虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李萍 王宇昕 高爽 付穎

【摘要】概述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，并以液——質(zhì)聯(lián)用檢測土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，說明了將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅可以創(chuàng)新教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還可以促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升，為培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才助力。

【關(guān)鍵詞】儀器分析實(shí)驗(yàn) 虛擬仿真 應(yīng)用

一、前言

隨著分析技術(shù)的迅速發(fā)展，新的工藝和分析方法加速了儀器分析課程的發(fā)展。作為現(xiàn)代分析和測試的手段，儀器分析已廣泛應(yīng)用于制藥、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、動(dòng)物科學(xué)和食品科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。因此，儀器分析課程被認(rèn)為是高等農(nóng)業(yè)大學(xué)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程之一。儀器分析實(shí)驗(yàn)是在理論基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大型儀器的認(rèn)知、維護(hù)、使用及實(shí)踐操作技能的實(shí)驗(yàn)課程，是對(duì)儀器分析理論教學(xué)的有效補(bǔ)充。儀器分析實(shí)驗(yàn)作為高等農(nóng)業(yè)大學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程之一，上課班級(jí)眾多，學(xué)生層次高低不同，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著一些不足。如儀器分析實(shí)驗(yàn)中大型儀器臺(tái)套數(shù)有限，學(xué)生需分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn);缺少實(shí)際樣品分析，使得學(xué)生難以進(jìn)行實(shí)踐操作;大型精密儀器價(jià)格昂貴，需專人維修保養(yǎng)，一般教師以演示進(jìn)行講解，且大型儀器為封閉結(jié)構(gòu)，更使得一部分學(xué)生不能真正掌握大型儀器的結(jié)構(gòu)和基本操作原理。基于儀器分析實(shí)驗(yàn)中存在的上述問題，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并應(yīng)用到儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不失為一種好的解決方法。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是1989美國弗吉尼亞大學(xué)William Wolf提出的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用電腦根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)環(huán)境構(gòu)建一個(gè)虛擬的三維世界，模擬出實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用者可以在該仿真實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。隨著現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)的快速發(fā)展，為了深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，國家教育部大力支持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不但可以彌補(bǔ)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，還可以改進(jìn)課堂教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和趣味性，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

基礎(chǔ)儀器分析實(shí)驗(yàn)是東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，全校上課班級(jí)眾多。為了加深學(xué)生對(duì)分析方法的基本原理和儀器結(jié)構(gòu)的了解，提高學(xué)生對(duì)大型儀器的操作技能，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為以后的實(shí)際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)，應(yīng)用化學(xué)系教師與專業(yè)技術(shù)人員遵循“創(chuàng)新”和“發(fā)展”的理念合作，利用3D仿真、VR技術(shù)、AR技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)、WebGL技術(shù)、OpenGL技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段構(gòu)建了關(guān)于儀器分析實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)依據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際布局搭建模型，按實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程完成交互，使學(xué)生如同身臨其境一般，為學(xué)生提供了一個(gè)環(huán)境真實(shí)、自主學(xué)習(xí)、內(nèi)容豐富、可全程參與的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、熟悉實(shí)驗(yàn)操作技能、培訓(xùn)基本動(dòng)手能力，為進(jìn)行實(shí)際操作奠定良好的理論基礎(chǔ)，特別適合基礎(chǔ)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。該平臺(tái)包含原子吸收光譜儀、紅外光譜儀、核磁共振光譜儀、氣相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀和液相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例

以“土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析”實(shí)驗(yàn)為例，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們需要用到的是液——質(zhì)聯(lián)用儀。液——質(zhì)聯(lián)用儀屬于大型精密儀器，價(jià)格比較昂貴，需專人維護(hù)保養(yǎng)。如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段講解儀器的原理、結(jié)構(gòu)、定量實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中是處于被動(dòng)的聽眾，難以參與到真正的實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生感到枯燥乏味，實(shí)驗(yàn)積極性不高，實(shí)驗(yàn)操作能力和數(shù)據(jù)分析能力缺失，難以將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。

針對(duì)儀器分析課程教學(xué)需求，在以“學(xué)生為中心、著力提高學(xué)生實(shí)踐綜合能力”的教學(xué)理念的指導(dǎo)下，專業(yè)教師與技術(shù)人員運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過3D Max等工具制作仿真資源（模型，貼圖，動(dòng)畫），采用Unity3d作為3D引擎，采用C#語言并通過Visual Studio工具進(jìn)行程序開發(fā)，整合形成基于液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。在該軟件上學(xué)生可以采用“互動(dòng)式”預(yù)習(xí)、對(duì)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作過程中的注意事項(xiàng)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生完成預(yù)習(xí)步驟后，觀看虛擬實(shí)驗(yàn)操作演示，系統(tǒng)能夠模擬實(shí)驗(yàn)操作中的每個(gè)步驟，并加以文字或語言說明和解釋。當(dāng)學(xué)生掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程后，可以進(jìn)行在線操作，模擬液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)中液相色譜對(duì)多組分樣品的分離及定量分析，并采用質(zhì)譜技術(shù)對(duì)農(nóng)藥噻吩磺隆殘留進(jìn)行定性分析。在線操作過程中，如果學(xué)生出現(xiàn)操作失誤，系統(tǒng)會(huì)有提示并自動(dòng)糾錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)束，學(xué)生可通過操作歷史和評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行記錄追蹤，能快速發(fā)現(xiàn)問題，改正問題，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程具有可追溯性。在學(xué)生操作仿真軟件過程中，軟件可以把實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄下來并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成對(duì)應(yīng)的譜圖等，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得到相應(yīng)的分析報(bào)告。

在進(jìn)行“土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以把課堂教學(xué)與虛擬仿真軟件結(jié)合起來對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。課前要求學(xué)生在平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)習(xí)，掌握操作關(guān)鍵點(diǎn)，回答相關(guān)問題。教師線上進(jìn)行指導(dǎo)，監(jiān)督。課上教師給出教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)學(xué)生線上預(yù)習(xí)情況的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，有目的有重點(diǎn)的結(jié)合仿真操作和軟件自帶知識(shí)點(diǎn)動(dòng)畫視頻資源來教授理論知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)液——質(zhì)聯(lián)用儀和檢測方法有基礎(chǔ)理論認(rèn)知，詳細(xì)了解儀器的運(yùn)行機(jī)制和機(jī)理。學(xué)生可以在該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)虛擬操作，可以體驗(yàn)液——質(zhì)聯(lián)用儀的操作流程、方法參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和分析，然后結(jié)合實(shí)際儀器，由教師進(jìn)行實(shí)操，并由學(xué)生代表進(jìn)行實(shí)操，達(dá)到線下和線上相結(jié)合的教學(xué)目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師可布置作業(yè)，課后學(xué)生可線上復(fù)習(xí)、答題、查看教師上傳的多媒體資源。從而解決本科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中液質(zhì)聯(lián)用儀的儀器稀少、設(shè)備損耗、學(xué)生缺乏主動(dòng)性等問題。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用效果

在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新了課堂教學(xué)模式，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再簡單枯燥乏味，提高了課堂的靈活性及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，在模擬操作過程中掌握了實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)及其操作技能，在實(shí)踐中獲取經(jīng)驗(yàn)，取得良好的學(xué)習(xí)效果。

近五年來，借助儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)提供了有力的支持，我校立項(xiàng)國家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目共80余項(xiàng)，參加人數(shù)和立項(xiàng)比例逐年提高，學(xué)生第一作者發(fā)表論文和申報(bào)專利數(shù)量大幅度增加。通過儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生創(chuàng)新能力得到了顯著提高，達(dá)到了將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相協(xié)調(diào)、培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加強(qiáng)了學(xué)生參與科研工作的理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑢⒛芰εc素質(zhì)培養(yǎng)緊密結(jié)合，為學(xué)生的素質(zhì)教育開辟了一條有效途徑，為以后的科研之路奠定了良好的基礎(chǔ)。

三、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬仿真軟件越來越多的被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，很多的高校、科研院所都積極的構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入到儀器分析實(shí)驗(yàn)中不僅可以創(chuàng)新教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，還可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)中的一些不足，提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和分析問題解決問題的能力。雖然使用仿真軟件可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的一些問題，但這并不意味虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)踐教學(xué)過程中，仍需要將虛擬仿真軟件與實(shí)踐操作相結(jié)合，堅(jiān)持“能實(shí)不虛、虛實(shí)接合、優(yōu)勢互補(bǔ)”的原則，確保達(dá)到相應(yīng)的教學(xué)目的，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升，為培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才提供助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉崗，郝志顯，許新華.以大型儀器為依托的化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016，（04）：81.

[2]何秋伶，徐濤，盛清.基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的天然藥物化學(xué)教學(xué)模式探討[J].教育教學(xué)論壇，2019，（03）：273.

[3]馬荔，張衛(wèi)，韓莉.虛擬實(shí)驗(yàn)在大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué)，2018，（03）：78.

[4]趙克利.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)對(duì)工科學(xué)生培養(yǎng)的思考[J].教育教學(xué)論壇，2018，（47）：208.

項(xiàng)目基金：中華農(nóng)業(yè)科教基金教材建設(shè)研究項(xiàng)目（China Agricultural Science and Education Foundation）：高等農(nóng)業(yè)院校《儀器分析》課程“五學(xué)互補(bǔ)——五位一體”教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：NKJ201802049）。