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

錢紜嘉，馮 婧，苗 萌，褚小菊，芮 闖，張靜怡，李 佳

(上海健康醫(yī)學(xué)院，上海 201318)

衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)作為公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)的分支學(xué)科，肩負(fù)著培養(yǎng)高層次應(yīng)用型公共衛(wèi)生人才的重任，以應(yīng)對(duì)新冠肺炎等突發(fā)重大公共衛(wèi)生事件[1-3]?！秲x器分析》是衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)重要的專業(yè)課程，目的是使學(xué)生能夠熟悉各類分析儀器的原理、熟練掌握其使用方法和數(shù)據(jù)處理方法。《儀器分析》要求學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能，是一門注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的特色課程。實(shí)驗(yàn)課程是《儀器分析》的重要教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)實(shí)際操作鞏固理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，促使理論知識(shí)向?qū)I(yè)能力提升，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合知識(shí)運(yùn)用能力，為公共衛(wèi)生行業(yè)培養(yǎng)出創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以教師講授為主，尤其涉及到貴重儀器，學(xué)生能手操作的機(jī)會(huì)較少，很難有動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式嚴(yán)重影響了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于軟件技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)3D動(dòng)態(tài)模擬實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使得學(xué)生在逼真的環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有節(jié)約成本、實(shí)驗(yàn)共享、提高效率等顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的有效補(bǔ)充和發(fā)展[5-11]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合。因此，本文在《儀器分析》實(shí)驗(yàn)課程中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與理論課程相結(jié)合的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中不受時(shí)間和地點(diǎn)的局限，為疫情下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開(kāi)展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升提供新的手段。

上海健康醫(yī)學(xué)院秉承“應(yīng)用型、特色性、國(guó)際化”的發(fā)展目標(biāo)，致力于學(xué)生動(dòng)手能力和操作技能的培養(yǎng)，在衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。本文通過(guò)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在我校衛(wèi)生檢驗(yàn)檢疫專業(yè)的《儀器分析》課程的具體應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率偏低

《儀器分析》是以物質(zhì)的物理和物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，利用特殊儀器對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量、形態(tài)分析的一門學(xué)科，所以實(shí)驗(yàn)課就顯得尤為重要。衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)的儀器分析課程是培養(yǎng)公共衛(wèi)生人才，更注重于檢測(cè)儀器的實(shí)操能力培養(yǎng)。但醫(yī)學(xué)院里各檢驗(yàn)專業(yè)配備的液相色譜儀、原子吸收分光光度計(jì)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等大型儀器由于價(jià)格昂貴、維修維護(hù)成本高，儀器配置數(shù)量有限，很難滿足學(xué)生同時(shí)操作多臺(tái)儀器設(shè)備，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率偏低，難以實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生動(dòng)手操作的教學(xué)目的。

理論課課堂教學(xué)后，有些同學(xué)對(duì)儀器的結(jié)構(gòu)不能直觀的了解，對(duì)儀器的構(gòu)造、原理和使用存在盲區(qū)，這就導(dǎo)致學(xué)生在使用大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的時(shí)候，操作不當(dāng)極易造成儀器的損耗和破壞。這樣的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致昂貴的維修費(fèi)用，同時(shí)加劇學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短缺。如果能夠在教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，就可以讓學(xué)生運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)協(xié)助完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。比如可以先在軟件中熟悉某儀器的具體使用方法后再上機(jī)操作，會(huì)大大降低因?yàn)閷W(xué)生的盲目操作導(dǎo)致的設(shè)備損壞。

1.2 增開(kāi)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有一部分實(shí)驗(yàn)是具有一定的危險(xiǎn)性的，特別是當(dāng)涉及到有毒、放射性和易燃易爆物質(zhì)時(shí)。比如冷原子吸收光譜法測(cè)定汞離子，其中需要用到汞標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，這類藥品是受到政府管控的，無(wú)法購(gòu)置。由于這類客觀因素的影響，許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法在課堂展現(xiàn)，但如果利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)此類實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)了。

1.3 提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性

本科學(xué)生接觸科研平臺(tái)，動(dòng)手操作儀器的機(jī)會(huì)有限，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件只需要一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)就可以做到。在課前，學(xué)生可以通過(guò)這個(gè)軟件提前掌握本節(jié)課重點(diǎn)，一定程度上節(jié)約教學(xué)時(shí)一些不必要的時(shí)間；在課后，學(xué)生依舊可以通過(guò)這個(gè)軟件復(fù)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容，特別是臨近期末的實(shí)驗(yàn)操作考試，這時(shí)候就帶給了學(xué)生一個(gè)很大的便利，隨時(shí)隨地都可以復(fù)習(xí)。在越來(lái)越信息化的今天，年輕一代的學(xué)生勢(shì)必對(duì)于電子產(chǎn)品會(huì)多一份興趣去探索和學(xué)習(xí)，這也彌補(bǔ)了理論知識(shí)枯燥難懂導(dǎo)致學(xué)生信心、興趣減退的不足。曾經(jīng)的實(shí)驗(yàn)室似乎對(duì)于學(xué)生們來(lái)說(shuō)雖然近在咫尺，但卻實(shí)則遙遠(yuǎn)，可如今虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件就將實(shí)驗(yàn)室?guī)У搅松钪g。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

2.1 虛擬仿真中理論知識(shí)的教育

在實(shí)驗(yàn)課中，經(jīng)常會(huì)向?qū)W生介紹到各類分析儀器，如氣相色譜儀、高效液相色譜儀等。教材會(huì)有各個(gè)儀器的構(gòu)造和原理介紹，但學(xué)生理解起來(lái)過(guò)于抽象。如果在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，可以做到教師講解的同時(shí)，學(xué)生利用仿真軟件三維地觀察儀器各個(gè)角度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)其中三維動(dòng)畫能讓學(xué)生直觀生動(dòng)地了解該儀器的構(gòu)造和原理。

2.2 虛擬仿真軟件在實(shí)驗(yàn)課中的實(shí)施

以液相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定環(huán)境內(nèi)分泌干擾物為例，該實(shí)驗(yàn)需要用到液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，該儀器價(jià)格昂貴，很難實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生動(dòng)手操作，如使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以逼真的演示儀器的結(jié)構(gòu)以及工作原理，讓學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上模擬操作，完成液相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括樣品的前處理中的樣品離心、酶解、固相萃取、樣品濃縮復(fù)溶，以及液相色譜-質(zhì)譜儀的上機(jī)檢測(cè)中的調(diào)諧、色譜質(zhì)譜方法編輯、梯度洗脫程序的選擇、儀器運(yùn)行、展示并提取質(zhì)譜、色譜圖、利用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量分析等一系列的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給了學(xué)生多次嘗試的機(jī)會(huì)，從樣品前處理各個(gè)操作步驟到液相色譜梯度洗脫溶劑的比例調(diào)節(jié)等因素是如何影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，操作失誤系統(tǒng)會(huì)給予正確的提示，學(xué)生通過(guò)這樣反復(fù)操作練習(xí)，已大致掌握操作要點(diǎn)，此時(shí)上實(shí)機(jī)實(shí)際操作耗時(shí)少、熟練度高，進(jìn)一步達(dá)到鞏固的作用。課后，系統(tǒng)會(huì)保留每次操作的歷史記錄，學(xué)生可以通過(guò)回看操作失誤記錄后重新操作等手段進(jìn)行復(fù)習(xí)。這樣的虛實(shí)結(jié)合、理論教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合，達(dá)到了提高學(xué)生動(dòng)手能力的目標(biāo)。

仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也給教師帶來(lái)了便利，學(xué)生每次所做實(shí)驗(yàn)的分?jǐn)?shù)都會(huì)實(shí)名記錄在教師系統(tǒng)后臺(tái)，這些分?jǐn)?shù)不僅可以成為期末考核的標(biāo)準(zhǔn)，還可以知道哪些學(xué)生掌握不熟練、哪些實(shí)驗(yàn)普遍分?jǐn)?shù)低等情況，有助于教師及時(shí)了解學(xué)生情況、調(diào)整教學(xué)計(jì)劃和模式，使實(shí)驗(yàn)課程質(zhì)量進(jìn)一步上升。

3 結(jié) 語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓實(shí)驗(yàn)室突破時(shí)間空間的限制來(lái)到了生活之中，讓遠(yuǎn)距離教學(xué)成為可能，更為疫情期間線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了技術(shù)支持。本文針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，讓我們看到了這樣一種創(chuàng)新模式既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，也帶來(lái)了新的便利和益處。理論教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，方便了課堂的多媒體教學(xué)，更實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)生檢驗(yàn)與檢疫專業(yè)操作的仿真實(shí)訓(xùn)與考核，使得教師可以高效的了解學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。促使理論知識(shí)向?qū)I(yè)能力提升，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合知識(shí)運(yùn)用能力，為公共衛(wèi)生行業(yè)培養(yǎng)出創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，全方位促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升和教學(xué)模式的改革。