虚拟实验在仪器分析实验教学中的应用研究

许映杰 胡六江

(绍兴文理学院 化学化工学院,浙江 绍兴312000)

虚拟实验在仪器分析实验教学中的应用研究

许映杰 胡六江

(绍兴文理学院 化学化工学院,浙江 绍兴312000)

根据仪器分析实验课程的特点和当前教学过程中存在的问题，将虚拟实验引入仪器分析实验教学，虚拟实验与实验室的实际操作互为补充，提高仪器分析实验的教学效果.

仪器分析实验；虚拟实验；教学改革

仪器分析实验是高等学校化学、化工、药学和环境等专业的基础课程，是仪器分析理论课程重要的教学实践环节，具有很强的实践性和应用性.通过本课程的学习，学生应掌握仪器分析的基本原理，熟悉常用仪器的分析方法，了解仪器的结构及其操作方法，同时能够根据分析对象的特点和要求，结合仪器的应用范围，选择适当的仪器分析方法进行定性、定量分析和结构解析，从而为其今后的学习、工作和科学研究打下基础[1-2].

近年来，为满足我国高等教育发展的新要求和社会对应用型人才的需求，地方院校根据自身特点、办学基础和地方特色，对本科专业人才培养方案进行了重新调整和设置，在注重培养学生专业理论知识的同时，加强了对学生实践创新能力和操作技能的培养，这为相关实践性课程的教学改革提供了契机.

仪器分析实验课程是绍兴文理学院化学化工学院化学、应用化学专业的核心课程，与后续化工基础实验、工业分析实验、综合化学实验和毕业论文等教学环节密切相关.因此，仪器分析实验的教学质量不仅影响学生对仪器分析课程知识的理解和掌握，而且影响学生对后续相关课程的学习.仪器分析实验与其他化学实验相比具有自身的特点.例如，仪器分析实验过程需要借助各种分析仪器才能进行，这使得仪器分析实验教学容易受仪器设备、实验经费和实验场地等因素的制约和限制.因此，在现有教学资源的前提下，为了进一步提高仪器分析实验课程的教学质量，培养学生的操作能力和创新能力，我们对仪器分析实验课程进行了教学改革，在原有实验教学的基础上引入虚拟实验的教学模式，使学生在进入实验室之前对分析仪器的构造、原理和操作方法有初步的感性认识，再结合实验课堂教师的讲解、演示和学生实际动手操作，使他们理解和掌握实验的原理、仪器操作与使用的方法，从而提高仪器分析实验课堂的教学质量，培养学生的学习能力和动手能力.笔者根据近年来从事仪器分析实验课教学的体会，对仪器分析实验教学过程引入虚拟实验的目的、优势及其对课堂教学质量的影响进行了探讨.

1 现行仪器分析实验教学存在的问题

仪器分析实验所使用的大部分仪器价格通常比较昂贵，而地方院校大型仪器设备的配置相对有限，如红外光谱仪、质谱仪和核磁共振波谱仪等大型仪器设备一般只购置一台，故多数仪器分析实验为多人一组.同时，由于个别大型分析仪器还肩负着为全校科研服务的重任，因此为了不影响仪器的正常使用和避免仪器受损害，一般在仪器分析实验教学过程中不会向学生展示分析仪器的内部构造.在仪器分析实验教学过程中，往往是教师先讲解实验原理和仪器结构，然后再演示分析仪器的操作方法，最后学生利用教师提前准备或处理好的样品进行一次实际操作.因此，在课堂上只有靠近教师周边的少数学生能够全方位观察到教师的操作过程，而大多数学生都未能真正理解和掌握仪器的使用方法，使教学效果大打折扣.

其次，各个院校所配置的分析仪器的生产厂家和型号不同，仪器操作时所使用的工作站软件系统和参数设置等也存在较大差别，因此一般很难找到可以通用的仪器分析实验教材，帮助学生针对性地预习和准备.同时，大部分学生都是在进入仪器分析实验室后，才第一次见到所使用仪器的庐山真面目.由于个别学生没有进行针对性地预习和认真观察教师的演示操作，导致他们在实验操作过程中缩手缩脚，只会机械地模仿教师和同组同学的实验操作，并不真正清楚每一步操作的目的和原理，这不利于培养学生的实验技能和创新能力.此外，由于配置的仪器数量较少和每组学生的人数较多，一般学生没有机会进行重复实验或者进行研究性探讨式的学习，这也降低了学生的实验积极性和热情.

2 虚拟实验在仪器分析实验教学中的应用

虚拟实验是借助图形图像、仿真软件、Flash动画和虚拟现实操作流程等技术，在计算机上营造可部分代替，甚至全部代替传统实验各个操作环节的相关软硬件环境[3].近年来,随着计算机应用的普及和网络信息技术的发展，以计算机多媒体技术为基础的虚拟实验被广泛应用于辅助实验教学，这不仅在一定程度上弥补了传统实验教学存在的不足，而且提高了学生的学习积极性和学习兴趣，取得了较好的实验教学效果，培养了学生的动手能力和创新能力[4-5].目前，用于化学实验教学的计算机虚拟实验软件主要基于Flash、ActiveX和VRML等三种技术进行开发[6]，内容较为丰富.其中，基于Flash技术开发的虚拟实验软件具有界面美观、视觉冲击效果强、体积小、不需要安装、可直接在浏览器中进行操作、图形可无级放大不失真等特点，被高等院校用于仪器分析实验教学[6-7].虚拟实验辅助仪器分析实验教学具有以下优点：

(1)利用基于计算机多媒体仿真模拟技术的仪器分析虚拟实验，学生在电脑上就可以观察、了解仪器的内部结构，生动、形象地学习相关基本原理，模拟实验操作流程，观察实验现象，在仪器分析实验教学中显示出了广阔的应用前景和实用价值，并激发了学生的实验积极性和主动性.例如，在红光吸收光谱分析实验中，采用动画和声效相结合的Flash虚拟实验将NICOLET 6700傅里叶红外光谱仪的内部结构，在实验前直观地展示给学生，有助于学生了解和掌握仪器的内部结构和原理，同时对即将展开的仪器操作和数据分析做好相应的准备.因此，虚拟实验具有“活灵活现”的优势，既克服了以往仪器操作的机械性和模式化等缺点，又赋予了仪器分析实验的趣味性和启发性，能够帮助学生加深对相关仪器结构、原理和操作的理解，从而提高学生的实际动手能力.

(2)虚拟实验包含的信息量较丰富，包括仪器设备的构造、实验所用的药品、实验原理、实验操作流程以及注意事项等.学生打开计算机就能对即将开展的实验作相应的预习和准备工作，他们如身临其境般地了解实验内容、实验过程、实验操作方法和实验现象，这不仅可以激发学生的实验热情，而且可以有效地促进教学.虚拟实验通过模拟仿真仪器分析实验的操作，使学生对仪器分析实验的操作步骤和过程从原有的文字理解阶段上升到应用、实践的高度，同时结合教师在实验室的演示过程，有利于学生充分理解和掌握实验原理和仪器的操作过程.

(3)虚拟实验在一定程度上弥补了仪器分析实验中大型分析仪器资源配置较少等客观问题.学生在实验之前可以通过网络进入仪器分析虚拟实验室，了解仪器的结构、实验原理和步骤，并通过反复的操作熟悉仪器，为实验进行准备.当学生进入仪器分析实验室后，配合虚拟实验中学到知识与教师在实验室的讲解和演示，使学生掌握仪器的正确使用方法和实验步骤，从而提高仪器分析实验的成功率和效率，同时教师也不必担心学生误操作分析仪器而导致仪器的损坏，进而影响正常的教学和科研工作，降低了仪器由于操作时间过长所导致的损耗及资源浪费.

3 结束语

虚拟实验技术已在高校仪器分析实验教学中显示出了其特有的优势，能有效促进仪器分析实验教学质量的提高，大大激发学生的实验兴趣和学习积极性，有利于培养学生的动手能力和创造能力，同时也在一定程度上缓解了实验学时少和实验室资源有限等问题.目前，已有不少国内高校开发了用于仪器分析实验教学的虚拟实验课件，并应用于实验教学的实践[6-7]，取得了良好的效果.例如，大连理工大学基础化学实验中心采用Flash技术开发了系列虚拟实验课件，包括红外光谱、紫外光谱和色谱等常见实验，应用于仪器分析实验教学，激发了学生的实验积极性，提高了实验教学的质量.

虚拟实验技术作为一种辅助教学手段，其推广和应用需要结合学校的实际情况逐步和有选择性地进行.首先，教师要更新教学理念，虚拟实验的应用不是削减教学内容和任务，而是为了更好地利用实验课堂的教学时间，锻炼和强化学生的动手能力，培养学生的创新能力；其次，虚拟实验的应用要以实际实验教学内容和仪器设备为基础，将虚拟实验技术巧妙地融入实验教学中，同时教师要以学生为主体，将学生、实际实验和虚拟实验三者有机地融合在一起，充分调动学生的实验积极性；最后，虚拟实验技术需要与时俱进，要随着分析仪器的更新和实验教学内容的调整进行完善.值得强调的是，虚拟实验技术只是仪器分析等实验教学的辅助教学手段，它无法完全代替真实的实验环境和实验操作，只有二者相互补充，相互促进，才能更好地为应用型人才培养目标服务.因此，如何有效地将虚拟实验技术融入仪器分析等实验教学过程，更好地培养学生的实验能力，将是一项长期的工作.

[1]周云,张连庆,林金明.仪器分析实验多媒体网络教学平台的设计与实现[J].实验技术与管理,2010,27(7):93-95.

[2]张培敏,陈恒武,郭伟强,等.仪器分析实验教学改革初探[J].大学化学,2007,22(2):10-12.

[3]白雁,张娟,潘瑾,等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(12):169-171.

[4]周云,张连庆,林金明.多媒体网络化教学平台在仪器分析实验教学中的探索与实践[J].大学化学,2012,25(6):48-51.

[5]李庆生,谯康全.高校化学类仪器分析实验的信息技术教学模式研究[J].化学工程与装备,2012(4):234-236.

[6]刘志广,岳锌,吴超,等.三种网络虚拟实验室的实现方法与比较[J].计算机与应用化学,2003,20(1):91-93.

[7]张小燕,许豪杰,张粉燕,等.Flash多媒体技术在仪器分析教学中的应用[J].大学化学,2003,18(6):39-40.

(责任编辑 邓颖)

Application of Virtual Experiment Technology in Instrumental Analysis Experimental Teaching

Xu Yingjie Hu Liujiang

(School of Chemistry & Chemical Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

According to the features of the course Instrumental Analysis Experiment and the existing issues in the teaching process, the virtual experiment technology was introduced to the relative course teaching. Combined with the virtual experiment technology and actual operation in the laboratory, the teaching effectiveness of the Instrumental Analysis Experiment could be improved.

Instrumental Analysis Experiment; virtual experiment; teaching reform

2013-11-25

2012年绍兴市高等教育教学改革资助项目(绍市教高〔2012〕116号)

许映杰(1979-)，男，浙江上虞人，博士，副教授.

G642.423

A

1008-293X(2014)07-0089-03