胡萬群 邵偉

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心 安徽合肥230026)

儀器分析實驗是化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，是基于精密儀器測量表征物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)以確定其化學(xué)組成、含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)的一門課程。目前，儀器分析實驗的開設(shè)過程一般是讓學(xué)生根據(jù)實驗講義和操作步驟，在儀器上測定或分析一些特定的樣品，根據(jù)儀器顯示和記錄的信號來獲取樣品的某些化學(xué)信息。這種教學(xué)方法是必須的也是重要的，但上機(jī)操作的前提是要有相應(yīng)的儀器設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器分析發(fā)展很迅速，新技術(shù)、新方法、新儀器不斷涌現(xiàn)，如何及時將其引入高校的儀器分析實驗教學(xué)之中，讓學(xué)生盡早地學(xué)習(xí)和掌握最新的儀器分析方法和實驗技能，以適應(yīng)科研等方面的實際需要，是儀器分析實驗教學(xué)中值得關(guān)注的課題。

一些已在科研、生產(chǎn)、醫(yī)療及檢驗管理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的大型綜合儀器(如電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(ICP-MS)、氣相色譜紅外光譜聯(lián)用技術(shù)(GC-IR)、透射電鏡技術(shù)(TEM)、掃描電鏡技術(shù)(SEM)等)［1-4］，由于本身價格較為昂貴以及管理和維護(hù)的要求較高等因素，在多數(shù)高校中尚不能面向本科生和研究生開設(shè)相應(yīng)的實驗教學(xué)課程。為填補(bǔ)這方面的空白，充實和拓展現(xiàn)有的儀器分析實驗教學(xué)內(nèi)容，我們運(yùn)用計算機(jī)多媒體技術(shù)等手段，通過計算機(jī)程序設(shè)計，將6種大型綜合儀器的相關(guān)方法原理和測試技術(shù)等整合為儀器分析實驗的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計研制了相應(yīng)的儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件，將其作為教學(xué)平臺供師生教學(xué)使用。由此，一方面改進(jìn)了儀器分析實驗教學(xué)的教學(xué)方式，填補(bǔ)了因經(jīng)費(fèi)等因素而無法開設(shè)相關(guān)實驗教學(xué)內(nèi)容的空白;另一方面又可讓學(xué)生及時了解最新儀器分析技術(shù)及應(yīng)用前沿。

1 儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件簡介

運(yùn)用Flash動畫制作軟件、音視頻處理軟件及多媒體程序開發(fā)軟件Authorware 7.0［5］等，針對6種大型儀器，設(shè)計研制了儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件，內(nèi)容包括背景知識、基礎(chǔ)理論、儀器原理、操作技能、預(yù)習(xí)測試、實驗內(nèi)容、實驗報告和實驗討論等。

該教學(xué)軟件既可以運(yùn)行于本地計算機(jī)，也可以通過登錄軟件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺，進(jìn)行遠(yuǎn)程互動式教學(xué)。

本教學(xué)軟件所涉及的教學(xué)內(nèi)容較為豐富，軟件中的各模塊可以根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行增刪、更新，具有很好的可拓展性且易于升級;使用界面簡潔友好，操作方便。

2 儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件的界面設(shè)計

2.1 起始主界面

軟件運(yùn)行后，顯示的起始主界面如圖1所示。

圖1 儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件運(yùn)行后顯示的起始主界面

在起始主界面橫向自左起約1/3處，用一條縱線將界面分為左、右兩部分。

起始主界面右部從上向下依次為多媒體教學(xué)軟件的名稱(儀器分析實驗)、開發(fā)者所屬單位(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心)的中英文名稱及學(xué)校?；請D標(biāo)、歡迎詞、一個使用者的圖片和一個建筑物示意圖(在建筑物外墻上設(shè)計了嵌入式的軟件背景音樂開關(guān)控制按鈕)。

起始主界面左部分的左側(cè)是軟件起始操作提示文字，右側(cè)從上至下分別為電感耦合等離子體質(zhì)譜、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、掃描電鏡、透射電鏡、毛細(xì)管電泳、氣相色譜紅外光譜聯(lián)用這6種儀器分析方法的中英文名稱以及其相應(yīng)的儀器外觀圖片，并以6種不同顏色分別作為圖片的背景色(此后的6種儀器分析實驗教學(xué)模塊的軟件界面同樣是分別以這6種顏色作為背景色);在起始主界面的左下角，設(shè)計了一個帶有開、關(guān)門動畫圖標(biāo)的退出按鈕。

2.2 鼠標(biāo)指向起始主界面6種儀器小圖標(biāo)時分別顯示的軟件界面

當(dāng)鼠標(biāo)指向起始主界面左側(cè)的6種儀器小圖標(biāo)其中之一時，則會有一個紅色矩形方框圈在該儀器小圖標(biāo)四周，并在起始主界面右側(cè)的中間區(qū)域?qū)?yīng)顯示該儀器的較大圖片及文字簡介(圖2)。

圖2 鼠標(biāo)指向主界面6種儀器小圖標(biāo)后對應(yīng)顯示的軟件界面

2.3 6種儀器分析實驗教學(xué)的軟件界面

用鼠標(biāo)單擊起始主界面的6種儀器小圖標(biāo)其中之一，則進(jìn)入該種儀器分析實驗教學(xué)軟件使用界面(圖3)。

圖3 6種儀器分析實驗對應(yīng)的軟件界面

在圖3所示的每種儀器分析實驗教學(xué)的軟件界面的左下角，設(shè)計了一個帶有開、關(guān)門動畫圖標(biāo)的退出按鈕，并在其右設(shè)計了一個軟件背景音樂開關(guān)控制按鈕。

3 儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件的內(nèi)容設(shè)計

儀器分析課程教學(xué)內(nèi)容中的每一種儀器都有自己的理論基礎(chǔ)、研究方法、儀器構(gòu)造和應(yīng)用范圍。因此，在我們研制的教學(xué)軟件中，對所選擇的6種儀器，分別設(shè)計了“方法概述”、“儀器介紹”、“原理模擬”、“預(yù)習(xí)測試”、“實驗操作”、“實驗內(nèi)容”、“實驗報告”、“實驗討論”8個教學(xué)模塊的教學(xué)內(nèi)容。

如前所述，運(yùn)行本教學(xué)軟件顯示出起始主界面后，其左側(cè)自上而下設(shè)計了包含6類儀器中英文名稱和儀器小圖片的6個選擇區(qū)域(圖1)，用鼠標(biāo)單擊某個選擇區(qū)域，則進(jìn)入對應(yīng)的該類儀器分析實驗教學(xué)界面(圖3(a)～(f))，并顯示一段配有該類儀器圖片的文字簡介，簡明扼要地說明該儀器分析方法的特點、用途和應(yīng)用領(lǐng)域，以使學(xué)習(xí)者一目了然地獲得該類儀器分析的基本信息。

在圖3所示的各類儀器分析實驗教學(xué)界面中，頂端第一行的中部為對應(yīng)儀器的中英文名稱。在頂端第二行的最右側(cè)，設(shè)計了“返回主界面”按鈕，點擊該按鈕后，軟件返回起始主界面;此外，在頂端第二行，從左至右設(shè)置的是對應(yīng)該儀器的“方法概述”、“儀器介紹”、“原理模擬”、“預(yù)習(xí)測試”、“實驗操作”、“實驗內(nèi)容”、“實驗報告”、“實驗討論”共8個教學(xué)模塊的選擇按鈕。用鼠標(biāo)單擊這8個選擇按鈕之一，則進(jìn)入對應(yīng)的教學(xué)模塊。

以“電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)”為例，圖4(a)～圖4(i)分別對應(yīng)“ICP-MS”中8個教學(xué)模塊的軟件界面(其中圖4(i)為“實驗討論”模塊(圖4(h))問題解答的模板內(nèi)容)，其他幾個儀器分析實驗教學(xué)軟件的8個教學(xué)模塊的軟件界面與此類似。

圖4 “電感耦合等離子體質(zhì)譜”中的8個教學(xué)模塊軟件界面

3.1 “方法概述”模塊

在“方法概述”模塊中，分別以“概述”、“檢測元素”、“應(yīng)用”等條目介紹了ICP-MS與傳統(tǒng)的元素分析方法(分光光度法、原子吸收法(火焰與石墨爐)、原子熒光光譜法、ICP發(fā)射光譜法等)的比較;介紹了ICP-MS分析技術(shù)的先進(jìn)之處(與傳統(tǒng)無機(jī)分析技術(shù)相比，ICP-MS技術(shù)具有最低的檢出限、最寬的動態(tài)線性范圍、干擾最少、分析精密度高、分析速度快、可進(jìn)行多元素同時測定以及可提供精確的同位素信息等特點);介紹了ICP-MS的發(fā)展簡史及其在環(huán)境樣品分析、生命科學(xué)研究中的應(yīng)用等(圖4(a))。

3.2 “儀器介紹”模塊

在“儀器介紹”模塊中，以“儀器結(jié)構(gòu)”、“樣品引入系統(tǒng)”、“離子源”、“接口”、“質(zhì)量分析器”、“檢測系統(tǒng)”、“賽默飛ICP-MS”等條目，分別輔以圖片介紹了ICP-MS儀器的結(jié)構(gòu)、每個結(jié)構(gòu)單元的功能以及常用的典型的該類儀器(賽默飛ICP-MS)的功用等(圖4(b))。

3.3 “原理模擬”模塊

在“原理模擬”模塊中，分別以“同心霧化器”、“交叉霧化器”、“ICP”、“ICP離子化”、“截取錐”、“四級桿1”、“四級桿2”等條目，采用Flash動畫生動形象地展示了儀器的相關(guān)工作原理。如在四級桿質(zhì)量分析器中，四級桿的工作是基于在4根電極之間的空間產(chǎn)生一個隨時間變化的特殊電場，具有一定荷質(zhì)比(m/z)的離子在電場中得到有序排列，獲得穩(wěn)定的路徑，而后通過極棒，從其另一端出射;其他離子將被過分偏轉(zhuǎn)，與極棒碰撞，并在極棒上被中和而不被檢測器檢測(圖4(c))。

3.4 “預(yù)習(xí)測試”模塊

“預(yù)習(xí)測試”模塊的設(shè)置旨在考查學(xué)習(xí)者對相關(guān)儀器分析方法基礎(chǔ)知識的掌握情況。在進(jìn)行預(yù)習(xí)測試時，首先請參加測試者輸入姓名，測試題數(shù)、測試時間等可以由被測試者自行設(shè)定，在測試時可立即反饋答題正誤，并在測試完所有選定的測試題后給出答題的實際使用時間和答題正確率，同時給出相應(yīng)的學(xué)習(xí)建議。如圖4(d)所示，該圖為測試開始的軟件界面，其右側(cè)的截圖為測試最后的反饋結(jié)果。

3.5 “實驗操作”模塊

在“實驗操作”模塊中，分別以“樣品制備”、“制樣示范”、“儀器操作”、“軟件使用”等條目，介紹了樣品前處理方法的一般知識和注意事項，并放置了具體樣品處理過程和儀器操作流程的視頻文件，用于規(guī)范基本的實驗操作技能(圖4(e))。

3.6 “實驗內(nèi)容”模塊

在“實驗內(nèi)容”模塊部分，我們在借助我校公共實驗中心及相關(guān)科研實驗室的分析儀器平臺做了若干預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，編寫了包含相應(yīng)實驗內(nèi)容的實驗講義，使用者可以根據(jù)需要自行選用(圖4(f))。

3.7 “實驗報告”模塊

在“實驗報告”模塊中，給出了規(guī)范的實驗報告模板，并以“實驗報告1”、“實驗報告2”、……、“實驗報告n”等條目呈現(xiàn)，提供了需在教學(xué)軟件的網(wǎng)絡(luò)模式下運(yùn)行實現(xiàn)的實驗報告提交平臺(圖4(g))。

3.8 “實驗討論”模塊

“實驗討論”模塊只能在教學(xué)軟件的網(wǎng)絡(luò)模式下實現(xiàn)，為師生提供了基于網(wǎng)絡(luò)的“教”與“學(xué)”的互動平臺。

在“實驗討論”模塊中，學(xué)習(xí)者在根據(jù)屏幕提示輸入所要提出問題的內(nèi)容后，給出提示“你要討論的問題已提交，將會盡早給予解答，請稍后點擊‘解答’按鈕”。當(dāng)授課教師在軟件系統(tǒng)看到學(xué)習(xí)者提出的問題后，將解答內(nèi)容以指定的文檔名及文檔格式存放于指定的文件夾中，學(xué)習(xí)者通過點擊“解答”按鈕，即可看到相應(yīng)的問題解答，并可通過點擊該模塊界面中的“Continue”按鈕，繼續(xù)提出問題(圖4(h)和圖4(i)，其中4(i)右下部的截圖為問題解答的模塊內(nèi)容)。

4 結(jié)語

本文介紹的儀器分析實驗多媒體教學(xué)軟件，使用了動畫和音頻、視頻等多媒體設(shè)計和制作技術(shù)，實現(xiàn)了對儀器工作原理等的動畫模擬以及相關(guān)實驗操作的示范指導(dǎo);整合了實驗教學(xué)過程所需的全部教學(xué)內(nèi)容，充實和拓展了儀器分析實驗教學(xué)的內(nèi)容。

該軟件具有很好的模塊化結(jié)構(gòu)，易于拓展和更新。已有的儀器分析實驗教學(xué)內(nèi)容可以很方便地整合、移植到該軟件系統(tǒng)，以構(gòu)建與現(xiàn)有儀器分析實驗教學(xué)內(nèi)容配套的計算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)平臺;亦可以隨著儀器分析新技術(shù)、新方法的發(fā)展而不斷對其加以充實、完善和升級，使其保持實驗教學(xué)內(nèi)容的新穎性和實用性，不斷擴(kuò)大該教學(xué)軟件的使用面和受益面。

［1］Thomas R.Practical Guide to ICP-MS:A Tutorial for Beginners.2nd ed.Boca Raton，F(xiàn)lorida:CRCPress Inc，2008

［2］武漢大學(xué).分析化學(xué).第5版.北京:高等教育出版社，2009

［3］付洪蘭.實用電子顯微鏡技術(shù).北京:高等教育出版社，2004

［4］王中林.納米材料表征.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005

［5］李若瑾，王麗萍，李美村，等.Authorware7.0.北京:電子工業(yè)出版社，2010