物理化学虚拟仿真实验建设初探
阳艾利，刘征，肖燕琴，刘建福，林夏婧
（厦门理工学院环境科学与工程学院，福建 厦门）
摘 要： 为弥补传统实验所存在的缺陷，同时激发学生对物理化学实验的兴趣，以满足学生的求知欲和探索欲、培养学生创新精神和实践能力为出发点，厦门理工学院环境科学与工程学院协同福州十一维度（厦门）网络科技有限公司开展校企共建物理化学仿真实验项目。虚拟仿真实验的建设能够使相关学生和教师方便地开展线上与线下物理化学实验学习。
关键词： 物理化学；虚拟仿真；物理化学实验
我国高校学科教育中，物理化学的教育有着举足轻重的地位，越来越多的高校都设立了与物理化学相关的专业，如环境工程专业、金属材料专业、高分子材料专业等。然而，相当一部分院校，存在物理化学实验设备投资有限、大型设备相关的实验不容易实现、实验时间局限、实验的安全难以得到保障等一系列问题，导致很多物理化学实验课程不能很好的开展，无法达到想要的实验效果，不能激发学生的兴趣，满足学生的求知欲和探索欲，制约了学生创新精神和实践能力的培养[1]。如何解决传统实验教学的不足，是目前新工科建设、课程改革内容中讨论的一个热点。在对创新型实验建设的需求日益明确之际，虚拟仿真技术逐步迈入成熟期，基于虚拟现实的仿真实验教学的概念开始成为学校关注的重点。它在虚拟教学、虚拟实验、虚拟校园等方面的应用很广泛。近些年，网络教育迅速发展，特别是宽带技术在校园网大规模应用的今天，国内一些高校已经开始逐步推广和使用虚拟校园教学模式。
一 物理化学虚拟仿真实验建设内容
化学实验是一个大类的总称，它有很多分支，其中有一个重要分支就是物理化学实验，物理化学实验是一门理论与实际紧密结合的基础性实验课，其实验的内容与其它的化学实验相比，更侧重定量地解释化学过程，其实验需要运用各式各样的仪器设备，且实验涉及物理方面内容多，因此，要求学生了解甚至掌握有关仪器设备的操作，还要注重培养学生在遇到问题时处理问题的方法和思路[2]。为了补足传统实验的不足，加强环境工程专业等理工专业的实践教学，厦门理工学院环境科学与工程学院与十一维度（厦门）网络科技有限公司以现代信息技术为依托，以完整的物理化学实验的教学项目为基础，校企共建了一个具体的、系统的能够使相关学生和教师自由参与的线上虚拟仿真实验系统。该虚拟仿真实验系统使用Web VR虚拟仿真实验室3D仿真教学综合平台，本文以物理化学实验“最大泡压法测表面张力”的实验制作过程为例，通过学生“亲身、亲历”参与虚拟实验活动，培养和锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，提高学生对实验的协调能力，考核学生学习效果，检验教师教学效果。
（一） 技术背景
目前国内外多所大学在虚拟仿真实验建设方面做了大量研究，普遍采用VR+教育，如厦门大学红树林仿真教学。Web VR虚拟仿真实验室是一套快捷、可扩展性3D仿真教学综合平台，系统采用网页式的B/S模式（Browser / Server，浏览器/服务器模式），基于校园网/英特网实现。客户端通过网页浏览器访问平台，无需安装插件即可互动操作；服务端采用Apache，数据库使用mysql，采用PHP语言实现Web逻辑功能。Web VR虚拟教学系统已包括以下数据安全与快速响应技术，通过可视化Web VR造物/造景三维仿真建模引擎软件。该技术能够使学校摆脱专业领域技术应用与整合的束缚，专注于自身优势教学内容改进与扩充，以便快速构建精品课程、仿真互动课程整合平台，提高教学内容的使用率及教学方式转型，突破传统教学模式的地域限制和时间限制，同时不失传统教学方式身临其境的体验效果。
（二） 虚拟仿真系统框架
虚拟仿真系统由教学管理系统、实训考评系统和互动交流系统三部分构成。教学管理系统有前端展示和后台管理两个板块，前端展示可以让学生、教师、管理员注册/登录，登录后可在系统里查找实验指导知识点内容（图文并茂）以及查看和修改相关的个人信息；后台管理则是增、删、改实验知识点内容，及登录系统账号管理的板块。为帮助学生在实地正式操作之前，以虚拟仿真的方式了解实验的过程，同时为了让教师了解学生对实验流程的掌握程度，建立了包含实验训练与实验考评的实训考评系统，其具体内容见表1。互动交流系统给学生和教师提供相互交流的机会，学生在学习及实验过程中遇到问题，可在互动交流区提问，问题以列表形式展开，可编辑问题，包括新增问题、删除问题、置顶问题、问答学生提问的问题，教师及管理员在后台进行回答，当某些问题经常出现时，教师可将该问题列入常见问题模块中，方便学生查看。
医药企业，顾名思义是指以生产和制造医药产品为主要经营目的的企业。以医药产品的流通和销售为主要经营范围的经销商，不属于本文所称的医药企业。通常而言，根据在药物生产过程中的创新程度、技术水平、贡献程度等不同，可以分为发明和制造原研药的企业，以及经许可或者法律授权生产仿制药的企业。医药企业的社会责任，要求医药企业在实现利润最大化目标的同时，还应当以促进和增强社会公益为其目标，并且医药企业有责任为平衡利润最大化和社会公益增强这两者的平衡做出贡献。与企业责任理论最初在美国形成的过程中所面临的争论近似，关于医药企业是否应当承担社会责任以及应当在何种程度上承担社会责任的讨论，也日渐高涨。
图1为“最大泡压法测表面张力”的虚拟仿真实验制作过程。首先，对实验项目、实验教学框架、教学中需要重点表达的仿真知识点进行需求确认，通过交流或实验现场采集列出实验流程，经确认后规划整体仿真实验。其次，进行UI及UE设计，包括首页页面设计和仿真实验界面及交互设计，程序员根据前期规划及UI、UE设计，开始系统功能的搭建制作，并采集实验仪器与流程。再次，根据现场采集的设备信息，使用建模软件制作符合Web VR模型制作标准的设备模型，进行整体实验模型的VR渲染制作和制作还原整个实验流程的模型交互动画。最后，将模型素材、动画程序、提示文字、提示语音嵌入到系统框架内，进行系统界面、文字、语音等方面的系统优化调整。
表 1 虚拟仿真实训考评系统
（三） 实验创建——以“最大泡压法测表面张力”为例
两位女生进去了，还不到五分钟便一个个垂头丧气，耷拉着脸出来了。前面二个男生也进去了，一个垂着头出来了，一个趾高气扬地出来，望了望还在等着的殷明，露出一种蔑视的笑，走了。殷明看着他的这副表情，不禁紧张起来。轮到他了！
图 1 “最大泡压法测表面张力”的虚拟仿真实验制作过程
(a)首页页面设计；(b)仿真实验界面及交互设计；(c)模型制作；(d)模型渲染制作
二 应用与问题分析
首先，虚拟仿真实验教学系统有着高效的互动性，具有制造单独学习环境的功能，学生可根据自身的需求和薄弱环节展开物化实验学习，自主攻克重难点，提高学习热情。其次，模拟实验的教学过程具有较强灵活性，不受区域及时间的限制，师生可在不同地域与院校间开展模拟实验教学，实现共同参与、互相观摩与深入学习。最后，虚拟仿真实验还能有效解决因实验周期过长、展示效果差、实验现象转瞬即逝、微观现象难以观察、理想实验环境搭建难、实验危险性过大、实验过程较为复杂、实验破坏性较大或是比较极端要求等在传统的实验室条件下无法完成实验等造成的难题。
物理化学虚拟仿真实验最本质的特征是利用一些信息化、高科技手段模拟相关实验的进行，操作环境处于虚拟状态，与真实实验存有较大的差距。仅仅依靠虚拟仿真实验进行实验教学，无法完全体现实际操作环境的真实感，学生由此易缺乏实际动手操作能力，无法体验实验过程带来的成就感[3]。因此，为增强学生对情景实验的操作感受与实际体验，建议教师将现实实验环境与虚拟仿真实验相结合，实现二者相辅相成，协同培养学生实际操作能力与应用技能，促进创新能力的发展。
水彩作品《纽约北园》（又名《纽约公园》）在1932年的《艺彀》（初集）刊出图片时为无款（并误将画面上下颠倒），可知此款为后补（图9）。
三 结语
物理化学虚拟仿真实验建设具有以下优点：有效提高学生的学习兴趣、提高教学质量、零危险、零器材损耗、节约成本等。物理化学虚拟仿真实验建设可以充分利用校园网的资源[4]。虚拟仿真实验是教学资源共享和优化配置得以实现的重要途径，兼具实用价值与现实意义。物理化学虚拟仿真实验建设将对学生动手、实践、创新等方面的全面发展起到重要作用。
参考文献
[1] 吕浩.中学化学虚拟实验室的构建及实现[D].长春:东北师范大学,2013.
[2] 向天成,赵艳茹. 虚拟物理化学实验室的构建[J].中国校外教育,2013,64(4):440-442.
[3] 付英秋.谈虚拟化学实验室的功能特点和应用效果[J].中国教育技术装备,2014,(9):34-35.
[4] 尹立辉.网络虚拟化学实验室的实现方案[J].天津农学院学报,2010,8(2):29-32.
[5] 宁曦,陈省平,谢晓倩,刘亚婷,李俊.虚拟仿真实验在海洋科学实验教学中的应用[J].教育现代化,2018,5(14):160-163.
Primary Research on Construction of Virtual Reality Physical Chemistry Laboratory
Yang Ai-li, LIU Zheng, XIAO Yan-qin, LIU Jian-fu, LIN Xia-jing
（Xiamen University of Technology, Xiamen）
Abstract: The School of Environmental Science and Engineering of Xiamen University of Technology, in collaboration with Fuzhou Eleventh Dimension (Xiamen) Network Science and Technology Co., Ltd., has developed a specific and systematic teaching system for online virtual reality experiment to stimulate students' interest in physical chemistry experiments, to satisfy students' thirst for knowledge and exploration, and to cultivate students' innovative spirit and practical ability. The virtual reality experiment may enable students and teachers members to participate freely.
Keywords: physical chemistry； virtual simulation； physical chemistry experiment
本文引用格式： 阳艾利 等.物理化学虚拟仿真实验建设初探[J]. 教育现代化，2019，6（57）：200-202.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.57.066
基金支持： 本文系厦门理工学院教改项目（30018106）。
作者简介： 阳艾利，女，湖南衡南人，厦门理工学院 环境科学与工程学院，讲师，博士研究生。研究方向：环境系统分析。
标签：物理化学论文; 虚拟仿真论文; 物理化学实验论文; 厦门理工学院环境科学与工程学院论文;