仿真儀器分析教學(xué)的幾點(diǎn)思考

[摘 要]仿真儀器分析建立了與真實(shí)儀器相同的虛擬系統(tǒng)，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)儀器分析理論和儀器的理解。本文討論了仿真儀器分析教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，提出了仿真儀器分析教學(xué)的注意事項(xiàng)和存在問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]仿真儀器分析 教學(xué) 思考

[中圖分類號(hào)] G648 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2013）10-0029-02

一、引言

儀器分析是化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它是以物質(zhì)的物理或物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的一種現(xiàn)代化分析方法，利用各種特殊的儀器設(shè)備，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析及形態(tài)或結(jié)構(gòu)的分析。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程理論深、綜合性強(qiáng)，已成為化學(xué)、化工、材料、地質(zhì)等學(xué)生必須掌握的一門(mén)重要課程。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程不僅使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)還讓學(xué)生掌握了物質(zhì)的檢測(cè)和分析手段。分析儀器有紫外分析儀、紅外光譜儀、色譜分析儀、質(zhì)譜分析儀、原子吸收儀、核磁共振分析儀、熱重分析儀等。由于各學(xué)校儀器資源有限，學(xué)生不能獨(dú)自操作實(shí)驗(yàn)，因此，可采用仿真儀器分析教學(xué)，也就是分析儀器的仿真教學(xué)，它是利用建立分析儀器的教學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上建立一套反應(yīng)特性與真實(shí)分析儀器完全相同的虛擬分析系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生通過(guò)操作這臺(tái)虛擬分析儀器，可以獲得與操作真實(shí)儀器一樣的豐富經(jīng)驗(yàn)。

仿真儀器分析教學(xué)可滿足每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)學(xué)生感性地理解儀器分析中的理論，快速地操作儀器以滿足各企事業(yè)單位的需求。

二、仿真儀器分析教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

（一）提高教學(xué)質(zhì)量

儀器分析根據(jù)分析原理不同，涉及多種類型儀器，且很多儀器價(jià)格昂貴，新建本科院校和一些普通本科院校，部分儀器未采購(gòu)，大型儀器實(shí)驗(yàn)由老師演示給學(xué)生。而仿真儀器分析提供了儀器操作實(shí)訓(xùn)，計(jì)算機(jī)的普遍使用可使每個(gè)學(xué)生都能根據(jù)仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，達(dá)到了解真實(shí)儀器的操作方法，形象理解理論知識(shí)。

在操作仿真系統(tǒng)中，每一個(gè)儀器的操作步驟都有評(píng)分，學(xué)生參考評(píng)分就可知道自己操作是否正確，如果操作不對(duì)可重復(fù)操作。同時(shí)學(xué)生可查閱儀器的說(shuō)明、結(jié)構(gòu)、原理和方法，從而鍛煉他們解決問(wèn)題和分析問(wèn)題的能力。

仿真儀器分析教學(xué)，基本包括核磁共振分析儀、質(zhì)譜分析儀、紅外分析儀、色譜分析儀等儀器的組成、操作以及相關(guān)理論，學(xué)生能基本掌握儀器的結(jié)構(gòu)、原理、使用方法、注意事項(xiàng)和數(shù)據(jù)處理。仿真模擬真實(shí)儀器環(huán)境的直觀、可操作性，在一定程度上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生對(duì)儀器有一個(gè)具象認(rèn)識(shí)，是一種圖文并茂的教學(xué)方式，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

（二）低成本

采用仿真儀器分析系統(tǒng)，可大大地降低教學(xué)成本。首先，減少購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)儀器的費(fèi)用。一臺(tái)國(guó)產(chǎn)熱重分析儀需十幾萬(wàn)，高效液相色譜需十幾萬(wàn)，甚至上百萬(wàn)；其次，無(wú)需花錢(qián)配置高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。部分儀器操作條件苛刻，實(shí)驗(yàn)室需配置空調(diào)、除濕機(jī)等；最后，儀器維修費(fèi)高，有些儀器耗材很貴，部分試劑價(jià)格較貴而其用量大，在考慮教學(xué)成本的問(wèn)題上，這些實(shí)驗(yàn)就很可能被取消，仿真系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬操作，這樣就無(wú)需高價(jià)的試劑。

三、仿真儀器分析教學(xué)的注意事項(xiàng)

仿真儀器分析教學(xué)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但要獲得較好的教學(xué)效果，還需注意以下幾個(gè)方面：

（一）激發(fā)學(xué)生興趣

仿真軟件教學(xué)枯燥難懂，為激發(fā)學(xué)生興趣，在每一種分析儀器和分析方法背后都蘊(yùn)藏著艱辛或有趣的故事，回顧和追蹤科學(xué)家走過(guò)的足跡，能極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生參與科研和追求創(chuàng)新的熱情。例如，色譜法起源于20世紀(jì)初，1903年俄國(guó)植物學(xué)家米哈伊爾·茨維特用碳酸鈣填充豎立的玻璃管，以石油醚洗脫植物色素的提取液，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間淋洗后，植物色素在碳酸鈣柱中實(shí)現(xiàn)分離，在管內(nèi)形成了具有不同顏色的譜帶。1952年英國(guó)科學(xué)家阿切爾·馬丁、理查德·辛格因發(fā)明分配色譜分離法而共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。通過(guò)這些事實(shí)，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)儀器分析在化學(xué)界所起的作用，引起學(xué)生對(duì)仿真軟件操作的興趣。

（二）與真實(shí)儀器教學(xué)相結(jié)合

原子吸收分析儀操作條件復(fù)雜，采用仿真軟件系統(tǒng)較好，每個(gè)學(xué)生都能操作。紅外光譜儀、紫外光譜儀等操作簡(jiǎn)單、迅速，這些儀器能滿足1人或幾人的小組操作，單一采用軟件系統(tǒng)，不免有些單調(diào)，學(xué)生希望進(jìn)行實(shí)際操作，可讓他們操作真實(shí)儀器，之后操作仿真軟件，兩者相比較，加深對(duì)儀器和理論知識(shí)的理解。

（三）重視操作過(guò)程

仿真儀器分析，例如北京東方仿真分析儀器仿真軟件，每一種分析儀器的操作步驟都有評(píng)分，操作正確給滿分。在這種情況下，要檢查學(xué)生獲得的分析數(shù)據(jù)是否正確，例如，學(xué)生在仿真紫外分光光度計(jì)時(shí)，操作滿分，但結(jié)果不對(duì)；有時(shí)結(jié)果對(duì)，但操作不完全對(duì)。所以教師要仔細(xì)檢查學(xué)生的操作過(guò)程。

教師必須要求學(xué)生對(duì)仿真系統(tǒng)反復(fù)操作，達(dá)到熟練程度。在仿真下一個(gè)實(shí)驗(yàn)前，需要重復(fù)練習(xí)上一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。

（四）重視信息反饋

仿真儀器分析是讓學(xué)生形象地理解儀器分析理論，同時(shí)還要掌握分析儀器的操作。通過(guò)提問(wèn)，可檢查學(xué)生對(duì)以上兩點(diǎn)的掌握情況。例如，提問(wèn)學(xué)生氣相色譜儀能否分析混合液體？依據(jù)什么原理將其分開(kāi)？載氣流速對(duì)色譜圖有何影響？氣化室的溫度、柱溫對(duì)色譜圖有何影響等。通過(guò)學(xué)生的回答可了解他們掌握情況，同時(shí)讓他們更好地理解仿真儀器分析軟件中的操作。

四、仿真儀器分析教學(xué)中存在的問(wèn)題

仿真儀器分析教學(xué)在設(shè)備、師資投入上具有優(yōu)勢(shì)，但也存在不足之處，例如，軟件的仿真程度，教學(xué)多樣性低，還具有一定的機(jī)械性，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足等。

（一）仿真軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題

為提高儀器分析模擬效果，需開(kāi)發(fā)仿真軟件，且要求軟件種類和功能齊全。軟件公司開(kāi)發(fā)的軟件大多是常用的幾種，而儀器分析所涉及的儀器至少十幾種。

同時(shí)，科技迅速發(fā)展，新儀器層出不窮，使得新仿真軟件開(kāi)發(fā)備受重視。而軟件開(kāi)發(fā)人員不懂儀器的相關(guān)理論和知識(shí)，所以要密切跟分析化學(xué)專業(yè)人士探討，設(shè)計(jì)軟件操作模塊，使模型參數(shù)、環(huán)境與實(shí)際儀器的樣品采集、分析相同。

（二）仿真軟件升級(jí)問(wèn)題

傳統(tǒng)仿真軟件有待于升級(jí)。例如，仿真原子吸收軟件，增加不同種類的陰極燈；氣相色譜軟件中的檢測(cè)器，除了熱導(dǎo)檢測(cè)器、氫火焰電離檢測(cè)器外，還可增加電子俘獲檢測(cè)器和火焰光度檢測(cè)器等，加深學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的全面認(rèn)識(shí)。某些軟件存在缺陷，例如，液相色譜軟件，溶劑的設(shè)置與否，都被系統(tǒng)默認(rèn)為初始值，學(xué)生可不進(jìn)行設(shè)置；紫外分光光度計(jì)軟件，紫外光波長(zhǎng)若不調(diào)整，也有出現(xiàn)正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而誤導(dǎo)學(xué)生認(rèn)為自己操作正確等。以上這些問(wèn)題，影響學(xué)生對(duì)真實(shí)儀器的理解，所以仿真軟件升級(jí)迫在眉睫。

（三）仿真教學(xué)開(kāi)放性問(wèn)題

仿真教學(xué)不能限于實(shí)驗(yàn)室，更應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化，便于學(xué)生利用課外時(shí)間，在宿舍或網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；同時(shí)也加大實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放力度，實(shí)驗(yàn)教師安排一定時(shí)間，讓儀器分析課程的學(xué)生學(xué)習(xí)和操作。

五、總結(jié)

仿真儀器分析具有明顯的優(yōu)勢(shì)，被很多教學(xué)者認(rèn)可，在新建本科院校和普通高校中具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但也存在不足之處。在仿真儀器教學(xué)中更需要激發(fā)學(xué)生興趣，重視學(xué)生操作，學(xué)生信息反饋等方面，使學(xué)生能理解儀器分析理論，熟練操作仿真系統(tǒng)，同時(shí)仿真軟件開(kāi)發(fā)和升級(jí)也迫在眉睫。

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