馬兆立，李聰聰，孫家新，王艷瑋

(青島大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)實驗中心，山東 青島 266071)

當(dāng)今社會，飛速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)正在改變著人們的生產(chǎn)生活方式和學(xué)習(xí)思維方式。建設(shè)“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會，創(chuàng)建數(shù)字化、個性化、終身化的教育體系，培養(yǎng)優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，是現(xiàn)代教育面臨的重大課題[1]。基于信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，“虛擬實驗作為繼理論研究和實驗研究之后的第三種科學(xué)研究方法”,為教育教學(xué)提供了重要的發(fā)展方向。

教育部在《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》中指出，虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，要求以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[2]。自廈門大學(xué)于2004年建立機(jī)電類虛擬仿真實驗中心開展系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學(xué)以來[3]，各級各類學(xué)校都相繼建立了虛擬仿真實驗中心，虛擬仿真實驗教學(xué)也慢慢地融入到了傳統(tǒng)教學(xué)中。

但是現(xiàn)有的虛擬仿真實驗多是教科書式的，形式單一、內(nèi)容固定[4-7]。具有地方特色的虛擬仿真實驗或具有創(chuàng)新性的虛擬仿真實驗卻寥寥無幾。結(jié)合本團(tuán)隊的創(chuàng)新實驗研究，筆者所在團(tuán)隊在多年使用四大基礎(chǔ)化學(xué)虛擬仿真實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合青島地方特產(chǎn)--青島啤酒，開發(fā)了具有地方特色的創(chuàng)新性虛擬仿真實驗--啤酒中風(fēng)味成分檢測的虛擬仿真實驗。本實驗由三大模塊構(gòu)成：啤酒生產(chǎn)車間、風(fēng)味成分檢測系統(tǒng)和智能診斷評價系統(tǒng)。

1 啤酒生產(chǎn)車間

圖1 啤酒生產(chǎn)車間

圖 2 檢測實驗室布局

操作者可進(jìn)入啤酒生產(chǎn)車間進(jìn)行漫游，觀察了解啤酒生產(chǎn)設(shè)備，操作生產(chǎn)流程?？梢栽谠瓭{酒環(huán)節(jié)進(jìn)行取樣檢測，跳轉(zhuǎn)到檢測實驗室。檢測實驗室分為學(xué)習(xí)區(qū)、稱量區(qū)、前處理區(qū)、鋼瓶區(qū)、儀器操作區(qū)域，其他設(shè)備區(qū)域。

檢測實驗室中每一個區(qū)域都有特定的任務(wù)：1)自習(xí)室可進(jìn)行和儀器相關(guān)的理論考試，每個儀器題庫不低于100道，每次隨機(jī)抽取20道試題；2)天平室主要考察天平調(diào)平能力，樣品稱量規(guī)范和天平使用注意事項；3)前處理區(qū)主要考察對目標(biāo)物質(zhì)是否能夠選擇合適的前處理流程；4)鋼瓶區(qū)主要考察學(xué)生對不同載氣鋼瓶的注意事項。此外，還增加環(huán)境確認(rèn)環(huán)節(jié)，主要考察實驗室中的電、磁是否符合儀器使用規(guī)范，有無腐蝕性氣體、易揮發(fā)性物質(zhì)，載氣是否在保質(zhì)期等等。

2 風(fēng)味成分檢測系統(tǒng)

圖3 液相色譜儀

圖 4 液相色譜儀工作站

啤酒中的風(fēng)味物質(zhì)，主要是啤酒發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的一系列代謝副產(chǎn)物，主要有醇類、酯類、醛類、酸類。其中，首要風(fēng)味成分為乙醇，次要風(fēng)味成分包括揮發(fā)性成分和非揮發(fā)性成分，揮發(fā)性成分有乙酸異戊酯、乙酸乙酯、異戊醇、脂肪酸、己酸乙酯、丁酸、異戊酸、苯乙酸等，非揮發(fā)性物質(zhì)有酚類、糖類及酒花化合物。

針對這些風(fēng)味成分，可選用學(xué)生們學(xué)過的多種檢測方法：1)氣相色譜法，主要檢測啤酒中高級醇、異戊醇、異丁醇、正丙醇、乙醛、乙酸乙酯、異丁醇、異戊醇、辛酸乙酯、二甲基硫、乙酸異戊酯等；2)高效液相色譜法，主要檢測啤酒中的草酸、酒石酸、丙酮酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸等有機(jī)酸；3)氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)，可檢測絕大多數(shù)的風(fēng)味物質(zhì)，是目前最為常用和廣泛的方法。

為鞏固和應(yīng)用理論知識，在虛擬檢測系統(tǒng)中可設(shè)置各檢測方法的不同參數(shù)。例如：氣相色譜法中可設(shè)置自動進(jìn)樣器頁面，設(shè)置進(jìn)樣口頁面的溫度、氣體壓力及流量，設(shè)置色譜柱流量，設(shè)置柱箱升溫程序，設(shè)置檢測器溫度以及氣體流量，最終得到的譜圖會隨著設(shè)置參數(shù)的變化而變化。液相色譜法中可設(shè)置流動相配比、色譜柱流量、自動進(jìn)樣設(shè)置、梯度洗脫功能等。

3 智能診斷評價系統(tǒng)

學(xué)生每一個訓(xùn)練項目的評分都包括：操作步驟評分和操作質(zhì)量評分，所有評分項目都給出詳細(xì)評定結(jié)果和依據(jù)。操作步驟評分包含普通操作評分；操作順序評分；延時評分；有條件限制的操作評分；操作失誤扣分。而操作質(zhì)量評分用來考查儀器參數(shù)是否在合理的范圍之內(nèi)?？己送戤吅蠼處熆蓪?dǎo)出各學(xué)生的考試成績以及每個步驟的得分情況，利于教師全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。結(jié)語

將虛擬仿真實驗與創(chuàng)新實驗融合起來，不受實驗場地和儀器臺套數(shù)的影響，極大的增加了參與創(chuàng)新實驗的學(xué)生數(shù)，同時學(xué)生可快速有效的掌握多種檢測方法。在其中融入地方特色元素則激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，為虛擬仿真實驗的發(fā)展提供了可能的方向。