（应用化学专业论文）基于Director软件的有机化学实验的开发与技术研究.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 有机化学实验存在成本高、周期长，实验中反应物和产物大多易燃，并且 有毒、有害，实验的废弃物难以处理等问题。而利用计算机多媒体技术对有机 实验进行实验过程的模拟，将此用于学生实验前的预习，不仅可以提高学生对 有机化学实验的兴趣，而且可以提高有机化学实验的教学效率。计算机模拟有 机化学实验洁净无污染，不受时间和空间的限制，而且可以模拟一些实验室无 法开设的如危险性较高的实验、高温高压实验等。近几年国内已经出现一些利 用v b 、c + + 、f l a s h 、3 d sm a x 等工具制作的有机化学实验动画课件，但其内 容一般仅局限于有机化学实验的基本操作和简单的单元实验。综合性实验由于 步骤多、仪器装置和操作技术复杂，对其进行完整体系的丌发存在一定的困难， 所以目前国内有机化学实验的教学中还没有一套体系完备、内容丰富的辅助教 学软件。 本课题以有机化学实验内容为主要对象，运用计算机多媒体技术，制作了 基于f l a s h 技术的内容丰富的有机化学实验动画以及与实验有关的大量素材，最 后通过d i r e c t o r 的整合技术完成“计算机模拟实验有机化学实验”软件的丌 发。本文主要介绍了“有机化学实验”软件的设计思想、内容结构、素材制作 以及软件的组装与测试。该软件内容丰富包括有机化学实验教学的基础知识、 基本操作以及综合实验三大部分。其中基本操作中介绍了有机化学实验中常用 到的9 种操作，以单元实验的形式从实验原理、实验演示等方面对其进行详细 讲解；综合实验部分通过7 大类1 9 个有代表性的有机化学实验对有机化学实验 技能和实验知识进行了全方位的表述。软件的重点和亮点是实验过程的模拟动 画。在动画制作过程中以当前流行的积件理论为指导，“真实”再现了实验的操 作步骤、技术和现象。在软件开发过程中主要涉及到f l a s h 、p h o t o s h o p 、d i r e c t o r 等多媒体技术。 通过“有机化学实验”软件开发，对d i r e c t o r 技术在化学教学软件开发中的应 用进行了进一步的研究与讨论，探讨了化学教学中出现的多种素材，如数字视 频格式的文件、二维动画文件、三维交互动画文件、音频文件在d i r e c t o r 中的组 装技术，实现了多种素材的组装，借此可发布成各种不同用途和功能的软件。 本工作对多媒体技术辅助化学教学软件的丌发具有较大的实践意义。 关键词：多媒体c a i 、实验动画、组装技术 武汉理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r es o m ep r o b l e m si no r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n tf o re x a m p l e ，h i g h c o s ta n dl o n gc y c l e ，r e a c t a n ta n dt h ep r o d u c tf o re x p e r i m e n ta r ef l a m m a b l e ，t o x i c a n dh a r m f u l ，d i f f i c u l tt od e a lw i t hw a s t ee x p e r i m e n t b u tt ou s em u l t i m e d i ac o m p u t e r t os i m u l a t ee x p e r i m e n t s ，n o to n l yc l e a nn o n - p o l l u t i n g ，f r e ef r o mt h es h a c k l e so f t i m e a n ds p a c e ，b u ta l s ot h ec o n d i t i o n si m p o s e do nt h o s ew h oc o u l dn o tb ee s t a b l i s h e d a n dw ec a ns h o wi tt ot h es t u d e n t sb yc o m p u t e rp r o g r a m s i nr e c e n ty e a r ss o m eh a v e b e g u nt od o m e s t i cb yu s i n go fv b ，c + + ，f l a s h ，3 d sm a xa n do t h e ro r g a n i c c h e m i c a l sa n i m a t i o ns o f t w a r e ，b u ti t sc o n t e n ti sl i m i t e dt ot h eb a s i co p e r a t i o na n d s i m p l ee x p e r i m e n t a lu n i to fo r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t i ti sd i f f i c u l tt od e v e l o p t h ec o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n ta sar e s u l to fm u l t i s t e p s ，e q u i p m e n ti n s t a l l a t i o n a n do p e r a t i o no ft e c h n i c a l l yi sv e r yc o m p l e x t h e r e f o r e ，t h ec u r r e n tt e a c h i n go f o r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n td o e sn o th a v eas y s t e mo fc o m p r e h e n s i v e ，c o n t e n t r i c h s o f t w a r et os u p p o r t t e a c h i n gi nc h i n a t h i sw o r kt ot h ec o n t e n to fo r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n to ft h em a i n t a r g e t s ，u s eo fc o m p u t e rm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，h a sp r o d u c e dar i c he x p e r i m e n t a n i m a t i o n ，a sw e l la sal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a lr e l a t e dt ot h eo r g a n i c c h e m i s t r ye x p e r i m e n tb y f a l s h t e c h n o l o g y ，a n df i n a l l yt h r o u g ht h ed i r e c t o r t e c h n o l o g yt oc o m p l e t et h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，w ec a l li tc o m p u t e rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t - o r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t i ti si n t r o d u c et h ed e s i g ni d e a ，c o n t e n t s t r u c t u r e ，m a t e r i a lp r o d u c t i o n ，a s s e m b l ya n dt e s t i n go ft h es o f t w a r ea b o u to r g a n i c c h e m i s t r ye x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r t h es o f t w a r ei sr i c hi nc o n t e n ti n c l u d i n gt h e b a s i sk n o w l e d g eo fo r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t ，b a s i co p e r a t i o n ，a sw e l la st h e c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t i nt h ep a r to fb a s i co p e r a t i o nw ei n t r o d u c e d9k i n d so f o p e r a t i o ns t a p l e ，a n dt oe x p l a i ni nd e t a i la b o u te x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n d e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n f o rt h ef o r mo fu n i te x p e r i m e n t ，i n t e g r a t e dp a r to ft h e e x p e r i m e n tw ed i s p l a ye x p e r i m e n ts k i l la n dk n o w l e d g er o u n d l yt h r o u g ht h e7m a j o r c a t e g o r i e sa n d19r e p r e s e n t a t i v ee x p e r i m e n t si no r g a n i cc h e m i s t r ya r e a t h ef o c a l 武汉理工人学硕士学位论文 p o i n ta n dt h el i g h t s p o to ft h es o f t w a r ei st h a tt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n i m a t i o n i nt h ec o u r s eo ft h ea n i m a t i o np r o d u c t i o nf o l l o wt h ec u r r e n tp o p u l a rt h e o r yo f i n t e g r a b l e w a r e ，r e p r o d u c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls t e p s ，t e c h n o l o g ya n dp h e n o m e n a v i v i d l y i nt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tm a i n l yr e l a t e dt of l a s h ，p h o t o s h o p ， d i r e c t o ra n do t h e rm u l t i m e d i at e c h n o l o g y t h r o u g hb yd e v e l o p i n gt h es o f t w a r eo fo r g a n i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t ，w ed o f u r t h e rr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o na b o u td i r e c t o rt e c h n o l o g yt o u s ef o rc h e m i s t r y t e a c h i n gs o f t w a r ed e v e l o p i n g ，f o u n dt h a tt h e r ei sav a r i e t yo fm a t e r i a l si nt h ec o u r s e o f c h e m i c a l t e a c h i n g s u c ha st h ef i l eo fd i g i t a lv i d e of o r m a t ，t h ef i l e o f t w o d i m e n s i o n a la n i m a t i o n ，t h ef i l eo fi n t e r a c t i v et h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t i o n ，t h e f i l eo fa u d i oc a nb ea s s e m b l e d ，a n dt h e nr e l e a s et h es o f t w a r ew h i c hh a sd i f f e r e n t u s e sa n df u n c t i o n s i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo f m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya s s i s t e dc h e m i c a lt e a c h i n g k e y w o r d s ：m u l t i m e d i ac a i ，e x p e r i m e n t a la n i m a t i o n ，a s s e m b l yt e c h n o l o g y 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：鸯釜 日期丝：2 ：五j 2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：丝鏊导师( 签名) ：盗醐出 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理上人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 计算机多媒体技术辅助化学教学的发展 随着计算机多媒体技术的发展，多媒体技术越来越多地介入到课堂教学中， 为全面实施以及培养学生创新精神和实践能力为核心的素质教育提供了物质技 术条件【l 】。通过多媒体教学手段，可以形象地展现出微观世界的原子、分子等 物质的内部变化和发展过程，使抽象的概念、理论形象化、具体化；使危险性 大、反应时间长、实验现象短暂、课堂难以演示的实验较容易地展示在学生面 前，便于学生认识和理解。运用多媒体教学手段，可以超越时间和空间、静止 和运动、语言和形象的障碍，变微观为宏观、变静态为动态、变抽象为形象， 有利于降低教学难度。如果教师合理地将多媒体课件融入到课章教学中，可以 进一步突出重点，突破难点，把化学教学设计得更加完善，激发学生的学习兴 趣，促进学生的理解、记忆，从而提高化学课堂教学效率。多媒体技术的恰当 运用，对解决教学难点有独特价值，值得深入研究。 国外计算机辅助化学教育起步于2 0 世纪6 0 7 0 年代。这个时期是计算机多 媒体技术初始阶段，当时的计算机属于大型设备，数量有限，主要运用于科研 机构、军事领域，在大学中的使用是一种奢侈品。由于计算机硬件性能不高， 软件种类和数量也很少且功能比较单一。因此，这一时期的计算机辅助化学教 育主要是探索利用计算机程序辅助化学教学的方法和途径。辅助化学教育的c a i 软件很少、很不成熟，缺乏图形、动画和人机交互，在本质上只是用显示屏代 替黑板f 2 1 。 2 0 世纪8 0 年代，个人计算机、计算机图形化操作系统及i n t e m e t 网等相继诞 生，计算机硬件技术也逐渐成熟，这些都为化学教育信息化的发展提供了强有 力的保证。计算机辅助化学教育从此变得丰富多彩、生动逼真，全世界形成了 计算机多媒体技术辅助化学教学的第一次改革。1 9 8 3 年的第七届国际化学教育 会议( 7 mi c c e ) 上，美国密歇根大学m o o r e 教授和美国化学会化学教育分会的w a r e 教授设计了一个s e r a p h i m c h e m c o m 交错项目( s c i p ) ，进一步探索了计算机 辅助化学教育的可能性【3 】。1 9 8 5 年8 mi c e e 会议第一次将计算机时代的化学教育 武汉理 人学硕十学位论文 作为大会的主要议题【4 】，计算机在化学教学中的应用正式提上议事同程。会上有 约6 0 篇论文及一些相关成果的演示和陈列，集中展示了计算机特别是c a i 技术在 化学教育中的应用【5 】。1 9 8 9 年1 0 mi c c e 大会的主题是“怎样在教化学、学化学、 教学评估、教学研究及研究成果的应用等方面求得最优化”，计算机辅助教学是 大会专题讨论的主要议题之一【6 】。1 9 9 1 年1 1 mi c c e 大会演示了加拿大滑铁卢大学 开发的一系列普通化学计算机软件1 7 】，引起了与会者和大学化学教师的广泛关 注。1 9 9 2 年的1 2 mi c c e 会议，与会者热烈讨论了辅助教学手段从黑板加粉笔到 视听设备、计算机软件和多媒体的演变过程和效果，以计算机技术为工具的化 学教学方法改革和教学手段的现代化越来越受到化学界的高度重冽引。 在整个8 0 年代初期，计算机辅助教学在我国处于准备实施阶段。由于我国 的c a i 起步较晚，加之硬件设备和理论基础相对薄弱，因此可以说在这之前的计 算机辅助教学几乎是空白【9 l 。8 0 年代中后期，随着在对国外计算机辅助教学初步 了解，一些有条件的地区和学校丌始配置一定数量的微机。这个时期我国的计 算机辅助化学教学处于使用幻灯、投影阶段1 1 。 自1 9 9 4 年以来，随着i n t e m e t 网丌始大规模的使用，计算机多媒体技术和网 络技术的渐趋成熟，形成了计算机辅助化学教学迎来了第二次改革，多媒体远 程教育成为计算机辅助化学教育的主要方向。1 9 9 4 年在波多黎哥召开的1 3 m i c c e 会议重点讨论了2 1 世纪的丌放大学、化学的远程化学教育和自学以及化学 教师的继续教育等问题，并通过“高科技在化学教学中的角色”等一系列报告和相 关活动为化学教师的继续教育提供了指南1 1 1 1 。1 9 9 6 年1 4 曲i c c e 大会展示了 s o u n d e r s 学院出版的普通化学多媒体光盘，与会者普遍认为，2 l 世纪的课堂 是多媒体课堂。同时，t v 教学软件在形象化教学、提高学习兴趣和继续教育中 仍占有举足轻重的作用【1 2 j 。在1 9 9 8 年1 5 mi c c e 大会上，拉哥斯奇( j j l a g o w s k i ) 教授和竹内芳美( y t a k e u c h i ) 教授分别做了题为“远程学习在化学教育中的作用” 和“虚拟化学教育i n t e m e t 中新颖的教学素材”的主题报告i ”一4 。，探讨了化学 教学中的远程教育与多媒体教育问题。 1 9 9 4 年至9 0 年代未，我国的计算机辅助教学也进入了快速发展阶段。拥有 计算机的学校越来越多，全国掀起了学微机、用微机的高潮，这位辅助教学的 发展提供了很好的契机。在计算机辅助化学教学方面，高等院校起了带头和主 力作用。在1 9 9 4 - 2 0 0 0 年间，在全国高校内开发出了一批计算机辅助化学教学 软件。如南开大学化学系开发的“化学元素周期系”i l5 ，暨南大学化学系开发的“碳 武汉理l 人学硕士学位论文 水化合物m c a i ”【1 6 】，浙江大学化学系开发的物理化学实验多媒体a c i ”等，在 全国高校内引起了广泛的反响，激发了大学化学教师从事多媒体辅助化学软件 的开发兴趣。 2 0 0 0 年1 6 mi c c e 会议的主要议题有“化学教学中的多媒体技术”、“通过 i n t e m e t 的远程教育的国际化”以及“通过远程学习的在职教育”等【1 8 l ，全面探讨了 化学教育的多媒体化和网络化问题。而2 0 0 2 年的l7 mi c c e 会议则安排了 “i n t e m e t 、计算机和化学”以及“化学教育中的现代技术”等多个议题，竹内芳美 ( y t a k e u c h i ) 教授和我国的申泮文教授分别作了题为“化学教育是否应该和可能 通过i n t e m e t 实现全球化”和“大学化学教学用的计算机多媒体课件”的专题报告 i l 引。针对人们在有关计算机辅助化学教育认识上出现的偏差，2 0 0 4 年的1 8 mi c c e 大会深入探讨了计算机辅助化学教育的利弊及对策。会上牛津大学彼德阿特金 斯教授做了题为“信息的挑战”的专题报告，指出“计算机是化学教育最重要的辅 助手段”，但“不恰当的运用将会导致严重的后果”【2 们。 目前，国际上己涌现出了许多颇具影响力的辅助化学教育的w e b 网站、化 学论坛、网络课程、多媒体辅助化学教育课件和软件，如牛津大学化学系“在线 化学”化学教育网站( c h e m i s t r yo n l i n e ) ! 列】、加拿大l e w i sm e d i a 公司制作的化学 论坛( c h e m i c a lf o r u m s ) 担引、麻省理工大学丌放教育平( o p e n c o u r s e w a r e ) _ li 均 化学网络课程系列1 2 引、美国m o d e l s c i e n c e 公司研制的c h e m l a b 交互式化学实 验模拟软件【2 4 】、南开大学的化学元素周期系多媒体教科书软件2 5 1 、武汉理 工大学的晶体结构基础多媒体教学软件【2 6 j 等，为化学教育的改革作了许多 有益的尝试。 1 2 计算机多媒体技术辅助化学教学的优势与特点 随着计算机多媒体技术和网络技术广泛应用于辅助教学后，化学教学象打 开了一扇知识广阔的数字化信息的大门。各种多媒体化学素材、化学工具软件、 化学教学平台、化学教育网站以及化学论坛为化学教育提供了丰富的学习资源、 学习手段和交流平台。而i n t e m e t 网的广泛使用又将全世界丰富的化学化学教育 资源联系在了一起，是化学教育不再局限与一本书、一个课堂、一所学校，而 是形成了一个遍布世界的化学教学网。 与传统的教学方法手段相比，计算机多媒体技术辅助化学教学具有以下三 武汉理下大学硕十学位论文 个特点： 第一，多媒体课件丰富多彩，图文并茂，有声有色。多媒体技术可以同时 将图像、声音等多种媒体综合起来，给人感官的刺激更深刻，而且多媒体教学 时提供的外部刺激不是单一的刺激，而是多种感官的综合刺激，是学生接收同 一事物时眼耳并用、视听结合，这样构成的形象更完整更具体，还可以以多种 形象存储于大脑中。由于对同一事物有图文声像的多种形式信息的储存，其知 识从大脑中提取时因有多项关联着的记忆而更快捷，记忆更容易被唤醒。而且 多媒体对学生产生的一定强度的刺激，不仅吸引了学生的“有意注意”，还充分 引起了“无意注意”，教学中可利用交替的“有意注意”和“无意注意”，提高学生 的学习效率。因此，这种教学手段更加符合学生学习和认知事物的规律，促进 学生对知识的理解、掌握，从而提高教学质量。 第二，微光放大，宏观缩小，化抽象为形象。多媒体技术可以对化学中难 以观察清楚的现象、跨越时空的事物，不易实现的实验等进行处理和图像输出， 在屏幕上实施微观放大，宏观缩小，动静结合。有些化学的概念和原理高度抽 象，物质的围观结构即看不清也摸不着，单靠语言文字的描述，很难是学生充 分理解，而多媒体在揭示化学世界的微观实质、展示化学思维的形成过程、描 述化学概念的形成和发展方面有独到之处。如对一些普通实验条件下无法实现 或无法用肉眼观测到的现象，可以用多媒体技术生动直观的展现在学生面前， 是深奥的理论具体化、形象化，以便于学生理解掌握。 第三，动态描述，反复操作。多媒体技术可以为学生观察无法直接观察的 微观现象或危险性较大的活动提供方便；其图像或声音资料可以反复播放，从 而为学生的学习提供反复观察、反复练习的机会，加深对所学知识的理解和认 识。化学课章教学中，若能正确的选择并适时地运用多媒体，不仅能引起学生 浓厚的兴趣、拓展其空间想象，而且可以加深学生对事物本质的理解和掌握， 从而达到讲解、传授、突破知识难点的作用。 1 3 国内外实验化学软件的研究现状 多媒体技术产生于上世纪6 0 年代后期，由于国外的计算机技术发展较 早，计算机技术运用于化学实验教学也较早，化学实验的模拟早在8 0 - - 9 0 年代就已经有过报道。目前国外关于实验软件的丌发方向主要集中在网络虚 4 武汉理工大学硕士学位论文 拟整体实验室系统田l 和以辅助课堂教学为主的小型具体交互实验的开发上 2 8 1 。近年来，前者网络整体虚拟实验室已经对科学研究，教育培训等领域产 生了越来越重要的影响，咀美国为例；1 9 9 8 2 0 0 6 年间，美国国家科学基金 会( n s f ) 资助了多个虚拟实验室研究项目，最多的投资达到4 亿美元，比 较少的也有一两百万美 2 9 - 3 “。而后者具体交互性实验的开发，主要是围绕着 教师课堂上讲解的知识难点来进行的。这种类型的实验，开发规模小，开发 周期短，它们的最大优点就是基本上实验中的每一步操作都必须由交互来实 现，只有在使用者给出动作指令，实验才能进入下一步实验环节中。这种小 型实验软件的开发能够使学生在使用过程中，充分了解实验原理，实验步骤 等一些重要的与实验相关信息。 日前，国外有很多大学和大型的多媒体公司都在从事实验软件的开发和 研究工作，特别是一些著名的大学和虚拟实验室研究系统，已经建好并投入 使用的实验软件也有不少，下面介绍一些著名的化学实验软件的使用领域及 功能。 ( 1 ) 由美国m o d e ls c i e n c es o f l w a l e 公司所开发的c h e m l a b m l ( 如图1 - 1 ) 图1 ic h e m l a b 1 9 9 4 年美国m o d e ls c i e n c es o f t w a r e 公司首先推出了第一版c h e m l a b ，目 前此软件已经发展的比较完善。由于这款实验软件推出较早，所以当时它产 生的影响很大。在此软件内可阻进行多个化学实验，例如：酸碱滴定、沉淀、 i 训蒯一卟旧把酉 武汉理工大学硕士学位论文 反应动力学、比重测量等。而且使用者可以根据需要自己编订实验内容、实 验步骤，并且通过m o d e ls c i e n c e 的网站进行实验的发布。虽然该实验软件是 二维界面，但整个软件的交互性很强。它是由m o d e ls c i e n c es o f t w a r e 公司 独立开发运作的。 ( 2 ) h o w a r dh u g h 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1 3 3 划1 ( 如图 1 2 ) 幽】- 2 生化交互实验室系统软什 h o w a r dh u g h 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，主要用于生物化 学课程的学习。该软件已经连续获得p i r e l l i i n t e r n a t i o n a l a w a r d2 0 0 2 ，s c i e n t i f i c a m e r i c a n 杂志的2 0 0 3s e i t e c h w e b a w a r d s 等大奖。在实验系统中加入了虚 拟人物，用户界面为三维界面，在实验的模拟效果上更加逼真。在模拟实验 过程中采用场景切换的方式进行，而且有完整的辅助教学体系，并且该系列 软件还在不断的扩充完善。 ( 3 ) 美国杨百翰大学的v i r t u a l c h e m l a b 口”( 如图l 一3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图i 一3 v i r t u a lc h e m l a b 武汉理：j ：人学硕士学位论文 该实验系统软件中含有各种仿真实验设施其中包括学生在实验室很少 使用的或危险的实验药品，通过与鼠标的交互在计算机内进行模拟实验。实 验内容包括无机定性、热量测定实验，滴定分析、气体性质和量子化学等多 个实验，用户界面是三维界面，仿真程度较高。 ( 4 ) 美国e u d c y p e d i a 公司制作的配合课堂教学的交互式实验1 3 6 j ( 如 图1 4 ) 。美国e u d c y p e d i a t 3 6 】公司是一个大型多媒体公司，主要开发有关 科学和教育方面的c a i 软件，其中有关化学方面的c a i 软件更是种类繁多。 该公司所丌发的化学实验软件主要配合教师的实验课堂教学，该系列软件是 强调实验步骤的操作，交互性很强。实验主要包括酸碱滴定实验，原电池反 应，电位测定等单元实验。 除了以上介绍的比较著名的实验系统软件以外，还有英国牛津大学的化 学v l l 3 7 1 ，苏赛克斯大学的v e s t 一l a b 【3 8 】和意大利的n e p t u n ec o n s o r t i u m 计 划【3 9 】等等化学实验系统软件的研究。国外的实验系统软件整体来说发展很 快，并且很多系统都已经与网络相结合，实现了实验软件的在线使用和资源 共享，这些方面值得我们借鉴。 与国外高速发展的辅助实验教学软件开发的现状相比，国内的整体开发情 况相对落后，其主要原因是国外采用高等学校与大型多媒体公司共同开发的模 式，而国内实验软件的开发主要集中在少数有条件的高校中( 清华大学，北京 大学，大连理工大学，中山大学，武汉理工大学等) ，当然也逐渐有些多媒体公 司加入到了开发队伍中来，但还没有形成规模。由于目前国内的整体开发技术 水平较低，软件的智能化和网络化程度不高，所以这些实验软件目前没有用于 科学研究，主要从事辅助教学。下面以具体实例来介绍国内研究现状。 ( 1 ) 由大连理工大学化学系丌发的物理化学实验系统软件【4 0 】( 如图1 5 ) 武汉理l 人学硕士学位论文 图1 5 物理化学模拟实验 大连理工大学开发的物理化学实验室系统系列，主要面向大学化学教学。 该化学实验室系统软件基本上覆盖了大学物理化学基础教学，形成了独特的 风格。主要采用f l a s h 技术布置场景，实验过程中可以进行场景切换，实现 了一些简单的交互性操作。由于起步较早，涉及的内容较广，在国内已经产 生了一定的影响。 ( 2 ) 金华科公司的仿真化学实验软件l ( 如图1 6 ) 幽i 6 仿真化学实验软什 武汉理工大学硕士学位论文 金华科公司制作的仿真化学实验软件是专门针对中学化学教学的，该软件 在计算机中提供了一个虚拟的化学实验室。其实验实现过程与c h e m l a b 软件相 似，学生根据软件内提供的实验步骤进行试验装簧的搭建，药品的添加。该软 件能够处理药品之间反应，实验内容包括用n a o h 中和滴定h c i 溶液，分析醋 酸纳的水解反应等。 ( 3 ) 北京东方仿真控制技术有限公司开发的化工原理仿真实验软件【4 2 】 ( 如图1 7 ) ；墨疆盘 刍国军! 母- j i 图i 7 化工原理仿真实验软件 该软件主要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。学生可以在软件中对同一个实验进行不同的操作，它会产生相应的结 果，起到了“真实”实验的效果。软件可以包括课堂的原理讲解与实验室装置讲 解、使用两部分内容，方便学生的课前预习和课后复习。开发过程中采用了模 块化开发技术和标准的a c i t v e x 技术，便于软件的升级和维护。 ( 4 ) 天津工业大学开发的有机实验单元操作模拟软件( 如图1 8 ) 翦圆酽 武汉理上大学硕士学位论文 凹i - 8 分馏实验界面 由天津工业大学材料科学与化学工程学院化学实验中心所开发的有机实验 单元操作模拟软件，其内容主要包括了有机化学实验中的回流，蒸馏，分馏等 1 0 单元实验。每个单元实验中分成实验步骤，注意事项，操作过程等方面对实 验进行介绍。该软件以三维空间柬布簧场景，立体效果较好。而且其内容对于 有机化学实验的单元实验来也比较丰富。在此软件中也涉及到了有一些的交互 操作，但是进行交互操作的限制条件太多，并且有些单元实验的操作存在不规 范的现象。 ( 4 ) 大连理工大学化学系的大学开发的简单蒸馏实验室h “( 如图i - 9 ) 。 蒸馏实验是有机化学实验中的单元实验，由大连理工大学开发的这个蒸馏实验 系统软件，对蒸馏实验的操作过程，步骤，以及蒸馏实验所涉及到的知识都有 详细的介绍，在实验过程中的每一个实验步骤都是需要使用者手动完成的，交 互性强。虽然在此软件中只能进行蒸馏实验，但该软件在国内有机实验辅助教 学软件中很有代表性。当然此软件也存在一定的缺点，如在交互过程中必须按 照其要求的某些特定的实验步骤顺序来进行，使实验操作存在局限性，并且在 该软件系统内制作的实验仪器等二维动画资源就只能在蒸馏实验中使用。 武汉理1 。大学硕十学位论文 图1 9 简单蒸馏实验 除了以上介绍的模拟实验软件以外，国内还有很多具体实验原理，实验现 象，实验操作等方面的实验系统。虽然它们规模较小甚至不能称之为软件，但 是在教学过程中也做出了的贡献。 1 4 本工作主要任务 目前国内开发的绝大部分有机化学实验软件内容单一，交互性不强最突 出的问题就是资源利用率低。总体来看，出现这种情况的主要原因是国内从事 实验软件开发人员的整体水平较低，多以部分化学教师为主，缺少从事大型多 媒体化学教学软件的开发团队，大型的实验软件的丌发没有受到足够广泛重视。 本工作的主要任务包括软件素材制作、软件组装与测试。在软件丌发中涉 及到的素材，主要包括以下四个方面。 第一，文本素材制作。在实验文本素材方面主要包括2 8 个实验的实验目的、 实验原理、仪器药品中的文本素材、操作要点以及软件基础知识中的实验室规 则等。 第二，图片素材制作，其内容主要包括对已有图片的处理和新图片的制作。 武汉理工人学硕+ 学位论文 对已有图片的处理包括实验动画中用到的数码照片、综合实验部分的表征图等。 新图片的制作主要包括软件两级界面中的背景图片、按钮等，实验部分的装置 图等。 第三，动画素材制作。其主要内容包括四个方面，( 1 ) 9 个单元实验和1 9 个综合实验的实验过程动画( 这罩需要说明本人在这部分的动画制作过程中这 主要是对所有动画的后期修改) ；( 2 ) 1 9 个综合实验的介绍性动画；( 3 ) 1 9 个 综合实验的流程动画；( 4 ) 软件导航界面中的按钮动画。 第四，音频素材制作。其主要内容包括两方面，( 1 ) 实验动画的音频文件； ( 2 ) 软件的背景音乐。 由于“计算机模拟化学实验有机化学实验”软件作为辅助有机化学实验 教学的软件，对教师和学生有着不同的功能，所以在软件的整体设计上应充分 考虑两类使用者的需求。例如软件中“实验流程”部分的制作便于课堂上教师对 实验过程的讲解，“实验演示”部分的制作主要是给学生在课前对实验有一个整 体的认识，课后对实验过程中的知识进行进一步的理解掌握。由此可见，在软 件开发过程中一定要面面俱到，才能使软件j 下真起到辅助教学的作用。 武汉理l ：人学硕十学位论文 第2 章多媒体有机化学实验软件的总体设计 2 1 软件总体设计 2 1 1 软件设计的思想 随着有机化学学科的迅速发展和有机化学实验技能的改进，以及教学改革 的不断深入，不同学校的不同专业对有机化学实验的要求也发生了不同程度的 改变【4 3 1 。在新的历史时期，大学有机化学实验课面临新的机遇和挑战。随着科 学技术的飞速发展，学生的普遍素质提高、成长环境发生了根本性的变化，大 学有机化学实验的教学也必须做出相应的改革，才能更好的服务学生，提高教 学质量4 副。 计算机多媒体技术的发展为教学提供了新的方法和手段，可以提高教师的 课堂效率，同时使课堂教学生动有趣，易于学生掌握比较抽象的知识1 4 引。“计算 机模拟化学实验有机化学实验”软件就是在这样的背景下进行开发的。本软 件的开发对于提高学生的实验操作技能，培养学生独立实验能力、创新能力有 极其重要的意义，主要对以下四个方面进行说明： 第一，提高学生的学习兴趣，使重视有机化学实验。与其他化学实验相比， 有机化学实验具有仪器多种多样、实验装置复杂、操作繁琐、实验周期长、反 应复杂、现象变化不明显、有毒性、污染性和危险性等特点。以上这些方面的 原因使有些学生对有机化学实验存在排斥和畏惧心理。本软件主要采用多媒体 动画来模拟实验过程，使学生在实验之前对整个实验有一个新的认识，从心里 上消除他们对有机实验的“阴影”。 第二，加强基本操作技能训练，培养解决实际问题能力。本软件注重对有 机化学实验中的基本操作技能的动画制作。基本操作技能是有机化学实验的基 础，它对于培养学生的实验技能，掌握有机合成与分离的方法有重要作用。其 中基本操作技能包括重结晶、蒸馏、分馏、萃取等，主要采用单元实验操作来 完成，使学生能够熟练掌握这些操作和装置的特点及注意事项。这些基本操作 保证合成实验和综合实验的顺利完成，同时又培养了学生解决实际问题的能力。 1 4 武汉理j 二人学硕士学位论文 第三，改进实验内容，加强综合设计型实验。综合设计型实验主要为综合 性实验，这些实验主要由多步有机合成实验构成。在实验过程中，充分利用了 以前所学过的知识内容，并且有助于启发学生的创新能力、学习自主性。本软 件能够起到课前预习和课后复习的良好效果，对于巩固学生所学习的理论知识 和实验技能的提高有突出作用。并且本软件符合了国内有机化学教学中提出的 绿色化学的要求。 第四，改进了传统的教学方法，加强学生学习的主动性。“有机化学实验” 软件与有机化学实验的课堂教学不同。软件对于学生来说，使每个学生在学习 过程中独自拥有一个“教师”，并且可以与“老师”面对面进行交流，根据自己的 学习情况，在学习过程中有的放矢，提高了学生学习的主动性。软件对于教师 而言，虽然减轻了课堂上的教学压力，但卸提高了教学质量。 综上所述，“有机化学实验”软件的开发是能够很好的辅助教师进行课堂教 学以及学生的课下学习，它是多媒体技术与有机化学实验教学共同发展的产物。 2 1 2 软件内容 根据大学有机化学实验教学过程束制作“有机化学实验”软件。软件内容共分 为三大部分。 第一部分，有机化学实验基础知识。这部分的内容一般都是在有机化学实验 课的第一节进行的内容，主要包括实验室安全知识、三废处理、安全事故处理 等。这是学生在进行实验前必须学习的实验室常识知识，对学生在进入实验室 以后的工作以及处理紧急发生的情况有很大的帮助。在本软件中，也将这一部 分的内容作为构成软件不可缺少的一部分。在第一部分内容中还增加了常见仪 器这一块内容，在进行化学实验之前对常用的机化学实验仪器和装置进行介绍， 为后续实验的开展做了充分的准备工作。 第二部分，有机化学实验基本操作。这部分的主要内容是对应有机化学实验 课课堂教学前几课的内容，主要是向学生介绍有机化学实验中的基础操作，即 在综合实验中常用到的典型操作，主要包括重结晶、蒸馏等9 个单元实验。对 于这些实验的实验过程的表述，也是将这些基本操作放置在一个具体的实验之 中进行讲解的，例如将在讲述常压蒸馏操作时，用对工业乙醇的常压蒸馏来讲 解实验的操作过程。 第三部分，有机化学实验综合实验。这部分的主要内容就是利用有机化学的 武汉理丁人学硕士学位论文 理论基础和基本操作结合，对所需产物进行多步合成、分离和提纯。在软件中 共包括7 大类1 9 个大型综合实验( 如图2 1 ) ，所选择的综合实验在实验技能和 理论知识上对有机化学实验进行了全方位的表述，构成了完整的有机化学实验 体系。通过这些综合实验，学生可以在此基础上进行扩展性实验。 2 1 3 软件开发流程 图2 1 综合实验内容结构图 软件的开发过程一般分为以下六个阶段：需求分析、确定内容、软件实现 方案、素材制作、组装与测试、软件的升级与维护( 如图2 2 ) 。 第一阶段：需求分析。 软件的需求分析主要是确定软件需要制作的大概内容以及功能。本软件主 要根据有机化学实验教学的需要，开发一个关于计算机模拟有机实验及相关知 识的软件。本阶段的主要任务就是确定软件要丌发的功能模块，讨论实验模块 功能的解决方案和现成能利用的资源，对有模拟机化学实验软件的开发进行前 期的调研工作。在进行需求分析时一定意识到本软件是面向进行化学教学的老 1 6 武汉理。i ：人学硕士学位论文 师和自主学习的学生，所以在设计时要考虑使用者计算机操作的熟练程度。同 时还要考虑作为辅助教学性软件，在素材与界面的制作方面要适合课掌教学。 第二阶段：确定内容。 本软件主要用于有机化学实验的辅助教学，所以在有机实验的选择上一定 要具有有机实验中的共性和个性，保证有机化学实验的体系完整性。通过筛选 最后确定内容包括9 个常见操作即单元实验和1 9