虛擬仿真技術在《儀器分析實驗》教學中的應用

吳麗杰 王 凱 陳美玲 任曉亮 張 祎

（天津中醫藥大學中藥學院 天津 301617）

0 引言

《儀器分析》是化學、化工、食品、中藥、藥學及其他相關專業一門重要的專業基礎課，此課程采用理論課與實踐課并行設計的教學計劃。實驗教學的開設不僅有利于學生將抽象的理論知識更好的消化和吸收，而且有利于學生獨立思考和實際操作能力的培養。隨著科學技術的迅猛發展，新技術、新儀器、新概念不斷涌現，儀器分析涉及的范圍和內容日益廣泛，為適應這一發展的需要以及本科教育的要求，對儀器分析實驗教學模式提出了新挑戰，在傳統儀器分析實驗教學的弊端日益突顯的情況下，如何將新技術引入到實驗教學中更好的保證教學效果是《儀器分析實驗》課程急需解決的問題。

1 傳統儀器分析實驗教學的局限性

《儀器分析》理論課程主要包括：紫外-可見分光光度法（UV-Vis）、紅外分光光度法（IR）、原子分光光度法（AAS）、核磁共振（NMR）、質譜（MS）、氣相色譜（GC）、氣相色譜和液相色譜（LC）等技術，知識涉及到物理學、化學、電子學、精密機械制造和計算機科學等多學科的交叉，內容抽象、涉及面廣、信息量大。涉及到的儀器大多屬于精密儀器，價格昂貴，耗材配件等極易被損壞，操作及儀器環境苛刻，運行及維護成本巨大。所以在傳統的儀器分析實驗的教學中學生能親自動手操作的通常是一些相對簡單、落后的儀器，比如UV-Vis、IR等，教學內容陳舊。對于涉及大儀的實驗一般是實驗教師邊講解邊演示，使得學生很難真正全面的掌握儀器的工作原理，儀器分析實驗課就是在走馬觀花，造成學生基礎理論知識不扎實、動手操作能力及協調能力差等普遍問題。加之目前各高校不斷擴大招生規模，在校學生與日俱增，使得儀器分析實驗課程收到實驗室經費、實驗場地及實驗時間的多重制約，傳統的儀器分析實驗教學已無法適應現代分析技術的發展要求。

2 虛擬仿真技術簡介及其在儀器分析實驗教學中的應用優勢

虛擬現實技術(VR)，是利用計算機將觸覺、聽覺及視覺等融合在虛擬環境里，用戶能夠身臨其境，并且可以通過必要的輸入和輸出設備與虛擬體系進行交互作用。此技術由美國軍方最先開發并用之于軍事模擬訓練[1]。三維虛擬仿真技術是通過計算機生成一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為，并能創建和體驗虛擬世界的仿真系統。將該技術引入到教學過程中又被稱為“虛擬仿真實驗技術”。該技術一般包括虛擬儀器系統、數據分析系統、計算機網絡系統和虛擬實驗室管理系統，在計算機上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的教學儀器系統。將 VR應用于儀器分析實驗教學中，不僅可以彌補傳統儀器分析實驗教學中的不足，有利于學生更好的熟悉儀器構造及操作，又可激發醫學生的學習興趣，提高其學習的主動性。并且可以實現多次重復操作練習，有效的輔助實驗教學過程。另外，由于VR實驗無損耗，無污染，有利于綠色化實驗的建設[2]。因此，建設三維虛擬仿真實驗室可以有效地解決實驗條件的不足與日益增加的學生之間的矛盾。

將VR應用于儀器分析實驗教學中，可以改進實驗教學手段，提高教學效果，有助于學生全面的了解實驗過程。在傳統的儀器分析實驗教學中，一般是教師講解實驗原理、實驗步驟及數據的處理方法，對于一些精密的大型儀器，由實驗老師演示關鍵步驟，學生直接獲得數據進行數據處理，即完成了一個實驗項目。現在的儀器設備基本上都是集成化設計，學生無法直觀地了解儀器各部分的組成及儀器的內部構造，對儀器內部構造的了解僅僅停留在老師的課堂講解，甚至對部分常用儀器的認識處于盲區狀態。整個實驗下來，學生就在儀器上按了幾個按鈕，非常不利于學生創新精神和創新能力的培養。而VR系統，可以將現實過程中難以演示的部分內容，如大型精密儀器的內部構造與原理、儀器故障的處理等用計算機輔助的方式展現出來，可以把儀器的每個部件都拆分開來觀察，使學生更全面的了解儀器的內部構造及作用，大大提高了教學效果。另外，學生可以根據演示實驗獲得的經驗，按照實驗內容和實驗要求靈活地設計實驗方案并一一驗證，加深學生對實驗儀器及實驗內容的理解，豐富了實驗教學手段和實驗內容，更好的培養學生的創新能力，VR系統在教學中顯示出了巨大的實際意義和實用價值。

將VR應用于儀器分析實驗教學中，可以改變實驗學習模式，激發學生的學習興趣，提高其學習的主動性。在傳統的儀器分析實驗教學中，由于儀器設備的臺套數相對較少，特別是對某些貴重儀器或精密儀器人機比過高，在實驗過程中，學生的操作訓練時間較少，不能保證每人都能動手操作，導致部分學生的操作水平相對較低，上儀器分析實驗課就像在走馬觀花，對已做過的實驗毫無印象，不利于實驗教學。而VR系統可通過聲音、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，為其提供更為形象直觀、內容豐富、生動逼真的模擬演示，可很好地幫助其了解儀器的結構、工作原理、基本操作方法、安全知識等內容，并可大大地提高其學習的興趣[3]。學生可以借助系統逼真地認識一些大型精密儀器的構造，了解掌握儀器設備的使用及特性，還能實現每人自行操作，模擬實驗全過程，凸顯儀器設備的性能優勢，顯著提高了學生的學習效率。另外，學生在實驗過程中減少了盲目操作、藥品損耗、設備損壞等現象，提高了實驗的效率，并節省了實驗開支。

將VR應用于儀器分析實驗教學中，可以實現資源共享和開放。虛擬仿真實驗教學只需要一臺電腦和一套仿真軟件，它是依靠網絡系統完成實驗的平臺，因此與傳統實驗相比，其在教學實踐活動中的應用可以彌補教學臺套數不足，實驗時間受限，場地受限，實驗課程結束，學生就很難再重復進行實驗操作練習。而對于VR實驗，只要服務器全天開放，學生就可以在網絡設備的終端即電腦上隨時訪問虛擬實驗教學系統，對實驗內容進行無限制、多樣性的反復操作練習，不必擔心試劑藥品及儀器設備的耗損，克服真實實驗或操作的各種條件制約，使教學信息和實驗資源實現最大程度的共享，實現開放性實驗教學的目標，真正提高學生的實驗技能[4]。

除此以外，還可以將VR應用于實驗考核中。在傳統的儀器分析實驗課程的考核中，一般采用提問、數據分析計算、操作關鍵步驟等方式進行考核。但是這種方式不能充分體現每位學生對儀器分析實驗操作知識的掌握程度。而利用VR系統進行儀器分析實驗課程的考查，通過實驗設計、原理、操作步驟等整個實驗流程能考核學生操作方法是否科學、合理和靈活，可以綜合分析學生在進行模擬實驗中的進程和結果，幫助老師檢驗學生的學習能力和操作技能[5]。

3 結束語

虛擬仿真系統在儀器分析實驗教學中具有獨特的優勢，可以降低實驗成本，改善實驗條件，減少儀器設備的損壞，有效提高實驗教學水平，同時能夠激發學生學習的自主性和積極性，在一定程度上培養學生的創造性。但將虛擬仿真實驗系統引入到儀器分析實驗教學中，不是要擯棄或者取代傳統的實驗教學方法，而是為了輔助實驗教學，將虛擬仿真技術與傳統實驗教學模式相結合，相互補充，相互促進，提高儀器分析實驗教學質量，完善實驗教學體系。