“儀器分析”虛擬仿真教學體系的構建

杜 琨，郭勝利，曾玉鳳，秦榮歡

（玉林師范學院 化學與食品科學學院，廣西 玉林 537000）

1 化學與食品科學學院“儀器分析”教學現(xiàn)狀

玉林師范學院化學與食品科學學院“儀器分析”實驗室承擔了化學、應用化學、化學工程與工藝、食品科學與工程、材料化學5個本專科專業(yè)“儀器分析”及“儀器分析實驗”的教學任務，每年使用實驗室的學生有300人左右，而實驗課只有16個學時，課時不足、經(jīng)費有限，往往需要教師在上課前自己配制好實驗所需試劑并向學生發(fā)放實驗講義，學生按照實驗講義和教師在課堂上的講解及要求進行實驗操作、觀察實驗現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)。在整個過程中，學生缺乏積極主動性，對實驗過程的思考明顯不足。此外，“儀器分析”教學需要的高效氣相色譜儀、高效液相色譜儀等大型儀器設備只有一臺，學生必須分小組進行實驗，教師也要重復講解相同的內容，難以維持課堂紀律，個別學習態(tài)度不端正的學生不認真聽講、不認真做實驗，實驗結束后抄襲實驗報告應付了事。同時，由于同一個時間段內教授的學生過多，部分學生不能直觀地了解儀器內部結構、運行原理和使用方法，甚至因擔心損壞儀器而不敢操作，導致學生未來走上工作崗位真正使用相關大型儀器時，可能因操作不當而損壞儀器，增加儀器損耗和修理費用，無法實現(xiàn)學以致用。

然而，“儀器分析”課程必須開展實驗，這是課堂教學不可或缺的環(huán)節(jié)，學生只有通過足夠的實驗訓練，才能真正掌握書本上的理論知識。玉林師范學院化學與食品科學學院現(xiàn)有的儀器設備難以承擔繁重的教學任務，因此，改革教學方法、探索新的教學途徑勢在必行。

2 應用型本科院校開展“儀器分析”虛擬仿真實驗的必要性

2.1 解決大型儀器數(shù)量少而學生人數(shù)多的矛盾

“儀器分析”教學十分重視培養(yǎng)學生的動手能力，讓學生從實踐中掌握儀器分析的原理和方法。但是，課堂時間有

限且學生人數(shù)多，不能保證每個學生都有足夠的時間完成整個實驗，而且有些實驗試劑的采購十分費時，難以及時補充。近年來，虛擬實驗室的開發(fā)成為解決上述問題的有效手段，也是各個高校探索和研究的熱點[1-2]。

“儀器分析”虛擬實驗室是指利用網(wǎng)絡和仿真技術，在計算機中建立一套虛擬系統(tǒng)，使用仿真軟件模擬真實的實驗器材、藥品、環(huán)境并進行網(wǎng)絡虛擬教學。學生使用計算機中安裝的虛擬仿真軟件進行操作，可通過多次觀看演示錄像，對將要開展的實驗事先在腦海中形成清晰的印象，提高實際操作中的一次成功率[3-4]。

2.2 解決傳統(tǒng)教學模式中驗證性實驗所占比例過大的問題

玉林師范學院化學與食品科學學院“儀器分析”課程的實驗內容基本上只限于教材規(guī)定的實驗，驗證性實驗所占比例過大，“可見分光光度計測定鐵的含量”等設計性實驗和“頭發(fā)中鋅的含量測定”等啟發(fā)性實驗比例很小，不利于學生掌握儀器的構造及實驗原理。對于驗證性實驗，學生只需要按照實驗講義按部就班，不需要更多的思考。許多學生做完驗證性實驗“火焰原子吸收光譜法測定鉛含量”后，只知道用原子吸收光譜儀可以測定水中的鉛含量，將測量對象換成水中的汞含量就不知道使用什么儀器、如何檢測，更談不上將所學知識融會貫通以及利用現(xiàn)有儀器探索新的檢測方法。虛擬仿真實驗則不同，學生可以靈活地預設設計性實驗和啟發(fā)性實驗，然后根據(jù)程序軟件模擬真實的實驗情況。

2.3 調動學生的積極性，提高教學效果

“儀器分析”課程是化學專業(yè)的基礎課程之一，是“分析化學”的重要組成部分。時至今日，“儀器分析”已經(jīng)超越化學領域，發(fā)展成以多學科（物理、數(shù)學、微電子學、統(tǒng)計學、電子、計算機、信息、機械、資源、材料等）為基礎的綜合性分析科學。正因如此，學生普遍感到“儀器分析”課程學習困難。以高效氣相色譜為例，僅通過課堂講解以及觀看多媒體課件，學生對儀器的原理和使用方法知之甚少。

如果采用虛擬教學，教師可以構建仿真虛擬“儀器分析”實驗教學環(huán)境，模擬氣相色譜的基本工作原理、基本結構及光路圖、光程管的工作過程等，讓學生利用虛擬仿真系統(tǒng)進行基本的操作練習。學生通過電腦上的虛擬仿真系統(tǒng)可以獲得對氣相色譜的直觀認識，更有利于調動學生的學習積極性，提高教學效果。

3 虛擬實驗室的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術實驗室簡稱虛擬實驗室。虛擬現(xiàn)實也稱虛擬實境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，利用計算機技術生成一個具有視、聽、觸等多種感知的逼真的虛擬環(huán)境，用戶使用各種交互設備同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，產(chǎn)生身臨其境的感覺，實現(xiàn)交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數(shù)字化人機接口技術。相比傳統(tǒng)的實體實驗室，虛擬實驗室具有以下優(yōu)勢。

3.1 為學生提供生動、逼真的學習環(huán)境

可在網(wǎng)絡中構建人體模型、進行電腦太空旅行、顯示化合物分子結構等，為不同的學科領域提供無限的虛擬體驗，加速和鞏固學生學習知識的過程。親身感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動交互與被動灌輸也有本質區(qū)別。

3.2 降低教學成本

虛擬實驗室突破了教學時間、地點的限制，能充分利用現(xiàn)有的現(xiàn)代化教學設備、提高設備的使用率，避免大型儀器設備的重復添置和浪費。軟件技術是虛擬實驗的關鍵，虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性，能適應測試功能的多樣化，還可用表格和圖形快速、準確地顯示結果，具有傳統(tǒng)實驗難以比擬的優(yōu)勢。

3.3 完成現(xiàn)實中不可能完成的實驗

虛擬仿真實驗教學能實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。在涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況下，虛擬仿真實驗教學能提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，充分體現(xiàn)了虛實結合、相互補充、能實不虛的原則。

3.4 及時更新設備和教學內容

利用虛擬現(xiàn)實技術建立的虛擬實訓基地，其“設備”與“部件”多是虛擬的，可以隨時生成新的設備。教學內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上技術的發(fā)展。同時，虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性使學生能在虛擬的學習環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入學習、不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能[5-6]。

4 化學與食品科學學院“儀器分析”虛擬實驗室簡介

玉林師范學院化學與食品科學學院擁有廣西壯族自治區(qū)級虛擬仿真實驗教學中心—化學化工虛擬仿真實驗教學中心。中心成立于2012年，是由化學工程與工藝、食品科學與工程、材料化學、應用化學、化學5個一級學科交叉融合形成的多學科研究中心，2015年5月升格為區(qū)級虛擬仿真實驗中心，網(wǎng)頁如圖1所示。

圖1 玉林師范學院化學與食品科學學院區(qū)級虛擬仿真實驗中心網(wǎng)頁截圖

玉林師范學院化學與食品科學學院化學化工虛擬仿真實驗教學中心的特色與創(chuàng)新體現(xiàn)在以下3個方面：（1）為學生提供“虛實結合、相互補充”的教學環(huán)境，實現(xiàn)了理論教學、實物實訓、仿真創(chuàng)新的相互補充；（2）體現(xiàn)了基礎性、綜合仿真性、綜合專業(yè)應用性，實現(xiàn)了課內與課外、教學與科研相結合，充分體現(xiàn)了教學改革的新方向和新特色；（3）中心與地方重點優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結合，校企共建共享，建立了多層次、立體化的虛擬仿真體系，為企業(yè)培養(yǎng)了高素質人才，實現(xiàn)了校企共享。

5 “儀器分析”虛擬實驗體系在實踐中的應用

以“高效氣相色譜法測定白酒中的甲醇”為例，學生在仿真軟件上可以模擬現(xiàn)實中的實驗操作，先模擬再實踐。

課前，教師要購買高效氣相色譜儀虛擬仿真軟件，數(shù)字化設定所有氣路參數(shù)，流量和壓力精確穩(wěn)定，憑借精確的氣路控制、較快的柱箱升溫速度、高速的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可得到與原譜圖分離度相同而速度快2～10倍的結果。本實驗把不同的樣品設成不同的培訓項目，每個項目又分為練習模式和考試模式，在考試模式下無任何提示信息，在練習模式下有評分幫助和提示信息。

引導學生做實驗時，教師要先介紹開機步驟，讓學生了解氣相色譜儀的開機準備過程及相關化學站的使用，再完整播放一遍整個氣相色譜儀的操作流程，然后讓學生按照演示的錄像在虛擬操作系統(tǒng)上逐步完成實驗。

實驗結束后，學生點擊“查看譜圖”進入實驗結果顯示界面，可以看到自己的實驗操作結果，以藍色線峰圖表示。作為比較，實驗以紅色線峰圖做出標準操作后的標準峰，如果操作正確，會和紅色線峰完全重合，操作中部分主要參數(shù)列表顯示在紅色線峰圖旁邊，學生可以通過反復多次的練習達到熟練完成實驗的目的。最后，學生要整理相關實驗數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡上完成并提交實驗報告[7-8]。圖2是真實的“高效氣相色譜法測定白酒中的甲醇”虛擬教學場景。

圖2 真實的“高效氣相色譜法測定白酒中的甲醇”虛擬教學場景

從教學實踐結果來看，達到了預期的目的。玉林師范學院化學與食品科學學院只有一臺島津G2030高效氣相色譜儀，儀器使用過程復雜、維護成本較高，因此，學生動手操作的機會少。對其進行原理解析、使用規(guī)范、故障分析處理等方面的仿真教學，極大地緩解了分析儀器不足造成的問題，提高了教學效果。

以此為鑒，玉林師范學院化學與食品科學學院其他大型儀器也可借助大型儀器模擬操作軟件庫，使學生在不浪費昂貴的標準物質、耗材以及不損耗設備的基礎上開展虛擬仿真模擬操作，為真實上機做足準備，可大大提高學生對大型氣相色譜儀、液相色譜儀等儀器的使用熟練程度和動手測樣水平[9-10]。

6 “儀器分析”虛擬實驗體系存在的問題及改進建議

本研究所述虛擬仿真實驗取得了較好的效果，提供了人機交互的網(wǎng)絡環(huán)境，但是通過實踐也發(fā)現(xiàn)了一些明顯的不足，主要有以下3點。

6.1 不利于教師因材施教

虛擬教學不能很好地識別學習者在真實環(huán)境下表現(xiàn)出來的個性差異，不利于教師因材施教[11]。在現(xiàn)實生活中，每個學生都是不同的，有生命活力的個體由于各自的社會、文化背景等不同，面對同一個問題時，表現(xiàn)出明顯的個性差異，而這些個性差異在網(wǎng)絡教學中完全無法體現(xiàn)。在虛擬仿真教學系統(tǒng)中，程序的設定是固定的，每個學生都能熟能生巧，實踐能力很差的學生往往也能完美地完成實驗，教師看不到學生的個性差異，不利于教師因材施教。

6.2 不利于培養(yǎng)學生的集體主義精神

在實地教學中，常常每4個或5個學生為一組，共同完成某項實驗，每個學生各司其職，面對的都是真實的儀器。每個人的表現(xiàn)都會被同伴注意到并被評價，有利于學生進步[12]。但是在虛擬仿真教學中，每個實驗都是由學生在電腦上單獨完成，缺乏集體合作的氛圍，不利于培養(yǎng)學生的集體主義精神，在這一點上，虛擬教學遠遜于實地教學。

6.3 易弱化教師教學主導地位

在虛擬仿真教學中，教學主要由計算機上的軟件引導，學生不需要教師的指導就能完成實驗，會在一定程度上使教師失去教學主導地位，影響教師開展教學活動的積極性，也不能時刻監(jiān)測學生的實驗進展，影響教學效果[13]。

7 結語

節(jié)省實驗成本、提高培養(yǎng)效率是虛擬仿真實驗的優(yōu)勢。但是，虛擬仿真實驗初期投入的成本較高，包括仿真教學系統(tǒng)平臺、多媒體教室和仿真軟件等。此外，虛擬仿真實驗給人的使用體驗和實際達到的實驗效果都有欠缺。在實地實驗中，教師可直觀地看到學生的實驗情況，而虛擬仿真實驗存在空間的隔離。以上情況表明，虛擬仿真實驗還不能完全替代實地教學，在實踐中應貫徹“能實不虛”的原則，將虛擬仿真教學作為教學手段的有效拓展、實地教學的有益輔助和補充。