大型仪器仿真软件在《仪器分析》理论课中的应用初探

刘洋 栾娜 荣瑞芬 秦菲

摘要：《仪器分析》既是一门理论性课程，又是一门实验性较强的课程，它同时也是化学、生物、材料、食品等学科的重要专业基础课程。由于仪器分析所涉及的知识领域较广，学生在理解和掌握仪器分析理论知识上存在一定的困难，因此在理论课教学过程中，教师预先通过分析仪器仿真软件的操作，使学生在对仪器具有感性认识的基础上，加强对不同仪器原理、结构组成和用途的理解，同时在仪器操作过程、分析方法以及数据分析处理上，获得更全面的认识，从而提高学生科学实践能力。

关键词：《仪器分析》；仿真软件；理论课

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）02-0168-02

一、《仪器分析》理论课教学中存在的问题

1.生源现状。北京联合大学是北京市属高校，生源绝大部分来自北京，生源的学习基础比较薄弱，同时北京联合大学旨在为北京输送应用型和职业技术型人才，因此，在《仪器分析》理论课的教学大纲编写中，要适当降低理论难度，增加实践教学环节，体现“应用型”原则。

2.理论课程具有一定的抽象性。《仪器分析》课程主要包括光谱部分、色谱部分以及电化学三大部分。光谱部分涉及物理光学部分、无机化学的分子轨道理论、有机化学的结构分析鉴定等基础知识点，其具有一定的抽象性。学生对紫外—可见光谱、原子吸收光谱、原子发射光谱、质谱以及核磁共振波谱等光谱仪器的原理的理解上存在一定的困难。电化学部分涉及无机化学的氧化还原反应，色谱部分的塔板理论等都具有一定的抽象性。如果学生在前期的学习过程中，没有很好地理解和掌握这些抽象的理论知识，那么对仪器原理的理解和掌握就会比较困难，从而容易失去学习《仪器分析》课程的耐心和兴趣。

3.理论教学和实验教学的分离。由于教学条件的限制，一般情况下，《仪器分析》的理论课和实验课在时间上和空间上处于分离状态。教师先期进行仪器分析理论部分的讲解，随后再进行仪器分析实验教学环节。教师很难做到进入实验室对照着分析仪器，并且将仪器分解拆开，一边让学生了解仪器的构造，一边进行仪器理论部分的讲解；由此造成学生对仪器的感性认识不够，单一面对空洞的理论，理解和掌握理论要点比较困难。

4.仪器设备的局限性。虽然近年来国家对教育的投入在增加，各高校用于教学的分析仪器的技术含量和数量都在提高，但由于经费有限，一些高端分析仪器还很难普及到每所高校，例如核磁共振波谱、质谱等。即使一些常规的分析仪器在数量上也不能满足班上每位同学都能同时进行实际操作。因此，学生对某些仪器会缺乏实际操作的经验，同时也不能很好地理解和掌握仪器分析的理论知识点。

二、大型分析仪器仿真软件的特点和作用

1.特点。大型分析仪器仿真软件有平面型和3维立体操作平台两类。北京东方仿真软件有限公司开发的大型分析仪器仿真软件ISTS2.0型，是属于平面型的操作软件，它包括紫外可见分光光度计、原子吸收光谱、红外光谱仪器、高效液相色谱等仪器的操作平台。此软件清晰地展示了这些仪器的构造组成，并可以通过简单的操作，使学生了解仪器的操作过程，通过设置实验参数，使学生理解各种仪器定性和定量的过程以及仪器的用途。大型分析仪器仿真软件操作不同于具体的实验操作，它具有全面、快速、形象化等特点，能够在较短的时间内展示整个仪器的组成以及仪器的操作过程，实质上，其也为仪器的实际操作提供了演练的机会。

2.作用。在仪器分析的理论教学中，仪器仿真软件在帮助学生了解和掌握仪器的理论方面起到了重要的作用。首先，在理论教学中，由于学生没有看到仪器实物，因此对仪器缺乏感性认识，通过仪器仿真软件的展示，将学生从抽象的理论中释放出来，结合仪器的构造，利用仪器仿真软件定性和定量的过程，从而加深学生对该课程理论知识的理解和掌握。其次，仪器仿真软件的展示过程，可以直观地告诉学生学习仪器分析的目的是要通过仪器来进行定性和定量分析，其可以成为《仪器分析》理论课和实验课的过渡或者桥梁。再次，《仪器分析》理论课程比较枯燥，在教学过程中，通过插入各种仪器仿真软件，可以大大提高学生的学习兴趣，从而提高学习的效果。

三、仿真软件在《仪器分析》理论课中的应用

1.演示过程。《仪器分析》理论课讲授的主要内容是常规分析仪器的结构组成、原理以及应用；重点强调如何利用分析仪器对未知物质进行定性和定量分析。例如讲解紫外—可见分光光度计的结构时，以Agilent8453紫外可见分光光度计为例（其配备最新二极管阵列分光技术，氘、钨双灯设计，波长范围190—1100nm，配有安捷伦紫外可见化学工作站软件），说明紫外—可见分光光度计的类型（单光束、双光束、双波长）以及该仪器的前分光和后分光技术；在紫外—可见分光光度计的应用方面，主要从实验准备、启用软件、开始实验、背景扫描、确定波长、标准样液的测试、待测样品测试等几个步骤演示了样品中铁含量的测定过程。在讲解气相色谱时，首先仿真软件展示了仪器的五个组成部分（气源、进样系统、分离系统、检测系统、记录系统），并从实验前准备、实验方法编辑、进样、结果分析等步骤演示了苯甲醇混合物的定性和定量分析过程。假想仪器仿真软件为虚拟仪器，基本可以实现对照分解了的仪器组件，进行理论的讲解。

在大型分析仪器仿真软件的教学应用过程中，可以在讲解本仪器理论前，将仪器的整体形貌展示给学生，让学生对该仪器有初始的认识。当讲到仪器的组成时，可以结合仿真软件，边讲解边演示。当讲到仪器的应用时，将仪器仿真软件中定量定性分析实例，展示给学生。

2.教学效果。在使用仪器仿真软件进行理论教学之前，学生在没有见过各种分析仪器的情况下，对基本理论知识的理解比较困难，不能把所学的理论与仪器实际联系起来。尤其在气相色谱和高效液相色谱的教学中，不仅要理解色谱分离的原理，还要掌握仪器的各部件组成以及如何设置仪器的参数。在将仪器仿真软件应用到理论教学的两年以来，学生普遍认为，仪器仿真软件使他们对仪器的认识更简化和直观，有助于他们对仪器分析理论知识的理解，通过实例演示，使学生掌握了每种分析仪器的主要用途。大型仪器仿真软件的资料库中还附带一些动画，可以应用到多媒体教学中，使教学内容更丰富、生动、直观。课堂调查结果表明，绝大部分学生接受这种教学方式的转变，同时认为仪器仿真软件的应用活跃了课堂的气氛。仪器仿真软件也有利于学生预习准备仪器分析实验，并在实验过程中能很好地进入状态。由此可见，无论在理论教学还是实验教学中，虽然大型分析仪器仿真软件不能代替真正的分析仪器，但是，分析仪器仿真软件可以弥补大型分析仪器在理论教学中缺位的现状，同时对实验教学又具有一定程度的指導作用。

四、結语

《仪器分析》作为一门传统的专业基础课程，由于仪器和教学场所分离，以及课程本身的理论性较强等特点，使理论课面临诸多问题和困难。分析仪器仿真软件虽然不能代替分析仪器实物，但是，它在时间和空间上具有很强的操控性，弥补了分析仪器在理论教学中的局限性。在《仪器分析》理论课中应用大型分析仪器仿真软件，在增强学生的学习兴趣，拓展学生学习思路，提高教学效果方面，起到了积极的促进作用。

参考文献：

[1]张静，刘芬芬，龚波林.基于中美两所大学仪器分析实验课程比较的思考[J].实验技术与管理，2012，（8）：175-177.

[2]周金池，王美娟.研究生仪器分析实验课程改革思路初探[J].实验室研究与探索，2011，（30）：138-141.

Abstract：Instrumental analysis is a either theoretical course or experimental course.It is an important professional foundation course in the area of chemistry，biology，material，food science，etc.There are some difficulties for undergraduate students to understand and grasp theoretical knowledge of instrumental analysis because it involves broad areas of knowledge.In theoretical teaching process，simulation software is preparatory operated，therefore students have sensibility to instruments.They will easily understand the principle，composition，structure and application of many instruments.They will also comprehensively understand and grasp instrument operating process，analysis method and data analysis，which will improve students ability of scientific practice.

Key words："Instrumental Analysis"；simulation software；theoretical courses