線上線下融合的仿真實驗軟件(電子書)研發(fā)及其教學(xué)應(yīng)用
——以毛細(xì)管電泳實驗為例

謝天堯，黃詩穎，鄧愛玲，肖華

中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣州 510275

儀器分析實驗教學(xué)實踐中，我們已經(jīng)認(rèn)識到：學(xué)生在預(yù)習(xí)時常常會感覺到紙質(zhì)版教材上的儀器原理和操作介紹很抽象，有些教材上雖然附有圖片，但通常是靜態(tài)黑白圖片，顯得十分單調(diào)。學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中容易失去興趣，對實驗原理不能真正地理解，對儀器部件的功能缺乏較為全面的認(rèn)識和理解；因不熟悉儀器的正確使用方法而進行錯誤操作，造成實驗的中斷或儀器的損壞。另外，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中由于受到實驗課時的限制，提供給學(xué)生理解實驗過程和有效掌握實驗技能的時間、空間十分有限。這樣，學(xué)生所獲得的實驗體驗并不深刻，顯然這是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一個短板，嚴(yán)重制約了實驗課程教學(xué)效果的進一步提升，是實驗教學(xué)改革亟需解決的一個關(guān)鍵問題[1-3]。

現(xiàn)代科技的發(fā)展帶來了豐富的教學(xué)資源，包括各種動畫、3D仿真、虛擬資源等。在此背景下，仿真教學(xué)迅速發(fā)展起來并成為人們重視的教學(xué)新方法[4-6]。相對于理論課仿真教學(xué)，仿真實驗教學(xué)課程的建設(shè)更具挑戰(zhàn)性[7-9]。仿真實驗軟件可以提供內(nèi)容豐富、生動逼真、形象直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供動靜結(jié)合、圖文并茂的教學(xué)內(nèi)容，以豐富的視覺傳達幫助學(xué)生進行多感觀的學(xué)習(xí)，這樣無疑會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，促進學(xué)生對實驗原理的理解和實驗儀器的熟悉。另外，仿真實驗軟件還能夠為學(xué)生提供反復(fù)練習(xí)和自主學(xué)習(xí)的機會，學(xué)生不必在規(guī)定的時間內(nèi)匆忙地完成實驗過程，不論身處何時何地，只要有電腦和iPad，就可以通過軟件反復(fù)地學(xué)習(xí)儀器分析實驗的相關(guān)知識點，直到熟練掌握。這樣就實現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)地點和學(xué)習(xí)次數(shù)的自主性。

實踐中，人們已經(jīng)充分認(rèn)識到虛擬仿真實驗的重要作用。對于儀器分析這類實踐性較強的實驗課程，文獻也明確指出：“虛擬仿真實驗不能取代真實實驗”，要求做到“以虛補實”“虛實結(jié)合”“線上線下相融合”方可取得最佳的實驗教學(xué)效果[4,9]。因此，在虛擬仿真實驗軟件的開發(fā)或選用上，不能盲目進行，須以真實實驗為基礎(chǔ)。虛擬仿真實驗應(yīng)圍繞真實實驗的核心內(nèi)容，為真實實驗服務(wù)。我們“儀器分析實驗”教學(xué)小組在科研成果基礎(chǔ)上開發(fā)出“毛細(xì)管電泳/非接觸式電導(dǎo)分離檢測礦泉水中的陽離子”實驗內(nèi)容，并應(yīng)用于我院本科生的實驗教學(xué)[10,11]。該實驗采用了自主研發(fā)的分析儀器，理論與實踐相結(jié)合，學(xué)生能親自動手操作毛細(xì)管電泳儀器對瓶裝礦泉水中4種瓶簽標(biāo)注陽離子(K+，Na+，Mg2+，Ca2+)進行分離檢測，獲取分析檢測結(jié)果，并與瓶簽標(biāo)注含量進行對比，很受學(xué)生歡迎。目前與毛細(xì)管電泳相關(guān)的虛擬仿真實驗項目的開發(fā)和教學(xué)應(yīng)用雖已有報道，但經(jīng)過調(diào)研，上述虛擬仿真實驗軟件的內(nèi)容與我院正在進行的真實實驗內(nèi)容不一致，不能滿足線上與線下實驗相匹配的要求。為此，我們以真實實驗為核心，參考兄弟院校成功開發(fā)仿真實驗軟件的經(jīng)驗，自主開發(fā)與之配套并具自身特色的仿真實驗軟件(電子書)。電子書涵蓋了實驗原理、儀器介紹、樣品制備、儀器參數(shù)設(shè)置、樣品測試、數(shù)據(jù)處理、實驗報告等完整的實驗流程，與我院現(xiàn)行的真實實驗和紙質(zhì)版教材配套使用。實現(xiàn)“虛擬實驗”與“真實實驗”相結(jié)合，線上線下實驗教學(xué)相結(jié)合，拓展實驗教學(xué)的廣度和深度，切實提高實驗教學(xué)質(zhì)量和水平。

1 仿真實驗軟件的設(shè)計思路和目標(biāo)

儀器分析虛擬仿真實驗軟件的開發(fā)應(yīng)圍繞真實實驗的核心內(nèi)容，為真實實驗服務(wù)，實現(xiàn)“虛擬實驗”與“真實實驗”相結(jié)合，線上線下實驗教學(xué)相結(jié)合。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們在仿真實驗軟件的設(shè)計思路上，主要圍繞以下3個方面：

(1) 仿真實驗軟件設(shè)計成電子書的格式，與現(xiàn)行的紙質(zhì)版實驗教材的編寫格式基本一致，符合學(xué)生在預(yù)習(xí)和真實實驗過程中的思維習(xí)慣。紙質(zhì)版實驗教材的章節(jié)包括：實驗?zāi)康摹嶒炘?、儀器試劑、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、注意事項和思考題等6個部分。仿真實驗軟件(電子書)的章節(jié)編寫格式和次序與我院現(xiàn)行的真實實驗和紙質(zhì)版教材基本一致，如圖1所示。包括了：實驗原理、儀器介紹、樣品制備、儀器參數(shù)設(shè)置、樣品測試、數(shù)據(jù)處理、實驗報告等完整的實驗流程。

圖1 仿真實驗軟件(電子書)的章節(jié)和封面

(2) 對分析儀器的認(rèn)知水平在學(xué)生科研能力的培養(yǎng)中顯得至關(guān)重要。學(xué)生對分析儀器的工作原理、結(jié)構(gòu)和功能的了解程度與實驗成效密切相關(guān)。因此學(xué)生在了解毛細(xì)管電泳儀工作原理的同時，還應(yīng)了解毛細(xì)管電泳儀的基本構(gòu)造以及各部件的功能和儀器操作要點。對這些相關(guān)知識的講解必須形象生動，而書本上的知識往往比較抽象，有的學(xué)生可能從未接觸過分析儀器，不了解儀器就開始做實驗，這就造成實驗教學(xué)中的脫節(jié)現(xiàn)象，進而影響實驗效果。因此在仿真實驗軟件中，需采用豐富多彩的動畫、實物圖片和3D仿真情景，來講解實驗原理、儀器結(jié)構(gòu)以及儀器操作流程，不但可以演示還可進行簡單的模擬操作，以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的缺陷，使得學(xué)生獲得更多的感性認(rèn)識。

(3) 長期的教學(xué)實踐證明，儀器分析實驗結(jié)果的誤差大部分是由于不正確的基本操作而引起。因此在仿真實驗軟件設(shè)計時，除毛細(xì)管電泳儀主機外，力求將實驗中使用到的其他儀器，例如：微量移液槍、分析天平、超聲波清洗器、超純水機等實驗儀器，以及電泳運行液配制、石英毛細(xì)管清洗、樣品進樣、標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢驗、超純水的檢驗等基本操作通過動畫方式納入到軟件中，要求學(xué)生進行嚴(yán)格規(guī)范的仿真練習(xí)，若操作不當(dāng)，程序?qū)⑦M行出錯提示。這樣，學(xué)生可在軟件上反復(fù)練習(xí)這些基本操作，掌握實驗的技能知識點，避免常規(guī)性錯誤。

2 仿真實驗軟件開發(fā)流程和功能實現(xiàn)

2.1 仿真實驗軟件開發(fā)流程

仿真實驗軟件的開發(fā)有多種編程語言可供選擇，但考慮到開發(fā)完成以后仿真軟件的操作簡易性以及對運行平臺的低依賴性和高兼容性，即：只要有電腦(甚至無需網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通)，學(xué)生就可以隨時隨地通過仿真實驗軟件反復(fù)地進行自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)學(xué)習(xí)時間、地點和次數(shù)的自主性。經(jīng)過對比，我們選擇了采用HTML格式的Web開發(fā)工具：Html help Workshop (HHW)來研制仿真實驗軟件(電子書)。HHW無需復(fù)雜的編程過程，無需高深的編程知識。對開發(fā)人員的編程基礎(chǔ)要求較低，只需熟悉網(wǎng)頁制作和章節(jié)編排就可勝任。這對于不具備計算機專業(yè)編程知識的化學(xué)工作者來說十分友好?；瘜W(xué)工作者通過簡單的學(xué)習(xí)就可以掌握其技能，進而成為仿真實驗軟件開發(fā)的真正“主角”，以更為專業(yè)的角度闡述事件。另外，只要平臺上有網(wǎng)頁瀏覽器(這一點幾乎無限制性)，電子書就可以良好運行，內(nèi)存需求小，且可以跨平臺運行，無需再安裝其他復(fù)雜的運行器。HTML界定基本成員以及層次結(jié)構(gòu)，是整個Web頁面的骨架核心。網(wǎng)頁文件可以通過熟知的Word文檔進行事先編輯，使之具有美觀、人性化的界面(GUI)。通過Photoshop、Flash、3D Max等圖畫工具軟件構(gòu)建素材庫中的關(guān)鍵元素(動畫、圖片、3D仿真)[12-15]，并在編制網(wǎng)頁文件時加以調(diào)用，其中3D Max可為真實儀器做3D圖建模，實現(xiàn)高仿真情景；Photoshop進行圖片處理和完善，F(xiàn)lash構(gòu)建動畫仿真操作。通過腳本解析和添加超鏈接的方式，實現(xiàn)網(wǎng)頁文件中組件的鼠標(biāo)監(jiān)聽，完成動態(tài)程序功能以及響應(yīng)用戶操作。仿真實驗軟件整體邏輯流程圖如圖2所示。其中素材庫中各元素的構(gòu)建是關(guān)鍵，最為耗費精力和時間，且最能體現(xiàn)科學(xué)性和藝術(shù)性的完美結(jié)合。

圖2 仿真實驗軟件開發(fā)的整體邏輯流程圖

2.2 仿真實驗軟件的功能模塊設(shè)計

仿真實驗軟件主要圍繞實驗原理、儀器介紹、樣品制備、儀器參數(shù)設(shè)置、樣品測試、數(shù)據(jù)處理、實驗報告等幾個主要環(huán)節(jié)展開研發(fā)，因此在開發(fā)時按其功能主要劃分為5大模塊：原理模塊、儀器拆解模塊、操作模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、注意事項模塊。各個大模塊又由數(shù)個小模塊組成。仿真實驗軟件整體的功能模塊如圖3所示。

圖3仿真實驗軟件的功能模塊

2.3 仿真實驗軟件模塊功能的實現(xiàn)

仿真實驗軟件中的功能模塊，在軟件編譯過程中是通過超鏈接的方式嵌入電子書文檔之中。學(xué)生在瀏覽電子書的時候，可以十分方便地用鼠標(biāo)點擊某一模塊的關(guān)鍵詞，就可以顯示該模塊的界面(動畫、實物圖片、3D仿真等)。例如，若要顯示“CE分離原理圖”，只需打開電子書中“實驗原理”一頁，用鼠標(biāo)點擊頁面中的“參見CE分離原理圖”(圖4A)，就可觀看K+、Na+、Mg2+、Ca2+4種陽離子在石英毛細(xì)管中的CE分離動態(tài)畫(圖4B)。通過“再看一遍”按鈕，學(xué)生可以反復(fù)地觀看這個CE分離動態(tài)畫。另一種便捷的方法是通過電子書自帶的“搜索”引擎，搜索關(guān)鍵詞“CE分離原理圖”(或者是通過模糊搜索“原理圖”)，也可以十分簡便地調(diào)出該模塊的功能。其他模塊功能的調(diào)用，以此類推。

圖4 仿真實驗軟件中模塊功能“CE分離原理圖”的顯示

3 仿真實驗軟件的教學(xué)應(yīng)用

3.1 仿真實驗軟件的教學(xué)實施過程

我院的儀器分析實驗課程除了面向本院的本科生外，同時還接受其他學(xué)院學(xué)生的選課學(xué)習(xí)，以及大學(xué)生創(chuàng)新實踐項目、本科畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)，每年校內(nèi)受益學(xué)生達300余人。儀器分析實驗課程具有受益面廣、影響力大的特點。真實實驗由于受課時和空間的限制，須采取分組和大循環(huán)的方式開展實驗，而且單個實驗要求學(xué)生在3個課時內(nèi)完成。為了充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)能為學(xué)生提供學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)地點和學(xué)習(xí)次數(shù)自主性的優(yōu)勢，做到“以虛補實”“虛實結(jié)合”“線上線下相融合”的最佳實驗效果，為此將研發(fā)完成的仿真實驗軟件發(fā)布在中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院實驗教學(xué)平臺(國家級實驗教學(xué)示范中心)上，學(xué)生憑校園卡ID驗證后下載使用(后續(xù)將會放在中山大學(xué)校級虛擬仿真教學(xué)平臺上供讀者學(xué)習(xí)和體驗)。在真實實驗開始前，要求學(xué)生先完成虛擬仿真實驗，完成思考題練習(xí)和小測驗。并根據(jù)虛擬實驗數(shù)據(jù)，提交預(yù)習(xí)報告。實驗成績的評定方面，將虛擬仿真實驗和真實實驗兩部分綜合起來，作為成績評定依據(jù)，建立更為合理全面的評價體系。

3.2 “虛實結(jié)合”“線上線下結(jié)合”的教學(xué)模式和教學(xué)效果

虛擬仿真實驗軟件是由儀器分析課程組有經(jīng)驗的一線教師根據(jù)課程建設(shè)的需要，自主設(shè)計開發(fā)完成。其內(nèi)容經(jīng)過反復(fù)討論修改，以確保每個設(shè)計環(huán)節(jié)的科學(xué)性和合理性。依照“虛實結(jié)合”“線上線下結(jié)合”的原則，所有實驗素材及實驗數(shù)據(jù)均從真實儀器上獲得。特別是仿真實驗軟件中的儀器拆解、原理動態(tài)圖、樣品制備、儀器參數(shù)設(shè)置、毛細(xì)管沖洗、實驗疑難與解決方法等部分采用豐富多彩的動畫、實物圖片、3D仿真情景的形式顯示，凸顯了仿真實驗軟件(電子書)較之紙質(zhì)版實驗教材的優(yōu)勢。仿真實驗軟件的部分操作界面截圖如圖5(a)-(e)所示。

圖5 仿真實驗軟件的部分操作界面截圖

對虛擬仿真實驗的使用效果進行了學(xué)生問卷調(diào)查。結(jié)果表明，學(xué)生對于這種新的教學(xué)方式接受度很高(達100%)。認(rèn)為仿真實驗很有趣，并期待走進實驗室完成下一階段的真實實驗。真實實驗后，學(xué)生在書寫實驗報告的過程中，可以再次利用仿真實驗進行實驗過程的回放，進一步加深對真實實驗要點的理解，切實感受到實驗教學(xué)質(zhì)量的提高以及實驗過程中所得到的收獲。與此同時，也對存在的不足之處和意見作了收集，為仿真實驗軟件的進一步完善和升級改造打好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

在開展虛擬仿真實驗教學(xué)實踐時，特別是對于儀器分析這類實踐性較強的實驗課程，不能盲目地進行或是簡單使用儀器公司的仿真軟件。虛擬仿真實驗須以真實實驗為基礎(chǔ)，為真實實驗服務(wù)。做到“以虛補實”“虛實結(jié)合”“線上線下結(jié)合”的方法運用，提升整體實驗教學(xué)質(zhì)量效果，使學(xué)生享受到現(xiàn)代化教學(xué)的成果。飛速發(fā)展的現(xiàn)代科技為儀器分析實驗教學(xué)提供了機遇，同時也提出了挑戰(zhàn)。時代要求教師與時俱進，積極學(xué)習(xí)利用各種現(xiàn)代教育工具，對實驗教學(xué)手段進行革新，延伸實驗教學(xué)的時間和空間，拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和水平，更好地完成課程培養(yǎng)目標(biāo)。本文將為儀器分析仿真實驗軟件的研發(fā)和教學(xué)應(yīng)用提供一個新方法和新途徑。