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“儀器分析”虛擬仿真教學(xué)體系的構(gòu)建

2022-09-08 10:11:12郭勝利曾玉鳳秦榮歡
現(xiàn)代鹽化工 2022年4期
關(guān)鍵詞:儀器分析玉林儀器

杜 琨,郭勝利,曾玉鳳,秦榮歡

(玉林師范學(xué)院 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院,廣西 玉林 537000)

1 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”教學(xué)現(xiàn)狀

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、食品科學(xué)與工程、材料化學(xué)5個(gè)本專(zhuān)科專(zhuān)業(yè)“儀器分析”及“儀器分析實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)任務(wù),每年使用實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生有300人左右,而實(shí)驗(yàn)課只有16個(gè)學(xué)時(shí),課時(shí)不足、經(jīng)費(fèi)有限,往往需要教師在上課前自己配制好實(shí)驗(yàn)所需試劑并向?qū)W生發(fā)放實(shí)驗(yàn)講義,學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)講義和教師在課堂上的講解及要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)。在整個(gè)過(guò)程中,學(xué)生缺乏積極主動(dòng)性,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的思考明顯不足。此外,“儀器分析”教學(xué)需要的高效氣相色譜儀、高效液相色譜儀等大型儀器設(shè)備只有一臺(tái),學(xué)生必須分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),教師也要重復(fù)講解相同的內(nèi)容,難以維持課堂紀(jì)律,個(gè)別學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的學(xué)生不認(rèn)真聽(tīng)講、不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)付了事。同時(shí),由于同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)教授的學(xué)生過(guò)多,部分學(xué)生不能直觀地了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和使用方法,甚至因擔(dān)心損壞儀器而不敢操作,導(dǎo)致學(xué)生未來(lái)走上工作崗位真正使用相關(guān)大型儀器時(shí),可能因操作不當(dāng)而損壞儀器,增加儀器損耗和修理費(fèi)用,無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

然而,“儀器分析”課程必須開(kāi)展實(shí)驗(yàn),這是課堂教學(xué)不可或缺的環(huán)節(jié),學(xué)生只有通過(guò)足夠的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,才能真正掌握書(shū)本上的理論知識(shí)。玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院現(xiàn)有的儀器設(shè)備難以承擔(dān)繁重的教學(xué)任務(wù),因此,改革教學(xué)方法、探索新的教學(xué)途徑勢(shì)在必行。

2 應(yīng)用型本科院校開(kāi)展“儀器分析”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

2.1 解決大型儀器數(shù)量少而學(xué)生人數(shù)多的矛盾

“儀器分析”教學(xué)十分重視培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,讓學(xué)生從實(shí)踐中掌握儀器分析的原理和方法。但是,課堂時(shí)間有

限且學(xué)生人數(shù)多,不能保證每個(gè)學(xué)生都有足夠的時(shí)間完成整個(gè)實(shí)驗(yàn),而且有些實(shí)驗(yàn)試劑的采購(gòu)十分費(fèi)時(shí),難以及時(shí)補(bǔ)充。近年來(lái),虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)成為解決上述問(wèn)題的有效手段,也是各個(gè)高校探索和研究的熱點(diǎn)[1-2]。

“儀器分析”虛擬實(shí)驗(yàn)室是指利用網(wǎng)絡(luò)和仿真技術(shù),在計(jì)算機(jī)中建立一套虛擬系統(tǒng),使用仿真軟件模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材、藥品、環(huán)境并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)。學(xué)生使用計(jì)算機(jī)中安裝的虛擬仿真軟件進(jìn)行操作,可通過(guò)多次觀看演示錄像,對(duì)將要開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)事先在腦海中形成清晰的印象,提高實(shí)際操作中的一次成功率[3-4]。

2.2 解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比例過(guò)大的問(wèn)題

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上只限于教材規(guī)定的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)所占比例過(guò)大,“可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定鐵的含量”等設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和“頭發(fā)中鋅的含量測(cè)定”等啟發(fā)性實(shí)驗(yàn)比例很小,不利于學(xué)生掌握儀器的構(gòu)造及實(shí)驗(yàn)原理。對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生只需要按照實(shí)驗(yàn)講義按部就班,不需要更多的思考。許多學(xué)生做完驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“火焰原子吸收光譜法測(cè)定鉛含量”后,只知道用原子吸收光譜儀可以測(cè)定水中的鉛含量,將測(cè)量對(duì)象換成水中的汞含量就不知道使用什么儀器、如何檢測(cè),更談不上將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通以及利用現(xiàn)有儀器探索新的檢測(cè)方法。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則不同,學(xué)生可以靈活地預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和啟發(fā)性實(shí)驗(yàn),然后根據(jù)程序軟件模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情況。

2.3 調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,提高教學(xué)效果

“儀器分析”課程是化學(xué)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程之一,是“分析化學(xué)”的重要組成部分。時(shí)至今日,“儀器分析”已經(jīng)超越化學(xué)領(lǐng)域,發(fā)展成以多學(xué)科(物理、數(shù)學(xué)、微電子學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、信息、機(jī)械、資源、材料等)為基礎(chǔ)的綜合性分析科學(xué)。正因如此,學(xué)生普遍感到“儀器分析”課程學(xué)習(xí)困難。以高效氣相色譜為例,僅通過(guò)課堂講解以及觀看多媒體課件,學(xué)生對(duì)儀器的原理和使用方法知之甚少。

如果采用虛擬教學(xué),教師可以構(gòu)建仿真虛擬“儀器分析”實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,模擬氣相色譜的基本工作原理、基本結(jié)構(gòu)及光路圖、光程管的工作過(guò)程等,讓學(xué)生利用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行基本的操作練習(xí)。學(xué)生通過(guò)電腦上的虛擬仿真系統(tǒng)可以獲得對(duì)氣相色譜的直觀認(rèn)識(shí),更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高教學(xué)效果。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)稱(chēng)虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬現(xiàn)實(shí)也稱(chēng)虛擬實(shí)境,是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的逼真的虛擬環(huán)境,用戶(hù)使用各種交互設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用,產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué),實(shí)現(xiàn)交互式視景仿真和信息交流,是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)。相比傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)室,虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì)。

3.1 為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境

可在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建人體模型、進(jìn)行電腦太空旅行、顯示化合物分子結(jié)構(gòu)等,為不同的學(xué)科領(lǐng)域提供無(wú)限的虛擬體驗(yàn),加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程。親身感受比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力,主動(dòng)交互與被動(dòng)灌輸也有本質(zhì)區(qū)別。

3.2 降低教學(xué)成本

虛擬實(shí)驗(yàn)室突破了教學(xué)時(shí)間、地點(diǎn)的限制,能充分利用現(xiàn)有的現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備、提高設(shè)備的使用率,避免大型儀器設(shè)備的重復(fù)添置和浪費(fèi)。軟件技術(shù)是虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵,虛擬儀器由于在組建上具有高效性與靈活性,能適應(yīng)測(cè)試功能的多樣化,還可用表格和圖形快速、準(zhǔn)確地顯示結(jié)果,具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.3 完成現(xiàn)實(shí)中不可能完成的實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高?;驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況下,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,充分體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。

3.4 及時(shí)更新設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬實(shí)訓(xùn)基地,其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的,可以隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新,使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。同時(shí),虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性使學(xué)生能在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色,全身心地投入學(xué)習(xí)、不厭其煩地反復(fù)練習(xí),直至掌握操作技能[5-6]。

4 化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院“儀器分析”虛擬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院擁有廣西壯族自治區(qū)級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心—化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心成立于2012年,是由化學(xué)工程與工藝、食品科學(xué)與工程、材料化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)5個(gè)一級(jí)學(xué)科交叉融合形成的多學(xué)科研究中心,2015年5月升格為區(qū)級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心,網(wǎng)頁(yè)如圖1所示。

圖1 玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院區(qū)級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)頁(yè)截圖

玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的特色與創(chuàng)新體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:(1)為學(xué)生提供“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的教學(xué)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)、實(shí)物實(shí)訓(xùn)、仿真創(chuàng)新的相互補(bǔ)充;(2)體現(xiàn)了基礎(chǔ)性、綜合仿真性、綜合專(zhuān)業(yè)應(yīng)用性,實(shí)現(xiàn)了課內(nèi)與課外、教學(xué)與科研相結(jié)合,充分體現(xiàn)了教學(xué)改革的新方向和新特色;(3)中心與地方重點(diǎn)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合,校企共建共享,建立了多層次、立體化的虛擬仿真體系,為企業(yè)培養(yǎng)了高素質(zhì)人才,實(shí)現(xiàn)了校企共享。

5 “儀器分析”虛擬實(shí)驗(yàn)體系在實(shí)踐中的應(yīng)用

以“高效氣相色譜法測(cè)定白酒中的甲醇”為例,學(xué)生在仿真軟件上可以模擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)操作,先模擬再實(shí)踐。

課前,教師要購(gòu)買(mǎi)高效氣相色譜儀虛擬仿真軟件,數(shù)字化設(shè)定所有氣路參數(shù),流量和壓力精確穩(wěn)定,憑借精確的氣路控制、較快的柱箱升溫速度、高速的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng),可得到與原譜圖分離度相同而速度快2~10倍的結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)把不同的樣品設(shè)成不同的培訓(xùn)項(xiàng)目,每個(gè)項(xiàng)目又分為練習(xí)模式和考試模式,在考試模式下無(wú)任何提示信息,在練習(xí)模式下有評(píng)分幫助和提示信息。

引導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí),教師要先介紹開(kāi)機(jī)步驟,讓學(xué)生了解氣相色譜儀的開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備過(guò)程及相關(guān)化學(xué)站的使用,再完整播放一遍整個(gè)氣相色譜儀的操作流程,然后讓學(xué)生按照演示的錄像在虛擬操作系統(tǒng)上逐步完成實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生點(diǎn)擊“查看譜圖”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示界面,可以看到自己的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果,以藍(lán)色線峰圖表示。作為比較,實(shí)驗(yàn)以紅色線峰圖做出標(biāo)準(zhǔn)操作后的標(biāo)準(zhǔn)峰,如果操作正確,會(huì)和紅色線峰完全重合,操作中部分主要參數(shù)列表顯示在紅色線峰圖旁邊,學(xué)生可以通過(guò)反復(fù)多次的練習(xí)達(dá)到熟練完成實(shí)驗(yàn)的目的。最后,學(xué)生要整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在網(wǎng)絡(luò)上完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告[7-8]。圖2是真實(shí)的“高效氣相色譜法測(cè)定白酒中的甲醇”虛擬教學(xué)場(chǎng)景。

圖2 真實(shí)的“高效氣相色譜法測(cè)定白酒中的甲醇”虛擬教學(xué)場(chǎng)景

從教學(xué)實(shí)踐結(jié)果來(lái)看,達(dá)到了預(yù)期的目的。玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院只有一臺(tái)島津G2030高效氣相色譜儀,儀器使用過(guò)程復(fù)雜、維護(hù)成本較高,因此,學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)少。對(duì)其進(jìn)行原理解析、使用規(guī)范、故障分析處理等方面的仿真教學(xué),極大地緩解了分析儀器不足造成的問(wèn)題,提高了教學(xué)效果。

以此為鑒,玉林師范學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)學(xué)院其他大型儀器也可借助大型儀器模擬操作軟件庫(kù),使學(xué)生在不浪費(fèi)昂貴的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、耗材以及不損耗設(shè)備的基礎(chǔ)上開(kāi)展虛擬仿真模擬操作,為真實(shí)上機(jī)做足準(zhǔn)備,可大大提高學(xué)生對(duì)大型氣相色譜儀、液相色譜儀等儀器的使用熟練程度和動(dòng)手測(cè)樣水平[9-10]。

6 “儀器分析”虛擬實(shí)驗(yàn)體系存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議

本研究所述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果,提供了人機(jī)交互的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,但是通過(guò)實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)了一些明顯的不足,主要有以下3點(diǎn)。

6.1 不利于教師因材施教

虛擬教學(xué)不能很好地識(shí)別學(xué)習(xí)者在真實(shí)環(huán)境下表現(xiàn)出來(lái)的個(gè)性差異,不利于教師因材施教[11]。在現(xiàn)實(shí)生活中,每個(gè)學(xué)生都是不同的,有生命活力的個(gè)體由于各自的社會(huì)、文化背景等不同,面對(duì)同一個(gè)問(wèn)題時(shí),表現(xiàn)出明顯的個(gè)性差異,而這些個(gè)性差異在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中完全無(wú)法體現(xiàn)。在虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)中,程序的設(shè)定是固定的,每個(gè)學(xué)生都能熟能生巧,實(shí)踐能力很差的學(xué)生往往也能完美地完成實(shí)驗(yàn),教師看不到學(xué)生的個(gè)性差異,不利于教師因材施教。

6.2 不利于培養(yǎng)學(xué)生的集體主義精神

在實(shí)地教學(xué)中,常常每4個(gè)或5個(gè)學(xué)生為一組,共同完成某項(xiàng)實(shí)驗(yàn),每個(gè)學(xué)生各司其職,面對(duì)的都是真實(shí)的儀器。每個(gè)人的表現(xiàn)都會(huì)被同伴注意到并被評(píng)價(jià),有利于學(xué)生進(jìn)步[12]。但是在虛擬仿真教學(xué)中,每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是由學(xué)生在電腦上單獨(dú)完成,缺乏集體合作的氛圍,不利于培養(yǎng)學(xué)生的集體主義精神,在這一點(diǎn)上,虛擬教學(xué)遠(yuǎn)遜于實(shí)地教學(xué)。

6.3 易弱化教師教學(xué)主導(dǎo)地位

在虛擬仿真教學(xué)中,教學(xué)主要由計(jì)算機(jī)上的軟件引導(dǎo),學(xué)生不需要教師的指導(dǎo)就能完成實(shí)驗(yàn),會(huì)在一定程度上使教師失去教學(xué)主導(dǎo)地位,影響教師開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的積極性,也不能時(shí)刻監(jiān)測(cè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展,影響教學(xué)效果[13]。

7 結(jié)語(yǔ)

節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本、提高培養(yǎng)效率是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。但是,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)初期投入的成本較高,包括仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)、多媒體教室和仿真軟件等。此外,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給人的使用體驗(yàn)和實(shí)際達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果都有欠缺。在實(shí)地實(shí)驗(yàn)中,教師可直觀地看到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況,而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在空間的隔離。以上情況表明,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還不能完全替代實(shí)地教學(xué),在實(shí)踐中應(yīng)貫徹“能實(shí)不虛”的原則,將虛擬仿真教學(xué)作為教學(xué)手段的有效拓展、實(shí)地教學(xué)的有益輔助和補(bǔ)充。

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