王 敏，陳艷燕，吳小磊，許丹丹，皮其豪，張 薪，曾 浩

(重慶理工大學 化學化工學院，重慶 400054)

《教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作的通知》明確指出，“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[1]”。以建設(shè)信息化實驗教學資源為重點，這無疑為實驗教學改革提供了新的方向。虛擬仿真實驗技術(shù)可以在一些涉及高?；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗的情況下進行可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[2]?；瘜W作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，實驗教學是其最重要的一環(huán)。其中有機化學實驗由于學科自身的特點，致使其開設(shè)和教學面臨著安全、環(huán)境保護、教學效果、實驗經(jīng)費等諸多困難。一是有機試劑的毒害性、揮發(fā)性、易燃易爆等特點；二是實驗中和實驗后通常會產(chǎn)生難以處理的“三廢”；三是有機合成實驗是一個復(fù)雜、緩慢的過程，操作繁瑣，實驗過程和結(jié)果都存在著很大的不確定性。因此，采用虛擬仿真技術(shù)對有機化學實驗教學的改革勢在必行。虛擬仿真實驗教學建設(shè)也成為高校實驗教學改革的必然發(fā)展方向, 根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》均指出信息技術(shù)對教育發(fā)展具有重要影響，應(yīng)加快推進教育信息。截至2016年，教育部已經(jīng)遴選建設(shè)100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。開展虛擬仿真實驗教學建設(shè)，通過建立內(nèi)容豐富的虛擬仿真教學資源庫,有利于提高高校實驗教學信息化水平,提高實驗教學效果[3]。

1 虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的實驗教學方式，基本上是幾個同學一組，實驗動手前教師大致介紹實驗?zāi)康摹⒃?、操作事項，然后學生依葫蘆畫瓢，照方抓藥把實驗流程走一遍，這樣單調(diào)刻板的教學方式缺乏創(chuàng)新性和思維創(chuàng)造力，直接導(dǎo)致教學效果的低下。特別是化學實驗，學生如果不提前做好準備，很容易在操作中導(dǎo)致事故的發(fā)生。將傳統(tǒng)的化學實驗采用虛擬仿真技術(shù)模擬出來，實現(xiàn)安全、新型、綠色環(huán)保的實驗教學模式，可加深學生對相應(yīng)教學內(nèi)容的理解和掌握。

1.1 拓展了學生學習時間和空間[4]

由于計算機虛擬仿真實驗是一種非現(xiàn)實的模擬,可以在網(wǎng)絡(luò)上共享,因此打破實驗教學設(shè)備的局限性，不受時間和空間的限制，只要有計算機和系統(tǒng)軟件的支持，甚至一部手機,學生就可以隨時調(diào)整時間，隨時隨地進行實驗學習，實驗過程綠色安全，且可以重復(fù)操作。

1.2 避免真實實驗帶來的各種安全風險

化學實驗室中的實驗藥品多為有毒物質(zhì)，人體通過口食、呼吸、皮膚接觸都有可能造成傷害；而且玻璃器皿種類繁多，各種高溫高壓儀器，稍有不慎，就有可能損壞造成割傷或者燙傷；有機試劑的易燃易爆性也加大了實驗室的風險。大學生初步接觸實驗，動手能力差，經(jīng)驗欠缺，常有操作不規(guī)范或操作失誤導(dǎo)致儀器破損、化學試劑濺出，嚴重時灼傷皮膚等事故發(fā)生，危險系數(shù)很大。一旦發(fā)生危險，不僅會給學生造成較大的心理影響，還可能對生命和財產(chǎn)造成損失。虛擬仿真實驗教學采用模擬的實驗環(huán)境，可以避免真實實驗帶來的各種危險[5]。

1.3 實行零試劑零排放，降低了實驗成本，且利于環(huán)境保護

化學反應(yīng)的過程遵從質(zhì)量守恒原理，實驗過程中不可避免地有“三廢”的產(chǎn)生，每天每時，各個高校實驗室產(chǎn)生的三廢，積少成塔，其引起的環(huán)境污染問題不容小視。虛擬仿真技術(shù)可以將實驗原料和產(chǎn)物零投入零產(chǎn)出，完全避免了三廢的產(chǎn)生，不僅節(jié)約了實驗成本，更是減少污染和毒性，極大地保護了環(huán)境。

1.4 趣味性強，激發(fā)學生學習熱情，提高教學效果

利用虛擬仿真技術(shù)，學生可以靈活地設(shè)計實驗方案，進行實體交互，實時分析，仿真結(jié)果的可視化顯示可以更加形象的獲取知識。對于難點、重點部分，可以反復(fù)操作、多次學習，動態(tài)的人機交互系統(tǒng)能夠給學生直觀的效果，很大程度上激發(fā)學生學習熱情，啟發(fā)學生思維，對提高實驗教學效果具有不可替代的作用。

2 虛擬仿真實驗的技術(shù)操作

虛擬仿真實驗技術(shù)是現(xiàn)代計算機發(fā)展的新興教育輔助技術(shù)，要構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，達到形象逼真、精致美化的實驗交互性動態(tài)過程，需要極高超的專業(yè)性，并且是計算機、設(shè)計、相關(guān)專業(yè)等多學科的交叉融合?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗的設(shè)計方法有很多種，目前采用的技術(shù)概括起來，大致有VRML技術(shù)、ActiveX技術(shù)、QuickTimeVR技術(shù)、Java技術(shù)和Flash技術(shù)等幾類[6]。虛擬目標要求越高，采用的設(shè)計方法的技術(shù)含量就越高。Flash作為一款二維動畫制作的主流軟件，是一種基于矢量圖形的交互式創(chuàng)作軟件，功能異常強大，所生成的動畫體積很小，可直接在網(wǎng)絡(luò)上運行。跟Java相似，F(xiàn)lash影片能夠做到一次制作，跨平臺輸出。作為Flash的腳本語言，ActionScript在Flash應(yīng)用程序的開發(fā)過程中起著關(guān)鍵性作用，其中的XMLSocket具有進行socket通訊的能力，可以通過socket通訊和任何支持socket的語言進行通訊，為實時仿真提供了可能。同時ActionScript是一種面向?qū)ο蟮哪_本語言，通過它的交互性，可以控制動畫進程、效果，并能重復(fù)播放[7]。

3 應(yīng)用Flash制作"乙酰水楊酸的制備"的設(shè)計思路與實踐

根據(jù)有機化學實驗課程教學內(nèi)容的特點和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件，采用Flash技術(shù)進行"乙酰水楊酸的制備"實驗設(shè)計，僅就制作中的設(shè)計思路與實踐做一概述。

3.1 繪制實驗演示所用的器材和試劑

實驗演示中所用到的器材和試劑，可以采用其它專業(yè)繪圖軟件，如CAD軟件繪制，也可以收集網(wǎng)上的圖片。但由于CAD軟件對使用者應(yīng)用特技水平要求較高，網(wǎng)上收集的圖片沒有一個規(guī)范統(tǒng)一的風格，可以采用Flash軟件一個個繪制，通過變形、旋轉(zhuǎn)、著色、修飾等編輯工具，將燒瓶、冷凝管、錐形瓶等器材繪制成風格統(tǒng)一，大小相適的矢量圖，存儲在文件夾中待用。

3.2 創(chuàng)建元件(圖形元件、影片剪輯元件)

打開Adobe Flash CS6操作系統(tǒng)，建立一個空白Flash文檔，并進行命名。將上述3.1中保存在文件夾中的矢量圖導(dǎo)入到文檔中的庫文件中。將圖層1命名為“背景”,從“庫”面板中選擇背景圖片拖曳到舞臺中，在“屬性”中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。比如要將鐵架臺放入文檔中，在“背景”圖層上創(chuàng)建一個新的圖層，命名為“鐵架臺”，在第10禎創(chuàng)建關(guān)鍵禎，鎖定"背景"圖層。選中第10禎，將“庫”面板中的“鐵架臺”圖形元件拖曳到舞臺右上角，右擊鐵架臺圖像，在彈出的快捷菜單中選擇“創(chuàng)建補間動畫”，將Alpha值設(shè)置為0%。在第50禎插入關(guān)鍵禎，將“鐵架臺”拖動到舞臺的合適位置，將Alpha值設(shè)置為100%。如此反復(fù)，將實驗中所需的器材一個個按照“從下到上，從左到右”的順序組裝起來[8]。

根據(jù)需要及制作技術(shù)水平，可以考慮不同圖層分別繪制。不同的實驗項目增加的特技也有一定的差別，如濾鏡、改變運動路徑、添加文本框等方法。Flash之所以是動畫，就是因為在不同時刻，圖像是不同的，可以隨著時間的變化模擬表現(xiàn)出物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)的氣、色、量的變化。采用箭頭表示蒸汽的運動方式、瓶中液面的高度隨之變化等等。最后再把相應(yīng)的聲音放在“時間軸”上，設(shè)置聲音的品質(zhì)，使其整體上更為完美和諧統(tǒng)一。根據(jù)掌握各部分學習內(nèi)容所需時間，在屬性項下調(diào)整幀頻以適應(yīng)需要，最后再將舞臺中的動畫演示做成影片剪輯元件。

3.3 仿真交互教學課件的集成

以“乙酰水楊酸的制備”實驗項目為例，把該項目分成了七大板塊，按照板塊化來組織課程內(nèi)容，每個板塊又分為若干個任務(wù)來完成。界面如圖1所示。每個板塊中將其內(nèi)容分別放于 Flash的各場景，第一場景為課堂測試，其它每個項目點各占一場景，將其集成打包在一起。使用時由按鈕引導(dǎo)到相關(guān)板塊，應(yīng)用靈活方便。

3.3.1 實驗預(yù)習測試集成的交互性

虛擬仿真模擬的任務(wù)之一是調(diào)動學生的自主學習興趣，主體是學生，旨在充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使學生能積極主動的構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)為真實實驗操作打下基礎(chǔ)。因此課件設(shè)計中強調(diào)趣味性，學生根據(jù)預(yù)習結(jié)果和已儲備的實驗知識來解答預(yù)習測試題，如果答案不正確，虛擬系統(tǒng)會馬上顯示出來，并根據(jù)評分標準自動打分，同時還有按鈕可用來提示所需知識的要點，使學生明白自己知識的缺陷，從而有針對性學習。

圖1 預(yù)習課堂測試交互性界面

3.3.2 動態(tài)教學課件的完善

配合板塊化的課程內(nèi)容，采用Flash制作獲得乙酰水楊酸的動態(tài)教學課件,見圖1。根據(jù)乙酰水楊酸的制備實驗步驟：加料-反應(yīng)-純化-檢測幾個流程，模擬動態(tài)的操作過程。畫面中包含構(gòu)成反應(yīng)裝置的各個部分：鐵架臺、酒精燈、錐形瓶、燒杯、球形冷凝管、鐵圈、石棉網(wǎng)、夾子等，這些圖形原本都是矢量圖形，生成的文件所占的存儲空間比較小。此外，F(xiàn)lash對于圖像、聲音和視頻文件都可以進行相應(yīng)的壓縮處理，這就使得導(dǎo)出后的(.SWF)文件非常小，方便攜帶以及在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布共享。教學課件按照乙酰水楊酸的制備過程動態(tài)演示各個步驟，并在關(guān)鍵的地方加以文字提示，配以形象的聲音，可以提高學生的學習興趣，更快地將學生帶入實驗操作者的角色。

3.4 虛擬仿真設(shè)計的效果

設(shè)計制作完成后，所生成的還是一個(.FLA)文件，相當于Flash的草稿，還不能在其它地方播放。必須生成(．SWF)文件，才是一個最終的Flash課件。實現(xiàn)方法是在文件項下將(．FLA)文件導(dǎo)出為Flash影片，重命名并保存。再加以音樂等效果,這樣就可以通過CD、DVD等媒體來共享放映文件。

4 結(jié)束語

有機化學虛擬仿真實驗通過計算機的模擬環(huán)境，使學生能夠提前熟悉實驗流程、了解實驗操作，掌握實驗技能，為實驗教學提供了新途徑，與真實實驗虛實結(jié)合、相互補充。Flash動畫演示雖然給有機化學實驗教學帶來了新的教學理念，開辟了新的教學途徑，但從某些方面來說還存在不足，比如交互性有待提高、圖像逼真程度不夠、產(chǎn)物模擬效果不強等等，而且對課件開發(fā)者的軟件應(yīng)用特技水平也有較高要求，需要加強研究，進一步的完善，為推進高等學校實驗教學信息化建設(shè)和實驗教學改革與發(fā)展做出努力。

[1] 教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作通知[EB/OL],http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[2] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013(1):5-8.

[3] 杜玉寶,孫淑強,亓文濤.虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設(shè)與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016(249):26-28.

[4] 李 江,盧艷麗,王永欣.虛擬仿真技術(shù)在材料學科實驗教學中的應(yīng)用探索[J].教育教學論壇2017(27):267-268.

[5] 孫二軍,趙 倫,唐艷茹.高校虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)思考[J].長春師范大學學報,2016,35 (8):121-124.

[6] 唐艷茹,陳小唐,魏家巍，等.化學虛擬仿真試驗方法的初步探究與實踐[J].長春師范大學學報，2016,35(4):57-59.

[7] 卲換崢,劉奇付.Flash技術(shù)在大學課堂教學中的運用研究[J].電腦知識與技術(shù).2016(34):9847-9848.

[8] 賈飛云.利用Flash軟件仿真模擬有機化學實驗儀器的順序組裝[J].中國醫(yī)學教育技術(shù),2010,24(2):168-170.