基于虛擬仿真技術(shù)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思考與探索*

歐麗娟，孫愛明，羅建新，劉 寧，張 萍，王津津

(湖南工學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展和教育信息化的不斷推進(jìn)，以計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的一個(gè)新發(fā)向，日益廣泛地應(yīng)用于輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1-4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為新型的教育手段，具有虛擬性、開放性、實(shí)踐性、安全性、自主性和靈活性等特點(diǎn)，其探索和實(shí)踐已成為高校儀器分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的主要方向。它不僅為教師教學(xué)工作的開展構(gòu)建了廣闊的平臺(tái)，同時(shí)也為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新發(fā)展開辟了一片新天地。

1 儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

儀器分析實(shí)驗(yàn)課程為我院面向化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，24個(gè)學(xué)時(shí)。由于課時(shí)數(shù)的限制，僅開設(shè)了經(jīng)典大型精密儀器相關(guān)實(shí)驗(yàn)：原子吸收光譜儀、紅外光譜儀、液相色譜儀、氣相色譜儀、紫外光譜儀和熒光光譜儀。儀器設(shè)備基本上都是一臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中只能對(duì)學(xué)生分組進(jìn)行演示。部分同學(xué)甚至不能清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)的演示過程，難以達(dá)到相關(guān)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的和要求。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課的理論教學(xué)內(nèi)容抽象，信息量大，儀器操作復(fù)雜，學(xué)生難以理解，課前預(yù)習(xí)不充分，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行不順利。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式單一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核主要由平時(shí)表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告決定，導(dǎo)致學(xué)生只注重實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫，而忽略了實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn)，無法體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為控制中心，借助于圖形圖像、仿真軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，營(yíng)造高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[5-8]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種新型的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)高度仿真的虛擬環(huán)境，客觀真實(shí)生動(dòng)，可以增強(qiáng)學(xué)生的沉浸感和臨場(chǎng)感，降低教學(xué)難度，提高學(xué)生對(duì)儀器原理和結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣。(2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及云計(jì)算平臺(tái)的支撐下，可以突破時(shí)間和空間的限制，再現(xiàn)實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程。反復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作，可以加深學(xué)生對(duì)儀器操作的感性認(rèn)識(shí)和使用熟練程度，為后續(xù)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的操作的正確性提供保障，提高實(shí)驗(yàn)操作效率，降低儀器設(shè)備成本。(3)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以“學(xué)生為中心”，完整實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，支持學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)實(shí)踐，可以最大限度的發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。(4)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含在線測(cè)試功能，綜合考察學(xué)生理論知識(shí)、實(shí)踐過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能更客觀公平的反映實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

3 虛擬仿真環(huán)境下儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革流程探索

以教學(xué)實(shí)踐中原子吸收光譜仿真實(shí)訓(xùn)為例，對(duì)“虛擬仿真軟件預(yù)習(xí)操作——多媒體課堂理論教學(xué)——虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)操作——實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作”的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式進(jìn)行介紹。

(1)虛擬仿真軟件預(yù)習(xí)操作

把虛擬仿真技術(shù)引入到儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課前預(yù)習(xí)中，幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)工作。如圖1所示，理論知識(shí)模塊，包含原子吸收分析的基本原理、原子吸收光譜儀的結(jié)構(gòu)、定量分析方法、測(cè)量條件的選擇、干擾因素及消除方法等部分。通過鼠標(biāo)操作，各個(gè)部分都有詳細(xì)的介紹，并且還有相應(yīng)的動(dòng)畫闡述，可以立體化地更加形象直觀地展示儀器的結(jié)構(gòu)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室理論知識(shí)部分學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行預(yù)習(xí)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)分析儀器的相關(guān)基本理論、儀器構(gòu)造和操作方法有初步的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的理論測(cè)試及智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)可以檢查每個(gè)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。

圖1 原子吸收光譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)模塊Fig.1 Theoretical knowledge module in virtual simulation experiment of atomic absorption spectrum

(2)多媒體課堂理論教學(xué)

老師根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果及時(shí)了解學(xué)生預(yù)習(xí)程度，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整實(shí)驗(yàn)課堂教師的講解內(nèi)容，如放大實(shí)驗(yàn)中易錯(cuò)部分、實(shí)驗(yàn)操作演示中學(xué)生不容易觀察到的實(shí)驗(yàn)步驟，規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和防止學(xué)生在實(shí)驗(yàn)知識(shí)中出現(xiàn)盲點(diǎn)。將《儀器分析實(shí)驗(yàn)》的課堂多媒體教學(xué)改革為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室理論知識(shí)和多媒體教學(xué)結(jié)合，采用啟發(fā)式、討論式、互動(dòng)式等教學(xué)方法，并增加學(xué)生講解比例，使學(xué)生能參與到教學(xué)過程中，從而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性和表達(dá)能力，增進(jìn)師生間的交流討論、信息互換，提高儀器分析實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)質(zhì)量。

(3)虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)操作

進(jìn)入仿真軟件實(shí)驗(yàn)總覽模塊。如圖2所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作內(nèi)容完整，包括基本原理學(xué)習(xí)、溶液配制、樣品預(yù)處理、儀器操作基本流程、數(shù)據(jù)采集和解析。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以允許學(xué)生自己動(dòng)手配制、連接、設(shè)置和使用虛擬儀器設(shè)備，完整地模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。并且可以實(shí)時(shí)地展示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。如果數(shù)據(jù)不合理，學(xué)生可以進(jìn)行各種嘗試，不斷地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的工作條件，以達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握，不用擔(dān)心不遵守儀器操作規(guī)程而導(dǎo)致儀器出現(xiàn)故障。此外，學(xué)生可以對(duì)儀器設(shè)備操作流程進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，不用考慮實(shí)驗(yàn)試劑成本、儀器損耗、安全性等問題。

圖2 原子吸收光譜仿真軟件實(shí)驗(yàn)步驟總覽Fig.2 Experimental procedures in virtual simulation experiment of atomic absorption spectrum

仿真軟件實(shí)驗(yàn)具有智能評(píng)分系統(tǒng)，可對(duì)學(xué)生每個(gè)操作步驟進(jìn)行智能評(píng)分。只有模擬實(shí)驗(yàn)操作過關(guān)的學(xué)生，才允許進(jìn)入到實(shí)體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)體操作。不僅減少實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)儀器設(shè)備的保護(hù)、維護(hù)也起到了很好的作用。學(xué)生經(jīng)過整套的儀器模擬演示，加深對(duì)儀器操作的感性認(rèn)識(shí)和使用熟練程度，為后續(xù)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的操作的正確性提供保障，提高實(shí)驗(yàn)操作效率，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、敢于探索、不斷創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度。

(4)實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作

教師“面對(duì)面”重點(diǎn)介紹儀器結(jié)構(gòu)、工作原理，演示儀器基本操作。學(xué)生再進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)和儀器操作，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)真實(shí)體驗(yàn)。同時(shí)，實(shí)體實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)面臨復(fù)雜的預(yù)處理、溶液配制、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等真實(shí)性問題。學(xué)生在實(shí)際運(yùn)行過程中如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，可以提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和科學(xué)素養(yǎng)。

(5)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系

原來的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)主要參照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，重結(jié)果，而忽略了實(shí)驗(yàn)過程和技能培訓(xùn)。改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系分為3個(gè)部分：①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核部分，考察學(xué)生理論知識(shí)掌握程度；②實(shí)體實(shí)驗(yàn)考核部分，考察學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力；③實(shí)驗(yàn)報(bào)告或小論文考核部分，考察學(xué)生記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的問題分析和解決能力和縝密的科研思維。該評(píng)價(jià)體系把“過程”與“結(jié)果”有機(jī)的融合在一起，能更客觀公平的反映實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié) 語

在儀器分析實(shí)驗(yàn)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在一定程度上解決實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套數(shù)不夠、擔(dān)心損壞儀器和存在安全隱患等困局，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和自主性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)潛能，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化等具有積極的推進(jìn)作用。但是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作，無法鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。因此，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推廣和應(yīng)用中，不應(yīng)盲目地將實(shí)驗(yàn)虛擬化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助模式，必須與實(shí)體實(shí)驗(yàn)充分的融合在一起，才能更好地服務(wù)于應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)。