虛擬仿真實驗在實用儀器分析教學改革中的應用分析

姜侃　邱黛玉

摘 要：甘肅農業大學實用儀器分析課程是中草藥栽培與鑒定專業的專業限選課之一。2004年中草藥栽培與鑒定專業建立之初，實用儀器分析課程作為專業限選課進入中草藥栽培與鑒定專業培養方案，經過多年的發展，在課程教學方法、教學內容及教學資源等方面奠定了堅實的基礎。該課程是一門實驗技術性很強的課程，實用儀器分析實驗作為實用儀器分析課程的實踐教育環節是不可或缺的。為保證教學質量，針對新冠疫情及實驗教學中人多機少的情況，基于虛擬仿真平臺并結合多種教育信息化技術，對實用儀器分析實驗的線上教學進行探索；從課程基本情況、課程目標、課程特點、教學方法及教學反思等幾個方面進行設計和實踐。實踐表明，虛擬仿真平臺的應用明顯提高了學生的課程興趣、創新意識及實驗技能；虛擬仿真實驗的應用是對傳統教學的創新和補充，可為智慧教學模式的構建提供一定的思路。

關鍵詞：實驗儀器分析實驗；虛擬仿真；線上教學；實驗教學；演練系統；考核系統

中圖分類號：G642.0? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）04-0079-04

1 前言

甘肅農業大學實用儀器分析課程是中草藥栽培與鑒定專業的專業限選課之一，中草藥栽培與鑒定專業秉承“立足甘肅、面向西北、輻射全國”的辦學宗旨，以中藥資源開發與質量控制、藥用植物規范化栽培研究、中藥材加工儲藏研究等為特色，以服務社會和區域經濟發展為目標，以“產學研結合”為人才培養手段，培養基礎扎實、能力強、素質高的應用型、學術型人才。

本專業始于1993年中藥材大專專業，2004年創建中草藥栽培與鑒定本科專業，隸屬農學院，2020年獲批甘肅省一流本科專業建設，2021年獲批甘肅農業大學一流本科專業建設。本專業是我國高等院校中藥學和農學交叉方向的一個新興特色專業，立足甘肅省中藥材資源和產業優勢，主要培養從事藥用植物引種馴化、栽培、育種、資源開發利用等方面的高級專業人才，從中藥生產前端提升中藥質量。

2004年中草藥栽培與鑒定專業建立之初，實用儀器分析課程作為專業限選課進入中草藥栽培與鑒定專業培養方案，經過多年的發展，在課程教學方法、教學內容及教學資源等方面奠定了堅實的基礎。作為本專業省級一流本科專業及校級一流本科專業建設指標之一，實用儀器分析課程于2022年開始，籌備建設虛擬仿真教學平臺，預計2023年年底建成。本文擬就虛擬仿真實驗在“實用儀器分析”教學改革中的應用進行分析，以期為“中草藥栽培與鑒定專業”省級及校級一流本科專業建設貢獻力量。

實用儀器分析法是測定物質化學組成、狀態、結構的重要方法，也是監測物理、化學等過程的重要手段之一。由于物理學、電子學的發展促進了分析儀器的發展，從而分析化學已經由以化學分析為主的經典分析向以儀器分析為主的現代分析過渡；同時，儀器分析的應用也逐漸擴展到許多相關學科中，實用儀器分析已被列為化學專業和醫藥專業（本科）必修的基礎課程之一，一些非化學專業也逐漸將儀器分析列為必修課或選修課[1-3]。該課程是一門實驗技術性很強的課程，需要嚴格的實驗相關知識與實驗技能訓練，實用儀器分析實驗作為實用儀器分析課程的實踐教育環節是不可或缺的；但實用儀器分析實驗的實施需要借助各類儀器，線下授課時，存在著人多機少，學生積極性不高，上課效果差等弊端，為了改善這種狀況，激發學生的學習興趣，本研究以實用儀器分析實驗中高效液相色譜儀操作應用為例，將甘肅農業大學在線教育綜合平臺、虛擬仿真實驗平臺[4-6]等應用于實驗課程，實現了移動學習，使實驗教學不再受到時間和空間的限制，對在疫情及后疫情期間進行實驗教學、改革教學模式、提升教學質量有著重要作用。

根據統計，在教育部公布的728門國家示范性虛擬仿真實驗教學課程中最高的實驗瀏覽量為16萬次，最低的實驗瀏覽量不到1400次，平均瀏覽量為1.8萬次；而虛擬仿真實驗教學一流課程最高做實驗人數的課程1.6萬次，課程平均做實驗人數約為1300次，兩者數據差別較大。以上數據表明，要加快推動虛擬仿真實驗在教育教學中的深入應用，利用其在教學過程中的特色優勢，培養學生的實踐能力和創新精神。

2 虛擬仿真平臺在實驗教學中的優勢

設備無限，空間無限。基于虛擬仿真實驗平臺開展實驗教學，學生可以在任何時間，任何地點開展實驗，從而打破傳統實驗教學中時間和空間的限制，充分發揮虛擬環境所蘊含的各種空間信息的優勢，對提高專業知識、激發學習興趣、增強學習體驗具有重要意義[4]。

內容多元，沉浸展示。虛擬仿真實驗可為學生提供實驗指導書所要求的實驗內容，同時還可加入設計性實驗項目，提高學生的創新意識與創新能力。此外，通過VR可進行沉浸式虛擬展示，對實驗的各個環節進行三維可視化演練，給觀看者帶來身臨其境的感覺[5]。

教育公平，均衡發展。自2017年到2020年，教育部公布了728門國家示范性虛擬仿真實驗教學課程，從課程分布地域視角分析，83.4%的虛擬仿真實驗教學課程分布于中東部地區，西部地區為16.6%。虛擬仿真實驗可充分發揮互聯網時代下數字化資源的優勢，雖然西部地區虛擬仿真實驗教學課程占比較低，但可通過虛擬仿真平臺運用全國范圍的課程資源，促進了教育公平和教育均衡發展[6]。

3 虛擬仿真實驗平臺在實驗儀器分析實驗--高效液相色譜儀操作應用實驗教學的應用

3.1 課程基本情況

課程教學學時安排：本課程為中草藥栽培與鑒定專業的專業推薦選修課，課程共48學時，包括理論課程32學時和實驗技能操作16學時，其中高效液相色譜儀操作應用總共9學時，其中理論5學時，實驗技能操作4學時。

課程目標：（1）知識目標。掌握儀器分析的基本原理、基本方法、基本知識；（2）技能目標。掌握常用儀器的基本操作技能；（3）素質目標：在掌握儀器分析的基本原理、基本方法、基本知識及常用儀器的基本操作技能的基礎上，可依據檢測目標及特定儀器設計自己的儀器方法。

3.2 課程特點及學情分析

緊扣大綱教學，實用儀器分析是一門實驗技術性很強的課程，需要嚴格的實驗相關知識與實驗技能訓練，實用儀器分析實驗作為實用儀器分析課程的實踐教育環節是不可或缺的；緊貼專業教學，講授的主要內容包括高效液相色譜法、氣相色譜法、紫外分光光度法、紅外光譜法以及一些相應的實驗，是本專業其他專業課程實驗中常用的分析儀器；在教材特色方面，所選教材《實用儀器分析》（楊根元，北京大學出版社，2010）包括應用廣泛的儀器分析方法，實用分析技術，兼顧基礎理論、技術和應用；每一章都包含相應儀器的應用實例。

學生通過前期有機化學等課程的學習，已對各儀器的原理有了基本的了解。在學習認知能力方面，學生渴望將所學理論知識應用到實際中，通過實際操作儀器及設計分析方法進一步鞏固驗證自己所學。在客觀條件上，各類儀器數量非常少，只有少數同學能獲得上機實際操作儀器的機會。

3.3 教學方法

通過直觀演示、自主學習、任務驅動和興趣驅動“四維一體”的教學方法在實用儀器分析實驗中探索和應用虛擬仿真平臺；其中直觀演示主要遵循傳統教學模式，在課堂講授理論知識，實驗室講解實驗內容、儀器及指導少部分學生上級實際操作；自主學習包括虛擬仿真平臺和甘肅農業大學在線教育綜合平臺，使學生通過在VR場景操作儀器及數字平臺復習理論知識，進一步鞏固直觀演示部分所學知識；任務驅動則是結合本專業特色，讓學生自主選擇中草藥，自己設計如何利用所學儀器相關知識測定中草藥成分；興趣驅動是對于SIETP等大學生創新創業項目，鼓勵學生結合專業特色及儀器分析優勢，申請具有中草藥專業特色的項目。

3.4 “潤易享”虛擬仿真平臺

高效液相色譜儀操作應用虛擬仿真平臺[6]由演練系統和考核系統兩部組成。

演練系統中，實驗系統會提示實驗步驟，相應步驟需要操作的實驗儀器會高亮顯示。根據實驗提示，學生操作鼠標點擊高亮儀器后系統模擬實驗操作過程，根據提示操作鍵盤使用儀器。演練系統中可以觀看儀器導航，儀器導航中學生選擇儀器后，在實驗場景中會高亮顯示儀器，學生能夠旋轉、放大、縮小視角觀察實驗儀器。此外，演練系統可以多次反復練習，不受時間限制。

考核系統中，實驗步驟與演練系統一致，實驗界面中沒有操作步驟提示，對應的操作儀器也沒有高亮提示，學生根據演練系統所學內容進行考核。考核系統有計時點，學生操作錯誤時系統扣分，完成考核后，系統會顯示學生最終考核分數和考核點的操作正誤情況。當學生遺忘操作步驟時。可以申請提示，提示后相應步驟儀器會高亮顯示，但系統會扣除兩分。

3.5 教學效果與反思

本次課程運行期間，教學班級為2020級中草藥栽培與鑒定本科專業，共55名學生。以高效液相色譜儀操作應用實驗教學內容為例，分析“潤易享”虛擬仿真平臺數據：30.9%的學生成績在70～79分，60.0%的學生成績在80～89分；9.1%的學生成績在90分以上，說明學生通過多次反復演練，基本掌握了高效液相色譜儀的操作及應用；學生學習時長分析，85%的學生在平臺學習時間超過4個學時，說明學生比較喜歡虛擬仿真平臺的學習方式。分析甘肅農業大學在線教育綜合平臺數據：學生總訪問量為549次，平均9.98次/人；學生學習總時長6984分鐘，平均126.98分鐘/人，其中訪問次數最多的同學達到75次，訪問次數最少的為0次（3人）；學習時長最長的達到了1020分鐘，最短的為0分鐘（5人）。以上數據表明，90%以上的學生能夠接受虛擬仿真平臺結合在線教學平臺的教學方式，并且喜歡這種相對自由的學習模式，通過不受時間和空間限制的學習模式，可以很好地掌握理論知識及儀器操作技能。

基于虛擬仿真實驗平臺開展的高效液相色譜儀操作應用實驗線上教學，貼合實用儀器分析的“教”“學”需求，避免了傳統教學中典型的人多機少、內容單一、體驗感差等問題，適合高效液相色譜儀操作應用的實驗教學。虛擬仿真平臺結合真實實驗室平臺的教學方式，充分調動了學生自主學習的積極性，也提高了學習興趣及學習效果，鍛煉培養了學生的自學能力、理論聯系實際的能力及儀器操作能力，“同質高效”地完成了線上教學。

4 存在問題

（1）線上線下結合有待提高。在本次課程運行期間，55名同學中，有33名同學在完成虛擬仿真平臺實驗后，選擇空閑時間進入實驗室進一步在儀器上鍛煉儀器操作及應用能力，另外22名同學則沒有選擇再次進入實驗室進行練習，真實上機率剛到60%，后續教學過程中有待進一步提高。

（2）解決真實問題的能力需要提高。虛擬仿真平臺為模式化教學平臺，操作步驟為典型的儀器操作過程，不會出現色譜方法不合適或儀器故障等情況，而現實的高效液相色譜儀操作應用過程中，由于不同樣品液相色譜條件不一樣，整個操作過程會出現各種各樣需要依據具體問題具體解決的情況，學生在進入藥企等企業工作后實際操作也是如此。因此，虛擬仿真平臺的使用不利于培養學生對未知問題的分析和應對能力。

（3）其他線上教學存在的問題。教學效果的數據分析表明，雖然90%的學生可以完成虛擬仿真平臺和在線教學平臺的學習任務，但有近10%的同學只完成虛擬仿真平臺要求的實驗內容，對在線教學平臺所提供的理論資源缺乏學習的積極性。此外，網絡的不穩定性、遠程溝通的距離感、長時間看電腦的不適感，也都是線上教學需要克服的問題。

5 應對措施

（1）虛實結合、以虛促實。虛擬實驗和實體實驗都是教學信息化背景下培養創新人才不可分割、相互補充的兩個方面，必須堅持虛實結合的原則進行教學設計。學生通過虛擬仿真平臺基本掌握儀器的操作后，應進入實驗室實際操作及應用儀器，通過真實的儀器操作過程發現問題，提高動手能力、思考分析能力及自主設計的能力。以虛擬仿真平臺作為一種重要的輔助手段，達到以虛促實的目的；這在實用儀器分析解課程教學中尤其有其優勢[7]。

（2）建立健全評價體系。“互聯網+”教育的背景下，教師需要充分利用信息化教學手段，督促學生學習，提高學習的主動性。對于實驗教學，需將過程性考核落到實處，要及時將實驗預習報告完成情況、線上教學平臺完成情況，線下實體實驗進行情況及時反饋給學生，促進學生自主學習；對于過程性考核的評價方面，尤其要關注學生是否在線下對實驗進行了進一步的練習鞏固。

6 結語

虛擬仿真實驗是對傳統教學的補充，尤其對于需要借助各類儀器進行的實驗具有極大的價值，主要在于虛擬仿真實驗平臺不存在儀器數量的問題，使得每位同學都具有了自己操作儀器的機會，可以得到更好的鍛煉，同時虛擬仿真平臺不受時間、空間、經費、環保等限制，同學們需要時，可以隨時進入平臺進行實驗，可以多次反復學習，獲得更好的學習效果。此外，對比分析2019級及2020級中草藥栽培與鑒定專業學生本課程成績，80～89分段學生占比明顯增加，說明虛擬仿真實驗在實用儀器分析課程實驗中發揮了積極作用，提升了教學效果，如表1所示。

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參考文獻：

〔1〕鄧真麗，陳靈，張靜.加強儀器分析實驗案例教學促進實用型人才培養[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2011，31（01）：109-111.

〔2〕王軍鋒，聶迎春，李連慶.儀器分析實驗中實用型人才的培養[J].山東化工，2017，46（22）：149-150.

〔3〕陳韻.加強地方院校《儀器分析》實驗的幾項措施[J].韶關學院學報（自然科學版），2011，32（02）：97-99.

〔4〕亞春林.高校虛擬仿真實驗教學的思考[J].現代職業教育，2022，（25）：40-42.

〔5〕米亞策，劉醒民.基于虛擬仿真技術的化工原理實驗課程遠程教學模式的探索研究[J].廣州化工，2022，50（11）：214-216.

〔6〕尉小榮，徐建，李洋洋.高校國家級示范性虛擬仿真實驗教學課程建設與應用現狀分析[J].實驗科學與技術，2022，20（03）：26-30.

〔7〕魏慧平，周薇，李勇莉.虛擬仿真平臺在高校實驗教學改革中的應用[J].解剖學研究，2022，44（02）：184-187.

收稿日期：2023-01-03

基金項目：甘肅省科學技術廳2021年甘肅省自然科學基金（21JR7RA805）；甘肅省高等教育教學成果培育項目：中草藥栽培與鑒定本科專業實踐教學體系建設；甘肅農業大學中藥炮制學課程思政項目