何玲 許勇 張方玉 劉宇翔 唐譽(yù)丹 劉艷艷

摘要：隨著計算機(jī)技術(shù)在實驗教學(xué)應(yīng)用中的普及，虛擬實驗的作用和優(yōu)勢日漸明顯。Flash由于其豐富的交互特性以及強(qiáng)大的ActionScript編程功能可以運用于虛擬實驗的設(shè)計和開發(fā)。本文詳細(xì)論述了水產(chǎn)學(xué)中水域環(huán)境測定水耗氧量實驗的方法和為其制作虛擬實驗的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：flash;虛擬實驗;水產(chǎn)學(xué);水耗氧量測定

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）08-0267-02

一、虛擬實驗室簡介

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)輔助教學(xué)作為現(xiàn)代化的教學(xué)方式，已在教學(xué)改革中受到高度的重視，使教學(xué)水平和教學(xué)效率不斷提高。其中具有良好交互性的虛擬實驗室是信息技術(shù)與具體學(xué)科相整合的先進(jìn)的實驗教學(xué)方式?！疤摂M實驗室”即在計算機(jī)上模擬真實的實驗環(huán)境和實驗過程，學(xué)生只要在一臺計算機(jī)上就可以開展實驗。完整的虛擬實驗室系統(tǒng)由虛擬實驗臺、虛擬器材庫、虛擬實驗項目和基于web的實驗室管理系統(tǒng)組成。當(dāng)然，其中虛擬實驗項目是整個系統(tǒng)的核心。使用Flash開發(fā)虛擬實驗，技術(shù)難度適中，功能易于擴(kuò)展，便于連接后臺數(shù)據(jù)庫形成集實驗教學(xué)系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)采用Flash作為虛擬實驗項目的開發(fā)工具。虛擬實驗室可以基于各種學(xué)科的搭建。水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)是一門重視實驗的學(xué)科，但是為了保證實驗安全、難度適中、實驗材料獲取方便，所以目前開設(shè)的實驗往往相對保守。實驗過程一般為：教師準(zhǔn)備實驗材料→教師講解→學(xué)生操作。這在一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，不利于學(xué)生動腦、動手能力的培養(yǎng)。學(xué)生可以按照實驗的基本原理，自己設(shè)計實驗;教師也可以開設(shè)一些前沿的、高危的、材料昂貴的實驗;實驗可以重復(fù)操作，作為真正實驗的課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，提高實驗者對實驗操作的熟練程度。本文以《養(yǎng)殖水域環(huán)境檢測實驗》中的“水耗氧量測定實驗”為例來說明用Flash開發(fā)虛擬實驗的方法。

二、“水耗氧量（COD）測定實驗”的說明

養(yǎng)殖水域耗氧量的測定方法主要以氧化劑的類型來分類，最常見的是重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法。高錳酸鉀法按溶液介質(zhì)又分為酸性與堿性。在堿性條件下高錳酸鉀的氧化能力不如酸性條件下的氧化能力強(qiáng)，它不能氧化水中的氯離子。所以堿性高錳酸鉀法適用于大洋和近岸海水及河口水的測定。一般養(yǎng)殖水體中難以氧化的有機(jī)物較少，因此也常采用堿性高錳酸鉀法來測定;對于氯離子含量不超過300mg/L的水樣可以采用堿性高錳酸鉀法。同一水樣，由于加入氧化劑的種類及濃度、反應(yīng)溶液的酸堿度、溫度和反應(yīng)時間等不同，所得的COD值常不相同。因此，化學(xué)測定水耗氧量是一個條件性指標(biāo)，測定時必須指明采用的方法，嚴(yán)格控制實驗條件。

1.堿性高錳酸鉀法。檢測原理：在堿性條件下，水樣中加入一定量的高錳酸鉀溶液，加熱一定時間以氧化水中的還原性物質(zhì)（主要是有機(jī)物）。然后在酸性條件下，用碘化鉀還原剩余的高錳酸鉀和生成的二氧化錳，所生成的游離碘用硫代硫酸鈉溶液滴定。主要儀器：25mL堿式滴定管、250mL錐形瓶、電爐（或電熱板等）、移液管、吸量管。主要試劑：NaOH溶液（250g/L）、硫酸溶液（1+3）、碘化鉀、硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液、淀粉溶液、高錳酸鉀儲備溶液（0.1mol/L）（稱取3.2g高錳酸鉀，溶于1.2升水中，加熱煮沸，使體積減少到約1升，在暗處放置過夜，若有沉淀出現(xiàn)，取上清液貯于棕色瓶中備用）、高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01mol/L）：吸取0.1mol/L高錳酸鉀溶液10mL，于100mL容量瓶中，用純水稀釋至標(biāo)線，搖勻。實驗步驟：第一步：準(zhǔn)確量取50.00mL搖勻的水樣（或適量水樣加純水稀釋至50mL），于250mL錐形瓶中（測平行雙樣），加入幾粒玻璃珠以防爆沸。加入250g/L氫氧化鈉溶液0.5mL，搖勻，用移液管準(zhǔn)確加入10.00mL高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（濃度0.01mol/L），搖勻。第二步：立即將錐形瓶置于覆蓋有石棉網(wǎng)的電爐（或電熱板）上加熱至沸，準(zhǔn)確煮沸10分鐘（從冒出第一個氣泡時開始計時）。第三步：取下錐形瓶，迅速冷卻至室溫，用量筒或吸量管迅速加入（1+3）硫酸5mL和10%碘化鉀5ml，搖勻，在暗處放置5分鐘，待反應(yīng)完畢（剩余的高錳酸鉀和生成的二氧化錳與碘化鉀反應(yīng)，釋放游離碘），立即在不斷振搖下，用硫代硫酸鈉溶液滴定至淡黃色，再加入1mL淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛消失，記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V1。兩平行雙樣滴定讀數(shù)相差不超過0.10mL。第四步：另取50mL高純水代替水樣，按水樣的測定步驟，分析滴定空白值，記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V2。

計算結(jié)果：

ρ ?= ×8×1000

2.酸性高錳酸鉀法。檢測原理：樣品中加入已知量的高錳酸鉀和硫酸，然后進(jìn)行加熱，高錳酸鉀將樣品中的某些有機(jī)物和無機(jī)還原性物質(zhì)氧化，反應(yīng)后加入過量的草酸鈉溶液還原剩余的高錳酸鉀，過量的草酸鈉再用高錳酸鉀溶液回滴。主要儀器：同堿性高錳酸鉀法。主要試劑：硫酸溶液（1+3）、高錳酸鉀儲備溶液（0.1mol/L）、高錳酸鉀使用溶液（0.01mol/L），以上試劑同堿性高錳酸鉀法。草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)貯備液（0.01000mol/L）：準(zhǔn)確稱取草酸鈉（Na2C2O4）固體0.6705g，加少量水溶解后，全部轉(zhuǎn)入100mL容量瓶中稀釋至標(biāo)線，混勻。此溶液濃度為0.100mol/L，置4℃保存。使用時稀釋10倍，即得0.0100mol/L草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液。

實驗步驟：第一步：準(zhǔn)確量取50.00mL搖勻的水樣（或適量水樣加純水稀釋至50.00mL），置于250mL錐形瓶中（測平行雙樣），加入1+3硫酸溶液5.0mL，搖勻，用移液管準(zhǔn)確加入10.00mL 0.01mol/L的高錳酸鉀溶液搖勻。第二步：立即將錐形瓶置于加熱板上加熱至沸，準(zhǔn)確煮沸10分鐘（從冒出第一個氣泡時開始計時）。第三步：取出錐形瓶，用移液管迅速加入10.00mL草酸鈉溶液，搖勻，溶液變?yōu)闊o色。趁熱用高錳酸鉀使用液滴定至剛出現(xiàn)粉紅色，并保持30秒不退色。記錄消耗的高錳酸鉀溶液的體積V1。第四步：高錳酸鉀溶液濃度的標(biāo)定：將上述已滴定完畢的溶液加熱至70℃，準(zhǔn)確加入10.00mL草酸鈉溶液。用高錳酸鉀溶液滴定至剛出現(xiàn)粉紅色，并保持30秒不退色。記錄消耗的高錳酸鉀溶液的體積V2。

計算結(jié)果：

ρ ?=

×8×1000

三、虛擬實驗的動畫設(shè)計

用flash動畫實現(xiàn)虛擬實驗應(yīng)具備三個特點：（1）實驗場景逼真;（2）實驗過程準(zhǔn)確;（3）實驗交互性強(qiáng)。以下詳述在本設(shè)計中是如何盡量實現(xiàn)這三個重要特點的。

1.照片與手繪結(jié)合實現(xiàn)動畫中的場景、實物設(shè)計。為了在動畫中真實再現(xiàn)實驗室環(huán)境，制作動畫前，先要拍攝實驗室環(huán)境照片、實驗設(shè)備照片、實驗材料照片，但是拍來的照片直接用于動畫并不能獲得很流暢的動畫效果，于是，系統(tǒng)實現(xiàn)中，運用了手繪的方式，依據(jù)原有照片將實驗室環(huán)境、實驗設(shè)備儀器和實驗材料進(jìn)行了重新繪畫，使其風(fēng)格統(tǒng)一，特征突出，線條簡潔。

2.用錄像記錄實驗過程，用動畫還原實驗過程。為了在虛擬實驗中不漏掉任何一個實驗細(xì)節(jié)，首先要錄制教師的示范實驗，然后將實驗錄像編寫成flash劇本。

3.數(shù)據(jù)反饋交互性和操作交互性。虛擬實驗的交互性從兩個方面體現(xiàn)：一是實驗前后步驟間的數(shù)據(jù)反饋交互;二是用戶操作的交互性。虛擬實驗與傳統(tǒng)現(xiàn)場實驗一樣，實驗步驟之間的數(shù)據(jù)和參數(shù)具有相關(guān)性。通常實驗者需要不斷根據(jù)實驗進(jìn)程對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷和處理，從而確定下一步操作的實驗參數(shù)設(shè)置。另一方面，由于每個實驗條件不完全相同，因此同一步驟的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)之間存在差異，且這些差異應(yīng)該在一定的誤差范圍內(nèi)，所以虛擬實驗中需要通過實驗數(shù)據(jù)的交互控制技術(shù)實現(xiàn)對實驗結(jié)果的容差判斷和檢測。這種數(shù)據(jù)檢測體現(xiàn)了虛擬實驗系統(tǒng)的智能性特點。具體地來說，虛擬實驗中實驗數(shù)據(jù)的交互控制包括：向?qū)嶒炏到y(tǒng)輸入或選擇實驗參數(shù)或結(jié)果，根據(jù)不同的實驗結(jié)果自動設(shè)置后續(xù)實驗步驟;允許實驗中設(shè)置多次實驗，對實驗結(jié)果進(jìn)行平均處理，驗證實驗數(shù)據(jù)的普遍性;實驗過程中反饋信息的呈現(xiàn)策略;等等。操作交互性是影響虛擬實驗質(zhì)量以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成效的重要因素，也是衡量一個良好的虛擬實驗設(shè)計的重要指標(biāo)。要通過全方位的交互操作設(shè)計來增加學(xué)習(xí)者對實驗的興趣。具體的交互操作方式有：鼠標(biāo)點擊、鼠標(biāo)拖拽、鍵盤按鍵、文本輸入。本虛擬實驗設(shè)計將上述方法進(jìn)行了綜合運用。例如，實驗開始前，選取本實驗需要的實驗儀器，采用了鼠標(biāo)點擊方式選取;將儀器組裝起來，要靠鼠標(biāo)拖拽的方式;實驗過程的數(shù)據(jù)記錄采用文本輸入的方式進(jìn)行;滴定值的確定采用鍵盤方向鍵的方式逐步逼近。

四、結(jié)語

Flash由于其操作簡便、矢量圖形設(shè)計、編程元素豐富、強(qiáng)大的多媒體支持功能以及學(xué)習(xí)和接觸人群廣泛，所以基于Flash的虛擬實驗的開發(fā)深得廣大實驗開發(fā)人員的青睞。但是虛擬實驗的設(shè)計和開發(fā)是多學(xué)科結(jié)合的綜合技術(shù)，如界面的藝術(shù)設(shè)計、動畫的三維實現(xiàn)、虛擬實驗?zāi)康摹⒃?、過程設(shè)計等。只有理論和實踐相結(jié)合才能開發(fā)出完整可行的虛擬實驗系統(tǒng)。