建立氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室

創(chuàng)新者：張勁柏 李 玲

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建立氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室

創(chuàng)新者：張勁柏 李 玲

氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀的應(yīng)用是藥學(xué)本科實驗的重要內(nèi)容，但是由于大型儀器自身特點難以開展實驗，虛擬實驗室的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了不足。本文采用Dreamweaver軟件，結(jié)合Flash以及JavaScript建立了具備交互功能的氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室，完整地模擬氣相色譜－質(zhì)譜檢測的實驗過程，提高了教學(xué)效果，同時為進(jìn)一步設(shè)計大型儀器虛擬實驗室提供了基礎(chǔ)和思路。

虛擬實驗室是一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化，自誕生之初便備受關(guān)注，國內(nèi)外專家學(xué)者對此均有所研究，并取得了一定的教學(xué)成果。藥學(xué)專業(yè)實驗中，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，簡稱GC-MS）的操作對于理解氣相色譜和質(zhì)譜的相關(guān)原理十分重要，但是此類實驗耗時長，步驟多，實驗前還需要調(diào)試儀器，很難為學(xué)生開展自主性實驗。虛擬實驗室的引入，不僅解決了傳統(tǒng)實驗室的諸多問題，同時對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)實驗更加安全有效地進(jìn)行。

氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室的整體設(shè)計

氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室的設(shè)計原則

任何虛擬實驗室都是實驗教學(xué)的輔助手段，因此必須遵守以下幾個原則：

（1）真實性 所有的虛擬實驗室需要以現(xiàn)實的儀器和配套軟件為虛擬對象，否則只是異想天開；

（2）交互性 虛擬實驗室不能只是圖片和文字的集合體，還必須具備傳統(tǒng)實驗室中動態(tài)變化的過程，即能夠根據(jù)學(xué)生的操作進(jìn)行一定的變化；

（3）引導(dǎo)性 虛擬實驗室是傳統(tǒng)實驗的“提取濃縮”，但不僅限于此。傳統(tǒng)試驗中，由于教師有限，不能做到對每位學(xué)生實時指導(dǎo)，而虛擬實驗室可以通過交互式設(shè)置，從而引導(dǎo)學(xué)生正確操作。

氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室的設(shè)計內(nèi)容

圖1　氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室的設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)虛擬實驗室的設(shè)計原則，氣相色譜-質(zhì)譜虛擬實驗室由儀器操作和軟件操作兩個部分構(gòu)成。儀器操作部分包括樣品準(zhǔn)備及手動進(jìn)樣。這兩個操作是實驗室真實行為的模擬，可以利用Flash 進(jìn)行設(shè)計，將整個操作過程制作成動畫，同時為了強(qiáng)化知識點，在關(guān)鍵步驟利用Action Script 2.0暫停并彈出提示。軟件操作部分包括氣相方法設(shè)置、質(zhì)譜方法設(shè)置、序列設(shè)置及圖譜處理。這一部分是計算機(jī)上測試軟件的模擬，可以利用Dreamweaver和JavaScript實現(xiàn)，通過制作各個網(wǎng)頁之間的超鏈接將整個操作過程串聯(lián)起來。

氣相色譜－質(zhì)譜虛擬實驗室的構(gòu)建

本次氣相色譜-質(zhì)譜虛擬實驗室以Thermo Fisher公司的TRACE GC ULTRA&DSQ II為硬件虛擬對象，Xcaliber2.0工作站為軟件虛擬對象。

儀器操作部分的構(gòu)建

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀進(jìn)樣需要遵循規(guī)定的步驟，因此準(zhǔn)確模擬這些操作非常重要。以進(jìn)樣準(zhǔn)備為例，此過程模擬比較簡單，可以通過Flash和Action Script完成，具體實現(xiàn)方法如下：

（1）通過Photoshop制作儀器控制面板、進(jìn)樣口、進(jìn)樣針、試劑瓶、按鈕等虛擬素材，并導(dǎo)入到Flash素材庫中。新建影片剪輯元件并插入Flash舞臺（幀1）中；

（2）雙擊影片剪輯元件進(jìn)入編輯界面，將素材按照合適位置擺放，并創(chuàng)建補(bǔ)間動畫，模擬出操作的效果；

（3）在Flash舞臺（幀1）中導(dǎo)入試劑瓶素材，并加入Action Script，實現(xiàn)鼠標(biāo)經(jīng)過放大以及點擊播放影片剪輯的效果。

軟件操作部分的構(gòu)建

Xcaliber2.0本身為桌面軟件，因此需要將操作界面在虛擬實驗室中復(fù)現(xiàn)，該模擬過程比較復(fù)雜，本文采用了Dreamweaver和JavaScript編程相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了大部分的軟件效果，并加入了交互機(jī)制，便于學(xué)生犯錯后及時更正。

素材的準(zhǔn)備

用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜檢測，在檢測過程中對每一關(guān)鍵步驟進(jìn)行截圖及錄屏，對錄屏所得視頻用Premiere 進(jìn)行剪輯，制作成適合網(wǎng)頁播放的MP4格式視頻。

操作流程的設(shè)計

根據(jù)整體設(shè)計，軟件操作包括方法設(shè)置和圖譜處理兩部分。方法設(shè)置中，頁面以任務(wù)卡的形式展示要求，學(xué)生必須完成所有任務(wù)（輸入數(shù)字，選擇模式等）才能進(jìn)行下一步。圖譜處理由于涉及鼠標(biāo)右鍵操作，在瀏覽器中實現(xiàn)困難，故將處理過的視頻直接插入網(wǎng)頁中，作為示范教學(xué)。

素材的整合

在每個超鏈接的網(wǎng)頁中，插入該步驟相應(yīng)的實驗操作圖片以及任務(wù)卡，并插入熱點，鏈接到下一實驗步驟的網(wǎng)頁，另外根據(jù)不同網(wǎng)頁的需求加入自己設(shè)計的JavaScript代碼，實現(xiàn)交互。

交互式設(shè)計

根據(jù)虛擬實驗室設(shè)計原則，具備良好的交互性是虛擬實驗室的核心要求之一。以氣相方法設(shè)置中的程序升溫設(shè)置為例，在網(wǎng)頁中插入五個文本框，分別命名為st（起始溫度）、et（終點溫度）、ht1（起始溫度持續(xù)時間）、ht2（終點溫度持續(xù)時間），rt（升溫速率），并設(shè)置 onChange行為，創(chuàng)建id為main的div作為圖表顯示區(qū)域。當(dāng)文本框內(nèi)輸入數(shù)字或者數(shù)字發(fā)生變化時，先將數(shù)字轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的變量，然后根據(jù)如下公式：

計算出程序升溫的總時間以及每次溫度變化的時間節(jié)點，最后通過第三方echart.js實現(xiàn)圖表輸出。

程序升溫設(shè)置的部分代碼如下：

圖2　程序升溫設(shè)定動態(tài)圖表

輔助功能

為便于學(xué)生更加快速地了解氣相色譜-質(zhì)譜的儀器原理，掌握實驗操作，我們還增加了儀器原理介紹、常見問題及關(guān)于我們?nèi)竽K。

結(jié)果與討論

本文通過Dreamweaver軟件，結(jié)合Flash和JavaScript構(gòu)建了氣相色譜-質(zhì)譜虛擬實驗室，實現(xiàn)了氣相色譜-質(zhì)譜常規(guī)檢測的模擬，改變了只是由教員示范教學(xué)的單一模式，使學(xué)生能夠更深入了解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的操作，并能防止由于對儀器不熟悉操作失誤而導(dǎo)致的儀器損壞。在對本校2013級藥本實驗教學(xué)中，學(xué)生通過虛擬實驗室深入了解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的使用，激發(fā)了興趣，加深了對課堂知識的理解，提高了實驗教學(xué)的效率。

雖然氣相色譜-質(zhì)譜虛擬實驗室實現(xiàn)了很好的交互性，但畢竟是教學(xué)的輔助手段，仍需要結(jié)合真實實驗才能達(dá)到教學(xué)目的。本虛擬實驗室計劃在逐步的試用和修改后改進(jìn)為3D界面，具備更大的自由度，實現(xiàn)學(xué)生自主操作，同時針對不同的操作設(shè)計不同的實驗結(jié)果，使虛擬實驗室更符合真實實驗的情況。此外，還考慮加入知識點測驗和論壇功能，便于老師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。相信在進(jìn)一步開發(fā)后，虛擬實驗室將可以實現(xiàn)更多的功能，更好地提高大型儀器實驗教學(xué)的效率。

張勁柏 李 玲

第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院

張勁柏（1993－）男，安徽合肥人，本科生，主要研究方向為氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用；李玲，通訊作者。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.029