虚拟仿真实验平台在仪器分析实验教学中的应用

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(东北农业大学理学院)

一、前言

随着分析技术的迅速发展，新的工艺和分析方法加速了仪器分析课程的发展。作为现代分析和测试的手段，仪器分析已广泛应用于制药、生命科学、环境科学、农业科学、动物科学和食品科学等各个领域。因此，仪器分析课程被认为是高等农业大学非化学专业学生的重要基础课程之一。仪器分析实验是在理论基础上培养学生对大型仪器的认知、维护、使用及实践操作技能的实验课程，是对仪器分析理论教学的有效补充。仪器分析实验作为高等农业大学的基础实验课程之一，上课班级众多，学生层次高低不同，传统的实验教学存在着一些不足。如仪器分析实验中大型仪器台套数有限，学生需分组进行实验；缺少实际样品分析，使得学生难以进行实践操作；大型精密仪器价格昂贵，需专人维修保养，一般教师以演示进行讲解，且大型仪器为封闭结构，更使得一部分学生不能真正掌握大型仪器的结构和基本操作原理。基于仪器分析实验中存在的上述问题，建设虚拟仿真实验平台并应用到仪器分析实验教学中不失为一种好的解决方法。

虚拟实验室的概念是1989美国弗吉尼亚大学William Wolf提出的。虚拟仿真实验是利用电脑根据实验室的真实环境构建一个虚拟的三维世界，模拟出实验环境和实验对象，使用者可以在该仿真实验室中进行理论知识学习、虚拟实验操作、获得实验数据并对数据进行处理分析。随着现代科学信息技术的快速发展，为了深化信息技术与教育教学深度融合，国家教育部大力支持虚拟仿真实验教学项目的建设工作，拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平。虚拟仿真实验应用于仪器分析实验教学中，不但可以弥补仪器分析实验教学中的不足，还可以改进课堂教学方式，提高学生学习的积极性和趣味性，锻炼学生的实践操作能力。

二、虚拟仿真实验平台在仪器分析实验教学中的应用

1.虚拟仿真实验平台介绍

基础仪器分析实验是东北农业大学的基础实验课程，全校上课班级众多。为了加深学生对分析方法的基本原理和仪器结构的了解，提高学生对大型仪器的操作技能，调动学生的学习兴趣，为以后的实际应用奠定良好的基础，应用化学系教师与专业技术人员遵循“创新”和“发展”的理念合作，利用3D仿真、VR技术、AR技术、动画技术、WebGL技术、OpenGL技术等现代化技术手段构建了关于仪器分析实验的虚拟仿真实验平台。该平台依据实验室实际布局搭建模型，按实际实验过程完成交互，使学生如同身临其境一般，为学生提供了一个环境真实、自主学习、内容丰富、可全程参与的虚拟仿真实验平台。在该平台上学生可以了解实验室真实实验环境、学习专业基础知识、熟悉实验操作技能、培训基本动手能力，为进行实际操作奠定良好的理论基础，特别适合基础仪器分析实验教学使用。该平台包含原子吸收光谱仪、红外光谱仪、核磁共振光谱仪、气相色谱——质谱联用仪和液相色谱——质谱联用仪等多个虚拟仿真实验。

2.虚拟仿真实验平台的应用实例

以“土壤中农药噻吩磺隆残留定量分析”实验为例，在这个实验中我们需要用到的是液——质联用仪。液——质联用仪属于大型精密仪器，价格比较昂贵，需专人维护保养。如果采用传统的教学手段讲解仪器的原理、结构、定量实验并对结果进行分析，学生在整个实验中是处于被动的听众，难以参与到真正的实验中，使学生感到枯燥乏味，实验积极性不高，实验操作能力和数据分析能力缺失，难以将所学知识应用到实践中。

针对仪器分析课程教学需求，在以“学生为中心、着力提高学生实践综合能力”的教学理念的指导下，专业教师与技术人员运用现代信息技术，通过3D Max等工具制作仿真资源(模型，贴图，动画)，采用Unity3d作为3D引擎，采用C#语言并通过Visual Studio工具进行程序开发，整合形成基于液-质联用技术对土壤中农药噻吩磺隆残留定量分析的虚拟仿真实验教学软件。在该软件上学生可以采用“互动式”预习、对该实验的实验目的、实验原理、实验操作过程中的注意事项等知识点进行自主学习。当学生完成预习步骤后，观看虚拟实验操作演示，系统能够模拟实验操作中的每个步骤，并加以文字或语言说明和解释。当学生掌握整个实验的操作流程后，可以进行在线操作，模拟液-质联用技术中液相色谱对多组分样品的分离及定量分析，并采用质谱技术对农药噻吩磺隆残留进行定性分析。在线操作过程中，如果学生出现操作失误，系统会有提示并自动纠错。实验模拟结束，学生可通过操作历史和评分系统进行记录追踪，能快速发现问题，改正问题，整个实验过程具有可追溯性。在学生操作仿真软件过程中，软件可以把实验中产生的数据记录下来并对数据进行处理，生成对应的谱图等，学生可以根据实验数据对结果进行分析得到相应的分析报告。

在进行“土壤中农药噻吩磺隆残留定量分析”实验时，教师可以把课堂教学与虚拟仿真软件结合起来对学生进行教学。课前要求学生在平台上进行预习，掌握操作关键点，回答相关问题。教师线上进行指导，监督。课上教师给出教学目标。根据学生线上预习情况的统计分析结果，有目的有重点的结合仿真操作和软件自带知识点动画视频资源来教授理论知识，让学生对液——质联用仪和检测方法有基础理论认知，详细了解仪器的运行机制和机理。学生可以在该虚拟仿真实验平台上对该实验进行反复虚拟操作，可以体验液——质联用仪的操作流程、方法参数设置、数据处理和分析，然后结合实际仪器，由教师进行实操，并由学生代表进行实操，达到线下和线上相结合的教学目的。实验结束后教师可布置作业，课后学生可线上复习、答题、查看教师上传的多媒体资源。从而解决本科基础实验中液质联用仪的仪器稀少、设备损耗、学生缺乏主动性等问题。

3.虚拟仿真实验平台在仪器分析实验中的应用效果

在仪器分析实验教学过程中引入虚拟仿真实验平台创新了课堂教学模式，使实验教学不再简单枯燥乏味，提高了课堂的灵活性及实验教学效果。学生在虚拟仿真实验平台上进行学习，在模拟操作过程中掌握了实验理论知识及其操作技能，在实践中获取经验，取得良好的学习效果。

近五年来，借助仪器分析虚拟仿真实验平台为学生科技创新活动提供了有力的支持，我校立项国家级、省级、校级大学生创新实践训练计划项目共80余项，参加人数和立项比例逐年提高，学生第一作者发表论文和申报专利数量大幅度增加。通过仪器分析实验课程的学习，学生创新能力得到了显著提高，达到了将理论教学和实验教学相协调、培养高素质的创新型应用型人才的教学目标。虚拟仿真实验平台加强了学生参与科研工作的理论基础及实验能力，将能力与素质培养紧密结合，为学生的素质教育开辟了一条有效途径，为以后的科研之路奠定了良好的基础。

三、结束语

随着科学技术的迅速发展，虚拟仿真软件越来越多的被应用到各个领域，很多的高校、科研院所都积极的构建虚拟仿真实验平台。将虚拟仿真实验平台引入到仪器分析实验中不仅可以创新教学模式，提高学生学习的积极性，还可以弥补传统仪器分析实验中的一些不足，提高学生的实践操作能力和分析问题解决问题的能力。虽然使用仿真软件可以解决传统实验中的一些问题，但这并不意味虚拟仿真实验平台可以完全代替传统的实验教学，在实践教学过程中，仍需要将虚拟仿真软件与实践操作相结合，坚持“能实不虚、虚实接合、优势互补”的原则，确保达到相应的教学目的，促进教学质量的提升，为培养高素质技能人才提供助力。