初探虛擬仿真技術在現代儀器分析中的應用*

鄧雅瓊 肖 歡 王 萌 吳雙雙 李 聰 魏旭康 徐 偉

分析化學是一門關于研究物質組成、含量、結構和形態等分析化學信息的方法及理論課程，是江西中醫藥大學科技學院藥學類專業的必修課程。而現代儀器分析作為分析化學的重要組成部分，其內容涵蓋了電化學分析法、光學分析法、色譜分析法等。新時代形勢下，因科技發展迅猛、社會快速進步，現代分析儀器隨之不斷地更新換代，儀器分析新方法和新技術也隨之不斷地創新與應用，從而使得儀器分析在研究和解決藥物等科學領域的理論和現實問題中的地位越發重要，其發揮的作用無可替代[1]。江西中醫藥大學科技學院開設本門課程旨在通過課程學習，學生充分了解光譜分析法、色譜法等研究方法的基本原理，相關現代分析儀器的基本組成、維護和使用方法，培養學生掌握色譜分析法在定量、定性和分離分析混合物的基本原理及應用能力以及掌握根據相關的譜圖進行有機化合物分析結構的綜合解析技術，初步具備鑒定和分析待測化合物的能力，從而培養理論基礎扎實、動手能力強、科學素養高的藥學專業素質人才。

1 現代儀器分析局限性

現代儀器分析是江西中醫藥大學科技學院藥學、中藥學、制藥工程等專業十分重要且實用性強的一門專業基礎課。該課程涉及大量的現代分析儀器的教學，在傳統的教學中發現存在以下問題。

1.1 現代儀器分析理論的局限性

1.1.1 現代儀器分析方法更新帶來的局限性現代儀器分析涉及范圍廣泛，蘊含的分析方法也十分之廣，不同分析方法所依據的原理不同，所測量的對象不同，操作方法和應用情況也存在很大的差距。而隨著時代的發展和需求的不斷提高，現代儀器分析方法也不斷更新，這就要求儀器分析方法要進一步提高其靈敏度、選擇性以及準確性，而學生所學內容順應不了時代發展的步伐。

1.1.2 現代分析儀器更新帶來的局限性分析化學要隨著現代科學技術的高速發展、生產需求的提高和人民生活水平的提高而適應科學發展，分析儀器必然要朝著智能化方向發展，利用計算機分析結果、存儲分析方法和數據控制儀器全部操作的功能，從而實現分析操作的自動化和智能化的目標，這也使傳統教學受到阻礙。

1.1.3 學生知其然而不知其所以然帶來的局限傳統教學中，課堂講授往往按照作用基本原理、儀器的分類、部件的組成、儀器的操作方法和應用實例等逐一展開。學生在學習過程中將專業術語和作用原理等記錄下來，但卻不知如何使用，或者不知可以解決什么問題。實際上，藥學專業人才“學”儀器的目的必然是為了“用”儀器，而在現實生活中遇到實際的問題，學生卻不知道如何解決，甚至不知道他們所學內容足以解決問題[2]。

1.2 現代儀器分析實驗的局限性

1.2.1 設備昂貴由于儀器設備復雜，因此價格和維護費用相對低值耗材是昂貴的，且對維護及環境要求較高。例如高效液相色譜儀由高壓輸液系統、進樣系統、色譜柱分離系統、檢測器、數據處理系統等組成，價格昂貴，維修成本高。

1.2.2 標準物質儀器分析是一種相對分析法，必須要使用標準物質對照，而儀器分析的廣泛應用受到限制取決于標準物質的獲得。

1.2.3 誤差儀器分析相對誤差較大，不建議使用此法用于常量和高含量組分的分析[3]。

2 現代儀器分析虛擬仿真實驗室建設的重要性

虛擬仿真技術，即使用一個虛擬的系統模仿現實生活中存在的一個真實系統的技術。該項技術是基于高性能計算機技術，并將現實場景通過實時三維計算機圖形技術和動畫技術重現于計算機環境中，擁有多感知性、人機交互性、構想性和浸沒感等多種特征，而且內容豐富，用戶可根據自身需求選擇場景[4]。虛擬仿真實驗在現代儀器分析實驗教學中可利用虛擬現實、增強現實等仿真技術，構建虛擬仿真實驗室，促進教學相長。

2.1 虛實結合，豐富教學手段分析化學教學內容多、知識廣、專業強且學時少。為保障理論教學的質量和完整，往往實驗學時會被壓縮，且現代儀器分析所占比例小，多為驗證性實驗，課堂教學多以教師講授為主，學生記基本原理、構成、操作步驟等，現代分析儀器無法帶入理論教學課堂，學生理解難度增大，對現代分析儀器和方法只能死記硬背，不能實際動手操作和實現從實驗中發現問題、分析問題、解決問題，從而達到培養學生嚴謹的科學研究素養的目標。對現代儀器分析這一基于實驗的學習是存在很大弊端的。虛擬仿真實驗室的建立，實現了虛實相結合，不僅豐富了教學手段，同時也培養了學生的自主學習和動手能力，達到課前預習、課中學習、課后復習的效果，突出學生的主動性、創新性和體驗性。

2.2 節約實驗資源和教學成本化學實驗室中高精密儀器不能及時更新，在正常實驗教學中雖可完成，但跟不上市場的發展和實際需求的提高速度，不僅造成了學生學習興趣不高，而且還造成了實驗完成質量低下。另一方面，因高精密儀器造價昂貴，所以運行和維護成本十分之高，不能保證培養學生的科學素養。與此同時，現代儀器分析中使用的實驗耗材大多為未知藥品，存在一定的危險性。現代儀器分析虛擬仿真實驗室的建立，學生可自由使用各類精密儀器和實驗耗材，不僅可以節約實驗資源和教學成本，還能運用計算機虛擬仿真技術將儀器、實驗方法和技術更新，同步滿足市場和生產的需求[5]，見圖1。

2.3 規避現實風險，培養科學實驗素養線下現代儀器分析實驗中，由于待測試劑未知，給實驗和實驗員都帶來了一定的危險性。在虛擬仿真實驗中，學生實驗最大的優點是可逆操作，即學生操作不當引發危險時，學生可撤銷當前操作，返回上一步操作，既能縮短實驗時間和規避現實風險，滿足學生對現代儀器分析實驗的要求，同時可激發學生更大的學習興趣，從而提高學生的安全意識和科學實驗素養。

2.4 突破時間空間的限制，培養學生實際動手能力現代儀器分析實驗時間長，如利用高效液相色譜儀檢查奈韋拉平中有關物質及其片劑的含量測定實驗中色譜柱、流動相、檢測波長的適用性實驗、對照品的分析實驗等環節至關重要，前期的預處理實驗往往需要很長時間，又因為實驗儀器的造價昂貴，往往不能每個學生都在線下單獨實驗，導致絕大部分學生對整個實驗不重視。而虛擬仿真實驗的引入，學生可不受時間和實驗次數的限制，大大縮短實驗時間，提高實驗效率。新型冠狀病毒的突然襲擊，我國疫情防控措施的精準施治和我國對于人民生命安全的高度重視，學生無法及時返校進行線下集中學習、返校后要做好常態化疫情防控、學生實驗操作機會少、學生思想上對該類實驗不重視等問題，造成了線下實驗受到了空間的限制。虛擬仿真實驗正好能突破空間的限制，同學們利用網絡和學習設備，可隨時隨地的模擬整個實驗過程，真正實現了跨越“時空”，培養學生動手能力和提高思想認識[6]。

圖1 現代儀器分析虛擬仿真平臺展示

3 虛擬仿真技術在現代儀器分析中應用

3.1 課前線下預習、查閱文獻、設計實驗課前提前告知學生本實驗目的，可利用虛擬平臺進行展示，同時重點突出本實驗項目對學生個人創新性思維及專業技能的培養。教師引導學生進行實驗方案的設計，通過師生對話、文獻閱讀等方式讓學生掌握實驗設計基本原則、要求和思路，鞏固學生專業知識儲備，強化預習效果。

3.2 課中線上了解操作流程、認識實驗儀器、建立對照實驗模型、虛擬實驗操作根據國家藥學培養大綱，江西中醫藥大學科技學院分析化學培養方案，依托虛擬仿真實驗平臺進行線上相關現代儀器分析實驗，在熟悉了解了虛擬實驗操作流程、認識了實驗儀器、建立了對照實驗模型后，學生于平臺上反復進行虛擬實驗操作，夯實知識基礎，更好地將理論與實踐融合，達到熟能生巧的目的。①先簡單了解實驗過程中所需要用到的相關軟件，了解其場景、主要選項功能及一些特殊操作：結合文字說明，觀看相關現代儀器分析實驗目的、原理及步驟；學生可根據提示先自主了解實驗環境、學習實驗相關儀器和藥品等；學生自主完成對應實驗操作全過程；系統會在實驗過程中判斷每一步操作的正確性，并提示下一步的正確操作。②學生進行模擬仿真實驗操作。通過該步驟，學生熟悉并掌握相關實驗的操作方法及實驗儀器的使用方法：學生通過操作鼠標對實驗儀器等進行操作，右鍵為移動、左鍵為旋轉及中鍵還原等；通過查看實驗步驟進行操作，若操作錯誤，則無法進行下一步，即可退回上一步重新操作；建立對照實驗：通過該步驟，學生了解并拓展相關實驗方法及模型。

3.3 線下綜合實踐，動手操作通過該步驟，學生真實體會現代儀器分析的實驗操作，提高藥物質量檢查、儀器分析等業務能力。

3.4 處理實驗結果、得出結論學生進行實驗觀察和結果的處理：如譜圖的處理；通過該步驟，學生了解并掌握實驗結果的處理辦法，且教師引導學生進行其他檢測的常用方法。實驗操作模塊學習成績評定：通過考核，學生了解自己的得分情況，并客觀分析自身的不足，見圖2。

圖2 虛擬仿真技術在現代儀器分析課程中的應用

4 小結及展望

通過江西中醫藥大學現代儀器分析虛擬仿真實驗的應用，教學效果和人才培養質量得到了大幅度的提高。在傳統實驗教學模式上，虛擬仿真實驗雖是有益的補充[7]，但將虛擬仿真技術引入課堂，對于高校課程設計和人才培養有著獨特的意義[8]。隨著數字技術和網絡技術發展而來的虛擬仿真教學,是一種新穎的教學嘗試。學生通過仿真教學，不僅能夠形象地理解了實驗的基本原理,而且能夠通過仿真操作對實驗多過程有直觀的感性經驗。在開展虛擬仿真實驗的過程中做到虛實結合為培養學生的基礎實踐能力和自主創新能力提供了有力保障。堅持以實體實驗為主，虛擬實驗為輔,圍繞實體藥物檢測實踐過程，注重實體實驗知識的傳授和實踐能力、創新能力的培養。因此，構建基于虛擬環境的現代儀器分析實驗教學體系，也是實驗改革必然的趨勢。