虛擬分光光度計在《植物生理學實驗》中的教學論文
引言
紫外可見分光光度計是一種很重要的分析儀器，它經過長期的研究和不斷改進，在物理學、化學、生物學、醫學、材料學、環境科學等科學研究領域都有廣泛而重要的應用。[1]在實驗教學中，分光光度計占有重要地位。但是在實際的分光光度計的教學中，往往存在以下三個問題：第一，對于需要使用分光光度計這樣操作復雜的實驗儀器，學生僅看實驗講義文字的內容很難清晰地了解其操作過程。第二，在傳統的植物生理學實驗課堂上，往往都是一個教師輔導全班的幾十個學生做實驗，在課堂上演示分光光度計的使用受到空間的限制，教師可能需要重復講解多次，這樣大大增加了教師的勞動強度，也降低了課堂教學的效果以及學生的學習效率。第三，實驗教學所采用的方法比較單一，學生在實驗課中面對著分光光度計，不知從何下手，往往很被動，教師怎么說就怎么做。操作儀器就停留在不動腦的機械勞動階段，達不到提高學生動手操作能力的目的。
這些問題嚴重制約了植物生理學實驗教學正常進行。而采用虛擬技術改進教學和實驗方法， 可以較好地解決這些問題， 提高教學質量。因此，根據現有技術條件和手段，引入Flash對分光光度計虛擬開發，以重現實驗內容，形成虛擬教學方式。利用虛擬技術創造虛擬儀器，教學的視野將拓寬，教學空間從某一特定的物理空間延伸到虛擬的賽伯空間，教學資源的界限從少量有限伸展到大量無限，最終可以提高實驗教學的效果，豐富教學手段和教學表現力。[2]
一、虛擬分光光度計的構成
虛擬分光光度計是利用計算機軟件技術將實驗的內容及過程在計算機屏幕上模擬出來，學生或者教師可利用網絡平臺或個人計算機隨時隨地虛擬儀器操作的全過程。所以它的基本構成包括計算機和虛擬儀器軟件，而多媒體計算機是基礎，虛擬軟件是核心。因此虛擬分光光度計主要用Flash軟件設計和制作，并利用Corledit、Photoshop等軟件進行優化。Flash強大的交互功能和虛擬軟件友好的人機界面，有利于發揮學生個人特長和培養學生共同解決問題的能力，增強學生對分光光度計的興趣，降低了實驗成本。而將開發的分光光度計軟件放在學院網站上，學生憑學號登錄學習，實現實驗資源的共享以及有利于學生的交流探索。
根據植物生理學的實際，儀器虛擬的是VIS-723N型分光光度計，例如虛擬波長掃描和光度測量可用于葉綠體色素含量測定，虛擬定量分析可用于植物組織中可溶性糖含量的測定，虛擬時間掃描可用于愈創木酚法測定過氧化物酶活性等。
二、虛擬分光光度計的應用
1.學生課前預習的應用
對于植物生理學的實驗課，實驗課程比較緊湊，所以實驗預習對于提高課堂效率是十分必要的。通過預習，學生可以對所要學習的實驗有一個整體的感知，能理解簡單的知識。但是分光光度計的操作要求高、功能多、儀器調試過程復雜，學生很難僅憑閱讀實驗講義就能弄清儀器的操作方法和步驟。而讓學生在實驗前進入實驗室了解實驗儀器又受到實驗經費、實驗室開放時間的限制。所以在進行真實實驗前，讓學生在虛擬實驗中進行演練，可以增大預習效果。對實驗目的、操作步驟、實驗過程及結果有了一定的了解后，再進行實際操作，學生可做到心中有數，實驗的目的性更明確，對一些關鍵的細節和易出現的問題，已經有所準備，也有利于在實驗課上騰出更多的時間進行創新嘗試。例如在進行波長掃描葉綠體時，學生可根據不同濃度的葉綠體進行掃描，找出最合適的濃度。如果學生操作錯誤，虛擬儀器除了能像真實儀器發出錯誤警告外，還能列出相應的提示反饋，方便學生的操作。
2.實驗課演示的應用
植物生理學實驗課程教學，重點是培養學生的動手操作能力，所以在每個實驗前先由實驗教師對實驗原理和步驟進行詳細的講解，然后學生按照教師講解的實驗步驟完成一些驗證性的實驗操作。而對于需要用到分光光度計的實驗，教師講解清楚有一定的難度，這時可以利用虛擬分光光度計來進行演示。演示示范具有直觀性和過程性的特點，通過動態的演示，學生能一目了然知道實驗的操作步驟，掌握相應的技能，并且得到理論結果。演示分光光度計的過程由教師進行操作，教師按照一定的程序演示，有助于學生對儀器的使用原理、操作規則、操作步驟的記憶。教師還可以針對在現實實驗中比較容易出錯的操作、操作儀器的注意事項或者對實驗結果有幫助的細節在演示的過程中給予說明。通過演示儀器，培養學生觀察、分析和解決問題的能力。
3.個別指導的應用
有些學生對實驗課上部分內容還沒完全理解或者因為操作錯誤而導致實驗失敗，但由于分光光度計價格昂貴，很多學校都沒有給學生提供開放的實驗室，這樣學生的學習就不能得到較好的反饋。因此在書寫實驗報告時往往就會抄襲他人的實驗結果，學生就沒有真正掌握實驗的操作要領。利用學院網站虛擬分光光度計軟件，學生可以觀察實驗現象、理解實驗原理和實驗結果，熟記實驗的操作步驟，甚至能在網站留言，方便同學之間交流和教師的指導，從而培養學生發現問題、解決問題的能力，也有利于教師對自己的教學進行反思以及分析。虛擬儀器軟件配套相應的練習，學生可以根據自己所掌握知識的薄弱環節進行操作鞏固。這樣針對不同的學生的學習特點和情況，具體問題具體分析，實現因材施教，使其能達到最佳的學習效果。
4.綜合實驗的應用
畢業論文、課外科研、設計性綜合實驗在實驗進行過程或結果的測定方面都有可能用到分光光度計。但學生如果沒有經常使用，很快就忘了如何操作，使實驗無法進行。因此，學生可先利用虛擬儀器復習操作過程，再進行真實實驗。虛擬儀器是按照真實的操作步驟進行設置的，操作簡便，不用擔心會損壞儀器，能幫助學生快速掌握正確的儀器操作程序。由于綜合實驗大多是探究性實驗，所以在虛擬實驗中，學生可以通過各種嘗試，了解各種錯誤的實驗操作，分析錯誤的原因，在真實的實驗中避免錯誤操作的發生。并且能夠結合虛擬實驗自主探究，在真實實驗中實現更好的探索。
三、虛擬分光光度計的應用價值
1.豐富教學手段
虛擬分光光度計儀器改變了傳統單一的教學方法，通過虛擬實驗教學，教師可以隨時進行實驗演示和分析，將有關理論教學和實驗教學有機地結合起來，改變了以往“紙上談兵”的教學模式。而學生也可以改變學習方式，學習不再受實驗室的限制，自主地選擇自己所需的操作內容，實現了學生為主體的學習方式。
2.節約實驗成本
分光光度計價格昂貴，維修成本大，學生的不規范操作容易導致機器的損壞。用虛擬技術，不用擔心會損壞機器，能對學生進行規范操作訓練，減少機器的損傷程度，也沒有原材料的消耗，大大節約了植物生理學實驗的成本。
3.激發學生學習興趣
高校實驗室的開放程度還不夠，學生對分光光度計儀器設備、實驗內容等不是很清楚，因此興趣不是很大。利用虛擬分光光度計可以激發學習動機，增強學習興趣。多媒體技術將文本、圖形、圖像、動畫、音效等呈現在學生面前， 能激起學生更大的學習興趣。而學生在虛擬儀器上多次練習進行操作訓練，可大大提高實際操作效果。
結束語
利用虛擬現實技術有效輔助實驗教學，通過虛擬訓練，加強了學生的基本實驗技能，通過真實實驗又進一步培養了實際動手能力。一方面減輕了實驗室管理的負擔以及教師上課的勞動強度；另一方面，也給學生提供了更廣闊的空間，激發了學生的學習興趣，提高了學生解決實際問題的能力，取得了令人滿意的效果。雖然虛擬實驗儀器在實驗教學中扮演著重要的角色，但是虛與實畢竟是兩種不同的形態。無論虛擬實驗多么“真實”，它都不取代不了真實實驗。對于生物科學的學生，實驗技能也非常重要，因此實踐動手能力的培養是教師教學的重要任務之一，而動手能力單靠仿真模擬實驗是練不出來的。[3] 模擬操作只是一個輔助的工具，認知過程必須有一個從模擬到實物的過程，否則將永遠停留在一個虛構的過程中，不能真正地認識事物的本質。虛擬實驗儀器的最終目標不是讓學生掌握虛擬狀態的實驗技能，而是更好地掌握真實情境下的實驗技能。所以掌握實際實驗技能才是根本之所在。真實實驗和虛擬實驗都是實驗中的重要組成部分，二者相互結合、相互促進。利用并發揮兩者的優勢，才能更好地為實驗服務。
參考文獻：
[1]尹揚嵐.新型紫外可見分光光度計光源光學系統的研究與設計[D].廈門：廈門大學，2008.
[2]王磊.虛擬教學的理論架構[J].電大教學，2001，（5）：4-7.
[3]王玉秋.Flash模擬演示課件在教學中的應用[J].遼寧教育行政學院學報，2009，（4）：174-715.
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