基于虚拟仿真技术的仪器分析实验教学改革思考与探索*

欧丽娟，孙爱明，罗建新，刘 宁，张 萍，王津津

(湖南工学院，湖南 衡阳 421002)

近年来，随着计算机、“互联网+”、多媒体、虚拟现实等技术的蓬勃发展和教育信息化的不断推进，以计算机多媒体技术为基础的虚拟仿真实验已经成为实验教学发展的一个新发向，日益广泛地应用于辅助实验教学[1-4]。虚拟仿真实验教学作为新型的教育手段，具有虚拟性、开放性、实践性、安全性、自主性和灵活性等特点，其探索和实践已成为高校仪器分析实验课程教学改革的主要方向。它不仅为教师教学工作的开展构建了广阔的平台，同时也为学生的自主学习和创新发展开辟了一片新天地。

1 仪器分析实验教学现状

仪器分析实验课程为我院面向化学工程与工艺、应用化学开设的专业基础实验课程，24个学时。由于课时数的限制，仅开设了经典大型精密仪器相关实验：原子吸收光谱仪、红外光谱仪、液相色谱仪、气相色谱仪、紫外光谱仪和荧光光谱仪。仪器设备基本上都是一台，实验中只能对学生分组进行演示。部分同学甚至不能清楚地观察到实验的演示过程，难以达到相关实验的教学目的和要求。同时，实验课的理论教学内容抽象，信息量大，仪器操作复杂，学生难以理解，课前预习不充分，导致实验过程进行不顺利。此外，实验教学考核方式单一，实验教学考核主要由平时表现和实验报告决定，导致学生只注重实验报告书写，而忽略了实验过程的体验，无法体现学生的实际操作能力和创新能力。

2 虚拟仿真实验辅助实验教学优点

虚拟仿真技术是以计算机为控制中心，借助于图形图像、仿真软件、数据库和虚拟现实等技术，营造高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中进行实验[5-8]。虚拟仿真实验教学是一种新型的辅助实验教学模式，具有以下优点：(1)高度仿真的虚拟环境，客观真实生动，可以增强学生的沉浸感和临场感，降低教学难度，提高学生对仪器原理和结构的感性认识和学习兴趣。(2)虚拟仿真实验在网络技术及云计算平台的支撑下，可以突破时间和空间的限制，再现实际实验过程。反复的实验操作，可以加深学生对仪器操作的感性认识和使用熟练程度，为后续实体实验的操作的正确性提供保障，提高实验操作效率，降低仪器设备成本。(3)虚拟仿真实验以“学生为中心”，完整实验教学模块，支持学生自主探索学习实践，可以最大限度的发挥学生的主动性和创造性。(4)虚拟仿真实验系统包含在线测试功能，综合考察学生理论知识、实践过程与实验结果，能更客观公平的反映实践课程的教学质量，鼓励学生积极参与教学的各个环节。

3 虚拟仿真环境下仪器分析实验教学模式改革流程探索

以教学实践中原子吸收光谱仿真实训为例，对“虚拟仿真软件预习操作——多媒体课堂理论教学——虚拟仿真模拟实验操作——实体实验操作”的仪器分析实验教学新模式进行介绍。

(1)虚拟仿真软件预习操作

把虚拟仿真技术引入到仪器分析实验教学的课前预习中，帮助学生进行实验前的预习工作。如图1所示，理论知识模块，包含原子吸收分析的基本原理、原子吸收光谱仪的结构、定量分析方法、测量条件的选择、干扰因素及消除方法等部分。通过鼠标操作，各个部分都有详细的介绍，并且还有相应的动画阐述，可以立体化地更加形象直观地展示仪器的结构。通过虚拟仿真实验室理论知识部分学习模块进行预习，使学生在实验前对分析仪器的相关基本理论、仪器构造和操作方法有初步的感性认识。同时，虚拟仿真实验室的理论测试及智能评价系统可以检查每个学生的预习情况。

图1 原子吸收光谱虚拟仿真实验理论知识模块Fig.1 Theoretical knowledge module in virtual simulation experiment of atomic absorption spectrum

(2)多媒体课堂理论教学

老师根据虚拟仿真实验室测试结果及时了解学生预习程度，并适当的调整实验课堂教师的讲解内容，如放大实验中易错部分、实验操作演示中学生不容易观察到的实验步骤，规范学生实验操作和防止学生在实验知识中出现盲点。将《仪器分析实验》的课堂多媒体教学改革为虚拟仿真实验室理论知识和多媒体教学结合，采用启发式、讨论式、互动式等教学方法，并增加学生讲解比例，使学生能参与到教学过程中，从而培养学生学习积极主动性和表达能力，增进师生间的交流讨论、信息互换，提高仪器分析实验课堂的教学质量。

(3)虚拟仿真模拟实验操作

进入仿真软件实验总览模块。如图2所示。虚拟仿真实验模拟操作内容完整，包括基本原理学习、溶液配制、样品预处理、仪器操作基本流程、数据采集和解析。虚拟仿真实验室可以允许学生自己动手配制、连接、设置和使用虚拟仪器设备，完整地模拟整个实验过程。并且可以实时地展示出实验结果图。如果数据不合理，学生可以进行各种尝试，不断地优化实验的工作条件，以达到理想的实验结果，加深对实验的掌握，不用担心不遵守仪器操作规程而导致仪器出现故障。此外，学生可以对仪器设备操作流程进行反复练习，不用考虑实验试剂成本、仪器损耗、安全性等问题。

图2 原子吸收光谱仿真软件实验步骤总览Fig.2 Experimental procedures in virtual simulation experiment of atomic absorption spectrum

仿真软件实验具有智能评分系统，可对学生每个操作步骤进行智能评分。只有模拟实验操作过关的学生，才允许进入到实体实验室进行实体操作。不仅减少实验误差，对仪器设备的保护、维护也起到了很好的作用。学生经过整套的仪器模拟演示，加深对仪器操作的感性认识和使用熟练程度，为后续实体实验的操作的正确性提供保障，提高实验操作效率，培养学生独立思考、敢于探索、不断创新的学习态度。

(4)实体实验操作

教师“面对面”重点介绍仪器结构、工作原理，演示仪器基本操作。学生再进行整个实验和仪器操作，强化实验真实体验。同时，实体实验过程中会面临复杂的预处理、溶液配制、数据错误等真实性问题。学生在实际运行过程中如何及时发现并解决问题，可以提高学生分析和解决实际问题的能力，养成良好的实验习惯和科学素养。

(5)实验教学评价体系

原来的成绩评价主要参照实验数据和计算结果，重结果，而忽略了实验过程和技能培训。改革后的实验教学评价体系分为3个部分：①虚拟仿真实验系统实验考核部分，考察学生理论知识掌握程度；②实体实验考核部分，考察学生实际动手操作能力；③实验报告或小论文考核部分，考察学生记录数据、处理数据的问题分析和解决能力和缜密的科研思维。该评价体系把“过程”与“结果”有机的融合在一起，能更客观公平的反映实践课程的教学质量。

4 结 语

在仪器分析实验中引入虚拟实验教学辅助真实实验教学，可以有效补充实验教学，在一定程度上解决实验仪器台套数不够、担心损坏仪器和存在安全隐患等困局，调动学生学习兴趣和自主性，激发学生学习潜能，提高学生实验操作技能，从而提高实验教学质量和水平。同时，虚拟仿真实验教学对创新实验教学改革与实验教学信息化等具有积极的推进作用。但是，虚拟仿真实验教学不能取代真实的实验环境和实体实验操作，无法锻炼学生的实际动手能力。因此，在虚拟仿真实验教学的推广和应用中，不应盲目地将实验虚拟化。虚拟仿真实验教学只能作为实验教学的辅助模式，必须与实体实验充分的融合在一起，才能更好地服务于应用型创新人才的培养目标。