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      虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

      2019-11-19 09:17:03李萍王宇昕高爽付穎
      中國(guó)校外教育(下旬) 2019年11期
      關(guān)鍵詞:虛擬仿真應(yīng)用

      李萍 王宇昕 高爽 付穎

      【摘要】概述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,并以液——質(zhì)聯(lián)用檢測(cè)土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例,說(shuō)明了將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅可以創(chuàng)新教學(xué)模式,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,還可以促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升,為培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才助力。

      【關(guān)鍵詞】?jī)x器分析實(shí)驗(yàn) 虛擬仿真 應(yīng)用

      一、前言

      隨著分析技術(shù)的迅速發(fā)展,新的工藝和分析方法加速了儀器分析課程的發(fā)展。作為現(xiàn)代分析和測(cè)試的手段,儀器分析已廣泛應(yīng)用于制藥、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、動(dòng)物科學(xué)和食品科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。因此,儀器分析課程被認(rèn)為是高等農(nóng)業(yè)大學(xué)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程之一。儀器分析實(shí)驗(yàn)是在理論基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生對(duì)大型儀器的認(rèn)知、維護(hù)、使用及實(shí)踐操作技能的實(shí)驗(yàn)課程,是對(duì)儀器分析理論教學(xué)的有效補(bǔ)充。儀器分析實(shí)驗(yàn)作為高等農(nóng)業(yè)大學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程之一,上課班級(jí)眾多,學(xué)生層次高低不同,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著一些不足。如儀器分析實(shí)驗(yàn)中大型儀器臺(tái)套數(shù)有限,學(xué)生需分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn);缺少實(shí)際樣品分析,使得學(xué)生難以進(jìn)行實(shí)踐操作;大型精密儀器價(jià)格昂貴,需專人維修保養(yǎng),一般教師以演示進(jìn)行講解,且大型儀器為封閉結(jié)構(gòu),更使得一部分學(xué)生不能真正掌握大型儀器的結(jié)構(gòu)和基本操作原理?;趦x器分析實(shí)驗(yàn)中存在的上述問(wèn)題,建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并應(yīng)用到儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不失為一種好的解決方法。

      虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是1989美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)William Wolf提出的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用電腦根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)環(huán)境構(gòu)建一個(gè)虛擬的三維世界,模擬出實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用者可以在該仿真實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。隨著現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)的快速發(fā)展,為了深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,國(guó)家教育部大力支持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作,拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,不但可以彌補(bǔ)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足,還可以改進(jìn)課堂教學(xué)方式,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和趣味性,鍛煉學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

      二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

      1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

      基礎(chǔ)儀器分析實(shí)驗(yàn)是東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,全校上課班級(jí)眾多。為了加深學(xué)生對(duì)分析方法的基本原理和儀器結(jié)構(gòu)的了解,提高學(xué)生對(duì)大型儀器的操作技能,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,為以后的實(shí)際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ),應(yīng)用化學(xué)系教師與專業(yè)技術(shù)人員遵循“創(chuàng)新”和“發(fā)展”的理念合作,利用3D仿真、VR技術(shù)、AR技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)、WebGL技術(shù)、OpenGL技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段構(gòu)建了關(guān)于儀器分析實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)依據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際布局搭建模型,按實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程完成交互,使學(xué)生如同身臨其境一般,為學(xué)生提供了一個(gè)環(huán)境真實(shí)、自主學(xué)習(xí)、內(nèi)容豐富、可全程參與的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)室真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、熟悉實(shí)驗(yàn)操作技能、培訓(xùn)基本動(dòng)手能力,為進(jìn)行實(shí)際操作奠定良好的理論基礎(chǔ),特別適合基礎(chǔ)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。該平臺(tái)包含原子吸收光譜儀、紅外光譜儀、核磁共振光譜儀、氣相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀和液相色譜——質(zhì)譜聯(lián)用儀等多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

      2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例

      以“土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析”實(shí)驗(yàn)為例,在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們需要用到的是液——質(zhì)聯(lián)用儀。液——質(zhì)聯(lián)用儀屬于大型精密儀器,價(jià)格比較昂貴,需專人維護(hù)保養(yǎng)。如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段講解儀器的原理、結(jié)構(gòu)、定量實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中是處于被動(dòng)的聽眾,難以參與到真正的實(shí)驗(yàn)中,使學(xué)生感到枯燥乏味,實(shí)驗(yàn)積極性不高,實(shí)驗(yàn)操作能力和數(shù)據(jù)分析能力缺失,難以將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中。

      針對(duì)儀器分析課程教學(xué)需求,在以“學(xué)生為中心、著力提高學(xué)生實(shí)踐綜合能力”的教學(xué)理念的指導(dǎo)下,專業(yè)教師與技術(shù)人員運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù),通過(guò)3D Max等工具制作仿真資源(模型,貼圖,動(dòng)畫),采用Unity3d作為3D引擎,采用C#語(yǔ)言并通過(guò)Visual Studio工具進(jìn)行程序開發(fā),整合形成基于液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。在該軟件上學(xué)生可以采用“互動(dòng)式”預(yù)習(xí)、對(duì)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生完成預(yù)習(xí)步驟后,觀看虛擬實(shí)驗(yàn)操作演示,系統(tǒng)能夠模擬實(shí)驗(yàn)操作中的每個(gè)步驟,并加以文字或語(yǔ)言說(shuō)明和解釋。當(dāng)學(xué)生掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程后,可以進(jìn)行在線操作,模擬液-質(zhì)聯(lián)用技術(shù)中液相色譜對(duì)多組分樣品的分離及定量分析,并采用質(zhì)譜技術(shù)對(duì)農(nóng)藥噻吩磺隆殘留進(jìn)行定性分析。在線操作過(guò)程中,如果學(xué)生出現(xiàn)操作失誤,系統(tǒng)會(huì)有提示并自動(dòng)糾錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)束,學(xué)生可通過(guò)操作歷史和評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行記錄追蹤,能快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,改正問(wèn)題,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有可追溯性。在學(xué)生操作仿真軟件過(guò)程中,軟件可以把實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成對(duì)應(yīng)的譜圖等,學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得到相應(yīng)的分析報(bào)告。

      在進(jìn)行“土壤中農(nóng)藥噻吩磺隆殘留定量分析”實(shí)驗(yàn)時(shí),教師可以把課堂教學(xué)與虛擬仿真軟件結(jié)合起來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。課前要求學(xué)生在平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)習(xí),掌握操作關(guān)鍵點(diǎn),回答相關(guān)問(wèn)題。教師線上進(jìn)行指導(dǎo),監(jiān)督。課上教師給出教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)學(xué)生線上預(yù)習(xí)情況的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,有目的有重點(diǎn)的結(jié)合仿真操作和軟件自帶知識(shí)點(diǎn)動(dòng)畫視頻資源來(lái)教授理論知識(shí),讓學(xué)生對(duì)液——質(zhì)聯(lián)用儀和檢測(cè)方法有基礎(chǔ)理論認(rèn)知,詳細(xì)了解儀器的運(yùn)行機(jī)制和機(jī)理。學(xué)生可以在該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)虛擬操作,可以體驗(yàn)液——質(zhì)聯(lián)用儀的操作流程、方法參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和分析,然后結(jié)合實(shí)際儀器,由教師進(jìn)行實(shí)操,并由學(xué)生代表進(jìn)行實(shí)操,達(dá)到線下和線上相結(jié)合的教學(xué)目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師可布置作業(yè),課后學(xué)生可線上復(fù)習(xí)、答題、查看教師上傳的多媒體資源。從而解決本科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中液質(zhì)聯(lián)用儀的儀器稀少、設(shè)備損耗、學(xué)生缺乏主動(dòng)性等問(wèn)題。

      3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在儀器分析實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用效果

      在儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新了課堂教學(xué)模式,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再簡(jiǎn)單枯燥乏味,提高了課堂的靈活性及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行學(xué)習(xí),在模擬操作過(guò)程中掌握了實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)及其操作技能,在實(shí)踐中獲取經(jīng)驗(yàn),取得良好的學(xué)習(xí)效果。

      近五年來(lái),借助儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)提供了有力的支持,我校立項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目共80余項(xiàng),參加人數(shù)和立項(xiàng)比例逐年提高,學(xué)生第一作者發(fā)表論文和申報(bào)專利數(shù)量大幅度增加。通過(guò)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí),學(xué)生創(chuàng)新能力得到了顯著提高,達(dá)到了將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相協(xié)調(diào)、培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加強(qiáng)了學(xué)生參與科研工作的理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?,將能力與素質(zhì)培養(yǎng)緊密結(jié)合,為學(xué)生的素質(zhì)教育開辟了一條有效途徑,為以后的科研之路奠定了良好的基礎(chǔ)。

      三、結(jié)束語(yǔ)

      隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,虛擬仿真軟件越來(lái)越多的被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,很多的高校、科研院所都積極的構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入到儀器分析實(shí)驗(yàn)中不僅可以創(chuàng)新教學(xué)模式,提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,還可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)中的一些不足,提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。雖然使用仿真軟件可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的一些問(wèn)題,但這并不意味虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,仍需要將虛擬仿真軟件與實(shí)踐操作相結(jié)合,堅(jiān)持“能實(shí)不虛、虛實(shí)接合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的原則,確保達(dá)到相應(yīng)的教學(xué)目的,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升,為培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才提供助力。

      參考文獻(xiàn):

      [1]王曉崗,郝志顯,許新華.以大型儀器為依托的化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2016,(04):81.

      [2]何秋伶,徐濤,盛清.基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的天然藥物化學(xué)教學(xué)模式探討[J].教育教學(xué)論壇,2019,(03):273.

      [3]馬荔,張衛(wèi),韓莉.虛擬實(shí)驗(yàn)在大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué),2018,(03):78.

      [4]趙克利.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)對(duì)工科學(xué)生培養(yǎng)的思考[J].教育教學(xué)論壇,2018,(47):208.

      項(xiàng)目基金:中華農(nóng)業(yè)科教基金教材建設(shè)研究項(xiàng)目(China Agricultural Science and Education Foundation):高等農(nóng)業(yè)院?!秲x器分析》課程“五學(xué)互補(bǔ)——五位一體”教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐(項(xiàng)目編號(hào):NKJ201802049)。

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