鄧雅瓊 肖 歡 王 萌 吳雙雙 李 聰 魏旭康 徐 偉

分析化學(xué)是一門關(guān)于研究物質(zhì)組成、含量、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等分析化學(xué)信息的方法及理論課程，是江西中醫(yī)藥大學(xué)科技學(xué)院藥學(xué)類專業(yè)的必修課程。而現(xiàn)代儀器分析作為分析化學(xué)的重要組成部分，其內(nèi)容涵蓋了電化學(xué)分析法、光學(xué)分析法、色譜分析法等。新時(shí)代形勢(shì)下，因科技發(fā)展迅猛、社會(huì)快速進(jìn)步，現(xiàn)代分析儀器隨之不斷地更新?lián)Q代，儀器分析新方法和新技術(shù)也隨之不斷地創(chuàng)新與應(yīng)用，從而使得儀器分析在研究和解決藥物等科學(xué)領(lǐng)域的理論和現(xiàn)實(shí)問題中的地位越發(fā)重要，其發(fā)揮的作用無可替代[1]。江西中醫(yī)藥大學(xué)科技學(xué)院開設(shè)本門課程旨在通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生充分了解光譜分析法、色譜法等研究方法的基本原理，相關(guān)現(xiàn)代分析儀器的基本組成、維護(hù)和使用方法，培養(yǎng)學(xué)生掌握色譜分析法在定量、定性和分離分析混合物的基本原理及應(yīng)用能力以及掌握根據(jù)相關(guān)的譜圖進(jìn)行有機(jī)化合物分析結(jié)構(gòu)的綜合解析技術(shù)，初步具備鑒定和分析待測(cè)化合物的能力，從而培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、科學(xué)素養(yǎng)高的藥學(xué)專業(yè)素質(zhì)人才。

1 現(xiàn)代儀器分析局限性

現(xiàn)代儀器分析是江西中醫(yī)藥大學(xué)科技學(xué)院藥學(xué)、中藥學(xué)、制藥工程等專業(yè)十分重要且實(shí)用性強(qiáng)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程涉及大量的現(xiàn)代分析儀器的教學(xué)，在傳統(tǒng)的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1.1 現(xiàn)代儀器分析理論的局限性

1.1.1 現(xiàn)代儀器分析方法更新帶來的局限性現(xiàn)代儀器分析涉及范圍廣泛，蘊(yùn)含的分析方法也十分之廣，不同分析方法所依據(jù)的原理不同，所測(cè)量的對(duì)象不同，操作方法和應(yīng)用情況也存在很大的差距。而隨著時(shí)代的發(fā)展和需求的不斷提高，現(xiàn)代儀器分析方法也不斷更新，這就要求儀器分析方法要進(jìn)一步提高其靈敏度、選擇性以及準(zhǔn)確性，而學(xué)生所學(xué)內(nèi)容順應(yīng)不了時(shí)代發(fā)展的步伐。

1.1.2 現(xiàn)代分析儀器更新帶來的局限性分析化學(xué)要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展、生產(chǎn)需求的提高和人民生活水平的提高而適應(yīng)科學(xué)發(fā)展，分析儀器必然要朝著智能化方向發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)分析結(jié)果、存儲(chǔ)分析方法和數(shù)據(jù)控制儀器全部操作的功能，從而實(shí)現(xiàn)分析操作的自動(dòng)化和智能化的目標(biāo)，這也使傳統(tǒng)教學(xué)受到阻礙。

1.1.3 學(xué)生知其然而不知其所以然帶來的局限傳統(tǒng)教學(xué)中，課堂講授往往按照作用基本原理、儀器的分類、部件的組成、儀器的操作方法和應(yīng)用實(shí)例等逐一展開。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將專業(yè)術(shù)語和作用原理等記錄下來，但卻不知如何使用，或者不知可以解決什么問題。實(shí)際上，藥學(xué)專業(yè)人才“學(xué)”儀器的目的必然是為了“用”儀器，而在現(xiàn)實(shí)生活中遇到實(shí)際的問題，學(xué)生卻不知道如何解決，甚至不知道他們所學(xué)內(nèi)容足以解決問題[2]。

1.2 現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)的局限性

1.2.1 設(shè)備昂貴由于儀器設(shè)備復(fù)雜，因此價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用相對(duì)低值耗材是昂貴的，且對(duì)維護(hù)及環(huán)境要求較高。例如高效液相色譜儀由高壓輸液系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜柱分離系統(tǒng)、檢測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，價(jià)格昂貴，維修成本高。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)儀器分析是一種相對(duì)分析法，必須要使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)照，而儀器分析的廣泛應(yīng)用受到限制取決于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的獲得。

1.2.3 誤差儀器分析相對(duì)誤差較大，不建議使用此法用于常量和高含量組分的分析[3]。

2 現(xiàn)代儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要性

虛擬仿真技術(shù)，即使用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿現(xiàn)實(shí)生活中存在的一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是基于高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)，并將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景通過實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和動(dòng)畫技術(shù)重現(xiàn)于計(jì)算機(jī)環(huán)境中，擁有多感知性、人機(jī)交互性、構(gòu)想性和浸沒感等多種特征，而且內(nèi)容豐富，用戶可根據(jù)自身需求選擇場(chǎng)景[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可利用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。

2.1 虛實(shí)結(jié)合，豐富教學(xué)手段分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容多、知識(shí)廣、專業(yè)強(qiáng)且學(xué)時(shí)少。為保障理論教學(xué)的質(zhì)量和完整，往往實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)會(huì)被壓縮，且現(xiàn)代儀器分析所占比例小，多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，課堂教學(xué)多以教師講授為主，學(xué)生記基本原理、構(gòu)成、操作步驟等，現(xiàn)代分析儀器無法帶入理論教學(xué)課堂，學(xué)生理解難度增大，對(duì)現(xiàn)代分析儀器和方法只能死記硬背，不能實(shí)際動(dòng)手操作和實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究素養(yǎng)的目標(biāo)。對(duì)現(xiàn)代儀器分析這一基于實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)是存在很大弊端的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)相結(jié)合，不僅豐富了教學(xué)手段，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力，達(dá)到課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的效果，突出學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)新性和體驗(yàn)性。

2.2 節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源和教學(xué)成本化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中高精密儀器不能及時(shí)更新，在正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中雖可完成，但跟不上市場(chǎng)的發(fā)展和實(shí)際需求的提高速度，不僅造成了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，而且還造成了實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量低下。另一方面，因高精密儀器造價(jià)昂貴，所以運(yùn)行和維護(hù)成本十分之高，不能保證培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。與此同時(shí)，現(xiàn)代儀器分析中使用的實(shí)驗(yàn)耗材大多為未知藥品，存在一定的危險(xiǎn)性?，F(xiàn)代儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立，學(xué)生可自由使用各類精密儀器和實(shí)驗(yàn)耗材，不僅可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)資源和教學(xué)成本，還能運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)將儀器、實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)更新，同步滿足市場(chǎng)和生產(chǎn)的需求[5]，見圖1。

2.3 規(guī)避現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，培養(yǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)線下現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)中，由于待測(cè)試劑未知，給實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)員都帶來了一定的危險(xiǎn)性。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)點(diǎn)是可逆操作，即學(xué)生操作不當(dāng)引發(fā)危險(xiǎn)時(shí)，學(xué)生可撤銷當(dāng)前操作，返回上一步操作，既能縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間和規(guī)避現(xiàn)實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，滿足學(xué)生對(duì)現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)可激發(fā)學(xué)生更大的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的安全意識(shí)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

2.4 突破時(shí)間空間的限制，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，如利用高效液相色譜儀檢查奈韋拉平中有關(guān)物質(zhì)及其片劑的含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中色譜柱、流動(dòng)相、檢測(cè)波長(zhǎng)的適用性實(shí)驗(yàn)、對(duì)照品的分析實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)至關(guān)重要，前期的預(yù)處理實(shí)驗(yàn)往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，又因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器的造價(jià)昂貴，往往不能每個(gè)學(xué)生都在線下單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致絕大部分學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)不重視。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入，學(xué)生可不受時(shí)間和實(shí)驗(yàn)次數(shù)的限制，大大縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。新型冠狀病毒的突然襲擊，我國(guó)疫情防控措施的精準(zhǔn)施治和我國(guó)對(duì)于人民生命安全的高度重視，學(xué)生無法及時(shí)返校進(jìn)行線下集中學(xué)習(xí)、返校后要做好常態(tài)化疫情防控、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)少、學(xué)生思想上對(duì)該類實(shí)驗(yàn)不重視等問題，造成了線下實(shí)驗(yàn)受到了空間的限制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正好能突破空間的限制，同學(xué)們利用網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)設(shè)備，可隨時(shí)隨地的模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，真正實(shí)現(xiàn)了跨越“時(shí)空”，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和提高思想認(rèn)識(shí)[6]。

圖1 現(xiàn)代儀器分析虛擬仿真平臺(tái)展示

3 虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代儀器分析中應(yīng)用

3.1 課前線下預(yù)習(xí)、查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課前提前告知學(xué)生本實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，可利用虛擬平臺(tái)進(jìn)行展示，同時(shí)重點(diǎn)突出本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生個(gè)人創(chuàng)新性思維及專業(yè)技能的培養(yǎng)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，通過師生對(duì)話、文獻(xiàn)閱讀等方式讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原則、要求和思路，鞏固學(xué)生專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，強(qiáng)化預(yù)習(xí)效果。

3.2 課中線上了解操作流程、認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)儀器、建立對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑻摂M實(shí)驗(yàn)操作根據(jù)國(guó)家藥學(xué)培養(yǎng)大綱，江西中醫(yī)藥大學(xué)科技學(xué)院分析化學(xué)培養(yǎng)方案，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行線上相關(guān)現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)，在熟悉了解了虛擬實(shí)驗(yàn)操作流程、認(rèn)識(shí)了實(shí)驗(yàn)儀器、建立了對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃螅瑢W(xué)生于平臺(tái)上反復(fù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，夯實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)，更好地將理論與實(shí)踐融合，達(dá)到熟能生巧的目的。①先簡(jiǎn)單了解實(shí)驗(yàn)過程中所需要用到的相關(guān)軟件，了解其場(chǎng)景、主要選項(xiàng)功能及一些特殊操作：結(jié)合文字說明，觀看相關(guān)現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理及步驟；學(xué)生可根據(jù)提示先自主了解實(shí)驗(yàn)環(huán)境、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器和藥品等；學(xué)生自主完成對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作全過程；系統(tǒng)會(huì)在實(shí)驗(yàn)過程中判斷每一步操作的正確性，并提示下一步的正確操作。②學(xué)生進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。通過該步驟，學(xué)生熟悉并掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的操作方法及實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法：學(xué)生通過操作鼠標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器等進(jìn)行操作，右鍵為移動(dòng)、左鍵為旋轉(zhuǎn)及中鍵還原等；通過查看實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，若操作錯(cuò)誤，則無法進(jìn)行下一步，即可退回上一步重新操作；建立對(duì)照實(shí)驗(yàn)：通過該步驟，學(xué)生了解并拓展相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法及模型。

3.3 線下綜合實(shí)踐，動(dòng)手操作通過該步驟，學(xué)生真實(shí)體會(huì)現(xiàn)代儀器分析的實(shí)驗(yàn)操作，提高藥物質(zhì)量檢查、儀器分析等業(yè)務(wù)能力。

3.4 處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出結(jié)論學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和結(jié)果的處理：如譜圖的處理；通過該步驟，學(xué)生了解并掌握實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理辦法，且教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行其他檢測(cè)的常用方法。實(shí)驗(yàn)操作模塊學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定：通過考核，學(xué)生了解自己的得分情況，并客觀分析自身的不足，見圖2。

圖2 虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代儀器分析課程中的應(yīng)用

4 小結(jié)及展望

通過江西中醫(yī)藥大學(xué)現(xiàn)代儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量得到了大幅度的提高。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖是有益的補(bǔ)充[7]，但將虛擬仿真技術(shù)引入課堂，對(duì)于高校課程設(shè)計(jì)和人才培養(yǎng)有著獨(dú)特的意義[8]。隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來的虛擬仿真教學(xué),是一種新穎的教學(xué)嘗試。學(xué)生通過仿真教學(xué)，不僅能夠形象地理解了實(shí)驗(yàn)的基本原理,而且能夠通過仿真操作對(duì)實(shí)驗(yàn)多過程有直觀的感性經(jīng)驗(yàn)。在開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程中做到虛實(shí)結(jié)合為培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力提供了有力保障。堅(jiān)持以實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔,圍繞實(shí)體藥物檢測(cè)實(shí)踐過程，注重實(shí)體實(shí)驗(yàn)知識(shí)的傳授和實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，構(gòu)建基于虛擬環(huán)境的現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，也是實(shí)驗(yàn)改革必然的趨勢(shì)。