虛擬仿真技術(shù)在有機化學實驗教學中的應用研究

王 敏，陳艷燕，吳小磊，許丹丹，皮其豪，張 薪，曾 浩

(重慶理工大學 化學化工學院，重慶 400054)

《教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》明確指出，“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容[1]”。以建設信息化實驗教學資源為重點，這無疑為實驗教學改革提供了新的方向。虛擬仿真實驗技術(shù)可以在一些涉及高危或極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗的情況下進行可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[2]。化學作為一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是其最重要的一環(huán)。其中有機化學實驗由于學科自身的特點，致使其開設和教學面臨著安全、環(huán)境保護、教學效果、實驗經(jīng)費等諸多困難。一是有機試劑的毒害性、揮發(fā)性、易燃易爆等特點；二是實驗中和實驗后通常會產(chǎn)生難以處理的“三廢”；三是有機合成實驗是一個復雜、緩慢的過程，操作繁瑣，實驗過程和結(jié)果都存在著很大的不確定性。因此，采用虛擬仿真技術(shù)對有機化學實驗教學的改革勢在必行。虛擬仿真實驗教學建設也成為高校實驗教學改革的必然發(fā)展方向, 根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》均指出信息技術(shù)對教育發(fā)展具有重要影響，應加快推進教育信息。截至2016年，教育部已經(jīng)遴選建設100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。開展虛擬仿真實驗教學建設，通過建立內(nèi)容豐富的虛擬仿真教學資源庫,有利于提高高校實驗教學信息化水平,提高實驗教學效果[3]。

1 虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的實驗教學方式，基本上是幾個同學一組，實驗動手前教師大致介紹實驗目的、原理、操作事項，然后學生依葫蘆畫瓢，照方抓藥把實驗流程走一遍，這樣單調(diào)刻板的教學方式缺乏創(chuàng)新性和思維創(chuàng)造力，直接導致教學效果的低下。特別是化學實驗，學生如果不提前做好準備，很容易在操作中導致事故的發(fā)生。將傳統(tǒng)的化學實驗采用虛擬仿真技術(shù)模擬出來，實現(xiàn)安全、新型、綠色環(huán)保的實驗教學模式，可加深學生對相應教學內(nèi)容的理解和掌握。

1.1 拓展了學生學習時間和空間[4]

由于計算機虛擬仿真實驗是一種非現(xiàn)實的模擬,可以在網(wǎng)絡上共享,因此打破實驗教學設備的局限性，不受時間和空間的限制，只要有計算機和系統(tǒng)軟件的支持，甚至一部手機,學生就可以隨時調(diào)整時間，隨時隨地進行實驗學習，實驗過程綠色安全，且可以重復操作。

1.2 避免真實實驗帶來的各種安全風險

化學實驗室中的實驗藥品多為有毒物質(zhì)，人體通過口食、呼吸、皮膚接觸都有可能造成傷害；而且玻璃器皿種類繁多，各種高溫高壓儀器，稍有不慎，就有可能損壞造成割傷或者燙傷；有機試劑的易燃易爆性也加大了實驗室的風險。大學生初步接觸實驗，動手能力差，經(jīng)驗欠缺，常有操作不規(guī)范或操作失誤導致儀器破損、化學試劑濺出，嚴重時灼傷皮膚等事故發(fā)生，危險系數(shù)很大。一旦發(fā)生危險，不僅會給學生造成較大的心理影響，還可能對生命和財產(chǎn)造成損失。虛擬仿真實驗教學采用模擬的實驗環(huán)境，可以避免真實實驗帶來的各種危險[5]。

1.3 實行零試劑零排放，降低了實驗成本，且利于環(huán)境保護

化學反應的過程遵從質(zhì)量守恒原理，實驗過程中不可避免地有“三廢”的產(chǎn)生，每天每時，各個高校實驗室產(chǎn)生的三廢，積少成塔，其引起的環(huán)境污染問題不容小視。虛擬仿真技術(shù)可以將實驗原料和產(chǎn)物零投入零產(chǎn)出，完全避免了三廢的產(chǎn)生，不僅節(jié)約了實驗成本，更是減少污染和毒性，極大地保護了環(huán)境。

1.4 趣味性強，激發(fā)學生學習熱情，提高教學效果

利用虛擬仿真技術(shù)，學生可以靈活地設計實驗方案，進行實體交互，實時分析，仿真結(jié)果的可視化顯示可以更加形象的獲取知識。對于難點、重點部分，可以反復操作、多次學習，動態(tài)的人機交互系統(tǒng)能夠給學生直觀的效果，很大程度上激發(fā)學生學習熱情，啟發(fā)學生思維，對提高實驗教學效果具有不可替代的作用。

2 虛擬仿真實驗的技術(shù)操作

虛擬仿真實驗技術(shù)是現(xiàn)代計算機發(fā)展的新興教育輔助技術(shù)，要構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，達到形象逼真、精致美化的實驗交互性動態(tài)過程，需要極高超的專業(yè)性，并且是計算機、設計、相關(guān)專業(yè)等多學科的交叉融合。基于網(wǎng)絡的虛擬仿真實驗的設計方法有很多種，目前采用的技術(shù)概括起來，大致有VRML技術(shù)、ActiveX技術(shù)、QuickTimeVR技術(shù)、Java技術(shù)和Flash技術(shù)等幾類[6]。虛擬目標要求越高，采用的設計方法的技術(shù)含量就越高。Flash作為一款二維動畫制作的主流軟件，是一種基于矢量圖形的交互式創(chuàng)作軟件，功能異常強大，所生成的動畫體積很小，可直接在網(wǎng)絡上運行。跟Java相似，F(xiàn)lash影片能夠做到一次制作，跨平臺輸出。作為Flash的腳本語言，ActionScript在Flash應用程序的開發(fā)過程中起著關(guān)鍵性作用，其中的XMLSocket具有進行socket通訊的能力，可以通過socket通訊和任何支持socket的語言進行通訊，為實時仿真提供了可能。同時ActionScript是一種面向?qū)ο蟮哪_本語言，通過它的交互性，可以控制動畫進程、效果，并能重復播放[7]。

3 應用Flash制作"乙酰水楊酸的制備"的設計思路與實踐

根據(jù)有機化學實驗課程教學內(nèi)容的特點和現(xiàn)有的網(wǎng)絡條件，采用Flash技術(shù)進行"乙酰水楊酸的制備"實驗設計，僅就制作中的設計思路與實踐做一概述。

3.1 繪制實驗演示所用的器材和試劑

實驗演示中所用到的器材和試劑，可以采用其它專業(yè)繪圖軟件，如CAD軟件繪制，也可以收集網(wǎng)上的圖片。但由于CAD軟件對使用者應用特技水平要求較高，網(wǎng)上收集的圖片沒有一個規(guī)范統(tǒng)一的風格，可以采用Flash軟件一個個繪制，通過變形、旋轉(zhuǎn)、著色、修飾等編輯工具，將燒瓶、冷凝管、錐形瓶等器材繪制成風格統(tǒng)一，大小相適的矢量圖，存儲在文件夾中待用。

3.2 創(chuàng)建元件(圖形元件、影片剪輯元件)

打開Adobe Flash CS6操作系統(tǒng)，建立一個空白Flash文檔，并進行命名。將上述3.1中保存在文件夾中的矢量圖導入到文檔中的庫文件中。將圖層1命名為“背景”,從“庫”面板中選擇背景圖片拖曳到舞臺中，在“屬性”中設置相應參數(shù)。比如要將鐵架臺放入文檔中，在“背景”圖層上創(chuàng)建一個新的圖層，命名為“鐵架臺”，在第10禎創(chuàng)建關(guān)鍵禎，鎖定"背景"圖層。選中第10禎，將“庫”面板中的“鐵架臺”圖形元件拖曳到舞臺右上角，右擊鐵架臺圖像，在彈出的快捷菜單中選擇“創(chuàng)建補間動畫”，將Alpha值設置為0%。在第50禎插入關(guān)鍵禎，將“鐵架臺”拖動到舞臺的合適位置，將Alpha值設置為100%。如此反復，將實驗中所需的器材一個個按照“從下到上，從左到右”的順序組裝起來[8]。

根據(jù)需要及制作技術(shù)水平，可以考慮不同圖層分別繪制。不同的實驗項目增加的特技也有一定的差別，如濾鏡、改變運動路徑、添加文本框等方法。Flash之所以是動畫，就是因為在不同時刻，圖像是不同的，可以隨著時間的變化模擬表現(xiàn)出物質(zhì)發(fā)生化學反應的氣、色、量的變化。采用箭頭表示蒸汽的運動方式、瓶中液面的高度隨之變化等等。最后再把相應的聲音放在“時間軸”上，設置聲音的品質(zhì)，使其整體上更為完美和諧統(tǒng)一。根據(jù)掌握各部分學習內(nèi)容所需時間，在屬性項下調(diào)整幀頻以適應需要，最后再將舞臺中的動畫演示做成影片剪輯元件。

3.3 仿真交互教學課件的集成

以“乙酰水楊酸的制備”實驗項目為例，把該項目分成了七大板塊，按照板塊化來組織課程內(nèi)容，每個板塊又分為若干個任務來完成。界面如圖1所示。每個板塊中將其內(nèi)容分別放于 Flash的各場景，第一場景為課堂測試，其它每個項目點各占一場景，將其集成打包在一起。使用時由按鈕引導到相關(guān)板塊，應用靈活方便。

3.3.1 實驗預習測試集成的交互性

虛擬仿真模擬的任務之一是調(diào)動學生的自主學習興趣，主體是學生，旨在充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使學生能積極主動的構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)為真實實驗操作打下基礎。因此課件設計中強調(diào)趣味性，學生根據(jù)預習結(jié)果和已儲備的實驗知識來解答預習測試題，如果答案不正確，虛擬系統(tǒng)會馬上顯示出來，并根據(jù)評分標準自動打分，同時還有按鈕可用來提示所需知識的要點，使學生明白自己知識的缺陷，從而有針對性學習。

圖1 預習課堂測試交互性界面

3.3.2 動態(tài)教學課件的完善

配合板塊化的課程內(nèi)容，采用Flash制作獲得乙酰水楊酸的動態(tài)教學課件,見圖1。根據(jù)乙酰水楊酸的制備實驗步驟：加料-反應-純化-檢測幾個流程，模擬動態(tài)的操作過程。畫面中包含構(gòu)成反應裝置的各個部分：鐵架臺、酒精燈、錐形瓶、燒杯、球形冷凝管、鐵圈、石棉網(wǎng)、夾子等，這些圖形原本都是矢量圖形，生成的文件所占的存儲空間比較小。此外，F(xiàn)lash對于圖像、聲音和視頻文件都可以進行相應的壓縮處理，這就使得導出后的(.SWF)文件非常小，方便攜帶以及在網(wǎng)絡上發(fā)布共享。教學課件按照乙酰水楊酸的制備過程動態(tài)演示各個步驟，并在關(guān)鍵的地方加以文字提示，配以形象的聲音，可以提高學生的學習興趣，更快地將學生帶入實驗操作者的角色。

3.4 虛擬仿真設計的效果

設計制作完成后，所生成的還是一個(.FLA)文件，相當于Flash的草稿，還不能在其它地方播放。必須生成(．SWF)文件，才是一個最終的Flash課件。實現(xiàn)方法是在文件項下將(．FLA)文件導出為Flash影片，重命名并保存。再加以音樂等效果,這樣就可以通過CD、DVD等媒體來共享放映文件。

4 結(jié)束語

有機化學虛擬仿真實驗通過計算機的模擬環(huán)境，使學生能夠提前熟悉實驗流程、了解實驗操作，掌握實驗技能，為實驗教學提供了新途徑，與真實實驗虛實結(jié)合、相互補充。Flash動畫演示雖然給有機化學實驗教學帶來了新的教學理念，開辟了新的教學途徑，但從某些方面來說還存在不足，比如交互性有待提高、圖像逼真程度不夠、產(chǎn)物模擬效果不強等等，而且對課件開發(fā)者的軟件應用特技水平也有較高要求，需要加強研究，進一步的完善，為推進高等學校實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發(fā)展做出努力。

[1] 教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作通知[EB/OL],http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[2] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013(1):5-8.

[3] 杜玉寶,孫淑強,亓文濤.虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016(249):26-28.

[4] 李 江,盧艷麗,王永欣.虛擬仿真技術(shù)在材料學科實驗教學中的應用探索[J].教育教學論壇2017(27):267-268.

[5] 孫二軍,趙 倫,唐艷茹.高校虛擬仿真實驗教學中心的建設思考[J].長春師范大學學報,2016,35 (8):121-124.

[6] 唐艷茹,陳小唐,魏家巍，等.化學虛擬仿真試驗方法的初步探究與實踐[J].長春師范大學學報，2016,35(4):57-59.

[7] 卲換崢,劉奇付.Flash技術(shù)在大學課堂教學中的運用研究[J].電腦知識與技術(shù).2016(34):9847-9848.

[8] 賈飛云.利用Flash軟件仿真模擬有機化學實驗儀器的順序組裝[J].中國醫(yī)學教育技術(shù),2010,24(2):168-170.