摘要：文章以来自Scopus数据库1984～2017年有关数字化实验研究的1610篇文章为研究对象，通过CiteSpaceШ和VOSviewer1.6.5软件，对近30年来国际上数字化实验研究的网络结构和聚类主题进行了可视化分析。结果显示，在数字化实验研究领域，欧美发达国家既具有高产出论文，也具有较高的中心度，是本领域研究的主导者，但中国、印度等发展中国家进步迅速；在研究热点领域，主要有教育教学的研究、（远程）用户的体验以及数字化技术的开发这三个方向；从热点聚类来看，进入21世纪之后，研究者开始关注虚拟现实技术以及增强现实技术在数字化实验中的应用研究、数字化实验在STEM教学中对中学生科学素养的促进研究以及高校数字化实验课程体系的构建与评价研究等主题。

关键词：数字化实验,研究热点,可视化分析,CiteSpaceШ,VOSviewer1.6.5

引言

数字化实验是以真实实验为基础，借助计算机来完成的实验。数字化实验研究一直是STEM——自然科学（Science）、技术学（Technology）、工程学（Engineering）以及数学（Math）学科领域的研究热点。国际上的数字化实验主要有两类：一种为微型计算机实验室（Microcomputer-BasedLaboratories，MBL），另一种为虚拟仿真实验室（Simulation-BasedLaboratories，SBL）[1]。前者在国内基础教育领域的应用比较广泛，主要涉及基于传感器的移动手持技术/掌上电脑（HandHeldTechnology或LabinHand），移动手持技术的便携性及其实时收集、显示和整理数据的功能为它在基础教育中的应用带来诸多便利[2]。后者在国内高等学校中的应用比较普及，即虚拟实验室（VirtualLaboratories）。目前，国内大学大多建有自己的虚拟实验室，主要为了满足日常科研和教学的需要。二战以后，随着第三次科技革命的到来，科学技术的发展为教育教学领域带来新的曙光。尤其在科学教育领域，技术在帮助学生理解科学概念、促进青少年成长及其科学素养的发展方面发挥着越来越重要的作用。

以MBL为例，它能将真实世界的各类变量（物理、化学、生物等）转化为电信号，然后将模拟电信号转化为数字信号，它对真实世界的数字信号进行过滤与放大、存储与传递、分析与计算、可视化加工与呈现，具有便携、实时、准确、直观和定量等特征。SBL涉及虚拟操作，它能够模拟部分科学实验内容，个体可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习效果等值于甚至优于在真实环境下所获取的，具有交互性、真实性、沉浸性等特征。数字化实验对学生科学概念的理解、实验能力和问题解决能力的培养以及创新精神和科学素养的发展意义重大。

本研究使用可视化的文献计量方法对过去30年来数字化实验研究领域的重要文献进行梳理和挖掘，通过CiteSpaceⅢ和VOSviewer1.6.5软件，对国家（地区）及机构、关键词共现、关键词突显、关键词聚类等进行分析，以探究数字化实验领域的研究热点、发展历程以及未来趋势，以期为数字化实验理论研究和实践探索提供参考。

一数据来源与研究方法

1数据来源

Scopus是目前全球规模最大的文摘和引文数据库，本研究选择Scopus为基础数据源。Scopus的内容相对于其它单一的数据库更全面，涵盖的学科领域也更加广泛。以Scopus为数据源，输入检索语句TS=“SimulationBasedLab”OR“MicrocomputerBasedLab”OR“VirtualLab”OR“RemoteLab”OR“OnlineCollaboratory”OR“LabinHand”OR“HandHeldTechnology”。检索的时间为1984年1月1日至2017年12月25日，检索的文献类型选择“ArticleorConferencePaper”。最终得到数字化实验研究文献共1610篇文章，其中研究性论文478篇，会议论文1132篇。

2研究进程

本研究使用的软件主要包括CiteSpaceⅢ和VOSviewer1.6.5。具体研究过程如下：首先，从Scopus数据库中导出检索到的1610篇文献的所有可用信息；其次，将生成的文件导入VOSviewer1.6.5进行关键词共现分析，然后使用CiteSpaceⅢ对数据格式进行转换，接着建立分项目，创建NewProject，并在偏好Preferences中选择英文支持；再次，在主窗口中右侧配置分析中，其时间配置TimeSlicing选择1984～2017年间，切片YearsPerSlice为2，节点类型NodeType分别为Country和Keyword，剪裁方法选择MST（PruningSlicedNetworks和PruningtheMergedNetwork）；最后，对所获得的结果进行可视化分析与解读。

二国际数字化实验研究的网络结构分析

1时间维度

为了能够宏观地了解国际上数字化实验研究的具体产出情况，本研究分析了历年来数字化实验研究论文出版数量的趋势变化，如图1所示。从国际网络出版的论文来看，Scopus数据库能够查询到的最早的有关数字化实验的论文来自于1984年的2篇论文：第一篇是美国马萨诸塞州剑桥学院技术教育研究中心的Tinker于1984年参加全美第六届年度全国教育技术大会时所提交的《为有学习障碍的学生所设计的基于微型计算机的科学学习工具》；另一篇则是Hewitt于1984年发表在ComputersinHealthcare上的《“虚拟”实验室的理念：基于当前时期的深思》一文。国际上有关数字化实验的研究自1984年以来整体呈现快速上升趋势。

2国家维度

从研究成果的来源地看，美国、中国、西班牙以及葡萄牙等国家在数字化实验研究领域的合作及产出都比较突出。直观地呈现了各个国家在数字化实验研究领域的论文产出数量、论文的被引数以及各个国家的中心度。其中，美国作为高产国家，刊出论文275篇，在数量上排在第一位，其中心度高达0.91，被引频次也达到了117次。而中国在出版数量和被引次数上均位列第3名，但是在中心度上却没有进入前10名。印度也存在类似状况，它的论文数量位居第6名，被引次数位居第4名，但在中心度上也止步于前10名。由此不难看出，欧美发达国家在数字化实验研究领域占据中心性和领导性地位。

3关键词共现分析

VOSviewer1.6.5提供基于标签视图（LabelView）对关键词进行的共现分析，图中节点为主要关键词，节点和字体的大小由其权重决定，节点间的连线表示关键词的共现关系。标签视图中连线的多少可以表明各关键词研究领域之间联系的紧密或疏松。依据关键词之间的关联性分析得到的共现结果显示，关键词被划分成了3大版块：第一，以学生（Student）、课程（Course）、教师（Instructor）等为代表的教育教学领域关键词；第二，与远程实验室（RemoteLab）、大学（University）以及用户（User）等数字化实验应用领域研究相关的关键词；第三，与模型（Model）、仿真（Simulation）以及数据（Result）等数字化实验技术的整合和开发研究相关的关键词。但是，上半部分（第二版块）不管是标签、节点的数量，还是连线的密度，都远远低于左下部分（第一版块）和右下部分（第三版块）。这足以说明，目前基于用户个体使用和体验的国际数字化实验研究还不够深入，或者说该类研究依然缺乏精细化分类，各个关键词之间的联系需要得到更多的重视，因此，此类别的研究有待进一步深化。具体而言，可以通过加强此类别与其它版块之间的交叉、融合研究，以求探寻新的研究方向与思路。总体而言，以关键词聚类分析而获取的结果显示，数字化实验的研究主要分布于教育教学的研究、（远程）用户的体验以及数字化技术的开发这三个方面。

4关键词突现分析

进入21世纪之后，互联网的普及带来了数字实验研究的新热潮，本领域的热点关键词开始突显。研究者们开始关注借助互联网构建教师教学所需的多媒体虚拟课程这一研究主题，但虚拟课程的构建需要借助数据库管理系统，有较大的局限性。基于多媒体网络的异步学习网络模型强调将课堂延伸到学校之外，把课上的视频放到网络上供大家交流与学习，为师生双方都带来较大便利。随着全球化进程的深入，单一、局域式的因特网（强度为8.37）也由此进入全球化互联网时代（强度为5.37）。数字化实验的研究也由此进入了崭新的时代，一些新颖的互联网词汇开始出现，如虚拟现实（强度为2.94）、增强现实（强度为3.0）、交互式模拟（强度为3.37）等。对于需要实验研究的理工科领域而言，数字实验的成熟对他们开展网络虚拟实验活动提供诸多的便利，尤其是基于万维网开发的虚拟实验室可以对研究者进行虚拟实验的耦合和实验数据的采集显示出巨大的潜力。