用Flash制作水產學虛擬實驗

何玲 許勇 張方玉 劉宇翔 唐譽丹 劉艷艷

摘要：隨著計算機技術在實驗教學應用中的普及，虛擬實驗的作用和優勢日漸明顯。Flash由于其豐富的交互特性以及強大的ActionScript編程功能可以運用于虛擬實驗的設計和開發。本文詳細論述了水產學中水域環境測定水耗氧量實驗的方法和為其制作虛擬實驗的關鍵技術。

關鍵詞：flash;虛擬實驗;水產學;水耗氧量測定

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0267-02

一、虛擬實驗室簡介

隨著信息技術的飛速發展，計算機輔助教學作為現代化的教學方式，已在教學改革中受到高度的重視，使教學水平和教學效率不斷提高。其中具有良好交互性的虛擬實驗室是信息技術與具體學科相整合的先進的實驗教學方式。“虛擬實驗室”即在計算機上模擬真實的實驗環境和實驗過程，學生只要在一臺計算機上就可以開展實驗。完整的虛擬實驗室系統由虛擬實驗臺、虛擬器材庫、虛擬實驗項目和基于web的實驗室管理系統組成。當然，其中虛擬實驗項目是整個系統的核心。使用Flash開發虛擬實驗，技術難度適中，功能易于擴展，便于連接后臺數據庫形成集實驗教學系統，因此本系統采用Flash作為虛擬實驗項目的開發工具。虛擬實驗室可以基于各種學科的搭建。水產養殖學是一門重視實驗的學科，但是為了保證實驗安全、難度適中、實驗材料獲取方便，所以目前開設的實驗往往相對保守。實驗過程一般為：教師準備實驗材料→教師講解→學生操作。這在一定程度上限制了學生的創造性思維，不利于學生動腦、動手能力的培養。學生可以按照實驗的基本原理，自己設計實驗;教師也可以開設一些前沿的、高危的、材料昂貴的實驗;實驗可以重復操作，作為真正實驗的課前預習環節，提高實驗者對實驗操作的熟練程度。本文以《養殖水域環境檢測實驗》中的“水耗氧量測定實驗”為例來說明用Flash開發虛擬實驗的方法。

二、“水耗氧量（COD）測定實驗”的說明

養殖水域耗氧量的測定方法主要以氧化劑的類型來分類，最常見的是重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法。高錳酸鉀法按溶液介質又分為酸性與堿性。在堿性條件下高錳酸鉀的氧化能力不如酸性條件下的氧化能力強，它不能氧化水中的氯離子。所以堿性高錳酸鉀法適用于大洋和近岸海水及河口水的測定。一般養殖水體中難以氧化的有機物較少，因此也常采用堿性高錳酸鉀法來測定;對于氯離子含量不超過300mg/L的水樣可以采用堿性高錳酸鉀法。同一水樣，由于加入氧化劑的種類及濃度、反應溶液的酸堿度、溫度和反應時間等不同，所得的COD值常不相同。因此，化學測定水耗氧量是一個條件性指標，測定時必須指明采用的方法，嚴格控制實驗條件。

1.堿性高錳酸鉀法。檢測原理：在堿性條件下，水樣中加入一定量的高錳酸鉀溶液，加熱一定時間以氧化水中的還原性物質（主要是有機物）。然后在酸性條件下，用碘化鉀還原剩余的高錳酸鉀和生成的二氧化錳，所生成的游離碘用硫代硫酸鈉溶液滴定。主要儀器：25mL堿式滴定管、250mL錐形瓶、電爐（或電熱板等）、移液管、吸量管。主要試劑：NaOH溶液（250g/L）、硫酸溶液（1+3）、碘化鉀、硫代硫酸鈉標準溶液、淀粉溶液、高錳酸鉀儲備溶液（0.1mol/L）（稱取3.2g高錳酸鉀，溶于1.2升水中，加熱煮沸，使體積減少到約1升，在暗處放置過夜，若有沉淀出現，取上清液貯于棕色瓶中備用）、高錳酸鉀標準溶液（0.01mol/L）：吸取0.1mol/L高錳酸鉀溶液10mL，于100mL容量瓶中，用純水稀釋至標線，搖勻。實驗步驟：第一步：準確量取50.00mL搖勻的水樣（或適量水樣加純水稀釋至50mL），于250mL錐形瓶中（測平行雙樣），加入幾粒玻璃珠以防爆沸。加入250g/L氫氧化鈉溶液0.5mL，搖勻，用移液管準確加入10.00mL高錳酸鉀標準溶液（濃度0.01mol/L），搖勻。第二步：立即將錐形瓶置于覆蓋有石棉網的電爐（或電熱板）上加熱至沸，準確煮沸10分鐘（從冒出第一個氣泡時開始計時）。第三步：取下錐形瓶，迅速冷卻至室溫，用量筒或吸量管迅速加入（1+3）硫酸5mL和10%碘化鉀5ml，搖勻，在暗處放置5分鐘，待反應完畢（剩余的高錳酸鉀和生成的二氧化錳與碘化鉀反應，釋放游離碘），立即在不斷振搖下，用硫代硫酸鈉溶液滴定至淡黃色，再加入1mL淀粉溶液，繼續滴定至藍色剛消失，記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V1。兩平行雙樣滴定讀數相差不超過0.10mL。第四步：另取50mL高純水代替水樣，按水樣的測定步驟，分析滴定空白值，記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V2。

計算結果：

ρ ?= ×8×1000

2.酸性高錳酸鉀法。檢測原理：樣品中加入已知量的高錳酸鉀和硫酸，然后進行加熱，高錳酸鉀將樣品中的某些有機物和無機還原性物質氧化，反應后加入過量的草酸鈉溶液還原剩余的高錳酸鉀，過量的草酸鈉再用高錳酸鉀溶液回滴。主要儀器：同堿性高錳酸鉀法。主要試劑：硫酸溶液（1+3）、高錳酸鉀儲備溶液（0.1mol/L）、高錳酸鉀使用溶液（0.01mol/L），以上試劑同堿性高錳酸鉀法。草酸鈉標準貯備液（0.01000mol/L）：準確稱取草酸鈉（Na2C2O4）固體0.6705g，加少量水溶解后，全部轉入100mL容量瓶中稀釋至標線，混勻。此溶液濃度為0.100mol/L，置4℃保存。使用時稀釋10倍，即得0.0100mol/L草酸鈉標準溶液。

實驗步驟：第一步：準確量取50.00mL搖勻的水樣（或適量水樣加純水稀釋至50.00mL），置于250mL錐形瓶中（測平行雙樣），加入1+3硫酸溶液5.0mL，搖勻，用移液管準確加入10.00mL 0.01mol/L的高錳酸鉀溶液搖勻。第二步：立即將錐形瓶置于加熱板上加熱至沸，準確煮沸10分鐘（從冒出第一個氣泡時開始計時）。第三步：取出錐形瓶，用移液管迅速加入10.00mL草酸鈉溶液，搖勻，溶液變為無色。趁熱用高錳酸鉀使用液滴定至剛出現粉紅色，并保持30秒不退色。記錄消耗的高錳酸鉀溶液的體積V1。第四步：高錳酸鉀溶液濃度的標定：將上述已滴定完畢的溶液加熱至70℃，準確加入10.00mL草酸鈉溶液。用高錳酸鉀溶液滴定至剛出現粉紅色，并保持30秒不退色。記錄消耗的高錳酸鉀溶液的體積V2。

計算結果：

ρ ?=

×8×1000

三、虛擬實驗的動畫設計

用flash動畫實現虛擬實驗應具備三個特點：（1）實驗場景逼真;（2）實驗過程準確;（3）實驗交互性強。以下詳述在本設計中是如何盡量實現這三個重要特點的。

1.照片與手繪結合實現動畫中的場景、實物設計。為了在動畫中真實再現實驗室環境，制作動畫前，先要拍攝實驗室環境照片、實驗設備照片、實驗材料照片，但是拍來的照片直接用于動畫并不能獲得很流暢的動畫效果，于是，系統實現中，運用了手繪的方式，依據原有照片將實驗室環境、實驗設備儀器和實驗材料進行了重新繪畫，使其風格統一，特征突出，線條簡潔。

2.用錄像記錄實驗過程，用動畫還原實驗過程。為了在虛擬實驗中不漏掉任何一個實驗細節，首先要錄制教師的示范實驗，然后將實驗錄像編寫成flash劇本。

3.數據反饋交互性和操作交互性。虛擬實驗的交互性從兩個方面體現：一是實驗前后步驟間的數據反饋交互;二是用戶操作的交互性。虛擬實驗與傳統現場實驗一樣，實驗步驟之間的數據和參數具有相關性。通常實驗者需要不斷根據實驗進程對實驗數據進行分析判斷和處理，從而確定下一步操作的實驗參數設置。另一方面，由于每個實驗條件不完全相同，因此同一步驟的實驗結果數據之間存在差異，且這些差異應該在一定的誤差范圍內，所以虛擬實驗中需要通過實驗數據的交互控制技術實現對實驗結果的容差判斷和檢測。這種數據檢測體現了虛擬實驗系統的智能性特點。具體地來說，虛擬實驗中實驗數據的交互控制包括：向實驗系統輸入或選擇實驗參數或結果，根據不同的實驗結果自動設置后續實驗步驟;允許實驗中設置多次實驗，對實驗結果進行平均處理，驗證實驗數據的普遍性;實驗過程中反饋信息的呈現策略;等等。操作交互性是影響虛擬實驗質量以及學習者學習成效的重要因素，也是衡量一個良好的虛擬實驗設計的重要指標。要通過全方位的交互操作設計來增加學習者對實驗的興趣。具體的交互操作方式有：鼠標點擊、鼠標拖拽、鍵盤按鍵、文本輸入。本虛擬實驗設計將上述方法進行了綜合運用。例如，實驗開始前，選取本實驗需要的實驗儀器，采用了鼠標點擊方式選取;將儀器組裝起來，要靠鼠標拖拽的方式;實驗過程的數據記錄采用文本輸入的方式進行;滴定值的確定采用鍵盤方向鍵的方式逐步逼近。

四、結語

Flash由于其操作簡便、矢量圖形設計、編程元素豐富、強大的多媒體支持功能以及學習和接觸人群廣泛，所以基于Flash的虛擬實驗的開發深得廣大實驗開發人員的青睞。但是虛擬實驗的設計和開發是多學科結合的綜合技術，如界面的藝術設計、動畫的三維實現、虛擬實驗目的、原理、過程設計等。只有理論和實踐相結合才能開發出完整可行的虛擬實驗系統。