虚拟化学分子实验室的设计与实现

摘要：本文提出了一种基于3D和VIRTOOLS的化学分子实验室的设计模型和实现方式。该系统模拟的宏观分子世界为用户提供了更加完善的学习平台，弥补了分子教学和实验的不足。

关键词：VIRTOOLS　虚拟化学分子　专家系统　智能评价

化学是一门以实验为基础的学科，分子结构的教学历来又是化学教学的难点，目前已经有很多高校和研究机构利用虚拟实验室解决化学分子结构教学的问题。这些虚拟实验室的特点可归纳为：友好的用户操作界面；模拟分子结构；有些可将分子模型应用于网络的传输和显示；有些可观察分子随参数动态变化的情况。但上述虚拟实验室都只是简单地以二维或三维的形式展示分子结构，并没有为用户创造一个实验探究的虚拟场景，也没有设计实验解释和结论的教学环节，不能引发学习者的反思和探究，难以达到预期的学习效果。

鉴于此，本文提出了一种基于虚拟现实技术的化学分子实验室的设计模型和实现方式。该系统基于VIRTOOLS平台，通过建模技术实现了虚拟化学分子结构展示功能；利用动画技术实现了虚拟化学分子动态合成与分解功能；结合专家系统的设计思想和脚本语言VSL技术，解决了虚拟化学分子组装及智能评价问题，保证了系统的功能性和易用性。系统模拟的宏观分子世界为用户提供了更加完善的学习平台，弥补了分子教学和实验的不足。

一、系统架构与功能

1.系统架构

基于VIRTOOLS和3D技术的虚拟化学分子实验室采用C/S网络架构。虚拟化学分子实验室架构包括客户端、服务器端和数据库。客户端只需在本地主机上安装VIRTOOLS Web Player播件，通过基于VIRTOOLS的服务端程序，便可直接访问虚拟化学分子实验室。服务器端主要包括一个能完成化学分子实验的平台，通过基于VIRTOOLS的数据库操作程序便可访问到数据库。数据库包含了实验必需的原子模型数据库、分子模型数据库以及评判标准数据库。原子模型数据库存储组装分子需要用到的各种原子模型，供不同实验调用，最终使原子数据库的原子模型达到良好的重用效果；分子模型数据库存储展示的分子模型；评判标准数据库存储分子键长和键角的信息，作为评价用户组装分子的标准。

2.系统功能

虚拟化学分子实验室包括分子结构展示、虚拟化学分子动态合成与分解、虚拟化学分子组装及智能评价三大模块。分子结构展示模块演示出常用极性分子和非极性分子的微观3D构型，学习者可以在虚拟环境中从多维度观察肉眼无法看到的分子结构，使抽象的知识直观化、形象化，从而清晰地认识分子结构的特点；虚拟化学分子动态合成与分解模块宏观模拟了分子合成与分解的微观动态过程，使学习者在观摩过程中思考分子合成与分解的规律和特点，培养学习者分析、解决问题的能力；虚拟化学分子组装及智能评价模块提供虚拟环境，供用户组装分子，并进行智能评价，及时反馈信息，让学习者在动手构建分子模型的过程中自主了解分子结构的基本特点。

二、虚拟化学分子结构展示功能的设计与实现

建立分子模型，主要有三种建模方式。

1.角度捕捉法

该方法可用于建立原子共面的分子模型。先采用角度捕捉的方法确定分子键角，再调整分子键长即可建立正确的分子模型。

2.阵列法

此法可用于建立所有原子都在正多面体表面的分子模型。如建立NH3分子的球棍模型，先制作一个白色的球体代表氢原子，一个圆柱体代表N—H键，并将它们组合成一组，然后调整组的轴心点位置于圆柱体的底面中心位置处（即四面体的中心），利用旋转工具和阵列命令复制出三个相同的组，并使它们之间的夹角等于107.3°（即NH3分子的键角），再在中心位置处放置蓝色球体作为氮原子，便可得到精确的NH3分子的球棍模型。

3.魔格法

此法可用于建立一个或多个原子是正多面体的中心的分子模型。如建立C-60的球棍模型，在创建命令面板上选择多面体，设置为二十四面体，并设置半径为80，再在材质编辑器中设置材质为双面材质和线框（即建立镂空二十四面体的模型），再运用结构修改器设置类型为visible edges，即可建立C-60的球棍模型。另外，还可采用对象建模、放样建模、布尔建模、次对象建模、网格建模和面片建模等方法。

三、虚拟化学分子动态合成与分解功能的设计与实现

1.动画技术的选择

采用3DMAX软件的动画控制器，模拟原子和化学键在合成与分解过程中的旋转、抖动和移动运动。首先，采用关键帧的方法，加入可见关键点，在分子合成和分解开始时、结束时各设置一个，确定原子和化学键在这两个关键点的位置。其次，运用贝兹控制器，模拟分子在合成和分解过程中的动画，调整贝兹控制器的切线控制杆，对关键点间的插值进行全方位的调整，表示一个到下一个关键点的变换，参照分子运动规律调整运动轨迹曲线，即可达到理想的效果。采用噪波控制器模拟原子随机抖动的动画，以表现分子在合成分解过程中热量的变化，先创建原子抖动的路径，在路径控制器中获取该路径，再运用噪波控制器，即可实现对象轻微离开运动轨迹振动的动画。最后，运用列表控制器，可将变换控制器和噪波控制器混合得到原子和化学键沿运动路径在运动过程中随机抖动的动画效果。

2.分子动态合成与分解的设计与实现

本模块的实现原理如下：

（1）系统获取用户选中的分子合成与分解的动画名称，并将所有演示动画与之相比较，再用参数选择器选出匹配的演示动画名称。

（2）将用户选中的演示动画传递给动画下载器，将动画载入系统。

（3）系统检测用户是否选中播放按钮，如果选中则激活播放器，并开始播放动画，同时使暂停按钮和停止按钮变为可用，否则继续检测。

（4）在播放过程中，看系统检测暂停按钮和停止按钮是否被选中，如选中则执行下一步骤，否则持续播放直至演示动画结束。

（5）如选中暂停按钮则暂停播放功能，如选中停止按钮则停用播放器的播放功能。

四、虚拟化学分子组装及智能评价的设计与实现

1.化学分子组装的设计与实现

化学分子组装功能是根据创新性学习理论设计的，为学习者提供生动、逼真的学习环境，学习者能够成为虚拟环境的一名参与者，在学习过程中提出各种分子结构假设，并通过虚拟系统直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。采用这种方式进行探索学习，有利于激发学习者的创造性思维，培养学习者的创新能力，使学习者对分子结构有深刻理解和规律性的认识。

实验组装前有实验指导，在动画演示整个实验操作过程的同时，有实验原理、实验目的以及实验步骤和注意事项的解说。这样，学习者在聆听教师讲解的同时观看实验操作过程，达到与传统的实验演示环节相似的实验效果。

实验组装设计流程为：先确定组装该分子模型的原子种类和相应的原子数目，再确定化学键的位置，然后选择自动组装或手动组装方式确定分子化学键键长和分子键角。手动组装，即用户可以通过调整原子的位置、改变化学键的长度和键角的大小，确定分子结构；自动组装，即在文本框中输入分子键角和键长的数值，确定分子结构。

在自动组装分子模型的过程中，涉及到分子键角随用户输入文本框中的数值而发生动态改变的问题。解决这一问题的缘由在于：由于化学键朝向会随两端所连接的原子在空间中的位置改变而发生变化，从而分子键角也会随相邻化学键所连接的原子位置的变化而变化，反之，如果化学键两端所连接的原子在空间中的位置发生变化，相邻化学键所形成的分子键角也会发生变化，因此可通过改变相邻化学键所连接的原子在空间中的位置调整分子键角的

大小。

2.智能评价的设计与实现

（1）检测选中的原子是否是所组装分子模型的原子，如果正确则执行下一步骤，如果错误则有相应的文本提示。

（2）判断所选择的原子数目是否符合组装分子所对应的原子数目，如果正确则执行下一步骤，如果错误则有相应的文本提示。

（3）检测化学键的设置是否正确，如果正确则执行下一步骤，如果错误则有文本提示。

（4）判断手动组装或自动组装的化学键长度是否正确，如果正确则执行下一步骤，如果错误则提供正确的键长。

（5）判断手动组装或自动组装的分子键角是否正确，如果正确则实时给予鼓励性评价，如果错误则提供正确的键角。

五、系统运行实例

如在虚拟化学分子实验室分子结构展示界面，用户选择分子缩略图后，即可观看所对应的分子结构，通过提供的下拉菜单能方便地切换同一分子的4种模型。同时，通过工具栏提供的按钮实现对展示的分子模型的旋转、移动、缩放、删除等操作。如需切换到其他界面，用户只需点击相关界面按钮，系统会自动转到相应的界面。

参考文献：

[1]欧阳星明.网络虚拟实验室的设计与实现[J].计算机工程.2004(30).

[2]Rajkumar Buyya. Virual Molecular Dynamics Laboratory.National Science Foundation.2008.2:136～138.

[3] Carla Martin-Villalba.Object-oriented modelling of virtual-labs for education. Computers and Chemical Engineering.2008,2: 3176～3186.

[4]刘志刚.VRML_虚拟现实建模语言在化学教育中的应用[J].计算机与应用化学.2002(19).

[5]何敏. VRML在分子模型中的应用[J].计算机与应用化学.2000(17).

[6]乔圆圆. 虚拟组合化学分子库的程序设计、实现与应用[J]. 计算机与应用化学.2004(21).

[7]杨春. 基于3D和VIRTOOLS技术的虚拟实验的实验据分析研究[J].计算机工程与设计.2007(9).

[8]胡珊. 基于3D和VIRTOOLS技术的物理虚拟实验室架构设计[J].计算机工程与设计.2009(29).

[9]李昌国. 基于3D和Virtools技术的虚拟实验开发方法研究[J].计算机工程与应用.2006(31).

（作者单位：广州工贸技师学院）

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