食品專業(yè)儀器分析實(shí)驗(yàn)課中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

石巖 何艷華 于有偉

摘要：各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促使計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，高校實(shí)驗(yàn)課課堂教學(xué)中開始大量應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)。基于虛擬仿真技術(shù)的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程符合課堂教學(xué)改革的要求，改變了教師主要講授的教學(xué)模式，使學(xué)生在仿真場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)和操作，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和質(zhì)量同步得到提高，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);儀器分析實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革

《儀器分析實(shí)驗(yàn)》課是食品質(zhì)量與安全專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)課程之一。該課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，比較抽象，同時(shí)具有極強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是儀器分析課的重要組成部分，是食品安全與質(zhì)量專業(yè)學(xué)生掌握食品中有害成分、性質(zhì)、含量的有效途徑。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的發(fā)展，形成了以色譜分析、電化學(xué)分析、熱分析、光譜分析、質(zhì)譜分析及生化分析等為支柱的系列內(nèi)容[1]。并且該課程所用的儀器價(jià)格昂貴，多關(guān)注條件和環(huán)境要求較高，在實(shí)驗(yàn)課上只能通過(guò)講師的講授和演示實(shí)驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)儀器的內(nèi)部構(gòu)造，了解分析操作的流程和方法。根據(jù)方法依據(jù)的原理不同以及所需測(cè)量的物理量的差異，操作過(guò)程及應(yīng)用情況也隨之改變。由于部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目因成本過(guò)高、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用嚴(yán)重不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化、陳舊，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?fù)頂D，學(xué)生人均臺(tái)套數(shù)明顯不足，實(shí)驗(yàn)開出率明顯下降等等，往往無(wú)法讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。為了解決上述問(wèn)題，可以利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將這一新理念、新技術(shù)、新手段的虛擬技術(shù)、云計(jì)算等充分運(yùn)用到我們的實(shí)驗(yàn)課程上去。

虛擬仿真系統(tǒng)（Virtual Reality System，簡(jiǎn)稱VR）是近年來(lái)出現(xiàn)的圖形圖像領(lǐng)域的高新技術(shù)，也被稱為靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬仿真是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物[2]。可以通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，由可視化物體代表實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)設(shè)備，通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)設(shè)備完成各種實(shí)驗(yàn)操作[3]。在 2014 年，教育部下發(fā)了《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（高教司函 [2013]94 號(hào)）的文件，鼓勵(lì)各地方院校建立虛擬實(shí)驗(yàn)中心[4]。將虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，又可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫胤?wù)于食品質(zhì)量與安全專業(yè)的辦學(xué)宗旨和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，同時(shí)能夠提升工科專業(yè)的辦學(xué)能力。

1 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題[5]

第一，高校儀器分析實(shí)驗(yàn)室所配備的大部分儀器價(jià)格比較昂貴，并且數(shù)量有限，使得在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中分組教學(xué)，分組做實(shí)驗(yàn)。此外極個(gè)別大型儀器同時(shí)承擔(dān)著為全校教師科研服務(wù)的重任，一般在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中減少或者不允許學(xué)生親自操作的次數(shù)。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先由教師講解實(shí)驗(yàn)原理和儀器結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行演示。最后由學(xué)生實(shí)際操作，同時(shí)伴隨著由于試驗(yàn)場(chǎng)地的不足，必須給學(xué)生分組，但是在分組實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師不能時(shí)刻關(guān)注并及時(shí)指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)。會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的注意力不集中，主動(dòng)性不強(qiáng)，從而使教學(xué)效果達(dá)不到理想的狀態(tài)。

第二，一般來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)廠家的不同，型號(hào)的差異，使得與儀器相關(guān)的工作站或者軟件系統(tǒng)的一些參數(shù)設(shè)置有了很大的差別，與之相對(duì)應(yīng)的就是缺少針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)教材。同時(shí)，儀器的數(shù)量和學(xué)生的人數(shù)的配比失衡，導(dǎo)致學(xué)生不能進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)或者探討式學(xué)習(xí)，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性和熱情大幅降低。

2. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的作用

2.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在食品專業(yè)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)一般是老師完成本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，以作業(yè)的形式布置學(xué)生課后預(yù)習(xí)下次實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)參考教材、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料或收集網(wǎng)絡(luò)資源等途徑來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作前的預(yù)習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由于具有三維操作的界面，其仿真的范圍包括實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景、儀器操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等，能夠?yàn)閷W(xué)生提供虛擬的操作環(huán)境和互動(dòng)平臺(tái)。學(xué)生只需進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的終端就可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作。通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)生能夠深入了解某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的基本原理、操作過(guò)程以及所用分析儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理，還可以使用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行模擬操作，從而完成進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作前的預(yù)習(xí)教學(xué)。此外，該系統(tǒng)軟件的畫面生動(dòng)、靈活，不能夠有效地提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，同時(shí)還能夠增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上進(jìn)行操作演示中的應(yīng)用

由于儀器分析實(shí)驗(yàn)課上使用的儀器大部分都屬于精密儀器，價(jià)格一般比較昂貴，且耗材和相關(guān)配件都極易被損壞，導(dǎo)致許多實(shí)驗(yàn)操作步驟無(wú)法讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，只能由老師一邊講解一邊演示，然后再讓學(xué)生通過(guò)理解記憶來(lái)完成操作，而分組實(shí)驗(yàn)會(huì)使一部分學(xué)生不會(huì)真正參與進(jìn)來(lái)，從而導(dǎo)致教學(xué)效果很差。在實(shí)際操作過(guò)程中，真正能讓學(xué)生動(dòng)手操作的只有配制樣品溶液、分析處理和計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)及1～2 個(gè)關(guān)鍵的操作點(diǎn)，學(xué)生難以真正掌握和理解儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理，導(dǎo)致出現(xiàn)掌握的基本理論知識(shí)不扎實(shí)、動(dòng)手操作的能力差等問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過(guò)聲音、圖像、動(dòng)畫等具有豐富表現(xiàn)力的仿真軟件幫助學(xué)生進(jìn)行多感觀的學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更為形象直觀、內(nèi)容豐富、生動(dòng)逼真的模擬演示，能夠很好地幫助了解儀器的結(jié)構(gòu)、理解工作原理、掌握基本操作方法等內(nèi)容，還可極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[6]。食品質(zhì)量與安全專業(yè)學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)操作，包括樣品的配制、儀器和試劑的選擇、實(shí)驗(yàn)步驟的操作、大型儀器設(shè)備操作流程的練習(xí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理等。使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅需要一臺(tái)電腦和一套仿真軟件，不會(huì)受時(shí)間、空間等因素的影響，學(xué)生能夠?qū)?shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行無(wú)限制、多樣性的反復(fù)操作練習(xí)，不必?fù)?dān)心上述問(wèn)題的發(fā)生。另外，使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)能夠推進(jìn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的發(fā)展，使學(xué)生能夠在課余時(shí)間進(jìn)行課堂復(fù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作或一些科技項(xiàng)目的研究，實(shí)現(xiàn)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核中的應(yīng)用[7]

儀器分析實(shí)驗(yàn)課中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核一直是教學(xué)實(shí)踐中的難點(diǎn)問(wèn)題。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受空間、時(shí)間、資金等因素的影響，在對(duì)食品質(zhì)量與安全專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核時(shí)，多采用批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方式進(jìn)行考核。然而使用這些方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核，很難使老師能夠充分了解每位學(xué)生對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)操作知識(shí)掌握的程度。使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核的優(yōu)勢(shì)比較突出：

1）切實(shí)驗(yàn)證學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和操作技能。

2）切實(shí)綜合分析學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)中的進(jìn)程和結(jié)果。

3）真實(shí)了解學(xué)生反饋的問(wèn)題。

4）真實(shí)反應(yīng)學(xué)生進(jìn)行操作的方法是否科學(xué)、合理和靈活，其所用的操作方法是否符合安全操作的要求。

3. 小結(jié)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種新穎的教學(xué)改革模式，特點(diǎn)是虛擬性、實(shí)踐性、開放性等[6]。虛擬仿真系統(tǒng)能夠應(yīng)用在微觀實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、高成本實(shí)驗(yàn)等對(duì)食品質(zhì)量與安全專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。需要注意的是，盡管使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作，但它與使用真實(shí)的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作還是存在不小的差異，不能夠完全代替真實(shí)的儀器分析實(shí)驗(yàn)。所以在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作中，將傳統(tǒng)模式教學(xué)法中的實(shí)驗(yàn)操作與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的虛擬實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，以達(dá)到節(jié)約教學(xué)資源，提高教學(xué)質(zhì)量的目的，培養(yǎng)出具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的專業(yè)性人才。

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作者簡(jiǎn)介：石巖（1983-），女，講師，博士，研究方向：化學(xué)小分子熒光探針設(shè)計(jì)及傳感器研究。

項(xiàng)目：山西師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金，項(xiàng)目號(hào)：02070268。