儀器分析化學實驗技術思考與實踐
時間：2022-02-25 03:19:16
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摘要：針對目前儀器分析化學實驗教學中存在的一些問題和教學現狀，介紹了仿真軟件運用在高等院校《儀器分析化學實驗》教學中的必要性。以教學實踐中氣相和液相等仿真實訓為例，總結仿真軟件在大型儀器教學中的應用優勢和長遠發展。建立新型的仿真軟件結合實際操作的儀器分析化學實驗，培養具有科學素養和創新實踐能力的高素質人才。
分析化學實驗是一門以實驗操作為基礎的學科，實驗操作作為化學基礎知識的一部分，對于學生掌握儀器的操作要領，應用大型儀器做好分析工作，培養學生嚴謹的科學態度和實驗技能的創新性，以及掌握儀器分析在化學操作前沿中的應用價值具有重要的指導意義。而儀器分析實驗作為分析化學實驗的重要組成部分，在實驗教學中鍛煉學生掌握大型儀器在檢測和分析中的應用技術，因此在整個分析化學的教學環節中占有特殊的地位。
1儀器分析化學實驗現狀分析
儀器分析化學實驗課程過于單一，紫外分析的操作就占據了實驗課程的所有環節，單一儀器的使用并不能讓學生從實驗目的和實驗目標上真正體會這門實驗課的設置目標，這與教學大綱的要求是相悖的，并且對于學生掌握其他實驗的基礎也是有很大影響的；再者，學生層次高低不同，對于基本實驗操作的熟練掌握程度也不盡相同，這就造成了良莠不齊的實驗操作結果，對于學生實驗結果的考核也就沒有了合理化的考核標準；以分組為實驗的儀器分析實驗操作，更使得一部分學生不能真正掌握大型儀器的操作原理和操作方法，進而對一些簡單儀器的操作使用也是一知半解，而實驗報告的上交也存在了抄襲和剽竊，千篇一律，造成了教育的失衡和將就。教育部明確在“新世紀教改工程”中提出來了關于新世紀人才培養的宗旨：重視學生綜合素質的提高，培養學生的創新意識和實驗能力。后期的儀器分析課為了讓學生掌握更多的化學分析方法，滿足社會對高素質、全方位人才的需求，新增設了液相色譜、氣相色譜、紅外光譜儀和原子吸收儀等幾個大型儀器的使用和操作，在結合專業課對基本分析操作的知識基礎上，讓學生們掌握理論是通過實際操作來現實真正的掌握。在儀器分析專業課中的一些公式數據的處理，必須通過儀器的操作和運作才能真正理解其中的內涵和要義。必須讓學生地有直觀的感受和操作。那么結合仿真軟件幫助學生了解和熟悉大型儀器的使用，是非常有必要的。
2虛擬仿真實驗在化學實驗中的應用淺析
虛擬仿真實驗是在“互聯網+”時代的下必然產物，主要是通過電腦客戶端，將設計購買的仿真實驗軟件安裝在實驗教學機房電腦上，主機直接參考分機安裝仿真軟件，實現互聯網的網絡管理。每個學生都可以獨立使用一套操作軟件。仿真軟件中的程序具備虛擬實驗設備和大型儀器等操作和指導說明，能夠讓學生體驗網絡實驗教學中的儀器操作，以及定性和定量分析物質中的離子含量和濃度，新興的仿真軟件能夠真正實現將專業理論知識和虛擬仿真實驗操作相結合。仿真實驗軟件的使用，不僅能夠充分利用網絡資源提高實驗教學效率，還能指導學生直接利用網絡進行文獻的下載和學習，在參考文獻的學習下，能很快幫助學生了解儀器的使用方法和操作流程以及結果的分析和應用；比如在氣相和原子吸收實驗中，學生能夠直觀認識到各個儀器的組成部分所起的作用和操作注意事項，包括電腦端數據的處理和篩選。甚至學生還可以在網絡客戶端進行操作的驗證，電腦端提示操作失誤，幫助學生很快糾正錯誤的操作和理解。結合網絡操作的仿真軟件完全解放了實驗耗材的成本及儀器的維護和修理，最主要的是通過在機房電腦客戶端安裝仿真軟件的形式，真正建立了可實際操作的網絡化的化學仿真實驗室，以仿真實驗軟件為依托，可以讓教師的課堂變得更為靈活和具有選擇性和多元化。既可以設計真實的可操作性的實驗師實驗課程，也可以優先進入機房體驗網絡化的可視的仿真實驗操作技能的學習。與實驗室的實操實驗相比，仿真實驗能夠給學生以直觀的認識和了解，沒有陌生感和無從下手感。當學生有了基本認識和掌握儀器操作的要領后，再進入實驗室進行真實的操作，比較有利于學生的層級遞進的學習方式，而且仿真軟件教學可以做到重復利用，也具有環保性，不會產生試劑中金屬離子對環境的危害和污染。對于教師開展創新性的實驗教改項目新模式的化學實驗教學來說，仿真軟件的應用確實是一個非常實用并具有應用價值的實驗手段。
3虛擬仿真實驗在化學實驗中的創新意義
有利于培養學生的創新意識。由于實驗設備資源有限，學生分組操作實驗儀器時受課時時間的影響和學生自我學習水平的限制，不能保證每個學生都操作儀器，了解儀器的使用和數據分析。而仿真實驗通過網絡操作，能夠實現每個學生對儀器的網絡操作和對儀器的說明和數據處理，包括實驗報告的書寫和總結。另外，仿真軟件的存在，也使得很多實驗方案的可操作性成為了現實，以前的很多實驗方案因內容和所涉及到的藥品安全性和對儀器的高要求性，導致實驗不得不進行調整和更換；仿真虛擬實驗的存在，使得教師在設計實驗項目時，可以應用教學案例將信息技術和化學實驗教學進行整合，這是儀器分析化學在整合實驗教學與信息化教學的的基本策略，在將兩者整合的過程中總結了以下幾種教學途徑：虛擬情景教學，讓學生首先對教學情形有個印象化的認知了解；仿真實驗教學，幫助學生構建可視化的教學實驗場景；網絡探究教學，通過網絡視頻的學習和探討，幫助學生了解實驗教學的重點和規避實驗誤區；多媒體輔助教學，比如幻燈片、視頻播放等。仿真實驗教學軟件平臺的搭建，是為了幫助學生建立嚴謹的科學認知，同時多元化的教學實驗內容的設計也使得其具有充分的開放。該模式下的儀器分析實驗是對傳統實驗教學模式的強烈沖擊，仿真實驗教學軟件的廣泛應用，為化學實驗操作提供了更為豐富的學習資源以及便利，對于推進素質教育和提高學生科學素養，有效保障實驗教學模式改革和創新，提供了充分條件。本文設計了大型分析儀器的仿真實驗教學項目的改革模式，并簡明扼要地根據現有條件以及實施情況，介紹了農林院校如何利用虛擬仿真實驗軟件平臺對化學實驗創新式實驗教學改革的具體做法。1）提高學生對大型儀器的可視化和實際操作能力的改善，部分學生由于自身基礎比較薄弱，在實驗操作上存在梯度差異，仿真軟件的存在使得這些學生在自己薄弱的方面可以反復進行操作和演練，可以直接糾正實驗操作存在的錯誤。在仿真軟件實驗操作環境下，實驗教學無法多人同時進行一項設備的操作，導致一部分學生沒有操作的機會。仿真實驗可以實現每個學生對同一個實驗項目的操作而互不干擾，學生還可以根據自身情況調整實驗的難度和梯度。2）降低了實驗耗材費用，也避免了試劑廢液造成的環境污染。實驗室進行的實驗操作等課程需要儀器的使用和開放度，在這個過程中，必定會引起儀器設備的損耗，加上實驗過程中所購買的相關試劑，也不是一筆小數目。應用仿真軟件完全可以避免或降低這些問題的存在，甚至對于實驗室廢液的處理及環保問題，也一律省略，大大降低了實際操作和實驗廢液處理等對環境的污染。3）增強了其他實驗課程實際操作間的交互性和互異性，為理論知識聯系實際操作一體化的新式實驗教學模式提供了契機和改革方向。依托仿真軟件進行實驗教學改革，采用理論加實際一體化的實驗教學模式，可以激發學生對儀器使用的好奇心和學習的興趣，規避了部分學生對真實實驗中藥品和儀器使用所產生的畏懼心理，既可以讓學生在仿真軟件中鞏固基本實驗原理、實驗目的、實驗目標，又能在逼真的實際操作環境中學到更多的專業知識和實驗分析技能，完全區別于傳統的實驗教學模式。
4結束語
利用虛擬仿真實驗教學軟件，不僅完善了化學專業實驗實踐教學模式，也彌補了在實際操作中存在的不經濟、無法模擬、安全性低、重金屬和有機物帶來的環境污染等不足。更為每個學生提供了實驗操作的機會，讓更多的學生掌握了實驗儀器的技能和應用，提高了學生的實踐操作能力和實驗創新能力，為滿足社會需求輸送了新的力量。當然，虛擬仿真軟件雖然在學生操作普及性上占據了優勢，但是對于學生真正接觸儀器，從網絡操作到實際操作還是存在差距，它只是提高了學生對實踐技能的掌握和應用，并不能完全代替實際操作所帶來的效果。只是在傳統化學實驗的展開受到諸多物質條件和可操作性條件的限制上，引入計算機仿真軟件技術進行彌補的一種有效措施。隨著互聯網的快速發展，利用實驗仿真軟件進行化學實驗教學，是現代化學教學的大勢所趨，是順應科技發展的潮流。將仿真軟件應用于化學實驗，不僅可以彌補傳統化學實驗的不足，還能培養學生實事求是的科學態度、縝密的科研思維和敏銳的科研創新能力。如果能將仿真軟件與現實實驗相結合，相信仿真軟件會大大促進教學質量的提升，全面促進教學效果的提升和教育教學模式的變革。
作者:苗芳芳 滑靜 王燕 劉旭航 趙筱萌 單位:北京農學院