吳麗杰 王 凱 陳美玲 任曉亮 張 祎

（天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院 天津 301617）

0 引言

《儀器分析》是化學(xué)、化工、食品、中藥、藥學(xué)及其他相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，此課程采用理論課與實(shí)踐課并行設(shè)計(jì)的教學(xué)計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)不僅有利于學(xué)生將抽象的理論知識(shí)更好的消化和吸收，而且有利于學(xué)生獨(dú)立思考和實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新技術(shù)、新儀器、新概念不斷涌現(xiàn)，儀器分析涉及的范圍和內(nèi)容日益廣泛，為適應(yīng)這一發(fā)展的需要以及本科教育的要求，對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提出了新挑戰(zhàn)，在傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端日益突顯的情況下，如何將新技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更好的保證教學(xué)效果是《儀器分析實(shí)驗(yàn)》課程急需解決的問題。

1 傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

《儀器分析》理論課程主要包括：紫外-可見分光光度法（UV-Vis）、紅外分光光度法（IR）、原子分光光度法（AAS）、核磁共振（NMR）、質(zhì)譜（MS）、氣相色譜（GC）、氣相色譜和液相色譜（LC）等技術(shù)，知識(shí)涉及到物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械制造和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的交叉，內(nèi)容抽象、涉及面廣、信息量大。涉及到的儀器大多屬于精密儀器，價(jià)格昂貴，耗材配件等極易被損壞，操作及儀器環(huán)境苛刻，運(yùn)行及維護(hù)成本巨大。所以在傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中學(xué)生能親自動(dòng)手操作的通常是一些相對(duì)簡(jiǎn)單、落后的儀器，比如UV-Vis、IR等，教學(xué)內(nèi)容陳舊。對(duì)于涉及大儀的實(shí)驗(yàn)一般是實(shí)驗(yàn)教師邊講解邊演示，使得學(xué)生很難真正全面的掌握儀器的工作原理，儀器分析實(shí)驗(yàn)課就是在走馬觀花，造成學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)不扎實(shí)、動(dòng)手操作能力及協(xié)調(diào)能力差等普遍問題。加之目前各高校不斷擴(kuò)大招生規(guī)模，在校學(xué)生與日俱增，使得儀器分析實(shí)驗(yàn)課程收到實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的多重制約，傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)已無法適應(yīng)現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展要求。

2 虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介及其在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)，是利用計(jì)算機(jī)將觸覺、聽覺及視覺等融合在虛擬環(huán)境里，用戶能夠身臨其境，并且可以通過必要的輸入和輸出設(shè)備與虛擬體系進(jìn)行交互作用。此技術(shù)由美國軍方最先開發(fā)并用之于軍事模擬訓(xùn)練[1]。三維虛擬仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)生成一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為，并能創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的仿真系統(tǒng)。將該技術(shù)引入到教學(xué)過程中又被稱為“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)”。該技術(shù)一般包括虛擬儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)可視的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，由可視化物體代表實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)設(shè)備，通過操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)設(shè)備完成各種實(shí)驗(yàn)操作的教學(xué)儀器系統(tǒng)。將 VR應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，有利于學(xué)生更好的熟悉儀器構(gòu)造及操作，又可激發(fā)醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。并且可以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)操作練習(xí)，有效的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。另外，由于VR實(shí)驗(yàn)無損耗，無污染，有利于綠色化實(shí)驗(yàn)的建設(shè)[2]。因此，建設(shè)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以有效地解決實(shí)驗(yàn)條件的不足與日益增加的學(xué)生之間的矛盾。

將VR應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高教學(xué)效果，有助于學(xué)生全面的了解實(shí)驗(yàn)過程。在傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一般是教師講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)的處理方法，對(duì)于一些精密的大型儀器，由實(shí)驗(yàn)老師演示關(guān)鍵步驟，學(xué)生直接獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即完成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)在的儀器設(shè)備基本上都是集成化設(shè)計(jì)，學(xué)生無法直觀地了解儀器各部分的組成及儀器的內(nèi)部構(gòu)造，對(duì)儀器內(nèi)部構(gòu)造的了解僅僅停留在老師的課堂講解，甚至對(duì)部分常用儀器的認(rèn)識(shí)處于盲區(qū)狀態(tài)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)下來，學(xué)生就在儀器上按了幾個(gè)按鈕，非常不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而VR系統(tǒng)，可以將現(xiàn)實(shí)過程中難以演示的部分內(nèi)容，如大型精密儀器的內(nèi)部構(gòu)造與原理、儀器故障的處理等用計(jì)算機(jī)輔助的方式展現(xiàn)出來，可以把儀器的每個(gè)部件都拆分開來觀察，使學(xué)生更全面的了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造及作用，大大提高了教學(xué)效果。另外，學(xué)生可以根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求靈活地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并一一驗(yàn)證，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，VR系統(tǒng)在教學(xué)中顯示出了巨大的實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。

將VR應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以改變實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于儀器設(shè)備的臺(tái)套數(shù)相對(duì)較少，特別是對(duì)某些貴重儀器或精密儀器人機(jī)比過高，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的操作訓(xùn)練時(shí)間較少，不能保證每人都能動(dòng)手操作，導(dǎo)致部分學(xué)生的操作水平相對(duì)較低，上儀器分析實(shí)驗(yàn)課就像在走馬觀花，對(duì)已做過的實(shí)驗(yàn)毫無印象，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。而VR系統(tǒng)可通過聲音、圖像、動(dòng)畫等具有豐富表現(xiàn)力的仿真軟件幫助學(xué)生進(jìn)行多感觀的學(xué)習(xí)，為其提供更為形象直觀、內(nèi)容豐富、生動(dòng)逼真的模擬演示，可很好地幫助其了解儀器的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本操作方法、安全知識(shí)等內(nèi)容，并可大大地提高其學(xué)習(xí)的興趣[3]。學(xué)生可以借助系統(tǒng)逼真地認(rèn)識(shí)一些大型精密儀器的構(gòu)造，了解掌握儀器設(shè)備的使用及特性，還能實(shí)現(xiàn)每人自行操作，模擬實(shí)驗(yàn)全過程，凸顯儀器設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。另外，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中減少了盲目操作、藥品損耗、設(shè)備損壞等現(xiàn)象，提高了實(shí)驗(yàn)的效率，并節(jié)省了實(shí)驗(yàn)開支。

將VR應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)資源共享和開放。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)只需要一臺(tái)電腦和一套仿真軟件，它是依靠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，因此與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，其在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中的應(yīng)用可以彌補(bǔ)教學(xué)臺(tái)套數(shù)不足，實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限，場(chǎng)地受限，實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束，學(xué)生就很難再重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。而對(duì)于VR實(shí)驗(yàn)，只要服務(wù)器全天開放，學(xué)生就可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的終端即電腦上隨時(shí)訪問虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行無限制、多樣性的反復(fù)操作練習(xí)，不必?fù)?dān)心試劑藥品及儀器設(shè)備的耗損，克服真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作的各種條件制約，使教學(xué)信息和實(shí)驗(yàn)資源實(shí)現(xiàn)最大程度的共享，實(shí)現(xiàn)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，真正提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能[4]。

除此以外，還可以將VR應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)考核中。在傳統(tǒng)的儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的考核中，一般采用提問、數(shù)據(jù)分析計(jì)算、操作關(guān)鍵步驟等方式進(jìn)行考核。但是這種方式不能充分體現(xiàn)每位學(xué)生對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)操作知識(shí)的掌握程度。而利用VR系統(tǒng)進(jìn)行儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的考查，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、原理、操作步驟等整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程能考核學(xué)生操作方法是否科學(xué)、合理和靈活，可以綜合分析學(xué)生在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)中的進(jìn)程和結(jié)果，幫助老師檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和操作技能[5]。

3 結(jié)束語

虛擬仿真系統(tǒng)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以降低實(shí)驗(yàn)成本，改善實(shí)驗(yàn)條件，減少儀器設(shè)備的損壞，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，同時(shí)能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。但將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入到儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不是要擯棄或者取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，而是為了輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相結(jié)合，相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)，提高儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。