数字化化学实验室构建与管理成果

一、数字化化学实验室构建概述

数字化化学实验室的组成包括硬件环境与软件环境。前者主要指实验室、手持技术仪器（如数据采集器与各类传感器）和计算机等；后者特指教师、学生、教学内容（如教科书和专著）以及管理水平。建立完善的数字化实验室有利于提高化学实验的可视性、可操作性等性能。本章主要从自动化实验管理系统、数据采集、数字处理和CAD辅助教学四个方面论述数字化实验室的建立。

建成后的数字化化学实验室应具有如下几方面的功能。

图5—1　数字化化学实验室系统模块图

（1）易于学生查询实验室开出的实验情况；

（2）易于查询精密仪器的操作规程、注意事项；

（3）易于查询化学定理、定律、实验原理；

（4）易于查询实验全过程（演示）；

（5）题库系统；

（6）易于查询化学物质的性质和基本信息。

初步研究后得出的数字化化学实验室系统如图5—1所示。

（一）数字化化学实验室管理系统

通过SQL、VB等语言建立实验室信息管理系统、化学药品材料管理系统、仪器设备维护校正管理系统和化学数据库等四个基本数据库，使用SQL实现库内药品、仪器等数据的查询、修改等操作；运用局域网技术实验实验室电脑的内部连接，极大程度上实现实验数据的共享。系统建立后对实验与教学产生的影响如下。

1.数字化实验室对实验过程的影响

在观察环节，数字化手段可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，以往用肉眼观察非常困难的化学现象，现在可以借助数字技术在时间和空间上的扩展清楚地采集。在数据采集环节，通过计算机和传感器数字手段的介入，可以更快更准地得到实验数据，从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于讨论问题之中。在数据分析环节上，利用计算机强大的数据处理能力，可将学生从简单、机械、烦琐的数据处理过程中解脱出来，让他们将时间和精力用在更有创造力的方面。例如，在中学阶段有实验关于二氧化氮与四氧化二氮的转变，用以验证压强对化学平衡影响的实验，但由于用肉眼很难观察到颜色随着压强的变化而变化的现象，新教材就删掉了这个实验。如果利用数字化手段就能准确地测得这些变化，如在实验中用一个压强传感器探测压强的变化，用一个色度传感器探测光通过混合气体时的强度改变，就可以间接获得颜色的深浅，就不难得出压强增大颜色先增加后减弱的事实。

2.数字化实验室对化学实验教学产生的影响

从总体上讲，数字化实验与传统实验有较大区别，是以计算机及传感器为核心器件的实验体系，使实验教学的设计思想、学生的操作过程和实验中间环节发生很大变化。

模块化和功能封装是现代工业的特点之一，数字化实验也具备了这些特点，也就是我们将在系统提供的“黑箱”模式下实现我们的需要，不必过分关心系统提供功能之外的事情。我们所要做的事情就是根据需要选择想要的模块，关注该模块的功能是否能满足我们的需要，如测量类型、测量范围、测量精度是否合乎要求，以及软件支持的情况。在这种情况下，将使实验教学一些层面相对简化，而使另一些层面更深入。比如，在数据处理上，有明确处理形式的机械性工作，可以交给计算机来自动完成，使处理数据层面上工作简单化。这样做的目的是否意味我们对数据的关注可以减少呢？答案是否定的。因为在这种情况下就要求学生关注数据之间的化学原理和数据背后更深层次上的分析，就是说可以引导学生把精力从简单层面上转移到较深入的层面。

同时，面对数字化实验功能全面增强，为化学实验教学在实验内容上调整带来机遇。很多在传统中学化学实验中不能做或没有条件做的实验，在数字化设备下可以成功完成。这样，我们可以设计出各种探究型实验，以适应高中化学课程标准中“化学实验专题”选修模块的需要。除此之外，数字化实验将打破传统实验教学的固有模式，使中学化学实验具有高度的自主性、开放性和探索性。一方面学生可以比较方便地根据不同的目的设计实验，如可以设计某个实验专门为了仔细深入地观察某一过程，研究一些物理量之间的关系等；另一方面，对于同一个实验，不同学生在学习目的上可以互不相同。实验既可以是探究性的，也可以是验证性的，数字化实验设备具有便于使用的模块，因而学生可以更自由设计某个实验来验证他们的想法，为学生大胆创造提供实验平台。例如，在水污染的研究中，学生把采集到的水样通过传感器来得出水中的pH、溶氧量、硬度等数据，利用计算机进行数据处理和转换图表对不同采集地的水质进行比较。这样，学生在实验过程中获得的信息可以是图形的和数值的、静态的或动态的、定性的或定量的，并借助计算机进行一定的分析，从而得出有关结论。

3.数字化实验室对学生的影响

数字化实验设备很大程度上提高了学生学习的积极性，使得他们自觉地利用课余时间做化学实验。由于数字化设备操作方便，一些原本对化学不感兴趣的学生也积极参加进来，例如，在酸碱中和滴定中，当他们获得了一个很漂亮的曲线时，他们就显得很兴奋等。

（二）数字化化学实验室的实验演示

Chemlab是美国ModelScience公司研制的一款交互式化学实验模拟软件，该软件具有强大的功能，能够细腻的再现多数实验的过程和现象。

Chemlab能实施的实验表如表5—1所示。

表5—1　Chemlab能实现的实验表

二、数字化化学实验室管理

（一）数字化化学实验室自动化管理系统概述

化学是以实验为主并且信息量特别大的一门学科。到目前为止，收录在CAS中的化学物质已超过2400万种，面对如此庞大的数据，在化学教学、实验和管理中需要花费大量的时间去查找、筛选和估算所需要的数据；同时需要对实验过程中合成体和中间产物的相关信息和数据进行采集、整理、计算和存储等；另外还存在实验室仪器设备、药品和材料的管理问题。高校实验室化学药品的品种类繁多，规格不一，而目前对化学药品的管理主要还是以手工为主，其工作量大、重复多、费时费力、效率低下，不便于对库存情况的及时了解，为药品的采购和领取带来难度。

计算机信息技术、数据库技术、Web网络技术等的发展，为克服这一难题提供了很好的解决途径。针对以上问题，开发一个优秀的化学实验室管理系统，利用计算机技术提高化学实验室的自动化、集约化和网络化程度，实现实验仪器的自动化操作和控制、实验室仪器设备与药品的自动化管理、实验数据自动采集和处理等，提高实验工作效率和水平，是计算机化学工作者的重要任务之一。

（二）数字化化学实验室管理系统的特点与功能

（1）通过这个系统，管理者与教师可以方便地进行信息交流和信息共享，系统生成的各种统计报表也可以为领导决策和教师日常工作提供可靠的信息和服务。

（2）系统整体架构。本系统是基于大型数据库SQLServer 2000和Internet技术的数字智能网络化管理系统，保证系统平稳、高效运行，以及方便教师可于任何时间、任何地点使用，以得到自己所需的信息。

（3）功能说明。本系统所有用户的登录界面相同，当用户成功登录后，系统会根据管理员的设定，自动为登录用户设置相应的权限，再根据权限生成相应的用户操作界面。用户的权限有三种：教师及教辅人员、系统管理员和学生。

（三）数字化化学实验室管理系统信息处理流程（如图5—2所示）

图5—2　数字化化学实验室管理流程图

（四）数据逻辑结构设计

1.普通用户信息

属性：用户工号，用户姓名，所在室，累计情况，备注

主键：用户工号

2.管理员信息

属性：工作号，姓名，备注

主键：工作号

3.药品信息

属性：药品编号，有机/无机，产地，分子量，分子式

主键：药品编号

数字化化学实验室管理系统以VB为开发环境，可操作数据库的类型默认为Access关系数据库。根据该系统的组成情况，利用Access分别设计了五个数据库，信息管理数据库xxgldata.mdb；化学药品与材料管理数据库ypclgldata.mdb；仪器设备维护数据库yqsbdata.mdb，实验室信息管理系统sysxxglxt.mdb，题库系统tksystem.mdb，为一库多表。化学药品与材料管理数据库包含的字段如表5—2至表5—14所示。

表5—2　化学药品与材料管理数据库字段表(www.xing528.com)

具体过程表如下。

表5—3　普通用户信息表

表5—4　实验人员表

续表

表5—5　试剂材料表

表5—6　实验报告表

表5—7　化学信息表

表5—8　特殊物质信息表

表5—9　有毒物质信息表

表5—10　仪器设备表

续表

表5—11　仪器设备维护信息表

表5—12　化学定理定律表

表5—13　危险实验flash演示表

表5—14　题库信息表

续表

（五）数字化化学实验室管理系统的应用

1.数字化化学实验室管理系统访问情况如图5—3所示。

图5—3　数字化化学实验室管理系统访问图

2.数字化化学实验室管理系统的应用

（1）系统整体应用界面。系统整体界面以菜单形式展开，使用者可根据需要进行选择。如图5—4所示。

（2）系统初始化。使用本软件前应首先对系统进行初始化，分别建立药品档案和仪器档案，为以后的资料查询做准备。

（3）档案查询。根据界面提示，可对药品和仪器的详细情况快速查询。

（4）配制标准溶液。根据界面提示，输入所要配制标准溶液的溶质、溶剂、溶液浓度、溶液体积，点击“确定”，系统将自动计算结果并显示出来，同时显示配制方法。

（5）输出系统。可将药品或仪器的情况打印输出，也可完成标准溶液配制方法的打印。

（6）演示实验。在分组实验过程中，系统可根据所做实验的具体步骤进行演示，同时对实验中关键步骤、注意事项等加以提示。

（7）成绩评定。学生完成实验操作后，将实验结果输入微机中，系统自动对实验结果与其标准结果值进行比较，然后给出实验成绩，并打印成绩单。

（8）系统管理。系统可对其数据库中的所有数据进行必要的修改和删除，但本操作设有密码非管理人员不能进行，以免造成系统混乱。

（9）帮助。该项是对本系统的内容简单介绍，同时设有疑难问题解答选项。

图5—4　系统整体应用界面图