虚拟分光光度计在《植物生理学实验》中的教学论文
引言
紫外可见分光光度计是一种很重要的分析仪器，它经过长期的研究和不断改进，在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域都有广泛而重要的应用。[1]在实验教学中，分光光度计占有重要地位。但是在实际的分光光度计的教学中，往往存在以下三个问题：第一，对于需要使用分光光度计这样操作复杂的实验仪器，学生仅看实验讲义文字的内容很难清晰地了解其操作过程。第二，在传统的植物生理学实验课堂上，往往都是一个教师辅导全班的几十个学生做实验，在课堂上演示分光光度计的使用受到空间的限制，教师可能需要重复讲解多次，这样大大增加了教师的劳动强度，也降低了课堂教学的效果以及学生的学习效率。第三，实验教学所采用的方法比较单一，学生在实验课中面对着分光光度计，不知从何下手，往往很被动，教师怎么说就怎么做。操作仪器就停留在不动脑的机械劳动阶段，达不到提高学生动手操作能力的目的。
这些问题严重制约了植物生理学实验教学正常进行。而采用虚拟技术改进教学和实验方法， 可以较好地解决这些问题， 提高教学质量。因此，根据现有技术条件和手段，引入Flash对分光光度计虚拟开发，以重现实验内容，形成虚拟教学方式。利用虚拟技术创造虚拟仪器，教学的视野将拓宽，教学空间从某一特定的物理空间延伸到虚拟的赛伯空间，教学资源的界限从少量有限伸展到大量无限，最终可以提高实验教学的效果，丰富教学手段和教学表现力。[2]
一、虚拟分光光度计的构成
虚拟分光光度计是利用计算机软件技术将实验的内容及过程在计算机屏幕上模拟出来，学生或者教师可利用网络平台或个人计算机随时随地虚拟仪器操作的全过程。所以它的基本构成包括计算机和虚拟仪器软件，而多媒体计算机是基础，虚拟软件是核心。因此虚拟分光光度计主要用Flash软件设计和制作，并利用Corledit、Photoshop等软件进行优化。Flash强大的交互功能和虚拟软件友好的人机界面，有利于发挥学生个人特长和培养学生共同解决问题的`能力，增强学生对分光光度计的兴趣，降低了实验成本。而将开发的分光光度计软件放在学院网站上，学生凭学号登录学习，实现实验资源的共享以及有利于学生的交流探索。
根据植物生理学的实际，仪器虚拟的是VIS-723N型分光光度计，例如虚拟波长扫描和光度测量可用于叶绿体色素含量测定，虚拟定量分析可用于植物组织中可溶性糖含量的测定，虚拟时间扫描可用于愈创木酚法测定过氧化物酶活性等。
二、虚拟分光光度计的应用
1.学生课前预习的应用
对于植物生理学的实验课，实验课程比较紧凑，所以实验预习对于提高课堂效率是十分必要的。通过预习，学生可以对所要学习的实验有一个整体的感知，能理解简单的知识。但是分光光度计的操作要求高、功能多、仪器调试过程复杂，学生很难仅凭阅读实验讲义就能弄清仪器的操作方法和步骤。而让学生在实验前进入实验室了解实验仪器又受到实验经费、实验室开放时间的限制。所以在进行真实实验前，让学生在虚拟实验中进行演练，可以增大预习效果。对实验目的、操作步骤、实验过程及结果有了一定的了解后，再进行实际操作，学生可做到心中有数，实验的目的性更明确，对一些关键的细节和易出现的问题，已经有所准备，也有利于在实验课上腾出更多的时间进行创新尝试。例如在进行波长扫描叶绿体时，学生可根据不同浓度的叶绿体进行扫描，找出最合适的浓度。如果学生操作错误，虚拟仪器除了能像真实仪器发出错误警告外，还能列出相应的提示反馈，方便学生的操作。
2.实验课演示的应用
植物生理学实验课程教学，重点是培养学生的动手操作能力，所以在每个实验前先由实验教师对实验原理和步骤进行详细的讲解，然后学生按照教师讲解的实验步骤完成一些验证性的实验操作。而对于需要用到分光光度计的实验，教师讲解清楚有一定的难度，这时可以利用虚拟分光光度计来进行演示。演示示范具有直观性和过程性的特点，通过动态的演示，学生能一目了然知道实验的操作步骤，掌握相应的技能，并且得到理论结果。演示分光光度计的过程由教师进行操作，教师按照一定的程序演示，有助于学生对仪器的使用原理、操作规则、操作步骤的记忆。教师还可以针对在现实实验中比较容易出错的操作、操作仪器的注意事项或者对实验结果有帮助的细节在演示的过程中给予说明。通过演示仪器，培养学生观察、分析和解决问题的能力。
3.个别指导的应用
有些学生对实验课上部分内容还没完全理解或者因为操作错误而导致实验失败，但由于分光光度计价格昂贵，很多学校都没有给学生提供开放的实验室，这样学生的学习就不能得到较好的反馈。因此在书写实验报告时往往就会抄袭他人的实验结果，学生就没有真正掌握实验的操作要领。利用学院网站虚拟分光光度计软件，学生可以观察实验现象、理解实验原理和实验结果，熟记实验的操作步骤，甚至能在网站留言，方便同学之间交流和教师的指导，从而培养学生发现问题、解决问题的能力，也有利于教师对自己的教学进行反思以及分析。虚拟仪器软件配套相应的练习，学生可以根据自己所掌握知识的薄弱环节进行操作巩固。这样针对不同的学生的学习特点和情况，具体问题具体分析，实现因材施教，使其能达到最佳的学习效果。
4.综合实验的应用
毕业论文、课外科研、设计性综合实验在实验进行过程或结果的测定方面都有可能用到分光光度计。但学生如果没有经常使用，很快就忘了如何操作，使实验无法进行。因此，学生可先利用虚拟仪器复习操作过程，再进行真实实验。虚拟仪器是按照真实的操作步骤进行设置的，操作简便，不用担心会损坏仪器，能帮助学生快速掌握正确的仪器操作程序。由于综合实验大多是探究性实验，所以在虚拟实验中，学生可以通过各种尝试，了解各种错误的实验操作，分析错误的原因，在真实的实验中避免错误操作的发生。并且能够结合虚拟实验自主探究，在真实实验中实现更好的探索。
三、虚拟分光光度计的应用价值
1.丰富教学手段
虚拟分光光度计仪器改变了传统单一的教学方法，通过虚拟实验教学，教师可以随时进行实验演示和分析，将有关理论教学和实验教学有机地结合起来，改变了以往“纸上谈兵”的教学模式。而学生也可以改变学习方式，学习不再受实验室的限制，自主地选择自己所需的操作内容，实现了学生为主体的学习方式。
2.节约实验成本
分光光度计价格昂贵，维修成本大，学生的不规范操作容易导致机器的损坏。用虚拟技术，不用担心会损坏机器，能对学生进行规范操作训练，减少机器的损伤程度，也没有原材料的消耗，大大节约了植物生理学实验的成本。
3.激发学生学习兴趣
高校实验室的开放程度还不够，学生对分光光度计仪器设备、实验内容等不是很清楚，因此兴趣不是很大。利用虚拟分光光度计可以激发学习动机，增强学习兴趣。多媒体技术将文本、图形、图像、动画、音效等呈现在学生面前， 能激起学生更大的学习兴趣。而学生在虚拟仪器上多次练习进行操作训练，可大大提高实际操作效果。
结束语
利用虚拟现实技术有效辅助实验教学，通过虚拟训练，加强了学生的基本实验技能，通过真实实验又进一步培养了实际动手能力。一方面减轻了实验室管理的负担以及教师上课的劳动强度；另一方面，也给学生提供了更广阔的空间，激发了学生的学习兴趣，提高了学生解决实际问题的能力，取得了令人满意的效果。虽然虚拟实验仪器在实验教学中扮演着重要的角色，但是虚与实毕竟是两种不同的形态。无论虚拟实验多么“真实”，它都不取代不了真实实验。对于生物科学的学生，实验技能也非常重要，因此实践动手能力的培养是教师教学的重要任务之一，而动手能力单靠仿真模拟实验是练不出来的。[3] 模拟操作只是一个辅助的工具，认知过程必须有一个从模拟到实物的过程，否则将永远停留在一个虚构的过程中，不能真正地认识事物的本质。虚拟实验仪器的最终目标不是让学生掌握虚拟状态的实验技能，而是更好地掌握真实情境下的实验技能。所以掌握实际实验技能才是根本之所在。真实实验和虚拟实验都是实验中的重要组成部分，二者相互结合、相互促进。利用并发挥两者的优势，才能更好地为实验服务。
参考文献：
[1]尹扬岚.新型紫外可见分光光度计光源光学系统的研究与设计[D].厦门：厦门大学，2008.
[2]王磊.虚拟教学的理论架构[J].电大教学，2001，（5）：4-7.
[3]王玉秋.Flash模拟演示课件在教学中的应用[J].辽宁教育行政学院学报，2009，（4）：174-715.
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