虛擬仿真技術在《儀器分析》課程教學中的應用分析

高冬梅 靳 淼 周 博

楊凌職業技術學院藥物與化工分院，陜西 楊凌 712100

一、目前《儀器分析》課程實踐教學中存在的問題

《儀器分析》課程教學具有理論、實踐操作并重的特征［1］，而針對高職學生開設的《儀器分析》課程，學生不僅需要掌握必備的理論基礎知識，更需要掌握各類分析儀器的操作技能。綜合職業教育目標及現狀分析，《儀器分析》課程實踐教學存在以下幾方面問題。

（一）教學設備不足

《儀器分析》課程最好的教學方式是理論與實踐同時進行，學生在課堂上學習完一種儀器的理論知識后，可以立刻進入實訓室操作儀器，這樣在鞏固理論知識的同時，學生可以利用理論知識去操作儀器。然而，《儀器分析》課程所需教學儀器一般價格昂貴、體積大，且分析用試劑、儀器維護等費用較高，很多院校受資金甚至儀器擺放場地的限制［2］，無法購置大量儀器滿足教學需求。因此，在《儀器分析》課程教學過程中，學生操作儀器這一重要學習環節變成了老師演示，學生觀看環節，學生的儀器操作技能無法得到訓練。

（二）儀器分析實踐操作訓練實施質量低

高職學生，學習積極性普遍不高，這樣就出現了“老師講不聽，自己操作不會”的現象。學生以這種狀態去操作儀器，對于學生來講是畏難心理，擔心自己的操作會損壞儀器，對于儀器來講，易損壞。大部分儀器維修費用較高，而且儀器一旦損壞，不能及時維修，就會導致后面班級課程無法進行。這種不良現象直接導致《儀器分析》課程的實踐操作訓練無法高效、高質量實施。

（三）學生實踐操作機會少

受到儀器數量等因素的影響，儀器分析實踐操作教學環節，大部分為老師講完理論后學生操作一遍，即完成該學習環節。這樣的環節并沒有留給學生太多思考的余地，學生在不知其所以然的情況下就匆匆結束了這個學習環節。學生缺乏獨立思考和相互討論的過程，嚴重抑制了學生的學習積極性［3］。

二、虛擬仿真技術概念及其在教學中的應用

（一）虛擬仿真技術概念

虛擬仿真技術是一種用虛擬電子信息系統模擬真實場景系統的技術。以相似原理、信息技術、系統技術及相關應用領域中專業技術為基礎，以計算機、各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或假想的系統進行模擬、試驗研究。可通過人機交互、互聯網、人工智能、傳感技術等多種手段生成多源信息融合的交互式虛擬動態環境情景［1］，給用戶視覺、觸覺、聽覺等感官上呈現出虛擬環境的逼真性。用戶與相關虛擬環境進行交互，系統適時作出相應的反應，使用戶在符合客觀意識的環境下，貼近物體相關運動力學定律的基礎上，充分滿足其相應需求。

（二）仿真技術的應用

虛擬仿真技術誕生于20 世紀40 年代，在教育、交通等各行各業都得到了廣泛的應用和發展，并產生了巨大的經濟效益。

在高職院校的教學中，應用較為廣泛，主要應用于以下高職課程的教育教學中［4］：1.文化基礎課的教學中，一些學生難以理解的理論性知識，教師可以借助虛擬仿真技術進行模擬演示，進一步提升教學效率；2.高職醫學類專業課程教學中，虛擬仿真技術可以模擬人體解剖、外科手術實施等情景，能夠幫助學生體驗較為真實的解剖、手術等診療［5］過程；3.高職化工類專業課程教學中，學生可借助虛擬仿真技術，實現對大型分析儀器、化工生產過程等復雜儀器、化工過程的操作與控制，有效提高學生對理論知識的應用與掌握程度；4.高職院校藥品營銷、旅游等服務類專業教學中，借助虛擬仿真技術，模擬真實的銷售、景觀等場景，增強學生體驗感，能夠有效深化學生對理論知識的理解及應用。

三、仿真技術在《儀器分析》課程教學中應用的必要性分析

（一）經濟實用［6］

《儀器分析》課程實踐教學部分主要用到紫外可見吸收光譜儀、紅外吸收光譜儀、原子吸收光譜儀、氣相色譜儀、高效液相色譜儀幾大類儀器，經過調研分析，對實體儀器與仿真軟件從經濟性、實用性兩個角度進行對比，如表1 所示。

表1 實體儀器與仿真軟件特征對比

綜合上表分析情況可見，儀器分析實踐教學部分，引入仿真軟件教學，具有經濟投入少，實用性高，能耗低，擴充容易，使用安全且能高效達到教學預期目標的優勢。

（二）安全可靠

實體儀器設備在學生操作過程中，由于學生操作不熟練甚至完全不懂，容易出現儀器損壞問題，儀器損壞后維修費用高，而大型儀器分析仿真軟件是在計算機上模擬操作真實設備，學生不與真實設備接觸。因此，不會出現因學生操作不當而導致的儀器損壞、爆炸等不安全事件。

（三）時間、空間開放

學生應用仿真軟件練習分析儀器操作使用時，不需要到真實的、固定的實驗室，也不需要提前進行樣品前處理及試劑準備，只需要在機房中登錄仿真系統。在大型分析儀器仿真軟件上模擬完成真實的實驗內容，模擬過程中出現問題，學生可不斷去重復并進行分析，找到問題的原因，進一步扎實掌握相關儀器的使用及問題排查。因此學生不會受到時間、空間的限制，可隨時進行操作訓練，能夠很好地培養學生的自主學習能力。

四、應用效果

（一）提升學習效果

高職學生的特點是“斥理論、親操作”，這類學生在學習過程中，對課程中的實踐操作內容興趣極高。但是，大型分析儀器的特征是“貴、精、少”，學生在使用大型分析儀器的時候存在畏懼心理，擔心操作不當會損壞儀器。在《儀器分析》課程教學中引入大型分析儀器仿真軟件后，學生的學習興趣、學習目標達成率很高，我們對石油化工技術專業120 名學生在使用大型分析儀器仿真軟件后的感受、學習效果以及仿真操作后真實實驗成功率等以問卷調查的方式進行了分析，結果如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 仿真軟件操作與真實儀器操作喜愛度

圖2 實踐教學目標達成度

圖3 各類儀器真實實驗成功率

綜圖1、圖2、圖3 所述，可得出如下結論：結論一，學生對大型分析儀器仿真軟件興趣濃厚，120 名學生中，58%的學生完全傾向于仿真軟件訓練；結論二，教學中引入仿真軟件后，教學目標達成度明顯提高，學生不論對儀器工作原理還是儀器操作的熟練程度，以及儀器使用過程中問題排查，都有顯著提高；結論三，針對紫外可見分光光度計、紅外吸收分光光度計、原子吸收分光光度計、氣相色譜儀、高效液相色譜儀五類儀器進行調研對比，發現學生在實操之前參與了仿真訓練，則其真實實驗成功率比未參與仿真訓練，直接進行實操實驗的成功率顯著提高。

（二）提升教學效率

《儀器分析》課程教學過程中由于大型分析儀器仿真軟件的應用，能夠有效協助學生掌握各類儀器操作流程，同時能夠強化學生對各類大型精密分析儀器工作原理的理解。學生通過仿真軟件的反復訓練，可以高效率、高質量處理儀器使用過程中的各類故障［4］。我們針對紫外可見分光光度計、紅外吸收分光光度計、原子吸收分光光度計、氣相色譜儀以及高效液相色譜儀幾類儀器，相同教學時長下，60 名參與仿真與60 名未參與仿真的學生實踐操作掌握情況進行了調研，結果如圖4 所示。

圖4 各類儀器掌握人數對比

由圖4 可知，五類常用儀器經過仿真訓練后，學生能夠掌握儀器使用的人數明顯高于未參與仿真訓練學生掌握儀器使用的人數。因此，在教學過程中，隨學生對儀器操作掌握速度的加快，教師教學效率自然能夠有效提升。

（三）節約資源

《儀器分析》課程的終極目標是學生能夠熟練操作各類常見分析儀器，要達到這樣的課程教學目標，學生需要經歷感知、模仿、練習、熟練操作四個基本階段，這需要耗費大量的材料，成本較高。引入仿真軟件，學生可以不受時間、空間的限制，在仿真軟件上面完成對各類儀器的感知、模仿、練習幾個環節，待對各類儀器有了較為熟悉的認知后，再使用真實儀器進行操作，這樣不僅有利于學生掌握儀器的使用，而且能夠有效降低教學成本，節約資源。

總之，基于《儀器分析》課程教學中存在的問題，非常有必要將虛擬仿真軟件應用于《儀器分析》課程教學，且經過對120 名學生的學習行為及學習結果進行調研分析，發現教學效果極好。可見，將虛擬仿真軟件引入《儀器分析》課程教學是未來的必然趨勢，也能夠為實驗室開放提供有效的解決方案［7］。