虚拟仿真技术在仪器分析实验教学中的应用探析——以“元素分析实验”为例

张泽敏 ,唐泽恬

（1.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水 553000；2.六盘水师范学院物理与电气工程学院，贵州六盘水 553000）

0 引言

仪器分析实验课程涉及化学、化工、制药、食品、环境、材料等专业，该课程是一门理论和实践相结合的基础课程[1-3]。通过该课程的学习能够巩固和加深学生对各类常用仪器分析方法基本原理的理解，增强学生仪器分析方法的定性及定量分析技术，同时掌握各种分析仪器的基本操作方法和实验数据与图谱的分析处理方法，培养学生应用现代仪器分析测试技术的技能和严谨的科学作风和良好的实验素养。本校仪器分析实验课程对化工专业学生的培养目标有：1）了解化工专业常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，并理解其局限性；2）基于自然科学、专业知识和数学模型方法正确表达复杂化学工程问题的培养目标；3）能够根据化学工程对象特征，选择研究路线，设计实验方案。然而，运用传统的教学模式进行仪器分析实验课程的教学对于化工专业已经无法达成这些培养目标。因此，想要培养出以上三个目标的化工专业人才，改革创新仪器分析实验课程的教学方式尤为重要。随着虚拟仿真技术运用的推广及普及，人们发现虚拟仿真技术在很多方面能够弥补传统教学的各方面不足。例如，虚拟仿真技术的加入能够辅助传统仪器分析实验教学[4-6]，既能提高教学质量，又能针对性地提高学生对虚拟仿真软件及系统的掌握。这恰好是化工专业综合性及应用型人才培养目标的需求之处。因此，通过分析仪器分析实验的课程特点，将虚拟仿真技术引入仪器分析实验课程来培养综合性和应用型人才具有重要的意义。

1 仪器分析实验教学特点分析

仪器分析实验课程的设备成本一般较高，对场地环境要求也很严格[7]。以本次研究对象元素分析实验中的Elementar 元素分析仪为例，此仪器为进口仪器，不仅价格较高，且维修及保养成本也不低，因此，学校有且只有一台该仪器，其他大型仪器也是类似。同时，大型精密仪器的运行往往通过工作站软件控制，只能看到仪器外表，无法深入了解其内部构造和分析检测过程，从而无法与仪器原理及功能相关联，导致仪器分析实验比较抽象。例如运用元素分析仪测未知样品的各种元素含量时，开机、关机、载气流速控制、温度控制等操作，仅仅需要点击鼠标就可以在电脑工作站上完成，学生很难理解样品的燃烧、还原、吸附分离及检测过程，从而无法做到根据实验结果来调整实验参数，达不到实践教学的目的。

此外，仪器分析实验操作过程较复杂，前处理耗时比较长，如元素分析实验前处理中需要将各参数设置好，等待仪器燃烧管升温至1150℃、还原管升温至850℃、TDC 检测器升温至60℃左右才能进行实验。而且待测样品的处理（如调整样品粒径大小及样品包样等）过程比较烦琐，导致学生害怕动手操作。在学生不能完全熟悉仪器原理及使用方法的情况下操作仪器，会容易损坏仪器，造成该课程无法正常进行，为实验教学带来很大的不便，使整个教学效果适得其反。因此，如何在保证大型精密仪器完好的条件下，使学生更完整地掌握仪器分析原理及仪器详细操作方法，能够让学生自主上手，完成大型仪器分析实验，达到良好的教学效果，一直是大型仪器分析实验课程的一大难题[8]。

2 虚拟仿真技术在实验教学的设计

虚拟仿真技术的运用具有广泛性，可以不受环境场地和学生人数影响。还具有实验成本低的优点，虚拟仿真技术只需要一台电脑，通过软件模拟仪器结构原理及使用方法就可以直观可视化整个实验过程，且学生可以根据自身情况反复练习。同时，虚拟仿真技术可随着教学实际情况和仪器更新情况不断改进，即使仪器过时也能让学生学到最新仪器结构及原理。对于学生来说，实验操作视角只能观察到仪器表面，仪器内部无法拆卸部分重要结构却无法直观了解，造成学生无法理解操作原理。而虚拟仿真技术体系则能使实验在软件设计过程中将仪器内部结构直观展示出来，将反应过程直观简单地呈现出来，加深学生对仪器结构和使用原理的理解从而体验到逼真实验效果。如果在学生实际操作之前先进行仪器仿真技术学习，不仅能提高学生的学习兴趣，还能够在实际操作之前先入为主了解仪器。实际操作时学生能够通过已经系统化的仪器结构思维和原理得心应手地进行操作，让学习过程更加情景化，且能提高学生学习主动性。

针对我校大型仪器分析元素分析实验，进行虚拟仿真技术的应用探讨。首先，教师自主剖析该仪器各模块结构并设计出整个仪器的操作流程（如图1），让学生在学习元素分析仪操作流程的时候建立整体仪器原理系统。其次，将学生无法观察到的燃烧室结构、吸附柱结构进行三维仿真设计（如图2）。课堂教学时结合实体仪器结构与虚拟仿真设计使学生进一步明确实验的基本原理和操作步骤，学生可在无法观察到仪器内部结构也能清楚地独立进行仪器操作，避免操作不规范的问题发生。同时，学生仿真设计学习和实际仪器操作后，教师通过布置学生自行将整个仪器工艺流程图用CAD仿真软件进行绘制，并对该实验总结。同时教师也对学生的完成情况进行评阅，以达到学生能够将学到的知识点及时反馈的效果。

图1 元素分析仪工作原理流程图

图2 元素分析仪燃烧室结构（左）及吸附柱结构（右）三维虚拟仿真模拟图

3 虚拟仿真技术结合实际操作的教学实施及成效分析

3.1 虚拟仿真技术结合实际操作的教学实施

教学实施过程是整个课程最为重要的环节，化工专业人数总共36人，分为六组，每组6个学生，整个教学过程主要分为四部分（见表1）。1）课前教师下发实验学案，学生根据学案针对性地进行实验预习。2）课程中教师对学生预习情况进行考查并对预习不到位的地方进行补充。其次，让学生参观元素分析仪后开始整个实验理论讲解及虚拟仿真模拟部分的学习，此部分主要针对仪器结构原理及操作步骤。实际操作之前教师向学生演示整个实验操作步骤，并强调操作注意事项。接下来根据讲解内容及仿真学习进行实际操作。实际操作中将两个人分为一个小组合作完成未知样品元素的测定实验。学生实际操作主要包含包样品、仪器简单拆装、仪器气体检漏、仪器工作台上各参数的设置、测样。教师根据实际操作情况进行课堂表现打分。这样的组合及操作既能使每个学生都能身临其境地感受实验操作氛围，切身体会每个操作步骤，使他们的学习具有连贯性、整体性，也能增强学生之间的合作能力。完成整个实验操作之后，学生对自己的操作情况进行自我评分，并在后续的实验报告中体现出实验操作反思。3）实验报告的完成，学生对整堂课的学习进行实验报告撰写，与以往不同的是，教师根据化工专业学生的特点下发了每个学生都必须根据课程学习情况独自运用CAD 软件对整个仪器工艺流程进行绘图的任务。4）教师批阅实验报告，根据学生实验报告中仪器原理及详细操作步骤描述、数据分析与处理、CAD 工艺流程图、实验反思四部分进行打分，完成整个教学过程的实施。

表1 课程实施及教学成效分析

3.2 虚拟仿真技术应用后的教学成效分析

教学成效分析主要体现在学生实验预习、课堂表现、实验操作、实验报告及综合评价几部分（详见表1）。在以往的教学模式中，学生每个模块的得分几乎相近，学生在实验操作部分丢分的情况比较多，甚至在操作过程中损坏仪器，给教学造成了一定的拖延。而引用虚拟仿真技术以后，学生在实验操作及实验报告两个模块得分项有了明显的提高，全班所有学生实验操作部分均达到了85.0 分。实验报告的撰写也比以往传统授课方式的学生更具有逻辑性。如实验原理及操作步骤这块的撰写中大部分学生运用了思维导线图的模式表达，实验数据处理及分析中也更加细致，额外增加的CAD 绘图任务也表现得较好（如图3）。综合评分80.0 分以上的学生占到了1/3，比以往传统模式的学生80.0 分以上的学生仅有几个的情况提高了很多。该实验目标直接达成度达到了0.810，总体达成度达成。实践表明，整个课程实施过程中，虚拟仿真技术起到了关键的作用，虚拟仿真模拟技术与实际仪器操作相互相辅相成，不仅有效地增强了学生的仪器系统性理解和动手能力，还加强了仪器工艺流程的虚拟仿真模拟。

图3 学生CAD绘制元素分析仪工艺流程图

此外，针对学生在实验中出现的一些状况，如部分学生课前预习不充分的问题。在今后的课程实施过程中要向学生强调实验预习的重要性，加强对学生的课前监督。同时，教师应加强专业技术知识的学习，了解前沿的学科知识，培养学生应用现代仪器分析测试技术的技能性和严谨的科学作风和良好的实验素养，为培养综合性和应用性人才打下坚实的基础。

4 结论

仪器分析实验课程（元素分析实验）中引入虚拟仿真技术，使化工专业的仪器分析实验课程中包含虚拟仿真模拟加实际操作的教学。通过实践表明，虚拟仿真技术与实际仪器操作相互相辅相成，有效地增强了学生的仪器系统性理解和动手能力，还加强了仪器工艺流程的仿真模拟，为培养综合性和应用型人才提供了很好的教学指导。该课程教学方法的改进及实施目前得到了良好的教学反馈，为高校化工专业仪器分析实验课程引入虚拟仿真技术的教学改进提供了导向。