分析化学虚拟仿真实验的研制及应用

韦寿莲，潘嘉贤，余汉昭

（肇庆学院 化学化工学院，广东 肇庆 526061）

分析化学是发展和应用各种方法、仪器及策略以获得有关物质在空间与时间方面的组成及性质的一门科学.分析化学实验融容量分析、仪器分析等有关实验教学为一体，具有合成分析、药物分析、质量控制检测、创意研究等多项功能，它能使学生通过“基本技能训练—综合实验—设计研究型实验”等多层次的教学实践，强化创新意识，提高综合分析问题的能力.

近年来，通识教育在高等院校越来越受到重视.通识教育的课程选择需要体现学科发展的相互交叉、渗透和综合，关注科学、技术与社会的密切联系，强化人文、社会、理工、信息和管理科学的相互促进[1].为了适应社会发展，肇庆学院也在开展“通识教育”实践，缩减了大部分专业基础课和实验课的课时.实验课时的压缩，使学生的实践机会减少，不利于学生专业技能的提高和强化，也不利于学生创新能力的培养.而扩招使学生人数逐年增加，给实验室带来了巨大的压力，导致学生的实验参与度急剧下降，教师也难以对每位学生进行一对一的指导.当今社会对专业人才的各方面要求越来越高，就业形势越来越严峻，因此，改变传统的实验教学方法，引入现代化的教学手段进行辅助教学势在必行.

仿真实验是计算机技术飞速发展的产物，是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，通过提供简单通用的交互界面,准确地计算并模拟实际实验状态和仪器操作状态,能正确地分析判断用户的操作流程,具有仿真性、交互性和实效性[2].学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作，可以加深对实验原理及操作步骤的理解，还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验.这为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供了保障，对于解决通识教育带来的课时缩减和社会对人才需求的矛盾也有着重要的意义.

1 仿真实验的制作

1.1 设计思路

常用的仿真实验制作技术有JAVA技术、VRML技术以及Flash技术等.JAVA技术和VRML技术需要有较高的网络编程知识，入门难且制作难度大，而Flash技术入门较容易，开发难度较低，开发周期短，所以很多院校都采用Flash技术进行仿真实验的制作.例如：中山大学的分析化学精品课程[3]和大连理工大学建成的分析化学仿真实验[4]就都采用了Flash技术.中山大学建成的仿真分析化学实验侧重于背景知识的介绍，实验原理不够突出，在实验基本操作中没有演示出具体操作的手势；大连理工大学的分析化学仿真实验开发得较早，演示滴定过程时只有几个简单的滴定画面.为了弥补上述不足，有必要对现有的分析化学仿真实验进行改进，或者研发出更适合新建本科院校学生使用的仿真实验.

滴定分析包括酸碱滴定、络合滴定、氧化还原滴定等，它们的实验原理不同，但基本操作相同.滴定分析中各种滴定分析法的实验原理虽不同，但都是以滴定反应的计量关系为基础的.络合滴定法的实验原理是所有滴定分析方法中最难掌握的，如果学生真正掌握了其实验原理，就可以举一反三，理解、掌握其他滴定分析的实验原理.鉴于此，我们确定采用Macromedia公司的Flash8研制“络合滴定法”分析化学仿真实验，通过Flash动画突出络合滴定法的难点（原理）和重点（滴定分析基本操作）.

1.2 制作

制作仿真实验通常要遵循科学性原则、直观性原则以及交互性原则[5]，还要有一定的艺术欣赏价值，以激发学生的学习兴趣.根据仿真实验的设计原则，在参考中山大学分析化学精品课程虚拟实验室制作的基础上，为了使制作出的“络合滴定法”仿真实验能很好地解决目前分析化学仿真实验中存在的问题，同时能很好地突出络合滴定法的难点（原理）和重点（滴定分析基本操作），我们将“络合滴定法”仿真实验制作分为实验原理、实验操作、实验演示、实验仪器和试剂、数据处理、思考与讨论6个部分，并按图1所示流程进行制作.

在制作过程中，以实验原理为主线突出实验的难点.实验框架设计、素材采集与处理、动画制作、数据库建设等步骤均围绕实验原理进行.具体制作过程如下：

1）实验原理.络合滴定法，又称配位滴定法，是以配位反应为基础的一种滴定分析方法.

实验条件：以络黑T（EBT）为指示剂，在pH值≈10的氨性缓冲溶液中.

图1 “络合滴定法”仿真实验制作流程图

滴定前：Mg＋EBT＝Mg－EBT.

滴定中：Ca＋Y＝CaY，Mg＋Y＝MgY.

终点时：Mg－EBT＋Y＝MgY＋EBT.

由于实验原理是络合滴定法的难点，结合学生的认知程度，我们编写了上述简明的实验原理并通过Flash中的遮罩层来实现.遮罩层是Flash中一个非常特殊的层.如果在某一层建立遮罩层时，它下面的一层就会自动变成被遮罩层，或者建立图层后将需要遮罩的图层进行设置.遮罩层的图形可画成任意形状，该形状就是一个“视窗”.Flash播放时，被遮罩层上的对象就通过这个“视窗”显示出来，而“视窗”之外的对象将不会显示出来.实验原理的内容运用了遮罩层，通过遮罩层显示出来的实验原理更突出、更清晰、更有条理性，也更便于学生理解和掌握.

2）实验操作.滴定分析实验都涉及到溶液配制的计算问题，因此，制作时加入了输入文本，要求实验者在溶液配制时计算并录入配制一定浓度溶液所需称取试剂的质量，然后，才能进行下一步实验操作.为避免有些学生因为计算错误或不会计算试剂质量而无法进行下一步实验，在制作中采取以下措施：录入3次错误数据后，系统会自动给出正确答案或相关提示.输入文本框的基本源程序结构如图2所示.

图2 输入文本框的基本源程序结构图

每次数据录入可通过3帧脚本控制来实现，每帧中具有相同的实验内容：一个按钮、一个动态文本框.首尾帧赋予动作语句“stop();”，中间帧的脚本语言（ActionScript）如下：

if(t1＞0.120)＆＆ (t1＜0.130)｛gotoAnd－Stop(3150);｝//输入数值在0.120至0.130之间，播放画面跳转到3 150帧的画面.else｛gotoAndStop(3143)｝;//若输入数值不在0.120至0.130之间，播放画面则跳转到3 143帧的画面.

本仿真实验只允许学生在图2中虚线框内最多录入3次错误的数据.如果学生3次录入的数据均错误，画面会立即转到图2中的3 142至3 150帧，此时会给出提示或正确答案，使学生能进行下一步操作.

在实验操作中，重点制作了滴定操作的过程，突出快滴、慢滴和半滴的操作.通过示例按钮同步显示正确的操作手势，如拿锥形瓶的手势（图3）和控制滴定管开关的手势（图4）等；同时，同步显示已滴入标准溶液的体积及相应指示剂颜色的变化，如图3、图4所示：

当点击“锥形瓶手势”按钮或“开关手势”按钮时，会分别进入图3、图4的画面，展示“拿锥形瓶的手势”或“旋开关的手势”的图片会以从小变大的效果显示出来.

3）数据处理.为了体现实验的完整性及数据处理在实验中的应用，我们在仿真实验制作中增加了“数据处理”功能.数据处理部分以表格的形式显示，表中对如何正确记录数据（注意有效数字）、如何计算和表达实验结果、如何评价实验的好坏等均有提示，条理性强，便于学生模仿、学习和掌握.

与其他院校的仿真实验相比，我们制作完成的“络合滴定法”仿真实验解决了在进行分析化学仿真实验的文本输入时，由于输入了错误的实验数据而无法进入下一步的问题，并突出了“络合滴定法”仿真实验的重点和难点，因而更适合新建本科院校的学生使用.

目前，我们制作的仿真实验已上传至“肇庆学院——分析化学精品课程”网站上，网址为http:// 210.38.176.58/ec2006/C81/zcr－1.htm.

图3 滴定时握锥形瓶的手势图

图4 控制滴定管开关的手势图

2 仿真实验在教学中的应用

在2008级部分已做过“络合滴定法”实验的非师范生和未做过“络合滴定法”实验的师范生中，我们将制作的仿真实验应用于实验教学.对于已做过“络合滴定法”实验的非师范生，在进行“络合滴定法”仿真实验前，先考查了其对实验原理的掌握程度.考查发现他们对实验原理比较模糊，多数学生未能完整写出实验原理.在进行“络合滴定法”仿真实验后，80%的学生掌握并加深了对原理的理解，提高了对分析化学实验学习的兴趣.学生们认为，仿真实验图、声、文并茂，形象地展示了整个实验过程，使实验原理易于接受和理解.由于仿真实验中每一步滴定操作都很清晰，因此，学生们反映对其实验的规范性操作、实验数据的正确记录均有指导作用.对于未做过“络合滴定法”实验的师范生，进行“络合滴定法”仿真实验后，85%的学生对滴定实验过程有了一定的认识，激发了他们的学习兴趣——尝试亲自实践.为此，我们安排他们进行了酸碱滴定实验.实验前启发学生从“络合滴定法”仿真实验的原理对“酸碱滴定”的原理进行讨论，使其深刻理解滴定分析法原理的本质.在进行酸碱滴定实验的过程中，学生们模仿仿真实验的滴定操作，操作基本能达到规范化，也能正确判断滴定终点和正确记录数据.由此可见，制作的“络合滴定法”仿真实验对滴定分析实验教学具有较好的辅助作用.

3 小结

以Flash软件为开发平台，利用Flash丰富的表现力，我们研制了“络合滴定法”的flash仿真实验.与目前一些研究型高等院校或中国科学院开发的仿真实验相比，我们开发的仿真实验原理清晰易懂，实验过程中能同步显示规范的实验操作手势，而且解决了数据输入错误无法进入下一步实验的问题，因而更适合新建本科院校学生学习和使用.

分析化学Flash仿真实验的直观性强，操作简单且针对性强.将“络合滴定法”仿真实验应用于分析化学实验教学，促进了学生综合实验能力的提高.

[1] 李平.地方普通高等学校通识教育课程设置研究——以内蒙古自治区普通高等学校为例[D].呼和浩特:内蒙古师范大学,2008：15-16.

[2] 张冰.计算机仿真实验的教学应用及发展前景[J].理工高教研究,2005,24(3):116-118.

[3] 中山大学化学化工学院.分析化学精品课程网站—教学资源—虚拟实验室[EB/OL].广州:中山大学,2008-06-18.http:// jpkc.sysu.edu.cn/second/fenxihuaxue/index.htm.

[4] 大连理工大学.分析化学虚拟实验室[EB/OL].大连：大连理工大学,2008-06-18.http://202.118.73.170/analyticalchemistry/_ netware/html_lab/lab.htm.

[5] 张晓玲.基于FLASH技术的大学物理仿真实验的研究[D].武汉：华中师范大学，2007:19-20.