国内外虚拟仿真教学研究进展与比较分析

孙 琦

(江苏科技大学 马克思主义学院，江苏 镇江 212003)

虚拟仿真意同虚拟现实，由“虚拟现实之父”杰伦·拉尼尔(Jaron Lanier)于20世纪80年代提出，是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的仿真系统。自2002年起，虚拟仿真多次被《国际教育信息化地平线报告》列入其中，相关技术应用也成为教育领域的热门话题。中国教育部分别于2012年和2013年印发了《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》和《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，习近平总书记在2018年全国教育大会上提出要“坚持深化教育改革创新”，这些制度性文件和要求为现代信息技术助推虚拟仿真教学应用营造了良好的外部环境，对教育教学质量产生了深远影响。

自虚拟仿真技术应用于教育领域，国内外学者对虚拟教学研究的热度持续走高，但近年来学界比较热衷的可视化分析方法在该研究领域运用较少。因此，笔者借助CiteSpace对国内外虚拟仿真教学研究态势进行全景扫描，对比分析其结构特征与热点主题，以期在该领域的研究方法上作出新的尝试和突破。

(一) 数据来源

为确保数据来源的科学性、准确性和完整性，本研究以CNKI为国内文献数据来源，检索条件设置为：来源类别=“北大核心+CSSCI+CSCD”,主题=“虚拟仿真+教学”，出版年度=“1980—2022”,检索时间为2022年2月23日，共检索出1 378篇期刊文献，剔除会议通知、撤回稿件、实训中心简介和书评等文献，得到有效文献数据1 313条，通过数据格式转换成为国内数据样本；
以Web of Science为国外文献数据来源，检索条件设置为：Database=“Web of Science Core Collection”,Topic=“virtual reality+ teaching”,Publication Date=“All years(1900—2022)”，检索时间为2022年2月24日，去除重复与非研究类文献，共得到有效文献数据4 071条，作为国外数据样本。

(二) 研究方法

本研究借助美国费城德雷克塞尔大学陈超美教授于2004年运用Java语言开发的知识图谱软件(CiteSpace 5.8.R3版本)，以上述国内外数据样本为研究对象进行文献计量，研究一定时间范围内研究文献的时空分布、主体结构和热点演进等，通过参数设置，呈现出具有完备性的科学知识图谱[1]。在梳理研究概况基础上，分别选取“作者”“机构”“期刊”和“关键词”四类节点绘制科学图谱，再从研究主体结构和研究主题进展两个方面进行比较分析。

(一) 虚拟仿真教学研究的空间分布

为直观地呈现虚拟仿真教学在世界范围内的受关注程度和研究状况，基于Web of Science Core Collection中各国发表的文献数量，利用CiteSpace获取相关研究的主要国家/地区分布情况，绘制前10位虚拟仿真教学研究主要国家/地区分布(图1)。由图1可知，美国发文量最多，其次分别是中国、英国、巴西和加拿大，五个国家发文量总和占全球发文总量的49.1%，对虚拟仿真教学研究作出了重要贡献。美国、中国和英国的中心性较高，在该研究领域中占有重要地位并具有较高影响力。就最早发文时间来看，欧美发达国家普遍对虚拟仿真教学关注较早且发文量较大。而随着数字化教学手段尤其是虚拟仿真技术的发展，中国、巴西和澳大利亚等国家开始关注虚拟仿真教学，尽管由于研究起步较晚，在发文量上与美国存在一定的差距，但能够跻身于主要研究国家行列且具有较高中心性，说明非欧美发达国家在虚拟仿真教学研究中显示出了较强的国际交流实力与潜力。

图1 虚拟仿真教学研究主要国家/地区分布

(二) 虚拟仿真教学研究的时间演变

本研究将数据样本进行发文时间分布统计，得到国内外虚拟仿真教学研究发文量时序(图2)。

图2 国内外虚拟仿真教学研究发文量时序

由图2可知，国外虚拟仿真教学研究始于1992年，至2005年的14年间发文量一直较小，年均发文24.6篇，说明该研究还未引起国际学术界的广泛关注，可将该阶段认为是国外虚拟仿真教学研究的萌芽阶段。2006至2016年的发文量呈明显上升趋势，年均发文130.2篇，可将这段时期视为该研究的缓慢发展阶段。2017年的发文量激增，且此后的发文趋势上升显著，近五年年均发文450篇(因2022年数据不完整，故未将其纳入统计)，至此进入快速发展阶段。

相比之下，国内对于虚拟仿真教学的研究开始于2000年，滞后国外近10年，至2013年的发文总量为93篇，年均发文6.6篇，这与国内对于数字化教学手段关注较晚有直接关系。不同于国外研究的发展历程，国内研究直接从萌芽期进入快速发展阶段，2013年之后的年均发文达到150.4篇(同上，2022年数据未纳入统计)。总体来看，国内研究虽起步较晚，但发文总量仅次于美国且近期发展速率与国外发展速率相近，根据发展趋势来看，未来几年国内外发文量均可能持续升高。

(一) 国内外核心作者对比分析

核心作者是指某研究领域中具有较多研究成果并有较高影响力的科研人员，通过对其学术活动的挖掘和分析，能有效识别该领域的研究现状和发展脉络。本研究将参数设置为：Node Types(提取节点)=“Author”，运行CiteSpace软件并结合普赖斯定律[2]生成国内外虚拟仿真教学研究核心作者(表1)。

表1 国内外虚拟仿真教学研究核心作者

在国内的虚拟仿真教学研究领域，东南大学熊宏齐、扬州大学魏万红和杜坤、华中师范大学李兵的研究成果最为丰硕，他们大多致力于高校实验室建设与实验教学管理。其中，熊宏齐凝炼出国家虚拟仿真实验教学项目的教学特征[3]，提出了推进虚拟仿真实验教学需遵循的原则和优化路径[4]，对国内高校虚拟仿真实验教学项目的建设与应用具有重要影响。其他核心作者在将虚拟仿真技术应用于学科建设方面的研究颇多，杜坤等主要探讨了生物学虚拟实验室的构建，以及“虚实结合”实验教学模式在生物学课程教学中的应用[5]，他与魏万红、张彪基于学缘关系构成合作网络。

在国外的虚拟仿真教学研究领域，研究成果最为突出的学者是伦敦帝国理工学院教授Aggarwal，主要从事妇科微创技术的教学与培训；
在其他的核心作者中，Darzi与Aggarwal基于学缘关系构成合作网络，Tarng和Andaluz主要致力于增强现实技术和虚拟仿真技术在计算机科学与教育中的研究与应用，Li和Zhang则主要研究虚拟远程实验室在网络教育中的应用。

通过对比国内外核心作者的研究可以看出：

首先，总体来看，核心作者只是相对而言，它与数据库的选取及文献中作者排序有密切关系。在本研究中，国内核心作者发文量占国内发文总量的21.1%，国外占27.5%，说明当前国内外已形成一定规模的关于虚拟仿真教学研究的学者队伍，但进行持续研究或深入研究的学者并不多，尚未形成核心作者群。

其次，虚拟仿真教学研究成果集中在虚拟仿真教学系统及实验平台的构建等方面。国外主要基于虚拟仿真技术进行应用研究，更加注重结合实践解决现实问题。国内外作者关注视角的多样性从侧面反映出虚拟仿真应用的综合性和广泛性，未来在横向延伸领域上还有很大的拓展空间。

(二) 国内外研究机构对比分析

研究机构作为另一类型研究主体，在学术资源掌握方面具有一定优势。因此，本研究将国内外发文量最大的前10个机构统计成核心机构(表2)。

表2 国内外虚拟仿真教学研究核心机构

续表

通过对比国内外主要研究机构可以看出：

在发文数量上，国内外均以高等院校及其附属机构为主要研究力量。机构间发文数量差距不大，其研究成果在虚拟仿真教学研究领域大多具有较强的学术影响力。

在合作网络上，国内研究机构内部形成了一定的合作关系，但机构间合作较为松散，合作程度也比较低；
国外虚拟仿真教学研究机构除了内部有较多合作，外部还呈现出以多伦多大学为中心的放射性合作关系及与一些主要研究机构的多方合作关系。较为明显的合作群体有加拿大多伦多大学、英国帝国理工学院、美国哈佛大学以及美国佛罗里达州立大学；
美国佛罗里达中央大学、美国佛罗里达大学、美国哈佛大学和美国俄亥俄州立大学。

(三) 国内外研究方法对比分析

虚拟仿真教学研究的方法主要有规范研究和实证研究两大类。国内研究首先多以规范研究为主，运用演绎和归纳方法，注重从逻辑性方面说明虚拟仿真技术之于学科内教育教学的可能性和必要性，如回应信息时代教育技术革新需求、拓展教学活动场域、重塑教学主体身份关系、提升传统实验教学质量等；
其次是概括虚拟仿真技术与教育教学的融合应用，包括构建虚拟实验教学框架、开发虚拟仿真教学平台、设计学科内虚拟教学系统、优化虚拟教学环境等；
最后是评估虚拟仿真技术应用于教育教学的效果，进而探索如何改进教育工具、健全政策体系、提升教学效果的具体路径。国外研究多以实证研究为主，首先确认研究假设，再以观察数据产生的相互关系为对象，经过多次实验评估虚拟仿真技术的实施结果，以验证或衡量假设的正确性。

(一) 国内外研究的主要内容对比分析

关键词是对文献重点内容的提炼和概括，能够在一定程度上反映其核心内容。本研究首先将参数设置为：Node Types=“Keyword”,其他参数为默认值，将相同、相似的词语合并：将“虚拟仿真”“虚拟现实”“仿真”“仿真技术”“虚拟技术”和“VR技术”归类为“虚拟仿真”，将“教学改革”和“课程改革”归类为“教学改革”，将“实验教学”“实践教学”和“实训教学”归类为“实验/实践教学”等，将“virtual reality”“simulation”“virtual reality simulation”和“vr”归类为“virtual reality”，将“skill”和“technology”归类为“skill”；
然后运行CiteSpace软件，得到国内外虚拟仿真教学研究高频次关键词列表；
最后在此基础上进一步对国内外虚拟仿真教学研究文献的关键词进行聚类。同样，文献共被引[6]知识图谱中的关键节点、聚类和色彩也能体现该研究领域的热点主题和演变历程。首先将参数设置为：Node Types=“Keyword”(国内)和“Reference”(国外)，然后运行CiteSpace软件生成国内研究的关键词聚类知识图谱和国外研究的共被引文献聚类知识图谱(图3)。从图3可知，Modularity Q值分别为0.870 9和0.781 3，且Mean Silhouette值分别为0.983 1和0.915 6，表明聚类效果显著，因而能有效呈现虚拟仿真教学研究热点的集中领域。总体来看，国内外对于虚拟仿真教学研究主要集中于平台建设、教学改革和学科化应用三个方面，只是在具体研究视角和应用进程上稍有不同。

图3 国内外虚拟教学研究主题聚类知识图谱

1.虚拟仿真教学平台建设的研究

国内外对于虚拟仿真教学平台建设的研究主要集中于虚拟仿真实验中心的环境建设和技术运用两个方面，体现为#0虚拟仿真、#3虚拟现实、#6单片机、#8实验平台、#11信息技术、#12虚拟实验、#0 virtual reality、#3 user studies、#4 augmented reality、#8 head-mounted display、#16 virtual simulation等聚类标签。

在虚拟仿真实验中心的环境建设方面，《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》提出了建立虚拟实验室等优质数字教育资源的要求。《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》进一步明确了虚拟仿真实验教学的重要性。因为信息技术与实验教学的深度融合能有效解决高校传统实验和实训课成本高、交互性差和可重复率低等困境，虚拟仿真实验实训课可能成为一种新的教育生产力。学术界也将此作为研究中的重点课题，王卫国[7]、刘亚丰等[8]、祖强等[9]、Potkonjak等[10]和Jara[11]等分别从建设背景和意义、发展途径、建设现状和措施等方面进行探讨研究，其文献的被引频率较高。综合来看，虚拟仿真实验中心的建设是高等教育信息化建设的必然要求，不仅需要统筹做好整体规划和顶层设计，还要建立、健全资源共享的可持续发展策略。

在虚拟仿真实验中心的技术运用方面，当前的主要研究目标和研究成果集中在VR设备、VR内容和VR交互三个方向。如赵沁平和周忠针对虚拟现实技术的发展历程、技术特点、相关硬件设备发展和应用等进行了论述[12-13]；
王卫国等指出，人机交互技术、可视化技术、多媒体技术、增强现实技术和3D打印技术等是目前虚拟仿真实验教学中主要应用的信息技术[14]；
Noor等讨论了创建虚拟实验室所涉及的技术层面及应用的诸多问题[15]；
Redel-Macias等通过开发模拟实验室操作的虚拟环境有效促进了教学过程的开展，佐证了虚拟实验室和交互式模拟能够提高学生理解技术原理的观点[16]。

2.虚拟仿真教学改革的研究

国内外对于虚拟仿真教学改革的研究主要集中于教育数字信息化趋势下对虚拟仿真教学和培训的探讨，尤其是高校以信息技术推动实验教学改革方面，体现为#1实验教学、#2教学方法、#4教学体系、#5教学改革、#10实践教学、#5 improving classroom teaching、#6 didactic resource、#7 objective assessment、#10 systematic review等聚类标签。

始于2002年由美国新媒体联盟(NMC)主导的“地平线研究项目”所发布的《国际教育信息化地平线报告》在教育信息化建设方面具有导向作用。2010年的“Common Core Standards of the State”提供了虚拟仿真技术作用于现代教育的具体评价指标，传统教学模式和学习方式也因此深受影响[17]，并加速推进了教育信息化的改革与发展[18]。中国教育部大力推进的国家虚拟仿真实验教学项目，利用线上虚拟交互实验的方式降低对实体实验室的依赖，解决了许多因现实条件、资源不均衡等导致的实验教学问题[19]。胡今鸿等认为，在制度层面建立有利于资源开发和共享的管理体制和运行机制是高校虚拟仿真实验教学改革亟需解决的问题[20]。科学分析高校虚拟仿真实验教学的基本问题与趋势，能为高校虚拟仿真实验教学的建设与发展提供方向性指导[21]。国外一些学者还利用虚拟仿真技术特性积极探寻新教学模式和方法，如Dodd等尝试以信号作为一种技术，集成桌面虚拟现实与在线学习管理系统[22]；
Varlet等在探讨虚拟现实与动作捕捉技术在室内团体赛艇情境中是否有助于人际协调习得基础上提出基于人际关系的协作学习模式[23]。

3.虚拟仿真教学学科化应用的研究

国内外对于虚拟仿真教学学科化应用的研究主要集中于医用外科培训、计算机和远程教育等方面，体现为#7疫情、#9护理、#1 vascular surgery、#2 gross anatomy education、#9 organic chemistry、#12 medical education、#13 operative dentistry 等聚类标签。

在技术先导的价值理念下，虚拟仿真技术作为一种“技术工具”，其学科中的应用几乎涵盖了大部分科学学科，尤其以医学、计算机、车辆工程、工程学学科为主。蔡巧玲、胡大一在2006年提出医学院应适应医学模式转变，通过重视医学模拟教学中心的建设，达到培养医学生“知识、能力、人格”全面发展的目标[24]；
杜坤等建构了由设备与技能、形态与结构、组分与功能三个模块组成的生物学虚拟实验室，创新了实验教学模式，完善了虚实互补的教学考核体系[5]。近年来，虚拟仿真技术甚至被应用于新文科领域，如卢勇在疫情防控、高校思政课教学模式创新以及国家政策支持的背景下，研究了虚拟仿真技术与高校思政课的深度融合[25]。国外在医学外科应用、计算机远程教育等学科方面的研究成果颇丰，如Aggarwal等回顾了当时可用于腹腔镜手术培训和评估的工具，并提出虚拟仿真模拟器可用于开发结构化的腹腔镜手术培训计划[26]；
Jara等以虚拟远程机器人实验室为实验工具，对阿里坎特大学计算机科学专业自动力学和机器人课程进行体验式教学[11]。

通过对比国内外虚拟仿真教学研究的主要内容可以看出：

首先，在政策支持层面，国内和欧美发达国家都已将虚拟仿真教育产业发展纳入国家规划发展层面，并充分利用政策和法律手段，对虚拟仿真教育产业给予支持，加速产业发展。相比之下，国内支持主体较为单一，多为政府及相关职能部门，而国外支持主体则呈多元化趋势，如由政府主导、企业赞助、行业学会主持的教育与课程评估标准等。

其次，在技术支持层面，国内多集中于对平台整体建设的技术支持，其中既包括相关硬件设备的发展和应用，也包含对所需软件的技术支持，如管理队伍的技术培训和管理体系的优化配置；
国外多侧重于微观层面且将其贯穿于教学研究的整个过程，将诸多研究与医学、物理学、工程学等具体学科相结合。

最后，在教学应用层面，国内对于虚拟仿真教学的研究在当下呈现喷涌状态，关注焦点多为虚拟技术与各学科实验教学的设计及应用研究、校企合作形式的虚拟仿真教学系统的开发研究、虚拟仿真教学实验中心平台建设研究，研究成果多以“碎片化”形式分布，彼此之间关联较少；
国外虚拟仿真教学应用研究尤其在医学应用方面的研究深度明显优于国内，且在“碎片化”研究阶段之后已开始进行学科化和系统化的虚拟教育理论和应用研究。

(二) 国内外研究热点对比分析

突现词是指在短期内多次重复出现的词。本研究将参数设置为：Node Types=“Keyword”，利用CiteSpace的突发主题检测(Burstness)生成国内外虚拟教学研究突现词知识图谱(图4)。

图4 国内外虚拟教学研究突现词知识图谱

由图4可知，国内研究的突现词有24个，前19个突现词都始于2000年，接连交替出现的生命周期均在10年以上，且突现强度较大，研究方向为前文所述的三个方面。“资源共享”“虚拟实验”“新工科”“互联网+”这四个词发生突现的时间较晚、强度较低且生命周期较短。国外研究的突现词有40个，归类合并后选取其中的25个作为研究对象。其中，“acquisition”“operating room”“virtual reality simulation”和“augmented reality”四个词的突现强度最大，均在10以上；
25个突现词的平均生命周期较短，且只有三个突现词的生命周期在10年及以上。

国内研究多聚焦于虚拟仿真技术如何从教学资源、教学方式和实验教学平台等方面重塑各学科领域的线上教学。近两年，学界还将作为虚拟仿真技术高阶发展产物的元宇宙应用于在线教育理论、智能学习环境构建、虚拟教学方式等教育研究领域。教育元宇宙成为当下该领域的研究热点，虽处于发展的雏形阶段，但已展现出巨大的发展潜力，有可能成为未来“智能+教育”转段、升级的新的支撑点。国外研究热点主要包括三个方面：

一是虚拟教育的本体论研究，既包括建构主义学习理论对虚拟仿真技术应用教学尤其是在情景化构建层面的理论和实践指导，也包括从教育教学逻辑范式出发对虚拟仿真教学有效性的探讨，还包括因教育工具变革引起的教育活动中生产要素的关系变化研究以及相应的教育价值取向变化研究。

二是虚拟仿真教学应用研究，包括虚拟实验室环境建设和虚拟仿真技术革新两个方面。元宇宙教育同样改变着教育观念与教学模式，应用导向、行业标准和科技伦理等方面得到更多关注。

三是医学应用研究，包括在外科医学和护理教育领域应用可视化VR模拟器开展教育培训、辅助诊断、医患沟通等。国外研究热点经历了从理论到实践再到学科化应用的多元渐进历程，这与国内聚焦学科内实验教学研究的单一特征存在一定差别。

(一) 研究发现

本研究通过对国内外虚拟仿真教学研究文献的分析可从几方面得出结论。首先，各国均对虚拟仿真教学给予较高关注，国内外学术界对此已展开多方位、多视角和多层面的研究，国外研究起步较早，目前处于快速发展阶段；
国内研究虽起步较晚，但发文总量仅次于美国且近期增长速度与国外增长速度相近，未来几年国内外发文量均可能持续增加。其次，尽管核心作者和机构的界定具有相对性，然而虚拟仿真教学是一项多学科、多领域交叉的新型应用型研究。国内外普遍存在研究团队成员较多且专业广泛、但合作程度较低且不够稳定的状态。再次，国内外的研究内容主要集中于平台建设、教学改革和学科化应用三个维度，但研究的深度和广度仍有差异，研究热点和演进历程也各有侧重。相较于国内注重虚拟仿真实验室的建设与教学应用研究而言，国外对本体论和医学应用研究也一度呈现白热化状态。最后，国内研究多以规范研究为主；
国外研究则多为实证研究，且效用评估是其研究重点。

(二) 未来研究展望

随着教育信息化不断深入，虚拟仿真教育的关注度日益提升，展现出良好的发展前景和重大研究价值。通过对知识图谱的呈现，剖析当前国内外虚拟仿真教学研究的主要内容和热点演进：

第一，重视虚拟教学本体论的理论研究，以提高该研究领域的学术性和学理性，从而能更好地指导实践应用。虚拟仿真教学作为教育系统性变革的内生变量，能够推动教学理念更新、教学方法多元整合、教学效果科学评估。然而，既往研究多从认识论和方法论角度加以展开，而对虚拟教学本体论的研究相对较少。教育理念和教学行为应当以教育本体论为指导，其最终落脚点始终是人的学习和发展[27]。因此，推进虚拟仿真教学的常态化普及，应始终坚持育人为本、以技术为辅的发展理念，避免因新技术的引入而消解学习者独立自主的思考能力，在更注重培养学生思辨能力的人文社科领域尤是如此。

第二，加强从宏观上把握虚拟仿真教学的研究框架，注重从微观上对专业学科具体问题进行具体分析，进而构建出有针对性和实效性的虚拟仿真教学应用研究体系。虚拟仿真教学对学习者的学习效果具有显著的正向促进作用，但在学科应用上存在不平衡性，因而需要针对不同的知识类型设计相应的方案[28]。如，医学类学科侧重于操作教学的程序性知识，因此应丰富虚拟交互方式，并给予学生多方位感官刺激和多通道体验；
针对社科类的陈述性知识，应通过直观呈现的方式展现事物内部的联系，以便学习者更快理解和学习。同时，还要有效促进虚拟仿真教学与评估的双向结合。

第三，强化学术研究过程中的合作交流机制建设，积极创建国内外学术合作交流平台，广泛开展国家、地区、机构与个人之间的学术交流和合作，形成多学科共同关注、深度研究的学术氛围，以期为教学信息化的改革和发展贡献智慧和力量。虚拟仿真教学在很大程度上能有效提高学习效果，但其研究主体和研究内容在不同国家和地区、不同学科和领域间都存在差异。未来发展需要继续依托国家政策加强虚拟仿真教学环境建设，扩大学科适用范围，深化各层次研究团队和机构的合作交流，将虚拟仿真教学应用从高等教育延伸至中小学教育，以丰富后疫情时代的教育教学方法。