物理化学虚拟实验室的构建及应用研究

刘兴红胡珍珠

摘要：虚拟实验室的出现从某种意义上说解决了教学资源紧缺等问题．对教学改革也起到

了一定的促进作用。目前虚拟实验在各学科的教学实践中也得到了广泛的应用，本文从虚拟实验室的特征入手，主要以“电泳”实验为例，通过对物理化学虚拟实验室的构建及其在实验教学中的应用来讨论虚拟现实技术在物理化学实验中的应用。

关键词：物理化学；虚拟实验室；应用研究；电泳

随着科学技术的不断发展，教学理念的不断更新，教学内容的不断推陈出新，教学设备的不断升级，招生规模的不断扩大，大学教学资源严重紧缺、实验设备难以及时更新的现象日益突出，因而阻碍了大学实验教学的改革和发展。而基于虚拟现实技术的虚拟实验室的出现和应用正好可以解决这一难题，满足实验教学和改革的需要。虚拟实验是通过计算机和相关课程的程序来完成实验的，给人一种真实感，实验内容不受实验室仪器设备及实验材料的限制，可方便地更新实验内容，解决实验经费等问题。本文以大学物理化学实验中的“电泳”实验为例，谈谈如何构建虚拟实验室以及虚拟实验室的应用。

１．虚拟实验室的特征

虚拟实验室是一种智能化的模拟实验室，它的实现应有多种途径，但无论如何实现，虚拟实验室应具备一些基本特征：

１．１现实的一致性（或现实的延伸）

虚拟实验室具有与现实的一致性或现实的延伸，因为它要使参与实验者有“真实”的体验。这种体验就是“沉浸”或“投入”，即全心地进入，简单地说就是产生在虚拟世界中的幻觉。理想的虚拟实验室的虚拟环境应达到用户难以分辨真假的程度，甚至比真的还“真”。这种沉浸感的意义在于可以使用户集中注意力。为了达到这个目标，就必须具有多感知的能力，理想的虚拟实验室应具备人类所具有的一切感知能力，包括视觉、听觉、触觉，甚至味觉和嗅觉。１．２高度交互性

虚拟实验室中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用计算机的键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

１．３智能化

智能化是虚拟实验室应具备的基本特征之一，表现在用户可以自主地、灵活地模拟操作各种实验仪器，完成各种分析测试任务，评价实验者的操作水平与实际能力。

２．虚拟实验室的构建

虚拟实验室是由各种虚拟仪器组成，将各种虚拟仪器按照实验的要求、顺序放置在一个三维的立体空间里便构成了虚拟场景。

２．１虚拟实验仪器

虚拟实验室是由各种虚拟仪器组成，虚拟仪器是指将计算机与电子仪器相结合而产生的２２４

专题二教育技术的应用与实践

一种新的仪器模式，它通常是由具有虚拟仪器面板的计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面软件有机结合而成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化平台，它利用软件在面板上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、存贮、显示等功能。通常情况下，虚拟仪器又具有特定功能的元件组成。采取分解组合方法是构建虚拟仪器的一种行之有效的捷径。建造各种具有特种功能的元件，并确定相互之间的关系，将成为关键。这种分解组合的方式，利用ＶＢ来建立具有很大的方便性，ＶＢ的模块化控件、事件驱动、面向对象、多线程特性满足了建立虚拟仪器的各种需要。可以利用ＶＢ的各种控件，来建立各种虚拟仪器的组件，例如：将旋钮图片（或编程绘制）放在ＶＢ的图片或图像控件上，通过设置控件的属性来控制旋钮的外形尺寸和位置，而通过对控件各种事件的编程，可建立与其他组件之间的关系及所应具有的功能。但构造过程中通常需要构建大量具有相同或相似功能的组件，重复构造不仅效率低，也使问题复杂。

虚拟仪器技术的关键是应用软件，仪器的主要应用功能是由软件来实现。现有的软件已经具备了图形化、交互式等特征，使用者无需太多的专业背景就可以掌握和使用。用户通过鼠标和键盘来操作虚拟仪器跟操作实物仪器一样，所不同的是，使用虚拟仪器，用户可以自己定义、自己设计仪器系统以满足不同的要求，使仪器的功能更加强大、灵活，而易于与其他外设及网络等链接。因此，虚拟仪器具有成本低、通用性好、功能强、易于升级的特点。

在此次实验中要用到的仪器和试剂有：０～６００Ｖ直流稳压电源１台，电泳测定管（Ｕ型管）１支，秒表１块，漏斗１个，Ｆｅ（ＯＨ）。胶体溶液，ＮａＣｌ稀溶液。

２．２虚拟实验场景

多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础，使人们拥有自己实验室的幻想与愿望可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面而得以“实现”。虚拟实验场景是利用计算机建立的三维的模拟实验场景。在虚拟实验场景中应能够从不同的视角观察一个实验对象。并且能够事先设 …… 此处隐藏：3007字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……