基于虚拟仿真技术的仪器分析实验教学改革初探

杨 波 王 烨 李 波 张炜煜 许佳明 陈 雷

（1.长春中医药大学药学院 吉林长春 130117； 2.吉林师范大学化学学院 吉林四平 136000）

仪器分析是一门理论性和实践性很强的学科。它是很多专业课程的基础，因此，是高校人才培养的重要课程之一[1]。仪器分析实验教学是本门课程重要的组成部分，能培养学生大型仪器的操作能力，为检测分析和科学研究奠定基础[2]。其实验课与课堂上学习到的理论知识紧密相连，能够更加透彻地将知识点展现给学生，有利于学生对知识的理解和巩固，增进学生的学习兴趣，激发创新能力[3]。随着教学观念的不断更新、科技水平的不断进步，社会对人才质量的要求日益提高。这需要教育工作者不断思考，寻找新的方法，以培养符合社会需要的应用型人才为目标。因此，引进新的实验教学手段、教学方法具有重要意义。

一、虚拟仿真技术应用现状

随着网络技术的迅速发展，虚拟仿真技术不断推陈出新。多媒体技术、微电子技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人工智能技术网络通讯、数据库及人机交互等高新技术具有逼真性、交互性、沉浸性等特点，为虚拟仿真技术提供了有力的支撑。目前，国内很多高校为了满足人才培养的需要，将虚拟仿真技术引入教学，包括实验教学，使实验更丰富、更逼真，激发了学生的学习兴趣，有益于培养学生综合能力，获得了很好的教学效果。天津中医药大学国大亮等[4]对3D打印制药虚拟仿真实验教学平台建设进行了探索，采用开放式教学模式，促进学生创新创业能力的培养。河北科技大学马世博等[5]结合实验特点和存在的问题，建设材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验教学系统，基于Web网络技术形成了一套完整的材料成型及控制工程课程虚拟实验教学体系，有效地增强了实验教学的灵活性和教学资源的共享性。西南大学龚成斌等[6]借助虚拟教学平台对材料分析技术课程进行改革，更新了教学内容，强化了实验教学，改革成效良好。武汉大学何春燕等[7]对实验中心开放实验室共聚焦激光扫面显微镜虚拟仿真实验进行探讨，通过讨论，得出虚拟仿真技术是医学教育重要的辅助手段之一的结论。华中师范大学朱家华等[8]对面向师范生核心素养培育的虚拟仿真实验平台的应用进行研究，认为虚拟仿真实验平台在提高师范生探究能力和高级思维能力、提升信息素养水平等方面具有积极作用。湖南农业大学曾朝喜等[9]将慕课环境下的食品工艺学实验与虚拟仿真技术相结合，总结新形势下虚拟仿真技术应用于实验教学中的优势和问题，为实验课的开展提供了依据。目前，很多高校将虚拟仿真技术应用于教学，包括医疗、生物、食品、化学、电子技术等方向，从教学方法角度考虑，是探索，也是进步。这是一种新的教育手段，在不断地更新完善中，本文就当代人才需求和仪器分析实验课的特点，探索基于虚拟仿真技术对仪器分析实验课进行改革，希望对提高教学效果，培养优秀学生起到积极作用。虚拟仿真实验教学方法能及时反映学生的学习效果，快速获取学生对实验教学的反馈，有助于教师总结经验，不断改进教学方法。由此可见，虚拟仿真实验教学是一种经济、高效、安全的教学方式，可提高学生专业能力和创新能力，为培养高素质应用型药学人才提供保障，保证人才培养的质量。

二、虚拟仿真技术应用于仪器分析实验教学的探索

根据虚拟仿真技术的特点，教师可以本着人才培养方案、仪器分析课程的特点、仪器分析实验课程内容等，将其与实验教学结合，建立虚拟仿真实验教学平台。平台包括四个方面：虚拟仿真实验课模块设置、虚拟仿真实验要求设置、虚拟仿真实验任务设置、虚拟仿真实验课效果评价体系的建立等。本文以原子吸收光谱仪的使用为例，介绍实验教学平台[10-11]，具体如下。

（一）虚拟仿真实验课模块设置

开发者根据原子吸收光谱仪的特点和需要掌握的内容设置实验模块，包括仪器工作原理的展示模块、仪器结构展示模块、仪器操作和数据处理模块、仪器维修维护模块等四个部分：以交互动画和3D仿真形式，展示原子吸收光谱仪的工作原理；介绍仪器外部和内部的结构和构造；模拟逼真的实验环境和场景，让学生按照实验操作步骤依次独立完成操作内容，使学生身历其境，感受原子吸收光谱仪操作的整个过程，使学生更系统地掌握仪器的相关知识。

（二）虚拟仿真实验要求设置

此部分主要针对仪器操作和数据处理模块。仪器工作原理的展示模块和仪器结构展示模块起到预习和加深理解的作用。仪器维修维护模块是对传统实验课的改革。传统实验教学模式是学生通过实验教师的讲解来掌握知识。本文提出结合虚拟仿真手段来学习，体现了对知识体系更好的补充。仿真仪器操作和数据处理模块中的每一个步骤都有相应的实验内容、要求和注意事项。实验要求通过动画的形式导入，包括每个步骤的操作规程和仪器使用操作规程等。在仿真操作前，教师先播放这些实验要求，让学生认真对待实验，知道此次实验课需要掌握和熟悉的知识要点，以顺利完成试验任务。

（三）虚拟仿真实验任务设置

此部分也是主要针对仪器操作和数据处理模块的。针对课堂上需要学生掌握的原子吸收光谱仪的使用要点，实验教师根据实验要求，为学生设置相应的实验任务。学生完成此次课程的所有实验任务，就能完成本次实验项目。学生独立地带着任务进行操作，改变了传统实验中分组进行存在的弊端，使每个人都能身临其境地感受实验氛围，切身体会每个操作步骤，使他们的学习具有连贯性、整体性，使虚拟仿真实验的设置能发挥它的优势，提升了实验教学水平，也提升了学生的创新能力。

（四）虚拟仿真实验课效果评价体系的建立

为了评估学生的学习效果，开发者需要建立虚拟仿真实验课评价体系。对于情景展示、原理展示、课堂补充这几部分内容，开发者要建立题库。学生在完成实验后，就进入题库测试。测试的试题是随机的。学生在测试后会得到一个分数。另外，在仿真仪器操作和数据处理过程中，系统会根据学生完成每个实验任务的实际情况，给出相应操作分数。这两部分分数统计在一起，就是学生本次实验的得分，可用来衡量学生的学习效果。

以上内容是仪器分析实验的实施方案。它需要不断完善，基于虚拟仿真技术模拟实际操作环境，利用虚拟的环境地图、帮助提示等功能引导学生进行实验操作，保证学习的连贯性，提高学生的学习兴趣。

三、虚拟仿真技术在仪器分析实验改革中的作用

网络发达的时代对人才培养要求日益提高。因此，将虚拟仿真技术应用于实验教学是一个必然的发展趋势[12]。虚拟仿真技术引入仪器分析实验教学具有以下优点：

1.虚拟仿真技术运用现代化电子技术及互联网手段，建立了生动逼真、易于交互的实验教学场景，使一些抽象的实验条件形象化，让枯燥无趣且难懂的知识点变得生动有趣，激发了学生对本门课程的兴趣，有助于提高课程教学效果。

2.虚拟仿真实验教学可以使学生更系统地学习和掌握知识，培养学生的整体思维，增加他们学习的深度和广度。

3.虚拟仿真技术应用于实验教学能够解决实验器材缺乏及实验材料耗损率高等问题。

4.虚拟仿真技术能够保证实验的连贯性，使一些周期长、难以实际展开的实验项目有效、完整地进行，保证实验教学体系的完整性。

5.虚拟仿真实验教学能够大大降低实验的危险系数，保证一些具有危险性且安全系数低的实验安全进行，给师生营造一个安全、良好的实验教学环境。由于人才培养方案的要求，有些具有危险性的实验不能删减，要求学生必须掌握。因此，虚拟仿真技术的引入尤为重要。它既提高了实验的安全性，又能保证学生完整地掌握知识体系。除此之外，考虑到仪器分析实验课的特点，有些实验项目还存在一些问题，如实验成本过高、耗损量大、硬件配套设施不足等。为了避免这些问题，教师可引入虚拟仿真技术。它能保证每名学生都能在虚拟但逼真的实验环境中完成相应的实验内容，使学生更好地掌握相关大型仪器的原理和操作要点，培养学生系统性学习的能力，为其今后的就业和发展奠定基础[13]。

四、结束语

为了提高高校人才培养质量，推进实验教学的发展，本文探讨虚拟仿真技术与仪器分析实验的结合，对虚拟仿真技术应用现状、应用于仪器分析实验课的探索及其作用等方面进行总结。通过对虚拟仿真技术介绍，我们知道，它是一种新型教学模式，不仅可以应用于理论教学，而且可以应用于实验教学，还能解决一些传统实验教学存在的问题，在保证学生的学习效果的同时，更注重学生创新能力和兴趣爱好的培养，提高了学生的综合素质[14]。另外，虚拟仿真技术的应用是对传统实验教学的补充，能共享优质实验资源，将不易理解、掌握的知识点通过虚拟动画的方式表现出来，帮助学生理解、学习，吸引学生的注意力，激励学生自主学习，使仪器分析实验更绿色、安全，更符合当代仪器分析实验教学的发展趋势。因此，虚拟仿真技术的引入具有积极意义[15]。