虚拟仿真实验在仪器分析实验教学中的应用*

钱纭嘉，冯 婧，苗 萌，褚小菊，芮 闯，张静怡，李 佳

(上海健康医学院，上海 201318)

卫生检验与检疫专业作为公共卫生与预防医学的分支学科，肩负着培养高层次应用型公共卫生人才的重任，以应对新冠肺炎等突发重大公共卫生事件[1-3]。《仪器分析》是卫生检验与检疫专业重要的专业课程，目的是使学生能够熟悉各类分析仪器的原理、熟练掌握其使用方法和数据处理方法。《仪器分析》要求学生综合运用基础知识和专业技能，是一门注重培养学生实践能力的特色课程。实验课程是《仪器分析》的重要教学内容，通过实际操作巩固理论知识的学习，促使理论知识向专业能力提升，培养学生的创新能力和综合知识运用能力，为公共卫生行业培养出创新实践能力强的高素质应用型人才。

传统的实验教学多以教师讲授为主，尤其涉及到贵重仪器，学生能手操作的机会较少，很难有动手实践的机会。这种实验教学模式严重影响了学生动手能力和创新能力的培养。虚拟仿真实验系统是基于软件技术构建虚拟实验教学系统，通过3D动态模拟实现教学实验室的数字化和虚拟化。通过计算机模拟实验器材和实验过程，使得学生在逼真的环境中完成实验操作，实现学生的实践能力和创新能力的培养[4]。虚拟仿真实验具有节约成本、实验共享、提高效率等显著优势，已经成为传统实验教学手段的有效补充和发展[5-11]。虚拟仿真实验实现了理论教学和实验的有机融合。因此，本文在《仪器分析》实验课程中引入虚拟仿真实验，通过建立虚拟仿真实验与理论课程相结合的教学模式，实现学生学习过程中不受时间和地点的局限，为疫情下的实验教学的顺利开展和实验教学质量的提升提供新的手段。

上海健康医学院秉承“应用型、特色性、国际化”的发展目标，致力于学生动手能力和操作技能的培养，在卫生检验与检疫专业的实验教学引入了虚拟仿真教学平台。本文通过分析虚拟仿真实验的特点和优势，结合虚拟仿真实验在我校卫生检验检疫专业的《仪器分析》课程的具体应用情况进行阐述。

1 传统实验教学模式的现状

1.1 实验教学效率偏低

《仪器分析》是以物质的物理和物理化学性质为基础，利用特殊仪器对物质进行定性、定量、形态分析的一门学科，所以实验课就显得尤为重要。卫生检验与检疫专业的仪器分析课程是培养公共卫生人才，更注重于检测仪器的实操能力培养。但医学院里各检验专业配备的液相色谱仪、原子吸收分光光度计、气相色谱-质谱联用仪、液相色谱-质谱联用仪等大型仪器由于价格昂贵、维修维护成本高，仪器配置数量有限，很难满足学生同时操作多台仪器设备，导致实验教学效率偏低，难以实现每个学生动手操作的教学目的。

理论课课堂教学后，有些同学对仪器的结构不能直观的了解，对仪器的构造、原理和使用存在盲区，这就导致学生在使用大型实验设备的时候，操作不当极易造成仪器的损耗和破坏。这样的结果会导致昂贵的维修费用，同时加剧学校实验设备的短缺。如果能够在教学中引入虚拟仿真实验软件，就可以让学生运用仿真实验来协助完成传统实验。比如可以先在软件中熟悉某仪器的具体使用方法后再上机操作，会大大降低因为学生的盲目操作导致的设备损坏。

1.2 增开传统实验无法实现的实验

实验教学中有一部分实验是具有一定的危险性的，特别是当涉及到有毒、放射性和易燃易爆物质时。比如冷原子吸收光谱法测定汞离子，其中需要用到汞标准物质，这类药品是受到政府管控的，无法购置。由于这类客观因素的影响，许多化学实验无法在课堂展现，但如果利用虚拟仿真实验系统，就可以实现此类实验的开设了。

1.3 提升学生学习的积极性和创造性

本科学生接触科研平台，动手操作仪器的机会有限，虚拟仿真实验软件只需要一个联网的计算机就可以做到。在课前，学生可以通过这个软件提前掌握本节课重点，一定程度上节约教学时一些不必要的时间；在课后，学生依旧可以通过这个软件复习本节课的内容，特别是临近期末的实验操作考试，这时候就带给了学生一个很大的便利，随时随地都可以复习。在越来越信息化的今天，年轻一代的学生势必对于电子产品会多一份兴趣去探索和学习，这也弥补了理论知识枯燥难懂导致学生信心、兴趣减退的不足。曾经的实验室似乎对于学生们来说虽然近在咫尺，但却实则遥远，可如今虚拟仿真实验软件就将实验室带到了生活之间。

2 虚拟仿真实验在卫生检验与检疫专业实验教学的应用

2.1 虚拟仿真中理论知识的教育

在实验课中，经常会向学生介绍到各类分析仪器，如气相色谱仪、高效液相色谱仪等。教材会有各个仪器的构造和原理介绍，但学生理解起来过于抽象。如果在教学过程中运用到虚拟仿真实验软件，可以做到教师讲解的同时，学生利用仿真软件三维地观察仪器各个角度及内部结构，通过其中三维动画能让学生直观生动地了解该仪器的构造和原理。

2.2 虚拟仿真软件在实验课中的实施

以液相色谱-质谱法测定环境内分泌干扰物为例，该实验需要用到液相色谱-质谱联用仪，该仪器价格昂贵，很难实现每个学生动手操作，如使用虚拟仿真实验系统，可以逼真的演示仪器的结构以及工作原理，让学生在虚拟仿真实验系统上模拟操作，完成液相色谱-质谱法测定环境内分泌干扰物的整个实验过程。实验内容包括样品的前处理中的样品离心、酶解、固相萃取、样品浓缩复溶，以及液相色谱-质谱仪的上机检测中的调谐、色谱质谱方法编辑、梯度洗脱程序的选择、仪器运行、展示并提取质谱、色谱图、利用内标法进行定量分析等一系列的实验内容。仿真实验系统给了学生多次尝试的机会，从样品前处理各个操作步骤到液相色谱梯度洗脱溶剂的比例调节等因素是如何影响最终实验结果，操作失误系统会给予正确的提示，学生通过这样反复操作练习，已大致掌握操作要点，此时上实机实际操作耗时少、熟练度高，进一步达到巩固的作用。课后，系统会保留每次操作的历史记录，学生可以通过回看操作失误记录后重新操作等手段进行复习。这样的虚实结合、理论教学和虚拟实验结合，达到了提高学生动手能力的目标。

仿真实验系统也给教师带来了便利，学生每次所做实验的分数都会实名记录在教师系统后台，这些分数不仅可以成为期末考核的标准，还可以知道哪些学生掌握不熟练、哪些实验普遍分数低等情况，有助于教师及时了解学生情况、调整教学计划和模式，使实验课程质量进一步上升。

3 结 语

虚拟仿真实验让实验室突破时间空间的限制来到了生活之中，让远距离教学成为可能，更为疫情期间线上实验教学提供了技术支持。本文针对虚拟仿真实验软件在卫生检验与检疫专业实验教学的应用进行了阐述，让我们看到了这样一种创新模式既弥补了传统实验的不足，也带来了新的便利和益处。理论教学和虚拟仿真实验的有机结合可以提高学生的学习效率，方便了课堂的多媒体教学，更实现了卫生检验与检疫专业操作的仿真实训与考核，使得教师可以高效的了解学生的实训效果，提高实验教学质量。促使理论知识向专业能力提升，培养学生的创新能力和综合知识运用能力，为公共卫生行业培养出创新实践能力强的高素质应用型人才，全方位促进教学质量的提升和教学模式的改革。