新工科背景下虚拟仿真在《仪器分析》中的探究*

刘雪霞

(井冈山大学化学化工学院，江西 吉安 343009)

新工科背景下，地方本科高校以培养应用型人才为培养目标，根据此人才培养目标，进行了大量的教学改革研究，如翻转课堂，观摩式教学转变为操作型教学，移动设备应用教学等[1-2]。基于分析化学为基础发展起来的《仪器分析》，是一门应用型课程，需要很强的综合能力，既有较强的专业理论知识，同时又需要大量的仪器分析实验作为支撑[3-4]。如何实现抽象理论教学和实验教学合理有效的衔接，为国家培养应用型及科研型的人才，是当今《仪器分析》课程教学改革的重点。

虚拟仿真技术用于实验教学是利用计算机创造虚拟环境来模拟真实的实验环境，并且根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟仿真的环境中进行操作、验证、设计、运行的教学模式[5]，使人身临其境，可以多人同时在线操作，利用率高，实验中可以降低仪器损坏率，提高实验安全性，可以十分好的服务于实验教学，更为重要的是，将学生从抽象的理论中释放出来，服务于理论教学。我们对《仪器分析》课程进行了初步的教学改革探讨。

1 教学方法研究及实践

根据材料化学和化工专业特点，需要用到傅里叶变换红外光谱仪、气质联用仪、核磁共振仪、原子吸收光谱仪、X射线光电能谱分析仪等分析仪器设备，依据核磁共振仪、X射线光电能谱分析仪两台仪器的工作原理、内部构造，利用虚拟仿真平台建立软件进行模拟实验。一方面可以作为课前的预习，了解仪器使用的各个环节，包括操作指南、安全事项、样品预处理、参数设置、样品测试、数据处理等内容；在课堂上，通过使用虚拟仿真技术，讲解内容能直观的呈现在学生面前，弥补因缺乏仪器无法进行操作的感性认识，让学生进行更好的了解、认识、掌握。

依据对传统讲授方式教学效果的评价，选择两种类型的章节，一是已经具备仪器但未开设仪器分析实验的核磁共振法章节，另一类型是缺乏实验设备的现代仪器分析方法章节，利用虚拟仿真技术用于教学的操作模式进行实践，课前利用软件进行预习，课堂中，利用软件一步一步进入仪器构造的讲解，学生可以直观的看到仪器的一个立体构造和内部构造，并且模拟实际应用，让学生清楚的了解学以致用的道理，课后学生仍然可以自己操作软件进行练习。

1.1 虚拟仿真展示核磁共振仪器的内部构造

在地方本科院校，大型仪器对本科生展示机会十分少，基本没有机会观看到仪器的构造和测试过程，例如应用十分多的仪器核磁共振仪，大多数课堂讲解基本原理，学生基本是一头雾水，鉴于这一章和其他光谱章节的区别，学生不知道什么是核磁共振，这个信号是怎么产生的，是不是也是能级跃迁，而虚拟仿真引入到课程中，可以通过动画将核磁共振仪器及其内部构造展示到同学们眼前。同学们可以看到仪器的外观，明白核磁共振多了一个强大的外加磁场，有了外加磁场的存在，可以使原子核处于较低的能级，射频发生器的存在，可以产生辐射电磁波，原子核可以吸收，反生反转，能量状态高，但是不稳定，又会回到低能态，这样来回变化，可以形成一个共振信号，我们就可以检测这个信号，同学们明白了核磁共振怎样产生的，对于基本原理的理解就会更清晰。并且仪器上还具有检测器、放大器、记录仪，用来检测和记录信号。并且学生还可以看到仪器还需要液氮的维护，他们就会思考液氮的作用是什么，这样可以起到启发式教育的目的，引起学生学习的好奇心，知道液氮是用来制造超低温，维护磁场的作用。通过虚拟仿真平台的展示，学生对核磁共振仪的每一个部分的构造和作用有了更为清晰的认识，对其后面学习基本原理和应用具有十分大的帮助。

1.2 虚拟仿真展示扫描电镜的测试过程

《仪器分析》课程最主要的目的是实现学生可以操作仪器，可以对实验结果进行分析。理论课可以在一定程度把实验原理讲解清楚，但是对实际应用中的测定过程的展示是什么困难的。扫描电镜作为现代仪器分析方法中占有重要的地位，扫描电镜是材料表征和分析的一种十分重要的手段，扫描电镜的教学对于拓宽学生的视野具有十分重要的作用，但是扫描电镜属于大型贵重设备，许多地方高校没有购置该仪器，导致学生没有机会看到该仪器的测试过程。首先，通过虚拟仿真平台，学生可以对大型仪器的开机、关机过程有直观的认识，明白仪器的日常维护。测试前样品根据实际性质进行喷金或者不喷金操作，学生会对自己的样品进行思考，并且对喷金的作用进行思考，明白喷金是为了增加材料的导电性，拍摄材料的形貌，不导电的材料必须进行喷金，拍摄效果才会比较理想。放置样品台，抽真空等，这些测试前的准备，学生都可以体验到。升台子，控制好测试台的高度，选中自己的样品，调整测试模式，对清晰度、放大尺寸等进一步调整到自己需要的照片进行拍摄保存。对自己的材料的形貌进行思考，根据形貌调整实验条件，制备出自己所需要的结构。通过动画直观的演示如何制备样品、如何放置样品台、如何拍摄、收集测试结果，相比枯燥的理论学习，学生对扫描电镜等大型仪器的掌握程度肯定会有大幅度提升。

2 教学反馈研究

在完成章节学习后，针对仪器原理、构造及应用的理解情况对学生进行问卷调查，并且和传统的讲授方法进行对比，针对存在问题进行虚拟仿真技术应用于理论教学的方法进行修正。

通过虚拟仿真平台的引入，引导学生不断强化理论知识，调动学生的主动性和积极性，提高学生的实践能力和创新能力，向培养应用型人才方向转变。同时要求教师具有更高的信息化技术应用能力和实践能力，可以提高教师的综合素质。形成更为完善的《仪器分析》教学平台，可节约成本，更清晰的了解实验原理和仪器构造，更好的推动理论教学的改革与发展。

通过本课题的研究及实践，首先为学院材料化学、化工专业学生提供全新的《仪器分析》理论教学模式，充分调动学生的学习主动性。其次，结合虚拟仿真平台的建设，为学院无法开展的现代化仪器设备实验，为学生提供模拟实验，使课堂内容更贴合实际，开阔学生的眼界，提高学生的创新能力，满足社会需求人才，实现应用型人才的培养。再次，通过本课题研究及实践，为学院其它课程建设及教学改革提供示范借鉴，促进学院教学质量。

3 结 论

《仪器分析》作为化工专业一门重要的专业课，对学生的实践能力和创新能力的培养十分重要，该课程具有较强的理论性，但是又需要实践相结合才能学好的一门课程。虚拟仿真的引入可以解决理论课程枯燥、不生动、不形象等诸多问题，将仪器的内部构造、实验原理、检测流程直观的展现在同学们面前，提高学生学习本课程的兴趣，拓宽学生的眼界，增强学生的实践能力和对化工专业的自信，培养出社会所需要的人才。