化学虚拟仿真试验方法的初步探究与实践

唐艳茹，陈小唐，魏家巍，丁　鹏，罗风琼

(1.长春师范大学化学学院，吉林长春130032；2.东北师范大学人文学院，吉林长春 130022；

3.长春希望高中，吉林长春130022)



化学虚拟仿真试验方法的初步探究与实践

唐艳茹1，陈小唐2，魏家巍3，丁鹏1，罗风琼1

(1.长春师范大学化学学院，吉林长春130032；2.东北师范大学人文学院，吉林长春 130022；

3.长春希望高中，吉林长春130022)

[摘要]虚拟现实技术在仿真实验室中应用越来越广泛。无机化学实验是相关专业必不可少的实验，但在实验中，有些化学试剂有毒或操作不当易造成事故，以及操作失误破坏仪器、操作不当不能及时纠正，使学生现场操作存在一定的危险。本文就硫酸亚铁铵的制备初步探究化学虚拟仿真实验的可实施性。

[关键词]虚拟仿真实验；探究；硫酸亚铁

虚拟实验技术在科学研究、虚拟实验教学、教育等方面发挥着重要的作用，受到越来越多的关注，虚拟仿真实验教学建设是高校实验教学改革的必然发展方向。开展虚拟仿真实验教学建设，与真实实验教学互为补充，有利于提高高校实验教学信息化水平。

化学实验教学是科学研究的重要手段，传统的实验离不开实验设备和原材料等实验用品，一些原材料不能完全满足绿色化学的要求。虚拟实验技术既能满足人们掌握化学实验技能又不污染环境。目前虚拟实验技术已经和理论分析、科学实验一起，成为人类探索科学的主要手段，特别是在教育领域具有实际应用价值。

1虚拟仿真实验的必要性

1.1避免真实实验带来的各种危险

实验室中的实验药品多为有毒物质，做实验也常有有毒气体产生，长期做实验会对身体造成一定的伤害。大学生初步接触实验，常有操作不规范或操作失误导致仪器破损、化学试剂溅出，严重时易灼伤皮肤，危险系数很大。虚拟仿真实验教学可以避免真实实验带来的各种危险。

1.2打破实验单一、仪器受限的格局

普通实验由于教学经费、设备、场地等资源有限，导致某些课程无法开设。利用虚拟仿真实验就可以弥补这些短处，使学生获得与真实实验一样的感受，在安全的实验条件下加深对知识点的理解与掌握。虚拟仿真实验不仅节省实验花费，还可以实现资源共享。

1.3实现实验教学一体化

在实验教学过程中，采用虚拟仿真实验，可以利用网络进行适时指导，及时解决学生遇到的问题，达到对学生进行个性化指导的目的，实现自动化辅导和对学生测试结果的批改。学生可以利用虚拟仿真试验系统的智能答疑功能，实现学生与教师互动或者在线向教师发送邮件。实验指导教师可以利用网络技术对实验过程进行数据统计、大数据分析，及时发现教学过程中的问题，并提出改进意见，进一步提高实验教学的质量。

2构建虚拟仿真实验室的网络技术

构建虚拟仿真实验室离不开网络技术，网络技术的选择决定我们能否达到最终目标。虚拟仿真系统的对象模型主要包括实验场景、仪器模型和元器件模型。初步探究虚拟仿真实验室，可采用下面两个技术。

2.1VRML技术

VRML是“Virtual Reality Modeling Language”的缩写形式，意思是“虚拟现实建模语言”。VRML是用来描述三维物体的文本语言，可以构建虚拟境界,可以集成文本、图像、音响、MPEG影像等多种媒体类型，还可以内嵌用Java、ECMAScript等语言编写的程序代码。

在以VRML为核心构建的虚拟世界中，用户如身处真实世界，可以和虚拟体交互，人们可以以习惯的自然方式访问各种场所，在虚拟社区中“直接”交谈和交往。运用VRML技术制作实验场景有很强的逼真感和沉浸感，加强人与环境的协调、融合和情感交流。通过创建一个虚拟人物从进入实验室，了解实验原理，操作实验，到实验的结果分析总结，使学生全面掌握整个实验过程及实验要点。

2.2Flash技术

Flash是一种基于矢量图形的交互式创作软件，功能异常强大，所生成的动画体积小，可直接在网络上进行。Flash动画具有交互性，可以更好地满足用户的需求，它可以让操作者的动作成为动画的一部分，用户可通过单击、选择等动作，决定动画的过程和结果。这使虚拟仿真实验中的操作变得简单，先用Flash制作无机化学试验中常见及个别试验中所必要的实验仪器件模型和元器件模型。学生只需打开仪器面板找到实验所需仪器便能进行实验操作。

3虚拟仿真实验实践——硫酸亚铁铵的制备

硫酸亚铁铵会刺激呼吸道、眼睛、皮肤和粘膜等，吸入后引起咳嗽和气短。误服引起虚弱、腹痛、便血、恶心、肺及肝受损、休克、昏迷等，严重者导致死亡，其对水体也造成污染。硫酸亚铁铵会生成有害燃烧产物，三氧化硫。学生在实验室操作有一定的危险，虚拟仿真实验室可解决这一问题。根据以上技术建立数学模型，通过前台动画和程序设计展示虚拟仿真实验室的全部功能，各部分的具体功能如下。

3.1实验目的(在虚拟软件中点击相关按钮直接查看)

(1)根据实验原理及数据设计并制备硫酸亚铁铵；(2)进一步掌握水浴、溶解、过滤、蒸发、结晶等基本操作；(3)了解检验产品中杂质含量的一种方法。

3.2实验原理(在虚拟软件中点击相关按钮直接查看)

硫酸亚铁铵俗称摩尔盐，浅绿色透明晶体，易溶于水，在空气中比一般亚铁铵盐稳定，不易被氧化。

在0～60℃范围内，硫酸亚铁铵在水中的溶解度比组成它的简单盐(NH4)2SO4和FeSO4·7H2O要小，因此只需要将它们按一定比例在水中溶解，混合，即可制得硫酸亚铁铵晶体。

(1)将金属铁溶于稀硫酸，制备硫酸亚铁。反应方程式为

(2)将制得的FeSO4溶液与等物质的量(NH4)2SO4在溶液中混合，经加热浓缩，冷却至室温后得到溶解度较小的硫酸亚铁铵晶体。

3.3实验仪器(通过小动画或是立体图让学生更直观的了解实验仪器的内部结构、使用方法)

仪器：铁架台、水浴装置、普通漏斗、热滤漏斗、分析天平、蒸发皿(60 ml)、锥形瓶(250 ml)、烧杯(50、100、150 ml)、量筒、酒精灯、三脚架、石棉网、钥匙、温度计、玻璃管、胶头滴管、橡皮塞、橡皮。

3.4实验药品(根据每个实验的需要配置药品和试剂)

铁屑(铁粉)或铁钉(已除油)、(NH4)2SO4(固体)、3 mol·L-1硫酸、0.1 mol·L-1碳酸钠溶液、1 mol·L-1的硫酸铜溶液。

3.5实验内容及步骤(虚拟模拟实验操作的整个过程，实验过程所需的药品试剂及实验仪器都已在虚拟平台中，学生点击鼠标来进行一步步的实验操作)

3.5.1硫酸亚铁的制备

(1)称取一定量铁屑(4 g)放在烧杯中；(2)加40 ml 1 mol·L-1Na2CO3溶液，加热5～10分钟；(3)倾析法除去碱液；(4)用水把铁屑上碱液冲洗干净，防止在加入硫酸后产生碳酸钠晶体混入硫酸铁中；(5)倾析法除去水；(6)晾干(烘干较快)；(7)锥形瓶中加入硫酸溶液再加入已经洗净的铁钉；(8)水浴加热锥形瓶加速其反应；(9)将反应完全的铁钉过滤。

3.5.2硫酸亚铁铵的制备

(1)称取固体硫酸铵10 g，完全溶于装有15 ml微热蒸馏水的烧杯中；(2)再倒入硫酸亚铁溶液中。搅拌，小火加热，在蒸发皿中蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜为止。溶液静置，自然冷却，析出硫酸亚铁铵晶体。

3.6实验结果

输入实验数据，计算机软件自行得出结果。

3.7结果分析(虚拟仿真软件可根据实验所得结果进行分析)

(1)硫酸亚铁与硫酸铵没有反应完全；(2)混有杂质硫酸钠；(3)水分没有完全压干。

4结束语

虚拟仿真教学是现实实验教学资源的重要补充,通过建设该教学平台，可以有效整合并优化实验教学资源，推进仪器设备及优质资源共享，进一步提高实验教学信息化管理水平。本文以硫酸亚铁铵制备为例做模拟实验，初步探究化学虚拟仿真实验的可实施性。无机化学中很多的仪器是相通的，可按照该方法做一些其他普通实验室无法操作的实验。

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The Preliminary Exploration and Practice of Chemical Virtual Simulation Test Method

TANG Yan-ru1, CHEN Xiao-tang2, WEI Jia-wei3, DING Peng1, LUO Feng-qiong1

(1.Faculty of Chemistry, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032 ,China;2. College of Humanities，Northeast Normal University, Changchun Jilin 130022 ,China;3.Changchun Hope High School, Changchun Jilin 130022,China)

Abstract:Virtual reality technology is more and more widely applied in the simulation lab. Inorganic chemistry experiment is an essential part of relevant professional experiment. But in the experiment there will discharge of toxic gases and cause an accident, that leads to damage the instrument. And sometimes improper operation can not be timely correced. In this paper, the preparation of ammonium ferrous sulfate preliminary explore virtual simulation experiment of practical chemistry.

Key words:virtual simulation experiment; exploration; ammonium ferrous sulfate

[中图分类号]O6-39

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)04-0057-03

[作者简介]唐艳茹(1962- )，女，高级实验师，从事应用化学、实验室建设研究。

[基金项目]长春师范大学实验教学教改研究项目“虚拟实验平台、网络实验课程体系的建设研究”(JWSSY201411)。

[收稿日期]2015-01-07