摘 要：為厘清國外虛擬現實教育應用研究演進趨勢，以 “Virtualreality”和“Education”為中心關鍵詞，利用CiteSpace對Web of Science核心合集2004-2019年間收錄的658篇文獻進行可視化分析。結果發現，國外虛擬現實教育研究演進趨勢呈現局部到整體、整體再到局部的發展態勢。 由此提出我國虛擬現實教育應用研究發展方向應集中于3個方面：①深化虛擬學習，通過在線虛擬仿真教育打造校際間深度學習共同體;②優化學習空間，構建多功能化虛擬學習環境以實現特殊教育與基礎教育的有機融合;③落實教育理念，利用跨學科虛擬學習資源促進教育個性化、多樣化和開放性發展。
關鍵詞：虛擬現實;虛擬現實教育;可視化分析;研究熱點;研究趨勢
0 引言
基于觀察學習的虛擬現實(Virtual Reality，VR)教育歷經30余年發展，成為世界各國核心素養發展戰略。其中，英、美、德等發達國家從國家教育改革層面提出虛擬現實技術在教育中的應用是推動教育改革的重要技術手段。隨著虛擬現實技術快速發展，其在教育領域的應用優勢日益凸顯。我國虛擬現實教育也進入發展階段。2017年，《教育十三五規劃》首次提出虛擬現實及其教育應用，并將虛擬現實技術視為未來教育發展的有利工具[1];2018年，教育部發布《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目》的通知，該通知要求現代教育需強化“以能為先”的人才培養理念，通過虛擬仿真教學項目達到提升教學質量和水平的目的[2]。由此可見，虛擬現實教育已融入當代學科教育中，并結合機器人、超媒體等技術，在不同學科、不同人群中得以應用，推動我國教育改革發展。
本文利用CiteSpace信息可視化軟件對Web of Science核心合集數據庫中收錄的2004-2019年有關虛擬現實教育應用的期刊文獻數據進行分析，以探討國外虛擬現實教育研究前沿與研究趨勢，為今后我國虛擬現實教育本土化發展提供借鑒和支持。
1 研究設計
1.1 數據收集與整理
本文以Web of Science核心數據合集為數據來源。為兼顧查準率與查全率，本文選擇主題檢索，且在檢索時將檢索條件設定為“Web of Science核心合集”，以初步剔除不必要的文獻，隨后將檢索內容設置為“Virtual reality”、“Education”，時間跨度為2004年-2019年(因發表在Web of Science核心合集上的第一篇虛擬現實教育應用研究相關文章發表于2004年)。同時，刪除與本主題明顯無關的文獻(征稿啟事、會議通知等)，并通過精煉出版物剔除非教育類刊物。最終得到658篇文獻作為研究樣本，以純文本格式導出，每條數據記錄主要包括文獻作者、題目、摘要、機構等信息，數據具體篩選如表1所示(檢索時間：2019年9月13日)。
1.2 研究工具與方法
本研究主要采用知識圖譜分析、聚類分析等對文獻進行定量分析。可視化研究工具是由美國德雷塞爾大學(Drexel University)陳超美研發的CiteSpaceIII，該軟件適用于多元、分時、動態的復雜網絡分析，目前已廣泛應用于分析和探測某學科或領域熱點主題及其演進趨勢。
使用CiteSpace分析虛擬現實教育應用研究的具體步驟為：新建兩個文件夾分別命名為data和project，將從Web of Science中導出的文獻數據命名為download_xxx格式，并將文本文件放入data文件夾中;將時間跨度設置為2004-2019年，間隔為1年;節點閾值設置為(2、2、20)，表示2004-2019年Web of Science數據庫核心數據合集中，虛擬現實教育應用文獻每年被引頻次或出現頻次最高的前20篇;選擇路徑發現(Pathfinder)的剪切連接方式以簡化網絡結構突出重要特征，并采用聚類靜態(Cluster View-static)與展示整個網絡(Show Merged Network)的可視化方式呈現最終分析圖譜。
2 知識圖譜分析結果
2.1 發文量時間分布情況分析
2004-2019年國外虛擬現實教育應用研究的文獻發行數量年均分布情況如圖1所示，從中可以看出虛擬現實教育應用研究發展分為緩慢和快速兩個發展階段。緩慢式發展階段(2014年以前)囿于虛擬軟硬件技術限制，虛擬現實應用尚未普及，因此在2004-2014年近10年間發文量總體處于較平穩的緩慢上升狀態;自2014年Facebook以20億美元收購VR廠商Oculus后，虛擬現實教育應用進入快速發展階段，各主流企業為搶占虛擬產品市場，不斷進行VR(觸覺、視覺等)研發與改進，虛擬現實技術得以快速發展，由于虛擬現實不但能通過提供豐富的可視化素材調動學習者積極性，還能為學習者搭建個性化自主學習空間，在教育領域具有極大發展空間與潛力。因此，自2014年虛擬現實教育應用研究發文量呈現出快速增長趨勢。
2.2 研究主題演進過程分析
基于關鍵詞聚類生成的時間線圖譜如圖2所示，通過該圖譜可清晰看出各研究主題關聯性、傳承性及研究焦點演進軌跡。本研究結合該圖譜對生成的8個聚類研究主題進行深度剖析，以揭示虛擬現實教育應用研究發展過程。
圖2中聚類主題共有8個，分別是腹腔鏡檢查(Laparoscopy)、合作/協作學習(Cooperative/Collaborative Learning)、醫學教育(Medical Education)、游戲化學習(Game-based Learning)、自閉癥(Autism)、結構方程建模(Structural Equation Modeling)、多媒體/超媒體系統(Multimedia/Hypermedia Systems)、機器人學(Robotics)，對各聚類主題分析如下。
主題0腹腔鏡檢查(Laparoscopy)是虛擬現實技術在醫學中的一種應用，相較于開放性手術而言，腹腔鏡手術優勢明顯，它通過減少組織創傷和患者疼痛，縮短患者恢復時間，并降低手術成本。但是腹腔鏡手術不僅需長時間的前期手術培訓，還需要專家監督與指導。基于虛擬現實技術的腹腔鏡模擬器為學生臨床手術技能培訓提供了一種低風險、高保真、低成本且可重復練習的工具。托拜厄斯(Tobias)等[3]將VR腹腔鏡模擬器與可穿戴式VR設備結合在一起，通過模擬器將標準腹腔鏡場景與手術室中的人物視頻等進行集成，創建高度沉浸式VR環境，以此優化醫學生臨床技能。
主題1合作/協作學習(Cooperative/Collaborative Learning)是一種“以學生為中心”，通過學習者之間相互合作完成特定小組任務的學習方法，可增強學習者合作與參與意識，支持學習者主動學習[4]。已有研究表明，學習者對沉浸式多用戶虛擬協作學習感興趣的原因是虛擬學習系統可提供一種超越文化、語言、時間與空間的交互模式，該模式不但可為學習者提供創造性發展批判性思維的機會，還能使虛擬環境中的每個虛擬個體發揮重要作用，更好地支持學習者協作學習[5-6]。Cho等[7]設計了由教師控制的虛擬學習伙伴，將學習者分成不同小組，并以協作觀察的方式解決地理地形問題。研究結果發現，在協作虛擬環境中，學習者不僅可與虛擬學習伙伴進行有效討論以解決實際問題，還可通過該環境發展自身協作技能。
主題2是醫學教育(Medical Education)。醫學是一門特殊學科，其教學瓶頸在于教學過程中難以通過描述和簡單的表示解釋抽象的教學內容，從而導致學習者無法收獲深刻的情感體驗。虛擬現實學習環境通過沉浸性擬真交互界面，培養醫學生學習興趣，拓寬其知識面，有效支持其理論學習。如學習者可以打破空間限制，通過進入到生物醫學分子和身體結構中細致觀察。同時，學習者還可安全地進行各種人體實驗，如虛擬心臟搭橋手術。除此之外，虛擬學習環境還可打破時間限制，如生物遺傳學中某些遺傳定律可能需花費幾個月甚至更長的時間完成整個實驗，但是在虛擬環境中，學習者可通過加速植物生長縮短實驗時間，大幅提升學習效率。
主題3游戲化學習(Game-based Learning)是教育工作者為更好調動學生學習動機和積極性，將游戲嵌入到各學科中，通過完成游戲認知學習相關知識的一種學習方式。已有研究表明，游戲化學習可改變傳統單調、枯燥的講授式教學方式，通過建立與物理世界和游戲世界的聯系幫助學習者學習課堂知識，同時提高學習者動機與參與度。近年來，虛擬現實在游戲領域呈現產業鏈式快速發展，關注于提升學習者學習動機和參與度、并將虛擬學習與游戲化學習有機結合于教育的應用愈加廣泛。其中，Wongta等[8]設計了基于游戲的虛擬學習環境，在該環境中，研究者將選定的植物球形照片嵌入到游戲中，學習者可通過完成游戲任務學習植物分類學相關知識。結果表明，虛擬現實游戲互動性與沉浸性可激發學習者學習興趣;Chintiadis等[9]開發了一款基于希臘神話故事的虛擬現實教育游戲，在該游戲中嵌入雅典衛城審判案的故事情節，并設置了解秘密任務、多項選擇及問答游戲，學習者通過與游戲角色(希臘神話中的英雄)的互動，獲取相關解密線索，完成最終任務學習。結果表明該游戲可極大改善學習者體驗，提升其課堂參與和積極性。
主題4為自閉癥(Autism)。自閉癥是一種發育性障礙疾病，患者往往無法維持穩定的人際關系，也無法進行正常的工作和學習。隨著信息和通信技術的發展，研究者采用機器人技術、交互式視頻、基于網頁的協作式學習環境及眼動儀等嘗試改善自閉癥學習者心理缺陷[10-11]。研究結果表明，自閉癥學習者對技術支持下的視覺刺激有積極反應，同時通過順利完成各種數字技術支持下的學習任務，收獲相應學習成效[12]。可為學習者營造良好視覺可視化效果的3D協作虛擬學習環境逐漸得到教育研究者重視，該技術可通過為自閉癥學習者提供一個擬真的虛擬情境，幫助其練習相應技能并完成學習任務。在此基礎上，還有學者探索了虛擬學習環境對自閉癥學習者知識與技能發展的影響。如Glaser等[13]在研究中發現，三維虛擬學習環境可以通過自由和個性化操控適應自閉癥學習者獨特需求，以促進自閉癥學習者知識與技能習得。
主題5結構方程模型(Structural Equation Modeling)是一種基于變量的協方差矩陣，可用以分析難以直接進行準確測量的潛在變量(如智力、學習動機、家庭社會經濟地位等)間的關系。由于虛擬現實在教育中的應用主要通過高度沉浸可視化的交互性學習環境豐富單調枯燥的傳統學習，學習者自我效能感、學習參與度、學習動機與興趣等會隨之發生潛移默化的改變。為保證研究可靠性和嚴謹性，研究者需使用結構方程模型分析研究中存在的潛在變量，以期得到信度更高的研究結果。
主題6多媒體/超媒體系統(Multimedia/Hypermedia Systems)包含豐富的圖片、文字和素材等，可為虛擬現實學習環境構建提供有力支持。如Borisov等[14]將虛擬現實技術集成到多媒體信息系統中，使多媒體系統豐富的素材與虛擬環境融合，以更加逼真的形式呈現具有富含文化和歷史內涵的情境，以幫助學習者收獲良好的學習效果;Nóbrega等[15]將交互式3D圖像或視頻插入到多媒體應用程序中，以構建一個內容更豐富的虛擬現實環境。
主題7為機器人學(Robotics)。虛擬現實在機器人學科中的應用集中于機器人手術技能課程培訓。由于機器人手術具有精度高、錯誤率低的特點，近年來其在臨床手術中的應用不斷增加，這使年輕醫生利用機器人手術技能提升能力的需求上大幅增加，但由于專門用于訓練目的的機器人成本較高，且所需空間較大，導致新手醫生很難在現實課堂中使用機器人進行訓練。因此，可突破成本和空間局限的虛擬機器人技能培訓具有獨特優勢。Bric等[16]的研究表明虛擬機器人手術技能培訓課程可顯著提高新手醫生操作熟練水平;同時，Hovgaard等[17]在研究中通過對比實驗發現重復訓練對新生醫生機器人手術技能訓練具有重要影響，由于虛擬環境下不受素材與成本限制，手術過程具有可逆性，醫生可通過重復練習強化手術技能。
通過時間線圖譜，可清晰看到各研究主題出現的時間節點及研究起止時間。由圖2可以看到，由關鍵詞聚類生成的8個主題，按照時間節點出現順序分別是：主題0(腹腔鏡檢查)、主題2(醫學教育)、主題1(合作/協作學習)、主題6(多媒體/超媒體系統)、主題3(游戲化學習)、主題5(結構方程模型)、主題4(自閉癥)和主題7(機器人學)。整體來看，國外虛擬現實教育發展呈現局部到整體、整體再到局部的態勢。其中，從主題出現的順序可以看出，國外虛擬現實在教育中的應用最早出現在醫學教育中，而后隨著多媒體技術的不斷發展，虛擬現實逐漸擴展到化學、生物等其它學科，形成整體學科教育應用的局面。而后，由于虛擬現實技術在娛樂領域的快速發展，與游戲化學習結合的優勢日漸凸顯，同時，為了更好地研究虛擬游戲化學習對學習者動機、自我效能感、參與度等潛變量的影響，結構方程模型被引入研究，以便對結果進行更嚴謹的闡釋。
3 啟示
從主題研究過程分析中可以看出，當前國際虛擬現實教育應用研究主要集中于學科教育(如醫學、科學)、學習方式融合與創新發展(如合作學習、游戲化學習)、優化特殊群體學習等方面。基于此，本文提出我國未來虛擬現實教育應用研究發展方向。
(1)深化虛擬學習，通過在線虛擬仿真教育打造校際協作的深度學習共同體。校際協作學習指基于互聯網開展校際學習活動，以實現校際間教育資源共享，促進教育均衡發展[18]。在線教育的發展為校際協作學習提供了基礎條件，但在學習型社會構建過程中，在線教育教育效果并不理想，最主要原因是在線教育僅停留在淺層學習上，無法促進學習者情感、行為和認知上的有效參與并形成深度學習[19]。在此基礎上，教育部于2019年發布了《關于促進在線教育健康發展的指導意見》，該文件指出各部門需抓住5G契機，通過打造在線虛擬仿真教育，促進在線深度學習共同體構建。在線虛擬仿真教育構建的虛擬學習社區不但可通過多地遠程并班和互動教學打破空間界限，還可通過課內外學習信息融合聯通打破嚴格的時間限制，這也促進了校際學習者之間的溝通與交流，可有效調動學習者情感參與、行為參與和認知參與，最終促進校際深度學習共同體形成。但目前國外虛擬現實在線教育研究主要聚焦交互式在線學習[20]、在線醫學模擬[21]、在線教育與多媒體系統有機融合[22]等，而國內虛擬現實教育應用研究局限于小規模線下學科教學，尚未涉及在線教育相關研究，二者在如何打造校際深度學習共同體方面還缺乏有效的研究和論證。同時，我國在線教育存在缺乏師生交互、課程單一、資源共享和學習者管理困難等問題，因此，從教育長遠規劃和發展趨勢來看，我國需在技術快速發展的大背景下，重點推進虛擬在線仿真教育，以彌補目前國內在線教育不足。
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