化學(xué)虛擬仿真試驗(yàn)方法的初步探究與實(shí)踐

唐艷茹，陳小唐，魏家巍，丁　鵬，羅風(fēng)瓊

(1.長(zhǎng)春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032；2.東北師范大學(xué)人文學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022；

3.長(zhǎng)春希望高中，吉林長(zhǎng)春130022)

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化學(xué)虛擬仿真試驗(yàn)方法的初步探究與實(shí)踐

唐艷茹1，陳小唐2，魏家巍3，丁鵬1，羅風(fēng)瓊1

(1.長(zhǎng)春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032；2.東北師范大學(xué)人文學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022；

3.長(zhǎng)春希望高中，吉林長(zhǎng)春130022)

[摘要]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在仿真實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用越來越廣泛。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是相關(guān)專業(yè)必不可少的實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)驗(yàn)中，有些化學(xué)試劑有毒或操作不當(dāng)易造成事故，以及操作失誤破壞儀器、操作不當(dāng)不能及時(shí)糾正，使學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)操作存在一定的危險(xiǎn)。本文就硫酸亞鐵銨的制備初步探究化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可實(shí)施性。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；探究；硫酸亞鐵

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在科學(xué)研究、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教育等方面發(fā)揮著重要的作用，受到越來越多的關(guān)注，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然發(fā)展方向。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互為補(bǔ)充，有利于提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是科學(xué)研究的重要手段，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)離不開實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原材料等實(shí)驗(yàn)用品，一些原材料不能完全滿足綠色化學(xué)的要求。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)既能滿足人們掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能又不污染環(huán)境。目前虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)和理論分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)一起，成為人類探索科學(xué)的主要手段，特別是在教育領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

1.1避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)帶來的各種危險(xiǎn)

實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)藥品多為有毒物質(zhì)，做實(shí)驗(yàn)也常有有毒氣體產(chǎn)生，長(zhǎng)期做實(shí)驗(yàn)會(huì)對(duì)身體造成一定的傷害。大學(xué)生初步接觸實(shí)驗(yàn)，常有操作不規(guī)范或操作失誤導(dǎo)致儀器破損、化學(xué)試劑濺出，嚴(yán)重時(shí)易灼傷皮膚，危險(xiǎn)系數(shù)很大。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)帶來的各種危險(xiǎn)。

1.2打破實(shí)驗(yàn)單一、儀器受限的格局

普通實(shí)驗(yàn)由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)、設(shè)備、場(chǎng)地等資源有限，導(dǎo)致某些課程無法開設(shè)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就可以彌補(bǔ)這些短處，使學(xué)生獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的感受，在安全的實(shí)驗(yàn)條件下加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅節(jié)省實(shí)驗(yàn)花費(fèi)，還可以實(shí)現(xiàn)資源共享。

1.3實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適時(shí)指導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生遇到的問題，達(dá)到對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)的目的，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輔導(dǎo)和對(duì)學(xué)生測(cè)試結(jié)果的批改。學(xué)生可以利用虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的智能答疑功能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師互動(dòng)或者在線向教師發(fā)送郵件。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中的問題，并提出改進(jìn)意見，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

2構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室離不開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇決定我們能否達(dá)到最終目標(biāo)。虛擬仿真系統(tǒng)的對(duì)象模型主要包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、儀器模型和元器件模型。初步探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，可采用下面兩個(gè)技術(shù)。

2.1VRML技術(shù)

VRML是“Virtual Reality Modeling Language”的縮寫形式，意思是“虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言”。VRML是用來描述三維物體的文本語言，可以構(gòu)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(nèi)嵌用Java、ECMAScript等語言編寫的程序代碼。

在以VRML為核心構(gòu)建的虛擬世界中，用戶如身處真實(shí)世界，可以和虛擬體交互，人們可以以習(xí)慣的自然方式訪問各種場(chǎng)所，在虛擬社區(qū)中“直接”交談和交往。運(yùn)用VRML技術(shù)制作實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景有很強(qiáng)的逼真感和沉浸感，加強(qiáng)人與環(huán)境的協(xié)調(diào)、融合和情感交流。通過創(chuàng)建一個(gè)虛擬人物從進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，了解實(shí)驗(yàn)原理，操作實(shí)驗(yàn)，到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析總結(jié)，使學(xué)生全面掌握整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。

2.2Flash技術(shù)

Flash是一種基于矢量圖形的交互式創(chuàng)作軟件，功能異常強(qiáng)大，所生成的動(dòng)畫體積小，可直接在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。Flash動(dòng)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(dòng)作成為動(dòng)畫的一部分，用戶可通過單擊、選擇等動(dòng)作，決定動(dòng)畫的過程和結(jié)果。這使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的操作變得簡(jiǎn)單，先用Flash制作無機(jī)化學(xué)試驗(yàn)中常見及個(gè)別試驗(yàn)中所必要的實(shí)驗(yàn)儀器件模型和元器件模型。學(xué)生只需打開儀器面板找到實(shí)驗(yàn)所需儀器便能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐——硫酸亞鐵銨的制備

硫酸亞鐵銨會(huì)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(yán)重者導(dǎo)致死亡，其對(duì)水體也造成污染。硫酸亞鐵銨會(huì)生成有害燃燒產(chǎn)物，三氧化硫。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室操作有一定的危險(xiǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可解決這一問題。根據(jù)以上技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，通過前臺(tái)動(dòng)畫和程序設(shè)計(jì)展示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的全部功能，各部分的具體功能如下。

3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在虛擬軟件中點(diǎn)擊相關(guān)按鈕直接查看)

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)并制備硫酸亞鐵銨；(2)進(jìn)一步掌握水浴、溶解、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶等基本操作；(3)了解檢驗(yàn)產(chǎn)品中雜質(zhì)含量的一種方法。

3.2實(shí)驗(yàn)原理(在虛擬軟件中點(diǎn)擊相關(guān)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(wěn)定，不易被氧化。

在0～60℃范圍內(nèi)，硫酸亞鐵銨在水中的溶解度比組成它的簡(jiǎn)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(yīng)方程式為

(2)將制得的FeSO4溶液與等物質(zhì)的量(NH4)2SO4在溶液中混合，經(jīng)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(shí)驗(yàn)儀器(通過小動(dòng)畫或是立體圖讓學(xué)生更直觀的了解實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用方法)

儀器：鐵架臺(tái)、水浴裝置、普通漏斗、熱濾漏斗、分析天平、蒸發(fā)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(wǎng)、鑰匙、溫度計(jì)、玻璃管、膠頭滴管、橡皮塞、橡皮。

3.4實(shí)驗(yàn)藥品(根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(虛擬模擬實(shí)驗(yàn)操作的整個(gè)過程，實(shí)驗(yàn)過程所需的藥品試劑及實(shí)驗(yàn)儀器都已在虛擬平臺(tái)中，學(xué)生點(diǎn)擊鼠標(biāo)來進(jìn)行一步步的實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(jīng)洗凈的鐵釘；(8)水浴加熱錐形瓶加速其反應(yīng)；(9)將反應(yīng)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(fā)皿中蒸發(fā)濃縮至溶液表面出現(xiàn)晶膜為止。溶液靜置，自然冷卻，析出硫酸亞鐵銨晶體。

3.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)軟件自行得出結(jié)果。

3.7結(jié)果分析(虛擬仿真軟件可根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行分析)

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

4結(jié)束語

虛擬仿真教學(xué)是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的重要補(bǔ)充,通過建設(shè)該教學(xué)平臺(tái)，可以有效整合并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，推進(jìn)儀器設(shè)備及優(yōu)質(zhì)資源共享，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化管理水平。本文以硫酸亞鐵銨制備為例做模擬實(shí)驗(yàn)，初步探究化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可實(shí)施性。無機(jī)化學(xué)中很多的儀器是相通的，可按照該方法做一些其他普通實(shí)驗(yàn)室無法操作的實(shí)驗(yàn)。

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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(hào)]O6-39

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-7602(2016)04-0057-03

[作者簡(jiǎn)介]唐艷茹(1962- )，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事應(yīng)用化學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究。

[基金項(xiàng)目]長(zhǎng)春師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教改研究項(xiàng)目“虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程體系的建設(shè)研究”(JWSSY201411)。

[收稿日期]2015-01-07