化學虛擬仿真試驗方法的初步探究與實踐

唐艷茹，陳小唐，魏家巍，丁　鵬，羅風瓊

(1.長春師范大學化學學院，吉林長春130032；2.東北師范大學人文學院，吉林長春 130022；

3.長春希望高中，吉林長春130022)

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化學虛擬仿真試驗方法的初步探究與實踐

唐艷茹1，陳小唐2，魏家巍3，丁鵬1，羅風瓊1

(1.長春師范大學化學學院，吉林長春130032；2.東北師范大學人文學院，吉林長春 130022；

3.長春希望高中，吉林長春130022)

[摘要]虛擬現實技術在仿真實驗室中應用越來越廣泛。無機化學實驗是相關專業必不可少的實驗，但在實驗中，有些化學試劑有毒或操作不當易造成事故，以及操作失誤破壞儀器、操作不當不能及時糾正，使學生現場操作存在一定的危險。本文就硫酸亞鐵銨的制備初步探究化學虛擬仿真實驗的可實施性。

[關鍵詞]虛擬仿真實驗；探究；硫酸亞鐵

虛擬實驗技術在科學研究、虛擬實驗教學、教育等方面發揮著重要的作用，受到越來越多的關注，虛擬仿真實驗教學建設是高校實驗教學改革的必然發展方向。開展虛擬仿真實驗教學建設，與真實實驗教學互為補充，有利于提高高校實驗教學信息化水平。

化學實驗教學是科學研究的重要手段，傳統的實驗離不開實驗設備和原材料等實驗用品，一些原材料不能完全滿足綠色化學的要求。虛擬實驗技術既能滿足人們掌握化學實驗技能又不污染環境。目前虛擬實驗技術已經和理論分析、科學實驗一起，成為人類探索科學的主要手段，特別是在教育領域具有實際應用價值。

1虛擬仿真實驗的必要性

1.1避免真實實驗帶來的各種危險

實驗室中的實驗藥品多為有毒物質，做實驗也常有有毒氣體產生，長期做實驗會對身體造成一定的傷害。大學生初步接觸實驗，常有操作不規范或操作失誤導致儀器破損、化學試劑濺出，嚴重時易灼傷皮膚，危險系數很大。虛擬仿真實驗教學可以避免真實實驗帶來的各種危險。

1.2打破實驗單一、儀器受限的格局

普通實驗由于教學經費、設備、場地等資源有限，導致某些課程無法開設。利用虛擬仿真實驗就可以彌補這些短處，使學生獲得與真實實驗一樣的感受，在安全的實驗條件下加深對知識點的理解與掌握。虛擬仿真實驗不僅節省實驗花費，還可以實現資源共享。

1.3實現實驗教學一體化

在實驗教學過程中，采用虛擬仿真實驗，可以利用網絡進行適時指導，及時解決學生遇到的問題，達到對學生進行個性化指導的目的，實現自動化輔導和對學生測試結果的批改。學生可以利用虛擬仿真試驗系統的智能答疑功能，實現學生與教師互動或者在線向教師發送郵件。實驗指導教師可以利用網絡技術對實驗過程進行數據統計、大數據分析，及時發現教學過程中的問題，并提出改進意見，進一步提高實驗教學的質量。

2構建虛擬仿真實驗室的網絡技術

構建虛擬仿真實驗室離不開網絡技術，網絡技術的選擇決定我們能否達到最終目標。虛擬仿真系統的對象模型主要包括實驗場景、儀器模型和元器件模型。初步探究虛擬仿真實驗室，可采用下面兩個技術。

2.1VRML技術

VRML是“Virtual Reality Modeling Language”的縮寫形式，意思是“虛擬現實建模語言”。VRML是用來描述三維物體的文本語言，可以構建虛擬境界,可以集成文本、圖像、音響、MPEG影像等多種媒體類型，還可以內嵌用Java、ECMAScript等語言編寫的程序代碼。

在以VRML為核心構建的虛擬世界中，用戶如身處真實世界，可以和虛擬體交互，人們可以以習慣的自然方式訪問各種場所，在虛擬社區中“直接”交談和交往。運用VRML技術制作實驗場景有很強的逼真感和沉浸感，加強人與環境的協調、融合和情感交流。通過創建一個虛擬人物從進入實驗室，了解實驗原理，操作實驗，到實驗的結果分析總結，使學生全面掌握整個實驗過程及實驗要點。

2.2Flash技術

Flash是一種基于矢量圖形的交互式創作軟件，功能異常強大，所生成的動畫體積小，可直接在網絡上進行。Flash動畫具有交互性，可以更好地滿足用戶的需求，它可以讓操作者的動作成為動畫的一部分，用戶可通過單擊、選擇等動作，決定動畫的過程和結果。這使虛擬仿真實驗中的操作變得簡單，先用Flash制作無機化學試驗中常見及個別試驗中所必要的實驗儀器件模型和元器件模型。學生只需打開儀器面板找到實驗所需儀器便能進行實驗操作。

3虛擬仿真實驗實踐——硫酸亞鐵銨的制備

硫酸亞鐵銨會刺激呼吸道、眼睛、皮膚和粘膜等，吸入后引起咳嗽和氣短。誤服引起虛弱、腹痛、便血、惡心、肺及肝受損、休克、昏迷等，嚴重者導致死亡，其對水體也造成污染。硫酸亞鐵銨會生成有害燃燒產物，三氧化硫。學生在實驗室操作有一定的危險，虛擬仿真實驗室可解決這一問題。根據以上技術建立數學模型，通過前臺動畫和程序設計展示虛擬仿真實驗室的全部功能，各部分的具體功能如下。

3.1實驗目的(在虛擬軟件中點擊相關按鈕直接查看)

(1)根據實驗原理及數據設計并制備硫酸亞鐵銨；(2)進一步掌握水浴、溶解、過濾、蒸發、結晶等基本操作；(3)了解檢驗產品中雜質含量的一種方法。

3.2實驗原理(在虛擬軟件中點擊相關按鈕直接查看)

硫酸亞鐵銨俗稱摩爾鹽，淺綠色透明晶體，易溶于水，在空氣中比一般亞鐵銨鹽穩定，不易被氧化。

在0～60℃范圍內，硫酸亞鐵銨在水中的溶解度比組成它的簡單鹽(NH4)2SO4和FeSO4·7H2O要小，因此只需要將它們按一定比例在水中溶解，混合，即可制得硫酸亞鐵銨晶體。

(1)將金屬鐵溶于稀硫酸，制備硫酸亞鐵。反應方程式為

(2)將制得的FeSO4溶液與等物質的量(NH4)2SO4在溶液中混合，經加熱濃縮，冷卻至室溫后得到溶解度較小的硫酸亞鐵銨晶體。

3.3實驗儀器(通過小動畫或是立體圖讓學生更直觀的了解實驗儀器的內部結構、使用方法)

儀器：鐵架臺、水浴裝置、普通漏斗、熱濾漏斗、分析天平、蒸發皿(60 ml)、錐形瓶(250 ml)、燒杯(50、100、150 ml)、量筒、酒精燈、三腳架、石棉網、鑰匙、溫度計、玻璃管、膠頭滴管、橡皮塞、橡皮。

3.4實驗藥品(根據每個實驗的需要配置藥品和試劑)

鐵屑(鐵粉)或鐵釘(已除油)、(NH4)2SO4(固體)、3 mol·L-1硫酸、0.1 mol·L-1碳酸鈉溶液、1 mol·L-1的硫酸銅溶液。

3.5實驗內容及步驟(虛擬模擬實驗操作的整個過程，實驗過程所需的藥品試劑及實驗儀器都已在虛擬平臺中，學生點擊鼠標來進行一步步的實驗操作)

3.5.1硫酸亞鐵的制備

(1)稱取一定量鐵屑(4 g)放在燒杯中；(2)加40 ml 1 mol·L-1Na2CO3溶液，加熱5～10分鐘；(3)傾析法除去堿液；(4)用水把鐵屑上堿液沖洗干凈，防止在加入硫酸后產生碳酸鈉晶體混入硫酸鐵中；(5)傾析法除去水；(6)晾干(烘干較快)；(7)錐形瓶中加入硫酸溶液再加入已經洗凈的鐵釘；(8)水浴加熱錐形瓶加速其反應；(9)將反應完全的鐵釘過濾。

3.5.2硫酸亞鐵銨的制備

(1)稱取固體硫酸銨10 g，完全溶于裝有15 ml微熱蒸餾水的燒杯中；(2)再倒入硫酸亞鐵溶液中。攪拌，小火加熱，在蒸發皿中蒸發濃縮至溶液表面出現晶膜為止。溶液靜置，自然冷卻，析出硫酸亞鐵銨晶體。

3.6實驗結果

輸入實驗數據，計算機軟件自行得出結果。

3.7結果分析(虛擬仿真軟件可根據實驗所得結果進行分析)

(1)硫酸亞鐵與硫酸銨沒有反應完全；(2)混有雜質硫酸鈉；(3)水分沒有完全壓干。

4結束語

虛擬仿真教學是現實實驗教學資源的重要補充,通過建設該教學平臺，可以有效整合并優化實驗教學資源，推進儀器設備及優質資源共享，進一步提高實驗教學信息化管理水平。本文以硫酸亞鐵銨制備為例做模擬實驗，初步探究化學虛擬仿真實驗的可實施性。無機化學中很多的儀器是相通的，可按照該方法做一些其他普通實驗室無法操作的實驗。

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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

[中圖分類號]O6-39

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)04-0057-03

[作者簡介]唐艷茹(1962- )，女，高級實驗師，從事應用化學、實驗室建設研究。

[基金項目]長春師范大學實驗教學教改研究項目“虛擬實驗平臺、網絡實驗課程體系的建設研究”(JWSSY201411)。

[收稿日期]2015-01-07