基于虛擬現實技術的高效液相色譜教學課程建設

盧 薇

(湖北工業大學，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，發展極其迅猛，在食品、環境、醫藥、農業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技術人員的必備技能，在各高校相關專業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，不斷優化課程結構，但也存在如下問題：

1.1 HPLC人均臺數不足，無法滿足培訓需求

由于HPLC造價昂貴，相對于高校教學而言，儀器設備人均臺數極為不足。在高校傳統教學模式中，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、強揮發性有機物等危險品，存在一定安全風險，管理一旦出現疏漏，極可能會引發安全問題[3]。

1.3 傳統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 基于虛擬現實技術的HPLC培訓課程的功能特點

虛擬現實技術(Virtual Reality)又稱VR技術，是指綜合利用計算機圖形系統以及各種顯示和控制等接口設備生成一種虛擬環境，用戶能夠“進入”這個虛擬的環境中，并與環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、多媒體技術等實現的各種虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實的環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、數據手套、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實世界進行交互[7]。

基于虛擬現實技術的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、檢測器系統、高壓輸液系統及色譜柱系統，其原理是以液體為流動相，采用高壓輸液系統，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，實現對試樣的分析，最終在工作站內處理數據并出示報告?；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、數據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、系統平衡、樣品前處理、檢測條件設置、手動進樣、數據分析。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，學生需對所得數據進行詳細分析?？己素灤┱麄€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，數據分析完成后進行分數匯總，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。