具有地方特色虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

馬兆立，李聰聰，孫家新，王艷瑋

(青島大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，山東 青島 266071)

當(dāng)今社會(huì)，飛速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)正在改變著人們的生產(chǎn)生活方式和學(xué)習(xí)思維方式。建設(shè)“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會(huì)，創(chuàng)建數(shù)字化、個(gè)性化、終身化的教育體系，培養(yǎng)優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，是現(xiàn)代教育面臨的重大課題[1]?；谛畔⒓夹g(shù)的不斷進(jìn)步，“虛擬實(shí)驗(yàn)作為繼理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后的第三種科學(xué)研究方法”,為教育教學(xué)提供了重要的發(fā)展方向。

教育部在《關(guān)于開(kāi)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》中指出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，要求以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[2]。自廈門大學(xué)于2004年建立機(jī)電類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)展系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以來(lái)[3]，各級(jí)各類學(xué)校都相繼建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也慢慢地融入到了傳統(tǒng)教學(xué)中。

但是現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多是教科書式的，形式單一、內(nèi)容固定[4-7]。具有地方特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或具有創(chuàng)新性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)卻寥寥無(wú)幾。結(jié)合本團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，筆者所在團(tuán)隊(duì)在多年使用四大基礎(chǔ)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合青島地方特產(chǎn)--青島啤酒，開(kāi)發(fā)了具有地方特色的創(chuàng)新性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)--啤酒中風(fēng)味成分檢測(cè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)由三大模塊構(gòu)成：啤酒生產(chǎn)車間、風(fēng)味成分檢測(cè)系統(tǒng)和智能診斷評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1 啤酒生產(chǎn)車間

圖1 啤酒生產(chǎn)車間

圖 2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室布局

操作者可進(jìn)入啤酒生產(chǎn)車間進(jìn)行漫游，觀察了解啤酒生產(chǎn)設(shè)備，操作生產(chǎn)流程?？梢栽谠瓭{酒環(huán)節(jié)進(jìn)行取樣檢測(cè)，跳轉(zhuǎn)到檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室分為學(xué)習(xí)區(qū)、稱量區(qū)、前處理區(qū)、鋼瓶區(qū)、儀器操作區(qū)域，其他設(shè)備區(qū)域。

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中每一個(gè)區(qū)域都有特定的任務(wù)：1)自習(xí)室可進(jìn)行和儀器相關(guān)的理論考試，每個(gè)儀器題庫(kù)不低于100道，每次隨機(jī)抽取20道試題；2)天平室主要考察天平調(diào)平能力，樣品稱量規(guī)范和天平使用注意事項(xiàng)；3)前處理區(qū)主要考察對(duì)目標(biāo)物質(zhì)是否能夠選擇合適的前處理流程；4)鋼瓶區(qū)主要考察學(xué)生對(duì)不同載氣鋼瓶的注意事項(xiàng)。此外，還增加環(huán)境確認(rèn)環(huán)節(jié)，主要考察實(shí)驗(yàn)室中的電、磁是否符合儀器使用規(guī)范，有無(wú)腐蝕性氣體、易揮發(fā)性物質(zhì)，載氣是否在保質(zhì)期等等。

2 風(fēng)味成分檢測(cè)系統(tǒng)

圖3 液相色譜儀

圖 4 液相色譜儀工作站

啤酒中的風(fēng)味物質(zhì)，主要是啤酒發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的一系列代謝副產(chǎn)物，主要有醇類、酯類、醛類、酸類。其中，首要風(fēng)味成分為乙醇，次要風(fēng)味成分包括揮發(fā)性成分和非揮發(fā)性成分，揮發(fā)性成分有乙酸異戊酯、乙酸乙酯、異戊醇、脂肪酸、己酸乙酯、丁酸、異戊酸、苯乙酸等，非揮發(fā)性物質(zhì)有酚類、糖類及酒花化合物。

針對(duì)這些風(fēng)味成分，可選用學(xué)生們學(xué)過(guò)的多種檢測(cè)方法：1)氣相色譜法，主要檢測(cè)啤酒中高級(jí)醇、異戊醇、異丁醇、正丙醇、乙醛、乙酸乙酯、異丁醇、異戊醇、辛酸乙酯、二甲基硫、乙酸異戊酯等；2)高效液相色譜法，主要檢測(cè)啤酒中的草酸、酒石酸、丙酮酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸等有機(jī)酸；3)氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，可檢測(cè)絕大多數(shù)的風(fēng)味物質(zhì)，是目前最為常用和廣泛的方法。

為鞏固和應(yīng)用理論知識(shí)，在虛擬檢測(cè)系統(tǒng)中可設(shè)置各檢測(cè)方法的不同參數(shù)。例如：氣相色譜法中可設(shè)置自動(dòng)進(jìn)樣器頁(yè)面，設(shè)置進(jìn)樣口頁(yè)面的溫度、氣體壓力及流量，設(shè)置色譜柱流量，設(shè)置柱箱升溫程序，設(shè)置檢測(cè)器溫度以及氣體流量，最終得到的譜圖會(huì)隨著設(shè)置參數(shù)的變化而變化。液相色譜法中可設(shè)置流動(dòng)相配比、色譜柱流量、自動(dòng)進(jìn)樣設(shè)置、梯度洗脫功能等。

3 智能診斷評(píng)價(jià)系統(tǒng)

學(xué)生每一個(gè)訓(xùn)練項(xiàng)目的評(píng)分都包括：操作步驟評(píng)分和操作質(zhì)量評(píng)分，所有評(píng)分項(xiàng)目都給出詳細(xì)評(píng)定結(jié)果和依據(jù)。操作步驟評(píng)分包含普通操作評(píng)分；操作順序評(píng)分；延時(shí)評(píng)分；有條件限制的操作評(píng)分；操作失誤扣分。而操作質(zhì)量評(píng)分用來(lái)考查儀器參數(shù)是否在合理的范圍之內(nèi)?？己送戤吅蠼處熆蓪?dǎo)出各學(xué)生的考試成績(jī)以及每個(gè)步驟的得分情況，利于教師全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)融合起來(lái)，不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和儀器臺(tái)套數(shù)的影響，極大的增加了參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的學(xué)生數(shù)，同時(shí)學(xué)生可快速有效的掌握多種檢測(cè)方法。在其中融入地方特色元素則激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展提供了可能的方向。