“仪器分析”虚拟仿真教学体系的构建

杜 琨，郭胜利，曾玉凤，秦荣欢

（玉林师范学院 化学与食品科学学院，广西 玉林 537000）

1 化学与食品科学学院“仪器分析”教学现状

玉林师范学院化学与食品科学学院“仪器分析”实验室承担了化学、应用化学、化学工程与工艺、食品科学与工程、材料化学5个本专科专业“仪器分析”及“仪器分析实验”的教学任务，每年使用实验室的学生有300人左右，而实验课只有16个学时，课时不足、经费有限，往往需要教师在上课前自己配制好实验所需试剂并向学生发放实验讲义，学生按照实验讲义和教师在课堂上的讲解及要求进行实验操作、观察实验现象并记录数据。在整个过程中，学生缺乏积极主动性，对实验过程的思考明显不足。此外，“仪器分析”教学需要的高效气相色谱仪、高效液相色谱仪等大型仪器设备只有一台，学生必须分小组进行实验，教师也要重复讲解相同的内容，难以维持课堂纪律，个别学习态度不端正的学生不认真听讲、不认真做实验，实验结束后抄袭实验报告应付了事。同时，由于同一个时间段内教授的学生过多，部分学生不能直观地了解仪器内部结构、运行原理和使用方法，甚至因担心损坏仪器而不敢操作，导致学生未来走上工作岗位真正使用相关大型仪器时，可能因操作不当而损坏仪器，增加仪器损耗和修理费用，无法实现学以致用。

然而，“仪器分析”课程必须开展实验，这是课堂教学不可或缺的环节，学生只有通过足够的实验训练，才能真正掌握书本上的理论知识。玉林师范学院化学与食品科学学院现有的仪器设备难以承担繁重的教学任务，因此，改革教学方法、探索新的教学途径势在必行。

2 应用型本科院校开展“仪器分析”虚拟仿真实验的必要性

2.1 解决大型仪器数量少而学生人数多的矛盾

“仪器分析”教学十分重视培养学生的动手能力，让学生从实践中掌握仪器分析的原理和方法。但是，课堂时间有

限且学生人数多，不能保证每个学生都有足够的时间完成整个实验，而且有些实验试剂的采购十分费时，难以及时补充。近年来，虚拟实验室的开发成为解决上述问题的有效手段，也是各个高校探索和研究的热点[1-2]。

“仪器分析”虚拟实验室是指利用网络和仿真技术，在计算机中建立一套虚拟系统，使用仿真软件模拟真实的实验器材、药品、环境并进行网络虚拟教学。学生使用计算机中安装的虚拟仿真软件进行操作，可通过多次观看演示录像，对将要开展的实验事先在脑海中形成清晰的印象，提高实际操作中的一次成功率[3-4]。

2.2 解决传统教学模式中验证性实验所占比例过大的问题

玉林师范学院化学与食品科学学院“仪器分析”课程的实验内容基本上只限于教材规定的实验，验证性实验所占比例过大，“可见分光光度计测定铁的含量”等设计性实验和“头发中锌的含量测定”等启发性实验比例很小，不利于学生掌握仪器的构造及实验原理。对于验证性实验，学生只需要按照实验讲义按部就班，不需要更多的思考。许多学生做完验证性实验“火焰原子吸收光谱法测定铅含量”后，只知道用原子吸收光谱仪可以测定水中的铅含量，将测量对象换成水中的汞含量就不知道使用什么仪器、如何检测，更谈不上将所学知识融会贯通以及利用现有仪器探索新的检测方法。虚拟仿真实验则不同，学生可以灵活地预设设计性实验和启发性实验，然后根据程序软件模拟真实的实验情况。

2.3 调动学生的积极性，提高教学效果

“仪器分析”课程是化学专业的基础课程之一，是“分析化学”的重要组成部分。时至今日，“仪器分析”已经超越化学领域，发展成以多学科（物理、数学、微电子学、统计学、电子、计算机、信息、机械、资源、材料等）为基础的综合性分析科学。正因如此，学生普遍感到“仪器分析”课程学习困难。以高效气相色谱为例，仅通过课堂讲解以及观看多媒体课件，学生对仪器的原理和使用方法知之甚少。

如果采用虚拟教学，教师可以构建仿真虚拟“仪器分析”实验教学环境，模拟气相色谱的基本工作原理、基本结构及光路图、光程管的工作过程等，让学生利用虚拟仿真系统进行基本的操作练习。学生通过电脑上的虚拟仿真系统可以获得对气相色谱的直观认识，更有利于调动学生的学习积极性，提高教学效果。

3 虚拟实验室的优势

虚拟现实技术实验室简称虚拟实验室。虚拟现实也称虚拟实境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，利用计算机技术生成一个具有视、听、触等多种感知的逼真的虚拟环境，用户使用各种交互设备同虚拟环境中的实体相互作用，产生身临其境的感觉，实现交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。相比传统的实体实验室，虚拟实验室具有以下优势。

3.1 为学生提供生动、逼真的学习环境

可在网络中构建人体模型、进行电脑太空旅行、显示化合物分子结构等，为不同的学科领域提供无限的虚拟体验，加速和巩固学生学习知识的过程。亲身感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动交互与被动灌输也有本质区别。

3.2 降低教学成本

虚拟实验室突破了教学时间、地点的限制，能充分利用现有的现代化教学设备、提高设备的使用率，避免大型仪器设备的重复添置和浪费。软件技术是虚拟实验的关键，虚拟仪器由于在组建上具有高效性与灵活性，能适应测试功能的多样化，还可用表格和图形快速、准确地显示结果，具有传统实验难以比拟的优势。

3.3 完成现实中不可能完成的实验

虚拟仿真实验教学能实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况下，虚拟仿真实验教学能提供可靠、安全和经济的实验项目，充分体现了虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

3.4 及时更新设备和教学内容

利用虚拟现实技术建立的虚拟实训基地，其“设备”与“部件”多是虚拟的，可以随时生成新的设备。教学内容可以不断更新，使实践训练及时跟上技术的发展。同时，虚拟现实的沉浸性和交互性使学生能在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入学习、不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能[5-6]。

4 化学与食品科学学院“仪器分析”虚拟实验室简介

玉林师范学院化学与食品科学学院拥有广西壮族自治区级虚拟仿真实验教学中心—化学化工虚拟仿真实验教学中心。中心成立于2012年，是由化学工程与工艺、食品科学与工程、材料化学、应用化学、化学5个一级学科交叉融合形成的多学科研究中心，2015年5月升格为区级虚拟仿真实验中心，网页如图1所示。

图1 玉林师范学院化学与食品科学学院区级虚拟仿真实验中心网页截图

玉林师范学院化学与食品科学学院化学化工虚拟仿真实验教学中心的特色与创新体现在以下3个方面：（1）为学生提供“虚实结合、相互补充”的教学环境，实现了理论教学、实物实训、仿真创新的相互补充；（2）体现了基础性、综合仿真性、综合专业应用性，实现了课内与课外、教学与科研相结合，充分体现了教学改革的新方向和新特色；（3）中心与地方重点优势产业发展紧密结合，校企共建共享，建立了多层次、立体化的虚拟仿真体系，为企业培养了高素质人才，实现了校企共享。

5 “仪器分析”虚拟实验体系在实践中的应用

以“高效气相色谱法测定白酒中的甲醇”为例，学生在仿真软件上可以模拟现实中的实验操作，先模拟再实践。

课前，教师要购买高效气相色谱仪虚拟仿真软件，数字化设定所有气路参数，流量和压力精确稳定，凭借精确的气路控制、较快的柱箱升温速度、高速的数据采集处理系统，可得到与原谱图分离度相同而速度快2～10倍的结果。本实验把不同的样品设成不同的培训项目，每个项目又分为练习模式和考试模式，在考试模式下无任何提示信息，在练习模式下有评分帮助和提示信息。

引导学生做实验时，教师要先介绍开机步骤，让学生了解气相色谱仪的开机准备过程及相关化学站的使用，再完整播放一遍整个气相色谱仪的操作流程，然后让学生按照演示的录像在虚拟操作系统上逐步完成实验。

实验结束后，学生点击“查看谱图”进入实验结果显示界面，可以看到自己的实验操作结果，以蓝色线峰图表示。作为比较，实验以红色线峰图做出标准操作后的标准峰，如果操作正确，会和红色线峰完全重合，操作中部分主要参数列表显示在红色线峰图旁边，学生可以通过反复多次的练习达到熟练完成实验的目的。最后，学生要整理相关实验数据，在网络上完成并提交实验报告[7-8]。图2是真实的“高效气相色谱法测定白酒中的甲醇”虚拟教学场景。

图2 真实的“高效气相色谱法测定白酒中的甲醇”虚拟教学场景

从教学实践结果来看，达到了预期的目的。玉林师范学院化学与食品科学学院只有一台岛津G2030高效气相色谱仪，仪器使用过程复杂、维护成本较高，因此，学生动手操作的机会少。对其进行原理解析、使用规范、故障分析处理等方面的仿真教学，极大地缓解了分析仪器不足造成的问题，提高了教学效果。

以此为鉴，玉林师范学院化学与食品科学学院其他大型仪器也可借助大型仪器模拟操作软件库，使学生在不浪费昂贵的标准物质、耗材以及不损耗设备的基础上开展虚拟仿真模拟操作，为真实上机做足准备，可大大提高学生对大型气相色谱仪、液相色谱仪等仪器的使用熟练程度和动手测样水平[9-10]。

6 “仪器分析”虚拟实验体系存在的问题及改进建议

本研究所述虚拟仿真实验取得了较好的效果，提供了人机交互的网络环境，但是通过实践也发现了一些明显的不足，主要有以下3点。

6.1 不利于教师因材施教

虚拟教学不能很好地识别学习者在真实环境下表现出来的个性差异，不利于教师因材施教[11]。在现实生活中，每个学生都是不同的，有生命活力的个体由于各自的社会、文化背景等不同，面对同一个问题时，表现出明显的个性差异，而这些个性差异在网络教学中完全无法体现。在虚拟仿真教学系统中，程序的设定是固定的，每个学生都能熟能生巧，实践能力很差的学生往往也能完美地完成实验，教师看不到学生的个性差异，不利于教师因材施教。

6.2 不利于培养学生的集体主义精神

在实地教学中，常常每4个或5个学生为一组，共同完成某项实验，每个学生各司其职，面对的都是真实的仪器。每个人的表现都会被同伴注意到并被评价，有利于学生进步[12]。但是在虚拟仿真教学中，每个实验都是由学生在电脑上单独完成，缺乏集体合作的氛围，不利于培养学生的集体主义精神，在这一点上，虚拟教学远逊于实地教学。

6.3 易弱化教师教学主导地位

在虚拟仿真教学中，教学主要由计算机上的软件引导，学生不需要教师的指导就能完成实验，会在一定程度上使教师失去教学主导地位，影响教师开展教学活动的积极性，也不能时刻监测学生的实验进展，影响教学效果[13]。

7 结语

节省实验成本、提高培养效率是虚拟仿真实验的优势。但是，虚拟仿真实验初期投入的成本较高，包括仿真教学系统平台、多媒体教室和仿真软件等。此外，虚拟仿真实验给人的使用体验和实际达到的实验效果都有欠缺。在实地实验中，教师可直观地看到学生的实验情况，而虚拟仿真实验存在空间的隔离。以上情况表明，虚拟仿真实验还不能完全替代实地教学，在实践中应贯彻“能实不虚”的原则，将虚拟仿真教学作为教学手段的有效拓展、实地教学的有益辅助和补充。