虛擬仿真技術應用于高職藥學專業儀器分析課程的思考

王乃毅

(山西衛生健康職業學院， 山西 晉中 030619)

1 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是借助計算機軟件對真實世界進行模擬，是用一個虛擬系統模仿另一個真實系統的技術。隨著計算機技術水平的不斷發展，虛擬仿真成為20世紀80年代新崛起的一種綜合集成技術。它可以逼真地模擬現實世界的事物和環境，讓人在這種環境中，有"親臨其境"的感覺，并可親自操作，與虛擬環境進行交互作用。該技術極大地推動了現代高等職業教育中的信息化教學改革實踐，目前已被廣泛用于高職院校的輔助教學和實習技能培訓中。

儀器分析是許多高職院校的專業基礎課[1]。作為現代的分析測試手段，其應用遍及食品檢測、藥物檢測、醫學檢驗、環境毒物檢測、生物檢測、能源檢測等許多領域，它在專門培養應用型人才的高職院校所處的地位日趨重要。但是，儀器分析課程涉及到物理學、高等數學、無機及有機化學、計算機科學等知識，內容復雜抽象，而且教師需要結合大量板書和多媒體課件進行教學。在其實驗教學中，還會出現這樣的問題：許多高職院校沒有足夠的教學經費購買一些比較重要的儀器分析設備，或者一些實驗中的試劑對人有毒有害，或者缺乏實驗所必須的實驗試劑，或者儀器損壞因維修費用較高而得不到及時修理，等等。

現在，有了虛擬仿真技術，如果把虛擬儀器應用于儀器分析的教學實踐中，以上問題就會迎刃而解，還可以調動學生的學習積極性。許多教師對其應用進行了教學研究。邱會東等[2]探討了仿真技術在儀器分析理論課輔導教學中的應用。鄭革[3]探討了虛擬實訓系統在分析化學實驗中的應用。馮燕等[4]討論了虛擬仿真在化學教改中的作用。應用虛擬仿真技術，能將抽象的理論形象化，使實驗環境逼真化，大大激發了學生的學習興趣。同時，科研工作者研發了大量的虛擬仿真實驗。如，李旭軍等[5]建立了基于網絡的虛擬實驗室框架模型，研制出一系列“仿真儀器”，開發了虛擬實驗室網絡平臺，便于使用者訪問。

2 虛擬仿真技術在儀器分析課程中的應用前景

2.1 虛擬仿真技術可以提供大型分析儀器的立體展示

化學分析儀器價格昂貴，一些中大型分析設備更是許多院校望塵莫及的。虛擬仿真系統可以采用3D技術真實模擬制作相應的分析儀器、高度還原分析儀器的結構。在“仿真儀器”中，儀器的內部結構可以進行半透明展示。半透明模式在實驗操作時能同步展示內部結構和機理。而且，“仿真儀器”的內部結構可拆分，每個部件都可單獨查看，可以360度旋轉。高職學生可以在使用“仿真儀器”時獲得相關儀器的視覺、聽覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受，充分體現了虛擬仿真技術的“沉浸式”的特點。

例如在儀器分析教學實踐中講到的氣相色譜儀、高效液相色譜儀、質譜儀、氣質聯用儀、液質聯用儀、熒光分光光度計、傅里葉變換紅外光譜儀、毛細管電泳儀、核磁共振儀等，這些重要的儀器都可以通過3D技術設計制作成“仿真儀器”，供學生學習操作。而且這些分析儀器可以隨著時間不斷更新，給學校節省了實驗經費；同學們這樣“熟悉”分析儀器，不受時間和空間的限制，還提高了學生的學習興趣，一舉多得。

另外，高等職業教育重在培養學生的實際操作技能。為了保證高職學生的就業率，許多高職院校進行校企合作，為企業定向培養相關人才。許多大型的醫藥企業(普遍發布在廣東、上海等沿海地區)都具有高級的大型分析儀器，使用相關的3D模擬仿真軟件進行模擬教學，學生在學校如果熟練掌握了分析儀器的操作技術，他們就會在企業應聘中體現其優勢，從而提高了高職學生的就業率。儀器分析教學中用到的分析儀器仿真軟件，其相對低廉的成本和其所具有的獨特的參與性教學優勢已逐漸被全國各類高職院校所采用。

2.2 虛擬仿真技術可以提供儀器分析實驗操作的逼真性和相互性

在儀器分析教學實踐中，同學們通過使用“仿真儀器”，真實進行“實驗操作”。通過3D技術，模擬實驗場景。在仿真實訓環境中，學生可以練習樣品配制、樣品測量、儀器開關機、數據采集、數據處理、圖譜制作等實訓操作，還可以練習設置樣品濃度、化學分析方法，最后得到相應的實驗結果。同時，還可輔以大量相關實驗素材，比如真人實驗操作視頻、分析儀器結構原理3D動畫等，使教學實驗內容豐富多彩，讓學生全面學習儀器分析知識，并通過逼真的反復實踐，熟練操作各種常規分析儀器，為高等職業教育中儀器分析的模擬操作和考核提供一個合理、高效的平臺。

應用虛擬仿真技術進行儀器分析實驗操作時，實驗者可以通過自身的操作對“仿真儀器”進行控制，“仿真儀器”也可以對人的操作予以實時的反應。這也充分體現了虛擬仿真技術的“相互性”。

虛擬實驗操作給人的各種感覺與所模擬的實際操作非常相像，一切感覺都是那么逼真，如同在真實世界一樣。例如，在虛擬操作中，當給一個盛放有堿性溶液的燒杯里用膠頭滴管滴加幾滴酚酞溶液時，會看到燒杯里的溶液“變”為紅色。溶液顏色的變化符合自然規律，充分體現了虛擬仿真技術的“逼真性”。

現在一些高職院校缺乏儀器分析實驗需要的化學試劑，使實驗不能正常進行。例如永停滴定法測定磺胺嘧啶的含量，該實驗是《中國藥典》收載的磺胺嘧啶的定量分析實驗，實驗中要用到稀鹽酸來提高重氮化反應的速度，可實驗室缺乏。如果采用虛擬技術對實驗進行仿真模擬，把實驗內容設計成學習模式、練習模式和考核模式三部分內容，讓學生們進行該實驗的仿真虛擬操作，彌補了傳統實驗教學中實驗資源的不足，同樣可以達到實驗目的和教學目標。

2.3 虛擬仿真技術可以避免儀器分析實驗中的實驗危害

在儀器分析實驗中不可避免地會遇到一些易燃易爆易制毒試劑和有毒有害物質。例如在做“永停滴定法測定磺胺嘧啶的含量”時，要用亞硝酸鈉溶液滴定磺胺嘧啶。而亞硝酸鈉對人體是有害物質。如果利用虛擬仿真技術，就可以完全避免實驗中有毒有害物質對人體的危害，保證了師生的身體健康；利用虛擬實驗，還可以有效避免一些易燃易爆消防隱患。這，也是未來儀器分析實驗發展改革的方向。

2.4 虛擬仿真技術可以消除實驗耗材的成本和實驗儀器的維修費用

通過仿真軟件的開發應用，可以完全解放實驗耗材的成本，還可免去儀器的維護修理的高額費用，要讓教師的實驗課堂變得更為靈活、更具有選擇性和多元化。

3 小結

儀器分析實踐教學在教學環節中越來越重要，對于高職院校更是如此。目前全國各個高職院校都在積極進行信息化教學改革。虛擬仿真設計就是信息化教學改革的具體實踐內容。

目前，學院分析化學教研室正在和北京市優秀仿真軟件設計企業——北京東方仿真軟件技術有限公司合作，對有關儀器分析實驗進行虛擬仿真設計。在2020年初春的這場疫情中，東方仿真公司積極支持藥學院的線上教學工作，為2019級藥學院學生開放了其“儀器分析線上虛擬仿真實訓平臺”。通過使用過該實訓平臺的207位高職學生進行了問卷調查。其中192人對該實訓平臺進行了好評。同學們反饋，通過這些虛擬實驗項目，他們不僅熟悉了儀器及其結構，而且熟練了實驗操作，進一步理解了網上教學中一些儀器分析理論課的知識。許多學生希望這樣的儀器分析實驗項目開發得多一些。

對于仿真軟件課題的研發，準備分三個階段進行。第一階段2019年11月～2020年4月 教學人員通過線上線下檢索，為東方仿真公司技術員提供大型儀器的型號及實驗素材、提供詳細的實驗操作資料及制作要求；第二階段2020年5月～2021年5月 共同合作研發制作相關仿真模擬軟件；第三階段2021年6月～2021年10月 將研發后的模擬軟件應用到教學中，對學生進行調研，并匯總制作調研報告。

作為高職院校儀器分析課的教學實踐者，筆者認為，虛擬仿真技術模擬真實的實驗室管理、實驗操作，利用三維技術建立虛擬的“現代實驗室情景”，并在此情境下，對學生進行大型分析儀器的培訓真正起到了理論知識的學習，讓學生獲得實際操作能力和解決問題的能力培訓，必然在高等職業教學中得到廣泛的開發和利用。