大型儀器仿真軟件在《儀器分析》理論課中的應(yīng)用初探

劉洋 欒娜 榮瑞芬 秦菲

摘要：《儀器分析》既是一門理論性課程，又是一門實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的課程，它同時(shí)也是化學(xué)、生物、材料、食品等學(xué)科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于儀器分析所涉及的知識(shí)領(lǐng)域較廣，學(xué)生在理解和掌握儀器分析理論知識(shí)上存在一定的困難，因此在理論課教學(xué)過(guò)程中，教師預(yù)先通過(guò)分析儀器仿真軟件的操作，使學(xué)生在對(duì)儀器具有感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)不同儀器原理、結(jié)構(gòu)組成和用途的理解，同時(shí)在儀器操作過(guò)程、分析方法以及數(shù)據(jù)分析處理上，獲得更全面的認(rèn)識(shí)，從而提高學(xué)生科學(xué)實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：《儀器分析》；仿真軟件；理論課

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）02-0168-02

一、《儀器分析》理論課教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.生源現(xiàn)狀。北京聯(lián)合大學(xué)是北京市屬高校，生源絕大部分來(lái)自北京，生源的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)比較薄弱，同時(shí)北京聯(lián)合大學(xué)旨在為北京輸送應(yīng)用型和職業(yè)技術(shù)型人才，因此，在《儀器分析》理論課的教學(xué)大綱編寫中，要適當(dāng)降低理論難度，增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)“應(yīng)用型”原則。

2.理論課程具有一定的抽象性?！秲x器分析》課程主要包括光譜部分、色譜部分以及電化學(xué)三大部分。光譜部分涉及物理光學(xué)部分、無(wú)機(jī)化學(xué)的分子軌道理論、有機(jī)化學(xué)的結(jié)構(gòu)分析鑒定等基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，其具有一定的抽象性。學(xué)生對(duì)紫外—可見(jiàn)光譜、原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜、質(zhì)譜以及核磁共振波譜等光譜儀器的原理的理解上存在一定的困難。電化學(xué)部分涉及無(wú)機(jī)化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，色譜部分的塔板理論等都具有一定的抽象性。如果學(xué)生在前期的學(xué)習(xí)過(guò)程中，沒(méi)有很好地理解和掌握這些抽象的理論知識(shí)，那么對(duì)儀器原理的理解和掌握就會(huì)比較困難，從而容易失去學(xué)習(xí)《儀器分析》課程的耐心和興趣。

3.理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的分離。由于教學(xué)條件的限制，一般情況下，《儀器分析》的理論課和實(shí)驗(yàn)課在時(shí)間上和空間上處于分離狀態(tài)。教師先期進(jìn)行儀器分析理論部分的講解，隨后再進(jìn)行儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。教師很難做到進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室對(duì)照著分析儀器，并且將儀器分解拆開，一邊讓學(xué)生了解儀器的構(gòu)造，一邊進(jìn)行儀器理論部分的講解；由此造成學(xué)生對(duì)儀器的感性認(rèn)識(shí)不夠，單一面對(duì)空洞的理論，理解和掌握理論要點(diǎn)比較困難。

4.儀器設(shè)備的局限性。雖然近年來(lái)國(guó)家對(duì)教育的投入在增加，各高校用于教學(xué)的分析儀器的技術(shù)含量和數(shù)量都在提高，但由于經(jīng)費(fèi)有限，一些高端分析儀器還很難普及到每所高校，例如核磁共振波譜、質(zhì)譜等。即使一些常規(guī)的分析儀器在數(shù)量上也不能滿足班上每位同學(xué)都能同時(shí)進(jìn)行實(shí)際操作。因此，學(xué)生對(duì)某些儀器會(huì)缺乏實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也不能很好地理解和掌握儀器分析的理論知識(shí)點(diǎn)。

二、大型分析儀器仿真軟件的特點(diǎn)和作用

1.特點(diǎn)。大型分析儀器仿真軟件有平面型和3維立體操作平臺(tái)兩類。北京東方仿真軟件有限公司開發(fā)的大型分析儀器仿真軟件ISTS2.0型，是屬于平面型的操作軟件，它包括紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、原子吸收光譜、紅外光譜儀器、高效液相色譜等儀器的操作平臺(tái)。此軟件清晰地展示了這些儀器的構(gòu)造組成，并可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，使學(xué)生了解儀器的操作過(guò)程，通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使學(xué)生理解各種儀器定性和定量的過(guò)程以及儀器的用途。大型分析儀器仿真軟件操作不同于具體的實(shí)驗(yàn)操作，它具有全面、快速、形象化等特點(diǎn)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)展示整個(gè)儀器的組成以及儀器的操作過(guò)程，實(shí)質(zhì)上，其也為儀器的實(shí)際操作提供了演練的機(jī)會(huì)。

2.作用。在儀器分析的理論教學(xué)中，儀器仿真軟件在幫助學(xué)生了解和掌握儀器的理論方面起到了重要的作用。首先，在理論教學(xué)中，由于學(xué)生沒(méi)有看到儀器實(shí)物，因此對(duì)儀器缺乏感性認(rèn)識(shí)，通過(guò)儀器仿真軟件的展示，將學(xué)生從抽象的理論中釋放出來(lái)，結(jié)合儀器的構(gòu)造，利用儀器仿真軟件定性和定量的過(guò)程，從而加深學(xué)生對(duì)該課程理論知識(shí)的理解和掌握。其次，儀器仿真軟件的展示過(guò)程，可以直觀地告訴學(xué)生學(xué)習(xí)儀器分析的目的是要通過(guò)儀器來(lái)進(jìn)行定性和定量分析，其可以成為《儀器分析》理論課和實(shí)驗(yàn)課的過(guò)渡或者橋梁。再次，《儀器分析》理論課程比較枯燥，在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)插入各種儀器仿真軟件，可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)習(xí)的效果。

三、仿真軟件在《儀器分析》理論課中的應(yīng)用

1.演示過(guò)程。《儀器分析》理論課講授的主要內(nèi)容是常規(guī)分析儀器的結(jié)構(gòu)組成、原理以及應(yīng)用；重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)如何利用分析儀器對(duì)未知物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。例如講解紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)時(shí)，以Agilent8453紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)為例（其配備最新二極管陣列分光技術(shù)，氘、鎢雙燈設(shè)計(jì)，波長(zhǎng)范圍190—1100nm，配有安捷倫紫外可見(jiàn)化學(xué)工作站軟件），說(shuō)明紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)的類型（單光束、雙光束、雙波長(zhǎng)）以及該儀器的前分光和后分光技術(shù)；在紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)的應(yīng)用方面，主要從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、啟用軟件、開始實(shí)驗(yàn)、背景掃描、確定波長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)樣液的測(cè)試、待測(cè)樣品測(cè)試等幾個(gè)步驟演示了樣品中鐵含量的測(cè)定過(guò)程。在講解氣相色譜時(shí)，首先仿真軟件展示了儀器的五個(gè)組成部分（氣源、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)），并從實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)方法編輯、進(jìn)樣、結(jié)果分析等步驟演示了苯甲醇混合物的定性和定量分析過(guò)程。假想儀器仿真軟件為虛擬儀器，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)照分解了的儀器組件，進(jìn)行理論的講解。

在大型分析儀器仿真軟件的教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中，可以在講解本儀器理論前，將儀器的整體形貌展示給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)該儀器有初始的認(rèn)識(shí)。當(dāng)講到儀器的組成時(shí)，可以結(jié)合仿真軟件，邊講解邊演示。當(dāng)講到儀器的應(yīng)用時(shí)，將儀器仿真軟件中定量定性分析實(shí)例，展示給學(xué)生。

2.教學(xué)效果。在使用儀器仿真軟件進(jìn)行理論教學(xué)之前，學(xué)生在沒(méi)有見(jiàn)過(guò)各種分析儀器的情況下，對(duì)基本理論知識(shí)的理解比較困難，不能把所學(xué)的理論與儀器實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。尤其在氣相色譜和高效液相色譜的教學(xué)中，不僅要理解色譜分離的原理，還要掌握儀器的各部件組成以及如何設(shè)置儀器的參數(shù)。在將儀器仿真軟件應(yīng)用到理論教學(xué)的兩年以來(lái)，學(xué)生普遍認(rèn)為，儀器仿真軟件使他們對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)更簡(jiǎn)化和直觀，有助于他們對(duì)儀器分析理論知識(shí)的理解，通過(guò)實(shí)例演示，使學(xué)生掌握了每種分析儀器的主要用途。大型儀器仿真軟件的資料庫(kù)中還附帶一些動(dòng)畫，可以應(yīng)用到多媒體教學(xué)中，使教學(xué)內(nèi)容更豐富、生動(dòng)、直觀。課堂調(diào)查結(jié)果表明，絕大部分學(xué)生接受這種教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)認(rèn)為儀器仿真軟件的應(yīng)用活躍了課堂的氣氛。儀器仿真軟件也有利于學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備儀器分析實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能很好地進(jìn)入狀態(tài)。由此可見(jiàn)，無(wú)論在理論教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，雖然大型分析儀器仿真軟件不能代替真正的分析儀器，但是，分析儀器仿真軟件可以彌補(bǔ)大型分析儀器在理論教學(xué)中缺位的現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)又具有一定程度的指導(dǎo)作用。

四、結(jié)語(yǔ)

《儀器分析》作為一門傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，由于儀器和教學(xué)場(chǎng)所分離，以及課程本身的理論性較強(qiáng)等特點(diǎn)，使理論課面臨諸多問(wèn)題和困難。分析儀器仿真軟件雖然不能代替分析儀器實(shí)物，但是，它在時(shí)間和空間上具有很強(qiáng)的操控性，彌補(bǔ)了分析儀器在理論教學(xué)中的局限性。在《儀器分析》理論課中應(yīng)用大型分析儀器仿真軟件，在增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)思路，提高教學(xué)效果方面，起到了積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張靜，劉芬芬，龔波林.基于中美兩所大學(xué)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程比較的思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，（8）：175-177.

[2]周金池，王美娟.研究生儀器分析實(shí)驗(yàn)課程改革思路初探[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，（30）：138-141.

Abstract：Instrumental analysis is a either theoretical course or experimental course.It is an important professional foundation course in the area of chemistry，biology，material，food science，etc.There are some difficulties for undergraduate students to understand and grasp theoretical knowledge of instrumental analysis because it involves broad areas of knowledge.In theoretical teaching process，simulation software is preparatory operated，therefore students have sensibility to instruments.They will easily understand the principle，composition，structure and application of many instruments.They will also comprehensively understand and grasp instrument operating process，analysis method and data analysis，which will improve students ability of scientific practice.

Key words："Instrumental Analysis"；simulation software；theoretical courses