虚拟仿真技术在《仪器分析实验》教学中的应用

吴丽杰 王 凯 陈美玲 任晓亮 张 祎

（天津中医药大学中药学院 天津 301617）

0 引言

《仪器分析》是化学、化工、食品、中药、药学及其他相关专业一门重要的专业基础课，此课程采用理论课与实践课并行设计的教学计划。实验教学的开设不仅有利于学生将抽象的理论知识更好的消化和吸收，而且有利于学生独立思考和实际操作能力的培养。随着科学技术的迅猛发展，新技术、新仪器、新概念不断涌现，仪器分析涉及的范围和内容日益广泛，为适应这一发展的需要以及本科教育的要求，对仪器分析实验教学模式提出了新挑战，在传统仪器分析实验教学的弊端日益突显的情况下，如何将新技术引入到实验教学中更好的保证教学效果是《仪器分析实验》课程急需解决的问题。

1 传统仪器分析实验教学的局限性

《仪器分析》理论课程主要包括：紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、红外分光光度法（IR）、原子分光光度法（AAS）、核磁共振（NMR）、质谱（MS）、气相色谱（GC）、气相色谱和液相色谱（LC）等技术，知识涉及到物理学、化学、电子学、精密机械制造和计算机科学等多学科的交叉，内容抽象、涉及面广、信息量大。涉及到的仪器大多属于精密仪器，价格昂贵，耗材配件等极易被损坏，操作及仪器环境苛刻，运行及维护成本巨大。所以在传统的仪器分析实验的教学中学生能亲自动手操作的通常是一些相对简单、落后的仪器，比如UV-Vis、IR等，教学内容陈旧。对于涉及大仪的实验一般是实验教师边讲解边演示，使得学生很难真正全面的掌握仪器的工作原理，仪器分析实验课就是在走马观花，造成学生基础理论知识不扎实、动手操作能力及协调能力差等普遍问题。加之目前各高校不断扩大招生规模，在校学生与日俱增，使得仪器分析实验课程收到实验室经费、实验场地及实验时间的多重制约，传统的仪器分析实验教学已无法适应现代分析技术的发展要求。

2 虚拟仿真技术简介及其在仪器分析实验教学中的应用优势

虚拟现实技术(VR)，是利用计算机将触觉、听觉及视觉等融合在虚拟环境里，用户能够身临其境，并且可以通过必要的输入和输出设备与虚拟体系进行交互作用。此技术由美国军方最先开发并用之于军事模拟训练[1]。三维虚拟仿真技术是通过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，并能创建和体验虚拟世界的仿真系统。将该技术引入到教学过程中又被称为“虚拟仿真实验技术”。该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，在计算机上创建一个可视的实验操作环境，由可视化物体代表实验仪器或实验设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或实验设备完成各种实验操作的教学仪器系统。将 VR应用于仪器分析实验教学中，不仅可以弥补传统仪器分析实验教学中的不足，有利于学生更好的熟悉仪器构造及操作，又可激发医学生的学习兴趣，提高其学习的主动性。并且可以实现多次重复操作练习，有效的辅助实验教学过程。另外，由于VR实验无损耗，无污染，有利于绿色化实验的建设[2]。因此，建设三维虚拟仿真实验室可以有效地解决实验条件的不足与日益增加的学生之间的矛盾。

将VR应用于仪器分析实验教学中，可以改进实验教学手段，提高教学效果，有助于学生全面的了解实验过程。在传统的仪器分析实验教学中，一般是教师讲解实验原理、实验步骤及数据的处理方法，对于一些精密的大型仪器，由实验老师演示关键步骤，学生直接获得数据进行数据处理，即完成了一个实验项目。现在的仪器设备基本上都是集成化设计，学生无法直观地了解仪器各部分的组成及仪器的内部构造，对仪器内部构造的了解仅仅停留在老师的课堂讲解，甚至对部分常用仪器的认识处于盲区状态。整个实验下来，学生就在仪器上按了几个按钮，非常不利于学生创新精神和创新能力的培养。而VR系统，可以将现实过程中难以演示的部分内容，如大型精密仪器的内部构造与原理、仪器故障的处理等用计算机辅助的方式展现出来，可以把仪器的每个部件都拆分开来观察，使学生更全面的了解仪器的内部构造及作用，大大提高了教学效果。另外，学生可以根据演示实验获得的经验，按照实验内容和实验要求灵活地设计实验方案并一一验证，加深学生对实验仪器及实验内容的理解，丰富了实验教学手段和实验内容，更好的培养学生的创新能力，VR系统在教学中显示出了巨大的实际意义和实用价值。

将VR应用于仪器分析实验教学中，可以改变实验学习模式，激发学生的学习兴趣，提高其学习的主动性。在传统的仪器分析实验教学中，由于仪器设备的台套数相对较少，特别是对某些贵重仪器或精密仪器人机比过高，在实验过程中，学生的操作训练时间较少，不能保证每人都能动手操作，导致部分学生的操作水平相对较低，上仪器分析实验课就像在走马观花，对已做过的实验毫无印象，不利于实验教学。而VR系统可通过声音、图像、动画等具有丰富表现力的仿真软件帮助学生进行多感观的学习，为其提供更为形象直观、内容丰富、生动逼真的模拟演示，可很好地帮助其了解仪器的结构、工作原理、基本操作方法、安全知识等内容，并可大大地提高其学习的兴趣[3]。学生可以借助系统逼真地认识一些大型精密仪器的构造，了解掌握仪器设备的使用及特性，还能实现每人自行操作，模拟实验全过程，凸显仪器设备的性能优势，显著提高了学生的学习效率。另外，学生在实验过程中减少了盲目操作、药品损耗、设备损坏等现象，提高了实验的效率，并节省了实验开支。

将VR应用于仪器分析实验教学中，可以实现资源共享和开放。虚拟仿真实验教学只需要一台电脑和一套仿真软件，它是依靠网络系统完成实验的平台，因此与传统实验相比，其在教学实践活动中的应用可以弥补教学台套数不足，实验时间受限，场地受限，实验课程结束，学生就很难再重复进行实验操作练习。而对于VR实验，只要服务器全天开放，学生就可以在网络设备的终端即电脑上随时访问虚拟实验教学系统，对实验内容进行无限制、多样性的反复操作练习，不必担心试剂药品及仪器设备的耗损，克服真实实验或操作的各种条件制约，使教学信息和实验资源实现最大程度的共享，实现开放性实验教学的目标，真正提高学生的实验技能[4]。

除此以外，还可以将VR应用于实验考核中。在传统的仪器分析实验课程的考核中，一般采用提问、数据分析计算、操作关键步骤等方式进行考核。但是这种方式不能充分体现每位学生对仪器分析实验操作知识的掌握程度。而利用VR系统进行仪器分析实验课程的考查，通过实验设计、原理、操作步骤等整个实验流程能考核学生操作方法是否科学、合理和灵活，可以综合分析学生在进行模拟实验中的进程和结果，帮助老师检验学生的学习能力和操作技能[5]。

3 结束语

虚拟仿真系统在仪器分析实验教学中具有独特的优势，可以降低实验成本，改善实验条件，减少仪器设备的损坏，有效提高实验教学水平，同时能够激发学生学习的自主性和积极性，在一定程度上培养学生的创造性。但将虚拟仿真实验系统引入到仪器分析实验教学中，不是要摈弃或者取代传统的实验教学方法，而是为了辅助实验教学，将虚拟仿真技术与传统实验教学模式相结合，相互补充，相互促进，提高仪器分析实验教学质量，完善实验教学体系。