（物理化学专业论文）基于ir谱图智能解析的红外光谱vl的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 虚拟实验室作为一种新的实验教学模式，是信息时代的产物，它在教育、科研等领 域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的发展方向。因此开发虚拟实验室十分 必要。 红外光谱实验的试样制各方法多，谱图受实验条件影响大等特点，因此红外虚拟实 验室的构建是一个相对复杂的过程。本文采用f l a s h8 o 及其a c t i o n s 嘶饥2 o 编程技术、 模块化和开放性的设计思想、f l a s h8 o 十p h p + m ys 0 l 的网络技术开发红外光谱实验室。 红外光谱实验室把红外光谱分析的理论学习、测试、谱图查询和实验模拟有机结合为一 体，并可自动识别、解析谱图。多模块构建思想和开放式的谱图库构建的红外光谱实验 室，不但加快了网络运行速度，而且当新的实验技术和f l a s h 技术出现时，可以及时地修 改、扩充虚拟实验室，为网络红外虚拟实验室设计与实现方法开辟出一条有效的实现途 径。 红外谱图的查询，光栅格式谱图的识别、解析，谱图库的设计是构建虚拟实验室的 重点和难点。谱图库的开放性体现在可以随时添加，修改和删除谱图库中的谱图；谱图 的查询是以x m l 数据文件为中介，连接虚拟实验室软件与外部谱图库中的谱图；谱图 的解析是把外部的光栅格式的谱图调入虚拟实验室软件，软件把光栅图转化成矢量谱 图，同时提取谱图信息，依据谱图信息对谱图进行初步的解析。 红外光谱是一种重要的现代分析手段和方法，已广泛应用于司法鉴定中各类物证材 料样品的定性和定量分析，为公安司法送检的有关毒品走私、炸药爆炸、伪造假币等多起 案件的物证样品进行分析鉴定，并提供准确数据和分析结论等科学依据。本文根据司法鉴 定中各类物证材料样品的特点开发了警用红外虚拟实验室，它包括毒品和油漆的红外分 析，印章和签字笔的红外图像分析。虚拟实验室可按真实仪器的操作过程进行各种模拟 操作，场景逼真，操作简便，可以单机运行，也可在网络上运行，满足了司法鉴定教学 中物证分析实验教学方面的需要，为虚拟实验室在职业教育中的应用做出了理论与实践 的有益探索。 关键词：虚拟实验室；红外光谱；红外成像；谱图解析；f l as h 基于瓜谱图智能解析的红外光谱。的研究 n e 撕o r k e da n do p e n i n gv i r t u a l1 a b o r a t o 巧o fm a b s t r a c t a sak i n do f n e wt e c l l i n gm o d e so fe x p e r i l n e n tm ev i r h l a ll a b o r a l o r yi sa no u t c o m eo f m e i l l 】f o n n a t i o na g e s ，a n di th a st h ev a s ta p p l i e df 砸e g r o u n gi nt l l er c a l m0 fe d u c a t i o na 1 1 d r e s 龇h ，“i s8n e wd c v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ee x p e r i m e n tt e a c h i l 蟮，t 1 1 e r e f o r e ，t h c d e v e l o p m e mo f 曲ev i r t u a ll a b or a _ t o r y t h e 玎王e x 饼晒m c mh a sm a n yd i 矗b r e n tp r 印a r a t i o s ，n l ei rs p e c 协ni ss e i l s i t i v et 0 e x p e r i m e 删c o n d m o n s ，t h e r e f i o r e ，t h ec o i l s 仃u c t i o no fv i n i l a li rl a b o r a t o r vi s a c o m p m t i v e l yc o m p l i c a t e dp r o c e s s b a s e do nt h et e c h n o l o g yo ff l a s h8 oa n da n i o n s c r i p t 2 0 p r o g 删 n ，1 1 l cm o d u l e - d e s i g ni d e a ，l ct e c l l n o l o g yo ff l a s h8 o + p 卸p 斗m ys q l ，a n e t w o r k c da n do p e n 主n g 讥r t u a ll a b o r a t o r 王e so fi rh a sb e e nc o n s 咖d c e d 。t h ev i r t u a ll a b o r a t o r y m a k e st h es t l l d yo f 也e o r ya n ds i m u l a t e de x p e r 岫e n tt ob e c o m ea no 唱a i l i c 缸e g r a t i o n ，i tc a n a u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z e 觚da n a l y s i s 酬h ds p e c 仃a n l em o d u l e d e s i g ni d e aa n do p e i l i n g i rs p e c m l md a t a sn o to m yi n c r e a s en e t w o r k e ds p e e db u ta l s om a i n t a i na n du p d a t eo ft l l e v i r t u a ll a b o r a t o r y af e a s i b l ew a yh a sb e e l ls e tu pf o rb u i l d i n gi rc h e m i c a ln v l i ti sm eb y p o i ma n dm ed i m c u l 哆t oa l l t o m a t i c a l l yr e c o g n i z e 毗l da n a b s i s1 1 1 胁ds p e c 臼晦d e s i g nf o r i rs p e c t r ad a t a sa n ds i i i 】u l a t ei n 丘盯e di m 啦g s 、o r k s t a t i o n i n 疗a r e ds p e c t r o m e t 眄i sam o d e mi n s 订咖e n t a la n a l y s i s ，i th a sb e e ni l s e df o rq u a l i t a t i v e 舡l dq u a n t i 协n v ea n a i l l y s i so fm a t e r i a ld v i d e n c e i l l j u d i c i a l i d e n t i 壬i c a t i o i n d s p e c 怕m 曲叮c a l lp r 0 v i d ea c c l l r a t ed a l aa i l da 1 1 a l y s i sc o n c l u s i o nf 研d m gs m u g g l i n g ，e x p l o s i v e d e t o n a t i o ，f h h n gc a s h b a s eo n t 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a le v i d e r l c ei n u d i c i a l i d e m i f i c a t i o n ，ai r 、，i r t u a l1 矗b 0 1 a t o r i e sf o re x p e r tt e s t i m o n yh a sb e e nc o n s t m c t e d n o to n l y d o e si n c l u d ed m g sa n dp a i n tb e i n gu s e df o ri n 矗a r e ds p e 咖皿a n a l y s i s ，i ta l s oi n c l u d e s 证k p a d a n dr o l l e rp e l li t l k sb e i n gu s e df o ri n 舶r 酣i m a g ea n a l y s i s i nm en v l s ，t h ew h o l e e x p e r i i n e n tp r o c e s s e s 、v e r es i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h er e a li i l s t n 哪e n t so p e m t i i l gp r o c e s s 1 i l a d d i t i o n ，也en v l sh a v e 砌s c e n e ，s i m p l ea n dc o n v e l l i e n to p e m t i o n 觚dc a i lb ep i d m u l g a t c d o nn e t w o r k t h en v l sc a n9 0 0 dm e e td e m a n do fe x p e r i m e n te d u c a t i o ni ni u d i c i a l i d e n t m c a t i o n t h en v l si st h eb e n e 在c i a le x p l o m t i o nt ot h e o r y8 i l dp m c t i c eo fv o c a t i o n a l e d u c a t i o no nc r i r n i n a li n v e s t i 窟a t i o n k e yw o r d s ：v i n l 】a 1l a b o r a t o r y ；瓜s p e c 舰；吸h i l a g e ；s p e c 由l i na n a l y s i s ；f l a s h i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注扣致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：熬丝云日期：竺2 呈：! 兰 基于i r 谱图智能解析的红外光谱。的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本八授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：蚕氐趋叁 翩签名：j 牵l 导师签名：a 型l & ：i j 地“年曼月上丘日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景和意义 在很长的一段时间里，我国大力发展高等教育，高校不断扩招，但是由此带来的问 题日益突出： ( 1 ) 学校教育资源不足，造成学生整体素质下滑； ( 2 ) 同时高校毕业生突增，致使就业困难； ( 3 ) 高等职业教育长期被忽视，高级技术人员紧缺， 因此要提高高等教育教学质量，大力发展高等职业教育。 实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。无论是在高中还是在大学，实验都 有着不可替代的作用，它使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理 论知识变得形象易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索 科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力【l 】。然而，在目前， 实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。首先是实验成本过高。进行实 验的仪器、设备和实验材料造价昂贵，有的实验仪器损耗较大，需要经常更新。高等院 校因连年扩招，很难有更多的资金用来添加和更新这些昂贵的实验设备，即使有完善的 较新的实验设备，实验室在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验 的需要。职业院校实验经费少，实验配套的设备和仪器不完善，或是仪器设备陈旧过时。 由于以上多种原因致使学生很难在实验室中学到日新月异的科学技术，学生到实验室只 能“看 实验，而不能亲自“做 实验【2 】。 另一方面，随着计算机技术的发展，和计算机相关的网络技术、远程控制技术、虚 拟现实技术、计算机仿真技术、多媒体技术等也得到前所未有的发展。于是人们提出了 一种新的实验教学方法一虚拟实验室，在各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的 环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实 环境中所取得的效果。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时通过虚拟实 验操作仪器，完成实验。在很大程度上提高了实验教学的质量、缓解了实验教学的压力。 虚拟实验室自应用以来，在教学上取得良好的效果，因此建立健全完善的虚拟实验 教学体系具有重要意义。化学是以实验为基础的一门学科，因此构建化学相关分支的虚 拟实验室不但在学术研究上有一定的意义，而且有很大的实际应用价值。 教学型虚拟实验室的研究多采用纯软件技术来实现，所有的实验仪器和实验材料都 是用软件模拟，并非是真实存在的，整个系统以p c 机为平台，不需要额外的硬件。由 基于i r 谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 纯软件技术实现的虚拟实验具有较高的共享度和较低的实验成本，能提供丰富多样的实 验内容。论文的研究正是以纯软件技术为基础，采用开放式的设计思想来实现红外光谱 虚拟实验室的。 1 2 虚拟实验室与职业教育 培养大批应用型、技能型人才是我国高职教育的目标，对于达到培养目标的具体途 径，目前正在探索和实践中，可谓仁者见仁、智者见智。但无论怎样，培养具有较强动手能 力的人才必须以大量贴近实际的实验、实习、实训教学为基础，而大规模的实验实训基地 的建设是这些实践教学得以顺利开展的物质前提。因而，各高职学校在实验仪器设备和实 验教学管理上都加大了资金和人员投入，纷纷建立实验设备齐全的实验室和实训基地，为 实验教学的开展提供基本保障。即便如此，目前大多数学校的实践教学也远远达不到要 求，存在着各种各样的问题。 1 2 1高职实验教学中存在的主要问题 1 实验开出率得不到保障 实验教学的物质基础是实验设备。实验设备价格昂贵是导致实验开出率低的一个主 要因素，有些设备对于大多数高职学校根本无力购买，还有些设备一个学校购置一台， 资金上已经很困难，要达到学生人人动手做实验的要求几乎是不可能的，结果导致相关 课程的实验基本无法开出，有些勉强开出的实验也由于设备数量严重不足满足不了学生 动手的需求。设备完好率不高是降低实验开出率的又一个因素，实验设备在经过大批学 生使用之后，都会存在不同程度的损坏，而有些损坏是无法修复的，日积月累的结果就 是某些设备已经名存实亡、学生实验时故障频频或根本不能正常工作，使实验效果大打 折扣。对于某些学科的实验，由于实验对工作现场和环境有特殊要求，而学校所能提供 的实验室通常无法再现当时现场环境和现场设备，这些实验也就无法开出。 2 实验效果得不到保障 即使是某些价格不高的设备，由于设备的规格型号千差万别，一般学校也只能选择 配备某一种型号的，一般是同类设备中档次较低的，设备更新换代的速度更是远远不及 实际工作现场设备的更新换代速度，所以设备老化及型号单一情况在学校实验教学中普 遍存在，这一现象导致学生虽然做了实验，但实验效果不高，学生到工作现场后因所使 用的设备与在校实验设备存在差异，所以仍不能马上进入工作状态。实验涉及面窄，缺 乏创造性实验。大多数学校，学生年复一年地在那些固定的实验设备上进行着几乎一成 不变的验证性实验，实验只起到了将课堂知识重复一遍的作用，学生实验积极性不高， 大连理工大学硕士学位论文 实验教学以固定的模式塑造着模型化的学生，造成学生分析和解决实际问题的能力较 低。 3 实验指导得不到保障 学生在实验过程中总会遇到各种各样的问题，然而，由于实验指导教师的数量远远 少于同时实验学生的数量，所以学生实验中遇到的问题往往得不到及时指导，实验过后， 学生和教师离开了实验环境，有些问题又无法解决了。 1 2 2 实施虚拟实验策略，提高实验教学水平 虚拟实验室是计算机技术与仪器技术相结合的产物，提供了一种创新性的实验方法， 它通过计算机及计算机软件构建一个实验室，实现传统实验室的功能，却不需要传统的 实验仪器和设备。8 0 年代末，美国国家仪器公司i ) 提出了“软件就是仪器”的口号， 将日益普及的计算机技术与仪器仪表技术完美结合起来，提出虚拟仪器的概念。应用虚 拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计仪器，方便灵活而且开发周期 短。它不仅降低了仪器成本，更提高了工作效率。随着计算机网络的迅猛发展，虚拟仪 器进入了网络化虚拟仪器阶段，人们通过在网络上由虚拟仪器构造成的虚拟实验室，实 现了远程实验。 ( 1 ) 虚拟实验室的现实作用 开发和应用虚拟实验室，可以从根本上解决现阶段高职学校实验教学的主要问题， 它提供了型号齐全、用之不竭、永远不会损坏的实验设备，并且可以不断地扩充和发展， 传统实验室随着时间的推移，会面临老化和淘汰的局面，而虚拟实验室的功能却是随着 软件维护的进行而不断进步的。 传统实验室学生实验死板、呆滞的现象可以在虚拟实验室中得到解决，学生不仅可 以见到紧随潮流、不断变化的最新式设备，还可以使用这些设备自己设计实验，甚至设 计新的虚拟仪器。克服了实验内容固定的局限性，实验的灵活性和创造性得到了大大提 高，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣，提高了实验效率和学生的创新能力。 随着计算机网络的发展，网络大学、远程教育在我国得到了大力发展，但远程实验 问题一直无法解决，而有了基于b s 体系结构的虚拟实验室，学生可通过i n t e m e t 在任 何地方、任何时间完成实验，还可以在网上提交实验报告，与教师沟通，遇到问题可以 得到教师的及时指导。 虚拟实验室的迅速发展还提供了协同工作支持，位于不同位置的多名学生和教师， 可以通过虚拟实验室协同配合，参与和共同完成一个虚拟实验，为技术和设备的共享提 供了保证。为学校之间的联合教学、科研和技术攻关提供了支持。 基于取谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 ( 2 ) 虚拟实验室的经济效益 虚拟实验室的体系结构决定了虚拟实验室的应用和发展会带来巨大的经济效益。构 建虚拟实验室最主要的投资就是计算机及软件开发费用，大多数学校原本就有很多的计 算机，只要加上合适的软件和较少的硬件就可以构成具有更完善实验设备的现代化实验 室。所以，构建虚拟实验室所需投资远远低于实际实验室的投资额。 实验所需器材种类和数量不受限制，一旦实验室建立起来了，实验设备取之不尽， 用之不竭，同时节省了实验设备更新换代所需的投入，实验设备却能永远保持其先进性、 全面性、完整性。由于学生操作的是虚拟设备，所以不存在由于操作失误所引起的实验 损耗，节省了实验室设备的维修、保养费用。实验室占地少，多种实验可以合并到一个 计算机房，降低了实验室投资。因为虚拟实验室硬件是基于计算机的，而不同学科种类 的实验只需要不同软件的支持，所以各门课的实验可以统一到一个计算机房分时进行。 而且学生可以利用分散在各处的计算机( 包括家、宿舍、图书馆等地) 完成实验。从而， 可以将原来建设大型实验场地所需的投资节省下来，更可以再现复杂的现场工作环境。 ( 3 ) 建立虚拟实验室应采取的策略 建立虚拟实验室需要计算机技术和实验技术的联合支持，虚拟实验室主要靠计算机 软件来实现，但计算机程序设计人员通常不了解其他学科的实验技术，所以构建虚拟实 验室需要多学科协同工作，需要计算机专家和要构建虚拟实验室的学科专家配合完成。 不同学校通常有许多相互重叠的专业和学科，这为虚拟实验室的共同开发和资源共 享提供了条件，要在短时期内开发大量的虚拟实验室，需要各高校联合起来，利用软件 技术和计算机网络实现虚拟实验软件的共享，避免大量重复开发现象。要鼓励虚拟实验 室技术的研究和开发，虚拟现实、人工智能等技术的发展，都为开发高度真实感、智能 化的虚拟实验室提供了条件，这需要计算机人员不断研究虚拟实验技术，将新技术融入 到虚拟实验室中，以开发出可以替代传统实验室的功能更强的现代化实验室。 目前，虚拟实验室在我国方兴未艾，各院校开发虚拟实验室的进程较迟缓，且重复 开发现象较严重，各学校应该联合起来，实现开发过程的联手合作和虚拟实验资源的共 享，这必将促进虚拟实验室技术在我国迅速发展，对提高我国高等教育水平特别是高职 教育水平一定有极大的促进作用1 3 】。 1 3 虚拟实验室及其发展现状 1 3 1 虚拟实验室的含义及分类 ( 1 ) 虚拟实验室的含义 大连理工大学硕士学位论文 虚拟实验室是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法， 是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。在实际的应用中，人们根据不 同的角度和不同的应用范畴给出了相应的定义。 从实际应用的角度来看，1 9 9 9 年5 月，美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家 会议采用的定义是：“虚拟实验室是利用分布式信息通信技术，为研究和创新活动提供远 程协作和实验的一个电子平台”【4 1 。联合国教科文组织( u n e s c o ) 采用己被广泛接受的 虚拟实验室的定义( v i r “1 a ll a b o r a t o 珂，简称v l ) 【5 1 。 从技术角度上来看，虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种 虚拟实验环境，实验者可以像在真实的实验环境中一样完成各种预定的实验项目【6 】。 从功能角度上来看，虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境，它由实验 所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成【7 】o 从教学应用角度上来看，虚拟实验室是教师和相关设计者借助日益发展的计算机 技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使学生可以通过操作计算机来操作自定义的仪 器，对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等，充分利用了最新的计算机 技术来实现模块重组配置，异地实时操作，扩展传统实验仪器的功能，促进教学平台的 适用性和实验内容的先进性【引。 ( 2 ) 虚拟实验室的分类 目前虚拟实验室的分类方法有很多f 9 】【l o 】： 1 单机版的虚拟实验室 、 在本地机上运行，只需要在本地机上安装相应的软件和插件，便可以浏览使用，文 件的大小对运行速度的影响不大。其缺点是：适用范围较小、开放程度不够、不能实现 资源共享和资源的最优化利用。 2 基于网络的虚拟实验室 基于网络的虚拟实验室其结构如下图1 1 所示，构建的虚拟实验室存储在服务器数 据库中，用户通过浏览器从数据库中选取所需要的虚拟实验室，构建属于自己的工作平 台，并根据来自客户机端不同的实验操作请求做出相应的回答【l o 】。 基于瓜谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 f l a s h 构走二维环境 p h pj s pa s p 可虿7 一 后台数据霹 h t l _ l 页面+ 二维场景+ 甩户交互 i e 4 o 以上或 n e t s c a p “o 以上 f l a s h 潮览器 广、 i 、酮n d o w s x pi i、j 客户机端 图1 1基于网络的虚拟实验室结构 f i g 1 1c o n s t r u c t i o np r o c e s sb a s e do nw e b 1 3 2 虚拟实验室的作用 1 弥补远程教学条件的不足：在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教 学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可 以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样 的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 2 避免真实实验或操作所带来的各种危险：以往对于危险的或对于人体健康有危害 的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，从而无法获得 感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则可以避免这种顾虑。学生在虚拟实验环 境中可以放心的去做各种危险的或危害人体的实验。例如，虚拟的化学实验，可以避免 化学反应所产生的燃烧爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误， 而造成“病人 死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造 成飞机坠毁的严重事故。 3 彻底打破空间、时间的限制：利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制。大 到宇宙天体，小到原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察，例如学生可以 进入虚拟发电机厂，考察发电机每个部分工作情况和相互联系，从而了解整个发电过程， 这是电视录像和实物媒体所无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几 十年甚至上百年才能观察到的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈 现给学生观察。 4 可以虚拟人物形象：虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、 医生等各种人物形象，创建出一个人性化的学习环境，使远程教育的学生能够在自然、 亲切的气氛中进行学习。例如，在虚拟的课堂学习气氛中，远程教学的学生可以与虚拟 攀髟 攀 大连理工大学硕士学位论文 的教师、学生一起进行交流、讨论，共同探讨学习中的各种问题，进行协作化学习。再 如，在外语教学中，可以通过计算机虚拟学生到国外旅游的情境，让学生与人交谈，达 到训练学生口语的目的【1 1 】。 5 给用户极大的方便：虚拟实验室能够实现真实实验中的本质过程，甚至允许用户 犯错误；使用户从重复的数据整理中摆脱出来，得到需要的表达结果；多方面刺激用户， 使其具有强烈的印象：好的v l 能够带来美感，促使用户产生更大的兴趣【1 2 1 。 6 远程实验的开放性和共享性使资源的可重复利用率提高：系统组建时间缩短，易 于功能扩展和管理，使学生的实验操作机会增加，实验范围和科目扩大，高新技术在教 育领域内的优势可以充分发挥出来 总之，我们相信，虚拟现实技术作为一个新型的教学媒体，以其自身强大的功能， 在实验教学中有着广泛应用，对未来的教学领域发挥其重要作用。 1 3 3 虚拟实验室的发展 随着计算机和网络技术的飞速发展，计算机技术已经渗透到各个领域，使各个领域 都有了前所未有的成就，通过计算机技术构建的虚拟实验室也得到了很大程度的发展， 成为国内外学者研究的热点【1 3 - 1 4 】【1 5 也0 1 。 1 国内虚拟实验室的发展现状 国内虚拟实验室的开发集中在教学方面，主要依托大学开发( 清华大学、北京大学、 大连理工大学、中山大学等等) ，目前公司也逐渐加入其中。下面以实例的形式介绍其 发展现状。 ( 1 )中山大学的化工原理虚拟实验室( 图1 2 ) 【2 l 】 图1 2 中山大学的化工原理虚拟实验室 f i g 1 2v i r t u a lc h e m i v a je n g m e e r i n g1 a bo fs u ny a t - s e nu n i v e r s 时 基于i r 谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 面向大学化工专业教学，操作简洁，能够满足大批量的教学培训需求。该软件解决 了需要培训的人员多而实验装置少的问题。学员进行不同的操作，同样会产生相应的结 果，起到了真实实验的效果。可以将课堂的原理讲解与实验室装置讲解、使用两部分结 合起来，也为学员的课前预习提供了条件。所有的虚拟设备均采用f l a s h 技术开发，从 而节约实验设各重复投资。其软件交互性强，缺乏实验场景，但其强大的后台数据库的 支持及完善的远程实验教学系统受到了很大的欢迎。 ( 2 ) 清华大学的工程力学虚拟实验室( 图1 3 ) 【2 2 】 阴 幽1 3 清华大学工程力学虚拟实验室 f i g 1 3v i r t u a le n g i n e e r i n gm e c h a n i c s1 a bo ft s i n g h u au n i v e r s i 哆 工程力学虚拟实验室是一个场景逼真的模拟实验教学软件。它参考了众多的工 程实验资料，根据控制理论原理和实际实验所得数据对力学实验进行模拟，界面逼真， 交互性强，内容丰富，不仅可以配合教师作为实验前的预习教学，具有良好的人机交互 界面，也可供学生课余时间的练习使用。其软件采用f l a s h 技术开发，交互性强，缺乏 实验场景，但其强大的后台数据库的支持及完善的远程实验教学系统受到了很大的欢 迎。 ( 3 ) 清华附中网校虚拟实验室( 图1 4 ) 【2 3 j 清华附中网校的虚拟实验室资源内容分为化学、生物、物理三个学科，初、高中2 个阶段。根据不同学科特色和每个实验的学习重点，在虚拟实验室中设计了不同的学习 模块，有实验演示、动手实验、实验探索等。在“实验演示”部分有相应的实验介绍和实 验结论，就像听老师讲课一样，学生从这一部分可以看到实验的整个过程，先进行“看” 的学习。进入“动手实验”部分，学生可以通过鼠标拖动自选实验仪器和药品等，以及 进行仪器安装操作，仪器正确安装后即可顺利进行实验。如果选择、安装不对或实验操 作有误时，实验小助手会有相应的提示，并帮助学生顺利完成实验，这一步是进行了“动” 的学习过程。本软件采用f 1 a s h 技术开发，“动手实验“部分，交互性较强，但是缺乏 实验场景。 大连理工大学硕士学位论文 图1 4 清华附中网校虚拟实验室 f i g 1 4v i r t u a ll a bo ft s i n g h u am i d d l es c h o o l ( 4 ) 大连理工大学化学软件研究中心的化学虚拟实验室系列( 图1 5 ) 【2 4 图1 5 物理化学虚拟实验室 f i g 1 5v i r t u a l1 a bf o rp h y s i c yc h e m i s t r y 面向大学化学教学，按照实际情况进行模拟操作。a n a l a b 的化学虚拟实验室系列覆 盖大学基础化学实验教学，形成了独特的风格，使用最新的a d o b ef l a s h 技术使整个虚 拟实验室场景逼真，交互性能强，假3 d 界面。在国内已经产生了很大影吼并且积极 探索更加智能化、以实现具有多重智能代理技术( m u l t i a g e n t s ) 、语音识别技术( t e x t t os p e a d ) 、场景化角色代理和协同化等多功能的高交互性仿真虚拟实验室。 譬瓣”擒品正行。标药进，鼠和作靴 基于i r 谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 ( 5 )中国石油大学大学物理虚拟实验室( 图1 6 ) 【2 5 图1 6中国石油大学大学物理虚拟实验室 f i g 1 6c o l l e g ep h y s i c sv i n u a ll a bc h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m 面向大学物理实验教学，主体分为3 各部分：基本实验仪器，综合物理实验，虚拟 实验场景。基本实验仪器主要以实物照片为主，加以文字说明，综合物理实验中简单仪 器是n a s h 绘制，复杂的仪器仍然是用照片。实验场景使用录像展示，没有和虚拟实验 融为一体。该虚拟实验室可以进行简单的实验练习。 此外国内的典型范例还有：( 1 ) 山东大学的电工电子虚拟实验室f 2 6 1 ；( 2 ) 中南大学 湘雅医学院虚拟组织学虚拟实验室【2 7 】；( 3 ) 深圳大学生命科学学院的基因工程虚拟实验 室 2 8 1 ；( 4 ) 大庆石油学院电气信息工程学院f 2 9 】；( 5 ) 郑州大学的解剖学虚拟实验室f 5 2 】等 等。 2 国外虚拟实验室的发展现状 国外的虚拟实验室主要以教学培训为目标，参与单位众多，有专业公司长期加入， 覆盖学科面广。学校参与的项目多能得到国家级资金资助，发展十分迅速。另外，国外 对于教学培训类的软件f 包括虚拟实验室) 的奖励评定也有很多，极大地推动了虚拟实验 室的发展。 虚拟实验室最早在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t yo fv i r g i l l i a 的w i l l i 锄w u i f 教授提出 【3 0 1 ，作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开 始就十分重视虚拟实验室的研究与丌发，在该领域的研究和应用已处于领先地位，在大 大连理1 二大学硕士学位论文 学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院w e b l a b 虚拟实验室于1 9 9 8 年开发并投 入使用。 ( 1 ) 美国麻省理工学院开发的m i tm i c r o e l e c t r o n i c sw e bl a b ( 图1 7 ) f 3 i 】 图1 7 美国麻省理工学院微电子网络虚拟实验室 f 嘻1 7m i tm i c r o e l e c t m n i c sw e bl a b 用于微电子学课程，用户界面与c h e m l a b 相似。与其它微电子虚拟实验室相比，功 能更加强大。该软件采用j a v a 编程，2 d 界面。2 0 0 4 年开始，大连理工大学与麻省理工 学院建立了友好合作关系，帮助建立的远程实验系统( i l a b ) 。2 0 0 5 年6 月大连理工大 学建成国内第一个i l a b 实验室【3 2 】，引入微电子器件远程实验室( m i c r oe l e c t r o l l j c s w e b l a b ) ，运用到课堂教学中，近4 0 0 名学生使用。如下图1 8 所示： 图1 8 美国麻省理上学院的i l a b 大连理工大学站点 f i g 1 8l a bo f m i t i n d l u t 基于i r 谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 学生通过上面的人机交互界面可以完成所有实验。 ( 2 ) 牛津大学的化学虚拟实验室( 图1 9 ) 3 3 图1 9 牛津大学的化学虚拟实验室 f 嘻1 9m i tm i c r o e l e c t m n i c sw e bl a b 牛津大学的化学虚拟实验室覆盖面广，包括四大基础化学实验，将图形，3 d 分子结 构，实验录像、操作问答等内容结合在一起形成的。各个模块之间没有相互作用，模块 内部的素材呈现都是直线式的播放。已经形成一个比较完善的教学体系，其操作简便， 便于学生对基础化学知识的掌握。 ( 3 ) h o w a r dh u 曲e s 医学院开发的b i o i n t e r a c t i v e 系列软件( 图1 1 0 ) f 3 4 3 6 】 图1 1 0 生化交互实验室 f i g 1 10b i o i n t e r a c t i v es o f l w a r o 这一生化虚拟实验室由若干实验构成，每个实验都有数个步骤，每一步构成一个场 面。场面内部可以进行一定的操作模拟。用于生物学课程，用户界面非常吸引人。连续 大连理工大学硕士学位论文 获得p i r e l l ii n t e m a t i o n a la w a r d2 0 0 2 ，s c i e n t i 五ca m e r i c a n 杂志的2 0 0 3s c i t e c hw e b a w a r d s 等大奖。该系列还在不断充实。场景切换的方式进行实验，有完整的辅助学习 体系，采用s h o c k w a v e 技术，3 d 界面。 ( 4 )美国杨百翰大学的v i n u a lc h e m l a b ( 图1 1 1 ) f 3 7 图1 1 1v i n u a lc h e m l a b f 唔1 1 1v i r t u a lc h e m l a b 包括无机定性、热量测定、滴定分析、气体性质和量子化学等多个实验，交互式3 d 界面，仿真程度较高，获得p i r e l l ii n t e m a t i o n a la w a r d2 0 0 6 的提名奖。 此外，国外比较经典的虚拟实验室还有( 1 ) m o d e ls c i e n c e 的c h e m l a b 3 8 】；( 2 ) 美国北 卡罗来那大学g r e e n b o r o 分校的l a a p h y s i c s 物理实验室【3 9 4 1 】：( 3 ) 卡内基梅隆大学的 i r y d i u m 项引4 2 j ；( 4 ) v 砌c h e l ( v i r t u a lr e a l 埘i nc h e m i c a ie n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) 实验室 【4 3 】；( 5 ) 德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；( 6 ) 西班牙大学电子系开发了电子 仪器虚拟工作平台；( 7 ) 新加坡国立大学开发了远程示波器和压力容器实验【3 0 】等等。 3 虚拟实验室的发展前景 随着计算机技术的飞速发展，网络的普及，网络教学应运而生，并在教学中发挥很 大作用。网络教学能实现异地实验教学，满足远程教育要求；全面开展实验，实现实验 教学一体化；因此网络虚拟实验室是虚拟实验教学的一个重要发展方向。 1 4 网络虚拟实验室 迅速崛起的现代教育技术把虚拟实验引入到了实验教学中。虚拟实验的应用改变了 传统的教育模式，使得教与学方式发生了革命性的变化。目自，j ，用于实验教学的计算机 虚拟实验软件非常丰富，加上高校计算机及网络资源，为虚拟实验的开设提供了必要的 基础条件。通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象，它不仅 基于m 谱图智能解析的红外光谱v l 的研究 仅能够提高实验教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能 够身临其境地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。 1 4 1 网络虚拟实验室的发展及其特点 网络虚拟实验就是在w e b 中创建出一个可视化的环境其中每一个可视化的物体代 表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。网络虚拟 实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的结合。无论是学生还是教师，都可以 自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。为实验类课程的教学 改革及远程教育提供了条件和技术支持。许多国内外从事实验室工作的研究者们在实践 中还提出这样一些概念：d i g i t a ll a b 、m b l ( m i c r o c o m p u t e rb a s e dl a b ) ，尽管这些名 词不统一，但他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。 ( 1 ) 印地安那州立大学的m b l 化学实验室 该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事，用计算机采集与 分析实验数据，用计算机展示实验，在网上发布相关的实验指导材料。 ( 2 ) 芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室 该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教 材；实验教学时间表；实验测评方法、形式、时间；虚拟实验；相关教学资源的链接等。 他们还用计算机进行实验教学的教务管理。 ( 3 ) 卡罗莱纳州立大学的l a a p ( l e 锄a m y t i m ea 玎州1 e r ep h y s i c s ) 他们利用j a v a 技术建立了基于w e b 的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模 块：基于j a v aa p p l e t 的虚拟实验设备和实验设施；相关的实验课程模块；实验学习结果 评价模块；协作学习模块。 虚拟实验室最大的优点是成本低，效率高。因为“软件即为仪器”，这样就可解决因 实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能开出的实物实验，同时也不会造成因使 用不当，管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失等现象。同时虚拟实验还可以模 拟实验室中没有的设备，而且还可以不受时空的限制方便地进行实验。另外，虚拟实验 室还应具备一些基本特征：与现实的一致性( 或现实的延伸) 、高度交互性、实时的信 息反馈。 1 4 2 网络虚拟实验室体系结构 网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统，网络实 验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间相互联系相互补充，仅具有相 大连理工大学硕士学位论文 对独立性。开发虚拟环境，实现实验仿真应是虚拟实验室建设的核心部分。图1 1 是虚 拟实验室体系结构图。 1 4 3 构建网络虚拟实验室的关键技术 目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的 研究。总结他们所使用的技术，可以看出大多可以划分下面几类： ( 1 ) j a v a 技术 j a v a 是一个广泛使用的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先，作为一种程 序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安全性、并且提供了并发 的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用了网络，j a v a 的小应用程序( 印p l e t ) 可在网络上运行而不受c p u 和环境的限制。另外，j a v a 还提供了丰富的类库，使程序 设计者可以很方便地建立自己的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非 常关键的。 ( 2 ) a c t i v e x 控件 a c t i v e x 技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作a c t i v e x 使用了 微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进