虛擬實(shí)驗(yàn)室在食品專業(yè)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

杜磊++杜娟

摘 要： 本文從分析儀器分析實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)入手，通過分析虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢及對學(xué)校教學(xué)的促進(jìn)作用，提出儀器分析實(shí)驗(yàn)的課程改革過程及考評方法，從實(shí)際效果看，達(dá)到預(yù)期的改革效果。

關(guān)鍵詞： 儀器分析實(shí)驗(yàn) 虛擬實(shí)驗(yàn)室 課程改革

一、儀器分析實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

分析化學(xué)內(nèi)容多而雜是大家公認(rèn)的，與化學(xué)分析相比，儀器分析的理論性、實(shí)用性更強(qiáng)，發(fā)展速度更快。儀器分析要求學(xué)生既要掌握好常規(guī)方法的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技能，又要了解當(dāng)今學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。學(xué)生要了解和掌握儀器分析的最新方法，以更好地適應(yīng)社會。要學(xué)好儀器分析課程，儀器分析實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。儀器分析實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)：

（1）儀器分析實(shí)驗(yàn)所涉及的各種儀器更新?lián)Q代快，涉及的相關(guān)學(xué)科比較多，如物理學(xué)、化學(xué)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。

（2）儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論較抽象，難以接受；所需的儀器大都昂貴，一般院校很難完全擁有且儀器臺數(shù)少；實(shí)驗(yàn)采取分組模式，一大組同學(xué)面對一臺儀器，試驗(yàn)的時(shí)間拉長，很多同學(xué)不愿等待就離開實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)報(bào)告抄襲別人的數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)驗(yàn)存在的危險(xiǎn)性或安全性比化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)要大，教師很難指導(dǎo)更多的實(shí)驗(yàn)組數(shù)；學(xué)生數(shù)的增加與執(zhí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃的矛盾愈來愈突出等，能否保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果，對儀器分析課程的教學(xué)效果影響較大。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗(yàn)室同真實(shí)實(shí)驗(yàn)室有著較大的差別，在時(shí)間、空間、經(jīng)費(fèi)投入等方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，能夠彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室之不足，因而在各個(gè)高校廣泛推廣。

1.自由度大。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以不受時(shí)間及空間的限制，甚至可以利用網(wǎng)絡(luò)化手段提高效率。

2.節(jié)省投入。節(jié)省學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的投入，目前許多高等院校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面均有經(jīng)費(fèi)投入不足的問題，而利用虛擬實(shí)驗(yàn)室可以充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的功能，通過網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)資源共享，避免大型、貴重儀器設(shè)備的重復(fù)購置。

3.安全系數(shù)高。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會由于操作不當(dāng)或者其他原因面臨危險(xiǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)室可有效避免這個(gè)問題。

三、實(shí)驗(yàn)課程的改革過程

我院引進(jìn)了大連理工大學(xué)的儀器分析實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件，它提供了氣相色譜、液相色譜、原子吸收、紅外光譜等儀器模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)軟件。

我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在大連理工大學(xué)制作的現(xiàn)代儀器分析虛擬實(shí)驗(yàn)室課件的基礎(chǔ)上建立實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)，幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)工作。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路，是使學(xué)生方便地在實(shí)驗(yàn)前了解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和相關(guān)基本理論及儀器的構(gòu)造和操作過程，而且通過測試題目可以讓每個(gè)學(xué)生在課前自我檢查實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)情況；對每個(gè)學(xué)生及全班學(xué)生測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，使教師及時(shí)了解學(xué)生個(gè)體及總體對實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)情況和掌握程度，便于發(fā)現(xiàn)問題，從而有的放矢地進(jìn)行課堂講解。這樣既加強(qiáng)了教師實(shí)驗(yàn)課講解的針對性，又使教師把主要精力用于觀察和指導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能，更合理有效地利用實(shí)驗(yàn)課內(nèi)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)安排上采用分組模式，一個(gè)大組20-30人，每大組包含8-10個(gè)小組，實(shí)驗(yàn)先安排學(xué)生進(jìn)入機(jī)房模擬，模擬完成后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是依次完成的，時(shí)間上消耗比較長，今后需要進(jìn)行改進(jìn)。

例如在液相色譜實(shí)驗(yàn)中，我們在實(shí)驗(yàn)前先讓學(xué)生利用液相色譜實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。液相色譜實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室能應(yīng)用于儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流程及主要部件介紹、原理演示，實(shí)驗(yàn)條件選擇及色譜分析實(shí)驗(yàn)全過程仿真模擬。

1.儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹。運(yùn)行軟件后，首先出現(xiàn)的是液相色譜結(jié)構(gòu)流程界面。界面中給出高壓泵、梯度淋洗裝置、進(jìn)樣裝置、液相色譜分離柱、紫外檢測裝置等液相色譜的主要組成部分。高壓泵和紫外檢測器給出內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)了解液相色譜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、高壓泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流程等。用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊高壓進(jìn)樣閥，出現(xiàn)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖，雙擊示意圖隱藏。將鼠標(biāo)移動到淋洗液比例調(diào)節(jié)指示板上，按住鼠標(biāo)左鍵拖動，顯示甲醇—水比例，選擇合適的淋洗液比例。點(diǎn)擊檢測器，出現(xiàn)紫外檢測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，分析時(shí)可觀察到分離組分經(jīng)過檢測器時(shí)產(chǎn)生信號，記錄儀記錄色譜峰的過程。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)M與分離原理演示。首先選擇試樣（稠環(huán)芳烴）、固定相（ODS）、流動相（甲醇—水）、流速及梯度淋洗液比例。如果選擇的試樣與分離條件不合適，將提示重新選擇。點(diǎn)擊高壓泵按鈕開始工作，高壓泵按比例吸取淋洗液，廢液瓶中有液滴流出。點(diǎn)擊檢測器，顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于觀察組分經(jīng)過光路時(shí)信號產(chǎn)生情況。點(diǎn)擊“進(jìn)樣器”和“取樣”按鈕，調(diào)出進(jìn)樣器和試樣瓶。分別點(diǎn)擊進(jìn)樣口和取樣口位置（圖中連接管的喇叭口位置），可以使進(jìn)樣器位于取樣位置或進(jìn)樣位置。首先點(diǎn)擊取樣口，將進(jìn)樣器放在取樣位置，左鍵點(diǎn)擊進(jìn)樣器活塞拉桿，進(jìn)樣器連接到取樣口上。繼續(xù)用鼠標(biāo)左右鍵點(diǎn)擊進(jìn)樣器活塞拉桿可以上下移動活塞拉桿，吸取試樣溶液。清洗進(jìn)樣器后，抽取一定量試樣。點(diǎn)擊進(jìn)樣器外突圓環(huán)，進(jìn)樣器與取樣口脫離。點(diǎn)擊進(jìn)樣口，將進(jìn)樣器放在取樣位置，左鍵點(diǎn)擊進(jìn)樣器活塞拉桿，進(jìn)樣器連接到進(jìn)樣口上。繼續(xù)用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊進(jìn)樣器活塞拉桿，將試樣推入六通進(jìn)樣器的定量管中。用鼠標(biāo)左右鍵點(diǎn)擊高壓進(jìn)樣器的手柄，可以轉(zhuǎn)動手柄。手柄與屏幕平行時(shí)，才能將試樣充入定量管。定量管充滿試樣后（變綠色）點(diǎn)擊高壓進(jìn)樣器的手柄，使之與屏幕呈垂直位置，淋洗液流過定量管，分析開始，記錄儀開始記錄。試樣經(jīng)過分離柱時(shí)，隨著淋洗液的流動，試樣被逐漸分離（用不同色帶代表組分）。組分流出分離柱進(jìn)入檢測器時(shí)，吸收紫外光，產(chǎn)生信號，記錄儀記錄下一個(gè)色譜峰。組分全部流出后，使進(jìn)樣閥手柄處于平行位置，推動進(jìn)樣器使定量管充滿，再次進(jìn)行分析。改變淋洗液中甲醇—水比例（調(diào)大），進(jìn)行分析，可觀察到組分流動速度加快，分離度變小，分離較差。改變試樣和分離條件，觀察分離情況。每次記錄儀停止記錄后，可通過用鼠標(biāo)左右鍵點(diǎn)擊記錄儀畫圖區(qū)，上下移動色譜圖觀察色譜峰。

3.思考題。點(diǎn)擊“提問”按鈕，出現(xiàn)提問面板，給出思考題。點(diǎn)擊雙尖頭按鈕，可以向前或向后選擇思考題。

通過運(yùn)用儀器分析虛擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生初步掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，教師在上課時(shí)就不用每次都費(fèi)時(shí)費(fèi)力地作詳細(xì)講解，這樣可以大大減少實(shí)驗(yàn)講解的時(shí)間，騰出更多的時(shí)間和精力指導(dǎo)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)操作技能和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)前的虛擬實(shí)驗(yàn)初步掌握實(shí)驗(yàn)操作的基本程序，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)自信心，使得實(shí)驗(yàn)失敗的人次和操作失誤的現(xiàn)象明顯減少，特別是使儀器故障的概率大幅度下降，有利于保障儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動的順利進(jìn)行。

四、結(jié)果與討論

1.通過課程改革，學(xué)生接觸儀器和操作儀器的熟練程度有所提高，學(xué)習(xí)興趣和成績有所提升。通過模擬軟件，學(xué)生對儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更深的了解，填補(bǔ)原來實(shí)驗(yàn)學(xué)生覺得看到的只是儀器的外殼，操作上更有目的性。

2.通過網(wǎng)絡(luò)資料的查找和比對，加深對理論知識的掌握和認(rèn)識，對課程的學(xué)習(xí)目的和意義有更明確的認(rèn)識。學(xué)生主動了解儀器使用過程中的注意事項(xiàng)，能動性加強(qiáng)，同時(shí)了解儀器分析的新知識和發(fā)展趨勢，更有助于學(xué)生適應(yīng)社會。

3.課程改革過程中，存在一些問題：（1）改革面向的學(xué)生主要是大四的畢業(yè)生，心態(tài)比較浮躁，因?yàn)樵黾恿嗽囼?yàn)環(huán)節(jié)，時(shí)間上比以前有所增加，學(xué)生的出勤情況有所下降。（2）學(xué)生在機(jī)房不按照老師的安排進(jìn)行資料的收集，致使學(xué)習(xí)效果不好；有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間比較長。（3）根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度，后續(xù)要求學(xué)生根據(jù)生活實(shí)際，設(shè)計(jì)綜合性試驗(yàn)，但只有一個(gè)三年的班級能夠完成，其他班級以時(shí)間緊為借口沒有進(jìn)行。對于已經(jīng)完成的班級，完成效果是不錯(cuò)的。

對于多媒體軟件，學(xué)生反映窗口比較簡單，另外沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，今后可以借助錄像視頻改善圖片和flash不夠生動和逼真感不強(qiáng)的問題。

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