基于虛擬仿真技術(shù)的儀器分析實驗教學改革思考與探索*

歐麗娟，孫愛明，羅建新，劉 寧，張 萍，王津津

(湖南工學院，湖南 衡陽 421002)

近年來，隨著計算機、“互聯(lián)網(wǎng)+”、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的蓬勃發(fā)展和教育信息化的不斷推進，以計算機多媒體技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬仿真實驗已經(jīng)成為實驗教學發(fā)展的一個新發(fā)向，日益廣泛地應(yīng)用于輔助實驗教學[1-4]。虛擬仿真實驗教學作為新型的教育手段，具有虛擬性、開放性、實踐性、安全性、自主性和靈活性等特點，其探索和實踐已成為高校儀器分析實驗課程教學改革的主要方向。它不僅為教師教學工作的開展構(gòu)建了廣闊的平臺，同時也為學生的自主學習和創(chuàng)新發(fā)展開辟了一片新天地。

1 儀器分析實驗教學現(xiàn)狀

儀器分析實驗課程為我院面向化學工程與工藝、應(yīng)用化學開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，24個學時。由于課時數(shù)的限制，僅開設(shè)了經(jīng)典大型精密儀器相關(guān)實驗：原子吸收光譜儀、紅外光譜儀、液相色譜儀、氣相色譜儀、紫外光譜儀和熒光光譜儀。儀器設(shè)備基本上都是一臺，實驗中只能對學生分組進行演示。部分同學甚至不能清楚地觀察到實驗的演示過程，難以達到相關(guān)實驗的教學目的和要求。同時，實驗課的理論教學內(nèi)容抽象，信息量大，儀器操作復雜，學生難以理解，課前預(yù)習不充分，導致實驗過程進行不順利。此外，實驗教學考核方式單一，實驗教學考核主要由平時表現(xiàn)和實驗報告決定，導致學生只注重實驗報告書寫，而忽略了實驗過程的體驗，無法體現(xiàn)學生的實際操作能力和創(chuàng)新能力。

2 虛擬仿真實驗輔助實驗教學優(yōu)點

虛擬仿真技術(shù)是以計算機為控制中心，借助于圖形圖像、仿真軟件、數(shù)據(jù)庫和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，營造高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中進行實驗[5-8]。虛擬仿真實驗教學是一種新型的輔助實驗教學模式，具有以下優(yōu)點：(1)高度仿真的虛擬環(huán)境，客觀真實生動，可以增強學生的沉浸感和臨場感，降低教學難度，提高學生對儀器原理和結(jié)構(gòu)的感性認識和學習興趣。(2)虛擬仿真實驗在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及云計算平臺的支撐下，可以突破時間和空間的限制，再現(xiàn)實際實驗過程。反復的實驗操作，可以加深學生對儀器操作的感性認識和使用熟練程度，為后續(xù)實體實驗的操作的正確性提供保障，提高實驗操作效率，降低儀器設(shè)備成本。(3)虛擬仿真實驗以“學生為中心”，完整實驗教學模塊，支持學生自主探索學習實踐，可以最大限度的發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性。(4)虛擬仿真實驗系統(tǒng)包含在線測試功能，綜合考察學生理論知識、實踐過程與實驗結(jié)果，能更客觀公平的反映實踐課程的教學質(zhì)量，鼓勵學生積極參與教學的各個環(huán)節(jié)。

3 虛擬仿真環(huán)境下儀器分析實驗教學模式改革流程探索

以教學實踐中原子吸收光譜仿真實訓為例，對“虛擬仿真軟件預(yù)習操作——多媒體課堂理論教學——虛擬仿真模擬實驗操作——實體實驗操作”的儀器分析實驗教學新模式進行介紹。

(1)虛擬仿真軟件預(yù)習操作

把虛擬仿真技術(shù)引入到儀器分析實驗教學的課前預(yù)習中，幫助學生進行實驗前的預(yù)習工作。如圖1所示，理論知識模塊，包含原子吸收分析的基本原理、原子吸收光譜儀的結(jié)構(gòu)、定量分析方法、測量條件的選擇、干擾因素及消除方法等部分。通過鼠標操作，各個部分都有詳細的介紹，并且還有相應(yīng)的動畫闡述，可以立體化地更加形象直觀地展示儀器的結(jié)構(gòu)。通過虛擬仿真實驗室理論知識部分學習模塊進行預(yù)習，使學生在實驗前對分析儀器的相關(guān)基本理論、儀器構(gòu)造和操作方法有初步的感性認識。同時，虛擬仿真實驗室的理論測試及智能評價系統(tǒng)可以檢查每個學生的預(yù)習情況。

圖1 原子吸收光譜虛擬仿真實驗理論知識模塊Fig.1 Theoretical knowledge module in virtual simulation experiment of atomic absorption spectrum

(2)多媒體課堂理論教學

老師根據(jù)虛擬仿真實驗室測試結(jié)果及時了解學生預(yù)習程度，并適當?shù)恼{(diào)整實驗課堂教師的講解內(nèi)容，如放大實驗中易錯部分、實驗操作演示中學生不容易觀察到的實驗步驟，規(guī)范學生實驗操作和防止學生在實驗知識中出現(xiàn)盲點。將《儀器分析實驗》的課堂多媒體教學改革為虛擬仿真實驗室理論知識和多媒體教學結(jié)合，采用啟發(fā)式、討論式、互動式等教學方法，并增加學生講解比例，使學生能參與到教學過程中，從而培養(yǎng)學生學習積極主動性和表達能力，增進師生間的交流討論、信息互換，提高儀器分析實驗課堂的教學質(zhì)量。

(3)虛擬仿真模擬實驗操作

進入仿真軟件實驗總覽模塊。如圖2所示。虛擬仿真實驗?zāi)M操作內(nèi)容完整，包括基本原理學習、溶液配制、樣品預(yù)處理、儀器操作基本流程、數(shù)據(jù)采集和解析。虛擬仿真實驗室可以允許學生自己動手配制、連接、設(shè)置和使用虛擬儀器設(shè)備，完整地模擬整個實驗過程。并且可以實時地展示出實驗結(jié)果圖。如果數(shù)據(jù)不合理，學生可以進行各種嘗試，不斷地優(yōu)化實驗的工作條件，以達到理想的實驗結(jié)果，加深對實驗的掌握，不用擔心不遵守儀器操作規(guī)程而導致儀器出現(xiàn)故障。此外，學生可以對儀器設(shè)備操作流程進行反復練習，不用考慮實驗試劑成本、儀器損耗、安全性等問題。

圖2 原子吸收光譜仿真軟件實驗步驟總覽Fig.2 Experimental procedures in virtual simulation experiment of atomic absorption spectrum

仿真軟件實驗具有智能評分系統(tǒng)，可對學生每個操作步驟進行智能評分。只有模擬實驗操作過關(guān)的學生，才允許進入到實體實驗室進行實體操作。不僅減少實驗誤差，對儀器設(shè)備的保護、維護也起到了很好的作用。學生經(jīng)過整套的儀器模擬演示，加深對儀器操作的感性認識和使用熟練程度，為后續(xù)實體實驗的操作的正確性提供保障，提高實驗操作效率，培養(yǎng)學生獨立思考、敢于探索、不斷創(chuàng)新的學習態(tài)度。

(4)實體實驗操作

教師“面對面”重點介紹儀器結(jié)構(gòu)、工作原理，演示儀器基本操作。學生再進行整個實驗和儀器操作，強化實驗真實體驗。同時，實體實驗過程中會面臨復雜的預(yù)處理、溶液配制、數(shù)據(jù)錯誤等真實性問題。學生在實際運行過程中如何及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，可以提高學生分析和解決實際問題的能力，養(yǎng)成良好的實驗習慣和科學素養(yǎng)。

(5)實驗教學評價體系

原來的成績評價主要參照實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，重結(jié)果，而忽略了實驗過程和技能培訓。改革后的實驗教學評價體系分為3個部分：①虛擬仿真實驗系統(tǒng)實驗考核部分，考察學生理論知識掌握程度；②實體實驗考核部分，考察學生實際動手操作能力；③實驗報告或小論文考核部分，考察學生記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的問題分析和解決能力和縝密的科研思維。該評價體系把“過程”與“結(jié)果”有機的融合在一起，能更客觀公平的反映實踐課程的教學質(zhì)量。

4 結(jié) 語

在儀器分析實驗中引入虛擬實驗教學輔助真實實驗教學，可以有效補充實驗教學，在一定程度上解決實驗儀器臺套數(shù)不夠、擔心損壞儀器和存在安全隱患等困局，調(diào)動學生學習興趣和自主性，激發(fā)學生學習潛能，提高學生實驗操作技能，從而提高實驗教學質(zhì)量和水平。同時，虛擬仿真實驗教學對創(chuàng)新實驗教學改革與實驗教學信息化等具有積極的推進作用。但是，虛擬仿真實驗教學不能取代真實的實驗環(huán)境和實體實驗操作，無法鍛煉學生的實際動手能力。因此，在虛擬仿真實驗教學的推廣和應(yīng)用中，不應(yīng)盲目地將實驗虛擬化。虛擬仿真實驗教學只能作為實驗教學的輔助模式，必須與實體實驗充分的融合在一起，才能更好地服務(wù)于應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。