虛擬仿真實驗在儀器分析實驗教學中的應用*

錢紜嘉，馮 婧，苗 萌，褚小菊，芮 闖，張靜怡，李 佳

(上海健康醫學院，上海 201318)

衛生檢驗與檢疫專業作為公共衛生與預防醫學的分支學科，肩負著培養高層次應用型公共衛生人才的重任，以應對新冠肺炎等突發重大公共衛生事件[1-3]?！秲x器分析》是衛生檢驗與檢疫專業重要的專業課程，目的是使學生能夠熟悉各類分析儀器的原理、熟練掌握其使用方法和數據處理方法。《儀器分析》要求學生綜合運用基礎知識和專業技能，是一門注重培養學生實踐能力的特色課程。實驗課程是《儀器分析》的重要教學內容，通過實際操作鞏固理論知識的學習，促使理論知識向專業能力提升，培養學生的創新能力和綜合知識運用能力，為公共衛生行業培養出創新實踐能力強的高素質應用型人才。

傳統的實驗教學多以教師講授為主，尤其涉及到貴重儀器，學生能手操作的機會較少，很難有動手實踐的機會。這種實驗教學模式嚴重影響了學生動手能力和創新能力的培養。虛擬仿真實驗系統是基于軟件技術構建虛擬實驗教學系統，通過3D動態模擬實現教學實驗室的數字化和虛擬化。通過計算機模擬實驗器材和實驗過程，使得學生在逼真的環境中完成實驗操作，實現學生的實踐能力和創新能力的培養[4]。虛擬仿真實驗具有節約成本、實驗共享、提高效率等顯著優勢，已經成為傳統實驗教學手段的有效補充和發展[5-11]。虛擬仿真實驗實現了理論教學和實驗的有機融合。因此，本文在《儀器分析》實驗課程中引入虛擬仿真實驗，通過建立虛擬仿真實驗與理論課程相結合的教學模式，實現學生學習過程中不受時間和地點的局限，為疫情下的實驗教學的順利開展和實驗教學質量的提升提供新的手段。

上海健康醫學院秉承“應用型、特色性、國際化”的發展目標，致力于學生動手能力和操作技能的培養，在衛生檢驗與檢疫專業的實驗教學引入了虛擬仿真教學平臺。本文通過分析虛擬仿真實驗的特點和優勢，結合虛擬仿真實驗在我校衛生檢驗檢疫專業的《儀器分析》課程的具體應用情況進行闡述。

1 傳統實驗教學模式的現狀

1.1 實驗教學效率偏低

《儀器分析》是以物質的物理和物理化學性質為基礎，利用特殊儀器對物質進行定性、定量、形態分析的一門學科，所以實驗課就顯得尤為重要。衛生檢驗與檢疫專業的儀器分析課程是培養公共衛生人才，更注重于檢測儀器的實操能力培養。但醫學院里各檢驗專業配備的液相色譜儀、原子吸收分光光度計、氣相色譜-質譜聯用儀、液相色譜-質譜聯用儀等大型儀器由于價格昂貴、維修維護成本高，儀器配置數量有限，很難滿足學生同時操作多臺儀器設備，導致實驗教學效率偏低，難以實現每個學生動手操作的教學目的。

理論課課堂教學后，有些同學對儀器的結構不能直觀的了解，對儀器的構造、原理和使用存在盲區，這就導致學生在使用大型實驗設備的時候，操作不當極易造成儀器的損耗和破壞。這樣的結果會導致昂貴的維修費用，同時加劇學校實驗設備的短缺。如果能夠在教學中引入虛擬仿真實驗軟件，就可以讓學生運用仿真實驗來協助完成傳統實驗。比如可以先在軟件中熟悉某儀器的具體使用方法后再上機操作，會大大降低因為學生的盲目操作導致的設備損壞。

1.2 增開傳統實驗無法實現的實驗

實驗教學中有一部分實驗是具有一定的危險性的，特別是當涉及到有毒、放射性和易燃易爆物質時。比如冷原子吸收光譜法測定汞離子，其中需要用到汞標準物質，這類藥品是受到政府管控的，無法購置。由于這類客觀因素的影響，許多化學實驗無法在課堂展現，但如果利用虛擬仿真實驗系統，就可以實現此類實驗的開設了。

1.3 提升學生學習的積極性和創造性

本科學生接觸科研平臺，動手操作儀器的機會有限，虛擬仿真實驗軟件只需要一個聯網的計算機就可以做到。在課前，學生可以通過這個軟件提前掌握本節課重點，一定程度上節約教學時一些不必要的時間；在課后，學生依舊可以通過這個軟件復習本節課的內容，特別是臨近期末的實驗操作考試，這時候就帶給了學生一個很大的便利，隨時隨地都可以復習。在越來越信息化的今天，年輕一代的學生勢必對于電子產品會多一份興趣去探索和學習，這也彌補了理論知識枯燥難懂導致學生信心、興趣減退的不足。曾經的實驗室似乎對于學生們來說雖然近在咫尺，但卻實則遙遠，可如今虛擬仿真實驗軟件就將實驗室帶到了生活之間。

2 虛擬仿真實驗在衛生檢驗與檢疫專業實驗教學的應用

2.1 虛擬仿真中理論知識的教育

在實驗課中，經常會向學生介紹到各類分析儀器，如氣相色譜儀、高效液相色譜儀等。教材會有各個儀器的構造和原理介紹，但學生理解起來過于抽象。如果在教學過程中運用到虛擬仿真實驗軟件，可以做到教師講解的同時，學生利用仿真軟件三維地觀察儀器各個角度及內部結構，通過其中三維動畫能讓學生直觀生動地了解該儀器的構造和原理。

2.2 虛擬仿真軟件在實驗課中的實施

以液相色譜-質譜法測定環境內分泌干擾物為例，該實驗需要用到液相色譜-質譜聯用儀，該儀器價格昂貴，很難實現每個學生動手操作，如使用虛擬仿真實驗系統，可以逼真的演示儀器的結構以及工作原理，讓學生在虛擬仿真實驗系統上模擬操作，完成液相色譜-質譜法測定環境內分泌干擾物的整個實驗過程。實驗內容包括樣品的前處理中的樣品離心、酶解、固相萃取、樣品濃縮復溶，以及液相色譜-質譜儀的上機檢測中的調諧、色譜質譜方法編輯、梯度洗脫程序的選擇、儀器運行、展示并提取質譜、色譜圖、利用內標法進行定量分析等一系列的實驗內容。仿真實驗系統給了學生多次嘗試的機會，從樣品前處理各個操作步驟到液相色譜梯度洗脫溶劑的比例調節等因素是如何影響最終實驗結果，操作失誤系統會給予正確的提示，學生通過這樣反復操作練習，已大致掌握操作要點，此時上實機實際操作耗時少、熟練度高，進一步達到鞏固的作用。課后，系統會保留每次操作的歷史記錄，學生可以通過回看操作失誤記錄后重新操作等手段進行復習。這樣的虛實結合、理論教學和虛擬實驗結合，達到了提高學生動手能力的目標。

仿真實驗系統也給教師帶來了便利，學生每次所做實驗的分數都會實名記錄在教師系統后臺，這些分數不僅可以成為期末考核的標準，還可以知道哪些學生掌握不熟練、哪些實驗普遍分數低等情況，有助于教師及時了解學生情況、調整教學計劃和模式，使實驗課程質量進一步上升。

3 結 語

虛擬仿真實驗讓實驗室突破時間空間的限制來到了生活之中，讓遠距離教學成為可能，更為疫情期間線上實驗教學提供了技術支持。本文針對虛擬仿真實驗軟件在衛生檢驗與檢疫專業實驗教學的應用進行了闡述，讓我們看到了這樣一種創新模式既彌補了傳統實驗的不足，也帶來了新的便利和益處。理論教學和虛擬仿真實驗的有機結合可以提高學生的學習效率，方便了課堂的多媒體教學，更實現了衛生檢驗與檢疫專業操作的仿真實訓與考核，使得教師可以高效的了解學生的實訓效果，提高實驗教學質量。促使理論知識向專業能力提升，培養學生的創新能力和綜合知識運用能力，為公共衛生行業培養出創新實踐能力強的高素質應用型人才，全方位促進教學質量的提升和教學模式的改革。