無機化學虛擬仿真實驗室的應用與探索

時愛菊，張 坤，牟少敏

(1.山東農業大學 化學與材料科學學院，山東 泰安 271000;2.山東農業大學 信息科學與工程學院，山東 泰安 271000)

隨著高等教育的發展和高?？萍紕撔履芰Φ奶嵘瑖覍Ω咝嶒炇医ㄔO的投入不斷加大，高校實驗室的教學科研活動更加頻繁。隨著信息化技術的發展，虛擬現實技術、理論分析和科學實驗成為人類探索客觀世界規律的三大手段，尤其是在教育領域起到了積極的促進作用，教育信息化建設受到世界各國的高度重視。近年來，教育部加強了對實驗教學信息化工作的宏觀指導，連續印發了《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》、《教育信息化十三五規劃 》和《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》等文件，強調開展示范性虛擬仿真實驗教學的重要性，明確了實驗教學項目與現代信息技術要深度融合，克服傳統實驗教學的不足和局限，有效拓展實驗教學的廣度和深度以及實驗教學的時間和空間，以提升實驗教學的質量和水平。

虛擬仿真實驗室是一種基于Web、VR虛擬現實等前沿技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化。虛擬仿真實驗室利用虛擬現實技術的沉浸性、交互性和多感知性,模擬傳統的實驗環節,真實生動地再現實驗內容和現象,對增強學生的感性認識、培養學生動手能力、提高實驗效率、避免人身傷害和節約費用等方面有著傳統實驗手段不可比擬的優勢。將虛擬現實技術與傳統的無機化學實驗結合起來，使我們的無機化學實驗真正達到實驗過程綠色化、實驗手段現代化和實驗結論科學化。

1 無機化學虛擬仿真實驗研究的意義

1.1 消除實驗過程中的安全隱患

無機化學實驗是為化學專業大學一年級新生開設的一門基礎實驗課，所用試劑種類繁多且具有易燃、易爆、毒性、感染性、腐蝕性等特點，近年來高校化學實驗室頻發安全事故，也從一個方面說明了傳統化學實驗本身的危險性。大學一年級新生理論知識薄弱、所受訓練較少，面對危險性項目時更容易受到傷害，傳統的實驗項目已經不能滿足實驗教學的需要。采用虛擬仿真實驗與傳統的實驗項目結合，能夠使學生在進入實驗室之前通過虛擬仿真實驗，了解實驗的詳細操作流程，掌握必要的理論知識和操作技能，從而提高實踐動手能力，加深學生對知識的理解，并能夠有效消除學生在實驗操作中的安全隱患。

1.2 實現實驗過程綠色化

根據國家法律規定，按照環保要求，無機化學實驗雖然能做到廢水、廢液和廢渣的分類收集、集中存放和統一上交處理，但是在實驗過程中難免有少量低毒性的廢物排出室外或者下水系統，這種難以避免的排放由化學實驗的性質決定，量雖然小，但是日積月累起來，對環境的污染也不容忽視。利用虛擬仿真實驗，減少開設污染性大的實驗項目，將其通過虛擬仿真實驗的形式呈現給學生，最大限度地降低化學實驗對環境的污染，在實驗過程中培養學生良好的環保意識，貫徹實現實驗過程的綠色化。

1.3 提高實驗效率，彌補傳統實驗教學的不足

在實驗教學中，教師要求學生做好預習再進入實驗室，但是在工作中發現有些學生只是簡單看一遍實驗課本，抄寫一份預習報告，對實驗環節并沒有深入的理解和探討，這樣粗略的預習對于培養學生的實驗技能作用不大。虛擬仿真實驗改變了學生獲取知識的方式，知識以更直觀生動、高質有效的方式傳遞給學生，課本里枯燥的內容逐步從紙上演進到3D視覺呈現和操作，對于激發學生的學習熱情和提高學習效率有很好的促進作用。

2019-2020年武漢新型冠狀病毒肆虐，隨著春運，各地新型冠狀病毒引起的肺炎病例不斷增加，全國進入緊張的抗擊疫情狀態。為了阻斷病毒的傳播，大家以家庭為單位自我隔離，全國高校面臨無法按時開學的困境。在教育部門停課不停學的要求和技術指導下，我們無機化學的理論課利用網絡資源開展直播教學模式，但是對于無機化學實驗教學就顯得無能為力，只能等待開學后集中進行實驗教學。虛擬仿真實驗可以極大降低突發狀況對學生學習的影響，建立無機化學虛擬仿真實驗室，通過信息化手段結合無機化學實驗的特點，打造富有科技感的虛擬仿真實驗，既豐富了教學模式，又推進了教學資源共享化和教育信息數字化。

2 國內外虛擬仿真實驗的研究及應用

虛擬仿真實驗室對教學效果的促進作用已經獲得國內外的廣泛認可，很多高校和研究機構已經開展了相關的研究工作并取得了理想的應用效果。虛擬仿真實驗室教學正在作為傳統實驗教學項目的有益補充，在教育過程中發揮著它獨特的效用。在美國，斯坦福大學、加州大學伯克利分校等頂尖院校都已布局虛擬仿真實驗室教學，并逐步推廣。從電氣、機械、臨床醫學等動手能力要求較強的專業，再到供應鏈管理、金融投資、計算機編程等實訓需求較大的專業，目前都有虛擬仿真實驗室的應用。斯坦福大學商學院的金融投資虛擬仿真實驗室，為學生提供了一套廣泛的行業標準應用程序，供投資銀行、基金管理、對沖基金相關實訓使用。學生將使用虛擬訓練程序，將應用案例研究和動手練習結合使用，以幫助他們通過實訓經驗掌握財務、會計、投資管理等相關的知識。加州大學伯克利分校將虛擬仿真實驗用于信息物理系統教學和評測，學生將真實機器人仿真、使用編程方法進行開發和調試硬件控制等操作，在無需訪問物理實驗室或任何特定的NI硬件的情況下在虛擬仿真實驗室平臺的在線學習平臺(MOOC)上操作。90%以上使用過虛擬仿真實驗室的學生評價，他們在虛擬實驗平臺上的操作通過的解決方案，只需很少或完全無需任何代碼修改就可以用在實際設備上，這也充分表明了虛擬仿真實驗室提供了一個替代現場實驗室的良好選擇。

我國的虛擬仿真實驗室建設越來越受到重視，截至2016年，教育部建設了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，2018年教育部公布了首批國家虛擬仿真實驗教學項目105個，其中化學類11個。國內很多高校在實驗教學和科研中已經開發和應用虛擬仿真實驗，在機械、醫學、生物科學、電子信息等專業都廣泛的使用。上海交通大學的復雜小兒先心病模擬仿真實驗教學項目，學生通過虛擬現實和3D打印技術，可以實時再現先心病解剖結構及手術場景，通過虛擬仿真實驗的開發，降低了收集實驗樣本的難度，縮短了實驗時間，讓原來做不了的實驗項目成為現實，提高了實驗課的教學效果。中國科學技術大學化學虛擬仿真實驗教學中心依托網絡信息開放共享平臺建設，基本實現了虛擬仿真實驗教學資源共享，教學中心設計開發了高?；驑O端條件下的虛擬仿真實驗，拓寬了實驗項目。山東大學、哈爾濱工業大學、北京師范大學等高校也建設了不同學科的虛擬仿真實驗室。

3 無機化學虛擬仿真實驗室的設計思路

由于各個學校學科課程的重點和傾向性不同，雖然國內已經有了這么多虛擬仿真實驗資源，各高校開課使用時，資源仍然是缺乏的。我們結合化學專業和無機化學實驗課程的特點，研究探索適合的虛擬仿真實驗室，更好的為實驗教學服務。

3.1 應用Web和虛擬現實技術構建的無機化學虛擬仿真實驗室

無機化學虛擬仿真實驗室的開發前期，首先對無機化學開設的實驗項目進行詳細的梳理、分析和數據采集，借鑒實驗教學的發展趨勢，從有助于學生鞏固理論知識、掌握實驗技能和培養科研素質等方面入手，將實驗教學內容進行整合優化。

無機化學虛擬仿真實驗的開發分為模型建立、制作交互文檔、網絡發布三個階段。每一階段層層遞進，逐步優化，最終呈現出實驗的虛擬效果。

利用VRML、ActiveX、JAVA、QTVR、Flash等技術，分析無機化學實驗內容，將實驗過程中各個步驟劃分到虛擬仿真無機化學實驗室的各個功能模塊中完成,同時根據實驗內容及開發過程的需要劃分到具體的VRML場景。按照實驗儀器或試劑的特征建立三維模型并進行優化。在VRML創作工具軟件中導入模型并對VRML場景進行美化修飾。按照實驗內容的分析結果，在場景中添加交互功能。最后實現虛擬實驗場景與設計目標一致并生成最終作品。

3.2 理論依據及主要技術支持

虛擬仿真無機化學實驗室的構建主要應用以下技術實現。

動態環境建模技術。虛擬環境的建立是VR系統的核心內容，獲取無機化學實驗室實際環境的三維數據，并根據實驗流程建立相應的虛擬環境模型。

實時三維圖形生成技術。三維圖形的生成技術已經較為成熟，關鍵在于“實時”生成。無機化學實驗結果對時間的準確度有一定的要求，氣體生成時間、燃燒持續時間等是較為重要的實驗數據。因此為保證實時處理數據，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。

立體顯示和傳感器技術。虛擬現實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術的發展，理想中的實驗效果要求較高，現有的設備不能滿足需要，力學和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現實設備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待于進一步的提高。

系統集成技術。為了確保虛擬仿真無機化學實驗室建設的質量，虛擬效果尤為重要。VR系統中要包括大量的感知信息和模型，因此系統集成技術起著至關重要的作用，集成技術包括信息的同步技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術。

虛擬仿真無機化學實驗室實現了實驗容量無限和實驗的零損耗。學生在網上進行虛擬實驗，人數不受限制，減輕了實驗室管理人員的勞動強度。經過模擬實驗，減少了現實中實驗中化學藥品損耗，降低了化學藥品的污染，有利于環保。

4 結語

應用Web和虛擬現實技術構建無機化學虛擬仿真實驗室，結合無機化學實驗室現有的實際實驗項目，為學生提供虛實結合、相互補充的實驗教學環境。虛擬仿真實驗不受經費、場地、試劑等因素的制約,打破了傳統實驗室的限制，為傳統實驗項目提供了有益的補充。將一些劇毒性、破壞性、綜合性和研究性的實驗在虛擬的環境中完成，實現對實驗過程的真實模擬，使學生能夠直觀的模擬并學習實驗過程，觀察實驗結果。在對環境零污染，并保證學生安全的前提下，讓學生能夠學習到更多的實驗知識，培養學生的動手能力和科研創新能力。從教育與科技結合的趨勢，以及國內外現有的發展情況來分析，虛擬仿真實驗解決了實驗教學本身的發展瓶頸，拓寬了實驗項目開設的深度和廣度，有利于學生動手能力和探索分析能力的培養。虛擬仿真實驗室將會成為未來教學中的重要一環，用更新的教育方式與教育理念，培養出更適應時代發展的人才。