虛擬仿真技術(shù)在《儀器分析》理論課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用

邱會(huì)東　蘇小東　原金海　熊偉　許弟建

摘 要：以虛擬仿真軟件在光譜分析、色譜分析、質(zhì)譜分析教學(xué)中的應(yīng)用為例，探討了在儀器分析理論教學(xué)過程中，利用虛擬仿真軟件有效地輔導(dǎo)理論課程教學(xué)的問題。實(shí)踐證明，在《儀器分析》課程理論教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)手段，能更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，有效彌補(bǔ)理論講授的不足，有利于提高教學(xué)效果，并且它在理論教學(xué)方法改革中發(fā)揮著重要作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；《儀器分析》；理論教學(xué)；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.149

《儀器分析》是高等理工科院校化學(xué)化工類及其相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它在化學(xué)、化工、環(huán)境、材料、安全、食品和醫(yī)藥衛(wèi)生等專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程體系中，起著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)用分析技術(shù)的作用。該課程的特點(diǎn)是既有比較抽象的理論基礎(chǔ)知識(shí)，又有比較具體的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，系統(tǒng)性和邏輯性比較強(qiáng)，而且與工程技術(shù)及其生活實(shí)際聯(lián)系非常緊密。

1 《儀器分析》教學(xué)中存在的主要問題

由于《儀器分析》課程具有理論和實(shí)踐性并重的特點(diǎn)，特別是這門課程涉及的儀器工作原理和結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)手段和模式已經(jīng)無法適應(yīng)信息技術(shù)時(shí)代下的學(xué)生對(duì)接受新知識(shí)速度的要求，在那些枯燥的抽象原理和復(fù)雜的精密儀器結(jié)構(gòu)的講授中顯得尤為突出，呈現(xiàn)出的教學(xué)效果可能也不夠理想。這門課程要求在理解、掌握了基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生會(huì)應(yīng)用這些理論和儀器解決實(shí)際問題的能力，所以，現(xiàn)在的《儀器分析》課程教學(xué)章節(jié)內(nèi)容逐步擴(kuò)大，而課程理論學(xué)時(shí)基本保持不變。這些都需要積極探索信息化的教學(xué)手段輔助理論教學(xué)模式的改革，提高教學(xué)水平和效果。筆者結(jié)合《儀器分析》理論教學(xué)過程中的光譜分析、色譜分析、各種檢測(cè)器檢測(cè)技術(shù)等方面的教學(xué)內(nèi)容，說明了在《儀器分析》理論教學(xué)過程中使用三維虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2 三維虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

三維虛擬仿真技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，其利用計(jì)算機(jī)生成一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中去，并逐步形成其理論體系。該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中又被稱為“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)”，是借助圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)操作流程等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造可輔助或者部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件環(huán)境。“三維虛擬仿真技術(shù)”一般包括虛擬儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。它作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。由于儀器分析課程是涉及物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械制造和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉的課程，AGILENT、NICOLET AVATAR等ISTS3.0系列三維虛擬仿真軟件在國內(nèi)外高校已被引入到大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，并處于一個(gè)快速推廣和發(fā)展階段。當(dāng)前，三維虛擬仿真技術(shù)所包含的虛擬儀器系統(tǒng)部分除了能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)揮應(yīng)有作用外，在其相關(guān)理論課程教學(xué)過程中同樣也可以起到良好的輔助教學(xué)功能，其逼真的虛擬三維仿真技術(shù)在視、聽、觸覺等方面對(duì)學(xué)生的感官產(chǎn)生了強(qiáng)烈的刺激，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。

3 三維虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

在《儀器分析》理論教學(xué)過程中，可以利用仿真軟件分析抽象的原理和復(fù)雜的儀器結(jié)構(gòu)，例如光譜分光原理、色譜分離理論和儀器精密結(jié)構(gòu)等，將輔助分析的仿真軟件安裝到計(jì)算機(jī)中，講課時(shí)配合理論教學(xué)內(nèi)容適時(shí)切換到仿真軟件進(jìn)行分析。

3.1 輔助理解光譜分析技術(shù)

當(dāng)前，應(yīng)用比較多的光學(xué)分光元件主要有棱鏡和各種類型光柵等。光柵分光能力強(qiáng)于棱鏡，但是，光柵具有集光效率比較低、不同波長(zhǎng)的色散不均勻、二級(jí)光譜必須消除等缺點(diǎn)。所以，在講授電感耦合等離子體發(fā)射光譜經(jīng)常使用的具有很好色散率和良好集光本領(lǐng)的中階梯光柵分光系統(tǒng)時(shí)，結(jié)合三維仿真軟件輔助講解各種分光元件的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述如何將中階梯光柵與棱鏡聯(lián)合分光得到連續(xù)不重疊的全波段光譜，以及光路與檢測(cè)器必須相匹配的問題。

光源發(fā)射出的光經(jīng)入射狹縫進(jìn)入儀器內(nèi)部空間，經(jīng)由準(zhǔn)直鏡得到準(zhǔn)直平行光，光線依次經(jīng)過棱鏡、中階梯光柵后再次入射到棱鏡，由聚焦鏡反射后到達(dá)檢測(cè)器，光路如圖1（a）所示。為了更容易、更直觀地理解，平行光先通過棱鏡預(yù)色散之后照射到中階梯光柵上，經(jīng)中階梯光柵衍射分光后，光線恰好再次經(jīng)過棱鏡（后色散）。2種二次色散方式的結(jié)合，使光譜的級(jí)次重疊能夠被更好地分離。棱鏡作為二次色散元件，具有更高的光效率和更加均勻的橫向色散，且不存在閃耀和光譜級(jí)次重疊問題，并且棱鏡對(duì)中階梯光柵光譜的級(jí)次重疊部分進(jìn)行二次色散后形成二維光譜，更有利于面陣檢測(cè)器對(duì)光信號(hào)接收， CID檢測(cè)器如圖1（b）所示。

3.2 輔助理解色譜分析技術(shù)

例如，物質(zhì)的不同組分在各種填料介質(zhì)中有不同的擴(kuò)散速度。為了正確理解速率理論分離原理和影響柱效的因素??，特采用范·弟姆特方程，即：

H=A+B/u+C·u.（1）

式（1）中：A為渦流擴(kuò)散項(xiàng)；B為分子擴(kuò)散項(xiàng)；C為傳質(zhì)阻力項(xiàng)；u為載氣流速。

結(jié)合公式（1），減小A，B，C三項(xiàng)可以提高柱效，并且載氣存在最佳流速等，如圖3所示。結(jié)合虛擬仿真軟件理解該方程，可以直觀地理解單個(gè)組分粒子在色譜柱內(nèi)固定相和流動(dòng)相間要發(fā)生千萬次轉(zhuǎn)移；再加上分子擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)途徑等因素，它在柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是高度不規(guī)則的，是隨機(jī)的，在柱中隨流動(dòng)相前進(jìn)的速度是不均一的。通過調(diào)整仿真軟件參數(shù)，了解到各種因素之間是相互制約的，比如載氣流速增大，分子擴(kuò)散項(xiàng)的影響減小，柱效提高，但同時(shí)傳質(zhì)阻力項(xiàng)的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質(zhì)，但加劇了分子擴(kuò)散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達(dá)到最高；選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ嗔６取⑤d氣種類、液膜厚度和載氣流速，可以提高柱效等。這些速率理論的要點(diǎn)都可以通過虛擬仿真圖像幫助學(xué)生快速掌握。

圖3 范·弟姆特方程虛擬仿真圖

3.3 輔助理解質(zhì)譜檢測(cè)分析技術(shù)

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、光譜質(zhì)譜聯(lián)用儀等聯(lián)用儀器分析技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，質(zhì)譜系統(tǒng)作為一個(gè)檢測(cè)器，在痕量組分的定性定量分析方面逐漸發(fā)展成了一種關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)。利用三維虛擬仿真軟件可以形象、逼真地演示質(zhì)譜檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。三重四級(jí)桿質(zhì)譜檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。試樣經(jīng)色譜系統(tǒng)分離后到達(dá)分子分離器，并在API離子源Q0中形成+/-離子和中性分子，離子向?qū)鬏?/-離子到Q1，Q1起到篩選器的作用，只允許單個(gè)m/z的母離子輸送到碰撞池Q2，母離子進(jìn)入碰撞池，被載氣N2氣體碰撞分離后，組分分子在電子轟擊下分裂成“碎片”，加速后，進(jìn)入四級(jí)桿質(zhì)量分析器Q3，Q3逐個(gè)傳遞單個(gè)m/z的母離子到質(zhì)量分析器，能產(chǎn)生共振的“碎片”到達(dá)檢測(cè)器并形成質(zhì)譜圖。

將虛擬仿真技術(shù)與理論教學(xué)相結(jié)合，能讓抽象的原理形象化。能體現(xiàn)出儀器分析虛擬仿真技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在理論課程教學(xué)中應(yīng)用的例子還有許多，本文不再逐一列舉。但是，教師講課時(shí)也切記不要過于依賴虛擬仿真技術(shù)，在使用虛擬仿真技術(shù)輔助原理分析的同時(shí)，要結(jié)合板書將重點(diǎn)內(nèi)容書寫下來。另外，講授知識(shí)時(shí)，要結(jié)合自身的肢體語言，交流教學(xué)信息，調(diào)動(dòng)課堂氣氛，有效提高理論課程的教學(xué)效果。

4 結(jié)束語

本文初步探討了在《儀器分析》課程教學(xué)中借助虛擬仿真技術(shù)輔助理解理論課程教學(xué)的方法，展示了虛擬仿真技術(shù)軟件輔助教學(xué)在課堂上的動(dòng)態(tài)性、互動(dòng)性和逼真性等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)抽象原理的理解，提高了課堂學(xué)習(xí)效率。總之，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)的目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高理論課程的教學(xué)效果。

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〔編輯：白潔〕

文章編號(hào)：2095-6835（2017）09-0151-01