探討分析儀器虛擬實驗室的設計

[摘要] 本研究針對傳統分析化學實驗教學中存在的問題，探討了虛擬分析化學實驗室的設計方案。基于計算機模擬技術和互聯網建立的分析化學虛擬實驗室，能有效提高學生的實驗技能和教學效果。

[關鍵詞] 虛擬實驗室；分析化學；實驗教學

[中圖分類號] TP391 [文獻標識碼] C [文章編號] 2095-0616（2012）23-163-02

分析化學是一門實踐性很強的基礎課程，其實驗內容更側重于定量地解釋化學過程的規律，實驗手段基本是操作色譜、質譜、光譜、核磁共振等大型分析儀器。但分析儀器較為昂貴，目前大多數高校的實驗教學模式仍以示教為主，直接導致實驗教學中普遍存在學生操作儀器時間少，教學形式單一枯燥等問題，影響了實驗教學的效果。所以構建現代化的分析化學實驗教學體系迫在眉睫，虛擬實驗室的建立能使傳統的實驗教學更加的生動有趣，使學生由被動學習者變為主動學習者，極大的激發學習興趣，提高教學效果。

1 虛擬實驗室及教學效果

1.1 虛擬實驗室的特點

虛擬實驗室最早由美國弗吉尼亞大學的William Wolf教授于1989年提出，最初是為了方便不同實驗室的科研人員遠程協作或共享數據。隨著虛擬技術的成熟，教育者們也將其逐步運用在教育領域。國外的虛擬實驗室開展較早，具有代表性的有由諾貝爾基金會資助的開發的虛擬生化實驗室和霍華休斯醫學研究中心研制的虛擬醫學實驗室系列[1-2]。近年來，國內的部分高校也開始建立虛擬實驗室，但針對分析儀器的虛擬實驗室構建的報導較少，本研究就此問題，結合筆者所在分析測試中心30多年的儀器管理和教學經驗，設計分析儀器的虛擬實驗室，使學習者有著身臨其境的真實操作感，提高實驗教學的效率。相比傳統的實驗教學模式，虛擬實驗室教學優勢見表1。

1.2 虛擬實驗教學效果

虛擬實驗室有助于學生快速掌握儀器操作，在今后的學習中學生能根據自己的興趣設計相關的實驗進行科研探索，能有效激發學生的創新性。學生能在虛擬實驗中快速反復操作實驗，還能有效減少教師的重復教學時間，能讓教師把精力更多的放在學生的實驗操作的規范性和實驗設計的科學性上來。

2 虛擬實驗室系統組成及實驗過程

虛擬實驗室系統主要分為3部分，管理模塊、模擬操作模塊和交流模塊。

2.1 管理模塊

虛擬實驗室系統中的管理模塊主要包含對用戶和儀器相關信息的管理。學生可以通過網絡在任意時間地點登陸到實驗系統中進行虛擬實驗。

2.2 模擬實驗操作模塊

本系統會應用3D技術真實模擬儀器外觀和主要零部件，并還需開發模擬儀器操作的軟件，實現與真實驗完全一致的操作步驟。

2.3 交流模塊

整個虛擬實驗室還需配備交流模塊，當學生在實驗過程中遇到問題時可通過系統提供的在線聊天功能或論壇進行討論研究。

2.4 虛擬實驗操作流程

虛擬實驗系統的實驗過程設計最重要的一點在于與實際實驗過程保持一致。因而在虛擬實驗過程中涉及到的各個環節都要以真實的實驗設計模式為指導，不能只注重實驗操作而忽略實驗過程的科學性，

3 在今后應用中可能出現的問題及解決方案

虛擬實驗室能實現跨時間空間的教學和學習，彌補了傳統實驗教學不足，但基于筆者所在測試中心多年的實驗教學經驗，虛擬實驗室在今后的實際應用中和可能存在以下問題[3]。

3.1 學生缺乏感性認識

學生僅通過鼠標和鍵盤模擬操作，可能會缺乏對儀器的感性認識。所以傳統的儀器示教課還是必不可少，示教課與虛擬實驗相結合，二者相輔相成才能形成合力，提高學生的學習效率[4-5]。

3.2 實驗過于理想化

學生在虛擬實驗中缺乏對真實實驗可能出現意外的預判斷，如在實際操作中，可能會有試劑污染或操作不當等意外因素導致實驗失敗。所以在虛擬實驗系統中會在重要的實驗步驟設計提示部分加深學生的理性認知[6]。

盡管如此，分析儀器虛擬實驗室還是具有諸多優點的，在今后的實驗教學必須轉變觀念，將傳統的實驗教學與現代化虛擬技術有機結合起來，使二者起到相輔相成，相得益彰的作用。既能讓學生學習到現代化先進實驗技術，又能提高動手能力和創新能力，最終達到提高實驗教學效果這一目標。

[參考文獻]

[1] 劉曉蕾，呂良敬.關于科研型研究生虛擬實驗室教學的重要性[J].科教導刊，2012，5：86-87.

[2] 白雁，張娟，潘瑾，等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（12）：169-171.

[3] 呂浩，王文永，徐妲.化學虛擬實驗室在中學教學中的應用[J].現代中小學教育，2012，4：46-47.

[4] 王有賓，何仲.高校虛擬實驗室建設的研究[J].數字技術與應用，2011（11）：119-121.

[5] 姜恩華，汪徐德，李素文，等.計算機網絡課程虛擬實驗室建設[J].實驗室科學，2012，15（1）：132-135.

[6] 榮雅君，王偉，袁計委，等.虛擬實驗室的構建[J].電力系統及其自動化學報，2012（3）：86-90.

（收稿日期：2012-10-23）