虛擬仿真實驗平臺在儀器分析實驗教學中的應用

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(東北農業大學理學院)

一、前言

隨著分析技術的迅速發展，新的工藝和分析方法加速了儀器分析課程的發展。作為現代分析和測試的手段，儀器分析已廣泛應用于制藥、生命科學、環境科學、農業科學、動物科學和食品科學等各個領域。因此，儀器分析課程被認為是高等農業大學非化學專業學生的重要基礎課程之一。儀器分析實驗是在理論基礎上培養學生對大型儀器的認知、維護、使用及實踐操作技能的實驗課程，是對儀器分析理論教學的有效補充。儀器分析實驗作為高等農業大學的基礎實驗課程之一，上課班級眾多，學生層次高低不同，傳統的實驗教學存在著一些不足。如儀器分析實驗中大型儀器臺套數有限，學生需分組進行實驗；缺少實際樣品分析，使得學生難以進行實踐操作；大型精密儀器價格昂貴，需專人維修保養，一般教師以演示進行講解，且大型儀器為封閉結構，更使得一部分學生不能真正掌握大型儀器的結構和基本操作原理。基于儀器分析實驗中存在的上述問題，建設虛擬仿真實驗平臺并應用到儀器分析實驗教學中不失為一種好的解決方法。

虛擬實驗室的概念是1989美國弗吉尼亞大學William Wolf提出的。虛擬仿真實驗是利用電腦根據實驗室的真實環境構建一個虛擬的三維世界，模擬出實驗環境和實驗對象，使用者可以在該仿真實驗室中進行理論知識學習、虛擬實驗操作、獲得實驗數據并對數據進行處理分析。隨著現代科學信息技術的快速發展，為了深化信息技術與教育教學深度融合，國家教育部大力支持虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平。虛擬仿真實驗應用于儀器分析實驗教學中，不但可以彌補儀器分析實驗教學中的不足，還可以改進課堂教學方式，提高學生學習的積極性和趣味性，鍛煉學生的實踐操作能力。

二、虛擬仿真實驗平臺在儀器分析實驗教學中的應用

1.虛擬仿真實驗平臺介紹

基礎儀器分析實驗是東北農業大學的基礎實驗課程，全校上課班級眾多。為了加深學生對分析方法的基本原理和儀器結構的了解，提高學生對大型儀器的操作技能，調動學生的學習興趣，為以后的實際應用奠定良好的基礎，應用化學系教師與專業技術人員遵循“創新”和“發展”的理念合作，利用3D仿真、VR技術、AR技術、動畫技術、WebGL技術、OpenGL技術等現代化技術手段構建了關于儀器分析實驗的虛擬仿真實驗平臺。該平臺依據實驗室實際布局搭建模型，按實際實驗過程完成交互，使學生如同身臨其境一般，為學生提供了一個環境真實、自主學習、內容豐富、可全程參與的虛擬仿真實驗平臺。在該平臺上學生可以了解實驗室真實實驗環境、學習專業基礎知識、熟悉實驗操作技能、培訓基本動手能力，為進行實際操作奠定良好的理論基礎，特別適合基礎儀器分析實驗教學使用。該平臺包含原子吸收光譜儀、紅外光譜儀、核磁共振光譜儀、氣相色譜——質譜聯用儀和液相色譜——質譜聯用儀等多個虛擬仿真實驗。

2.虛擬仿真實驗平臺的應用實例

以“土壤中農藥噻吩磺隆殘留定量分析”實驗為例，在這個實驗中我們需要用到的是液——質聯用儀。液——質聯用儀屬于大型精密儀器，價格比較昂貴，需專人維護保養。如果采用傳統的教學手段講解儀器的原理、結構、定量實驗并對結果進行分析，學生在整個實驗中是處于被動的聽眾，難以參與到真正的實驗中，使學生感到枯燥乏味，實驗積極性不高，實驗操作能力和數據分析能力缺失，難以將所學知識應用到實踐中。

針對儀器分析課程教學需求，在以“學生為中心、著力提高學生實踐綜合能力”的教學理念的指導下，專業教師與技術人員運用現代信息技術，通過3D Max等工具制作仿真資源(模型，貼圖，動畫)，采用Unity3d作為3D引擎，采用C#語言并通過Visual Studio工具進行程序開發，整合形成基于液-質聯用技術對土壤中農藥噻吩磺隆殘留定量分析的虛擬仿真實驗教學軟件。在該軟件上學生可以采用“互動式”預習、對該實驗的實驗目的、實驗原理、實驗操作過程中的注意事項等知識點進行自主學習。當學生完成預習步驟后，觀看虛擬實驗操作演示，系統能夠模擬實驗操作中的每個步驟，并加以文字或語言說明和解釋。當學生掌握整個實驗的操作流程后，可以進行在線操作，模擬液-質聯用技術中液相色譜對多組分樣品的分離及定量分析，并采用質譜技術對農藥噻吩磺隆殘留進行定性分析。在線操作過程中，如果學生出現操作失誤，系統會有提示并自動糾錯。實驗模擬結束，學生可通過操作歷史和評分系統進行記錄追蹤，能快速發現問題，改正問題，整個實驗過程具有可追溯性。在學生操作仿真軟件過程中，軟件可以把實驗中產生的數據記錄下來并對數據進行處理，生成對應的譜圖等，學生可以根據實驗數據對結果進行分析得到相應的分析報告。

在進行“土壤中農藥噻吩磺隆殘留定量分析”實驗時，教師可以把課堂教學與虛擬仿真軟件結合起來對學生進行教學。課前要求學生在平臺上進行預習，掌握操作關鍵點，回答相關問題。教師線上進行指導，監督。課上教師給出教學目標。根據學生線上預習情況的統計分析結果，有目的有重點的結合仿真操作和軟件自帶知識點動畫視頻資源來教授理論知識，讓學生對液——質聯用儀和檢測方法有基礎理論認知，詳細了解儀器的運行機制和機理。學生可以在該虛擬仿真實驗平臺上對該實驗進行反復虛擬操作，可以體驗液——質聯用儀的操作流程、方法參數設置、數據處理和分析，然后結合實際儀器，由教師進行實操，并由學生代表進行實操，達到線下和線上相結合的教學目的。實驗結束后教師可布置作業，課后學生可線上復習、答題、查看教師上傳的多媒體資源。從而解決本科基礎實驗中液質聯用儀的儀器稀少、設備損耗、學生缺乏主動性等問題。

3.虛擬仿真實驗平臺在儀器分析實驗中的應用效果

在儀器分析實驗教學過程中引入虛擬仿真實驗平臺創新了課堂教學模式，使實驗教學不再簡單枯燥乏味，提高了課堂的靈活性及實驗教學效果。學生在虛擬仿真實驗平臺上進行學習，在模擬操作過程中掌握了實驗理論知識及其操作技能，在實踐中獲取經驗，取得良好的學習效果。

近五年來，借助儀器分析虛擬仿真實驗平臺為學生科技創新活動提供了有力的支持，我校立項國家級、省級、校級大學生創新實踐訓練計劃項目共80余項，參加人數和立項比例逐年提高，學生第一作者發表論文和申報專利數量大幅度增加。通過儀器分析實驗課程的學習，學生創新能力得到了顯著提高，達到了將理論教學和實驗教學相協調、培養高素質的創新型應用型人才的教學目標。虛擬仿真實驗平臺加強了學生參與科研工作的理論基礎及實驗能力，將能力與素質培養緊密結合，為學生的素質教育開辟了一條有效途徑，為以后的科研之路奠定了良好的基礎。

三、結束語

隨著科學技術的迅速發展，虛擬仿真軟件越來越多的被應用到各個領域，很多的高校、科研院所都積極的構建虛擬仿真實驗平臺。將虛擬仿真實驗平臺引入到儀器分析實驗中不僅可以創新教學模式，提高學生學習的積極性，還可以彌補傳統儀器分析實驗中的一些不足，提高學生的實踐操作能力和分析問題解決問題的能力。雖然使用仿真軟件可以解決傳統實驗中的一些問題，但這并不意味虛擬仿真實驗平臺可以完全代替傳統的實驗教學，在實踐教學過程中，仍需要將虛擬仿真軟件與實踐操作相結合，堅持“能實不虛、虛實接合、優勢互補”的原則，確保達到相應的教學目的，促進教學質量的提升，為培養高素質技能人才提供助力。