有机化学虚拟实验室的设计方法与开发方案

刘永红，王　蓓，张宜欣，苏春梅

（首都医科大学燕京医学院，北京101300）

有机化学虚拟实验室的设计方法与开发方案

刘永红，王蓓，张宜欣，苏春梅*

（首都医科大学燕京医学院，北京101300）

结合有机化学实验的特点，探讨构建有机化学虚拟实验室的必要性和可行性，探讨构建有机化学虚拟实验室的思路、方法和内容，对有机化学虚拟实验室进行开发和构建。

有机化学；虚拟实验室；3Dmax；Flash

虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式网络化的虚拟实验室，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化［1-2］。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境，是未来实验室建设的发展方向。

1　虚拟实验室研究现状

目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验室概念并具有雄厚科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究和应用已处于领先地位。在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。虚拟实验室的研究和应用广受研究机构和软件供应商的重视，早在1995年，互联网上便出现了“虚拟青蛙解剖”实验，“实验者”可以用虚拟手术刀层层分离青蛙，观察它的肌肉和骨骼组织。2003年初，第一军医大学完成了国内首例女虚拟人的数据采集。医生可以为虚拟病人模型进行手术，并可以利用网络远程控制机器人，实施远程手术。手术实际进展的图像也可通过机器人摄像机实时传递并与虚拟病人叠加，以便医生实时掌握手术情况，发出手术指令［3］。第二军医大学生理学教研室从20世纪90年代开始对生理学虚拟实验进行初步探索，对“蛙心灌流”、“哺乳动物血压调节”以及“动作电位的产生机制和记录方法”等实验进行了成功模拟，并先后在国内生理学界的交流会上获得好评。近年来，他们对原有实验进行升级，初步建成了机能学虚拟实验室［4］。

2　构建有机化学虚拟实验室的必要性

（1）有机化学实验相比于其他化学实验课程具有危险性高、时间长、操作繁琐等特点，在实验过程中经常需要用到有毒有害及易燃易爆的化学试剂，实验过程的复杂性、现象的隐蔽性以及操作的危险性等都直接影响了学生对实验数据的获取以及对实验结果的认知。虚拟现实技术能实现实验中缓慢过程的快速化或快速过程的缓慢化，相对于传统教学中单一被动的学习方式，虚拟实验系统能够将每个实验操作最大限度地进行仿真，将实验过程中的图像、文字、声音以及动画等各种因素融为一体。建立虚拟实验室符合现代教学理念，对帮助学生预习实验、理解实验原理、熟悉实验操作流程、提高学生学习兴趣和学习效果具有重要意义［5］。虚拟现实技术作为一种新兴的技术手段，通过对实验内容的模拟仿真，不仅可以提高学生的动手能力，而且能够节约实验成本、减少实验危害及环境污染。

（2）有机化学虚拟实验室可以弥补实验课堂教学的不足。有机化学实验的内容包括3个方面，即有机实验基本技术、有机化合物性质、有机化合物制备。有些性质及合成实验因所使用的试剂较多、对环境危害较大而被各大高校逐渐取消，而虚拟实验室通过改变原料、装置、条件来观察不同的实验现象和结果，并且有效地避免了污染。在以往的教学过程中，我们都由教师对重要操作和学生易犯错误的操作进行示范，然后由学生进行实验，教师随时指导。由于每组实验学生人数较多，有些学生在实验前不注意观察教师示范，对基本操作没有掌握。应用虚拟实验室，可以先组织学生进行观摩，使学生比较直接地了解和掌握实验方法、仪器的结构和操作，再结合教师示范，效果会更好［6］。

（3）21世纪是信息和知识经济时代，实验教育的任务是培养具有创新精神和能力的高素质人才。随着医学技术高速发展，新方法、新技术不断涌现，普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展。同时，普通实验室存在仪器调试、管理、易损坏等问题。此外，在实验时间和一些损耗性大的实验项目上对学生限制过死，这些都是传统的实验室无法解决的问题。所以，应创设实验内容丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验环境。

3　有机化学虚拟实验室的设计思路（见图1）

4　有机化学虚拟实验室开发方案

（1）梳理医学院校有机化学的实验项目并进行分类、整理，设计有机化学虚拟实验室所需的实验项目和今后可能进行的综合性实验项目。

（2）运用摄影、摄像等方式对实验过程进行拍摄、录制。教师进行正规的操作实验，一边操作，一边讲解。对于需要特别注意的细节进行多遍讲解，强调操作的规范性，让学生形成良好的实验操作习惯与严谨求实的科学态度。实验演示模块可以添加一些以往录制的操作失误的视频，让学生有比较深刻的印象，避免失误的发生。

（3）建模。所谓建模就是在三维空间内创建出所需物件的三维模型，这是虚拟实验室的基础，因此，我们将完成尽可能完全的三维模型库，同时对需要的有机分子模型进行建模。运用3Dmax软件建立仪器设备模型，进行模拟蒸馏、回流、加热搅拌、纸层析等操作。

（4）演示实验动画的制作。演示实验动画制作过程中专业技巧的运用使虚拟实验更加真实，为了更好地表现三维立体的实验环境和实验方法，需要运用3Dmax中摄像机、灯光、场景等，还需要动画的制作、火焰及烟雾效果的制作、渲染、视频编辑等专业的知识与技术。

（5）后期整合与再加工。将所制得的各种模拟操作及演示动画应用视频进行编辑、压缩，通过Flash MX的强大交互功能弥补3Dmax在交互功能方面的不足，将Flash MX和3Dmax两种技术结合，最后将所得各素材整合加工。

（6）将虚拟实验室挂网运行。将整合加工后的模型及演示动画充分修改后形成完整的有机化学实验虚拟实验室，并上传至校园网使用，在使用中根据反馈的信息对有机化学虚拟实验室的建设进行再修改和完善。

5　构建的技术关键

5.1设计、记录实验过程

通过研究我校教学大纲，借鉴国内目前先进的虚拟实验室经验，结合实验室自身情况，精心设计、认真记录实验过程，为虚拟实验室的构建打好基础。

5.2虚拟实验元件模型及实验环境的建立是虚拟实验室成败的关键

虚拟实验元件建立的好坏对虚拟实验设计产生直接的影响，不仅影响着实验结果，还关系着整个实验的成败。虚拟实验元件主要分两类：一类为化学实验虚拟仪器元件，另一类为化学实验虚拟试剂元件。应用3Dmax技术，可以使虚拟实验元件制作更接近于真实。

6　构建的意义

（1）有机化学是一门依托实验教学的实用性很强的学科，在教学过程中其教学信息大部分都是通过实验来传递，相对于传统教学中单一、被动的学习方式，虚拟实验系统能够将每个实验操作最大限度地进行仿真。

（2）虚拟现实技术作为一种新兴的技术手段，能够对实验内容进行模拟仿真，不仅可以增加学生的感性认识、提高学生的动手能力，而且能够节约实验成本、减少实验危害、减少环境污染。

7　创新之处

（1）3Dmax是一种PC机的三维动画制作软件，可以用于影视制作、工业建筑设计。利用3DMax来创建三维虚拟实验室，一旦模型建成就可以从各方位以任意视点与角度对实验进行观察，这将大大提高课件的质量与使用效果，同时又解决了因缺少仪器设备等而无法实际操作的实验，一方面节省了学校在实验室建设方面的投入，另一方面节省了实验器材维护方面的投入。

（2）由于有机化学的实验很多具有高度危险性，所用试剂、产物均具有污染性，后期处理成本很高（例如有机化学性质实验），用虚拟实验的形式能最大限度地解决上述问题，符合目前国内各高校所提倡的“绿色化学”的号召，也符合教育教学改革的需要。

（3）具有良好的可延续性，根据教学改革的需求，实验课程教学需要不断再设计和补充，其他的计算机技术也可能需要重新开发，而虚拟现实技术良好的二次开发性能够很好地适应这些变化。设计人员（教师）只需要将新的实验建模后放入虚拟实验室即可，这在很大程度上解决了重新开发导致的资源浪费问题。

8　讨论

基于校园网络的有机化学虚拟实验室的建立，为学生提供了一种不受时间、地点、空间、仪器、试剂、师资、经费等条件限制的自由学习模式，学生可以随时进入虚拟实验室进行各种实验练习。实践证明，虚拟实验室可以使学生的实验自主性显著增强、目的更加明确、实验进度明显加快，同时仪器损坏率和试剂消耗率明显下降。但有机化学虚拟实验室并不能完全代替学生动手做实验，它只是一种辅助的教学手段，虚拟实验教学模式与传统实验教学模式互有优势，只有将两者结合起来，才能做到相辅相成、取长补短。由此，笔者认为，根据不同实验的类型［7］及目的，选择两种教学模式中的一种或者将两者进行有效组合才是真正提高实验教学效果的有效之道。

图1　有机化学虚拟实验室的设计思路

［1］刘延华，桂万云.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景［J］.洛阳师范学院学报2006（2）：94-96.

［2］郭智敏，刘伟.基于Internet的远程虚拟实验室的研究现状和问题分析［J］.教育教学论坛，2010（24）：161.

［3］钟世镇，原林，唐雷，等.数字化虚拟中国人女性一号（VCH—F1）实验数据集研究报告［J］.第一军医大学学报，2003（3）：196-200.

［4］夏金辉，韩红，李潇寒，等.生理学虚拟实验室设计建设的几点体会［J］.西北医学教育，2008（1）：109-110.

［5］陈国辉，罗一鸣，李洁，等.工科大学化学实验课程建设与创新实验教学设计［J］.化工高等教育，2008（6）：14-16.

［6］宋明芝，范传刚，解胜利，等.有机化学实验绿色化教学改革与实践［J］.广东化工，2012（2）：227-228.

［7］沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用［J］.中国电化教育，2004（7）：42-44.

（*通讯作者：苏春梅）

G40-03

B

1671-1246（2016）22-0085-03

首都医科大学科研基金项目（2015JS25）