虚拟仿真技术在《仪器分析》理论课程辅助教学中的应用

2017-06-07邱会东苏小东原金海熊伟许弟建

科技与创新 2017年9期

邱会东　苏小东　原金海　熊伟　许弟建

摘要：以虚拟仿真软件在光谱分析、色谱分析、质谱分析教学中的应用为例，探讨了在仪器分析理论教学过程中，利用虚拟仿真软件有效地辅导理论课程教学的问题。实践证明，在《仪器分析》课程理论教学中引入虚拟仿真教学手段，能更好地调动学生学习的积极性和主动性，有效弥补理论讲授的不足，有利于提高教学效果，并且它在理论教学方法改革中发揮着重要作用。

关键词：虚拟仿真；《仪器分析》；理论教学；教学方法

中图分类号：G642.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.149

《仪器分析》是高等理工科院校化学化工类及其相关专业重要的专业基础课程，它在化学、化工、环境、材料、安全、食品和医药卫生等专业人才培养方案和课程体系中，起着培养学生实用分析技术的作用。该课程的特点是既有比较抽象的理论基础知识，又有比较具体的实际应用技术，系统性和逻辑性比较强，而且与工程技术及其生活实际联系非常紧密。

1 《仪器分析》教学中存在的主要问题

由于《仪器分析》课程具有理论和实践性并重的特点，特别是这门课程涉及的仪器工作原理和结构等基础知识，传统的教学手段和模式已经无法适应信息技术时代下的学生对接受新知识速度的要求，在那些枯燥的抽象原理和复杂的精密仪器结构的讲授中显得尤为突出，呈现出的教学效果可能也不够理想。这门课程要求在理解、掌握了基础理论知识的基础上，培养学生会应用这些理论和仪器解决实际问题的能力，所以，现在的《仪器分析》课程教学章节内容逐步扩大，而课程理论学时基本保持不变。这些都需要积极探索信息化的教学手段辅助理论教学模式的改革，提高教学水平和效果。笔者结合《仪器分析》理论教学过程中的光谱分析、色谱分析、各种检测器检测技术等方面的教学内容，说明了在《仪器分析》理论教学过程中使用三维虚拟仿真技术的优势。

2 三维虚拟仿真技术简介

三维虚拟仿真技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，其利用计算机生成一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去，并逐步形成其理论体系。该技术在实验教学过程中又被称为“虚拟仿真实验技术”，是借助图像、仿真和虚拟现实操作流程等技术在计算机上营造可辅助或者部分代替传统实验各环节的相关软硬件环境。“三维虚拟仿真技术”一般包括虚拟仪器系统、数据分析系统、计算机网络系统和虚拟实验室管理系统。它作为一种新的实验教学方法，丰富了实验教学模式和实验教学内容。由于仪器分析课程是涉及物理学、化学、电子学、精密机械制造和计算机科学等多学科交叉的课程，AGILENT、NICOLET AVATAR等ISTS3.0系列三维虚拟仿真软件在国内外高校已被引入到大型仪器分析实验教学过程中，并处于一个快速推广和发展阶段。当前，三维虚拟仿真技术所包含的虚拟仪器系统部分除了能在实验教学过程中发挥应有作用外，在其相关理论课程教学过程中同样也可以起到良好的辅助教学功能，其逼真的虚拟三维仿真技术在视、听、触觉等方面对学生的感官产生了强烈的刺激，可以调动学生的主动性和学习兴趣。

3 三维虚拟仿真技术的应用

在《仪器分析》理论教学过程中，可以利用仿真软件分析抽象的原理和复杂的仪器结构，例如光谱分光原理、色谱分离理论和仪器精密结构等，将辅助分析的仿真软件安装到计算机中，讲课时配合理论教学内容适时切换到仿真软件进行分析。

3.1 辅助理解光谱分析技术

当前，应用比较多的光学分光元件主要有棱镜和各种类型光栅等。光栅分光能力强于棱镜，但是，光栅具有集光效率比较低、不同波长的色散不均匀、二级光谱必须消除等缺点。所以，在讲授电感耦合等离子体发射光谱经常使用的具有很好色散率和良好集光本领的中阶梯光栅分光系统时，结合三维仿真软件辅助讲解各种分光元件的优缺点，阐述如何将中阶梯光栅与棱镜联合分光得到连续不重叠的全波段光谱，以及光路与检测器必须相匹配的问题。

光源发射出的光经入射狭缝进入仪器内部空间，经由准直镜得到准直平行光，光线依次经过棱镜、中阶梯光栅后再次入射到棱镜，由聚焦镜反射后到达检测器，光路如图1（a）所示。为了更容易、更直观地理解，平行光先通过棱镜预色散之后照射到中阶梯光栅上，经中阶梯光栅衍射分光后，光线恰好再次经过棱镜（后色散）。2种二次色散方式的结合，使光谱的级次重叠能够被更好地分离。棱镜作为二次色散元件，具有更高的光效率和更加均匀的横向色散，且不存在闪耀和光谱级次重叠问题，并且棱镜对中阶梯光栅光谱的级次重叠部分进行二次色散后形成二维光谱，更有利于面阵检测器对光信号接收， CID检测器如图1（b）所示。

3.2 辅助理解色谱分析技术

例如，物质的不同组分在各种填料介质中有不同的扩散速度。为了正确理解速率理论分离原理和影响柱效的因素??，特采用范·弟姆特方程，即：

H=A+B/u+C·u.（1）

式（1）中：A为涡流扩散项；B为分子扩散项；C为传质阻力项；u为载气流速。

结合公式（1），减小A，B，C三项可以提高柱效，并且载气存在最佳流速等，如图3所示。结合虚拟仿真软件理解该方程，可以直观地理解单个组分粒子在色谱柱内固定相和流动相间要发生千万次转移；再加上分子扩散和运动途径等因素，它在柱内的运动是高度不规则的，是随机的，在柱中随流动相前进的速度是不均一的。通过调整仿真软件参数，了解到各种因素之间是相互制约的，比如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高；选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度和载气流速，可以提高柱效等。这些速率理论的要点都可以通过虚拟仿真图像帮助学生快速掌握。

图3 范·弟姆特方程虚拟仿真图

3.3 辅助理解质谱检测分析技术

气相色谱质谱联用仪、液相色谱质谱联用仪、光谱质谱联用仪等联用仪器分析技术的应用越来越广泛，质谱系统作为一个检测器，在痕量组分的定性定量分析方面逐漸发展成了一种关键检测技术。利用三维虚拟仿真软件可以形象、逼真地演示质谱检测系统的结构及其工作原理。三重四级杆质谱检测系统如图4所示。试样经色谱系统分离后到达分子分离器，并在API离子源Q0中形成+/-离子和中性分子，离子向导传输+/-离子到Q1，Q1起到筛选器的作用，只允许单个m/z的母离子输送到碰撞池Q2，母离子进入碰撞池，被载气N2气体碰撞分离后，组分分子在电子轰击下分裂成“碎片”，加速后，进入四级杆质量分析器Q3，Q3逐个传递单个m/z的母离子到质量分析器，能产生共振的“碎片”到达检测器并形成质谱图。

将虚拟仿真技术与理论教学相结合，能让抽象的原理形象化。能体现出仪器分析虚拟仿真技术优点在理论课程教学中应用的例子还有许多，本文不再逐一列举。但是，教师讲课时也切记不要过于依赖虚拟仿真技术，在使用虚拟仿真技术辅助原理分析的同时，要结合板书将重点内容书写下来。另外，讲授知识时，要结合自身的肢体语言，交流教学信息，调动课堂气氛，有效提高理论课程的教学效果。

4 结束语

本文初步探讨了在《仪器分析》课程教学中借助虚拟仿真技术辅助理解理论课程教学的方法，展示了虚拟仿真技术软件辅助教学在课堂上的动态性、互动性和逼真性等优点，促进了学生对抽象原理的理解，提高了课堂学习效率。总之，运用虚拟仿真技术的目的是激发学生的学习兴趣，提高理论课程的教学效果。

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