虚拟实验室在仪器分析教学中的应用探讨

曹 颖

(天津中医药大学 实验教学部，天津 300193)

虚拟实验室在仪器分析教学中的应用探讨

曹 颖

(天津中医药大学 实验教学部，天津 300193)

随着科学技术的发展、高等教育的普及化,具有广泛应用的仪器分析在医药类院校教学中存在的问题也日渐突现。天津中医药大学实验教学部通过虚拟实验室在仪器分析实验教学中的应用，从而解决传统实验室教学的不足，提高实验教学水平, 充分发挥学生的自主创新能力，为培养高等医药类专业人才发挥积极作用。

虚拟实验室；仪器分析；实验教学；教学改革

随着科学技术的不断发展，教授学生先进仪器设备应用的课程仪器分析越来越受到高等医药类院校的重视，尤其是对学生实际操作仪器能力的培养。但由于经费及场地等条件的限制，一些贵重的大型仪器就只能在书本上出现，学生没有真正动手操作过；即使是一些学校已有的仪器，也因为学生人数众多，机器数量偏少，最终由学生实际动手操作变成了“操作演示”。虚拟实验室的出现为解决这一问题提供了有效的方法，也为医药类院校实验教学，尤其是仪器分析教学提供了新的方向。

虚拟实验室是建立一个以计算机网络化为基础的虚拟实验室环境，是一种特别的、分布式的解决问题的环境，是提供给用户的一个基于网络的实验教学、 技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式[1]。

1 仪器分析在高校教学中存在的主要问题

随着科学技术的迅猛发展，先进仪器设备的应用范围也越来越广泛，例如，液相、质谱、核磁等仪器分析方法已经成为医药学研究的重要手段。作为一门基础并且实践性较强的课程，仪器分析实验则更是强调学生的动手能力。当仪器分析实验教学在不断发展的同时，其所存在的问题也日益明显。

1.1 仪器缺乏

近年来，由于国家对高等教育的重视与普及，高等院校学生人数上升，但与所开的设课程相对应的仪器设备却无法与人数同步增长。对于身价不菲，维护昂贵的仪器，学生基本上只能通过课本的形式了解其原理、操作步骤等内容，难以对仪器有一个深层次的理解。即使学校购买了一些仪器，学生也只能以小组的形式进行操作，每名学生只负责整个实验中的一个环节，难以达到人手一台仪器。而往往正是这些仪器就是学生今后接触最多、应用最广的仪器。这样就造成学生的实际动手能力差，对仪器使用一知半解的现象。

1.2 操作复杂

仪器分析的操作过程一般都比较复杂，例如，气相、液相、毛细管电泳等实验都需要进行前处理，而有些前处理耗时比较长，实验过程中步骤多，实验后期数据处理报告烦琐。且各项操作间关联性高而复杂，如果一个环节出现问题，实验就会出现错误，学生就要重新返工。所以为了提高实验教学的效率，一般复杂、耗时长的步骤教师都通过演示、提前准备等方法来帮助学生完成。这样，学生就无法理解掌握仪器操作过程中的重点、难点及需要注意的问题。不利于培养学生发现问题和解决问题的能力。

1.3 缺乏创新性

由于仪器数量不足，学生对仪器的掌握有限，导致学生难以独自进行设计性实验，严重影响了实验的创新性。学生只会测定课本中所学的内容，对于一些相同属性的物质、相同原理的方法则不会进行创新性应用。例如，课本讲授了利用气相色谱法测定VE胶囊的含量，但是很多学生却不会冰片含量的测定；同样，学生会利用紫外可见分光光度计测定在紫外下有吸收的橙皮苷，却不会主动想到利用同样原理的HPLC法去测定橙皮苷。因此，造成了学生只会“死学”不懂自主创新的现象。

2 虚拟实验室在实验教学中的应用

为了解决仪器分析实验中的上述问题，就需要加大对实验室的建设和发展。在仪器分析实验教学中引入“虚拟实验室”的概念，利用计算机网络教学来解决传统实验教学中的问题。

2.1 虚拟实验室在气相色谱中的应用

气相色谱仪是一种应用广泛的分析仪器，尤其适用于易挥发性物质的测定。将虚拟技术应用于气相色谱中，建立气相色谱虚拟实验室，对真实实验过程进行模拟和仿真，让学生自己确定测试样品种类，之后自由选择气源、色谱柱、检测仪器、实验条件等内容，直到完成实验[2]。如果实验结果并不理想，学生还可以通过改变虚拟色谱仪的分析条件来确定该实验的最佳实验条件，从而发挥学生自主学习的能力。

2.2 虚拟实验室在液相色谱中的应用

高效液相色谱仪是一种结构复杂的分离分析仪器，在实验操作中涉及流动相配比、流速、检测波长等多个参数的调节，而且这些参数的设定对色谱峰保留时间和分离度的影响很大，与色谱出峰关联的数学理论模型也相当复杂。而利用计算机多媒体建立的液相色谱虚拟实验室可以很好地解决这些问题[3]。通过建立不同分离条件下的HPLC预测模型，实现学生完全掌握液相色谱仪的操作过程，同时培养学生在仪器分析工作中的科研能力。

2.3 虚拟实验室在高效毛细管电泳中的应用

高效毛细管电泳是仪器分析中的前沿领域。学生在一般的仪器分析实验中都接触不到，但通过“虚拟实验室”则可以让学生模拟毛细管电泳仪器实验中的操作过程对样品进行分析，使每一步的操作都直观形象，便于学生对实验操作的充分理解和掌握，显现出了传统实验室和教师演示所不具备的特殊优势[4]。

2.4 虚拟实验室在原子吸收光谱中的应用

原子吸收光谱分析法以检出限低、选择性好、精密度高等优点得到了广泛应用。建立虚拟实验室不仅能更好的再现原子吸收光谱分析实验的全过程，使学生能够深刻明白其工作原理；同时，也弥补了原子吸收光谱仪器昂贵、操作复杂、维护费用高等不足，在很大程度上缓解了由客观实验条件有限所引起的学生对仪器使用需求的压力[5]。

2.5 虚拟实验室在核磁共振中的应用

核磁共振波谱法，作为一种先进的分析手段，在医药学领域发挥着不可替代的作用。通过虚拟技术在核磁共振波谱中的应用，仪器分析实验室不仅节省了费用和场地，同时提高了实验的可操作性及安全性[6]。因此，建立核磁共振虚拟实验室，不仅解决了仪器不能满足学生实验需求的问题，而且对核磁共振教学起到了辅助作用，培养学生的创新能力。

对于虚拟实验室，学校也可以选择多种方式随时向学生开放，学生可以通过学校的教学共享平台，在任何时间、任何地点进行实验的操作，这样不仅解决了学校在实际教学中的困难，而且给了学生更加自由开放的学习环境，利于学生的学习与成长。

3 结束语

随着科学技术的发展、高等教育的普及化，仪器数量与学生的供需矛盾越来越突出。为了给学生提供高质量的实验教学，建立虚拟实验室是未来仪器分析实验教学发展的趋势。虚拟实验室的建设，不仅能够解决学校经费不足、场地有限、实验内容一成不变等问题，而且能够增强学生对仪器分析的学习兴趣，培养学生创新性的科研能力，为社会培养更加实用的复合型人才发挥积极作用。

[1]刘筱兰.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究,2004(11):8-10.

[2]马薇.三维多功能动态GC虚拟实验室新构建模式的研究[D].大连:大连理工大学,2010:1-86.

[3]王艳嫱.三维高仿真网络HPLC虚拟实验室的构建与研究[D].大连.大连理工大学,2012:1-73.

[4]毛金群.开放式三维网络HPCE虚拟实验室的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2013:1-71.

[5]方丽.开放式原子吸收光谱虚拟实验室的构建研究[D].大连:大连理工大学,2010:1-80.

[6]赵冬利.基于Flash技术的NMR虚拟实验室的构建[D].大连:大连理工大学,2013:1-68.

Discussion about Application of Virtual Laboratory in Instrumental Analysis Teaching in Colleges

CAO Ying

(Department of Experimental Teaching, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China)

With the development of science and technology, the popularization of higher education, the problems of instrumental analysis in medical colleges teaching are increasingly emergent. The virtual laboratory experiments in teaching instrumental analysis, could solve the shortcomings of traditional laboratory teaching, improve the experimental teaching level, increase independent innovation ability of students, and play an active role in training of higher pharmaceutical professionals.

virtual laboratory; instrumental analysis；experiment teaching; teaching reform

2014-04-42

曹 颖(1984-)，女，硕士，实验师，研究方向：仪器分析。

TP391.98；TP391.99;G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.011