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色谱仿真教学及知识查询系统

时间:2010-06-05 23:36来源:知行网www.zhixing123.cn 编辑:麦田守望者

【摘 要】 本文从设计思路、软件结构、应用前景等方面详细介绍了色谱仿真教学及知识查询系统软件。该软件以C++语言为主要手段,利用了超文本、组件、多媒体及数据库等技术,将计算机仿真技术与色谱理论相结合,具有技术上的先进性;同时软件设计思路突破了传统的教学模式,具有相当的实用性,是色谱理论教学和实验教学的理想辅助手段。

【关键词】 

CAI软件 色谱教学 计算机仿真 数据库 组件 多媒体 WWW

色谱分析法是仪器分析的重要组成部分,应用领域日益广泛;但由于它是一门实践性很强的课程,需要配合大量的实验教学方能取得良好的教学效果。近年来,色谱分析在理论、方法、仪器及应用方面都取得了重大的发展,而大多数高等院校的色谱仪还很陈旧且量少,对仪器进行更新换代暂时还有困难,这种现状对跨世纪人才的培养极为不利。

当今,计算机的使用在各院校已经普及,计算机辅助教学系统(CAI)是计算机的重要应用之一,因此利用计算机技术来解决上述矛盾是可能的,也是紧迫的。据此,我们研制了一套色谱仿真教学及数据查询系统,该软件将先进的仿真技术引入色谱教学中,并充分利用了计算机的交互性和多媒体技术。通过使用该色谱仿真软件,学生可以轻松、形象地学习色谱原理,特别是可以在计算机上模拟色谱仪操作和色谱实验并得到实验结果;教师可以利用该软件进行直观地演示,有助于提高课堂教学质量。因此该软件是色谱理论教学和实验教学的理想辅助手段。

一、色谱仿真教学软件的设计思路

有关色谱的计算机辅助教学软件已有出现,但设计思路和实现手段还比较陈旧、单一。这些软件将色谱理论、实验操作简单地图形化,仅仅是一种电子化的教科书,未能摆脱传统的教学模式,更未能充分利用计算机强大的功能。我们研制的色谱仿真教学软件,在设计思路上有一定的创新,突破了传统的教学模式。

  1. 将仿真技术引入色谱辅助教学软件中

我们研制的色谱仿真教学和数据查询系统与其它同类教学软件的最大不同是将仿真技术引入该教学软件中。在该软件中的仿真内容有以下两类:

A.色谱出峰模拟

在色谱教学中,如何将理论教学和实践很好地结合是一个难点。例如,在讲解色谱条件(如色谱柱温度、流速及固定相种类等)对分离结果的影响时,如果能让学生通过实验(分离实际样品)来获得结论,将会加深记忆,提高学生的学习兴趣,从而获得比较好的教学效果;但这需要花费大量的实验课时和教学经费。

  因此,我们选择了一个成熟、实用的色谱理论模型,通过以下步骤实现仿真功能:

  1. 通过C++语言实现该模型的核心运算
  2. 通过经验值以及文献资料将各部分参数实例化
  3. 将模型所用到的常量、可选参数全部输入数据库
  4. 配以标准的图形界面以及数据库接口

这样,一个抽象的理论模型就成为了一个可操作、可观察的具体应用软件。

学生利用该功能可简单快速地模拟配制色谱分析样品,方便地设置重要色谱条件,模拟出峰并获得样品分离谱图,观察色谱分离情况并计算分析结果,如改变色谱条件,样品分离情况也随之发生变化,使学生能直观地体会色谱条件改变对分离情况的影响。

B.色谱仪操作仿真

在色谱仪数量少而实验教学任务繁重的学校,实验安排存在困难。例如:在我校,每年有近千名学生要进行色谱实验,其中仪器的基本操作训练实验占很大比例。如果能在计算机上完成色谱仪的操作训练,则可节省仪器机时,同时也节省了学生和实验指导教师的时间。

基于这一考虑,我们将实际仪器(比如上分厂的GC122气相色谱仪)的外观、操作面板、旋钮等设计为一个个的“组件” (ActiveX控件),这些组件组合在一起就形成了一个计算机化了的“虚拟仪器”。因此可以通过键盘和鼠标,模拟对色谱仪的面板和旋纽的操作,显示屏对操作的响应一一对应,如同在真实的色谱仪器上操作一样。学生对该部分进行操作,可完成实验前的操作培训或接触到学校没有的先进仪器。

  1. 将超文本(WWW)技术引入色谱辅助教学软件中

      色谱基本理论涉及的知识面较广,理论推导较多,学生学习的时候不易抓住重点,学习积极性不高。另外,教科书上的内容一般都偏重理论知识,对色谱实践缺乏有效的指导。

      为提高学生的学习兴趣,充分利用计算机信息量大的优点,用超文本的方式将色谱教学基本内容置于系统之中,材料的选取注重简洁易懂;另外详细介绍色谱仪的仪器结构以及周边设备,选材注重实用,对色谱实践具有重要指导作用。

    由于采用了WWW页面结构,整个知识层次结构清晰,布局合理,方便同学阅读和查询。

  2. 将多媒体技术应用于色谱辅助教学软件中

目前,大部分高等院校的教学用仪器设备还较落后,想在近期内进行更新换代还有困难,如何更好地将先进、常用的色谱仪器介绍给学生是我们教师面临的问题。

因此,我们将当前比较先进的(国产)仪器制作成三维的动态效果图。比如针对上分厂的GC122气相色谱仪,我们通过以下步骤完成制作:

  1. 对仪器进行数码成像
  2. 上分厂提供仪器的结构蓝图
  3. 利用3DS生成仪器三维模型
  4. 设计动画脚本,在3DS中实现脚本并渲染成最终的动画文件
  5. 将文件转换为页面所能接受的格式(AVI),再嵌入相应的页面中即可

利用多媒体技术制作色谱仪三维结构图,学生可以通过该图形界面“剖析”整个色谱仪的内部结构。系统将通过图形,动画及说明文字清晰地展示色谱仪的结构与功能。

  1. 将数据库技术应用于色谱辅助教学软件中

色谱分析中有大量的经验数据,这些数据对色谱定性、定量分析以及色谱分离条件的选择都很有帮助。

因此,一个通用的色谱数据库的建立是极为有用的。通过该数据库不仅可以方便、直观地查询色谱数据,如保留指数、麦氏常数、各生产厂商的产品(仪器、固定液、担体等);还可以帮助选择合适的固定液以及辅助定性等。数据库的维护可由用户自己来完成,将经常使用的物质属性数据输入数据库,便可以在软件仿真部分进行该物质的模拟分离。

由于现在数据库规模不大,因此我们采用了MS ACCESS数据库系统。查询、维护界面直接用ACCESS生成,程序中利用ODBC技术进行数据访问。

色谱数据的计算是最常用的,该部分能帮助学生进行色谱常用数据的计算,如各种定量方法的计算、各种保留值的计算、仪器的性能指标计算等。

二、色谱仿真教学软件简介

  硬件要求(最低配置):P133 16M RAM 1.2G HDD 2 M显存 14”显示器 (建议15”) CD-ROM 鼠标

  操作系统:Windows 95及以上版本 或者Windows NT4.0及以上版本

  屏幕分辨率:800×600 16 bit 高色彩最佳

2.软件总体结构

  软件的主要功能可通过系统主菜单说明,菜单如下所示:

可以看出整个系统分为八个组成部分即:基本原理、气相色谱、色谱国标、数据处理、数据查询、产品介绍、实验仿真、帮助。

这些功能根据应用角度以及实现方法又可分为以下四大类(帮助除外):

  • 色谱知识

包括基本原理、气相色谱、色谱国标三个部分。主要通过WWW页面的形式系统地介绍色谱理论和实验知识。其中内容结构清晰,查找非常容易,同时包含了大量的图形插件,可放大、缩小,可读性强。

  • 色谱数据

包括数据处理、数据查询两个部分。主要通过数据库技术完成大量实用色谱数据的存储查询以及常用的指标计算。

  • 多媒体演示

包括产品介绍部分。三维动画展示仪器的结构以及组件技术完成仪器的操作仿真。

  • 仿真

包括实验仿真部分。这是本软件的重点,通过C++语言实现色谱模型与操作界面。

通过菜单选择,可以进入各功能模块及其分支。图一可说明系统的功能分布:

3.软件界面与操作

在强调功能的同时,界面和操作性对于一个应用软件来说也是同样重要的。

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标签(Tag):CAI 计算机仿真
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