（物理化学专业论文）网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究.pdf

摘要 由计算机营建的具有沉浸性、交互性、恕象位的虚拟l h ：界，币在改变着我们的工作 和生活方式。作为虚拟环境的一部分，虚拟仪器( v i ) 和虚拟实验室( v l ) 对科学研 究、教育培训等领域产：生了n 觞重要的影i l 吼其，f ，纯软件形式的e 融拟仪器( s v i ) 及 仿真虚拟实验室( e - v l ) 更是以其出色的e l 价比正在成为研究中的热点。 构建虚拟仪器与虚拟实验室是一个复杂的过程，需婴具备学习策略设计、场景设计 和数学建模等多方而的知识。在对虚拟仪器耵i 虚拟实验室进行深入分析的基础上，本文 讨论了二者之问的关系，并确定了色谱虚拟仪器 虚拟实验室的构建模式。 水论文在对色谱分析过程的理论研究和实验的基础| = ：，在f l a s h 平台【= = 运用 a c t i o n s c r i p t 语击建立了场景式实时交互网络化色i ! 虚拟仪器与靡拟实验室。在气栩色 谱网络化虚拟仪器和虚拟实验室中，根据色谱柱效与载气流速及柱温之i 剐的关系，以醇 系物为考察对象，构建了不同分析条件下保留参数的预测模型；在液桐色潜网络化虚拟 仪器及虚拟实验室中，以水杨酸和乙酰水杨酸为考察对象，构建了不同色谱分析条件下 保留参数的预测模型。并掘此气、液相色谱分析过程中的数学模型优化了程序设计。在 所建立的色谱网络化虚拟仪器和虚拟实验室上，可通过改变分析条荆：，动念实时交互绘 制出不同分析条件下的色谱流出曲线，模拟实验中可计算获得最佳流速、最小塔板高 度、相对保留值及定量分析等虚拟实验结果。虚拟实验中得到的各种模拟结果与真实实 验值结果卜分相近。 本论文已完成三三种型号气相色潜仪器，两种型号液相色谱仪器的虚拟实验室的构建 工作。所，i ：发的网络色谱斑拟实验室可对实验过程进行完整展现，具有逼真的场景，并 可按真实仪器操作过程进行各种模拟操作。这对于色谱仪器的操作培训、实验课程的网 络学习具有较大的推广应用价值。 本i 仓文建立的网络化色谱虚拟实验室曾在“第八届全国多媒体教育软件大奖赛”和 “第凹扁全国多媒体课件大赛”获奖，这说明我们所做工作已得到专家的认可，具备应 用前景。同时也为后续仪器分析虚拟仪器和l 窿拟实验室的丌发做出了理沧与实践的柯益 探索。作者在硕士期l 训完成论文三篇，一篇发表于国际会议论文集，一篇已被计算机 j 应月】化学接收，另一篇已投实验窀研究与探索杂志。 关键词：虚拟仪器；虚拟实验室；色谱：f l a s h ；a c t i o n s c r i p t 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 s t u d y o ht h eb u i l tm e t h o do fw e b c h r o m a t o g r a p h y v i r t u a l i n s t r u m e n ta n dv i r t u a l l a b o r a t o r y a b s t r a c t t h ev i r t u a lw o r l d , f e a t t u v so f i t m n e r s i o na n d i n t e m c t i v i t ya n di m a g i n a t i o n ，h a sp r o f o u n d l y c h a n g e dp e o p l e sl i f e 。a sap a r to fv i r t u a le n v i r o m n e n t ，v i r t u a li n s l a u m e n t ( v 1 ) a n dv i l 。t u a l l a b o r a t o r yf e e ) a r ep l a y i n gm o l ea n dm o r ei m p o l t a n t r o l e si nt h ea r e as u c ha ss c i e n c e ， t e c l m o l o g y ，e d u c a t i o na n dt r a i n i n g t h e r e i n t o ，s o f t w a r ev i r t u a li n s t r u m e n t ( s v i ) a n de n m l a t i n g v i r t u a ll a b o r a t o r y ( e v l ) w a l ki nt h es p o t l i g h tb e c a u s eo f t h e i re x t m o r d i n a l - yc o s tp e r f o r m a n c e t h eb u i l to fs v ia n de - v l i n v o l v e di nt h ed e s i g no fl e m l am e t h o da n d s u n o u n d i n g s c e n e a n dt h ec o n s n - u c to f a n a l y t i c a lm o d e l ，i sac o m p l i c a t e dp r o c e s s b a s e do n t h et h o r o u g hl e s e a r c h o ft h ev ia n dv l ，t h ep r a c t i c a lw o r ko f “c h r o m a t o g r a p hv ia n dv l ”，w h o s ep r o t o t y p ei s c o l l e g e - l e v e lc h r o m a t o g r a p he x p e r i m e n t i sb u i l tb yu s i n gf l a s ht e c l m i q u e o nt i l eb a s i so fc b x o m a t o g a p h i ct h e o l ym a dl e a l e x p e r i m e n t a lp r o c e s s e s ，al e a l t i m e i n t e r a c t i v ev i r t u a lg cm i dl ci n s t t n e n t sa n dv i m m lt a ba r eb u i l tw i n la c t i o n s c r i p tp r o g r a i n i ng cv ia n dv l ，a c c o m i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea l c o h o i sr e t e n t i o np a r a m e t e r sa n d n l ef l o wm t eo fc a n i e rg a sa sw e l la sc o l u r m lt e m p e r a t m ap r e d i c t e dm o d e lo fa l c o h o l s r e t e n t i o np a r a m e t e r si nd i f f e l e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si sc o n s t r u c t e d i nl cv ia n dv l ， a c c o r d i n gt ot h el e l a t i o u s h i pb e t w e e na s p i r i na n ds a l i c y l i ca c i d sr e t e n t i o np a r m l l e t e r sa n dt i l e f l o wr a t eo f c a r r i e rl i q u i da sw e ua st h ec o m p o s i t i o no f t h em o b i l el i q u i d ，ap l e d i c t e dm o d e lo f a s p i r i n a n d s a l i c y l i c a c i dsl e t e n t i o n p a r a l n e t e m i nd i f f e l e m e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n si s c o n s t r u c t e d f o l l o w e dw i t ht h em o d e lt h e d e s i g np r o g r a mi so p t i m i z e d 。w i t ht i l ea p p l i c a t i o n o f t h i sb u i l tw e bv i r t u a lg ca n dl ci n s t r u m e n t sa 1 1 dv i r t u a ll a b c h r o m a t o g r a p h i cc u r v e sc a l lb e d r a w ni n t e r a c t i v e l y ，d y n a m i c a l l ya l a dt i m e - o n s t r e a ma n dt h es i m u l a t e dr e s u l t ss u c ha st h e o p t i n m mf l o w ，m i u i m t n np l a t eh e i g h ta n d t h er e p o r t so f q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o na r eo b t a i n e db y c h a n g i n gt h es i n m l a t e de x p e r h n e n t a lc o n d i t i o n s m o r e o v e r , t i l ec o m p a r i s o no f t h es i m u l a t e d c a l c u l a t i o nm a d 1 ea c t u a le x p e r i m e n t a lr e s u l t si sa l s ol i s t e do u t t h r e et y p e so f g ca 1 1 dt w o t y p e so f l cv l a r eb u i l t ，a l lt h e s ei n d i c a t et h a tt h ew e bv i r t u a l g ca n dl cv i r t u a ll a b sc a np r o v i d eu sav i v i ds c e n eo fg ca l a a l y t i cp r o c e s sa n ds i m u l a t e d p r a c t i c el i k et h ea c t u a le x p e r i m e n t a lo p e r a t i o n i ti s o f g r e a tv a l u et ol e a r nc h r o m a t o g r a p h i c t h e o l ya 1 1 dt r a i np r a c t i c e 一i i 人造理1 人学硕十学能论文 t h eg cv lh a sw o np r i z e si n t h e8 “n a t i o n a lm u l t i m e d i ae d u c a t i o ns o f t w a r ea w a r d a i d “t h e4 。“n a t i o n a lm u l t i m e d i ae d u c a t i o nc o u r s e w a r ea w a r d ”w h i c hi n d i c a t e si th a sb e e n a f f i m a e db ye x p e r t s a tt h es a l n et i m e h e l p f u le x p e r i e n c ef o rf u t u r ee v ld e v e l o p m e n t i sg o t d u r i n gt h e s et h r e e 、 e a l s ih a v ew r i t t e nt n e ep a p e r s t h ef i r s th a sp u b l i s h e d o l li n t e m a t i o n a l c o t f f e r e n c ep r o c e e d i n g t h es e c o n di sa c c e p t e db yc o m p u t e r a a da p p l i e dc h e m i s t r y ，t h et h i l d o n eh a sc o m r i b u t e dt ol a b o r a t o r yr e s e m v h a n d e x p l o r a t i o n k e y w o r d s ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；v i r t u a ll a b o r a t o r y ；c h r o m a t o g r a p h ；f l a s h ；a c t i o n s e r i p t i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕二l 学位沦义是我个人在导师指导下进行的研究 t 作及取得研究成果。尽我所知，除了文r i = 1 特别加以标注和致谢的地方 外，论文巾0 i 包含其他人已经发表或撰写的研i 究成果，也不包含为秩得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本矽究所做的贡献均已在沦文中做r 明确的说明j t 二表示了谢 意。 作者签名：至弛一日期：堡垃 大连理工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 9 6 5 年，s u t h e r l a n d 在篇名为u l t i m a t e d i s p l a y 的论文中首次提出了虚拟现实系统的 基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程f ”。由计算机营建的 具有沉浸性、交互性、想象性的虚拟世界，正实实在在的改变着我们的工作和生活方 式。虚拟现实技术广泛的应用在医疗、教育、网络游戏等各个方面，已经显示出其蓬勃 的发展势头 2 1 。从九十年代初开始，电气和电子工程师协会( i e e e ) 每年都要召开虚拟现 实年会圈。国内的虚拟现实发展也已起步，已举行了2 届中国虚拟现实峰会 4 1 。 作为虚拟环境中的一部分，虚拟实验室是现实中科学技术领域的镜像反映。虚拟实 验室已经对科学研究、教育培训等领域产生了越来越重要的影响。因此对于虚拟实验室 的研究已经形成了一种新的趋势t 5 - 6 1 。比如：2 0 0 4 年5 月2 3 日，使用g o o g l e 进行 “虚拟实验室”搜索，有6 3 ，6 0 0 项符合要求的查询结果； “v i r t u a l l a b o r a t o r y ”，有 1 ，7 9 0 ，0 0 0 项符合要求：2 0 0 5 年6 月6 日有1 1 , 2 0 0 ，0 0 0 项符合的查询结果项符合要 求；2 0 0 4 年4 月可查到的相关论文已经超过1 0 0 篇。2 0 0 5 年六月已经有7 7 8 篇。近年 来，美国国家科学基金( n s f ) 已经开始资助多个虚拟实验室研究项目。最多的投资达 到4 亿美元，比较少的也有一两百万美元。v 。 下面将对文献中虚拟仪器和虚拟实验室的内容进行详细的阐述，并确定色谱虚拟仪 器和虚拟实验室的构建模式。 1 1 虚拟仪器( x r l , m a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 的相关理论 1 1 1 虚拟仪器的定义与分类 目前公认的定义有四种1 9 ：( 1 ) 虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器相同的软 件包：( 2 ) 虚拟仪器是由计算机、仪器硬件和应用软件组成的测量机械；( 3 ) 虚拟仪 器是指利用个人计算机和有关的硬件与软件模块，使之具有传统独立仪器的功能：( 4 ) 虚拟仪器等于个人计算机加上应用软件、虚拟面板、仪器硬件、通信接口等。从其定义 来看，虚拟仪器大致上可分为两类：软硬件相结合构建的虚拟仪器及纯软件形式的虚拟 仪器。 1 1 2 虚拟仪器的应用 目前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及【似旧。在美国虚拟仪器系统及其图形编程 语言，已作为各大学理工科学生的- i 1 必修课程。美国的斯坦福大学的机械工程系要求 三四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。作为现代仪器仪表发 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 展的方向，虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全 球最大的虚拟仪器制造国。至1 j 1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达9 5 家，共生产i o o o 多种虚 拟仪器产品，销售额达2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额7 3 亿美元的4 。至i j l 9 9 6 年，虚 拟仪器已在仪器仪表市场中占有1 0 9 6 的份额。生产虚拟仪器的主要厂家n i 、h p 等公司， 目前已生产了数百个型号的虚拟仪器产品。这些产品在国际市场上有较强的竞争力，已 进入中国市场。 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如：上海复旦大学、上海交通 大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来，这些学校在 原有的基础上又开发了一批新的虚拟仪器系统并用于教学和科研。四川联合大学的教师 基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8 台仪器集成于 体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽 车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。其功能有检测发动机的功率特性、负 荷特性等，一台发动机检锲9 完后，就可打印出完整的检羽4 报告。此外，国内已有几家公 司在研制p c 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，其产品已达到 一定的批量。改公司主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、 多通道大容量波形记录仪系列。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为 虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。 随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主 流。 i i 3 软硬件结合构建的虚拟仪器( s & h - v ) 的介绍与展望 此种类型的虚拟仪器实质上软硬件结合的虚拟仪器，软件用来实现和扩展传统仪器 的功能，真正实现由用户自己设计、自己定义，满足自己的特殊要求的仪器。 任何测量测试仪器的主要功能都是由三大部分组成【l ”：数据采集：数据测试 和分析；结果输出显示。而虚拟仪器也是一样由这三大部分组成，不同的是此类虚拟 仪器的数据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成。因此，只要提供一定的数 据采集硬件，就构成了基于计算机组成的虚拟测量测试仪器。 有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系 统，而不再受功能固定( 完全由厂家提供) 的传统仪器限制。特别是那些需要经常交换 应用项目和系统要求的工程师和科学家们，若使用了虚拟仪器即可满足其特定的需要， 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 即不需要更换整套设备，就能够完成新系统的开发。这里所指的虚拟仪器可以完全替代 传统台式测量狈4 试仪器。 虚拟仪器既具有传统仪器所具备的一切功能，又超越了传统仪器，原因就在于虚拟 仪器是将数据采集硬件搭载到计算机平台上，加上应用软件而构成的，用计算机实现全 数字化的采集测试分析，因此有着传统仪器无法比拟的优越性，虚拟仪器的发展完全跟 计算机的发展同步，所以显示出虚拟仪器的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的崛起是 测试仪器技术的一次革命，是仪器领域的一个新的里程碑。此类虚拟仪器的基本构成见 图1 1 。 图1 1 软硬件结合虚拟仪器的基本构成 f i g 1 1s t r u c t u r eo f t h e v i r t u a li n s t r u m e n t sa s s e m b l e db ys o f t w a r ea n d h a r d w a r e 虚拟仪器的硬件接口模块【1 8 。2 5 】包括插入式数据采集卡( d a q ) 、串并口、i e e e 4 8 8 接口( g p i b ) 卡、v x i 控制器以及其它接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集 卡系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统以及这三者之间的任意组合。 此类虚拟仪器的核心是软件，通过修改程序就可实现功能完全不同的各种测量测试 仪器，以满足各种不同的需求。软件可以定义为各种仪器，由于计算机很容易与网络、 外围设备，以及其他应用连接，对于数据采集、系统控制、远程传送，都非常方便。我们 只要利用数据采集卡，就可在计算机上构造新的仪器系统，由软件进行编程实现不同的 功能。用虚拟仪器更新传统仪器，不但价格低、效能高，还能节省开发及维修的费用。 新的以软件为中心的虚拟仪器系统不仅为用户提供了技术创新的条件，而且还大大降低 了其生产成本。 此类虚拟仪器的工作界面如图l _ 2 所示： 一3 一 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 图1 2 虚拟仪器的前台界面 f i g 1 2i n t e r f a c eo f t h ev i r t u a li n s t r u m e n t s 我们从基本构成来分析，只要有配套的数据采集、传输装置，就可以把f l a s h 作为 开发平台开发虚拟仪器，进行数据的处理和显示，并对仪器测控硬件进行控制，阻实现 数据的采集和显示。虚拟仪器最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发生器、示波 器等。在实验中采用虚拟仪器，构建实验中常用的数字压力表、电位计等，预计将取得较 好的效果。当然，技术层面还有许多问题尚待解决。 同时我们也可以看到，此类虚拟仪器所代替的都是结构较简单的测试仪器，现阶段 用此类虚拟仪器开发结构复杂、功能强大的虚拟仪器是不现实的。为了实验仪器教学的 需要，可以引入纯软件形式的虚拟仪器以构建虚拟实验室。 1 1 4 纯软件形式的虚拟仪器( s _ v i ) 的介绍与展望 纯软件的虚拟仪器实验，即从信号的产生到信号的分析、处理和存储全部都由软件 进行仿真模拟。这种方式主要运用于验证性实验。如图1 3 展示的清华大学开发的此种 形式的虚拟仪器* w 。 一4 大连理工大学硕士学位论文 f i g 1 3i n t e r f a c eo f t h es o f t w a r ev i r t u a li n s t r u m e n t s 此类虚拟实验方法的根本优势，概括起来就是它空前的经济性和实用性。好的软件 不但功能强大，使用方便，而且应该是开放式的。给高级用户留有继续开发的接口，或 者能够为他们提供再次开发的基础。基于这种思想，虚拟实验所用到的仪器设备或信息 处理部分如果按照一定的标准制作成可扩展、可重复使用的组件，将大大提高软件的应 用价值。具体的结构如图1 - 4 。 图1 4 纯软件形式的虚拟仪器结构 f i g 1 4s t r u c t u r eo f s o f t w a r e v i r t u a li n s t r u m e n t b 一 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 组件是经过封装、具有特定功能【2 7 】，能够以独立的文件形式传播，为了便于开 发人员开发的元件。从面向对象编程( o o p ) 的角度重新对“色谱虚拟实验”进行考 察，可把实验中用到的大型仪器分解成几大模块，每一个实验元器件当作是一个独立 的实体。不同型号色谱仪都有一些相同的元件。如：流速调节元件、柱温调节元 件、绘制谱图数据处理部分等。可把此类抽象出来制成组件，采用组件形式对外发 布，方便二次开发。 色谱虚拟实验室中将实验元器件及数据处理部分制成具有可重用性、可扩展 性、模块化的组件：如实验结果模块可完成谱图绘制、求出色谱参数等功能；流速 调节组件也可完成对流速调节元件的封装。有了上述不同功能区的组件，就可以组 装成不同型号的色谱虚拟实验室。 1 1 5 小节 虚拟仪器主要分为两类，本论文讨论的主要是纯软件形式的虚拟仪器。将立体化的 纯软件形式的虚拟仪器置于完整的虚拟实验室环境中，就构成了虚拟实验室。下面将对 虚拟实验室的相关理论进行分析。 1 2 虚拟实验室的相关理论 1 2 ，1 虚拟实验室的定义 虚拟实验室的引入，为提高实验教学质量提供了一种重要的手段。它主要针对大型 仪器设备，在教育领域，涉及许多仪器设备，它们是实验教学和科研的重要手段，但价 值几万到几十万的大型仪器设备不可能配置多台，这样就不能满足每个学生都能上机操 作，而且大型仪器设备还需定期进行检测和维护才能保证其良好状态，另外大型仪器设 备的更新换代也是各个院校的一个难题。虚拟实验室无论是单机版还是网络舨，较少的 投入就能实现多人同时上机操作练习，而且虚拟实验室不存在仪器性能波动、设备耗 损、药品试剂消耗和“三废”问题等，可以说是一个经济环保的实验室，另外虚拟软件 无需维护，版本升级也较容易，因此就可以让学生无论是在课内、课外都可以上机操 作、反复练习、熟练掌握，并且紧跟科学技术的变革和发展。建立虚拟实验室的关键在 于虚拟软件，一个好的虚拟软件应具有人机交互能力强、界面友好、模拟仿真程度高、 网间数据查询和处理能力强，而且版本易升级等特点。 联合国教科文组织( u n e s c o ) 采用已被广泛接受的虚拟实验室的定义( v i r t u a l l a b o r a t o r y ，简称v l ) 嘲：为了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式 信息通讯产生并发布结果的电子工作室。虚拟实验室是基于多终端的网络平台模拟真实 一o 一 大连理工大学硕士学位论文 仪器设各性能和实验场景的实验室，它有两种类别：一种是具有物理性状的虚拟仪器， 另一种是纯屏幕图像的虚拟软件，我们在此只讨论后一种类型的虚拟实验室。通过多媒 体计算机模拟仿真技术同仪器设备性能相结合在电脑屏幕上创造出模拟的仪器陛能、实 验条件和环境，从而达到真实实验的效果。虚拟实验室具有智能化特征，无论是学生还 是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室上机操作，完成各种分析测试任 务，评价实验者的操作水平与实际能力，不但为实验教学改革及远程网络教育提供了条 件和技术支持，还可以让学生接触和掌握更多、更新、更好的仪器。 1 2 2 国内外虚拟实验室的发展现状 在世界范围内，网络时代信息化的到来正在进一步推动高等教育的发展，校园的围 墙逐渐消失，学生对教师依赖性减少，课堂教学受到挑战，在网络上建立电子教室、电 子黑板，学生在网络上的虚拟大学中学习的新型教育模式已悄然而至。 目前，国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作，特别是在 国外一些著名的大学，已有较多建好并投入使用的虚拟实验系统，涵盖了计算机网络、 数学、人工智能【2 9 1 、生命科学口0 、化学p 1 。3 2 1 、物理、生物工程 3 3 删、等教学、科研领 域。 1 2 3 v l 的分类 据文献报道【3 6 】，现有的v l 可分为：完全虚拟式( s e l f - c o n t a i n e d ) 和现实虚拟式 ( r e a l - v i r t u a lv l ) 。 完全虚拟式v l 根据使用设备又可以分为以下两种： i 沉浸式s - v l ( i m m e r s i v es v l ) 沉浸式s - v l 的具体特点可参见文献删。 i i 非沉浸式s v l ( n o n - i m m e r s i v es - v l ) 非沉浸式s - v l 是( n o n - i s v l ) 完全依赖电脑( 主要是p c ) 与网络的v l 。 计算v l ( c o m p u t i n gv l ) ：主要应用于科学计算、实验模拟，关注于实验数据的 处理、共享、存储，依靠网络中所有参与的计算机，现在已经发展为网格计算m 1 。 此类。并不模拟过程，所专注的是过程背后的数学模型与物理、化学原理。并且 通过大量的运算将实际过程的量精确地反映出来。现在流行的色谱学习软件g ca n d l c t r a i n i n gs o f t w a r e 及i n t e r a c t i v et r a i n i n g 就属于这种类型。 一7 嘲络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 仿真v l ( e m u l a t i n gv l ，简称e v l ) ：专注于重现、模拟现实对象的现象、过 程，包括对于过程的输入、输出进行模拟、处理，主要应用于教学、培训等方面。如： m o d e ls c i e n c e 的c h e m l a b 和本论文主要讨论的色谱虚拟实验室。 此类v l 主要是利用现实p c 与网络的普及和其低成本，面向低端用户。但是完全 能够胜任所担负的任务。其发展目标为完全具备虚拟现实的特征：沉浸性、交互性和构 想性，即以最少的成本尽可能实现沉浸式v l 的效果。 这类网络虚拟实验室是实际物理设备及实验过程的软件仿真，可以看成是负责的交 互演示。与单独独立运行的仿真实验相比，这类虚拟实验室可以通过网络来访问，所有 的内容都集中在服务器上，便于集中管理。对于开发者来说，可以方便地添加新实验、 收集用户的反馈信息，及时更新、完善实验内容，对用户使用中存在的问题也可以及时 地予以解决。对于使用者来说，无需安装，只需访问网站即可。由于是纯软件仿真，其 物理结构十分简单。 由于仿真执行方式的不同，又可以把这类纯软件仿真形式的虚拟实验室分为以下几 种： ( 1 ) 实验算法与仿真算法独立 这种形式的虚拟实验室，把仿真代码放在服务器上，用户端只运行实验操作界面， 因此，实验运行时，用户端需要与服务器端保持连接，实时地发送参数，接受仿真结果 数据。当访问的用户数量逐渐增加时，服务器的负担也随之加重。因此，有必要限制可 以同时访问的最大用户数。这类实验通常采用m a t l a b s i m u l i n k 、s c i l a b 等具有强大计算 能力的软件作为计算引擎，用j a v a 等网络功能强、界面编程方便、可移植性好的网络 编程语言作为数据通信、实验操作界面以及实验管理界面的开发工具。这类实验室的优 越性在于实验界面与仿真算法独立，实验界面和仿真算法可以采用不同的开发工具开 发，分另发挥各种工具的优势，方便而快捷地开发出各种界面友好、仿真算法复杂的实 验。 ( 2 ) 实验界面集成仿真虚拟算法 与前一类虚拟实验室相比，这种形式的网络虚拟实验室中实验界面与仿真算法结合 在起，都在客户端运行。仿真过程中，不需要服务器端进行数据交换，因此，实验运 行时相当予单独独立运行的虚拟实验。例如，用f l a s h 开发的此类仿真实验室，客户端 不需要与服务器进行数据交换，不需要安装插件就可播放。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 按照三元素原则( v l 、使用者和现实环境) 可以将v l 分成：s - v l 与r - v l 两大 类；根据对硬件的依赖程度，又可以将s v l 分为i s v l 和n o n i s - v l 两类；其中 n o n i s v l 根据关注对象分为计算v l ( c v l ) 和仿真v l ( e _ ) 。下面将主要讨论 e - v l 的相关问题。 1 2 4e _ v l 的架构过程与实现模式研究 仿真虚拟实验室的架构过程与实现模式的具体分析可参见文献，简述如下。 i 2 4 1e _ v l 的架构过程 过程如下： 1 确定对象( o b j e c t ) 整个架构过程是面向对象的，每一步都基于对仿真对象的深刻理解。所咀首先需要 确定仿真的对象( 设计对象) 和使用的对象，对他们进行分析。如，确定实验的类别、 数量，确定使用者的需求等，据此确定，的基调。 2 确定规律( p r i n c i p l e ) 将实验规律和现象总结出来，根据上述调查分析，结合考虑仿真对象与使用对象， 确定要模拟的实验依据的规律。 3 确定计算机技术的局限( t e c h n o l o g yf a c t o r ) 检查确定的功能与现有的哪种计算机( 和网络) 技术最匹配，明确该技术局限。 4 确定功能与结构模块( m o d u l e ) ，细分模块 5 确定规则( r u l e s ) 将技术局限与实验规律对照、协调，从得蓟规则。 到此为止，e v l 的架构就完成了。其中4 、5 两步为关键步骤。 1 2 4 2e - v l 的实现模式研究 依据e - v l 在客户端的表现形式，对模式进行分类。将现有的e v l 实现模式可以 分为四种。 ( 1 ) 实现模式一( p - w 模式) ( 2 ) 实现模式二( s j 模式) ( 3 ) 实现模式三( p 模式) ( 4 ) 实现模式四( s 模式) 本虚拟实验室的实现模式为s 模式，即场景式( s c e n a r i o ) ，结构框图如图1 5 。 这种模式不仅保持了实验的完整性，而且注意了真实场景中的实验情况。在加入场景因 一9 一 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 素的基础上，保持了用户自由度与高交互的特性，即大大增强了沉浸感( 或者称为临境 感) 。这种模式使e v l 向沉浸式虚拟实验室( i s - v l ) 进一步靠近，在现有硬件条件 下最大限度地实现了v r 。 图1 5 s 模式结构 f i g1 5s t r u c t u r eo fs c e n a r i om o d e l s 模式中，规则r 是综合了所有规律之后的产物，因此是完全规则。因此i 层的几 个控制模块的界线消失了，因为都融于了一体。 s 模式适用于研究和教学，对于使用者的主观能动性起到了最大程度的促进，符合 人类的自然思维方式。 s 模式的优点：完全模拟实验的操作、过程和现象，能够反映实验的本质。操作符 合自然思维。重点是r 的确定与整合。 比如：a n a l a b 开发的有机虚拟实验室( 见图1 6 ) 。只要具备实验室常识，学生就 可以进行操作。 一1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 6 场景式实例 f 喀1 6e x a m p l eo f s c e n a r i om o d e l 1 2 4 3 实现模式对比与发展趋势 这四种实现模式进行了对比，结果见表1 1 。 表1 1 实现模式对比 t a b 1 1m o d e l sc o m p a r i s o n 从表1 i 中对于实现模式的对比分析中，我们可以得到实现模式的发展趋势：p w 模式( 散乱的素材+ 简单的超连接) ，s - j 模式( 人为分割的场面，局部的逻辑) ，p 模式( 抽象实验的过程) ，到s 模式( 完整、真实地实验再现) ，虚拟实验逐渐回归真 实，内部整合越来越紧密。 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 v l 所含的实验也由一个个互不相干，到集中、整合在一个实验室内部，而且虚拟 实验间可以互相配合、关联作为上下线相关实验。这样就构成了一个有机的v 卜“整 合式( i n t e g r a t i o n ) ”v l 。其结构如图1 7 所示。 v i m 城il a b 图1 7 整合式结构 f i g 1 7s t r u c t u r eo f i n t e g r a t i o n m o d e l 综上所述，我们认为：整合式( i 模式) 是f _ ，v l 实现模式的发展趋势a 1 3 构建色谱虚拟实验室的必要性 化学是- t 7 实验、理论并重的学科。在培养高素质的化学化工方面的创新人才的过 程中，化学实验有着极其重要的作用。为了培养创新型人才，必须在教学思想、教学内 容及教学方法上有所改变，而计算机技术的应用正是这项教学改革的主要推动力【3 8 4 2 。 以计算机多媒体技术、网络技术为基础，以智能化的多媒体教学软件为核心的远程 网络教育将成为2 l 世纪远程教育的有效方式。多媒体电子教材、虚拟实验室、虚拟教 室、电子导师、网络钡0 试等各种类型多媒体教学软件的出现，也将加快形成以“学生为 中心”的多元化学习教学模式。而在目前进行的教学改革中，多媒体教学软件将起着重 要作用。多媒体教学软件是随着计算机技术而发展起来的一种辅助教学手段，但随着计 算机网络技术与信息传输手段技术的高速发展，其内涵与外延也在不断发生交化。基于 不断出现的各种计算机新技术，研制开发高校化学课程的系列全方位智能化多媒体教学 软件，适应现代教育技术对高等教育所带来的变化，对建立适应2 l 世纪要求的新的教学 模式有着重要意义。 一1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 目前各高校普遍进行实验室开放教学改革，学生可直接进入实验室进行实验，如何 进行实验预习与预习效果评测，保证开放实验的顺利进行成为需要解决的首要问题。这 些问题在各个学校普遍存在，也不可能通过大量增加精密贵重仪器来实现。因此，研制 开发覆盖课程各教学环节的系列教学软件，通过教学方法和手段的更新，既可以帮助解 决以上问题、为提高教学质量探索一条有效途径，又可以通过仿真模拟，对学生的实验 预习情况和仪器操作能力进行客观评价，并为判断其是否可以进入实验室开始实验提供 客观的评价标准，为实验室实行开放式教学、实验类课程的远程或网络化教学创造有利 条件。 1 3 1 色谱分析实验的特点 总体来说，分析仪器设各大多价格昂贵，功能型号更新快，结构复杂、原理抽象， 而且需要大量的人员和资金进行日常维护，由于教育资金投入的限制，分析仪器设备的 种类不全和数量不足成为制约人才培养的一个瓶颈，一直是课堂教学和实验教学的重点 和难点邯4 ”。此外，所学校也很难有足够的新型高档仪器用于本科实验教学，因此， 利用计算机多媒体仿真模拟技术，开发虚拟实验室，从而缓解各个院校实验教学资源紧 张的状况。虚拟实验室摆脱了传统教育如电视录像、多媒体教室单边的交互功能，真正 实现人机对话，紧贴真实仪器操作，从原理介绍、开机操作、违规提示、结果输出分 析、网络数据查询和调用等一系列手段，让学生达到与操作真实仪器同样的效果，使学 生有机会了解新仪器、观察仪器内部构造、进一步掌握其原理并可进行练习操作，无疑 具有很大的实际意义和使用价值。 色谱分析法作为仪器分析教学中的重要内容，是目前复杂混合物分离分析最强有力 的分析方法之一。目前在高等学校仪器分析实验中，讲授内容主要有色谱理论、色谱仪 操作和色谱分析法的建立。与其他的定性分析方法不同，色谱分析中对不同的分析对象 必须用不同的分析条件。气相色谱分析需要大量的实践对象，而色谱操作实验又是高消 耗实验，不可能允许每个学生在色谱仪上进行反复多次的训练，因此建立色谱虚拟实验 室，使学生能有机会练习色谱操作、学习色谱理论具有极大的应用价值。 1 3 。2 仪器分析实验教学的对象分析 大学化学实验类c a i 是以大学生为对象弘”，而当代大学生生长在网络普及的时 代，绝大部分都己非常熟悉计算机与网络环境。因其个性增强，对说教式、填鸭式教学 更加反感。拥有很强的求知欲与探索精神。因此，c a i 课件应符合现在大学教学规律， 应避免从“如何教”的以教师为中心的传统观念出发，而应向以学生为中心的“如何 一1 3 网络化色谱虚拟仪器与虚拟实验室的实现方法研究 学”教育模式转化。在计算机屏幕上给学生留下施展能力的空间，从而引导、激发其学 习的积极性。 对于大学生，其认识结构更多属于“抽象思维图式”，大学c a d 课件的学习者应 能将主动权牢牢掌握在手中，任何时候，他都可以做他希望做的事，真正形成“以学生 为中心”的个别化教学模式。对于化学实验类c & i 课件，要做到这一点，无疑能收到 较好效果，但其难度大大增加。 总之，大学c a i 不是文字、图片、音乐加按钮，也不单纯是资料库，需要赋予其 智能化内涵，调动多媒体技术为“怎样学”服务，真正确定c a i 课件的不可取代地 位。为达至0 这一目的，大学化学实验类c a i 课件需要具备一些基本特征。 ( 1 ) 多媒体化。这是目前c a i 课件课件应具备的。但应广泛应用超文本技术并注意 各种媒体的有机结合，避免生拉硬配，造成媒体与资料堆积。媒体应为突出课件 中心服务。 ( 2 ) 智能化。智能化特征将赋予课件生命，能够更好体现c a i 课件的辅助功能。智 能化是目前研究的热点。 ( 3 )高度互动化。互动化对于实验类c a j 课件来说尤为重要。高度互动才能有利于 人机交流，提高学习者的学习兴趣。 ( 4 ) 界面简洁，关键信息突出。实验结果表明，关键信息突出与不突出，学习效果分 别为8 0 与4 0 。可采用局部放大、动态显示来突出主题。另外要注意屏幕布 局、文字用语、字体大小及颜色的协调性。 ( 5 ) 科学性与规范性。化学各学科中有许多共性。 ( 6 ) 测评功能。对于实验类c a i 课件来说，测评功能是不可缺少的，它能使学生在虚 拟实验后很快知道自己的学习效果和实验能力，并为判断其是否可以进行真正实 验提供依据。实用性强，可满足不同层次学习之用，成为学习课程不可缺少的工 具。 1 t 3 - 3 小节 需求是推动事物发展的动力，而事物的发展却是建立在客观条件基础之上。从色谱 实验及使用者的特点