虛擬仿真技術在《儀器分析》理論課程輔助教學中的應用

邱會東　蘇小東　原金海　熊偉　許弟建

摘 要：以虛擬仿真軟件在光譜分析、色譜分析、質譜分析教學中的應用為例，探討了在儀器分析理論教學過程中，利用虛擬仿真軟件有效地輔導理論課程教學的問題。實踐證明，在《儀器分析》課程理論教學中引入虛擬仿真教學手段，能更好地調動學生學習的積極性和主動性，有效彌補理論講授的不足，有利于提高教學效果，并且它在理論教學方法改革中發揮著重要作用。

關鍵詞：虛擬仿真；《儀器分析》；理論教學；教學方法

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.149

《儀器分析》是高等理工科院校化學化工類及其相關專業重要的專業基礎課程，它在化學、化工、環境、材料、安全、食品和醫藥衛生等專業人才培養方案和課程體系中，起著培養學生實用分析技術的作用。該課程的特點是既有比較抽象的理論基礎知識，又有比較具體的實際應用技術，系統性和邏輯性比較強，而且與工程技術及其生活實際聯系非常緊密。

1 《儀器分析》教學中存在的主要問題

由于《儀器分析》課程具有理論和實踐性并重的特點，特別是這門課程涉及的儀器工作原理和結構等基礎知識，傳統的教學手段和模式已經無法適應信息技術時代下的學生對接受新知識速度的要求，在那些枯燥的抽象原理和復雜的精密儀器結構的講授中顯得尤為突出，呈現出的教學效果可能也不夠理想。這門課程要求在理解、掌握了基礎理論知識的基礎上，培養學生會應用這些理論和儀器解決實際問題的能力，所以，現在的《儀器分析》課程教學章節內容逐步擴大，而課程理論學時基本保持不變。這些都需要積極探索信息化的教學手段輔助理論教學模式的改革，提高教學水平和效果。筆者結合《儀器分析》理論教學過程中的光譜分析、色譜分析、各種檢測器檢測技術等方面的教學內容，說明了在《儀器分析》理論教學過程中使用三維虛擬仿真技術的優勢。

2 三維虛擬仿真技術簡介

三維虛擬仿真技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，其利用計算機生成一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中去，并逐步形成其理論體系。該技術在實驗教學過程中又被稱為“虛擬仿真實驗技術”，是借助圖像、仿真和虛擬現實操作流程等技術在計算機上營造可輔助或者部分代替傳統實驗各環節的相關軟硬件環境。“三維虛擬仿真技術”一般包括虛擬儀器系統、數據分析系統、計算機網絡系統和虛擬實驗室管理系統。它作為一種新的實驗教學方法，豐富了實驗教學模式和實驗教學內容。由于儀器分析課程是涉及物理學、化學、電子學、精密機械制造和計算機科學等多學科交叉的課程，AGILENT、NICOLET AVATAR等ISTS3.0系列三維虛擬仿真軟件在國內外高校已被引入到大型儀器分析實驗教學過程中，并處于一個快速推廣和發展階段。當前，三維虛擬仿真技術所包含的虛擬儀器系統部分除了能在實驗教學過程中發揮應有作用外，在其相關理論課程教學過程中同樣也可以起到良好的輔助教學功能，其逼真的虛擬三維仿真技術在視、聽、觸覺等方面對學生的感官產生了強烈的刺激，可以調動學生的主動性和學習興趣。

3 三維虛擬仿真技術的應用

在《儀器分析》理論教學過程中，可以利用仿真軟件分析抽象的原理和復雜的儀器結構，例如光譜分光原理、色譜分離理論和儀器精密結構等，將輔助分析的仿真軟件安裝到計算機中，講課時配合理論教學內容適時切換到仿真軟件進行分析。

3.1 輔助理解光譜分析技術

當前，應用比較多的光學分光元件主要有棱鏡和各種類型光柵等。光柵分光能力強于棱鏡，但是，光柵具有集光效率比較低、不同波長的色散不均勻、二級光譜必須消除等缺點。所以，在講授電感耦合等離子體發射光譜經常使用的具有很好色散率和良好集光本領的中階梯光柵分光系統時，結合三維仿真軟件輔助講解各種分光元件的優缺點，闡述如何將中階梯光柵與棱鏡聯合分光得到連續不重疊的全波段光譜，以及光路與檢測器必須相匹配的問題。

光源發射出的光經入射狹縫進入儀器內部空間，經由準直鏡得到準直平行光，光線依次經過棱鏡、中階梯光柵后再次入射到棱鏡，由聚焦鏡反射后到達檢測器，光路如圖1（a）所示。為了更容易、更直觀地理解，平行光先通過棱鏡預色散之后照射到中階梯光柵上，經中階梯光柵衍射分光后，光線恰好再次經過棱鏡（后色散）。2種二次色散方式的結合，使光譜的級次重疊能夠被更好地分離。棱鏡作為二次色散元件，具有更高的光效率和更加均勻的橫向色散，且不存在閃耀和光譜級次重疊問題，并且棱鏡對中階梯光柵光譜的級次重疊部分進行二次色散后形成二維光譜，更有利于面陣檢測器對光信號接收， CID檢測器如圖1（b）所示。

3.2 輔助理解色譜分析技術

例如，物質的不同組分在各種填料介質中有不同的擴散速度。為了正確理解速率理論分離原理和影響柱效的因素??，特采用范·弟姆特方程，即：

H=A+B/u+C·u.（1）

式（1）中：A為渦流擴散項；B為分子擴散項；C為傳質阻力項；u為載氣流速。

結合公式（1），減小A，B，C三項可以提高柱效，并且載氣存在最佳流速等，如圖3所示。結合虛擬仿真軟件理解該方程，可以直觀地理解單個組分粒子在色譜柱內固定相和流動相間要發生千萬次轉移；再加上分子擴散和運動途徑等因素，它在柱內的運動是高度不規則的，是隨機的，在柱中隨流動相前進的速度是不均一的。通過調整仿真軟件參數，了解到各種因素之間是相互制約的，比如載氣流速增大，分子擴散項的影響減小，柱效提高，但同時傳質阻力項的影響增大，又使柱效下降；柱溫升高，有利于傳質，但加劇了分子擴散的影響，選擇最佳條件，才能使柱效達到最高；選擇適當的固定相粒度、載氣種類、液膜厚度和載氣流速，可以提高柱效等。這些速率理論的要點都可以通過虛擬仿真圖像幫助學生快速掌握。

圖3 范·弟姆特方程虛擬仿真圖

3.3 輔助理解質譜檢測分析技術

氣相色譜質譜聯用儀、液相色譜質譜聯用儀、光譜質譜聯用儀等聯用儀器分析技術的應用越來越廣泛，質譜系統作為一個檢測器，在痕量組分的定性定量分析方面逐漸發展成了一種關鍵檢測技術。利用三維虛擬仿真軟件可以形象、逼真地演示質譜檢測系統的結構及其工作原理。三重四級桿質譜檢測系統如圖4所示。試樣經色譜系統分離后到達分子分離器，并在API離子源Q0中形成+/-離子和中性分子，離子向導傳輸+/-離子到Q1，Q1起到篩選器的作用，只允許單個m/z的母離子輸送到碰撞池Q2，母離子進入碰撞池，被載氣N2氣體碰撞分離后，組分分子在電子轟擊下分裂成“碎片”，加速后，進入四級桿質量分析器Q3，Q3逐個傳遞單個m/z的母離子到質量分析器，能產生共振的“碎片”到達檢測器并形成質譜圖。

將虛擬仿真技術與理論教學相結合，能讓抽象的原理形象化。能體現出儀器分析虛擬仿真技術優點在理論課程教學中應用的例子還有許多，本文不再逐一列舉。但是，教師講課時也切記不要過于依賴虛擬仿真技術，在使用虛擬仿真技術輔助原理分析的同時，要結合板書將重點內容書寫下來。另外，講授知識時，要結合自身的肢體語言，交流教學信息，調動課堂氣氛，有效提高理論課程的教學效果。

4 結束語

本文初步探討了在《儀器分析》課程教學中借助虛擬仿真技術輔助理解理論課程教學的方法，展示了虛擬仿真技術軟件輔助教學在課堂上的動態性、互動性和逼真性等優點，促進了學生對抽象原理的理解，提高了課堂學習效率?？傊?，運用虛擬仿真技術的目的是激發學生的學習興趣，提高理論課程的教學效果。

參考文獻

[1]劉志廣.儀器分析[M].第二版.北京：高等教育出版社，2007.

[2]朱明華，胡坪.儀器分析[M].第四版.北京：高等教育出版社，2009.

[3]廖輝.仿真軟件在電工學中輔助教學探討[J].實驗技術與管理，2014，31（4）.

[4]田文德，丁輝，姚飛.分析儀器的計算機仿真[J].現代科學儀器，2001（3）.

[5]白雁，張娟，潘瑾，等.虛擬實驗室在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（12）.

[6]陳銘中，鐘旭美，朱碧寧.仿真教學手段在儀器分析課程的應用研究[J].廣東化工，2013，40（20）.

[7]李慶生，譙康全.高校化學類儀器分析實驗的信息技術教學模式研究[J].化學工程與裝備，2012（4）.

[8]吳昊，張犁黎.將仿真教學手段引入儀器分析實驗的思考[J].科技信息，2009（27）.

[9]徐映杰，胡六江.虛擬實驗在儀器分析實驗教學中的應用研究[J].紹興文理學院學報，2014，34（7）.

[10]盧琴芳，喬波.多媒體輔助化工類課程教學模式的實踐與思考[J].九江學院學報，2007（3）.

[11]黃維，谷燕，劉紅梅，等.仿真軟件在高職食品專業儀器分析課程中的應用[J].科技視界，2013（6）.

[12]劉海濤，黃元申，李伯承，等.中階梯光柵分光光路的設計[J].光學儀器，2013，35（3）.

〔編輯：白潔〕

文章編號：2095-6835（2017）09-0151-01