分光光度法和電位滴定法虛擬仿真實驗的開發與探索

王 巖，荊明偉，閆保樺，李國寶，耿金靈，朱志偉

（1. 北京大學 化學與分子工程學院 化學國家級實驗教學示范中心，北京 100871；2. 北京大學 實驗室與設備管理部，北京 100871；3. 北京大學 信息化建設與管理委員辦公室，北京 100871）

虛擬現實等信息技術已在教育領域深度發展與應用，虛擬仿真實驗教學已被教育部列為重點建設工作之一，2012年高等學校實驗教學示范中心建設工作提出虛擬仿真實驗要求[1]，從2013年開始開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作[2-3]，并對建設任務和內容指明了方向。

我校化學國家級實驗教學示范中心分析化學實驗室在2016—2017學年完成一項實驗教學改革項目，開發了一個分析化學虛擬仿真實驗項目——電位滴定法和紫外可見分光光度法分別測定水楊酸在水溶液中解離常數的虛擬仿真實驗。具體實驗教學過程實現“虛實結合”，以基本化學分析方法為基礎，以虛擬仿真實驗為主線，充分調動學生興趣，并根據實驗室硬件條件，讓學生分組進行實際演練，獲得實踐體驗，鞏固教學內容。

1 現實定量分析實驗課程中實驗項目的開展

電位滴定法和紫外可見分光光度法是分析化學課程教學中的2個重要分析方法[4-5]。

電位滴定法屬于電分析化學中的電位分析法。該方法通過向試液中滴加能與被測物質發生化學反應的已知濃度的試劑，然后觀察滴定過程中指示電極電位的變化，以確定滴定的終點，再根據所需滴定試劑的量計算出被測物的含量，是在滴定過程中根據指示電位和參比電極的電位差或溶液 pH值的突躍來確定終點的方法。在酸堿電位滴定過程中，隨著滴定劑的不斷加入，被測物與滴定劑發生反應，從溶液 pH值的不斷變化中確定滴定終點。

紫外可見分光光度法屬于光學分析法中的分子光譜法。分子中的電子總是處于某種運動狀態，而每一運動狀態都具有一定的能量，屬于一定的能級，由于各種物質分子內部結構不同，分子各種能級之間的間隔也不同，這就決定了物質對不同波長光線的選擇性吸收。以水楊酸為例，將被測物質的分子結構式簡寫為RCOOH，隨著RCOOH電離情況的變化，溶液中[RCOOH]和[RCOO-]比例的變化，溶液對紫外光譜的吸收度也隨之變化，而溶液中[RCOOH]和[RCOO-]比例可以通過測定其吸光度而間接得到。

1.1 被測物質的選擇

雖然電位滴定法和紫外可見分光光度法實驗中可供選擇的被測化學物質很多，但由于是虛擬仿真實驗，只需選擇一種具有代表性的物質即可，如選擇水楊酸。之所以選擇水楊酸，是因為它是一種結構簡單的有機酸，有非常重要的應用價值，與現實生活聯系緊密，易于引發學生興趣，而且對于水楊酸解離常數的測定，電位滴定法和紫外可見分光光度法均適用且可相互補充[6]。實驗最后還將特別說明，對于無法用酸或堿進行電位滴定的稀溶液物質，可用紫外可見分光光度法測定其電離常數；對于有色液體或渾濁液體，可用電位滴定法測定其電離常數。

1.2 現實化學實驗項目之電位滴定法

用移液管準確移取被測物質（水楊酸）至燒杯中，放入PB-10型酸度計復合玻璃氫電極，并在磁力攪拌器上攪拌，用堿式滴定管向溶液中滴加已知濃度的NaOH稀溶液，觀察并記錄加入NaOH的體積量和溶液的pH值。當溶液pH值為11時即可停止滴加，重復測定3次。

根據實驗數據繪制 pH-V曲線圖。水楊酸滴定的pH值突躍較明顯，且數據分布科學合理，根據滴定數據的二階微商，可計算得出其滴定終點體積，并從pH-V曲線上得出其對應的pH值即pKa值，再計算得到分析物的Ka值。

1.3 現實化學實驗項目之分光光度法

準確移取被測物質（水楊酸）置于一組系列比色管中，分別用不同 pH值的緩沖液定容至準確刻度，以去離子水作為對照，于200～400 nm波長范圍掃描，得到濃度相同的被測物質（水楊酸）溶液在不同 pH值環境下的系列吸收曲線。選擇隨 pH值改變溶液的吸光度變化較大的波長為測定波長，測定該波長下不同 pH值的被測物質溶液的吸光度，重復測定三次。根據吸光度的變化趨勢，用圖解法計算分析物的Ka值。

2 虛擬實驗項目的立意與立項

用電位滴定法和紫外可見分光光度法分別測定水楊酸在水溶液中解離常數的虛擬仿真實驗項目，依托虛擬實驗程序設計和人機交互，構建高度仿真的虛擬實驗操作環節和數據處理，學生在虛擬交互程序中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學目的。

此實驗項目如果在實際的實驗室中開設，并達到理想的教學效果，需要每個學生都能有獨立完成全部實驗環節的機會，但所需儀器臺套數目較大，儀器資源利用率低；如果學生分組實驗或學生間合作實驗，則教學效果不理想，有些實驗教學環節會成為盲點。根據“體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能”的初衷，開發了此虛擬仿真實驗項目。項目優勢明顯，程序可復制，可利用網絡傳播，能實現校內外、本地區及更大范圍的實驗教學資源共享，能夠有效擴大實驗中心的教學輻射作用。

2.1 軟件開發平臺的選擇

選用 LabVIEW 作為此虛擬仿真實驗項目的開發語言工具。LabVIEW是一種程序開發環境，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是，其他計算機語言都采用基于文本的語言產生代碼，而 LabVIEW 使用圖形化編輯語言 G編寫程序，產生的程序為框圖形式。由于 LabVIEW很容易改變其設置和功能，因此特別適用于實驗室等需要經常改變儀器和設備參數、功能的場合[7-8]。

2.2 虛擬實驗項目的立項安排

虛擬實驗項目的立項開發，得益于3方面工作的順利開展：

（1）完成現實化學實驗項目預做，確定實驗項目流程和具體環節所需儀器設備、試劑藥品、標準試劑等；

（2）進行現實實驗項目各環節的數據采集開發，確定虛擬仿真實驗流程；

（3）進行虛擬仿真實驗界面設計開發、實驗數據和關聯結構整理及程序的開發集成。

3 虛擬實驗的設計開發

實驗與過程模擬是計算機在教育科學領域最活躍的應用[9-10]，是虛擬實驗的主要形式。為保證虛擬實驗項目的順利開發，需編制詳盡細致的設計文檔，這是項目有序開發的前提與保障。設計文檔主要以設計圖形式展現，以方便開發過程中的溝通交流和提高開發效率。

3.1 界面的開發

虛擬實驗的界面即是軟件操作的界面，是人機對話的窗口，必須以清晰有效為設計原則。比如彈出框的應用、強制點擊閱讀和已讀提示等，能有效體現實際課程的預習與先修知識點環節。

在各設計界面上有清晰的開發提示。如“不點擊閱讀確認，無法進行下一頁面；若已閱讀，狀態顏色改變”“操作，點擊彈出框彈出文本及圖片介紹”“操作，提示點擊藥品按鈕，點擊后出現配制過程”“操作，提示點擊儀器按鈕，表示儀器選擇過程”等。

實驗界面上的重要操作環節，也有清晰指示。如電位滴定法和紫外可見分光光度法實驗環節前的儀器界面上，顯示“每個按鈕框都需要點擊，彈出框的內容，閱讀完后需要點擊完成按鈕返回；此時按鈕會變色，表示該項操作已完成；‘進行測量’按鈕會確認所有必要的操作已經完成，然后跳轉測量頁面；如果有遺漏，會彈出提示”。

通過對一系列計算機選擇點擊操作的設計開發，模擬完成實驗操作過程。

3.2 整體實驗流程

虛擬實驗流程仿照真實實驗流程進行。在虛擬實驗界面登錄后，需逐一點擊“實驗概述”里的按鈕彈出框“實驗原理”“實驗步驟”“溶液配制”“儀器方法”等閱讀圖文介紹，模擬預習閱讀的過程，否則無法進入后面的實驗環節。

在進行虛擬實驗之前，必須先進入藥品與儀器界面，模擬藥品溶液準備與進行儀器使用方法學習。例如，虛擬仿真實驗軟件“電位滴定法（儀器）”的界面，如圖 1所示，2種方法的模擬實驗過程分別如圖 2、圖3所示。

3.3 虛擬實驗程序的開發

圖1 虛擬實驗之“電位滴定法（儀器）”界面

圖2 虛擬實驗之“電位滴定法（實驗）”界面

圖3 虛擬實驗之“分光光度法（實驗）”界面

圖4 電位滴定法程序框圖

圖5 分光光度法程序框圖

在完成虛擬仿真實驗界面開發后，進行虛擬仿真實驗軟件程序開發。電位滴定法實驗過程程序框圖及分光光度法實驗過程程序框圖如圖4、圖5所示。完成實驗操作及實驗演示方案，即完成程序開發集成后，可在真實實驗教學環境中應用，將虛擬實驗程序中的實驗演示及實驗操作方案布置實施于具體實驗課程中。

4 虛擬實驗項目的應用及擴展展望

虛擬仿真在教學實驗“虛實結合”及工程型實驗項目中已有很多應用[11-12]，在理科化學實驗教學、中學化學[13]及物理化學方面也有相關的探索應用[14-15]，但是在分析化學領域還不多見。分析化學是一門理論與實驗并重的學科，是對分析方法的研究和學習，既需要對大量數據進行整理分析，又需要掌握各種儀器的使用，很適合引入虛擬仿真實驗教學形式，既便于學生熟悉和掌握分析化學的各種方法，又克服了儀器設備數量不足或太大太貴的不利影響。

基于 LabVIEW 平臺開發了一個分析化學虛擬實驗項目，總結出仿真實驗項目開發的過程及細節。旨在融入具體知識點，提高學生學習興趣，并結合實際設置易于學生開展自主學習的環節，有效避免現實實驗開展過程中資源不足問題。由于教學周期較長，該虛擬實驗項目還有待繼續開發，并經實踐檢驗后進一步完善，以保證其在分析化學實驗課程中順利推進，也為項目軟件的推廣傳播打下基礎。

基于我校化學國家級實驗教學示范中心以往扎實的信息化建設工作[16-17]，此虛擬實驗項目是中心信息化建設平臺向具體實驗項目拓展的一次嘗試。

以電位滴定法和紫外可見分光光度法分別測定水楊酸在水溶液中解離常數的虛擬仿真實驗，是將虛擬仿真技術應用到分析化學實驗教學的一次探索和嘗試，將為虛擬仿真技術在化學教學中以下3方面的應用開發打下技術基礎。

（1）知識學習型，如實驗前的預習、實驗后的復習、簡單數據邏輯流轉和對實驗環節的了解等；

（2）模擬操作型，如對具體實驗方法流程的模擬和對儀器操作應用的仿真學習；

（3）數據采集型，如搭建虛擬儀器并應用各種傳感器及數據采集技術完成儀器分析化學實驗等。

今后將繼續基于 LabVIEW 平臺開發虛擬實驗教學項目，既可使其用于基礎教學輔助，又可用于研發適合儀器分析的專門程序課件。