虛擬仿真在食品專業(yè)教學中應用與研究可視化分析

王琳琳，唐俊妮，郝剛，何竑閎，李思寧，陳娟

1.西南民族大學食品科學與技術學院（成都 610041）；2.西南民族大學畜牧獸醫(yī)學院（成都 610041）

虛擬仿真是一種多源信息融合、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的仿真系統(tǒng)，已廣泛應用于各個領域，是一種提高教學質(zhì)量的有效手段。國內(nèi)研究多聚焦于虛擬仿真技術如何從教學資源、教學方式和實驗教學平臺等方面重塑各學科領域的線上教學[1]。將虛擬仿真技術應用于食品專業(yè)實踐教學是高校食品專業(yè)教學改革和創(chuàng)新過程中切實可行的重要研究課題，也是適應食品工業(yè)飛速發(fā)展的需要[2]，并將成為未來教育信息化發(fā)展的新趨勢[3]。據(jù)《虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2019年）》預測，中國虛擬仿真市場規(guī)模在2020—2021年實現(xiàn)規(guī)模增長的最大增速，并在2023年可達4 300億元[4]，這預示著虛擬仿真技術未來將會更大程度推動專業(yè)教學改革創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展。

文章對傳統(tǒng)食品專業(yè)教學過程中存在的突出問題和虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學過程中的應用優(yōu)勢進行深入探討；利用Cite Space軟件對2009—2022年間虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用和在研究領域的研究現(xiàn)狀、熱點等進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和可視化分析，并分析虛擬仿真技術在高校食品專業(yè)教學中應用的主要課程和發(fā)展趨勢，旨在揭示近年來虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究情況，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 虛擬仿真技術在高校食品專業(yè)教學過程中應用的必要性

1.1 傳統(tǒng)食品專業(yè)教學過程中存在的突出問題

在傳統(tǒng)食品專業(yè)教學過程中還存在一些問題，如：學生生源的擴大和實踐基礎設施的相對不足，導致配套實驗教學單組規(guī)模過大，學生參與度低[5]；學生對實踐教學不重視，熱情度不高，實踐教學考核體系不完善；“食品毒理學”“食品免疫學”等課程實驗的危險性大，不具備相應的實驗條件，實驗課無法開設；部分實驗的開設受原料季節(jié)性限制，制定教學計劃困難；生產(chǎn)實踐課程能源消耗巨大，生產(chǎn)實踐過程中教師講解生產(chǎn)原理、生產(chǎn)線具體操作規(guī)范等都需要大量時間，學生再進行獨立操作，學生動手機會少[2]；“食品工程原理”“食品機械與設備”等課程涉及大量學生學習前很少有機會接觸的專業(yè)儀器設備，教學講授的二維平面圖無法動態(tài)展示儀器設備的內(nèi)部結構、工作原理和工作動態(tài)等，導致學生學習效率低，學習興趣下降；學生在食品企業(yè)進行實驗實訓的過程中受加工場地、條件、時間、設備和安全等因素限制，不易近距離接觸生產(chǎn)線，僅停留在理論教學部分，理論知識與生產(chǎn)實踐很難有效融合[6]。上述問題均在一定程度上制約了食品專業(yè)學生的培養(yǎng)，因而如何更好地利用虛擬仿真實驗平臺為食品專業(yè)課程實驗實訓教學服務，做到“線上線下互補、虛實結合”，對切實提高課程教學效果具有重要意義[7]。

1.2 虛擬仿真技術應用在食品專業(yè)教學過程中的優(yōu)勢

虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)能夠深入解剖實驗教學過程，要求學生必須在理解的基礎上通過思考才能正確操作，克服實驗中出現(xiàn)的盲目操作和走過場現(xiàn)象[8]，大幅提高實驗教學質(zhì)量和水平。虛擬仿真教學還可以解決因?qū)嶒灄l件不具備而不能開設的實驗項目的學習，解決教學資源配置不足、學生動手機會少的問題[9]。將實踐教學各環(huán)節(jié)引入虛擬仿真，使實踐教學不只局限于課上教學，學生可以隨時隨地通過網(wǎng)絡進行學習操作，趣味性強，學生自主學習熱情提高[10]；也可解決因原料季節(jié)性限制而無法在其余時間進行實驗，以及實驗項目危險性大而只能進行演示實驗等問題[2]。在教學中采用仿真動畫進行演示和講解，能夠生動形象地介紹相關工藝過程及設備運行方式，學生通過操作虛擬設備及軟件，可以得到與真實設備與儀器類似的操作經(jīng)驗，提高學生適應行業(yè)要求的就業(yè)能力[6,11]。上述應用優(yōu)勢說明將虛擬仿真技術手段融入專業(yè)課程教學，不僅可以彌補傳統(tǒng)理論和實踐教學過程中存在的一些突出問題，還為學生提供一個不受時間、空間限制的開放學習平臺，該項技術在食品類專業(yè)教學中的應用與推廣已成為一種趨勢。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和提取

研究數(shù)據(jù)來源于中國學術期刊全文數(shù)據(jù)庫——中國知網(wǎng)（CNKI），檢索對象是2009—2022年間虛擬仿真技術在高校食品專業(yè)教學中的應用和研究的相關文獻。文獻檢索方法為高級檢索，選擇期刊檢索，以“主題=（虛擬仿真）and（食品）”，時間范圍=（2009—2022），文獻類型=（中文文獻）為檢索條件。將檢索到的文獻進行人工篩選后得到的221篇文獻以Refwork格式導出，保存為“download_.txt”格式，利用Cite Space軟件對2009—2022年間虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用和研究領域的研究現(xiàn)狀、研究熱點及發(fā)展趨勢等進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及可視化分析。

2.2 研究方法

利用中國知網(wǎng)（CNKI）平臺、Excel和Cite Space 6.1.R1軟件的分析功能及人工篩選方法等，對發(fā)表論文量、發(fā)表時間、發(fā)文作者、研究機構、關鍵詞、研究熱點、發(fā)展趨勢等進行多維統(tǒng)計和分析，以期揭示虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域的研究現(xiàn)狀、研究熱點及發(fā)展趨勢。

3 虛擬仿真在高校食品專業(yè)教學中應用的研究現(xiàn)狀與熱點分析

3.1 年度文獻數(shù)量分析

圖1反映在2009—2022年間虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究發(fā)文情況，發(fā)文量的變化直接反映某學科的發(fā)展動態(tài)與趨勢。從圖1可以看出，年發(fā)文量除2014年和2021年有所波動外，整體呈上升變化，尤其在2018年以后發(fā)文量迅速上升，根據(jù)發(fā)文量增長趨勢得到增長方程y=5.274 7x-18.385，R2=0.75（R2＜0.80，擬合程度不是很高），說明文獻穩(wěn)定增長，但不呈線性增長模式。結合發(fā)文時間分析，發(fā)文量增長趨勢可以分為3個階段：2009—2015年處于起步的階段，首次發(fā)表虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中應用的文獻是在2009年；2016—2017年表現(xiàn)出穩(wěn)定上升變化；2018—2022年表現(xiàn)出快速增長變化，也正是在2018年6月教育部公布首批105個國家級虛擬現(xiàn)實仿真實驗教學項目，虛擬仿真技術被越來越多地應用于食品專業(yè)課程的教學實踐與改革。

圖1 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究相關文獻數(shù)量統(tǒng)計圖

3.2 發(fā)文作者與研究機構分析

3.2.1 發(fā)文作者合作可視化分析

2009—2022年間，虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域相關中文文獻發(fā)文量≥2篇的作者見表1。發(fā)文量最多的作者分別是劉賀、嚴志明和喬明武。由表1還可看出，虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究主要集中在2018年以后，這與圖1中發(fā)文量的變化基本一致。

表1 核心作者發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計表

通過軟件分析得到作者合作關系圖譜，見圖2。圖譜中節(jié)點數(shù)量N=226，連線數(shù)量E=272條，網(wǎng)絡密度為0.010 7。在統(tǒng)計文獻中，共包含作者226位。作者與作者間的連線反映的是作者之間的合作與交流情況，從圖2可看出該領域已形成一定聯(lián)系的合作網(wǎng)絡，并已形成以喬明武和吳文江為首的作者群。此外，從文獻發(fā)表量可以看出，張建威、黃國平、黃現(xiàn)青、陳艷、宋淼等作者與其他的作者之間的合作與交流也較多。

圖2 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域發(fā)文作者合作關系圖譜

3.2.2 研究機構合作可視化分析

2009—2022年間，221篇研究文獻共有146個機構參與，發(fā)表論文量前20的機構分布情況見表2。發(fā)表論文量排名在前10位的機構共參與44篇文獻的發(fā)表，占文獻總量的19.90%。

表2 主要研究機構發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計表

通過軟件分析得到發(fā)文機構合作可視化圖譜，見圖3。圖譜中節(jié)點數(shù)共量N=146，即包含研究機構146家，連線數(shù)量E=36條，網(wǎng)絡密度為0.003 4，各個節(jié)點連線稀疏，呈離散分布，可見各機構關系比較疏離，協(xié)作程度不高。其中，發(fā)文量排名前3位的是吉林大學食品科學與工程學院和河南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院發(fā)文量最多（各8篇），福建農(nóng)林大學食品科學學院和廣東食品藥品職業(yè)學院（各5篇）。機構間合作主要以吉林大學食品科學與工程學院為主，整體上各機構間缺乏溝通合作，多學科交流合作不足，跨地域空間合作亦較少。

圖3 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域發(fā)文機構合作關系圖譜

3.3 研究熱點分析

3.3.1 關鍵詞共現(xiàn)知識圖譜和高頻關鍵詞分析

為分析近些年虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域的研究現(xiàn)狀和研究熱點，將近14年（2009—2022年）相關文獻的關鍵詞數(shù)據(jù)導出，運用Cite Space軟件繪制關鍵詞共現(xiàn)知識圖譜。得出關鍵詞共現(xiàn)知識圖譜（圖4）和高頻關鍵詞（表3）。

表3 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域前20個高頻關鍵詞

圖4 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域關鍵詞知識共現(xiàn)圖譜

2009—2022年間虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域前20個高頻關鍵詞見表3，包括排名、關鍵詞、頻次和中介中心性（CB）。由表3可知，頻次高于5的關鍵詞主要是“虛擬仿真”（61次）、“教學改革”（38次）、“實驗教學”（31次）、“食品專業(yè)”（14次）。關鍵詞在文獻中被大量提及，是學者關注度很高的研究內(nèi)容，為核心關鍵詞，這些高頻關鍵詞反映虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域的研究熱點。

此外，表3還表征2009—2022年虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域的中介中心性關鍵詞。由表3可知：CB位居首位的2個關鍵詞是“虛擬仿真”（CB=0.56）和“教學改革”（CB=0.33）；CB介于0.1～0.3的關鍵詞是“食品專業(yè)”（CB=0.15）、“新工科”（CB=0.14）、“實踐教學”（CB=0.11）和“實驗教學”（CB=0.10），這些關鍵詞同樣是虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究的熱門主題。

由圖4可知，圖中共有185個節(jié)點，表示有185個關鍵詞，共290個邊數(shù)，表示關鍵詞之間有290條連線，網(wǎng)絡密度是0.017。其中，“虛擬仿真”“教學改革”“實驗教學”“實踐教學”“實驗課程”“教學模式”“教學方法”等關鍵詞的節(jié)點圓半徑均較其他關鍵詞大，說明這些關鍵詞是虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域的主要研究方向和熱點話題。

3.3.2 關鍵詞聚類分析

從圖5可見，共獲得7個聚類標簽，整體分布都較為分散。其中，#0虛擬仿真和#5教學方法有交叉，其他研究主題間基本無交叉。聚類標簽數(shù)值越小，說明其中包含關鍵詞越多，也代表重要的研究領域。7個聚類結果由大到小排列分別為：#0虛擬仿真、#1教學改革、#2食品專業(yè)、#3實驗教學、#4新工科、#5教學方法、#6實踐教學、#7實驗課程。

圖5 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域關鍵詞聚類分析圖譜

3.3.3 研究熱點演進分析

由關鍵詞變化可將虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究分為3個階段，如圖6所示。第1階段是2009—2015年，在此階段對食品專業(yè)虛擬仿真的研究相對單一，主要集中在“教學方法”“教學改革”“實驗教學”“實踐教學”“教學方案創(chuàng)新”等方面，將虛擬仿真應用在食品專業(yè)實驗實訓教學中，并不斷對教學方法和教學方案進行改革創(chuàng)新是這個階段主要的研究方向和研究內(nèi)容。

圖6 2009—2022年虛擬仿真在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域關鍵詞時間線圖譜

第2階段是2015—2020年，在此階段食品專業(yè)領域虛擬仿真的應用與研究呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，“虛擬仿真”“教學改革”“實驗教學”仍占主導地位，同時還出現(xiàn)多個新興的研究方向和研究內(nèi)容，如“微課”“翻轉課堂”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”“精品課程”“課程體系”“物聯(lián)網(wǎng)”等，說明虛擬仿真技術在食品專業(yè)的應用與研究更加多元，研究范圍進一步擴大，研究內(nèi)容更多指向新工科背景下，以人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展為導向的課程建設和實踐教學研究，這也正與新工科建設指南中提出的創(chuàng)新型工程教育理念、學科交叉融合、專業(yè)結構優(yōu)化升級、產(chǎn)學研合作育人等意見相輔相成[12]。第3階段是2020—2022年，“常態(tài)化”“云班課”“工程認證”“校企共建”“產(chǎn)教融合”“金課”“校企合作”等是此階段的主要研究熱點。在此階段虛擬仿真在食品專業(yè)的應用與研究進入高速增長期。

3.4 虛擬仿真技術在高校食品專業(yè)教學中應用的建設路徑

隨著虛擬仿真技術越來越多地被應用到食品專業(yè)實踐教學中，這也就要求高校在平臺搭建和使用過程中要增設更多更好的仿真實驗內(nèi)容并提出更加切實有效的改革措施，以提升虛擬仿真技術的適配度、適用性和高效性，并建立完備的虛擬仿真實驗平臺與食品專業(yè)實踐教學內(nèi)容相結合的創(chuàng)新實踐教學模式，實現(xiàn)激發(fā)學生主動參與意識和學習興趣，提升學生工程知識和工程能力的目的。具體建設路徑包括：（1）建立虛擬仿真實驗項目的學習、交互操作、師生互動、學習考核評價，實驗室安全知識考核，實驗操作視頻，實驗原理演示動畫等內(nèi)容[2]；（2）為滿足食品工業(yè)企事業(yè)單位用人需要，建立食品檢測仿真系統(tǒng)、食品工程原理仿真系統(tǒng)、食品加工工藝仿真系統(tǒng)、食品質(zhì)量管理安全仿真系統(tǒng)、食品工廠設計仿真系統(tǒng)等；（3）開發(fā)出更多新的虛擬仿真實驗項目，使虛擬仿真實驗教學平臺內(nèi)容更加貼合生產(chǎn)實際，以符合食品專業(yè)人才培養(yǎng)目標；（4）建立更完善的虛擬仿真實驗教學平臺管理制度和平臺共享制度，保證虛擬仿真實驗教學平臺的正常運行和高效運用；（5）建立虛擬仿真教學專業(yè)化教師隊伍，與虛擬仿真軟件開發(fā)企業(yè)和食品企業(yè)開展交流合作，提高虛擬仿真技術的延展性和高效性。

3.5 虛擬仿真技術在高校食品專業(yè)教學中的應用與研究展望

將虛擬仿真平臺和現(xiàn)有實驗實訓教學資源相結合，構建綜合性虛擬仿真教學模式，對于充分發(fā)揮信息化教學的優(yōu)勢，豐富高等學校實驗教學形式以及實驗教學內(nèi)容，解決傳統(tǒng)實驗教學中面臨的諸多現(xiàn)實問題，促進創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，均發(fā)揮重要作用[13]。隨著科學技術和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，以信息技術為主導的新一波現(xiàn)代教育技術極大地沖擊著國內(nèi)虛擬仿真實驗實訓教學的發(fā)展面貌，虛擬仿真在食品專業(yè)實踐教學中的應用與推廣已成為一種趨勢，但這一技術還存在一些缺點與不足，應用過程中還要根據(jù)存在的問題和反饋的意見進行相應新知識和資源的補充和完善[14]。對虛擬仿真技術在高校食品專業(yè)教學中的應用與研究領域所存在的問題、應用必要性、研究現(xiàn)狀和研究熱點等進行闡述，并對虛擬仿真技術的應用與發(fā)展進行簡單展望，這些都對我國虛擬仿真技術未來在食品專業(yè)教學中的應用與研究有一定的參考價值和指導作用。

4 結語

基于Cite Space工具對2009—2022年間虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域，發(fā)表論文量、發(fā)表時間、發(fā)文作者、研究機構、研究熱點、應用課程及發(fā)展趨勢等進行多維統(tǒng)計和可視化分析，主要得出以下結論。

（1）2009—2022年間，虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究相關文獻量呈逐年增長趨勢，發(fā)展勢頭較好；發(fā)文量排名前3位的作者分別是劉賀、嚴志明和喬明武；發(fā)文量最多的機構是吉林大學食品科學與工程學院和河南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院；機構間合作主要以吉林大學食品科學與工程學院為主。

（2）從研究熱點看，“虛擬仿真”“教學改革”“實驗教學”“食品專業(yè)”“實踐教學”等關鍵詞是虛擬仿真技術在食品專業(yè)教學中的應用與研究領域的主要研究方向和熱點，且虛擬仿真在新工科食品專業(yè)的教學改革和實踐教學中的應用較多。

（3）綜合來看，未來需要更加全面地提高學生的實踐技能水平，真正做到實習任務與虛擬仿真技術有機融合，并不斷完善和改進實踐教學模式，以滿足食品行業(yè)對專業(yè)人才的能力需求。這離不開依托國家政策加強虛擬仿真教學環(huán)境建設，擴大學科適用范圍，深化各層次研究團隊和機構的合作交流，虛擬仿真技術的廣泛應用和深入研究必將吸引更多專家學者和高校機構的關注。