Netlogo虛擬仿真建模在儀器分析教學(xué)改革中的實(shí)踐應(yīng)用研究

［摘要］儀器分析課程具有理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)，尤其是理論部分抽象難解，傳統(tǒng)的教學(xué)手段和模式已無(wú)法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。分析儀器分析課程教學(xué)現(xiàn)狀，指出課程存在的問(wèn)題，同時(shí)闡述了Netlogo虛擬仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐過(guò)程的效果進(jìn)行了分析，并展望了Netlogo軟件在儀器分析課程教學(xué)中的應(yīng)用及發(fā)展，旨在為探索Netlogo虛擬仿真軟件融入儀器分析課程教學(xué)及考試改革提供實(shí)踐基礎(chǔ)。［關(guān)鍵詞］儀器分析；Netlogo；虛擬仿真建模；教學(xué)效果評(píng)價(jià)儀器分析作為藥學(xué)、食品科學(xué)、化學(xué)工程等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，主要是通過(guò)使用儀器設(shè)備測(cè)定物質(zhì)的理化性質(zhì)的參數(shù)及參數(shù)變化，來(lái)確定其結(jié)構(gòu)組成及含量的一門學(xué)科?，F(xiàn)在一些大型制藥企業(yè)已經(jīng)將能否熟練應(yīng)用大型分析儀器作為員工錄用的先決條件[1]。由于儀器分析課程具有理論和實(shí)踐性并重的特點(diǎn)，特別是這門課程涉及的儀器工作原理和結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)手段和模式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)信息技術(shù)時(shí)代學(xué)生接受新知識(shí)速度的要求，在枯燥的抽象原理和復(fù)雜的精密儀器結(jié)構(gòu)的講授中顯得尤為突出，呈現(xiàn)出的教學(xué)效果也不夠理想。目前各學(xué)校大型儀器試驗(yàn)教學(xué)中也存在資源緊張、運(yùn)行成本高、實(shí)驗(yàn)操作要求高、儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀察等問(wèn)題，影響了實(shí)踐教學(xué)效果。Netlogo軟件基于現(xiàn)代教育學(xué)理念，教師可自行編程建模，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真可視化教學(xué)效果[2]。該軟件由美國(guó)西北大學(xué)連接學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)建模中心（CenterforConnectedlearningandComputer-BasedModeling，CCL）開(kāi)發(fā)，目的是為科學(xué)研究和教育提供易用且強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助工具[3]。其界面簡(jiǎn)潔、語(yǔ)法簡(jiǎn)單，深受科學(xué)研究者的青睞，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)的研究中[4-7]。此外，Netlogo具有信息可視化、提高認(rèn)知能力和思維能力的特性，被應(yīng)用于生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)等課程教學(xué)中[8-10]，但是關(guān)于Netlogo在儀器分析教學(xué)改革中的研究鮮有報(bào)道。本文首先總結(jié)了儀器分析實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，然后探索了計(jì)算機(jī)仿真模型運(yùn)用于儀器分析教學(xué)的可能性，旨在為儀器分析課程教學(xué)改革提供依據(jù)。一、儀器分析課程教學(xué)現(xiàn)狀儀器分析是分析化學(xué)的分支，為藥學(xué)、食品科學(xué)、化學(xué)工程等專業(yè)的平臺(tái)課程，是一門技術(shù)含量高、綜合動(dòng)手能力強(qiáng)的應(yīng)用課程。授課內(nèi)容包括電化學(xué)分析、紫外可見(jiàn)吸收光譜分析、紅外吸收光譜分析、熒光光譜分析、原子吸收光譜分析、氣相色譜分析、高校液相色譜分析等，學(xué)科交叉廣，知識(shí)點(diǎn)分散，學(xué)生理解困難，僅靠課本學(xué)習(xí)很難真正理解和掌握。（一）課程內(nèi)容抽象難解儀器分析課程的理論部分知識(shí)點(diǎn)偏多且抽象難解，傳統(tǒng)的授課方式采用講述及PPT演示、圖片展示，尤其在講授原子吸收儀、液相色譜儀、氣相色譜儀的原理時(shí)，明顯感受到學(xué)生理解困難，雖有部分視頻動(dòng)態(tài)的呈現(xiàn)形式，但內(nèi)容過(guò)于單一、缺乏系統(tǒng)性，多數(shù)情況下學(xué)校儀器數(shù)量有限，即便帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室講解儀器，也不能保證教學(xué)效果[11]。加上課時(shí)受限，學(xué)生獨(dú)立操作儀器的機(jī)會(huì)較少，甚至難以掌握儀器操作的關(guān)鍵要點(diǎn)。高職院校生源復(fù)雜，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，如果學(xué)生課堂上無(wú)法及時(shí)理解和消化所學(xué)，日積月累，學(xué)習(xí)積極性便會(huì)降低，厭學(xué)情緒也會(huì)提升，此情景下新的教學(xué)方法、理念的引入顯得格外重要。若選擇視頻動(dòng)畫教學(xué)、問(wèn)題引入教學(xué)等方法，線上布置作業(yè)，以獎(jiǎng)勵(lì)的形式鼓勵(lì)學(xué)生參與其中，雖在一定程度上能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，但是學(xué)生儀器操作的需求仍無(wú)法滿足，對(duì)于難理解的知識(shí)點(diǎn)也不能通過(guò)實(shí)踐操作加強(qiáng)記憶。如此，在儀器條件較為有限的前提下，如何增強(qiáng)學(xué)生的參與感引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考以及如何鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力是本門課程改革的重點(diǎn)。（二）儀器缺乏保養(yǎng)影響實(shí)踐教學(xué)效果目前使用的部分儀器過(guò)于陳舊，也缺乏專人保養(yǎng)，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)僅有部分儀器可以正常運(yùn)行。如上海安亭電子ZYT-2型自動(dòng)永停滴定儀僅在儀器分析課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)使用，每年使用頻次最多不超過(guò)2次，由于缺乏對(duì)電極的維護(hù)，探頭對(duì)溶液中的離子不敏感，每次使用前需進(jìn)行維修與調(diào)試，滴定精密度也受到一定的影響。實(shí)驗(yàn)室所使用的高效液相色譜儀為賽默飛U3000色譜儀，柱子沒(méi)有維護(hù)，25cm長(zhǎng)的C18色譜硅膠柱流速保持1ml/min，純甲醇相下柱壓會(huì)達(dá)到1300psi，高于平均值30%，紫外可見(jiàn)分光光度儀也經(jīng)常提示燈的能量偏低需要更換。（三）課程實(shí)踐內(nèi)容設(shè)置與崗位匹配度不夠2019年國(guó)務(wù)院印發(fā)了《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》，指出把職業(yè)技能等級(jí)納入專業(yè)課程體系建設(shè)，深化課證融通[12]。儀器分析教學(xué)包含理論教學(xué)和實(shí)踐技能教學(xué)兩部分，在原有的教學(xué)設(shè)計(jì)中未能圍繞課政融通展開(kāi)，知識(shí)點(diǎn)獨(dú)立，學(xué)生雖然掌握了基本的分析方法及基本儀器實(shí)踐操作，但是教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)際工作崗位不匹配，缺乏與企業(yè)質(zhì)檢崗位等的適配性。近年來(lái)學(xué)校強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)要以企業(yè)需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技能教學(xué)改革，教師也在暑假下知名制藥企業(yè)參與實(shí)踐鍛煉，目的是推進(jìn)校企合作產(chǎn)教融合。然而同一個(gè)產(chǎn)品不同企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)有所不同，包括一些前處理的制樣方法也有所差異，這無(wú)形中增加了實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難度。就簡(jiǎn)單一個(gè)容量瓶定容，有的企業(yè)是手持容量瓶，保持垂直姿勢(shì)定容，有的要求放在水平桌面上定容，因此，在課程模塊化設(shè)計(jì)與企業(yè)崗位匹配的同時(shí)，還應(yīng)規(guī)范學(xué)生的實(shí)踐操作。（四）考核形式缺乏合理性課程傳統(tǒng)的考核形式就是筆試，主要的題型包括單選題、填空題、簡(jiǎn)答題和計(jì)算題，形式比較死板。實(shí)踐考試主要根據(jù)學(xué)生的實(shí)習(xí)報(bào)告評(píng)定，很難真正實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生操作技能的考核。曾經(jīng)嘗試以抽題的形式考查學(xué)生的實(shí)踐操作技能，但是由于學(xué)生數(shù)量龐大、監(jiān)考教師較少、考試周期長(zhǎng)等原因，也很難推廣。加之職業(yè)院校的學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱，采取傳統(tǒng)的方式考核，學(xué)生思想壓力過(guò)大，積極性并不很高，故需要建立多元評(píng)估模式。二、Netlogo虛擬仿真建模的優(yōu)點(diǎn)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它可借助計(jì)算機(jī)理念和技術(shù)在多維信息空間上創(chuàng)建虛擬的信息環(huán)境，使用戶身臨其境，并能通過(guò)模擬方式進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。與傳統(tǒng)教學(xué)枯燥乏味相比，教師采用虛擬仿真進(jìn)行教學(xué)更顯生動(dòng)形象，其操作場(chǎng)景更加真實(shí)，學(xué)生能夠在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入狀態(tài)，并在此情景下進(jìn)行操作。近年來(lái)，虛擬仿真試驗(yàn)技術(shù)被廣泛運(yùn)用于藥劑學(xué)、中藥學(xué)、藥物化學(xué)、藥事管理等課程。如果將虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合，不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)試驗(yàn)的不足，還能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、縝密的科研思維和敏銳的科研創(chuàng)新能力。這將大大促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升，全面促進(jìn)教學(xué)效果的提升和教育教學(xué)模式的變革。Netlogo是多主體建模仿真集成環(huán)境，特別適合對(duì)隨時(shí)間演化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。在Netlogo中，多個(gè)移動(dòng)主體分布在二維空間中，每個(gè)主體自主行動(dòng)，所有主體并行更新，整個(gè)系統(tǒng)隨著時(shí)間推進(jìn)而動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)提供了多種手段實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行監(jiān)視和結(jié)果輸出，這使研究從微觀個(gè)體行為，到個(gè)體相互作用而涌現(xiàn)出來(lái)的宏觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系更加便捷和準(zhǔn)確[13]。Netlogo收集了許多復(fù)雜系統(tǒng)經(jīng)典模型，涵蓋數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計(jì)算機(jī)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等領(lǐng)域。這些模型可以直接運(yùn)行，也可以供建模人員閱讀經(jīng)典實(shí)例的程序代碼，學(xué)習(xí)建模技術(shù)，或者在研究相關(guān)問(wèn)題時(shí)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展或修改，大大減小了技術(shù)難度和減少了工作量。Netlogo也有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（一）易操作性Netlogo實(shí)現(xiàn)了社會(huì)與自然現(xiàn)象的仿真，平臺(tái)的主視界面自帶Patch（瓦片）、Observer（觀察者）、Turtle（海龜）、Link（鏈）等多種類型的Agent[14]，其中海龜為各類不同屬性的獨(dú)立個(gè)體，可代表人、動(dòng)植物、汽車、分子等，瓦片為承載海龜?shù)慕M成部分構(gòu)成世界的網(wǎng)絡(luò)，相當(dāng)于海龜?shù)纳L(zhǎng)環(huán)境，可以是整個(gè)環(huán)境、一個(gè)城市、一片草地等，鏈為連接海龜間的邏輯關(guān)系，觀察者俯瞰由瓦片和海龜組成的二維世界，通過(guò)輸入指令，控制主體屬性和行為以達(dá)到控制仿真世界運(yùn)行的目的，適合于隨時(shí)間推進(jìn)演變的復(fù)雜系統(tǒng)建模，如網(wǎng)絡(luò)輿情信息傳播機(jī)制研究[15]、人群緊急疏散過(guò)程研究[16]、病毒傳播模型的構(gòu)建[17]、氣候變化研究[18]、股指期貨市場(chǎng)交易策略研究等[19]。Netlogo采用Logo語(yǔ)言，更接近自然語(yǔ)言，且含有許多內(nèi)置命令和語(yǔ)言，使用者僅需使用較少的語(yǔ)句就能實(shí)現(xiàn)模型的編譯和調(diào)試，降低了編程難度，有助于研究者改進(jìn)模型，從而縮短研究周期。軟件的數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，導(dǎo)出格式為CSV格式，也可用Excel讀取，可幫助學(xué)生以圖表和圖形等形式呈現(xiàn)模型結(jié)果。此外，其操作界面友好，提供了按鈕、滾條、窗口等應(yīng)用模塊，界面還包含一個(gè)工作區(qū)和可供選擇的模型元素，在不懂編程的情況下也能有效建模。（二）軟件兼容性強(qiáng)Netlogo軟件可在Windows、Linux、MacOS等操作系統(tǒng)上運(yùn)行，模型存為JavaApplet后，安裝Java1.4.1以上的瀏覽器上也可運(yùn)行，對(duì)電腦的配置要求不高，占用內(nèi)存少，運(yùn)行速度較快，還能通過(guò)添加新命令、函數(shù)和模型定義等拓展功能[20]。（三）多領(lǐng)域模型庫(kù)，教學(xué)功能強(qiáng)大Netlogo軟件可用于多種學(xué)科的教學(xué)，自帶的模型庫(kù)（ModelsLibrary）包含課程模型和樣本模型，其中樣本模型包括自然科學(xué)領(lǐng)域和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，自然科學(xué)領(lǐng)域主要涉及生物學(xué)、物理、化學(xué)、軍事、城市交通等，而社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域主要包括財(cái)富分配、謠言傳播、種族隔離等。Netlogo有一個(gè)BehaviorSpace（行為空間）插件，可進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，可以是相同參數(shù)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，也可以是調(diào)整參數(shù)進(jìn)行的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，可減弱仿真系統(tǒng)的隨機(jī)性。同時(shí)模型庫(kù)所提供的經(jīng)典模型可自由切換與修改，為初學(xué)者提供學(xué)習(xí)素材，降低建模難度。此外，Netlogo軟件還可構(gòu)建學(xué)生評(píng)教仿真模型，模擬隨時(shí)間推移學(xué)生關(guān)系對(duì)評(píng)教結(jié)果的影響，結(jié)果表明學(xué)生個(gè)性對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)起決定性作用，缺乏自主性的學(xué)生評(píng)價(jià)會(huì)隨著時(shí)間推移轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓Ｔu(píng)價(jià)[21]。三、Netlogo虛擬仿真建模在儀器分析教學(xué)改革中的實(shí)踐應(yīng)用（一）Netlogo在儀器分析中的實(shí)例介紹打開(kāi)運(yùn)行Netlogo軟件，從系統(tǒng)自帶的模型中選擇需要的模型，儀器分析屬于化學(xué)類范疇，如果教師向?qū)W生提問(wèn)：“請(qǐng)闡述什么是空間排阻色譜法，它與吸附色譜有何區(qū)別?！备呗殞W(xué)生生源復(fù)雜，層次明顯。學(xué)生通常不能根據(jù)教師的講解解釋兩者的區(qū)別，若配合Netlogo模型庫(kù)中的模型進(jìn)行驗(yàn)證，可通過(guò)觀察交互界面呈現(xiàn)出的粒子運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)區(qū)分空間排阻色譜和吸附色譜。提問(wèn)：“如果是微量組分的分離，應(yīng)該選擇哪種空間排阻色譜或是吸附色譜呢？”教師將柱子的長(zhǎng)度改變，要求學(xué)生預(yù)測(cè)分離效果有何變化。例如提問(wèn)：“隨著柱長(zhǎng)的增加或者柱子變窄，分離效果與原先相比是如何變化的？這與你的預(yù)測(cè)是一致的嗎？”接著學(xué)生修改模型，根據(jù)觀察到的系統(tǒng)呈現(xiàn)并與初始預(yù)測(cè)進(jìn)行比較。學(xué)生使用Netlogo軟件輔助學(xué)習(xí)后，回答問(wèn)題的方式從之前的死記硬背轉(zhuǎn)為概念理解與邏輯推理。應(yīng)用Netlogo的學(xué)習(xí)過(guò)程中，A學(xué)生很清楚地看到大分子滲入微孔的程度低，滯留時(shí)間短；小分子滲入微孔的程度高，滯留時(shí)間長(zhǎng)。Netlogo可視化的動(dòng)態(tài)效果能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)復(fù)雜和抽象問(wèn)題的理解，更適合于高職學(xué)生的教學(xué)，同時(shí)該模型提供對(duì)應(yīng)的工具和環(huán)境，支持學(xué)生參與現(xiàn)象探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。（二）教學(xué)效果評(píng)價(jià)以筆者所在學(xué)院2022級(jí)藥學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)儀器分析的80名學(xué)生為研究對(duì)象，隨機(jī)選取藥學(xué)25班（41人）為對(duì)照組進(jìn)行常規(guī)教學(xué)，藥學(xué)26班（39人）為實(shí)驗(yàn)組，基于Netlogo仿真建模進(jìn)行混合式教學(xué)。兩組學(xué)生生源來(lái)源一致、年齡、性別均無(wú)顯著差異。根據(jù)藥學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，儀器分析共50學(xué)時(shí)，理論講授30學(xué)時(shí)，課上實(shí)驗(yàn)20學(xué)時(shí)，主要教學(xué)內(nèi)容包括電化學(xué)分析技術(shù)、光學(xué)分析技術(shù)導(dǎo)論、紫外可見(jiàn)吸收光譜分析技術(shù)、紅外吸收光譜分析技術(shù)、熒光光譜分析技術(shù)、色譜分析技術(shù)、氣相色譜分析技術(shù)和高效液相色譜分析技術(shù)等九大部分。我們以考試成績(jī)比較（理論考試結(jié)合實(shí)操考試）及問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，共發(fā)放問(wèn)卷39份，收回有效問(wèn)卷39份，回收率為100%。由表1可知，實(shí)驗(yàn)組的平時(shí)成績(jī)、理論成績(jī)、實(shí)操成績(jī)均顯著高于對(duì)照組（u＞2.58）。又對(duì)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)滿意度調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)圖1。絕大部分學(xué)生對(duì)Netlogo仿真建?；旌鲜浇虒W(xué)表示滿意，其中53.85%的學(xué)生表示對(duì)Netlogo軟件引入儀器分析教學(xué)表示滿意，30.77%的學(xué)生表示非常滿意，12.82%的學(xué)生表示比較滿意，而2.56%的學(xué)生表示不滿意，主要是因?yàn)镹etlogo軟件自帶模型庫(kù)資源受限。四、結(jié)束語(yǔ)Netlogo軟件引入儀器分析課程本身就是一個(gè)探索的過(guò)程，國(guó)內(nèi)對(duì)Netlogo軟件的研究處于起步階段，軟件自帶資源庫(kù)有限，部分內(nèi)嵌化學(xué)模型自身也存在缺陷，給使用和推廣造成了一定的不便。但是化學(xué)專業(yè)的教師可與計(jì)算機(jī)專業(yè)教師強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，借助Java語(yǔ)言對(duì)自帶模型進(jìn)行完善或者編制一些更適合于高職學(xué)生的優(yōu)秀模型，這也是一項(xiàng)很有意義的教學(xué)研究工作[22]。在信息化教學(xué)改革的時(shí)代背景下，利用Netlogo虛擬仿真建模軟件可幫助學(xué)生強(qiáng)化重點(diǎn)知識(shí)，突破難點(diǎn)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。首先，在一定程度上，Netlogo軟件引入儀器分析課程的確有助于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，學(xué)生可以通過(guò)自