分析化學虛擬仿真實驗的研制及應用

韋壽蓮，潘嘉賢，余漢昭

（肇慶學院 化學化工學院，廣東 肇慶 526061）

分析化學是發(fā)展和應用各種方法、儀器及策略以獲得有關(guān)物質(zhì)在空間與時間方面的組成及性質(zhì)的一門科學.分析化學實驗融容量分析、儀器分析等有關(guān)實驗教學為一體，具有合成分析、藥物分析、質(zhì)量控制檢測、創(chuàng)意研究等多項功能，它能使學生通過“基本技能訓練—綜合實驗—設計研究型實驗”等多層次的教學實踐，強化創(chuàng)新意識，提高綜合分析問題的能力.

近年來，通識教育在高等院校越來越受到重視.通識教育的課程選擇需要體現(xiàn)學科發(fā)展的相互交叉、滲透和綜合，關(guān)注科學、技術(shù)與社會的密切聯(lián)系，強化人文、社會、理工、信息和管理科學的相互促進[1].為了適應社會發(fā)展，肇慶學院也在開展“通識教育”實踐，縮減了大部分專業(yè)基礎課和實驗課的課時.實驗課時的壓縮，使學生的實踐機會減少，不利于學生專業(yè)技能的提高和強化，也不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).而擴招使學生人數(shù)逐年增加，給實驗室?guī)砹司薮蟮膲毫?，導致學生的實驗參與度急劇下降，教師也難以對每位學生進行一對一的指導.當今社會對專業(yè)人才的各方面要求越來越高，就業(yè)形勢越來越嚴峻，因此，改變傳統(tǒng)的實驗教學方法，引入現(xiàn)代化的教學手段進行輔助教學勢在必行.

仿真實驗是計算機技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物，是利用計算機創(chuàng)建一個可視化的實驗操作環(huán)境，通過提供簡單通用的交互界面,準確地計算并模擬實際實驗狀態(tài)和儀器操作狀態(tài),能正確地分析判斷用戶的操作流程,具有仿真性、交互性和實效性[2].學生通過對仿真實驗系統(tǒng)的反復多次模擬操作，可以加深對實驗原理及操作步驟的理解，還可節(jié)省大量時間進行綜合性、設計性、探究性的實驗.這為學生綜合能力、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了保障，對于解決通識教育帶來的課時縮減和社會對人才需求的矛盾也有著重要的意義.

1 仿真實驗的制作

1.1 設計思路

常用的仿真實驗制作技術(shù)有JAVA技術(shù)、VRML技術(shù)以及Flash技術(shù)等.JAVA技術(shù)和VRML技術(shù)需要有較高的網(wǎng)絡編程知識，入門難且制作難度大，而Flash技術(shù)入門較容易，開發(fā)難度較低，開發(fā)周期短，所以很多院校都采用Flash技術(shù)進行仿真實驗的制作.例如：中山大學的分析化學精品課程[3]和大連理工大學建成的分析化學仿真實驗[4]就都采用了Flash技術(shù).中山大學建成的仿真分析化學實驗側(cè)重于背景知識的介紹，實驗原理不夠突出，在實驗基本操作中沒有演示出具體操作的手勢；大連理工大學的分析化學仿真實驗開發(fā)得較早，演示滴定過程時只有幾個簡單的滴定畫面.為了彌補上述不足，有必要對現(xiàn)有的分析化學仿真實驗進行改進，或者研發(fā)出更適合新建本科院校學生使用的仿真實驗.

滴定分析包括酸堿滴定、絡合滴定、氧化還原滴定等，它們的實驗原理不同，但基本操作相同.滴定分析中各種滴定分析法的實驗原理雖不同，但都是以滴定反應的計量關(guān)系為基礎的.絡合滴定法的實驗原理是所有滴定分析方法中最難掌握的，如果學生真正掌握了其實驗原理，就可以舉一反三，理解、掌握其他滴定分析的實驗原理.鑒于此，我們確定采用Macromedia公司的Flash8研制“絡合滴定法”分析化學仿真實驗，通過Flash動畫突出絡合滴定法的難點（原理）和重點（滴定分析基本操作）.

1.2 制作

制作仿真實驗通常要遵循科學性原則、直觀性原則以及交互性原則[5]，還要有一定的藝術(shù)欣賞價值，以激發(fā)學生的學習興趣.根據(jù)仿真實驗的設計原則，在參考中山大學分析化學精品課程虛擬實驗室制作的基礎上，為了使制作出的“絡合滴定法”仿真實驗能很好地解決目前分析化學仿真實驗中存在的問題，同時能很好地突出絡合滴定法的難點（原理）和重點（滴定分析基本操作），我們將“絡合滴定法”仿真實驗制作分為實驗原理、實驗操作、實驗演示、實驗儀器和試劑、數(shù)據(jù)處理、思考與討論6個部分，并按圖1所示流程進行制作.

在制作過程中，以實驗原理為主線突出實驗的難點.實驗框架設計、素材采集與處理、動畫制作、數(shù)據(jù)庫建設等步驟均圍繞實驗原理進行.具體制作過程如下：

1）實驗原理.絡合滴定法，又稱配位滴定法，是以配位反應為基礎的一種滴定分析方法.

實驗條件：以絡黑T（EBT）為指示劑，在pH值≈10的氨性緩沖溶液中.

圖1 “絡合滴定法”仿真實驗制作流程圖

滴定前：Mg＋EBT＝Mg－EBT.

滴定中：Ca＋Y＝CaY，Mg＋Y＝MgY.

終點時：Mg－EBT＋Y＝MgY＋EBT.

由于實驗原理是絡合滴定法的難點，結(jié)合學生的認知程度，我們編寫了上述簡明的實驗原理并通過Flash中的遮罩層來實現(xiàn).遮罩層是Flash中一個非常特殊的層.如果在某一層建立遮罩層時，它下面的一層就會自動變成被遮罩層，或者建立圖層后將需要遮罩的圖層進行設置.遮罩層的圖形可畫成任意形狀，該形狀就是一個“視窗”.Flash播放時，被遮罩層上的對象就通過這個“視窗”顯示出來，而“視窗”之外的對象將不會顯示出來.實驗原理的內(nèi)容運用了遮罩層，通過遮罩層顯示出來的實驗原理更突出、更清晰、更有條理性，也更便于學生理解和掌握.

2）實驗操作.滴定分析實驗都涉及到溶液配制的計算問題，因此，制作時加入了輸入文本，要求實驗者在溶液配制時計算并錄入配制一定濃度溶液所需稱取試劑的質(zhì)量，然后，才能進行下一步實驗操作.為避免有些學生因為計算錯誤或不會計算試劑質(zhì)量而無法進行下一步實驗，在制作中采取以下措施：錄入3次錯誤數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會自動給出正確答案或相關(guān)提示.輸入文本框的基本源程序結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 輸入文本框的基本源程序結(jié)構(gòu)圖

每次數(shù)據(jù)錄入可通過3幀腳本控制來實現(xiàn)，每幀中具有相同的實驗內(nèi)容：一個按鈕、一個動態(tài)文本框.首尾幀賦予動作語句“stop();”，中間幀的腳本語言（ActionScript）如下：

if(t1＞0.120)＆＆ (t1＜0.130)｛gotoAnd－Stop(3150);｝//輸入數(shù)值在0.120至0.130之間，播放畫面跳轉(zhuǎn)到3 150幀的畫面.else｛gotoAndStop(3143)｝;//若輸入數(shù)值不在0.120至0.130之間，播放畫面則跳轉(zhuǎn)到3 143幀的畫面.

本仿真實驗只允許學生在圖2中虛線框內(nèi)最多錄入3次錯誤的數(shù)據(jù).如果學生3次錄入的數(shù)據(jù)均錯誤，畫面會立即轉(zhuǎn)到圖2中的3 142至3 150幀，此時會給出提示或正確答案，使學生能進行下一步操作.

在實驗操作中，重點制作了滴定操作的過程，突出快滴、慢滴和半滴的操作.通過示例按鈕同步顯示正確的操作手勢，如拿錐形瓶的手勢（圖3）和控制滴定管開關(guān)的手勢（圖4）等；同時，同步顯示已滴入標準溶液的體積及相應指示劑顏色的變化，如圖3、圖4所示：

當點擊“錐形瓶手勢”按鈕或“開關(guān)手勢”按鈕時，會分別進入圖3、圖4的畫面，展示“拿錐形瓶的手勢”或“旋開關(guān)的手勢”的圖片會以從小變大的效果顯示出來.

3）數(shù)據(jù)處理.為了體現(xiàn)實驗的完整性及數(shù)據(jù)處理在實驗中的應用，我們在仿真實驗制作中增加了“數(shù)據(jù)處理”功能.數(shù)據(jù)處理部分以表格的形式顯示，表中對如何正確記錄數(shù)據(jù)（注意有效數(shù)字）、如何計算和表達實驗結(jié)果、如何評價實驗的好壞等均有提示，條理性強，便于學生模仿、學習和掌握.

與其他院校的仿真實驗相比，我們制作完成的“絡合滴定法”仿真實驗解決了在進行分析化學仿真實驗的文本輸入時，由于輸入了錯誤的實驗數(shù)據(jù)而無法進入下一步的問題，并突出了“絡合滴定法”仿真實驗的重點和難點，因而更適合新建本科院校的學生使用.

目前，我們制作的仿真實驗已上傳至“肇慶學院——分析化學精品課程”網(wǎng)站上，網(wǎng)址為http:// 210.38.176.58/ec2006/C81/zcr－1.htm.

圖3 滴定時握錐形瓶的手勢圖

圖4 控制滴定管開關(guān)的手勢圖

2 仿真實驗在教學中的應用

在2008級部分已做過“絡合滴定法”實驗的非師范生和未做過“絡合滴定法”實驗的師范生中，我們將制作的仿真實驗應用于實驗教學.對于已做過“絡合滴定法”實驗的非師范生，在進行“絡合滴定法”仿真實驗前，先考查了其對實驗原理的掌握程度.考查發(fā)現(xiàn)他們對實驗原理比較模糊，多數(shù)學生未能完整寫出實驗原理.在進行“絡合滴定法”仿真實驗后，80%的學生掌握并加深了對原理的理解，提高了對分析化學實驗學習的興趣.學生們認為，仿真實驗圖、聲、文并茂，形象地展示了整個實驗過程，使實驗原理易于接受和理解.由于仿真實驗中每一步滴定操作都很清晰，因此，學生們反映對其實驗的規(guī)范性操作、實驗數(shù)據(jù)的正確記錄均有指導作用.對于未做過“絡合滴定法”實驗的師范生，進行“絡合滴定法”仿真實驗后，85%的學生對滴定實驗過程有了一定的認識，激發(fā)了他們的學習興趣——嘗試親自實踐.為此，我們安排他們進行了酸堿滴定實驗.實驗前啟發(fā)學生從“絡合滴定法”仿真實驗的原理對“酸堿滴定”的原理進行討論，使其深刻理解滴定分析法原理的本質(zhì).在進行酸堿滴定實驗的過程中，學生們模仿仿真實驗的滴定操作，操作基本能達到規(guī)范化，也能正確判斷滴定終點和正確記錄數(shù)據(jù).由此可見，制作的“絡合滴定法”仿真實驗對滴定分析實驗教學具有較好的輔助作用.

3 小結(jié)

以Flash軟件為開發(fā)平臺，利用Flash豐富的表現(xiàn)力，我們研制了“絡合滴定法”的flash仿真實驗.與目前一些研究型高等院?；蛑袊茖W院開發(fā)的仿真實驗相比，我們開發(fā)的仿真實驗原理清晰易懂，實驗過程中能同步顯示規(guī)范的實驗操作手勢，而且解決了數(shù)據(jù)輸入錯誤無法進入下一步實驗的問題，因而更適合新建本科院校學生學習和使用.

分析化學Flash仿真實驗的直觀性強，操作簡單且針對性強.將“絡合滴定法”仿真實驗應用于分析化學實驗教學，促進了學生綜合實驗能力的提高.

[1] 李平.地方普通高等學校通識教育課程設置研究——以內(nèi)蒙古自治區(qū)普通高等學校為例[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古師范大學,2008：15-16.

[2] 張冰.計算機仿真實驗的教學應用及發(fā)展前景[J].理工高教研究,2005,24(3):116-118.

[3] 中山大學化學化工學院.分析化學精品課程網(wǎng)站—教學資源—虛擬實驗室[EB/OL].廣州:中山大學,2008-06-18.http:// jpkc.sysu.edu.cn/second/fenxihuaxue/index.htm.

[4] 大連理工大學.分析化學虛擬實驗室[EB/OL].大連：大連理工大學,2008-06-18.http://202.118.73.170/analyticalchemistry/_ netware/html_lab/lab.htm.

[5] 張曉玲.基于FLASH技術(shù)的大學物理仿真實驗的研究[D].武漢：華中師范大學，2007:19-20.