虛擬仿真技術在儀器分析實驗教學中的應用探析
——以“元素分析實驗”為例

張澤敏 ,唐澤恬

（1.六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州六盤水 553000；2.六盤水師范學院物理與電氣工程學院，貴州六盤水 553000）

0 引言

儀器分析實驗課程涉及化學、化工、制藥、食品、環境、材料等專業，該課程是一門理論和實踐相結合的基礎課程[1-3]。通過該課程的學習能夠鞏固和加深學生對各類常用儀器分析方法基本原理的理解，增強學生儀器分析方法的定性及定量分析技術，同時掌握各種分析儀器的基本操作方法和實驗數據與圖譜的分析處理方法，培養學生應用現代儀器分析測試技術的技能和嚴謹的科學作風和良好的實驗素養。本校儀器分析實驗課程對化工專業學生的培養目標有：1）了解化工專業常用的現代儀器、信息技術工具、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性；2）基于自然科學、專業知識和數學模型方法正確表達復雜化學工程問題的培養目標；3）能夠根據化學工程對象特征，選擇研究路線，設計實驗方案。然而，運用傳統的教學模式進行儀器分析實驗課程的教學對于化工專業已經無法達成這些培養目標。因此，想要培養出以上三個目標的化工專業人才，改革創新儀器分析實驗課程的教學方式尤為重要。隨著虛擬仿真技術運用的推廣及普及，人們發現虛擬仿真技術在很多方面能夠彌補傳統教學的各方面不足。例如，虛擬仿真技術的加入能夠輔助傳統儀器分析實驗教學[4-6]，既能提高教學質量，又能針對性地提高學生對虛擬仿真軟件及系統的掌握。這恰好是化工專業綜合性及應用型人才培養目標的需求之處。因此，通過分析儀器分析實驗的課程特點，將虛擬仿真技術引入儀器分析實驗課程來培養綜合性和應用型人才具有重要的意義。

1 儀器分析實驗教學特點分析

儀器分析實驗課程的設備成本一般較高，對場地環境要求也很嚴格[7]。以本次研究對象元素分析實驗中的Elementar 元素分析儀為例，此儀器為進口儀器，不僅價格較高，且維修及保養成本也不低，因此，學校有且只有一臺該儀器，其他大型儀器也是類似。同時，大型精密儀器的運行往往通過工作站軟件控制，只能看到儀器外表，無法深入了解其內部構造和分析檢測過程，從而無法與儀器原理及功能相關聯，導致儀器分析實驗比較抽象。例如運用元素分析儀測未知樣品的各種元素含量時，開機、關機、載氣流速控制、溫度控制等操作，僅僅需要點擊鼠標就可以在電腦工作站上完成，學生很難理解樣品的燃燒、還原、吸附分離及檢測過程，從而無法做到根據實驗結果來調整實驗參數，達不到實踐教學的目的。

此外，儀器分析實驗操作過程較復雜，前處理耗時比較長，如元素分析實驗前處理中需要將各參數設置好，等待儀器燃燒管升溫至1150℃、還原管升溫至850℃、TDC 檢測器升溫至60℃左右才能進行實驗。而且待測樣品的處理（如調整樣品粒徑大小及樣品包樣等）過程比較煩瑣，導致學生害怕動手操作。在學生不能完全熟悉儀器原理及使用方法的情況下操作儀器，會容易損壞儀器，造成該課程無法正常進行，為實驗教學帶來很大的不便，使整個教學效果適得其反。因此，如何在保證大型精密儀器完好的條件下，使學生更完整地掌握儀器分析原理及儀器詳細操作方法，能夠讓學生自主上手，完成大型儀器分析實驗，達到良好的教學效果，一直是大型儀器分析實驗課程的一大難題[8]。

2 虛擬仿真技術在實驗教學的設計

虛擬仿真技術的運用具有廣泛性，可以不受環境場地和學生人數影響。還具有實驗成本低的優點，虛擬仿真技術只需要一臺電腦，通過軟件模擬儀器結構原理及使用方法就可以直觀可視化整個實驗過程，且學生可以根據自身情況反復練習。同時，虛擬仿真技術可隨著教學實際情況和儀器更新情況不斷改進，即使儀器過時也能讓學生學到最新儀器結構及原理。對于學生來說，實驗操作視角只能觀察到儀器表面，儀器內部無法拆卸部分重要結構卻無法直觀了解，造成學生無法理解操作原理。而虛擬仿真技術體系則能使實驗在軟件設計過程中將儀器內部結構直觀展示出來，將反應過程直觀簡單地呈現出來，加深學生對儀器結構和使用原理的理解從而體驗到逼真實驗效果。如果在學生實際操作之前先進行儀器仿真技術學習，不僅能提高學生的學習興趣，還能夠在實際操作之前先入為主了解儀器。實際操作時學生能夠通過已經系統化的儀器結構思維和原理得心應手地進行操作，讓學習過程更加情景化，且能提高學生學習主動性。

針對我校大型儀器分析元素分析實驗，進行虛擬仿真技術的應用探討。首先，教師自主剖析該儀器各模塊結構并設計出整個儀器的操作流程（如圖1），讓學生在學習元素分析儀操作流程的時候建立整體儀器原理系統。其次，將學生無法觀察到的燃燒室結構、吸附柱結構進行三維仿真設計（如圖2）。課堂教學時結合實體儀器結構與虛擬仿真設計使學生進一步明確實驗的基本原理和操作步驟，學生可在無法觀察到儀器內部結構也能清楚地獨立進行儀器操作，避免操作不規范的問題發生。同時，學生仿真設計學習和實際儀器操作后，教師通過布置學生自行將整個儀器工藝流程圖用CAD仿真軟件進行繪制，并對該實驗總結。同時教師也對學生的完成情況進行評閱，以達到學生能夠將學到的知識點及時反饋的效果。

圖1 元素分析儀工作原理流程圖

圖2 元素分析儀燃燒室結構（左）及吸附柱結構（右）三維虛擬仿真模擬圖

3 虛擬仿真技術結合實際操作的教學實施及成效分析

3.1 虛擬仿真技術結合實際操作的教學實施

教學實施過程是整個課程最為重要的環節，化工專業人數總共36人，分為六組，每組6個學生，整個教學過程主要分為四部分（見表1）。1）課前教師下發實驗學案，學生根據學案針對性地進行實驗預習。2）課程中教師對學生預習情況進行考查并對預習不到位的地方進行補充。其次，讓學生參觀元素分析儀后開始整個實驗理論講解及虛擬仿真模擬部分的學習，此部分主要針對儀器結構原理及操作步驟。實際操作之前教師向學生演示整個實驗操作步驟，并強調操作注意事項。接下來根據講解內容及仿真學習進行實際操作。實際操作中將兩個人分為一個小組合作完成未知樣品元素的測定實驗。學生實際操作主要包含包樣品、儀器簡單拆裝、儀器氣體檢漏、儀器工作臺上各參數的設置、測樣。教師根據實際操作情況進行課堂表現打分。這樣的組合及操作既能使每個學生都能身臨其境地感受實驗操作氛圍，切身體會每個操作步驟，使他們的學習具有連貫性、整體性，也能增強學生之間的合作能力。完成整個實驗操作之后，學生對自己的操作情況進行自我評分，并在后續的實驗報告中體現出實驗操作反思。3）實驗報告的完成，學生對整堂課的學習進行實驗報告撰寫，與以往不同的是，教師根據化工專業學生的特點下發了每個學生都必須根據課程學習情況獨自運用CAD 軟件對整個儀器工藝流程進行繪圖的任務。4）教師批閱實驗報告，根據學生實驗報告中儀器原理及詳細操作步驟描述、數據分析與處理、CAD 工藝流程圖、實驗反思四部分進行打分，完成整個教學過程的實施。

表1 課程實施及教學成效分析

3.2 虛擬仿真技術應用后的教學成效分析

教學成效分析主要體現在學生實驗預習、課堂表現、實驗操作、實驗報告及綜合評價幾部分（詳見表1）。在以往的教學模式中，學生每個模塊的得分幾乎相近，學生在實驗操作部分丟分的情況比較多，甚至在操作過程中損壞儀器，給教學造成了一定的拖延。而引用虛擬仿真技術以后，學生在實驗操作及實驗報告兩個模塊得分項有了明顯的提高，全班所有學生實驗操作部分均達到了85.0 分。實驗報告的撰寫也比以往傳統授課方式的學生更具有邏輯性。如實驗原理及操作步驟這塊的撰寫中大部分學生運用了思維導線圖的模式表達，實驗數據處理及分析中也更加細致，額外增加的CAD 繪圖任務也表現得較好（如圖3）。綜合評分80.0 分以上的學生占到了1/3，比以往傳統模式的學生80.0 分以上的學生僅有幾個的情況提高了很多。該實驗目標直接達成度達到了0.810，總體達成度達成。實踐表明，整個課程實施過程中，虛擬仿真技術起到了關鍵的作用，虛擬仿真模擬技術與實際儀器操作相互相輔相成，不僅有效地增強了學生的儀器系統性理解和動手能力，還加強了儀器工藝流程的虛擬仿真模擬。

圖3 學生CAD繪制元素分析儀工藝流程圖

此外，針對學生在實驗中出現的一些狀況，如部分學生課前預習不充分的問題。在今后的課程實施過程中要向學生強調實驗預習的重要性，加強對學生的課前監督。同時，教師應加強專業技術知識的學習，了解前沿的學科知識，培養學生應用現代儀器分析測試技術的技能性和嚴謹的科學作風和良好的實驗素養，為培養綜合性和應用性人才打下堅實的基礎。

4 結論

儀器分析實驗課程（元素分析實驗）中引入虛擬仿真技術，使化工專業的儀器分析實驗課程中包含虛擬仿真模擬加實際操作的教學。通過實踐表明，虛擬仿真技術與實際儀器操作相互相輔相成，有效地增強了學生的儀器系統性理解和動手能力，還加強了儀器工藝流程的仿真模擬，為培養綜合性和應用型人才提供了很好的教學指導。該課程教學方法的改進及實施目前得到了良好的教學反饋，為高校化工專業儀器分析實驗課程引入虛擬仿真技術的教學改進提供了導向。