摘要：随着网络技术发展，虚拟实验室成为一种新的教学形式。通过“基于3dmax的有机化学虚拟实验室的设计与构建”课题研究，探索医学院校有机化学虚拟实验室的设计与构建。
关键词：3dmax；有机化学；虚拟实验室
虚拟实验室的概念最早由美国的WilliamWolf教授于1989年提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。Wolf教授形象地把虚拟实验室称为“没有围墙的研究中心”[1]。随着网络技术的发展，虚拟实验室逐渐成为一种新的教学形式，基于其特点，在电工电子、医学、建筑、生化等学科教育教学中起着重要作用。据了解，目前我国很多高校根据自身教学需求，建立了虚拟实验室，典型的有：（1）中国科技大学在虚拟实验室的建设和使用方面形成了如物理仿真实验软件、广播电视大学物理虚拟实验、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验远程教学系统；（2）浙江大学的虚拟化学实验，是基于Web的虚拟实验，以VRML为基础构筑虚拟实验环境，并利用Java技术来实现虚拟实验场景的人机交互；（3）同济大学建筑学院建成的可以对建筑景观、结构进行仿真的虚拟现实实验室等。这些利用计算机的虚拟实验，部分替代了在现实世界中难以进行或成本高昂的实验。此外，复旦大学、上海交通大学、陕西师范大学等高校，也相继开发出一批新的虚拟仪器系统供实验教学和科研使用[2，3]。2015年初我校开始进行“基于3dmax的有机化学虚拟实验室的设计与构建”课题研究，探索医学院校有机化学虚拟实验室的设计与构建。
1有机化学虚拟实验室构建的必要性
（1）突出“以学生为主体”教育思想。有机化学是一门依托实验教学的实用性很强的学科，是医学院校重要的基础学科，可为学生学习医学专业课程奠定基础。在教学过程中信息大部分是通过实验来传递，相较于传统教学中单一、被动的方式，虚拟实验系统能够对每个实验操作最大程度地进行仿真，将实验过程中的图像、文字、声音以及动画等因素融为一体，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性[4]。尤其是在实验初期，学生会遇到仪器调试、管理、损坏等问题，涉及实验过程、试剂、中间产物、终产物等环节，而这些是传统实验方式无法解决的问题。（2）虚拟现实技术作为一种新兴的技术手段[5]，能够对实验内容进行模拟仿真，不仅可以增加学生的感性认识、提高动手能力，而且节约实验成本、减少实验危害，尤其是能解决化学实验室高污染问题。（3）虚拟实验室是教育教学资源不可或缺的组成部分，通过有机化学虚拟实验室的设计与构建，积累经验和技术，为本校其他医学化学类学科（如高分子化学、药物化学）及专业学科（如药用植物学、生理学、药理学等）教学做好准备，为构建具有医学特色的虚拟实验室奠定基础。
2有机化学虚拟实验室的构建（见图1）
2.1梳理文字内容
通过对医学院校有机化学实验项目进行分类、整理，设计有机化学虚拟实验室所开设的实验项目，同时研究教学大纲，编写文字内容。主要包括有机化学实验常用仪器用途使用方法和注意事项、实验基本操作、有机化学实验基本操作技术、有机化学实验讲义、有机化学实验装置组装，为构建虚拟实验室打好基础[6，7]。
2.2实验视频及照片制作
通过教师讲解与示范，对有机化学实验项目进行正确操作，记录每一步的实验现象和结果（主要通过照片或视频形式记录）。有机化学实验涉及很多危险试剂，实验过程中会产生某些危险物质，稍不注意就会造成一定伤害。此外，还有些关键步骤，如熔点测定中晶体的熔化过程，很难用文字表达清楚，因此可以通过图片、视频展现实验过程和关键步骤，对实验危险进行预估和操作认知，以有效避免实验危害。
2.3有机化学实验设备建模[8]
所谓建模就是在三维空间内创建出所需物件的三维模型，这是虚拟实验室的基础。有机化学实验涉及的很多玻璃仪器立体形象特殊，如蛇形冷凝管、加液漏斗等，应用3dmax软件制作出逼真的玻璃仪器是虚拟实验成败的关键。
2.4实验动画的制作
在3D建模基础上，在3dmax软件动画制作系统中，根据实验视频、照片进行动画制作。2.5虚拟实验室的合成有机化学虚拟实验室以动画为核心，通过运用3dmax中摄像机、灯光、场景等技巧，以及动画的制作、火焰和烟雾效果的渲染、视频编辑等专业知识与技术，能更好地表现三维立体的实验环境和实验方法，通过鼠标拖拽完成实验装置的组装、仪器使用的练习，以仿真形式强化感知。
3基于3dmax的有机化学虚拟实验室的创新性
[9]（1）3dmax是一种PC机的三维动画制作软件，用于影视制作、工业建筑设计。利用3dmax创建三维虚拟实验室，一旦模型建成就可以从各方位以任意视点与角度对实验进行观察，例如索氏提取器，通过展示明晰工作原理，这是图片、视频无法实现的。因此，有机化学虚拟实验室在有效提高课件质量与使用效果的同时，又解决了因缺少仪器设备等而无法实际操作实验的问题，一方面节省了学校在实验室建设方面的投入，另一方面也节省了在实验器材维护方面的投入。（2）由于有机化学的很多实验具有高度危险性，涉及的试剂、产物均具有较高污染性，后期处理成本很高（例如有机化学性质实验），虚拟实验室能最大限度地解决上述问题，符合目前我国各高校所提倡的“绿色化学”理念，也适应教育教学改革需要。（3）根据教学改革要求，需要不断设计和补充实验课程内容，而相关计算机技术也需要重新开发，虚拟现实技术良好的二次开发性能够很好地适应这些变化。设计人员（教师）只需将新的实验建模后放入虚拟实验室即可，这在很大程度上解决了重新开发导致的资源浪费问题，具有良好的可延续性。（4）随着网络技术的迅猛发展与校园网的建立，对于在线教学视频、在线实验动画演示等全方位立体化教学模式，无论教师还是学生，都可以不受时间、地点、条件限制进行基本操作练习、仪器组装等，实现了实验教学资源的共享性和开放性。
4结语
通过课前对有机化学虚拟实验室的应用，在正式进行实验时，学生自主性明显增强，实验进度明显加快，实验操作熟练程度显著提高，仪器损坏率和试剂消耗率明显下降。有机化学虚拟实验室的建立，在创新人才培养和教学质量提高中发挥着重要作用，学生实验动手能力和实践能力有效提高，创新意识、创新精神和创新能力得到明显提升，从而对提升学校办学实力、办学水平和教学质量起到有力的推动作用[10]。
参考文献：
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[9]杨昱，徐雅琴，杨玉玲.无机化学仿真虚拟管理期刊实验室构建和实现方法研究[J].高等农业教育，2011，3（3）：50-52.
[10]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理，2005，22（1）：35-37.
作者：王蓓 刘永红 张宜欣 单位：首都医科大学燕京医学院