淺談仿真技術(shù)在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用

王 鈺

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

淺談仿真技術(shù)在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用

王 鈺

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

職業(yè)院校儀器分析課程以培養(yǎng)學(xué)生分析儀器的應(yīng)用能力為目標(biāo)。將儀器分析仿真技術(shù)引入課堂，豐富了教學(xué)手段，促進(jìn)了教學(xué)改革，較好地解決了學(xué)生由于設(shè)備條件限制而不能動(dòng)手操作的問題。實(shí)踐表明，儀器分析仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生操作技能，而且能大幅度降低教學(xué)成本，達(dá)到了多、快、好、省的效果。

仿真技術(shù)；儀器分析；教學(xué)應(yīng)用

儀器分析是指采用較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測(cè)量物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類方法。作為現(xiàn)代分析測(cè)試手段，儀器分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、化工冶金、環(huán)境保護(hù)、食品保健等多個(gè)領(lǐng)域。因此，儀器分析成為職業(yè)院校許多專業(yè)的一門必修課程。

1 目前儀器分析教學(xué)中存在的問題

職業(yè)教育目標(biāo)是培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才，學(xué)生除需牢固掌握必備的專業(yè)理論知識(shí)外，還應(yīng)重點(diǎn)掌握專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H操作技能，貼近生產(chǎn)、技術(shù)、管理和服務(wù)崗位[1]。儀器分析是一門以實(shí)踐為基礎(chǔ)的課程，學(xué)生應(yīng)主要通過實(shí)踐掌握儀器分析方法，然而在目前儀器分析課程教學(xué)過程中，還存在以下問題：（1）儀器分析課程所用教學(xué)設(shè)備，如紅外光譜儀、高效液相色譜儀、質(zhì)譜儀等價(jià)格較昂貴，許多院校受資金或辦學(xué)場(chǎng)地限制，無法購(gòu)置大量?jī)x器設(shè)備滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)要求，條件較差的學(xué)校甚至不能配備課程所需的全部分析儀器。大多數(shù)實(shí)訓(xùn)采取的教學(xué)方法是教師操作演示，學(xué)生基本沒有操練機(jī)會(huì)，無法真正提高操作技能。（2）儀器分析教學(xué)過程中，設(shè)備和藥品的損耗不可避免，而學(xué)生的誤操作加劇了設(shè)備和藥品損耗，從而增加了藥品購(gòu)買和設(shè)備維修費(fèi)用，使得教學(xué)成本增加。（3）現(xiàn)代高級(jí)儀器在運(yùn)用時(shí)只能看到儀器的外表，無法清楚了解其內(nèi)部構(gòu)造，而設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理、功能區(qū)別等，都與實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)成效緊密相關(guān)[2]，教師“黑板+粉筆”的教學(xué)方式讓學(xué)生感到枯燥、抽象，難以理解。這種日益顯現(xiàn)的理論與實(shí)踐相脫節(jié)的矛盾，直接影響教學(xué)效果。針對(duì)以上問題，將儀器仿真技術(shù)引入教學(xué)，增加了學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)，提高了操作熟練程度，降低了教學(xué)成本，極大地改善了儀器分析課程教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)增強(qiáng)教學(xué)效果和提高教學(xué)質(zhì)量具有積極作用。

2 儀器分析仿真簡(jiǎn)介

所謂分析儀器的計(jì)算機(jī)仿真，就是通過建立分析儀器的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上建立起一套與真實(shí)分析儀器完全相同的虛擬分析系統(tǒng)[3]。將實(shí)際儀器的外觀、操作面板、旋鈕等設(shè)計(jì)為一個(gè)個(gè)“組件”，并通過鍵盤和鼠標(biāo)，對(duì)分析儀器的面板和旋鈕進(jìn)行模擬操作。分析人員操作這臺(tái)虛擬分析儀器，就如同在真實(shí)分析儀器上操作。

3 儀器分析仿真特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)已開發(fā)出的儀器仿真軟件覆蓋了主要大型儀器分析設(shè)備，如紅外光譜儀、氣質(zhì)聯(lián)用、原子吸收光譜儀、高效液相色譜等，它們具備以下特點(diǎn)。

3.1 分析檢測(cè)全過程仿真

可以完成樣品準(zhǔn)備、樣品分析檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、檢索普庫(kù)等工作。

3.2 儀器使用環(huán)境全仿真

由于現(xiàn)代大型分析儀器的操作也是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線控制，儀器分析仿真軟件提供了與真實(shí)分析儀器幾乎相同的操作界面，這樣學(xué)生完成一次儀器仿真操作，就與實(shí)際進(jìn)行在線儀器分析操作一樣。

3.3 時(shí)間、空間上具有開放性

通過儀器分析軟件的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，仿真模型和界面系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，因此，學(xué)生只需在校園內(nèi)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上設(shè)置正確的IP地址，即可登錄儀器仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，完成有關(guān)儀器操作實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不受時(shí)間、空間限制，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)[4]。

4 仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 可作為理論教學(xué)的輔助手段

仿真軟件在多媒體教學(xué)中占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)。首先，它比傳統(tǒng)多媒體教學(xué)更加靈活，與學(xué)生的互動(dòng)性更強(qiáng)，更加直觀，教學(xué)效果明顯提高。仿真軟件可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富、生動(dòng)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境和圖文并茂、動(dòng)靜結(jié)合、節(jié)奏有序的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并以聲音、圖像、動(dòng)畫等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官學(xué)習(xí)，這樣無疑會(huì)激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的熟悉和對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。

4.2 可作為儀器分析課程進(jìn)行基于工作過程開發(fā)的突破口

以工作過程為導(dǎo)向是職業(yè)教育課程開發(fā)的指導(dǎo)思想，基于工作過程的課程將工作過程與職業(yè)教育教學(xué)過程相融合，有助于學(xué)生更好地構(gòu)建理論知識(shí)，發(fā)展職業(yè)能力。儀器分析課程在進(jìn)行基于工作導(dǎo)向的開發(fā)過程中仍存在一些問題，如在工作情境的營(yíng)造和模擬過程中，實(shí)踐工作場(chǎng)景難以保證，實(shí)踐操作過程中設(shè)備不足、儀器設(shè)備落后等，使得新課程的優(yōu)點(diǎn)在實(shí)施中受到制約[5]。仿真技術(shù)的引入，克服了學(xué)生只能看、不能動(dòng)手操作的不足，使每位學(xué)生都可進(jìn)行具體的分析檢測(cè)工作，為教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)提供了條件，成為儀器分析課程進(jìn)行基于工作過程導(dǎo)向改革的突破口。

4.3 促進(jìn)了理論實(shí)踐一體化教學(xué)

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生很快掌握儀器操作過程和分析條件的選擇。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室已有儀器，學(xué)生可在完成模擬實(shí)驗(yàn)后，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，減少對(duì)儀器的損害；對(duì)于實(shí)驗(yàn)室沒有的儀器，可通過計(jì)算機(jī)多媒體進(jìn)行模擬，在一定程度上掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，使理論知識(shí)與實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合。

4.4 安全性高，便于學(xué)生學(xué)習(xí)

學(xué)生在仿真過程中不必?fù)?dān)心由于誤操作而引起的人身傷害和設(shè)備損害，可以緩解操作過程中的緊張情緒和害怕心理，大膽、獨(dú)立地進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)。仿真軟件還可以對(duì)學(xué)生的操作過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，如果學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，則不能進(jìn)行下一步操作，迫使學(xué)生反復(fù)演練，直至成功，有助于學(xué)生掌握正確的操作規(guī)程。

4.5 可大大減少教學(xué)支出

儀器分析仿真實(shí)訓(xùn)室投資較少，只需在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)房的基礎(chǔ)上安裝一套軟件即可，且無維護(hù)費(fèi)用。學(xué)生通過仿真軟件進(jìn)行模擬練習(xí)，掌握操作規(guī)程和注意事項(xiàng)后，再到真實(shí)儀器上操作，使得錯(cuò)誤操作大大減少，降低了儀器損耗和藥品浪費(fèi)，維護(hù)費(fèi)用和藥品費(fèi)用也大大降低。

4.6 利于課程考核

儀器分析是一門以實(shí)踐為主的課程，其考核內(nèi)容應(yīng)以操作技能為主，但儀器分析過程特點(diǎn)和分析設(shè)備匱乏等因素卻使技能考核難以實(shí)現(xiàn)。以氣相色譜操作考核為例：平均一名學(xué)生完成樣品準(zhǔn)備、進(jìn)樣、測(cè)樣等檢測(cè)過程至少需要10分鐘，如果一個(gè)教學(xué)班級(jí)有30名學(xué)生，則整個(gè)考核過程至少需要300分鐘，這種考核方式不僅使進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)成績(jī)?cè)u(píng)定的教師很辛苦，也不便進(jìn)行教學(xué)安排。利用儀器仿真軟件的智能評(píng)分系統(tǒng)，教師可以便捷地對(duì)學(xué)生技能掌握程度進(jìn)行考核。智能評(píng)分系統(tǒng)能檢測(cè)學(xué)生操作情況，并給出各種形式的成績(jī)單，以作為考核依據(jù)。利用仿真軟件自帶的題庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)化試卷，還可對(duì)學(xué)生進(jìn)行“在線評(píng)測(cè)”。通過仿真軟件可以對(duì)全班學(xué)生同時(shí)進(jìn)行考核，壓縮了考核過程所用時(shí)間，做到“隨堂考核、隨時(shí)考核”，減小了教師工作量，增強(qiáng)了考核成績(jī)的客觀性。

總之，儀器分析仿真軟件具有互動(dòng)性、生動(dòng)性、專業(yè)性和實(shí)用性的特點(diǎn)。將儀器分析仿真軟件應(yīng)用于教學(xué)中，豐富了教學(xué)手段，使課堂教學(xué)變得更加生動(dòng)、具體，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。在學(xué)習(xí)實(shí)際操作時(shí)，由于仿真軟件不存在安全問題，學(xué)生可以大膽、獨(dú)立地進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生儀器操作能力培養(yǎng)。同時(shí)，仿真軟件還可減輕教師工作強(qiáng)度，減少藥品和設(shè)備消耗，節(jié)約了教學(xué)成本。儀器分析仿真技術(shù)已成為儀器分析課程的重要組成部分，并為該課程進(jìn)行教學(xué)改革提供了條件。教師在教學(xué)過程中應(yīng)不斷積累和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)、合理地安排仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，將仿真訓(xùn)練與實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合，并對(duì)教學(xué)方法、教學(xué)手段及評(píng)價(jià)體系等進(jìn)行不斷補(bǔ)充和完善，以發(fā)揮仿真軟件在教學(xué)中的最佳作用。

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1671-1246（2011）17-0049-02

Vol.29 2011 No.17