摘要：文章以來自Scopus數(shù)據(jù)庫1984～2017年有關(guān)數(shù)字化實驗研究的1610篇文章為研究對象，通過CiteSpaceШ和VOSviewer1.6.5軟件，對近30年來國際上數(shù)字化實驗研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類主題進(jìn)行了可視化分析。結(jié)果顯示，在數(shù)字化實驗研究領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家既具有高產(chǎn)出論文，也具有較高的中心度，是本領(lǐng)域研究的主導(dǎo)者，但中國、印度等發(fā)展中國家進(jìn)步迅速；在研究熱點領(lǐng)域，主要有教育教學(xué)的研究、（遠(yuǎn)程）用戶的體驗以及數(shù)字化技術(shù)的開發(fā)這三個方向；從熱點聚類來看，進(jìn)入21世紀(jì)之后，研究者開始關(guān)注虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及增強現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字化實驗中的應(yīng)用研究、數(shù)字化實驗在STEM教學(xué)中對中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的促進(jìn)研究以及高校數(shù)字化實驗課程體系的構(gòu)建與評價研究等主題。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗,研究熱點,可視化分析,CiteSpaceШ,VOSviewer1.6.5
引言
數(shù)字化實驗是以真實實驗為基礎(chǔ)，借助計算機(jī)來完成的實驗。數(shù)字化實驗研究一直是STEM——自然科學(xué)（Science）、技術(shù)學(xué)（Technology）、工程學(xué)（Engineering）以及數(shù)學(xué)（Math）學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點。國際上的數(shù)字化實驗主要有兩類：一種為微型計算機(jī)實驗室（Microcomputer-BasedLaboratories，MBL），另一種為虛擬仿真實驗室（Simulation-BasedLaboratories，SBL）[1]。前者在國內(nèi)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，主要涉及基于傳感器的移動手持技術(shù)/掌上電腦（HandHeldTechnology或LabinHand），移動手持技術(shù)的便攜性及其實時收集、顯示和整理數(shù)據(jù)的功能為它在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用帶來諸多便利[2]。后者在國內(nèi)高等學(xué)校中的應(yīng)用比較普及，即虛擬實驗室（VirtualLaboratories）。目前，國內(nèi)大學(xué)大多建有自己的虛擬實驗室，主要為了滿足日?？蒲泻徒虒W(xué)的需要。二戰(zhàn)以后，隨著第三次科技革命的到來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為教育教學(xué)領(lǐng)域帶來新的曙光。尤其在科學(xué)教育領(lǐng)域，技術(shù)在幫助學(xué)生理解科學(xué)概念、促進(jìn)青少年成長及其科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展方面發(fā)揮著越來越重要的作用。
以MBL為例，它能將真實世界的各類變量（物理、化學(xué)、生物等）轉(zhuǎn)化為電信號，然后將模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，它對真實世界的數(shù)字信號進(jìn)行過濾與放大、存儲與傳遞、分析與計算、可視化加工與呈現(xiàn)，具有便攜、實時、準(zhǔn)確、直觀和定量等特征。SBL涉及虛擬操作，它能夠模擬部分科學(xué)實驗內(nèi)容，個體可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，所取得的學(xué)習(xí)效果等值于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境下所獲取的，具有交互性、真實性、沉浸性等特征。數(shù)字化實驗對學(xué)生科學(xué)概念的理解、實驗?zāi)芰蛦栴}解決能力的培養(yǎng)以及創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展意義重大。
本研究使用可視化的文獻(xiàn)計量方法對過去30年來數(shù)字化實驗研究領(lǐng)域的重要文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和挖掘，通過CiteSpaceⅢ和VOSviewer1.6.5軟件，對國家（地區(qū)）及機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、關(guān)鍵詞突顯、關(guān)鍵詞聚類等進(jìn)行分析，以探究數(shù)字化實驗領(lǐng)域的研究熱點、發(fā)展歷程以及未來趨勢，以期為數(shù)字化實驗理論研究和實踐探索提供參考。
一數(shù)據(jù)來源與研究方法
1數(shù)據(jù)來源
Scopus是目前全球規(guī)模最大的文摘和引文數(shù)據(jù)庫，本研究選擇Scopus為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。Scopus的內(nèi)容相對于其它單一的數(shù)據(jù)庫更全面，涵蓋的學(xué)科領(lǐng)域也更加廣泛。以Scopus為數(shù)據(jù)源，輸入檢索語句TS=“SimulationBasedLab”O(jiān)R“MicrocomputerBasedLab”O(jiān)R“VirtualLab”O(jiān)R“RemoteLab”O(jiān)R“OnlineCollaboratory”O(jiān)R“LabinHand”O(jiān)R“HandHeldTechnology”。檢索的時間為1984年1月1日至2017年12月25日，檢索的文獻(xiàn)類型選擇“ArticleorConferencePaper”。最終得到數(shù)字化實驗研究文獻(xiàn)共1610篇文章，其中研究性論文478篇，會議論文1132篇。
2研究進(jìn)程
本研究使用的軟件主要包括CiteSpaceⅢ和VOSviewer1.6.5。具體研究過程如下：首先，從Scopus數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出檢索到的1610篇文獻(xiàn)的所有可用信息；其次，將生成的文件導(dǎo)入VOSviewer1.6.5進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，然后使用CiteSpaceⅢ對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接著建立分項目，創(chuàng)建NewProject，并在偏好Preferences中選擇英文支持；再次，在主窗口中右側(cè)配置分析中，其時間配置TimeSlicing選擇1984～2017年間，切片YearsPerSlice為2，節(jié)點類型NodeType分別為Country和Keyword，剪裁方法選擇MST（PruningSlicedNetworks和PruningtheMergedNetwork）；最后，對所獲得的結(jié)果進(jìn)行可視化分析與解讀。
二國際數(shù)字化實驗研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析
1時間維度
為了能夠宏觀地了解國際上數(shù)字化實驗研究的具體產(chǎn)出情況，本研究分析了歷年來數(shù)字化實驗研究論文出版數(shù)量的趨勢變化，如圖1所示。從國際網(wǎng)絡(luò)出版的論文來看，Scopus數(shù)據(jù)庫能夠查詢到的最早的有關(guān)數(shù)字化實驗的論文來自于1984年的2篇論文：第一篇是美國馬薩諸塞州劍橋?qū)W院技術(shù)教育研究中心的Tinker于1984年參加全美第六屆年度全國教育技術(shù)大會時所提交的《為有學(xué)習(xí)障礙的學(xué)生所設(shè)計的基于微型計算機(jī)的科學(xué)學(xué)習(xí)工具》；另一篇則是Hewitt于1984年發(fā)表在ComputersinHealthcare上的《“虛擬”實驗室的理念：基于當(dāng)前時期的深思》一文。國際上有關(guān)數(shù)字化實驗的研究自1984年以來整體呈現(xiàn)快速上升趨勢。
2國家維度
從研究成果的來源地看，美國、中國、西班牙以及葡萄牙等國家在數(shù)字化實驗研究領(lǐng)域的合作及產(chǎn)出都比較突出。直觀地呈現(xiàn)了各個國家在數(shù)字化實驗研究領(lǐng)域的論文產(chǎn)出數(shù)量、論文的被引數(shù)以及各個國家的中心度。其中，美國作為高產(chǎn)國家，刊出論文275篇，在數(shù)量上排在第一位，其中心度高達(dá)0.91，被引頻次也達(dá)到了117次。而中國在出版數(shù)量和被引次數(shù)上均位列第3名，但是在中心度上卻沒有進(jìn)入前10名。印度也存在類似狀況，它的論文數(shù)量位居第6名，被引次數(shù)位居第4名，但在中心度上也止步于前10名。由此不難看出，歐美發(fā)達(dá)國家在數(shù)字化實驗研究領(lǐng)域占據(jù)中心性和領(lǐng)導(dǎo)性地位。
3關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析
VOSviewer1.6.5提供基于標(biāo)簽視圖（LabelView）對關(guān)鍵詞進(jìn)行的共現(xiàn)分析，圖中節(jié)點為主要關(guān)鍵詞，節(jié)點和字體的大小由其權(quán)重決定，節(jié)點間的連線表示關(guān)鍵詞的共現(xiàn)關(guān)系。標(biāo)簽視圖中連線的多少可以表明各關(guān)鍵詞研究領(lǐng)域之間聯(lián)系的緊密或疏松。依據(jù)關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)性分析得到的共現(xiàn)結(jié)果顯示，關(guān)鍵詞被劃分成了3大版塊：第一，以學(xué)生（Student）、課程（Course）、教師（Instructor）等為代表的教育教學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵詞；第二，與遠(yuǎn)程實驗室（RemoteLab）、大學(xué)（University）以及用戶（User）等數(shù)字化實驗應(yīng)用領(lǐng)域研究相關(guān)的關(guān)鍵詞；第三，與模型（Model）、仿真（Simulation）以及數(shù)據(jù)（Result）等數(shù)字化實驗技術(shù)的整合和開發(fā)研究相關(guān)的關(guān)鍵詞。但是，上半部分（第二版塊）不管是標(biāo)簽、節(jié)點的數(shù)量，還是連線的密度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于左下部分（第一版塊）和右下部分（第三版塊）。這足以說明，目前基于用戶個體使用和體驗的國際數(shù)字化實驗研究還不夠深入，或者說該類研究依然缺乏精細(xì)化分類，各個關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系需要得到更多的重視，因此，此類別的研究有待進(jìn)一步深化。具體而言，可以通過加強此類別與其它版塊之間的交叉、融合研究，以求探尋新的研究方向與思路?？傮w而言，以關(guān)鍵詞聚類分析而獲取的結(jié)果顯示，數(shù)字化實驗的研究主要分布于教育教學(xué)的研究、（遠(yuǎn)程）用戶的體驗以及數(shù)字化技術(shù)的開發(fā)這三個方面。
4關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析
進(jìn)入21世紀(jì)之后，互聯(lián)網(wǎng)的普及帶來了數(shù)字實驗研究的新熱潮，本領(lǐng)域的熱點關(guān)鍵詞開始突顯。研究者們開始關(guān)注借助互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建教師教學(xué)所需的多媒體虛擬課程這一研究主題，但虛擬課程的構(gòu)建需要借助數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，有較大的局限性。基于多媒體網(wǎng)絡(luò)的異步學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型強調(diào)將課堂延伸到學(xué)校之外，把課上的視頻放到網(wǎng)絡(luò)上供大家交流與學(xué)習(xí)，為師生雙方都帶來較大便利。隨著全球化進(jìn)程的深入，單一、局域式的因特網(wǎng)（強度為8.37）也由此進(jìn)入全球化互聯(lián)網(wǎng)時代（強度為5.37）。數(shù)字化實驗的研究也由此進(jìn)入了嶄新的時代，一些新穎的互聯(lián)網(wǎng)詞匯開始出現(xiàn)，如虛擬現(xiàn)實（強度為2.94）、增強現(xiàn)實（強度為3.0）、交互式模擬（強度為3.37）等。對于需要實驗研究的理工科領(lǐng)域而言，數(shù)字實驗的成熟對他們開展網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗活動提供諸多的便利，尤其是基于萬維網(wǎng)開發(fā)的虛擬實驗室可以對研究者進(jìn)行虛擬實驗的耦合和實驗數(shù)據(jù)的采集顯示出巨大的潛力。
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