用Flash制作水产学虚拟实验

何玲 许勇 张方玉 刘宇翔 唐誉丹 刘艳艳

摘要：随着计算机技术在实验教学应用中的普及，虚拟实验的作用和优势日渐明显。Flash由于其丰富的交互特性以及强大的ActionScript编程功能可以运用于虚拟实验的设计和开发。本文详细论述了水产学中水域环境测定水耗氧量实验的方法和为其制作虚拟实验的关键技术。

关键词：flash;虚拟实验;水产学;水耗氧量测定

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）08-0267-02

一、虚拟实验室简介

随着信息技术的飞速发展，计算机辅助教学作为现代化的教学方式，已在教学改革中受到高度的重视，使教学水平和教学效率不断提高。其中具有良好交互性的虚拟实验室是信息技术与具体学科相整合的先进的实验教学方式。“虚拟实验室”即在计算机上模拟真实的实验环境和实验过程，学生只要在一台计算机上就可以开展实验。完整的虚拟实验室系统由虚拟实验台、虚拟器材库、虚拟实验项目和基于web的实验室管理系统组成。当然，其中虚拟实验项目是整个系统的核心。使用Flash开发虚拟实验，技术难度适中，功能易于扩展，便于连接后台数据库形成集实验教学系统，因此本系统采用Flash作为虚拟实验项目的开发工具。虚拟实验室可以基于各种学科的搭建。水产养殖学是一门重视实验的学科，但是为了保证实验安全、难度适中、实验材料获取方便，所以目前开设的实验往往相对保守。实验过程一般为：教师准备实验材料→教师讲解→学生操作。这在一定程度上限制了学生的创造性思维，不利于学生动脑、动手能力的培养。学生可以按照实验的基本原理，自己设计实验;教师也可以开设一些前沿的、高危的、材料昂贵的实验;实验可以重复操作，作为真正实验的课前预习环节，提高实验者对实验操作的熟练程度。本文以《养殖水域环境检测实验》中的“水耗氧量测定实验”为例来说明用Flash开发虚拟实验的方法。

二、“水耗氧量（COD）测定实验”的说明

养殖水域耗氧量的测定方法主要以氧化剂的类型来分类，最常见的是重铬酸钾法和高锰酸钾法。高锰酸钾法按溶液介质又分为酸性与碱性。在碱性条件下高锰酸钾的氧化能力不如酸性条件下的氧化能力强，它不能氧化水中的氯离子。所以碱性高锰酸钾法适用于大洋和近岸海水及河口水的测定。一般养殖水体中难以氧化的有机物较少，因此也常采用碱性高锰酸钾法来测定;对于氯离子含量不超过300mg/L的水样可以采用碱性高锰酸钾法。同一水样，由于加入氧化剂的种类及浓度、反应溶液的酸碱度、温度和反应时间等不同，所得的COD值常不相同。因此，化学测定水耗氧量是一个条件性指标，测定时必须指明采用的方法，严格控制实验条件。

1.碱性高锰酸钾法。检测原理：在碱性条件下，水样中加入一定量的高锰酸钾溶液，加热一定时间以氧化水中的还原性物质（主要是有机物）。然后在酸性条件下，用碘化钾还原剩余的高锰酸钾和生成的二氧化锰，所生成的游离碘用硫代硫酸钠溶液滴定。主要仪器：25mL碱式滴定管、250mL锥形瓶、电炉（或电热板等）、移液管、吸量管。主要试剂：NaOH溶液（250g/L）、硫酸溶液（1+3）、碘化钾、硫代硫酸钠标准溶液、淀粉溶液、高锰酸钾储备溶液（0.1mol/L）（称取3.2g高锰酸钾，溶于1.2升水中，加热煮沸，使体积减少到约1升，在暗处放置过夜，若有沉淀出现，取上清液贮于棕色瓶中备用）、高锰酸钾标准溶液（0.01mol/L）：吸取0.1mol/L高锰酸钾溶液10mL，于100mL容量瓶中，用纯水稀释至标线，摇匀。实验步骤：第一步：准确量取50.00mL摇匀的水样（或适量水样加纯水稀释至50mL），于250mL锥形瓶中（测平行双样），加入几粒玻璃珠以防爆沸。加入250g/L氢氧化钠溶液0.5mL，摇匀，用移液管准确加入10.00mL高锰酸钾标准溶液（浓度0.01mol/L），摇匀。第二步：立即将锥形瓶置于覆盖有石棉网的电炉（或电热板）上加热至沸，准确煮沸10分钟（从冒出第一个气泡时开始计时）。第三步：取下锥形瓶，迅速冷却至室温，用量筒或吸量管迅速加入（1+3）硫酸5mL和10%碘化钾5ml，摇匀，在暗处放置5分钟，待反应完毕（剩余的高锰酸钾和生成的二氧化锰与碘化钾反应，释放游离碘），立即在不断振摇下，用硫代硫酸钠溶液滴定至淡黄色，再加入1mL淀粉溶液，继续滴定至蓝色刚消失，记录消耗的硫代硫酸钠的体积V1。两平行双样滴定读数相差不超过0.10mL。第四步：另取50mL高纯水代替水样，按水样的测定步骤，分析滴定空白值，记录消耗的硫代硫酸钠的体积V2。

计算结果：

ρ  = ×8×1000

2.酸性高锰酸钾法。检测原理：样品中加入已知量的高锰酸钾和硫酸，然后进行加热，高锰酸钾将样品中的某些有机物和无机还原性物质氧化，反应后加入过量的草酸钠溶液还原剩余的高锰酸钾，过量的草酸钠再用高锰酸钾溶液回滴。主要仪器：同碱性高锰酸钾法。主要试剂：硫酸溶液（1+3）、高锰酸钾储备溶液（0.1mol/L）、高锰酸钾使用溶液（0.01mol/L），以上试剂同碱性高锰酸钾法。草酸钠标准贮备液（0.01000mol/L）：准确称取草酸钠（Na2C2O4）固体0.6705g，加少量水溶解后，全部转入100mL容量瓶中稀释至标线，混匀。此溶液浓度为0.100mol/L，置4℃保存。使用时稀释10倍，即得0.0100mol/L草酸钠标准溶液。

实验步骤：第一步：准确量取50.00mL摇匀的水样（或适量水样加纯水稀释至50.00mL），置于250mL锥形瓶中（测平行双样），加入1+3硫酸溶液5.0mL，摇匀，用移液管准确加入10.00mL 0.01mol/L的高锰酸钾溶液摇匀。第二步：立即将锥形瓶置于加热板上加热至沸，准确煮沸10分钟（从冒出第一个气泡时开始计时）。第三步：取出锥形瓶，用移液管迅速加入10.00mL草酸钠溶液，摇匀，溶液变为无色。趁热用高锰酸钾使用液滴定至刚出现粉红色，并保持30秒不退色。记录消耗的高锰酸钾溶液的体积V1。第四步：高锰酸钾溶液浓度的标定：将上述已滴定完毕的溶液加热至70℃，准确加入10.00mL草酸钠溶液。用高锰酸钾溶液滴定至刚出现粉红色，并保持30秒不退色。记录消耗的高锰酸钾溶液的体积V2。

计算结果：

ρ  =

×8×1000

三、虚拟实验的动画设计

用flash动画实现虚拟实验应具备三个特点：（1）实验场景逼真;（2）实验过程准确;（3）实验交互性强。以下详述在本设计中是如何尽量实现这三个重要特点的。

1.照片与手绘结合实现动画中的场景、实物设计。为了在动画中真实再现实验室环境，制作动画前，先要拍摄实验室环境照片、实验设备照片、实验材料照片，但是拍来的照片直接用于动画并不能获得很流畅的动画效果，于是，系统实现中，运用了手绘的方式，依据原有照片将实验室环境、实验设备仪器和实验材料进行了重新绘画，使其风格统一，特征突出，线条简洁。

2.用录像记录实验过程，用动画还原实验过程。为了在虚拟实验中不漏掉任何一个实验细节，首先要录制教师的示范实验，然后将实验录像编写成flash剧本。

3.数据反馈交互性和操作交互性。虚拟实验的交互性从两个方面体现：一是实验前后步骤间的数据反馈交互;二是用户操作的交互性。虚拟实验与传统现场实验一样，实验步骤之间的数据和参数具有相关性。通常实验者需要不断根据实验进程对实验数据进行分析判断和处理，从而确定下一步操作的实验参数设置。另一方面，由于每个实验条件不完全相同，因此同一步骤的实验结果数据之间存在差异，且这些差异应该在一定的误差范围内，所以虚拟实验中需要通过实验数据的交互控制技术实现对实验结果的容差判断和检测。这种数据检测体现了虚拟实验系统的智能性特点。具体地来说，虚拟实验中实验数据的交互控制包括：向实验系统输入或选择实验参数或结果，根据不同的实验结果自动设置后续实验步骤;允许实验中设置多次实验，对实验结果进行平均处理，验证实验数据的普遍性;实验过程中反馈信息的呈现策略;等等。操作交互性是影响虚拟实验质量以及学习者学习成效的重要因素，也是衡量一个良好的虚拟实验设计的重要指标。要通过全方位的交互操作设计来增加学习者对实验的兴趣。具体的交互操作方式有：鼠标点击、鼠标拖拽、键盘按键、文本输入。本虚拟实验设计将上述方法进行了综合运用。例如，实验开始前，选取本实验需要的实验仪器，采用了鼠标点击方式选取;将仪器组装起来，要靠鼠标拖拽的方式;实验过程的数据记录采用文本输入的方式进行;滴定值的确定采用键盘方向键的方式逐步逼近。

四、结语

Flash由于其操作简便、矢量图形设计、编程元素丰富、强大的多媒体支持功能以及学习和接触人群广泛，所以基于Flash的虚拟实验的开发深得广大实验开发人员的青睐。但是虚拟实验的设计和开发是多学科结合的综合技术，如界面的艺术设计、动画的三维实现、虚拟实验目的、原理、过程设计等。只有理论和实践相结合才能开发出完整可行的虚拟实验系统。