醫(yī)學(xué)院校有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

王蓓，劉永紅，張宜欣

醫(yī)學(xué)院校有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

王蓓，劉永紅，張宜欣

（首都醫(yī)科大學(xué)燕京醫(yī)學(xué)院，北京101300）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室成為一種新的教學(xué)形式。通過“基于3dmax的有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建”課題研究，探索醫(yī)學(xué)院校有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。

3dmax；有機(jī)化學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念最早由美國的William Wolf教授于1989年提出，用來描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。Wolf教授形象地把虛擬實(shí)驗(yàn)室稱為“沒有圍墻的研究中心”[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室逐漸成為一種新的教學(xué)形式，基于其特點(diǎn)，在電工電子、醫(yī)學(xué)、建筑、生化等學(xué)科教育教學(xué)中起著重要作用。據(jù)了解，目前我國很多高校根據(jù)自身教學(xué)需求，建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，典型的有：（1）中國科技大學(xué)在虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和使用方面形成了如物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件、廣播電視大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)、幾何光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺、大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)；（2）浙江大學(xué)的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)，以VRML為基礎(chǔ)構(gòu)筑虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并利用Java技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)場景的人機(jī)交互；（3）同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院建成的可以對建筑景觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室等。這些利用計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)，部分替代了在現(xiàn)實(shí)世界中難以進(jìn)行或成本高昂的實(shí)驗(yàn)。此外，復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、陜西師范大學(xué)等高校，也相繼開發(fā)出一批新的虛擬儀器系統(tǒng)供實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研使用[2，3]。2015年初我校開始進(jìn)行“基于3dmax的有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建”課題研究，探索醫(yī)學(xué)院校有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。

1 有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的必要性

（1）突出“以學(xué)生為主體”教育思想。有機(jī)化學(xué)是一門依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，是醫(yī)學(xué)院校重要的基礎(chǔ)學(xué)科，可為學(xué)生學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中信息大部分是通過實(shí)驗(yàn)來傳遞，相較于傳統(tǒng)教學(xué)中單一、被動(dòng)的方式，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)γ總€(gè)實(shí)驗(yàn)操作最大程度地進(jìn)行仿真，將實(shí)驗(yàn)過程中的圖像、文字、聲音以及動(dòng)畫等因素融為一體，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性[4]。尤其是在實(shí)驗(yàn)初期，學(xué)生會遇到儀器調(diào)試、管理、損壞等問題，涉及實(shí)驗(yàn)過程、試劑、中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物等環(huán)節(jié)，而這些是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式無法解決的問題。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段[5]，能夠?qū)?shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行模擬仿真，不僅可以增加學(xué)生的感性認(rèn)識、提高動(dòng)手能力，而且節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、減少實(shí)驗(yàn)危害，尤其是能解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)室高污染問題。

（3）虛擬實(shí)驗(yàn)室是教育教學(xué)資源不可或缺的組成部分，通過有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為本校其他醫(yī)學(xué)化學(xué)類學(xué)科（如高分子化學(xué)、藥物化學(xué)）及專業(yè)學(xué)科（如藥用植物學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)等）教學(xué)做好準(zhǔn)備，為構(gòu)建具有醫(yī)學(xué)特色的虛擬實(shí)驗(yàn)室奠定基礎(chǔ)。

2 有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建（見圖1）

圖1 有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

2.1 梳理文字內(nèi)容

通過對醫(yī)學(xué)院校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分類、整理，設(shè)計(jì)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)研究教學(xué)大綱，編寫文字內(nèi)容。主要包括有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器用途使用方法和注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)基本操作、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作技術(shù)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)講義、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置組裝，為構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室打好基礎(chǔ)[6，7]。

2.2 實(shí)驗(yàn)視頻及照片制作

通過教師講解與示范，對有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行正確操作，記錄每一步的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果（主要通過照片或視頻形式記錄）。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及很多危險(xiǎn)試劑，實(shí)驗(yàn)過程中會產(chǎn)生某些危險(xiǎn)物質(zhì)，稍不注意就會造成一定傷害。此外，還有些關(guān)鍵步驟，如熔點(diǎn)測定中晶體的熔化過程，很難用文字表達(dá)清楚，因此可以通過圖片、視頻展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和關(guān)鍵步驟，對實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估和操作認(rèn)知，以有效避免實(shí)驗(yàn)危害。

2.3 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備建模[8]

所謂建模就是在三維空間內(nèi)創(chuàng)建出所需物件的三維模型，這是虛擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的很多玻璃儀器立體形象特殊，如蛇形冷凝管、加液漏斗等，應(yīng)用3dmax軟件制作出逼真的玻璃儀器是虛擬實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

2.4 實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫的制作

在3D建?；A(chǔ)上，在3dmax軟件動(dòng)畫制作系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)視頻、照片進(jìn)行動(dòng)畫制作。

2.5 虛擬實(shí)驗(yàn)室的合成

有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室以動(dòng)畫為核心，通過運(yùn)用3dmax中攝像機(jī)、燈光、場景等技巧，以及動(dòng)畫的制作、火焰和煙霧效果的渲染、視頻編輯等專業(yè)知識與技術(shù)，能更好地表現(xiàn)三維立體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方法，通過鼠標(biāo)拖拽完成實(shí)驗(yàn)裝置的組裝、儀器使用的練習(xí)，以仿真形式強(qiáng)化感知。

3 基于3dm ax的有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性[9]

（1）3dmax是一種PC機(jī)的三維動(dòng)畫制作軟件，用于影視制作、工業(yè)建筑設(shè)計(jì)。利用3dmax創(chuàng)建三維虛擬實(shí)驗(yàn)室，一旦模型建成就可以從各方位以任意視點(diǎn)與角度對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，例如索氏提取器，通過展示明晰工作原理，這是圖片、視頻無法實(shí)現(xiàn)的。因此，有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室在有效提高課件質(zhì)量與使用效果的同時(shí)，又解決了因缺少儀器設(shè)備等而無法實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的問題，一方面節(jié)省了學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的投入，另一方面也節(jié)省了在實(shí)驗(yàn)器材維護(hù)方面的投入。

（2）由于有機(jī)化學(xué)的很多實(shí)驗(yàn)具有高度危險(xiǎn)性，涉及的試劑、產(chǎn)物均具有較高污染性，后期處理成本很高（例如有機(jī)化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)），虛擬實(shí)驗(yàn)室能最大限度地解決上述問題，符合目前我國各高校所提倡的“綠色化學(xué)”理念，也適應(yīng)教育教學(xué)改革需要。

（3）根據(jù)教學(xué)改革要求，需要不斷設(shè)計(jì)和補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，而相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)也需要重新開發(fā)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)良好的二次開發(fā)性能夠很好地適應(yīng)這些變化。設(shè)計(jì)人員（教師）只需將新的實(shí)驗(yàn)建模后放入虛擬實(shí)驗(yàn)室即可，這在很大程度上解決了重新開發(fā)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問題，具有良好的可延續(xù)性。

（4）隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展與校園網(wǎng)的建立，對于在線教學(xué)視頻、在線實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示等全方位立體化教學(xué)模式，無論教師還是學(xué)生，都可以不受時(shí)間、地點(diǎn)、條件限制進(jìn)行基本操作練習(xí)、儀器組裝等，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享性和開放性。

4 結(jié)語

通過課前對有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，在正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生自主性明顯增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)度明顯加快，實(shí)驗(yàn)操作熟練程度顯著提高，儀器損壞率和試劑消耗率明顯下降。有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量提高中發(fā)揮著重要作用，學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和實(shí)踐能力有效提高，創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力得到明顯提升，從而對提升學(xué)校辦學(xué)實(shí)力、辦學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量起到有力的推動(dòng)作用[10]。

[1]卑占宇，郭小慧，何新蕾，等.藥學(xué)專業(yè)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用研究[J].中國醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2012，9（15）：163-164.

[2]郭智敏，劉偉.基于Internet的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀和問題分析[J].教育教學(xué)論壇，2010（24）：161.

[3]華新宇，劉永濤，陳旭東，等.組織學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及應(yīng)用[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2014，32（3）：37-38.

[4]向明鈞，賴日勇，曾靖，等.醫(yī)學(xué)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建與實(shí)施[J].贛南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29（5）：705-706.

[5]鄭軍，曾照芳.醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)本科教育虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的研究與實(shí)踐[J].中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2011，10（2）：233-235.

[6]黃宇靖.基于Virtual PC計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建與教學(xué)的研究[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2015，33（12）：35-37.

[7]孫長霞.“虛擬實(shí)驗(yàn)室”在高等院?；瘜W(xué)基礎(chǔ)課程中的作用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（34）：16942－16943.

[8]劉志廣，賈健波，張永，等.模型化易擴(kuò)展的虛擬有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建模式研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2012，29（8）：1019-1022.

[9]楊昱，徐雅琴，楊玉玲.無機(jī)化學(xué)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法研究[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2011，3（3）：50-52.

[10]宋象軍.虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（1）：35-37.

G43

A

1671-1246（2016）19-0104-02

首都醫(yī)科大學(xué)校基金（技術(shù)）“基于3dmax的有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與構(gòu)建”（2015JS25）