国内教育领域中虚拟现实技术研究的可视化分析

国内教育领域中虚拟现实技术研究的可视化分析
梁瑞娜
【摘要】虚拟现实(Virtual Reality,VR)作为一门体验式技术,以其独特的沉浸式和交互性特点,为创建教学情境提供了丰富的应用条件,极大地改变了学生的学习方式.如何将虚拟现实技术和教育教学相结合,已经成为研究者关注的热点.以中国知网CNKI数据库作为数据来源,利用Citespace软件绘制文献科学图谱并研读关键文献,解析虚拟现实技术在国内教育领域中的研究热点、研究主题与研究范式.
【期刊名称】《廊坊师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(018)003
【总页数】7页(P29-35)
【关键词】虚拟现实;教育;Citespace;可视化分析
【作者】梁瑞娜
【作者单位】陕西师范大学,陕西西安710000
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6
0 引言
在现代信息化社会，学生的学习方式逐渐向数字化、智能化发展，然而，学习效率与效果并未发生明显改善，学习多停留在浅层阶段。

虚拟现实技术作为一种体验性工具，在真实化情境的构造上具有明显的优势，有助于促进学生深度学习的发生。

虚拟现实技术在教育领域中的应用相对其他行业滞后，需要教育研究者的深入思考，迎接虚拟现实技术带来的巨大机遇与挑战。

《2016新媒体联盟中国基础教育技术展望：地平线项目区域报告》将虚拟及远程实验室列入3-5年预期采纳阶段。

本文通过对国内教育领域中虚拟现实研究数据
进行采集，绘制科学图谱，分析虚拟现实技术在教育领域中的研究现状。

1 数据来源和研究方法
1.1 数据来源
中国知网对中文学术期刊的收录比较全面，选刊过程强调质量。

为了比较客观、权威地描述虚拟现实在国内教育领域中的研究现状和趋势，以陕西师范大学订购的中国知网CNKI数据库作为数据来源，搜索相关文献。

1.2 研究方法与工具
采用美国德雷克塞尔大学信息科学与技术学院陈超美教授基于JAVA语言开发的可视化软件Citespace，版本号为5.2.R1.3.9.2018。

该软件是一款基于Java程序语言设计，应用于对科学文献进行引文和被引网络的可视化图谱分析，可对海量数据进行深度挖掘，并显示该科学领域发展新趋势和新动态的可视化分析工具［1］。

结合Citespace绘制研究领域的图谱，对重要文献进行研读，解读虚拟现实技术
在国内教育领域中的研究现状。

2 教育领域中虚拟现实研究的知识图谱分析
以陕西师范大学订购的中国知网数据库为数据源，以“主题=虚拟现实教学or题
名=虚拟现实教学（模糊匹配）”为检索条件，时间跨度为1996-2018年，截止
到2018年5月23日，共检索到6003篇相关文献，剔除不相关文献，剩余
4566篇文献作为分析对象。

在Citespace中，将时间切片（Time Slicing）设置为from 1996 to 2018，每
一切片间隔（#years Per Slice）设置为1年，结点类型（Node Types）设置为
关键词keyword，网络裁剪选择pathfinder算法，得到可视化知识图谱（图1）。

通过对搜集到的数据进行研读，分析国内教育领域虚拟现实研究主题，主要有设计研究、开发研究与应用研究三大方向。

图1 虚拟现实教学相关研究的知识图谱
3 虚拟现实教学的设计研究
国内学者对虚拟现实教学的设计研究，主要可以分为教学模式设计研究与教学设计研究。

3.1 教学模式的设计研究
以“主题=虚拟现实教学模式or题名=虚拟现实教学模式（模糊匹配）”为检索
条件，在中国知网数据库进行检索，并删除不相关文献，共得到91篇“虚拟现实教学模式”相关性较高的文章。

从1999年到2017年，文献数量整体上呈现增加趋势，如图2所示。

图2 虚拟现实教学模式相关研究的文献数量
在 Citespace中，将时间切片（Time Slicing）设置为from 1998 to 2018，每
一切片间隔（#years Per Slice）设置为1年，结点类型（Node Types）设置为
关键词keyword，网络裁剪选择pathfinder算法，得出关于“虚拟现实教学模式”主题的知识图谱（图3）。

图3 虚拟现实教学模式相关研究的知识图谱
国内学者对虚拟现实教学模式的研究，主要从理论支持、技术支持与学科支持三方面展开。

（1）基于具体理念或者理论的虚拟现实教学模式设计研究
有研究者希望从创新理念方面入手，研究创新理论对虚拟现实教学模式的重构作用，提出融合创新理念的虚拟现实教学模式。

例如，有研究者将MOOC教学模式与虚拟现实技术有效结合，开发了以答疑模块、探索学习模块与知识分享模块为基础的
MOOC虚拟交互中心教学模式，为学生提供一种逼真的学习氛围［2］。

（2）基于具体技术的虚拟现实教学模式设计研究
教学模式的具体实现离不开技术的支持，虚拟现实教学模式作为一种将虚拟现实技术应用到教学中的活动模式，还可以利用其他技术促进模式的丰富化与多元化。

一些研究者从虚拟现实的建模语言与具体技术软件方面入手，研究了它们在具体虚拟现实教学模式中的独特性。

例如，有研究者对分布式网络支持的虚拟现实教学模式进行了探索［3］；有研究者基于VRML建模语言，提出了虚拟现实任务驱动教学模式［4］。

（3）基于具体教学内容的虚拟现实教学模式设计研究
不少研究者从教学内容入手，研究针对某一类教学内容的教学模式。

通过内容分析法得出，针对语言类教学内容的教学模式，强调了虚拟现实情境的语言环境建设，以“利用目的语言学会交际、将真实情境的语言文本作为交际文本、强化学生的个人体验、将课堂语言学习迁移到课外语言交际［5］”作为主要学习特征；针对实验类教学内容的教学模式，特点主要表现为“学习发生在虚拟实验平台上、实验学习过程具有循环可逆性、学生的自主学习［6］”；针对设计类教学内容的虚拟现实教学模式，多将重心放在“以三维设计模型作为设计元素、以设计体验作为核心目标、以直观真实设计情感营造学习氛围”，致力于打造出“感受设计美学、空间、质感［7］”的设计情境；针对技能培训类教学内容的虚拟现实教学模式，则是将在“基于学科原理的动力学场景、还原技能应用的现实环境［8］”中体验技能操作过程作为核心，同时，强调培训效果的评价环节；针对空间体验类教学内容的虚拟现实教学模式，将重心放在了学习者的漫游体验上，例如，“在模拟的地理场景中，进行交互体验”，致力于发挥虚拟现实“打破时空界限”，构造难以到达空间的临镜化的体验空间［9］。

3.2 教学设计的相关研究
教学设计包括分析、设计、制定/开发、实施、评价/修改教学问题解决方案的全过程，是利用系统方法对教学过程的诸要素、环节及其相互关系进行科学分析、描述、计划或规定，为所需的教学活动制定具体可行、可操作的程序或方案［10］。

国
内对虚拟现实支持的教学，其教学设计研究一般与开发共同进行，和一般教学的教学设计相比，主要区别在教学媒体选择、教学活动设计等方面。

李小平、张琳等人在分析VR/AR跨学科设计理念的基础上，将虚拟现实支持的教学设计划分为教学叙事设计、虚拟空间设计、混合式形态教学任务设计等过程，并给出了教学设计的指导模型［11］。

4 虚拟现实教学资源的开发研究
对虚拟现实教学资源开发的研究，一直是国内研究的一个重点。

开发研究是一种创造性的活动，强调对应用研究成果的转化与实现，是以新产品的生产作为主要内容的研究活动。

通过内容分析法，借鉴杜棋东对虚拟现实教学资源的分类方法［12］，将国内对虚拟现实教学资源的开发研究归结为五种类型。

4.1 基于体验方式的虚拟现实教学资源开发研究
虚拟现实技术所营造的三维虚拟场景，为学生提供了一个体验与交互的学习空间。

虚拟现实教学资源的构造方式、形式等都会对学生的学习体验产生不同的影响，基于此，一些研究者开发了不同体验方式的虚拟现实教学资源：（1）为学生提供参观式经验、虚拟现场参观、目标观察等场景资源，例如，机械制作专业的虚拟车间［13］;（2）为学生提供交互体验的资源，例如，可供学生翻页阅览的虚拟图书［14］；（3）为学生提供逻辑思维培养体验的原理性虚拟现实资源，例如根据运动学、物理学等原理模拟的过程。

4.2 基于知识点（技能点）的虚拟现实教学资源开发研究
有研究者通过对某一教学内容进行分析，分离出学生需要学习的知识点与技能点，根据这些点，开发虚拟现实教学资源。

由于知识点与技能点单独作为一个点来出现，
基于知识点与技能点开发的虚拟现实教学资源也是分散的，而基于学科的虚拟现实教学资源的开发是将一个完整的教学内容作为依据，因此，两者的区别在于是否具有系统性与整体性。

根据知识点或者技能点的考核方式或者操作方式，将基于知识点（技能点）的虚拟现实教学资源开发研究细分为以下三种。

（1）基于行走路线的虚拟现实教学资源开发研究。

强调通过对虚拟现实场景中学习者的运动轨迹记录、分析，判断行走路线是否符合教学目标，从而实现训练学习者行走路线的功能。

例如，有研究者对盲人的识路能力训练进行了研究［15］。

（2）基于交互操作的虚拟现实教学资源开发研究。

它是利用虚拟现实的交互设计，对场景内学习者交互行为记录、分析，进而培养学生某一方面的技能。

例如，某研究者运用三维建模技术完成主要零部件的建模和人机交互功能开发，并结合职业教育的特色，设计开发了考评系统，使之成为一套完整的汽修虚拟仿真辅助教学系统［16］。

（3）基于知识理解的虚拟现实教学资源开发研究。

它是通过对知识结构进行分析，开发出检验学习者知识经验的资源。

例如，吕志明等开发了基于虚拟现实技术的地震逃生游戏，即是检验体验者的地震逃生知识［17］。

4.3 基于特殊设备的虚拟现实教学资源开发研究
目前，可用于虚拟现实教学资源开发的设备有传感器、模拟舱等。

（1）可穿戴传感器类型的虚拟现实教学资源。

可穿戴传感器是将一些传感器制作成可以穿戴在身上的样式，主要有定位头套、数据手套、手柄、脚垫等，对人体的各种动作进行实时记录分析，确定人体在虚拟现实场景中的对应位置，进而与虚拟现实场景中的各项物品发生深度交互。

虚拟现实技术为用户创建三维的动态视镜，这是基本的视觉功能实现，同时，可以借助传感器、可穿戴设备等，创造出听觉、嗅觉、触觉等多感官刺激。

（2）模拟舱类型的虚拟现实教学资源。

模拟舱是针对某些特殊用途制作的自成系统的实训模型，一般来说，所制作的模拟系统是封闭的大型模拟舱，体验者身处模拟舱内，通过多个传感器，感受体验者的基本动作，调节整个模拟舱的位置、平衡、晃动等，同时调节模拟舱的虚拟现实画面，为体验者创造出真实度高的模拟环境。

例如，汽车驾驶模拟器，采用虚拟现实技术结合实时三维计算机图形技术、立体显示技术、观察者头部手部跟踪技术、触觉反馈以及声响系统技术等，为使用者提供视觉、听觉、触觉等多层面信息，培训汽车驾驶员的驾驶技能［18］。

4.4 基于模拟的虚拟现实教学资源开发研究
虚拟现实创造出的教学情境，一般包括两种类型，一种是对真实进行模拟，一种是对设想进行模拟。

（1）模拟真实的虚拟现实教学资源。

模拟真实的虚拟现实教学资源可以细分为模拟环境、模拟过程两种类型。

模拟真实环境的虚拟空间资源，一般是指将现实中难以到达或者耗费较大的环境迁移到虚拟现实场景中。

例如，模拟战场、实验室、教室、车间等，此类教学资源适用于参观类教学中。

有研究者对复垦区进行了虚拟现实模拟，体验者可以获得直观经验［19］。

模拟真实演变的虚拟过程资源，多是
将现实中发展时间跨度大、难以亲眼看到的演变过程进行虚拟现实化处理。

例如，将过去某一段的历史发展进行模拟，对过去沧海变桑田的地形变化进行模拟，这种直观模拟，可以将不可见的历史进程等进行可视化显示，具有直观性的优势。

（2）模拟设想的虚拟现实教学资源。

模拟设想的虚拟现实教学资源可以细化为对故事情节的模拟、对微观世界的模拟两类。

对故事情节的模拟教学资源，最常用的是虚拟现实游戏。

教育游戏一直是教育界的一个关注热点，因此，教育游戏资源的开发研究相对比较多。

有研究者对教学游戏的设计相关因素、策略模型以及应用模式进行了研究，并指出根据沉浸理论设计教学游戏，能够更有效地激发学生的学习兴趣，提高学习效率［20］。

而沉浸性作为虚拟现实技术的一大特性，也侧面说
明虚拟现实教学游戏相对于二维桌面式游戏的巨大优势。

目前，国内虚拟现实教学游戏的设计与开发多是在大型教育公司的研发部、高校实验室等内，研究范围比较狭窄。

在中国知网数据库，以“主题=虚拟现实教育游戏or题名=虚拟现实教育游戏（模糊匹配）”为搜索条件，搜索到了19篇文献，文献分布曲线图如图4所示。

例如，彭成从技术角度描述了不同层面的游戏模型和框架结构，以OpenGL技术为例，构建了一个简单的第一视角射击游戏［21］，伍凤以“The Virtual Factory”课程闯关游戏为例完成了高职课程教学游戏的实现与调试［22］。

图4 虚拟现实教学游戏相关研究文献数量变化图
从图4可以看出，虚拟现实教学游戏的开发研究文献数量呈现波浪线形状。

2011年、2013年是研究量最多的时间段。

2017年并未发表此类相关文献。

分析此现象的背后原因，可能有以下两种：①虚拟现实作为一种新兴技术，虚拟现实教学游戏在教学中的应用效果尚未得到普遍认可，国内的学术研究将关注点放在了实证研究上；②国内对虚拟现实教学游戏的开发研究，缺乏系统的研究传承，国内学者的培养方式是走学术路线的，而开发研究需要一定的经费支持与社会支持，多见于一些大型游戏公司，游戏公司在虚拟现实教学游戏开发上更关注经济效益，对学术研究方面的关注度较低。

4.5 基于课程的虚拟现实资源开发研究
不同学科的教学资源具有不同的学科属性。

国内不少研究者对虚拟现实教学资源的开发是针对学科的，也就是说，根据某一学科开发一系列的课程资源。

国内对虚拟现实课程的开发研究，主要细化为以下三种。

（1）虚拟现实课件资源开发研究。

以“主题=虚拟现实课件or题名=虚拟现实课件（模糊匹配）”为检索条件，在中国知网数据库进行检索，并删除不相关文献，共得到190篇“虚拟现实课件”相关性较高的文章。

至2018年5月26日为止，
关于虚拟现实课件的每年研究文献数量呈现持平状态，如图5所示。

图5 虚拟现实课件研究文献数量变化图
在Citespace中，将时间切片（Time Slicing）设置为from 1998 to 2018，每
一切片间隔（#years Per Slice）设置为1年，结点类型（Node Types）设置为
关键词keyword与term，不进行网络裁剪，得出关于“虚拟现实教学课件”主
题的知识图谱，见图6。

从知识图谱可以看出，虚拟现实教学课件的相关研究关键词集中在虚拟现实、课件、网络课件、多媒体课件、教学课件、web课件、建构主义、cai、开发、authorwere、多媒体教学等。

一般硕士论文对虚拟现实教学课件的研究范式是技
术支持—理论支持—课件设计—课件开发—应用案例—应用效果。

课件是指根据
教学大纲的要求和教学的需求，经过严格的教学设计，并以多种媒体的表现方式和超文本结构而制作的课程软件［23］。

虚拟现实课件是利用虚拟现实技术，采用
三维多感官刺激的表现形式制作的课程软件。

课件包括教学内容、任务分析、教学活动结构以及界面设计等多种环节。

图6 虚拟现实教学课件相关研究的知识图谱
目前，在虚拟现实与课件结合的研究上，主要有两大类：一种是将虚拟现实技术应用到多媒体平台中，形成虚拟现实与二维平面转场的课件，多表现为桌面式虚拟现实，例如将虚拟现实技术应用到Web课件中［24］；一种是将二维平面技术应用到虚拟现实场景中，形成以沉浸式体验为核心的教学课件。

传统的二维平面尽管在所构造的教学情境沉浸度上明显弱于虚拟现实课件，但三维空间在结构化与流程化方面处于弱势，为了解决虚拟现实空间迷失感的问题，虚拟现实课件应该注重二维平面技术与三维空间技术的结合应用。

例如，吴强以太空授课为例，将授课课件的设计分为系统功能模块设计、实验操作功能设计、界面设计三个部分，制作出了系统性、程序化的虚拟现实课件，简单明了，同时有效地避免了虚拟现实三维空间造
成的混乱感等错误［25］。

有研究者将影视编导理念引入到虚拟现实课件设计中，将虚拟现实课件的角色、场景、剧本、界面设计进行统筹化处理，提升虚拟现实课件的流畅性［26］。

虚拟现实课件的开发技术应用模式主要为“模型制作技术+虚拟交互控制软件+编
程语言”。

常用的模型制作技术主要有3Dmax、SolidWorks等，虚拟交互控制
软件有Cult3d、unity3D、web3D、VRP、QuickTime VR等，编程语言有Java、C++、C#等。

（2）虚拟现实模型资源开发研究。

虚拟现实的教学模型设计与制作是虚拟现实教学课件开发的一个基础。

一个完善的虚拟现实教学系统、课件、视频等均需要建立在模型的基础上，三维模型是教学内容与知识的承载体。

单独研究虚拟现实教学模型资源开发的文献比较少，一般是系统开发研究中的一个基础环节。

目前，一些研究者提出了建设模型库的思想，丰富教学资源。

例如，姚念近［27］提出了建立
机械制图模型库，刘康［28］研究了人体解剖虚拟教学模型的设计与开发，陈宇［29］提出建立画法几何模型库。

（3）虚拟现实视频资源开发研究。

虚拟现实视频作为视频信息与计算机技术的融合产品，是一种全新的信息传播方式，它通过利用计算机技术产生的三维立体图像创造出虚拟自然环境，使人身临其境。

国内对虚拟现实视频资源的研究，主要集中在微课视频的设计与开发。

目前，虚拟现实视频资源的开发技术主要有三种。

①基于Artlantis6.0软件制作虚拟现实视频。

利用Artlantis6.0软件，与3Dmax软件搭建的模型实现无缝对接，对模型进行渲染输出。

可以输出为Mac版本与Windows版本，Mac版本需要利用iVisit360全景手机软件，在移动终端进行播放，Windows版本在电脑端，借
助鼠标转换场景、切换视角。

例如，郭从从利用这种方法，开发了《数字媒体艺术概论》的VR视频，并对其应用效果进行了实证研究［30］。

②基于影视编导理
念制作虚拟现实视频。

按照影视制作技巧，编制脚本，根据脚本设计虚拟现实场景中的摄像机位置、转向等，设计好运行路线，在场景预览的过程中，利用录屏软件进行录制，最后使用后期编辑软件进行后期处理，输出为视频格式［31］。

③基于虚拟演播室技术制作微课视频。

利用虚拟演播室技术的摄像机跟踪、色键合成技术、实时处理技术与三维场景软件制作技术，实现“真人+虚拟现实场景”的录制效果，最后使用后期编辑软件进行后期处理，输出为视频格式［32］。

5 虚拟现实教学应用研究
知网上搜索到教育领域虚拟现实相关研究的文献数量共6003条，其中属于与虚拟现实教学应用相关的文献数量有约4840条，占总研究数量的80.62%。

国内虚拟现实的教学应用研究属于一个研究热点，主要分为两种类型：基于内容分析法的理论研究与基于数据的实证研究。

（1）基于内容分析法的理论研究。

主要是对虚拟现实技术在教学中的应用特点、理论基础、形式、实例、策略、问题、范式、优缺点、评价指标等展开论述，为虚拟现实的教学应用提供有效指导。

该类文献可以细分为三种类型。

①针对国内虚拟现实教学应用的综述性研究，采用的研究方法一般是以内容分析法为主，结合使用数据统计法或者可视化方法。

数据统计法，主要是以某些文献数据库里面的文献资料作为数据来源，将文献数量、作者、机构、研究内容等作为数据项，进行统计分析。

例如，有研究者以作者、AR产品、实验对象、科目、实验过程、AR应用效果为数据项，建设了清晰明了的数据表［33］。

可视化方法是一种利用可视化软件将从文献数据库获取的数据绘制成图谱的方法。

目前主要采用的可视化软件有Citespace、Ucinet等社会网络分析软件。

赵一鸣等利用Citespace软件对虚拟现实技术教育应用研究的演进进行了可视化分析［34］。

②结合具体经验的总结类研究，主要是基于研究者自身的教学经验或者设计开发经验，分享虚拟现实教学的应用方法、策略、注意事项等经验。

③结合统计学方法的分析类研究，为虚拟现
实教学系统设计与应用评价提供指导。

例如，何聚厚等人采用层次分析法，对沉浸式虚拟现实系统支持的学习效果影响因素进行分析，设计开发了学习评价指标体系［35］。

韩月强在理论分析的基础上，提出了一套虚拟仿真实验教学中心评价指
标体系［36］。

（2）基于数据的实证研究。

是通过虚拟现实技术支持的教学实践，搜集相关数据，对其实际效果进行评价。

国内外进行的相关实证研究，主要有两种研究类型。

①从学生的学习行为入手，研究虚拟现实环境中学习效果的影响因素。

例如，有研究者发现学习投入、临场感、沉浸性、交互性、个性化学习等方面，是影响虚拟现实支持的学习效果的重要影响因素［37，38］。

②将虚拟现实支持的教学实践作为整
体研究对象，采用准实验研究方法，实证其对不同教学方面的影响。

例如，有研究者从虚拟现实学习环境对知识掌握能力、创造力、领导力、技能培训、虚拟学习角色构建方面的影响进行研究［39，40］。

［参考文献］
【相关文献】
［1］李杰，蔡彬清，许璐.基于CiteSpace的我国网络空间安全研究态势分析［J］.福建工程学院
学报，2018，16（2）：174-178.
［2］谢红.基于虚拟现实的MOOC教学模式的探索［J］.青岛职业技术学院学报，2016，29（6）：59-62.
［3］李文宏.分布式虚拟学习环境下工科开放教学模式的设计［J］.教育与职业，2010，（29）：99-101.
［4］吴慧欣.基于VRML的虚拟现实课程任务驱动教学模式应用实践［J］.人力资源管理，2015，（6）：302-304.
［5］张小玲.虚拟现实技术支持下的任务型商务英语教学模式［J］.湖南商学院学报，2010，17（5）：110-113.
［6］马利华.基于虚拟环境的药学实验教学模式研究［D］.上海：华东师范大学，2011.。