基于互聯(lián)網(wǎng)+的分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

彭雪嬌， 林海祿

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

基于互聯(lián)網(wǎng)+的分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

彭雪嬌， 林海祿

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

從大學(xué)生的協(xié)同創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)著手，整合學(xué)校網(wǎng)絡(luò)信息化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源，構(gòu)建與實(shí)踐分析儀器仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室，探究互聯(lián)網(wǎng)+條件下大學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革模式。

互聯(lián)網(wǎng)+；分析儀器；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

彭雪嬌，林海祿.基于互聯(lián)網(wǎng)+的分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2016，35(4)：383-385.

Peng Xue-jiao, Lin Hai-lu.Construction of virtual simulation laboratory of analytical instruments based on internet plus[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2016，35(4)：383-385.

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中重要的一環(huán)，大學(xué)生唯有通過(guò)足夠的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，才能掌握實(shí)踐技能、“吃透”本學(xué)科理論基礎(chǔ)知識(shí)，并從中培養(yǎng)他們分析觀察和協(xié)調(diào)處理問(wèn)題的能力，進(jìn)而塑造其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和求真務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)[1]。因此，不斷強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，改革創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分必要。

近年來(lái)，連續(xù)擴(kuò)招使得高校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?fù)頂D、人均儀器臺(tái)套數(shù)下降，儀器設(shè)備陳舊的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀與價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的矛盾愈加顯現(xiàn)，大多數(shù)高校的教育經(jīng)費(fèi)無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷更新，造成很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能教師講授、學(xué)生觀摩。此外，由于學(xué)時(shí)受控，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也只能進(jìn)行理論驗(yàn)證和模仿，扼殺了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。因此，尋求有效途徑改革儀器分析課程的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，進(jìn)而推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革尤顯重要。

1 分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室受到越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外高校的青睞[2]。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)已應(yīng)用“沉浸式學(xué)習(xí)”、游戲軟件、智能手機(jī)等技術(shù)，科羅拉多大學(xué)運(yùn)行基于物理現(xiàn)象分析的“PhET交互式虛擬仿真軟件”，加州大學(xué)圣迭戈分校研發(fā)并應(yīng)用了“StarCAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”。

我國(guó)從2013年開(kāi)始進(jìn)行國(guó)家級(jí)高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的遴選工作，目前國(guó)內(nèi)很多著名高校都開(kāi)發(fā)了各類(lèi)虛擬仿真軟件和虛擬實(shí)驗(yàn)室。如：清華大學(xué)的“汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)”是通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)建的，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)極具特色的“虛擬土壤——作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”，復(fù)旦大學(xué)、大連理工大學(xué)等高校的虛擬儀器系統(tǒng)也都是自主開(kāi)發(fā)的[3]。這些虛擬仿真軟件和實(shí)驗(yàn)室的成功經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)高校虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的應(yīng)用和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的普及指明了前進(jìn)的方向，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特色

分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室結(jié)合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，可以在很大程度解決實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)少的問(wèn)題，學(xué)生不必?fù)?dān)心損壞儀器和存在安全隱患，從而大膽驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)想。 虛擬實(shí)驗(yàn)可以緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的不同步性，其對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，可強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作技能，使儀器相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平得到穩(wěn)步提高。同時(shí)，綠色化的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)設(shè)如滴汞電極實(shí)驗(yàn)等一些因污染而不易實(shí)施的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)+的分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享，解決多校區(qū)辦學(xué)中實(shí)驗(yàn)室的重復(fù)建設(shè)問(wèn)題。與之相輔相成的是，建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室所配套的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸、大數(shù)據(jù)處理和云計(jì)算等，極大促進(jìn)了高校的數(shù)字化和信息化建設(shè)[4,5]。

在分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)施上動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)其實(shí)踐操作能力、分析判斷能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)作能力和創(chuàng)新意識(shí)[6]。

3 分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室的總體設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)理工科院校化學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，優(yōu)化整合學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，合理分配實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。遵循現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，著眼于學(xué)生實(shí)踐技能的掌握、理論知識(shí)的理解和科研素質(zhì)的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論體系、視頻講解資源建設(shè)和虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用三個(gè)部分?；A(chǔ)理論體系包括課程體系、方法原理、儀器構(gòu)造、儀器操作及實(shí)驗(yàn)安全隱患和排除。通過(guò)教師示范講解實(shí)驗(yàn)視頻，用以規(guī)范學(xué)生操作，特別強(qiáng)調(diào)需注意的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作有清晰、完整的認(rèn)識(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室包括分析化學(xué)基本操作、氣相和液相色譜實(shí)驗(yàn)、原子吸收和原子發(fā)射光譜實(shí)驗(yàn)、傅里葉變換紅外光譜實(shí)驗(yàn)、質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)以及核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)等，均為沉浸式動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都分為實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)鞏固、安全注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)裝置剖析、實(shí)驗(yàn)步驟分解、仿真實(shí)驗(yàn)演示和沉浸模擬實(shí)驗(yàn)等幾部分，以真人動(dòng)畫(huà)仿真的形式組裝實(shí)驗(yàn)裝置，操作儀器進(jìn)行分析檢測(cè)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)供實(shí)驗(yàn)者判斷。逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景能夠強(qiáng)化學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，錘煉學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

3.2 構(gòu)建分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

分模塊制作虛擬實(shí)驗(yàn)室所需的文本資料、圖片素材和動(dòng)畫(huà)方案，以網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，生成沉浸式實(shí)驗(yàn)室模塊，拼接成各個(gè)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而鏈接為分析儀器虛擬平臺(tái)。具體地說(shuō)，主要采用網(wǎng)頁(yè)制作和MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)仿真儀器的操作流程；Apache 作為Web 服務(wù)器，可與客戶端進(jìn)行快速、安全的通信，PHP為編程語(yǔ)言生成動(dòng)態(tài)頁(yè)面，F(xiàn)ireworks 設(shè)計(jì)與優(yōu)化用戶界面[7,8]。在本地磁盤(pán)上用FrontPage和Dreamweaver軟件編輯網(wǎng)頁(yè)，創(chuàng)建站點(diǎn)上傳到學(xué)校服務(wù)器上，提供給師生使用[9]。并整合相關(guān)資源，功能性組建大型分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在使用過(guò)程中，根據(jù)信息反饋修改并完善虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.3 分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室所用軟件

虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建離不開(kāi)可視化圖像處理、視頻編輯和網(wǎng)頁(yè)編輯軟件，而互動(dòng)式、沉浸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求大數(shù)據(jù)流媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的制作主要基于Java、Flash、ActiveX、VRML、QuickTimeVR等幾類(lèi)技術(shù)[10]。而作為一種面向?qū)ο蟮哪_本語(yǔ)言，ActionScript動(dòng)作控制對(duì)象的特性特別適合建立前文所述的沉浸式、交互式分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室[11]，實(shí)時(shí)仿真可以通過(guò)和任何支持Socket 的語(yǔ)言進(jìn)行通訊的Socket 通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，盡管Flash的交互性并非十分強(qiáng)大，但通過(guò)結(jié)合3D Max建模仍可采用Flash 技術(shù)來(lái)共同構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)[12]。

3.4 建立分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室所需的相關(guān)課程教材、圖片動(dòng)畫(huà)素材、實(shí)驗(yàn)示范視頻、教師講稿教案等所有教學(xué)資源均上傳到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，該平臺(tái)基于寬松學(xué)習(xí)環(huán)境的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)，學(xué)生可用該系統(tǒng)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后自主復(fù)習(xí)。同時(shí)，學(xué)生、指導(dǎo)老師和家長(zhǎng)可以通過(guò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行跨越時(shí)空的學(xué)術(shù)交流和溝通，使得本科生能夠在自由、寬松的模式下學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)，家長(zhǎng)也能夠掌握孩子在學(xué)校的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)系統(tǒng)，教師可以實(shí)時(shí)分析學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)指出實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效率。

4 構(gòu)建分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室的意義

基于互聯(lián)網(wǎng)+的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，緊扣理工科高等院?；瘜W(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將現(xiàn)代多媒體技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)應(yīng)用在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)桎梏，創(chuàng)建虛擬仿真分析儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨越時(shí)空交流的實(shí)時(shí)在線教育模式。這種改革的教學(xué)模式，打破了理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)課的界限，將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)融為一體，在實(shí)踐中掌握理論，在運(yùn)用中磨礪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中真正地互動(dòng)及各種教學(xué)資源的有效利用，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建和推廣應(yīng)用將有力推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的深刻變革，是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必由之路。因此，充分利用學(xué)校和社會(huì)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源，極力促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化改革具有重要意義。

5 分析儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室展望

近年來(lái)，隨著智慧城市、數(shù)字化校園建設(shè)，全國(guó)各高校的有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本上都實(shí)現(xiàn)了校園無(wú)盲區(qū)。大學(xué)生無(wú)論是在圖書(shū)館、教室，還是宿舍、食堂，甚至樹(shù)林、草坪等處都可利用智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等設(shè)備很方便地連接校園寬帶網(wǎng)絡(luò)。2014年以來(lái)各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商推出的光網(wǎng)行動(dòng)和4G風(fēng)暴，更是為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室乃至掌上虛擬實(shí)驗(yàn)室的普及和發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

虛擬實(shí)驗(yàn)室能比現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)自主學(xué)習(xí)，可以獲取更多從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法想象的實(shí)驗(yàn)技能和知識(shí)。更應(yīng)指出的是，虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用沖破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的束縛，使實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)不再拘泥于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，在很大程度上解決了各高校由于擴(kuò)招出現(xiàn)的儀器設(shè)備購(gòu)置經(jīng)費(fèi)不夠、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足、實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)等許多問(wèn)題。

分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開(kāi)辟了新型、新穎、新奇的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，它的應(yīng)用從根本上改善了儀器實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)境，將學(xué)生引入了一個(gè)充滿奇趣的實(shí)驗(yàn)的世界，必然是未來(lái)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展方向。

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Construction of Virtual Simulation Laboratory of Analytical Instruments Based on Internet Plus

PENG Xue-jiao, LIN Hai-lu

(School of Chemistry，Biology and Material Science，East China UniversityofTechnology，Nanchang330013，China)

Starting with the training of college students’ collaborative innovative ability and comprehensive design ability and by integrating the school- network experimental training resources, the authors construct and practice virtual simulation laboratory of analytical instruments so as to explore practice teaching reform model of students’ autonomous learning, collaborative learning and inquiry-based learning under the background of internet plus.

Internet plus；analytical instruments；virtual simulation laboratory

2016-07-21

江西省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目，大型分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)踐研究(JXJG-15-6-16)。

彭雪嬌(1972—)，女，江西贛州人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事分析化學(xué)研究。

G642.423

A

1674-3512(2016)04-0383-03