无机化学虚拟仿真实验室的应用与探索

时爱菊，张 坤，牟少敏

(1.山东农业大学 化学与材料科学学院，山东 泰安 271000;2.山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271000)

随着高等教育的发展和高校科技创新能力的提升，国家对高校实验室建设的投入不断加大，高校实验室的教学科研活动更加频繁。随着信息化技术的发展，虚拟现实技术、理论分析和科学实验成为人类探索客观世界规律的三大手段，尤其是在教育领域起到了积极的促进作用，教育信息化建设受到世界各国的高度重视。近年来，教育部加强了对实验教学信息化工作的宏观指导，连续印发了《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》、《教育信息化十三五规划 》和《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》等文件，强调开展示范性虚拟仿真实验教学的重要性，明确了实验教学项目与现代信息技术要深度融合，克服传统实验教学的不足和局限，有效拓展实验教学的广度和深度以及实验教学的时间和空间，以提升实验教学的质量和水平。

虚拟仿真实验室是一种基于Web、VR虚拟现实等前沿技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟仿真实验室利用虚拟现实技术的沉浸性、交互性和多感知性,模拟传统的实验环节,真实生动地再现实验内容和现象,对增强学生的感性认识、培养学生动手能力、提高实验效率、避免人身伤害和节约费用等方面有着传统实验手段不可比拟的优势。将虚拟现实技术与传统的无机化学实验结合起来，使我们的无机化学实验真正达到实验过程绿色化、实验手段现代化和实验结论科学化。

1 无机化学虚拟仿真实验研究的意义

1.1 消除实验过程中的安全隐患

无机化学实验是为化学专业大学一年级新生开设的一门基础实验课，所用试剂种类繁多且具有易燃、易爆、毒性、感染性、腐蚀性等特点，近年来高校化学实验室频发安全事故，也从一个方面说明了传统化学实验本身的危险性。大学一年级新生理论知识薄弱、所受训练较少，面对危险性项目时更容易受到伤害，传统的实验项目已经不能满足实验教学的需要。采用虚拟仿真实验与传统的实验项目结合，能够使学生在进入实验室之前通过虚拟仿真实验，了解实验的详细操作流程，掌握必要的理论知识和操作技能，从而提高实践动手能力，加深学生对知识的理解，并能够有效消除学生在实验操作中的安全隐患。

1.2 实现实验过程绿色化

根据国家法律规定，按照环保要求，无机化学实验虽然能做到废水、废液和废渣的分类收集、集中存放和统一上交处理，但是在实验过程中难免有少量低毒性的废物排出室外或者下水系统，这种难以避免的排放由化学实验的性质决定，量虽然小，但是日积月累起来，对环境的污染也不容忽视。利用虚拟仿真实验，减少开设污染性大的实验项目，将其通过虚拟仿真实验的形式呈现给学生，最大限度地降低化学实验对环境的污染，在实验过程中培养学生良好的环保意识，贯彻实现实验过程的绿色化。

1.3 提高实验效率，弥补传统实验教学的不足

在实验教学中，教师要求学生做好预习再进入实验室，但是在工作中发现有些学生只是简单看一遍实验课本，抄写一份预习报告，对实验环节并没有深入的理解和探讨，这样粗略的预习对于培养学生的实验技能作用不大。虚拟仿真实验改变了学生获取知识的方式，知识以更直观生动、高质有效的方式传递给学生，课本里枯燥的内容逐步从纸上演进到3D视觉呈现和操作，对于激发学生的学习热情和提高学习效率有很好的促进作用。

2019-2020年武汉新型冠状病毒肆虐，随着春运，各地新型冠状病毒引起的肺炎病例不断增加，全国进入紧张的抗击疫情状态。为了阻断病毒的传播，大家以家庭为单位自我隔离，全国高校面临无法按时开学的困境。在教育部门停课不停学的要求和技术指导下，我们无机化学的理论课利用网络资源开展直播教学模式，但是对于无机化学实验教学就显得无能为力，只能等待开学后集中进行实验教学。虚拟仿真实验可以极大降低突发状况对学生学习的影响，建立无机化学虚拟仿真实验室，通过信息化手段结合无机化学实验的特点，打造富有科技感的虚拟仿真实验，既丰富了教学模式，又推进了教学资源共享化和教育信息数字化。

2 国内外虚拟仿真实验的研究及应用

虚拟仿真实验室对教学效果的促进作用已经获得国内外的广泛认可，很多高校和研究机构已经开展了相关的研究工作并取得了理想的应用效果。虚拟仿真实验室教学正在作为传统实验教学项目的有益补充，在教育过程中发挥着它独特的效用。在美国，斯坦福大学、加州大学伯克利分校等顶尖院校都已布局虚拟仿真实验室教学，并逐步推广。从电气、机械、临床医学等动手能力要求较强的专业，再到供应链管理、金融投资、计算机编程等实训需求较大的专业，目前都有虚拟仿真实验室的应用。斯坦福大学商学院的金融投资虚拟仿真实验室，为学生提供了一套广泛的行业标准应用程序，供投资银行、基金管理、对冲基金相关实训使用。学生将使用虚拟训练程序，将应用案例研究和动手练习结合使用，以帮助他们通过实训经验掌握财务、会计、投资管理等相关的知识。加州大学伯克利分校将虚拟仿真实验用于信息物理系统教学和评测，学生将真实机器人仿真、使用编程方法进行开发和调试硬件控制等操作，在无需访问物理实验室或任何特定的NI硬件的情况下在虚拟仿真实验室平台的在线学习平台(MOOC)上操作。90%以上使用过虚拟仿真实验室的学生评价，他们在虚拟实验平台上的操作通过的解决方案，只需很少或完全无需任何代码修改就可以用在实际设备上，这也充分表明了虚拟仿真实验室提供了一个替代现场实验室的良好选择。

我国的虚拟仿真实验室建设越来越受到重视，截至2016年，教育部建设了100个国家级虚拟仿真实验教学中心，2018年教育部公布了首批国家虚拟仿真实验教学项目105个，其中化学类11个。国内很多高校在实验教学和科研中已经开发和应用虚拟仿真实验，在机械、医学、生物科学、电子信息等专业都广泛的使用。上海交通大学的复杂小儿先心病模拟仿真实验教学项目，学生通过虚拟现实和3D打印技术，可以实时再现先心病解剖结构及手术场景，通过虚拟仿真实验的开发，降低了收集实验样本的难度，缩短了实验时间，让原来做不了的实验项目成为现实，提高了实验课的教学效果。中国科学技术大学化学虚拟仿真实验教学中心依托网络信息开放共享平台建设，基本实现了虚拟仿真实验教学资源共享，教学中心设计开发了高危或极端条件下的虚拟仿真实验，拓宽了实验项目。山东大学、哈尔滨工业大学、北京师范大学等高校也建设了不同学科的虚拟仿真实验室。

3 无机化学虚拟仿真实验室的设计思路

由于各个学校学科课程的重点和倾向性不同，虽然国内已经有了这么多虚拟仿真实验资源，各高校开课使用时，资源仍然是缺乏的。我们结合化学专业和无机化学实验课程的特点，研究探索适合的虚拟仿真实验室，更好的为实验教学服务。

3.1 应用Web和虚拟现实技术构建的无机化学虚拟仿真实验室

无机化学虚拟仿真实验室的开发前期，首先对无机化学开设的实验项目进行详细的梳理、分析和数据采集，借鉴实验教学的发展趋势，从有助于学生巩固理论知识、掌握实验技能和培养科研素质等方面入手，将实验教学内容进行整合优化。

无机化学虚拟仿真实验的开发分为模型建立、制作交互文档、网络发布三个阶段。每一阶段层层递进，逐步优化，最终呈现出实验的虚拟效果。

利用VRML、ActiveX、JAVA、QTVR、Flash等技术，分析无机化学实验内容，将实验过程中各个步骤划分到虚拟仿真无机化学实验室的各个功能模块中完成,同时根据实验内容及开发过程的需要划分到具体的VRML场景。按照实验仪器或试剂的特征建立三维模型并进行优化。在VRML创作工具软件中导入模型并对VRML场景进行美化修饰。按照实验内容的分析结果，在场景中添加交互功能。最后实现虚拟实验场景与设计目标一致并生成最终作品。

3.2 理论依据及主要技术支持

虚拟仿真无机化学实验室的构建主要应用以下技术实现。

动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR系统的核心内容，获取无机化学实验室实际环境的三维数据，并根据实验流程建立相应的虚拟环境模型。

实时三维图形生成技术。三维图形的生成技术已经较为成熟，关键在于“实时”生成。无机化学实验结果对时间的准确度有一定的要求，气体生成时间、燃烧持续时间等是较为重要的实验数据。因此为保证实时处理数据，至少保证图形的刷新频率不低于15帧/秒，最好高于30帧/秒。

立体显示和传感器技术。虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，理想中的实验效果要求较高，现有的设备不能满足需要，力学和触觉传感装置的研究也有待进一步深入，虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待于进一步的提高。

系统集成技术。为了确保虚拟仿真无机化学实验室建设的质量，虚拟效果尤为重要。VR系统中要包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用，集成技术包括信息的同步技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术。

虚拟仿真无机化学实验室实现了实验容量无限和实验的零损耗。学生在网上进行虚拟实验，人数不受限制，减轻了实验室管理人员的劳动强度。经过模拟实验，减少了现实中实验中化学药品损耗，降低了化学药品的污染，有利于环保。

4 结语

应用Web和虚拟现实技术构建无机化学虚拟仿真实验室，结合无机化学实验室现有的实际实验项目，为学生提供虚实结合、相互补充的实验教学环境。虚拟仿真实验不受经费、场地、试剂等因素的制约,打破了传统实验室的限制，为传统实验项目提供了有益的补充。将一些剧毒性、破坏性、综合性和研究性的实验在虚拟的环境中完成，实现对实验过程的真实模拟，使学生能够直观的模拟并学习实验过程，观察实验结果。在对环境零污染，并保证学生安全的前提下，让学生能够学习到更多的实验知识，培养学生的动手能力和科研创新能力。从教育与科技结合的趋势，以及国内外现有的发展情况来分析，虚拟仿真实验解决了实验教学本身的发展瓶颈，拓宽了实验项目开设的深度和广度，有利于学生动手能力和探索分析能力的培养。虚拟仿真实验室将会成为未来教学中的重要一环，用更新的教育方式与教育理念，培养出更适应时代发展的人才。