虛擬仿真技術(shù)在儀器分析實驗的作用

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摘要：儀器分析是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，能夠培養(yǎng)學(xué)生對大型儀器認知和應(yīng)用的能力。在新時期人才培養(yǎng)背景下，傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學(xué)模式不能滿足社會人才需要。本文結(jié)合實驗教學(xué)現(xiàn)狀，就儀器分析實驗教學(xué)存在的問題、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、實驗教學(xué)模式、改革的意義等四個方面進行分析和探討，初步探索了虛擬仿真對于儀器分析實驗教學(xué)改革的重要性，為其推廣應(yīng)用提供理論支持。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；儀器分析；實驗教學(xué)改革

儀器分析是一門理論性和實踐性很強的學(xué)科。它是很多專業(yè)課程的基礎(chǔ)，因此，是高校人才培養(yǎng)的重要課程之一[1]。儀器分析實驗教學(xué)是本門課程重要的組成部分，能培養(yǎng)學(xué)生大型儀器的操作能力，為檢測分析和科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)[2]。其實驗課與課堂上學(xué)習(xí)到的理論知識緊密相連，能夠更加透徹地將知識點展現(xiàn)給學(xué)生，有利于學(xué)生對知識的理解和鞏固，增進學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新能力[3]。隨著教學(xué)觀念的不斷更新、科技水平的不斷進步，社會對人才質(zhì)量的要求日益提高。這需要教育工作者不斷思考，尋找新的方法，以培養(yǎng)符合社會需要的應(yīng)用型人才為目標。因此，引進新的實驗教學(xué)手段、教學(xué)方法具有重要意義。

一、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)不斷推陳出新。多媒體技術(shù)、微電子技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)、人工智能技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫及人機交互等高新技術(shù)具有逼真性、交互性、沉浸性等特點，為虛擬仿真技術(shù)提供了有力的支撐。目前，國內(nèi)很多高校為了滿足人才培養(yǎng)的需要，將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)，包括實驗教學(xué)，使實驗更豐富、更逼真，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有益于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，獲得了很好的教學(xué)效果。天津中醫(yī)藥大學(xué)國大亮等[4]對3D打印制藥虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)進行了探索，采用開放式教學(xué)模式，促進學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。河北科技大學(xué)馬世博等[5]結(jié)合實驗特點和存在的問題，建設(shè)材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，基于Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成了一套完整的材料成型及控制工程課程虛擬實驗教學(xué)體系，有效地增強了實驗教學(xué)的靈活性和教學(xué)資源的共享性。西南大學(xué)龔成斌等[6]借助虛擬教學(xué)平臺對材料分析技術(shù)課程進行改革，更新了教學(xué)內(nèi)容，強化了實驗教學(xué)，改革成效良面顯微鏡虛擬仿真實驗進行探討，通過討論，得出虛擬仿真技術(shù)是醫(yī)學(xué)教育重要的輔助手段之一的結(jié)論。華中師范大學(xué)朱家華等[8]對面向師范生核心素養(yǎng)培育的虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用進行研究，認為虛擬仿真實驗平臺在提高師范生探究能力和高級思維能力、提升信息素養(yǎng)水平等方面具有積極作用。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)曾朝喜等[9]將慕課環(huán)境下的食品工藝學(xué)實驗與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，總結(jié)新形勢下虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)中的優(yōu)勢和問題，為實驗課的開展提供了依據(jù)。目前，很多高校將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，包括醫(yī)療、生物、食品、化學(xué)、電子技術(shù)等方向，從教學(xué)方法角度考慮，是探索，也是進步。這是一種新的教育手段，在不斷地更新完善中，本文就當(dāng)代人才需求和儀器分析實驗課的特點，探索基于虛擬仿真技術(shù)對儀器分析實驗課進行改革，希望對提高教學(xué)效果，培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生起到積極作用。虛擬仿真實驗教學(xué)方法能及時反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，快速獲取學(xué)生對實驗教學(xué)的反饋，有助于教師總結(jié)經(jīng)驗，不斷改進教學(xué)方法。由此可見，虛擬仿真實驗教學(xué)是一種經(jīng)濟、高效、安全的教學(xué)方式，可提高學(xué)生專業(yè)能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型藥學(xué)人才提供保障，保證人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

二、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于儀器分析實驗教學(xué)的探索

根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的特點，教師可以本著人才培養(yǎng)方案、儀器分析課程的特點、儀器分析實驗課程內(nèi)容等，將其與實驗教學(xué)結(jié)合，建立虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。平臺包括四個方面：虛擬仿真實驗課模塊設(shè)置、虛擬仿真實驗要求設(shè)置、虛擬仿真實驗任務(wù)設(shè)置、虛擬仿真實驗課效果評價體系的建立等。本文以原子吸收光譜儀的使用為例，介紹實驗教學(xué)平臺[10-11]，具體如下。

（一）虛擬仿真實驗課模塊設(shè)置

開發(fā)者根據(jù)原子吸收光譜儀的特點和需要掌握的內(nèi)容設(shè)置實驗?zāi)K，包括儀器工作原理的展示模塊、儀器結(jié)構(gòu)展示模塊、儀器操作和數(shù)據(jù)處理模塊、儀器維修維護模塊等四個部分：以交互動畫和3D仿真形式，展示原子吸收光譜儀的工作原理；介紹儀器外部和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造；模擬逼真的實驗環(huán)境和場景，讓學(xué)生按照實驗操作步驟依次獨立完成操作內(nèi)容，使學(xué)生身歷其境，感受原子吸收光譜儀操作的整個過程，使學(xué)生更系統(tǒng)地掌握儀器的相關(guān)知識。

（二）虛擬仿真實驗要求設(shè)置

此部分主要針對儀器操作和數(shù)據(jù)處理模塊。儀器工作原理的展示模塊和儀器結(jié)構(gòu)展示模塊起到預(yù)習(xí)和加深理解的作用。儀器維修維護模塊是對傳統(tǒng)實驗課的改革。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式是學(xué)生通過實驗教師的講解來掌握知識。本文提出結(jié)合虛擬仿真手段來學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了對知識體系更好的補充。仿真儀器操作和數(shù)據(jù)處理模塊中的每一個步驟都有相應(yīng)的實驗內(nèi)容、要求和注意事項。實驗要求通過動畫的形式導(dǎo)入，包括每個步驟的操作規(guī)程和儀器使用操作規(guī)程等。在仿真操作前，教師先播放這些實驗要求，讓學(xué)生認真對待實驗，知道此次實驗課需要掌握和熟悉的知識要點，以順利完成試驗任務(wù)。

（三）虛擬仿真實驗任務(wù)設(shè)置

此部分也是主要針對儀器操作和數(shù)據(jù)處理模塊的。針對課堂上需要學(xué)生掌握的原子吸收光譜儀的使用要點，實驗教師根據(jù)實驗要求，為學(xué)生設(shè)置相應(yīng)的實驗任務(wù)。學(xué)生完成此次課程的所有實驗任務(wù)，就能完成本次實驗項目。學(xué)生獨立地帶著任務(wù)進行操作，改變了傳統(tǒng)實驗中分組進行存在的弊端，使每個人都能身臨其境地感受實驗氛圍，切身體會每個操作步驟，使他們的學(xué)習(xí)具有連貫性、整體性，使虛擬仿真實驗的設(shè)置能發(fā)揮它的優(yōu)勢，提升了實驗教學(xué)水平，也提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（四）虛擬仿真實驗課效果評價體系的建立

為了評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，開發(fā)者需要建立虛擬仿真實驗課評價體系。對于情景展示、原理展示、課堂補充這幾部分內(nèi)容，開發(fā)者要建立題庫。學(xué)生在完成實驗后，就進入題庫測試。測試的試題是隨機的。學(xué)生在測試后會得到一個分數(shù)。另外，在仿真儀器操作和數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生完成每個實驗任務(wù)的實際情況，給出相應(yīng)操作分數(shù)。這兩部分分數(shù)統(tǒng)計在一起，就是學(xué)生本次實驗的得分，可用來衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。以上內(nèi)容是儀器分析實驗的實施方案。它需要不斷完善，基于虛擬仿真技術(shù)模擬實際操作環(huán)境，利用虛擬的環(huán)境地圖、幫助提示等功能引導(dǎo)學(xué)生進行實驗操作，保證學(xué)習(xí)的連貫性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、虛擬仿真技術(shù)在儀器分析實驗改革中的作用

網(wǎng)絡(luò)發(fā)達的時代對人才培養(yǎng)要求日益提高。因此，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)是一個必然的發(fā)展趨勢[12]。虛擬仿真技術(shù)引入儀器分析實驗教學(xué)具有以下優(yōu)點：1.虛擬仿真技術(shù)運用現(xiàn)代化電子技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)手段，建立了生動逼真、易于交互的實驗教學(xué)場景，使一些抽象的實驗條件形象化，讓枯燥無趣且難懂的知識點變得生動有趣，激發(fā)了學(xué)生對本門課程的興趣，有助于提高課程教學(xué)效果。2.虛擬仿真實驗教學(xué)可以使學(xué)生更系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握知識，培養(yǎng)學(xué)生的整體思維，增加他們學(xué)習(xí)的深度和廣度。3.虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)能夠解決實驗器材缺乏及實驗材料耗損率高等問題。4.虛擬仿真技術(shù)能夠保證實驗的連貫性，使一些周期長、難以實際展開的實驗項目有效、完整地進行，保證實驗教學(xué)體系的完整性。5.虛擬仿真實驗教學(xué)能夠大大降低實驗的危險系數(shù)，保證一些具有危險性且安全系數(shù)低的實驗安全進行，給師生營造一個安全、良好的實驗教學(xué)環(huán)境。由于人才培養(yǎng)方案的要求，有些具有危險性的實驗不能刪減，要求學(xué)生必須掌握。因此，虛擬仿真技術(shù)的引入尤為重要。它既提高了實驗的安全性，又能保證學(xué)生完整地掌握知識體系。除此之外，考慮到儀器分析實驗課的特點，有些實驗項目還存在一些問題，如實驗成本過高、耗損量大、硬件配套設(shè)施不足等。為了避免這些問題，教師可引入虛擬仿真技術(shù)。它能保證每名學(xué)生都能在虛擬但逼真的實驗環(huán)境中完成相應(yīng)的實驗內(nèi)容，使學(xué)生更好地掌握相關(guān)大型儀器的原理和操作要點，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的能力，為其今后的就業(yè)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)[13]。

四、結(jié)束語

為了提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量，推進實驗教學(xué)的發(fā)展，本文探討虛擬仿真技術(shù)與儀器分析實驗的結(jié)合，對虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用于儀器分析實驗課的探索及其作用等方面進行總結(jié)。通過對虛擬仿真技術(shù)介紹，我們知道，它是一種新型教學(xué)模式，不僅可以應(yīng)用于理論教學(xué)，而且可以應(yīng)用于實驗教學(xué)，還能解決一些傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，在保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的同時，更注重學(xué)生創(chuàng)新能力和興趣愛好的培養(yǎng)，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)[14]。另外，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補充，能共享優(yōu)質(zhì)實驗資源，將不易理解、掌握的知識點通過虛擬動畫的方式表現(xiàn)出來，幫助學(xué)生理解、學(xué)習(xí)，吸引學(xué)生的注意力，激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使儀器分析實驗更綠色、安全，更符合當(dāng)代儀器分析實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢。因此，虛擬仿真技術(shù)的引入具有積極意義[15]。

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作者：楊波 王燁 李波 張煒煜 許佳明 陳雷 單位：長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院