辅助教学的虚拟仪器分析实验平台建设探讨

摘要：当前的仪器分析实验教学存在教学仪器不足、仪器落后、教学成本高、实验层次低、有操作安全和污染隐患等问题。通过科学地运用虚拟实验手段，建设一个界面逼真、富于交互、充分设定各种应用情景的虚拟仪器分析实验平台，是在一定程度上解决这些问题的有效途径。相关院校的教学效果表明，虚拟仪器分析实验平台可以成为实验教学的有益补充，从而提高仪器分析实验教学的质量和水平。

关键词：辅助教学；仪器分析；虚拟实验平台；建设

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）07-0172-02

药品检验是药学专业的核心课程，仪器分析则是测定药物的物理常数、鉴定药物真伪、检测药物纯度和杂质限量、测定药物含量及效价的主要方法，具有取样量少、灵敏度高、自动化程度高、分析速度快、应用范围广等特点。随着技术的发展，仪器分析的基本原理和实验技术已经成为药学研究和应用工作中必须掌握的基础知识和基本技能，药物研究、生产及检验等各种行业机构对高效液相色谱仪、气相色谱仪、分光光度计、质谱仪等设备的依赖已经到了不可或缺的地步。培养熟练掌握仪器分析技术的专业人才，是药学教育的主要任务之一。

当前仪器分析教学面临的主要问题

教学仪器严重不足，教学效果有限 实验教学所用仪器多数为贵重、精密物品，且数量极为有限，如质谱仪、核磁共振波谱仪等大型分析仪器，一般学校只购置1台。而近年来的扩招使得学生数量成倍增加，教学仪器资源更显缺乏。教学仪器的不足，使得很多学校的实验实训课程变成了观摩课、试教课，学生得不到足够时间和强度的实际操作锻炼，实验教学效果不理想。

仪器落后，与实际应用脱节 技术的快速发展使得分析仪器更新换代的频率加快。而在学校的实验教学中，往往由于经费原因，所使用的仪器得不到及时更新，从而与实际应用脱节。学生在校期间学会的分析仪器操作技能，到了实际工作环境中用不上，仍然要学习新一代仪器的使用，这使得学校实验教学的意义大打折扣。

教学成本高，学生无法熟练掌握仪器 仪器分析实验教学需要用到大量的药品、试剂，教学成本很高，所以往往以小组的形式进行实验，真正得到动手锻炼的学生只占少数，而且也只能进行有限次数的操作。在这种情况下，学生只能对仪器有一个基本的认识，而无法熟练地掌握仪器使用技能。在一些高端仪器的实验教学中，这一问题尤为明显。

实验操作层次较低，无法深入了解仪器功能 当前，仪器分析教学安排的都是操作层次较低、步骤简单的实验，立足于让学生了解仪器、知道基本操作过程，而无法做到让学生深入、全面地掌握仪器的用途。这导致了学生对仪器的认识浅尝辄止，难以了解除实验所用以外的仪器的使用方法，也没有机会碰到使用仪器过程中的各类特殊情况，无法培养学生对各种问题的分析和处理能力。

存在操作安全、环境污染等隐患 仪器分析实验中部分试剂是危险的化学物品，如果操作不当会发生安全事故，同时，实验过程中排放的“三废”也会对环境造成污染。但为了保证教学质量，一定量的实验实训课程必不可少，这容易引发安全问题和环境污染问题。

虚拟仪器分析实验的研究及其应用

虚拟仪器分析实验指的是利用计算机系统，引入现代信息技术和虚拟现实技术，模拟各种分析仪器，使受训者可以像在真实环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真操作，从而完成各种预定的实验。

笔者利用中国知网，对中国期刊全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国博士学位论文全文数据库进行跨库检索，以模糊匹配方式查到2000年以来药学相关学科内关于“虚拟仪器分析实验”主题的期刊论文共253篇，学位论文共3篇。其中，2008年以来的论文共97篇，约占38%，表明虚拟仪器分析实验是近年来的研究热点。所查论文的主题主要包括了“虚拟仪器分析实验的概念和应用”、“虚拟仪器分析实验的优缺点”、“虚拟仪器分析实验教学系统的设计”等。许多研究人员从不同角度对虚拟仪器分析实验进行了探讨，如杨雪等人研究了虚拟实验中情感、表现和行为三个层次的设计思路，傅增智、徐静等对比研究了虚拟实验和真实实验，代晓青则探讨了虚拟实验对受训者操作规范的培养作用。

国内外多所大学，如霍普金斯大学、上海交通大学、大连理工大学等都对虚拟实验室建设进行了研究，并建设了一些适合于药学、化学专业的虚拟实验室。中国药科大学建立了一套《气相、液相分析实验》仿真系统并取得了一定的应用效果。重庆医药高等专科学校开发了一套实训教学系统用于虚拟仪器分析实验教学。国内外软件市场上也出现了相关的虚拟实验室产品，例如Chem SW公司的GC-SOS气相色谱模拟和优化软件，大连理工大学的仪器分析虚拟实验室。笔者通过网络调查，发现中国药科大学、重庆医科高等专科学校、大连理工大学、广东药学院等高校已经应用了虚拟仪器分析实验系统。

辅助教学的虚拟仪器分析实验平台建设思路和要点

建设思路 用于辅助教学的虚拟仪器分析实验平台的建设，目前主要有以下三种建设思路：第一，引进市场产品。购买成熟的虚拟仪器分析实验平台，是最便捷的解决方案，具有流程简单、部署方便、实现容易、后期维护有保障等优点，缺点在于需要一定的经费支持，尤其是一些国外的虚拟软件，价格十分昂贵。此外，直接引进的产品还存在不一定能完全满足当前实验教学需求、定制相对困难等问题。第二，引进其他高校开发的系统。国内许多高校都开展了虚拟仪器分析实验教学研究，并出现了不少优秀成果。例如，中国药科大学开发的仪器分析实验仿真教学实习系统，可以进行试剂的仿真配置，完成气相色谱系统和液相色谱系统的仿真操作，自动记录学生的操作过程，进行仿真实验考核等功能。引进其他高校开发的系统，优点在于能够在较大程度上满足当前实验教学的需求，同时所需经费也不是很高，缺点是后续的服务可能会不到位、系统无法更新等。第三，自行开发或委托开发。自行开发或委托第三方公司开发虚拟仪器分析实验教学系统，能完全根据自己的实际实验教学需求进行功能的规划和系统的设计，具有较强的灵活性和兼容性，前提是必须拥有具有系统分析能力的工作人员。自行开发可以结合学校信息化教学建设工作及相关科研项目展开，是当前许多学校选择的建设思路。

建设要点 在虚拟仪器分析实验平台的建设中，有许多值得注意的地方。笔者认为，一个先进的虚拟仪器分析实验平台必须具备以下三个特点。第一，用户界面逼真。用户界面逼真是虚拟仪器分析实验平台必须具备的第一个特点。因为虚拟仪器分析实验平台是用于仿真实验的，要达到用户在虚拟实验平台上学习、操作后，在真实仪器上能够无需再次学习、非常熟练地使用。所以，用户界面必须逼真，仪器的形状、颜色，相关提示灯和提示信息的显示、操作过程和操作结果的模拟，都要和真实仪器相差无几，才能达到实验的效果。因此，最新的3D技术、虚拟现实技术必须在实验平台中应用。第二，富于交互。仪器分析实验过程本质上就是人机交互过程。如果虚拟仪器分析实验平台不具备较强的交互性，就只能算是一个仪器分析实验演示软件，而无法起到实验的作用。一个先进的虚拟仪器分析实验平台，应该是富于交互的，各类按钮的功能和支持的动作，要和真实仪器一致，同时，各种交互操作应该是简洁明了的。多点触控技术应该在实验平台中得到应用。第三，充分设定各种应用情景。虚拟实验的最大好处在于可以模拟任意特殊的情况而不会产生任何危险。因此，应充分设定各种应用情景，让受训者在虚拟实验过程中可以任意操作，认识各种特殊乃至危险的后果，从而让受训者更为彻底地掌握仪器的特性和使用方法，加深对仪器的认识和对安全操作的理解。

虚拟仪器分析实验平台的教学效果

虚拟仪器分析实验平台具有运转快速、界面简洁、覆盖面广、利用方便等特点，能比较真实地模拟相关实验的过程，让学生提前熟悉仪器及掌握仪器的操作，认识实验项目的操作步骤和要点，有利于学生对真实仪器的操作，节省真实实验的材料和时间。通过虚拟实验，可以让学生多次重复实验而无时空限制、安全及污染等问题；可以让学生规避真实实验的诸多忌讳，甚至违规操作，以进一步掌握仪器的使用办法；可以通过各种设定好的特殊情况，感受仪器操作过程中可能出现的问题，以全面地锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

北京中医药大学在2006级中药学、中药分析、中药制药班应用“高效液相色谱法定性和定量分析实验”虚拟教学后进行教学效果问卷调查得知，有81.2%的学生愿意进行虚拟实验学习，有84.8%的学生通过虚拟学习清楚地知道了如何操作仪器。2007年底，清华大学在将仪器分析实验多媒体网络教学平台应用于化学系、化工系、环境系及核物理学院等院系的仪器分析实验教学中，经过连续5个学期的教学数据对比分析，发现接受了虚拟实验教学的学生个人得分同比超过其他院系的学生，仪器分析实验教学质量得到了明显提高。第二军医大学应用了虚拟实验平台后，82%的学生认为虚拟教学系统的交互性有利于知识传授，76%的学生认为运用虚拟教学系统有助于提高相关教学内容的教学效果和教学效率，73%的学生认为虚拟教学系统更适合于辅助教学。

当然，虚拟实验替代不了真实实验。由于其缺少实物感，操作正确的情况下结果唯一，无法反映现实中操作正确也有可能出现不良后果的情况，虚拟仪器分析实验主要用于辅助教学，结合真实实验教学，以取得更好的教学效果。

综上所述，在药学教育工作中，虚拟仪器分析实验平台具有广泛的应用前景。科学地运用虚拟实验手段，拓展教学空间，能有效解决很多用常规方法无法解决的教学问题。建设一个界面逼真、富于交互、充分设定各种应用情景的虚拟仪器分析实验平台，用于辅助教学，将有效缓解当前仪器分析教学中面临的主要问题，可以成为实验教学的有益补充，丰富和完善仪器分析实验教学的教学形式，降低教学成本，增强教学效果，从而提高仪器分析实验教学的质量和水平。

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作者简介：

邓碧如（1984—），女，广东揭西人，广东食品药品职业学院助理实验师，研究方向为仪器分析和药物分析。