成本高、交互性差和可重復率低等困境，虛擬仿真實驗實訓課可能成為一種新的教育生產力。學術界也將此作為研究中的重點課題，王衛國[7]、劉亞豐等[8]、祖強等[9]、Potkonjak等[10]和Jara[11]等分別從建設背景和意義、發展途徑、建設現狀和措施等方面進行探討研究，其文獻的被引頻率較高。綜合來看，虛擬仿真實驗中心的建設是高等教育信息化建設的必然要求，不僅需要統籌做好整體規劃和頂層設計，還要建立、健全資源共享的可持續發展策略。

在虛擬仿真實驗中心的技術運用方面，當前的主要研究目標和研究成果集中在VR設備、VR內容和VR交互三個方向。如趙沁平和周忠針對虛擬現實技術的發展歷程、技術特點、相關硬件設備發展和應用等進行了論述[12-13]；王衛國等指出，人機交互技術、可視化技術、多媒體技術、增強現實技術和3D打印技術等是目前虛擬仿真實驗教學中主要應用的信息技術[14]；Noor等討論了創建虛擬實驗室所涉及的技術層面及應用的諸多問題[15]；Redel-Macias等通過開發模擬實驗室操作的虛擬環境有效促進了教學過程的開展，佐證了虛擬實驗室和交互式模擬能夠提高學生理解技術原理的觀點[16]。

2.虛擬仿真教學改革的研究

國內外對于虛擬仿真教學改革的研究主要集中于教育數字信息化趨勢下對虛擬仿真教學和培訓的探討，尤其是高校以信息技術推動實驗教學改革方面，體現為#1實驗教學、#2教學方法、#4教學體系、#5教學改革、#10實踐教學、#5 improving classroom teaching、#6 didactic resource、#7 objective assessment、#10 systematic review等聚類標簽。

始于2002年由美國新媒體聯盟(NMC)主導的“地平線研究項目”所發布的《國際教育信息化地平線報告》在教育信息化建設方面具有導向作用。2010年的“Common Core Standards of the State”提供了虛擬仿真技術作用于現代教育的具體評價指標，傳統教學模式和學習方式也因此深受影響[17]，并加速推進了教育信息化的改革與發展[18]。中國教育部大力推進的國家虛擬仿真實驗教學項目，利用線上虛擬交互實驗的方式降低對實體實驗室的依賴，解決了許多因現實條件、資源不均衡等導致的實驗教學問題[19]。胡今鴻等認為，在制度層面建立有利于資源開發和共享的管理體制和運行機制是高校虛擬仿真實驗教學改革亟需解決的問題[20]?？茖W分析高校虛擬仿真實驗教學的基本問題與趨勢，能為高校虛擬仿真實驗教學的建設與發展提供方向性指導[21]。國外一些學者還利用虛擬仿真技術特性積極探尋新教學模式和方法，如Dodd等嘗試以信號作為一種技術，集成桌面虛擬現實與在線學習管理系統[22]；Varlet等在探討虛擬現實與動作捕捉技術在室內團體賽艇情境中是否有助于人際協調習得基礎上提出基于人際關系的協作學習模式[23]。

3.虛擬仿真教學學科化應用的研究

國內外對于虛擬仿真教學學科化應用的研究主要集中于醫用外科培訓、計算機和遠程教育等方面，體現為#7疫情、#9護理、#1 vascular surgery、#2 gross anatomy education、#9 organic chemistry、#12 medical education、#13 operative dentistry 等聚類標簽。

在技術先導的價值理念下，虛擬仿真技術作為一種“技術工具”，其學科中的應用幾乎涵蓋了大部分科學學科，尤其以醫學、計算機、車輛工程、工程學學科為主。蔡巧玲、胡大一在2006年提出醫學院應適應醫學模式轉變，通過重視醫學模擬教學中心的建設，達到培養醫學生“知識、能力、人格”全面發展的目標[24]；杜坤等建構了由設備與技能、形態與結構、組分與功能三個模塊組成的生物學虛擬實驗室，創新了實驗教學模式，完善了虛實互補的教學考核體系[5]。近年來，虛擬仿真技術甚至被應用于新文科領域，如盧勇在疫情防控、高校思政課教學模式創新以及國家政策支持的背景下，研究了虛擬仿真技術與高校思政課的深度融合[25]。國外在醫學外科應用、計算機遠程教育等學科方面的研究成果頗豐，如Aggarwal等回顧了當時可用于腹腔鏡手術培訓和評估的工具，并提出虛擬仿真模擬器可用于開發結構化的腹腔鏡手術培訓計劃[26]；Jara等以虛擬遠程機器人實驗室為實驗工具，對阿里坎特大學計算機科學專業自動力學和機器人課程進行體驗式教學[11]。

通過對比國內外虛擬仿真教學研究的主要內容可以看出：

首先，在政策支持層面，國內和歐美發達國家都已將虛擬仿真教育產業發展納入國家規劃發展層面，并充分利用政策和法律手段，對虛擬仿真教育產業給予支持，加速產業發展。相比之下，國內支持主體較為單一，多為政府及相關職能部門，而國外支持主體則呈多元化趨勢，如由政府主導、企業贊助、行業學會主持的教育與課程評估標準等。

其次，在技術支持層面，國內多集中于對平臺整體建設的技術支持，其中既包括相關硬件設備的發展和應用，也包含對所需軟件的技術支持，如管理隊伍的技術培訓和管理體系的優化配置；國外多側重于微觀層面且將其貫穿于教學研究的整個過程，將諸多研究與醫學、物理學、工程學等具體學科相結合。

最后，在教學應用層面，國內對于虛擬仿真教學的研究在當下呈現噴涌狀態，關注焦點多為虛擬技術與各學科實驗教學的設計及應用研究、校企合作形式的虛擬仿真教學系統的開發研究、虛擬仿真教學實驗中心平臺建設研究，研究成果多以“碎片化”形式分布，彼此之間關聯較少；國外虛擬仿真教學應用研究尤其在醫學應用方面的研究深度明顯優于國內，且在“碎片化”研究階段之后已開始進行學科化和系統化的虛擬教育理論和應用研究。

(二) 國內外研究熱點對比分析

突現詞是指在短期內多次重復出現的詞。本研究將參數設置為：Node Types=“Keyword”，利用CiteSpace的突發主題檢測(Burstness)生成國內外虛擬教學研究突現詞知識圖譜(圖4)。

圖4 國內外虛擬教學研究突現詞知識圖譜

由圖4可知，國內研究的突現詞有24個，前19個突現詞都始于2000年，接連交替出現的生命周期均在10年以上，且突現強度較大，研究方向為前文所述的三個方面?！百Y源共享”“虛擬實驗”“新工科”“互聯網+”這四個詞發生突現的時間較晚、強度較低且生命周期較短。國外研究的突現詞有40個，歸類合并后選取其中的25個作為研究對象。其中，“acquisition”“operating room”“virtual reality simulation”和“augmented reality”四個詞的突現強度最大，均在10以上；25個突現詞的平均生命周期較短，且只有三個突現詞的生命周期在10年及以上。

國內研究多聚焦于虛擬仿真技術如何從教學資源、教學方式和實驗教學平臺等方面重塑各學科領域的線上教學。近兩年，學界還將作為虛擬仿真技術高階發展產物的元宇宙應用于在線教育理論、智能學習環境構建、虛擬教學方式等教育研究領域。教育元宇宙成為當下該領域的研究熱點，雖處于發展的雛形階段，但已展現出巨大的發展潛力，有可能成為未來“智能+教育”轉段、升級的新的支撐點。國外研究熱點主要包括三個方面：

一是虛擬教育的本體論研究，既包括建構主義學習理論對虛擬仿真技術應用教學尤其是在情景化構建層面的理論和實踐指導，也包括從教育教學邏輯范式出發對虛擬仿真教學有效性的探討，還包括因教育工具變革引起的教育活動中生產要素的關系變化研究以及相應的教育價值取向變化研究。

二是虛擬仿真教學應用研究，包括虛擬實驗室環境建設和虛擬仿真技術革新兩個方面。元宇宙教育同樣改變著教育觀念與教學模式，應用導向、行業標準和科技倫理等方面得到更多關注。

三是醫學應用研究，包括在外科醫學和護理教育領域應用可視化VR模擬器開展教育培訓、輔助診斷、醫患溝通等。國外研究熱點經歷了從理論到實踐再到學科化應用的多元漸進歷程，這與國內聚焦學科內實驗教學研究的單一特征存在一定差別。

五、 結論與思考

(一) 研究發現

本研究通過對國內外虛擬仿真教學研究文獻的分析可從幾方面得出結論。首先，各國均對虛擬仿真教學給予較高關注，國內外學術界對此已展開多方位、多視角和多層面的研究，國外研究起步較早，目前處于快速發展階段；國內研究雖起步較晚，但發文總量僅次于美國且近期增長速度與國外增長速度相近，未來幾年國內外發文量均可能持續增加。其次，盡管核心作者和機構的界定具有相對性，然而虛擬仿真教學是一項多學科、多領域交叉的新型應用型研究。國內外普遍存在研究團隊成員較多且專業廣泛、但合作程度較低且不夠穩定的狀態。再次，國內外的研究內容主要集中于平臺建設、教學改革和學科化應用三個維度，但研究的深度和廣度仍有差異，研究熱點和演進歷程也各有側重。相較于國內注重虛擬仿真實驗室的建設與教學應用研究而言，國外對本體論和醫學應用研究也一度呈現白熱化狀態。最后，國內研究多以規范研究為主；國外研究則多為實證研究，且效用評估是其研究重點。

(二) 未來研究展望

隨著教育信息化不斷深入，虛擬仿真教育的關注度日益提升，展現出良好的發展前景和重大研究價值。通過對知識圖譜的呈現，剖析當前國內外虛擬仿真教學研究的主要內容和熱點演進：

第一，重視虛擬教學本體論的理論研究，以提高該研究領域的學術性和學理性，從而能更好地指導實踐應用。虛擬仿真教學作為教育系統性變革的內生變量，能夠推動教學理念更新、教學方法多元整合、教學效果科學評估。然而，既往研究多從認識論和方法論角度加以展開，而對虛擬教學本體論的研究相對較少。教育理念和教學行為應當以教育本體論為指導，其最終落腳點始終是人的學習和發展[27]。因此，推進虛擬仿真教學的常態化普及，應始終堅持育人為本、以技術為輔的發展理念，避免因新技術的引入而消解學習者獨立自主的思考能力，在更注重培養學生思辨能力的人文社科領域尤是如此。

第二，加強從宏觀上把握虛擬仿真教學的研究框架，注重從微觀上對專業學科具體問題進行具體分析，進而構建出有針對性和實效性的虛擬仿真教學應用研究體系。虛擬仿真教學對學習者的學習效果具有顯著的正向促進作用，但在學科應用上存在不平衡性，因而需要針對不同的知識類型設計相應的方案[28]。如，醫學類學科側重于操作教學的程序性知識，因此應豐富虛擬交互方式，并給予學生多方位感官刺激和多通道體驗；針對社科類的陳述性知識，應通過直觀呈現的方式展現事物內部的聯系，以便學習者更快理解和學習。同時，還要有效促進虛擬仿真教學與評估的雙向結合。

第三，強化學術研究過程中的合作交流機制建設，積極創建國內外學術合作交流平臺，廣泛開展國家、地區、機構與個人之間的學術交流和合作，形成多學科共同關注、深度研究的學術氛圍，以期為教學信息化的改革和發展貢獻智慧和力量。虛擬仿真教學在很大程度上能有效提高學習效果，但其研究主體和研究內容在不同國家和地區、不同學科和領域間都存在差異。未來發展需要繼續依托國家政策加強虛擬仿真教學環境建設，擴大學科適用范圍，深化各層次研究團隊和機構的合作交流，將虛擬仿真教學應用從高等教育延伸至中小學教育，以豐富后疫情時代的教育教學方法。