虛擬仿真實驗在儀器分析實驗教學中的應(yīng)用*

錢紜嘉，馮 婧，苗 萌，褚小菊，芮 闖，張靜怡，李 佳

(上海健康醫(yī)學院，上海 201318)

衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)作為公共衛(wèi)生與預防醫(yī)學的分支學科，肩負著培養(yǎng)高層次應(yīng)用型公共衛(wèi)生人才的重任，以應(yīng)對新冠肺炎等突發(fā)重大公共衛(wèi)生事件[1-3]。《儀器分析》是衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)重要的專業(yè)課程，目的是使學生能夠熟悉各類分析儀器的原理、熟練掌握其使用方法和數(shù)據(jù)處理方法。《儀器分析》要求學生綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能，是一門注重培養(yǎng)學生實踐能力的特色課程。實驗課程是《儀器分析》的重要教學內(nèi)容，通過實際操作鞏固理論知識的學習，促使理論知識向?qū)I(yè)能力提升，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合知識運用能力，為公共衛(wèi)生行業(yè)培養(yǎng)出創(chuàng)新實踐能力強的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

傳統(tǒng)的實驗教學多以教師講授為主，尤其涉及到貴重儀器，學生能手操作的機會較少，很難有動手實踐的機會。這種實驗教學模式嚴重影響了學生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗系統(tǒng)是基于軟件技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗教學系統(tǒng)，通過3D動態(tài)模擬實現(xiàn)教學實驗室的數(shù)字化和虛擬化。通過計算機模擬實驗器材和實驗過程，使得學生在逼真的環(huán)境中完成實驗操作，實現(xiàn)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。虛擬仿真實驗具有節(jié)約成本、實驗共享、提高效率等顯著優(yōu)勢，已經(jīng)成為傳統(tǒng)實驗教學手段的有效補充和發(fā)展[5-11]。虛擬仿真實驗實現(xiàn)了理論教學和實驗的有機融合。因此，本文在《儀器分析》實驗課程中引入虛擬仿真實驗，通過建立虛擬仿真實驗與理論課程相結(jié)合的教學模式，實現(xiàn)學生學習過程中不受時間和地點的局限，為疫情下的實驗教學的順利開展和實驗教學質(zhì)量的提升提供新的手段。

上海健康醫(yī)學院秉承“應(yīng)用型、特色性、國際化”的發(fā)展目標，致力于學生動手能力和操作技能的培養(yǎng)，在衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)的實驗教學引入了虛擬仿真教學平臺。本文通過分析虛擬仿真實驗的特點和優(yōu)勢，結(jié)合虛擬仿真實驗在我校衛(wèi)生檢驗檢疫專業(yè)的《儀器分析》課程的具體應(yīng)用情況進行闡述。

1 傳統(tǒng)實驗教學模式的現(xiàn)狀

1.1 實驗教學效率偏低

《儀器分析》是以物質(zhì)的物理和物理化學性質(zhì)為基礎(chǔ)，利用特殊儀器對物質(zhì)進行定性、定量、形態(tài)分析的一門學科，所以實驗課就顯得尤為重要。衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)的儀器分析課程是培養(yǎng)公共衛(wèi)生人才，更注重于檢測儀器的實操能力培養(yǎng)。但醫(yī)學院里各檢驗專業(yè)配備的液相色譜儀、原子吸收分光光度計、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等大型儀器由于價格昂貴、維修維護成本高，儀器配置數(shù)量有限，很難滿足學生同時操作多臺儀器設(shè)備，導致實驗教學效率偏低，難以實現(xiàn)每個學生動手操作的教學目的。

理論課課堂教學后，有些同學對儀器的結(jié)構(gòu)不能直觀的了解，對儀器的構(gòu)造、原理和使用存在盲區(qū)，這就導致學生在使用大型實驗設(shè)備的時候，操作不當極易造成儀器的損耗和破壞。這樣的結(jié)果會導致昂貴的維修費用，同時加劇學校實驗設(shè)備的短缺。如果能夠在教學中引入虛擬仿真實驗軟件，就可以讓學生運用仿真實驗來協(xié)助完成傳統(tǒng)實驗。比如可以先在軟件中熟悉某儀器的具體使用方法后再上機操作，會大大降低因為學生的盲目操作導致的設(shè)備損壞。

1.2 增開傳統(tǒng)實驗無法實現(xiàn)的實驗

實驗教學中有一部分實驗是具有一定的危險性的，特別是當涉及到有毒、放射性和易燃易爆物質(zhì)時。比如冷原子吸收光譜法測定汞離子，其中需要用到汞標準物質(zhì)，這類藥品是受到政府管控的，無法購置。由于這類客觀因素的影響，許多化學實驗無法在課堂展現(xiàn)，但如果利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)此類實驗的開設(shè)了。

1.3 提升學生學習的積極性和創(chuàng)造性

本科學生接觸科研平臺，動手操作儀器的機會有限，虛擬仿真實驗軟件只需要一個聯(lián)網(wǎng)的計算機就可以做到。在課前，學生可以通過這個軟件提前掌握本節(jié)課重點，一定程度上節(jié)約教學時一些不必要的時間；在課后，學生依舊可以通過這個軟件復習本節(jié)課的內(nèi)容，特別是臨近期末的實驗操作考試，這時候就帶給了學生一個很大的便利，隨時隨地都可以復習。在越來越信息化的今天，年輕一代的學生勢必對于電子產(chǎn)品會多一份興趣去探索和學習，這也彌補了理論知識枯燥難懂導致學生信心、興趣減退的不足。曾經(jīng)的實驗室似乎對于學生們來說雖然近在咫尺，但卻實則遙遠，可如今虛擬仿真實驗軟件就將實驗室?guī)У搅松钪g。

2 虛擬仿真實驗在衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)實驗教學的應(yīng)用

2.1 虛擬仿真中理論知識的教育

在實驗課中，經(jīng)常會向?qū)W生介紹到各類分析儀器，如氣相色譜儀、高效液相色譜儀等。教材會有各個儀器的構(gòu)造和原理介紹，但學生理解起來過于抽象。如果在教學過程中運用到虛擬仿真實驗軟件，可以做到教師講解的同時，學生利用仿真軟件三維地觀察儀器各個角度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過其中三維動畫能讓學生直觀生動地了解該儀器的構(gòu)造和原理。

2.2 虛擬仿真軟件在實驗課中的實施

以液相色譜-質(zhì)譜法測定環(huán)境內(nèi)分泌干擾物為例，該實驗需要用到液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，該儀器價格昂貴，很難實現(xiàn)每個學生動手操作，如使用虛擬仿真實驗系統(tǒng)，可以逼真的演示儀器的結(jié)構(gòu)以及工作原理，讓學生在虛擬仿真實驗系統(tǒng)上模擬操作，完成液相色譜-質(zhì)譜法測定環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的整個實驗過程。實驗內(nèi)容包括樣品的前處理中的樣品離心、酶解、固相萃取、樣品濃縮復溶，以及液相色譜-質(zhì)譜儀的上機檢測中的調(diào)諧、色譜質(zhì)譜方法編輯、梯度洗脫程序的選擇、儀器運行、展示并提取質(zhì)譜、色譜圖、利用內(nèi)標法進行定量分析等一系列的實驗內(nèi)容。仿真實驗系統(tǒng)給了學生多次嘗試的機會，從樣品前處理各個操作步驟到液相色譜梯度洗脫溶劑的比例調(diào)節(jié)等因素是如何影響最終實驗結(jié)果，操作失誤系統(tǒng)會給予正確的提示，學生通過這樣反復操作練習，已大致掌握操作要點，此時上實機實際操作耗時少、熟練度高，進一步達到鞏固的作用。課后，系統(tǒng)會保留每次操作的歷史記錄，學生可以通過回看操作失誤記錄后重新操作等手段進行復習。這樣的虛實結(jié)合、理論教學和虛擬實驗結(jié)合，達到了提高學生動手能力的目標。

仿真實驗系統(tǒng)也給教師帶來了便利，學生每次所做實驗的分數(shù)都會實名記錄在教師系統(tǒng)后臺，這些分數(shù)不僅可以成為期末考核的標準，還可以知道哪些學生掌握不熟練、哪些實驗普遍分數(shù)低等情況，有助于教師及時了解學生情況、調(diào)整教學計劃和模式，使實驗課程質(zhì)量進一步上升。

3 結(jié) 語

虛擬仿真實驗讓實驗室突破時間空間的限制來到了生活之中，讓遠距離教學成為可能，更為疫情期間線上實驗教學提供了技術(shù)支持。本文針對虛擬仿真實驗軟件在衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)實驗教學的應(yīng)用進行了闡述，讓我們看到了這樣一種創(chuàng)新模式既彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，也帶來了新的便利和益處。理論教學和虛擬仿真實驗的有機結(jié)合可以提高學生的學習效率，方便了課堂的多媒體教學，更實現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗與檢疫專業(yè)操作的仿真實訓與考核，使得教師可以高效的了解學生的實訓效果，提高實驗教學質(zhì)量。促使理論知識向?qū)I(yè)能力提升，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合知識運用能力，為公共衛(wèi)生行業(yè)培養(yǎng)出創(chuàng)新實踐能力強的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，全方位促進教學質(zhì)量的提升和教學模式的改革。