Netlogo虚拟仿真建模在仪器分析教学改革中的实践应用研究

［摘要］仪器分析课程具有理论与实践并重的特点，尤其是理论部分抽象难解，传统的教学手段和模式已无法激发学生学习的兴趣。分析仪器分析课程教学现状，指出课程存在的问题，同时阐述了Netlogo虚拟仿真软件的优点，对其应用于教学实践过程的效果进行了分析，并展望了Netlogo软件在仪器分析课程教学中的应用及发展，旨在为探索Netlogo虚拟仿真软件融入仪器分析课程教学及考试改革提供实践基础。［关键词］仪器分析；Netlogo；虚拟仿真建模；教学效果评价仪器分析作为药学、食品科学、化学工程等相关专业的基础课程之一，主要是通过使用仪器设备测定物质的理化性质的参数及参数变化，来确定其结构组成及含量的一门学科。现在一些大型制药企业已经将能否熟练应用大型分析仪器作为员工录用的先决条件[1]。由于仪器分析课程具有理论和实践性并重的特点，特别是这门课程涉及的仪器工作原理和结构等基础知识，传统的教学手段和模式已经无法适应信息技术时代学生接受新知识速度的要求，在枯燥的抽象原理和复杂的精密仪器结构的讲授中显得尤为突出，呈现出的教学效果也不够理想。目前各学校大型仪器试验教学中也存在资源紧张、运行成本高、实验操作要求高、仪器内部结构不易观察等问题，影响了实践教学效果。Netlogo软件基于现代教育学理念，教师可自行编程建模，实现虚拟仿真可视化教学效果[2]。该软件由美国西北大学连接学习与计算机建模中心（CenterforConnectedlearningandComputer-BasedModeling，CCL）开发，目的是为科学研究和教育提供易用且强大的计算机辅助工具[3]。其界面简洁、语法简单，深受科学研究者的青睐，已经被广泛地应用在社会科学和自然科学的研究中[4-7]。此外，Netlogo具有信息可视化、提高认知能力和思维能力的特性，被应用于生态学、生物学、计算机辅助教学、统计实验等课程教学中[8-10]，但是关于Netlogo在仪器分析教学改革中的研究鲜有报道。本文首先总结了仪器分析实践教学现状，然后探索了计算机仿真模型运用于仪器分析教学的可能性，旨在为仪器分析课程教学改革提供依据。一、仪器分析课程教学现状仪器分析是分析化学的分支，为药学、食品科学、化学工程等专业的平台课程，是一门技术含量高、综合动手能力强的应用课程。授课内容包括电化学分析、紫外可见吸收光谱分析、红外吸收光谱分析、荧光光谱分析、原子吸收光谱分析、气相色谱分析、高校液相色谱分析等，学科交叉广，知识点分散，学生理解困难，仅靠课本学习很难真正理解和掌握。（一）课程内容抽象难解仪器分析课程的理论部分知识点偏多且抽象难解，传统的授课方式采用讲述及PPT演示、图片展示，尤其在讲授原子吸收仪、液相色谱仪、气相色谱仪的原理时，明显感受到学生理解困难，虽有部分视频动态的呈现形式，但内容过于单一、缺乏系统性，多数情况下学校仪器数量有限，即便带领学生在实验室讲解仪器，也不能保证教学效果[11]。加上课时受限，学生独立操作仪器的机会较少，甚至难以掌握仪器操作的关键要点。高职院校生源复杂，学生基础参差不齐，如果学生课堂上无法及时理解和消化所学，日积月累，学习积极性便会降低，厌学情绪也会提升，此情景下新的教学方法、理念的引入显得格外重要。若选择视频动画教学、问题引入教学等方法，线上布置作业，以奖励的形式鼓励学生参与其中，虽在一定程度上能调动学生的积极性，但是学生仪器操作的需求仍无法满足，对于难理解的知识点也不能通过实践操作加强记忆。如此，在仪器条件较为有限的前提下，如何增强学生的参与感引导学生主动思考以及如何锻炼学生的动手能力是本门课程改革的重点。（二）仪器缺乏保养影响实践教学效果目前使用的部分仪器过于陈旧，也缺乏专人保养，导致实践教学环节仅有部分仪器可以正常运行。如上海安亭电子ZYT-2型自动永停滴定仪仅在仪器分析课程实践教学环节使用，每年使用频次最多不超过2次，由于缺乏对电极的维护，探头对溶液中的离子不敏感，每次使用前需进行维修与调试，滴定精密度也受到一定的影响。实验室所使用的高效液相色谱仪为赛默飞U3000色谱仪，柱子没有维护，25cm长的C18色谱硅胶柱流速保持1ml/min，纯甲醇相下柱压会达到1300psi，高于平均值30%，紫外可见分光光度仪也经常提示灯的能量偏低需要更换。（三）课程实践内容设置与岗位匹配度不够2019年国务院印发了《国家职业教育改革实施方案》，指出把职业技能等级纳入专业课程体系建设，深化课证融通[12]。仪器分析教学包含理论教学和实践技能教学两部分，在原有的教学设计中未能围绕课政融通展开，知识点独立，学生虽然掌握了基本的分析方法及基本仪器实践操作，但是教学内容设计与实际工作岗位不匹配，缺乏与企业质检岗位等的适配性。近年来学校强调人才培养要以企业需求为导向，加强实验技能教学改革，教师也在暑假下知名制药企业参与实践锻炼，目的是推进校企合作产教融合。然而同一个产品不同企业的标准有所不同，包括一些前处理的制样方法也有所差异，这无形中增加了实践项目设计的难度。就简单一个容量瓶定容，有的企业是手持容量瓶，保持垂直姿势定容，有的要求放在水平桌面上定容，因此，在课程模块化设计与企业岗位匹配的同时，还应规范学生的实践操作。（四）考核形式缺乏合理性课程传统的考核形式就是笔试，主要的题型包括单选题、填空题、简答题和计算题，形式比较死板。实践考试主要根据学生的实习报告评定，很难真正实现对学生操作技能的考核。曾经尝试以抽题的形式考查学生的实践操作技能，但是由于学生数量庞大、监考教师较少、考试周期长等原因，也很难推广。加之职业院校的学生基础知识比较薄弱，采取传统的方式考核，学生思想压力过大，积极性并不很高，故需要建立多元评估模式。二、Netlogo虚拟仿真建模的优点随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术在各个领域得到了广泛应用，它可借助计算机理念和技术在多维信息空间上创建虚拟的信息环境，使用户身临其境，并能通过模拟方式进行反复练习。与传统教学枯燥乏味相比，教师采用虚拟仿真进行教学更显生动形象，其操作场景更加真实，学生能够在较短时间内进入状态，并在此情景下进行操作。近年来，虚拟仿真试验技术被广泛运用于药剂学、中药学、药物化学、药事管理等课程。如果将虚拟仿真与现实试验相结合，不仅可以弥补传统化学试验的不足，还能培养学生实事求是的科学态度、缜密的科研思维和敏锐的科研创新能力。这将大大促进教学质量的提升，全面促进教学效果的提升和教育教学模式的变革。Netlogo是多主体建模仿真集成环境，特别适合对随时间演化的复杂系统进行建模仿真。在Netlogo中，多个移动主体分布在二维空间中，每个主体自主行动，所有主体并行更新，整个系统随着时间推进而动态变化，同时提供了多种手段实现仿真运行监视和结果输出，这使研究从微观个体行为，到个体相互作用而涌现出来的宏观现象之间的联系更加便捷和准确[13]。Netlogo收集了许多复杂系统经典模型，涵盖数学、物理、化学、生物、计算机、经济、社会等领域。这些模型可以直接运行，也可以供建模人员阅读经典实例的程序代码，学习建模技术，或者在研究相关问题时以此为基础进行扩展或修改，大大减小了技术难度和减少了工作量。Netlogo也有自身独特的优势，主要表现在以下几个方面。（一）易操作性Netlogo实现了社会与自然现象的仿真，平台的主视界面自带Patch（瓦片）、Observer（观察者）、Turtle（海龟）、Link（链）等多种类型的Agent[14]，其中海龟为各类不同属性的独立个体，可代表人、动植物、汽车、分子等，瓦片为承载海龟的组成部分构成世界的网络，相当于海龟的生长环境，可以是整个环境、一个城市、一片草地等，链为连接海龟间的逻辑关系，观察者俯瞰由瓦片和海龟组成的二维世界，通过输入指令，控制主体属性和行为以达到控制仿真世界运行的目的，适合于随时间推进演变的复杂系统建模，如网络舆情信息传播机制研究[15]、人群紧急疏散过程研究[16]、病毒传播模型的构建[17]、气候变化研究[18]、股指期货市场交易策略研究等[19]。Netlogo采用Logo语言，更接近自然语言，且含有许多内置命令和语言，使用者仅需使用较少的语句就能实现模型的编译和调试，降低了编程难度，有助于研究者改进模型，从而缩短研究周期。软件的数据处理功能强大，导出格式为CSV格式，也可用Excel读取，可帮助学生以图表和图形等形式呈现模型结果。此外，其操作界面友好，提供了按钮、滚条、窗口等应用模块，界面还包含一个工作区和可供选择的模型元素，在不懂编程的情况下也能有效建模。（二）软件兼容性强Netlogo软件可在Windows、Linux、MacOS等操作系统上运行，模型存为JavaApplet后，安装Java1.4.1以上的浏览器上也可运行，对电脑的配置要求不高，占用内存少，运行速度较快，还能通过添加新命令、函数和模型定义等拓展功能[20]。（三）多领域模型库，教学功能强大Netlogo软件可用于多种学科的教学，自带的模型库（ModelsLibrary）包含课程模型和样本模型，其中样本模型包括自然科学领域和社会科学领域，自然科学领域主要涉及生物学、物理、化学、军事、城市交通等，而社会科学领域主要包括财富分配、谣言传播、种族隔离等。Netlogo有一个BehaviorSpace（行为空间）插件，可进行重复性实验，可以是相同参数的重复性实验，也可以是调整参数进行的重复性实验，可减弱仿真系统的随机性。同时模型库所提供的经典模型可自由切换与修改，为初学者提供学习素材，降低建模难度。此外，Netlogo软件还可构建学生评教仿真模型，模拟随时间推移学生关系对评教结果的影响，结果表明学生个性对教学评价起决定性作用，缺乏自主性的学生评价会随着时间推移转变为异常评价[21]。三、Netlogo虚拟仿真建模在仪器分析教学改革中的实践应用（一）Netlogo在仪器分析中的实例介绍打开运行Netlogo软件，从系统自带的模型中选择需要的模型，仪器分析属于化学类范畴，如果教师向学生提问：“请阐述什么是空间排阻色谱法，它与吸附色谱有何区别。”高职学生生源复杂，层次明显。学生通常不能根据教师的讲解解释两者的区别，若配合Netlogo模型库中的模型进行验证，可通过观察交互界面呈现出的粒子运动趋势区分空间排阻色谱和吸附色谱。提问：“如果是微量组分的分离，应该选择哪种空间排阻色谱或是吸附色谱呢？”教师将柱子的长度改变，要求学生预测分离效果有何变化。例如提问：“随着柱长的增加或者柱子变窄，分离效果与原先相比是如何变化的？这与你的预测是一致的吗？”接着学生修改模型，根据观察到的系统呈现并与初始预测进行比较。学生使用Netlogo软件辅助学习后，回答问题的方式从之前的死记硬背转为概念理解与逻辑推理。应用Netlogo的学习过程中，A学生很清楚地看到大分子渗入微孔的程度低，滞留时间短；小分子渗入微孔的程度高，滞留时间长。Netlogo可视化的动态效果能够促进学生对复杂和抽象问题的理解，更适合于高职学生的教学，同时该模型提供对应的工具和环境，支持学生参与现象探索，激发学生学习兴趣。（二）教学效果评价以笔者所在学院2022级药学专业学习仪器分析的80名学生为研究对象，随机选取药学25班（41人）为对照组进行常规教学，药学26班（39人）为实验组，基于Netlogo仿真建模进行混合式教学。两组学生生源来源一致、年龄、性别均无显著差异。根据药学专业人才培养方案，仪器分析共50学时，理论讲授30学时，课上实验20学时，主要教学内容包括电化学分析技术、光学分析技术导论、紫外可见吸收光谱分析技术、红外吸收光谱分析技术、荧光光谱分析技术、色谱分析技术、气相色谱分析技术和高效液相色谱分析技术等九大部分。我们以考试成绩比较（理论考试结合实操考试）及问卷调查的形式对教学效果进行评价，共发放问卷39份，收回有效问卷39份，回收率为100%。由表1可知，实验组的平时成绩、理论成绩、实操成绩均显著高于对照组（u＞2.58）。又对实验组学生进行了教学满意度调查，结果见图1。绝大部分学生对Netlogo仿真建模混合式教学表示满意，其中53.85%的学生表示对Netlogo软件引入仪器分析教学表示满意，30.77%的学生表示非常满意，12.82%的学生表示比较满意，而2.56%的学生表示不满意，主要是因为Netlogo软件自带模型库资源受限。四、结束语Netlogo软件引入仪器分析课程本身就是一个探索的过程，国内对Netlogo软件的研究处于起步阶段，软件自带资源库有限，部分内嵌化学模型自身也存在缺陷，给使用和推广造成了一定的不便。但是化学专业的教师可与计算机专业教师强强联合，借助Java语言对自带模型进行完善或者编制一些更适合于高职学生的优秀模型，这也是一项很有意义的教学研究工作[22]。在信息化教学改革的时代背景下，利用Netlogo虚拟仿真建模软件可帮助学生强化重点知识，突破难点知识，培养学生的逻辑推理能力，激发学习兴趣。首先，在一定程度上，Netlogo软件引入仪器分析课程的确有助于培养学生的自学能力，学生可以通过自