醫學院校有機化學虛擬實驗室的設計與構建

王蓓，劉永紅，張宜欣

醫學院校有機化學虛擬實驗室的設計與構建

王蓓，劉永紅，張宜欣

（首都醫科大學燕京醫學院，北京101300）

隨著網絡技術發展，虛擬實驗室成為一種新的教學形式。通過“基于3dmax的有機化學虛擬實驗室的設計與構建”課題研究，探索醫學院校有機化學虛擬實驗室的設計與構建。

3dmax；有機化學；虛擬實驗室

虛擬實驗室的概念最早由美國的William Wolf教授于1989年提出，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境。Wolf教授形象地把虛擬實驗室稱為“沒有圍墻的研究中心”[1]。隨著網絡技術的發展，虛擬實驗室逐漸成為一種新的教學形式，基于其特點，在電工電子、醫學、建筑、生化等學科教育教學中起著重要作用。據了解，目前我國很多高校根據自身教學需求，建立了虛擬實驗室，典型的有：（1）中國科技大學在虛擬實驗室的建設和使用方面形成了如物理仿真實驗軟件、廣播電視大學物理虛擬實驗、幾何光學設計實驗平臺、大學物理虛擬實驗遠程教學系統；（2）浙江大學的虛擬化學實驗，是基于Web的虛擬實驗，以VRML為基礎構筑虛擬實驗環境，并利用Java技術來實現虛擬實驗場景的人機交互；（3）同濟大學建筑學院建成的可以對建筑景觀、結構進行仿真的虛擬現實實驗室等。這些利用計算機的虛擬實驗，部分替代了在現實世界中難以進行或成本高昂的實驗。此外，復旦大學、上海交通大學、陜西師范大學等高校，也相繼開發出一批新的虛擬儀器系統供實驗教學和科研使用[2，3]。2015年初我校開始進行“基于3dmax的有機化學虛擬實驗室的設計與構建”課題研究，探索醫學院校有機化學虛擬實驗室的設計與構建。

1 有機化學虛擬實驗室構建的必要性

（1）突出“以學生為主體”教育思想。有機化學是一門依托實驗教學的實用性很強的學科，是醫學院校重要的基礎學科，可為學生學習醫學專業課程奠定基礎。在教學過程中信息大部分是通過實驗來傳遞，相較于傳統教學中單一、被動的方式，虛擬實驗系統能夠對每個實驗操作最大程度地進行仿真，將實驗過程中的圖像、文字、聲音以及動畫等因素融為一體，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性[4]。尤其是在實驗初期，學生會遇到儀器調試、管理、損壞等問題，涉及實驗過程、試劑、中間產物、終產物等環節，而這些是傳統實驗方式無法解決的問題。

（2）虛擬現實技術作為一種新興的技術手段[5]，能夠對實驗內容進行模擬仿真，不僅可以增加學生的感性認識、提高動手能力，而且節約實驗成本、減少實驗危害，尤其是能解決化學實驗室高污染問題。

（3）虛擬實驗室是教育教學資源不可或缺的組成部分，通過有機化學虛擬實驗室的設計與構建，積累經驗和技術，為本校其他醫學化學類學科（如高分子化學、藥物化學）及專業學科（如藥用植物學、生理學、藥理學等）教學做好準備，為構建具有醫學特色的虛擬實驗室奠定基礎。

2 有機化學虛擬實驗室的構建（見圖1）

圖1 有機化學虛擬實驗室的構建

2.1 梳理文字內容

通過對醫學院校有機化學實驗項目進行分類、整理，設計有機化學虛擬實驗室所開設的實驗項目，同時研究教學大綱，編寫文字內容。主要包括有機化學實驗常用儀器用途使用方法和注意事項、實驗基本操作、有機化學實驗基本操作技術、有機化學實驗講義、有機化學實驗裝置組裝，為構建虛擬實驗室打好基礎[6，7]。

2.2 實驗視頻及照片制作

通過教師講解與示范，對有機化學實驗項目進行正確操作，記錄每一步的實驗現象和結果（主要通過照片或視頻形式記錄）。有機化學實驗涉及很多危險試劑，實驗過程中會產生某些危險物質，稍不注意就會造成一定傷害。此外，還有些關鍵步驟，如熔點測定中晶體的熔化過程，很難用文字表達清楚，因此可以通過圖片、視頻展現實驗過程和關鍵步驟，對實驗危險進行預估和操作認知，以有效避免實驗危害。

2.3 有機化學實驗設備建模[8]

所謂建模就是在三維空間內創建出所需物件的三維模型，這是虛擬實驗室的基礎。有機化學實驗涉及的很多玻璃儀器立體形象特殊，如蛇形冷凝管、加液漏斗等，應用3dmax軟件制作出逼真的玻璃儀器是虛擬實驗成敗的關鍵。

2.4 實驗動畫的制作

在3D建模基礎上，在3dmax軟件動畫制作系統中，根據實驗視頻、照片進行動畫制作。

2.5 虛擬實驗室的合成

有機化學虛擬實驗室以動畫為核心，通過運用3dmax中攝像機、燈光、場景等技巧，以及動畫的制作、火焰和煙霧效果的渲染、視頻編輯等專業知識與技術，能更好地表現三維立體的實驗環境和實驗方法，通過鼠標拖拽完成實驗裝置的組裝、儀器使用的練習，以仿真形式強化感知。

3 基于3dm ax的有機化學虛擬實驗室的創新性[9]

（1）3dmax是一種PC機的三維動畫制作軟件，用于影視制作、工業建筑設計。利用3dmax創建三維虛擬實驗室，一旦模型建成就可以從各方位以任意視點與角度對實驗進行觀察，例如索氏提取器，通過展示明晰工作原理，這是圖片、視頻無法實現的。因此，有機化學虛擬實驗室在有效提高課件質量與使用效果的同時，又解決了因缺少儀器設備等而無法實際操作實驗的問題，一方面節省了學校在實驗室建設方面的投入，另一方面也節省了在實驗器材維護方面的投入。

（2）由于有機化學的很多實驗具有高度危險性，涉及的試劑、產物均具有較高污染性，后期處理成本很高（例如有機化學性質實驗），虛擬實驗室能最大限度地解決上述問題，符合目前我國各高校所提倡的“綠色化學”理念，也適應教育教學改革需要。

（3）根據教學改革要求，需要不斷設計和補充實驗課程內容，而相關計算機技術也需要重新開發，虛擬現實技術良好的二次開發性能夠很好地適應這些變化。設計人員（教師）只需將新的實驗建模后放入虛擬實驗室即可，這在很大程度上解決了重新開發導致的資源浪費問題，具有良好的可延續性。

（4）隨著網絡技術的迅猛發展與校園網的建立，對于在線教學視頻、在線實驗動畫演示等全方位立體化教學模式，無論教師還是學生，都可以不受時間、地點、條件限制進行基本操作練習、儀器組裝等，實現了實驗教學資源的共享性和開放性。

4 結語

通過課前對有機化學虛擬實驗室的應用，在正式進行實驗時，學生自主性明顯增強，實驗進度明顯加快，實驗操作熟練程度顯著提高，儀器損壞率和試劑消耗率明顯下降。有機化學虛擬實驗室的建立，在創新人才培養和教學質量提高中發揮著重要作用，學生實驗動手能力和實踐能力有效提高，創新意識、創新精神和創新能力得到明顯提升，從而對提升學校辦學實力、辦學水平和教學質量起到有力的推動作用[10]。

[1]卑占宇，郭小慧，何新蕾，等.藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺的構建與應用研究[J].中國醫藥導報，2012，9（15）：163-164.

[2]郭智敏，劉偉.基于Internet的遠程虛擬實驗室的研究現狀和問題分析[J].教育教學論壇，2010（24）：161.

[3]華新宇，劉永濤，陳旭東，等.組織學網絡虛擬實驗室的建設及應用[J].衛生職業教育，2014，32（3）：37-38.

[4]向明鈞，賴日勇，曾靖，等.醫學化學虛擬實驗室的構建與實施[J].贛南醫學院學報，2009，29（5）：705-706.

[5]鄭軍，曾照芳.醫學檢驗本科教育虛擬實驗室構建的研究與實踐[J].中華醫學教育探索雜志，2011，10（2）：233-235.

[6]黃宇靖.基于Virtual PC計算機虛擬實驗環境構建與教學的研究[J].衛生職業教育，2015，33（12）：35-37.

[7]孫長霞.“虛擬實驗室”在高等院校化學基礎課程中的作用研究[J].安徽農業科學，2012，40（34）：16942－16943.

[8]劉志廣，賈健波，張永，等.模型化易擴展的虛擬有機化學實驗室的構建模式研究[J].計算機與應用化學，2012，29（8）：1019-1022.

[9]楊昱，徐雅琴，楊玉玲.無機化學仿真虛擬實驗室構建和實現方法研究[J].高等農業教育，2011，3（3）：50-52.

[10]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景[J].實驗技術與管理，2005，22（1）：35-37.

G43

A

1671-1246（2016）19-0104-02

首都醫科大學校基金（技術）“基于3dmax的有機化學虛擬實驗室的設計與構建”（2015JS25）