用Flash制作水產(chǎn)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)

何玲 許勇 張方玉 劉宇翔 唐譽(yù)丹 劉艷艷

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的普及，虛擬實(shí)驗(yàn)的作用和優(yōu)勢(shì)日漸明顯。Flash由于其豐富的交互特性以及強(qiáng)大的ActionScript編程功能可以運(yùn)用于虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。本文詳細(xì)論述了水產(chǎn)學(xué)中水域環(huán)境測(cè)定水耗氧量實(shí)驗(yàn)的方法和為其制作虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：flash;虛擬實(shí)驗(yàn);水產(chǎn)學(xué);水耗氧量測(cè)定

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）08-0267-02

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)作為現(xiàn)代化的教學(xué)方式，已在教學(xué)改革中受到高度的重視，使教學(xué)水平和教學(xué)效率不斷提高。其中具有良好交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)室是信息技術(shù)與具體學(xué)科相整合的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。“虛擬實(shí)驗(yàn)室”即在計(jì)算機(jī)上模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生只要在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以開展實(shí)驗(yàn)。完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫(kù)、虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和基于web的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。當(dāng)然，其中虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是整個(gè)系統(tǒng)的核心。使用Flash開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，技術(shù)難度適中，功能易于擴(kuò)展，便于連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)形成集實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)采用Flash作為虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)工具。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以基于各種學(xué)科的搭建。水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)是一門重視實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，但是為了保證實(shí)驗(yàn)安全、難度適中、實(shí)驗(yàn)材料獲取方便，所以目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)往往相對(duì)保守。實(shí)驗(yàn)過程一般為：教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料→教師講解→學(xué)生操作。這在一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，不利于學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手能力的培養(yǎng)。學(xué)生可以按照實(shí)驗(yàn)的基本原理，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);教師也可以開設(shè)一些前沿的、高危的、材料昂貴的實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)操作，作為真正實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，提高實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度。本文以《養(yǎng)殖水域環(huán)境檢測(cè)實(shí)驗(yàn)》中的“水耗氧量測(cè)定實(shí)驗(yàn)”為例來(lái)說(shuō)明用Flash開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的方法。

二、“水耗氧量（COD）測(cè)定實(shí)驗(yàn)”的說(shuō)明

養(yǎng)殖水域耗氧量的測(cè)定方法主要以氧化劑的類型來(lái)分類，最常見的是重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法。高錳酸鉀法按溶液介質(zhì)又分為酸性與堿性。在堿性條件下高錳酸鉀的氧化能力不如酸性條件下的氧化能力強(qiáng)，它不能氧化水中的氯離子。所以堿性高錳酸鉀法適用于大洋和近岸海水及河口水的測(cè)定。一般養(yǎng)殖水體中難以氧化的有機(jī)物較少，因此也常采用堿性高錳酸鉀法來(lái)測(cè)定;對(duì)于氯離子含量不超過300mg/L的水樣可以采用堿性高錳酸鉀法。同一水樣，由于加入氧化劑的種類及濃度、反應(yīng)溶液的酸堿度、溫度和反應(yīng)時(shí)間等不同，所得的COD值常不相同。因此，化學(xué)測(cè)定水耗氧量是一個(gè)條件性指標(biāo)，測(cè)定時(shí)必須指明采用的方法，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件。

1.堿性高錳酸鉀法。檢測(cè)原理：在堿性條件下，水樣中加入一定量的高錳酸鉀溶液，加熱一定時(shí)間以氧化水中的還原性物質(zhì)（主要是有機(jī)物）。然后在酸性條件下，用碘化鉀還原剩余的高錳酸鉀和生成的二氧化錳，所生成的游離碘用硫代硫酸鈉溶液滴定。主要儀器：25mL堿式滴定管、250mL錐形瓶、電爐（或電熱板等）、移液管、吸量管。主要試劑：NaOH溶液（250g/L）、硫酸溶液（1+3）、碘化鉀、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、淀粉溶液、高錳酸鉀儲(chǔ)備溶液（0.1mol/L）（稱取3.2g高錳酸鉀，溶于1.2升水中，加熱煮沸，使體積減少到約1升，在暗處放置過夜，若有沉淀出現(xiàn)，取上清液貯于棕色瓶中備用）、高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01mol/L）：吸取0.1mol/L高錳酸鉀溶液10mL，于100mL容量瓶中，用純水稀釋至標(biāo)線，搖勻。實(shí)驗(yàn)步驟：第一步：準(zhǔn)確量取50.00mL搖勻的水樣（或適量水樣加純水稀釋至50mL），于250mL錐形瓶中（測(cè)平行雙樣），加入幾粒玻璃珠以防爆沸。加入250g/L氫氧化鈉溶液0.5mL，搖勻，用移液管準(zhǔn)確加入10.00mL高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（濃度0.01mol/L），搖勻。第二步：立即將錐形瓶置于覆蓋有石棉網(wǎng)的電爐（或電熱板）上加熱至沸，準(zhǔn)確煮沸10分鐘（從冒出第一個(gè)氣泡時(shí)開始計(jì)時(shí)）。第三步：取下錐形瓶，迅速冷卻至室溫，用量筒或吸量管迅速加入（1+3）硫酸5mL和10%碘化鉀5ml，搖勻，在暗處放置5分鐘，待反應(yīng)完畢（剩余的高錳酸鉀和生成的二氧化錳與碘化鉀反應(yīng)，釋放游離碘），立即在不斷振搖下，用硫代硫酸鈉溶液滴定至淡黃色，再加入1mL淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛消失，記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V1。兩平行雙樣滴定讀數(shù)相差不超過0.10mL。第四步：另取50mL高純水代替水樣，按水樣的測(cè)定步驟，分析滴定空白值，記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V2。

計(jì)算結(jié)果：

ρ ?= ×8×1000

2.酸性高錳酸鉀法。檢測(cè)原理：樣品中加入已知量的高錳酸鉀和硫酸，然后進(jìn)行加熱，高錳酸鉀將樣品中的某些有機(jī)物和無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)氧化，反應(yīng)后加入過量的草酸鈉溶液還原剩余的高錳酸鉀，過量的草酸鈉再用高錳酸鉀溶液回滴。主要儀器：同堿性高錳酸鉀法。主要試劑：硫酸溶液（1+3）、高錳酸鉀儲(chǔ)備溶液（0.1mol/L）、高錳酸鉀使用溶液（0.01mol/L），以上試劑同堿性高錳酸鉀法。草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)貯備液（0.01000mol/L）：準(zhǔn)確稱取草酸鈉（Na2C2O4）固體0.6705g，加少量水溶解后，全部轉(zhuǎn)入100mL容量瓶中稀釋至標(biāo)線，混勻。此溶液濃度為0.100mol/L，置4℃保存。使用時(shí)稀釋10倍，即得0.0100mol/L草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液。

實(shí)驗(yàn)步驟：第一步：準(zhǔn)確量取50.00mL搖勻的水樣（或適量水樣加純水稀釋至50.00mL），置于250mL錐形瓶中（測(cè)平行雙樣），加入1+3硫酸溶液5.0mL，搖勻，用移液管準(zhǔn)確加入10.00mL 0.01mol/L的高錳酸鉀溶液搖勻。第二步：立即將錐形瓶置于加熱板上加熱至沸，準(zhǔn)確煮沸10分鐘（從冒出第一個(gè)氣泡時(shí)開始計(jì)時(shí)）。第三步：取出錐形瓶，用移液管迅速加入10.00mL草酸鈉溶液，搖勻，溶液變?yōu)闊o(wú)色。趁熱用高錳酸鉀使用液滴定至剛出現(xiàn)粉紅色，并保持30秒不退色。記錄消耗的高錳酸鉀溶液的體積V1。第四步：高錳酸鉀溶液濃度的標(biāo)定：將上述已滴定完畢的溶液加熱至70℃，準(zhǔn)確加入10.00mL草酸鈉溶液。用高錳酸鉀溶液滴定至剛出現(xiàn)粉紅色，并保持30秒不退色。記錄消耗的高錳酸鉀溶液的體積V2。

計(jì)算結(jié)果：

ρ ?=

×8×1000

三、虛擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫設(shè)計(jì)

用flash動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)具備三個(gè)特點(diǎn)：（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景逼真;（2）實(shí)驗(yàn)過程準(zhǔn)確;（3）實(shí)驗(yàn)交互性強(qiáng)。以下詳述在本設(shè)計(jì)中是如何盡量實(shí)現(xiàn)這三個(gè)重要特點(diǎn)的。

1.照片與手繪結(jié)合實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫中的場(chǎng)景、實(shí)物設(shè)計(jì)。為了在動(dòng)畫中真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，制作動(dòng)畫前，先要拍攝實(shí)驗(yàn)室環(huán)境照片、實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片、實(shí)驗(yàn)材料照片，但是拍來(lái)的照片直接用于動(dòng)畫并不能獲得很流暢的動(dòng)畫效果，于是，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，運(yùn)用了手繪的方式，依據(jù)原有照片將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器和實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了重新繪畫，使其風(fēng)格統(tǒng)一，特征突出，線條簡(jiǎn)潔。

2.用錄像記錄實(shí)驗(yàn)過程，用動(dòng)畫還原實(shí)驗(yàn)過程。為了在虛擬實(shí)驗(yàn)中不漏掉任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，首先要錄制教師的示范實(shí)驗(yàn)，然后將實(shí)驗(yàn)錄像編寫成flash劇本。

3.數(shù)據(jù)反饋交互性和操作交互性。虛擬實(shí)驗(yàn)的交互性從兩個(gè)方面體現(xiàn)：一是實(shí)驗(yàn)前后步驟間的數(shù)據(jù)反饋交互;二是用戶操作的交互性。虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)一樣，實(shí)驗(yàn)步驟之間的數(shù)據(jù)和參數(shù)具有相關(guān)性。通常實(shí)驗(yàn)者需要不斷根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷和處理，從而確定下一步操作的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。另一方面，由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件不完全相同，因此同一步驟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)之間存在差異，且這些差異應(yīng)該在一定的誤差范圍內(nèi)，所以虛擬實(shí)驗(yàn)中需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的交互控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的容差判斷和檢測(cè)。這種數(shù)據(jù)檢測(cè)體現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的智能性特點(diǎn)。具體地來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的交互控制包括：向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)輸入或選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)或結(jié)果，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)設(shè)置后續(xù)實(shí)驗(yàn)步驟;允許實(shí)驗(yàn)中設(shè)置多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均處理，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的普遍性;實(shí)驗(yàn)過程中反饋信息的呈現(xiàn)策略;等等。操作交互性是影響虛擬實(shí)驗(yàn)質(zhì)量以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成效的重要因素，也是衡量一個(gè)良好的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。要通過全方位的交互操作設(shè)計(jì)來(lái)增加學(xué)習(xí)者對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。具體的交互操作方式有：鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鼠標(biāo)拖拽、鍵盤按鍵、文本輸入。本虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將上述方法進(jìn)行了綜合運(yùn)用。例如，實(shí)驗(yàn)開始前，選取本實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)儀器，采用了鼠標(biāo)點(diǎn)擊方式選取;將儀器組裝起來(lái)，要靠鼠標(biāo)拖拽的方式;實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄采用文本輸入的方式進(jìn)行;滴定值的確定采用鍵盤方向鍵的方式逐步逼近。

四、結(jié)語(yǔ)

Flash由于其操作簡(jiǎn)便、矢量圖形設(shè)計(jì)、編程元素豐富、強(qiáng)大的多媒體支持功能以及學(xué)習(xí)和接觸人群廣泛，所以基于Flash的虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)深得廣大實(shí)驗(yàn)開發(fā)人員的青睞。但是虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)是多學(xué)科結(jié)合的綜合技術(shù)，如界面的藝術(shù)設(shè)計(jì)、動(dòng)畫的三維實(shí)現(xiàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼⑦^程設(shè)計(jì)等。只有理論和實(shí)踐相結(jié)合才能開發(fā)出完整可行的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。