虛擬仿真技術(shù)在儀器分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用探析
——以“元素分析實驗”為例

張澤敏 ,唐澤恬

（1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州六盤水 553000；2.六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水 553000）

0 引言

儀器分析實驗課程涉及化學(xué)、化工、制藥、食品、環(huán)境、材料等專業(yè)，該課程是一門理論和實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)課程[1-3]。通過該課程的學(xué)習(xí)能夠鞏固和加深學(xué)生對各類常用儀器分析方法基本原理的理解，增強(qiáng)學(xué)生儀器分析方法的定性及定量分析技術(shù)，同時掌握各種分析儀器的基本操作方法和實驗數(shù)據(jù)與圖譜的分析處理方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代儀器分析測試技術(shù)的技能和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和良好的實驗素養(yǎng)。本校儀器分析實驗課程對化工專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)有：1）了解化工專業(yè)常用的現(xiàn)代儀器、信息技術(shù)工具、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性；2）基于自然科學(xué)、專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)復(fù)雜化學(xué)工程問題的培養(yǎng)目標(biāo)；3）能夠根據(jù)化學(xué)工程對象特征，選擇研究路線，設(shè)計實驗方案。然而，運(yùn)用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行儀器分析實驗課程的教學(xué)對于化工專業(yè)已經(jīng)無法達(dá)成這些培養(yǎng)目標(biāo)。因此，想要培養(yǎng)出以上三個目標(biāo)的化工專業(yè)人才，改革創(chuàng)新儀器分析實驗課程的教學(xué)方式尤為重要。隨著虛擬仿真技術(shù)運(yùn)用的推廣及普及，人們發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在很多方面能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的各方面不足。例如，虛擬仿真技術(shù)的加入能夠輔助傳統(tǒng)儀器分析實驗教學(xué)[4-6]，既能提高教學(xué)質(zhì)量，又能針對性地提高學(xué)生對虛擬仿真軟件及系統(tǒng)的掌握。這恰好是化工專業(yè)綜合性及應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求之處。因此，通過分析儀器分析實驗的課程特點(diǎn)，將虛擬仿真技術(shù)引入儀器分析實驗課程來培養(yǎng)綜合性和應(yīng)用型人才具有重要的意義。

1 儀器分析實驗教學(xué)特點(diǎn)分析

儀器分析實驗課程的設(shè)備成本一般較高，對場地環(huán)境要求也很嚴(yán)格[7]。以本次研究對象元素分析實驗中的Elementar 元素分析儀為例，此儀器為進(jìn)口儀器，不僅價格較高，且維修及保養(yǎng)成本也不低，因此，學(xué)校有且只有一臺該儀器，其他大型儀器也是類似。同時，大型精密儀器的運(yùn)行往往通過工作站軟件控制，只能看到儀器外表，無法深入了解其內(nèi)部構(gòu)造和分析檢測過程，從而無法與儀器原理及功能相關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致儀器分析實驗比較抽象。例如運(yùn)用元素分析儀測未知樣品的各種元素含量時，開機(jī)、關(guān)機(jī)、載氣流速控制、溫度控制等操作，僅僅需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以在電腦工作站上完成，學(xué)生很難理解樣品的燃燒、還原、吸附分離及檢測過程，從而無法做到根據(jù)實驗結(jié)果來調(diào)整實驗參數(shù)，達(dá)不到實踐教學(xué)的目的。

此外，儀器分析實驗操作過程較復(fù)雜，前處理耗時比較長，如元素分析實驗前處理中需要將各參數(shù)設(shè)置好，等待儀器燃燒管升溫至1150℃、還原管升溫至850℃、TDC 檢測器升溫至60℃左右才能進(jìn)行實驗。而且待測樣品的處理（如調(diào)整樣品粒徑大小及樣品包樣等）過程比較煩瑣，導(dǎo)致學(xué)生害怕動手操作。在學(xué)生不能完全熟悉儀器原理及使用方法的情況下操作儀器，會容易損壞儀器，造成該課程無法正常進(jìn)行，為實驗教學(xué)帶來很大的不便，使整個教學(xué)效果適得其反。因此，如何在保證大型精密儀器完好的條件下，使學(xué)生更完整地掌握儀器分析原理及儀器詳細(xì)操作方法，能夠讓學(xué)生自主上手，完成大型儀器分析實驗，達(dá)到良好的教學(xué)效果，一直是大型儀器分析實驗課程的一大難題[8]。

2 虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)的設(shè)計

虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用具有廣泛性，可以不受環(huán)境場地和學(xué)生人數(shù)影響。還具有實驗成本低的優(yōu)點(diǎn)，虛擬仿真技術(shù)只需要一臺電腦，通過軟件模擬儀器結(jié)構(gòu)原理及使用方法就可以直觀可視化整個實驗過程，且學(xué)生可以根據(jù)自身情況反復(fù)練習(xí)。同時，虛擬仿真技術(shù)可隨著教學(xué)實際情況和儀器更新情況不斷改進(jìn)，即使儀器過時也能讓學(xué)生學(xué)到最新儀器結(jié)構(gòu)及原理。對于學(xué)生來說，實驗操作視角只能觀察到儀器表面，儀器內(nèi)部無法拆卸部分重要結(jié)構(gòu)卻無法直觀了解，造成學(xué)生無法理解操作原理。而虛擬仿真技術(shù)體系則能使實驗在軟件設(shè)計過程中將儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀展示出來，將反應(yīng)過程直觀簡單地呈現(xiàn)出來，加深學(xué)生對儀器結(jié)構(gòu)和使用原理的理解從而體驗到逼真實驗效果。如果在學(xué)生實際操作之前先進(jìn)行儀器仿真技術(shù)學(xué)習(xí)，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠在實際操作之前先入為主了解儀器。實際操作時學(xué)生能夠通過已經(jīng)系統(tǒng)化的儀器結(jié)構(gòu)思維和原理得心應(yīng)手地進(jìn)行操作，讓學(xué)習(xí)過程更加情景化，且能提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

針對我校大型儀器分析元素分析實驗，進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用探討。首先，教師自主剖析該儀器各模塊結(jié)構(gòu)并設(shè)計出整個儀器的操作流程（如圖1），讓學(xué)生在學(xué)習(xí)元素分析儀操作流程的時候建立整體儀器原理系統(tǒng)。其次，將學(xué)生無法觀察到的燃燒室結(jié)構(gòu)、吸附柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真設(shè)計（如圖2）。課堂教學(xué)時結(jié)合實體儀器結(jié)構(gòu)與虛擬仿真設(shè)計使學(xué)生進(jìn)一步明確實驗的基本原理和操作步驟，學(xué)生可在無法觀察到儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也能清楚地獨(dú)立進(jìn)行儀器操作，避免操作不規(guī)范的問題發(fā)生。同時，學(xué)生仿真設(shè)計學(xué)習(xí)和實際儀器操作后，教師通過布置學(xué)生自行將整個儀器工藝流程圖用CAD仿真軟件進(jìn)行繪制，并對該實驗總結(jié)。同時教師也對學(xué)生的完成情況進(jìn)行評閱，以達(dá)到學(xué)生能夠?qū)W(xué)到的知識點(diǎn)及時反饋的效果。

圖1 元素分析儀工作原理流程圖

圖2 元素分析儀燃燒室結(jié)構(gòu)（左）及吸附柱結(jié)構(gòu)（右）三維虛擬仿真模擬圖

3 虛擬仿真技術(shù)結(jié)合實際操作的教學(xué)實施及成效分析

3.1 虛擬仿真技術(shù)結(jié)合實際操作的教學(xué)實施

教學(xué)實施過程是整個課程最為重要的環(huán)節(jié)，化工專業(yè)人數(shù)總共36人，分為六組，每組6個學(xué)生，整個教學(xué)過程主要分為四部分（見表1）。1）課前教師下發(fā)實驗學(xué)案，學(xué)生根據(jù)學(xué)案針對性地進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)。2）課程中教師對學(xué)生預(yù)習(xí)情況進(jìn)行考查并對預(yù)習(xí)不到位的地方進(jìn)行補(bǔ)充。其次，讓學(xué)生參觀元素分析儀后開始整個實驗理論講解及虛擬仿真模擬部分的學(xué)習(xí)，此部分主要針對儀器結(jié)構(gòu)原理及操作步驟。實際操作之前教師向?qū)W生演示整個實驗操作步驟，并強(qiáng)調(diào)操作注意事項。接下來根據(jù)講解內(nèi)容及仿真學(xué)習(xí)進(jìn)行實際操作。實際操作中將兩個人分為一個小組合作完成未知樣品元素的測定實驗。學(xué)生實際操作主要包含包樣品、儀器簡單拆裝、儀器氣體檢漏、儀器工作臺上各參數(shù)的設(shè)置、測樣。教師根據(jù)實際操作情況進(jìn)行課堂表現(xiàn)打分。這樣的組合及操作既能使每個學(xué)生都能身臨其境地感受實驗操作氛圍，切身體會每個操作步驟，使他們的學(xué)習(xí)具有連貫性、整體性，也能增強(qiáng)學(xué)生之間的合作能力。完成整個實驗操作之后，學(xué)生對自己的操作情況進(jìn)行自我評分，并在后續(xù)的實驗報告中體現(xiàn)出實驗操作反思。3）實驗報告的完成，學(xué)生對整堂課的學(xué)習(xí)進(jìn)行實驗報告撰寫，與以往不同的是，教師根據(jù)化工專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)下發(fā)了每個學(xué)生都必須根據(jù)課程學(xué)習(xí)情況獨(dú)自運(yùn)用CAD 軟件對整個儀器工藝流程進(jìn)行繪圖的任務(wù)。4）教師批閱實驗報告，根據(jù)學(xué)生實驗報告中儀器原理及詳細(xì)操作步驟描述、數(shù)據(jù)分析與處理、CAD 工藝流程圖、實驗反思四部分進(jìn)行打分，完成整個教學(xué)過程的實施。

表1 課程實施及教學(xué)成效分析

3.2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用后的教學(xué)成效分析

教學(xué)成效分析主要體現(xiàn)在學(xué)生實驗預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、實驗操作、實驗報告及綜合評價幾部分（詳見表1）。在以往的教學(xué)模式中，學(xué)生每個模塊的得分幾乎相近，學(xué)生在實驗操作部分丟分的情況比較多，甚至在操作過程中損壞儀器，給教學(xué)造成了一定的拖延。而引用虛擬仿真技術(shù)以后，學(xué)生在實驗操作及實驗報告兩個模塊得分項有了明顯的提高，全班所有學(xué)生實驗操作部分均達(dá)到了85.0 分。實驗報告的撰寫也比以往傳統(tǒng)授課方式的學(xué)生更具有邏輯性。如實驗原理及操作步驟這塊的撰寫中大部分學(xué)生運(yùn)用了思維導(dǎo)線圖的模式表達(dá)，實驗數(shù)據(jù)處理及分析中也更加細(xì)致，額外增加的CAD 繪圖任務(wù)也表現(xiàn)得較好（如圖3）。綜合評分80.0 分以上的學(xué)生占到了1/3，比以往傳統(tǒng)模式的學(xué)生80.0 分以上的學(xué)生僅有幾個的情況提高了很多。該實驗?zāi)繕?biāo)直接達(dá)成度達(dá)到了0.810，總體達(dá)成度達(dá)成。實踐表明，整個課程實施過程中，虛擬仿真技術(shù)起到了關(guān)鍵的作用，虛擬仿真模擬技術(shù)與實際儀器操作相互相輔相成，不僅有效地增強(qiáng)了學(xué)生的儀器系統(tǒng)性理解和動手能力，還加強(qiáng)了儀器工藝流程的虛擬仿真模擬。

圖3 學(xué)生CAD繪制元素分析儀工藝流程圖

此外，針對學(xué)生在實驗中出現(xiàn)的一些狀況，如部分學(xué)生課前預(yù)習(xí)不充分的問題。在今后的課程實施過程中要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)實驗預(yù)習(xí)的重要性，加強(qiáng)對學(xué)生的課前監(jiān)督。同時，教師應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)知識的學(xué)習(xí)，了解前沿的學(xué)科知識，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代儀器分析測試技術(shù)的技能性和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和良好的實驗素養(yǎng)，為培養(yǎng)綜合性和應(yīng)用性人才打下堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

儀器分析實驗課程（元素分析實驗）中引入虛擬仿真技術(shù)，使化工專業(yè)的儀器分析實驗課程中包含虛擬仿真模擬加實際操作的教學(xué)。通過實踐表明，虛擬仿真技術(shù)與實際儀器操作相互相輔相成，有效地增強(qiáng)了學(xué)生的儀器系統(tǒng)性理解和動手能力，還加強(qiáng)了儀器工藝流程的仿真模擬，為培養(yǎng)綜合性和應(yīng)用型人才提供了很好的教學(xué)指導(dǎo)。該課程教學(xué)方法的改進(jìn)及實施目前得到了良好的教學(xué)反饋，為高?；I(yè)儀器分析實驗課程引入虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)改進(jìn)提供了導(dǎo)向。