中药化学的虚拟技术学习方法范文

本文作者：刘洋石任兵刘斌单位：北京中医药大学中药学院

中药化学是中药类各专业、各层次教学的主干课程[1]。在此基础上,中药化学课程还具有培养学生综合运用各学科知识和实验技术解决实际工作问题能力的作用。所以,为适应高等教育面临的提高学生就业工作能力的新要求,培养全面发展的高素质人才,更应该努力探索新教学方法的引入和实践,使中药化学课程的精品内涵更加丰富。

一、中药化学教学中采用计算机虚拟现实技术的必要性

中药化学课程具有抽象性强、直观性差等特点,易引起学生的听课疲劳和理解障碍。多数学生的整体印象就是各种化学结构的漫天飞舞和各种分离流程的铺天盖地。笔者通过化学结构式绘制软件和结构分析软件,比如Chemoffice软件包,可使中药化学成分生成全动态的三维立体结构模型,便于学生学习理解各类化合物,解决了学生对于化学成分结构学习困难的问题。但是,中药化学成分提取、分离流程的教学内容却一直停留在理论课纸上谈兵、学生实验课开始阶段无从下手的尴尬境地。其原因就在于理论课教学缺少直观的演示环境,使内容不能在学生头脑中形成深刻的实验印象;而实验教学开始阶段学生又不能立即利用理论课知识,将实验设施合理搭配、组合使用解决中药化学成分提取分离的实际问题。所以,找到一种好的方法来衔接理论课与实验课,解决中药化学成分提取分离内容教学直观性差的问题具有极其现实的意义,计算机虚拟现实技术可以解决这个问题,引入这个方法进行教学是非常必要的。

二、中药化学教学中采用计算机虚拟现实技术的可行性

随着计算机技术的不断发展,对计算机硬件和软件要求极高的虚拟现实技术已经可以进入到日常生活中,这种技术应用于教学的技术和成本门槛已经被逾越,使其被引入直观的互动教学成为可能。

1.中药化学课程的特点适合采用计算机虚拟现实技术

为解决中药化学课程中提取分离等内容的直观教学问题,采用虚拟教学技术就能达到虚拟中药化学实验室的程度,让学生以全3D视角的第一人称身份从实验室选取实验仪器进行组合和流程设计完成药材提取、溶剂回收、化学成分色谱法分离等一系列工作。对于玩过3D全景PC游戏的学生不需任何培训,直接就可以用鼠标操作,让实验仪器组合使用和流程设计过程和学生充分互动,能达到良好的教学效果。

2.主流计算机的PC硬件平台可以支撑虚拟现实系统

的正常运行中药化学课程的教学过程是在学校基础教学设施的基础上开展的,采用虚拟现实技术进行中药化学课程教学不能脱离学校日常采用的PC系统。现在PC的CPU已经发展到多核阶段,其运算能力足以应付全3D虚拟现实技术的各方面要求;同时,作为图形运算单元为主要支撑的GPU也已经开始多核化的尝试,并且多GPU交火技术的普及已经使全3D画面达到以假乱真的程度。而且中药化学课程教学采用的虚拟现实技术根本不用达到大型3D电脑游戏的硬件高度即可良好运行。

3.全景3D第一人称虚拟现实开发引擎平台可以轻松

开发中药化学课程的教学软件随着计算机技术的飞跃发展,全景3D第一人称虚拟现实内容的开发已经逐步向傻瓜化方向靠近,因为现有的虚拟现实内容开发都是在商业化的开发引擎上进行,简单的内容实现都可以达到不用编程的高可用性上。而且,随着免费引擎的不断推出和脚本化编程语言的支持;还可以使中药化学课程虚拟现实教学系统的开发更加容易。

三、中药化学教学中采用计算机虚拟现实技术的具体实现方案

1.中药化学虚拟实验室的中药学科特点

中药化学有关提取、分离等内容的理论课程讲授,最理想的情况就是利用多媒体教学硬件资源,采用全3D场景的第一人称模式进行虚拟教学,让学生产生身临其境的感觉，并能和虚拟实验室的仪器设备互动,并随时观察到实验现象,用以训练学生利用基础理论知识解决实际问题的能力,同时防止实验差错造成的危险事故。中药化学虚拟实验室建设中应注意以下几方面内容:

(1)以理论知识为指导,虚拟的实验现象要严格仿真实际实验现象。比如,柱色谱法分离中药化学成分时的成分色带特征,因未及时添加洗脱剂造成的色谱柱干涸的实验失败现象及减压抽松过程的发泡现象和抽松后未冷却而通大气的抽松物回缩的实验失败现象等。

(2)合理使用实验仪器,仿真提示错误操作造成的危险事故和人身伤害现象。比如,有毒有害有机试剂未进行密闭减压回收造成泄漏的现象,系统应进行提示,并终止虚拟实验操作。

(3)提供标准化兼容性虚拟实验仪器设备,锻炼学生合理搭配实验仪器、组合实验设备进行实验流程设计。比如,提供多种色谱填料和色谱柱及板材,让学生自由选择并设计实验。

(4)同时设计常规实验室和中试实验室两种模式,便于学生根据实验药材容量和实验目的合理选择;同时也便于学生比较常规实验和中试实验的差异并进行常规实验向中试实验的合理扩大和转移。

2.中药化学虚拟实验室的3D建模特点根据3D虚拟现实中药化学实验室的特点,实验室建模采用3DSMAX910。

(1)实验设备建模,比如HPLC色谱仪、薄膜旋转蒸发仪等常规设备的建模可以直接采用3DSMAX910进行。

(2)玻璃仪器建模,玻璃仪器是实验室常规用品,采用VRay115RC3渲染器制作。

(3)溶剂流体,采用FumeFX110插件用3DSMAX910进行。

(4)烟雾效果,采用Afterburn312a插件用3DSMAX910进行。

3.中药化学虚拟实验室的3D引擎选择

DassaultSystemes集团的Virtools全系列的3D/VR完整解决方案,目前广泛使用的是410版。它能创造出如同游戏般高质量的3D互动应用内容,能够使得非专业人士都能体验到3D/VR产品和环境,这就为创新程序的所有人员提供了分享三维体验的工具。

(1)3DSMAX模型转换成Virtools可导入格式,需要安装Virtools410ExportPluginfor3DSMAX插件,然后将模型文件及动作文件依次导入Virtools410。具体操作是:在3DSMAX910中安装插件,建模完成后即可用3DSMAX910的Export命令,导出以/1vmo0为扩展名的Virtools文件,最后在Virtools410环境中导入此文件即可。

(2)3DSMAX模型的编辑,在3DLayout(实时3D编辑器)中对3Dobjects(3D对象)、lights(灯光)、cameras(摄像机)进行导航、创建、编辑、选择和操作;对3Dentities(3D实体)的Translation(位移),rotation(旋转),scale(缩放)的操作及作品导航。

(3)交互行为的创建,利用BehaviorEngine脚本引擎用来运行互动应用程序。该脚本引擎可以运行内置或者自定义的behaviors脚本,基本脚本中的Interface(界面)、Lights(灯光)、Logics(逻辑)、Materials-Textures(材质和纹理)、Meshmodifications(模型结构的修改)、Optimizations(优化)、Particles(粒子)、Sounds(声音)、Shaders(着色器)、Visuals(视觉特效)、WorldEnvironments(虚拟环境)等内容基本可以满足中药化学虚拟现实教学的需要,这些只是几百个行为交互模块(BuildingBlock)的一部分,丰富的交互模块极大地提高了构建交互式虚拟世界的效率和质量。

Virtools410可以利用拖放的方式,将行为交互模块赋予在对象之上,并以流程图的方式,决定行为交互模块的前后处理顺序,利用这种可视化的交互设计,可以简便地创作出中药化学实验的交互式虚拟教学世界。