我国教育领域虚拟现实技术研究现状

刘洋

摘  要 基于CNKI中文文献对我国教育领域虚拟现实技术研究文献进行研究，通过对文献的题录信息、关键词运用共现分析法等方法，对我国教育领域虚拟现实技术研究文献的时间分布、载文期刊、发文机构分布、研究主题及趋势进行可视化分析，发现当前研究处于持续发展阶段， 集中于关于虚拟现实的理论研究、融入教育教学全过程的应用研究和在教育教学各领域的实践探索三方面，在量化评价、教师素养、基础教育应用等方面还需要进一步努力。同时分析研究热点和趋势，以期为虚拟现实技术在我国教育领域的应用研究提供参考。

关键词 虚拟现实技术;教育领域;中文文献;可视化分析;共现分析法;SATI 4.0

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）03-0011-08

0 引言

现今普遍认可的虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）

概念由美国学者于1965年在The Ultimate Display一文中提出[1]。1989年，VPL研究公司的创始人雅龙·拉尼尔将虚拟现实引入大众视野[2]。虚拟现实技术是包括实时变化的逼真环境、人体的行为动作、真实感知和三维交互设备[3]的综合性实用信息技术。虚拟现实技术在2012年、2016年、2017年的《地平线报告》中多次被评为未来几年最具潜力的六大技术之一，将虚拟现实技术作为教学辅助媒体运用到教学中具有重要意义，其如何更好融合课程仍是学者研究的重点[4]，还需要更多的实践与积累。2016年被称为“虚拟现实技术元年”[5]，自2016年这一承上启下的重要转折点起，对教育领域的虚拟现实技术研究现状进行深入分析，是虚拟现实技术在教育领域继续发展的必然需要。

1 研究设计

文献来源  本研究基于中国知网CNKI中文文献库，检索项选择为主题，以“虚拟现实教育”和“虚拟现实教学”为检索词进行检索，检索时间跨度为2016—2019-12，共得到1 307条记录，除去不属于教育教学领域虚拟现实技术的文献，最终得到有效记录1 169条，每一条记录包括作者（Author）、题目（Title）、关键词（Keywords）、来源出版物（Journal）、机构地址（Institutions）和文献的摘要（Summary）等全记录。将这些记录的信息录入生成EndNote文本文件，为后面的时空分析、词频分析和共词分析做准备。

研究方法  本研究主要采用关键词共词分析法和聚類分析法。关键词共词分析是将关键词作为结点，构建共词网络，核心程度为结点位置的居中程度，结点间的连线表示词与词之间的亲疏关系，连线越多则关系越紧密。聚类分析采用聚类算法，可以将关键词中关联度紧密的关键词聚集在一起形成类团，这些类团可用于分析出某个领域的研究主题[6]。

研究工具  研究工具有文献题录信息统计分析工具SATI 4.0、UCINET及内部集成的可视化工具NetDraw、Excel

2013。

2 我国教育领域虚拟现实技术研究的时空分布

时间分布  将保存好的EndNote文本文件的题录信息导入SATI 4.0中，以年份为选项进行频次统计，得到每个年份分别对应的出版文献数。将年份及对应出版文献数输入Excel中，构建时间分布折线图，如图1所示。由图1可以看出，虽然2012年国际新媒体联盟组织发布的《地平线报告》中就已经将虚拟现实技术列为未来几年最具潜力的六大技术之一，但我国2016年的研究数量极少，关注度并不高;但随着2016年“虚拟现实元年”的到来，虚拟现实技术在教育领域不断增强的影响力及对传统教育的冲击所产生的研究价值，吸引了众多研究学者投入到研究的大潮中去，2017年研究文献数量骤然上升，总数达到前几年文献总数的10倍，说明我国虚拟现实技术在教育领域的应用和研究开始蓬勃发展;2018年研究文献总数依旧持续增高，说明教育领域的虚拟现实技术研究已经受到广泛关注，虚拟现实技术在教育领域的学术、科研成果颇丰;2019年文献数量依旧可观，继续稳步增长。从总体趋势来看，我国教育领域的虚拟现实技术研究一直不断发展，对其研究也在不断深入，特别是从2017年起呈现爆炸式发展。

载文期刊分布  对1 169篇有效文献的载文期刊进行词频提取，整理载文数量五篇以上的期刊，共34家，结果如表1所示。从表1可知，我国教育领域虚拟现实技术研究文献载文期刊分布如下。

1）从学科属性上进行分析。载文数量超过五篇的“高产”期刊中有九家期刊属于社会科学II辑的教育类，九家期刊属于信息科技类，八家期刊属于基础科学类，哲学与人文科学类有五家期刊，社会科学II辑的社会学及统计学类、农业科技类、经济与管理科学类各有一家期刊，可见我国教育领域虚拟现实技术研究是多学科共同交叉研究。

2）从载文数量上进行分析。载文数量超过五篇的“高产”期刊发表相关文献共计267篇，占全部文献1 169篇的22.84%，这表明我国研究的载文期刊较为集中。除载文数量超过五篇的“高产”期刊外，仍有337家期刊收录有相关文献，涉及医药卫生科技等相关领域，说明我国教育领域虚拟现实技术研究在逐步向覆盖范围更广的趋势发展。

发文机构分析  对文献的发文机构进行词频提取，提取出九家发文数量三篇以上的机构，其中一家为广州番禺职业技术学院和华南理工大学联合发文，所以共计发文机构10家，结果如表2所示。由表2可知，我国教育领域虚拟现实技术研究的发文机构情况如下。

1）从发文机构的性质上来看，发文量较高的10家发文机构均是高等院校，其中五家发文机构是高等职业院校，三家为师范类学校，仅有两家发文机构不属于这两类院校，分别为华南理工大学和湖北大学，这说明虚拟现实技术在我国教育领域的应用很大一部分在职业教育。职业教育需要进行大量的实践操作，受教育环境的限制，运用虚拟现实技术进行实践教学具有极大的优势。

2）从发文量上可以看出，研究机构中不存在发文量相当高、尤为突出的情况，可见目前在我国教育领域的虚拟现实技术研究机构中有比较活跃的研究机构，但是并未形成核心的研究机构。

3）从各高校系统的发文院系看，除去高等职业院校，院系较为集中在教育学院、教育技术系，这说明我国教育领域的虚拟现实技术研究机构大多集中在教育和教育技术等较为专业的领域，其他院系研究较少。

3 我国教育领域虚拟现实技术研究主题及趋势

将保存好的EndNote文本文件的题录信息文件导入文献题录信息统计分析工具SATI 4.0中，格式选择“EndNote（推荐知网）”，选项选择“关键词”，对选择到的1 169篇有效文献进行字段抽取及频次统计，共得到原始关键词

1 743个，关键词呈现总频次为3 039次。为了最大限度消除人为定性因素的影响，体现和反映作者群体对特定关键词的共识度，对于同义或相似词的词频并未进行删减、合并等操作[7]。本研究选取出现频次在六次及以上的关键词作为高频词，共52个，如表3所示。52个高频关键词的总呈现频次为1 319次，占关键词总频次3 039次的43.40%。除去虚拟现实技术、教育等关键词，词频排在前10位的分别是应用、实验教学、教学改革、增强现实、职业教育、教学模式、教学应用、虚拟仿真、实训教学、教育应用。目前教育领域的虚拟现实技术研究主要集中在应用虚拟现实技术进行教学，特别是职业教育、仿真实验等技术性较强的领域。

我国教育领域虚拟现实技术研究热点和趋势分析  通过对高频关键词的提取，选择SATI 4.0共现关系矩阵中的多值矩阵，针对关键词构建出一个共现矩阵，如表4所示。此矩阵是无向对称的关系矩阵，行和列分别表示关键词，当两个高频关键词在同一篇文献中出现时，表明两者存在某种联系[6]。另外，共现矩阵中同一关键词的行和列的交叉处的数值就是该关键词的词频。此处由于篇幅的限制，仅列举其中部分共现矩阵。

为了对共现网络进行分析，将已经构造好的高频关键词共现矩阵（表4）导入社会网络分析软件UCINET，利用UCINET中自带的可视化工具NetDraw可生成高频关键词的共现网络图，如图2所示。共现网络图可以直观清楚地反映共现网络的整体特征。在共现网络图中，每个关键词就是一个结点，结点间的连线表示词与词之间的亲疏关系，连线越多则关系越紧密[6]。

从图2中可以直观地看出，首先，虚拟现实技术处于整个共现网络的中心位置，几乎与其他的关键词都发生联系。除虚拟现实技术外，节点间联系比较频繁的关键词有应用、教育、職业教育、实验教学、虚拟仿真、VR，说明这些词是目前教育领域虚拟现实技术研究中学者关注的重点。其次，实训教学、教学改革、人才培养、应用研究、增强现实、医学、高校、3D等处于网络图的中间位置，它们是联系网络中心节点和边缘节点的桥梁。教学模式的改变是虚拟现实技术在教育中应用时面对的最大挑战，虚拟现实技术使学习环境、学生学习、教师授课的方式都产生一定的变化，基于虚拟现实技术的教学模式的研究也是教育领域虚拟现实技术研究的重要方向。最后，英语教学、景观教育、教育游戏、安全教育等处于网络图的边缘位置，这些节点之间的联系比较稀疏，但这并不代表它们不是分析重点，而是就目前来讲 关于这些方面的研究较少，可能会是未来的教育领域虚拟现实技术研究趋势及方向[8]。

我国教育领域虚拟现实技术研究主题分析  选择SATI 4.0共现关系矩阵中的相似矩阵，导出52个高频关键词的相似矩阵，如表5所示。相似矩阵的数值可以表现两个高频关键词的相似程度，数值越接近1，表明关键词之间相似度越大，差异度更小;数值越接近0，表明关键词间的相似度越小，差异度越大[9]。

本研究利用SATI 4.0对提取出的52个高频词的相似矩阵进行聚类分析，通过分析进而得到高频词的层次聚类树状图，如图3所示。

SATI 4.0自动将类间距离分成六段，0～12之间。本研究将关键词聚类的阈值选为3，得到五个聚类类团：类团一包含VR虚拟现实、AR、虚拟现实、VR虚拟现实技术;类团二包含高职院校、高职教育、虚拟现实;类团三包含VR教育、教学、教学改革、人才培养、沉浸感、创新、教育应用、高等教育、高校、交互;类团四包含体育教学、计算机教学、虚拟环境、临床医学、人机交互、实践教学;类团五包含教学设计、教学应用、教学模式、教育培训、信息技术。根据聚类分析结合共词网络分析可以发现，我国教育领域的虚拟现实技术研究主题可以概括为三个方面。

1）理论研究。理论研究类主要包括虚拟现实技术的综合概述，即虚拟现实技术的概念、兴起、发展、特点、优势与不足等，对应类团一。研究者通过对虚拟现实技术在不同领域的应用研究，总结虚拟现实技术应用现状。如冷艳萍在《关于计算机虚拟现实关键技术的探讨》一文中简述了虚拟现实技术并提出虚拟现实技术主要应用于游戏行业、军事行业等，正在逐渐被应用于生活和工作中，将对人类的生活和行为产生很大的影响，所以研究计算机虚拟现实关键技术是尤为重要的[10]。

2）融入教育教学全过程的应用研究。虚拟现实技术在教学实践中的应用研究包括在教育改革新形势下，在人工智能、大数据、“互联网+”等技术飞速发展的新时代背景下，使用虚拟现实技术作为教学辅助手段的教学模式、教学活动设计、课程设计、教学评价、应用优势分析等各个过程，对应类团三、类团五。运用虚拟现实技术可以创设虚拟学习环境，建立虚拟实验系统、虚拟实物，进行虚拟训练等。对借助虚拟现实技术作为教学辅助手段在教学实践中应用的结果进行及时和准确的评价，可以对提升课堂效率、强化课程目标达成效果起到极大的帮助作用。如高东锋等[11]提出，虚拟现实技术在构建验证实验环境方面、创新实验环境方面具有独特优势，有利于实现培养学生创新精神、创新能力的目标。闵媛媛[12]提出，虚拟现实技术作为教学辅助手段，具有完善高校旅游管理专业设置的课程教学模式、使学生成为教学主体、突破传统课程实训风险、实现成本和时间限制等优势，虚拟现实技术用于旅游管理课程可以极大提高课程教学质量。

3）在教育教学各领域的实践探索。教学应用领域对应类团四，主要为实验教学、专业训练和艺术设计等，因其有很强的专业性及实践性，虚拟现实技术具有沉浸性、生动性等特点，可以引导学生通过各种感官刺激获取知识信息，模拟实践操作，提高学习效率。

在物理学、化学、计算机科学等实验教学中，学生可以反复观看实验过程，易于上手，模拟实验操作，可解决实验器材有限、难以重复演示等问题，降低传统实验教学的成本，更将无法直观看见的复杂结构等抽象内容具象化，极大地提高了学习效率。赵江伟等[13]指出，对于化学学习中一些结构比较复杂的分子，学生很难想象它们的立体结构，对于某些化学行为较难理解，但通过模型，可以直观地观察分子的空间结构，帮助学生理解分子空间结构。

针对医学、汽车技术、勘探等专业性非常强的专业，利用虚拟现实技术，可以精细化、针对性地锤炼学生的实践分析能力。如黄雄健[14]指出，车辆工程专业学生在学习真实拆装前，首先应在虚拟拆装的软件中学习与练习拆装，这能够有效降低真实拆装中出现操作错误的概率，有效促进车辆工程专业实验教学深度的增加。

4 总结与启示

虚拟现实技术的飞速发展和其受到的广泛关注必然会对教育带来很多益处，但是在热切关注教育领域虚拟现实技术研究的同时，必然也会伴随沉稳的实践和深层次思考的欠缺，研究的火热与其核心研究文献数量少的矛盾正说明了这一问题。

机构发展不均  虚拟现实技术在教育领域的实践者与研究者绝大部分集中于高校中，特别是高等职业教育院校和师范类院校成为教育领域虚拟现实技术研究的绝对核心，核心文献数量和质量均处于领先位置。这从一个方面说明了研究的专业性强、准确，但从另一个方面也说明了虚拟现实技术在教育领域发展状态的不均衡，发展情况好的机构数量十分有限，大多数还处于摸索中。随着虚拟现实技术的不断完善和实践，虚拟现实技术将在教育领域得到进一步发展，而教育领域虚拟现实技术研究深度与广度的缺失、发展不均衡等问题也将随着虚拟现实技术的实践和完善逐步解决。

虚拟现实技术在基础教育阶段应用存在诸多限制  目前，基础教育阶段的虚拟现实技术研究极少出现，而虚拟现实技术交互性、生动性强的特点非常适合于基础教育阶段学生专注度不足的学情。一方面，优质教育资源稀缺，针对基础教育阶段的教育资源多从美国引进，并不完全适用于我国学情，但其开发成本高，很大程度上限制了适用于我国的优质教育资源的研发，更多优质资源的产生是我国基础教育阶段虚拟现实技术蓬勃发展的基础;另一方面，设备的便携性还有待优化，如zSpace等虚拟现实教学辅助设备体积大、难移动，限制了学习者人数和教学环境。要让更多的学习者能够使用虚拟现实技术进行探究学习，增强其便携性是首要任务。

缺少量化评价  在样本文献中，研究多偏重于介绍模型、系统的建设情况，如何应用于教学活动中等，而没有针对学习者的学习主动性、学习态度以及对知识的掌握程度等情况进行评估，没有形成一个客观的量化评价方式，在教学活动结束后无法了解学习者的学习成效，无法对虚拟现实教学应用系统进行客观评估。为了让虚拟现实技术在教学中发挥更好的作用，在接下来的研究中，客观量化的教学评价方式是研究的重点。

缺乏对虚拟现实环境下教师信息技术能力的探究  虚拟现实技术与传统教学的融合使教师掌握信息技术能力成为必要，关系到教育教学的质量，但样本文献中几乎未曾涉及。因此，基于虚拟现实技术的教师教育技术能力的现状、问题及对策研究是一个不可忽视的问题。

5 结语

虚拟现实技术已然成为目前教育领域研究的热点问题之一，虚拟现实技术在教育领域的兴起绝非偶然，计算机技术和网络技术的不断进步与滞后的传统教育模式不断碰撞对传统教育带来巨大冲击，传统教育亟待变革，以促进虚拟现实技术在教育领域的发展。对虚拟现实技术这一新兴事物的狂热关注，可能会导致人们在实践及研究过程中思考不足，因此，如何冷静地剖析虚拟现实技术在教育领域的发展现状，推动虚拟现实技术在教育领域稳健发展，是所有教育领域虚拟现实技术研究者需要共同关注的问题。■

参考文献

[1]陈玖冰.虚拟现实技术在中学化学探究型实验教学中的应用研究[D].长春：东北师范大学，2010.

[2]Lewis P H. Sound Bytes： He Added Virtual to Reality[N].The New York Times，1994-09-25（37）.

[3]肖菊莲.小学科学教育存在的问题及对策研究：以小学科学探究学习为例[D].长沙：湖南师范大学，2012.

[4]蔡健.虚拟现实技术在教学中的应用研究：以小学生汉字学习为例[D].成都：四川师范大学，2017.

[5]赵一鸣，郝建江，王海燕，等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究，2016（12）：26-33.

[6]刘启元，叶鹰.文献题录信息挖掘技术方法及其软件SATI的實现：以中外图书情报学为例[J].信息资源管理学报，2012（1）：50-58.

[7]秦琴琴，乜勇.基于词频分析和可视化共词网络图的国内创客研究热点分析[J].现代教育技术，2016（1）：113-119.

[8]张洁，王红.基于词频分析和可视化共词网络图的国内外移动学习研究热点对比分析[J].现代远距离教育，2014（2）：76-83.

[9]刘秀娟.基于共词聚类分析的农村土地法律问题热点研究[J].江苏农业科学，2018（16）：288-293.

[10]冷艳萍.关于计算机虚拟现实关键技术的探讨[J].佳木斯职业学院学报，2019（10）：205，207.

[11]高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略[J].中国高教研究，2016（10）：56-59.

[12]闵媛媛.基于VR技术高校旅游管理课程设计研究[J].智库时代，2019（43）：286-287.

[13]赵江伟，延成岭，刘昊文，等.虚拟现实技术及其在教育中的应用研究[J].教育现代化，2018（36）：192-197.

[14]黄雄健.虚拟现实技术在车辆工程专业教学中的应用[J].教育现代化，2019（23）：61-62.