大型药物分析仪器虚拟实验训练系统的设计与开发

刘蒸蔚，卞亚红，张 力

第二军医大学教育技术中心，上海 200433

大型药物分析实验是医学、药学及相关专业的必修课程，在培养学生的实践能力和创新能力方面起着重要的作用。目前，高等院校在此类教学过程中普遍存在着相同的问题，该文通过分析教学现状中存在的问题，并根据教学需求，详细介绍了大型药物分析实验训练系统的设计与开发，以及通过系统功能的实现与教学实践的反馈，说明该系统在实验教学中可以起到的辅助作用。

1 大型药物分析仪器实验教学存在的主要问题

1．1 仪器昂贵，生均实验设备拥有量低

该课题中所涉及到的实验室共有五个，分别为核磁共振波谱仪虚拟实验室、高效液相色谱-质谱联用仪虚拟实验室、荧光光谱仪虚拟实验室、热重-差热综合热分析仪虚拟实验室、恒温式微机热量计虚拟实验室。以上五台大型仪器的总价值在800万左右。每班次学生数量为30人，每个大型实验仪器设备仅有一台，在实验室仪器管理和仪器折旧与维护的实际现状下，无法满足每名学生上机操作的要求，严重制约着学生使用大型药物分析实验仪器能力的培养。

1．2 仪器由专人操作，采用示范教学的方法

这是目前大型分析仪器实验教学中存在且尚未解决的问题。通过对该实验课程的旁听以及对学生的调查，了解到由于仪器价格昂贵，通常由专门负责仪器的实验员进行操作，在教学过程中教师采用示范教学的形式，学生上机机会极为有限，对于学生的全面培养十分不利。

1．3 学生学习时间与空间受限制

大型药物分析仪器实验室是由实验员操作，除了学生上课时间外，都在进行各类药物分析实验。因此，学生只能在课程进行过程中接触到实验仪器，一旦课程结束后，学生便没有机会再进入实验室或接触实验设备。对于实验教学这一类课程，一旦离开实验室的学习环境，学生在自主学习过程中会感到十分困难与抽象。

因此，要突破时间与空间的限制，为学生提供一个开放的学习平台，建设虚拟实验室是必要的。虚拟实验室目前已应用至国内外［1］多个医科院校的教学领域，如分子生物学虚拟实验教学平台［2］、基础医学机能虚拟实验室［3］、虚拟解剖学实验室［4］、医学图像处理远程虚拟实验［5］，等。

目前，国内还未见到合适的训练软件系统用于大型药物分析仪器的教学。因此，研制一个规范、系统、先进的药物分析仪器虚拟实验训练系统很有必要。虚拟实验训练系统可以弥补实验仪器、场地等训练条件不足的问题，它使“仪器”搬上桌面，学生“身临其境”，获得与实物实验相近的体验［6］。学生可以通过虚拟实验训练，熟悉药物分析仪器的原理、结构及功能，掌握操作规程及使用方法，并深入了解其应用领域，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解［7］。

2 虚拟实验训练系统的设计

该研究的主要目标是设计与开发虚拟实验训练系统。在前期的系统设计过程中针对该实验课程的特点进行教学设计。在教学设计过程中，对实验过程与教学目标进行分析与设计，主要采用调查研究法和文献研究法。

2．1 以教育理论为支撑，针对实验教学进行科学的需求分析

该虚拟实验训练系统的构建旨在提高实验教学的效率与质量。因此，构建该训练系统，要着重突出体现其教学性和指导性。在分析阶段，着重对需求作了分析，主要包括:学习者和现有资源分析、学习需要分析、学习目标分析、学习内容分析和学习环境分析。

该训练系统的用户为医学院校药学专业的本科生及研究生，他们对于此类仪器的原理及使用规则具有一定的了解，但因资源限制不能满足学生随时随地上机操作的需求，因此在系统开发过程中要着重突出网络技术的重要性，使每个学生随时随地可以获取学习资源。在学生分析过程中，通过问卷与访谈方法已获得学生的起点水平、学生的学习风格、学习动机与学生需求，因此在系统设计中增加实验测试、实验助手、实验引导等交互功能，以满足学生自主学习与自我评价的要求。

从学习需求与目标分析来看，该系统主要应满足学生的选择性学习与对实验课程教师示范演示部分的重复学习，最重要的是为学生提供可供虚拟操作的高仿真实验平台与虚拟实验仪器，以促进学生实际操作仪器的准确性与熟练性。由此可见，该系统对多媒体技术与虚拟现实技术的需求，同时也说明，网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术可以与传统实验教学模式互相促进与融合，开启全新的实验教学模式。

2．2 根据分析结果，确定设计原则

2．2．1 真实性原则 真实性原则是该系统开发过程中应严格遵守的重要原则。真实性原则是指虚拟实验室中的事物与真实实验中的事物相同，并且在实验操作流程中，顺序也与真实实验完全相同。这样才能在虚拟实验教学过程中让学生对实验环境有准确的理解。

2．2．2 开放性原则 开放性是指系统在时间、空间、内容等方面的开放性。虚拟实验室能够解决现实实验中的资源有限问题。因此，在系统开发过程中应满足时间、空间、内容上的完全开放，以满足学生多样化的需求。

2．2．3 交互性原则 虚拟实验之所以能够达到与真实实验几乎一致的效果，是因为其具有交互性。好的交互可以为学生营造一个高度仿真的实验环境。如果没有交互，仅仅由系统预先设定让学生观察实验现象，那么就完全失去了虚拟实验的意义。虚拟实验的交互性，可以让学生在计算机的操作过程中模拟和体会实际的实验操作过程。同时，学生可以通过虚拟实验训练系统中设计的训练过程掌握整个实验的规范操作流程，通过做虚拟实验来提高实际操作技能;通过虚拟实验系统提供的测验了解自己对实验掌握的掌握情况，进行自我评价。

2．3 根据分析结果，进行功能设计

设计实验前测与实验后测评分功能:虚拟实验训练系统应该可以应用在课前、课上、课后任意一个阶段。对于学生自主学习的过程，该系统没有设计教师评价功能，完全靠学生自主学习，因此，需要一个能够量化学生学习效果的功能。实验前测试是为了让学生在进入该系统时已经具有初步的对该仪器的掌握，在前测设计中，测试成绩≥60分才建议进入虚拟实验操作环节。实验后测试可以使学生在使用系统学习后对自己的学习效果有所了解，量化的测试成绩能够让学生十分直观地看到自己对该仪器的原理、操作、图谱分析等知识的掌握情况。

设计教学视频:教学视频的存在，可以解决学生在示范教学中跟不上、看不清的问题。学生表示在示范教学过程中，对分析仪器系统界面的鼠标操作及参数设置，很难跟上教师的速度。实验仪器的操作演示是不可逆的，通常情况下，实验教学的安排中，对于实验仪器操作演示只有一次。因此，学生无法再次观看教师的实验操作。教学视频的功能可以解决学生在实验仪器操作过程中跟不上、看不清的问题。

虚拟训练功能:该研究的主要内容是构建现代分析仪器虚拟实验室。利用虚拟现实技术，模拟出实验场地、设备、仪器和各种试剂，为学生提供一个纯粹的虚拟实验环境，建成具有形象化展示功能以及强大交互性能的虚拟实验室［8］。

在教学需求分析过程中发现，实验教学过程中学生在教师示范教学后，没有经过实际操练就直接进行实际仪器操作，如此一来，有限的实际仪器操作机会也变得毫无意义。因此，系统需要为学生提供一个能够自我操练的平台。在该课题所设计与开发的虚拟实验训练系统中，虚拟训练功能是最主要的核心功能。虚拟训练的过程需要与实际操作过程在最大程度上相同，包括提示、反馈，等，让学生在桌面式虚拟实验室中增强沉浸感，并满足其模拟操作的要求。根据以上几方面的需求分析设计出系统功能模块(如图1所示)。

图1 系统功能结构图

3 虚拟实验训练系统的开发技术和方法

3．1 通过视频、动画技术创建教学资源

示教视频和原理展示动画对于学生课下自主学习具有重要的作用［9］。为了更好地介绍学习内容，除了图文并茂、网络链接外，在创建教学资源时，还加入视频、动画等表现形式。二维动画的表现形式，主要采用Flash技术。根据教学内容，利用Flash来创建动画，以显示实验原理，并加入交互功能。三维动画开发教学资源的主要方式是将3Ds Max中制作好的模型及相关动画导入到专业视频编辑软件Premiere中，完成一些画面合成和后期制作，并且添加解说词。另外，对于一些特殊的图片画面，需要借助Photoshop完成制作，最终将经过编码和压缩的动画短片插入虚拟实验室系统中。这些视频动画的教学内容都是为虚拟实验操作打下基础。

3．2 采用Flash动画技术创建虚拟实验室

该系统选择Flash动画技术是考虑到浏览器兼容性高、高效率而又能真实呈现实验过程的原则。在开发虚拟实验时，为了使系统具有较好的沉浸感、较快的网络传输速度以及保证较快的开发速度，选用基于图像的方式更符合要求，最终选择Flash软件。它拥有多种灵活的设计方式，可以基本实现虚拟实验室的交互设计需求。

3．3 运用Adobe Captivate软件设计虚拟训练功能

利用Adobe Captivate软件进行设计与开发，将实验室具体上机操作部分的展示与教学练习进行重现与训练。Adobe Captivate软件能够快速地创建功能强大、引人入胜的仿真、软件演示、基于场景的培训和测验。该软件可以满足体验式虚拟实验室［10］的教学需求，并能够在训练与检测功能上实现交互。通过使用该软件的点击用户界面和自动化功能，可以轻松记录屏幕操作、添加电子学习交互、创建具有反馈选项的复杂分支场景，并包含丰富的媒体。在大型虚拟实验过程中，多数实验环节是在仪器界面上进行设置，正是这些复杂的反应条件设置与选择是示教环节中学生无法短时间记忆全过程，因此该训练系统着重突出仪器界面环节的重现，并给学生提供一个具有操作提示与交互反馈的训练环境。

3．4 系统发布方式

该系统基于Web发布，部署于服务器后，师生可通过网络浏览器使用系统;系统也可以在单机运行，方便师生在没有网络的环境下使用。在课堂上，教师可以通过单机版进行操作，为学生展示系统中创建的多媒体教学资源;在课堂外，学生可以通过网络浏览器或单机版进行系统的使用，巩固教师课堂讲授的同时，还可以利用虚拟训练功能对自身实验操作环节的掌握进行学习和检验。

4 系统界面及使用方法介绍

该系统共包含五个大型实验仪器虚拟实验室，五个实验室通过全景漫游形式向学生展示，学生可通过鼠标拖拽与点击浏览五个不同的实验室，点击不同实验室按钮可进入对应的虚拟实验室进行学习与操作。

下面以核磁共振波谱仪(NMR)实验室为例介绍。通过首页点击“进入学习”进入虚拟实验室后，会看到虚拟实验室全景漫游模块，点击NMR虚拟实验室门旁的按钮，就可以进入NMR实验室学习。进入后，在横向导航栏位置可以看到五个大型虚拟实验室的英文简称，在此处点击也可以便捷进入其他实验室进行学习，点击“NMR”进入虚拟实验室。NMR实验室初始界面，分为左右两个部分，左侧为树状菜单，右侧为虚拟实验室操作界面，学生可以在右侧区域进行学习与操作。

每个实验室都具有实验前测、操作规程、视频教材、实验操作、注意事项、实验后测六个模块。点击左侧树状菜单可以浏览到实验原理展示的媒体资源，如视频、动画等全部在“视频教材”菜单中展示。

虚拟实验训练功能主要体现在开始实验环节，以核磁共振波谱仪虚拟实验为例，该实验的实验操作环节包括两个实验:氢谱测试实验和碳谱测试实验，氢谱测试实验包括准备系统、装入样品、开始测试、实验设置、采样、数据处理、图形输出、关闭系统八个分解环节。同样碳谱测试实验也包括类似的六个分解环节，如图2左侧树状菜单所示。

图2 NMR实验开始测试环节界面

在图2中，从左侧树状菜单可以看出，已经进入红色字体显示的“开始测试”环节。该环节中，右侧区域显示的是利用Captivate软件开发的虚拟训练环境，学生可以通过系统指引，在该区域内做鼠标点击及拖拽、键盘输入操作指令与条件等操作，系统会根据学生操作进行引导和提示，在学生无操作状态超时会提醒学生下一步操作指令，在学生错误操作时系统会停在错误发生界面并通过红色指示框提示正确操作，如图3所示。

图3 错误操作或反应超时提醒

在结束实验操作后，该系统还设计了实验后测进行学习效果自我评价。学生在进入实验后测答题结束之后可以点击“统计得分”查看自己的学习成果，如图4所示。同样，在进入学习过程之前，系统也设置了实验前测。学生可以通过“实验前测”环节进行测试，了解自已的实验原理掌握情况并评判是否可以进入实验操作练习环节。

图4 实验后测截图

5 总结与评价

该虚拟实验训练系统已在药学专业的部分教师与学生范围内(共计32人)进行了教学应用，通过先演示后交付学生自由试用的方法进行系统测试，随后向参与试用的学生发放问卷并对教师进行访谈。通过问卷与访谈结果的数据可以看出，该系统在教师教学、学生自主学习环节中能够起到指导与辅助学习的功能。例如:在问卷问题“您认为该系统是否能够满足您补充学习的需要”的回答中，78%的学生认为可以完全满足，22%的学生认为可以基本满足。在问题“您认为该系统是否能够对实验教学起到辅助教学的功能”回答中，91%的学生认为该系统可以起到辅助教学的功能和作用。同时，通过问卷调查，学生认为该系统可以解决由于仪器资源限制和示教模式单一对学生学习造成的影响。

该系统的实现不仅为学生提供了一个新的学习平台，同时也填补了国内缺乏药物分析类仪器虚拟实验室的空白，在学习资源整合和更新教学手段方面也起到了一定的效果。该系统可以在实验教学前进行预习学习、在教学中进行辅助教学、教学后进行自主练习，真正实现虚拟实验和真实实验“虚”“实”互补的实验教学方法。该系统的设计与开发已经完成，在未来的一段时间内将根据师生的反馈及需求进行更新与修改，以形成一个系统的、评价完善的虚拟训练系统。该虚拟实验训练系统作为补充与辅助教学的工具，在今后的实验教学环节中将发挥不容忽视的作用。

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［4］张云龙，陶伟，尚波，等．虚拟解剖学实验室在高等医学院校的应用现状与分析［J］．解剖学研究，2011，4(33):310-311

［5］周苏娟，蒋世忠，黄展鹏，等．医学图像处理远程虚拟实验教学平台的设计与实现［J］．中国医学教育技术，2011，25(5):526-528

［6］白雁，张娟，潘瑾，等．“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用［J］．实验技术与管理，2011，12(28):169-174

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［8］吴砥，徐建，张成伟．多学科通用虚拟实验教学标准体系的研究、设计和实践［J］．华东师范大学学报:自然科学版，2012，3(2):106-113

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［10］何恩贵．体验式虚拟实验教学系统的构建研究［J］．现代中小学教育，2013，4(4):12-15