劉永紅，王　蓓，張宜欣，蘇春梅

（首都醫(yī)科大學燕京醫(yī)學院，北京101300）

有機化學虛擬實驗室的設計方法與開發(fā)方案

劉永紅，王蓓，張宜欣，蘇春梅*

（首都醫(yī)科大學燕京醫(yī)學院，北京101300）

結合有機化學實驗的特點，探討構建有機化學虛擬實驗室的必要性和可行性，探討構建有機化學虛擬實驗室的思路、方法和內容，對有機化學虛擬實驗室進行開發(fā)和構建。

有機化學；虛擬實驗室；3Dmax；Flash

虛擬實驗室是一種基于Web技術、虛擬仿真技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗室，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化［1-2］。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環(huán)境，是未來實驗室建設的發(fā)展方向。

1　虛擬實驗室研究現狀

目前，虛擬實驗室在發(fā)達國家已十分普及。作為首先提出虛擬實驗室概念并具有雄厚科研實力和強大財力的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，在該領域的研究和應用已處于領先地位。在國內，虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視。虛擬實驗室的研究和應用廣受研究機構和軟件供應商的重視，早在1995年，互聯網上便出現了“虛擬青蛙解剖”實驗，“實驗者”可以用虛擬手術刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。2003年初，第一軍醫(yī)大學完成了國內首例女虛擬人的數據采集。醫(yī)生可以為虛擬病人模型進行手術，并可以利用網絡遠程控制機器人，實施遠程手術。手術實際進展的圖像也可通過機器人攝像機實時傳遞并與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實時掌握手術情況，發(fā)出手術指令［3］。第二軍醫(yī)大學生理學教研室從20世紀90年代開始對生理學虛擬實驗進行初步探索，對“蛙心灌流”、“哺乳動物血壓調節(jié)”以及“動作電位的產生機制和記錄方法”等實驗進行了成功模擬，并先后在國內生理學界的交流會上獲得好評。近年來，他們對原有實驗進行升級，初步建成了機能學虛擬實驗室［4］。

2　構建有機化學虛擬實驗室的必要性

（1）有機化學實驗相比于其他化學實驗課程具有危險性高、時間長、操作繁瑣等特點，在實驗過程中經常需要用到有毒有害及易燃易爆的化學試劑，實驗過程的復雜性、現象的隱蔽性以及操作的危險性等都直接影響了學生對實驗數據的獲取以及對實驗結果的認知。虛擬現實技術能實現實驗中緩慢過程的快速化或快速過程的緩慢化，相對于傳統(tǒng)教學中單一被動的學習方式，虛擬實驗系統(tǒng)能夠將每個實驗操作最大限度地進行仿真，將實驗過程中的圖像、文字、聲音以及動畫等各種因素融為一體。建立虛擬實驗室符合現代教學理念，對幫助學生預習實驗、理解實驗原理、熟悉實驗操作流程、提高學生學習興趣和學習效果具有重要意義［5］。虛擬現實技術作為一種新興的技術手段，通過對實驗內容的模擬仿真，不僅可以提高學生的動手能力，而且能夠節(jié)約實驗成本、減少實驗危害及環(huán)境污染。

（2）有機化學虛擬實驗室可以彌補實驗課堂教學的不足。有機化學實驗的內容包括3個方面，即有機實驗基本技術、有機化合物性質、有機化合物制備。有些性質及合成實驗因所使用的試劑較多、對環(huán)境危害較大而被各大高校逐漸取消，而虛擬實驗室通過改變原料、裝置、條件來觀察不同的實驗現象和結果，并且有效地避免了污染。在以往的教學過程中，我們都由教師對重要操作和學生易犯錯誤的操作進行示范，然后由學生進行實驗，教師隨時指導。由于每組實驗學生人數較多，有些學生在實驗前不注意觀察教師示范，對基本操作沒有掌握。應用虛擬實驗室，可以先組織學生進行觀摩，使學生比較直接地了解和掌握實驗方法、儀器的結構和操作，再結合教師示范，效果會更好［6］。

（3）21世紀是信息和知識經濟時代，實驗教育的任務是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的高素質人才。隨著醫(yī)學技術高速發(fā)展，新方法、新技術不斷涌現，普通實驗室的更新速度無法跟上技術的發(fā)展。同時，普通實驗室存在儀器調試、管理、易損壞等問題。此外，在實驗時間和一些損耗性大的實驗項目上對學生限制過死，這些都是傳統(tǒng)的實驗室無法解決的問題。所以，應創(chuàng)設實驗內容豐富、訓練操作扎實、不受時空限制的開放性實驗環(huán)境。

3　有機化學虛擬實驗室的設計思路（見圖1）

4　有機化學虛擬實驗室開發(fā)方案

（1）梳理醫(yī)學院校有機化學的實驗項目并進行分類、整理，設計有機化學虛擬實驗室所需的實驗項目和今后可能進行的綜合性實驗項目。

（2）運用攝影、攝像等方式對實驗過程進行拍攝、錄制。教師進行正規(guī)的操作實驗，一邊操作，一邊講解。對于需要特別注意的細節(jié)進行多遍講解，強調操作的規(guī)范性，讓學生形成良好的實驗操作習慣與嚴謹求實的科學態(tài)度。實驗演示模塊可以添加一些以往錄制的操作失誤的視頻，讓學生有比較深刻的印象，避免失誤的發(fā)生。

（3）建模。所謂建模就是在三維空間內創(chuàng)建出所需物件的三維模型，這是虛擬實驗室的基礎，因此，我們將完成盡可能完全的三維模型庫，同時對需要的有機分子模型進行建模。運用3Dmax軟件建立儀器設備模型，進行模擬蒸餾、回流、加熱攪拌、紙層析等操作。

（4）演示實驗動畫的制作。演示實驗動畫制作過程中專業(yè)技巧的運用使虛擬實驗更加真實，為了更好地表現三維立體的實驗環(huán)境和實驗方法，需要運用3Dmax中攝像機、燈光、場景等，還需要動畫的制作、火焰及煙霧效果的制作、渲染、視頻編輯等專業(yè)的知識與技術。

（5）后期整合與再加工。將所制得的各種模擬操作及演示動畫應用視頻進行編輯、壓縮，通過Flash MX的強大交互功能彌補3Dmax在交互功能方面的不足，將Flash MX和3Dmax兩種技術結合，最后將所得各素材整合加工。

（6）將虛擬實驗室掛網運行。將整合加工后的模型及演示動畫充分修改后形成完整的有機化學實驗虛擬實驗室，并上傳至校園網使用，在使用中根據反饋的信息對有機化學虛擬實驗室的建設進行再修改和完善。

5　構建的技術關鍵

5.1設計、記錄實驗過程

通過研究我校教學大綱，借鑒國內目前先進的虛擬實驗室經驗，結合實驗室自身情況，精心設計、認真記錄實驗過程，為虛擬實驗室的構建打好基礎。

5.2虛擬實驗元件模型及實驗環(huán)境的建立是虛擬實驗室成敗的關鍵

虛擬實驗元件建立的好壞對虛擬實驗設計產生直接的影響，不僅影響著實驗結果，還關系著整個實驗的成敗。虛擬實驗元件主要分兩類：一類為化學實驗虛擬儀器元件，另一類為化學實驗虛擬試劑元件。應用3Dmax技術，可以使虛擬實驗元件制作更接近于真實。

6　構建的意義

（1）有機化學是一門依托實驗教學的實用性很強的學科，在教學過程中其教學信息大部分都是通過實驗來傳遞，相對于傳統(tǒng)教學中單一、被動的學習方式，虛擬實驗系統(tǒng)能夠將每個實驗操作最大限度地進行仿真。

（2）虛擬現實技術作為一種新興的技術手段，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、提高學生的動手能力，而且能夠節(jié)約實驗成本、減少實驗危害、減少環(huán)境污染。

7　創(chuàng)新之處

（1）3Dmax是一種PC機的三維動畫制作軟件，可以用于影視制作、工業(yè)建筑設計。利用3DMax來創(chuàng)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，這將大大提高課件的質量與使用效果，同時又解決了因缺少儀器設備等而無法實際操作的實驗，一方面節(jié)省了學校在實驗室建設方面的投入，另一方面節(jié)省了實驗器材維護方面的投入。

（2）由于有機化學的實驗很多具有高度危險性，所用試劑、產物均具有污染性，后期處理成本很高（例如有機化學性質實驗），用虛擬實驗的形式能最大限度地解決上述問題，符合目前國內各高校所提倡的“綠色化學”的號召，也符合教育教學改革的需要。

（3）具有良好的可延續(xù)性，根據教學改革的需求，實驗課程教學需要不斷再設計和補充，其他的計算機技術也可能需要重新開發(fā)，而虛擬現實技術良好的二次開發(fā)性能夠很好地適應這些變化。設計人員（教師）只需要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(fā)導致的資源浪費問題。

8　討論

基于校園網絡的有機化學虛擬實驗室的建立，為學生提供了一種不受時間、地點、空間、儀器、試劑、師資、經費等條件限制的自由學習模式，學生可以隨時進入虛擬實驗室進行各種實驗練習。實踐證明，虛擬實驗室可以使學生的實驗自主性顯著增強、目的更加明確、實驗進度明顯加快，同時儀器損壞率和試劑消耗率明顯下降。但有機化學虛擬實驗室并不能完全代替學生動手做實驗，它只是一種輔助的教學手段，虛擬實驗教學模式與傳統(tǒng)實驗教學模式互有優(yōu)勢，只有將兩者結合起來，才能做到相輔相成、取長補短。由此，筆者認為，根據不同實驗的類型［7］及目的，選擇兩種教學模式中的一種或者將兩者進行有效組合才是真正提高實驗教學效果的有效之道。

圖1　有機化學虛擬實驗室的設計思路

［1］劉延華，桂萬云.虛擬實驗室在高校實驗教學中的應用前景［J］.洛陽師范學院學報2006（2）：94-96.

［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］鐘世鎮(zhèn)，原林，唐雷，等.數字化虛擬中國人女性一號（VCH—F1）實驗數據集研究報告［J］.第一軍醫(yī)大學學報，2003（3）：196-200.

［4］夏金輝，韓紅，李瀟寒，等.生理學虛擬實驗室設計建設的幾點體會［J］.西北醫(yī)學教育，2008（1）：109-110.

［5］陳國輝，羅一鳴，李潔，等.工科大學化學實驗課程建設與創(chuàng)新實驗教學設計［J］.化工高等教育，2008（6）：14-16.

［6］宋明芝，范傳剛，解勝利，等.有機化學實驗綠色化教學改革與實踐［J］.廣東化工，2012（2）：227-228.

［7］沈亦紅.論物理虛擬實驗與真實實驗的互補作用［J］.中國電化教育，2004（7）：42-44.

（*通訊作者：蘇春梅）

G40-03

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1671-1246（2016）22-0085-03

首都醫(yī)科大學科研基金項目（2015JS25）