初探虚拟仿真技术在现代仪器分析中的应用*

邓雅琼 肖 欢 王 萌 吴双双 李 聪 魏旭康 徐 伟

分析化学是一门关于研究物质组成、含量、结构和形态等分析化学信息的方法及理论课程，是江西中医药大学科技学院药学类专业的必修课程。而现代仪器分析作为分析化学的重要组成部分，其内容涵盖了电化学分析法、光学分析法、色谱分析法等。新时代形势下，因科技发展迅猛、社会快速进步，现代分析仪器随之不断地更新换代，仪器分析新方法和新技术也随之不断地创新与应用，从而使得仪器分析在研究和解决药物等科学领域的理论和现实问题中的地位越发重要，其发挥的作用无可替代[1]。江西中医药大学科技学院开设本门课程旨在通过课程学习，学生充分了解光谱分析法、色谱法等研究方法的基本原理，相关现代分析仪器的基本组成、维护和使用方法，培养学生掌握色谱分析法在定量、定性和分离分析混合物的基本原理及应用能力以及掌握根据相关的谱图进行有机化合物分析结构的综合解析技术，初步具备鉴定和分析待测化合物的能力，从而培养理论基础扎实、动手能力强、科学素养高的药学专业素质人才。

1 现代仪器分析局限性

现代仪器分析是江西中医药大学科技学院药学、中药学、制药工程等专业十分重要且实用性强的一门专业基础课。该课程涉及大量的现代分析仪器的教学，在传统的教学中发现存在以下问题。

1.1 现代仪器分析理论的局限性

1.1.1 现代仪器分析方法更新带来的局限性现代仪器分析涉及范围广泛，蕴含的分析方法也十分之广，不同分析方法所依据的原理不同，所测量的对象不同，操作方法和应用情况也存在很大的差距。而随着时代的发展和需求的不断提高，现代仪器分析方法也不断更新，这就要求仪器分析方法要进一步提高其灵敏度、选择性以及准确性，而学生所学内容顺应不了时代发展的步伐。

1.1.2 现代分析仪器更新带来的局限性分析化学要随着现代科学技术的高速发展、生产需求的提高和人民生活水平的提高而适应科学发展，分析仪器必然要朝着智能化方向发展，利用计算机分析结果、存储分析方法和数据控制仪器全部操作的功能，从而实现分析操作的自动化和智能化的目标，这也使传统教学受到阻碍。

1.1.3 学生知其然而不知其所以然带来的局限传统教学中，课堂讲授往往按照作用基本原理、仪器的分类、部件的组成、仪器的操作方法和应用实例等逐一展开。学生在学习过程中将专业术语和作用原理等记录下来，但却不知如何使用，或者不知可以解决什么问题。实际上，药学专业人才“学”仪器的目的必然是为了“用”仪器，而在现实生活中遇到实际的问题，学生却不知道如何解决，甚至不知道他们所学内容足以解决问题[2]。

1.2 现代仪器分析实验的局限性

1.2.1 设备昂贵由于仪器设备复杂，因此价格和维护费用相对低值耗材是昂贵的，且对维护及环境要求较高。例如高效液相色谱仪由高压输液系统、进样系统、色谱柱分离系统、检测器、数据处理系统等组成，价格昂贵，维修成本高。

1.2.2 标准物质仪器分析是一种相对分析法，必须要使用标准物质对照，而仪器分析的广泛应用受到限制取决于标准物质的获得。

1.2.3 误差仪器分析相对误差较大，不建议使用此法用于常量和高含量组分的分析[3]。

2 现代仪器分析虚拟仿真实验室建设的重要性

虚拟仿真技术，即使用一个虚拟的系统模仿现实生活中存在的一个真实系统的技术。该项技术是基于高性能计算机技术，并将现实场景通过实时三维计算机图形技术和动画技术重现于计算机环境中，拥有多感知性、人机交互性、构想性和浸没感等多种特征，而且内容丰富，用户可根据自身需求选择场景[4]。虚拟仿真实验在现代仪器分析实验教学中可利用虚拟现实、增强现实等仿真技术，构建虚拟仿真实验室，促进教学相长。

2.1 虚实结合，丰富教学手段分析化学教学内容多、知识广、专业强且学时少。为保障理论教学的质量和完整，往往实验学时会被压缩，且现代仪器分析所占比例小，多为验证性实验，课堂教学多以教师讲授为主，学生记基本原理、构成、操作步骤等，现代分析仪器无法带入理论教学课堂，学生理解难度增大，对现代分析仪器和方法只能死记硬背，不能实际动手操作和实现从实验中发现问题、分析问题、解决问题，从而达到培养学生严谨的科学研究素养的目标。对现代仪器分析这一基于实验的学习是存在很大弊端的。虚拟仿真实验室的建立，实现了虚实相结合，不仅丰富了教学手段，同时也培养了学生的自主学习和动手能力，达到课前预习、课中学习、课后复习的效果，突出学生的主动性、创新性和体验性。

2.2 节约实验资源和教学成本化学实验室中高精密仪器不能及时更新，在正常实验教学中虽可完成，但跟不上市场的发展和实际需求的提高速度，不仅造成了学生学习兴趣不高，而且还造成了实验完成质量低下。另一方面，因高精密仪器造价昂贵，所以运行和维护成本十分之高，不能保证培养学生的科学素养。与此同时，现代仪器分析中使用的实验耗材大多为未知药品，存在一定的危险性。现代仪器分析虚拟仿真实验室的建立，学生可自由使用各类精密仪器和实验耗材，不仅可以节约实验资源和教学成本，还能运用计算机虚拟仿真技术将仪器、实验方法和技术更新，同步满足市场和生产的需求[5]，见图1。

2.3 规避现实风险，培养科学实验素养线下现代仪器分析实验中，由于待测试剂未知，给实验和实验员都带来了一定的危险性。在虚拟仿真实验中，学生实验最大的优点是可逆操作，即学生操作不当引发危险时，学生可撤销当前操作，返回上一步操作，既能缩短实验时间和规避现实风险，满足学生对现代仪器分析实验的要求，同时可激发学生更大的学习兴趣，从而提高学生的安全意识和科学实验素养。

2.4 突破时间空间的限制，培养学生实际动手能力现代仪器分析实验时间长，如利用高效液相色谱仪检查奈韦拉平中有关物质及其片剂的含量测定实验中色谱柱、流动相、检测波长的适用性实验、对照品的分析实验等环节至关重要，前期的预处理实验往往需要很长时间，又因为实验仪器的造价昂贵，往往不能每个学生都在线下单独实验，导致绝大部分学生对整个实验不重视。而虚拟仿真实验的引入，学生可不受时间和实验次数的限制，大大缩短实验时间，提高实验效率。新型冠状病毒的突然袭击，我国疫情防控措施的精准施治和我国对于人民生命安全的高度重视，学生无法及时返校进行线下集中学习、返校后要做好常态化疫情防控、学生实验操作机会少、学生思想上对该类实验不重视等问题，造成了线下实验受到了空间的限制。虚拟仿真实验正好能突破空间的限制，同学们利用网络和学习设备，可随时随地的模拟整个实验过程，真正实现了跨越“时空”，培养学生动手能力和提高思想认识[6]。

图1 现代仪器分析虚拟仿真平台展示

3 虚拟仿真技术在现代仪器分析中应用

3.1 课前线下预习、查阅文献、设计实验课前提前告知学生本实验目的，可利用虚拟平台进行展示，同时重点突出本实验项目对学生个人创新性思维及专业技能的培养。教师引导学生进行实验方案的设计，通过师生对话、文献阅读等方式让学生掌握实验设计基本原则、要求和思路，巩固学生专业知识储备，强化预习效果。

3.2 课中线上了解操作流程、认识实验仪器、建立对照实验模型、虚拟实验操作根据国家药学培养大纲，江西中医药大学科技学院分析化学培养方案，依托虚拟仿真实验平台进行线上相关现代仪器分析实验，在熟悉了解了虚拟实验操作流程、认识了实验仪器、建立了对照实验模型后，学生于平台上反复进行虚拟实验操作，夯实知识基础，更好地将理论与实践融合，达到熟能生巧的目的。①先简单了解实验过程中所需要用到的相关软件，了解其场景、主要选项功能及一些特殊操作：结合文字说明，观看相关现代仪器分析实验目的、原理及步骤；学生可根据提示先自主了解实验环境、学习实验相关仪器和药品等；学生自主完成对应实验操作全过程；系统会在实验过程中判断每一步操作的正确性，并提示下一步的正确操作。②学生进行模拟仿真实验操作。通过该步骤，学生熟悉并掌握相关实验的操作方法及实验仪器的使用方法：学生通过操作鼠标对实验仪器等进行操作，右键为移动、左键为旋转及中键还原等；通过查看实验步骤进行操作，若操作错误，则无法进行下一步，即可退回上一步重新操作；建立对照实验：通过该步骤，学生了解并拓展相关实验方法及模型。

3.3 线下综合实践，动手操作通过该步骤，学生真实体会现代仪器分析的实验操作，提高药物质量检查、仪器分析等业务能力。

3.4 处理实验结果、得出结论学生进行实验观察和结果的处理：如谱图的处理；通过该步骤，学生了解并掌握实验结果的处理办法，且教师引导学生进行其他检测的常用方法。实验操作模块学习成绩评定：通过考核，学生了解自己的得分情况，并客观分析自身的不足，见图2。

图2 虚拟仿真技术在现代仪器分析课程中的应用

4 小结及展望

通过江西中医药大学现代仪器分析虚拟仿真实验的应用，教学效果和人才培养质量得到了大幅度的提高。在传统实验教学模式上，虚拟仿真实验虽是有益的补充[7]，但将虚拟仿真技术引入课堂，对于高校课程设计和人才培养有着独特的意义[8]。随着数字技术和网络技术发展而来的虚拟仿真教学,是一种新颖的教学尝试。学生通过仿真教学，不仅能够形象地理解了实验的基本原理,而且能够通过仿真操作对实验多过程有直观的感性经验。在开展虚拟仿真实验的过程中做到虚实结合为培养学生的基础实践能力和自主创新能力提供了有力保障。坚持以实体实验为主，虚拟实验为辅,围绕实体药物检测实践过程，注重实体实验知识的传授和实践能力、创新能力的培养。因此，构建基于虚拟环境的现代仪器分析实验教学体系，也是实验改革必然的趋势。