儀器分析實驗多媒體教學軟件的研制*

胡萬群 邵偉

(中國科學技術大學化學實驗教學中心 安徽合肥230026)

儀器分析實驗是化學、應用化學等專業(yè)的必修基礎課程，是基于精密儀器測量表征物質(zhì)的某些物理或物理化學性質(zhì)的參數(shù)以確定其化學組成、含量及化學結(jié)構(gòu)的一門課程。目前，儀器分析實驗的開設過程一般是讓學生根據(jù)實驗講義和操作步驟，在儀器上測定或分析一些特定的樣品，根據(jù)儀器顯示和記錄的信號來獲取樣品的某些化學信息。這種教學方法是必須的也是重要的，但上機操作的前提是要有相應的儀器設備。隨著科學技術的發(fā)展，儀器分析發(fā)展很迅速，新技術、新方法、新儀器不斷涌現(xiàn)，如何及時將其引入高校的儀器分析實驗教學之中，讓學生盡早地學習和掌握最新的儀器分析方法和實驗技能，以適應科研等方面的實際需要，是儀器分析實驗教學中值得關注的課題。

一些已在科研、生產(chǎn)、醫(yī)療及檢驗管理等領域廣泛應用的大型綜合儀器(如電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(ICP-MS)、氣相色譜紅外光譜聯(lián)用技術(GC-IR)、透射電鏡技術(TEM)、掃描電鏡技術(SEM)等)［1-4］，由于本身價格較為昂貴以及管理和維護的要求較高等因素，在多數(shù)高校中尚不能面向本科生和研究生開設相應的實驗教學課程。為填補這方面的空白，充實和拓展現(xiàn)有的儀器分析實驗教學內(nèi)容，我們運用計算機多媒體技術等手段，通過計算機程序設計，將6種大型綜合儀器的相關方法原理和測試技術等整合為儀器分析實驗的教學內(nèi)容，設計研制了相應的儀器分析實驗多媒體教學軟件，將其作為教學平臺供師生教學使用。由此，一方面改進了儀器分析實驗教學的教學方式，填補了因經(jīng)費等因素而無法開設相關實驗教學內(nèi)容的空白;另一方面又可讓學生及時了解最新儀器分析技術及應用前沿。

1 儀器分析實驗多媒體教學軟件簡介

運用Flash動畫制作軟件、音視頻處理軟件及多媒體程序開發(fā)軟件Authorware 7.0［5］等，針對6種大型儀器，設計研制了儀器分析實驗多媒體教學軟件，內(nèi)容包括背景知識、基礎理論、儀器原理、操作技能、預習測試、實驗內(nèi)容、實驗報告和實驗討論等。

該教學軟件既可以運行于本地計算機，也可以通過登錄軟件系統(tǒng)的網(wǎng)絡平臺，進行遠程互動式教學。

本教學軟件所涉及的教學內(nèi)容較為豐富，軟件中的各模塊可以根據(jù)教學需要進行增刪、更新，具有很好的可拓展性且易于升級;使用界面簡潔友好，操作方便。

2 儀器分析實驗多媒體教學軟件的界面設計

2.1 起始主界面

軟件運行后，顯示的起始主界面如圖1所示。

圖1 儀器分析實驗多媒體教學軟件運行后顯示的起始主界面

在起始主界面橫向自左起約1/3處，用一條縱線將界面分為左、右兩部分。

起始主界面右部從上向下依次為多媒體教學軟件的名稱(儀器分析實驗)、開發(fā)者所屬單位(中國科學技術大學化學實驗教學中心)的中英文名稱及學校?；請D標、歡迎詞、一個使用者的圖片和一個建筑物示意圖(在建筑物外墻上設計了嵌入式的軟件背景音樂開關控制按鈕)。

起始主界面左部分的左側(cè)是軟件起始操作提示文字，右側(cè)從上至下分別為電感耦合等離子體質(zhì)譜、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、掃描電鏡、透射電鏡、毛細管電泳、氣相色譜紅外光譜聯(lián)用這6種儀器分析方法的中英文名稱以及其相應的儀器外觀圖片，并以6種不同顏色分別作為圖片的背景色(此后的6種儀器分析實驗教學模塊的軟件界面同樣是分別以這6種顏色作為背景色);在起始主界面的左下角，設計了一個帶有開、關門動畫圖標的退出按鈕。

2.2 鼠標指向起始主界面6種儀器小圖標時分別顯示的軟件界面

當鼠標指向起始主界面左側(cè)的6種儀器小圖標其中之一時，則會有一個紅色矩形方框圈在該儀器小圖標四周，并在起始主界面右側(cè)的中間區(qū)域?qū)@示該儀器的較大圖片及文字簡介(圖2)。

圖2 鼠標指向主界面6種儀器小圖標后對應顯示的軟件界面

2.3 6種儀器分析實驗教學的軟件界面

用鼠標單擊起始主界面的6種儀器小圖標其中之一，則進入該種儀器分析實驗教學軟件使用界面(圖3)。

圖3 6種儀器分析實驗對應的軟件界面

在圖3所示的每種儀器分析實驗教學的軟件界面的左下角，設計了一個帶有開、關門動畫圖標的退出按鈕，并在其右設計了一個軟件背景音樂開關控制按鈕。

3 儀器分析實驗多媒體教學軟件的內(nèi)容設計

儀器分析課程教學內(nèi)容中的每一種儀器都有自己的理論基礎、研究方法、儀器構(gòu)造和應用范圍。因此，在我們研制的教學軟件中，對所選擇的6種儀器，分別設計了“方法概述”、“儀器介紹”、“原理模擬”、“預習測試”、“實驗操作”、“實驗內(nèi)容”、“實驗報告”、“實驗討論”8個教學模塊的教學內(nèi)容。

如前所述，運行本教學軟件顯示出起始主界面后，其左側(cè)自上而下設計了包含6類儀器中英文名稱和儀器小圖片的6個選擇區(qū)域(圖1)，用鼠標單擊某個選擇區(qū)域，則進入對應的該類儀器分析實驗教學界面(圖3(a)～(f))，并顯示一段配有該類儀器圖片的文字簡介，簡明扼要地說明該儀器分析方法的特點、用途和應用領域，以使學習者一目了然地獲得該類儀器分析的基本信息。

在圖3所示的各類儀器分析實驗教學界面中，頂端第一行的中部為對應儀器的中英文名稱。在頂端第二行的最右側(cè)，設計了“返回主界面”按鈕，點擊該按鈕后，軟件返回起始主界面;此外，在頂端第二行，從左至右設置的是對應該儀器的“方法概述”、“儀器介紹”、“原理模擬”、“預習測試”、“實驗操作”、“實驗內(nèi)容”、“實驗報告”、“實驗討論”共8個教學模塊的選擇按鈕。用鼠標單擊這8個選擇按鈕之一，則進入對應的教學模塊。

以“電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)”為例，圖4(a)～圖4(i)分別對應“ICP-MS”中8個教學模塊的軟件界面(其中圖4(i)為“實驗討論”模塊(圖4(h))問題解答的模板內(nèi)容)，其他幾個儀器分析實驗教學軟件的8個教學模塊的軟件界面與此類似。

圖4 “電感耦合等離子體質(zhì)譜”中的8個教學模塊軟件界面

3.1 “方法概述”模塊

在“方法概述”模塊中，分別以“概述”、“檢測元素”、“應用”等條目介紹了ICP-MS與傳統(tǒng)的元素分析方法(分光光度法、原子吸收法(火焰與石墨爐)、原子熒光光譜法、ICP發(fā)射光譜法等)的比較;介紹了ICP-MS分析技術的先進之處(與傳統(tǒng)無機分析技術相比，ICP-MS技術具有最低的檢出限、最寬的動態(tài)線性范圍、干擾最少、分析精密度高、分析速度快、可進行多元素同時測定以及可提供精確的同位素信息等特點);介紹了ICP-MS的發(fā)展簡史及其在環(huán)境樣品分析、生命科學研究中的應用等(圖4(a))。

3.2 “儀器介紹”模塊

在“儀器介紹”模塊中，以“儀器結(jié)構(gòu)”、“樣品引入系統(tǒng)”、“離子源”、“接口”、“質(zhì)量分析器”、“檢測系統(tǒng)”、“賽默飛ICP-MS”等條目，分別輔以圖片介紹了ICP-MS儀器的結(jié)構(gòu)、每個結(jié)構(gòu)單元的功能以及常用的典型的該類儀器(賽默飛ICP-MS)的功用等(圖4(b))。

3.3 “原理模擬”模塊

在“原理模擬”模塊中，分別以“同心霧化器”、“交叉霧化器”、“ICP”、“ICP離子化”、“截取錐”、“四級桿1”、“四級桿2”等條目，采用Flash動畫生動形象地展示了儀器的相關工作原理。如在四級桿質(zhì)量分析器中，四級桿的工作是基于在4根電極之間的空間產(chǎn)生一個隨時間變化的特殊電場，具有一定荷質(zhì)比(m/z)的離子在電場中得到有序排列，獲得穩(wěn)定的路徑，而后通過極棒，從其另一端出射;其他離子將被過分偏轉(zhuǎn)，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而不被檢測器檢測(圖4(c))。

3.4 “預習測試”模塊

“預習測試”模塊的設置旨在考查學習者對相關儀器分析方法基礎知識的掌握情況。在進行預習測試時，首先請參加測試者輸入姓名，測試題數(shù)、測試時間等可以由被測試者自行設定，在測試時可立即反饋答題正誤，并在測試完所有選定的測試題后給出答題的實際使用時間和答題正確率，同時給出相應的學習建議。如圖4(d)所示，該圖為測試開始的軟件界面，其右側(cè)的截圖為測試最后的反饋結(jié)果。

3.5 “實驗操作”模塊

在“實驗操作”模塊中，分別以“樣品制備”、“制樣示范”、“儀器操作”、“軟件使用”等條目，介紹了樣品前處理方法的一般知識和注意事項，并放置了具體樣品處理過程和儀器操作流程的視頻文件，用于規(guī)范基本的實驗操作技能(圖4(e))。

3.6 “實驗內(nèi)容”模塊

在“實驗內(nèi)容”模塊部分，我們在借助我校公共實驗中心及相關科研實驗室的分析儀器平臺做了若干預實驗的基礎上，編寫了包含相應實驗內(nèi)容的實驗講義，使用者可以根據(jù)需要自行選用(圖4(f))。

3.7 “實驗報告”模塊

在“實驗報告”模塊中，給出了規(guī)范的實驗報告模板，并以“實驗報告1”、“實驗報告2”、……、“實驗報告n”等條目呈現(xiàn)，提供了需在教學軟件的網(wǎng)絡模式下運行實現(xiàn)的實驗報告提交平臺(圖4(g))。

3.8 “實驗討論”模塊

“實驗討論”模塊只能在教學軟件的網(wǎng)絡模式下實現(xiàn)，為師生提供了基于網(wǎng)絡的“教”與“學”的互動平臺。

在“實驗討論”模塊中，學習者在根據(jù)屏幕提示輸入所要提出問題的內(nèi)容后，給出提示“你要討論的問題已提交，將會盡早給予解答，請稍后點擊‘解答’按鈕”。當授課教師在軟件系統(tǒng)看到學習者提出的問題后，將解答內(nèi)容以指定的文檔名及文檔格式存放于指定的文件夾中，學習者通過點擊“解答”按鈕，即可看到相應的問題解答，并可通過點擊該模塊界面中的“Continue”按鈕，繼續(xù)提出問題(圖4(h)和圖4(i)，其中4(i)右下部的截圖為問題解答的模塊內(nèi)容)。

4 結(jié)語

本文介紹的儀器分析實驗多媒體教學軟件，使用了動畫和音頻、視頻等多媒體設計和制作技術，實現(xiàn)了對儀器工作原理等的動畫模擬以及相關實驗操作的示范指導;整合了實驗教學過程所需的全部教學內(nèi)容，充實和拓展了儀器分析實驗教學的內(nèi)容。

該軟件具有很好的模塊化結(jié)構(gòu)，易于拓展和更新。已有的儀器分析實驗教學內(nèi)容可以很方便地整合、移植到該軟件系統(tǒng)，以構(gòu)建與現(xiàn)有儀器分析實驗教學內(nèi)容配套的計算機輔助教學(CAI)平臺;亦可以隨著儀器分析新技術、新方法的發(fā)展而不斷對其加以充實、完善和升級，使其保持實驗教學內(nèi)容的新穎性和實用性，不斷擴大該教學軟件的使用面和受益面。

［1］Thomas R.Practical Guide to ICP-MS:A Tutorial for Beginners.2nd ed.Boca Raton，F(xiàn)lorida:CRCPress Inc，2008

［2］武漢大學.分析化學.第5版.北京:高等教育出版社，2009

［3］付洪蘭.實用電子顯微鏡技術.北京:高等教育出版社，2004

［4］王中林.納米材料表征.北京:化學工業(yè)出版社，2005

［5］李若瑾，王麗萍，李美村，等.Authorware7.0.北京:電子工業(yè)出版社，2010