劉金娜 張迪 梁媛

［摘? ? ? ? ? ?要］? 儀器分析課程具有理論與實踐并重的特點，尤其是理論部分抽象難解，傳統(tǒng)的教學手段和模式已無法激發(fā)學生學習的興趣。分析儀器分析課程教學現(xiàn)狀，指出課程存在的問題，同時闡述了Netlogo虛擬仿真軟件的優(yōu)點，對其應(yīng)用于教學實踐過程的效果進行了分析，并展望了Netlogo軟件在儀器分析課程教學中的應(yīng)用及發(fā)展，旨在為探索Netlogo虛擬仿真軟件融入儀器分析課程教學及考試改革提供實踐基礎(chǔ)。

［關(guān)? ? 鍵? ?詞］? 儀器分析；Netlogo；虛擬仿真建模；教學效果評價

［中圖分類號］? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ［文章編號］? 2096-0603（2024）17-0121-04

儀器分析作為藥學、食品科學、化學工程等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，主要是通過使用儀器設(shè)備測定物質(zhì)的理化性質(zhì)的參數(shù)及參數(shù)變化，來確定其結(jié)構(gòu)組成及含量的一門學科?，F(xiàn)在一些大型制藥企業(yè)已經(jīng)將能否熟練應(yīng)用大型分析儀器作為員工錄用的先決條件[1]。由于儀器分析課程具有理論和實踐性并重的特點，特別是這門課程涉及的儀器工作原理和結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識，傳統(tǒng)的教學手段和模式已經(jīng)無法適應(yīng)信息技術(shù)時代學生接受新知識速度的要求，在枯燥的抽象原理和復(fù)雜的精密儀器結(jié)構(gòu)的講授中顯得尤為突出，呈現(xiàn)出的教學效果也不夠理想。目前各學校大型儀器試驗教學中也存在資源緊張、運行成本高、實驗操作要求高、儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察等問題，影響了實踐教學效果。Netlogo軟件基于現(xiàn)代教育學理念，教師可自行編程建模，實現(xiàn)虛擬仿真可視化教學效果[2]。該軟件由美國西北大學連接學習與計算機建模中心（Center for Connected learning and Computer-Based Modeling，CCL）開發(fā)，目的是為科學研究和教育提供易用且強大的計算機輔助工具[3]。其界面簡潔、語法簡單，深受科學研究者的青睞，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在社會科學和自然科學的研究中[4-7]。此外，Netlogo具有信息可視化、提高認知能力和思維能力的特性，被應(yīng)用于生態(tài)學、生物學、計算機輔助教學、統(tǒng)計實驗等課程教學中[8-10]，但是關(guān)于Netlogo在儀器分析教學改革中的研究鮮有報道。本文首先總結(jié)了儀器分析實踐教學現(xiàn)狀，然后探索了計算機仿真模型運用于儀器分析教學的可能性，旨在為儀器分析課程教學改革提供依據(jù)。

一、儀器分析課程教學現(xiàn)狀

儀器分析是分析化學的分支，為藥學、食品科學、化學工程等專業(yè)的平臺課程，是一門技術(shù)含量高、綜合動手能力強的應(yīng)用課程。授課內(nèi)容包括電化學分析、紫外可見吸收光譜分析、紅外吸收光譜分析、熒光光譜分析、原子吸收光譜分析、氣相色譜分析、高校液相色譜分析等，學科交叉廣，知識點分散，學生理解困難，僅靠課本學習很難真正理解和掌握。

（一）課程內(nèi)容抽象難解

儀器分析課程的理論部分知識點偏多且抽象難解，傳統(tǒng)的授課方式采用講述及PPT演示、圖片展示，尤其在講授原子吸收儀、液相色譜儀、氣相色譜儀的原理時，明顯感受到學生理解困難，雖有部分視頻動態(tài)的呈現(xiàn)形式，但內(nèi)容過于單一、缺乏系統(tǒng)性，多數(shù)情況下學校儀器數(shù)量有限，即便帶領(lǐng)學生在實驗室講解儀器，也不能保證教學效果[11]。加上課時受限，學生獨立操作儀器的機會較少，甚至難以掌握儀器操作的關(guān)鍵要點。

高職院校生源復(fù)雜，學生基礎(chǔ)參差不齊，如果學生課堂上無法及時理解和消化所學，日積月累，學習積極性便會降低，厭學情緒也會提升，此情景下新的教學方法、理念的引入顯得格外重要。若選擇視頻動畫教學、問題引入教學等方法，線上布置作業(yè)，以獎勵的形式鼓勵學生參與其中，雖在一定程度上能調(diào)動學生的積極性，但是學生儀器操作的需求仍無法滿足，對于難理解的知識點也不能通過實踐操作加強記憶。如此，在儀器條件較為有限的前提下，如何增強學生的參與感引導(dǎo)學生主動思考以及如何鍛煉學生的動手能力是本門課程改革的重點。

（二）儀器缺乏保養(yǎng)影響實踐教學效果

目前使用的部分儀器過于陳舊，也缺乏專人保養(yǎng)，導(dǎo)致實踐教學環(huán)節(jié)僅有部分儀器可以正常運行。如上海安亭電子ZYT-2型自動永停滴定儀僅在儀器分析課程實踐教學環(huán)節(jié)使用，每年使用頻次最多不超過2次，由于缺乏對電極的維護，探頭對溶液中的離子不敏感，每次使用前需進行維修與調(diào)試，滴定精密度也受到一定的影響。實驗室所使用的高效液相色譜儀為賽默飛U3000色譜儀，柱子沒有維護，25 cm 長的C18色譜硅膠柱流速保持1 ml/min，純甲醇相下柱壓會達到1300 psi，高于平均值30%，紫外可見分光光度儀也經(jīng)常提示燈的能量偏低需要更換。

（三）課程實踐內(nèi)容設(shè)置與崗位匹配度不夠

2019年國務(wù)院印發(fā)了《國家職業(yè)教育改革實施方案》，指出把職業(yè)技能等級納入專業(yè)課程體系建設(shè)，深化課證融通[12]。儀器分析教學包含理論教學和實踐技能教學兩部分，在原有的教學設(shè)計中未能圍繞課政融通展開，知識點獨立，學生雖然掌握了基本的分析方法及基本儀器實踐操作，但是教學內(nèi)容設(shè)計與實際工作崗位不匹配，缺乏與企業(yè)質(zhì)檢崗位等的適配性。

近年來學校強調(diào)人才培養(yǎng)要以企業(yè)需求為導(dǎo)向，加強實驗技能教學改革，教師也在暑假下知名制藥企業(yè)參與實踐鍛煉，目的是推進校企合作產(chǎn)教融合。然而同一個產(chǎn)品不同企業(yè)的標準有所不同，包括一些前處理的制樣方法也有所差異，這無形中增加了實踐項目設(shè)計的難度。就簡單一個容量瓶定容，有的企業(yè)是手持容量瓶，保持垂直姿勢定容，有的要求放在水平桌面上定容，因此，在課程模塊化設(shè)計與企業(yè)崗位匹配的同時，還應(yīng)規(guī)范學生的實踐操作。

（四）考核形式缺乏合理性

課程傳統(tǒng)的考核形式就是筆試，主要的題型包括單選題、填空題、簡答題和計算題，形式比較死板。實踐考試主要根據(jù)學生的實習報告評定，很難真正實現(xiàn)對學生操作技能的考核。曾經(jīng)嘗試以抽題的形式考查學生的實踐操作技能，但是由于學生數(shù)量龐大、監(jiān)考教師較少、考試周期長等原因，也很難推廣。加之職業(yè)院校的學生基礎(chǔ)知識比較薄弱，采取傳統(tǒng)的方式考核，學生思想壓力過大，積極性并不很高，故需要建立多元評估模式。

二、Netlogo虛擬仿真建模的優(yōu)點

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它可借助計算機理念和技術(shù)在多維信息空間上創(chuàng)建虛擬的信息環(huán)境，使用戶身臨其境，并能通過模擬方式進行反復(fù)練習。與傳統(tǒng)教學枯燥乏味相比，教師采用虛擬仿真進行教學更顯生動形象，其操作場景更加真實，學生能夠在較短時間內(nèi)進入狀態(tài)，并在此情景下進行操作。

近年來，虛擬仿真試驗技術(shù)被廣泛運用于藥劑學、中藥學、藥物化學、藥事管理等課程。如果將虛擬仿真與現(xiàn)實試驗相結(jié)合，不僅可以彌補傳統(tǒng)化學試驗的不足，還能培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、縝密的科研思維和敏銳的科研創(chuàng)新能力。這將大大促進教學質(zhì)量的提升，全面促進教學效果的提升和教育教學模式的變革。

Netlogo是多主體建模仿真集成環(huán)境，特別適合對隨時間演化的復(fù)雜系統(tǒng)進行建模仿真。在Netlogo中，多個移動主體分布在二維空間中，每個主體自主行動，所有主體并行更新，整個系統(tǒng)隨著時間推進而動態(tài)變化，同時提供了多種手段實現(xiàn)仿真運行監(jiān)視和結(jié)果輸出，這使研究從微觀個體行為，到個體相互作用而涌現(xiàn)出來的宏觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系更加便捷和準確[13]。Netlogo收集了許多復(fù)雜系統(tǒng)經(jīng)典模型，涵蓋數(shù)學、物理、化學、生物、計算機、經(jīng)濟、社會等領(lǐng)域。這些模型可以直接運行，也可以供建模人員閱讀經(jīng)典實例的程序代碼，學習建模技術(shù)，或者在研究相關(guān)問題時以此為基礎(chǔ)進行擴展或修改，大大減小了技術(shù)難度和減少了工作量。Netlogo也有自身獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）易操作性

Netlogo實現(xiàn)了社會與自然現(xiàn)象的仿真，平臺的主視界面自帶Patch（瓦片）、Observer（觀察者）、Turtle（海龜）、Link（鏈）等多種類型的Agent[14]，其中海龜為各類不同屬性的獨立個體，可代表人、動植物、汽車、分子等，瓦片為承載海龜?shù)慕M成部分構(gòu)成世界的網(wǎng)絡(luò)，相當于海龜?shù)纳L環(huán)境，可以是整個環(huán)境、一個城市、一片草地等，鏈為連接海龜間的邏輯關(guān)系，觀察者俯瞰由瓦片和海龜組成的二維世界，通過輸入指令，控制主體屬性和行為以達到控制仿真世界運行的目的，適合于隨時間推進演變的復(fù)雜系統(tǒng)建模，如網(wǎng)絡(luò)輿情信息傳播機制研究[15]、人群緊急疏散過程研究[16]、病毒傳播模型的構(gòu)建[17]、氣候變化研究[18]、股指期貨市場交易策略研究等[19]。

Netlogo采用Logo語言，更接近自然語言，且含有許多內(nèi)置命令和語言，使用者僅需使用較少的語句就能實現(xiàn)模型的編譯和調(diào)試，降低了編程難度，有助于研究者改進模型，從而縮短研究周期。軟件的數(shù)據(jù)處理功能強大，導(dǎo)出格式為CSV格式，也可用Excel讀取，可幫助學生以圖表和圖形等形式呈現(xiàn)模型結(jié)果。此外，其操作界面友好，提供了按鈕、滾條、窗口等應(yīng)用模塊，界面還包含一個工作區(qū)和可供選擇的模型元素，在不懂編程的情況下也能有效建模。

（二）軟件兼容性強

Netlogo軟件可在Windows、Linux、Mac OS等操作系統(tǒng)上運行，模型存為Java Applet后，安裝Java1.4.1以上的瀏覽器上也可運行，對電腦的配置要求不高，占用內(nèi)存少，運行速度較快，還能通過添加新命令、函數(shù)和模型定義等拓展功能[20]。

（三）多領(lǐng)域模型庫，教學功能強大

Netlogo軟件可用于多種學科的教學，自帶的模型庫（Models Library）包含課程模型和樣本模型，其中樣本模型包括自然科學領(lǐng)域和社會科學領(lǐng)域，自然科學領(lǐng)域主要涉及生物學、物理、化學、軍事、城市交通等，而社會科學領(lǐng)域主要包括財富分配、謠言傳播、種族隔離等。Netlogo有一個Behavior Space（行為空間）插件，可進行重復(fù)性實驗，可以是相同參數(shù)的重復(fù)性實驗，也可以是調(diào)整參數(shù)進行的重復(fù)性實驗，可減弱仿真系統(tǒng)的隨機性。同時模型庫所提供的經(jīng)典模型可自由切換與修改，為初學者提供學習素材，降低建模難度。此外，Netlogo軟件還可構(gòu)建學生評教仿真模型，模擬隨時間推移學生關(guān)系對評教結(jié)果的影響，結(jié)果表明學生個性對教學評價起決定性作用，缺乏自主性的學生評價會隨著時間推移轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓Ｔu價[21]。

三、Netlogo虛擬仿真建模在儀器分析教學改革中的實踐應(yīng)用

（一）Netlogo在儀器分析中的實例介紹

打開運行Netlogo軟件，從系統(tǒng)自帶的模型中選擇需要的模型，儀器分析屬于化學類范疇，如果教師向?qū)W生提問：“請闡述什么是空間排阻色譜法，它與吸附色譜有何區(qū)別?！备呗殞W生生源復(fù)雜，層次明顯。學生通常不能根據(jù)教師的講解解釋兩者的區(qū)別，若配合Netlogo模型庫中的模型進行驗證，可通過觀察交互界面呈現(xiàn)出的粒子運動趨勢區(qū)分空間排阻色譜和吸附色譜。提問：“如果是微量組分的分離，應(yīng)該選擇哪種空間排阻色譜或是吸附色譜呢？”教師將柱子的長度改變，要求學生預(yù)測分離效果有何變化。例如提問：“隨著柱長的增加或者柱子變窄，分離效果與原先相比是如何變化的？這與你的預(yù)測是一致的嗎？”接著學生修改模型，根據(jù)觀察到的系統(tǒng)呈現(xiàn)并與初始預(yù)測進行比較。

學生使用Netlogo軟件輔助學習后，回答問題的方式從之前的死記硬背轉(zhuǎn)為概念理解與邏輯推理。應(yīng)用Netlogo的學習過程中，A學生很清楚地看到大分子滲入微孔的程度低，滯留時間短；小分子滲入微孔的程度高，滯留時間長。Netlogo可視化的動態(tài)效果能夠促進學生對復(fù)雜和抽象問題的理解，更適合于高職學生的教學，同時該模型提供對應(yīng)的工具和環(huán)境，支持學生參與現(xiàn)象探索，激發(fā)學生學習興趣。

（二）教學效果評價

以筆者所在學院2022級藥學專業(yè)學習儀器分析的80名學生為研究對象，隨機選取藥學25班（41人）為對照組進行常規(guī)教學，藥學26班（39人）為實驗組，基于Netlogo仿真建模進行混合式教學。兩組學生生源來源一致、年齡、性別均無顯著差異。根據(jù)藥學專業(yè)人才培養(yǎng)方案，儀器分析共50學時，理論講授30學時，課上實驗20學時，主要教學內(nèi)容包括電化學分析技術(shù)、光學分析技術(shù)導(dǎo)論、紫外可見吸收光譜分析技術(shù)、紅外吸收光譜分析技術(shù)、熒光光譜分析技術(shù)、色譜分析技術(shù)、氣相色譜分析技術(shù)和高效液相色譜分析技術(shù)等九大部分。

我們以考試成績比較（理論考試結(jié)合實操考試）及問卷調(diào)查的形式對教學效果進行評價，共發(fā)放問卷39份，收回有效問卷39份，回收率為100%。由表1可知，實驗組的平時成績、理論成績、實操成績均顯著高于對照組（u＞2.58）。又對實驗組學生進行了教學滿意度調(diào)查，結(jié)果見圖1。絕大部分學生對Netlogo仿真建?；旌鲜浇虒W表示滿意，其中53.85%的學生表示對Netlogo軟件引入儀器分析教學表示滿意，30.77%的學生表示非常滿意，12.82%的學生表示比較滿意，而2.56%的學生表示不滿意，主要是因為Netlogo軟件自帶模型庫資源受限。

四、結(jié)束語

Netlogo軟件引入儀器分析課程本身就是一個探索的過程，國內(nèi)對Netlogo軟件的研究處于起步階段，軟件自帶資源庫有限，部分內(nèi)嵌化學模型自身也存在缺陷，給使用和推廣造成了一定的不便。但是化學專業(yè)的教師可與計算機專業(yè)教師強強聯(lián)合，借助Java語言對自帶模型進行完善或者編制一些更適合于高職學生的優(yōu)秀模型，這也是一項很有意義的教學研究工作[22]。

在信息化教學改革的時代背景下，利用Netlogo虛擬仿真建模軟件可幫助學生強化重點知識，突破難點知識，培養(yǎng)學生的邏輯推理能力，激發(fā)學習興趣。首先，在一定程度上，Netlogo軟件引入儀器分析課程的確有助于培養(yǎng)學生的自學能力，學生可以通過自行修改參數(shù)，獲取數(shù)據(jù)、曲線圖，實現(xiàn)對界面的控制，模擬整個動態(tài)過程，有助于學生獨立解決實際問題。其次，Netlogo軟件的引入還有利于增強學生的學習效果。實踐證明，實驗組的總評成績高于對照組14.62分，且差異顯著，問卷調(diào)查結(jié)果表明，絕大多數(shù)學生對Netlogo軟件引入儀器分析教學表示滿意。高校儀器資源緊張，不能保證每名學生都能動手操作，但是Netlogo軟件的引用可大大增強學生的參與度，通過模型的演示也可促使教師不斷優(yōu)化教學設(shè)計，活化課堂教學。總之，該模式的引入能有效激發(fā)學生的自學興趣、促進師生互動，教學效果顯著，同時為高職院校儀器分析課程考試改革提供了重要參考。

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◎編輯 馬花萍

①基金項目：楊凌職業(yè)技術(shù)學院教育教學改革基金項目（JG20-74、JG20-48）。

作者簡介：劉金娜（1988—），女，漢族，陜西岐山人，講師，碩士，研究方向：分析化學及儀器分析應(yīng)用研究。

*通訊作者：張迪（1988—），男，漢族，河北石家莊人，講師，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模擬研究。