虚拟仿真技术在《现代分析测试技术》实验教学中的应用探索

刘小娟 吴锋景 颜东

摘  要：为了有效地进行《现代分析测试技术》理论教学和实体实验教学的衔接，弥补传统实验教学存在的不足，对虚拟仿真技术在分析测试实验教学的应用进行了探索。该文以气相色谱测试技术为例，引入虚拟仿真技术对实验内容进行设计，能直观展现气相色谱的测试原理和实验过程，旨在提高教学效果，增强学生的学习兴趣，实现创新型人才培养的目的。

关键词：虚拟仿真  实验教学 现 代仪器分析  教学实践

中图分类号：G642.0         文献标识码： A

Exploration of the Application of Virtual Simulation Technology in the Experimental Teaching of Modern Analysis and Testing Technology

LIU Xiaojuan  WU Fengjing  YAN Dong

（College of Materials and Chemical Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan， Hunan Province， 411104 China）

Abstract： In order to effectively connect the theoretical teaching and physical experiment teaching of Modern Analysis and Testing Technology and make up for the existing shortcomings of traditional experimental teaching， the application of virtual simulation technology in the experimental teaching of analysis and testing is explored. This paper takes the gas chromatography testing technology as an example， and introduces virtual simulation technology to design the experimental content， which can intuitively show the testing principle and experimental process of gas chromatography， aiming to improve the teaching effect， enhance students' interest in learning， and achieve the goal of the cultivation of innovative talents.

Key Words： Virtual simulation; Experimental teaching; Modern instrument analysis; Teaching practice

隨着学科之间的不断交叉和渗透，越来越多的分析测试技术被应用到化学化工、材料科学、生命科学、食品科学、环境科学等各个领域。《现代分析测试技术》成为了这些学科领域的核心课程。该课程不但具有较强的理论性，还需开设相应的教学实验，是一门综合能力要求较高的应用型课程。学生通过实验了解各类分析仪器设备的构造，理解分析测试技术的基本原理，掌握现代工业分析测试的基本方法，这就能够培养学生的创新意识和科学探索精神，增强学生运用专业知识解决实际问题的能力。

但是，大型分析仪器实验课程的开设存在诸多弊端[1]，比如大型仪器价格昂贵，多数设备放置在分析测试中心，且购置设备台套数有限，除了正常的教学使用外，大型仪器还需要服务于科学研究。实验教学时，实验教师一般进行演示实验，学生多以观看为主，不能上机进行操作，积累仪器实操经验有限。此外，大型分析仪器实验课涉及的知识面广，专业知识抽象，且仪器结构复杂，学生理解困难，讲授时理论教学与实验分开进行，容易造成学生理论与实践脱节，学生学习兴趣不强。如何实现将理论教学和实验教学有机地衔接，是当前《现代分析测试技术》课程教学改革的重点和难点。

1 虚拟仿真在分析测试实验教学开设的必要性

仪器分析类专业是一门以理论、实验和实践为基础的学科，学生对于理论知识的理解和消化，以及解决问题能力的提高和动手能力的强化，均要依托于实验和实践教学。但由于大型分析仪器实验课程的开设存在的诸多弊端，部分实验学生动手实践操作的机会少，学生的实验训练得不到切实的保障。

虚拟仿真实验教学是利用计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境的，根据真实环境中的理论和实际操作情况来虚拟仿真的环境，并进行验证、设计、运行的教学方式[2-4]。虚拟仿真技术以现代信息技术为手段，将图片、声音、动画、视频等多种信息整合，提供一种与教学内容相关的虚拟场景，将教学内容可视化、形象化、情景化。近年来国内许多高校根据专业特点，为了提高实验教学效果，相继构建了虚拟仿真实验教学平台。虚拟仿真实验教学的发展，减少了对场地和时间等条件的制约，提高设备利用率，能有效地降低实验教学成本，可提供多人在线学习，教师在线答疑，增进师生互动，提高学习效率。

为解决传统分析测试实验教学开设不能达到预期的效果，湖南工程学院材料与化工学院开发了虚拟仿真分析测试的实验教学平台，力图将虚拟仿真实验技术同传统的分析测试实验结合。通过虚拟的分析仪器学习平台进行教学，并结合实体的分析测试实验的开展，能有效提高教学效率，提升教学效果。

2 虚拟仿真在《现代分析测试技术》课程中的建设

笔者学院虚拟仿真分析测试实驗教学平台，是同东方仿真公司一起开发的，利用先进的计算机模拟技术，选择UNITY 3D作为开发引擎，支持Android移动端系统平台，形成一套智能化仿真系统。该系统能够逼真模拟大型分析仪器的开机、样品配制、样品分析、数据采集、数据处理等各个过程的操作， 可作为《现代分析测试技术》实验教学的有益补充或者作为实验教学的组成部分。学生通过移动端即可随时随地实现大型分析仪器操作流程的学习，比如可以进行课前预习、课上学习、课后复习，学习内容丰富，学习地点灵活，是一种高校开设仪器分析相关课程教学的创新形式。

3 虚拟仿真在《材料现代分析技术》实验教学的实践

目前，该院虚拟仿真分析测试实验主要包括4种仪器相关的虚拟仿真实验，即气相色谱仪、液相色谱仪、红外光谱仪以及原子吸收光谱仪。实验教学一般是以“案例教学”开展的[5]，利用虚拟仿真软件中呈现的仪器的结构图和3D动画图，使学生能较快地掌握仪器的工作原理，熟悉仪器设备的内部构造及各构件的作用。

3.1  气相色谱法测试原理

气相色谱法测试原理是基于待分离组分的物理化学性质的差异，如沸点、极性等，利用待测组分在色谱柱中分配系数的不同而实现组分的分离，分离后的组分流出色谱柱，进入检测器，检测器将每个组分的量按比例转化，通过数据处理器得出每个组分的保留时间和气相色谱峰面积，从而达到定量和定性分析的目的[6]。

3.2  虚拟仿真技术在气相色谱中的应用

下面以气相色谱为例介绍虚拟仿真实验教学的开展。气相色谱虚拟仿真实验依据安捷伦7890 B气相色谱仪及对应的工作站软件来进行开发设计的。在虚拟的实验场景中，有与真实场景相符且能完成试验所需的虚拟设备，比如气体钢瓶、进样注射器、色谱仪和工作站等。在仿真实验过程中，当点击软件界面按钮即可调节钢瓶阀门压力，压力表指针将会指示到相应的读数，而开启虚拟的色谱仪器时，相应的指示灯会变亮。色谱工作站可以将分析方法传送给现场工作的设备，同时现场设备的工作状态根据接收的方法进行调整。除了受传送的分析方法的影响，现场调节的参数、进样物质浓度等的不同，也会影响工作站采集到的数据，但仍遵循色谱相关的理论，符合EMG模型。

该院气相色谱虚拟仿真实验教学以案例教学法开展的，目的是利用气相色谱仪测定水果中有机磷类农药残留的测定。

气相色谱虚拟仿真实验具体实施过程如下。

（1）样品前处理。

①首先进入仿真界面的制样室，将存放在冰箱的梨取出放到操作案板上，点击案板上的菜刀，将菜刀把梨样品切成较小的块状，放入碗中，点击碗图标，将碗中的梨样品倒入食品加工器中加工，然后将梨样品装入分装容器中，并移至天平室中进行称量。

②待梨样品处理完后，进入药品室，根据检测农药的种类选择药品，比如乙腈和丙酮等药剂（如图1所示）。选择完药品后，前往天平室对待测样品和部分药品进行精确称量（如图2所示），称量完待测样品放入烧杯中，点击样品移至处理室进行前处理。

③将烧杯中的样品倒入匀浆机中，然后移取乙腈试剂50 mL至匀浆机中，开启匀浆机，混匀，见图3所示。均匀混合后，从试验台取出铁架台装置，放好漏斗和滤纸，将具塞量筒移动至漏斗下端接收滤液。将匀浆机移至漏斗上方，进行过滤操作，具塞量筒接收40～50 mL滤液。

④完成滤液操作后，对具塞量筒内的溶液进行旋涡混合操作。完成操作后，静置具塞量筒，直至液体内溶液出现明显的分层状态。分层完毕后，移取10 mL溶解有待测样品的乙腈溶液至离心管中进行水浴氮吹操作。完成氮吹后，将离心管中的氮吹液倒入烧杯中，并往里滴加2 mL的丙酮溶液，烧杯静置一段时间，然后转移至离心管中进行旋涡混合操作。完成操作后，将离心管中的待测液体均匀移入两个2 mL的色谱分析样品瓶中，准备进行上机分析。

（2）完成样品处理后，进行标准溶液的配制。选择本实验需要检测的农药种类，如敌敌畏、甲拌磷、氧乐果等，然后填写标准混合液工作液的梯度：0.2、 0.4、0.6、 0.8、 1.0 ug/mL，配制完后前往气瓶室开启载气系统。

（3）气瓶室开启。用鼠标轮打开气瓶，在打开界面上仪器电源按钮前，应首先开启软件界面上的氩气钢瓶。钢瓶开启方法：逆时针开启总阀，总压指针旋转指向表示钢瓶剩余压力；顺时针缓慢开启副阀，指针指向表示气体流量，如图4所示。

（4）开启气相色谱。

将样品和标准液瓶放入样品盘中，然后将样品盘放入气相色谱仪的自动进样器下，接下来是打开界面上的气相色谱仪和计算机，点击计算机桌面进入工作站软件（如图5所示），编辑完整方法，气相参数，比如进样量，进样口温度，色谱柱温度、流速，柱箱和检测器温度，以及填写样品信息，进样瓶位置名称等。

对水果中含有有机磷类农药残留的测定的编辑方法如下，可设置进样口温度220 ℃，进样分流50∶1，进样量1μL，柱流量10 mL/min，在50℃～270℃下进行升温程序，检测器FID温度为250 ℃，并设置尾吹气流量30 mL/min，氢气流量30 mL/min，空气流量300 mL/min。设置好参数后，将采集方法发送给色谱仪，等待仪器处于正常准备就绪状态，然后进行样品数据测试。

（5）数据分析。

选中数据测试文件名，调出数据，通过调整积分参数，对谱图进行优化，并建立校正曲线，根据色谱峰的面积进行定量分析。

此外，气相色谱虚拟仿真实验可以观察到仪器拆解过程，比如进样口、色谱柱、检测器、柱温箱等的拆解。另外，还可以了解气相色谱仪的日常维护过程，比如进样口的硅胶垫要经常更换，若发现色谱仪的载气流量指示变大、组分保留时间增加或峰高明显降低，首先要考虑是否由进样口漏气引起，此时可先更换硅橡胶垫予以验证。

4 《材料现代分析技术》虚拟仿真实验的教学效果评价

湖南工程学院2018级材料化学、应用化学、化学工程与工艺、高分子材料与工程等专业的学生中已相继学习《材料现代分析技术》课程，其对应的虚拟仿真实验在材料与化学实验教学中心进行，实践证明该实验能有效提高学生的学习兴趣，提升教学效果。

（1）教师可以在计算机端与手机端同步进行课堂演示，并能通过后台了解学生设备登录信息，学习时间和历史成绩，以及学生的反馈意见。

（2）虚拟现实3D仿真实验教学，学生可以通过手势进行漫游、缩放、旋转等操作软件。这种类似于“玩游戏”的学习方式极大地激发了学生的学习兴趣，增添了实验教学的活力和动力。通过移動端仿真学习平台能最大限度地突破传统实验对时间和空间的限制，学生可以随时实验，随地实验，可以进行自主考试。再者学生在虚拟的环境下进行知识点的学习和反复演练，可提升实体实验的成功率，降低实体实验的运行成本，提高教学效率。

（3）虚拟仿真实验教学中，采用创新多样的教学方式[7]，比如自主性探究式教学法让学生在不断思考中理解原理，掌握知识，锻炼能力，学生学习的积极性更高，效果更好，学生的自主学习能力和创造潜能得到了更有效的锻炼。

（4）在虚拟仿真实验教学中，运用混合式教学方法将学习过程分为课前导学、课中研学、课后助学，导学阶段老师通过移动客户端发送资料，布置任务，学生通过手机或电脑完成任务。在课前导学阶段，课前老师可以提出问题：“大家先自己思考一下，高效液相色谱、气相色谱分别适合什么样特征的样品分析？”课中研学阶段，老师讲解重难点内容、注意事项，并提出问题，让学生自由讨论；当同学们学会操作气相色谱仪后，老师可以提出问题：“在气相色谱的分析中，色谱柱类型的选择，为什么一般需要遵循极性样品使用极性毛细管，非极性样品采用非极性毛细管的规则呢？”在实体实验过程中老师指导学生实验，学生自主完成实验操作，分析数据。课后助学阶段，老师布置作业，学生在移动平台上完成作业，参与讨论。通过将以上3个环节彼此连贯，形成一体化的网络教学体系，能显著提升教学效果，提高教学质量。

5 结语

通过对虚拟仿真在《现代分析测试技术》实验教学的探究，有效进行理论教学和实体实验教学的衔接，弥补了传统实验教学存在的不足，并结合混合式教学，可作为一种高校开设仪器分析相关课程教学的创新教学形式，能有效提高教学效率，提升教学效果，更好地完成了《现代分析测试技术》课程的教学目的，实现了创新型人才培养目的。

参考文献

[1] 樊强文，任绘君，武国蓉，等.虚实结合模式在“现代仪器分析实验”中的教学改革与实践[J]. 东华理工大学学报：社会科学版，2021，40（3）：297-300.

[2] 白云霞，刘新亮.虚拟仿真技术在《现代仪器分析》实验教学中的应用：以轻化工程专业为例[J].轻工科技，2019，35（4）：152-153.

[3] 董丽娟，田迪英，毕丽君，等.基于虚拟仿真实验室的仪器分析实验教学改革[J].科教文汇， 2019（22）：69-71.

[4]王启要，张蕾蕾，常雅宁，等.新工科背景下以CDIO理念为引领的虚拟仿真实验教学探索与实践[J].化工高等教育，2021，38（4）：114-119.

[5] 詹雪艳，袁瑞娟，林宏英，等.虚拟仿真实验在分析仪器实训教学中的应用实践和思考[J].中医教育，2021，40（4）：31-35.

[6]王寅. PAN纤维残余溶剂含量的气相色谱法测定[D].北京：北京化工大学，2020.

[7] 刘小娟，吴锋景，邓继勇，等.应用型本科高校化工虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].教育现代化，2018，5（45）：125-127.