仪器分析实验多媒体教学软件的研制*

胡万群 邵伟

(中国科学技术大学化学实验教学中心 安徽合肥230026)

仪器分析实验是化学、应用化学等专业的必修基础课程，是基于精密仪器测量表征物质的某些物理或物理化学性质的参数以确定其化学组成、含量及化学结构的一门课程。目前，仪器分析实验的开设过程一般是让学生根据实验讲义和操作步骤，在仪器上测定或分析一些特定的样品，根据仪器显示和记录的信号来获取样品的某些化学信息。这种教学方法是必须的也是重要的，但上机操作的前提是要有相应的仪器设备。随着科学技术的发展，仪器分析发展很迅速，新技术、新方法、新仪器不断涌现，如何及时将其引入高校的仪器分析实验教学之中，让学生尽早地学习和掌握最新的仪器分析方法和实验技能，以适应科研等方面的实际需要，是仪器分析实验教学中值得关注的课题。

一些已在科研、生产、医疗及检验管理等领域广泛应用的大型综合仪器(如电感耦合等离子体质谱联用技术(ICP-MS)、气相色谱红外光谱联用技术(GC-IR)、透射电镜技术(TEM)、扫描电镜技术(SEM)等)［1-4］，由于本身价格较为昂贵以及管理和维护的要求较高等因素，在多数高校中尚不能面向本科生和研究生开设相应的实验教学课程。为填补这方面的空白，充实和拓展现有的仪器分析实验教学内容，我们运用计算机多媒体技术等手段，通过计算机程序设计，将6种大型综合仪器的相关方法原理和测试技术等整合为仪器分析实验的教学内容，设计研制了相应的仪器分析实验多媒体教学软件，将其作为教学平台供师生教学使用。由此，一方面改进了仪器分析实验教学的教学方式，填补了因经费等因素而无法开设相关实验教学内容的空白;另一方面又可让学生及时了解最新仪器分析技术及应用前沿。

1 仪器分析实验多媒体教学软件简介

运用Flash动画制作软件、音视频处理软件及多媒体程序开发软件Authorware 7.0［5］等，针对6种大型仪器，设计研制了仪器分析实验多媒体教学软件，内容包括背景知识、基础理论、仪器原理、操作技能、预习测试、实验内容、实验报告和实验讨论等。

该教学软件既可以运行于本地计算机，也可以通过登录软件系统的网络平台，进行远程互动式教学。

本教学软件所涉及的教学内容较为丰富，软件中的各模块可以根据教学需要进行增删、更新，具有很好的可拓展性且易于升级;使用界面简洁友好，操作方便。

2 仪器分析实验多媒体教学软件的界面设计

2.1 起始主界面

软件运行后，显示的起始主界面如图1所示。

图1 仪器分析实验多媒体教学软件运行后显示的起始主界面

在起始主界面横向自左起约1/3处，用一条纵线将界面分为左、右两部分。

起始主界面右部从上向下依次为多媒体教学软件的名称(仪器分析实验)、开发者所属单位(中国科学技术大学化学实验教学中心)的中英文名称及学校校徽图标、欢迎词、一个使用者的图片和一个建筑物示意图(在建筑物外墙上设计了嵌入式的软件背景音乐开关控制按钮)。

起始主界面左部分的左侧是软件起始操作提示文字，右侧从上至下分别为电感耦合等离子体质谱、液相色谱质谱联用、扫描电镜、透射电镜、毛细管电泳、气相色谱红外光谱联用这6种仪器分析方法的中英文名称以及其相应的仪器外观图片，并以6种不同颜色分别作为图片的背景色(此后的6种仪器分析实验教学模块的软件界面同样是分别以这6种颜色作为背景色);在起始主界面的左下角，设计了一个带有开、关门动画图标的退出按钮。

2.2 鼠标指向起始主界面6种仪器小图标时分别显示的软件界面

当鼠标指向起始主界面左侧的6种仪器小图标其中之一时，则会有一个红色矩形方框圈在该仪器小图标四周，并在起始主界面右侧的中间区域对应显示该仪器的较大图片及文字简介(图2)。

图2 鼠标指向主界面6种仪器小图标后对应显示的软件界面

2.3 6种仪器分析实验教学的软件界面

用鼠标单击起始主界面的6种仪器小图标其中之一，则进入该种仪器分析实验教学软件使用界面(图3)。

图3 6种仪器分析实验对应的软件界面

在图3所示的每种仪器分析实验教学的软件界面的左下角，设计了一个带有开、关门动画图标的退出按钮，并在其右设计了一个软件背景音乐开关控制按钮。

3 仪器分析实验多媒体教学软件的内容设计

仪器分析课程教学内容中的每一种仪器都有自己的理论基础、研究方法、仪器构造和应用范围。因此，在我们研制的教学软件中，对所选择的6种仪器，分别设计了“方法概述”、“仪器介绍”、“原理模拟”、“预习测试”、“实验操作”、“实验内容”、“实验报告”、“实验讨论”8个教学模块的教学内容。

如前所述，运行本教学软件显示出起始主界面后，其左侧自上而下设计了包含6类仪器中英文名称和仪器小图片的6个选择区域(图1)，用鼠标单击某个选择区域，则进入对应的该类仪器分析实验教学界面(图3(a)～(f))，并显示一段配有该类仪器图片的文字简介，简明扼要地说明该仪器分析方法的特点、用途和应用领域，以使学习者一目了然地获得该类仪器分析的基本信息。

在图3所示的各类仪器分析实验教学界面中，顶端第一行的中部为对应仪器的中英文名称。在顶端第二行的最右侧，设计了“返回主界面”按钮，点击该按钮后，软件返回起始主界面;此外，在顶端第二行，从左至右设置的是对应该仪器的“方法概述”、“仪器介绍”、“原理模拟”、“预习测试”、“实验操作”、“实验内容”、“实验报告”、“实验讨论”共8个教学模块的选择按钮。用鼠标单击这8个选择按钮之一，则进入对应的教学模块。

以“电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)”为例，图4(a)～图4(i)分别对应“ICP-MS”中8个教学模块的软件界面(其中图4(i)为“实验讨论”模块(图4(h))问题解答的模板内容)，其他几个仪器分析实验教学软件的8个教学模块的软件界面与此类似。

图4 “电感耦合等离子体质谱”中的8个教学模块软件界面

3.1 “方法概述”模块

在“方法概述”模块中，分别以“概述”、“检测元素”、“应用”等条目介绍了ICP-MS与传统的元素分析方法(分光光度法、原子吸收法(火焰与石墨炉)、原子荧光光谱法、ICP发射光谱法等)的比较;介绍了ICP-MS分析技术的先进之处(与传统无机分析技术相比，ICP-MS技术具有最低的检出限、最宽的动态线性范围、干扰最少、分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时测定以及可提供精确的同位素信息等特点);介绍了ICP-MS的发展简史及其在环境样品分析、生命科学研究中的应用等(图4(a))。

3.2 “仪器介绍”模块

在“仪器介绍”模块中，以“仪器结构”、“样品引入系统”、“离子源”、“接口”、“质量分析器”、“检测系统”、“赛默飞ICP-MS”等条目，分别辅以图片介绍了ICP-MS仪器的结构、每个结构单元的功能以及常用的典型的该类仪器(赛默飞ICP-MS)的功用等(图4(b))。

3.3 “原理模拟”模块

在“原理模拟”模块中，分别以“同心雾化器”、“交叉雾化器”、“ICP”、“ICP离子化”、“截取锥”、“四级杆1”、“四级杆2”等条目，采用Flash动画生动形象地展示了仪器的相关工作原理。如在四级杆质量分析器中，四级杆的工作是基于在4根电极之间的空间产生一个随时间变化的特殊电场，具有一定荷质比(m/z)的离子在电场中得到有序排列，获得稳定的路径，而后通过极棒，从其另一端出射;其他离子将被过分偏转，与极棒碰撞，并在极棒上被中和而不被检测器检测(图4(c))。

3.4 “预习测试”模块

“预习测试”模块的设置旨在考查学习者对相关仪器分析方法基础知识的掌握情况。在进行预习测试时，首先请参加测试者输入姓名，测试题数、测试时间等可以由被测试者自行设定，在测试时可立即反馈答题正误，并在测试完所有选定的测试题后给出答题的实际使用时间和答题正确率，同时给出相应的学习建议。如图4(d)所示，该图为测试开始的软件界面，其右侧的截图为测试最后的反馈结果。

3.5 “实验操作”模块

在“实验操作”模块中，分别以“样品制备”、“制样示范”、“仪器操作”、“软件使用”等条目，介绍了样品前处理方法的一般知识和注意事项，并放置了具体样品处理过程和仪器操作流程的视频文件，用于规范基本的实验操作技能(图4(e))。

3.6 “实验内容”模块

在“实验内容”模块部分，我们在借助我校公共实验中心及相关科研实验室的分析仪器平台做了若干预实验的基础上，编写了包含相应实验内容的实验讲义，使用者可以根据需要自行选用(图4(f))。

3.7 “实验报告”模块

在“实验报告”模块中，给出了规范的实验报告模板，并以“实验报告1”、“实验报告2”、……、“实验报告n”等条目呈现，提供了需在教学软件的网络模式下运行实现的实验报告提交平台(图4(g))。

3.8 “实验讨论”模块

“实验讨论”模块只能在教学软件的网络模式下实现，为师生提供了基于网络的“教”与“学”的互动平台。

在“实验讨论”模块中，学习者在根据屏幕提示输入所要提出问题的内容后，给出提示“你要讨论的问题已提交，将会尽早给予解答，请稍后点击‘解答’按钮”。当授课教师在软件系统看到学习者提出的问题后，将解答内容以指定的文档名及文档格式存放于指定的文件夹中，学习者通过点击“解答”按钮，即可看到相应的问题解答，并可通过点击该模块界面中的“Continue”按钮，继续提出问题(图4(h)和图4(i)，其中4(i)右下部的截图为问题解答的模块内容)。

4 结语

本文介绍的仪器分析实验多媒体教学软件，使用了动画和音频、视频等多媒体设计和制作技术，实现了对仪器工作原理等的动画模拟以及相关实验操作的示范指导;整合了实验教学过程所需的全部教学内容，充实和拓展了仪器分析实验教学的内容。

该软件具有很好的模块化结构，易于拓展和更新。已有的仪器分析实验教学内容可以很方便地整合、移植到该软件系统，以构建与现有仪器分析实验教学内容配套的计算机辅助教学(CAI)平台;亦可以随着仪器分析新技术、新方法的发展而不断对其加以充实、完善和升级，使其保持实验教学内容的新颖性和实用性，不断扩大该教学软件的使用面和受益面。

［1］Thomas R.Practical Guide to ICP-MS:A Tutorial for Beginners.2nd ed.Boca Raton，Florida:CRCPress Inc，2008

［2］武汉大学.分析化学.第5版.北京:高等教育出版社，2009

［3］付洪兰.实用电子显微镜技术.北京:高等教育出版社，2004

［4］王中林.纳米材料表征.北京:化学工业出版社，2005

［5］李若瑾，王丽萍，李美村，等.Authorware7.0.北京:电子工业出版社，2010