虚拟仿真技术在《仪器分析》课程教学中的应用分析

高冬梅 靳 淼 周 博

杨凌职业技术学院药物与化工分院，陕西 杨凌 712100

一、目前《仪器分析》课程实践教学中存在的问题

《仪器分析》课程教学具有理论、实践操作并重的特征［1］，而针对高职学生开设的《仪器分析》课程，学生不仅需要掌握必备的理论基础知识，更需要掌握各类分析仪器的操作技能。综合职业教育目标及现状分析，《仪器分析》课程实践教学存在以下几方面问题。

（一）教学设备不足

《仪器分析》课程最好的教学方式是理论与实践同时进行，学生在课堂上学习完一种仪器的理论知识后，可以立刻进入实训室操作仪器，这样在巩固理论知识的同时，学生可以利用理论知识去操作仪器。然而，《仪器分析》课程所需教学仪器一般价格昂贵、体积大，且分析用试剂、仪器维护等费用较高，很多院校受资金甚至仪器摆放场地的限制［2］，无法购置大量仪器满足教学需求。因此，在《仪器分析》课程教学过程中，学生操作仪器这一重要学习环节变成了老师演示，学生观看环节，学生的仪器操作技能无法得到训练。

（二）仪器分析实践操作训练实施质量低

高职学生，学习积极性普遍不高，这样就出现了“老师讲不听，自己操作不会”的现象。学生以这种状态去操作仪器，对于学生来讲是畏难心理，担心自己的操作会损坏仪器，对于仪器来讲，易损坏。大部分仪器维修费用较高，而且仪器一旦损坏，不能及时维修，就会导致后面班级课程无法进行。这种不良现象直接导致《仪器分析》课程的实践操作训练无法高效、高质量实施。

（三）学生实践操作机会少

受到仪器数量等因素的影响，仪器分析实践操作教学环节，大部分为老师讲完理论后学生操作一遍，即完成该学习环节。这样的环节并没有留给学生太多思考的余地，学生在不知其所以然的情况下就匆匆结束了这个学习环节。学生缺乏独立思考和相互讨论的过程，严重抑制了学生的学习积极性［3］。

二、虚拟仿真技术概念及其在教学中的应用

（一）虚拟仿真技术概念

虚拟仿真技术是一种用虚拟电子信息系统模拟真实场景系统的技术。以相似原理、信息技术、系统技术及相关应用领域中专业技术为基础，以计算机、各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或假想的系统进行模拟、试验研究。可通过人机交互、互联网、人工智能、传感技术等多种手段生成多源信息融合的交互式虚拟动态环境情景［1］，给用户视觉、触觉、听觉等感官上呈现出虚拟环境的逼真性。用户与相关虚拟环境进行交互，系统适时作出相应的反应，使用户在符合客观意识的环境下，贴近物体相关运动力学定律的基础上，充分满足其相应需求。

（二）仿真技术的应用

虚拟仿真技术诞生于20 世纪40 年代，在教育、交通等各行各业都得到了广泛的应用和发展，并产生了巨大的经济效益。

在高职院校的教学中，应用较为广泛，主要应用于以下高职课程的教育教学中［4］：1.文化基础课的教学中，一些学生难以理解的理论性知识，教师可以借助虚拟仿真技术进行模拟演示，进一步提升教学效率；2.高职医学类专业课程教学中，虚拟仿真技术可以模拟人体解剖、外科手术实施等情景，能够帮助学生体验较为真实的解剖、手术等诊疗［5］过程；3.高职化工类专业课程教学中，学生可借助虚拟仿真技术，实现对大型分析仪器、化工生产过程等复杂仪器、化工过程的操作与控制，有效提高学生对理论知识的应用与掌握程度；4.高职院校药品营销、旅游等服务类专业教学中，借助虚拟仿真技术，模拟真实的销售、景观等场景，增强学生体验感，能够有效深化学生对理论知识的理解及应用。

三、仿真技术在《仪器分析》课程教学中应用的必要性分析

（一）经济实用［6］

《仪器分析》课程实践教学部分主要用到紫外可见吸收光谱仪、红外吸收光谱仪、原子吸收光谱仪、气相色谱仪、高效液相色谱仪几大类仪器，经过调研分析，对实体仪器与仿真软件从经济性、实用性两个角度进行对比，如表1 所示。

表1 实体仪器与仿真软件特征对比

综合上表分析情况可见，仪器分析实践教学部分，引入仿真软件教学，具有经济投入少，实用性高，能耗低，扩充容易，使用安全且能高效达到教学预期目标的优势。

（二）安全可靠

实体仪器设备在学生操作过程中，由于学生操作不熟练甚至完全不懂，容易出现仪器损坏问题，仪器损坏后维修费用高，而大型仪器分析仿真软件是在计算机上模拟操作真实设备，学生不与真实设备接触。因此，不会出现因学生操作不当而导致的仪器损坏、爆炸等不安全事件。

（三）时间、空间开放

学生应用仿真软件练习分析仪器操作使用时，不需要到真实的、固定的实验室，也不需要提前进行样品前处理及试剂准备，只需要在机房中登录仿真系统。在大型分析仪器仿真软件上模拟完成真实的实验内容，模拟过程中出现问题，学生可不断去重复并进行分析，找到问题的原因，进一步扎实掌握相关仪器的使用及问题排查。因此学生不会受到时间、空间的限制，可随时进行操作训练，能够很好地培养学生的自主学习能力。

四、应用效果

（一）提升学习效果

高职学生的特点是“斥理论、亲操作”，这类学生在学习过程中，对课程中的实践操作内容兴趣极高。但是，大型分析仪器的特征是“贵、精、少”，学生在使用大型分析仪器的时候存在畏惧心理，担心操作不当会损坏仪器。在《仪器分析》课程教学中引入大型分析仪器仿真软件后，学生的学习兴趣、学习目标达成率很高，我们对石油化工技术专业120 名学生在使用大型分析仪器仿真软件后的感受、学习效果以及仿真操作后真实实验成功率等以问卷调查的方式进行了分析，结果如图1、图2、图3 所示。

图1 仿真软件操作与真实仪器操作喜爱度

图2 实践教学目标达成度

图3 各类仪器真实实验成功率

综图1、图2、图3 所述，可得出如下结论：结论一，学生对大型分析仪器仿真软件兴趣浓厚，120 名学生中，58%的学生完全倾向于仿真软件训练；结论二，教学中引入仿真软件后，教学目标达成度明显提高，学生不论对仪器工作原理还是仪器操作的熟练程度，以及仪器使用过程中问题排查，都有显著提高；结论三，针对紫外可见分光光度计、红外吸收分光光度计、原子吸收分光光度计、气相色谱仪、高效液相色谱仪五类仪器进行调研对比，发现学生在实操之前参与了仿真训练，则其真实实验成功率比未参与仿真训练，直接进行实操实验的成功率显著提高。

（二）提升教学效率

《仪器分析》课程教学过程中由于大型分析仪器仿真软件的应用，能够有效协助学生掌握各类仪器操作流程，同时能够强化学生对各类大型精密分析仪器工作原理的理解。学生通过仿真软件的反复训练，可以高效率、高质量处理仪器使用过程中的各类故障［4］。我们针对紫外可见分光光度计、红外吸收分光光度计、原子吸收分光光度计、气相色谱仪以及高效液相色谱仪几类仪器，相同教学时长下，60 名参与仿真与60 名未参与仿真的学生实践操作掌握情况进行了调研，结果如图4 所示。

图4 各类仪器掌握人数对比

由图4 可知，五类常用仪器经过仿真训练后，学生能够掌握仪器使用的人数明显高于未参与仿真训练学生掌握仪器使用的人数。因此，在教学过程中，随学生对仪器操作掌握速度的加快，教师教学效率自然能够有效提升。

（三）节约资源

《仪器分析》课程的终极目标是学生能够熟练操作各类常见分析仪器，要达到这样的课程教学目标，学生需要经历感知、模仿、练习、熟练操作四个基本阶段，这需要耗费大量的材料，成本较高。引入仿真软件，学生可以不受时间、空间的限制，在仿真软件上面完成对各类仪器的感知、模仿、练习几个环节，待对各类仪器有了较为熟悉的认知后，再使用真实仪器进行操作，这样不仅有利于学生掌握仪器的使用，而且能够有效降低教学成本，节约资源。

总之，基于《仪器分析》课程教学中存在的问题，非常有必要将虚拟仿真软件应用于《仪器分析》课程教学，且经过对120 名学生的学习行为及学习结果进行调研分析，发现教学效果极好。可见，将虚拟仿真软件引入《仪器分析》课程教学是未来的必然趋势，也能够为实验室开放提供有效的解决方案［7］。