虚拟仿真在食品专业教学中应用与研究可视化分析

王琳琳，唐俊妮，郝刚，何竑闳，李思宁，陈娟

1.西南民族大学食品科学与技术学院（成都 610041）；2.西南民族大学畜牧兽医学院（成都 610041）

虚拟仿真是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的仿真系统，已广泛应用于各个领域，是一种提高教学质量的有效手段。国内研究多聚焦于虚拟仿真技术如何从教学资源、教学方式和实验教学平台等方面重塑各学科领域的线上教学[1]。将虚拟仿真技术应用于食品专业实践教学是高校食品专业教学改革和创新过程中切实可行的重要研究课题，也是适应食品工业飞速发展的需要[2]，并将成为未来教育信息化发展的新趋势[3]。据《虚拟现实产业发展白皮书（2019年）》预测，中国虚拟仿真市场规模在2020—2021年实现规模增长的最大增速，并在2023年可达4 300亿元[4]，这预示着虚拟仿真技术未来将会更大程度推动专业教学改革创新与可持续发展。

文章对传统食品专业教学过程中存在的突出问题和虚拟仿真技术在食品专业教学过程中的应用优势进行深入探讨；利用Cite Space软件对2009—2022年间虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用和在研究领域的研究现状、热点等进行数据统计和可视化分析，并分析虚拟仿真技术在高校食品专业教学中应用的主要课程和发展趋势，旨在揭示近年来虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究情况，为后续研究提供数据支持和理论参考。

1 虚拟仿真技术在高校食品专业教学过程中应用的必要性

1.1 传统食品专业教学过程中存在的突出问题

在传统食品专业教学过程中还存在一些问题，如：学生生源的扩大和实践基础设施的相对不足，导致配套实验教学单组规模过大，学生参与度低[5]；学生对实践教学不重视，热情度不高，实践教学考核体系不完善；“食品毒理学”“食品免疫学”等课程实验的危险性大，不具备相应的实验条件，实验课无法开设；部分实验的开设受原料季节性限制，制定教学计划困难；生产实践课程能源消耗巨大，生产实践过程中教师讲解生产原理、生产线具体操作规范等都需要大量时间，学生再进行独立操作，学生动手机会少[2]；“食品工程原理”“食品机械与设备”等课程涉及大量学生学习前很少有机会接触的专业仪器设备，教学讲授的二维平面图无法动态展示仪器设备的内部结构、工作原理和工作动态等，导致学生学习效率低，学习兴趣下降；学生在食品企业进行实验实训的过程中受加工场地、条件、时间、设备和安全等因素限制，不易近距离接触生产线，仅停留在理论教学部分，理论知识与生产实践很难有效融合[6]。上述问题均在一定程度上制约了食品专业学生的培养，因而如何更好地利用虚拟仿真实验平台为食品专业课程实验实训教学服务，做到“线上线下互补、虚实结合”，对切实提高课程教学效果具有重要意义[7]。

1.2 虚拟仿真技术应用在食品专业教学过程中的优势

虚拟仿真实验教学系统能够深入解剖实验教学过程，要求学生必须在理解的基础上通过思考才能正确操作，克服实验中出现的盲目操作和走过场现象[8]，大幅提高实验教学质量和水平。虚拟仿真教学还可以解决因实验条件不具备而不能开设的实验项目的学习，解决教学资源配置不足、学生动手机会少的问题[9]。将实践教学各环节引入虚拟仿真，使实践教学不只局限于课上教学，学生可以随时随地通过网络进行学习操作，趣味性强，学生自主学习热情提高[10]；也可解决因原料季节性限制而无法在其余时间进行实验，以及实验项目危险性大而只能进行演示实验等问题[2]。在教学中采用仿真动画进行演示和讲解，能够生动形象地介绍相关工艺过程及设备运行方式，学生通过操作虚拟设备及软件，可以得到与真实设备与仪器类似的操作经验，提高学生适应行业要求的就业能力[6,11]。上述应用优势说明将虚拟仿真技术手段融入专业课程教学，不仅可以弥补传统理论和实践教学过程中存在的一些突出问题，还为学生提供一个不受时间、空间限制的开放学习平台，该项技术在食品类专业教学中的应用与推广已成为一种趋势。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源和提取

研究数据来源于中国学术期刊全文数据库——中国知网（CNKI），检索对象是2009—2022年间虚拟仿真技术在高校食品专业教学中的应用和研究的相关文献。文献检索方法为高级检索，选择期刊检索，以“主题=（虚拟仿真）and（食品）”，时间范围=（2009—2022），文献类型=（中文文献）为检索条件。将检索到的文献进行人工筛选后得到的221篇文献以Refwork格式导出，保存为“download_.txt”格式，利用Cite Space软件对2009—2022年间虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用和研究领域的研究现状、研究热点及发展趋势等进行数据统计及可视化分析。

2.2 研究方法

利用中国知网（CNKI）平台、Excel和Cite Space 6.1.R1软件的分析功能及人工筛选方法等，对发表论文量、发表时间、发文作者、研究机构、关键词、研究热点、发展趋势等进行多维统计和分析，以期揭示虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域的研究现状、研究热点及发展趋势。

3 虚拟仿真在高校食品专业教学中应用的研究现状与热点分析

3.1 年度文献数量分析

图1反映在2009—2022年间虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究发文情况，发文量的变化直接反映某学科的发展动态与趋势。从图1可以看出，年发文量除2014年和2021年有所波动外，整体呈上升变化，尤其在2018年以后发文量迅速上升，根据发文量增长趋势得到增长方程y=5.274 7x-18.385，R2=0.75（R2＜0.80，拟合程度不是很高），说明文献稳定增长，但不呈线性增长模式。结合发文时间分析，发文量增长趋势可以分为3个阶段：2009—2015年处于起步的阶段，首次发表虚拟仿真技术在食品专业教学中应用的文献是在2009年；2016—2017年表现出稳定上升变化；2018—2022年表现出快速增长变化，也正是在2018年6月教育部公布首批105个国家级虚拟现实仿真实验教学项目，虚拟仿真技术被越来越多地应用于食品专业课程的教学实践与改革。

图1 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究相关文献数量统计图

3.2 发文作者与研究机构分析

3.2.1 发文作者合作可视化分析

2009—2022年间，虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域相关中文文献发文量≥2篇的作者见表1。发文量最多的作者分别是刘贺、严志明和乔明武。由表1还可看出，虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究主要集中在2018年以后，这与图1中发文量的变化基本一致。

表1 核心作者发文数量统计表

通过软件分析得到作者合作关系图谱，见图2。图谱中节点数量N=226，连线数量E=272条，网络密度为0.010 7。在统计文献中，共包含作者226位。作者与作者间的连线反映的是作者之间的合作与交流情况，从图2可看出该领域已形成一定联系的合作网络，并已形成以乔明武和吴文江为首的作者群。此外，从文献发表量可以看出，张建威、黄国平、黄现青、陈艳、宋淼等作者与其他的作者之间的合作与交流也较多。

图2 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域发文作者合作关系图谱

3.2.2 研究机构合作可视化分析

2009—2022年间，221篇研究文献共有146个机构参与，发表论文量前20的机构分布情况见表2。发表论文量排名在前10位的机构共参与44篇文献的发表，占文献总量的19.90%。

表2 主要研究机构发文数量统计表

通过软件分析得到发文机构合作可视化图谱，见图3。图谱中节点数共量N=146，即包含研究机构146家，连线数量E=36条，网络密度为0.003 4，各个节点连线稀疏，呈离散分布，可见各机构关系比较疏离，协作程度不高。其中，发文量排名前3位的是吉林大学食品科学与工程学院和河南农业大学食品科学技术学院发文量最多（各8篇），福建农林大学食品科学学院和广东食品药品职业学院（各5篇）。机构间合作主要以吉林大学食品科学与工程学院为主，整体上各机构间缺乏沟通合作，多学科交流合作不足，跨地域空间合作亦较少。

图3 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域发文机构合作关系图谱

3.3 研究热点分析

3.3.1 关键词共现知识图谱和高频关键词分析

为分析近些年虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域的研究现状和研究热点，将近14年（2009—2022年）相关文献的关键词数据导出，运用Cite Space软件绘制关键词共现知识图谱。得出关键词共现知识图谱（图4）和高频关键词（表3）。

表3 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域前20个高频关键词

图4 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域关键词知识共现图谱

2009—2022年间虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域前20个高频关键词见表3，包括排名、关键词、频次和中介中心性（CB）。由表3可知，频次高于5的关键词主要是“虚拟仿真”（61次）、“教学改革”（38次）、“实验教学”（31次）、“食品专业”（14次）。关键词在文献中被大量提及，是学者关注度很高的研究内容，为核心关键词，这些高频关键词反映虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域的研究热点。

此外，表3还表征2009—2022年虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域的中介中心性关键词。由表3可知：CB位居首位的2个关键词是“虚拟仿真”（CB=0.56）和“教学改革”（CB=0.33）；CB介于0.1～0.3的关键词是“食品专业”（CB=0.15）、“新工科”（CB=0.14）、“实践教学”（CB=0.11）和“实验教学”（CB=0.10），这些关键词同样是虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究的热门主题。

由图4可知，图中共有185个节点，表示有185个关键词，共290个边数，表示关键词之间有290条连线，网络密度是0.017。其中，“虚拟仿真”“教学改革”“实验教学”“实践教学”“实验课程”“教学模式”“教学方法”等关键词的节点圆半径均较其他关键词大，说明这些关键词是虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域的主要研究方向和热点话题。

3.3.2 关键词聚类分析

从图5可见，共获得7个聚类标签，整体分布都较为分散。其中，#0虚拟仿真和#5教学方法有交叉，其他研究主题间基本无交叉。聚类标签数值越小，说明其中包含关键词越多，也代表重要的研究领域。7个聚类结果由大到小排列分别为：#0虚拟仿真、#1教学改革、#2食品专业、#3实验教学、#4新工科、#5教学方法、#6实践教学、#7实验课程。

图5 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域关键词聚类分析图谱

3.3.3 研究热点演进分析

由关键词变化可将虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究分为3个阶段，如图6所示。第1阶段是2009—2015年，在此阶段对食品专业虚拟仿真的研究相对单一，主要集中在“教学方法”“教学改革”“实验教学”“实践教学”“教学方案创新”等方面，将虚拟仿真应用在食品专业实验实训教学中，并不断对教学方法和教学方案进行改革创新是这个阶段主要的研究方向和研究内容。

图6 2009—2022年虚拟仿真在食品专业教学中的应用与研究领域关键词时间线图谱

第2阶段是2015—2020年，在此阶段食品专业领域虚拟仿真的应用与研究呈现快速增长态势，“虚拟仿真”“教学改革”“实验教学”仍占主导地位，同时还出现多个新兴的研究方向和研究内容，如“微课”“翻转课堂”“创新创业”“精品课程”“课程体系”“物联网”等，说明虚拟仿真技术在食品专业的应用与研究更加多元，研究范围进一步扩大，研究内容更多指向新工科背景下，以人才培养和产业发展为导向的课程建设和实践教学研究，这也正与新工科建设指南中提出的创新型工程教育理念、学科交叉融合、专业结构优化升级、产学研合作育人等意见相辅相成[12]。第3阶段是2020—2022年，“常态化”“云班课”“工程认证”“校企共建”“产教融合”“金课”“校企合作”等是此阶段的主要研究热点。在此阶段虚拟仿真在食品专业的应用与研究进入高速增长期。

3.4 虚拟仿真技术在高校食品专业教学中应用的建设路径

随着虚拟仿真技术越来越多地被应用到食品专业实践教学中，这也就要求高校在平台搭建和使用过程中要增设更多更好的仿真实验内容并提出更加切实有效的改革措施，以提升虚拟仿真技术的适配度、适用性和高效性，并建立完备的虚拟仿真实验平台与食品专业实践教学内容相结合的创新实践教学模式，实现激发学生主动参与意识和学习兴趣，提升学生工程知识和工程能力的目的。具体建设路径包括：（1）建立虚拟仿真实验项目的学习、交互操作、师生互动、学习考核评价，实验室安全知识考核，实验操作视频，实验原理演示动画等内容[2]；（2）为满足食品工业企事业单位用人需要，建立食品检测仿真系统、食品工程原理仿真系统、食品加工工艺仿真系统、食品质量管理安全仿真系统、食品工厂设计仿真系统等；（3）开发出更多新的虚拟仿真实验项目，使虚拟仿真实验教学平台内容更加贴合生产实际，以符合食品专业人才培养目标；（4）建立更完善的虚拟仿真实验教学平台管理制度和平台共享制度，保证虚拟仿真实验教学平台的正常运行和高效运用；（5）建立虚拟仿真教学专业化教师队伍，与虚拟仿真软件开发企业和食品企业开展交流合作，提高虚拟仿真技术的延展性和高效性。

3.5 虚拟仿真技术在高校食品专业教学中的应用与研究展望

将虚拟仿真平台和现有实验实训教学资源相结合，构建综合性虚拟仿真教学模式，对于充分发挥信息化教学的优势，丰富高等学校实验教学形式以及实验教学内容，解决传统实验教学中面临的诸多现实问题，促进创新人才的培养，均发挥重要作用[13]。随着科学技术和互联网行业的快速发展，以信息技术为主导的新一波现代教育技术极大地冲击着国内虚拟仿真实验实训教学的发展面貌，虚拟仿真在食品专业实践教学中的应用与推广已成为一种趋势，但这一技术还存在一些缺点与不足，应用过程中还要根据存在的问题和反馈的意见进行相应新知识和资源的补充和完善[14]。对虚拟仿真技术在高校食品专业教学中的应用与研究领域所存在的问题、应用必要性、研究现状和研究热点等进行阐述，并对虚拟仿真技术的应用与发展进行简单展望，这些都对我国虚拟仿真技术未来在食品专业教学中的应用与研究有一定的参考价值和指导作用。

4 结语

基于Cite Space工具对2009—2022年间虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域，发表论文量、发表时间、发文作者、研究机构、研究热点、应用课程及发展趋势等进行多维统计和可视化分析，主要得出以下结论。

（1）2009—2022年间，虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究相关文献量呈逐年增长趋势，发展势头较好；发文量排名前3位的作者分别是刘贺、严志明和乔明武；发文量最多的机构是吉林大学食品科学与工程学院和河南农业大学食品科学技术学院；机构间合作主要以吉林大学食品科学与工程学院为主。

（2）从研究热点看，“虚拟仿真”“教学改革”“实验教学”“食品专业”“实践教学”等关键词是虚拟仿真技术在食品专业教学中的应用与研究领域的主要研究方向和热点，且虚拟仿真在新工科食品专业的教学改革和实践教学中的应用较多。

（3）综合来看，未来需要更加全面地提高学生的实践技能水平，真正做到实习任务与虚拟仿真技术有机融合，并不断完善和改进实践教学模式，以满足食品行业对专业人才的能力需求。这离不开依托国家政策加强虚拟仿真教学环境建设，扩大学科适用范围，深化各层次研究团队和机构的合作交流，虚拟仿真技术的广泛应用和深入研究必将吸引更多专家学者和高校机构的关注。