輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺建設探討

鄧碧如

（廣東食品藥品職業學院 廣東 廣州 510520）

輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺建設探討

鄧碧如

（廣東食品藥品職業學院 廣東 廣州 510520）

當前的儀器分析實驗教學存在教學儀器不足、儀器落后、教學成本高、實驗層次低、有操作安全和污染隱患等問題。通過科學地運用虛擬實驗手段，建設一個界面逼真、富于交互、充分設定各種應用情景的虛擬儀器分析實驗平臺，是在一定程度上解決這些問題的有效途徑。相關院校的教學效果表明，虛擬儀器分析實驗平臺可以成為實驗教學的有益補充，從而提高儀器分析實驗教學的質量和水平。

輔助教學；儀器分析；虛擬實驗平臺；建設

藥品檢驗是藥學專業的核心課程，儀器分析則是測定藥物的物理常數、鑒定藥物真偽、檢測藥物純度和雜質限量、測定藥物含量及效價的主要方法，具有取樣量少、靈敏度高、自動化程度高、分析速度快、應用范圍廣等特點。隨著技術的發展，儀器分析的基本原理和實驗技術已經成為藥學研究和應用工作中必須掌握的基礎知識和基本技能，藥物研究、生產及檢驗等各種行業機構對高效液相色譜儀、氣相色譜儀、分光光度計、質譜儀等設備的依賴已經到了不可或缺的地步。培養熟練掌握儀器分析技術的專業人才，是藥學教育的主要任務之一。

當前儀器分析教學面臨的主要問題

教學儀器嚴重不足，教學效果有限 實驗教學所用儀器多數為貴重、精密物品，且數量極為有限，如質譜儀、核磁共振波譜儀等大型分析儀器，一般學校只購置1臺。而近年來的擴招使得學生數量成倍增加，教學儀器資源更顯缺乏。教學儀器的不足，使得很多學校的實驗實訓課程變成了觀摩課、試教課，學生得不到足夠時間和強度的實際操作鍛煉，實驗教學效果不理想。

儀器落后，與實際應用脫節 技術的快速發展使得分析儀器更新換代的頻率加快。而在學校的實驗教學中，往往由于經費原因，所使用的儀器得不到及時更新，從而與實際應用脫節。學生在校期間學會的分析儀器操作技能，到了實際工作環境中用不上，仍然要學習新一代儀器的使用，這使得學校實驗教學的意義大打折扣。

教學成本高，學生無法熟練掌握儀器 儀器分析實驗教學需要用到大量的藥品、試劑，教學成本很高，所以往往以小組的形式進行實驗，真正得到動手鍛煉的學生只占少數，而且也只能進行有限次數的操作。在這種情況下，學生只能對儀器有一個基本的認識，而無法熟練地掌握儀器使用技能。在一些高端儀器的實驗教學中，這一問題尤為明顯。

實驗操作層次較低，無法深入了解儀器功能 當前，儀器分析教學安排的都是操作層次較低、步驟簡單的實驗，立足于讓學生了解儀器、知道基本操作過程，而無法做到讓學生深入、全面地掌握儀器的用途。這導致了學生對儀器的認識淺嘗輒止，難以了解除實驗所用以外的儀器的使用方法，也沒有機會碰到使用儀器過程中的各類特殊情況，無法培養學生對各種問題的分析和處理能力。

存在操作安全、環境污染等隱患 儀器分析實驗中部分試劑是危險的化學物品，如果操作不當會發生安全事故，同時，實驗過程中排放的“三廢”也會對環境造成污染。但為了保證教學質量，一定量的實驗實訓課程必不可少，這容易引發安全問題和環境污染問題。

虛擬儀器分析實驗的研究及其應用

虛擬儀器分析實驗指的是利用計算機系統，引入現代信息技術和虛擬現實技術，模擬各種分析儀器，使受訓者可以像在真實環境中一樣運用各種虛擬實驗器械和設備，對建立起來的實驗模型進行實時仿真操作，從而完成各種預定的實驗。

筆者利用中國知網，對中國期刊全文數據庫、中國優秀碩士學位論文全文數據庫、中國博士學位論文全文數據庫進行跨庫檢索，以模糊匹配方式查到2000年以來藥學相關學科內關于“虛擬儀器分析實驗”主題的期刊論文共253篇，學位論文共3篇。其中，2008年以來的論文共97篇，約占38%，表明虛擬儀器分析實驗是近年來的研究熱點。所查論文的主題主要包括了“虛擬儀器分析實驗的概念和應用”、“虛擬儀器分析實驗的優缺點”、“虛擬儀器分析實驗教學系統的設計”等。許多研究人員從不同角度對虛擬儀器分析實驗進行了探討，如楊雪等人研究了虛擬實驗中情感、表現和行為三個層次的設計思路，傅增智、徐靜等對比研究了虛擬實驗和真實實驗，代曉青則探討了虛擬實驗對受訓者操作規范的培養作用。

國內外多所大學，如霍普金斯大學、上海交通大學、大連理工大學等都對虛擬實驗室建設進行了研究，并建設了一些適合于藥學、化學專業的虛擬實驗室。中國藥科大學建立了一套《氣相、液相分析實驗》仿真系統并取得了一定的應用效果。重慶醫藥高等專科學校開發了一套實訓教學系統用于虛擬儀器分析實驗教學。國內外軟件市場上也出現了相關的虛擬實驗室產品，例如Chem SW公司的GC-SOS氣相色譜模擬和優化軟件，大連理工大學的儀器分析虛擬實驗室。筆者通過網絡調查，發現中國藥科大學、重慶醫科高等?？茖W校、大連理工大學、廣東藥學院等高校已經應用了虛擬儀器分析實驗系統。

輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺建設思路和要點

建設思路 用于輔助教學的虛擬儀器分析實驗平臺的建設，目前主要有以下三種建設思路：第一，引進市場產品。購買成熟的虛擬儀器分析實驗平臺，是最便捷的解決方案，具有流程簡單、部署方便、實現容易、后期維護有保障等優點，缺點在于需要一定的經費支持，尤其是一些國外的虛擬軟件，價格十分昂貴。此外，直接引進的產品還存在不一定能完全滿足當前實驗教學需求、定制相對困難等問題。第二，引進其他高校開發的系統。國內許多高校都開展了虛擬儀器分析實驗教學研究，并出現了不少優秀成果。例如，中國藥科大學開發的儀器分析實驗仿真教學實習系統，可以進行試劑的仿真配置，完成氣相色譜系統和液相色譜系統的仿真操作，自動記錄學生的操作過程，進行仿真實驗考核等功能。引進其他高校開發的系統，優點在于能夠在較大程度上滿足當前實驗教學的需求，同時所需經費也不是很高，缺點是后續的服務可能會不到位、系統無法更新等。第三，自行開發或委托開發。自行開發或委托第三方公司開發虛擬儀器分析實驗教學系統，能完全根據自己的實際實驗教學需求進行功能的規劃和系統的設計，具有較強的靈活性和兼容性，前提是必須擁有具有系統分析能力的工作人員。自行開發可以結合學校信息化教學建設工作及相關科研項目展開，是當前許多學校選擇的建設思路。

建設要點 在虛擬儀器分析實驗平臺的建設中，有許多值得注意的地方。筆者認為，一個先進的虛擬儀器分析實驗平臺必須具備以下三個特點。第一，用戶界面逼真。用戶界面逼真是虛擬儀器分析實驗平臺必須具備的第一個特點。因為虛擬儀器分析實驗平臺是用于仿真實驗的，要達到用戶在虛擬實驗平臺上學習、操作后，在真實儀器上能夠無需再次學習、非常熟練地使用。所以，用戶界面必須逼真，儀器的形狀、顏色，相關提示燈和提示信息的顯示、操作過程和操作結果的模擬，都要和真實儀器相差無幾，才能達到實驗的效果。因此，最新的3D技術、虛擬現實技術必須在實驗平臺中應用。第二，富于交互。儀器分析實驗過程本質上就是人機交互過程。如果虛擬儀器分析實驗平臺不具備較強的交互性，就只能算是一個儀器分析實驗演示軟件，而無法起到實驗的作用。一個先進的虛擬儀器分析實驗平臺，應該是富于交互的，各類按鈕的功能和支持的動作，要和真實儀器一致，同時，各種交互操作應該是簡潔明了的。多點觸控技術應該在實驗平臺中得到應用。第三，充分設定各種應用情景。虛擬實驗的最大好處在于可以模擬任意特殊的情況而不會產生任何危險。因此，應充分設定各種應用情景，讓受訓者在虛擬實驗過程中可以任意操作，認識各種特殊乃至危險的后果，從而讓受訓者更為徹底地掌握儀器的特性和使用方法，加深對儀器的認識和對安全操作的理解。

虛擬儀器分析實驗平臺的教學效果

虛擬儀器分析實驗平臺具有運轉快速、界面簡潔、覆蓋面廣、利用方便等特點，能比較真實地模擬相關實驗的過程，讓學生提前熟悉儀器及掌握儀器的操作，認識實驗項目的操作步驟和要點，有利于學生對真實儀器的操作，節省真實實驗的材料和時間。通過虛擬實驗，可以讓學生多次重復實驗而無時空限制、安全及污染等問題；可以讓學生規避真實實驗的諸多忌諱，甚至違規操作，以進一步掌握儀器的使用辦法；可以通過各種設定好的特殊情況，感受儀器操作過程中可能出現的問題，以全面地鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。

北京中醫藥大學在2006級中藥學、中藥分析、中藥制藥班應用“高效液相色譜法定性和定量分析實驗”虛擬教學后進行教學效果問卷調查得知，有81.2%的學生愿意進行虛擬實驗學習，有84.8%的學生通過虛擬學習清楚地知道了如何操作儀器。2007年底，清華大學在將儀器分析實驗多媒體網絡教學平臺應用于化學系、化工系、環境系及核物理學院等院系的儀器分析實驗教學中，經過連續5個學期的教學數據對比分析，發現接受了虛擬實驗教學的學生個人得分同比超過其他院系的學生，儀器分析實驗教學質量得到了明顯提高。第二軍醫大學應用了虛擬實驗平臺后，82%的學生認為虛擬教學系統的交互性有利于知識傳授，76%的學生認為運用虛擬教學系統有助于提高相關教學內容的教學效果和教學效率，73%的學生認為虛擬教學系統更適合于輔助教學。

當然，虛擬實驗替代不了真實實驗。由于其缺少實物感，操作正確的情況下結果唯一，無法反映現實中操作正確也有可能出現不良后果的情況，虛擬儀器分析實驗主要用于輔助教學，結合真實實驗教學，以取得更好的教學效果。

綜上所述，在藥學教育工作中，虛擬儀器分析實驗平臺具有廣泛的應用前景?？茖W地運用虛擬實驗手段，拓展教學空間，能有效解決很多用常規方法無法解決的教學問題。建設一個界面逼真、富于交互、充分設定各種應用情景的虛擬儀器分析實驗平臺，用于輔助教學，將有效緩解當前儀器分析教學中面臨的主要問題，可以成為實驗教學的有益補充，豐富和完善儀器分析實驗教學的教學形式，降低教學成本，增強教學效果，從而提高儀器分析實驗教學的質量和水平。

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G712

A

1672-5727（2012）07-0172-02

鄧碧如（1984—），女，廣東揭西人，廣東食品藥品職業學院助理實驗師，研究方向為儀器分析和藥物分析。