食品專業儀器分析實驗課中虛擬仿真實驗系統的應用

石巖 何艷華 于有偉

摘要：各項科學技術的進步促使計算機技術飛速發展，在此基礎上，高校實驗課課堂教學中開始大量應用虛擬仿真技術。基于虛擬仿真技術的儀器分析實驗課程符合課堂教學改革的要求，改變了教師主要講授的教學模式，使學生在仿真場景中進行實驗、實訓學習和操作，同時使實驗教學的水平和質量同步得到提高，激發了學生主動學習的積極性，培養了學生解決實際問題的綜合能力。

關鍵詞：虛擬仿真實驗系統;儀器分析實驗;教學改革

《儀器分析實驗》課是食品質量與安全專業學生必修的專業課程之一。該課程的特點是理論性強，比較抽象，同時具有極強的動手實踐性。實驗教學是儀器分析課的重要組成部分，是食品安全與質量專業學生掌握食品中有害成分、性質、含量的有效途徑。隨著現代儀器分析技術的發展，形成了以色譜分析、電化學分析、熱分析、光譜分析、質譜分析及生化分析等為支柱的系列內容[1]。并且該課程所用的儀器價格昂貴，多關注條件和環境要求較高，在實驗課上只能通過講師的講授和演示實驗來學習儀器的內部構造，了解分析操作的流程和方法。根據方法依據的原理不同以及所需測量的物理量的差異，操作過程及應用情況也隨之改變。由于部分實驗項目因成本過高、實驗費用嚴重不足，實驗設備老化、陳舊，實驗場地擁擠，學生人均臺套數明顯不足，實驗開出率明顯下降等等，往往無法讓學生進行實際操作。為了解決上述問題，可以利用“互聯網+”技術和現代計算機技術，將這一新理念、新技術、新手段的虛擬技術、云計算等充分運用到我們的實驗課程上去。

虛擬仿真系統（Virtual Reality System，簡稱VR）是近年來出現的圖形圖像領域的高新技術，也被稱為靈境技術或人工環境。虛擬仿真是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物[2]?？梢酝ㄟ^計算機創建一個可視的實驗操作環境，由可視化物體代表實驗儀器或實驗設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或實驗設備完成各種實驗操作[3]。在 2014 年，教育部下發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（高教司函 [2013]94 號）的文件，鼓勵各地方院校建立虛擬實驗中心[4]。將虛擬仿真系統運用于儀器分析實驗教學中，既能彌補傳統實驗教學中的不足，又可激發學生的學習興趣，提高其學習的主動性。綜上所述，虛擬仿真實驗能更好地服務于食品質量與安全專業的辦學宗旨和創新型人才培養目標，同時能夠提升工科專業的辦學能力。

1 儀器分析實驗教學中存在的問題[5]

第一，高校儀器分析實驗室所配備的大部分儀器價格比較昂貴，并且數量有限，使得在實驗教學過程中分組教學，分組做實驗。此外極個別大型儀器同時承擔著為全校教師科研服務的重任，一般在實驗教學過程中減少或者不允許學生親自操作的次數。傳統教學模式中，儀器分析實驗教學首先由教師講解實驗原理和儀器結構，然后進行演示。最后由學生實際操作，同時伴隨著由于試驗場地的不足，必須給學生分組，但是在分組實驗的過程中，教師不能時刻關注并及時指導學生的實驗操作細節。會導致學生的注意力不集中，主動性不強，從而使教學效果達不到理想的狀態。

第二，一般來說，生產廠家的不同，型號的差異，使得與儀器相關的工作站或者軟件系統的一些參數設置有了很大的差別，與之相對應的就是缺少針對性的實驗教材。同時，儀器的數量和學生的人數的配比失衡，導致學生不能進行重復試驗或者探討式學習，學生主動學習的積極性和熱情大幅降低。

2. 虛擬仿真實驗系統在實驗教學過程中的作用

2.1虛擬仿真實驗系統在食品專業學生進行預習實驗中的應用

在傳統模式的實驗教學中，預習實驗一般是老師完成本次實驗內容后，以作業的形式布置學生課后預習下次實驗。學生通過參考教材、查閱相關文獻資料或收集網絡資源等途徑來完成實驗操作前的預習。虛擬仿真實驗系統由于具有三維操作的界面，其仿真的范圍包括實驗室場景、儀器操作、數據采集、數據分析等，能夠為學生提供虛擬的操作環境和互動平臺。學生只需進入互聯網的終端就可在虛擬仿真實驗系統上進行預習實驗操作。通過該系統，學生能夠深入了解某項實驗的基本原理、操作過程以及所用分析儀器的結構和工作原理，還可以使用鼠標和鍵盤進行模擬操作，從而完成進行實訓操作前的預習教學。此外，該系統軟件的畫面生動、靈活，不能夠有效地提高學生的預習效果，同時還能夠增強其學習的興趣和動力。

2.2 虛擬仿真實驗系統在實驗教學課堂上進行操作演示中的應用

由于儀器分析實驗課上使用的儀器大部分都屬于精密儀器，價格一般比較昂貴，且耗材和相關配件都極易被損壞，導致許多實驗操作步驟無法讓學生親自動手操作，只能由老師一邊講解一邊演示，然后再讓學生通過理解記憶來完成操作，而分組實驗會使一部分學生不會真正參與進來，從而導致教學效果很差。在實際操作過程中，真正能讓學生動手操作的只有配制樣品溶液、分析處理和計算相關數據及1～2 個關鍵的操作點，學生難以真正掌握和理解儀器的結構和工作原理，導致出現掌握的基本理論知識不扎實、動手操作的能力差等問題。虛擬仿真實驗系統可以通過聲音、圖像、動畫等具有豐富表現力的仿真軟件幫助學生進行多感觀的學習，為學生提供更為形象直觀、內容豐富、生動逼真的模擬演示，能夠很好地幫助了解儀器的結構、理解工作原理、掌握基本操作方法等內容，還可極大地提高學生學習的主動性[6]。食品質量與安全專業學生利用虛擬仿真實驗系統進行全過程的實驗操作，包括樣品的配制、儀器和試劑的選擇、實驗步驟的操作、大型儀器設備操作流程的練習、實驗數據的分析處理等。使用該系統進行實驗教學僅僅需要一臺電腦和一套仿真軟件，不會受時間、空間等因素的影響，學生能夠對實驗內容進行無限制、多樣性的反復操作練習，不必擔心上述問題的發生。另外，使用該系統進行實驗教學，同時能夠推進翻轉課堂教學的發展，使學生能夠在課余時間進行課堂復習、實驗操作或一些科技項目的研究，實現開放性實驗教學的目標。

2.3 虛擬仿真實驗系統在實驗教學考核中的應用[7]

儀器分析實驗課中的實驗教學考核一直是教學實踐中的難點問題。在傳統的實驗教學中，受空間、時間、資金等因素的影響，在對食品質量與安全專業的學生進行實驗教學考核時，多采用批改實驗報告等方式進行考核。然而使用這些方式對學生進行實驗教學考核，很難使老師能夠充分了解每位學生對儀器分析實驗操作知識掌握的程度。使用虛擬仿真實驗系統進行實驗考核的優勢比較突出：

1）切實驗證學生的學習能力和操作技能。

2）切實綜合分析學生在進行虛擬實驗中的進程和結果。

3）真實了解學生反饋的問題。

4）真實反應學生進行操作的方法是否科學、合理和靈活，其所用的操作方法是否符合安全操作的要求。

3. 小結

虛擬仿真實驗是一種新穎的教學改革模式，特點是虛擬性、實踐性、開放性等[6]。虛擬仿真系統能夠應用在微觀實驗、危險性實驗、高成本實驗等對食品質量與安全專業學生的實驗教學。需要注意的是，盡管使用虛擬仿真實驗系統能夠進行的實驗操作，但它與使用真實的儀器進行實驗操作還是存在不小的差異，不能夠完全代替真實的儀器分析實驗。所以在儀器分析實驗教學的工作中，將傳統模式教學法中的實驗操作與虛擬仿真實驗系統中的虛擬實驗操作進行有機的結合，以達到節約教學資源，提高教學質量的目的，培養出具有較強動手能力的專業性人才。

參考文獻：

[1]李郤里.現代儀器分析課程教學方法的改革探索[J].河南化工，2014（31）：55.

[2]邰希源.基于FLEX虛擬仿真實驗的設計與實現[D].中國地質大學（北京） 2015.

[3]毛群芳，鐘湘云，邱艷明.虛擬仿真系統在對中藥專業學生進行儀器分析實驗教中的應用效果[J] 《當代醫藥論叢》， 2018，16（15）：196.

[4]胡今鴻，李鴻飛， 黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J]. 實驗室研究與探索，2015，34（2）：140.

[5]許映杰，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，2014，7（34）：89.

[6]禹紅， 王堅.利用實驗仿真系統推進高職實驗教學改革[J]. 湖南工業職業技術學院學報，2007，7（4）：141.

[7]賈彥榮，周寶成，徐火英等.儀器分析虛擬仿真實驗系統的應用與構建研究[J].浙江理工大學學報（社會科學版），2016，36（3）：303.

作者簡介：石巖（1983-），女，講師，博士，研究方向：化學小分子熒光探針設計及傳感器研究。

項目：山西師范大學博士科研啟動基金，項目號：02070268。