基于虛擬仿真技術的儀器分析實驗教學改革初探

楊 波 王 燁 李 波 張煒煜 許佳明 陳 雷

（1.長春中醫(yī)藥大學藥學院 吉林長春 130117； 2.吉林師范大學化學學院 吉林四平 136000）

儀器分析是一門理論性和實踐性很強的學科。它是很多專業(yè)課程的基礎，因此，是高校人才培養(yǎng)的重要課程之一[1]。儀器分析實驗教學是本門課程重要的組成部分，能培養(yǎng)學生大型儀器的操作能力，為檢測分析和科學研究奠定基礎[2]。其實驗課與課堂上學習到的理論知識緊密相連，能夠更加透徹地將知識點展現給學生，有利于學生對知識的理解和鞏固，增進學生的學習興趣，激發(fā)創(chuàng)新能力[3]。隨著教學觀念的不斷更新、科技水平的不斷進步，社會對人才質量的要求日益提高。這需要教育工作者不斷思考，尋找新的方法，以培養(yǎng)符合社會需要的應用型人才為目標。因此，引進新的實驗教學手段、教學方法具有重要意義。

一、虛擬仿真技術應用現狀

隨著網絡技術的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術不斷推陳出新。多媒體技術、微電子技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人工智能技術網絡通訊、數據庫及人機交互等高新技術具有逼真性、交互性、沉浸性等特點，為虛擬仿真技術提供了有力的支撐。目前，國內很多高校為了滿足人才培養(yǎng)的需要，將虛擬仿真技術引入教學，包括實驗教學，使實驗更豐富、更逼真，激發(fā)了學生的學習興趣，有益于培養(yǎng)學生綜合能力，獲得了很好的教學效果。天津中醫(yī)藥大學國大亮等[4]對3D打印制藥虛擬仿真實驗教學平臺建設進行了探索，采用開放式教學模式，促進學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。河北科技大學馬世博等[5]結合實驗特點和存在的問題，建設材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，基于Web網絡技術形成了一套完整的材料成型及控制工程課程虛擬實驗教學體系，有效地增強了實驗教學的靈活性和教學資源的共享性。西南大學龔成斌等[6]借助虛擬教學平臺對材料分析技術課程進行改革，更新了教學內容，強化了實驗教學，改革成效良好。武漢大學何春燕等[7]對實驗中心開放實驗室共聚焦激光掃面顯微鏡虛擬仿真實驗進行探討，通過討論，得出虛擬仿真技術是醫(yī)學教育重要的輔助手段之一的結論。華中師范大學朱家華等[8]對面向師范生核心素養(yǎng)培育的虛擬仿真實驗平臺的應用進行研究，認為虛擬仿真實驗平臺在提高師范生探究能力和高級思維能力、提升信息素養(yǎng)水平等方面具有積極作用。湖南農業(yè)大學曾朝喜等[9]將慕課環(huán)境下的食品工藝學實驗與虛擬仿真技術相結合，總結新形勢下虛擬仿真技術應用于實驗教學中的優(yōu)勢和問題，為實驗課的開展提供了依據。目前，很多高校將虛擬仿真技術應用于教學，包括醫(yī)療、生物、食品、化學、電子技術等方向，從教學方法角度考慮，是探索，也是進步。這是一種新的教育手段，在不斷地更新完善中，本文就當代人才需求和儀器分析實驗課的特點，探索基于虛擬仿真技術對儀器分析實驗課進行改革，希望對提高教學效果，培養(yǎng)優(yōu)秀學生起到積極作用。虛擬仿真實驗教學方法能及時反映學生的學習效果，快速獲取學生對實驗教學的反饋，有助于教師總結經驗，不斷改進教學方法。由此可見，虛擬仿真實驗教學是一種經濟、高效、安全的教學方式，可提高學生專業(yè)能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高素質應用型藥學人才提供保障，保證人才培養(yǎng)的質量。

二、虛擬仿真技術應用于儀器分析實驗教學的探索

根據虛擬仿真技術的特點，教師可以本著人才培養(yǎng)方案、儀器分析課程的特點、儀器分析實驗課程內容等，將其與實驗教學結合，建立虛擬仿真實驗教學平臺。平臺包括四個方面：虛擬仿真實驗課模塊設置、虛擬仿真實驗要求設置、虛擬仿真實驗任務設置、虛擬仿真實驗課效果評價體系的建立等。本文以原子吸收光譜儀的使用為例，介紹實驗教學平臺[10-11]，具體如下。

（一）虛擬仿真實驗課模塊設置

開發(fā)者根據原子吸收光譜儀的特點和需要掌握的內容設置實驗模塊，包括儀器工作原理的展示模塊、儀器結構展示模塊、儀器操作和數據處理模塊、儀器維修維護模塊等四個部分：以交互動畫和3D仿真形式，展示原子吸收光譜儀的工作原理；介紹儀器外部和內部的結構和構造；模擬逼真的實驗環(huán)境和場景，讓學生按照實驗操作步驟依次獨立完成操作內容，使學生身歷其境，感受原子吸收光譜儀操作的整個過程，使學生更系統(tǒng)地掌握儀器的相關知識。

（二）虛擬仿真實驗要求設置

此部分主要針對儀器操作和數據處理模塊。儀器工作原理的展示模塊和儀器結構展示模塊起到預習和加深理解的作用。儀器維修維護模塊是對傳統(tǒng)實驗課的改革。傳統(tǒng)實驗教學模式是學生通過實驗教師的講解來掌握知識。本文提出結合虛擬仿真手段來學習，體現了對知識體系更好的補充。仿真儀器操作和數據處理模塊中的每一個步驟都有相應的實驗內容、要求和注意事項。實驗要求通過動畫的形式導入，包括每個步驟的操作規(guī)程和儀器使用操作規(guī)程等。在仿真操作前，教師先播放這些實驗要求，讓學生認真對待實驗，知道此次實驗課需要掌握和熟悉的知識要點，以順利完成試驗任務。

（三）虛擬仿真實驗任務設置

此部分也是主要針對儀器操作和數據處理模塊的。針對課堂上需要學生掌握的原子吸收光譜儀的使用要點，實驗教師根據實驗要求，為學生設置相應的實驗任務。學生完成此次課程的所有實驗任務，就能完成本次實驗項目。學生獨立地帶著任務進行操作，改變了傳統(tǒng)實驗中分組進行存在的弊端，使每個人都能身臨其境地感受實驗氛圍，切身體會每個操作步驟，使他們的學習具有連貫性、整體性，使虛擬仿真實驗的設置能發(fā)揮它的優(yōu)勢，提升了實驗教學水平，也提升了學生的創(chuàng)新能力。

（四）虛擬仿真實驗課效果評價體系的建立

為了評估學生的學習效果，開發(fā)者需要建立虛擬仿真實驗課評價體系。對于情景展示、原理展示、課堂補充這幾部分內容，開發(fā)者要建立題庫。學生在完成實驗后，就進入題庫測試。測試的試題是隨機的。學生在測試后會得到一個分數。另外，在仿真儀器操作和數據處理過程中，系統(tǒng)會根據學生完成每個實驗任務的實際情況，給出相應操作分數。這兩部分分數統(tǒng)計在一起，就是學生本次實驗的得分，可用來衡量學生的學習效果。

以上內容是儀器分析實驗的實施方案。它需要不斷完善，基于虛擬仿真技術模擬實際操作環(huán)境，利用虛擬的環(huán)境地圖、幫助提示等功能引導學生進行實驗操作，保證學習的連貫性，提高學生的學習興趣。

三、虛擬仿真技術在儀器分析實驗改革中的作用

網絡發(fā)達的時代對人才培養(yǎng)要求日益提高。因此，將虛擬仿真技術應用于實驗教學是一個必然的發(fā)展趨勢[12]。虛擬仿真技術引入儀器分析實驗教學具有以下優(yōu)點：

1.虛擬仿真技術運用現代化電子技術及互聯網手段，建立了生動逼真、易于交互的實驗教學場景，使一些抽象的實驗條件形象化，讓枯燥無趣且難懂的知識點變得生動有趣，激發(fā)了學生對本門課程的興趣，有助于提高課程教學效果。

2.虛擬仿真實驗教學可以使學生更系統(tǒng)地學習和掌握知識，培養(yǎng)學生的整體思維，增加他們學習的深度和廣度。

3.虛擬仿真技術應用于實驗教學能夠解決實驗器材缺乏及實驗材料耗損率高等問題。

4.虛擬仿真技術能夠保證實驗的連貫性，使一些周期長、難以實際展開的實驗項目有效、完整地進行，保證實驗教學體系的完整性。

5.虛擬仿真實驗教學能夠大大降低實驗的危險系數，保證一些具有危險性且安全系數低的實驗安全進行，給師生營造一個安全、良好的實驗教學環(huán)境。由于人才培養(yǎng)方案的要求，有些具有危險性的實驗不能刪減，要求學生必須掌握。因此，虛擬仿真技術的引入尤為重要。它既提高了實驗的安全性，又能保證學生完整地掌握知識體系。除此之外，考慮到儀器分析實驗課的特點，有些實驗項目還存在一些問題，如實驗成本過高、耗損量大、硬件配套設施不足等。為了避免這些問題，教師可引入虛擬仿真技術。它能保證每名學生都能在虛擬但逼真的實驗環(huán)境中完成相應的實驗內容，使學生更好地掌握相關大型儀器的原理和操作要點，培養(yǎng)學生系統(tǒng)性學習的能力，為其今后的就業(yè)和發(fā)展奠定基礎[13]。

四、結束語

為了提高高校人才培養(yǎng)質量，推進實驗教學的發(fā)展，本文探討虛擬仿真技術與儀器分析實驗的結合，對虛擬仿真技術應用現狀、應用于儀器分析實驗課的探索及其作用等方面進行總結。通過對虛擬仿真技術介紹，我們知道，它是一種新型教學模式，不僅可以應用于理論教學，而且可以應用于實驗教學，還能解決一些傳統(tǒng)實驗教學存在的問題，在保證學生的學習效果的同時，更注重學生創(chuàng)新能力和興趣愛好的培養(yǎng)，提高了學生的綜合素質[14]。另外，虛擬仿真技術的應用是對傳統(tǒng)實驗教學的補充，能共享優(yōu)質實驗資源，將不易理解、掌握的知識點通過虛擬動畫的方式表現出來，幫助學生理解、學習，吸引學生的注意力，激勵學生自主學習，使儀器分析實驗更綠色、安全，更符合當代儀器分析實驗教學的發(fā)展趨勢。因此，虛擬仿真技術的引入具有積極意義[15]。