虚拟实验室在药物分析教学中的应用研究

摘 要：介绍基于虚拟仿真技术（Virtual Reality）建立药物分析虚拟实验室概念及其对于提高实验教学质量的重要意义，阐述了虚拟实验室应用于高校教学的优越性，并分析了其应用中存在的问题，提出了解决问题的方法与建议。

关键词：虚拟实验室；药物分析；教学研究

中图分类号：G420 文献标识码：A

一.虚拟实验室的概念及特点

虚拟实验室是基于互联网技术、虚拟现实手段构建的开放结构虚拟实验教学系统，是目前现代化教育的重要的辅助性手段，主要利用图形、动画、视频、语音等多媒体方式，让受教育者实时虚拟仿真地观察实验现象、模拟实验过程结果，目的是提升学生的实验技能和科研素质，进而高质量满足学校教学和科研教学大纲的基本要求。虚拟实验室具有以下基本特点：

一是明确虚拟场景和实验研究对象。

二是需按照指定标准操作完成规定的实验内容，取得实验结果。

三是能观察到可能的实验现象，并体验重点实验过程。

四是设计学习者错误仿真操作时的各种反馈信息。

五是根据需要具备非线性浏览与阶段性操作。

二.虚拟实验室在药物分析教学中的应用意义

（一）突出教者引导、学者主体作用

基于认知理论中知识是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果，以教师为主导，学生为主体，采用互动合作的教学理念，促使学生新旧知识之间的同化顺利完成。在以往的药物分析实验教学中，经常是教师讲解理论并演示实验过程，实验步骤事先由教师写在黑板上，学生仅仅是盲从验证结果，这种教学模式以教师为中心，作为认知主体的学生在教学过程中自始自终处于被动状态，知识的传递主要靠教师对学生的灌输，其主动性和创造性难以真正发挥。而虚拟实验室能给学生创造一种虚拟仿真的、人机交互的实验环境，在这样的环境中，每个实验项目框架是模块化的，可以自由搭接、组合、拆装实验，不同知识背景的学生可以根据其能力大小、个人兴趣和需要、实验经验，自行设计实验方案与步骤，直接、自然地参与到实验设计中，使其实践能力、观察能力、创新能力等都得到很好的锻炼。

（二）增强学生实验学习兴趣，提高学习效率

仿真实验室辅助教学能创建逼真的教学环境、动静结合的教学图像、生动活泼的教学气氛，将文字、音视频等信息有机地结合起来，使师生可以自由地模拟实验，改变以往教学听觉通道单一的刺激为视、听联合刺激，将抽象的形态和过程直观地展示给学生，充分调动学生的积极性；通过动画、图像的展示，培养了学生的观察能力和思维能力，使学生的学习变得轻松愉快，激发其求知欲望，开拓了学生的思路，增强学生纵深思维和灵活性。

药物分析中传统的高危实验和使用昂贵仪器设备时，由于缺乏实验教学的现场感，学生不能充分掌握实验步骤和操作细节，只靠上课老师演示，而虚拟实验室则能保证每位学生提前预习实验内容，预先了解实验过程、结果及可能的失败现象和修正提示，增加学习兴趣，使学生集中精力研究实验对象本身的特性和规律，提高了学生的学习和研究效率。

（三）具有经济、安全环保的优点

目前各学校实验设备和实验教学场地普遍满足不了逐年增多学生的需要，而且像高效液相色谱仪、液质联用仪、核磁共振仪、原子吸收分光光度计等高价值仪器不可能人人都有上手机会，并且运行成本比较高，大大制约了学习机会。但是虚拟实验室的建立无需购置昂贵的实验仪器设备，也无需任何试剂、药品，经济实用，随着包括平板电脑等计算机设备的普及，在虚拟实验室很容易做到学生人手一台大型贵重仪器，极为真实地培养学生操作使用仪器设备的技能，即使操作失败，不会造成任何损失，为其今后的工作及研究奠定基础。

而且在药分实验中，许多化学药品都有毒性，有些化学反应比较剧烈，首次操作易带来危险，但在虚拟实验室中，不仅能真实地再现实验现象和过程，又避免了发生伤害或意外爆炸的危险，学生不会遭遇到真实实验中诸如烫伤、玻璃划伤、试剂溅伤等伤害问题，也不会发生着火、漏水、漏电和爆炸等安全问题，只有错误提示，使之在真实的试验中避免错误发生，降低实验风险。而且在药物分析实验过程中会产生难降解、有毒的环境污染物，对人类健康及生态环境构成威胁，处理困难，而虚拟实验不会产生任何的废弃物，不会影响环境，做到真正的绿色环保。

（四）打破时空限制、共享开放资源

在虚拟实验室设计中，重点在于原理、关键步骤和结果，意义不大的中间变化过程，可以适当放大缩小空间，延长缩短时间，有意识、有重点地将主要内容呈现给学生观察，尤其对于一些具有潜在危险而不便于观察的实验，或者因硬件设备造价太高而无法实现的实验，其价值更为显现。在虚拟系统中着重体现人机交互，适度考虑实验冗余度，让学生还可以根据实验室提供的环境或条件，结合自己的学习情况或需要设计各种不同的实验方案或作出一定的假设，通过虚拟实验系统模拟便可直观地观察到这一设计方案或假设所产生的结果，从而验证其合理性或可行性。例如，在进行容量分析中，未加指示剂，等当点前后颜色、体积不正确读取方法等常见错误进行探索学习。

虚拟实验完全打破了传统实验的时空的限制，学生可以利用课余时间随时登录仿真实验教学网站，进入药物分析虚拟实验室，选择对应的实验项目，进行虚拟实验操作学习。虚拟实验室依托校园网，可以最大限度地实现教学资源共享，对网络教学、远程教育有着更加重要的帮助。

三、虚拟实验室在药物分析教学中的问题及对策

（一）存在问题

第一，以往教学实践中经常发生只相信真实实验临场教学效果或盲目崇拜虚拟仿真实验，认为可完全替代真实实验。实际上，虚拟仿真实验和真实实验各有优势，两者相辅相成，不能只强调一方。实践证明，虚拟实验在培养学生的自学能力，提高学生的学习积极性，弥补真实实验的不足等方面起着重要作用。但是，虚拟实验是源于现实的真实的实验过程仿真技术，它只是给出了一种高效快捷获得间接经验的手段。总之，真实实验才是教学科研的基础，虚拟实验只是补充、完善和扩展。 第二，在药物分析虚拟实验中，学生的视觉和触觉是通过键盘、鼠标和屏幕来完成的，替代真实实验中化玻、仪器真实触感，是现实世界感觉的简化浓缩，必然造成信息缺失，因此虚拟实验不能完全取代真实实验中的测试仪器和实验手段。学生对虚拟实验的感性认识不如真实实验的领悟彻底，由感性认识飞跃到理性认识缺乏必要的物质基础和必备条件，即使引入专家系统，对理性认识也不够完美深刻。

第三，在药物分析虚拟实验室里，是不可能穷极真实实验中出现的各种情况，尤其在细节描述仿真上，如学生根本无法体会实际操作中可能出现的各种误差，因为一般仿真实验还只是重在对实验主要过程与结果的虚拟，如将每一细节详细描述，必然造成软件庞大，费用高昂，要求虚拟实验室运行硬件配置豪华，这些都是有违虚拟实验室设计初衷的。因此，它也不能替代实际药物分析实验，即使是验证性实验。

第四，虽然在虚拟药分实验中模拟了错误和危险性实验，但其造成后果显然不如现实严酷，对人冲击力也远小于现实产生的效果，反而在现实中易导致人们产生错误的安全感，这种误导可能产生严重的后果，错误教训不够深刻，对日后学生成长十分不利。

第五，基于设计贯穿药物化学、分析化学、计算机与互联网技术、专家系统等多学科于一身的虚拟实验室难度十分巨大，目前国内药物分析虚拟实验室处于初级阶段，图形画面较为单一粗糙，设计思路狭窄，实验自由度受限制，模块之间衔接不顺利，鲁棒性不好，专家系统内容欠缺，人机交互不完美等问题存在，影响其广泛应用。

（二）方法建议

1.注重药分实验的真实性

准确的实验结果都是建立在真实实验基础上验证后的数据，这是绝对不能动摇的。虚拟实验室虽具有动画虚拟现实的能力，能够把教学中的抽象概念、原理和真实的实验过程等形象生动地表现出来，图谱、实验结果都是基于大量原始真实数据，采用数学算法等仿真模拟出来的，不能无限制类推，也没有穷极所有可能。所以，在用虚拟实验辅助实验教学时，一定要尊重客观规律，设定各种实验情景、实验器材，实验过程和结果才是符合客观事实的，否则会给学生以误导，以为虚拟可以替代真实实验。实际上，虚拟实验室建立是真实实验规律总结和升华，采用的是归纳法，而不按照客观条件盲目外延，有可能偏离事实本来面目，真实的实验结果和科学发现是不能演绎出来的，是实实在在做出来的。

2.注重教师在教学中的引导作用

虚拟实验虽然强调学生的主导地位，但教师的引导作用也不能忽略。实验前，教师应给学生提出与实验有关的问题，引导学生在实验中去探究思考，努力培养学生的思维、分析、解决问题的能力，减少学生实验的盲目性。实验中，教师应给学生及时提供反馈信息，以免影响实验的进程；实验结束后，教师应该组织学生讨论，进行实验总结。教师教学的引导作用不仅体现在虚拟实验使用操作上，也体现在虚拟实验室设计建立上，在设计之初，就要充分考虑到人机交互的和谐性，利用积累丰富的一线教学经验和扎实学科理论功底，预想到学生可能遇到的各种问题并且在关键环节上主动设计思考题，引导学生深入思考，及时纠正错误，在某种程度上讲，实验错误类型的完善就是系统成熟的重要标志。

3.弥补、修正虚拟实验自身的缺陷

人的感知是需要全方位，多媒体的刺激，才能印象深刻，而采用虚拟仿真技术描述现实世界中的实验环境和实验仪器属性是非常有限的，不可能穷极所有真实世界感性认识和理性认识，记忆感知肤浅。另外，虚拟实验容易给人产生满足感，可能因此导致学生失去对真实实验的信心，没有全面甚至错误领会实验内涵。因此，需额外进行：

第一，实验过程中的信息处理和认知能力的培养：虚拟实验室毕竟是预制好的实验方案，其冗余度不会设计过于复杂，但现实中偏差的可能数倍于系统方案，这就要注重培养学生具备临场感知和信息处理能力。

第二，学生年龄及性格特征的分析：年龄较小，偏内向的学生就应增加真实、减少虚拟，使之感知扎实，有利成长。

第三，真实空间感和运动能力感知的增进：因仅凭屏幕键盘建立起来的虚拟实验室，是一种抽象扭曲变形的空间，与真实世界有不同程度脱离，缺乏解决现实问题的能力。

第四，师生，人机交互机制的改进等等：学习不仅是面向冰冷的仪器设备，还需要师生、学生间情感沟通，这种交流对认知能力的提升也具有重要作用，这恰恰是虚拟实验室所不具备的。通过这些修正来克服虚拟实验自身带来的局限性。

4.处理好虚、实辩证关系

真实实验是建立虚拟实验室的基础，虚拟实验的局限性恰恰又是真实实验的优点，虚拟实验室又具有高效、快捷、环保、经济等特点，两者相辅相成，相得益彰。只有将它们恰当地运用起来，才能充分发挥好各自的优势，取得实验的最佳效果。例如对于基础性实验和验证性实验，可以采用真实仪器进行教学，虚拟实验做为预习和实验结束后的复习；对于综合性和设计性实验，可以先做虚拟实验后做真实实验；对于实验不明显或危险性场所的实验，或要用到现代先进技术或昂贵仪器才能完成的实验，完全可以采用计算机来虚拟完成。这样既可让学生有亲自接触和使用真实实验仪器设备的体验，又尽可能保证高质量的实验效果。

药物分析虚拟实验室是连接实验理论和真实实验之间的一座桥梁，让学生学习药物分析的目的性更加明确，保证实验的高效安全完成。学生在这种虚拟、真实实验的交互进行中，提高了学习和创新能力，既有真实实践的感性认知，又有虚拟世界的理性升华。学校也通过真实实验室和虚拟实验室的相互结合补充，改革了实验教学方法，提高了学生学习的主动性，提高了实验教学的质量。

参考文献

[2]单美贤.虚拟现实与教育相结合的理论依据[J].开放教育研究，2001，

（6）.

[3]杨建良.虚拟实验室在高校教学中的应用研究[J].中国现代教育装备，2008，

（10）.

[4]杨昱，徐雅琴，杨玉玲等.无机化学仿真虚拟实验室构建和实现方法研究[J].高等农业教育，2011，

（3）.

[5]刘慧中，周金娥，李月琴等.虚拟实验在医学化学实验中的应用[J].实验室科学，2013，

（1）.

[6]孙长霞.“虚拟实验室”在高等院校化学基础课程中的作用研究[J].安徽农业科学，2012，

（34）.

[8]焦龙，张群.运用虚拟实验室技术提高分析化学课程教学质量的探索[J].陕西教育学院学报，2011，

（3）.

[9]王明严，王正华.电子口岸模拟实训室特色建设探索与实践[J].继续教育，2014，

（7）.