胡林燕

摘? 要 隨著儀器分析教學(xué)中各類問題的顯現(xiàn)以及虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在各領(lǐng)域中的良好表現(xiàn)，教育者逐漸意識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)教學(xué)中的作用和價(jià)值，它以新穎的教學(xué)模式吸引著學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中起到有效的輔助作用，還能在一定程度上彌補(bǔ)儀器分析教學(xué)的問題與不足，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，獲得足夠的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐鍛煉，增強(qiáng)科研創(chuàng)新的能力。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn)室;儀器分析;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G482? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）03-0042-02

1 前言

作為近年來新興的一門計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物技術(shù)研發(fā)等方面并取得較好的成效，有望在教育教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮良好的促進(jìn)作用。因此，在儀器分析教學(xué)的未來發(fā)展中，虛擬實(shí)驗(yàn)室的廣泛應(yīng)用便會(huì)是主要方向之一。

2 儀器分析教學(xué)現(xiàn)狀與問題

實(shí)驗(yàn)儀器缺乏? 隨著高等教育普及率日漸提高，各院校學(xué)生人數(shù)大幅攀升，但在專業(yè)課程中所涉及的儀器設(shè)備由于本身價(jià)格昂貴、維修及養(yǎng)護(hù)困難等，無法在短時(shí)間內(nèi)得到快速增添。學(xué)生大多只能通過課本解析，或是教師的教學(xué)示范演示來對(duì)其構(gòu)造、操作使用及原理等有一個(gè)大致和初步的了解，要想更精細(xì)地研究和理解是較為困難的。即使是學(xué)校添置了一部分儀器設(shè)備，也無法達(dá)到一人或兩人一臺(tái)的程度，一般都是以小組為單位完成一次實(shí)驗(yàn)操作，一人負(fù)責(zé)一個(gè)步驟或環(huán)節(jié)，每個(gè)人能上手的機(jī)會(huì)實(shí)際也是很少的，這就直接影響到學(xué)生對(duì)儀器具體的操作步驟和原理的理解。

實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜? 儀器分析的操作過程復(fù)雜，很多實(shí)驗(yàn)都需要提前做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)前期的各項(xiàng)準(zhǔn)備耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中步驟繁多，操作難度較大，加之各環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，一個(gè)環(huán)節(jié)或步驟出現(xiàn)問題，就會(huì)影響到整個(gè)實(shí)驗(yàn)。所以，為保證教學(xué)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)效率，通常情況下過程復(fù)雜煩瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、不易完成的實(shí)驗(yàn)大多由多媒體視頻教學(xué)或是教師演示完成。一方面，學(xué)生難以掌握實(shí)驗(yàn)過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，多數(shù)情況下都是一知半解;另一方面，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與度不高，在自己的獨(dú)立操作過程中就會(huì)出現(xiàn)無法獨(dú)立解決突發(fā)問題的情況。

實(shí)驗(yàn)缺乏創(chuàng)新性? 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和突破往往是在反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得來的，但由于儀器設(shè)備本身就很有限，學(xué)生平時(shí)也不能隨時(shí)接觸和使用儀器，因此無法將自己突發(fā)的靈感或設(shè)想通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證?；跅l件的限制，學(xué)生大多只停留在對(duì)課文內(nèi)容和定理的驗(yàn)證，很少能對(duì)于相同原理的方法進(jìn)行自主的創(chuàng)新應(yīng)用。如教師講授和演示利用氣相色譜法測(cè)定VE膠囊的含量的方法，但是學(xué)生很少會(huì)聯(lián)想到同原理冰片含量的測(cè)定;同樣，學(xué)生學(xué)會(huì)了利用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定在紫外光下有吸收的橙皮苷，卻不會(huì)主動(dòng)想到利用同樣原理的HPLC法去測(cè)定橙皮苷，因此影響實(shí)驗(yàn)的自主創(chuàng)新性。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念、特點(diǎn)和在儀器分析教學(xué)中的作用

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念與特點(diǎn)? 作為現(xiàn)代化教育的一種輔助性技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，由虛擬的實(shí)驗(yàn)臺(tái)、器材庫和管理系統(tǒng)組成，為各類需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的課程提供了新型的教學(xué)方式。學(xué)生可以根據(jù)需要選擇不同儀器，自主調(diào)節(jié)和使用設(shè)備，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，模擬各種實(shí)驗(yàn)，還可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有效提高動(dòng)手操作能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解分析。虛擬實(shí)驗(yàn)室主要體現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1）系統(tǒng)內(nèi)容豐富。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)知識(shí)內(nèi)容廣泛，包含各種完整的實(shí)驗(yàn)步驟及最新儀器、各類器械的詳細(xì)介紹等，學(xué)生也更易獲得常見的實(shí)驗(yàn)器材、化學(xué)物品、藥品材料等，極大地方便了操作。除了可以復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)用品、實(shí)驗(yàn)步驟外，系統(tǒng)還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真操作做出及時(shí)的評(píng)價(jià)和反饋，指出其中的問題，為學(xué)生答疑解惑。

2）生動(dòng)直觀?；谙冗M(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)室將圖、文、形、聲等有機(jī)結(jié)合，生動(dòng)直觀地給學(xué)生展示儀器的操作方法和實(shí)驗(yàn)的過程與原理，既能注重整體，也能精于細(xì)節(jié)。多種實(shí)驗(yàn)器材的三維動(dòng)畫詳解介紹，也能幫助學(xué)生更好地進(jìn)行知識(shí)的記憶和復(fù)習(xí)。

3）示范性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬，對(duì)在不同實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生的波形進(jìn)行仿真，每項(xiàng)常見實(shí)驗(yàn)都有完整規(guī)范的實(shí)驗(yàn)步驟和解析，對(duì)學(xué)生平時(shí)難以接觸到的設(shè)備儀器、不易完成的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)起到示范作用。

4）實(shí)時(shí)檢測(cè)和考核。虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)置考試系統(tǒng)，學(xué)生操作不當(dāng)或是過程出現(xiàn)誤差，系統(tǒng)在最終都可以為其科學(xué)精確地指出，讓學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己存在的問題，并對(duì)學(xué)生當(dāng)下的實(shí)驗(yàn)掌握情況進(jìn)行考核和反饋，幫助學(xué)生改正和進(jìn)步。

虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器分析教學(xué)中的作用? 在教育教學(xué)方面，對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用較多的是儀器分析。對(duì)于教材中眾多的原理，僅憑課本描繪和教師講解，學(xué)生很難透徹理解，很多時(shí)候需要實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)習(xí)。但平時(shí)學(xué)生能進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會(huì)難得，能見到、摸到、親自使用到的儀器也并不多，并且教師在課堂教學(xué)時(shí)無法隨時(shí)就調(diào)取到相關(guān)器材和物品來輔助教學(xué)，因此導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，難以理解所講內(nèi)容。

針對(duì)上述情況，虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器分析教學(xué)中的作用主要體現(xiàn)在：

1）可利用實(shí)驗(yàn)中心的計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)彌補(bǔ)一些消耗大、危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)，節(jié)約成本;

2）學(xué)生可以查詢到不與真實(shí)實(shí)驗(yàn)沖突的大量知識(shí)，達(dá)到加深印象的目的;

3）因其使用不受時(shí)空限制，所以教師可以在教學(xué)時(shí)即時(shí)使用虛擬實(shí)驗(yàn)室來演示實(shí)驗(yàn)，幫助教學(xué)，亦可方便學(xué)生在有需要的時(shí)候能夠自主使用，增強(qiáng)操作能力;

4）先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與課堂教學(xué)的結(jié)合，將抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成圖像、動(dòng)畫，直觀生動(dòng)地展示給學(xué)習(xí)者，從而提高教學(xué)效率。

如河南檢察職業(yè)學(xué)院的潘瑾等人根據(jù)傅里葉變換紅外光譜儀的基本原理，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件，闡述了基于虛擬技術(shù)的傅里葉變換紅外光譜儀的構(gòu)建，通過虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，增加了學(xué)生自己動(dòng)手操作儀器的機(jī)會(huì)，提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的參與感，幫助學(xué)生理解和記憶，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)室在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用策略

虛擬實(shí)驗(yàn)室在氣相色譜中的應(yīng)用? 氣相色譜儀是一種多組混合物的分離、分析工具，應(yīng)用廣泛。將虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用于氣相色譜中，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬和仿真，通過動(dòng)畫、圖像的展示，每位學(xué)生可以清晰地觀察到氣相色譜儀的具體構(gòu)造，熟悉操作后便可親自動(dòng)手進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，之后選擇合適的色譜柱，檢查設(shè)備，設(shè)定檢測(cè)器溫度，直到完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。除此之外，虛擬實(shí)驗(yàn)室靈活方便，學(xué)生還可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，從而增強(qiáng)創(chuàng)造性和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性。

如天津職業(yè)學(xué)院引進(jìn)北京歐倍爾儀器分析設(shè)計(jì)開發(fā)的氣相色譜VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行“乙醇中少量甲醇含量的測(cè)定”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在佩戴好相關(guān)設(shè)備后，虛擬實(shí)驗(yàn)室以交互動(dòng)畫配合文字的形式首先為學(xué)生展示氣相色譜儀的工作原理及構(gòu)造，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行學(xué)習(xí)，再通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體操作，成功完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生隨著畫面對(duì)操作儀器做出相應(yīng)動(dòng)作，還可以在逼真的場(chǎng)景中走動(dòng)，獲得很強(qiáng)的真實(shí)感和體驗(yàn)感。

虛擬實(shí)驗(yàn)室在高效毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用? 高效毛細(xì)管電泳是一類以毛細(xì)血管為分離通道、以高壓電流為動(dòng)力的新型液相分離技術(shù)，處于儀器分析中的前沿領(lǐng)域。一般實(shí)驗(yàn)室不具備這樣的條件，因此，學(xué)生很難接觸到或是進(jìn)行較為詳盡的學(xué)習(xí)。通過虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬出不同分離模式下的不同類型的毛細(xì)血管電泳，讓學(xué)生動(dòng)手操作，在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品的分離分析，便能夠較為清晰地對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟、注意事項(xiàng)及原理有一定的認(rèn)識(shí)和理解，顯示出比傳統(tǒng)教育方式更加靈活方便的教學(xué)，彌補(bǔ)先天現(xiàn)實(shí)條件的不足。

虛擬實(shí)驗(yàn)室在核磁共振中的應(yīng)用? 作為一種先進(jìn)的分析手段，核磁共振波譜法一直以來都在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著難以替代的重要作用。將虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用在核磁共振波譜中，不僅可以打破了教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)空限制，動(dòng)畫形式的演示也將抽象的東西變得更易理解。學(xué)生還可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)室自主調(diào)試設(shè)備儀器，按照自己的學(xué)習(xí)需求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，提高該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的可操作性及安全性，同時(shí)增強(qiáng)動(dòng)手、動(dòng)腦能力，節(jié)省配置實(shí)驗(yàn)室和儀器的費(fèi)用和場(chǎng)地。

虛擬實(shí)驗(yàn)室在原子吸收光譜中的應(yīng)用? 原子吸收光譜分析法具有選擇性好、方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高、分析速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和部門。但由于原子吸收光譜儀器價(jià)格昂貴，操作起來比較復(fù)雜，維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高等，對(duì)沒有條件使用此設(shè)備的學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)造成極大的限制。虛擬實(shí)驗(yàn)室能模擬和再現(xiàn)原子吸收光譜分析實(shí)驗(yàn)完整清晰的過程，改變有限的現(xiàn)實(shí)條件對(duì)學(xué)生在儀器分析學(xué)習(xí)上的限制，學(xué)生也更易理解和掌握，以此滿足更多學(xué)生對(duì)此類學(xué)習(xí)的需求。

如在河南大學(xué)中藥學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，教師就利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“火焰原子吸收光譜法測(cè)定香菇中七種微量元素”的教學(xué)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生首先依次完成儀器調(diào)試、試劑準(zhǔn)備、設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件等步驟，隨后進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)的操作學(xué)習(xí)和自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)失誤和差錯(cuò)，學(xué)生可以隨時(shí)重新進(jìn)行，不僅利于糾正錯(cuò)誤，還可以加深印象。

5 結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)室突破了因儀器不足的現(xiàn)實(shí)條件對(duì)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的限制，讓學(xué)生更加自由地學(xué)習(xí)知識(shí)，增強(qiáng)了創(chuàng)新創(chuàng)造能力，有利于為社會(huì)培養(yǎng)更加全面的復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)

[1]白雁，張娟，潘瑾，等.“虛擬實(shí)驗(yàn)室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（12）：169-171，174.

[2]金幼菊，呂兆林，徐芳，等.林業(yè)高等院校研究生“儀器分析”課程教學(xué)創(chuàng)新探索[J].中國林業(yè)教育，2011，29（4）：60-63.

[3]潘瑾，李永強(qiáng)，白雁.虛擬傅里葉變換紅外光譜儀（IR）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（10）：117-119.