虚拟仿真实验在环境专业仪器分析实验教学中的应用*

冉 谷,张六一,饶通德

(重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆 404100)

仪器分析实验作为一门专业基础课，在环境科学学科起到了重要的作用。该实验课要求通过学习分析方法和基础理论、掌握仪器构造和运行原理、熟悉仪器操作步骤和实验数据处理，具备利用所掌握的知识点解决实际问题。仪器分析实验是基础理论与实际操作相结合的重要桥梁，是培养应用型人才的关键步骤。

随着科学技术水平和网络技术的迅猛发展，虚拟仿真手段被广泛运用到教学中[1]。将虚拟仿真技术应用于仪器分析实验，打破了传统实验教学模式，不但增加了上机操作的机会，延伸了实验教学空间，而且还可以缓解实验场地和实验教学课时不足的问题。因此，将虚拟仿真技术引入仪器分析实验是十分必要的。美国弗吉尼亚大学的William Wolf认为虚拟仿真实验是有别于理论与实验的第三种设计手段[2]。本文针对虚拟仿真实验在实验教学中的重要性进行了分析，同时对虚拟仿真实验在环境专业仪器分析实验课程教学中的应用进行探讨。

1 虚拟仿真实验在仪器分析实验教学中的重要性

1.1 传统仪器分析实验教学存在的问题

传统仪器分析实验教学存在多方面的问题，主要表现在以下几个方面(1)由于仪器设备数量不足，使得实验的开展受到场地和台套数的限制，导致实验教学不能支撑理论教学；(2)在传统实验教学过程中，实验教师一般只对仪器构造和原理进行讲解，只是简单示范性进行仪器操作，学生完全按照实验教材的内容和步骤进行实验操作，这样不利于学生的创新能力培养；(3)由于仪器设备数量和教学课时不足，开设实验内容大部分是验证性实验，而缺少综合性和创新性实验。这种“照本宣科”式的传统教学模式，使得仪器分析实验内容单一，训练不足，针对现实中出现的问题，学生很难运用所学知识和操作技能加以解决。

1.2 虚拟仿真实验的特点

1.2.1 虚拟性

虚拟性是虚拟仿真实验与传统仪器分析实验的根本区别。虚拟仿真技术所营造的环境是不真实的，是利用计算机等工具模拟出来的虚拟环境。虚拟仿真实验中， 仪器设备构造和操作流程清楚直观，学生能很好地了解仪器组成和操作练习。虚拟仿真实验不但能减少仪器设备配套数，还能有效地延伸实验内容，如一些操作复杂、耗时长的实验。

1.2.2 实践性

现实中仪器分析实验所需设备和实验各个组成要素都能在虚拟仿真实验中一一对应。学生通过虚拟仿真系统，登陆实验操作平台，就能够完全模拟在现实实验室中的实验过程，并能够反复多次练习，不再受仪器设备台数少、学时数不够和耗材消耗快等因素的制约，同时减少了实验过程中风险，能有效促进学生学习的兴趣和积极性。

1.2.3 互动性

虚拟仿真平台是基于校园网，学生可以在校园内任何地点、任何时间登录平台操作练习，不受地点和时间的限制，在课上课下都完成操作练习。学生进行虚拟仿真实验，每一步操作步骤虚拟仿真系统都会有对应指令，引导学生进行实验，提高了人机互动性。此外，虚拟仿真平台具有课后留言、资料上传、在线答疑等功能，并可以持续增加系统的功能，提高了平台资料利用率。

2 虚拟仿真实验在仪器分析实验教学中的应用

虚拟仿真实验具有虚拟性、实践性和互动性的特点，已逐渐成为一种可用于各类实验操作的新型实验教学方式。与传统实验相比，虚拟仿真实验在实验教学中不但能弥补仪器设备台数不足、操作学时不够和维护成本高等问题，还能让学生以三维动画的形式了解仪器设备的内部构造和工作原理，并模拟仪器设备操作界面进行规范化操作，从而“举一反三”，转变学生学习模式和教师教学模式，并大幅提高受益面和辐射面[3-5]。

2.1 色谱类仪器虚拟仿真实验

色谱类仪器是仪器分析实验中最常用和应用最广泛的仪器之一。针对环境科学专业的特点，设置了液相色谱虚拟仿真实验、气相色谱虚拟仿真实验和离子色谱虚拟仿真实验。通过计算机技术建立了场景化的色谱类虚拟仪器和虚拟实验室，注重场景交互，增强学生对于实验的直观感受和认知。同时，整个色谱类虚拟仿真实验的模块化设计更加贴切实验教学过程，如其分为“实验介绍”、“实验原理”、“仪器配置”、“样品配置”和“帮助说明”六个独立功能模块。另外还针对操作模式分别设置了演示、练习和考核三种模式，使学生能够在观看动画演示的的基础上，进行仪器的操作练习，最后通过测试评价其操作练习的效果。测试评判能及时反馈学生在前期操作练习的结果，通过分析结果，能及时找到学生操作过程中的错误和不足，然后有针对性的练习加强。这样起到了循环巩固的效果，提高了学生对仪器操作的熟练度和应用能力。

2.2 光谱类仪器虚拟仿真实验

光谱类仪器也是仪器分析实验中接触较多的分析仪器，在样品定量定性过程起到重要的作用。因此，我们设置了原子吸收光谱虚拟仿真实验、电感耦合等离子光谱虚拟仿真实验、红外光谱虚拟仿真实验和荧光光谱虚拟仿真实验。根据光谱类仪器特点，在虚拟仿真实验中设置了实验原理模块、仪器操作模块、数据分析模块和仪器维护模块。在实验原理模块重点介绍仪器工作原理和实验方法，在仪器操作模块重点介绍仪器的构造和使用；在数据分析模块重点介绍谱图的分析和数据的整理；在仪器维护模块重点介绍仪器使用注意事项和日常维护保养知识。与色谱类仪器的虚拟仿真实验相比，光谱类仪器的虚拟仿真实验更加注重谱图的解析和数据的处理。此外，在光谱类仪器的虚拟仿真实验教学过程中，通过实施“技能导向、创新应用”的教学模式，可激励学生学习兴趣，真正掌握光谱类仪器的原理和操作。

2.3 其它类仪器虚拟仿真实验

在仪器设备还有一类仪器属于精密贵重设备。这一类仪器往往价钱昂贵、操作相对复杂、使用成本较高，所以在仪器分析实验中未能开设。但是借助虚拟仿真平台，我们开设了气相-质谱虚拟仿真实验和X-衍射虚拟仿真实验。在这些虚拟仿真实验中，利用计算机3D技术，可实现在虚拟实验中优化参数设置、实验数据在线分析，还具备先进的人机互动操作以及实时跟踪评价功能。与先前的实验相比，这种虚拟仿真实验可以不同时间不同次数的操作练习，避免现实中大型仪器由于不当操作带来的影响。通过在实际实验教学应用中证明，虚拟仿真实验有利于提高教学效率和学生的学习兴趣。

3 虚拟仿真实验与传统实验有机衔接

随着科学技术的迅猛发展，目前虚拟仿真技术的功能更加丰富，功能更加强大。虚拟仿真实验的开发更加注重真实性和互动性，情景模拟更加逼真，学生操作过程中融入感更好，这些均为仪器分析实验教学提供了良好的基础。然而，虚拟仿真实验还是有其局限性，不能取代传统的仪器分析实验教学，更多地被作为辅助教学的一种有益补充。如何让虚拟仿真实验同传统实验有机衔接？仪器分析实验可以通过“虚实”结合的模式开展教学。通过对实验内容合理设计，对一些不具备实验教学条件的仪器设备，可以用虚拟仿真实验代替，避免盲目地将真实环境中较易实现的实验项目虚拟化。虚拟仿真实验是为了满足学生操作练习的需求，了解最新仪器设备应用进展的窗口，提高学生学习的兴趣。

4 结 语

仪器分析实验在环境科学专业实验教学中具有重要的作用,对于培养实践性、创新性人才具有重要意义。虚拟仿真实验有助于学生加深对仪器工作原理的掌握，有利于将枯燥的知识转化为生动的三维动画和演示，激发学生学习兴趣和创新能力。但是目前将虚拟仿真实验应用于仪器分析实验中，虚拟和实践过程还处于摸索阶段。要将虚拟仿真实验在仪器分析实验教学中发挥最大的作用，还是需要对于实验不断的优化和改进，通过虚拟仿真技术突破传统实验教学的屏障，从而提高人才培养质量。