通過虛擬仿真實驗構建“儀器分析”課程線上教學平臺的思考

斯琴朝克圖，章愛群，李國元，姜益泉

(湖北工程學院 生命科學技術學院，湖北 孝感 432000)

現代儀器分析法在自然科學研究和應用領域中占有極其重要的地位，是自然科學工作者必須掌握的重要手段，“儀器分析”課程在筆者所在學校藥學、環境科學、食品科學與工程、生物工程、農學、農業資源與環境等專業本科生的教學工作中占有十分重要的地位，是基礎課程之一。隨著技術的進步，高等院校的諸多學科發展過程中都需要儀器分析提供各種信息數據。虛擬仿真是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。[1]2018年5月，教育部經研究決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作。建設模式包括：突出以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內容、創新多樣的教學方式方法、先進可靠的實驗研發技術、穩定安全的開放運行模式、敬業專業的實驗教學隊伍、持續改進的實驗評價體系和顯著示范的實驗教學效果。[2-3]

原子熒光光譜法(AFS)是原子光譜法中的一個重要分支，是介于原子發射(AES)和原子吸收(AAS)之間的光譜分析技術。硒是重要的生命微量元素，我國存在不同程度的硒攝入量不足的人口數約有7億多，為滿足需要，市面上富硒食品種類繁多。國標GB 5009.93-2017即氫化物發生原子熒光光譜法(HG-AFS)是精確度最高，檢測時間最快的硒檢測方法。通過虛擬仿真原子熒光光譜儀，建立植物硒測定方法，檢測植物樣品硒含量實驗操作過程，突破了條件的局限性，為學生了解原子熒光光譜儀的基本原理、操作流程提供了輔助工具；突破時間的限制性，使學生全面快速的學習實驗相關的指標與評價方法；掌握標準曲線、線性范圍、檢出限、準確度與精密度建立硒測定的有效方法，學習植物樣品的微波消解與趕酸，了解儀器最佳工作條件，掌握硒測定的操作流程，熟悉檢測結果的統計方法，培養與訓練學生具備良好的專業素質、具有較強的分析技能、具備較強的綜合實踐能力。

1 虛擬仿真實驗教學的特點

通過氫化物發生原子熒光光譜儀原理和植物硒測定方法研究虛擬仿真實驗，可以達到以下實驗教學目的：了解氫化物發生原子熒光光譜儀的基本原理和結構；了解和認識氫化物發生技術的原理、優點；掌握原子熒光光譜儀的操作技術；掌握原子熒光光譜儀測定硒的實驗評價方法；了解、認識茶葉樣品特性，微波消解程序設定及操作。

虛擬仿真實驗教學方法包括案例教學和翻轉課堂。 案例教學主要利用多媒體、三維建模、虛擬仿真等信息技術創建虛擬仿真實驗操作平臺，將氫化物發生原子熒光法測定植物硒(Se)的方法研究及應用過程真實展現、輔助原子熒光光譜儀原理、結合原子熒光儀的自身儀器條件，儀器設備介紹使用，獲得樣品測定實驗結果，同時學習如何建立有效的硒測定實驗方法并進行評價。通過人機交互和文字、圖片等各種媒介，采用虛擬實驗材料進行各種實驗操作，從而達到理解實驗原理、了解儀器操作流程、熟悉實驗步驟、掌握硒測定實驗方法建立和評價，培養學生扎實的實驗技能、強化實驗應用能力的實驗目的。

利用虛擬實驗材料進行各種實驗器具使用操作，而后在線下進行進一步的探索、答疑、驗證、訓練；課程前后均可反復進行在線考核。從而達到掌握原子熒光光譜儀使用流程，熟悉測定方法的建立與評價，并培養學生專業分析技能、儀器使用能力、理論理解能力的目的。這樣的實驗教學方法，儀器針對性強，方法應用性廣，成本低、危險小、周期短且易重復。運用線上線下、智能化、個性化、泛在化的實驗教學新模式，豐富了教學手段。系統具備完善的評價標準，能夠進行在線考核，創新了評價體系。微波消解和趕酸過程在實際操作中危險高、耗時長，虛擬仿真安全低價，縮短時長。案例分析、翻轉課堂教學方法有利于推進探究式教學方法的普遍運用，凸顯學生綜合設計與創新思維能力培養的深度和廣度。

2 教學效果對比

2015年教育部印發《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》，指出轉型的關鍵是明確辦學定位、凝練辦學特色、轉變辦學方式。學習氫化物發生原子熒光光譜儀原理、結合原子熒光儀的自身儀器條件，根據植物樣品特性，設定程序進行微波消解，使用原子熒光光譜儀，建立有效的硒測定實驗方法并進行評價，檢測植物樣品硒含量的實驗技能訓練符合培養專業基礎扎實、實踐應用能力強、綜合素質好，具有創新精神和社會適應能力的高級專門人才的培養目標。

通過虛擬仿真實驗教學，學生能夠對原子熒光光譜儀有較全面的了解，基本掌握儀器的使用方法。對設備操作時的工作參數選擇、方法可行性分析、樣品預處理及測定逐步深入并理解掌握，初步具備根據分析對象建立合適的分析方法及理解相應問題的能力；并學習數據處理的有關方法，具有初步的數據處理能力。學生在學習本實驗后，應以專業理論為基礎，熟練掌握和利用此分析手段、方法進行樣品檢測，增強自身的運用能力。針對這一情況，本項目整合原子熒光光譜儀的基本原理、儀器設備及其基本結構、方法學評價及樣品測試，制作了數字化標準化分析測試模型，將該儀器的實驗教學變得更加生動、直觀、規范。在實驗中，學生要理解理論基礎知識，運用方法學中指標評價新建立方法的優劣，結合測試樣品特性，用合理的預處理手段得出分析結果，再根據相關標準進行總結。

采用案例教學、翻轉課堂、演示、訓練等多種教學方法，提高學生的參與熱情。虛擬仿真項目模擬老師在虛擬實驗平臺使用虛擬器具進行各種實驗操作，通過案例教學，學生既能學習儀器操作，也能學到茶葉樣品分析的樣品制備、微波消化、測試，讓學生不光是進行簡單測試，還有機會學習如何根據儀器設備條件建立分析方法、評判方法的優劣程度等，可很大的調動學生的學習熱情，培養學生對方法學評價的理解能力、儀器操作能力、樣品預處理能力、測試結果分析能力。

通過翻轉課堂教學方法，開創了線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，將基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合。強烈激發了學生的實驗興趣，在線自助考核使學生明白自己的不足，可針對性進行改正，極大提高了學生的實驗操作的技能。[4]通過原子熒光光譜儀學習考核的同學，可預約開放實驗室進行實體儀器操作訓練，虛實結合。此外，學生之間、師生之間可通過系統平臺，進行線上交流、答疑等互動。

多位一體，理論、操作與結果綜合評價。通過掌握原理、利用儀器、樣品分析更加全面地考核和評價學生。真實實驗中難以獲得的每個學生操作的不足、前后的進步等過程性評價，虛擬仿真通過自動考核系統就很便捷地得到了實現。利用虛擬方法的建立和虛擬樣品的分析結果進行綜合評價，教師可獲知學生的易犯錯誤等進行重點點評，學生可根據自己的錯誤進行針對性改正，此外，結合教師線下的實體模型操作考核，進行線上線下綜合評價。

虛擬仿真實驗過程中，教師要做好“以教師為主，到服務學生、服務社會”的轉變。只有角色轉變了，才能真正發揮網絡教學的優勢，強化交互，構建支持多種模式的教學環境；學生要從“旁觀者”轉換為主動學習者。虛擬仿真實驗教學需要營造的是一個以學生為中心的課程設計，注重學習情境，良好的互動性設計，能保障每一個功能模塊都能為教學和學習者提供高度的實用性和易操作性，應避免那些華而不實、脫離在線學習需求的功能。

3 結語

虛擬仿真實驗教學是教育部為推進現代信息技術融入實驗教學過程、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的重要舉措。作為中國“金課”建設的重要組成部分，虛擬仿真實驗教學項目按照先建設應用、后評價認定、持續監測評估的方式，將有效推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學的新模式。虛擬仿真實驗教學有利于形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量全面提高。[5]