王乃毅

(山西卫生健康职业学院， 山西 晋中 030619)

1 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是借助计算机软件对真实世界进行模拟，是用一个虚拟系统模仿另一个真实系统的技术。随着计算机技术水平的不断发展，虚拟仿真成为20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术。它可以逼真地模拟现实世界的事物和环境，让人在这种环境中，有"亲临其境"的感觉，并可亲自操作，与虚拟环境进行交互作用。该技术极大地推动了现代高等职业教育中的信息化教学改革实践，目前已被广泛用于高职院校的辅助教学和实习技能培训中。

仪器分析是许多高职院校的专业基础课[1]。作为现代的分析测试手段，其应用遍及食品检测、药物检测、医学检验、环境毒物检测、生物检测、能源检测等许多领域，它在专门培养应用型人才的高职院校所处的地位日趋重要。但是，仪器分析课程涉及到物理学、高等数学、无机及有机化学、计算机科学等知识，内容复杂抽象，而且教师需要结合大量板书和多媒体课件进行教学。在其实验教学中，还会出现这样的问题：许多高职院校没有足够的教学经费购买一些比较重要的仪器分析设备，或者一些实验中的试剂对人有毒有害，或者缺乏实验所必须的实验试剂，或者仪器损坏因维修费用较高而得不到及时修理，等等。

现在，有了虚拟仿真技术，如果把虚拟仪器应用于仪器分析的教学实践中，以上问题就会迎刃而解，还可以调动学生的学习积极性。许多教师对其应用进行了教学研究。邱会东等[2]探讨了仿真技术在仪器分析理论课辅导教学中的应用。郑革[3]探讨了虚拟实训系统在分析化学实验中的应用。冯燕等[4]讨论了虚拟仿真在化学教改中的作用。应用虚拟仿真技术，能将抽象的理论形象化，使实验环境逼真化，大大激发了学生的学习兴趣。同时，科研工作者研发了大量的虚拟仿真实验。如，李旭军等[5]建立了基于网络的虚拟实验室框架模型，研制出一系列“仿真仪器”，开发了虚拟实验室网络平台，便于使用者访问。

2 虚拟仿真技术在仪器分析课程中的应用前景

2.1 虚拟仿真技术可以提供大型分析仪器的立体展示

化学分析仪器价格昂贵，一些中大型分析设备更是许多院校望尘莫及的。虚拟仿真系统可以采用3D技术真实模拟制作相应的分析仪器、高度还原分析仪器的结构。在“仿真仪器”中，仪器的内部结构可以进行半透明展示。半透明模式在实验操作时能同步展示内部结构和机理。而且，“仿真仪器”的内部结构可拆分，每个部件都可单独查看，可以360度旋转。高职学生可以在使用“仿真仪器”时获得相关仪器的视觉、听觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受，充分体现了虚拟仿真技术的“沉浸式”的特点。

例如在仪器分析教学实践中讲到的气相色谱仪、高效液相色谱仪、质谱仪、气质联用仪、液质联用仪、荧光分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪、毛细管电泳仪、核磁共振仪等，这些重要的仪器都可以通过3D技术设计制作成“仿真仪器”，供学生学习操作。而且这些分析仪器可以随着时间不断更新，给学校节省了实验经费；同学们这样“熟悉”分析仪器，不受时间和空间的限制，还提高了学生的学习兴趣，一举多得。

另外，高等职业教育重在培养学生的实际操作技能。为了保证高职学生的就业率，许多高职院校进行校企合作，为企业定向培养相关人才。许多大型的医药企业(普遍发布在广东、上海等沿海地区)都具有高级的大型分析仪器，使用相关的3D模拟仿真软件进行模拟教学，学生在学校如果熟练掌握了分析仪器的操作技术，他们就会在企业应聘中体现其优势，从而提高了高职学生的就业率。仪器分析教学中用到的分析仪器仿真软件，其相对低廉的成本和其所具有的独特的参与性教学优势已逐渐被全国各类高职院校所采用。

2.2 虚拟仿真技术可以提供仪器分析实验操作的逼真性和相互性

在仪器分析教学实践中，同学们通过使用“仿真仪器”，真实进行“实验操作”。通过3D技术，模拟实验场景。在仿真实训环境中，学生可以练习样品配制、样品测量、仪器开关机、数据采集、数据处理、图谱制作等实训操作，还可以练习设置样品浓度、化学分析方法，最后得到相应的实验结果。同时，还可辅以大量相关实验素材，比如真人实验操作视频、分析仪器结构原理3D动画等，使教学实验内容丰富多彩，让学生全面学习仪器分析知识，并通过逼真的反复实践，熟练操作各种常规分析仪器，为高等职业教育中仪器分析的模拟操作和考核提供一个合理、高效的平台。

应用虚拟仿真技术进行仪器分析实验操作时，实验者可以通过自身的操作对“仿真仪器”进行控制，“仿真仪器”也可以对人的操作予以实时的反应。这也充分体现了虚拟仿真技术的“相互性”。

虚拟实验操作给人的各种感觉与所模拟的实际操作非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样。例如，在虚拟操作中，当给一个盛放有碱性溶液的烧杯里用胶头滴管滴加几滴酚酞溶液时，会看到烧杯里的溶液“变”为红色。溶液颜色的变化符合自然规律，充分体现了虚拟仿真技术的“逼真性”。

现在一些高职院校缺乏仪器分析实验需要的化学试剂，使实验不能正常进行。例如永停滴定法测定磺胺嘧啶的含量，该实验是《中国药典》收载的磺胺嘧啶的定量分析实验，实验中要用到稀盐酸来提高重氮化反应的速度，可实验室缺乏。如果采用虚拟技术对实验进行仿真模拟，把实验内容设计成学习模式、练习模式和考核模式三部分内容，让学生们进行该实验的仿真虚拟操作，弥补了传统实验教学中实验资源的不足，同样可以达到实验目的和教学目标。

2.3 虚拟仿真技术可以避免仪器分析实验中的实验危害

在仪器分析实验中不可避免地会遇到一些易燃易爆易制毒试剂和有毒有害物质。例如在做“永停滴定法测定磺胺嘧啶的含量”时，要用亚硝酸钠溶液滴定磺胺嘧啶。而亚硝酸钠对人体是有害物质。如果利用虚拟仿真技术，就可以完全避免实验中有毒有害物质对人体的危害，保证了师生的身体健康；利用虚拟实验，还可以有效避免一些易燃易爆消防隐患。这，也是未来仪器分析实验发展改革的方向。

2.4 虚拟仿真技术可以消除实验耗材的成本和实验仪器的维修费用

通过仿真软件的开发应用，可以完全解放实验耗材的成本，还可免去仪器的维护修理的高额费用，要让教师的实验课堂变得更为灵活、更具有选择性和多元化。

3 小结

仪器分析实践教学在教学环节中越来越重要，对于高职院校更是如此。目前全国各个高职院校都在积极进行信息化教学改革。虚拟仿真设计就是信息化教学改革的具体实践内容。

目前，学院分析化学教研室正在和北京市优秀仿真软件设计企业——北京东方仿真软件技术有限公司合作，对有关仪器分析实验进行虚拟仿真设计。在2020年初春的这场疫情中，东方仿真公司积极支持药学院的线上教学工作，为2019级药学院学生开放了其“仪器分析线上虚拟仿真实训平台”。通过使用过该实训平台的207位高职学生进行了问卷调查。其中192人对该实训平台进行了好评。同学们反馈，通过这些虚拟实验项目，他们不仅熟悉了仪器及其结构，而且熟练了实验操作，进一步理解了网上教学中一些仪器分析理论课的知识。许多学生希望这样的仪器分析实验项目开发得多一些。

对于仿真软件课题的研发，准备分三个阶段进行。第一阶段2019年11月～2020年4月 教学人员通过线上线下检索，为东方仿真公司技术员提供大型仪器的型号及实验素材、提供详细的实验操作资料及制作要求；第二阶段2020年5月～2021年5月 共同合作研发制作相关仿真模拟软件；第三阶段2021年6月～2021年10月 将研发后的模拟软件应用到教学中，对学生进行调研，并汇总制作调研报告。

作为高职院校仪器分析课的教学实践者，笔者认为，虚拟仿真技术模拟真实的实验室管理、实验操作，利用三维技术建立虚拟的“现代实验室情景”，并在此情境下，对学生进行大型分析仪器的培训真正起到了理论知识的学习，让学生获得实际操作能力和解决问题的能力培训，必然在高等职业教学中得到广泛的开发和利用。