高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统的研发与应用

申报人：丁智勇申报日期：2024-06-28

基本情况

所属批次:

2024

项目名称:

高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统的研发与应用盲选

项目类型:

创新训练项目

所属一级学科:

理学

所属二级学科:

化学类

项目来源名称:

学生自主选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

实验教学在教学过程中起指引性作用，但传统的实验教学存在诸多痛点问题，严重影响实验教学质量。本项目利用虚拟现实技术，通过3D建模与Unity等软件形成3D场景框架与仿真交互，完成高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统框架的构建。提高了实验教学效率和可行性，降低了实验过程中不必要的损耗。旨在通过虚拟现实与仿真技术构建高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统，为高效液相色谱仪教学中存在的痛点问题提供的解决新思

负责人曾经参与科研的情况:

参与大学生创新训练项目1项

指导教师承担科研课题情况:

参与研究生创新项目2项，其中主持1项；参与大庆社联项目2项

指导教师对本项目的支持情况:

帮助学生明确项目的目标和范围，协助学生制定详细实施方案，确保项目的可行性和可实施性，并帮助解决可能出现的问题。

项目级别:

省级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	丁智勇	理学院	应用化学	2022	全系统联合试调	第一主持人
2	胡欣茹	理学院	应用化学	2022	完成场景交互	成员
3	李禹恺笛	理学院	应用化学	2022	实验室资料收集	成员
4	王宇	理学院	应用化学	2022	构建3D模型	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	刘佳人	理学院	否	第一指导教师
2	罗康	理学院	是	指导教师

立项依据

研究目的:

实验教学是农业类本科院校教育中必不可少的一环，在教学过程中起指引性作用。但传统的实验教学存在实验安全隐患、教学仪器受限等诸多痛点问题，严重影响实验教学质量。基于此，本项目旨在通过虚拟现实技术构建高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统，为高效液相色谱仪教学中存在的痛点问题提供解决的新思路。

本项目设计开发高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统，解决实验教学过程中危险性实验无法开展问题；解决实验教学过程中教学条件受限，设备仪器供应不足问题；解决实验教学过程中药品的过量损耗和废液污染问题。

研究内容:

本项目通过虚拟现实与仿真技术，编写开发一个开放、灵活、可操作的高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统。项目包括以下内容方法：

1. 实际实验室资料收集，包括拍摄真实仪器图片、操作视频、谱图、工作站等；

2. 利用3D软件建模设计并构建高效液相色谱仪3D模型；

3. 利用3D软件建模设计分析并构建实验室3D模型；

4. 利用3D软件建模设计分析并构建玻璃仪器3D模型；

5. 通过unity软件虚拟仿真场景组态；

6. 利用仿真开发平台完成3D场景框架及仿真交互；

7. 利用仿真开发平台完成工作站操作仿真交互；

8. 利用仿真开发平台整合实验中心实验数据；

9. 全系统联合调试

国、内外研究现状和发展动态:

实验教学是农业类本科院校教育中必不可少的一环，在教学过程中起指引性作用。实验不仅是验证已有理论和假设是否正确的关键手段，也是发现新理论的重要渠道。但传统的实验教学存在诸多痛点：如因试剂危险性高而存在安全隐患、实验的可行性低、仪器设备供给不足、实验后废液难以处理等问题致使实验无法开展，严重影响实验教学质量。随着科技的发展，教学形式也变得多样化。互联网的快速发展为教育改革和发展指明了方向。随着硬件技术的提高和大数据、云计算等平台的构建，让传统实验数字化，虚拟化成为大势所趋[1]。

虚拟现实技术（VirtualReality,VR）是一种通过模拟真实环境的方式，让用户身临其境地沉浸在虚拟世界中的技术[2]，可以实现对物理世界的全面感知、精准分析和智能决策[3]。VR是通过计算机模拟产生的沉浸式体验技术，通过模拟现实环境创造一个虚拟的世界，让用户在视觉、听觉、触觉等多个感官上获得与现实世界相似或超越现实的体验[4]。随着5G时代的到来，虚拟现实技术也得到了迅速的衍生和发展，包括增强现实、增强虚拟、混合现实、拓展现实等维度，其在教育领域中的应用逐渐受到关注[5]。

图1 虚拟现实仿真技术在化学实验中的应用

Fig1. Application of Virtual Reality Simulation Technology in Chemistry Experiments

虚拟仿真技术能够模拟真实的实验条件和环境，且不受场地、时空、设备和危险性等因素的影响。切实应用于临床医学教学、动物生产实验模拟教学、化学实验（如图1所示）以及存在一定危险的放射学教育中[6,7]。面对难以理解的抽象物结构，虚拟仿真技术将其的分子结构、空间构象、反应机理具体展现在学生面前，让学生可以更直观的理解学习[8]。虚拟仿真技术不仅对于理论教学有帮助，对于化学实验教学更是帮助巨大，它可以通过模拟验证实验的可行性，节约药品资源与人力资源[9]，模拟实验的最理想成效，与真正实验作对比。

参考文献：

[1] 杨辉. 虚拟现实技术在教学领域的应用现状与前景分析[J]. 衡水学院学报, 2023, 25(04): 82-86.

[2] 黄骁. 虚拟现实技术在动漫专业教学中的实践[J/OL]. 高教论坛, 2024(05):53-57.

[3] 陈辉. 基于AR技术的非遗产品交互媒体技术研究[J]. 现代电子技术,2017,40(22):116-118.

[4] 杨丽, 苑月峰, 王静怡. 虚拟现实技术（VR）推进河北乡村旅游高质量发展路径研究[J]. 河北企业, 2024(06):140-142.

[5] 宁崴, 殷佳慧, 孙淼, 等. 虚拟现实技术在“风景园林规划设计”课程中的应用研究[J]. 吉林省教育学院学报, 2024,40(06):139-143.

[6] 李改英, 李东华, 蒋瑞瑞, 等. 虚拟仿真技术在动物生产学实验教学中的应用[J].现代农业科技, 2024(11):212-216.

[7] Shetty S, Bhat S, Al Bayatti S,et al. The Scope of Virtual Reality Simulators in Radiology Education: Systematic Literature Review. JMIR Med Educ. 2024 May 8;10:e52953.

[8] 刘卉, 张树鹏, 张云添, 等. 虚拟现实VR技术在有机化学课程教学中的应用探究[J/OL].大学化学:1-8.

[9] Li Zhaoyan, Cao Yuan, Luo Jiancheng. Application of Virtual Reality Technology in the Chemistry Teaching Process [A]. 2022:133-134.

创新点与项目特色:

本项目将虚拟现实仿真技术与高效液相色谱仪相结合，学生能够通过“虚拟实验室”教学系统，模拟高效液相色谱仪的使用，提高教学效率，切实解决实验教学中因教学条件受限导致高效液相色谱仪有关实验无法开展的问题。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

技术路线

2.拟解决的问题

（1）开发“虚拟实验室”教学系统；

（2）高效液相色谱仪实验数据汇总；

（3）3D建模高效液相色谱仪。

3.预期成果

（1）通过虚拟现实与仿真技术构建高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统，为高效液相色谱仪实验教学中存在的痛点问题提供解决的新思路。

（2）争取发表学术论文1篇；

（3）争取申请专利1项；

（4）参加省级及以上竞赛2项；

（4）撰写研究报告1份。

项目研究进度安排:

编号	周期/月	进度内容	目标
1	1	实验室相关资料收集	获得清晰完整的仪器图片、操作视频、谱图、工作站等
2	1	设计高效液相色谱仪3D模型	仪器3D模型
3	1	设计分析实验室3D模型	实验室3D模型
4	1	设计分析玻璃仪器3D模型	玻璃仪器3D模型
5	1	Uniy 3D虚拟仿真场景组态	3D虚拟仿真场景组态
6	1	3D场景框架及仿真交互	完成交互
7	1	工作站操作仿真交互	完成工作站交互
8	1	整合实验中心实验数据	形成实验数据库
9	1	全系统联合调试	能够正常运行
合计	9	完成项目全部内容	完成数据导入以及3D场景框架与仿真交互

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

1、理论基础

虚拟现实与虚拟仿真技术作为高科技软件系统，技术已经基本成熟且广泛应用于医学模拟、实践模拟、场景搭建等多种研究领域。

2、团队基础

团队为校企合作团队，指导教师包括高校指导教师与企业指导教师，高校指导教师对高效液相色谱仪有一定了解，企业指导教师具有多年计算机软件编程经验，开发过多种软件项目。团队组成成员均擅长计算机软件编程，且对其具有浓厚的兴趣。

3、实际条件基础

高校实验室配备各类型号高效液相色谱仪，企业具有适应软件编程的各类仪器设备，能够进行数据测定拟合并建立相关数据库。

4.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

（1）已与软件公司合作开展研发，合作公司具有多年仿真开发经验且研发在线仿真平台已上市使用（合作公司）且合作单位同意指导仿真软件的开发（合作单位相关材料如图2所示）。图2 合作单位相关材料

Fig2. Materials related to co-operating units

（2）前期开展虚拟显示仿真液相色谱仪的研发且已投入使用。

通过3Dmax建立了液相色谱虚拟仿真模型，并导入到unity软件中进行场景组态（如图3所示）图3场景导入 Fig3. Scene Introduction，编写色谱模拟数学模型，并在软件中模拟进样以及现实色谱流图（如图4所示）图4模拟进样 Fig4. Analogue Injection。建立了虚拟仿真色谱定性定量方法，对液相色谱工作站的数据处理功能进行了虚拟仿真（如图5所示）图5虚拟仿真Fig5. virtual simulation，建立了详尽的液相色谱智能操作指导系统（如图6所示）图6智能操作系统Fig6. Intelligent Operating System。构建了友好的仿真数据编辑工具（如图7所示）图7数据编辑工具 Fig7. Data editing tool 和可视化的仿真工作站开发系统（如图8所示）图8工作站开发系统

Fig8. Workstation Development System。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

本项目与软件公司进行合作，完成了初步摸索阶段，已开发出相关软件并且投入使用，对虚拟仿真技术有一定知识储备。但因各类实验仪器使用方法存在差别，还需要对各种仪器进行深入的分析，构建相关数学模型导入程序完成后续研发。

对于上述问题，团队制定如下解决方法：

（1）拍摄学校液相色谱仪器的完整操作录像（包括工作站操作的细节过程，包括且不限于仪器初始化，分析方法设置，数据采集，数据处理等内容），用于在研发过程中进行仿真软件操作逻辑的设计；

（2）拍摄实验室内部场景以及各种液相色谱操作过程中涉及到的设备，重点是液相色谱仪的各个访问的详尽清晰图片，用于3D建模时正确还原液相色谱仪；

（3）液相色谱仪工作站截图，用于仿真工作站是能尽可能还原真实工作站内容。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	5000.00	无	2500.00	2500.00
1. 业务费	4000.00	数据库管理、服务器搭建、专家咨询	2100.00	1900.00
（1）计算、分析、测试费	200.00	软件测试	100.00	100.00
（2）能源动力费	200.00	所需能源动力	100.00	100.00
（3）会议、差旅费	2000.00	外出比赛学习	1000.00	1000.00
（4）文献检索费	100.00	查找所需资料	100.00	0.00
（5）论文出版费	1500.00	出版论文	800.00	700.00
2. 仪器设备购置费	600.00	开发软件	200.00	400.00
3. 实验装置试制费	200.00	装置购买	100.00	100.00
4. 材料费	200.00	开发所需材料	100.00	100.00

项目附件

高效液相色谱仪“虚拟实验室”教学系统的研发与应用-PaperYY检测报告单-20240630.pdf

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结束