新工科背景下虛擬仿真在《儀器分析》中的探究*

劉雪霞

(井岡山大學化學化工學院，江西 吉安 343009)

新工科背景下，地方本科高校以培養應用型人才為培養目標，根據此人才培養目標，進行了大量的教學改革研究，如翻轉課堂，觀摩式教學轉變為操作型教學，移動設備應用教學等[1-2]。基于分析化學為基礎發展起來的《儀器分析》，是一門應用型課程，需要很強的綜合能力，既有較強的專業理論知識，同時又需要大量的儀器分析實驗作為支撐[3-4]。如何實現抽象理論教學和實驗教學合理有效的銜接，為國家培養應用型及科研型的人才，是當今《儀器分析》課程教學改革的重點。

虛擬仿真技術用于實驗教學是利用計算機創造虛擬環境來模擬真實的實驗環境，并且根據真實環境中的理論和實際操作情況在虛擬仿真的環境中進行操作、驗證、設計、運行的教學模式[5]，使人身臨其境，可以多人同時在線操作，利用率高，實驗中可以降低儀器損壞率，提高實驗安全性，可以十分好的服務于實驗教學，更為重要的是，將學生從抽象的理論中釋放出來，服務于理論教學。我們對《儀器分析》課程進行了初步的教學改革探討。

1 教學方法研究及實踐

根據材料化學和化工專業特點，需要用到傅里葉變換紅外光譜儀、氣質聯用儀、核磁共振儀、原子吸收光譜儀、X射線光電能譜分析儀等分析儀器設備，依據核磁共振儀、X射線光電能譜分析儀兩臺儀器的工作原理、內部構造，利用虛擬仿真平臺建立軟件進行模擬實驗。一方面可以作為課前的預習，了解儀器使用的各個環節，包括操作指南、安全事項、樣品預處理、參數設置、樣品測試、數據處理等內容；在課堂上，通過使用虛擬仿真技術，講解內容能直觀的呈現在學生面前，彌補因缺乏儀器無法進行操作的感性認識，讓學生進行更好的了解、認識、掌握。

依據對傳統講授方式教學效果的評價，選擇兩種類型的章節，一是已經具備儀器但未開設儀器分析實驗的核磁共振法章節，另一類型是缺乏實驗設備的現代儀器分析方法章節，利用虛擬仿真技術用于教學的操作模式進行實踐，課前利用軟件進行預習，課堂中，利用軟件一步一步進入儀器構造的講解，學生可以直觀的看到儀器的一個立體構造和內部構造，并且模擬實際應用，讓學生清楚的了解學以致用的道理，課后學生仍然可以自己操作軟件進行練習。

1.1 虛擬仿真展示核磁共振儀器的內部構造

在地方本科院校，大型儀器對本科生展示機會十分少，基本沒有機會觀看到儀器的構造和測試過程，例如應用十分多的儀器核磁共振儀，大多數課堂講解基本原理，學生基本是一頭霧水，鑒于這一章和其他光譜章節的區別，學生不知道什么是核磁共振，這個信號是怎么產生的，是不是也是能級躍遷，而虛擬仿真引入到課程中，可以通過動畫將核磁共振儀器及其內部構造展示到同學們眼前。同學們可以看到儀器的外觀，明白核磁共振多了一個強大的外加磁場，有了外加磁場的存在，可以使原子核處于較低的能級，射頻發生器的存在，可以產生輻射電磁波，原子核可以吸收，反生反轉，能量狀態高，但是不穩定，又會回到低能態，這樣來回變化，可以形成一個共振信號，我們就可以檢測這個信號，同學們明白了核磁共振怎樣產生的，對于基本原理的理解就會更清晰。并且儀器上還具有檢測器、放大器、記錄儀，用來檢測和記錄信號。并且學生還可以看到儀器還需要液氮的維護，他們就會思考液氮的作用是什么，這樣可以起到啟發式教育的目的，引起學生學習的好奇心，知道液氮是用來制造超低溫，維護磁場的作用。通過虛擬仿真平臺的展示，學生對核磁共振儀的每一個部分的構造和作用有了更為清晰的認識，對其后面學習基本原理和應用具有十分大的幫助。

1.2 虛擬仿真展示掃描電鏡的測試過程

《儀器分析》課程最主要的目的是實現學生可以操作儀器，可以對實驗結果進行分析。理論課可以在一定程度把實驗原理講解清楚，但是對實際應用中的測定過程的展示是什么困難的。掃描電鏡作為現代儀器分析方法中占有重要的地位，掃描電鏡是材料表征和分析的一種十分重要的手段，掃描電鏡的教學對于拓寬學生的視野具有十分重要的作用，但是掃描電鏡屬于大型貴重設備，許多地方高校沒有購置該儀器，導致學生沒有機會看到該儀器的測試過程。首先，通過虛擬仿真平臺，學生可以對大型儀器的開機、關機過程有直觀的認識，明白儀器的日常維護。測試前樣品根據實際性質進行噴金或者不噴金操作，學生會對自己的樣品進行思考，并且對噴金的作用進行思考，明白噴金是為了增加材料的導電性，拍攝材料的形貌，不導電的材料必須進行噴金，拍攝效果才會比較理想。放置樣品臺，抽真空等，這些測試前的準備，學生都可以體驗到。升臺子，控制好測試臺的高度，選中自己的樣品，調整測試模式，對清晰度、放大尺寸等進一步調整到自己需要的照片進行拍攝保存。對自己的材料的形貌進行思考，根據形貌調整實驗條件，制備出自己所需要的結構。通過動畫直觀的演示如何制備樣品、如何放置樣品臺、如何拍攝、收集測試結果，相比枯燥的理論學習，學生對掃描電鏡等大型儀器的掌握程度肯定會有大幅度提升。

2 教學反饋研究

在完成章節學習后，針對儀器原理、構造及應用的理解情況對學生進行問卷調查，并且和傳統的講授方法進行對比，針對存在問題進行虛擬仿真技術應用于理論教學的方法進行修正。

通過虛擬仿真平臺的引入，引導學生不斷強化理論知識，調動學生的主動性和積極性，提高學生的實踐能力和創新能力，向培養應用型人才方向轉變。同時要求教師具有更高的信息化技術應用能力和實踐能力，可以提高教師的綜合素質。形成更為完善的《儀器分析》教學平臺，可節約成本，更清晰的了解實驗原理和儀器構造，更好的推動理論教學的改革與發展。

通過本課題的研究及實踐，首先為學院材料化學、化工專業學生提供全新的《儀器分析》理論教學模式，充分調動學生的學習主動性。其次，結合虛擬仿真平臺的建設，為學院無法開展的現代化儀器設備實驗，為學生提供模擬實驗，使課堂內容更貼合實際，開闊學生的眼界，提高學生的創新能力，滿足社會需求人才，實現應用型人才的培養。再次，通過本課題研究及實踐，為學院其它課程建設及教學改革提供示范借鑒，促進學院教學質量。

3 結 論

《儀器分析》作為化工專業一門重要的專業課，對學生的實踐能力和創新能力的培養十分重要，該課程具有較強的理論性，但是又需要實踐相結合才能學好的一門課程。虛擬仿真的引入可以解決理論課程枯燥、不生動、不形象等諸多問題，將儀器的內部構造、實驗原理、檢測流程直觀的展現在同學們面前，提高學生學習本課程的興趣，拓寬學生的眼界，增強學生的實踐能力和對化工專業的自信，培養出社會所需要的人才。