基于虛擬現(xiàn)實技術的高效液相色譜教學課程建設

盧 薇

(湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068)

高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)是一種結構復雜、應用廣泛的經典分離分析儀器，具有分析速度快、檢測靈敏度高、能夠進行多組分的同時分析等特點。自上世紀60年代末問世以來，發(fā)展極其迅猛，在食品、環(huán)境、醫(yī)藥、農業(yè)等領域中取得了廣泛的應用[1]。HPLC技術不僅已成為相關行業(yè)技術人員的必備技能，在各高校相關專業(yè)的儀器分析課程中也成為了重點教授的內容之一。

1 HPLC培訓課程中存在的問題及原因

由于HPLC技術的廣泛應用，高校明顯提高了對該技術的重視程度，不斷優(yōu)化課程結構，但也存在如下問題：

1.1 HPLC人均臺數(shù)不足，無法滿足培訓需求

由于HPLC造價昂貴，相對于高校教學而言，儀器設備人均臺數(shù)極為不足。在高校傳統(tǒng)教學模式中，教師分配了大部分學時于理論知識部分，僅少量學時用于實驗課上，且實驗課也常以是教師操作、學生觀摩的形式開展，學生獨立上機實操機會極少[2]，考核也常才去書面閉卷形式，難以達到實驗教學的目的和要求。

1.2 基于成本或安全隱患等原因，HPLC不適宜完全開放式培訓

HPLC不僅購置成本高，相應的使用成本和維護成本也較高，且實驗耗時長，不適宜面對經驗欠缺的學生進行人機一對一完全開放式教學，否則極可能影響儀器的性能。HPLC使用過程中常涉及強酸、強揮發(fā)性有機物等危險品，存在一定安全風險，管理一旦出現(xiàn)疏漏，極可能會引發(fā)安全問題[3]。

1.3 傳統(tǒng)HPLC培訓教學中不夠重視大型儀器設備的維修和維護

高校傳統(tǒng)實驗教學極少涉及HPLC維修、維護部分，而學生在實際使用過程中，許多HPLC已進入故障頻發(fā)期，若不進行相關維修知識的培訓，會嚴重影響工作進程。HPLC內部結構精細，合理的日常維護能顯著提升其使用性能，延長其使用壽命[4]。因此，故障維修、保養(yǎng)維護的知識也應成為實驗教學的重要組成部分。

2 基于虛擬現(xiàn)實技術的HPLC培訓課程的功能特點

虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality)又稱VR技術，是指綜合利用計算機圖形系統(tǒng)以及各種顯示和控制等接口設備生成一種虛擬環(huán)境，用戶能夠“進入”這個虛擬的環(huán)境中，并與環(huán)境直接進行具有真實感的基于自然技能的交互技術。沉浸性、想象性和交互性是虛擬現(xiàn)實技術的三個最突出的特點[5]，基于此，用戶可沉浸于虛擬環(huán)境中獲取新的知識，提高感性和理性認識，產生新的構思。

VR實驗教學是利用網絡技術、遠程控制技術、VR技術、計算機仿真技術、多媒體技術等實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目[6]。普通意義上的VR，需要大型計算機、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、洞穴式投影、密封倉等昂貴設備,一般的教學單位難以承受，但由于HPLC的培訓課程更側重于清晰明確地展示實驗的基礎原理、完整流程、維修維護等相關知識，并不需要完全的沉浸感，故技術簡單、成本低廉、應用廣泛的桌面型VR更適用于實際教學。桌面VR利用計算機和工作站進行仿真,用戶將計算機的屏幕作為觀察虛擬境界的窗口,通過鼠標、追蹤球、力矩球等各種輸入設備與虛擬現(xiàn)實世界進行交互[7]。

基于虛擬現(xiàn)實技術的HPLC培訓課程通過VR技術把HPLC的理論知識、實驗設備、實驗操作、維修維護、培訓考核等內容有機地結合在一起，突破了時間、空間的制約，克服了現(xiàn)場實驗室的局限性，降低了實驗成本與風險，大幅提高培訓者自主學習的能力，進一步加深其對實驗原理、實驗方法的理解和掌握，熟悉實驗操作、維修維護的技能。

3 基于VR技術的HPLC培訓課程的建設

基于VR技術的HPLC培訓課程可采用模塊化的設計理念包括基礎模塊、虛擬實驗模塊和實驗拓展模塊[8]。三個模塊擔負各自功能并有機結合，為學生實際使用HPLC打下良好基礎。

3.1 基礎模塊

基礎模塊包括HPLC技術原理、儀器結構與功能、工作站使用手冊等系列資料。HPLC的構造主要包括進樣系統(tǒng)、檢測器系統(tǒng)、高壓輸液系統(tǒng)及色譜柱系統(tǒng)，其原理是以液體為流動相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內各成分被分離后，進入檢測器進行檢測，實現(xiàn)對試樣的分析，最終在工作站內處理數(shù)據(jù)并出示報告?；A模塊中詳細介紹了HPLC的整體構造、內部結構和工作的使用，該模塊以演示為主，對交互性要求不高。

3.2 虛擬實驗模塊

虛擬實驗模塊包括實驗指導書、實驗演示、實驗訓練、實驗考核和實驗報告等。該模塊首先通過實驗指導書和實驗演示，讓學生對本實驗的原理、目的、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等有清晰的認識，然后針對重點操作，從有提示的實驗訓練逐步過渡到無提示的實驗訓練，以加深認識。通過實驗訓練后，進入實驗考核模塊，該模塊包括HPLC開機、系統(tǒng)平衡、樣品前處理、檢測條件設置、手動進樣、數(shù)據(jù)分析。其中，樣品前處理部分和手動進樣部分較為復雜，前處理部分包含樣品的萃取、濃縮、離心、抽濾等復雜操作，手動進樣部分包含膜過濾、進樣針潤洗、六通閥手動進樣和沖洗等儀器操作，涉及多種實驗用具和器皿的選擇、組建和使用，因此在該部分應設計更多的交互，學生通過鼠標點擊和拖動二維幀等方式進行相應虛擬操作，前處理的虛擬操作界面如圖1所示。

圖1 高效液相色譜樣品前處理虛擬操作界面Fig.1 The VR interface of the pre-treatment of HPLC sample

操作結束后，學生需對所得數(shù)據(jù)進行詳細分析。考核貫穿整個操作過程，對錯誤操作給出警告，并按照錯誤的嚴重程度扣分，數(shù)據(jù)分析完成后進行分數(shù)匯總，對于合格實驗者，按其實驗結果出具報告。

3.3 實驗拓展模塊

實驗拓展模塊由拓展資料組成，包括HPLC的維修、維護和前沿技術介紹，其中HPLC的維修和維護是該模塊的重點。實驗中出現(xiàn)基線漂移、色譜峰峰形拖尾或前展等情況，就要對儀器進行問題診斷、排查和維修，可從儀器沖洗、色譜柱進氣處理、排氣閥過濾白頭更換等方面進行標準流程化的演示[9]。

4 結語

基于VR技術的HPLC培訓平臺的建設是對傳統(tǒng)教學模式的升級，能顯著提高教學效率，降低教學成本，調動學生的積極性和主動性，是儀器分析學科的有益探索與嘗試。隨著VR的技術的成熟，HPLC的培訓課程也將不斷成熟與完善，進入沉浸度、交互性更高的新階段，為學生的實際上機操作打下堅實的基礎。