虚拟实验室在食品专业仪器分析实验教学中的应用

杜磊++杜娟

摘 要： 本文从分析仪器分析实验的特点入手，通过分析虚拟实验室的优势及对学校教学的促进作用，提出仪器分析实验的课程改革过程及考评方法，从实际效果看，达到预期的改革效果。

关键词： 仪器分析实验 虚拟实验室 课程改革

一、仪器分析实验的特点

分析化学内容多而杂是大家公认的，与化学分析相比，仪器分析的理论性、实用性更强，发展速度更快。仪器分析要求学生既要掌握好常规方法的基础理论和实验技能，又要了解当今学科发展现状和发展趋势。学生要了解和掌握仪器分析的最新方法，以更好地适应社会。要学好仪器分析课程，仪器分析实验至关重要。仪器分析实验的特点：

（1）仪器分析实验所涉及的各种仪器更新换代快，涉及的相关学科比较多，如物理学、化学、电子技术和计算机技术等。

（2）仪器结构复杂，理论较抽象，难以接受；所需的仪器大都昂贵，一般院校很难完全拥有且仪器台数少；实验采取分组模式，一大组同学面对一台仪器，试验的时间拉长，很多同学不愿等待就离开实验室，试验报告抄袭别人的数据。

（3）实验存在的危险性或安全性比化学分析实验要大，教师很难指导更多的实验组数；学生数的增加与执行实验教学计划的矛盾愈来愈突出等，能否保证实验教学质量和效果，对仪器分析课程的教学效果影响较大。

二、虚拟实验室的优势

虚拟实验室同真实实验室有着较大的差别，在时间、空间、经费投入等方面表现出很大的优势，能够弥补真实实验室之不足，因而在各个高校广泛推广。

1.自由度大。学生利用虚拟实验室进行实验，可以不受时间及空间的限制，甚至可以利用网络化手段提高效率。

2.节省投入。节省学校在实验室建设方面的投入，目前许多高等院校在实验室建设方面均有经费投入不足的问题，而利用虚拟实验室可以充分发挥现有设备的功能，通过网络还可以实现资源共享，避免大型、贵重仪器设备的重复购置。

3.安全系数高。学生在实验室进行实验时，可能会由于操作不当或者其他原因面临危险，虚拟实验室可有效避免这个问题。

三、实验课程的改革过程

我院引进了大连理工大学的仪器分析实验模拟软件，它提供了气相色谱、液相色谱、原子吸收、红外光谱等仪器模拟实验的教学软件。

我们在实验教学中，在大连理工大学制作的现代仪器分析虚拟实验室课件的基础上建立实验预习系统，帮助学生进行实验前的预习工作。实验预习系统的基本设计思路，是使学生方便地在实验前了解实验的内容和相关基本理论及仪器的构造和操作过程，而且通过测试题目可以让每个学生在课前自我检查实验的预习情况；对每个学生及全班学生测试结果的统计报告，使教师及时了解学生个体及总体对实验的预习情况和掌握程度，便于发现问题，从而有的放矢地进行课堂讲解。这样既加强了教师实验课讲解的针对性，又使教师把主要精力用于观察和指导学生掌握实验技能，更合理有效地利用实验课内时间。实验安排上采用分组模式，一个大组20-30人，每大组包含8-10个小组，实验先安排学生进入机房模拟，模拟完成后进入实验室操作。因为实验是依次完成的，时间上消耗比较长，今后需要进行改进。

例如在液相色谱实验中，我们在实验前先让学生利用液相色谱实验虚拟实验室进行模拟实验。液相色谱实验虚拟实验室能应用于仪器内部结构、流程及主要部件介绍、原理演示，实验条件选择及色谱分析实验全过程仿真模拟。

1.仪器内部结构介绍。运行软件后，首先出现的是液相色谱结构流程界面。界面中给出高压泵、梯度淋洗装置、进样装置、液相色谱分离柱、紫外检测装置等液相色谱的主要组成部分。高压泵和紫外检测器给出内部结构，可以使学生学习了解液相色谱内部结构、高压泵内部结构及流程等。用鼠标右键点击高压进样阀，出现阀内部结构及工作原理示意图，双击示意图隐藏。将鼠标移动到淋洗液比例调节指示板上，按住鼠标左键拖动，显示甲醇—水比例，选择合适的淋洗液比例。点击检测器，出现紫外检测器内部结构原理图，分析时可观察到分离组分经过检测器时产生信号，记录仪记录色谱峰的过程。

2.实验模拟与分离原理演示。首先选择试样（稠环芳烃）、固定相（ODS）、流动相（甲醇—水）、流速及梯度淋洗液比例。如果选择的试样与分离条件不合适，将提示重新选择。点击高压泵按钮开始工作，高压泵按比例吸取淋洗液，废液瓶中有液滴流出。点击检测器，显示内部结构，便于观察组分经过光路时信号产生情况。点击“进样器”和“取样”按钮，调出进样器和试样瓶。分别点击进样口和取样口位置（图中连接管的喇叭口位置），可以使进样器位于取样位置或进样位置。首先点击取样口，将进样器放在取样位置，左键点击进样器活塞拉杆，进样器连接到取样口上。继续用鼠标左右键点击进样器活塞拉杆可以上下移动活塞拉杆，吸取试样溶液。清洗进样器后，抽取一定量试样。点击进样器外突圆环，进样器与取样口脱离。点击进样口，将进样器放在取样位置，左键点击进样器活塞拉杆，进样器连接到进样口上。继续用鼠标左键点击进样器活塞拉杆，将试样推入六通进样器的定量管中。用鼠标左右键点击高压进样器的手柄，可以转动手柄。手柄与屏幕平行时，才能将试样充入定量管。定量管充满试样后（变绿色）点击高压进样器的手柄，使之与屏幕呈垂直位置，淋洗液流过定量管，分析开始，记录仪开始记录。试样经过分离柱时，随着淋洗液的流动，试样被逐渐分离（用不同色带代表组分）。组分流出分离柱进入检测器时，吸收紫外光，产生信号，记录仪记录下一个色谱峰。组分全部流出后，使进样阀手柄处于平行位置，推动进样器使定量管充满，再次进行分析。改变淋洗液中甲醇—水比例（调大），进行分析，可观察到组分流动速度加快，分离度变小，分离较差。改变试样和分离条件，观察分离情况。每次记录仪停止记录后，可通过用鼠标左右键点击记录仪画图区，上下移动色谱图观察色谱峰。

3.思考题。点击“提问”按钮，出现提问面板，给出思考题。点击双尖头按钮，可以向前或向后选择思考题。

通过运用仪器分析虚拟实验，使学生初步掌握实验教学内容，教师在上课时就不用每次都费时费力地作详细讲解，这样可以大大减少实验讲解的时间，腾出更多的时间和精力指导学生提高实验操作技能和发展学生的创造性思维，从而提高实验教学效率。学生通过实验前的虚拟实验初步掌握实验操作的基本程序，增强实验自信心，使得实验失败的人次和操作失误的现象明显减少，特别是使仪器故障的概率大幅度下降，有利于保障仪器分析实验教学活动的顺利进行。

四、结果与讨论

1.通过课程改革，学生接触仪器和操作仪器的熟练程度有所提高，学习兴趣和成绩有所提升。通过模拟软件，学生对仪器的内部结构有更深的了解，填补原来实验学生觉得看到的只是仪器的外壳，操作上更有目的性。

2.通过网络资料的查找和比对，加深对理论知识的掌握和认识，对课程的学习目的和意义有更明确的认识。学生主动了解仪器使用过程中的注意事项，能动性加强，同时了解仪器分析的新知识和发展趋势，更有助于学生适应社会。

3.课程改革过程中，存在一些问题：（1）改革面向的学生主要是大四的毕业生，心态比较浮躁，因为增加了试验环节，时间上比以前有所增加，学生的出勤情况有所下降。（2）学生在机房不按照老师的安排进行资料的收集，致使学习效果不好；有的实验进行的时间比较长。（3）根据学习进度，后续要求学生根据生活实际，设计综合性试验，但只有一个三年的班级能够完成，其他班级以时间紧为借口没有进行。对于已经完成的班级，完成效果是不错的。

对于多媒体软件，学生反映窗口比较简单，另外没有实时数据传输系统，今后可以借助录像视频改善图片和flash不够生动和逼真感不强的问题。

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