虛擬仿真實驗在環(huán)境專業(yè)儀器分析實驗教學中的應用*

冉 谷,張六一,饒通德

(重慶三峽學院環(huán)境與化學工程學院，重慶 404100)

儀器分析實驗作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在環(huán)境科學學科起到了重要的作用。該實驗課要求通過學習分析方法和基礎(chǔ)理論、掌握儀器構(gòu)造和運行原理、熟悉儀器操作步驟和實驗數(shù)據(jù)處理，具備利用所掌握的知識點解決實際問題。儀器分析實驗是基礎(chǔ)理論與實際操作相結(jié)合的重要橋梁，是培養(yǎng)應用型人才的關(guān)鍵步驟。

隨著科學技術(shù)水平和網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬仿真手段被廣泛運用到教學中[1]。將虛擬仿真技術(shù)應用于儀器分析實驗，打破了傳統(tǒng)實驗教學模式，不但增加了上機操作的機會，延伸了實驗教學空間，而且還可以緩解實驗場地和實驗教學課時不足的問題。因此，將虛擬仿真技術(shù)引入儀器分析實驗是十分必要的。美國弗吉尼亞大學的William Wolf認為虛擬仿真實驗是有別于理論與實驗的第三種設計手段[2]。本文針對虛擬仿真實驗在實驗教學中的重要性進行了分析，同時對虛擬仿真實驗在環(huán)境專業(yè)儀器分析實驗課程教學中的應用進行探討。

1 虛擬仿真實驗在儀器分析實驗教學中的重要性

1.1 傳統(tǒng)儀器分析實驗教學存在的問題

傳統(tǒng)儀器分析實驗教學存在多方面的問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面(1)由于儀器設備數(shù)量不足，使得實驗的開展受到場地和臺套數(shù)的限制，導致實驗教學不能支撐理論教學；(2)在傳統(tǒng)實驗教學過程中，實驗教師一般只對儀器構(gòu)造和原理進行講解，只是簡單示范性進行儀器操作，學生完全按照實驗教材的內(nèi)容和步驟進行實驗操作，這樣不利于學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)；(3)由于儀器設備數(shù)量和教學課時不足，開設實驗內(nèi)容大部分是驗證性實驗，而缺少綜合性和創(chuàng)新性實驗。這種“照本宣科”式的傳統(tǒng)教學模式，使得儀器分析實驗內(nèi)容單一，訓練不足，針對現(xiàn)實中出現(xiàn)的問題，學生很難運用所學知識和操作技能加以解決。

1.2 虛擬仿真實驗的特點

1.2.1 虛擬性

虛擬性是虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)儀器分析實驗的根本區(qū)別。虛擬仿真技術(shù)所營造的環(huán)境是不真實的，是利用計算機等工具模擬出來的虛擬環(huán)境。虛擬仿真實驗中， 儀器設備構(gòu)造和操作流程清楚直觀，學生能很好地了解儀器組成和操作練習。虛擬仿真實驗不但能減少儀器設備配套數(shù)，還能有效地延伸實驗內(nèi)容，如一些操作復雜、耗時長的實驗。

1.2.2 實踐性

現(xiàn)實中儀器分析實驗所需設備和實驗各個組成要素都能在虛擬仿真實驗中一一對應。學生通過虛擬仿真系統(tǒng)，登陸實驗操作平臺，就能夠完全模擬在現(xiàn)實實驗室中的實驗過程，并能夠反復多次練習，不再受儀器設備臺數(shù)少、學時數(shù)不夠和耗材消耗快等因素的制約，同時減少了實驗過程中風險，能有效促進學生學習的興趣和積極性。

1.2.3 互動性

虛擬仿真平臺是基于校園網(wǎng)，學生可以在校園內(nèi)任何地點、任何時間登錄平臺操作練習，不受地點和時間的限制，在課上課下都完成操作練習。學生進行虛擬仿真實驗，每一步操作步驟虛擬仿真系統(tǒng)都會有對應指令，引導學生進行實驗，提高了人機互動性。此外，虛擬仿真平臺具有課后留言、資料上傳、在線答疑等功能，并可以持續(xù)增加系統(tǒng)的功能，提高了平臺資料利用率。

2 虛擬仿真實驗在儀器分析實驗教學中的應用

虛擬仿真實驗具有虛擬性、實踐性和互動性的特點，已逐漸成為一種可用于各類實驗操作的新型實驗教學方式。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬仿真實驗在實驗教學中不但能彌補儀器設備臺數(shù)不足、操作學時不夠和維護成本高等問題，還能讓學生以三維動畫的形式了解儀器設備的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，并模擬儀器設備操作界面進行規(guī)范化操作，從而“舉一反三”，轉(zhuǎn)變學生學習模式和教師教學模式，并大幅提高受益面和輻射面[3-5]。

2.1 色譜類儀器虛擬仿真實驗

色譜類儀器是儀器分析實驗中最常用和應用最廣泛的儀器之一。針對環(huán)境科學專業(yè)的特點，設置了液相色譜虛擬仿真實驗、氣相色譜虛擬仿真實驗和離子色譜虛擬仿真實驗。通過計算機技術(shù)建立了場景化的色譜類虛擬儀器和虛擬實驗室，注重場景交互，增強學生對于實驗的直觀感受和認知。同時，整個色譜類虛擬仿真實驗的模塊化設計更加貼切實驗教學過程，如其分為“實驗介紹”、“實驗原理”、“儀器配置”、“樣品配置”和“幫助說明”六個獨立功能模塊。另外還針對操作模式分別設置了演示、練習和考核三種模式，使學生能夠在觀看動畫演示的的基礎(chǔ)上，進行儀器的操作練習，最后通過測試評價其操作練習的效果。測試評判能及時反饋學生在前期操作練習的結(jié)果，通過分析結(jié)果，能及時找到學生操作過程中的錯誤和不足，然后有針對性的練習加強。這樣起到了循環(huán)鞏固的效果，提高了學生對儀器操作的熟練度和應用能力。

2.2 光譜類儀器虛擬仿真實驗

光譜類儀器也是儀器分析實驗中接觸較多的分析儀器，在樣品定量定性過程起到重要的作用。因此，我們設置了原子吸收光譜虛擬仿真實驗、電感耦合等離子光譜虛擬仿真實驗、紅外光譜虛擬仿真實驗和熒光光譜虛擬仿真實驗。根據(jù)光譜類儀器特點，在虛擬仿真實驗中設置了實驗原理模塊、儀器操作模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和儀器維護模塊。在實驗原理模塊重點介紹儀器工作原理和實驗方法，在儀器操作模塊重點介紹儀器的構(gòu)造和使用；在數(shù)據(jù)分析模塊重點介紹譜圖的分析和數(shù)據(jù)的整理；在儀器維護模塊重點介紹儀器使用注意事項和日常維護保養(yǎng)知識。與色譜類儀器的虛擬仿真實驗相比，光譜類儀器的虛擬仿真實驗更加注重譜圖的解析和數(shù)據(jù)的處理。此外，在光譜類儀器的虛擬仿真實驗教學過程中，通過實施“技能導向、創(chuàng)新應用”的教學模式，可激勵學生學習興趣，真正掌握光譜類儀器的原理和操作。

2.3 其它類儀器虛擬仿真實驗

在儀器設備還有一類儀器屬于精密貴重設備。這一類儀器往往價錢昂貴、操作相對復雜、使用成本較高，所以在儀器分析實驗中未能開設。但是借助虛擬仿真平臺，我們開設了氣相-質(zhì)譜虛擬仿真實驗和X-衍射虛擬仿真實驗。在這些虛擬仿真實驗中，利用計算機3D技術(shù)，可實現(xiàn)在虛擬實驗中優(yōu)化參數(shù)設置、實驗數(shù)據(jù)在線分析，還具備先進的人機互動操作以及實時跟蹤評價功能。與先前的實驗相比，這種虛擬仿真實驗可以不同時間不同次數(shù)的操作練習，避免現(xiàn)實中大型儀器由于不當操作帶來的影響。通過在實際實驗教學應用中證明，虛擬仿真實驗有利于提高教學效率和學生的學習興趣。

3 虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗有機銜接

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前虛擬仿真技術(shù)的功能更加豐富，功能更加強大。虛擬仿真實驗的開發(fā)更加注重真實性和互動性，情景模擬更加逼真，學生操作過程中融入感更好，這些均為儀器分析實驗教學提供了良好的基礎(chǔ)。然而，虛擬仿真實驗還是有其局限性，不能取代傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學，更多地被作為輔助教學的一種有益補充。如何讓虛擬仿真實驗同傳統(tǒng)實驗有機銜接？儀器分析實驗可以通過“虛實”結(jié)合的模式開展教學。通過對實驗內(nèi)容合理設計，對一些不具備實驗教學條件的儀器設備，可以用虛擬仿真實驗代替，避免盲目地將真實環(huán)境中較易實現(xiàn)的實驗項目虛擬化。虛擬仿真實驗是為了滿足學生操作練習的需求，了解最新儀器設備應用進展的窗口，提高學生學習的興趣。

4 結(jié) 語

儀器分析實驗在環(huán)境科學專業(yè)實驗教學中具有重要的作用,對于培養(yǎng)實踐性、創(chuàng)新性人才具有重要意義。虛擬仿真實驗有助于學生加深對儀器工作原理的掌握，有利于將枯燥的知識轉(zhuǎn)化為生動的三維動畫和演示，激發(fā)學生學習興趣和創(chuàng)新能力。但是目前將虛擬仿真實驗應用于儀器分析實驗中，虛擬和實踐過程還處于摸索階段。要將虛擬仿真實驗在儀器分析實驗教學中發(fā)揮最大的作用，還是需要對于實驗不斷的優(yōu)化和改進，通過虛擬仿真技術(shù)突破傳統(tǒng)實驗教學的屏障，從而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。