1引言
随着环境问题的日益突出和备受关注，大型仪器分析技术已逐渐成为环境污染物监测的核心技术。大学生只有掌握大型仪器分析技能，才能更好地适应将来的环境管理工作和继续深造的需要。目前，由于大型仪器的工作原理较为复杂，操作仪器需要具备一定的熟练程度以及实验时间和空间等因素的限制，大型仪器实践教学主要偏重于理论知识的学习，实际操作方面存在很大的欠缺。实验室虚拟仿真技术通过在虚拟环境中模拟实验操作流程和实验过程[1]，让学生更真实地了解仪器工作原理、实验样品前处理、仪器操作、实验现象以及实验数据分析等一整套实验流程，从而全方位熟悉各类大型仪器的基本原理和上机操作。这样既弥补了大型仪器实验条件有限的不足，也达到了让学生更好地掌握上机操作技能的目的[2]。
济南大学水利与环境学院实验中心仪器分析实验室配备有各类大型分析仪器合计十六台，基本涵盖了环境领域用于样品分析的各种类型仪器，部分仪器不同型号有多台。为了更好地完成学院的实践教学工作，我院购置了一套开放式虚拟仿真实验教学管理平台.该平台采用C/S构架，通过教师客户端实现对学生端的虚拟仿真内容分发与控制功能的虚拟仿真教学管理。本文将大型仪器分析实验室与虚拟仿真实验教学管理平台相结合，探讨了如何将虚拟仿真技术应用在仪器分析实践教学中，从而让学生更好地掌握大型仪器分析技能。
2大型仪器设备管理现状
2.1仪器分析实验室的建立与发展
为了便于大型设备管理和提升大型设备运行效率，实验中心于2010年筹建仪器分析实验室，2012年升级改造，达到国家洁净实验室标准。目前，实验室总面积200余平方米，拥有电感耦合等离子体质谱仪等20余台大型仪器设备，主要承担环境科学、环境工程、水利工程和水文与水资源等相关研究领域的科研测试工作和部分实验课程。
2.2仪器分析实验室的基本管理模式
实验室实行专职人员岗位责任制管理模式。日常维护工作主要包括设备保养、仪器维修和相关配件和耗材的准备；操作培训主要包括大型设备定期与不定期使用培训、安全操作规范培训，以及自我提高培训等；安全管理主要包括环境安全管理、设备安全管理、操作人员安全考试，以及实验人员资格审查和落实各项实验室安全管理规定等；使用登记工作主要包括预约登记、使用记录、维护手册登记和实验结果登记等，通过详细登记设备使用人、开关机时间、样品数量、实验内容和设备状况等信息，为仪器设备的优化管理提供可靠数据。
2.3大型仪器设备的开放与共享
学院自建立仪器分析室就明确了“开放共享、服务学校、服务社会”的实验室建设理念，并积极践行，积累了一定的管理经验。2018年，学院积极响应学校关于大型仪器设备共享的号召，将学院22台具备条件的大型仪器设备全部纳入学校大型仪器设备共享平台系统建设中，全面实现了大型设备开放与共享信息化、透明化和便利化。目前，用户可以随时通过共享平台系统对纳入系统中的所有大型仪器设备信息、设备管理人员信息等进行查询，管理流程简单明了，设备利用率显著提高。
3大型仪器实践教学可行性分析
3.1设备共享与实践教学互相协调
当代科学发现普遍倚重于大型设备和仪器，单纯的理论描述既抽象又缺乏可行性，适当加入大型仪器设备应用实践教学，不但可以提高学生的兴趣，而且可以通过动手能力的培养提高学生在人才市场上的竞争优势，还可适当举办一些仪器设备操作技能大赛等，进一步推广实践能力培养的教学方式。大型仪器设备提高共享率的同时，在实践教学上也可以达到其共享目的，通过制定相应的管理制度，使之双赢。
3.2教学目标
通过大型仪器分析专业课程的学习，能够掌握常用仪器分析方法的原理和仪器结构，了解各方法的特点、应用范围及局限性，应用科学知识提高分析问题和解决问题的能力。在具备一定的实际操作能力以后，本科生们可以参与到导师的科研项目中[3]，也能够进行各种创新性实验，完成以实验研究为主，分析手段为大型仪器的研究性论文。我院实验中心仪器分析实验室目前配备各类大型分析仪器十六台，涵盖了目前环境领域用于样品分析的各种类型仪器，部分仪器不同型号有多台。这些仪器既为学院教师进行环境科学领域的科研工作提供了重要支撑，也为学院开设本科实践教学课程提供了优质的硬件条件。
3.3可行性
目前本学院实验中心的仪器分析实验室配备有三名专职实验员，主要负责设备保养、仪器维修和操作培训等。每台仪器还聘请了专职教师进行兼职管理，这些教师长期从事相关仪器的科研工作，在仪器的理论知识和实际操作方面都具有丰富的经验和充足的知识储备。因此，在大型仪器实践教学过程中，实验中心具备了强大的教师队伍，完全能够胜任实验课程的指导工作。
4仪器分析实验大纲的确定
4.1选择教学仪器
本学院实验中心仪器分析实验室目前有十六台大型仪器。在选择对本科实践教学开放的仪器时，主要遵循以下原则：首先是考虑选取在环境监测工作中使用较为频繁并具有代表性的仪器，如气相色谱仪等，这样才能达到实践教学课程的实用性的目的；其次，还要考虑虚拟仿真教学所选用的仪器尽量覆盖多种仪器类别，这样有利于教师进行实验课程的改革，同时让学生能够尽可能多地接触更丰富的仪器类型；最后，因为实践课课时的限制，尽量选择分析时间较短，较易上手的仪器设备。较为复杂的仪器或者需要使用气体的仪器也可以放在虚拟仿真数据库中，可以作为学生的练习作业或者将来用于大型仪器的培训课件。
综合以上原则，选择了气相色谱仪、液相色谱仪、荧光分光光度计和紫外分光光度计四台仪器开设实验课程。比表面分析仪、电感耦合等离子体质谱仪和原子吸收分光光度计等仪器由于实验过程太长，操作较为复杂，主要作为选修课和大型仪器培训课件来用。
4.2确定实验项目
为了让学生更好地学以致用，针对各类大型仪器的测试内容，并结合学院相关专业教师的研究课题，四台大型仪器的共同实验项目是仪器的基本原理和操作规程的学习，课时均为2课时，然后四台仪器各选择一个测试项目作为独立的实验项目，每个项目4课时，如表1所示。
5虚拟仿真教学系统的建立
5.1建立数据库
通过虚拟仿真技术，对四台仪器的操作过程进行VR展示培训。
1）气相色谱仪
（1）基本原理介绍；（2）操作注意事项；（3）试剂及材料准备；（4）色谱操作条件设定；（5）制作标准曲线；（6）粗笨中噻吩含量的测定[4]；（7）加标回收率测定；（8）重复性测定；（9）数据分析。
2）液相色谱仪
（1）基本原理介绍；（2）操作注意事项；（3）准备流动相、标样及样品；（4）排空操作及自检；（5）编辑分析方法；（6）多个样品重复测定；（7）数据分析。
3）荧光分光光度计
（1）基本原理介绍；（2）操作注意事项；（3）准备样品储备液和待测溶液；（4）建立样品文件及设定参数；（5）多个样品重复测定；（6）数据分析。
4）紫外分光光度计
（1）基本原理介绍；（2）操作注意事项；（3）样品及耗材准备；（4）校正基线；（5）光度测定；（6）扫描光谱；（7）数据分析。
5.2教学形式
采用虚实相结合的教学模式，首先通过虚拟仿真实验室进行实验过程的操作培训，指导学生在虚拟环境下完成仪器测试的全过程，这样就能够在实际操作仪器前熟练掌握仪器基本原理和操作流程[5]。同时，学生还需要了解仪器的日常维护方法以及常见的故障排除方法[6]。然后，学生进入仪器分析实验室进行现场实地操作，有效提高学生的学习效率，同时提高实践教学质量。最后，老师根据学生在虚拟仿真实验室的学习情况和实地上机报告来综合评估学生的学习成绩。这种利用虚拟仿真技术进行仪器设备使用培训的教学模式能够减小仪器设备的资源损耗，也能降低学生因操作不当而损坏仪器的概率，同时，教师可以将更多的精力放在实验课题的开发以及仪器设备的创新性应用方面，从而提高大型仪器实践课程的创新应用水平[7]。
5.3考核方式
考核方式分线上答题和线下上机操作两个部分，学生参加完虚拟仿真实验室的培训以后，必须通过上机操作考试才能进入实验室进行现场实地操作，然后完成实验报告。
6结语
大型仪器虚拟仿真实践教学是提高本科生实践教学质量、培养学生综合能力的有效方式。同时，通过虚拟仿真教学实验室的应用，让学生提前有效掌握大型仪器的基本原理和操作技能，减轻大型仪器课堂教学压力，从而进一步提高教学效果，节约仪器使用成本。总的来说，大型仪器虚拟仿真实践教学对于本科生的实践创新能力的培养具有非常重要的意义。
参考文献：
[1] 陈岩,郭贵荣. 虚拟仿真技术在仪器分析实验教学中的应用[J]. 实验室科学, 2020,23(6).
[2] 张磊,谢媛媛,王淑美. 虚拟仿真技术在常用大型分析仪器实验教学中的应用[J]. 中药与临床, 2020,11(5).
[3] 陈皓,袁园,刘海玲. 现代环境分析技术实验课程的建设与实践[J]. 实验室研究与探索, 2011,30(6).
[4] 张明明,王旭,王晓楠，等. 气相色谱法测定粗苯中噻吩含量[J]. 鞍钢技术, 2020,5.
[5] 张燕,郝慧,王作昭，等. 气相色谱质谱联用仪虚拟仿真实验的建立及应用[J]. 畜牧与兽医, 2019,51(4).
[6] 汤海峰, 刘艳, 闫国栋，等. 开展线上线下混合式教学助推大型仪器面向本科生开放 [J]. 实验技术与管理, 2020,37(11).
[7] 陶冬冰, 梁莎莎, 张旋，等. 虚拟仿真技术在高校大型仪器共享平台管理中的应用研究[J]. 实验技术与管理, 2020,37(4).
作者简介：刘长春（1985—），女，湖北宜城，博士，实验师，主要从事大型仪器实践教学研究。
