美国霜堡州立大学远程化学实验室及实验案例介绍

摘要：介绍了美国霜堡州立大学一个基于Web的远程化学实验室的构成及案例，并分析其特点，由此阐述远程化学实验室的建立对教育平等、实验室资源共享及实验安全方面的积极意义。

关键词：远程化学实验室；Web; 教育平等；资源共享；实验安全

文章编号：1005－6629(2008)10－0047－02中图分类号：G63

化学是以实验为基础的学科，为了增加学生在传统实验室以外的实验操作机会，目前采用得最多的就是仿真（虚拟）实验[1]的方式，让学生通过仿真的药品、仪器进行化学实验操作，这类仿真（虚拟）实验既有单机版、也有网络版，一定程度上可帮助提高学生的实验操作能力。然而，虚拟的毕竟不是真实的，有研究表明，学生对虚拟现象的信任程度并不高。因此，美国霜堡州立大学[2]构建起一个能控制真实仪器的远程化学实验室供学生实验学习之用。

1远程化学实验室的构成

该远程化学实验室由硬件和软件两部分构成。

1.1硬件构成

构成整个远程化学实验室的硬件包括两大部分，一部分是现场被控制的、进行化学反应的实验仪器，视不同的实验案例而有所不同；另一部分是支撑整个远程化学实验室的服务器群，其中包括：（1）数据服务器，连接数据采集控制模块，主要负责数据采集、数据分析处理、历史数据存放； （2）视频服务器，与一个网络摄像头连接，拍摄实验现象的照片与视频；（3）Web服务器，负责提供网络连接服务，处理远程实验室用户的实验请求，见图1。

1.2软件构成

对不同的服务器使用了不同功能的程序，以使软硬件配合完成各种功能。（1）Labview程序：该程序在数据服务器中通过数据采集卡采集现场实验数据，同时还能控制现场仪器；（2）Unix操作系统：是Web服务器的操作系统，它具有技术成熟、可靠性高、网络和数据库功能强等特色；（3）Perl脚本程序，在Web服务器运行，负责从队列中提取数据并进行解释；（4）Macromedia Flash：在客户端通过Flash来呈现用户控制界面并提交实验运行请求。

2 远程化学实验案例

2.1实验内容及面向对象

该实验采用吸光光度法，测定化学反应（Fe3+与SCN-反应）速率，是一个主要面向大学化学专业以及高中化学成绩优秀的学生的反应动力学实验案例。

2.2实验原理与装置

Fe33++与SCN-发生配合反应（Fe3++SCN3-=[Fe(SCN)]2+），形成能吸收波长为455nm 蓝色光的血红色配合物。吸光光度法的定量依据――朗伯-比尔定律表明，在一定的液层厚度下，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比。根据此定律，通过测定配合物溶液对特定波长光的吸收程度便可计算其浓度。同时，化学反应速率可由单位时间内生成物浓度的增加来表示，据此实验原理，该实验案例采用了如下的现场实验装置，见图2。

从图1和图2可知，反应物溶液在空气调节罐的压力调节下从试剂瓶进入一个T形室，反应物溶液在1ms内完全充分混合；混合后，溶液沿着一条直径为2mm的长毛细管流动。经由单色器出来的入射光分别在距离相等的位置通过长毛细管，管上七个高灵敏度的光传感器分别测定溶液的吸光度，以计算每个位置配合物的浓度，从而得出产物浓度的变化；然后利用一个流速传感器测得溶液流经毛细管的速率，并结合各个相邻的光传感器相隔的固定距离计算出反应时间，由此得出该反应的反应速率。

2.3 实验流程

在客户端的学生通过计算机中标准的Web浏览器便可获得该实验的控制界面。当学生使用控制面板递交一个运行请求，后端的Perl脚本就会分类并处理请求，将其写入数据服务器“将要进行的队列”当中，如果前面没有等待的队列，实验在数秒内进行；反之，实验请求会被合理调度、智能安排。实验控制界面在客户端浏览器再现了位于远端实验的真实情形，通过网络摄像头，实验者能即时看到自己的操作所引起实验现象的变化，同时还会得到丰富的实验数据。在实验过程中，学生一旦遇到问题，还可以利用控制面板上的应急按钮，触发一个与实验室管理员的网络会议，或者向其发送Email进行交流。当实验完成后，该实验系统会自动进行清洗，为下一次实验做准备。

3远程化学实验室的特点

因该新型的化学实验室是在计算机及网络技术的基础上构建起来的，与传统的实验室有很大的区别，并具有以下一些特点：

（1）图像化界面(GUI)： 利用图像化来增加界面的友好性、易用性，方便了学生与实验内容的交互，使得学生不需要花太多时间去学习远程实验的控制。图3为本实验案例的图像化界面Flash演示图。

（2）现场感（Being there）： 远程化学实验中，学生无法触摸到实验仪器，很容易导致距离感。为此，该实验室采用网络摄像头拍摄现场实验的照片和视频，并即时将其传递给实验者，以充分的视觉感受补偿触觉感受上的缺失，尽量使得学生如亲临其境、亲手操作。

（3）数据采集（Data acquisition）：传统的实验方式是由实验者人工采集数据，而此远程化学实验室采用传感器与数据采集卡配合进行实验数据的自动采集，提高了实验数据的准确度与精确度。

（4）不受时空限制（Anytime & Anywhere）：学生可在任何时候、任何具有基本的计算机和网络条件的地方进行实验，不再受传统实验室的时间与地点限制。

4 远程化学实验室建设的意义

由于远程化学实验室特有的优越性，它的出现对教育平等、实验室资源共享及实验安全方面都有着的积极意义。

（1）促进教育平等，提供均等的教育机会。远程实验室的建设为学生提供均等的实验机会开辟了一个良好的途径：无论是城市还是农村、重点学校还是一般学校的学生都能通过基本的网络条件及计算机设备进入远程实验室，进行实验操作、掌握实验技能。对于身体有障碍而无法进入传统实验室的学生同样能够通过应用适当帮助技术的计算机进行实验操作。在许多国家，为身体有障碍的学生提供学习机会也已经成为法律的要求，远程实验室的出现正好迎合了这个发展趋势。

（2）突破时空限制，促进资源的有效共享。针对普遍存在实验经费不足的问题，远程实验室能减少不必要的重复投入，实现实验室资源的充分利用和教育资源的共享。例如现行的高中新课程标准鼓励让学生认识现代化先进仪器，但普通中学的实验设备条件根本无法满足这个需要；另一方面，目前许多科研院所及专门机构，都有良好的设备资源，通过远程的实验控制就可以低成本的方式轻松解决这个矛盾，实现该课程内容目标。

（3）实现危险实验的远距离控制，确保人员及环境的安全。化学研究无可避免需要进行一些有害、有毒、污染环境和破坏性的危险实验，这些实验都不宜人员近距离及在开放式的环境中操作。这种分布式的实验室环境可实现危险实验的远距离控制，将实验操作人员与危险药品、危险反应隔离，保护其安全；另一方面，将带有污染性和破坏性的实验控制在一个密闭无人环境里，保证实验空间以外的环境安全。

国外的远程化学实验室建设的成功经验，为我国的远程化学实验教学提供了新的思路，相信在不久的将来，我们将通过自主创新，建立起具有中国特色的新型远程化学实验室。

参考文献:

[1] 冷松.“仿真化学实验室”软件简介及应用示例[J].化学教学.2006, (11):33-35.

[2] Senese Frederick A, Bender Christopher, Kile Jennifer. The Internet Chemistry Set: Web-based Remote Laboratories for Distance Education in Chemistry[[EB/OL].imej.wfu.edu/articles/2000/2/06/index.asp. 2008-4-16.