無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用與探索

時(shí)愛菊，張 坤，牟少敏

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山東 泰安 271000;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271000)

隨著高等教育的發(fā)展和高?？萍紕?chuàng)新能力的提升，國(guó)家對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入不斷加大，高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)科研活動(dòng)更加頻繁。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、理論分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)成為人類探索客觀世界規(guī)律的三大手段，尤其是在教育領(lǐng)域起到了積極的促進(jìn)作用，教育信息化建設(shè)受到世界各國(guó)的高度重視。近年來，教育部加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)，連續(xù)印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》、《教育信息化十三五規(guī)劃 》和《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》等文件，強(qiáng)調(diào)開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，明確了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與現(xiàn)代信息技術(shù)要深度融合，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足和局限，有效拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是一種基于Web、VR虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和多感知性,模擬傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),真實(shí)生動(dòng)地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和現(xiàn)象,對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、提高實(shí)驗(yàn)效率、避免人身傷害和節(jié)約費(fèi)用等方面有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段不可比擬的優(yōu)勢(shì)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，使我們的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)過程綠色化、實(shí)驗(yàn)手段現(xiàn)代化和實(shí)驗(yàn)結(jié)論科學(xué)化。

1 無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究的意義

1.1 消除實(shí)驗(yàn)過程中的安全隱患

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是為化學(xué)專業(yè)大學(xué)一年級(jí)新生開設(shè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，所用試劑種類繁多且具有易燃、易爆、毒性、感染性、腐蝕性等特點(diǎn)，近年來高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室頻發(fā)安全事故，也從一個(gè)方面說明了傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)本身的危險(xiǎn)性。大學(xué)一年級(jí)新生理論知識(shí)薄弱、所受訓(xùn)練較少，面對(duì)危險(xiǎn)性項(xiàng)目時(shí)更容易受到傷害，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合，能夠使學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)操作流程，掌握必要的理論知識(shí)和操作技能，從而提高實(shí)踐動(dòng)手能力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，并能夠有效消除學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的安全隱患。

1.2 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程綠色化

根據(jù)國(guó)家法律規(guī)定，按照環(huán)保要求，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然能做到廢水、廢液和廢渣的分類收集、集中存放和統(tǒng)一上交處理，但是在實(shí)驗(yàn)過程中難免有少量低毒性的廢物排出室外或者下水系統(tǒng)，這種難以避免的排放由化學(xué)實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)決定，量雖然小，但是日積月累起來，對(duì)環(huán)境的污染也不容忽視。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，減少開設(shè)污染性大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將其通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，最大限度地降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的污染，在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生良好的環(huán)保意識(shí)，貫徹實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的綠色化。

1.3 提高實(shí)驗(yàn)效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要求學(xué)生做好預(yù)習(xí)再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，但是在工作中發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生只是簡(jiǎn)單看一遍實(shí)驗(yàn)課本，抄寫一份預(yù)習(xí)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)并沒有深入的理解和探討，這樣粗略的預(yù)習(xí)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能作用不大。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改變了學(xué)生獲取知識(shí)的方式，知識(shí)以更直觀生動(dòng)、高質(zhì)有效的方式傳遞給學(xué)生，課本里枯燥的內(nèi)容逐步從紙上演進(jìn)到3D視覺呈現(xiàn)和操作，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和提高學(xué)習(xí)效率有很好的促進(jìn)作用。

2019-2020年武漢新型冠狀病毒肆虐，隨著春運(yùn)，各地新型冠狀病毒引起的肺炎病例不斷增加，全國(guó)進(jìn)入緊張的抗擊疫情狀態(tài)。為了阻斷病毒的傳播，大家以家庭為單位自我隔離，全國(guó)高校面臨無法按時(shí)開學(xué)的困境。在教育部門停課不停學(xué)的要求和技術(shù)指導(dǎo)下，我們無機(jī)化學(xué)的理論課利用網(wǎng)絡(luò)資源開展直播教學(xué)模式，但是對(duì)于無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得無能為力，只能等待開學(xué)后集中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以極大降低突發(fā)狀況對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，建立無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，通過信息化手段結(jié)合無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，打造富有科技感的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，既豐富了教學(xué)模式，又推進(jìn)了教學(xué)資源共享化和教育信息數(shù)字化。

2 國(guó)內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究及應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)教學(xué)效果的促進(jìn)作用已經(jīng)獲得國(guó)內(nèi)外的廣泛認(rèn)可，很多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作并取得了理想的應(yīng)用效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)正在作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的有益補(bǔ)充，在教育過程中發(fā)揮著它獨(dú)特的效用。在美國(guó)，斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等頂尖院校都已布局虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，并逐步推廣。從電氣、機(jī)械、臨床醫(yī)學(xué)等動(dòng)手能力要求較強(qiáng)的專業(yè)，再到供應(yīng)鏈管理、金融投資、計(jì)算機(jī)編程等實(shí)訓(xùn)需求較大的專業(yè)，目前都有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用。斯坦福大學(xué)商學(xué)院的金融投資虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供了一套廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，供投資銀行、基金管理、對(duì)沖基金相關(guān)實(shí)訓(xùn)使用。學(xué)生將使用虛擬訓(xùn)練程序，將應(yīng)用案例研究和動(dòng)手練習(xí)結(jié)合使用，以幫助他們通過實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)掌握財(cái)務(wù)、會(huì)計(jì)、投資管理等相關(guān)的知識(shí)。加州大學(xué)伯克利分校將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)用于信息物理系統(tǒng)教學(xué)和評(píng)測(cè)，學(xué)生將真實(shí)機(jī)器人仿真、使用編程方法進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試硬件控制等操作，在無需訪問物理實(shí)驗(yàn)室或任何特定的NI硬件的情況下在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)(MOOC)上操作。90%以上使用過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生評(píng)價(jià)，他們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的操作通過的解決方案，只需很少或完全無需任何代碼修改就可以用在實(shí)際設(shè)備上，這也充分表明了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)替代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的良好選擇。

我國(guó)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)越來越受到重視，截至2016年，教育部建設(shè)了100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，2018年教育部公布了首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目105個(gè)，其中化學(xué)類11個(gè)。國(guó)內(nèi)很多高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在機(jī)械、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)、電子信息等專業(yè)都廣泛的使用。上海交通大學(xué)的復(fù)雜小兒先心病模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)和3D打印技術(shù)，可以實(shí)時(shí)再現(xiàn)先心病解剖結(jié)構(gòu)及手術(shù)場(chǎng)景，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，降低了收集實(shí)驗(yàn)樣本的難度，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，讓原來做不了的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成為現(xiàn)實(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托網(wǎng)絡(luò)信息開放共享平臺(tái)建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，教學(xué)中心設(shè)計(jì)開發(fā)了高?；驑O端條件下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，拓寬了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。山東大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京師范大學(xué)等高校也建設(shè)了不同學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。

3 無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路

由于各個(gè)學(xué)校學(xué)科課程的重點(diǎn)和傾向性不同，雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了這么多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，各高校開課使用時(shí)，資源仍然是缺乏的。我們結(jié)合化學(xué)專業(yè)和無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，研究探索適合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，更好的為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。

3.1 應(yīng)用Web和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)前期，首先對(duì)無機(jī)化學(xué)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的梳理、分析和數(shù)據(jù)采集，借鑒實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，從有助于學(xué)生鞏固理論知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)技能和培養(yǎng)科研素質(zhì)等方面入手，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化。

無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)分為模型建立、制作交互文檔、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布三個(gè)階段。每一階段層層遞進(jìn)，逐步優(yōu)化，最終呈現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的虛擬效果。

利用VRML、ActiveX、JAVA、QTVR、Flash等技術(shù)，分析無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)步驟劃分到虛擬仿真無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)功能模塊中完成,同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及開發(fā)過程的需要?jiǎng)澐值骄唧w的VRML場(chǎng)景。按照實(shí)驗(yàn)儀器或試劑的特征建立三維模型并進(jìn)行優(yōu)化。在VRML創(chuàng)作工具軟件中導(dǎo)入模型并對(duì)VRML場(chǎng)景進(jìn)行美化修飾。按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分析結(jié)果，在場(chǎng)景中添加交互功能。最后實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致并生成最終作品。

3.2 理論依據(jù)及主要技術(shù)支持

虛擬仿真無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建主要應(yīng)用以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，獲取無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)。三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，關(guān)鍵在于“實(shí)時(shí)”生成。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確度有一定的要求，氣體生成時(shí)間、燃燒持續(xù)時(shí)間等是較為重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此為保證實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。

立體顯示和傳感器技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，理想中的實(shí)驗(yàn)效果要求較高，現(xiàn)有的設(shè)備不能滿足需要，力學(xué)和觸覺傳感裝置的研究也有待進(jìn)一步深入，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待于進(jìn)一步的提高。

系統(tǒng)集成技術(shù)。為了確保虛擬仿真無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的質(zhì)量，虛擬效果尤為重要。VR系統(tǒng)中要包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別與合成技術(shù)。

虛擬仿真無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)容量無限和實(shí)驗(yàn)的零損耗。學(xué)生在網(wǎng)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，人數(shù)不受限制，減輕了實(shí)驗(yàn)室管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)，減少了現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)中化學(xué)藥品損耗，降低了化學(xué)藥品的污染，有利于環(huán)保。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Web和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建無機(jī)化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生提供虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、試劑等因素的制約,打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的限制，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了有益的補(bǔ)充。將一些劇毒性、破壞性、綜合性和研究性的實(shí)驗(yàn)在虛擬的環(huán)境中完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)模擬，使學(xué)生能夠直觀的模擬并學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在對(duì)環(huán)境零污染，并保證學(xué)生安全的前提下，讓學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到更多的實(shí)驗(yàn)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和科研創(chuàng)新能力。從教育與科技結(jié)合的趨勢(shì)，以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的發(fā)展情況來分析，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身的發(fā)展瓶頸，拓寬了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)的深度和廣度，有利于學(xué)生動(dòng)手能力和探索分析能力的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室將會(huì)成為未來教學(xué)中的重要一環(huán)，用更新的教育方式與教育理念，培養(yǎng)出更適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的人才。