虛擬實驗室在食品專業(yè)儀器分析實驗教學中的應用

杜磊++杜娟

摘 要： 本文從分析儀器分析實驗的特點入手，通過分析虛擬實驗室的優(yōu)勢及對學校教學的促進作用，提出儀器分析實驗的課程改革過程及考評方法，從實際效果看，達到預期的改革效果。

關鍵詞： 儀器分析實驗 虛擬實驗室 課程改革

一、儀器分析實驗的特點

分析化學內容多而雜是大家公認的，與化學分析相比，儀器分析的理論性、實用性更強，發(fā)展速度更快。儀器分析要求學生既要掌握好常規(guī)方法的基礎理論和實驗技能，又要了解當今學科發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。學生要了解和掌握儀器分析的最新方法，以更好地適應社會。要學好儀器分析課程，儀器分析實驗至關重要。儀器分析實驗的特點：

（1）儀器分析實驗所涉及的各種儀器更新?lián)Q代快，涉及的相關學科比較多，如物理學、化學、電子技術和計算機技術等。

（2）儀器結構復雜，理論較抽象，難以接受；所需的儀器大都昂貴，一般院校很難完全擁有且儀器臺數(shù)少；實驗采取分組模式，一大組同學面對一臺儀器，試驗的時間拉長，很多同學不愿等待就離開實驗室，試驗報告抄襲別人的數(shù)據(jù)。

（3）實驗存在的危險性或安全性比化學分析實驗要大，教師很難指導更多的實驗組數(shù)；學生數(shù)的增加與執(zhí)行實驗教學計劃的矛盾愈來愈突出等，能否保證實驗教學質量和效果，對儀器分析課程的教學效果影響較大。

二、虛擬實驗室的優(yōu)勢

虛擬實驗室同真實實驗室有著較大的差別，在時間、空間、經(jīng)費投入等方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，能夠彌補真實實驗室之不足，因而在各個高校廣泛推廣。

1.自由度大。學生利用虛擬實驗室進行實驗，可以不受時間及空間的限制，甚至可以利用網(wǎng)絡化手段提高效率。

2.節(jié)省投入。節(jié)省學校在實驗室建設方面的投入，目前許多高等院校在實驗室建設方面均有經(jīng)費投入不足的問題，而利用虛擬實驗室可以充分發(fā)揮現(xiàn)有設備的功能，通過網(wǎng)絡還可以實現(xiàn)資源共享，避免大型、貴重儀器設備的重復購置。

3.安全系數(shù)高。學生在實驗室進行實驗時，可能會由于操作不當或者其他原因面臨危險，虛擬實驗室可有效避免這個問題。

三、實驗課程的改革過程

我院引進了大連理工大學的儀器分析實驗模擬軟件，它提供了氣相色譜、液相色譜、原子吸收、紅外光譜等儀器模擬實驗的教學軟件。

我們在實驗教學中，在大連理工大學制作的現(xiàn)代儀器分析虛擬實驗室課件的基礎上建立實驗預習系統(tǒng)，幫助學生進行實驗前的預習工作。實驗預習系統(tǒng)的基本設計思路，是使學生方便地在實驗前了解實驗的內容和相關基本理論及儀器的構造和操作過程，而且通過測試題目可以讓每個學生在課前自我檢查實驗的預習情況；對每個學生及全班學生測試結果的統(tǒng)計報告，使教師及時了解學生個體及總體對實驗的預習情況和掌握程度，便于發(fā)現(xiàn)問題，從而有的放矢地進行課堂講解。這樣既加強了教師實驗課講解的針對性，又使教師把主要精力用于觀察和指導學生掌握實驗技能，更合理有效地利用實驗課內時間。實驗安排上采用分組模式，一個大組20-30人，每大組包含8-10個小組，實驗先安排學生進入機房模擬，模擬完成后進入實驗室操作。因為實驗是依次完成的，時間上消耗比較長，今后需要進行改進。

例如在液相色譜實驗中，我們在實驗前先讓學生利用液相色譜實驗虛擬實驗室進行模擬實驗。液相色譜實驗虛擬實驗室能應用于儀器內部結構、流程及主要部件介紹、原理演示，實驗條件選擇及色譜分析實驗全過程仿真模擬。

1.儀器內部結構介紹。運行軟件后，首先出現(xiàn)的是液相色譜結構流程界面。界面中給出高壓泵、梯度淋洗裝置、進樣裝置、液相色譜分離柱、紫外檢測裝置等液相色譜的主要組成部分。高壓泵和紫外檢測器給出內部結構，可以使學生學習了解液相色譜內部結構、高壓泵內部結構及流程等。用鼠標右鍵點擊高壓進樣閥，出現(xiàn)閥內部結構及工作原理示意圖，雙擊示意圖隱藏。將鼠標移動到淋洗液比例調節(jié)指示板上，按住鼠標左鍵拖動，顯示甲醇—水比例，選擇合適的淋洗液比例。點擊檢測器，出現(xiàn)紫外檢測器內部結構原理圖，分析時可觀察到分離組分經(jīng)過檢測器時產(chǎn)生信號，記錄儀記錄色譜峰的過程。

2.實驗模擬與分離原理演示。首先選擇試樣（稠環(huán)芳烴）、固定相（ODS）、流動相（甲醇—水）、流速及梯度淋洗液比例。如果選擇的試樣與分離條件不合適，將提示重新選擇。點擊高壓泵按鈕開始工作，高壓泵按比例吸取淋洗液，廢液瓶中有液滴流出。點擊檢測器，顯示內部結構，便于觀察組分經(jīng)過光路時信號產(chǎn)生情況。點擊“進樣器”和“取樣”按鈕，調出進樣器和試樣瓶。分別點擊進樣口和取樣口位置（圖中連接管的喇叭口位置），可以使進樣器位于取樣位置或進樣位置。首先點擊取樣口，將進樣器放在取樣位置，左鍵點擊進樣器活塞拉桿，進樣器連接到取樣口上。繼續(xù)用鼠標左右鍵點擊進樣器活塞拉桿可以上下移動活塞拉桿，吸取試樣溶液。清洗進樣器后，抽取一定量試樣。點擊進樣器外突圓環(huán)，進樣器與取樣口脫離。點擊進樣口，將進樣器放在取樣位置，左鍵點擊進樣器活塞拉桿，進樣器連接到進樣口上。繼續(xù)用鼠標左鍵點擊進樣器活塞拉桿，將試樣推入六通進樣器的定量管中。用鼠標左右鍵點擊高壓進樣器的手柄，可以轉動手柄。手柄與屏幕平行時，才能將試樣充入定量管。定量管充滿試樣后（變綠色）點擊高壓進樣器的手柄，使之與屏幕呈垂直位置，淋洗液流過定量管，分析開始，記錄儀開始記錄。試樣經(jīng)過分離柱時，隨著淋洗液的流動，試樣被逐漸分離（用不同色帶代表組分）。組分流出分離柱進入檢測器時，吸收紫外光，產(chǎn)生信號，記錄儀記錄下一個色譜峰。組分全部流出后，使進樣閥手柄處于平行位置，推動進樣器使定量管充滿，再次進行分析。改變淋洗液中甲醇—水比例（調大），進行分析，可觀察到組分流動速度加快，分離度變小，分離較差。改變試樣和分離條件，觀察分離情況。每次記錄儀停止記錄后，可通過用鼠標左右鍵點擊記錄儀畫圖區(qū)，上下移動色譜圖觀察色譜峰。

3.思考題。點擊“提問”按鈕，出現(xiàn)提問面板，給出思考題。點擊雙尖頭按鈕，可以向前或向后選擇思考題。

通過運用儀器分析虛擬實驗，使學生初步掌握實驗教學內容，教師在上課時就不用每次都費時費力地作詳細講解，這樣可以大大減少實驗講解的時間，騰出更多的時間和精力指導學生提高實驗操作技能和發(fā)展學生的創(chuàng)造性思維，從而提高實驗教學效率。學生通過實驗前的虛擬實驗初步掌握實驗操作的基本程序，增強實驗自信心，使得實驗失敗的人次和操作失誤的現(xiàn)象明顯減少，特別是使儀器故障的概率大幅度下降，有利于保障儀器分析實驗教學活動的順利進行。

四、結果與討論

1.通過課程改革，學生接觸儀器和操作儀器的熟練程度有所提高，學習興趣和成績有所提升。通過模擬軟件，學生對儀器的內部結構有更深的了解，填補原來實驗學生覺得看到的只是儀器的外殼，操作上更有目的性。

2.通過網(wǎng)絡資料的查找和比對，加深對理論知識的掌握和認識，對課程的學習目的和意義有更明確的認識。學生主動了解儀器使用過程中的注意事項，能動性加強，同時了解儀器分析的新知識和發(fā)展趨勢，更有助于學生適應社會。

3.課程改革過程中，存在一些問題：（1）改革面向的學生主要是大四的畢業(yè)生，心態(tài)比較浮躁，因為增加了試驗環(huán)節(jié)，時間上比以前有所增加，學生的出勤情況有所下降。（2）學生在機房不按照老師的安排進行資料的收集，致使學習效果不好；有的實驗進行的時間比較長。（3）根據(jù)學習進度，后續(xù)要求學生根據(jù)生活實際，設計綜合性試驗，但只有一個三年的班級能夠完成，其他班級以時間緊為借口沒有進行。對于已經(jīng)完成的班級，完成效果是不錯的。

對于多媒體軟件，學生反映窗口比較簡單，另外沒有實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，今后可以借助錄像視頻改善圖片和flash不夠生動和逼真感不強的問題。

參考文獻：

[1]白雁，張娟，潘謹，等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗室技術與管理，2011，28（12）：169-171.

[2]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005，2（2）：35-37.

[3]陳蘭化.淺談儀器分析實驗教學[J].淮北煤炭師范學院學報（自然科學版），2009，30（4）：88-90.

[4]丘秀珍，任健敏，王少玲，等.儀器分析實驗教學改革探索與實踐[J].廣東化工，2012，39（16）：171-172.

[5]劉瀟，路春娥，楊亞萍，等.儀器分析實驗教學研究[J].化工時刊，2011，25（11）：39-41.

[6]崔連義.儀器分析實驗教學改革之實踐[J].實驗室研究與探索，2011，30（2）：189-192.

[7]楊勇.儀器分析課程教學方法探討[J].陜西教育（高教版），2008（6）：84.

[8]陳力，陳建康，王芳，等.《儀器分析》多媒體互動實驗室的建設與管理——以上海海洋大學為例[J].中國科教創(chuàng)新導刊-遠程教育研究，2018（28）：182-184.

[9]張慧云，侯林，姜洪波.高等院校儀器分析實驗課教學改革與探索[J].綏化學院學報，2007，27（2）：167-168.

[10]呂海濤.儀器分析實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室科學，2011，14（3）：16-18.