虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用探討

曹 穎

(天津中醫(yī)藥大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，天津 300193)

虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用探討

曹 穎

(天津中醫(yī)藥大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，天津 300193)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、高等教育的普及化,具有廣泛應(yīng)用的儀器分析在醫(yī)藥類院校教學(xué)中存在的問題也日漸突現(xiàn)。天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部通過虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，從而解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的不足，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平, 充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高等醫(yī)藥類專業(yè)人才發(fā)揮積極作用。

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

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，教授學(xué)生先進(jìn)儀器設(shè)備應(yīng)用的課程儀器分析越來越受到高等醫(yī)藥類院校的重視，尤其是對(duì)學(xué)生實(shí)際操作儀器能力的培養(yǎng)。但由于經(jīng)費(fèi)及場(chǎng)地等條件的限制，一些貴重的大型儀器就只能在書本上出現(xiàn)，學(xué)生沒有真正動(dòng)手操作過；即使是一些學(xué)校已有的儀器，也因?yàn)閷W(xué)生人數(shù)眾多，機(jī)器數(shù)量偏少，最終由學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作變成了“操作演示”。虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)為解決這一問題提供了有效的方法，也為醫(yī)藥類院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，尤其是儀器分析教學(xué)提供了新的方向。

虛擬實(shí)驗(yàn)室是建立一個(gè)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，是一種特別的、分布式的解決問題的環(huán)境，是提供給用戶的一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、 技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺(tái)，是一種基于計(jì)算機(jī)虛擬原型系統(tǒng)的全新的科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)方法，是除理論與實(shí)物實(shí)驗(yàn)之外的第三種研究設(shè)計(jì)手段和形式[1]。

1 儀器分析在高校教學(xué)中存在的主要問題

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，先進(jìn)儀器設(shè)備的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，例如，液相、質(zhì)譜、核磁等儀器分析方法已經(jīng)成為醫(yī)藥學(xué)研究的重要手段。作為一門基礎(chǔ)并且實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，儀器分析實(shí)驗(yàn)則更是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力。當(dāng)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)在不斷發(fā)展的同時(shí)，其所存在的問題也日益明顯。

1.1 儀器缺乏

近年來，由于國(guó)家對(duì)高等教育的重視與普及，高等院校學(xué)生人數(shù)上升，但與所開的設(shè)課程相對(duì)應(yīng)的儀器設(shè)備卻無法與人數(shù)同步增長(zhǎng)。對(duì)于身價(jià)不菲，維護(hù)昂貴的儀器，學(xué)生基本上只能通過課本的形式了解其原理、操作步驟等內(nèi)容，難以對(duì)儀器有一個(gè)深層次的理解。即使學(xué)校購(gòu)買了一些儀器，學(xué)生也只能以小組的形式進(jìn)行操作，每名學(xué)生只負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，難以達(dá)到人手一臺(tái)儀器。而往往正是這些儀器就是學(xué)生今后接觸最多、應(yīng)用最廣的儀器。這樣就造成學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力差，對(duì)儀器使用一知半解的現(xiàn)象。

1.2 操作復(fù)雜

儀器分析的操作過程一般都比較復(fù)雜，例如，氣相、液相、毛細(xì)管電泳等實(shí)驗(yàn)都需要進(jìn)行前處理，而有些前處理耗時(shí)比較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)過程中步驟多，實(shí)驗(yàn)后期數(shù)據(jù)處理報(bào)告煩瑣。且各項(xiàng)操作間關(guān)聯(lián)性高而復(fù)雜，如果一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，實(shí)驗(yàn)就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，學(xué)生就要重新返工。所以為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，一般復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)的步驟教師都通過演示、提前準(zhǔn)備等方法來幫助學(xué)生完成。這樣，學(xué)生就無法理解掌握儀器操作過程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)及需要注意的問題。不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

1.3 缺乏創(chuàng)新性

由于儀器數(shù)量不足，學(xué)生對(duì)儀器的掌握有限，導(dǎo)致學(xué)生難以獨(dú)自進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性。學(xué)生只會(huì)測(cè)定課本中所學(xué)的內(nèi)容，對(duì)于一些相同屬性的物質(zhì)、相同原理的方法則不會(huì)進(jìn)行創(chuàng)新性應(yīng)用。例如，課本講授了利用氣相色譜法測(cè)定VE膠囊的含量，但是很多學(xué)生卻不會(huì)冰片含量的測(cè)定；同樣，學(xué)生會(huì)利用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定在紫外下有吸收的橙皮苷，卻不會(huì)主動(dòng)想到利用同樣原理的HPLC法去測(cè)定橙皮苷。因此，造成了學(xué)生只會(huì)“死學(xué)”不懂自主創(chuàng)新的現(xiàn)象。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

為了解決儀器分析實(shí)驗(yàn)中的上述問題，就需要加大對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展。在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的概念，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)來解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室在氣相色譜中的應(yīng)用

氣相色譜儀是一種應(yīng)用廣泛的分析儀器，尤其適用于易揮發(fā)性物質(zhì)的測(cè)定。將虛擬技術(shù)應(yīng)用于氣相色譜中，建立氣相色譜虛擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬和仿真，讓學(xué)生自己確定測(cè)試樣品種類，之后自由選擇氣源、色譜柱、檢測(cè)儀器、實(shí)驗(yàn)條件等內(nèi)容，直到完成實(shí)驗(yàn)[2]。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，學(xué)生還可以通過改變虛擬色譜儀的分析條件來確定該實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件，從而發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室在液相色譜中的應(yīng)用

高效液相色譜儀是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分離分析儀器，在實(shí)驗(yàn)操作中涉及流動(dòng)相配比、流速、檢測(cè)波長(zhǎng)等多個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，而且這些參數(shù)的設(shè)定對(duì)色譜峰保留時(shí)間和分離度的影響很大，與色譜出峰關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)理論模型也相當(dāng)復(fù)雜。而利用計(jì)算機(jī)多媒體建立的液相色譜虛擬實(shí)驗(yàn)室可以很好地解決這些問題[3]。通過建立不同分離條件下的HPLC預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)生完全掌握液相色譜儀的操作過程，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生在儀器分析工作中的科研能力。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在高效毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用

高效毛細(xì)管電泳是儀器分析中的前沿領(lǐng)域。學(xué)生在一般的儀器分析實(shí)驗(yàn)中都接觸不到，但通過“虛擬實(shí)驗(yàn)室”則可以讓學(xué)生模擬毛細(xì)管電泳儀器實(shí)驗(yàn)中的操作過程對(duì)樣品進(jìn)行分析，使每一步的操作都直觀形象，便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的充分理解和掌握，顯現(xiàn)出了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和教師演示所不具備的特殊優(yōu)勢(shì)[4]。

2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)室在原子吸收光譜中的應(yīng)用

原子吸收光譜分析法以檢出限低、選擇性好、精密度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。建立虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅能更好的再現(xiàn)原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)的全過程，使學(xué)生能夠深刻明白其工作原理；同時(shí)，也彌補(bǔ)了原子吸收光譜儀器昂貴、操作復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用高等不足，在很大程度上緩解了由客觀實(shí)驗(yàn)條件有限所引起的學(xué)生對(duì)儀器使用需求的壓力[5]。

2.5 虛擬實(shí)驗(yàn)室在核磁共振中的應(yīng)用

核磁共振波譜法，作為一種先進(jìn)的分析手段，在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。通過虛擬技術(shù)在核磁共振波譜中的應(yīng)用，儀器分析實(shí)驗(yàn)室不僅節(jié)省了費(fèi)用和場(chǎng)地，同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性及安全性[6]。因此，建立核磁共振虛擬實(shí)驗(yàn)室，不僅解決了儀器不能滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需求的問題，而且對(duì)核磁共振教學(xué)起到了輔助作用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)校也可以選擇多種方式隨時(shí)向?qū)W生開放，學(xué)生可以通過學(xué)校的教學(xué)共享平臺(tái)，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作，這樣不僅解決了學(xué)校在實(shí)際教學(xué)中的困難，而且給了學(xué)生更加自由開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，利于學(xué)生的學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、高等教育的普及化，儀器數(shù)量與學(xué)生的供需矛盾越來越突出。為了給學(xué)生提供高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室是未來儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，不僅能夠解決學(xué)校經(jīng)費(fèi)不足、場(chǎng)地有限、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一成不變等問題，而且能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)儀器分析的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性的科研能力，為社會(huì)培養(yǎng)更加實(shí)用的復(fù)合型人才發(fā)揮積極作用。

[1]劉筱蘭.虛擬實(shí)驗(yàn)室的類型及發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004(11):8-10.

[2]馬薇.三維多功能動(dòng)態(tài)GC虛擬實(shí)驗(yàn)室新構(gòu)建模式的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010:1-86.

[3]王艷嬙.三維高仿真網(wǎng)絡(luò)HPLC虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與研究[D].大連.大連理工大學(xué),2012:1-73.

[4]毛金群.開放式三維網(wǎng)絡(luò)HPCE虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),2013:1-71.

[5]方麗.開放式原子吸收光譜虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010:1-80.

[6]趙冬利.基于Flash技術(shù)的NMR虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[D].大連:大連理工大學(xué),2013:1-68.

Discussion about Application of Virtual Laboratory in Instrumental Analysis Teaching in Colleges

CAO Ying

(Department of Experimental Teaching, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China)

With the development of science and technology, the popularization of higher education, the problems of instrumental analysis in medical colleges teaching are increasingly emergent. The virtual laboratory experiments in teaching instrumental analysis, could solve the shortcomings of traditional laboratory teaching, improve the experimental teaching level, increase independent innovation ability of students, and play an active role in training of higher pharmaceutical professionals.

virtual laboratory; instrumental analysis；experiment teaching; teaching reform

2014-04-42

曹 穎(1984-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：儀器分析。

TP391.98；TP391.99;G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.011