实例：虚拟实验室建设

高校化学学科的教育,在很大程度上依赖于实验,通过实验,能够有效帮助学生学习和理解化学反应的原理。然而,传统的化学实验可能由于以下原因而无法实现:

1.存在高度危险性,可能产生有害、有毒气体或爆炸等;

2.实验设备昂贵或不足(如色谱分析仪),资源匮乏(如:金、铂);

3.函授生或夜大学生由于时间、地域所限等。

现在,多媒体计算机技术和网络技术的发展,为化学实验教学提供了一种新的教学模式——Web方式的网上化学实验室(Web Virtual Chemistry Laboratory,简称WVCL)。所谓WVCL就是利用多媒体计算机技术和Internet网络,将实际的化学实验操作转换成图像与声音,为用户提供化学实验操作及展示现象的高度逼真的模拟环境,用户以此学习掌握各种化学反应机理、仪器设备的工作原理及操作使用方法。

目前网络虚拟实验室研究还处于萌芽阶段,国内外已经有很多大学进行了这方面的研究。研究表明,通过网络虚拟实验室模拟实验,具有不可比拟的优势:

1.建造WVCL,可以提供一个师生学习、开发、研究教学和交流的平台,可以充分共享化学资源和实验数据。

2.虚拟的化学实验室具有高效、易用、开放、灵活、功能强大、性价比高、用户自由定义等优点,可以提高实验效率,降低实验成本。在虚拟实验环境下,能保证实验重复进行,无需考虑设备及资源的消耗,学生只需要通过计算机键盘和鼠标操作,就可以进行虚拟的化学实验和观察实验现象。

3.充分利用现代计算机技术对图形处理能力,变抽象为具体,变静态为动态,将微观过程进行宏观模拟,把宏大场景做缩微处理,对瞬变搞定格分析,化枯燥为生动。

4.对一些缺乏实验条件(如边远山区)的学生,通过网络同样能够亲自参与实验。通过WVCL,突破了地域的局限,异地学生之间可以合作进行实验。

而且,Web方式的网上虚拟化学实验室(WVCL)还可以作为远程教育中的辅助手段。

技术架构

一般基于网站的系统都是采用逻辑上的三层次架构。逻辑三层次架构具有表示层(Presentation Tier View),应用逻辑层(Application Tier-Control)及数据层(Enterprise Tier Data Model)。这三层构成了所谓的Model-View-Controller Paradigm。表示层负责输入及输出客户所要看的数据信息,应用逻辑层专门用来处理应用逻辑及访问和查询后台的业务应用与数据。

同样的,WVCL的建设也可以采用当前流行的J2EE三层架构,如图1所示。

在这里,客户端是最终用户,可以通过Internet接入访问WVCL,表示层还可以提供基本的WEB服务和高速缓存服务,如对静态网页、图片或影像的显示等。整个WVCL的用户界面表现为一个基于WEB方式构建的网站系统,用户通过该系统界面中提供的各种链接、静动态网页访问相关的信息资源和进行相关的模拟实验。

应用方案(www.xing528.com)

根据以上的技术架构分析,可以确定基本的WVCL应包含以下几部分:

1.装载实验仿真软件和处理数据的服务器。

2.存储模拟数据、实验结果数据和大量影像及Flash动画的数据库系统。

3.虚拟化学实验室软件,用于数据处理、分析、存储和过程模拟展示。

4.连接Internet的网络设备。

在实际的WVCL的创建中,出于开放性、安全性和通用性的考虑,服务器操作系统建议采用主流的UNIX系统,而基于高性能、高可靠性和专用的原则,服务器应采用双机集群或负载均衡设计,多个服务器同时工作,负载均衡,互相冗余。如果出于经济性考虑,高校建立WVCL时,可以单独开发化学实验软件和建立数据库,然后加载到校园网服务器中。数据库可以选用Sybase ASE12.5或Oracle 9i,将化学实验的反应流程、边界条件、静态数据、过程数据、结果数据、过程图像以及相关说明、文献资料都存放在数据库中。

为了学实验以后建设的可扩展性和稳定性,平台软件编码时使用Java、JSP、VRML(虚拟现实建模语言)、XML(扩展标记语言)等语言。

建立WVCL,充分利用网络技术将带来化学实验的彻底改观(WVCL的基本处理流程):

1.用户通过Internet登录虚拟实验室后,提出观摩实验演示的请求,服务器调用实验的影像、图片、Flash动画、说明文档等相关资料进行展示。

2.用户进入虚拟实验区,按需要进行“实际”的实验操作。首先由用户选择实验à系统调用本实验的相关反应流程,加载实验的仪器à用户输入实验参数(药品或试剂种类、量、温度、压力等条件)à系统根据方程式、边界条件等进行计算。

3.记录并输出相应的实验数据,同时调用相关图形或动画,模拟产生实验的现象。

4.更高级的应用中,可以配套一些仿真应用软件,使用化学实验来开发、设计或研究一些新的化学实验。通过定义化学反应的物质、反应方向、边界条件、实验器皿等,由计算机仿真实际的反应过程,观察颜色、气体产生、固体沉淀等变化,并动态计算和分析化学物质的重量、温度、离子浓度、pH值等属性,以此作为真实的化学实验的指导。

整个实验平台应用Java的二维图形技术来实现,使用Java提供的图形库函数完成。当用户进入虚拟化学实验室后,操作面板检测鼠标和键盘事件,并进行对应的图形界面处理。页面一般使用Applet或Flash显示实验结果(如分布图或色谱),必要时以VRML制作的三维图形显示(如分子结构)。

(资料来源:http://www.yatiss.com/a/huaxuexunishiyan/422.html)