刘学国，王莹、陈宛瑶、曾宪彩、潘会严、闫卫红、何际芳
(南阳理工学院生物与化学工程学院，河南南阳，473000)
摘要：本文从理论教学的角度，分析如何采用虚拟仿真技术来辅助仪器分析理论教学中的光谱分析、色谱分析和质谱分析，证明虚拟仿真技术在《仪器分析》理论课程辅助教学中的价值，可起到提高教学效果的作用。
关键词：虚拟仿真技术；仪器分析；理论课程；辅助教学
1 虚拟仿真技术概述
1.1 虚拟仿真技术的含义
虚拟仿真技术指的是一种可以建设并让用户体验虚拟世界的计算机仿真系统，以计算机技术为基础，形成多元信息融合交互式的动态和实体行为的系统仿真，使用户获得沉浸式体验，并在其中掌握相应的理论知识。该技术由虚拟仪器系统、数据分析系统、计算机网络系统以及虚拟实验室管理系统组成，是一种新的实验教学方式，既丰富了教学内容，提高学生兴趣，又是对教学模式的创新改革，有利于提高教学水平。仪器分析课程设计的内容涵盖物理学、化学、电子学、精密机械制造、计算机等多门学科，采用虚拟仿真技术，除了可以被应用在实验教学中外，还可以将其用于理论课堂的辅助教学，利用其形象直观的特点来刺激学生的感官，从而引起他们的兴趣，调动他们对理论课学习的主动性。
1.2 虚拟仿真技术的特点
虚拟仿真技术又叫做虚拟现实技术，是利用虚拟系统进行模拟仿真的系统、技术，是在信息技术快速发展的基础上将仿真技术和虚拟现实技术结合的产物。该技术具有沉浸、交互、虚拟、逼真等特点。首先，虚拟仿真技术可让学生获得沉浸式的体验，使学生能够全身心地投入其中，刺激各个感官以获得身临其境的感觉。其次，在虚拟仿真下的环境，能够对人产生影响，人也能对环境进行控制，且人的行为是自发控制的，虚拟环境能对人的行为进行及时的反馈。再次，虚拟仿真技术所创造的环境是虚拟的、不真实的，只是用计算机技术创造出来的客观世界，所营造的环境可以是过去存在过的或者想在真实存在的环境，还可以是未来可能的环境。此外，虚拟仿真技术所创造的环境虽然是虚拟不真实的，但是却和其模拟的真实世界非常接近，所以人在虚拟环境中会产生身临其境的感觉，在自发行为时环境也会给出符合客观世界的反馈。
2 《仪器分析》理论课程教学现状和存在的问题分析
《仪器分析》这门课理论教学和实践教学同等重要，在理论教学方面有关于仪器的应用原理、结构等知识，已经无法采用传统的教学方式，这是因为枯燥抽象的原理以及复杂的精密仪器设备的结构，传统教学无法达到良好的教学效果，无法引起学生的学习兴趣，也无法帮助学生真正理解和掌握。想要真正让学生了解和掌握精密仪器的原理、结构等知识，培养他们应用这些理论去解决实际问题的能力，就必须积极采用信息化教学手段辅助教学。
3 在《仪器分析》理论课程教学中引入虚拟仿真技术的意义和必要性
3.1 增强理论知识的直观性，便于学生理解和掌握
由于《仪器分析》理论课程教学的内容比较抽象、难懂，学生普遍反映学习难度较大，在实际教学中沿用教师讲、学生听、期末考的传统教学模式，学生学习主动性不强，甚至会对上课产生排斥心理。采用虚拟仿真技术以后，利用该技术的直观性和互动性，不仅能展示各种模型、挂图，而且还能以动画的形式展示出来，使学生对仪器有最直观的认识，掌握仪器基本原理和操作方法。
3.2 提升学生学习兴趣
虚拟仿真技术的使用，使学生获得了沉浸式的学习体验，在这种环境下学习，学生的感官受到了极大的刺激。所创设的虚拟环境和学生实际教学情境内容相符合，引发学生的情感体验，化抽象为具象，化静止为动态，使枯燥抽象的仪器分析知识变得直观、生动，使学生在学习的过程中很快适应这样的学习氛围，在轻松的课堂氛围下，学生该学习兴趣提高，从而能更快速正确地理解相关知识。
3.3 营造良好的教学环境
引入虚拟仿真技术以后，代替了粉笔板书教学，不仅可以节约大量时间，而且也让师生在较好的环境下交流互动。在教学中，解决了学生无法看清板书内容或教师讲授内容而降低学习效率的问题，教师也能随时与学生互动，对于仪器分析中各种仪器设备的工作机制、比较难以理解的内容都可以采用动画的形式表现出来。
4 虚拟仿真技术在《仪器分析》理论课程辅助教学中的应用
4.1 在光谱分析中的辅助教学
常用的光学分光软件有棱镜、光栅等，光栅分光的能力比棱镜强，但是其集光率较低，且不同波长色散不均，二级光谱必须消除。为了讲授具有较好色散率和集光效率的中阶梯光栅分光系统，采用虚拟仿真技术对各种分光元件进行呈现，从而可讲清楚如何将中阶梯光栅和棱镜结合起来分光而得到连续不重叠全波段光谱，以及光路和检测器相匹配的问题。等离子体发射光谱以后，所发射出来的光进入到仪器内，再经过准直镜得到准直平行光，光线可一次经过棱镜、中阶梯光栅进入到棱镜，再聚焦反射到检测器中进行检查。为更加直观地分析该过程，让学生更加清楚地了解，对于两种二次色散方式的结合过程，即棱镜和中阶梯光栅光谱如何实现连续不重叠，使具有更高光效率以及均匀的色散，自己检测器接收光信号这个过程通过虚拟仿真展现出来，给学生以直观的冲击，从而加深学生对于光学分光元件以及光谱反射的认识。
4.2 在色谱分析中的辅助教学
物质不同组分在各填料介质中的扩散速度不同，为了让学生正确地理解速率理论分离原理以及影响柱效的因素，结合公式，并利用虚拟仿真软件帮助学生更好地理解公式方程，直观地理解单个组分离子在色谱柱内固定相与流动相之间存在的关系。结合分析扩散以及运动途径等因素，说明单个组分离子在柱内移动是不规则的、随机的，在柱中随着流动相前进的速度不一。通过对仿真软件相关参数的调整，可分析影响柱效的因素之间有联系，当载气流速度增大时，分子扩散项影响就会减小，此时柱效就会提升，但传质阻力项影响将会增加，柱效降低。当柱温升高时，传质阻力减小，更有利于传质，但是分子扩散影响增大。所以想要提升柱效，就需要对各个影响因素进行合理控制，选择合适的固定相粒度、载气类型、液膜厚度以及载气的流速，才能提升柱效。这些理论都需要利用虚拟仿真软件所展示的图像表现出来，从而让学生更直观地看清楚这些因素之间的相互影响，更好地掌握色谱分析技术。
4.3 在质谱检测分析技术中的应用
随着气象色谱质谱联用仪、液相色谱质谱联用仪等仪器分析技术的应用日益广泛，质谱系统逐渐成为一个常见的检测系统，在衡量组分定性定量分析中得到了应用普及，作为一种关键的质谱检测技术。为了更好地说明质谱检测系统的结构、工作原理，采用虚拟仿真技术能形象直观地表示出来。从三维动态图中，学生可以了解到，试样经过色谱系统分离后到了分子分离器中，然后在API离子源中形成离子与中性分子，离子向导传输的过程中，通过筛选器允许单个母离子运输到碰撞池中，当母离子进入到碰撞池以后，被载气体碰撞分离，组分分子在电子攻击下分裂。当速度加快后，进入到四级杆质量分析器中，分析器再逐一传递单个母离子到质量分析器中，产生共振碎片并到达检测器中形成质谱图。
5 结语
综上所述，通过上文的描述阐释，证明了在《仪器分析》理论教学中，采用虚拟仿真技术，可以直观形象地展示抽象的原理，体现各种仪器分析技术的检测分析过程和各自的优缺点。利用虚拟仿真技术软件的动态性、互动性、直观形象的特点，使学生更好地理解抽象原理，提高了教学效率和教学质量，达到激发学生学习兴趣、调动学生学习积极主动性的目的。
参考文献：
[1]邱会东，苏小东，原金海，熊伟，许弟建等. 虚拟仿真技术在《仪器分析》理论课程辅助教学中的应用[J]. 科技与创新，2017（9）：149-150.
[2]贾彦荣，周宝成，徐火英，等. 仪器分析虚拟仿真实验系统的应用与构建研究[J]. 浙江理工大学学报，2016（3）：303-307.
[3]郝利君，骆雪芳，季一兵. 基于MOOC设计的学生仿真互动仪器分析示教实验[J]. 新课程研究，2016（11）：89-91.
作者简介：刘学国(1987一)，男，副教授，博士，主要从事功能纳米材料合成及其在环境、食品分析中的应用方面的研究
地址：南阳理工学院生物与化学工程学院，河南，南阳，473000
基金项目：南阳理工学院校级一流课程“分析化学”建设项目；南阳理工学院教育教学改革研究项目（NIT2020JY-138）