虚拟仿真实验在实用仪器分析教学改革中的应用分析

姜侃　邱黛玉

摘 要：甘肃农业大学实用仪器分析课程是中草药栽培与鉴定专业的专业限选课之一。2004年中草药栽培与鉴定专业建立之初，实用仪器分析课程作为专业限选课进入中草药栽培与鉴定专业培养方案，经过多年的发展，在课程教学方法、教学内容及教学资源等方面奠定了坚实的基礎。该课程是一门实验技术性很强的课程，实用仪器分析实验作为实用仪器分析课程的实践教育环节是不可或缺的。为保证教学质量，针对新冠疫情及实验教学中人多机少的情况，基于虚拟仿真平台并结合多种教育信息化技术，对实用仪器分析实验的线上教学进行探索；从课程基本情况、课程目标、课程特点、教学方法及教学反思等几个方面进行设计和实践。实践表明，虚拟仿真平台的应用明显提高了学生的课程兴趣、创新意识及实验技能；虚拟仿真实验的应用是对传统教学的创新和补充，可为智慧教学模式的构建提供一定的思路。

关键词：实验仪器分析实验；虚拟仿真；线上教学；实验教学；演练系统；考核系统

中图分类号：G642.0  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）04-0079-04

1 前言

甘肃农业大学实用仪器分析课程是中草药栽培与鉴定专业的专业限选课之一，中草药栽培与鉴定专业秉承“立足甘肃、面向西北、辐射全国”的办学宗旨，以中药资源开发与质量控制、药用植物规范化栽培研究、中药材加工储藏研究等为特色，以服务社会和区域经济发展为目标，以“产学研结合”为人才培养手段，培养基础扎实、能力强、素质高的应用型、学术型人才。

本专业始于1993年中药材大专专业，2004年创建中草药栽培与鉴定本科专业，隶属农学院，2020年获批甘肃省一流本科专业建设，2021年获批甘肃农业大学一流本科专业建设。本专业是我国高等院校中药学和农学交叉方向的一个新兴特色专业，立足甘肃省中药材资源和产业优势，主要培养从事药用植物引种驯化、栽培、育种、资源开发利用等方面的高级专业人才，从中药生产前端提升中药质量。

2004年中草药栽培与鉴定专业建立之初，实用仪器分析课程作为专业限选课进入中草药栽培与鉴定专业培养方案，经过多年的发展，在课程教学方法、教学内容及教学资源等方面奠定了坚实的基础。作为本专业省级一流本科专业及校级一流本科专业建设指标之一，实用仪器分析课程于2022年开始，筹备建设虚拟仿真教学平台，预计2023年年底建成。本文拟就虚拟仿真实验在“实用仪器分析”教学改革中的应用进行分析，以期为“中草药栽培与鉴定专业”省级及校级一流本科专业建设贡献力量。

实用仪器分析法是测定物质化学组成、状态、结构的重要方法，也是监测物理、化学等过程的重要手段之一。由于物理学、电子学的发展促进了分析仪器的发展，从而分析化学已经由以化学分析为主的经典分析向以仪器分析为主的现代分析过渡；同时，仪器分析的应用也逐渐扩展到许多相关学科中，实用仪器分析已被列为化学专业和医药专业（本科）必修的基础课程之一，一些非化学专业也逐渐将仪器分析列为必修课或选修课[1-3]。该课程是一门实验技术性很强的课程，需要严格的实验相关知识与实验技能训练，实用仪器分析实验作为实用仪器分析课程的实践教育环节是不可或缺的；但实用仪器分析实验的实施需要借助各类仪器，线下授课时，存在着人多机少，学生积极性不高，上课效果差等弊端，为了改善这种状况，激发学生的学习兴趣，本研究以实用仪器分析实验中高效液相色谱仪操作应用为例，将甘肃农业大学在线教育综合平台、虚拟仿真实验平台[4-6]等应用于实验课程，实现了移动学习，使实验教学不再受到时间和空间的限制，对在疫情及后疫情期间进行实验教学、改革教学模式、提升教学质量有着重要作用。

根据统计，在教育部公布的728门国家示范性虚拟仿真实验教学课程中最高的实验浏览量为16万次，最低的实验浏览量不到1400次，平均浏览量为1.8万次；而虚拟仿真实验教学一流课程最高做实验人数的课程1.6万次，课程平均做实验人数约为1300次，两者数据差别较大。以上数据表明，要加快推动虚拟仿真实验在教育教学中的深入应用，利用其在教学过程中的特色优势，培养学生的实践能力和创新精神。

2 虚拟仿真平台在实验教学中的优势

设备无限，空间无限。基于虚拟仿真实验平台开展实验教学，学生可以在任何时间，任何地点开展实验，从而打破传统实验教学中时间和空间的限制，充分发挥虚拟环境所蕴含的各种空间信息的优势，对提高专业知识、激发学习兴趣、增强学习体验具有重要意义[4]。

内容多元，沉浸展示。虚拟仿真实验可为学生提供实验指导书所要求的实验内容，同时还可加入设计性实验项目，提高学生的创新意识与创新能力。此外，通过VR可进行沉浸式虚拟展示，对实验的各个环节进行三维可视化演练，给观看者带来身临其境的感觉[5]。

教育公平，均衡发展。自2017年到2020年，教育部公布了728门国家示范性虚拟仿真实验教学课程，从课程分布地域视角分析，83.4%的虚拟仿真实验教学课程分布于中东部地区，西部地区为16.6%。虚拟仿真实验可充分发挥互联网时代下数字化资源的优势，虽然西部地区虚拟仿真实验教学课程占比较低，但可通过虚拟仿真平台运用全国范围的课程资源，促进了教育公平和教育均衡发展[6]。

3 虚拟仿真实验平台在实验仪器分析实验--高效液相色谱仪操作应用实验教学的应用

3.1 课程基本情况

课程教学学时安排：本课程为中草药栽培与鉴定专业的专业推荐选修课，课程共48学时，包括理论课程32学时和实验技能操作16学时，其中高效液相色谱仪操作应用总共9学时，其中理论5学时，实验技能操作4学时。

课程目标：（1）知识目标。掌握仪器分析的基本原理、基本方法、基本知识；（2）技能目标。掌握常用仪器的基本操作技能；（3）素质目标：在掌握仪器分析的基本原理、基本方法、基本知识及常用仪器的基本操作技能的基础上，可依据检测目标及特定仪器设计自己的仪器方法。

3.2 课程特点及学情分析

紧扣大纲教学，实用仪器分析是一门实验技术性很强的课程，需要严格的实验相关知识与实验技能训练，实用仪器分析实验作为实用仪器分析课程的实践教育环节是不可或缺的；紧贴专业教学，讲授的主要内容包括高效液相色譜法、气相色谱法、紫外分光光度法、红外光谱法以及一些相应的实验，是本专业其他专业课程实验中常用的分析仪器；在教材特色方面，所选教材《实用仪器分析》（杨根元，北京大学出版社，2010）包括应用广泛的仪器分析方法，实用分析技术，兼顾基础理论、技术和应用；每一章都包含相应仪器的应用实例。

学生通过前期有机化学等课程的学习，已对各仪器的原理有了基本的了解。在学习认知能力方面，学生渴望将所学理论知识应用到实际中，通过实际操作仪器及设计分析方法进一步巩固验证自己所学。在客观条件上，各类仪器数量非常少，只有少数同学能获得上机实际操作仪器的机会。

3.3 教学方法

通过直观演示、自主学习、任务驱动和兴趣驱动“四维一体”的教学方法在实用仪器分析实验中探索和应用虚拟仿真平台；其中直观演示主要遵循传统教学模式，在课堂讲授理论知识，实验室讲解实验内容、仪器及指导少部分学生上级实际操作；自主学习包括虚拟仿真平台和甘肃农业大学在线教育综合平台，使学生通过在VR场景操作仪器及数字平台复习理论知识，进一步巩固直观演示部分所学知识；任务驱动则是结合本专业特色，让学生自主选择中草药，自己设计如何利用所学仪器相关知识测定中草药成分；兴趣驱动是对于SIETP等大学生创新创业项目，鼓励学生结合专业特色及仪器分析优势，申请具有中草药专业特色的项目。

3.4 “润易享”虚拟仿真平台

高效液相色谱仪操作应用虚拟仿真平台[6]由演练系统和考核系统两部组成。

演练系统中，实验系统会提示实验步骤，相应步骤需要操作的实验仪器会高亮显示。根据实验提示，学生操作鼠标点击高亮仪器后系统模拟实验操作过程，根据提示操作键盘使用仪器。演练系统中可以观看仪器导航，仪器导航中学生选择仪器后，在实验场景中会高亮显示仪器，学生能够旋转、放大、缩小视角观察实验仪器。此外，演练系统可以多次反复练习，不受时间限制。

考核系统中，实验步骤与演练系统一致，实验界面中没有操作步骤提示，对应的操作仪器也没有高亮提示，学生根据演练系统所学内容进行考核。考核系统有计时点，学生操作错误时系统扣分，完成考核后，系统会显示学生最终考核分数和考核点的操作正误情况。当学生遗忘操作步骤时。可以申请提示，提示后相应步骤仪器会高亮显示，但系统会扣除两分。

3.5 教学效果与反思

本次课程运行期间，教学班级为2020级中草药栽培与鉴定本科专业，共55名学生。以高效液相色谱仪操作应用实验教学内容为例，分析“润易享”虚拟仿真平台数据：30.9%的学生成绩在70～79分，60.0%的学生成绩在80～89分；9.1%的学生成绩在90分以上，说明学生通过多次反复演练，基本掌握了高效液相色谱仪的操作及应用；学生学习时长分析，85%的学生在平台学习时间超过4个学时，说明学生比较喜欢虚拟仿真平台的学习方式。分析甘肃农业大学在线教育综合平台数据：学生总访问量为549次，平均9.98次/人；学生学习总时长6984分钟，平均126.98分钟/人，其中访问次数最多的同学达到75次，访问次数最少的为0次（3人）；学习时长最长的达到了1020分钟，最短的为0分钟（5人）。以上数据表明，90%以上的学生能够接受虚拟仿真平台结合在线教学平台的教学方式，并且喜欢这种相对自由的学习模式，通过不受时间和空间限制的学习模式，可以很好地掌握理论知识及仪器操作技能。

基于虚拟仿真实验平台开展的高效液相色谱仪操作应用实验线上教学，贴合实用仪器分析的“教”“学”需求，避免了传统教学中典型的人多机少、内容单一、体验感差等问题，适合高效液相色谱仪操作应用的实验教学。虚拟仿真平台结合真实实验室平台的教学方式，充分调动了学生自主学习的积极性，也提高了学习兴趣及学习效果，锻炼培养了学生的自学能力、理论联系实际的能力及仪器操作能力，“同质高效”地完成了线上教学。

4 存在问题

（1）线上线下结合有待提高。在本次课程运行期间，55名同学中，有33名同学在完成虚拟仿真平台实验后，选择空闲时间进入实验室进一步在仪器上锻炼仪器操作及应用能力，另外22名同学则没有选择再次进入实验室进行练习，真实上机率刚到60%，后续教学过程中有待进一步提高。

（2）解决真实问题的能力需要提高。虚拟仿真平台为模式化教学平台，操作步骤为典型的仪器操作过程，不会出现色谱方法不合适或仪器故障等情况，而现实的高效液相色谱仪操作应用过程中，由于不同样品液相色谱条件不一样，整个操作过程会出现各种各样需要依据具体问题具体解决的情况，学生在进入药企等企业工作后实际操作也是如此。因此，虚拟仿真平台的使用不利于培养学生对未知问题的分析和应对能力。

（3）其他线上教学存在的问题。教学效果的数据分析表明，虽然90%的学生可以完成虚拟仿真平台和在线教学平台的学习任务，但有近10%的同学只完成虚拟仿真平台要求的实验内容，对在线教学平台所提供的理论资源缺乏学习的积极性。此外，网络的不稳定性、远程沟通的距离感、长时间看电脑的不适感，也都是线上教学需要克服的问题。

5 应对措施

（1）虚实结合、以虚促实。虚拟实验和实体实验都是教学信息化背景下培养创新人才不可分割、相互补充的两个方面，必须坚持虚实结合的原则进行教学设计。学生通过虚拟仿真平台基本掌握仪器的操作后，应进入实验室实际操作及应用仪器，通过真实的仪器操作过程发现问题，提高动手能力、思考分析能力及自主设计的能力。以虚拟仿真平台作为一种重要的辅助手段，达到以虚促实的目的；这在实用仪器分析解课程教学中尤其有其优势[7]。

（2）建立健全评价体系。“互联网+”教育的背景下，教师需要充分利用信息化教学手段，督促学生学习，提高学习的主动性。对于实验教学，需将过程性考核落到实处，要及时将实验预习报告完成情况、线上教学平台完成情况，线下实体实验进行情况及时反馈给学生，促进学生自主学习；对于过程性考核的评价方面，尤其要关注学生是否在线下对实验进行了进一步的练习巩固。

6 结语

虚拟仿真实验是对传统教学的补充，尤其对于需要借助各类仪器进行的实验具有极大的价值，主要在于虚拟仿真实验平台不存在仪器数量的问题，使得每位同学都具有了自己操作仪器的机会，可以得到更好的锻炼，同时虚拟仿真平台不受时间、空间、经费、环保等限制，同学们需要时，可以随时进入平台进行实验，可以多次反复学习，获得更好的学习效果。此外，对比分析2019级及2020级中草药栽培与鉴定专业学生本课程成绩，80～89分段学生占比明显增加，说明虚拟仿真实验在实用仪器分析课程实验中发挥了积极作用，提升了教学效果，如表1所示。

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参考文献：

〔1〕邓真丽，陈灵，张静.加强仪器分析实验案例教学促进实用型人才培养[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2011，31（01）：109-111.

〔2〕王军锋，聂迎春，李连庆.仪器分析实验中实用型人才的培养[J].山东化工，2017，46（22）：149-150.

〔3〕陈韵.加强地方院校《仪器分析》实验的几项措施[J].韶关学院学报（自然科学版），2011，32（02）：97-99.

〔4〕亚春林.高校虚拟仿真实验教学的思考[J].现代职业教育，2022，（25）：40-42.

〔5〕米亚策，劉醒民.基于虚拟仿真技术的化工原理实验课程远程教学模式的探索研究[J].广州化工，2022，50（11）：214-216.

〔6〕尉小荣，徐建，李洋洋.高校国家级示范性虚拟仿真实验教学课程建设与应用现状分析[J].实验科学与技术，2022，20（03）：26-30.

〔7〕魏慧平，周薇，李勇莉.虚拟仿真平台在高校实验教学改革中的应用[J].解剖学研究，2022，44（02）：184-187.

收稿日期：2023-01-03

基金项目：甘肃省科学技术厅2021年甘肃省自然科学基金（21JR7RA805）；甘肃省高等教育教学成果培育项目：中草药栽培与鉴定本科专业实践教学体系建设；甘肃农业大学中药炮制学课程思政项目