有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方法與開(kāi)發(fā)方案

劉永紅，王　蓓，張宜欣，蘇春梅

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

有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方法與開(kāi)發(fā)方案

劉永紅，王蓓，張宜欣，蘇春梅*

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

結(jié)合有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，探討構(gòu)建有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性和可行性，探討構(gòu)建有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的思路、方法和內(nèi)容，對(duì)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開(kāi)發(fā)和構(gòu)建。

有機(jī)化學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；3Dmax；Flash

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于Web技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化［1-2］。虛擬實(shí)驗(yàn)室為開(kāi)設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境，是未來(lái)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展方向。

1　虛擬實(shí)驗(yàn)室研究現(xiàn)狀

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室在發(fā)達(dá)國(guó)家已十分普及。作為首先提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念并具有雄厚科研實(shí)力和強(qiáng)大財(cái)力的美國(guó)，從一開(kāi)始就十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開(kāi)發(fā)，在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已處于領(lǐng)先地位。在國(guó)內(nèi)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視。虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和應(yīng)用廣受研究機(jī)構(gòu)和軟件供應(yīng)商的重視，早在1995年，互聯(lián)網(wǎng)上便出現(xiàn)了“虛擬青蛙解剖”實(shí)驗(yàn)，“實(shí)驗(yàn)者”可以用虛擬手術(shù)刀層層分離青蛙，觀察它的肌肉和骨骼組織。2003年初，第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國(guó)內(nèi)首例女虛擬人的數(shù)據(jù)采集。醫(yī)生可以為虛擬病人模型進(jìn)行手術(shù)，并可以利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。手術(shù)實(shí)際進(jìn)展的圖像也可通過(guò)機(jī)器人攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳遞并與虛擬病人疊加，以便醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握手術(shù)情況，發(fā)出手術(shù)指令［3］。第二軍醫(yī)大學(xué)生理學(xué)教研室從20世紀(jì)90年代開(kāi)始對(duì)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步探索，對(duì)“蛙心灌流”、“哺乳動(dòng)物血壓調(diào)節(jié)”以及“動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制和記錄方法”等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了成功模擬，并先后在國(guó)內(nèi)生理學(xué)界的交流會(huì)上獲得好評(píng)。近年來(lái)，他們對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級(jí)，初步建成了機(jī)能學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室［4］。

2　構(gòu)建有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性

（1）有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比于其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程具有危險(xiǎn)性高、時(shí)間長(zhǎng)、操作繁瑣等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常需要用到有毒有害及易燃易爆的化學(xué)試劑，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的復(fù)雜性、現(xiàn)象的隱蔽性以及操作的危險(xiǎn)性等都直接影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中緩慢過(guò)程的快速化或快速過(guò)程的緩慢化，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)中單一被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)⒚總€(gè)實(shí)驗(yàn)操作最大限度地進(jìn)行仿真，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖像、文字、聲音以及動(dòng)畫(huà)等各種因素融為一體。建立虛擬實(shí)驗(yàn)室符合現(xiàn)代教學(xué)理念，對(duì)幫助學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、理解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)操作流程、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果具有重要意義［5］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的模擬仿真，不僅可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，而且能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、減少實(shí)驗(yàn)危害及環(huán)境污染。

（2）有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的不足。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括3個(gè)方面，即有機(jī)實(shí)驗(yàn)基本技術(shù)、有機(jī)化合物性質(zhì)、有機(jī)化合物制備。有些性質(zhì)及合成實(shí)驗(yàn)因所使用的試劑較多、對(duì)環(huán)境危害較大而被各大高校逐漸取消，而虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)改變?cè)?、裝置、條件來(lái)觀察不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，并且有效地避免了污染。在以往的教學(xué)過(guò)程中，我們都由教師對(duì)重要操作和學(xué)生易犯錯(cuò)誤的操作進(jìn)行示范，然后由學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師隨時(shí)指導(dǎo)。由于每組實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)較多，有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前不注意觀察教師示范，對(duì)基本操作沒(méi)有掌握。應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以先組織學(xué)生進(jìn)行觀摩，使學(xué)生比較直接地了解和掌握實(shí)驗(yàn)方法、儀器的結(jié)構(gòu)和操作，再結(jié)合教師示范，效果會(huì)更好［6］。

（3）21世紀(jì)是信息和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，實(shí)驗(yàn)教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的高素質(zhì)人才。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，普通實(shí)驗(yàn)室的更新速度無(wú)法跟上技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，普通實(shí)驗(yàn)室存在儀器調(diào)試、管理、易損壞等問(wèn)題。此外，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間和一些損耗性大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上對(duì)學(xué)生限制過(guò)死，這些都是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室無(wú)法解決的問(wèn)題。所以，應(yīng)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、訓(xùn)練操作扎實(shí)、不受時(shí)空限制的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3　有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路（見(jiàn)圖1）

4　有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)方案

（1）梳理醫(yī)學(xué)院校有機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并進(jìn)行分類、整理，設(shè)計(jì)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和今后可能進(jìn)行的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（2）運(yùn)用攝影、攝像等方式對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行拍攝、錄制。教師進(jìn)行正規(guī)的操作實(shí)驗(yàn)，一邊操作，一邊講解。對(duì)于需要特別注意的細(xì)節(jié)進(jìn)行多遍講解，強(qiáng)調(diào)操作的規(guī)范性，讓學(xué)生形成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。實(shí)驗(yàn)演示模塊可以添加一些以往錄制的操作失誤的視頻，讓學(xué)生有比較深刻的印象，避免失誤的發(fā)生。

（3）建模。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)，因此，我們將完成盡可能完全的三維模型庫(kù)，同時(shí)對(duì)需要的有機(jī)分子模型進(jìn)行建模。運(yùn)用3Dmax軟件建立儀器設(shè)備模型，進(jìn)行模擬蒸餾、回流、加熱攪拌、紙層析等操作。

（4）演示實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)的制作。演示實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中專業(yè)技巧的運(yùn)用使虛擬實(shí)驗(yàn)更加真實(shí)，為了更好地表現(xiàn)三維立體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方法，需要運(yùn)用3Dmax中攝像機(jī)、燈光、場(chǎng)景等，還需要?jiǎng)赢?huà)的制作、火焰及煙霧效果的制作、渲染、視頻編輯等專業(yè)的知識(shí)與技術(shù)。

（5）后期整合與再加工。將所制得的各種模擬操作及演示動(dòng)畫(huà)應(yīng)用視頻進(jìn)行編輯、壓縮，通過(guò)Flash MX的強(qiáng)大交互功能彌補(bǔ)3Dmax在交互功能方面的不足，將Flash MX和3Dmax兩種技術(shù)結(jié)合，最后將所得各素材整合加工。

（6）將虛擬實(shí)驗(yàn)室掛網(wǎng)運(yùn)行。將整合加工后的模型及演示動(dòng)畫(huà)充分修改后形成完整的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室，并上傳至校園網(wǎng)使用，在使用中根據(jù)反饋的信息對(duì)有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)行再修改和完善。

5　構(gòu)建的技術(shù)關(guān)鍵

5.1設(shè)計(jì)、記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)研究我校教學(xué)大綱，借鑒國(guó)內(nèi)目前先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自身情況，精心設(shè)計(jì)、認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建打好基礎(chǔ)。

5.2虛擬實(shí)驗(yàn)元件模型及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立是虛擬實(shí)驗(yàn)室成敗的關(guān)鍵

虛擬實(shí)驗(yàn)元件建立的好壞對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接的影響，不僅影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還關(guān)系著整個(gè)實(shí)驗(yàn)的成敗。虛擬實(shí)驗(yàn)元件主要分兩類：一類為化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬儀器元件，另一類為化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬試劑元件。應(yīng)用3Dmax技術(shù)，可以使虛擬實(shí)驗(yàn)元件制作更接近于真實(shí)。

6　構(gòu)建的意義

（1）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，在教學(xué)過(guò)程中其教學(xué)信息大部分都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)傳遞，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)中單一、被動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)⒚總€(gè)實(shí)驗(yàn)操作最大限度地進(jìn)行仿真。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，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(shí)、提高學(xué)生的動(dòng)手能力，而且能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、減少實(shí)驗(yàn)危害、減少環(huán)境污染。

7　創(chuàng)新之處

（1）3Dmax是一種PC機(jī)的三維動(dòng)畫(huà)制作軟件，可以用于影視制作、工業(yè)建筑設(shè)計(jì)。利用3DMax來(lái)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(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，這將大大提高課件的質(zhì)量與使用效果，同時(shí)又解決了因缺少儀器設(shè)備等而無(wú)法實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)，一方面節(jié)省了學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的投入，另一方面節(jié)省了實(shí)驗(yàn)器材維護(hù)方面的投入。

（2）由于有機(jī)化學(xué)的實(shí)驗(yàn)很多具有高度危險(xiǎn)性，所用試劑、產(chǎn)物均具有污染性，后期處理成本很高（例如有機(jī)化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)），用虛擬實(shí)驗(yàn)的形式能最大限度地解決上述問(wèn)題，符合目前國(guó)內(nèi)各高校所提倡的“綠色化學(xué)”的號(hào)召，也符合教育教學(xué)改革的需要。

（3）具有良好的可延續(xù)性，根據(jù)教學(xué)改革的需求，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需要不斷再設(shè)計(jì)和補(bǔ)充，其他的計(jì)算機(jī)技術(shù)也可能需要重新開(kāi)發(fā)，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)良好的二次開(kāi)發(fā)性能夠很好地適應(yīng)這些變化。設(shè)計(jì)人員（教師）只需要將新的實(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(kāi)發(fā)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問(wèn)題。

8　討論

基于校園網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立，為學(xué)生提供了一種不受時(shí)間、地點(diǎn)、空間、儀器、試劑、師資、經(jīng)費(fèi)等條件限制的自由學(xué)習(xí)模式，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)練習(xí)。實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)自主性顯著增強(qiáng)、目的更加明確、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度明顯加快，同時(shí)儀器損壞率和試劑消耗率明顯下降。但有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室并不能完全代替學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，它只是一種輔助的教學(xué)手段，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式互有優(yōu)勢(shì)，只有將兩者結(jié)合起來(lái)，才能做到相輔相成、取長(zhǎng)補(bǔ)短。由此，筆者認(rèn)為，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的類型［7］及目的，選擇兩種教學(xué)模式中的一種或者將兩者進(jìn)行有效組合才是真正提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的有效之道。

圖1　有機(jī)化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路

［1］劉延華，桂萬(wàn)云.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］.洛陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)2006（2）：94-96.

［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(wèn)題分析［J］.教育教學(xué)論壇，2010（24）：161.

［3］鐘世鎮(zhèn)，原林，唐雷，等.數(shù)字化虛擬中國(guó)人女性一號(hào)（VCH—F1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集研究報(bào)告［J］.第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（3）：196-200.

［4］夏金輝，韓紅，李瀟寒，等.生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建設(shè)的幾點(diǎn)體會(huì)［J］.西北醫(yī)學(xué)教育，2008（1）：109-110.

［5］陳國(guó)輝，羅一鳴，李潔，等.工科大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.化工高等教育，2008（6）：14-16.

［6］宋明芝，范傳剛，解勝利，等.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.廣東化工，2012（2）：227-228.

［7］沈亦紅.論物理虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)作用［J］.中國(guó)電化教育，2004（7）：42-44.

（*通訊作者：蘇春梅）

G40-03

B

1671-1246（2016）22-0085-03

首都醫(yī)科大學(xué)科研基金項(xiàng)目（2015JS25）