虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，让使用者有一种身临其境的感觉。实验教学是课堂教学的有力补充，与课堂教学相辅相成,实验教学的成果也直接影响到学生对课堂内容掌握的程度。将虚拟现实技术应用于实验教学，可以通过仿真的方法提高实验教学水平。本文通过对近15年来的相关文章进行分析，详细阐述虚拟现实应用于实验教学的意义。

通过对比可以看出：经过移植的苗木，高生长量减少，而直径生长量增加，根量也增加，侧、须根较发达、而主根较短。留床苗因为营养面积小，光照不足，通风不良，地上部分枝叶少，苗干虽高但细弱，侧、须根不发达，地下根量小，而主根过长。

1 资料来源与工具介绍

1.1 资料来源 本文所下载的数据来源于CNKI中国知网数据库，将主题为虚拟现实并含实验教学，发表时间为2002年至2017年的文章进行检索。得到相关文章841篇。

TRGIS计划旨在确立TRGIS立法框架及相关法规，确定适用于TRGIS地理门户网站的地理数据标准。TRGIS计划包括进行TRGIS门户网站分析和TRGIS数据要求分析，开发TRGIS管理模型，明确TRGIS概念数据模型构成和立法要求，制定TRGIS数据标准，制定门户网站实现规定，进行TRGIS培训与信息分发等。

1.2 分析工具 本文采用文献统计分析工具SATI对结果进行处理，并使用SPSS 19.0对矩阵进行聚类分析。其中SATI 文献题录信息统计分析工具可导入处理四种格式的国内外文献题录数据，具有题录格式转换、字段信息抽取、词条频次统计和知识矩阵构建等四大功能[1]。SPSS是世界上最早采用图形菜单驱动界面的统计软件，它最突出的特点就是操作界面极为友好，输出结果美观漂亮。SPSS的基本功能包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等。

2 分析方法与结果

本文利用文献计量学中的共词分析法，对基于虚拟现实的实验教学论文进行分析。共词分析法是一种重要的情报研究方法，属于内容分析法的一种。该方法建立在词频分析法的基础之上，其分析的方法就是从相关文献数据库中抽取关键词或主题词，一般是出现频次超过一定阈值，并且能够代表该学科研究主题或研究方向的高频词。然后，两两统计这些高频词在同一篇文章中同时出现的次数，形成共词矩阵。最后，围绕着这个共词矩阵进行分析[2]。

在医学领域虚拟现实技术已广泛应用于医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面，称之为虚拟医学或仿真医学[16]。将虚拟现实技术应用于教育可以使学生能够游览海底、邀游太空、观摩历史城堡，甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦的相对论世界，从而更加形象地获取知识，激发思维。在娱乐方面，第一个大规模的VR娱乐系统“BattleTech”，将每个“座舱”仿真器联网进行组之间的对抗。3D逼真视景、游戏杆、油门、刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激。在建筑领域，虚拟现实技术应用于城市规划、建筑装修等。在军事领域，虚拟现实技术用于模拟军事训练，模拟战场环境以及各种武器装备。虚拟现实技术还应用于风景园林设计中，为我们观察客观世界的特征与行为提供了有力支持,并能使设计者在与多维化信息环境的交互作用中得到启发，加深感性与理性的认识，从而产生新的创意[17]。虚拟现实还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练。如医疗手术训练的VR系统，用CT或MRI数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型，并赋予一定的物理特征(例如密度、韧度、组织比例等)，通过机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程，以达到训练、研究的目的。美国的NASA和欧洲空间局ESA曾成功地将VR技术应用于航天运载器的空间活动、空间站的操作和对哈勃太空望远镜维修方面的地面训练[18]。

常言道“读书破万卷，下笔如有神。”阅读在我们的学习生活中是不可缺少的。而阅读于语言的学习而言，就如同战场上武器于战士。阅读是获取信息的重要途径。对于学生而言，阅读更是获取信息的最基本途径和最简便的方式。在一个人的自学中，阅读的作用更是体现的淋漓尽致。数学阅读能力是学习数学必备的一种能力，同时还是用数学思维进行思考的前提和基础。重视数学阅读，充分利用阅读形式，从而提升学生学习能力是数学教学应该关注的重要内容之一。因此，通过阅读丰富学生的数学语言，不但能提高学生的数学学习能力，而且能提升学生的数学素养。

2.1 关键词的提取和统计 首先，将检索到的相关文献在CNKI中以Endnote格式导出。然后，将这些文件导入SATI中进行格式转换和字段抽取，并进行词频统计。最后，确定词频大于18的12个关键词为本文研究的高频关键词。高频关键词的统计情况见表1。

表1 基于虚拟现实技术的实验教学论文高频关键词频数统计

  

序号关键词频数序号关键词频数1虚拟现实2507Virtools432虚拟实验2158虚拟仿真373实验教学1999虚拟仪器334虚拟实验室12910应用245虚拟现实技术11911远程教育226VRML6012网络19

3.2 基于Virtools的虚拟实验室开发实例 此方向包括关键词“虚拟实验室”、“虚拟仪器”以及“Virtools”。所谓虚拟实验室，其实是利用虚拟仿真技术虚构模拟实验情景，利用点击、拖拽，将虚拟的仪器，按照实验要求和过程组装成一个完整的实验系统。Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以让缺少程序基础的美术人员利用内置的行为模块快速制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。Virtools制作具有沉浸感的虚拟环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

高效毛细管电泳是当代分析化学中最具活力的前沿研究领域之一，它的仪器结构复杂，实验预处理耗时长，仪器维护维修繁琐，毛细管电泳出峰过程受电压、温度以及pH等多种参数的影响，其数学理论模型非常复杂。因此，构建毛细管电泳虚拟实验室具有重要的价值与意义。毛金群基于现有的毛细管区带电泳理论，提取相关影响因素如温度、电压、pH、进样压力以及进样时间，通过整合与优化，完成了理论模型预测，包括毛细管电泳出峰时间模型、半峰宽与出峰时间关系模型以及进样压力和进样时间与峰面积关系模型，进而通过理论模型与程序之间的算法转换编写了模拟出峰程序，在此基础上开发了功能强大的毛细管电泳工作站，实现了在不同参数条件下的二维色谱数据的动态模拟以及色谱数据的采集、存储、重载和分析处理功能。将模拟出峰结果与现实实验结果进行对比后表明：在一定的参数范围内，虚拟结果与现实结果的误差小于8%[11]。

表2 基于虚拟现实技术的实验教学论文高频关键词共现矩阵

  

虚拟现实虚拟实验实验教学虚拟实验室虚拟现实技术VRMLVirtools虚拟仿真虚拟仪器应用远程教育网络虚拟现实25046612800192011445虚拟实验462152712162717074127实验教学6127199303767176852虚拟实验室28123012916108012274虚拟现实技术0163716119119820073VRML1927610860000043Virtools201778204304000虚拟仿真10170000370100虚拟仪器147612004033200应用4482700122401远程教育51257340000222网络2724030001219

表3 基于虚拟现实技术的实验教学论文高频关键词相似矩阵

  

虚拟现实虚拟实验实验教学虚拟实验室虚拟现实技术VRMLVirtools虚拟仿真虚拟仪器应用远程教育网络虚拟现实10.03940.07480.0243000.02410.03720.00010.02380.00270.0045虚拟实验0.039410.0170.00520.010.010.05650.031300.00690.00310.0304实验教学0.07480.01710.03510.05780.05780.0030.00570.03930.00550.01340.0057虚拟实验室0.02430.00520.035110.01670.01670.01290.011500.03380.00130.0173虚拟现实技术00.010.05780.0167110.0090.0008000.01720.0034VRML0.02410.05650.0030.01290.0090.009100000.0121Virtools0.03720.03130.00570.01150.00080.00080100.011300虚拟仿真0.000100.039300000100.00110虚拟仪器0.02380.00690.00550.03380000.0113010.00510应用0.00270.00310.01340.00130.01720.0172000.00110.005110远程教育0.00450.03040.00570.01730.00340.00340.012100001网络0.00080.0120.00110.0065000.00790000.00220.0096

  

图1 高频关键词聚类树形图

3 讨论

经过聚类图分析结果显示，近年来知网数据库中关于将虚拟现实技术应用于实验教学方面的研究热点主要包括以下5个方面。

方利伟利用Virtools技术设计，开发了实物展示台虚拟实验室。该虚拟实验室的功能主要包括实物展示台各部件功能的学习、与投影仪的连接、实物展示台的操作(包括图像黑白/彩色切换、侧灯照明方向和亮度的调整、图像放大和缩小、正负片切换等)、与数据库进行通信、读取和存储实验数据等[9]。他使用3ds Max建模构建了实验室、展示台、投影仪等。虚拟实验室中涉及的旋转、缩放等动画，是在Virtools中通过脚本编写完成的。场景的编辑，交互脚本的编写也都是在Virtools中实现的。Virtools在实验室的开发中体现出容易上手并且制作快速的优势。

梁宇涛从技术层面上详细说明了虚拟现实技术应用于实验教学的先进性和优越性。例如，将虚拟现实技术与物理实验教学有机结合，使物理实验教学进入一个全新领域。通过仿真物理实验，学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，可以达到实际实验难以实现的效果，极大提高了物理实验教学水平[5]。除此之外，对于一些昂贵的设备，学生可以先通过由计算机构造的虚拟设备进行操纵，等熟练后再使用该设备，这样可以极大地减少设备损坏的风险。对于一些有毒的化学实验和高压强电的实验，虚拟实验室的建造可以降低人身伤害的风险。虚拟实验教学可以节约成本，突破实验教学在时间和空间上的限制，提高学习者的自主性和创新性，充分发挥计算机技术网络的优势，成为对传统教学方式的有力补充[6]。

淘清源对他所在的第二军医大学400名本科生进行问卷调查，85%的学生认为虚拟化实验教学方法新颖，教学手段多样，愿意尝试；另外有92%的临床医疗系学生认为虚拟化实验教学随时随地的访问环境、仿真的虚拟环境、实验中极低的出错率，能够有效激发他们的学习热情，进而转化为内在学习动力[7]。

尽管构造虚拟实验室的优越性是显而易见的，但是在某些领域真实实验是不能被虚拟实验取代的。真实实验是人们利用实验仪器设备能实际进行操作的实验活动。真实实验会产生新理论，也是检测新理论的最基本的方法。而虚拟实验是对真实实验的模拟，真实实验是虚拟实验的基础。瞿曌在文章中详细分析力虚拟实验的优势与不足。虚拟实验可以节省实验材料，提高学生的自学能力。但同时，虚拟实验又存在一些不足，其一，实验真实感不强；其二，无法体会在真实实验中出现的各种各样误差；其三，体会不了实际工程中的各种故障现象[8]。因此，虚拟实验与真实实验存在着本质的差别，在培养学生动手能力和误差分析等方面，虚拟实验是不能取代真实实验的。

2.2 共现矩阵与相似矩阵的生成 使用SATI软件的矩阵生成功能生成共现矩阵和相似矩阵。共现矩阵可以体现关键词与关键词之间共同出现的次数，共现次数越多，则两者联系越紧密，共现矩阵见表2。在相似矩阵中，数值越接近1，表明两关键词的关系越紧密，相似矩阵用来做聚类分析。相似矩阵见表3。

3.1 虚拟现实技术在实验教学中应用的重要性、先进性以及局限性 此方向包括关键词“虚拟现实”与“实验教学”。教育部高教司实验室处李平处长明确了虚拟仿真实验教学建设是高校实验教学改革的必然发展方向[3]。虚拟仿真实验教学技术在教育领域具有重要应用，是教育信息化的重要组成部分。将虚拟现实技术与实验教学相结合，建造虚拟的实验室，其设备或对象多是虚拟的，所以可根据发展需要使设备和教学内容在虚拟环境中不断更新。这样，学校教育可以及时紧跟最新科技的发展，能够培养出更与时俱进的技术人才和管理人才。实验教学不再局限于有形的实验室中，教学活动的空间和时间都得到了无形扩展。虚拟现实技术引入实验教学,将引发实验教学模式变革,对提高实验技术水平、改善实验环境产生深远的影响[4]。

武真在分析比较各种主流的开发平台后,采用了3ds Max+Virtools的虚拟实验室开发路线,构建了气相色谱三维网络虚拟实验室,实验室采用全三维场景设计，场景逼真，完整地展现了实际实验室的面貌。实验者可按真实仪器的操作过程进行各种模拟操作，就如同置身于实际实验室中。气相色谱三维网络虚拟实验室具体开发过程为结合Photoshop修改和创建模型贴图素材,用3ds Max构建模型,之后导入Virtools中,利用Virtools强大的实时渲染引擎,在计算机屏幕上快速显示三维虚拟实验仪器和三维虚拟实验环境,实现任意视角观看,之后利用其完善的交互引擎提供的BB模块和SDK编程,模拟实验操作并进行数据采集和处理,完成之后输出为网页形式进行发布并通过立体显示设备进行输出和3D滑鼠进行控制,使学生戴上立体眼镜就能得到置身于实验室的感觉。色谱仪器应用广泛且大多精密贵重，开发色谱虚拟实验室对于仪器培训以及实验教学有着重要的意义[10]。

2.3 聚类分析 聚类分析是对共现矩阵进行深入挖掘的重要手段。纵轴的数字代表主题词编号,横轴数字代表主题词两两之间的距离,如果两个主题词在很短的距离聚集在一起,说明这两个主题词之间联系紧密。将相似矩阵导入SPSS 19.0软件，采用Ward方法对高频关键词进行聚类分析，得到高频关键词聚类树型图，如图1所示。

3.3 基于Web的虚拟实验室的构建 此方向包括关键词“虚拟实验”以及“VRML”。基于Web的虚拟实验室就是在Web中创建出一个可视化的三维环境，而每一个可视化的三维物体代表一种实验对象，实验者通过鼠标的点击以及拖曳等操作，就可以进行虚拟实验。由于虚拟实验室能够通过计算机在网络中模拟实验现象和仿真实验环境，因此，它不仅为远程教育实验类课程的常规开展和教学改革提供了条件和技术支持，还可以随时为学习者提供更多、更新、更好的仪器和实验方法，更加重要的是对一些缺乏实验条件的远程学习者，通过网络同样能够使他们“身临其境”地观察实验现象和操作实验仪器，还能得到远程教师的“临场”指导，甚至和异地的学习者合作进行实验，提高远程教育的教学效果和质量。基于Web的网上虚拟实验室包含下面几个重要的组成部分：即能处理大量模拟操作数据处理的服务器，用于存储模拟资料初始条件和边界条件以及实验结果资料的数据库系统，连接于网络的某些科学实验仪器及合作工具以及实验处理软件等。这几个部分的紧密结合就组成了一个虚拟实验室。Web为虚拟实验室的实现提供了一种基础平台，基于Web的浏览器/服务器计算模式是实现基于Web虚拟实验室的一种基本模式。在这种模式中，服务器端通过软件技术对各种实验环境进行仿真，并接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态，模拟产生实验的现象，输出对应的实验资料。Web是现代远程教育的一个基本依托，因此，为解决远程教育中的实验教学和技能培训问题，构建基于Web的虚拟实验室是相当重要的[12]。VRML是一种三维场景的描述性语言，也是在Internet上实现虚拟现实的关键性技术，它为用户在Internet上提供了一个全新的虚拟世界空间。采用VRML技术开发的三维虚拟现实实验可以不受时间和地域限制，学生或教师可以自由、无顾虑地随时进入虚拟实验室。因此，将VRML融入基于Web的虚拟实验室的开发过程中，既可增强表现力和用户的接受力，又能实现较好的协同工作虚拟化环境。

3.4 虚拟现实技术在各种领域的应用现状、发展趋势以及面临的挑战 此方向包括关键词“虚拟现实技术”以及“应用”。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。虚拟现实技术的用途很广，它可应用于工程设计、城镇规划、科学计算、可视化、教育、电子商务、医学、军事、艺术与娱乐等多个方面。

这些研究成果说明了网上虚拟实验可以有效地发挥现有的各种教育资源优势，优化资源配置，实现教育资源的广泛共事。网上虚拟实验系统建成后，学生可以登录网站进入虚拟实验系统，操作设备，进行各种实验。网上虚拟实验系统的建设不仅可以节约在实验教学方面的投入，更重要的是可以完善各院校现有的教学体系，提高院校的教学水平和教学质量，促进学生学习的自主性，培养和提高学生的动手能力和创新能力。

Santy等人提出一致矩阵法，也就是两两因素相互比较，确定重要性与非重要性，依此，可以减少在研究过程中面临的对性质不同的诸因素难以进行相互比较的困难，在一定程度上可以保证研究信息的准确度。

宋蔚对虚拟实验和虚拟现实技术进行了分析，深入研究了如何利用虚拟现实技术及Web技术来架构新型的网络虚拟实验系统。并对基于虚拟现实的虚拟实验的建模技术进行了研究。结合远程教育和虚拟实验的特点，确立采用虚拟现实建模语言VRML构造三维虚拟实验场景，实现虚拟仪器的三维建模和访问。在系统设计与实现过程中，针对当前远程教学系统的特点采用桌面型虚拟现实系统，使用户只需通过鼠标和键盘就能够与虚拟场景进行交互[13]。吴迪通过使用VRML的Script节点编程，着重研究了基于VRML技术的虚拟实验联动动画技术，设计了具有联动交互控制功能的气垫导轨上的实验，为传统的教学注入了新的活力[14]。李华等对虚拟计算机网络组网平台进行了功能分析和系统结构设计，通过采用Form ++提供的基础类库，搭建了组网平台的整体框架，并进一步融合VRML技术成功地将网络组网、软件配置和设备三维展示集成起来，最终实现虚拟计算机网络组网平台[15]。

上述统计过程中，部分知识点细目在考试大纲中要求不具体，这时赋值的依据是大学课程中对该知识点要求把握程度及其与中学数学课程的关联程度，客观反映事实.

虚拟现实技术作为一门新兴的科学技术，它是与许多相关学科领域交叉、集成的产物。这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的。但仍存在许多有待解决与突破的问题，例如，穿戴设备沉重，交互式体验还不够，做不到细微操作等。为了提高VR系统的交互性、逼真性和沉浸感，在新型传感和感知机理、几何与物理建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多具有挑战性的问题有待解决。

3.5 虚拟远程教育的应用及其意义 此方向包括关键词“远程教育”、“网络”以及“虚拟仿真”。远程教育已经成为现代教育中不可或缺的重要组成部分。近年来，越来越多的多媒体资源运行在Internet上，它们为学习者提供了个性化的、自主式的、交互的、实时的学习环境。在众多的以文本、图片、动画、视频为主的网络教学资源中，逐渐崛起了利用网络技术、数据库技术、多媒体技术、虚拟现实等技术为设计核心的虚拟实验。这些实验解决了长期困扰远程教学中实践教学的欠缺问题，同时对于远程教育也提出了新的问题和挑战[19]。利用虚拟现实系统，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解[20]。此外，学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验可避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。

虚拟现实可为高校扩大招生后设置的分校和远程教育教学点提供可移动的电子教学场所，通过交互式远程教学的课程目录和网站，由局域网工具作校园网站的链接，可对各个终端提供开放性的、远距离的持续教育，还可为社会提供新技术和高等职业培训的机会，创造更大的经济效益与社会效益。

1.1.2本次调查病例的排除标准为 （1）病历资料不完整或者出院后失去联系的患者；（2）酗酒；（3）严重语言功能障碍患者；（4）有精神病史以及药物过敏的患者[3]。

综上所述，目前CNKI论文关于该方向的研究热点主要集中在：①虚拟现实技术在实验教学中应用的重要性、先进性以及局限性;②基于Virtools的虚拟实验室开发实例;③基于Web的虚拟实验室的构建;④虚拟现实技术在各种领域的应用现状、发展趋势以及面临的挑战;⑤虚拟远程教育的应用及其意义。

采用虚拟实验能弥补传统真实实验存在的不足，符合实验教学改革的发展趋势和人才培养的实际需要。但是，目前大多虚拟现实技术在实验教学中的应用还停留在桌面型的虚拟现实阶段，一些高校实验室虽引进了立体眼镜和立体投影仪等设备，但与真正的虚拟现实还有很大距离。

本文选取了12个主题词,但还有一些主题词由于词频次较低，故没有纳入本次研究中。并且，由于关键词的分布与关键词的共现关系并不完全成正相关，因此，聚类分析中存在一定的聚类不完整、定义不合理、出现无意义类团等问题，需要在今后研究中予以规避。

在跑过第一圈之后，六（1）班的参赛运动员蒋飞，突然加快了速度。在短短的几十秒后，他就将其他运动员远远抛在了后面，眼看着蒋飞就快把众人超过一圈了，“小飞人”刘相辉有些稳不住了，他也加快速度赶了上去。

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