美國霜堡州立大學遠程化學實驗室及實驗案例介紹

摘要：介紹了美國霜堡州立大學一個基于Web的遠程化學實驗室的構成及案例，并分析其特點，由此闡述遠程化學實驗室的建立對教育平等、實驗室資源共享及實驗安全方面的積極意義。

關鍵詞：遠程化學實驗室；Web; 教育平等；資源共享；實驗安全

文章編號：1005－6629(2008)10－0047－02中圖分類號：G63

化學是以實驗為基礎的學科，為了增加學生在傳統實驗室以外的實驗操作機會，目前采用得最多的就是仿真（虛擬）實驗[1]的方式，讓學生通過仿真的藥品、儀器進行化學實驗操作，這類仿真（虛擬）實驗既有單機版、也有網絡版，一定程度上可幫助提高學生的實驗操作能力。然而，虛擬的畢竟不是真實的，有研究表明，學生對虛擬現象的信任程度并不高。因此，美國霜堡州立大學[2]構建起一個能控制真實儀器的遠程化學實驗室供學生實驗學習之用。

1遠程化學實驗室的構成

該遠程化學實驗室由硬件和軟件兩部分構成。

1.1硬件構成

構成整個遠程化學實驗室的硬件包括兩大部分，一部分是現場被控制的、進行化學反應的實驗儀器，視不同的實驗案例而有所不同；另一部分是支撐整個遠程化學實驗室的服務器群，其中包括：（1）數據服務器，連接數據采集控制模塊，主要負責數據采集、數據分析處理、歷史數據存放； （2）視頻服務器，與一個網絡攝像頭連接，拍攝實驗現象的照片與視頻；（3）Web服務器，負責提供網絡連接服務，處理遠程實驗室用戶的實驗請求，見圖1。

1.2軟件構成

對不同的服務器使用了不同功能的程序，以使軟硬件配合完成各種功能。（1）Labview程序：該程序在數據服務器中通過數據采集卡采集現場實驗數據，同時還能控制現場儀器；（2）Unix操作系統：是Web服務器的操作系統，它具有技術成熟、可靠性高、網絡和數據庫功能強等特色；（3）Perl腳本程序，在Web服務器運行，負責從隊列中提取數據并進行解釋；（4）Macromedia Flash：在客戶端通過Flash來呈現用戶控制界面并提交實驗運行請求。

2 遠程化學實驗案例

2.1實驗內容及面向對象

該實驗采用吸光光度法，測定化學反應（Fe³⁺與SCN^-反應）速率，是一個主要面向大學化學專業以及高中化學成績優秀的學生的反應動力學實驗案例。

2.2實驗原理與裝置

Fe3³⁺+與SCN^-發生配合反應（Fe³⁺+SCN^3-=[Fe(SCN)]²⁺），形成能吸收波長為455nm 藍色光的血紅色配合物。吸光光度法的定量依據——朗伯-比爾定律表明，在一定的液層厚度下，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比。根據此定律，通過測定配合物溶液對特定波長光的吸收程度便可計算其濃度。同時，化學反應速率可由單位時間內生成物濃度的增加來表示，據此實驗原理，該實驗案例采用了如下的現場實驗裝置，見圖2。

從圖1和圖2可知，反應物溶液在空氣調節罐的壓力調節下從試劑瓶進入一個T形室，反應物溶液在1ms內完全充分混合；混合后，溶液沿著一條直徑為2mm的長毛細管流動。經由單色器出來的入射光分別在距離相等的位置通過長毛細管，管上七個高靈敏度的光傳感器分別測定溶液的吸光度，以計算每個位置配合物的濃度，從而得出產物濃度的變化；然后利用一個流速傳感器測得溶液流經毛細管的速率，并結合各個相鄰的光傳感器相隔的固定距離計算出反應時間，由此得出該反應的反應速率。

2.3 實驗流程

在客戶端的學生通過計算機中標準的Web瀏覽器便可獲得該實驗的控制界面。當學生使用控制面板遞交一個運行請求，后端的Perl腳本就會分類并處理請求，將其寫入數據服務器“將要進行的隊列”當中，如果前面沒有等待的隊列，實驗在數秒內進行；反之，實驗請求會被合理調度、智能安排。實驗控制界面在客戶端瀏覽器再現了位于遠端實驗的真實情形，通過網絡攝像頭，實驗者能即時看到自己的操作所引起實驗現象的變化，同時還會得到豐富的實驗數據。在實驗過程中，學生一旦遇到問題，還可以利用控制面板上的應急按鈕，觸發一個與實驗室管理員的網絡會議，或者向其發送Email進行交流。當實驗完成后，該實驗系統會自動進行清洗，為下一次實驗做準備。

3遠程化學實驗室的特點

因該新型的化學實驗室是在計算機及網絡技術的基礎上構建起來的，與傳統的實驗室有很大的區別，并具有以下一些特點：

（1）圖像化界面(GUI)： 利用圖像化來增加界面的友好性、易用性，方便了學生與實驗內容的交互，使得學生不需要花太多時間去學習遠程實驗的控制。圖3為本實驗案例的圖像化界面Flash演示圖。

（2）現場感（Being there）： 遠程化學實驗中，學生無法觸摸到實驗儀器，很容易導致距離感。為此，該實驗室采用網絡攝像頭拍攝現場實驗的照片和視頻，并即時將其傳遞給實驗者，以充分的視覺感受補償觸覺感受上的缺失，盡量使得學生如親臨其境、親手操作。

（3）數據采集（Data acquisition）：傳統的實驗方式是由實驗者人工采集數據，而此遠程化學實驗室采用傳感器與數據采集卡配合進行實驗數據的自動采集，提高了實驗數據的準確度與精確度。

（4）不受時空限制（Anytime Anywhere）：學生可在任何時候、任何具有基本的計算機和網絡條件的地方進行實驗，不再受傳統實驗室的時間與地點限制。

4 遠程化學實驗室建設的意義

由于遠程化學實驗室特有的優越性，它的出現對教育平等、實驗室資源共享及實驗安全方面都有著的積極意義。

（1）促進教育平等，提供均等的教育機會。遠程實驗室的建設為學生提供均等的實驗機會開辟了一個良好的途徑：無論是城市還是農村、重點學校還是一般學校的學生都能通過基本的網絡條件及計算機設備進入遠程實驗室，進行實驗操作、掌握實驗技能。對于身體有障礙而無法進入傳統實驗室的學生同樣能夠通過應用適當幫助技術的計算機進行實驗操作。在許多國家，為身體有障礙的學生提供學習機會也已經成為法律的要求，遠程實驗室的出現正好迎合了這個發展趨勢。

（2）突破時空限制，促進資源的有效共享。針對普遍存在實驗經費不足的問題，遠程實驗室能減少不必要的重復投入，實現實驗室資源的充分利用和教育資源的共享。例如現行的高中新課程標準鼓勵讓學生認識現代化先進儀器，但普通中學的實驗設備條件根本無法滿足這個需要；另一方面，目前許多科研院所及專門機構，都有良好的設備資源，通過遠程的實驗控制就可以低成本的方式輕松解決這個矛盾，實現該課程內容目標。

（3）實現危險實驗的遠距離控制，確保人員及環境的安全。化學研究無可避免需要進行一些有害、有毒、污染環境和破壞性的危險實驗，這些實驗都不宜人員近距離及在開放式的環境中操作。這種分布式的實驗室環境可實現危險實驗的遠距離控制，將實驗操作人員與危險藥品、危險反應隔離，保護其安全；另一方面，將帶有污染性和破壞性的實驗控制在一個密閉無人環境里，保證實驗空間以外的環境安全。

國外的遠程化學實驗室建設的成功經驗，為我國的遠程化學實驗教學提供了新的思路，相信在不久的將來，我們將通過自主創新，建立起具有中國特色的新型遠程化學實驗室。

參考文獻:

[1] 冷松.“仿真化學實驗室”軟件簡介及應用示例[J].化學教學.2006， (11):33-35.

[2] Senese Frederick A， Bender Christopher， Kile Jennifer. The Internet Chemistry Set: Web-based Remote Laboratories for Distance Education in Chemistry[[EB/OL].http://imej.wfu.edu/articles/2000/2/06/index.asp. 2008-4-16.