輔助教學(xué)的虛擬儀器分析實驗平臺建設(shè)探討

鄧碧如

（廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510520）

輔助教學(xué)的虛擬儀器分析實驗平臺建設(shè)探討

鄧碧如

（廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510520）

當(dāng)前的儀器分析實驗教學(xué)存在教學(xué)儀器不足、儀器落后、教學(xué)成本高、實驗層次低、有操作安全和污染隱患等問題。通過科學(xué)地運用虛擬實驗手段，建設(shè)一個界面逼真、富于交互、充分設(shè)定各種應(yīng)用情景的虛擬儀器分析實驗平臺，是在一定程度上解決這些問題的有效途徑。相關(guān)院校的教學(xué)效果表明，虛擬儀器分析實驗平臺可以成為實驗教學(xué)的有益補充，從而提高儀器分析實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。

輔助教學(xué)；儀器分析；虛擬實驗平臺；建設(shè)

藥品檢驗是藥學(xué)專業(yè)的核心課程，儀器分析則是測定藥物的物理常數(shù)、鑒定藥物真?zhèn)?、檢測藥物純度和雜質(zhì)限量、測定藥物含量及效價的主要方法，具有取樣量少、靈敏度高、自動化程度高、分析速度快、應(yīng)用范圍廣等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展，儀器分析的基本原理和實驗技術(shù)已經(jīng)成為藥學(xué)研究和應(yīng)用工作中必須掌握的基礎(chǔ)知識和基本技能，藥物研究、生產(chǎn)及檢驗等各種行業(yè)機構(gòu)對高效液相色譜儀、氣相色譜儀、分光光度計、質(zhì)譜儀等設(shè)備的依賴已經(jīng)到了不可或缺的地步。培養(yǎng)熟練掌握儀器分析技術(shù)的專業(yè)人才，是藥學(xué)教育的主要任務(wù)之一。

當(dāng)前儀器分析教學(xué)面臨的主要問題

教學(xué)儀器嚴(yán)重不足，教學(xué)效果有限 實驗教學(xué)所用儀器多數(shù)為貴重、精密物品，且數(shù)量極為有限，如質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀等大型分析儀器，一般學(xué)校只購置1臺。而近年來的擴招使得學(xué)生數(shù)量成倍增加，教學(xué)儀器資源更顯缺乏。教學(xué)儀器的不足，使得很多學(xué)校的實驗實訓(xùn)課程變成了觀摩課、試教課，學(xué)生得不到足夠時間和強度的實際操作鍛煉，實驗教學(xué)效果不理想。

儀器落后，與實際應(yīng)用脫節(jié) 技術(shù)的快速發(fā)展使得分析儀器更新?lián)Q代的頻率加快。而在學(xué)校的實驗教學(xué)中，往往由于經(jīng)費原因，所使用的儀器得不到及時更新，從而與實際應(yīng)用脫節(jié)。學(xué)生在校期間學(xué)會的分析儀器操作技能，到了實際工作環(huán)境中用不上，仍然要學(xué)習(xí)新一代儀器的使用，這使得學(xué)校實驗教學(xué)的意義大打折扣。

教學(xué)成本高，學(xué)生無法熟練掌握儀器 儀器分析實驗教學(xué)需要用到大量的藥品、試劑，教學(xué)成本很高，所以往往以小組的形式進行實驗，真正得到動手鍛煉的學(xué)生只占少數(shù)，而且也只能進行有限次數(shù)的操作。在這種情況下，學(xué)生只能對儀器有一個基本的認(rèn)識，而無法熟練地掌握儀器使用技能。在一些高端儀器的實驗教學(xué)中，這一問題尤為明顯。

實驗操作層次較低，無法深入了解儀器功能 當(dāng)前，儀器分析教學(xué)安排的都是操作層次較低、步驟簡單的實驗，立足于讓學(xué)生了解儀器、知道基本操作過程，而無法做到讓學(xué)生深入、全面地掌握儀器的用途。這導(dǎo)致了學(xué)生對儀器的認(rèn)識淺嘗輒止，難以了解除實驗所用以外的儀器的使用方法，也沒有機會碰到使用儀器過程中的各類特殊情況，無法培養(yǎng)學(xué)生對各種問題的分析和處理能力。

存在操作安全、環(huán)境污染等隱患 儀器分析實驗中部分試劑是危險的化學(xué)物品，如果操作不當(dāng)會發(fā)生安全事故，同時，實驗過程中排放的“三廢”也會對環(huán)境造成污染。但為了保證教學(xué)質(zhì)量，一定量的實驗實訓(xùn)課程必不可少，這容易引發(fā)安全問題和環(huán)境污染問題。

虛擬儀器分析實驗的研究及其應(yīng)用

虛擬儀器分析實驗指的是利用計算機系統(tǒng)，引入現(xiàn)代信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬各種分析儀器，使受訓(xùn)者可以像在真實環(huán)境中一樣運用各種虛擬實驗器械和設(shè)備，對建立起來的實驗?zāi)Ｐ瓦M行實時仿真操作，從而完成各種預(yù)定的實驗。

筆者利用中國知網(wǎng)，對中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫進行跨庫檢索，以模糊匹配方式查到2000年以來藥學(xué)相關(guān)學(xué)科內(nèi)關(guān)于“虛擬儀器分析實驗”主題的期刊論文共253篇，學(xué)位論文共3篇。其中，2008年以來的論文共97篇，約占38%，表明虛擬儀器分析實驗是近年來的研究熱點。所查論文的主題主要包括了“虛擬儀器分析實驗的概念和應(yīng)用”、“虛擬儀器分析實驗的優(yōu)缺點”、“虛擬儀器分析實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計”等。許多研究人員從不同角度對虛擬儀器分析實驗進行了探討，如楊雪等人研究了虛擬實驗中情感、表現(xiàn)和行為三個層次的設(shè)計思路，傅增智、徐靜等對比研究了虛擬實驗和真實實驗，代曉青則探討了虛擬實驗對受訓(xùn)者操作規(guī)范的培養(yǎng)作用。

國內(nèi)外多所大學(xué)，如霍普金斯大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)等都對虛擬實驗室建設(shè)進行了研究，并建設(shè)了一些適合于藥學(xué)、化學(xué)專業(yè)的虛擬實驗室。中國藥科大學(xué)建立了一套《氣相、液相分析實驗》仿真系統(tǒng)并取得了一定的應(yīng)用效果。重慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校開發(fā)了一套實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)用于虛擬儀器分析實驗教學(xué)。國內(nèi)外軟件市場上也出現(xiàn)了相關(guān)的虛擬實驗室產(chǎn)品，例如Chem SW公司的GC-SOS氣相色譜模擬和優(yōu)化軟件，大連理工大學(xué)的儀器分析虛擬實驗室。筆者通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)中國藥科大學(xué)、重慶醫(yī)科高等?？茖W(xué)校、大連理工大學(xué)、廣東藥學(xué)院等高校已經(jīng)應(yīng)用了虛擬儀器分析實驗系統(tǒng)。

輔助教學(xué)的虛擬儀器分析實驗平臺建設(shè)思路和要點

建設(shè)思路 用于輔助教學(xué)的虛擬儀器分析實驗平臺的建設(shè)，目前主要有以下三種建設(shè)思路：第一，引進市場產(chǎn)品。購買成熟的虛擬儀器分析實驗平臺，是最便捷的解決方案，具有流程簡單、部署方便、實現(xiàn)容易、后期維護有保障等優(yōu)點，缺點在于需要一定的經(jīng)費支持，尤其是一些國外的虛擬軟件，價格十分昂貴。此外，直接引進的產(chǎn)品還存在不一定能完全滿足當(dāng)前實驗教學(xué)需求、定制相對困難等問題。第二，引進其他高校開發(fā)的系統(tǒng)。國內(nèi)許多高校都開展了虛擬儀器分析實驗教學(xué)研究，并出現(xiàn)了不少優(yōu)秀成果。例如，中國藥科大學(xué)開發(fā)的儀器分析實驗仿真教學(xué)實習(xí)系統(tǒng)，可以進行試劑的仿真配置，完成氣相色譜系統(tǒng)和液相色譜系統(tǒng)的仿真操作，自動記錄學(xué)生的操作過程，進行仿真實驗考核等功能。引進其他高校開發(fā)的系統(tǒng)，優(yōu)點在于能夠在較大程度上滿足當(dāng)前實驗教學(xué)的需求，同時所需經(jīng)費也不是很高，缺點是后續(xù)的服務(wù)可能會不到位、系統(tǒng)無法更新等。第三，自行開發(fā)或委托開發(fā)。自行開發(fā)或委托第三方公司開發(fā)虛擬儀器分析實驗教學(xué)系統(tǒng)，能完全根據(jù)自己的實際實驗教學(xué)需求進行功能的規(guī)劃和系統(tǒng)的設(shè)計，具有較強的靈活性和兼容性，前提是必須擁有具有系統(tǒng)分析能力的工作人員。自行開發(fā)可以結(jié)合學(xué)校信息化教學(xué)建設(shè)工作及相關(guān)科研項目展開，是當(dāng)前許多學(xué)校選擇的建設(shè)思路。

建設(shè)要點 在虛擬儀器分析實驗平臺的建設(shè)中，有許多值得注意的地方。筆者認(rèn)為，一個先進的虛擬儀器分析實驗平臺必須具備以下三個特點。第一，用戶界面逼真。用戶界面逼真是虛擬儀器分析實驗平臺必須具備的第一個特點。因為虛擬儀器分析實驗平臺是用于仿真實驗的，要達到用戶在虛擬實驗平臺上學(xué)習(xí)、操作后，在真實儀器上能夠無需再次學(xué)習(xí)、非常熟練地使用。所以，用戶界面必須逼真，儀器的形狀、顏色，相關(guān)提示燈和提示信息的顯示、操作過程和操作結(jié)果的模擬，都要和真實儀器相差無幾，才能達到實驗的效果。因此，最新的3D技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)必須在實驗平臺中應(yīng)用。第二，富于交互。儀器分析實驗過程本質(zhì)上就是人機交互過程。如果虛擬儀器分析實驗平臺不具備較強的交互性，就只能算是一個儀器分析實驗演示軟件，而無法起到實驗的作用。一個先進的虛擬儀器分析實驗平臺，應(yīng)該是富于交互的，各類按鈕的功能和支持的動作，要和真實儀器一致，同時，各種交互操作應(yīng)該是簡潔明了的。多點觸控技術(shù)應(yīng)該在實驗平臺中得到應(yīng)用。第三，充分設(shè)定各種應(yīng)用情景。虛擬實驗的最大好處在于可以模擬任意特殊的情況而不會產(chǎn)生任何危險。因此，應(yīng)充分設(shè)定各種應(yīng)用情景，讓受訓(xùn)者在虛擬實驗過程中可以任意操作，認(rèn)識各種特殊乃至危險的后果，從而讓受訓(xùn)者更為徹底地掌握儀器的特性和使用方法，加深對儀器的認(rèn)識和對安全操作的理解。

虛擬儀器分析實驗平臺的教學(xué)效果

虛擬儀器分析實驗平臺具有運轉(zhuǎn)快速、界面簡潔、覆蓋面廣、利用方便等特點，能比較真實地模擬相關(guān)實驗的過程，讓學(xué)生提前熟悉儀器及掌握儀器的操作，認(rèn)識實驗項目的操作步驟和要點，有利于學(xué)生對真實儀器的操作，節(jié)省真實實驗的材料和時間。通過虛擬實驗，可以讓學(xué)生多次重復(fù)實驗而無時空限制、安全及污染等問題；可以讓學(xué)生規(guī)避真實實驗的諸多忌諱，甚至違規(guī)操作，以進一步掌握儀器的使用辦法；可以通過各種設(shè)定好的特殊情況，感受儀器操作過程中可能出現(xiàn)的問題，以全面地鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

北京中醫(yī)藥大學(xué)在2006級中藥學(xué)、中藥分析、中藥制藥班應(yīng)用“高效液相色譜法定性和定量分析實驗”虛擬教學(xué)后進行教學(xué)效果問卷調(diào)查得知，有81.2%的學(xué)生愿意進行虛擬實驗學(xué)習(xí)，有84.8%的學(xué)生通過虛擬學(xué)習(xí)清楚地知道了如何操作儀器。2007年底，清華大學(xué)在將儀器分析實驗多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺應(yīng)用于化學(xué)系、化工系、環(huán)境系及核物理學(xué)院等院系的儀器分析實驗教學(xué)中，經(jīng)過連續(xù)5個學(xué)期的教學(xué)數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)接受了虛擬實驗教學(xué)的學(xué)生個人得分同比超過其他院系的學(xué)生，儀器分析實驗教學(xué)質(zhì)量得到了明顯提高。第二軍醫(yī)大學(xué)應(yīng)用了虛擬實驗平臺后，82%的學(xué)生認(rèn)為虛擬教學(xué)系統(tǒng)的交互性有利于知識傳授，76%的學(xué)生認(rèn)為運用虛擬教學(xué)系統(tǒng)有助于提高相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效果和教學(xué)效率，73%的學(xué)生認(rèn)為虛擬教學(xué)系統(tǒng)更適合于輔助教學(xué)。

當(dāng)然，虛擬實驗替代不了真實實驗。由于其缺少實物感，操作正確的情況下結(jié)果唯一，無法反映現(xiàn)實中操作正確也有可能出現(xiàn)不良后果的情況，虛擬儀器分析實驗主要用于輔助教學(xué)，結(jié)合真實實驗教學(xué)，以取得更好的教學(xué)效果。

綜上所述，在藥學(xué)教育工作中，虛擬儀器分析實驗平臺具有廣泛的應(yīng)用前景?？茖W(xué)地運用虛擬實驗手段，拓展教學(xué)空間，能有效解決很多用常規(guī)方法無法解決的教學(xué)問題。建設(shè)一個界面逼真、富于交互、充分設(shè)定各種應(yīng)用情景的虛擬儀器分析實驗平臺，用于輔助教學(xué)，將有效緩解當(dāng)前儀器分析教學(xué)中面臨的主要問題，可以成為實驗教學(xué)的有益補充，豐富和完善儀器分析實驗教學(xué)的教學(xué)形式，降低教學(xué)成本，增強教學(xué)效果，從而提高儀器分析實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。

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G712

A

1672-5727（2012）07-0172-02

鄧碧如（1984—），女，廣東揭西人，廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院助理實驗師，研究方向為儀器分析和藥物分析。