虚拟实验室在仪器分析教学中的应用探讨
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作者:胡林燕
摘 要 随着仪器分析教学中各类问题的显现以及虚拟实验技术在各领域中的良好表现，教育者逐渐意识到虚拟实验室在化学教学中的作用和价值，它以新颖的教学模式吸引着学生的学习兴趣，不仅能够在实验教学过程中起到有效的辅助作用，还能在一定程度上弥补仪器分析教学的问题与不足，让学生真正成为学习的主体，获得足够的实验实践锻炼，增强科研创新的能力。
关键词 虚拟实验室;仪器分析;实验
中图分类号：G482 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）03-0042-02
1 前言
作为近年来新兴的一门计算机技术，虚拟实验室已经被广泛应用到医学实验、生物技术研发等方面并取得较好的成效，有望在教育教学领域发挥良好的促进作用。因此，在仪器分析教学的未来发展中，虚拟实验室的广泛应用便会是主要方向之一。
2 仪器分析教学现状与问题
实验仪器缺乏 随着高等教育普及率日渐提高，各院校学生人数大幅攀升，但在专业课程中所涉及的仪器设备由于本身价格昂贵、维修及养护困难等，无法在短时间内得到快速增添。学生大多只能通过课本解析，或是教师的教学示范演示来对其构造、操作使用及原理等有一个大致和初步的了解，要想更精细地研究和理解是较为困难的。即使是学校添置了一部分仪器设备，也无法达到一人或两人一台的程度，一般都是以小组为单位完成一次实验操作，一人负责一个步骤或环节，每个人能上手的机会实际也是很少的，这就直接影响到学生对仪器具体的操作步骤和原理的理解。
实验操作复杂 仪器分析的操作过程复杂，很多实验都需要提前做好相应准备工作。实验前期的各项准备耗时长，实验中步骤繁多，操作难度较大，加之各环节关联性强，一个环节或步骤出现问题，就会影响到整个实验。所以，为保证教学进度和实验效率，通常情况下过程复杂烦琐、耗时长、不易完成的实验大多由多媒体视频教学或是教师演示完成。一方面，学生难以掌握实验过程的重点和难点，多数情况下都是一知半解;另一方面，学生在实验中的参与度不高，在自己的独立操作过程中就会出现无法独立解决突发问题的情况。
实验缺乏创新性 实验的创新和突破往往是在反复多次实验的基础上得来的，但由于仪器设备本身就很有限，学生平时也不能随时接触和使用仪器，因此无法将自己突发的灵感或设想通过实验来进行验证。基于条件的限制，学生大多只停留在对课文内容和定理的验证，很少能对于相同原理的方法进行自主的创新应用。如教师讲授和演示利用气相色谱法测定VE胶囊的含量的方法，但是学生很少会联想到同原理冰片含量的测定;同样，学生学会了利用紫外可见分光光度计测定在紫外光下有吸收的橙皮苷，却不会主动想到利用同样原理的HPLC法去测定橙皮苷，因此影响实验的自主创新性。
3 虚拟实验室的概念、特点和在仪器分析教学中的作用
虚拟实验室的概念与特点 作为现代化教育的一种辅助性技术，虚拟实验室是一种基于网络技术、虚拟现实技术构建的开放式网络化虚拟实验教学系统，由虚拟的实验台、器材库和管理系统组成，为各类需要进行实验操作的课程提供了新型的教学方式。学生可以根据需要选择不同仪器，自主调节和使用设备，进行实验操作，模拟各种实验，还可以自主设计实验，有效提高动手操作能力和对实验过程的理解分析。虚拟实验室主要体现出以下几个特点。
1）系统内容丰富。在虚拟实验室中，实验知识内容广泛，包含各种完整的实验步骤及最新仪器、各类器械的详细介绍等，学生也更易获得常见的实验器材、化学物品、药品材料等，极大地方便了操作。除了可以复习和预习实验原理、实验用品、实验步骤外，系统还可以对实验仿真操作做出及时的评价和反馈，指出其中的问题，为学生答疑解惑。
2）生动直观。基于先进的计算机技术，虚拟实验室将图、文、形、声等有机结合，生动直观地给学生展示仪器的操作方法和实验的过程与原理，既能注重整体，也能精于细节。多种实验器材的三维动画详解介绍，也能帮助学生更好地进行知识的记忆和复习。
3）示范性强。实验结果的模拟，对在不同实验条件下产生的波形进行仿真，每项常见实验都有完整规范的实验步骤和解析，对学生平时难以接触到的设备仪器、不易完成的复杂实验起到示范作用。
4）实时检测和考核。虚拟实验室内置考试系统，学生操作不当或是过程出现误差，系统在最终都可以为其科学精确地指出，让学生及时发现自己存在的问题，并对学生当下的实验掌握情况进行考核和反馈，帮助学生改正和进步。
虚拟实验室在仪器分析教学中的作用 在教育教学方面，对于虚拟实验室应用较多的是仪器分析。对于教材中众多的原理，仅凭课本描绘和教师讲解，学生很难透彻理解，很多时候需要实验来帮助学习。但平时学生能进到实验室的机会难得，能见到、摸到、亲自使用到的仪器也并不多，并且教师在课堂教学时无法随时就调取到相关器材和物品来辅助教学，因此导致学生学习兴趣低，难以理解所讲内容。
针对上述情况，虚拟实验室在仪器分析教学中的作用主要体现在：
1）可利用实验中心的计算机资源进行教学，丰富教学内容，同时弥补一些消耗大、危险性高的实验，节约成本;
2）学生可以查询到不与真实实验冲突的大量知识，达到加深印象的目的;
3）因其使用不受时空限制，所以教师可以在教学时即时使用虚拟实验室来演示实验，帮助教学，亦可方便学生在有需要的时候能够自主使用，增强操作能力;
4）先进的计算机技术与课堂教学的结合，将抽象的理论知识转化成图像、动画，直观生动地展示给学习者，从而提高教学效率。
如河南检察職业学院的潘瑾等人根据傅里叶变换红外光谱仪的基本原理，结合现代计算机软件，阐述了基于虚拟技术的傅里叶变换红外光谱仪的构建，通过虚拟实验室为学生提供生动、逼真的实验学习环境，增加了学生自己动手操作仪器的机会，提升学生在实验中的参与感，帮助学生理解和记忆，调动了学生的学习积极性。 4 虚拟实验室在仪器分析教学中的应用策略
虚拟实验室在气相色谱中的应用 气相色谱仪是一种多组混合物的分离、分析工具，应用广泛。将虚拟实验室技术应用于气相色谱中，对真实实验过程进行模拟和仿真，通过动画、图像的展示，每位学生可以清晰地观察到气相色谱仪的具体构造，熟悉操作后便可亲自动手进行检测实验，之后选择合适的色谱柱，检查设备，設定检测器温度，直到完成整个实验。除此之外，虚拟实验室灵活方便，学生还可以自主设计实验条件，进行独立设计性实验，从而增强创造性和实验创新性。
如天津职业学院引进北京欧倍尔仪器分析设计开发的气相色谱VR虚拟仿真实验室，进行“乙醇中少量甲醇含量的测定”的实验教学。在佩戴好相关设备后，虚拟实验室以交互动画配合文字的形式首先为学生展示气相色谱仪的工作原理及构造，让学生对实验操作进行学习，再通过虚拟仿真实验进行具体操作，成功完成该项实验。在虚拟仿真实验室中，学生随着画面对操作仪器做出相应动作，还可以在逼真的场景中走动，获得很强的真实感和体验感。
虚拟实验室在高效毛细管电泳中的应用 高效毛细管电泳是一类以毛细血管为分离通道、以高压电流为动力的新型液相分离技术，处于仪器分析中的前沿领域。一般实验室不具备这样的条件，因此，学生很难接触到或是进行较为详尽的学习。通过虚拟实验室模拟出不同分离模式下的不同类型的毛细血管电泳，让学生动手操作，在虚拟实验室进行样品的分离分析，便能够较为清晰地对实验操作步骤、注意事项及原理有一定的认识和理解，显示出比传统教育方式更加灵活方便的教学，弥补先天现实条件的不足。
虚拟实验室在核磁共振中的应用 作为一种先进的分析手段，核磁共振波谱法一直以来都在医药学领域发挥着难以替代的重要作用。将虚拟实验室应用在核磁共振波谱中，不仅可以打破了教师教学与学生学习的时空限制，动画形式的演示也将抽象的东西变得更易理解。学生还可以通过虚拟实验室自主调试设备仪器，按照自己的学习需求进行实验操作，提高该项实验的可操作性及安全性，同时增强动手、动脑能力，节省配置实验室和仪器的费用和场地。
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具有选择性好、方法简便、准确度高、分析速度快等特点，广泛应用于各个行业和部门。但由于原子吸收光谱仪器价格昂贵，操作起来比较复杂，维修养护费用高等，对没有条件使用此设备的学生完成相关实验造成极大的限制。虚拟实验室能模拟和再现原子吸收光谱分析实验完整清晰的过程，改变有限的现实条件对学生在仪器分析学习上的限制，学生也更易理解和掌握，以此满足更多学生对此类学习的需求。
如在河南大学中药学虚拟仿真实验教学中心，教师就利用虚拟实验室进行“火焰原子吸收光谱法测定香菇中七种微量元素”的教学。在虚拟仿真实验室中，学生首先依次完成仪器调试、试剂准备、设定实验条件等步骤，随后进行本次实验的操作学习和自己动手完成实验的内容，最后进行实验结果的分析。实验中出现失误和差错，学生可以随时重新进行，不仅利于纠正错误，还可以加深印象。
5 结语
虚拟实验室突破了因仪器不足的现实条件对学生自主实验的限制，让学生更加自由地学习知识，增强了创新创造能力，有利于为社会培养更加全面的复合型人才。
参考文献
[1]白雁，张娟，潘瑾，等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（12）：169-171，174.
[2]金幼菊，吕兆林，徐芳，等.林业高等院校研究生“仪器分析”课程教学创新探索[J].中国林业教育，2011，29（4）：60-63.
[3]潘瑾，李永强，白雁.虚拟傅里叶变换红外光谱仪（IR）的设计与实现[J].实验技术与管理，2009，26（10）：117-119.
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