具有地方特色虛擬仿真創新實驗的開發

馬兆立，李聰聰，孫家新，王艷瑋

(青島大學 化學化工學院 化學實驗中心，山東 青島 266071)

當今社會，飛速發展的現代信息技術正在改變著人們的生產生活方式和學習思維方式。建設“人人皆學、處處能學、時時可學”的學習型社會，創建數字化、個性化、終身化的教育體系，培養優秀的創新人才，是現代教育面臨的重大課題[1]。基于信息技術的不斷進步，“虛擬實驗作為繼理論研究和實驗研究之后的第三種科學研究方法”,為教育教學提供了重要的發展方向。

教育部在《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中指出，虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物，要求以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，建設一批具有示范、引領作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新[2]。自廈門大學于2004年建立機電類虛擬仿真實驗中心開展系統的虛擬仿真實驗教學以來[3]，各級各類學校都相繼建立了虛擬仿真實驗中心，虛擬仿真實驗教學也慢慢地融入到了傳統教學中。

但是現有的虛擬仿真實驗多是教科書式的，形式單一、內容固定[4-7]。具有地方特色的虛擬仿真實驗或具有創新性的虛擬仿真實驗卻寥寥無幾。結合本團隊的創新實驗研究，筆者所在團隊在多年使用四大基礎化學虛擬仿真實驗系統的基礎上，結合青島地方特產--青島啤酒，開發了具有地方特色的創新性虛擬仿真實驗--啤酒中風味成分檢測的虛擬仿真實驗。本實驗由三大模塊構成：啤酒生產車間、風味成分檢測系統和智能診斷評價系統。

1 啤酒生產車間

圖1 啤酒生產車間

圖 2 檢測實驗室布局

操作者可進入啤酒生產車間進行漫游，觀察了解啤酒生產設備，操作生產流程。可以在原漿酒環節進行取樣檢測，跳轉到檢測實驗室。檢測實驗室分為學習區、稱量區、前處理區、鋼瓶區、儀器操作區域，其他設備區域。

檢測實驗室中每一個區域都有特定的任務：1)自習室可進行和儀器相關的理論考試，每個儀器題庫不低于100道，每次隨機抽取20道試題；2)天平室主要考察天平調平能力，樣品稱量規范和天平使用注意事項；3)前處理區主要考察對目標物質是否能夠選擇合適的前處理流程；4)鋼瓶區主要考察學生對不同載氣鋼瓶的注意事項。此外，還增加環境確認環節，主要考察實驗室中的電、磁是否符合儀器使用規范，有無腐蝕性氣體、易揮發性物質，載氣是否在保質期等等。

2 風味成分檢測系統

圖3 液相色譜儀

圖 4 液相色譜儀工作站

啤酒中的風味物質，主要是啤酒發酵過程中所產生的一系列代謝副產物，主要有醇類、酯類、醛類、酸類。其中，首要風味成分為乙醇，次要風味成分包括揮發性成分和非揮發性成分，揮發性成分有乙酸異戊酯、乙酸乙酯、異戊醇、脂肪酸、己酸乙酯、丁酸、異戊酸、苯乙酸等，非揮發性物質有酚類、糖類及酒花化合物。

針對這些風味成分，可選用學生們學過的多種檢測方法：1)氣相色譜法，主要檢測啤酒中高級醇、異戊醇、異丁醇、正丙醇、乙醛、乙酸乙酯、異丁醇、異戊醇、辛酸乙酯、二甲基硫、乙酸異戊酯等；2)高效液相色譜法，主要檢測啤酒中的草酸、酒石酸、丙酮酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸等有機酸；3)氣質聯用技術，可檢測絕大多數的風味物質，是目前最為常用和廣泛的方法。

為鞏固和應用理論知識，在虛擬檢測系統中可設置各檢測方法的不同參數。例如：氣相色譜法中可設置自動進樣器頁面，設置進樣口頁面的溫度、氣體壓力及流量，設置色譜柱流量，設置柱箱升溫程序，設置檢測器溫度以及氣體流量，最終得到的譜圖會隨著設置參數的變化而變化。液相色譜法中可設置流動相配比、色譜柱流量、自動進樣設置、梯度洗脫功能等。

3 智能診斷評價系統

學生每一個訓練項目的評分都包括：操作步驟評分和操作質量評分，所有評分項目都給出詳細評定結果和依據。操作步驟評分包含普通操作評分；操作順序評分；延時評分；有條件限制的操作評分；操作失誤扣分。而操作質量評分用來考查儀器參數是否在合理的范圍之內。考核完畢后教師可導出各學生的考試成績以及每個步驟的得分情況，利于教師全面掌握學生的學習狀態。結語

將虛擬仿真實驗與創新實驗融合起來，不受實驗場地和儀器臺套數的影響，極大的增加了參與創新實驗的學生數，同時學生可快速有效的掌握多種檢測方法。在其中融入地方特色元素則激發了學生們的學習興趣，為虛擬仿真實驗的發展提供了可能的方向。