吳麗杰 王 凱 陳美玲 任曉亮 張 祎

（天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院 天津 301617）

0 引言

《儀器分析》是化學(xué)、化工、食品、中藥、藥學(xué)及其他相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，此課程采用理論課與實踐課并行設(shè)計的教學(xué)計劃。實驗教學(xué)的開設(shè)不僅有利于學(xué)生將抽象的理論知識更好的消化和吸收，而且有利于學(xué)生獨立思考和實際操作能力的培養(yǎng)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)、新儀器、新概念不斷涌現(xiàn)，儀器分析涉及的范圍和內(nèi)容日益廣泛，為適應(yīng)這一發(fā)展的需要以及本科教育的要求，對儀器分析實驗教學(xué)模式提出了新挑戰(zhàn)，在傳統(tǒng)儀器分析實驗教學(xué)的弊端日益突顯的情況下，如何將新技術(shù)引入到實驗教學(xué)中更好的保證教學(xué)效果是《儀器分析實驗》課程急需解決的問題。

1 傳統(tǒng)儀器分析實驗教學(xué)的局限性

《儀器分析》理論課程主要包括：紫外-可見分光光度法（UV-Vis）、紅外分光光度法（IR）、原子分光光度法（AAS）、核磁共振（NMR）、質(zhì)譜（MS）、氣相色譜（GC）、氣相色譜和液相色譜（LC）等技術(shù)，知識涉及到物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械制造和計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉，內(nèi)容抽象、涉及面廣、信息量大。涉及到的儀器大多屬于精密儀器，價格昂貴，耗材配件等極易被損壞，操作及儀器環(huán)境苛刻，運行及維護(hù)成本巨大。所以在傳統(tǒng)的儀器分析實驗的教學(xué)中學(xué)生能親自動手操作的通常是一些相對簡單、落后的儀器，比如UV-Vis、IR等，教學(xué)內(nèi)容陳舊。對于涉及大儀的實驗一般是實驗教師邊講解邊演示，使得學(xué)生很難真正全面的掌握儀器的工作原理，儀器分析實驗課就是在走馬觀花，造成學(xué)生基礎(chǔ)理論知識不扎實、動手操作能力及協(xié)調(diào)能力差等普遍問題。加之目前各高校不斷擴(kuò)大招生規(guī)模，在校學(xué)生與日俱增，使得儀器分析實驗課程收到實驗室經(jīng)費、實驗場地及實驗時間的多重制約，傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學(xué)已無法適應(yīng)現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展要求。

2 虛擬仿真技術(shù)簡介及其在儀器分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)，是利用計算機(jī)將觸覺、聽覺及視覺等融合在虛擬環(huán)境里，用戶能夠身臨其境，并且可以通過必要的輸入和輸出設(shè)備與虛擬體系進(jìn)行交互作用。此技術(shù)由美國軍方最先開發(fā)并用之于軍事模擬訓(xùn)練[1]。三維虛擬仿真技術(shù)是通過計算機(jī)生成一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為，并能創(chuàng)建和體驗虛擬世界的仿真系統(tǒng)。將該技術(shù)引入到教學(xué)過程中又被稱為“虛擬仿真實驗技術(shù)”。該技術(shù)一般包括虛擬儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和虛擬實驗室管理系統(tǒng)，在計算機(jī)上創(chuàng)建一個可視的實驗操作環(huán)境，由可視化物體代表實驗儀器或?qū)嶒炘O(shè)備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或?qū)嶒炘O(shè)備完成各種實驗操作的教學(xué)儀器系統(tǒng)。將 VR應(yīng)用于儀器分析實驗教學(xué)中，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器分析實驗教學(xué)中的不足，有利于學(xué)生更好的熟悉儀器構(gòu)造及操作，又可激發(fā)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)的主動性。并且可以實現(xiàn)多次重復(fù)操作練習(xí)，有效的輔助實驗教學(xué)過程。另外，由于VR實驗無損耗，無污染，有利于綠色化實驗的建設(shè)[2]。因此，建設(shè)三維虛擬仿真實驗室可以有效地解決實驗條件的不足與日益增加的學(xué)生之間的矛盾。

將VR應(yīng)用于儀器分析實驗教學(xué)中，可以改進(jìn)實驗教學(xué)手段，提高教學(xué)效果，有助于學(xué)生全面的了解實驗過程。在傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學(xué)中，一般是教師講解實驗原理、實驗步驟及數(shù)據(jù)的處理方法，對于一些精密的大型儀器，由實驗老師演示關(guān)鍵步驟，學(xué)生直接獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即完成了一個實驗項目?，F(xiàn)在的儀器設(shè)備基本上都是集成化設(shè)計，學(xué)生無法直觀地了解儀器各部分的組成及儀器的內(nèi)部構(gòu)造，對儀器內(nèi)部構(gòu)造的了解僅僅停留在老師的課堂講解，甚至對部分常用儀器的認(rèn)識處于盲區(qū)狀態(tài)。整個實驗下來，學(xué)生就在儀器上按了幾個按鈕，非常不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而VR系統(tǒng)，可以將現(xiàn)實過程中難以演示的部分內(nèi)容，如大型精密儀器的內(nèi)部構(gòu)造與原理、儀器故障的處理等用計算機(jī)輔助的方式展現(xiàn)出來，可以把儀器的每個部件都拆分開來觀察，使學(xué)生更全面的了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造及作用，大大提高了教學(xué)效果。另外，學(xué)生可以根據(jù)演示實驗獲得的經(jīng)驗，按照實驗內(nèi)容和實驗要求靈活地設(shè)計實驗方案并一一驗證，加深學(xué)生對實驗儀器及實驗內(nèi)容的理解，豐富了實驗教學(xué)手段和實驗內(nèi)容，更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，VR系統(tǒng)在教學(xué)中顯示出了巨大的實際意義和實用價值。

將VR應(yīng)用于儀器分析實驗教學(xué)中，可以改變實驗學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)的主動性。在傳統(tǒng)的儀器分析實驗教學(xué)中，由于儀器設(shè)備的臺套數(shù)相對較少，特別是對某些貴重儀器或精密儀器人機(jī)比過高，在實驗過程中，學(xué)生的操作訓(xùn)練時間較少，不能保證每人都能動手操作，導(dǎo)致部分學(xué)生的操作水平相對較低，上儀器分析實驗課就像在走馬觀花，對已做過的實驗毫無印象，不利于實驗教學(xué)。而VR系統(tǒng)可通過聲音、圖像、動畫等具有豐富表現(xiàn)力的仿真軟件幫助學(xué)生進(jìn)行多感觀的學(xué)習(xí)，為其提供更為形象直觀、內(nèi)容豐富、生動逼真的模擬演示，可很好地幫助其了解儀器的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本操作方法、安全知識等內(nèi)容，并可大大地提高其學(xué)習(xí)的興趣[3]。學(xué)生可以借助系統(tǒng)逼真地認(rèn)識一些大型精密儀器的構(gòu)造，了解掌握儀器設(shè)備的使用及特性，還能實現(xiàn)每人自行操作，模擬實驗全過程，凸顯儀器設(shè)備的性能優(yōu)勢，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。另外，學(xué)生在實驗過程中減少了盲目操作、藥品損耗、設(shè)備損壞等現(xiàn)象，提高了實驗的效率，并節(jié)省了實驗開支。

將VR應(yīng)用于儀器分析實驗教學(xué)中，可以實現(xiàn)資源共享和開放。虛擬仿真實驗教學(xué)只需要一臺電腦和一套仿真軟件，它是依靠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成實驗的平臺，因此與傳統(tǒng)實驗相比，其在教學(xué)實踐活動中的應(yīng)用可以彌補(bǔ)教學(xué)臺套數(shù)不足，實驗時間受限，場地受限，實驗課程結(jié)束，學(xué)生就很難再重復(fù)進(jìn)行實驗操作練習(xí)。而對于VR實驗，只要服務(wù)器全天開放，學(xué)生就可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的終端即電腦上隨時訪問虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，對實驗內(nèi)容進(jìn)行無限制、多樣性的反復(fù)操作練習(xí)，不必?fù)?dān)心試劑藥品及儀器設(shè)備的耗損，克服真實實驗或操作的各種條件制約，使教學(xué)信息和實驗資源實現(xiàn)最大程度的共享，實現(xiàn)開放性實驗教學(xué)的目標(biāo)，真正提高學(xué)生的實驗技能[4]。

除此以外，還可以將VR應(yīng)用于實驗考核中。在傳統(tǒng)的儀器分析實驗課程的考核中，一般采用提問、數(shù)據(jù)分析計算、操作關(guān)鍵步驟等方式進(jìn)行考核。但是這種方式不能充分體現(xiàn)每位學(xué)生對儀器分析實驗操作知識的掌握程度。而利用VR系統(tǒng)進(jìn)行儀器分析實驗課程的考查，通過實驗設(shè)計、原理、操作步驟等整個實驗流程能考核學(xué)生操作方法是否科學(xué)、合理和靈活，可以綜合分析學(xué)生在進(jìn)行模擬實驗中的進(jìn)程和結(jié)果，幫助老師檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和操作技能[5]。

3 結(jié)束語

虛擬仿真系統(tǒng)在儀器分析實驗教學(xué)中具有獨特的優(yōu)勢，可以降低實驗成本，改善實驗條件，減少儀器設(shè)備的損壞，有效提高實驗教學(xué)水平，同時能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。但將虛擬仿真實驗系統(tǒng)引入到儀器分析實驗教學(xué)中，不是要擯棄或者取代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，而是為了輔助實驗教學(xué)，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相結(jié)合，相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)，提高儀器分析實驗教學(xué)質(zhì)量，完善實驗教學(xué)體系。