虚拟仿真实验平台在仪器分析实验教学中的应用思路构建

刘学国，曾宪彩、王莹、陈宛瑶、潘会严、闫卫红

(南阳理工学院生物与化学工程学院，河南南阳， 473000

摘要：本文将结合传统仪器分析实验教学存在的问题，以及虚拟仿真实验平台的特点，分析概述虚拟仿真实验平台在仪器分析实验教学中的具体应用，并以液-质联用技术检测某种农药残留为例说明虚拟仿真实验平台的作用，不但可以创新教学模式，而且也提升了学生学习主动性，培养了他们的实践创新能力、拓展了他们的视野，对于提高教学质量、培养高素质复合型人才具有很大的帮助。

关键词：虚拟仿真实验平台；仪器分析；实验教学

1 传统仪器分析实验教学存在的问题

传统仪器实验教学存在的主要问题包括：第一，仪器分析理论本身就非常复杂、抽象，涵盖的内容、学科较多，而理论授课和实验操作的时间较少，学生学习难度很大，在短时间内无法真正掌握仪器设备的工作原理、结构等，更谈不上将这些理论应用到实际操作中。第二，实验室做实验所需的设备仪器成本很高，而很多学校因为受资金限制并未引入满足教学要求的设备，实验场地也比较有限，使仪器分析实验教学的时间和空间等都受到了很大的限制。再次，在实验教学中，教师对仪器分析实验讲解与演示，而学生一般只能听与看，而很少可以动手去操作，这样就无法真正掌握实验的方法和操作要点，甚至在之后自己操作时可能会存在误操作的问题。此外，受仪器设备和实验课时的影响，许多学校开设的实验课大部分主要是验证性的实验，即已知实验的结果，跟着已有的经验和操作方法去达到相同的结果，综合性以及创新性的实验很少。这样的教学模式自然使仪器分析实验课程教学内容变得非常单一且枯燥乏味，而且因为缺乏特色很难吸引学生的兴趣，学生也无法将所学知识和技能和实际操作联系起来，难以解决实际问题。

2 在仪器分析实验教学中构建虚拟仿真实验平台的意义和必要性

仪器分析实验教学课程是仪器分析的重要内容，以仪器操作为主的重要实践性课程，其教学目标是利用仪器分析的相关理论知识，比如各种精密仪器的工作机制、结构等，采用合适的操作方式开展实验操作，以验证理论知识的正确性。此外，也是为了通过仪器实验操作来提高学生的实验操作水平，使他们真正掌握各种仪器设备操作的技术要点，能将理论知识应用到实际问题的解决中，在掌握相关理论知识和实验操作方法、要求的基础上培养他们的学习分析、推理判断、总结归类以及创新实践的能力，能在未来科学实验项目中采用这些知识和节能独立操作试验，并分析和解决现实问题。由于传统的仪器分析实验教学课程无法满足信息化时代学生学习的需求，为培养复合型、技术性专业人才，必须对仪器分析实验教学进行改革创新。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术被应用到各个领域，将其应用到仪器分析实验教学中，改变了传统实验教学刻板的模式，不但拓宽了实验教学空间，而且也提高了学生的实际动手能力，同时也解决了学校仪器设备配备不足的问题。

2 在仪器分析实验教学中构建虚拟仿真实验平台的优势

2.1 改变了传统实验教学模式

在仪器分析实验教学中，通过构建虚拟仿真实验平台，利用虚拟仿真技术开展教学工作，一方面改变了传统实验教学手段，而且也为更多信息技术应用到实验教学中提供了基础，使得实验教学的内容得到丰富，使复杂抽象的问题变得简化形象化。对于仪器分析实验中的实验原理、仪器结构等的讲解以更加生动形象的方式呈现出来，加深学生的印象和对知识、技能的理解掌握。

2.2 提高学生对实验的实际操作动手能力

在虚拟仿真实验平台上开展实验教学，学生们利用仿真软件可以提前进行实验的预操作，通过实验的预习了解该实验基本内容、技术要点和操作注意事项等，在此基础上再进行实物操作，使得实验操作更加规范，也提高了他们的实验技能，同时对于培养学生的自主学习能力、创新实践能力也有很大的帮助。

2.3 解决实验室实验器材不足的问题

在仪器分析实验教学中，通过虚拟仿真实验平台的建设，学生们可以利用虚拟仿真技术设定实验的内容，进行仿真实验。不仅可以解决学校实验室实验仪器缺乏的问题，而且也拓展了实验空间，解决了课时不足的问题，突破实验教学时空的限制，使学生更加重视仪器分析实验课程。同时通过新的实验内容的增加，提高了实验教学的创新性，在设备不足的情况下学生们可以独自完成实验操作，降低实验成本，但是却提高了教学效果。

3 虚拟仿真试验平台在仪器分析实验教学中的应用

虚拟仿真试验平台是为了加深学生对仪器分析方法基础原理、基本结构了解，提升学生仪器操作能力，为之后实际应用奠定基础而建立的系统平台。在该平台上，将三维仿真、虚拟现实、动画技术等现代化手段结合起来，平台根据实验室的实际建设模型，并根据实验过程完成交互，使学生身临其境，为学生提供真实的、能自主学习的、内容丰富的可以全程参与的虚拟仿真实验平台。学生可以在该平台上学习基础知识、熟悉实验操作技能，培养动手能力。

以液-质联用仪器操作为例，采用传统教学方法，学生在整个实验过程中比较被动，无法真正参与到实验中，续上实际操作能力和数据分析的能力也不能得到有效提高。为此，从学生角度和教学需求出发，利用三维技术、虚拟现实等技术整合形成了基于液-质联用技术进行某种农药残留定量分析的虚拟仿真实验教学软件，在该软件平台上，学生可以进行互动式的预习操作，掌握实验的目的、原理、操作步骤和注意事项等，在预习后观看虚拟实验操作演示，系统模拟实验中的每一个步骤并通过文字、图片的形式进行解释，在学生掌握整个实验操作流程和要求后再进行在线操作，模拟液-质联用技术中液相色谱对多组分样品的分离和定量分析，采用质谱技术对农药残留进行定性分析。在这个实验操作中若出现失误系统还会立即提示并自动纠错，在实验模拟结束后，学生可对自己的操作历史进行追溯，及时发现自己存在的问题并改正。系统也将实验产生的数据记录下来并进行处理，形成相应的谱图，学生之后可以根据这些实验的数据进行结果分析，并完成实验分析报告。

4 虚拟仿真实验平台在仪器分析实验教学中应用时的注意事项

4.1 应将虚拟仿真实验教学和传统教学结合起来

通过虚拟仿真实验平台的建设来开展仪器分析实验教学课程虽然有很多优势，不仅可以提高实验教学的效率和质量，而且还丰富和创新了实验的内容，拓宽了学生的视野，培养学生的创新意识。但是传统教学中学生和学生、学生和老师之间的面对面交流互动也非常重要，这是程式化的虚拟化的仿真技术无法实现的。所以在实际教学应用中，应合理安排虚拟仿真实验与传统实验教学的课时，在虚拟仿真实验平台上，学生可以根据自己所需知识进行预实验操作，在课后也可以进行模拟测试以巩固知识，但是也应该安排教师到实验室进行指导，通过生动形象的语言和动作来传递感情，并及时对学生在实验中的错误操作指正。将两种教学手段结合起来，可以取长补短，达到更好的教学效果。

4.2 控制计算机辅助教学的内容与节奏

利用虚拟仿真实验平台开展实验教学，在虚拟环境下，学生们的感官受到了很大的刺激，但是他们对于知识信息的理解和掌握需要一定的时间，尤其对于一些基础较差的学生，他们的学习动作较慢、理解能力较差，可能在虚拟平台上操作时觉得已经掌握了相关知识和技能，但是到了实体实验室实物操作时又忘记了操作要领和注意事项。所以，教师在课堂设计时应该把握好教学的内容与节奏，尽量以简洁的方式将重要的实验操作步骤、技巧和注意事项表达出来，可以有效缓解学生课堂学习压力，也能更好地集中精力做实验。另一方面教师应因材施教，注意每一个学生对知识的消化能力，及时反馈学生提出的问题，把握好教学的节奏，留给学生独立思考和解决问题的时间。

5 结语

综上所述，在仪器分析实验教学中引入虚拟仿真实验平台，改变了传统实验教学模式，使实验教学变得生动形象，学生可以在该虚拟实验平台上学习、模拟操作，并丰富自己的知识、增强操作技能，还能通过系统溯源了解自己存在的问题并及时改正。这几年来，通过虚拟仿真实验平台的引入，使得仪器分析实验教学取得了良好的教学效果，学生们的实践创新能力明显提升。在未来教学中，教师将理论教学和实验教学相协调，将课堂教学和虚拟仿真教学相结合，有利于培养创新性的应用型人才，有利于强化学生的理论基础和实验能力，为未来的应用实验奠定良好基础。

参考文献：
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[3]何秋伶，徐涛，盛清. 基于虚拟实验平台的天然药物化学教学模式探讨[J]. 教育教学论坛，2019（3）：273.

作者简介：刘学国(1987一)，男，副教授，博士，主要从事功能纳米材料合成及其在环境、食品分析中的应用方面的研究

基金项目：南阳理工学院校级一流课程“分析化学”建设项目；南阳理工学院教育教学改革研究项目（NIT2020JY-138）