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(東北農(nóng)業(yè)大學理學院)

一、前言

隨著分析技術(shù)的迅速發(fā)展，新的工藝和分析方法加速了儀器分析課程的發(fā)展。作為現(xiàn)代分析和測試的手段，儀器分析已廣泛應(yīng)用于制藥、生命科學、環(huán)境科學、農(nóng)業(yè)科學、動物科學和食品科學等各個領(lǐng)域。因此，儀器分析課程被認為是高等農(nóng)業(yè)大學非化學專業(yè)學生的重要基礎(chǔ)課程之一。儀器分析實驗是在理論基礎(chǔ)上培養(yǎng)學生對大型儀器的認知、維護、使用及實踐操作技能的實驗課程，是對儀器分析理論教學的有效補充。儀器分析實驗作為高等農(nóng)業(yè)大學的基礎(chǔ)實驗課程之一，上課班級眾多，學生層次高低不同，傳統(tǒng)的實驗教學存在著一些不足。如儀器分析實驗中大型儀器臺套數(shù)有限，學生需分組進行實驗；缺少實際樣品分析，使得學生難以進行實踐操作；大型精密儀器價格昂貴，需專人維修保養(yǎng)，一般教師以演示進行講解，且大型儀器為封閉結(jié)構(gòu)，更使得一部分學生不能真正掌握大型儀器的結(jié)構(gòu)和基本操作原理。基于儀器分析實驗中存在的上述問題，建設(shè)虛擬仿真實驗平臺并應(yīng)用到儀器分析實驗教學中不失為一種好的解決方法。

虛擬實驗室的概念是1989美國弗吉尼亞大學William Wolf提出的。虛擬仿真實驗是利用電腦根據(jù)實驗室的真實環(huán)境構(gòu)建一個虛擬的三維世界，模擬出實驗環(huán)境和實驗對象，使用者可以在該仿真實驗室中進行理論知識學習、虛擬實驗操作、獲得實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理分析。隨著現(xiàn)代科學信息技術(shù)的快速發(fā)展，為了深化信息技術(shù)與教育教學深度融合，國家教育部大力支持虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)工作，拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質(zhì)量和水平。虛擬仿真實驗應(yīng)用于儀器分析實驗教學中，不但可以彌補儀器分析實驗教學中的不足，還可以改進課堂教學方式，提高學生學習的積極性和趣味性，鍛煉學生的實踐操作能力。

二、虛擬仿真實驗平臺在儀器分析實驗教學中的應(yīng)用

1.虛擬仿真實驗平臺介紹

基礎(chǔ)儀器分析實驗是東北農(nóng)業(yè)大學的基礎(chǔ)實驗課程，全校上課班級眾多。為了加深學生對分析方法的基本原理和儀器結(jié)構(gòu)的了解，提高學生對大型儀器的操作技能，調(diào)動學生的學習興趣，為以后的實際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)，應(yīng)用化學系教師與專業(yè)技術(shù)人員遵循“創(chuàng)新”和“發(fā)展”的理念合作，利用3D仿真、VR技術(shù)、AR技術(shù)、動畫技術(shù)、WebGL技術(shù)、OpenGL技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段構(gòu)建了關(guān)于儀器分析實驗的虛擬仿真實驗平臺。該平臺依據(jù)實驗室實際布局搭建模型，按實際實驗過程完成交互，使學生如同身臨其境一般，為學生提供了一個環(huán)境真實、自主學習、內(nèi)容豐富、可全程參與的虛擬仿真實驗平臺。在該平臺上學生可以了解實驗室真實實驗環(huán)境、學習專業(yè)基礎(chǔ)知識、熟悉實驗操作技能、培訓基本動手能力，為進行實際操作奠定良好的理論基礎(chǔ)，特別適合基礎(chǔ)儀器分析實驗教學使用。該平臺包含原子吸收光譜儀、紅外光譜儀、核磁共振光譜儀、氣相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀和液相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀等多個虛擬仿真實驗。

2.虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用實例

以“土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析”實驗為例，在這個實驗中我們需要用到的是液——質(zhì)聯(lián)用儀。液——質(zhì)聯(lián)用儀屬于大型精密儀器，價格比較昂貴，需專人維護保養(yǎng)。如果采用傳統(tǒng)的教學手段講解儀器的原理、結(jié)構(gòu)、定量實驗并對結(jié)果進行分析，學生在整個實驗中是處于被動的聽眾，難以參與到真正的實驗中，使學生感到枯燥乏味，實驗積極性不高，實驗操作能力和數(shù)據(jù)分析能力缺失，難以將所學知識應(yīng)用到實踐中。

針對儀器分析課程教學需求，在以“學生為中心、著力提高學生實踐綜合能力”的教學理念的指導下，專業(yè)教師與技術(shù)人員運用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過3D Max等工具制作仿真資源(模型，貼圖，動畫)，采用Unity3d作為3D引擎，采用C#語言并通過Visual Studio工具進行程序開發(fā)，整合形成基于液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析的虛擬仿真實驗教學軟件。在該軟件上學生可以采用“互動式”預(yù)習、對該實驗的實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗操作過程中的注意事項等知識點進行自主學習。當學生完成預(yù)習步驟后，觀看虛擬實驗操作演示，系統(tǒng)能夠模擬實驗操作中的每個步驟，并加以文字或語言說明和解釋。當學生掌握整個實驗的操作流程后，可以進行在線操作，模擬液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)中液相色譜對多組分樣品的分離及定量分析，并采用質(zhì)譜技術(shù)對農(nóng)藥噻吩磺隆殘留進行定性分析。在線操作過程中，如果學生出現(xiàn)操作失誤，系統(tǒng)會有提示并自動糾錯。實驗?zāi)M結(jié)束，學生可通過操作歷史和評分系統(tǒng)進行記錄追蹤，能快速發(fā)現(xiàn)問題，改正問題，整個實驗過程具有可追溯性。在學生操作仿真軟件過程中，軟件可以把實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄下來并對數(shù)據(jù)進行處理，生成對應(yīng)的譜圖等，學生可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對結(jié)果進行分析得到相應(yīng)的分析報告。

在進行“土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析”實驗時，教師可以把課堂教學與虛擬仿真軟件結(jié)合起來對學生進行教學。課前要求學生在平臺上進行預(yù)習，掌握操作關(guān)鍵點，回答相關(guān)問題。教師線上進行指導，監(jiān)督。課上教師給出教學目標。根據(jù)學生線上預(yù)習情況的統(tǒng)計分析結(jié)果，有目的有重點的結(jié)合仿真操作和軟件自帶知識點動畫視頻資源來教授理論知識，讓學生對液——質(zhì)聯(lián)用儀和檢測方法有基礎(chǔ)理論認知，詳細了解儀器的運行機制和機理。學生可以在該虛擬仿真實驗平臺上對該實驗進行反復(fù)虛擬操作，可以體驗液——質(zhì)聯(lián)用儀的操作流程、方法參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和分析，然后結(jié)合實際儀器，由教師進行實操，并由學生代表進行實操，達到線下和線上相結(jié)合的教學目的。實驗結(jié)束后教師可布置作業(yè)，課后學生可線上復(fù)習、答題、查看教師上傳的多媒體資源。從而解決本科基礎(chǔ)實驗中液質(zhì)聯(lián)用儀的儀器稀少、設(shè)備損耗、學生缺乏主動性等問題。

3.虛擬仿真實驗平臺在儀器分析實驗中的應(yīng)用效果

在儀器分析實驗教學過程中引入虛擬仿真實驗平臺創(chuàng)新了課堂教學模式，使實驗教學不再簡單枯燥乏味，提高了課堂的靈活性及實驗教學效果。學生在虛擬仿真實驗平臺上進行學習，在模擬操作過程中掌握了實驗理論知識及其操作技能，在實踐中獲取經(jīng)驗，取得良好的學習效果。

近五年來，借助儀器分析虛擬仿真實驗平臺為學生科技創(chuàng)新活動提供了有力的支持，我校立項國家級、省級、校級大學生創(chuàng)新實踐訓練計劃項目共80余項，參加人數(shù)和立項比例逐年提高，學生第一作者發(fā)表論文和申報專利數(shù)量大幅度增加。通過儀器分析實驗課程的學習，學生創(chuàng)新能力得到了顯著提高，達到了將理論教學和實驗教學相協(xié)調(diào)、培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的教學目標。虛擬仿真實驗平臺加強了學生參與科研工作的理論基礎(chǔ)及實驗?zāi)芰?，將能力與素質(zhì)培養(yǎng)緊密結(jié)合，為學生的素質(zhì)教育開辟了一條有效途徑，為以后的科研之路奠定了良好的基礎(chǔ)。

三、結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬仿真軟件越來越多的被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，很多的高校、科研院所都積極的構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺。將虛擬仿真實驗平臺引入到儀器分析實驗中不僅可以創(chuàng)新教學模式，提高學生學習的積極性，還可以彌補傳統(tǒng)儀器分析實驗中的一些不足，提高學生的實踐操作能力和分析問題解決問題的能力。雖然使用仿真軟件可以解決傳統(tǒng)實驗中的一些問題，但這并不意味虛擬仿真實驗平臺可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗教學，在實踐教學過程中，仍需要將虛擬仿真軟件與實踐操作相結(jié)合，堅持“能實不虛、虛實接合、優(yōu)勢互補”的原則，確保達到相應(yīng)的教學目的，促進教學質(zhì)量的提升，為培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才提供助力。