王乃毅

(山西衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院， 山西 晉中 030619)

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬，是用一個(gè)虛擬系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，虛擬仿真成為20世紀(jì)80年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)。它可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的事物和環(huán)境，讓人在這種環(huán)境中，有"親臨其境"的感覺(jué)，并可親自操作，與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互作用。該技術(shù)極大地推動(dòng)了現(xiàn)代高等職業(yè)教育中的信息化教學(xué)改革實(shí)踐，目前已被廣泛用于高職院校的輔助教學(xué)和實(shí)習(xí)技能培訓(xùn)中。

儀器分析是許多高職院校的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]。作為現(xiàn)代的分析測(cè)試手段，其應(yīng)用遍及食品檢測(cè)、藥物檢測(cè)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、環(huán)境毒物檢測(cè)、生物檢測(cè)、能源檢測(cè)等許多領(lǐng)域，它在專(zhuān)門(mén)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的高職院校所處的地位日趨重要。但是，儀器分析課程涉及到物理學(xué)、高等數(shù)學(xué)、無(wú)機(jī)及有機(jī)化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等知識(shí)，內(nèi)容復(fù)雜抽象，而且教師需要結(jié)合大量板書(shū)和多媒體課件進(jìn)行教學(xué)。在其實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題：許多高職院校沒(méi)有足夠的教學(xué)經(jīng)費(fèi)購(gòu)買(mǎi)一些比較重要的儀器分析設(shè)備，或者一些實(shí)驗(yàn)中的試劑對(duì)人有毒有害，或者缺乏實(shí)驗(yàn)所必須的實(shí)驗(yàn)試劑，或者儀器損壞因維修費(fèi)用較高而得不到及時(shí)修理，等等。

現(xiàn)在，有了虛擬仿真技術(shù)，如果把虛擬儀器應(yīng)用于儀器分析的教學(xué)實(shí)踐中，以上問(wèn)題就會(huì)迎刃而解，還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。許多教師對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了教學(xué)研究。邱會(huì)東等[2]探討了仿真技術(shù)在儀器分析理論課輔導(dǎo)教學(xué)中的應(yīng)用。鄭革[3]探討了虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。馮燕等[4]討論了虛擬仿真在化學(xué)教改中的作用。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，能將抽象的理論形象化，使實(shí)驗(yàn)環(huán)境逼真化，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，科研工作者研發(fā)了大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。如，李旭軍等[5]建立了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室框架模型，研制出一系列“仿真儀器”，開(kāi)發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，便于使用者訪問(wèn)。

2 虛擬仿真技術(shù)在儀器分析課程中的應(yīng)用前景

2.1 虛擬仿真技術(shù)可以提供大型分析儀器的立體展示

化學(xué)分析儀器價(jià)格昂貴，一些中大型分析設(shè)備更是許多院校望塵莫及的。虛擬仿真系統(tǒng)可以采用3D技術(shù)真實(shí)模擬制作相應(yīng)的分析儀器、高度還原分析儀器的結(jié)構(gòu)。在“仿真儀器”中，儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行半透明展示。半透明模式在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)能同步展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理。而且，“仿真儀器”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可拆分，每個(gè)部件都可單獨(dú)查看，可以360度旋轉(zhuǎn)。高職學(xué)生可以在使用“仿真儀器”時(shí)獲得相關(guān)儀器的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感覺(jué)等多種感知，從而獲得身臨其境的感受，充分體現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)的“沉浸式”的特點(diǎn)。

例如在儀器分析教學(xué)實(shí)踐中講到的氣相色譜儀、高效液相色譜儀、質(zhì)譜儀、氣質(zhì)聯(lián)用儀、液質(zhì)聯(lián)用儀、熒光分光光度計(jì)、傅里葉變換紅外光譜儀、毛細(xì)管電泳儀、核磁共振儀等，這些重要的儀器都可以通過(guò)3D技術(shù)設(shè)計(jì)制作成“仿真儀器”，供學(xué)生學(xué)習(xí)操作。而且這些分析儀器可以隨著時(shí)間不斷更新，給學(xué)校節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)；同學(xué)們這樣“熟悉”分析儀器，不受時(shí)間和空間的限制，還提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一舉多得。

另外，高等職業(yè)教育重在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能。為了保證高職學(xué)生的就業(yè)率，許多高職院校進(jìn)行校企合作，為企業(yè)定向培養(yǎng)相關(guān)人才。許多大型的醫(yī)藥企業(yè)(普遍發(fā)布在廣東、上海等沿海地區(qū))都具有高級(jí)的大型分析儀器，使用相關(guān)的3D模擬仿真軟件進(jìn)行模擬教學(xué)，學(xué)生在學(xué)校如果熟練掌握了分析儀器的操作技術(shù)，他們就會(huì)在企業(yè)應(yīng)聘中體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，從而提高了高職學(xué)生的就業(yè)率。儀器分析教學(xué)中用到的分析儀器仿真軟件，其相對(duì)低廉的成本和其所具有的獨(dú)特的參與性教學(xué)優(yōu)勢(shì)已逐漸被全國(guó)各類(lèi)高職院校所采用。

2.2 虛擬仿真技術(shù)可以提供儀器分析實(shí)驗(yàn)操作的逼真性和相互性

在儀器分析教學(xué)實(shí)踐中，同學(xué)們通過(guò)使用“仿真儀器”，真實(shí)進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)操作”。通過(guò)3D技術(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。在仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，學(xué)生可以練習(xí)樣品配制、樣品測(cè)量、儀器開(kāi)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖譜制作等實(shí)訓(xùn)操作，還可以練習(xí)設(shè)置樣品濃度、化學(xué)分析方法，最后得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，還可輔以大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)素材，比如真人實(shí)驗(yàn)操作視頻、分析儀器結(jié)構(gòu)原理3D動(dòng)畫(huà)等，使教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富多彩，讓學(xué)生全面學(xué)習(xí)儀器分析知識(shí)，并通過(guò)逼真的反復(fù)實(shí)踐，熟練操作各種常規(guī)分析儀器，為高等職業(yè)教育中儀器分析的模擬操作和考核提供一個(gè)合理、高效的平臺(tái)。

應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行儀器分析實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)自身的操作對(duì)“仿真儀器”進(jìn)行控制，“仿真儀器”也可以對(duì)人的操作予以實(shí)時(shí)的反應(yīng)。這也充分體現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)的“相互性”。

虛擬實(shí)驗(yàn)操作給人的各種感覺(jué)與所模擬的實(shí)際操作非常相像，一切感覺(jué)都是那么逼真，如同在真實(shí)世界一樣。例如，在虛擬操作中，當(dāng)給一個(gè)盛放有堿性溶液的燒杯里用膠頭滴管滴加幾滴酚酞溶液時(shí)，會(huì)看到燒杯里的溶液“變”為紅色。溶液顏色的變化符合自然規(guī)律，充分體現(xiàn)了虛擬仿真技術(shù)的“逼真性”。

現(xiàn)在一些高職院校缺乏儀器分析實(shí)驗(yàn)需要的化學(xué)試劑，使實(shí)驗(yàn)不能正常進(jìn)行。例如永停滴定法測(cè)定磺胺嘧啶的含量，該實(shí)驗(yàn)是《中國(guó)藥典》收載的磺胺嘧啶的定量分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中要用到稀鹽酸來(lái)提高重氮化反應(yīng)的速度，可實(shí)驗(yàn)室缺乏。如果采用虛擬技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)成學(xué)習(xí)模式、練習(xí)模式和考核模式三部分內(nèi)容，讓學(xué)生們進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的仿真虛擬操作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)資源的不足，同樣可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)目標(biāo)。

2.3 虛擬仿真技術(shù)可以避免儀器分析實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)危害

在儀器分析實(shí)驗(yàn)中不可避免地會(huì)遇到一些易燃易爆易制毒試劑和有毒有害物質(zhì)。例如在做“永停滴定法測(cè)定磺胺嘧啶的含量”時(shí)，要用亞硝酸鈉溶液滴定磺胺嘧啶。而亞硝酸鈉對(duì)人體是有害物質(zhì)。如果利用虛擬仿真技術(shù)，就可以完全避免實(shí)驗(yàn)中有毒有害物質(zhì)對(duì)人體的危害，保證了師生的身體健康；利用虛擬實(shí)驗(yàn)，還可以有效避免一些易燃易爆消防隱患。這，也是未來(lái)儀器分析實(shí)驗(yàn)發(fā)展改革的方向。

2.4 虛擬仿真技術(shù)可以消除實(shí)驗(yàn)耗材的成本和實(shí)驗(yàn)儀器的維修費(fèi)用

通過(guò)仿真軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，可以完全解放實(shí)驗(yàn)耗材的成本，還可免去儀器的維護(hù)修理的高額費(fèi)用，要讓教師的實(shí)驗(yàn)課堂變得更為靈活、更具有選擇性和多元化。

3 小結(jié)

儀器分析實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)環(huán)節(jié)中越來(lái)越重要，對(duì)于高職院校更是如此。目前全國(guó)各個(gè)高職院校都在積極進(jìn)行信息化教學(xué)改革。虛擬仿真設(shè)計(jì)就是信息化教學(xué)改革的具體實(shí)踐內(nèi)容。

目前，學(xué)院分析化學(xué)教研室正在和北京市優(yōu)秀仿真軟件設(shè)計(jì)企業(yè)——北京東方仿真軟件技術(shù)有限公司合作，對(duì)有關(guān)儀器分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。在2020年初春的這場(chǎng)疫情中，東方仿真公司積極支持藥學(xué)院的線上教學(xué)工作，為2019級(jí)藥學(xué)院學(xué)生開(kāi)放了其“儀器分析線上虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”。通過(guò)使用過(guò)該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的207位高職學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。其中192人對(duì)該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行了好評(píng)。同學(xué)們反饋，通過(guò)這些虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，他們不僅熟悉了儀器及其結(jié)構(gòu)，而且熟練了實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)一步理解了網(wǎng)上教學(xué)中一些儀器分析理論課的知識(shí)。許多學(xué)生希望這樣的儀器分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)得多一些。

對(duì)于仿真軟件課題的研發(fā)，準(zhǔn)備分三個(gè)階段進(jìn)行。第一階段2019年11月～2020年4月 教學(xué)人員通過(guò)線上線下檢索，為東方仿真公司技術(shù)員提供大型儀器的型號(hào)及實(shí)驗(yàn)素材、提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作資料及制作要求；第二階段2020年5月～2021年5月 共同合作研發(fā)制作相關(guān)仿真模擬軟件；第三階段2021年6月～2021年10月 將研發(fā)后的模擬軟件應(yīng)用到教學(xué)中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)研，并匯總制作調(diào)研報(bào)告。

作為高職院校儀器分析課的教學(xué)實(shí)踐者，筆者認(rèn)為，虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室管理、實(shí)驗(yàn)操作，利用三維技術(shù)建立虛擬的“現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室情景”，并在此情境下，對(duì)學(xué)生進(jìn)行大型分析儀器的培訓(xùn)真正起到了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生獲得實(shí)際操作能力和解決問(wèn)題的能力培訓(xùn)，必然在高等職業(yè)教學(xué)中得到廣泛的開(kāi)發(fā)和利用。