具有地方特色虚拟仿真创新实验的开发

马兆立，李聪聪，孙家新，王艳玮

(青岛大学 化学化工学院 化学实验中心，山东 青岛 266071)

当今社会，飞速发展的现代信息技术正在改变着人们的生产生活方式和学习思维方式。建设“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会，创建数字化、个性化、终身化的教育体系，培养优秀的创新人才，是现代教育面临的重大课题[1]。基于信息技术的不断进步，“虚拟实验作为继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法”,为教育教学提供了重要的发展方向。

教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中指出，虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物，要求以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新[2]。自厦门大学于2004年建立机电类虚拟仿真实验中心开展系统的虚拟仿真实验教学以来[3]，各级各类学校都相继建立了虚拟仿真实验中心，虚拟仿真实验教学也慢慢地融入到了传统教学中。

但是现有的虚拟仿真实验多是教科书式的，形式单一、内容固定[4-7]。具有地方特色的虚拟仿真实验或具有创新性的虚拟仿真实验却寥寥无几。结合本团队的创新实验研究，笔者所在团队在多年使用四大基础化学虚拟仿真实验系统的基础上，结合青岛地方特产--青岛啤酒，开发了具有地方特色的创新性虚拟仿真实验--啤酒中风味成分检测的虚拟仿真实验。本实验由三大模块构成：啤酒生产车间、风味成分检测系统和智能诊断评价系统。

1 啤酒生产车间

图1 啤酒生产车间

图 2 检测实验室布局

操作者可进入啤酒生产车间进行漫游，观察了解啤酒生产设备，操作生产流程。可以在原浆酒环节进行取样检测，跳转到检测实验室。检测实验室分为学习区、称量区、前处理区、钢瓶区、仪器操作区域，其他设备区域。

检测实验室中每一个区域都有特定的任务：1)自习室可进行和仪器相关的理论考试，每个仪器题库不低于100道，每次随机抽取20道试题；2)天平室主要考察天平调平能力，样品称量规范和天平使用注意事项；3)前处理区主要考察对目标物质是否能够选择合适的前处理流程；4)钢瓶区主要考察学生对不同载气钢瓶的注意事项。此外，还增加环境确认环节，主要考察实验室中的电、磁是否符合仪器使用规范，有无腐蚀性气体、易挥发性物质，载气是否在保质期等等。

2 风味成分检测系统

图3 液相色谱仪

图 4 液相色谱仪工作站

啤酒中的风味物质，主要是啤酒发酵过程中所产生的一系列代谢副产物，主要有醇类、酯类、醛类、酸类。其中，首要风味成分为乙醇，次要风味成分包括挥发性成分和非挥发性成分，挥发性成分有乙酸异戊酯、乙酸乙酯、异戊醇、脂肪酸、己酸乙酯、丁酸、异戊酸、苯乙酸等，非挥发性物质有酚类、糖类及酒花化合物。

针对这些风味成分，可选用学生们学过的多种检测方法：1)气相色谱法，主要检测啤酒中高级醇、异戊醇、异丁醇、正丙醇、乙醛、乙酸乙酯、异丁醇、异戊醇、辛酸乙酯、二甲基硫、乙酸异戊酯等；2)高效液相色谱法，主要检测啤酒中的草酸、酒石酸、丙酮酸、苹果酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸等有机酸；3)气质联用技术，可检测绝大多数的风味物质，是目前最为常用和广泛的方法。

为巩固和应用理论知识，在虚拟检测系统中可设置各检测方法的不同参数。例如：气相色谱法中可设置自动进样器页面，设置进样口页面的温度、气体压力及流量，设置色谱柱流量，设置柱箱升温程序，设置检测器温度以及气体流量，最终得到的谱图会随着设置参数的变化而变化。液相色谱法中可设置流动相配比、色谱柱流量、自动进样设置、梯度洗脱功能等。

3 智能诊断评价系统

学生每一个训练项目的评分都包括：操作步骤评分和操作质量评分，所有评分项目都给出详细评定结果和依据。操作步骤评分包含普通操作评分；操作顺序评分；延时评分；有条件限制的操作评分；操作失误扣分。而操作质量评分用来考查仪器参数是否在合理的范围之内。考核完毕后教师可导出各学生的考试成绩以及每个步骤的得分情况，利于教师全面掌握学生的学习状态。结语

将虚拟仿真实验与创新实验融合起来，不受实验场地和仪器台套数的影响，极大的增加了参与创新实验的学生数，同时学生可快速有效的掌握多种检测方法。在其中融入地方特色元素则激发了学生们的学习兴趣，为虚拟仿真实验的发展提供了可能的方向。