劉小娟 吳鋒景 顏東

摘??要：為了有效地進(jìn)行《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》理論教學(xué)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的銜接，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，對(duì)虛擬仿真技術(shù)在分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了探索。該文以氣相色譜測(cè)試技術(shù)為例，引入虛擬仿真技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，能直觀(guān)展現(xiàn)氣相色譜的測(cè)試原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，旨在提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真??實(shí)驗(yàn)教學(xué)?現(xiàn)?代儀器分析??教學(xué)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0?????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A

Exploration?of?the?Application?of?Virtual?Simulation?Technology?in?the?Experimental?Teaching?of?Modern?Analysis?and?Testing?Technology

LIU?Xiaojuan??WU?Fengjing??YAN?Dong

（College?of?Materials?and?Chemical?Engineering，?Hunan?Institute?of?Engineering，?Xiangtan，?Hunan?Province，?411104?China）

Abstract：?In?order?to?effectively?connect?the?theoretical?teaching?and?physical?experiment?teaching?of?Modern?Analysis?and?Testing?Technology?and?make?up?for?the?existing?shortcomings?of?traditional?experimental?teaching，?the?application?of?virtual?simulation?technology?in?the?experimental?teaching?of?analysis?and?testing?is?explored.?This?paper?takes?the?gas?chromatography?testing?technology?as?an?example，?and?introduces?virtual?simulation?technology?to design?the?experimental?content，?which?can?intuitively?show?the?testing?principle?and?experimental?process?of?gas?chromatography，?aiming?to?improve?the?teaching?effect，?enhance?students'?interest?in?learning，?and?achieve?the?goal?of?the?cultivation?of?innovative?talents.

Key?Words：?Virtual?simulation;?Experimental?teaching;?Modern?instrument?analysis;?Teaching?practice

隨著學(xué)科之間的不斷交叉和滲透，越來(lái)越多的分析測(cè)試技術(shù)被應(yīng)用到化學(xué)化工、材料科學(xué)、生命科學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域?！冬F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》成為了這些學(xué)科領(lǐng)域的核心課程。該課程不但具有較強(qiáng)的理論性，還需開(kāi)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，是一門(mén)綜合能力要求較高的應(yīng)用型課程。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解各類(lèi)分析儀器設(shè)備的構(gòu)造，理解分析測(cè)試技術(shù)的基本原理，掌握現(xiàn)代工業(yè)分析測(cè)試的基本方法，這就能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)探索精神，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

但是，大型分析儀器實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)存在諸多弊端[1]，比如大型儀器價(jià)格昂貴，多數(shù)設(shè)備放置在分析測(cè)試中心，且購(gòu)置設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限，除了正常的教學(xué)使用外，大型儀器還需要服務(wù)于科學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教師一般進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生多以觀(guān)看為主，不能上機(jī)進(jìn)行操作，積累儀器實(shí)操經(jīng)驗(yàn)有限。此外，大型分析儀器實(shí)驗(yàn)課涉及的知識(shí)面廣，專(zhuān)業(yè)知識(shí)抽象，且儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生理解困難，講授時(shí)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行，容易造成學(xué)生理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)。如何實(shí)現(xiàn)將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地銜接，是當(dāng)前《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》課程教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1?虛擬仿真在分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)設(shè)的必要性

儀器分析類(lèi)專(zhuān)業(yè)是一門(mén)以理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解和消化，以及解決問(wèn)題能力的提高和動(dòng)手能力的強(qiáng)化，均要依托于實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。但由于大型分析儀器實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)存在的諸多弊端，部分實(shí)驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)少，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練得不到切實(shí)的保障。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)設(shè)各種虛擬環(huán)境來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境的，根據(jù)真實(shí)環(huán)境中的理論和實(shí)際操作情況來(lái)虛擬仿真的環(huán)境，并進(jìn)行驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、運(yùn)行的教學(xué)方式[2-4]。虛擬仿真技術(shù)以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，將圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)、視頻等多種信息整合，提供一種與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的虛擬場(chǎng)景，將教學(xué)內(nèi)容可視化、形象化、情景化。近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多高校根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，相繼構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，減少了對(duì)場(chǎng)地和時(shí)間等條件的制約，提高設(shè)備利用率，能有效地降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，可提供多人在線(xiàn)學(xué)習(xí)，教師在線(xiàn)答疑，增進(jìn)師生互動(dòng)，提高學(xué)習(xí)效率。

為解決傳統(tǒng)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)設(shè)不能達(dá)到預(yù)期的效果，湖南工程學(xué)院材料與化工學(xué)院開(kāi)發(fā)了虛擬仿真分析測(cè)試的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，力圖將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)同傳統(tǒng)的分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)合。通過(guò)虛擬的分析儀器學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，并結(jié)合實(shí)體的分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，能有效提高教學(xué)效率，提升教學(xué)效果。

2?虛擬仿真在《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》課程中的建設(shè)

筆者學(xué)院虛擬仿真分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，是同東方仿真公司一起開(kāi)發(fā)的，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，選擇UNITY?3D作為開(kāi)發(fā)引擎，支持Android移動(dòng)端系統(tǒng)平臺(tái)，形成一套智能化仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠逼真模擬大型分析儀器的開(kāi)機(jī)、樣品配制、樣品分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等各個(gè)過(guò)程的操作，?可作為《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充或者作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的組成部分。學(xué)生通過(guò)移動(dòng)端即可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)大型分析儀器操作流程的學(xué)習(xí)，比如可以進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富，學(xué)習(xí)地點(diǎn)靈活，是一種高校開(kāi)設(shè)儀器分析相關(guān)課程教學(xué)的創(chuàng)新形式。

3?虛擬仿真在《材料現(xiàn)代分析技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

目前，該院虛擬仿真分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要包括4種儀器相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，即氣相色譜儀、液相色譜儀、紅外光譜儀以及原子吸收光譜儀。實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是以“案例教學(xué)”開(kāi)展的[5]，利用虛擬仿真軟件中呈現(xiàn)的儀器的結(jié)構(gòu)圖和3D動(dòng)畫(huà)圖，使學(xué)生能較快地掌握儀器的工作原理，熟悉儀器設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造及各構(gòu)件的作用。

3.1??氣相色譜法測(cè)試原理

氣相色譜法測(cè)試原理是基于待分離組分的物理化學(xué)性質(zhì)的差異，如沸點(diǎn)、極性等，利用待測(cè)組分在色譜柱中分配系數(shù)的不同而實(shí)現(xiàn)組分的分離，分離后的組分流出色譜柱，進(jìn)入檢測(cè)器，檢測(cè)器將每個(gè)組分的量按比例轉(zhuǎn)化，通過(guò)數(shù)據(jù)處理器得出每個(gè)組分的保留時(shí)間和氣相色譜峰面積，從而達(dá)到定量和定性分析的目的[6]。

3.2??虛擬仿真技術(shù)在氣相色譜中的應(yīng)用

下面以氣相色譜為例介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展。氣相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)依據(jù)安捷倫7890?B氣相色譜儀及對(duì)應(yīng)的工作站軟件來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。在虛擬的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，有與真實(shí)場(chǎng)景相符且能完成試驗(yàn)所需的虛擬設(shè)備，比如氣體鋼瓶、進(jìn)樣注射器、色譜儀和工作站等。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)點(diǎn)擊軟件界面按鈕即可調(diào)節(jié)鋼瓶閥門(mén)壓力，壓力表指針將會(huì)指示到相應(yīng)的讀數(shù)，而開(kāi)啟虛擬的色譜儀器時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)變亮。色譜工作站可以將分析方法傳送給現(xiàn)場(chǎng)工作的設(shè)備，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)根據(jù)接收的方法進(jìn)行調(diào)整。除了受傳送的分析方法的影響，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的參數(shù)、進(jìn)樣物質(zhì)濃度等的不同，也會(huì)影響工作站采集到的數(shù)據(jù)，但仍遵循色譜相關(guān)的理論，符合EMG模型。

該院氣相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以案例教學(xué)法開(kāi)展的，目的是利用氣相色譜儀測(cè)定水果中有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥殘留的測(cè)定。

氣相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施過(guò)程如下。

（1）樣品前處理。

①首先進(jìn)入仿真界面的制樣室，將存放在冰箱的梨取出放到操作案板上，點(diǎn)擊案板上的菜刀，將菜刀把梨樣品切成較小的塊狀，放入碗中，點(diǎn)擊碗圖標(biāo)，將碗中的梨樣品倒入食品加工器中加工，然后將梨樣品裝入分裝容器中，并移至天平室中進(jìn)行稱(chēng)量。

②待梨樣品處理完后，進(jìn)入藥品室，根據(jù)檢測(cè)農(nóng)藥的種類(lèi)選擇藥品，比如乙腈和丙酮等藥劑（如圖1所示）。選擇完藥品后，前往天平室對(duì)待測(cè)樣品和部分藥品進(jìn)行精確稱(chēng)量（如圖2所示），稱(chēng)量完待測(cè)樣品放入燒杯中，點(diǎn)擊樣品移至處理室進(jìn)行前處理。

③將燒杯中的樣品倒入勻漿機(jī)中，然后移取乙腈試劑50?mL至勻漿機(jī)中，開(kāi)啟勻漿機(jī)，混勻，見(jiàn)圖3所示。均勻混合后，從試驗(yàn)臺(tái)取出鐵架臺(tái)裝置，放好漏斗和濾紙，將具塞量筒移動(dòng)至漏斗下端接收濾液。將勻漿機(jī)移至漏斗上方，進(jìn)行過(guò)濾操作，具塞量筒接收40～50?mL濾液。

④完成濾液操作后，對(duì)具塞量筒內(nèi)的溶液進(jìn)行旋渦混合操作。完成操作后，靜置具塞量筒，直至液體內(nèi)溶液出現(xiàn)明顯的分層狀態(tài)。分層完畢后，移取10?mL溶解有待測(cè)樣品的乙腈溶液至離心管中進(jìn)行水浴氮吹操作。完成氮吹后，將離心管中的氮吹液倒入燒杯中，并往里滴加2?mL的丙酮溶液，燒杯靜置一段時(shí)間，然后轉(zhuǎn)移至離心管中進(jìn)行旋渦混合操作。完成操作后，將離心管中的待測(cè)液體均勻移入兩個(gè)2?mL的色譜分析樣品瓶中，準(zhǔn)備進(jìn)行上機(jī)分析。

（2）完成樣品處理后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制。選擇本實(shí)驗(yàn)需要檢測(cè)的農(nóng)藥種類(lèi)，如敵敵畏、甲拌磷、氧樂(lè)果等，然后填寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)混合液工作液的梯度：0.2、?0.4、0.6、?0.8、?1.0?ug/mL，配制完后前往氣瓶室開(kāi)啟載氣系統(tǒng)。

（3）氣瓶室開(kāi)啟。用鼠標(biāo)輪打開(kāi)氣瓶，在打開(kāi)界面上儀器電源按鈕前，應(yīng)首先開(kāi)啟軟件界面上的氬氣鋼瓶。鋼瓶開(kāi)啟方法：逆時(shí)針開(kāi)啟總閥，總壓指針旋轉(zhuǎn)指向表示鋼瓶剩余壓力；順時(shí)針緩慢開(kāi)啟副閥，指針指向表示氣體流量，如圖4所示。

（4）開(kāi)啟氣相色譜。

將樣品和標(biāo)準(zhǔn)液瓶放入樣品盤(pán)中，然后將樣品盤(pán)放入氣相色譜儀的自動(dòng)進(jìn)樣器下，接下來(lái)是打開(kāi)界面上的氣相色譜儀和計(jì)算機(jī)，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)桌面進(jìn)入工作站軟件（如圖5所示），編輯完整方法，氣相參數(shù)，比如進(jìn)樣量，進(jìn)樣口溫度，色譜柱溫度、流速，柱箱和檢測(cè)器溫度，以及填寫(xiě)樣品信息，進(jìn)樣瓶位置名稱(chēng)等。

對(duì)水果中含有有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥殘留的測(cè)定的編輯方法如下，可設(shè)置進(jìn)樣口溫度220?℃，進(jìn)樣分流50∶1，進(jìn)樣量1μL，柱流量10?mL/min，在50℃～270℃下進(jìn)行升溫程序，檢測(cè)器FID溫度為250?℃，并設(shè)置尾吹氣流量30?mL/min，氫氣流量30?mL/min，空氣流量300?mL/min。設(shè)置好參數(shù)后，將采集方法發(fā)送給色譜儀，等待儀器處于正常準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，然后進(jìn)行樣品數(shù)據(jù)測(cè)試。

（5）數(shù)據(jù)分析。

選中數(shù)據(jù)測(cè)試文件名，調(diào)出數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整積分參數(shù)，對(duì)譜圖進(jìn)行優(yōu)化，并建立校正曲線(xiàn)，根據(jù)色譜峰的面積進(jìn)行定量分析。

此外，氣相色譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以觀(guān)察到儀器拆解過(guò)程，比如進(jìn)樣口、色譜柱、檢測(cè)器、柱溫箱等的拆解。另外，還可以了解氣相色譜儀的日常維護(hù)過(guò)程，比如進(jìn)樣口的硅膠墊要經(jīng)常更換，若發(fā)現(xiàn)色譜儀的載氣流量指示變大、組分保留時(shí)間增加或峰高明顯降低，首先要考慮是否由進(jìn)樣口漏氣引起，此時(shí)可先更換硅橡膠墊予以驗(yàn)證。

4?《材料現(xiàn)代分析技術(shù)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果評(píng)價(jià)

湖南工程學(xué)院2018級(jí)材料化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝、高分子材料與工程等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生中已相繼學(xué)習(xí)《材料現(xiàn)代分析技術(shù)》課程，其對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在材料與化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行，實(shí)踐證明該實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

（1）教師可以在計(jì)算機(jī)端與手機(jī)端同步進(jìn)行課堂演示，并能通過(guò)后臺(tái)了解學(xué)生設(shè)備登錄信息，學(xué)習(xí)時(shí)間和歷史成績(jī)，以及學(xué)生的反饋意見(jiàn)。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)3D仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以通過(guò)手勢(shì)進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作軟件。這種類(lèi)似于“玩游戲”的學(xué)習(xí)方式極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增添了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的活力和動(dòng)力。通過(guò)移動(dòng)端仿真學(xué)習(xí)平臺(tái)能最大限度地突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以隨時(shí)實(shí)驗(yàn)，隨地實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)行自主考試。再者學(xué)生在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和反復(fù)演練，可提升實(shí)體實(shí)驗(yàn)的成功率，降低實(shí)體實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行成本，提高教學(xué)效率。

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式[7]，比如自主性探究式教學(xué)法讓學(xué)生在不斷思考中理解原理，掌握知識(shí)，鍛煉能力，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性更高，效果更好，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造潛能得到了更有效的鍛煉。

（4）在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用混合式教學(xué)方法將學(xué)習(xí)過(guò)程分為課前導(dǎo)學(xué)、課中研學(xué)、課后助學(xué)，導(dǎo)學(xué)階段老師通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端發(fā)送資料，布置任務(wù)，學(xué)生通過(guò)手機(jī)或電腦完成任務(wù)。在課前導(dǎo)學(xué)階段，課前老師可以提出問(wèn)題：“大家先自己思考一下，高效液相色譜、氣相色譜分別適合什么樣特征的樣品分析？”課中研學(xué)階段，老師講解重難點(diǎn)內(nèi)容、注意事項(xiàng)，并提出問(wèn)題，讓學(xué)生自由討論；當(dāng)同學(xué)們學(xué)會(huì)操作氣相色譜儀后，老師可以提出問(wèn)題：“在氣相色譜的分析中，色譜柱類(lèi)型的選擇，為什么一般需要遵循極性樣品使用極性毛細(xì)管，非極性樣品采用非極性毛細(xì)管的規(guī)則呢？”在實(shí)體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中老師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)操作，分析數(shù)據(jù)。課后助學(xué)階段，老師布置作業(yè)，學(xué)生在移動(dòng)平臺(tái)上完成作業(yè)，參與討論。通過(guò)將以上3個(gè)環(huán)節(jié)彼此連貫，形成一體化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體系，能顯著提升教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

5?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)虛擬仿真在《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究，有效進(jìn)行理論教學(xué)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的銜接，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，并結(jié)合混合式教學(xué)，可作為一種高校開(kāi)設(shè)儀器分析相關(guān)課程教學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)形式，能有效提高教學(xué)效率，提升教學(xué)效果，更好地完成了《現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)》課程的教學(xué)目的，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目的。

參考文獻(xiàn)

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