林佳麗，王建，陳珠靈,＊，袁耀鋒

1福州大學化學學院，福州 350108

2福州大學化學化工國家級實驗教學示范中心，福州 350108

儀器分析實驗是化學專業(yè)本科生的必修課程之一，與無機化學實驗、有機化學實驗等基礎操作實驗課程相比，儀器分析實驗因其主要對象是價格昂貴的精密儀器而有自身的教學難點，比如，儀器結(jié)構與工作原理等知識比較抽象、難以理解；儀器臺套數(shù)有限，無法單人單套，學生容易“走馬觀花”，沒有真正掌握實驗操作等[1,2]。虛擬仿真技術是網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展的產(chǎn)物，運用多媒體、人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等先進的信息技術，營造出與真實實驗場景、操作環(huán)節(jié)一致的軟硬件環(huán)境[3]。虛擬仿真技術因其資源呈現(xiàn)形式的多樣性，不受空間、時間、實驗條件的限制等優(yōu)點很大程度上彌補了傳統(tǒng)實驗教學某些方面的缺憾，豐富了傳統(tǒng)的實驗教學手段[4–6]，為儀器分析實驗教學的改革提供了方向。2020年春季學期，為應對疫情對實驗教學的影響，我們開展了虛擬仿真技術在儀器分析實驗教學中的應用探索。

1 儀器分析虛擬仿真實驗對線下實驗的補充作用

在儀器分析實驗的教學中，了解儀器的結(jié)構和工作原理是十分重要的內(nèi)容之一。虛擬仿真軟件每個項目加載了儀器介紹模塊和實驗原理模塊，以促進學生對儀器結(jié)構和儀器工作原理的理解。儀器介紹模塊通過三維動畫模擬演示儀器的拆解和組裝過程，呈現(xiàn)儀器的組成部分和內(nèi)部結(jié)構，鼠標點擊各具體部件可顯示其工作原理。實驗原理模塊鏈接了形象的圖片和Flash動畫，展示抽象的理論知識(如各個儀器主要元件的工作過程等)。

儀器分析實驗的重點還包括儀器和軟件操作。然而因儀器臺套數(shù)有限，學生線下實驗難以真正掌握儀器和軟件操作。虛擬仿真實驗系統(tǒng)的操作根據(jù)真實儀器以及真實實驗數(shù)據(jù)作為支撐而編程設計，儀器操作步驟、軟件操作界面、軟件測試方法的編輯以及方法運行后觸發(fā)的掃描信號變化等過程都與真實情況非常接近，非常適合進行實驗操作的線上練習。

除了虛擬仿真外，線上教學的其他資源，比如教學視頻、教學PPT等，也可以通過拍攝教師現(xiàn)場拆解儀器的主要部件，同步講解各部件的功能，使學生深入了解儀器的內(nèi)部構造和工作原理，并通過教師規(guī)范的實驗操作演示，幫助學生掌握實驗操作。與上述資源相比，虛擬仿真技術的優(yōu)勢在于其直觀性和趣味性。學生進入虛擬仿真實驗系統(tǒng)，需要通過操作完成一個與現(xiàn)實場景相似的實驗過程。如使用鼠標配制溶液，觀察、連接、調(diào)節(jié)儀器，并使用儀器設備進行實驗，最后得到實驗數(shù)據(jù)，完成實驗報告。學生通過這樣的仿真操作，能檢驗自身的學習效果，了解操作過程中存在的問題，教師也可通過后臺系統(tǒng)直觀地了解學生實驗的自學情況，從而調(diào)整教學重難點，改進和充實教學內(nèi)容。

虛擬仿真技術，與其他傳統(tǒng)的線上教學資源相互結(jié)合使用，共同對線下實驗起到有效的補充，輔助學生課前熟悉實驗場景、自學實驗內(nèi)容，課后反復練習、掌握儀器操作。

2 疫情沖擊下的儀器分析實驗的開課探索

2020年，一場突如其來、態(tài)勢兇猛的新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)了。為了阻斷疫情向校園蔓延，全國高校紛紛推遲2020年春季開學，教育部發(fā)起“停課不停學”的號召，鼓勵高校結(jié)合實際開展線上教學[7]。有不少虛擬仿真實驗教學平臺組成聯(lián)盟，共同在疫情期間向全國高校免費提供實驗教學資源、軟硬件資源、云資源等，保障高校在疫情防控期間的在線教學[8,9]。

福州大學化學化工國家級實驗教學示范中心在微瑞公司、歐貝爾公司的大力支持下，從商品化的虛擬仿真平臺實驗項目中，優(yōu)先挑選了儀器型號、實驗內(nèi)容與我校課程內(nèi)容一致的項目作為教學資源。在2020年春季學期的開學初，將虛擬仿真實驗開放給學生自主學習。進入期末，由于疫情防控的要求，我校本科生仍無返校計劃。在前期充分討論協(xié)商的基礎上，儀器分析課程組決定本學期進行線上授課，采用虛擬仿真實驗代替實驗操作環(huán)節(jié)。

2020年春季學期儀器分析實驗線上課程授課安排如表1所示，我校開設的儀器分析實驗包括高效液相色譜儀、氣相色譜儀、紫外-可見分光光度計、熒光分光光度計、傅里葉變換紅外光譜儀、電化學工作站、原子吸收分光光度計、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀、熱重分析儀、X射線粉末衍射儀、場發(fā)射透射電鏡等12種儀器對應的實驗項目。前三周，每周安排4天，上午9:00–11:00進行具體實驗項目的線上直播授課，后三周，學生可自行安排時間完成虛擬仿真實驗和實驗報告。最后安排8月17日進行本門課程的線上考試。

表1 儀器分析實驗線上課程授課安排表

為保證課程的順利進行，我們擬定了一系列實施細節(jié)：

第一，建立儀器分析實驗的QQ教學群，便于師生交流、互動；指導教師耐心細致地回答每一位同學的疑問和困惑。

第二，為每個學生和指導教師注冊獨立虛擬實驗賬號，教師賬號可查看學生登錄虛擬仿真進行實驗操作的情況。

第三，充分調(diào)動指導教師的積極性，開課實驗內(nèi)容、儀器型號、實驗要求不受原來實驗教學大綱、實驗講義約束，解放思想，大膽探索；要求指導教師熟悉虛擬實驗操作；鼓勵并協(xié)助教師拍攝實驗教學視頻；按計劃通過騰訊課堂直播實驗輔導講座。

第四，對實驗實施細節(jié)給出具體要求，在探索過程中，不斷補充完善，儀器分析實驗共72學時，開設12個項目，直播講解時間2學時，包括實驗原理、虛擬或現(xiàn)場實操演示講解?？紤]到有不少同學參加各高校的暑期夏令營，各指導教師設置騰訊課堂具備回放功能，方便學生自學。

第五，充分理解學生的困難，如：留出較寬裕時間，允許學生自己安排時間完成虛擬實驗；實驗報告采用電子版形式；實驗報告用的數(shù)據(jù)可以用仿真實驗的數(shù)據(jù)，也可用指導教師提供的數(shù)據(jù)。

第六，儀器分析實驗課程的考核，線上筆試采用“考試星”與“騰訊會議”兩款軟件配合進行?！翱荚囆恰庇糜诮⒃囶}并發(fā)布給學生登錄答題，可支持多種題型共同組卷，進行“題目亂序”“選項亂序”“頁面切換自動交卷”等防考場違規(guī)設置，學生提交試卷后，教師在系統(tǒng)后臺即可獲得學生卷面、學生成績、答題情況分析?！膀v訊會議”用于監(jiān)考，通過其視頻功能，全程保證考生面部雙手及桌面均處于監(jiān)控范圍。

第七，為保證成績的合理性，采用結(jié)構成績，包括騰訊課堂上線學時數(shù)、虛擬實驗評判得分、實驗報告成績、師生互動積極性、線上筆試成績等，綜合評判期末成績。確保總體成績分布基本和往年相當，有合理的區(qū)分度。

儀器分析實驗線上教學流程如圖1所示。

圖1 儀器分析實驗線上教學流程圖

3 線上教學實施效果與展望

3.1 虛擬仿真實驗的自學效果

我們通過線上問卷調(diào)查以及互動交流的形式對學生前期自學情況進行了總結(jié)。線上問卷的回答情況如圖2所示，雖然大多數(shù)(83.67%)學生對虛擬仿真這一新穎的實驗教學模式感興趣，但在沒有強制要求的情況下，僅有大約一半(45.94%)的學生進行虛擬了仿真實驗的體驗，說明虛擬仿真實驗還不足以調(diào)動學生的興趣，學生自主學習的積極性不高，需要教師的監(jiān)督和幫助。從進行虛擬仿真實驗學生的評價來看(25.23%較滿意，11.71%有幫助，9.01%不滿意)，大部分學生能夠從虛擬仿真這一教學形式中獲得較大的收獲，小部分學生則認為體驗沒有想象的好，更希望在真實情境下完成實驗。

圖2 虛擬仿真實驗自學的問卷調(diào)查情況分析

3.2 利用虛擬仿真進行實驗線上教學的實施情況

我們要求指導教師通過騰訊課堂加強對實驗的直播講解，使虛擬仿真資源得到充分利用。從直播課結(jié)束第二日對學生進行的儀器分析實驗線上課程學習情況調(diào)查結(jié)果來看(圖3)，大部分(82.54%)學生表示除遇特殊情況外，都會根據(jù)課程安排按時聽課，少部分(17.46%)時間不能保證的學生也會通過看回放的方式補課，94.74%的學生對疫情期間不得已采取的線上實驗教學表示理解和接受。通過直播講解，91.80%的學生都能對虛擬仿真軟件的操作流程和注意事項基本了解，雖然課程安排了寬裕的時間留給學生完成虛擬實驗，但接近一半的學生(49.18%)跟隨教師的講解同步開展虛擬仿真實驗。說明通過前一階段線上理論課程的學習[10,11]，學生對線上教學比較適應，大部分學生對專業(yè)實驗課程的學習比較重視，能夠保持積極的學習態(tài)度，合理安排時間及時完成課程學習任務。

圖3 儀器分析線上課程開展情況調(diào)查表

圖4是2016級學生(2019年春季/線下實驗)和2017級學生(2020年春季/線上課程)儀器分析實驗的成績對比?？己朔绞缴希?019年春季線下課堂的成績評價組成為平時成績(課堂表現(xiàn)和實驗報告)、期末考試(筆試成績和操作考試成績)，2020年春季線上課程的成績評價組成為平時成績(直播課堂學習情況、虛擬仿真操作得分、實驗報告)、期末考試(僅筆試成績)。筆試內(nèi)容覆蓋開設的全部實驗內(nèi)容，主要考查基本理論、基本概念和基本技能。雖無法比較學生對儀器實際操作的掌握情況，但從總體成績、平時成績、筆試成績的分布來看，今年與去年差別不大，絕大多數(shù)學生的平時成績以及考試成績都在80分以上，說明絕大多數(shù)學生能夠較好地完成本門課程的學習任務。

圖4 線上線下實驗學習成績對比

圖5是學生對虛擬仿真軟件輔助儀器分析實驗學習的反饋表，從數(shù)據(jù)可以看出，對于虛擬仿真實驗在增加課堂趣味性以及助力掌握專業(yè)課程理論知識、儀器和軟件操作步驟以及了解儀器組成與內(nèi)部構造方面，均有超過85%的學生認為有所幫助，認可度較高。從選項上分析，選擇有一點幫助的學生的占比最大，分布在大約40%–60%區(qū)間，大于必不可少和較大幫助之和?？梢姶蟛糠謱W生都認同虛擬仿真實驗對儀器分析實驗的學習有一定的輔助作用，但認為這種輔助作用比較有限。我們分析其原因可能有以下幾點：首先，本學期儀器分析實驗是完全的線上教學，學生在接受問卷調(diào)查時，尚未返校進入實驗室接觸和使用儀器，未能準確體會虛擬仿真實驗對熟悉真實實驗儀器的輔助作用；其次，在進行虛擬仿真軟件實驗時，學生往往更重視實驗操作的正確完成，以獲得較高的分數(shù)。是否去點擊和學習儀器介紹模塊和實驗原理模塊，并不影響學生虛擬仿真實驗成績，如果沒有認真使用這些模塊的功能，可能影響相應功能的評價。評價結(jié)果同時表明，在引導和有效督促學生利用虛擬仿真各個模塊的資源和功能進行學習方面，教師還需在今后的教學實踐中采取更多的措施。此外，對提高分析和解決問題的能力以及對將來就業(yè)的幫助方面，較大比例的學生認為幫助不大。

圖5 虛擬仿真軟件對儀器分析實驗的輔助作用反饋情況

基于學生的評價反饋以及這段時間的教學實踐，我們也總結(jié)出線下課堂有著不可替代的優(yōu)勢。

首先，線下課堂對現(xiàn)場解決問題能力以及實驗動手能力的培養(yǎng)無可取代。虛擬仿真實驗過程中不會出現(xiàn)實際實驗中可能出現(xiàn)的各種問題，無助于解決問題能力的提升。同時，線上虛擬仿真實驗，主要是鼠標操作，無法對學生的基礎實驗操作技能進行訓練。

第二，線下課堂的真實性帶來的真實感無可取代。虛擬仿真實驗雖然在儀器操作、實驗過程等方面對真實環(huán)境都有較逼真的模擬，但因為程序預設的限制，實驗過程過于理想化，實驗結(jié)果千篇一律，無法考查學生的個體差異。

第三，虛擬仿真實驗得不到真實數(shù)據(jù)，不能從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題?；诰€下課堂實驗的真實數(shù)據(jù)展開分析和討論，可以對分析方法進行評價，還可以引導學生根據(jù)實驗結(jié)果反思實驗過程中存在的問題，是否存在不規(guī)范的操作引入實驗誤差等，這是實驗教學中培養(yǎng)學生思考水平的重要環(huán)節(jié)，而這部分內(nèi)容是虛擬仿真實驗無法實現(xiàn)的。

第四，虛擬仿真軟件發(fā)展至今，在操作不夠流暢、硬件需求過高、過程設計過于簡單和理想化等方面仍有值得改進之處。

圖6是學生對虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗進行比較的情況，大部分(54.67%)學生認為虛擬仿真實驗對學習的幫助不如線下傳統(tǒng)實驗，完全的線上教學讓學生們非常遺憾沒有機會熟悉現(xiàn)場儀器的使用。針對這一情況，秋季學期返校復課后，我們安排了實習環(huán)節(jié)開放實驗室，進行預約上機操作訓練，做好虛擬實驗和線下實操的銜接。

圖6 虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗進行比較的情況調(diào)查

此外，我們可喜地看到，排除疫情防控的大背景，更多的學生(57.14%)對虛擬仿真和傳統(tǒng)實驗相互補充相互結(jié)合的“線上-線下”混合式教學表現(xiàn)出了期待。

3.3 對“線上-線下”混合式教學的展望

在今后的儀器分析實驗教學中，可充分利用本次虛擬仿真線上教學的探索經(jīng)驗和資源，嘗試線上線下相結(jié)合，探索最大化發(fā)揮虛擬仿真軟件對線下實驗輔助作用的方式，豐富儀器分析實驗內(nèi)容，提升儀器分析實驗教學質(zhì)量。

第一，在進入實驗室之前，通過要求學生完成一個完整的虛擬仿真實驗項目，讓學生熟悉實驗場景，了解安全注意事項，學習和掌握儀器的基本工作原理和使用方法。采取漸進式的教學策略，在虛擬仿真實驗項目中安排傳統(tǒng)的經(jīng)典的儀器分析實驗，線下課堂安排難度更高的實驗，完成更豐富、更貼近生活的實際樣品的檢測。例如，在紫外-可見分光光度法測定微量鐵實驗中，虛擬仿真實驗項目可以設置現(xiàn)成的未知樣中鐵含量的測定，在完成虛擬仿真實驗的基礎上，線下課堂實驗設置實際樣品菠菜中鐵含量的測定實驗；在原子吸收分光光度法測定鈣離子含量的實驗中，虛擬仿真實驗項目可以完成自來水中鈣離子含量的測定，線下課堂實驗可以完成奶粉中鈣含量的測定；在電感耦合等離子體發(fā)射光譜法的實驗中，虛擬仿真實驗項目可以完成飲用水中金屬元素的測定，線下課堂實驗可以完成土壤或農(nóng)產(chǎn)品中金屬元素的測定。線上線下遞進式的學習內(nèi)容不會讓學生認為是重復實驗而覺得枯燥，反而帶著興趣和目的進行虛擬仿真的學習，提高虛擬仿真學習的效果，同時，線下實驗通過選取種類豐富的實際樣品，增加了儀器的實用性、實驗的趣味性和項目的完整性。

第二，通過虛擬仿真對儀器分析實驗內(nèi)容進行拓展和補充，開展因設備昂貴或測試時間長等原因限制實際教學開展的項目，讓學生接受更全面的實驗訓練，實現(xiàn)本科教學與科研對接。例如增加核磁共振波譜儀、掃描電鏡等高成本、尚不能開設本科教學實驗的大型貴重儀器的虛擬仿真線上實驗，讓學生熟悉現(xiàn)代化儀器表征手段；增加耗時較長的復雜樣品的前處理、儀器條件摸索和日常維護等內(nèi)容，培養(yǎng)學生利用大型儀器解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

在受疫情影響的特殊時期，學生無法真正走進實驗室的情況下，開展虛擬仿真實驗，不僅是緩解因延期開學帶來的教學壓力的權宜之舉，同時也是對疫情過后進一步開展線上-線下融合的實驗教學改革的積極探索。

4 結(jié)語

虛擬仿真技術在儀器分析實驗教學中對鞏固基本理論、掌握儀器操作、熟悉實際應用等方面可以起到積極的輔助作用。但在實際應用過程中，不能僅依靠學生的自覺完成虛擬仿真實驗，教師的監(jiān)督和要求可以提高學生的完成效果，使虛擬仿真資源得到充分利用。同時，目前的化學類虛擬實驗技術仍存在真實感不強、缺乏對實際實驗中出現(xiàn)的各種問題的模擬、不能有效培養(yǎng)學生實際動手操作能力和分析解決問題的能力等問題，可以作為一種教學輔助手段和必要的補充，而不能取代應有的線下教學步驟。常態(tài)化疫情防控背景下，我們將繼續(xù)通過日常教學實踐的不斷探索，摸索出更加行之有效的線上虛擬仿真與線下課堂實驗相結(jié)合的教學模式，最大化地提升儀器分析化學實驗教學質(zhì)量。我們也相信隨著網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展，虛擬仿真技術將不斷推陳出新，在仿真度、智能化和實驗設計上不斷進步，有望讓學生體會如真實實驗般的實驗結(jié)果隨環(huán)境、條件組合變化，可探索、發(fā)現(xiàn)、研究的實驗樂趣。