虚拟实验系统开发及其前景展望

随着网络应用技术的不断发展,目前各类化学实验室正逐步采用大量的计算机最新技术,使化学实验室的自动化、集约化和网络化程度越来越高,这大大提高了实验工作效率和水平。[1]网络化条件下如何确保实验教学质量随着硬件质量的提高而提高,成为摆在实验教学工作者面前的一道重要课题。[2]华东理工大学化学实验教学中心通过对实验室硬件的逐步改造和实验教学软件的建设,[3]目前已在物理化学实验教学中初步形成了实验前预习、实验中帮助、实验后测试等三个环节环环相扣的实验教学质量保证体系。[4]在该体系中起关键作用的是在线仿真物理化学虚拟实验系统,以该系统为各环节的纽带,实现了一体化的教学质量保证。

一、虚拟实验系统在网络化条件下教学质量控制体系中的作用

网络化条件下物理化学实验教学质量保证体系重点在于实验前预习、实验中帮助、实验后测试等三个环节环环相扣,而在线仿真物理化学虚拟实验系统在这三个环节中都起到了关键作用。

(一)实验前预习环节

实验前的预习要求学生明确实验目的和要求,比较透彻地理解实验所依据的基本原理和方法,明确实验所要测定的数据及操作步骤。实践证明,实验前的预习是否充分,不仅直接影响实验效果,而且关系到实验能否正常进行。目前,实验教学普遍所采用的预习环节主要是让学生写预习报告。由于学生无法见到装置实物,仅仅依靠教材的描述或示意图再加上点想象根本无法做到“理解透彻”,因此单纯纸上谈兵的预习报告往往流于形式,有的学生甚至完全抄书,应付了事。为了改变这种现状,我们在研制在线仿真物理化学虚拟实验系统时就充分考虑了学生预习的需要。在这个系统中,首先展现的是实验相关的背景知识,然后展开完整的实验原理和方法的讲解;课本上抽象的示意图被装置实物照片或3D模拟图所代替,而整个实验过程的全程录像则给了学生一个最直观的印象。为了加深这种印象,接下来学生可以在由三维动画所展现的虚拟实验室中进行虚拟的操作,得到身临其境的感受。图1和图2以《可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限测定》实验为例,[5]展示了虚拟实验系统的界面。

(二)实验中帮助环节目前,各校的实验室越建越大,装置设备台套数亦成倍增加。譬如,我校所有物理化学实验室使用面积都超过170 m2,每种实验装置常设32套,每次实验容纳32名学生单人单组进行实验,而指导教师只有1至2名,这样就对实验过程中如何为学生实验过程提供有效的帮助提出了更高的要求。因此,实验室在设计多媒体系统时,每间实验室都配备了多媒体讲台控制主机,同时也配备与实验中心机房连通的计算机,学生在实验过程中有疑惑可随时通过这些设备在线访问虚拟实验系统,每一个实验细节都可以得到详细的帮助信息。

(三)实验后测试环节有了实验前预习、实验中监控,并不是说可以高枕无忧了,学生实验的效果还有待检验,因此还必须有实验后测试环节。这个测试可以说是前两个环节的反馈,也是整个实验教学质量保证体系的出口。把好了出口关,才能最终把好质量关。因此,虚拟实验还设计了实验后测试环节。学生实验结束后,须独立到前述实验室配备的计算机上登陆虚拟实验系统,在规定的时间内回答从题库随机抽出的测试题,当场计分,并由系统自动记录,按一定比例计入实验最后总成绩中。这个环节可以检验学生通过实验,是否真正掌握了这个实验的相关知识,是否有进一步的思考。因此,强调当场、独立完成是这个环节的关键。图3即实验后测试界面。

二、在线仿真虚拟实验系统的开发

在线仿真虚拟实验系统整个开发过程的指导思想就是面向学生,服务于实验教学各环节。因此目标很明确,整个的系统结构也是按照上述各实验环节来开发的。下面还是以“可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限测定”实验为例,介绍整个系统的开发过程。

(一)实验内容介绍

可燃气-氧气-氮气三元系爆炸极限测定如图4所示。测定过程的关键是通过一定的配气程序,取得在一定空间内组分已知的可燃气与氧气和其他气体的混合气,然后进行当量可控的爆炸试验,通过一系列的不同组分混合气的爆炸试验取得的数据进行分析,即可得到爆炸极限结果。[5]该装置的具体操作步骤为:

1.系统抽空:打开真空泵,关闭安全瓶通大气活塞。打开连接真空泵的两个活塞,将管路、爆炸室等抽空,使数字式压差仪示数达到最大。

2.配气:关闭连接真空泵的两个活塞,将控制丙酮蒸气(或样品气)活塞打开,其含量用活塞控制,由压差仪的读数测出分压。关闭样品瓶活塞和爆炸室、取样室活塞,打开连接真空泵的两个活塞,将管路中样品气抽空。再关闭连接真空泵的两个活塞,打开通大气活塞,使压差仪示数归零。快速开关爆炸室、取样室活塞,使爆炸室、取样室内总压控制为等于大气压,以减少漏气的可能。

3.点火起爆和取样分析:需等待几分钟,让混合气在爆炸室和取样室内充分混和,用高频电火花点火,观察是否爆炸。爆炸时爆炸室上盖的层压板会被气浪掀起。用取样注射器从取样室内取样,采用气相色谱分析。

4.确定爆炸极限:改变丙酮蒸气(样品气)和氮气、氧气的组成比例,观察是否爆炸。当样品气分压改变1 mmHg,混合气即由爆炸转变为不爆炸,此爆炸点即为爆炸极限。5.结束实验:将系统抽空,打开关闭安全瓶通大气活塞,关闭真空泵。

6.数据处理:将实验数据填入表格,首先计算丙酮蒸气在空气中的爆炸上限和下限。然后根据丙酮蒸气在不同氧、氮混合气中的爆炸极限作出丙酮蒸气、氧气、氮气三元系的爆炸三元组成图。

(二)虚拟实验模块设计

整个虚拟实验分为以下几个模块:

1.实验指导:包括(1)实验背景和目的;(2)实验原理;(3)实验设备;(4)实验装置;(5)实验操作步骤;(6)实验注意事项。

2.实验演示:包括该实验完整的教学视频。

3.仿真虚拟操作:(1)以高仿真虚拟实验操作为主,减少演示类动画;(2)充分考虑实验的非线性,包容错误操作,学生出现误操作,系统通过提示方式,指出实验错误;(3)实验数据来源于学生实际虚拟操作,数据处理过程可在确认的数据基础上由系统自动完成。

4.在线实验报告:(1)实验结果,教师根据实验数据处理结果判定学员得分,占总分30%;(2)实验后测试题,安排一定量的选择题作为题库,学生测试时由系统随机从题库抽取10道,并打乱选择支的次序,学生回答后系统自动评分,占总分20%。(3)根据虚拟实验操作记录,由教师对学生实验过程进行评分,占总分50%。

(三)虚拟实验操作的流程设计

为了实现整个虚拟实验操作的高度仿真,虚拟实验操作的流程设计就必须是非线性的,也就是说不对学生的虚拟操作设定太多的条条框框,整个系统都是开放性的,学生的正确操作与否可能产生的结果,我们都必须事先考虑到,这样在学生进行操作时系统才有可能作出适当的反馈,以体现操作的仿真性。图5为流程设计图,具体流程为:

1.学生进入系统时,系统在后台自动生成可燃气体的爆炸临界值,在后续操作中系统以此值为基准,判断学生操作所得混合气体是否在爆炸区间内。

2.使用不同颜色区分各种不同气体,覆盖在气体可充满区域(空气-蓝色,氧气-红色,氮气-绿色,可燃气体-紫色)。混合气体区域则根据学生操作所得各组分的比例进行调色后显示。

3.假设真空泵开启后,直到实验结束才会关闭。如中途学生关闭,则给出提示:“实验中,真空泵应常开。确认关闭吗?”如学生选择关闭则实验强制结束。

4.学生的每个操作后,系统对该操作可能带来管路和各容器中气体比例的变化进行评估,同时对气体显示颜色作出调整。对于关键的几处操作,系统还需对学生的操作进行实时监控,如放入气体的活塞打开时间的长短,根据时间长短需判断气体流量大小,进而计算该操作对混合气体比例的影响。

5.学生选择点火试爆后,系统根据当时爆炸室内混合气体的比例判断是否爆炸。如爆炸,当量是大还是小?根据不同情况要给出火焰、声音、爆炸动作等程度不同的爆炸现象反馈。如不爆炸,则给出提示:“未爆炸”。无论爆炸与否,系统都会弹出对话框:“是否记录下该组数据?”若学生选择记录,则该组数据会录入在线实验报告数据处理栏目中。

三、展望

我们以在线仿真物理化学虚拟实验系统为纽带,以实验前预习、实验中帮助、实验后测试三个环节为抓手,在提高物理化学实验教学质量方面进行了有益的探索,取得了较好的效果。今后,我们关注的重点也要逐步由硬件的建设转换到软件的建设上。比如说,预习思考题和实验后测试题如何能做到千方百计地诱导学生思考实验相关的问题?以问题为线索,能不能充分培养学生的思维和参与性,把学生的积极性放大到最高限度?又比如,在线仿真物理化学虚拟实验课件能不能做到“少而精,博而通”,[6]在有限的时间内给学生以最大的帮助和启迪?这些都是我们今后要进一步努力的方向。