仿真儀器分析教學的幾點思考

[摘 要]仿真儀器分析建立了與真實儀器相同的虛擬系統，有助于加強學生對儀器分析理論和儀器的理解。本文討論了仿真儀器分析教學的優點，提出了仿真儀器分析教學的注意事項和存在問題。

[關鍵詞]仿真儀器分析 教學 思考

[中圖分類號] G648 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）10-0029-02

一、引言

儀器分析是化學領域的一個重要分支，它是以物質的物理或物理化學性質為基礎建立起來的一種現代化分析方法，利用各種特殊的儀器設備，對物質進行定性和定量分析及形態或結構的分析。儀器分析實驗課程理論深、綜合性強，已成為化學、化工、材料、地質等學生必須掌握的一門重要課程。儀器分析實驗課程不僅使學生加強對理論知識的理解，同時還讓學生掌握了物質的檢測和分析手段。分析儀器有紫外分析儀、紅外光譜儀、色譜分析儀、質譜分析儀、原子吸收儀、核磁共振分析儀、熱重分析儀等。由于各學校儀器資源有限，學生不能獨自操作實驗，因此，可采用仿真儀器分析教學，也就是分析儀器的仿真教學，它是利用建立分析儀器的教學模型，利用計算機、網絡技術、仿真技術和信息技術，在計算機上建立一套反應特性與真實分析儀器完全相同的虛擬分析系統進行教學，學生通過操作這臺虛擬分析儀器，可以獲得與操作真實儀器一樣的豐富經驗。

仿真儀器分析教學可滿足每個學生學習需求，促進學生感性地理解儀器分析中的理論，快速地操作儀器以滿足各企事業單位的需求。

二、仿真儀器分析教學的優點

（一）提高教學質量

儀器分析根據分析原理不同，涉及多種類型儀器，且很多儀器價格昂貴，新建本科院校和一些普通本科院校，部分儀器未采購，大型儀器實驗由老師演示給學生。而仿真儀器分析提供了儀器操作實訓，計算機的普遍使用可使每個學生都能根據仿真系統進行模擬操作，達到了解真實儀器的操作方法，形象理解理論知識。

在操作仿真系統中，每一個儀器的操作步驟都有評分，學生參考評分就可知道自己操作是否正確，如果操作不對可重復操作。同時學生可查閱儀器的說明、結構、原理和方法，從而鍛煉他們解決問題和分析問題的能力。

仿真儀器分析教學，基本包括核磁共振分析儀、質譜分析儀、紅外分析儀、色譜分析儀等儀器的組成、操作以及相關理論，學生能基本掌握儀器的結構、原理、使用方法、注意事項和數據處理。仿真模擬真實儀器環境的直觀、可操作性，在一定程度上激發了學生學習興趣，讓學生對儀器有一個具象認識，是一種圖文并茂的教學方式，進而提高教學質量。

（二）低成本

采用仿真儀器分析系統，可大大地降低教學成本。首先，減少購買實驗儀器的費用。一臺國產熱重分析儀需十幾萬，高效液相色譜需十幾萬，甚至上百萬；其次，無需花錢配置高標準實驗室。部分儀器操作條件苛刻，實驗室需配置空調、除濕機等；最后，儀器維修費高，有些儀器耗材很貴，部分試劑價格較貴而其用量大，在考慮教學成本的問題上，這些實驗就很可能被取消，仿真系統在計算機上進行虛擬操作，這樣就無需高價的試劑。

三、仿真儀器分析教學的注意事項

仿真儀器分析教學具有得天獨厚的優勢，但要獲得較好的教學效果，還需注意以下幾個方面：

（一）激發學生興趣

仿真軟件教學枯燥難懂，為激發學生興趣，在每一種分析儀器和分析方法背后都蘊藏著艱辛或有趣的故事，回顧和追蹤科學家走過的足跡，能極大地提高學生學習興趣，激發學生參與科研和追求創新的熱情。例如，色譜法起源于20世紀初，1903年俄國植物學家米哈伊爾·茨維特用碳酸鈣填充豎立的玻璃管，以石油醚洗脫植物色素的提取液，經過一段時間淋洗后，植物色素在碳酸鈣柱中實現分離，在管內形成了具有不同顏色的譜帶。1952年英國科學家阿切爾·馬丁、理查德·辛格因發明分配色譜分離法而共同獲得諾貝爾化學獎。通過這些事實，讓學生領會儀器分析在化學界所起的作用，引起學生對仿真軟件操作的興趣。

（二）與真實儀器教學相結合

原子吸收分析儀操作條件復雜，采用仿真軟件系統較好，每個學生都能操作。紅外光譜儀、紫外光譜儀等操作簡單、迅速，這些儀器能滿足1人或幾人的小組操作，單一采用軟件系統，不免有些單調，學生希望進行實際操作，可讓他們操作真實儀器，之后操作仿真軟件，兩者相比較，加深對儀器和理論知識的理解。

（三）重視操作過程

仿真儀器分析，例如北京東方仿真分析儀器仿真軟件，每一種分析儀器的操作步驟都有評分，操作正確給滿分。在這種情況下，要檢查學生獲得的分析數據是否正確，例如，學生在仿真紫外分光光度計時，操作滿分，但結果不對；有時結果對，但操作不完全對。所以教師要仔細檢查學生的操作過程。

教師必須要求學生對仿真系統反復操作，達到熟練程度。在仿真下一個實驗前，需要重復練習上一個仿真實驗。

（四）重視信息反饋

仿真儀器分析是讓學生形象地理解儀器分析理論，同時還要掌握分析儀器的操作。通過提問，可檢查學生對以上兩點的掌握情況。例如，提問學生氣相色譜儀能否分析混合液體？依據什么原理將其分開？載氣流速對色譜圖有何影響？氣化室的溫度、柱溫對色譜圖有何影響等。通過學生的回答可了解他們掌握情況，同時讓他們更好地理解仿真儀器分析軟件中的操作。

四、仿真儀器分析教學中存在的問題

仿真儀器分析教學在設備、師資投入上具有優勢，但也存在不足之處，例如，軟件的仿真程度，教學多樣性低，還具有一定的機械性，學生學習主動性不足等。

（一）仿真軟件開發問題

為提高儀器分析模擬效果，需開發仿真軟件，且要求軟件種類和功能齊全。軟件公司開發的軟件大多是常用的幾種，而儀器分析所涉及的儀器至少十幾種。

同時，科技迅速發展，新儀器層出不窮，使得新仿真軟件開發備受重視。而軟件開發人員不懂儀器的相關理論和知識，所以要密切跟分析化學專業人士探討，設計軟件操作模塊，使模型參數、環境與實際儀器的樣品采集、分析相同。

（二）仿真軟件升級問題

傳統仿真軟件有待于升級。例如，仿真原子吸收軟件，增加不同種類的陰極燈；氣相色譜軟件中的檢測器，除了熱導檢測器、氫火焰電離檢測器外，還可增加電子俘獲檢測器和火焰光度檢測器等，加深學生對真實儀器的全面認識。某些軟件存在缺陷，例如，液相色譜軟件，溶劑的設置與否，都被系統默認為初始值，學生可不進行設置；紫外分光光度計軟件，紫外光波長若不調整，也有出現正確的實驗結果，而誤導學生認為自己操作正確等。以上這些問題，影響學生對真實儀器的理解，所以仿真軟件升級迫在眉睫。

（三）仿真教學開放性問題

仿真教學不能限于實驗室，更應網絡化，便于學生利用課外時間，在宿舍或網絡上進行自主學習；同時也加大實驗室的開放力度，實驗教師安排一定時間，讓儀器分析課程的學生學習和操作。

五、總結

仿真儀器分析具有明顯的優勢，被很多教學者認可，在新建本科院校和普通高校中具有較強的實用性，但也存在不足之處。在仿真儀器教學中更需要激發學生興趣，重視學生操作，學生信息反饋等方面，使學生能理解儀器分析理論，熟練操作仿真系統，同時仿真軟件開發和升級也迫在眉睫。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陳海健.淺談《儀器分析》應用型人才培養[J].科技創新導報，2011，（21）.

[2] 黃芳，吳曉，霞邵陽.儀器分析課程的教學思考[J].江蘇教育學院學報（自然科學），2011，（4）.

[3] 陳韻.加強地方院校儀器分析實驗的幾項措施[J].韶關學院學報（自然科學），2011，（2）.

[4] 禹羨.仿真軟件在儀器分析教學中的應用與發展.科技風，2010，（3）.

[5] 華中師范大學，陜西師范大學，東北師范大學編.分析化學（第三版）下冊[M].北京：高等教育出版社，2001.

[責任編輯：左 蕓]