高職儀器分析課程仿真教學(xué)的探索與實(shí)踐

，

(1．天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2.山東省煙臺(tái)新時(shí)代健康產(chǎn)業(yè)有限公司，煙臺(tái) 264006)

《儀器分析》課程是化工、環(huán)保、食品、制藥技術(shù)和醫(yī)學(xué)技術(shù)等各類高職專業(yè)重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，是學(xué)生了解儀器分析方法，掌握儀器應(yīng)用技能的重要途徑。通過(guò)學(xué)習(xí)本門課程及相關(guān)專業(yè)課，將為學(xué)生從事相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)和檢驗(yàn)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在本門課程教學(xué)中，要重視理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用相結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式已難以滿足本門課程的教學(xué)要求。實(shí)訓(xùn)是一種使學(xué)生參與教學(xué)實(shí)踐的教學(xué)方式，有助于學(xué)生掌握儀器設(shè)備的分析原理及操作技能，較適于本門課程教學(xué)。但是，儀器分析原理較抽象，操作步驟較繁雜，學(xué)生往往需要較多學(xué)時(shí)才能掌握操作技能，另外，還存在儀器設(shè)備維護(hù)和實(shí)訓(xùn)耗材成本較高等問(wèn)題，制約了實(shí)訓(xùn)開(kāi)展，影響了教學(xué)效果。仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展而興起，能夠演示儀器設(shè)備的分析原理，模擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景并供學(xué)生仿真操作，是《儀器分析》課程教學(xué)中一種有效的輔助手段?！秶?guó)家教育事業(yè)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃》中也明確提出了要推動(dòng)建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

一、仿真教學(xué)的意義

1.加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果

仿真軟件能演示儀器的分析原理，把抽象的測(cè)定原理形象的展現(xiàn)出來(lái)，降低了學(xué)習(xí)難度。仿真軟件還能模擬儀器分析過(guò)程中主要元器件的變化過(guò)程，利于學(xué)生了解儀器設(shè)備的工作原理及組件的作用，這些在實(shí)訓(xùn)中學(xué)生都是無(wú)法看到的。學(xué)生處于仿真環(huán)境中，觀看分析原理，并操作完成分析過(guò)程，可以充分調(diào)動(dòng)感官和思維，明顯提高了學(xué)習(xí)效率。

2.提高教學(xué)效率

完成一個(gè)儀器分析的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目往往需要3～4學(xué)時(shí)，再加上課前儀器設(shè)備維護(hù)、調(diào)試、預(yù)熱和試劑配制等所消耗的時(shí)間，教師需為實(shí)訓(xùn)投入大量的時(shí)間和精力，教師的工作強(qiáng)度較大。仿真軟件調(diào)試成功后可反復(fù)使用，只需維護(hù)好計(jì)算機(jī)即可，仿真操作不需要運(yùn)行設(shè)備和配制試劑，節(jié)約了師生的大量時(shí)間，一般2學(xué)時(shí)就可以完成一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，大大提高了教學(xué)效率，減少了教師的工作量。

3．節(jié)約教學(xué)經(jīng)費(fèi)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)中需配備足夠的儀器設(shè)備，而購(gòu)買儀器設(shè)備成本較高，色譜儀等每臺(tái)價(jià)值數(shù)萬(wàn)，甚至幾十萬(wàn)，即使是價(jià)格便宜的可見(jiàn)分光光度計(jì)價(jià)格也達(dá)數(shù)千元。實(shí)訓(xùn)消耗大量的試劑，并可能生成一些需處理后排放的有害廢物，進(jìn)一步增加了實(shí)訓(xùn)費(fèi)用。仿真教學(xué)不需配備分析儀器和試劑，既節(jié)約了教學(xué)成本，又避免了對(duì)環(huán)境和人類有害物質(zhì)的出現(xiàn)。模擬實(shí)驗(yàn)的載體是計(jì)算機(jī)，核心是軟件。儀器分析仿真軟件通用性強(qiáng)，仿真實(shí)驗(yàn)室建立后，可供各專業(yè)本門課程教學(xué)使用；計(jì)算機(jī)中可安裝各門課程的仿真軟件，可為其他課程仿真教學(xué)搭建了平臺(tái)。

4．操作安全可靠

實(shí)訓(xùn)操作需配備專業(yè)的大型儀器設(shè)備和化學(xué)試劑，其中可能有一些對(duì)人體有毒有害、可燃和易爆炸的危險(xiǎn)性試劑和操作步驟，而仿真操作不需真實(shí)操作，排除了實(shí)訓(xùn)過(guò)程中潛在的危險(xiǎn)。實(shí)訓(xùn)操作包括樣品的預(yù)處理、進(jìn)樣、測(cè)定和結(jié)果分析等過(guò)程，繁瑣易出錯(cuò)，初學(xué)的學(xué)生可能會(huì)由于某步驟的失誤導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)失敗，無(wú)法得出準(zhǔn)確的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差；仿真操作流程是在模擬標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，即使出現(xiàn)失誤，在改正錯(cuò)誤后仍可繼續(xù)完成流程，得出相應(yīng)的操作結(jié)果。

5.教學(xué)形式靈活

仿真教學(xué)具有開(kāi)放性，消除了教學(xué)的時(shí)間和空間限制，學(xué)生可在教室統(tǒng)一學(xué)習(xí)，也可依靠網(wǎng)絡(luò)靈活掌握學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)，學(xué)生還可方便地隨時(shí)學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)教學(xué)內(nèi)容。仿真教學(xué)軟件還能拓展為高職院校服務(wù)社會(huì)的工具，用于相關(guān)技術(shù)人員培訓(xùn)，學(xué)員使用該軟件可遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和練習(xí)測(cè)定方法和儀器操作技能。

6.客觀評(píng)判效果

仿真軟件開(kāi)發(fā)有智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，根據(jù)各分析流程特點(diǎn)，每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)被劃分為多個(gè)操作步驟，針對(duì)每步驟的操作難度設(shè)置了分值。在仿真操作過(guò)程中評(píng)價(jià)系統(tǒng)會(huì)指示操作所處的步驟，并及時(shí)判斷操作是否正確，給出得分。當(dāng)某操作步驟出現(xiàn)的錯(cuò)誤得到更正后將會(huì)重新獲得分?jǐn)?shù)。智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)有助于學(xué)習(xí)者了解學(xué)習(xí)效果，指導(dǎo)學(xué)習(xí)者做出正確操作，利于學(xué)習(xí)者獨(dú)立學(xué)習(xí)。

二、仿真教學(xué)的定位

仿真教學(xué)是實(shí)訓(xùn)的有益補(bǔ)充，但不能完全替代真實(shí)的實(shí)訓(xùn)。仿真軟件能模擬各種儀器設(shè)備的操作流程和操作要點(diǎn)，可供學(xué)生開(kāi)展模擬操作，能幫助學(xué)生安全地、高效地、低成本地掌握各種儀器設(shè)備的使用方法和軟件操作技能，模擬仿真教學(xué)是高職《儀器分析》課程教學(xué)中的重要教學(xué)手段。但是，模擬操作并非親手在企業(yè)中操作設(shè)備，在教學(xué)中學(xué)生不會(huì)遇見(jiàn)真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境可能出現(xiàn)的各種狀況，無(wú)法全面鍛煉樣品分析的實(shí)際操作技能；該課程涉及專業(yè)較多，學(xué)生之前所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)不同，畢業(yè)后應(yīng)用儀器設(shè)備所從事的工作也不同。因此，仿真軟件與真實(shí)的生產(chǎn)應(yīng)用有一定差距，根據(jù)各專業(yè)特點(diǎn)開(kāi)展實(shí)訓(xùn)是本門課程教學(xué)中不可或缺的。教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)先開(kāi)展仿真教學(xué)，在掌握了分析原理、儀器設(shè)備和軟件操作方法后再開(kāi)展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，使學(xué)生輕松地、全面地掌握儀器設(shè)備的操作技能。

三、仿真教學(xué)實(shí)施要點(diǎn)

1．合理設(shè)置仿真項(xiàng)目

涉及高檔分析儀器的使用，且操作過(guò)程復(fù)雜時(shí)，要先進(jìn)行仿真操作；儀器操作費(fèi)用高、耗材損耗大的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，用仿真實(shí)訓(xùn)替代；儀器數(shù)量不能滿足學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，用仿真實(shí)訓(xùn)補(bǔ)充；對(duì)時(shí)間、場(chǎng)地要求較苛刻的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，用仿真實(shí)訓(xùn)代替。

2.開(kāi)發(fā)適宜的教材

理論教學(xué)和仿真教學(xué)宜同時(shí)開(kāi)展，仿真軟件有助于學(xué)生更好掌握儀器分析的理論知識(shí)，而仿真教學(xué)是實(shí)訓(xùn)教學(xué)的補(bǔ)充或替代。開(kāi)發(fā)理論教學(xué)、仿真教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)并重的教材是實(shí)施本門課程教學(xué)的基礎(chǔ)。

3.重視信息反饋

本門課程仿真教學(xué)的目的是讓學(xué)生形象地理解儀器分析理論，并掌握分析儀器的操作。由于儀器分析的復(fù)雜性和仿真軟件的局限性等原因，仿真軟件可能還有不足之處。教師需通過(guò)提問(wèn)和與學(xué)生交流等形式獲知仿真軟件的教學(xué)效果，并指導(dǎo)學(xué)生使用，必要時(shí)向軟件開(kāi)發(fā)公司提出改進(jìn)意見(jiàn)，升級(jí)軟件版本，共同提高仿真軟件的實(shí)用性。

四、仿真教學(xué)實(shí)例

以與北京東方仿真軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)公司合作開(kāi)發(fā)的儀器分析模擬操作軟件為基礎(chǔ)，我院建立了分析仿真實(shí)驗(yàn)室。分析仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)有多個(gè)實(shí)訓(xùn)單元，每個(gè)實(shí)訓(xùn)單元著重練習(xí)一種儀器設(shè)備的使用技能，各個(gè)單元包含多個(gè)模擬不同類型樣品操作流程的培訓(xùn)項(xiàng)目。培訓(xùn)單元及具體項(xiàng)目見(jiàn)：表1。本文以《鐵含量測(cè)定》培訓(xùn)項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)述仿真操作軟件的使用方法。

表-1 分析儀器仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)單元及培訓(xùn)項(xiàng)目

1．培訓(xùn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介

《鐵含量測(cè)定》是紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)實(shí)訓(xùn)單元的一個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目，通過(guò)學(xué)習(xí)該項(xiàng)目，學(xué)員能夠了解分光光度法的測(cè)定原理、方法，掌握紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的操作技能。打開(kāi)項(xiàng)目后，會(huì)出現(xiàn)分析仿真實(shí)驗(yàn)室界面和智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)界面，共兩個(gè)界面。分析仿真實(shí)驗(yàn)室界面有四個(gè)選項(xiàng)：起始界面、實(shí)驗(yàn)課件、思考題和實(shí)驗(yàn)幫助。(1)起始界面：點(diǎn)擊起始界面即開(kāi)始本次教學(xué)項(xiàng)目的仿真操作，開(kāi)展技能訓(xùn)練；(2)實(shí)驗(yàn)課件：內(nèi)容為紫外-可見(jiàn)分光光度法的基礎(chǔ)知識(shí)，課件中除文字外，還對(duì)難點(diǎn)予以講解和演示，如以雙原子分子為例形象地展示了轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使學(xué)生直觀地了解這兩種運(yùn)動(dòng)；(3)思考題：以覆蓋主要基礎(chǔ)知識(shí)的選擇題為主，配有答案，可供學(xué)生測(cè)試知識(shí)掌握情況；(4)實(shí)驗(yàn)幫助：對(duì)仿真操作的各個(gè)步驟予以講解，可輔助學(xué)生獨(dú)立完成操作技能訓(xùn)練。智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)對(duì)關(guān)鍵步驟操作效果予以打分，幫助學(xué)生判斷操作是否正確，評(píng)價(jià)技能訓(xùn)練效果。

2．仿真操作

打開(kāi)分析仿真實(shí)驗(yàn)軟件，選擇單機(jī)運(yùn)行或網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，啟動(dòng)仿真軟件。依次打開(kāi)擊紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)/鐵含量測(cè)定/啟動(dòng)培訓(xùn)單元/起始界面即開(kāi)始本仿真項(xiàng)目的操作，操作要點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作：所需準(zhǔn)備工作很多，本軟件以文字和圖片形式展示了標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)樣品的配制過(guò)程，點(diǎn)擊“確定”，然后點(diǎn)擊“返回”回到流程圖界面。

(2)啟動(dòng)工作站軟件：模擬工作站的操作過(guò)程。步驟：“啟動(dòng)工作站軟件”—最小化—點(diǎn)擊桌面instrument online啟動(dòng)工作站-密碼為空-啟動(dòng)，自檢-返回首頁(yè)。左鍵點(diǎn)擊 “軟件操作”按鈕，進(jìn)入操作化學(xué)工作站軟件的仿真流程。

(3)繪制吸收光譜曲線： 在Task工具欄的下拉菜單中的“Fixed Wavelengths”模式下，點(diǎn)擊 “Blank”掃描背景。然后，點(diǎn)擊“Sample”測(cè)定試樣，繪制吸收光譜曲線。選擇 “Spectrum/Peaks”模式，自動(dòng)查找吸收曲線中波峰和波谷，確定最大吸收波長(zhǎng)，以此為檢測(cè)波長(zhǎng)。

(4)建立工作曲線：選擇“Quantification”模式，點(diǎn)擊“Blank”按鈕掃描背景后，點(diǎn)擊Standard，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液吸收光譜曲線，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液點(diǎn)擊一次Standard。所有標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定后，自動(dòng)生成工作曲線。為了優(yōu)化工作曲線和數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性，還可點(diǎn)擊Task工具欄的“Setup”按鈕，在Calibration curve type選項(xiàng)的下拉菜單中選擇LineOffSet，點(diǎn)擊“OK”，完成工作曲線優(yōu)化。

(5)測(cè)定樣品：點(diǎn)擊“Sample”按鈕，系統(tǒng)會(huì)在檢測(cè)波長(zhǎng)下測(cè)定樣品的吸光度。并自動(dòng)計(jì)算出樣品濃度。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬青竹.仿真技術(shù)在高職儀器分析實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，(06).