基于互联网+的分析仪器虚拟仿真实验室的构建

彭雪娇， 林海禄

(东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

基于互联网+的分析仪器虚拟仿真实验室的构建

彭雪娇， 林海禄

(东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

从大学生的协同创新能力和综合设计能力培养着手，整合学校网络信息化实验实训资源，构建与实践分析仪器仿真虚拟实验室，探究互联网+条件下大学生自主学习、协同学习和探究式学习的创新实践教学改革模式。

互联网+；分析仪器；虚拟仿真实验室

彭雪娇，林海禄.基于互联网+的分析仪器虚拟仿真实验室的构建[J].东华理工大学学报：社会科学版，2016，35(4)：383-385.

Peng Xue-jiao, Lin Hai-lu.Construction of virtual simulation laboratory of analytical instruments based on internet plus[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(4)：383-385.

实验教学是大学化学教学活动中重要的一环，大学生唯有通过足够的实验时间，才能掌握实践技能、“吃透”本学科理论基础知识，并从中培养他们分析观察和协调处理问题的能力，进而塑造其严谨的科研态度和求真务实的工作作风[1]。因此，不断强化实验室建设，改革创新实验教学十分必要。

近年来，连续扩招使得高校实验场地拥挤、人均仪器台套数下降，仪器设备陈旧的实验室现状与价格昂贵的实验设备的矛盾愈加显现，大多数高校的教育经费无法满足实验设备的不断更新，造成很多实验内容只能教师讲授、学生观摩。此外，由于学时受控，实验教学也只能进行理论验证和模仿，扼杀了学生的创新意识和创造性思维的培养。因此，寻求有效途径改革仪器分析课程的教学模式，培养学生的实践能力和创新精神，进而推进实验教学改革尤显重要。

1 分析仪器虚拟实验室发展现状

近年来，随着计算机软硬件和网络的迅猛发展，虚拟实验室受到越来越多的国内外高校的青睐[2]。美国亚利桑那州立大学已应用“沉浸式学习”、游戏软件、智能手机等技术，科罗拉多大学运行基于物理现象分析的“PhET交互式虚拟仿真软件”，加州大学圣迭戈分校研发并应用了“StarCAVE虚拟现实系统”。

我国从2013年开始进行国家级高校虚拟仿真实验中心的遴选工作，目前国内很多著名高校都开发了各类虚拟仿真软件和虚拟实验室。如：清华大学的“汽车发动机检测系统”是通过虚拟实验仪器构建的，中国农业大学极具特色的“虚拟土壤——作物系统实验室”，复旦大学、大连理工大学等高校的虚拟仪器系统也都是自主开发的[3]。这些虚拟仿真软件和实验室的成功经验，为我国高校虚拟实验软件的应用和虚拟仿真实验室的普及指明了前进的方向，奠定了坚实的基础。

2 分析仪器虚拟仿真实验室的特色

分析仪器虚拟仿真实验室结合现实实验室，可以在很大程度解决实验仪器设备台套数少的问题，学生不必担心损坏仪器和存在安全隐患，从而大胆验证实验设想。 虚拟实验可以缓解实验教学与理论教学的不同步性，其对实验教学的有效补充，可强化实验操作技能，使仪器相关课程的教学质量和教学水平得到稳步提高。同时，绿色化的虚拟实验室可以开设如滴汞电极实验等一些因污染而不易实施的传统实验。基于互联网+的分析仪器虚拟仿真实验室可以通过网络共享，解决多校区办学中实验室的重复建设问题。与之相辅相成的是，建设虚拟实验室所配套的高速网络传输、大数据处理和云计算等，极大促进了高校的数字化和信息化建设[4,5]。

在分析仪器虚拟实验室中，学生在掌握实验原理的基础上，既可以在虚拟实验设施上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养其实践操作能力、分析判断能力、设计创作能力和创新意识[6]。

3 分析仪器虚拟实验室的总体设计

3.1 优化实验内容

根据理工科院校化学相关专业的教学特点，优化整合学科教学内容，合理分配实验学时，虚拟仿真实验与现实动手实验相结合。遵循现实实验教学的发展趋势，着眼于学生实践技能的掌握、理论知识的理解和科研素质的培养，实验内容分为基础理论体系、视频讲解资源建设和虚拟实验室应用三个部分。基础理论体系包括课程体系、方法原理、仪器构造、仪器操作及实验安全隐患和排除。通过教师示范讲解实验视频，用以规范学生操作，特别强调需注意的关键实验环节，使学生对实验操作有清晰、完整的认识。虚拟仿真实验室包括分析化学基本操作、气相和液相色谱实验、原子吸收和原子发射光谱实验、傅里叶变换红外光谱实验、质谱实验以及核磁共振波谱实验等，均为沉浸式动画设计。每个实验都分为实验原理学习巩固、安全注意事项、实验装置剖析、实验步骤分解、仿真实验演示和沉浸模拟实验等几部分，以真人动画仿真的形式组装实验装置，操作仪器进行分析检测，得到实验数据供实验者判断。逼真的实验场景能够强化学生感性认识，锤炼学生实践动手能力，提高教学质量。

3.2 构建分析仪器虚拟仿真实验室

分模块制作虚拟实验室所需的文本资料、图片素材和动画方案，以网页设计为基础，生成沉浸式实验室模块，拼接成各个实验室，进而链接为分析仪器虚拟平台。具体地说，主要采用网页制作和MySQL 数据库技术仿真仪器的操作流程；Apache 作为Web 服务器，可与客户端进行快速、安全的通信，PHP为编程语言生成动态页面，Fireworks 设计与优化用户界面[7,8]。在本地磁盘上用FrontPage和Dreamweaver软件编辑网页，创建站点上传到学校服务器上，提供给师生使用[9]。并整合相关资源，功能性组建大型分析仪器虚拟仿真实验平台。在使用过程中，根据信息反馈修改并完善虚拟实验平台。

3.3 分析仪器虚拟仿真实验室所用软件

虚拟实验室的构建离不开可视化图像处理、视频编辑和网页编辑软件，而互动式、沉浸式实验教学要求大数据流媒体网络技术，目前国内外基于互联网的虚拟仿真实验室的制作主要基于Java、Flash、ActiveX、VRML、QuickTimeVR等几类技术[10]。而作为一种面向对象的脚本语言，ActionScript动作控制对象的特性特别适合建立前文所述的沉浸式、交互式分析仪器虚拟实验室[11]，实时仿真可以通过和任何支持Socket 的语言进行通讯的Socket 通讯来实现。根据分析仪器虚拟仿真实验室的特点，尽管Flash的交互性并非十分强大，但通过结合3D Max建模仍可采用Flash 技术来共同构建虚拟实验仿真系统[12]。

3.4 建立分析仪器虚拟实验教学平台

把虚拟仿真实验室所需的相关课程教材、图片动画素材、实验示范视频、教师讲稿教案等所有教学资源均上传到虚拟实验教学平台上，该平台基于宽松学习环境的开放式网络互动系统，学生可用该系统进行课前预习、课后自主复习。同时，学生、指导老师和家长可以通过教学平台进行跨越时空的学术交流和沟通，使得本科生能够在自由、宽松的模式下学习到更多的知识，家长也能够掌握孩子在学校的学习动态。通过网络互动系统，教师可以实时分析学生的实验数据，及时指出实验中存在的问题，提高学习效率和教学效率。

4 构建分析仪器虚拟实验室的意义

基于互联网+的虚拟仪器实验课程教学，紧扣理工科高等院校化学相关专业教学特点，优化整合实验教学内容，将现代多媒体技术、大数据、云存储应用在化学实验教学中，突破传统实验教学桎梏，创建虚拟仿真分析仪器实验教学平台，实现跨越时空交流的实时在线教育模式。这种改革的教学模式，打破了理论、实验、实训课的界限，将理论教学和实验操作教学融为一体，在实践中掌握理论，在运用中磨砺技术，实现教学过程中真正地互动及各种教学资源的有效利用，从而提高实验教学效率。虚拟仿真实验室的构建和推广应用将有力推动高校实验教学方法的深刻变革，是未来实验教学发展的必由之路。因此，充分利用学校和社会的计算机和网络资源，极力促进虚拟仿真实验室建设，对高校实验教学现代化改革具有重要意义。

5 分析仪器虚拟实验室展望

近年来，随着智慧城市、数字化校园建设，全国各高校的有线、无线网络已经基本上都实现了校园无盲区。大学生无论是在图书馆、教室，还是宿舍、食堂，甚至树林、草坪等处都可利用智能手机、平板电脑、笔记本电脑等设备很方便地连接校园宽带网络。2014年以来各网络服务商推出的光网行动和4G风暴，更是为虚拟仿真实验室乃至掌上虚拟实验室的普及和发展创造了极为有利的网络环境。

虚拟实验室能比现实实验室开设更多的实验内容，大学生通过互联网自主学习，可以获取更多从传统实验中无法想象的实验技能和知识。更应指出的是，虚拟实验室的应用冲破了传统实验教学方式的束缚，使实验的开设不再拘泥于真实实验室中，在很大程度上解决了各高校由于扩招出现的仪器设备购置经费不够、实验教学资源不足、实验室重复建设等许多问题。

分析仪器虚拟仿真实验室开辟了新型、新颖、新奇的实验场地，它的应用从根本上改善了仪器实验的教学环境，将学生引入了一个充满奇趣的实验的世界，必然是未来实验室建设的发展方向。

[1] 乐长高，谢宗波. 产学研联合培养化学工程与技术专业研究生[J]. 东华理工大学学报：社会科学版，2011，30(1)：63-66.

[2] Yaron D, Karabinos M, Lange D, et al.. The chemcollective-virtual labs for introductory chemistry courses [J]. Science, 2010, 328(5978): 584-585.

[3] 卑占宇，郭小慧，何新蕾，等．药学专业有机化学虚拟实验室学习平台的构建与应用研究教学研究[J]. 教学研究，2012，15(9)：163-164.

[4] 邵俊，孟君，杨习居. 基于虚拟实验室的仪器分析课程教学改革[J]. 化学教育，2016，37(10)：75-78.

[5] 白雁，张娟，潘瑾，等． “虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J]． 实验技术与管理，2011，28 (12): 169-171．

[6] 许映杰，胡六江．虚拟实验在仪器分析实验教学中的应用研究[J]． 绍兴文理学院学报，2014，34 (7): 89-91．

[7] 刘蒸蔚，卞亚红，张力，等．大型药物分析仪器虚拟实验训练系统的设计与开发[J]．中国医学教育技术，2014(3): 280-284．

[8] 陆霞，田地，何禹潼. LA-ICP-MS网络虚拟实验室的研究与开发[J]. 实验室研究与探索. 2015，34(11)：120-123.

[9] 刘颖，刘淼晶. 高校基于云计算的虚拟实验室建设研究[J]. 中国教育信息化，2016，(3)：53-56.

[10] 王瑛，陈希. 虚拟实验室的实现研究[J]. 科技传播，2016，(1)：172-173.

[11] 田杰，张民．探究网络虚拟实验室的构建[J]．实验室研究与探索，2012， 31 (4): 262-264.

[12] 刘志广，王姣姣，王艳嫱，等．三维网络原子吸收光谱分析虚拟实验室的构建[J]．实验室研究与探索，2013，32(3):205-210.

Construction of Virtual Simulation Laboratory of Analytical Instruments Based on Internet Plus

PENG Xue-jiao, LIN Hai-lu

(School of Chemistry，Biology and Material Science，East China UniversityofTechnology，Nanchang330013，China)

Starting with the training of college students’ collaborative innovative ability and comprehensive design ability and by integrating the school- network experimental training resources, the authors construct and practice virtual simulation laboratory of analytical instruments so as to explore practice teaching reform model of students’ autonomous learning, collaborative learning and inquiry-based learning under the background of internet plus.

Internet plus；analytical instruments；virtual simulation laboratory

2016-07-21

江西省教育厅教学改革项目，大型分析仪器虚拟仿真实验平台的构建与实践研究(JXJG-15-6-16)。

彭雪娇(1972—)，女，江西赣州人，高级实验师，主要从事分析化学研究。

G642.423

A

1674-3512(2016)04-0383-03