虛擬仿真技術(shù)在《儀器分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用分析

高冬梅 靳 淼 周 博

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院藥物與化工分院，陜西 楊凌 712100

一、目前《儀器分析》課程實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題

《儀器分析》課程教學(xué)具有理論、實(shí)踐操作并重的特征［1］，而針對(duì)高職學(xué)生開設(shè)的《儀器分析》課程，學(xué)生不僅需要掌握必備的理論基礎(chǔ)知識(shí)，更需要掌握各類分析儀器的操作技能。綜合職業(yè)教育目標(biāo)及現(xiàn)狀分析，《儀器分析》課程實(shí)踐教學(xué)存在以下幾方面問(wèn)題。

（一）教學(xué)設(shè)備不足

《儀器分析》課程最好的教學(xué)方式是理論與實(shí)踐同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)完一種儀器的理論知識(shí)后，可以立刻進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室操作儀器，這樣在鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，學(xué)生可以利用理論知識(shí)去操作儀器。然而，《儀器分析》課程所需教學(xué)儀器一般價(jià)格昂貴、體積大，且分析用試劑、儀器維護(hù)等費(fèi)用較高，很多院校受資金甚至儀器擺放場(chǎng)地的限制［2］，無(wú)法購(gòu)置大量?jī)x器滿足教學(xué)需求。因此，在《儀器分析》課程教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生操作儀器這一重要學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)變成了老師演示，學(xué)生觀看環(huán)節(jié)，學(xué)生的儀器操作技能無(wú)法得到訓(xùn)練。

（二）儀器分析實(shí)踐操作訓(xùn)練實(shí)施質(zhì)量低

高職學(xué)生，學(xué)習(xí)積極性普遍不高，這樣就出現(xiàn)了“老師講不聽，自己操作不會(huì)”的現(xiàn)象。學(xué)生以這種狀態(tài)去操作儀器，對(duì)于學(xué)生來(lái)講是畏難心理，擔(dān)心自己的操作會(huì)損壞儀器，對(duì)于儀器來(lái)講，易損壞。大部分儀器維修費(fèi)用較高，而且儀器一旦損壞，不能及時(shí)維修，就會(huì)導(dǎo)致后面班級(jí)課程無(wú)法進(jìn)行。這種不良現(xiàn)象直接導(dǎo)致《儀器分析》課程的實(shí)踐操作訓(xùn)練無(wú)法高效、高質(zhì)量實(shí)施。

（三）學(xué)生實(shí)踐操作機(jī)會(huì)少

受到儀器數(shù)量等因素的影響，儀器分析實(shí)踐操作教學(xué)環(huán)節(jié)，大部分為老師講完理論后學(xué)生操作一遍，即完成該學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。這樣的環(huán)節(jié)并沒有留給學(xué)生太多思考的余地，學(xué)生在不知其所以然的情況下就匆匆結(jié)束了這個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。學(xué)生缺乏獨(dú)立思考和相互討論的過(guò)程，嚴(yán)重抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性［3］。

二、虛擬仿真技術(shù)概念及其在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）虛擬仿真技術(shù)概念

虛擬仿真技術(shù)是一種用虛擬電子信息系統(tǒng)模擬真實(shí)場(chǎng)景系統(tǒng)的技術(shù)。以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)、各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或假想的系統(tǒng)進(jìn)行模擬、試驗(yàn)研究。可通過(guò)人機(jī)交互、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、傳感技術(shù)等多種手段生成多源信息融合的交互式虛擬動(dòng)態(tài)環(huán)境情景［1］，給用戶視覺、觸覺、聽覺等感官上呈現(xiàn)出虛擬環(huán)境的逼真性。用戶與相關(guān)虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，系統(tǒng)適時(shí)作出相應(yīng)的反應(yīng)，使用戶在符合客觀意識(shí)的環(huán)境下，貼近物體相關(guān)運(yùn)動(dòng)力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，充分滿足其相應(yīng)需求。

（二）仿真技術(shù)的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)誕生于20 世紀(jì)40 年代，在教育、交通等各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

在高職院校的教學(xué)中，應(yīng)用較為廣泛，主要應(yīng)用于以下高職課程的教育教學(xué)中［4］：1.文化基礎(chǔ)課的教學(xué)中，一些學(xué)生難以理解的理論性知識(shí)，教師可以借助虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬演示，進(jìn)一步提升教學(xué)效率；2.高職醫(yī)學(xué)類專業(yè)課程教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)可以模擬人體解剖、外科手術(shù)實(shí)施等情景，能夠幫助學(xué)生體驗(yàn)較為真實(shí)的解剖、手術(shù)等診療［5］過(guò)程；3.高職化工類專業(yè)課程教學(xué)中，學(xué)生可借助虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型分析儀器、化工生產(chǎn)過(guò)程等復(fù)雜儀器、化工過(guò)程的操作與控制，有效提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用與掌握程度；4.高職院校藥品營(yíng)銷、旅游等服務(wù)類專業(yè)教學(xué)中，借助虛擬仿真技術(shù)，模擬真實(shí)的銷售、景觀等場(chǎng)景，增強(qiáng)學(xué)生體驗(yàn)感，能夠有效深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解及應(yīng)用。

三、仿真技術(shù)在《儀器分析》課程教學(xué)中應(yīng)用的必要性分析

（一）經(jīng)濟(jì)實(shí)用［6］

《儀器分析》課程實(shí)踐教學(xué)部分主要用到紫外可見吸收光譜儀、紅外吸收光譜儀、原子吸收光譜儀、氣相色譜儀、高效液相色譜儀幾大類儀器，經(jīng)過(guò)調(diào)研分析，對(duì)實(shí)體儀器與仿真軟件從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性兩個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。

表1 實(shí)體儀器與仿真軟件特征對(duì)比

綜合上表分析情況可見，儀器分析實(shí)踐教學(xué)部分，引入仿真軟件教學(xué)，具有經(jīng)濟(jì)投入少，實(shí)用性高，能耗低，擴(kuò)充容易，使用安全且能高效達(dá)到教學(xué)預(yù)期目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。

（二）安全可靠

實(shí)體儀器設(shè)備在學(xué)生操作過(guò)程中，由于學(xué)生操作不熟練甚至完全不懂，容易出現(xiàn)儀器損壞問(wèn)題，儀器損壞后維修費(fèi)用高，而大型儀器分析仿真軟件是在計(jì)算機(jī)上模擬操作真實(shí)設(shè)備，學(xué)生不與真實(shí)設(shè)備接觸。因此，不會(huì)出現(xiàn)因?qū)W生操作不當(dāng)而導(dǎo)致的儀器損壞、爆炸等不安全事件。

（三）時(shí)間、空間開放

學(xué)生應(yīng)用仿真軟件練習(xí)分析儀器操作使用時(shí)，不需要到真實(shí)的、固定的實(shí)驗(yàn)室，也不需要提前進(jìn)行樣品前處理及試劑準(zhǔn)備，只需要在機(jī)房中登錄仿真系統(tǒng)。在大型分析儀器仿真軟件上模擬完成真實(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，模擬過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)生可不斷去重復(fù)并進(jìn)行分析，找到問(wèn)題的原因，進(jìn)一步扎實(shí)掌握相關(guān)儀器的使用及問(wèn)題排查。因此學(xué)生不會(huì)受到時(shí)間、空間的限制，可隨時(shí)進(jìn)行操作訓(xùn)練，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

四、應(yīng)用效果

（一）提升學(xué)習(xí)效果

高職學(xué)生的特點(diǎn)是“斥理論、親操作”，這類學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)課程中的實(shí)踐操作內(nèi)容興趣極高。但是，大型分析儀器的特征是“貴、精、少”，學(xué)生在使用大型分析儀器的時(shí)候存在畏懼心理，擔(dān)心操作不當(dāng)會(huì)損壞儀器。在《儀器分析》課程教學(xué)中引入大型分析儀器仿真軟件后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成率很高，我們對(duì)石油化工技術(shù)專業(yè)120 名學(xué)生在使用大型分析儀器仿真軟件后的感受、學(xué)習(xí)效果以及仿真操作后真實(shí)實(shí)驗(yàn)成功率等以問(wèn)卷調(diào)查的方式進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 仿真軟件操作與真實(shí)儀器操作喜愛度

圖2 實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度

圖3 各類儀器真實(shí)實(shí)驗(yàn)成功率

綜圖1、圖2、圖3 所述，可得出如下結(jié)論：結(jié)論一，學(xué)生對(duì)大型分析儀器仿真軟件興趣濃厚，120 名學(xué)生中，58%的學(xué)生完全傾向于仿真軟件訓(xùn)練；結(jié)論二，教學(xué)中引入仿真軟件后，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度明顯提高，學(xué)生不論對(duì)儀器工作原理還是儀器操作的熟練程度，以及儀器使用過(guò)程中問(wèn)題排查，都有顯著提高；結(jié)論三，針對(duì)紫外可見分光光度計(jì)、紅外吸收分光光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)、氣相色譜儀、高效液相色譜儀五類儀器進(jìn)行調(diào)研對(duì)比，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)操之前參與了仿真訓(xùn)練，則其真實(shí)實(shí)驗(yàn)成功率比未參與仿真訓(xùn)練，直接進(jìn)行實(shí)操實(shí)驗(yàn)的成功率顯著提高。

（二）提升教學(xué)效率

《儀器分析》課程教學(xué)過(guò)程中由于大型分析儀器仿真軟件的應(yīng)用，能夠有效協(xié)助學(xué)生掌握各類儀器操作流程，同時(shí)能夠強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各類大型精密分析儀器工作原理的理解。學(xué)生通過(guò)仿真軟件的反復(fù)訓(xùn)練，可以高效率、高質(zhì)量處理儀器使用過(guò)程中的各類故障［4］。我們針對(duì)紫外可見分光光度計(jì)、紅外吸收分光光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)、氣相色譜儀以及高效液相色譜儀幾類儀器，相同教學(xué)時(shí)長(zhǎng)下，60 名參與仿真與60 名未參與仿真的學(xué)生實(shí)踐操作掌握情況進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 各類儀器掌握人數(shù)對(duì)比

由圖4 可知，五類常用儀器經(jīng)過(guò)仿真訓(xùn)練后，學(xué)生能夠掌握儀器使用的人數(shù)明顯高于未參與仿真訓(xùn)練學(xué)生掌握儀器使用的人數(shù)。因此，在教學(xué)過(guò)程中，隨學(xué)生對(duì)儀器操作掌握速度的加快，教師教學(xué)效率自然能夠有效提升。

（三）節(jié)約資源

《儀器分析》課程的終極目標(biāo)是學(xué)生能夠熟練操作各類常見分析儀器，要達(dá)到這樣的課程教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生需要經(jīng)歷感知、模仿、練習(xí)、熟練操作四個(gè)基本階段，這需要耗費(fèi)大量的材料，成本較高。引入仿真軟件，學(xué)生可以不受時(shí)間、空間的限制，在仿真軟件上面完成對(duì)各類儀器的感知、模仿、練習(xí)幾個(gè)環(huán)節(jié)，待對(duì)各類儀器有了較為熟悉的認(rèn)知后，再使用真實(shí)儀器進(jìn)行操作，這樣不僅有利于學(xué)生掌握儀器的使用，而且能夠有效降低教學(xué)成本，節(jié)約資源。

總之，基于《儀器分析》課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，非常有必要將虛擬仿真軟件應(yīng)用于《儀器分析》課程教學(xué)，且經(jīng)過(guò)對(duì)120 名學(xué)生的學(xué)習(xí)行為及學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)教學(xué)效果極好?？梢?，將虛擬仿真軟件引入《儀器分析》課程教學(xué)是未來(lái)的必然趨勢(shì)，也能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)室開放提供有效的解決方案［7］。