我国虚拟实验研究现状的实证分析*

【摘要】采用文献分析法,对1999年～2008年间中国知网收录的所有关于“虚拟实验”方面的648篇文章进行了统计,从研究数量、研究内容、关注学科三个方面进行了分析,最后提出了现阶段虚拟实验研究的一些的思考。

【关键词】虚拟实验;研究现状;实证分析

【中图分类号】G420 【文献标识码】A【论文编号】1009―8097(2009)12―0111―04

引言

从广义的角度而言,虚拟实验是指区别于实际动手实验,通过各种仿真手段实现的仿真实验。虚拟实验主要用虚拟仪器、设备代替传统的实验仪器和实验设备进行实验,对实验结果的性能和实验过程中产生的“虚拟电路或设备”进行预测和评价,从而缩短实验操作时间和设计周期,降低实验成本[1]。虚拟实验大多通过软件实现,能够减少仪器设备的损坏,还可以避免真实实验或操作所带来的各种危险,因此,能有效解决真实实验资源不足的现状。由于虚拟设备的研究与应用的迅速发展,通过计算机可以模拟各种实验设备,使用者可以通过虚拟实验系统完成实验的理论设计和实践,多层次、多角度对实验设计和结果进行分析,然后再回到真实实验室进行实践检验。这样既节省了实验时间,又提高了实验效率,促进了创造性思维的发展。目前虚拟实验在学校实验教学与科学研究中发挥重要作用,引起了人们广泛的关注。

虚拟实验在国外研究较早,因其诱人的应用前景,各国均在大力发展,出现了很多成熟的系统[2-5]。我国的虚拟实验的研究起步较晚,但是发展速度较快。根据目前从网上可查到的信息和各院校开放的对外服务看,国内部分大学已陆续建立了虚拟实验系统[6-8]。为了详细了解我国虚拟实验的研究状况,本文采用量化统计的方法,通过对中国知网中4个数据库收录的所有关于虚拟实验方面的论文进行统计和分析,探析其研究的现状和存在的问题,寻找解决问题的途径。

一 研究资料和方法

本文所用的研究样本为1999年～2008年10年间中国知网上的有关虚拟实验的论文,包括中国期刊全文数据库、中国博士论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国重要会议论文全文数据库4个数据库收录的所有关于“虚拟实验”方面的文章,采用的检索项是“篇名”或“题名”,检索词为“虚拟实验”,“精确”查找。

应该说明的是,一项研究往往是多方面的,综合的,可以归入好几种分类,很难设计出一个单一的分类方案来囊括全部的研究内容。针对很多文章分类不明确,或者内容涵盖多个领域,笔者采用“标题+摘要+全文”的分析方法,对论文关注的主要内容进行归类和分析。

二 有关虚拟实验研究论文的统计与分析

1 按研究数量分析

从1999年～2008 年,共检索到关于“虚拟实验”的文献648篇,其中中国期刊全文数据库共发表研究论文533篇;中国博士论文全文数据库收录论文2篇;中国优秀硕士学位论文全文数据库共收录论文85篇;中国重要会议论文全文数据库收录论文28篇。各年收录论文情况见表1。总体看来,关于“虚拟实验”的研究论文数量庞大,研究和关注程度呈逐年上升趋势。尤其是2006～2008这三年来,年产生论文数量超过100篇,其硕士论文也达10年最高,说明关于虚拟实验的研究得到了研究者们广泛的关注,研究内容也有了一定的深度。

表1 研究论文的基本信息统计

2 按研究内容分

我们将所有的研究样本分为理论和实践两大类进行分类整理,有关统计结果如表2所示。图1为论文分类数量的逐年统计结果。表中数据显示,在1999～2008年发表的论文中,偏重于理论研究与探讨的论文147篇,占22.7%,而偏向实践研究方面的论文501篇,占77.3%,后者是前者的3倍多。从图1可以看出,虽然理论和实践研究数量均呈逐年上升趋势,但是这10年来关于虚拟实验方面的研究一直偏重于实践方面,并且有逐渐增大的趋势。

表2 样本论文的分类统计

图1 虚拟实验理论与实践研究数量逐年统计图

(1)理论研究

我们将理论研究的文献进行二次整理和分析,按照论文研究的内容将理论研究划分为教学思考、教学模式、技术介绍与分析等7个方面,各年统计情况见表3。图2则反映理论研究类各论文数量的逐年发展情况。

“教学思考”方面论文102篇,研究内容包含虚拟实验的教学功效、教学前景、虚实结合实验以及虚拟实验室建设的思考、虚拟实验建构的必要性探讨、系统介绍、实验内容与步骤的介绍等方面。这方面的研究主要存在的问题是,很多文章内容较短,对于虚拟实验的教学功能、前景、在教学中的作用与地位、开设虚拟实验的必要性和构想等阐述较多,很多选题雷同,总体看来研究内容不够深入。

“教学模式”方面的论文一共15篇,大多是物理、电工电子等具体学科中虚拟实验的教学模式的简单介绍以及虚拟实验在探究学习、合作学习中的应用,缺少对教学模式应用的效果分析。其中,基于网络的虚拟实验的教学研究得到了重视,说明了人们已经逐渐认识到了网络虚拟实验与单机版虚拟实验相比所具有的优势。

“技术介绍与分析”方面的论文17篇,主要集中在虚拟实验开发的技术介绍,如Vrml、Java、Matlab、Java3D、Cult3D、虚拟仪器技术等。有些文章从多个方面对这些技术进行了比较分析,揭示出各自的优缺点,对实验开发有一定的参考意义。

“现状与趋势”方面的论文10篇,分别介绍了国内外已开发的成熟的虚拟实验系统、虚拟仪器技术与基于虚拟仪器技术的虚拟实验系统的发展和应用前景,一些文章指出了当前研究的不足,并提出发展趋势。

此外,有一篇论文从哲学层面对虚拟实验的发展阶段进行了探讨,其余2篇论文分别是虚拟实验技术的研究与应用创新团队介绍以及会议内容介绍。

表3 理论研究的分类统计

图2 理论研究类各论文数量的逐年发展情况

(2)实践研究

同样,将所有偏向实践应用的论文进行整理与分类,如表4所示,图3为实践研究类论文数量的逐年发展的情况。本文将实践类论文分为“设计与开发”、“教学应用”以及“虚拟实验方法”三类。

“设计与开发”方面论文431篇,占实践类论文的86%。内容包括虚拟实验过程设计与开发、实验系统(管理网站)的设计与开发、虚拟仪器间通信的标准化建设、实验模型的设计与实现、实验仪器的建模等方面。开发工具有Authorware、flash、VB、C++ builder、Matlab、LabVIEW、EWB、Java3D、VRML等,多达十余种。类型从二维虚拟实验系统到三维虚拟实验系统;从纯软件开发的虚拟实验系统到基于虚拟仪器技术的远程控制虚拟实验系统,涉及物理、计算机、交通、机械设计、电子工程、检测等多个学科。从以上数据可以看出,设计与开发类的研究是近年来研究的重点和热点。从一个侧面说明了技术性和学科适用性对虚拟实验的使用和推广起着至关重要的作用。

“教学应用”方面论文61篇,仅占实践类论文的12.2%。研究内容包括虚拟实验在具体学科教学中的应用实例、实验实施方法和效果、实验现状调查等方面。但是对具体学科教学内容的应用实例介绍比较多,对实验实施方法和效果、实验教学与应用现状调查很少。由此可见,目前人们对虚拟实验的教学应用研究的热情不高,对实验的教学设计及其应用效果研究认识还不够。

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

“虚拟实验方法”方面论文9篇,这部分研究关注相对较少,主要集中在使用虚拟实验的方法模拟具体学科知识,侧重于学科知识的发现与研究。

表4实践研究类论文分类统计

图3 实践类论文数量的逐年发展的情况

3 按关注学科分析

中图分类号是指采用《中国图书馆分类法》对科技文献进行主题分析,并依照文献内容的学科属性和特征,分门别类地组织文献所获取的分类代号。因此,本文参考中图分类号来分析文献所属学科。需要说明的是,虚拟实验的研究是一个交叉学科,既可能运用到相关专业知识,又需要相应的计算机技能。我们在参考中图分类号进行统计的过程中,发现有一些文献分属多个学科。为了侧重于研究“虚拟实验”的关注学科,本文在统计时将这些文献分别列属于相应学科。

本文对相关领域进行归类,共列出17个大类,分别涵盖教育、自然科学、工业技术、交通运输等领域(见图4),其中“其他领域”包括哲学、农业科学、基础医学、贸易经济、体育、天文学与地球科学、管理学以及食品工业,各有1篇文献。由图4可见,目前很多领域对虚拟实验进行了关注,其中以“自动化技术、计算机技术”领域对虚拟实验最为关注,10年来研究论文总量为313篇,侧重于使用各种技术进行实验平台的设计与开发、实验模型与仪器的建模等方面。其次是教育技术领域,文献总量为131篇,主要侧重于计算机化教学以及教学应用等方面。其他对虚拟实验关注较多的是“无线电电子学、电信技术与电工技术”、“高等教育”、“机械、仪表工业”领域。由此可见,在关注学科中,“计算机技术”和“教育技术”领域最为突出,说明虚拟实验的发展跟计算机技术有着极其重要的关系;其次,教育技术、高等教育、课程与教学论领域的关注说明了虚拟实验在教育教学中的作用已经引起人们的关注,虚拟实验的教学应用将成为人们下一阶段研究的主要内容。

图4 各领域中关于“虚拟实验”研究论文数量情况

三 对目前虚拟实验研究的思考

1 理论研究深度还不够

通过对虚拟实验现状的文献分析,我们发现,理论研究与实践研究数量差距较大,说明目前人们在该领域的研究重实践、轻理论,这与很多领域重理论、轻实践的现状不太相同。

理论类论文很多还停留在对于虚拟实验教学功能、构建虚拟实验系统的必要性、系统介绍等层次。目前人们对虚拟实验在教学中的功能、作用以及构建虚拟实验系统的必要性等已经有了明确的认识,因此,应加强对指导虚拟实验教学的理论研究。对虚拟实验与真实实验结合的过程中,教师与学生的角色变化以及新型的教与学方式的转变应给予关注。

2 虚拟实验系统通用模型的设计与开发不多

实践领域“设计与开发”方向的研究最多,说明目前人们对开发出适合学科特点的虚拟实验系统的迫切性。但是研究集中在基于某一门课程虚拟实验的实现,开发的技术种类繁多。基于一种技术开发的某一学科虚拟实验已有成熟的系统产生,但是有些研究者换一个设计案例仍然进行研究,这无形中造成了资源的浪费。因此,如何开发出某一学科的虚拟实验通用模型,实现基于此平台的二次开发,以避免不必要的重复劳动,提高开发效率,对现阶段虚拟实验教学的深入开展显得尤为重要。

3 加强虚拟实验系统应用研究

通过以上文献分析可以看出一个明显的现象,就是广大研究者对开发出的虚拟实验系统在教学中的应用情况不太关注。对虚拟实验系统应用于教学的过程设计与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多,尤其是关于学生对虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用虚拟实验系统进行学习的评价很少。实际上,这方面的研究,对于检查所开发平台的有效性、实用性有很重要的意义。

4 加强学科之间的交流与合作

通过关注学科的分析,说明虚拟实验已经引起很多领域研究者的关注。但是研究群体仍以相应学科的人员为主,学科之间的交流与合作还需加强。多学科的交流与合作可以结合多方面的研究力量,从多视角深入地进行研究,拓展其在各个领域的应用。

―――――――――

参考文献

[1] 牛龙平.“虚拟教学、虚拟实验”系统的研究与应用[J].高等理科教育,2005,(2):82-84,105.

[2] Johns Hopkins university.Java virtual physics laboratory[EB/OL].

[3] Ruhr university.vclab[EB/OL].

[4] HHMI.BioInteractive virtual labs[EB/OL].

[5] National University of Singapore.NUS Internet Remote Experimention[EB/OL].

[6] 华中科技大学.液压与气压传动虚拟实验[EB/OL].

[7] 崔光佐,程旭,杨芙清.基于WWW的网上虚拟实验室设计与实现[EB/OL].

[8] 车皓阳,余胜泉,何克抗.构建基于WEB的虚拟实验室[EB/OL]. =

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文