虚拟仿真技术在有机化学实验教学中的应用研究

王 敏，陈艳燕，吴小磊，许丹丹，皮其豪，张 薪，曾 浩

(重庆理工大学 化学化工学院，重庆 400054)

《教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》明确指出，“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[1]”。以建设信息化实验教学资源为重点，这无疑为实验教学改革提供了新的方向。虚拟仿真实验技术可以在一些涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗的情况下进行可靠、安全和经济的实验项目[2]。化学作为一门以实验为基础的学科，实验教学是其最重要的一环。其中有机化学实验由于学科自身的特点，致使其开设和教学面临着安全、环境保护、教学效果、实验经费等诸多困难。一是有机试剂的毒害性、挥发性、易燃易爆等特点；二是实验中和实验后通常会产生难以处理的“三废”；三是有机合成实验是一个复杂、缓慢的过程，操作繁琐，实验过程和结果都存在着很大的不确定性。因此，采用虚拟仿真技术对有机化学实验教学的改革势在必行。虚拟仿真实验教学建设也成为高校实验教学改革的必然发展方向, 根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》均指出信息技术对教育发展具有重要影响，应加快推进教育信息。截至2016年，教育部已经遴选建设100个国家级虚拟仿真实验教学中心。开展虚拟仿真实验教学建设，通过建立内容丰富的虚拟仿真教学资源库,有利于提高高校实验教学信息化水平,提高实验教学效果[3]。

1 虚拟仿真实验的优势

传统的实验教学方式，基本上是几个同学一组，实验动手前教师大致介绍实验目的、原理、操作事项，然后学生依葫芦画瓢，照方抓药把实验流程走一遍，这样单调刻板的教学方式缺乏创新性和思维创造力，直接导致教学效果的低下。特别是化学实验，学生如果不提前做好准备，很容易在操作中导致事故的发生。将传统的化学实验采用虚拟仿真技术模拟出来，实现安全、新型、绿色环保的实验教学模式，可加深学生对相应教学内容的理解和掌握。

1.1 拓展了学生学习时间和空间[4]

由于计算机虚拟仿真实验是一种非现实的模拟,可以在网络上共享,因此打破实验教学设备的局限性，不受时间和空间的限制，只要有计算机和系统软件的支持，甚至一部手机,学生就可以随时调整时间，随时随地进行实验学习，实验过程绿色安全，且可以重复操作。

1.2 避免真实实验带来的各种安全风险

化学实验室中的实验药品多为有毒物质，人体通过口食、呼吸、皮肤接触都有可能造成伤害；而且玻璃器皿种类繁多，各种高温高压仪器，稍有不慎，就有可能损坏造成割伤或者烫伤；有机试剂的易燃易爆性也加大了实验室的风险。大学生初步接触实验，动手能力差，经验欠缺，常有操作不规范或操作失误导致仪器破损、化学试剂溅出，严重时灼伤皮肤等事故发生，危险系数很大。一旦发生危险，不仅会给学生造成较大的心理影响，还可能对生命和财产造成损失。虚拟仿真实验教学采用模拟的实验环境，可以避免真实实验带来的各种危险[5]。

1.3 实行零试剂零排放，降低了实验成本，且利于环境保护

化学反应的过程遵从质量守恒原理，实验过程中不可避免地有“三废”的产生，每天每时，各个高校实验室产生的三废，积少成塔，其引起的环境污染问题不容小视。虚拟仿真技术可以将实验原料和产物零投入零产出，完全避免了三废的产生，不仅节约了实验成本，更是减少污染和毒性，极大地保护了环境。

1.4 趣味性强，激发学生学习热情，提高教学效果

利用虚拟仿真技术，学生可以灵活地设计实验方案，进行实体交互，实时分析，仿真结果的可视化显示可以更加形象的获取知识。对于难点、重点部分，可以反复操作、多次学习，动态的人机交互系统能够给学生直观的效果，很大程度上激发学生学习热情，启发学生思维，对提高实验教学效果具有不可替代的作用。

2 虚拟仿真实验的技术操作

虚拟仿真实验技术是现代计算机发展的新兴教育辅助技术，要构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，达到形象逼真、精致美化的实验交互性动态过程，需要极高超的专业性，并且是计算机、设计、相关专业等多学科的交叉融合。基于网络的虚拟仿真实验的设计方法有很多种，目前采用的技术概括起来，大致有VRML技术、ActiveX技术、QuickTimeVR技术、Java技术和Flash技术等几类[6]。虚拟目标要求越高，采用的设计方法的技术含量就越高。Flash作为一款二维动画制作的主流软件，是一种基于矢量图形的交互式创作软件，功能异常强大，所生成的动画体积很小，可直接在网络上运行。跟Java相似，Flash影片能够做到一次制作，跨平台输出。作为Flash的脚本语言，ActionScript在Flash应用程序的开发过程中起着关键性作用，其中的XMLSocket具有进行socket通讯的能力，可以通过socket通讯和任何支持socket的语言进行通讯，为实时仿真提供了可能。同时ActionScript是一种面向对象的脚本语言，通过它的交互性，可以控制动画进程、效果，并能重复播放[7]。

3 应用Flash制作"乙酰水杨酸的制备"的设计思路与实践

根据有机化学实验课程教学内容的特点和现有的网络条件，采用Flash技术进行"乙酰水杨酸的制备"实验设计，仅就制作中的设计思路与实践做一概述。

3.1 绘制实验演示所用的器材和试剂

实验演示中所用到的器材和试剂，可以采用其它专业绘图软件，如CAD软件绘制，也可以收集网上的图片。但由于CAD软件对使用者应用特技水平要求较高，网上收集的图片没有一个规范统一的风格，可以采用Flash软件一个个绘制，通过变形、旋转、着色、修饰等编辑工具，将烧瓶、冷凝管、锥形瓶等器材绘制成风格统一，大小相适的矢量图，存储在文件夹中待用。

3.2 创建元件(图形元件、影片剪辑元件)

打开Adobe Flash CS6操作系统，建立一个空白Flash文档，并进行命名。将上述3.1中保存在文件夹中的矢量图导入到文档中的库文件中。将图层1命名为“背景”,从“库”面板中选择背景图片拖曳到舞台中，在“属性”中设置相应参数。比如要将铁架台放入文档中，在“背景”图层上创建一个新的图层，命名为“铁架台”，在第10祯创建关键祯，锁定"背景"图层。选中第10祯，将“库”面板中的“铁架台”图形元件拖曳到舞台右上角，右击铁架台图像，在弹出的快捷菜单中选择“创建补间动画”，将Alpha值设置为0%。在第50祯插入关键祯，将“铁架台”拖动到舞台的合适位置，将Alpha值设置为100%。如此反复，将实验中所需的器材一个个按照“从下到上，从左到右”的顺序组装起来[8]。

根据需要及制作技术水平，可以考虑不同图层分别绘制。不同的实验项目增加的特技也有一定的差别，如滤镜、改变运动路径、添加文本框等方法。Flash之所以是动画，就是因为在不同时刻，图像是不同的，可以随着时间的变化模拟表现出物质发生化学反应的气、色、量的变化。采用箭头表示蒸汽的运动方式、瓶中液面的高度随之变化等等。最后再把相应的声音放在“时间轴”上，设置声音的品质，使其整体上更为完美和谐统一。根据掌握各部分学习内容所需时间，在属性项下调整帧频以适应需要，最后再将舞台中的动画演示做成影片剪辑元件。

3.3 仿真交互教学课件的集成

以“乙酰水杨酸的制备”实验项目为例，把该项目分成了七大板块，按照板块化来组织课程内容，每个板块又分为若干个任务来完成。界面如图1所示。每个板块中将其内容分别放于 Flash的各场景，第一场景为课堂测试，其它每个项目点各占一场景，将其集成打包在一起。使用时由按钮引导到相关板块，应用灵活方便。

3.3.1 实验预习测试集成的交互性

虚拟仿真模拟的任务之一是调动学生的自主学习兴趣，主体是学生，旨在充分发挥学生的主观能动性，使学生能积极主动的构建知识结构为真实实验操作打下基础。因此课件设计中强调趣味性，学生根据预习结果和已储备的实验知识来解答预习测试题，如果答案不正确，虚拟系统会马上显示出来，并根据评分标准自动打分，同时还有按钮可用来提示所需知识的要点，使学生明白自己知识的缺陷，从而有针对性学习。

图1 预习课堂测试交互性界面

3.3.2 动态教学课件的完善

配合板块化的课程内容，采用Flash制作获得乙酰水杨酸的动态教学课件,见图1。根据乙酰水杨酸的制备实验步骤：加料-反应-纯化-检测几个流程，模拟动态的操作过程。画面中包含构成反应装置的各个部分：铁架台、酒精灯、锥形瓶、烧杯、球形冷凝管、铁圈、石棉网、夹子等，这些图形原本都是矢量图形，生成的文件所占的存储空间比较小。此外，Flash对于图像、声音和视频文件都可以进行相应的压缩处理，这就使得导出后的(.SWF)文件非常小，方便携带以及在网络上发布共享。教学课件按照乙酰水杨酸的制备过程动态演示各个步骤，并在关键的地方加以文字提示，配以形象的声音，可以提高学生的学习兴趣，更快地将学生带入实验操作者的角色。

3.4 虚拟仿真设计的效果

设计制作完成后，所生成的还是一个(.FLA)文件，相当于Flash的草稿，还不能在其它地方播放。必须生成(．SWF)文件，才是一个最终的Flash课件。实现方法是在文件项下将(．FLA)文件导出为Flash影片，重命名并保存。再加以音乐等效果,这样就可以通过CD、DVD等媒体来共享放映文件。

4 结束语

有机化学虚拟仿真实验通过计算机的模拟环境，使学生能够提前熟悉实验流程、了解实验操作，掌握实验技能，为实验教学提供了新途径，与真实实验虚实结合、相互补充。Flash动画演示虽然给有机化学实验教学带来了新的教学理念，开辟了新的教学途径，但从某些方面来说还存在不足，比如交互性有待提高、图像逼真程度不够、产物模拟效果不强等等，而且对课件开发者的软件应用特技水平也有较高要求，需要加强研究，进一步的完善，为推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学改革与发展做出努力。

[1] 教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作通知[EB/OL],http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[2] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013(1):5-8.

[3] 杜玉宝,孙淑强,亓文涛.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考[J].中国现代教育装备，2016(249):26-28.

[4] 李 江,卢艳丽,王永欣.虚拟仿真技术在材料学科实验教学中的应用探索[J].教育教学论坛2017(27):267-268.

[5] 孙二军,赵 伦,唐艳茹.高校虚拟仿真实验教学中心的建设思考[J].长春师范大学学报,2016,35 (8):121-124.

[6] 唐艳茹,陈小唐,魏家巍，等.化学虚拟仿真试验方法的初步探究与实践[J].长春师范大学学报，2016,35(4):57-59.

[7] 卲换峥,刘奇付.Flash技术在大学课堂教学中的运用研究[J].电脑知识与技术.2016(34):9847-9848.

[8] 贾飞云.利用Flash软件仿真模拟有机化学实验仪器的顺序组装[J].中国医学教育技术,2010,24(2):168-170.