虛擬實(shí)驗(yàn)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

許映杰 胡六江

(紹興文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,浙江 紹興312000)

虛擬實(shí)驗(yàn)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

許映杰 胡六江

(紹興文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,浙江 紹興312000)

根據(jù)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)和當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，將虛擬實(shí)驗(yàn)引入儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作互為補(bǔ)充，提高儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果.

儀器分析實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

儀器分析實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)?；瘜W(xué)、化工、藥學(xué)和環(huán)境等專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，是儀器分析理論課程重要的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性.通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握儀器分析的基本原理，熟悉常用儀器的分析方法，了解儀器的結(jié)構(gòu)及其操作方法，同時(shí)能夠根據(jù)分析對(duì)象的特點(diǎn)和要求，結(jié)合儀器的應(yīng)用范圍，選擇適當(dāng)?shù)膬x器分析方法進(jìn)行定性、定量分析和結(jié)構(gòu)解析，從而為其今后的學(xué)習(xí)、工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)[1-2].

近年來(lái)，為滿(mǎn)足我國(guó)高等教育發(fā)展的新要求和社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求，地方院校根據(jù)自身特點(diǎn)、辦學(xué)基礎(chǔ)和地方特色，對(duì)本科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了重新調(diào)整和設(shè)置，在注重培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和操作技能的培養(yǎng)，這為相關(guān)實(shí)踐性課程的教學(xué)改革提供了契機(jī).

儀器分析實(shí)驗(yàn)課程是紹興文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)的核心課程，與后續(xù)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)論文等教學(xué)環(huán)節(jié)密切相關(guān).因此，儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量不僅影響學(xué)生對(duì)儀器分析課程知識(shí)的理解和掌握，而且影響學(xué)生對(duì)后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí).儀器分析實(shí)驗(yàn)與其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比具有自身的特點(diǎn).例如，儀器分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要借助各種分析儀器才能進(jìn)行，這使得儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)容易受儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等因素的制約和限制.因此，在現(xiàn)有教學(xué)資源的前提下，為了進(jìn)一步提高儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和創(chuàng)新能力，我們對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，在原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上引入虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前對(duì)分析儀器的構(gòu)造、原理和操作方法有初步的感性認(rèn)識(shí)，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)課堂教師的講解、演示和學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作，使他們理解和掌握實(shí)驗(yàn)的原理、儀器操作與使用的方法，從而提高儀器分析實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力.筆者根據(jù)近年來(lái)從事儀器分析實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的體會(huì)，對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程引入虛擬實(shí)驗(yàn)的目的、優(yōu)勢(shì)及其對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量的影響進(jìn)行了探討.

1 現(xiàn)行儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

儀器分析實(shí)驗(yàn)所使用的大部分儀器價(jià)格通常比較昂貴，而地方院校大型儀器設(shè)備的配置相對(duì)有限，如紅外光譜儀、質(zhì)譜儀和核磁共振波譜儀等大型儀器設(shè)備一般只購(gòu)置一臺(tái)，故多數(shù)儀器分析實(shí)驗(yàn)為多人一組.同時(shí)，由于個(gè)別大型分析儀器還肩負(fù)著為全校科研服務(wù)的重任，因此為了不影響儀器的正常使用和避免儀器受損害，一般在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中不會(huì)向?qū)W生展示分析儀器的內(nèi)部構(gòu)造.在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，往往是教師先講解實(shí)驗(yàn)原理和儀器結(jié)構(gòu)，然后再演示分析儀器的操作方法，最后學(xué)生利用教師提前準(zhǔn)備或處理好的樣品進(jìn)行一次實(shí)際操作.因此，在課堂上只有靠近教師周邊的少數(shù)學(xué)生能夠全方位觀(guān)察到教師的操作過(guò)程，而大多數(shù)學(xué)生都未能真正理解和掌握儀器的使用方法，使教學(xué)效果大打折扣.

其次，各個(gè)院校所配置的分析儀器的生產(chǎn)廠(chǎng)家和型號(hào)不同，儀器操作時(shí)所使用的工作站軟件系統(tǒng)和參數(shù)設(shè)置等也存在較大差別，因此一般很難找到可以通用的儀器分析實(shí)驗(yàn)教材，幫助學(xué)生針對(duì)性地預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備.同時(shí)，大部分學(xué)生都是在進(jìn)入儀器分析實(shí)驗(yàn)室后，才第一次見(jiàn)到所使用儀器的廬山真面目.由于個(gè)別學(xué)生沒(méi)有進(jìn)行針對(duì)性地預(yù)習(xí)和認(rèn)真觀(guān)察教師的演示操作，導(dǎo)致他們?cè)趯?shí)驗(yàn)操作過(guò)程中縮手縮腳，只會(huì)機(jī)械地模仿教師和同組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作，并不真正清楚每一步操作的目的和原理，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力.此外，由于配置的儀器數(shù)量較少和每組學(xué)生的人數(shù)較多，一般學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)或者進(jìn)行研究性探討式的學(xué)習(xí)，這也降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和熱情.

2 虛擬實(shí)驗(yàn)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)是借助圖形圖像、仿真軟件、Flash動(dòng)畫(huà)和虛擬現(xiàn)實(shí)操作流程等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可部分代替，甚至全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)各個(gè)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件環(huán)境[3].近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這不僅在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[4-5].目前，用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件主要基于Flash、ActiveX和VRML等三種技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[6]，內(nèi)容較為豐富.其中，基于Flash技術(shù)開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件具有界面美觀(guān)、視覺(jué)沖擊效果強(qiáng)、體積小、不需要安裝、可直接在瀏覽器中進(jìn)行操作、圖形可無(wú)級(jí)放大不失真等特點(diǎn)，被高等院校用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6-7].虛擬實(shí)驗(yàn)輔助儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用基于計(jì)算機(jī)多媒體仿真模擬技術(shù)的儀器分析虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在電腦上就可以觀(guān)察、了解儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，生動(dòng)、形象地學(xué)習(xí)相關(guān)基本原理，模擬實(shí)驗(yàn)操作流程，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值，并激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和主動(dòng)性.例如，在紅光吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)中，采用動(dòng)畫(huà)和聲效相結(jié)合的Flash虛擬實(shí)驗(yàn)將NICOLET 6700傅里葉紅外光譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)前直觀(guān)地展示給學(xué)生，有助于學(xué)生了解和掌握儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，同時(shí)對(duì)即將展開(kāi)的儀器操作和數(shù)據(jù)分析做好相應(yīng)的準(zhǔn)備.因此，虛擬實(shí)驗(yàn)具有“活靈活現(xiàn)”的優(yōu)勢(shì)，既克服了以往儀器操作的機(jī)械性和模式化等缺點(diǎn)，又賦予了儀器分析實(shí)驗(yàn)的趣味性和啟發(fā)性，能夠幫助學(xué)生加深對(duì)相關(guān)儀器結(jié)構(gòu)、原理和操作的理解，從而提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力.

(2)虛擬實(shí)驗(yàn)包含的信息量較豐富，包括儀器設(shè)備的構(gòu)造、實(shí)驗(yàn)所用的藥品、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作流程以及注意事項(xiàng)等.學(xué)生打開(kāi)計(jì)算機(jī)就能對(duì)即將開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)作相應(yīng)的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作，他們?nèi)缟砼R其境般地了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作方法和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這不僅可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，而且可以有效地促進(jìn)教學(xué).虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬仿真儀器分析實(shí)驗(yàn)的操作，使學(xué)生對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)的操作步驟和過(guò)程從原有的文字理解階段上升到應(yīng)用、實(shí)踐的高度，同時(shí)結(jié)合教師在實(shí)驗(yàn)室的演示過(guò)程，有利于學(xué)生充分理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器的操作過(guò)程.

(3)虛擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上彌補(bǔ)了儀器分析實(shí)驗(yàn)中大型分析儀器資源配置較少等客觀(guān)問(wèn)題.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入儀器分析虛擬實(shí)驗(yàn)室，了解儀器的結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理和步驟，并通過(guò)反復(fù)的操作熟悉儀器，為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行準(zhǔn)備.當(dāng)學(xué)生進(jìn)入儀器分析實(shí)驗(yàn)室后，配合虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)到知識(shí)與教師在實(shí)驗(yàn)室的講解和演示，使學(xué)生掌握儀器的正確使用方法和實(shí)驗(yàn)步驟，從而提高儀器分析實(shí)驗(yàn)的成功率和效率，同時(shí)教師也不必?fù)?dān)心學(xué)生誤操作分析儀器而導(dǎo)致儀器的損壞，進(jìn)而影響正常的教學(xué)和科研工作，降低了儀器由于操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所導(dǎo)致的損耗及資源浪費(fèi).

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)已在高校儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯示出了其特有的優(yōu)勢(shì)，能有效促進(jìn)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高，大大激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，同時(shí)也在一定程度上緩解了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少和實(shí)驗(yàn)室資源有限等問(wèn)題.目前，已有不少?lài)?guó)內(nèi)高校開(kāi)發(fā)了用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)課件，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐[6-7]，取得了良好的效果.例如，大連理工大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心采用Flash技術(shù)開(kāi)發(fā)了系列虛擬實(shí)驗(yàn)課件，包括紅外光譜、紫外光譜和色譜等常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量.

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為一種輔助教學(xué)手段，其推廣和應(yīng)用需要結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況逐步和有選擇性地進(jìn)行.首先，教師要更新教學(xué)理念，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用不是削減教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)，而是為了更好地利用實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)時(shí)間，鍛煉和強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；其次，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用要以實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和儀器設(shè)備為基礎(chǔ)，將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)巧妙地融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，同時(shí)教師要以學(xué)生為主體，將學(xué)生、實(shí)際實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)三者有機(jī)地融合在一起，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性；最后，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)需要與時(shí)俱進(jìn)，要隨著分析儀器的更新和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整進(jìn)行完善.值得強(qiáng)調(diào)的是，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)只是儀器分析等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助教學(xué)手段，它無(wú)法完全代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作，只有二者相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)，才能更好地為應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)服務(wù).因此，如何有效地將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入儀器分析等實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，將是一?xiàng)長(zhǎng)期的工作.

[1]周云,張連慶,林金明.儀器分析實(shí)驗(yàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(7):93-95.

[2]張培敏,陳恒武,郭偉強(qiáng),等.儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探[J].大學(xué)化學(xué),2007,22(2):10-12.

[3]白雁,張娟,潘瑾,等.“虛擬實(shí)驗(yàn)室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(12):169-171.

[4]周云,張連慶,林金明.多媒體網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)化學(xué),2012,25(6):48-51.

[5]李慶生,譙康全.高?；瘜W(xué)類(lèi)儀器分析實(shí)驗(yàn)的信息技術(shù)教學(xué)模式研究[J].化學(xué)工程與裝備,2012(4):234-236.

[6]劉志廣,岳鋅,吳超,等.三種網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)方法與比較[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2003,20(1):91-93.

[7]張小燕,許豪杰,張粉燕,等.Flash多媒體技術(shù)在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué),2003,18(6):39-40.

(責(zé)任編輯 鄧穎)

Application of Virtual Experiment Technology in Instrumental Analysis Experimental Teaching

Xu Yingjie Hu Liujiang

(School of Chemistry & Chemical Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

According to the features of the course Instrumental Analysis Experiment and the existing issues in the teaching process, the virtual experiment technology was introduced to the relative course teaching. Combined with the virtual experiment technology and actual operation in the laboratory, the teaching effectiveness of the Instrumental Analysis Experiment could be improved.

Instrumental Analysis Experiment; virtual experiment; teaching reform

2013-11-25

2012年紹興市高等教育教學(xué)改革資助項(xiàng)目(紹市教高〔2012〕116號(hào))

許映杰(1979-)，男，浙江上虞人，博士，副教授.

G642.423

A

1008-293X(2014)07-0089-03