中藥化學的虛擬技術學習方法范文
本站小編為你精心準備了中藥化學的虛擬技術學習方法參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
本文作者：劉洋石任兵劉斌單位：北京中醫藥大學中藥學院
中藥化學是中藥類各專業、各層次教學的主干課程[1]。在此基礎上,中藥化學課程還具有培養學生綜合運用各學科知識和實驗技術解決實際工作問題能力的作用。所以,為適應高等教育面臨的提高學生就業工作能力的新要求,培養全面發展的高素質人才,更應該努力探索新教學方法的引入和實踐,使中藥化學課程的精品內涵更加豐富。
中藥化學課程具有抽象性強、直觀性差等特點,易引起學生的聽課疲勞和理解障礙。多數學生的整體印象就是各種化學結構的漫天飛舞和各種分離流程的鋪天蓋地。筆者通過化學結構式繪制軟件和結構分析軟件,比如Chemoffice軟件包,可使中藥化學成分生成全動態的三維立體結構模型,便于學生學習理解各類化合物,解決了學生對于化學成分結構學習困難的問題。但是,中藥化學成分提取、分離流程的教學內容卻一直停留在理論課紙上談兵、學生實驗課開始階段無從下手的尷尬境地。其原因就在于理論課教學缺少直觀的演示環境,使內容不能在學生頭腦中形成深刻的實驗印象;而實驗教學開始階段學生又不能立即利用理論課知識,將實驗設施合理搭配、組合使用解決中藥化學成分提取分離的實際問題。所以,找到一種好的方法來銜接理論課與實驗課,解決中藥化學成分提取分離內容教學直觀性差的問題具有極其現實的意義,計算機虛擬現實技術可以解決這個問題,引入這個方法進行教學是非常必要的。
二、中藥化學教學中采用計算機虛擬現實技術的可行性
隨著計算機技術的不斷發展,對計算機硬件和軟件要求極高的虛擬現實技術已經可以進入到日常生活中,這種技術應用于教學的技術和成本門檻已經被逾越,使其被引入直觀的互動教學成為可能。
1.中藥化學課程的特點適合采用計算機虛擬現實技術
為解決中藥化學課程中提取分離等內容的直觀教學問題,采用虛擬教學技術就能達到虛擬中藥化學實驗室的程度,讓學生以全3D視角的第一人稱身份從實驗室選取實驗儀器進行組合和流程設計完成藥材提取、溶劑回收、化學成分色譜法分離等一系列工作。對于玩過3D全景PC游戲的學生不需任何培訓,直接就可以用鼠標操作,讓實驗儀器組合使用和流程設計過程和學生充分互動,能達到良好的教學效果。
2.主流計算機的PC硬件平臺可以支撐虛擬現實系統
的正常運行中藥化學課程的教學過程是在學校基礎教學設施的基礎上開展的,采用虛擬現實技術進行中藥化學課程教學不能脫離學校日常采用的PC系統。現在PC的CPU已經發展到多核階段,其運算能力足以應付全3D虛擬現實技術的各方面要求;同時,作為圖形運算單元為主要支撐的GPU也已經開始多核化的嘗試,并且多GPU交火技術的普及已經使全3D畫面達到以假亂真的程度。而且中藥化學課程教學采用的虛擬現實技術根本不用達到大型3D電腦游戲的硬件高度即可良好運行。
3.全景3D第一人稱虛擬現實開發引擎平臺可以輕松
開發中藥化學課程的教學軟件隨著計算機技術的飛躍發展,全景3D第一人稱虛擬現實內容的開發已經逐步向傻瓜化方向靠近,因為現有的虛擬現實內容開發都是在商業化的開發引擎上進行,簡單的內容實現都可以達到不用編程的高可用性上。而且,隨著免費引擎的不斷推出和腳本化編程語言的支持;還可以使中藥化學課程虛擬現實教學系統的開發更加容易。
三、中藥化學教學中采用計算機虛擬現實技術的具體實現方案
1.中藥化學虛擬實驗室的中藥學科特點
中藥化學有關提取、分離等內容的理論課程講授,最理想的情況就是利用多媒體教學硬件資源,采用全3D場景的第一人稱模式進行虛擬教學,讓學生產生身臨其境的感覺，并能和虛擬實驗室的儀器設備互動,并隨時觀察到實驗現象,用以訓練學生利用基礎理論知識解決實際問題的能力,同時防止實驗差錯造成的危險事故。中藥化學虛擬實驗室建設中應注意以下幾方面內容:
(1)以理論知識為指導,虛擬的實驗現象要嚴格仿真實際實驗現象。比如,柱色譜法分離中藥化學成分時的成分色帶特征,因未及時添加洗脫劑造成的色譜柱干涸的實驗失敗現象及減壓抽松過程的發泡現象和抽松后未冷卻而通大氣的抽松物回縮的實驗失敗現象等。
(2)合理使用實驗儀器,仿真提示錯誤操作造成的危險事故和人身傷害現象。比如,有毒有害有機試劑未進行密閉減壓回收造成泄漏的現象,系統應進行提示,并終止虛擬實驗操作。
(3)提供標準化兼容性虛擬實驗儀器設備,鍛煉學生合理搭配實驗儀器、組合實驗設備進行實驗流程設計。比如,提供多種色譜填料和色譜柱及板材,讓學生自由選擇并設計實驗。
(4)同時設計常規實驗室和中試實驗室兩種模式,便于學生根據實驗藥材容量和實驗目的合理選擇;同時也便于學生比較常規實驗和中試實驗的差異并進行常規實驗向中試實驗的合理擴大和轉移。
2.中藥化學虛擬實驗室的3D建模特點根據3D虛擬現實中藥化學實驗室的特點,實驗室建模采用3DSMAX910。
(1)實驗設備建模,比如HPLC色譜儀、薄膜旋轉蒸發儀等常規設備的建模可以直接采用3DSMAX910進行。
(2)玻璃儀器建模,玻璃儀器是實驗室常規用品,采用VRay115RC3渲染器制作。
(3)溶劑流體,采用FumeFX110插件用3DSMAX910進行。
(4)煙霧效果,采用Afterburn312a插件用3DSMAX910進行。
3.中藥化學虛擬實驗室的3D引擎選擇
DassaultSystemes集團的Virtools全系列的3D/VR完整解決方案,目前廣泛使用的是410版。它能創造出如同游戲般高質量的3D互動應用內容,能夠使得非專業人士都能體驗到3D/VR產品和環境,這就為創新程序的所有人員提供了分享三維體驗的工具。
(1)3DSMAX模型轉換成Virtools可導入格式,需要安裝Virtools410ExportPluginfor3DSMAX插件,然后將模型文件及動作文件依次導入Virtools410。具體操作是:在3DSMAX910中安裝插件,建模完成后即可用3DSMAX910的Export命令,導出以/1vmo0為擴展名的Virtools文件,最后在Virtools410環境中導入此文件即可。
(2)3DSMAX模型的編輯,在3DLayout(實時3D編輯器)中對3Dobjects(3D對象)、lights(燈光)、cameras(攝像機)進行導航、創建、編輯、選擇和操作;對3Dentities(3D實體)的Translation(位移),rotation(旋轉),scale(縮放)的操作及作品導航。
(3)交互行為的創建,利用BehaviorEngine腳本引擎用來運行互動應用程序。該腳本引擎可以運行內置或者自定義的behaviors腳本,基本腳本中的Interface(界面)、Lights(燈光)、Logics(邏輯)、Materials-Textures(材質和紋理)、Meshmodifications(模型結構的修改)、Optimizations(優化)、Particles(粒子)、Sounds(聲音)、Shaders(著色器)、Visuals(視覺特效)、WorldEnvironments(虛擬環境)等內容基本可以滿足中藥化學虛擬現實教學的需要,這些只是幾百個行為交互模塊(BuildingBlock)的一部分,豐富的交互模塊極大地提高了構建交互式虛擬世界的效率和質量。
Virtools410可以利用拖放的方式,將行為交互模塊賦予在對象之上,并以流程圖的方式,決定行為交互模塊的前后處理順序,利用這種可視化的交互設計,可以簡便地創作出中藥化學實驗的交互式虛擬教學世界。
