分光光度法和电位滴定法虚拟仿真实验的开发与探索

王 岩，荆明伟，闫保桦，李国宝，耿金灵，朱志伟

（1. 北京大学 化学与分子工程学院 化学国家级实验教学示范中心，北京 100871；2. 北京大学 实验室与设备管理部，北京 100871；3. 北京大学 信息化建设与管理委员办公室，北京 100871）

虚拟现实等信息技术已在教育领域深度发展与应用，虚拟仿真实验教学已被教育部列为重点建设工作之一，2012年高等学校实验教学示范中心建设工作提出虚拟仿真实验要求[1]，从2013年开始开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[2-3]，并对建设任务和内容指明了方向。

我校化学国家级实验教学示范中心分析化学实验室在2016—2017学年完成一项实验教学改革项目，开发了一个分析化学虚拟仿真实验项目——电位滴定法和紫外可见分光光度法分别测定水杨酸在水溶液中解离常数的虚拟仿真实验。具体实验教学过程实现“虚实结合”，以基本化学分析方法为基础，以虚拟仿真实验为主线，充分调动学生兴趣，并根据实验室硬件条件，让学生分组进行实际演练，获得实践体验，巩固教学内容。

1 现实定量分析实验课程中实验项目的开展

电位滴定法和紫外可见分光光度法是分析化学课程教学中的2个重要分析方法[4-5]。

电位滴定法属于电分析化学中的电位分析法。该方法通过向试液中滴加能与被测物质发生化学反应的已知浓度的试剂，然后观察滴定过程中指示电极电位的变化，以确定滴定的终点，再根据所需滴定试剂的量计算出被测物的含量，是在滴定过程中根据指示电位和参比电极的电位差或溶液 pH值的突跃来确定终点的方法。在酸碱电位滴定过程中，随着滴定剂的不断加入，被测物与滴定剂发生反应，从溶液 pH值的不断变化中确定滴定终点。

紫外可见分光光度法属于光学分析法中的分子光谱法。分子中的电子总是处于某种运动状态，而每一运动状态都具有一定的能量，属于一定的能级，由于各种物质分子内部结构不同，分子各种能级之间的间隔也不同，这就决定了物质对不同波长光线的选择性吸收。以水杨酸为例，将被测物质的分子结构式简写为RCOOH，随着RCOOH电离情况的变化，溶液中[RCOOH]和[RCOO-]比例的变化，溶液对紫外光谱的吸收度也随之变化，而溶液中[RCOOH]和[RCOO-]比例可以通过测定其吸光度而间接得到。

1.1 被测物质的选择

虽然电位滴定法和紫外可见分光光度法实验中可供选择的被测化学物质很多，但由于是虚拟仿真实验，只需选择一种具有代表性的物质即可，如选择水杨酸。之所以选择水杨酸，是因为它是一种结构简单的有机酸，有非常重要的应用价值，与现实生活联系紧密，易于引发学生兴趣，而且对于水杨酸解离常数的测定，电位滴定法和紫外可见分光光度法均适用且可相互补充[6]。实验最后还将特别说明，对于无法用酸或碱进行电位滴定的稀溶液物质，可用紫外可见分光光度法测定其电离常数；对于有色液体或浑浊液体，可用电位滴定法测定其电离常数。

1.2 现实化学实验项目之电位滴定法

用移液管准确移取被测物质（水杨酸）至烧杯中，放入PB-10型酸度计复合玻璃氢电极，并在磁力搅拌器上搅拌，用碱式滴定管向溶液中滴加已知浓度的NaOH稀溶液，观察并记录加入NaOH的体积量和溶液的pH值。当溶液pH值为11时即可停止滴加，重复测定3次。

根据实验数据绘制 pH-V曲线图。水杨酸滴定的pH值突跃较明显，且数据分布科学合理，根据滴定数据的二阶微商，可计算得出其滴定终点体积，并从pH-V曲线上得出其对应的pH值即pKa值，再计算得到分析物的Ka值。

1.3 现实化学实验项目之分光光度法

准确移取被测物质（水杨酸）置于一组系列比色管中，分别用不同 pH值的缓冲液定容至准确刻度，以去离子水作为对照，于200～400 nm波长范围扫描，得到浓度相同的被测物质（水杨酸）溶液在不同 pH值环境下的系列吸收曲线。选择随 pH值改变溶液的吸光度变化较大的波长为测定波长，测定该波长下不同 pH值的被测物质溶液的吸光度，重复测定三次。根据吸光度的变化趋势，用图解法计算分析物的Ka值。

2 虚拟实验项目的立意与立项

用电位滴定法和紫外可见分光光度法分别测定水杨酸在水溶液中解离常数的虚拟仿真实验项目，依托虚拟实验程序设计和人机交互，构建高度仿真的虚拟实验操作环节和数据处理，学生在虚拟交互程序中开展实验，达到教学大纲所要求的教学目的。

此实验项目如果在实际的实验室中开设，并达到理想的教学效果，需要每个学生都能有独立完成全部实验环节的机会，但所需仪器台套数目较大，仪器资源利用率低；如果学生分组实验或学生间合作实验，则教学效果不理想，有些实验教学环节会成为盲点。根据“体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能”的初衷，开发了此虚拟仿真实验项目。项目优势明显，程序可复制，可利用网络传播，能实现校内外、本地区及更大范围的实验教学资源共享，能够有效扩大实验中心的教学辐射作用。

2.1 软件开发平台的选择

选用 LabVIEW 作为此虚拟仿真实验项目的开发语言工具。LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是，其他计算机语言都采用基于文本的语言产生代码，而 LabVIEW 使用图形化编辑语言 G编写程序，产生的程序为框图形式。由于 LabVIEW很容易改变其设置和功能，因此特别适用于实验室等需要经常改变仪器和设备参数、功能的场合[7-8]。

2.2 虚拟实验项目的立项安排

虚拟实验项目的立项开发，得益于3方面工作的顺利开展：

（1）完成现实化学实验项目预做，确定实验项目流程和具体环节所需仪器设备、试剂药品、标准试剂等；

（2）进行现实实验项目各环节的数据采集开发，确定虚拟仿真实验流程；

（3）进行虚拟仿真实验界面设计开发、实验数据和关联结构整理及程序的开发集成。

3 虚拟实验的设计开发

实验与过程模拟是计算机在教育科学领域最活跃的应用[9-10]，是虚拟实验的主要形式。为保证虚拟实验项目的顺利开发，需编制详尽细致的设计文档，这是项目有序开发的前提与保障。设计文档主要以设计图形式展现，以方便开发过程中的沟通交流和提高开发效率。

3.1 界面的开发

虚拟实验的界面即是软件操作的界面，是人机对话的窗口，必须以清晰有效为设计原则。比如弹出框的应用、强制点击阅读和已读提示等，能有效体现实际课程的预习与先修知识点环节。

在各设计界面上有清晰的开发提示。如“不点击阅读确认，无法进行下一页面；若已阅读，状态颜色改变”“操作，点击弹出框弹出文本及图片介绍”“操作，提示点击药品按钮，点击后出现配制过程”“操作，提示点击仪器按钮，表示仪器选择过程”等。

实验界面上的重要操作环节，也有清晰指示。如电位滴定法和紫外可见分光光度法实验环节前的仪器界面上，显示“每个按钮框都需要点击，弹出框的内容，阅读完后需要点击完成按钮返回；此时按钮会变色，表示该项操作已完成；‘进行测量’按钮会确认所有必要的操作已经完成，然后跳转测量页面；如果有遗漏，会弹出提示”。

通过对一系列计算机选择点击操作的设计开发，模拟完成实验操作过程。

3.2 整体实验流程

虚拟实验流程仿照真实实验流程进行。在虚拟实验界面登录后，需逐一点击“实验概述”里的按钮弹出框“实验原理”“实验步骤”“溶液配制”“仪器方法”等阅读图文介绍，模拟预习阅读的过程，否则无法进入后面的实验环节。

在进行虚拟实验之前，必须先进入药品与仪器界面，模拟药品溶液准备与进行仪器使用方法学习。例如，虚拟仿真实验软件“电位滴定法（仪器）”的界面，如图 1所示，2种方法的模拟实验过程分别如图 2、图3所示。

3.3 虚拟实验程序的开发

图1 虚拟实验之“电位滴定法（仪器）”界面

图2 虚拟实验之“电位滴定法（实验）”界面

图3 虚拟实验之“分光光度法（实验）”界面

图4 电位滴定法程序框图

图5 分光光度法程序框图

在完成虚拟仿真实验界面开发后，进行虚拟仿真实验软件程序开发。电位滴定法实验过程程序框图及分光光度法实验过程程序框图如图4、图5所示。完成实验操作及实验演示方案，即完成程序开发集成后，可在真实实验教学环境中应用，将虚拟实验程序中的实验演示及实验操作方案布置实施于具体实验课程中。

4 虚拟实验项目的应用及扩展展望

虚拟仿真在教学实验“虚实结合”及工程型实验项目中已有很多应用[11-12]，在理科化学实验教学、中学化学[13]及物理化学方面也有相关的探索应用[14-15]，但是在分析化学领域还不多见。分析化学是一门理论与实验并重的学科，是对分析方法的研究和学习，既需要对大量数据进行整理分析，又需要掌握各种仪器的使用，很适合引入虚拟仿真实验教学形式，既便于学生熟悉和掌握分析化学的各种方法，又克服了仪器设备数量不足或太大太贵的不利影响。

基于 LabVIEW 平台开发了一个分析化学虚拟实验项目，总结出仿真实验项目开发的过程及细节。旨在融入具体知识点，提高学生学习兴趣，并结合实际设置易于学生开展自主学习的环节，有效避免现实实验开展过程中资源不足问题。由于教学周期较长，该虚拟实验项目还有待继续开发，并经实践检验后进一步完善，以保证其在分析化学实验课程中顺利推进，也为项目软件的推广传播打下基础。

基于我校化学国家级实验教学示范中心以往扎实的信息化建设工作[16-17]，此虚拟实验项目是中心信息化建设平台向具体实验项目拓展的一次尝试。

以电位滴定法和紫外可见分光光度法分别测定水杨酸在水溶液中解离常数的虚拟仿真实验，是将虚拟仿真技术应用到分析化学实验教学的一次探索和尝试，将为虚拟仿真技术在化学教学中以下3方面的应用开发打下技术基础。

（1）知识学习型，如实验前的预习、实验后的复习、简单数据逻辑流转和对实验环节的了解等；

（2）模拟操作型，如对具体实验方法流程的模拟和对仪器操作应用的仿真学习；

（3）数据采集型，如搭建虚拟仪器并应用各种传感器及数据采集技术完成仪器分析化学实验等。

今后将继续基于 LabVIEW 平台开发虚拟实验教学项目，既可使其用于基础教学辅助，又可用于研发适合仪器分析的专门程序课件。