“儀器分析”虛擬仿真教學(xué)體系的構(gòu)建

杜 琨，郭勝利，曾玉鳳，秦榮歡

（玉林師范學(xué)院 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院，廣西 玉林 537000）

1 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”教學(xué)現(xiàn)狀

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”實(shí)驗室承擔(dān)了化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、食品科學(xué)與工程、材料化學(xué)5個本專科專業(yè)“儀器分析”及“儀器分析實(shí)驗”的教學(xué)任務(wù)，每年使用實(shí)驗室的學(xué)生有300人左右，而實(shí)驗課只有16個學(xué)時，課時不足、經(jīng)費(fèi)有限，往往需要教師在上課前自己配制好實(shí)驗所需試劑并向?qū)W生發(fā)放實(shí)驗講義，學(xué)生按照實(shí)驗講義和教師在課堂上的講解及要求進(jìn)行實(shí)驗操作、觀察實(shí)驗現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)。在整個過程中，學(xué)生缺乏積極主動性，對實(shí)驗過程的思考明顯不足。此外，“儀器分析”教學(xué)需要的高效氣相色譜儀、高效液相色譜儀等大型儀器設(shè)備只有一臺，學(xué)生必須分小組進(jìn)行實(shí)驗，教師也要重復(fù)講解相同的內(nèi)容，難以維持課堂紀(jì)律，個別學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的學(xué)生不認(rèn)真聽講、不認(rèn)真做實(shí)驗，實(shí)驗結(jié)束后抄襲實(shí)驗報告應(yīng)付了事。同時，由于同一個時間段內(nèi)教授的學(xué)生過多，部分學(xué)生不能直觀地了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和使用方法，甚至因擔(dān)心損壞儀器而不敢操作，導(dǎo)致學(xué)生未來走上工作崗位真正使用相關(guān)大型儀器時，可能因操作不當(dāng)而損壞儀器，增加儀器損耗和修理費(fèi)用，無法實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

然而，“儀器分析”課程必須開展實(shí)驗，這是課堂教學(xué)不可或缺的環(huán)節(jié)，學(xué)生只有通過足夠的實(shí)驗訓(xùn)練，才能真正掌握書本上的理論知識。玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院現(xiàn)有的儀器設(shè)備難以承擔(dān)繁重的教學(xué)任務(wù)，因此，改革教學(xué)方法、探索新的教學(xué)途徑勢在必行。

2 應(yīng)用型本科院校開展“儀器分析”虛擬仿真實(shí)驗的必要性

2.1 解決大型儀器數(shù)量少而學(xué)生人數(shù)多的矛盾

“儀器分析”教學(xué)十分重視培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生從實(shí)踐中掌握儀器分析的原理和方法。但是，課堂時間有

限且學(xué)生人數(shù)多，不能保證每個學(xué)生都有足夠的時間完成整個實(shí)驗，而且有些實(shí)驗試劑的采購十分費(fèi)時，難以及時補(bǔ)充。近年來，虛擬實(shí)驗室的開發(fā)成為解決上述問題的有效手段，也是各個高校探索和研究的熱點(diǎn)[1-2]。

“儀器分析”虛擬實(shí)驗室是指利用網(wǎng)絡(luò)和仿真技術(shù)，在計算機(jī)中建立一套虛擬系統(tǒng)，使用仿真軟件模擬真實(shí)的實(shí)驗器材、藥品、環(huán)境并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)。學(xué)生使用計算機(jī)中安裝的虛擬仿真軟件進(jìn)行操作，可通過多次觀看演示錄像，對將要開展的實(shí)驗事先在腦海中形成清晰的印象，提高實(shí)際操作中的一次成功率[3-4]。

2.2 解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中驗證性實(shí)驗所占比例過大的問題

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”課程的實(shí)驗內(nèi)容基本上只限于教材規(guī)定的實(shí)驗，驗證性實(shí)驗所占比例過大，“可見分光光度計測定鐵的含量”等設(shè)計性實(shí)驗和“頭發(fā)中鋅的含量測定”等啟發(fā)性實(shí)驗比例很小，不利于學(xué)生掌握儀器的構(gòu)造及實(shí)驗原理。對于驗證性實(shí)驗，學(xué)生只需要按照實(shí)驗講義按部就班，不需要更多的思考。許多學(xué)生做完驗證性實(shí)驗“火焰原子吸收光譜法測定鉛含量”后，只知道用原子吸收光譜儀可以測定水中的鉛含量，將測量對象換成水中的汞含量就不知道使用什么儀器、如何檢測，更談不上將所學(xué)知識融會貫通以及利用現(xiàn)有儀器探索新的檢測方法。虛擬仿真實(shí)驗則不同，學(xué)生可以靈活地預(yù)設(shè)設(shè)計性實(shí)驗和啟發(fā)性實(shí)驗，然后根據(jù)程序軟件模擬真實(shí)的實(shí)驗情況。

2.3 調(diào)動學(xué)生的積極性，提高教學(xué)效果

“儀器分析”課程是化學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，是“分析化學(xué)”的重要組成部分。時至今日，“儀器分析”已經(jīng)超越化學(xué)領(lǐng)域，發(fā)展成以多學(xué)科（物理、數(shù)學(xué)、微電子學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、電子、計算機(jī)、信息、機(jī)械、資源、材料等）為基礎(chǔ)的綜合性分析科學(xué)。正因如此，學(xué)生普遍感到“儀器分析”課程學(xué)習(xí)困難。以高效氣相色譜為例，僅通過課堂講解以及觀看多媒體課件，學(xué)生對儀器的原理和使用方法知之甚少。

如果采用虛擬教學(xué)，教師可以構(gòu)建仿真虛擬“儀器分析”實(shí)驗教學(xué)環(huán)境，模擬氣相色譜的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)及光路圖、光程管的工作過程等，讓學(xué)生利用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行基本的操作練習(xí)。學(xué)生通過電腦上的虛擬仿真系統(tǒng)可以獲得對氣相色譜的直觀認(rèn)識，更有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)效果。

3 虛擬實(shí)驗室的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗室簡稱虛擬實(shí)驗室。虛擬現(xiàn)實(shí)也稱虛擬實(shí)境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，利用計算機(jī)技術(shù)生成一個具有視、聽、觸等多種感知的逼真的虛擬環(huán)境，用戶使用各種交互設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，產(chǎn)生身臨其境的感覺，實(shí)現(xiàn)交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。相比傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗室，虛擬實(shí)驗室具有以下優(yōu)勢。

3.1 為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境

可在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建人體模型、進(jìn)行電腦太空旅行、顯示化合物分子結(jié)構(gòu)等，為不同的學(xué)科領(lǐng)域提供無限的虛擬體驗，加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。親身感受比空洞抽象的說教更具說服力，主動交互與被動灌輸也有本質(zhì)區(qū)別。

3.2 降低教學(xué)成本

虛擬實(shí)驗室突破了教學(xué)時間、地點(diǎn)的限制，能充分利用現(xiàn)有的現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備、提高設(shè)備的使用率，避免大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置和浪費(fèi)。軟件技術(shù)是虛擬實(shí)驗的關(guān)鍵，虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性，能適應(yīng)測試功能的多樣化，還可用表格和圖形快速、準(zhǔn)確地顯示結(jié)果，具有傳統(tǒng)實(shí)驗難以比擬的優(yōu)勢。

3.3 完成現(xiàn)實(shí)中不可能完成的實(shí)驗

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)能實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況下，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)能提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗項目，充分體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。

3.4 及時更新設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)訓(xùn)基地，其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的，可以隨時生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。同時，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性使學(xué)生能在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入學(xué)習(xí)、不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能[5-6]。

4 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”虛擬實(shí)驗室簡介

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院擁有廣西壯族自治區(qū)級虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心—化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心。中心成立于2012年，是由化學(xué)工程與工藝、食品科學(xué)與工程、材料化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)5個一級學(xué)科交叉融合形成的多學(xué)科研究中心，2015年5月升格為區(qū)級虛擬仿真實(shí)驗中心，網(wǎng)頁如圖1所示。

圖1 玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院區(qū)級虛擬仿真實(shí)驗中心網(wǎng)頁截圖

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的特色與創(chuàng)新體現(xiàn)在以下3個方面：（1）為學(xué)生提供“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)、實(shí)物實(shí)訓(xùn)、仿真創(chuàng)新的相互補(bǔ)充；（2）體現(xiàn)了基礎(chǔ)性、綜合仿真性、綜合專業(yè)應(yīng)用性，實(shí)現(xiàn)了課內(nèi)與課外、教學(xué)與科研相結(jié)合，充分體現(xiàn)了教學(xué)改革的新方向和新特色；（3）中心與地方重點(diǎn)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，校企共建共享，建立了多層次、立體化的虛擬仿真體系，為企業(yè)培養(yǎng)了高素質(zhì)人才，實(shí)現(xiàn)了校企共享。

5 “儀器分析”虛擬實(shí)驗體系在實(shí)踐中的應(yīng)用

以“高效氣相色譜法測定白酒中的甲醇”為例，學(xué)生在仿真軟件上可以模擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗操作，先模擬再實(shí)踐。

課前，教師要購買高效氣相色譜儀虛擬仿真軟件，數(shù)字化設(shè)定所有氣路參數(shù)，流量和壓力精確穩(wěn)定，憑借精確的氣路控制、較快的柱箱升溫速度、高速的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可得到與原譜圖分離度相同而速度快2～10倍的結(jié)果。本實(shí)驗把不同的樣品設(shè)成不同的培訓(xùn)項目，每個項目又分為練習(xí)模式和考試模式，在考試模式下無任何提示信息，在練習(xí)模式下有評分幫助和提示信息。

引導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗時，教師要先介紹開機(jī)步驟，讓學(xué)生了解氣相色譜儀的開機(jī)準(zhǔn)備過程及相關(guān)化學(xué)站的使用，再完整播放一遍整個氣相色譜儀的操作流程，然后讓學(xué)生按照演示的錄像在虛擬操作系統(tǒng)上逐步完成實(shí)驗。

實(shí)驗結(jié)束后，學(xué)生點(diǎn)擊“查看譜圖”進(jìn)入實(shí)驗結(jié)果顯示界面，可以看到自己的實(shí)驗操作結(jié)果，以藍(lán)色線峰圖表示。作為比較，實(shí)驗以紅色線峰圖做出標(biāo)準(zhǔn)操作后的標(biāo)準(zhǔn)峰，如果操作正確，會和紅色線峰完全重合，操作中部分主要參數(shù)列表顯示在紅色線峰圖旁邊，學(xué)生可以通過反復(fù)多次的練習(xí)達(dá)到熟練完成實(shí)驗的目的。最后，學(xué)生要整理相關(guān)實(shí)驗數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)上完成并提交實(shí)驗報告[7-8]。圖2是真實(shí)的“高效氣相色譜法測定白酒中的甲醇”虛擬教學(xué)場景。

圖2 真實(shí)的“高效氣相色譜法測定白酒中的甲醇”虛擬教學(xué)場景

從教學(xué)實(shí)踐結(jié)果來看，達(dá)到了預(yù)期的目的。玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院只有一臺島津G2030高效氣相色譜儀，儀器使用過程復(fù)雜、維護(hù)成本較高，因此，學(xué)生動手操作的機(jī)會少。對其進(jìn)行原理解析、使用規(guī)范、故障分析處理等方面的仿真教學(xué)，極大地緩解了分析儀器不足造成的問題，提高了教學(xué)效果。

以此為鑒，玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院其他大型儀器也可借助大型儀器模擬操作軟件庫，使學(xué)生在不浪費(fèi)昂貴的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、耗材以及不損耗設(shè)備的基礎(chǔ)上開展虛擬仿真模擬操作，為真實(shí)上機(jī)做足準(zhǔn)備，可大大提高學(xué)生對大型氣相色譜儀、液相色譜儀等儀器的使用熟練程度和動手測樣水平[9-10]。

6 “儀器分析”虛擬實(shí)驗體系存在的問題及改進(jìn)建議

本研究所述虛擬仿真實(shí)驗取得了較好的效果，提供了人機(jī)交互的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但是通過實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)了一些明顯的不足，主要有以下3點(diǎn)。

6.1 不利于教師因材施教

虛擬教學(xué)不能很好地識別學(xué)習(xí)者在真實(shí)環(huán)境下表現(xiàn)出來的個性差異，不利于教師因材施教[11]。在現(xiàn)實(shí)生活中，每個學(xué)生都是不同的，有生命活力的個體由于各自的社會、文化背景等不同，面對同一個問題時，表現(xiàn)出明顯的個性差異，而這些個性差異在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中完全無法體現(xiàn)。在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中，程序的設(shè)定是固定的，每個學(xué)生都能熟能生巧，實(shí)踐能力很差的學(xué)生往往也能完美地完成實(shí)驗，教師看不到學(xué)生的個性差異，不利于教師因材施教。

6.2 不利于培養(yǎng)學(xué)生的集體主義精神

在實(shí)地教學(xué)中，常常每4個或5個學(xué)生為一組，共同完成某項實(shí)驗，每個學(xué)生各司其職，面對的都是真實(shí)的儀器。每個人的表現(xiàn)都會被同伴注意到并被評價，有利于學(xué)生進(jìn)步[12]。但是在虛擬仿真教學(xué)中，每個實(shí)驗都是由學(xué)生在電腦上單獨(dú)完成，缺乏集體合作的氛圍，不利于培養(yǎng)學(xué)生的集體主義精神，在這一點(diǎn)上，虛擬教學(xué)遠(yuǎn)遜于實(shí)地教學(xué)。

6.3 易弱化教師教學(xué)主導(dǎo)地位

在虛擬仿真教學(xué)中，教學(xué)主要由計算機(jī)上的軟件引導(dǎo)，學(xué)生不需要教師的指導(dǎo)就能完成實(shí)驗，會在一定程度上使教師失去教學(xué)主導(dǎo)地位，影響教師開展教學(xué)活動的積極性，也不能時刻監(jiān)測學(xué)生的實(shí)驗進(jìn)展，影響教學(xué)效果[13]。

7 結(jié)語

節(jié)省實(shí)驗成本、提高培養(yǎng)效率是虛擬仿真實(shí)驗的優(yōu)勢。但是，虛擬仿真實(shí)驗初期投入的成本較高，包括仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺、多媒體教室和仿真軟件等。此外，虛擬仿真實(shí)驗給人的使用體驗和實(shí)際達(dá)到的實(shí)驗效果都有欠缺。在實(shí)地實(shí)驗中，教師可直觀地看到學(xué)生的實(shí)驗情況，而虛擬仿真實(shí)驗存在空間的隔離。以上情況表明，虛擬仿真實(shí)驗還不能完全替代實(shí)地教學(xué)，在實(shí)踐中應(yīng)貫徹“能實(shí)不虛”的原則，將虛擬仿真教學(xué)作為教學(xué)手段的有效拓展、實(shí)地教學(xué)的有益輔助和補(bǔ)充。