学生通过完成“光能转换材料及多层复合荧光薄膜在植物生长中的应用虚拟仿真实验”，要求达到如下实验教学目标：
（1）知识目标
1）对实验室使用的相关表征仪器、化学实验操作有基本的认识；
2）熟悉光能转换材料的概念，掌握基质、激活剂、敏化剂、电荷补偿剂等理论知识，深入了解Ce3+、Eu2+、Mn2+等离子的激发与发射特征；
3）熟悉光能转换材料的常用合成方法，即固相法、沉淀法，掌握实验操作步骤以及箱式炉、管式炉的使用及注意事项，空气气氛、还原气氛控制等；
4）熟悉多层共挤薄膜的制备工艺，理解植物生长专用膜的设计原理。
（2）能力目标
1）通过对本实验的学习，学生借助实验任务的驱动，能够结合所学理论知识，增强在实践中应用理论知识的能力，能够帮助学生培养科学的思维方式，建立多学科交叉融合的思维体系与提升跨学科思维能力；
2）提升学生发现问题、分析问题与解决问题的能力。
（3）素质目标
1）培养学生创新精神、团队协作意识、严谨求实的科学态度；
2）牢固树立服务“三农”、科技兴农意识；
3）培养学生树立正确的人生观、价值观，将自己所学奉献给国家发展和民族复兴的伟大事业。
光能转换材料及多层复合荧光薄膜在植物生长中的应用虚拟仿真实验省级一流课程
廉世勋湖南师范大学上线时间：2024年
- 所属专业类：化学类
- 对应专业：化学
- 课程类型：其他
- 实验类型：综合设计型
所属课程：化学综合实验(1)、能源材料制备与性能测试综合实验
本实验涉及光能转换材料制备、性能表征和复合荧光薄膜制备及应用等内容。制备光能转换材料需要多种设备，生产复合膜需要大尺寸设备、大空间场地，栽培植物周期长达数月或几年。这些因素决定了相关实验教学无法在有限的时间和空间里完成。本虚拟仿真实验利用多媒体和数据库等技术，构建了高度仿真的荧光粉制备、表征、荧光薄膜生产和作物栽培生长全过程的实验教学体系，能够克服传统实验教学受设备、场地和时间等因素的制约。
-
37809 -
37784 -
分享
打开微信“扫一扫”即可分享
Current Time 0:00
/
Duration Time 0:00
Loaded: 0%
Progress: 0%
Stream TypeLIVE
Remaining Time -0:00
1
- Chapters
- descriptions off, selected
- subtitles off, selected
- captions settings, opens captions settings dialog
- captions off, selected
This is a modal window.
Caption Settings Dialog
Beginning of dialog window. Escape will cancel and close the window.
共享应用每日0点更新
- 浏览量 120891
- 实验人次 47687
实验人次，是指用户参与并完成实验的总人次，同一个用户可以做多次实验，在实验完成后，实验人次会依次累加。"
- 实验人数 40649
“实验人数”是指参与实验的用户总人数。注意：
1.同一个用户多次实验，实验人数只统计为1人，不累加；
2.“实验人数”只统计已回传成绩的用户人数总和；
3.“已回传成绩”指学生完成实验后，实验接口成功返回学生实验数据；
4.验证“已回传成绩”的方式：参与实验人员可以在个人中心-我的项目-我的成绩中查看是否可以进行“实验评价”，实验负责老师可以在申报管理-成绩查看中查看是否有学生成绩；
5.共享应用中的所有统计数据均在每日0点～1点更新。
- 实验平均用时 62'
- 实验完成率 98%
“实验完成率”是指完成实验的次数占参与实验总次数的百分比。
- 实验通过率 按人次 98.0%按人数 99.7%
实验通过率”是指实验完成，实验成绩60分及以上的人次和人数占实验总人次和总人数的百分比。
按人次按人数
- 优秀 5.97%
成绩≥85
- 达标 92.01%
60≤成绩<85
- 不达标 2.02%
成绩<60
实验系统浏览器要求
教学支持热线
团队成员
实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论
（1）实验原理：
虚拟仿真实验内容涉及光能转换材料的制备、性能表征和复合荧光薄膜的制备与植物生长应用三大模块。
1）光能转换材料的制备
材料的制备主要利用高温固相法和共沉淀法来完成。两种方法均涉及以下内容：
荧光粉的设计：荧光粉通常由基质与激活剂构成。基质结构为激活剂（即发光中心）提供合适的配位环境，激活剂是发光过程中电子跃迁的主要场所，二者共同决定了荧光粉的发光性质。通过基质和激活剂的筛选可调节与发光过程有关的电子能级的相对能量位置，从而调控荧光粉激发和发射波长。因此，根据不同植物生长对太阳光谱吸收特性，可设计合成具有特定激发和发射波长范围的光能转换材料，以增强植物对特定波长范围太阳光的吸收转换效率；
原料的选择（配方设计）：为了获得目标荧光粉，需根据荧光粉的组成选择合适的几种原料。此处的虚拟仿真操作里，提供多种候选原料（显示其名称及包装外观照片），在正确选择所有原料后，方可进入制备环节；
荧光粉的制备：高温固相法涉及固相原料的称量、混合、装样、通气氛、高温炉（管式炉、箱式炉）使用等环节；共沉淀法则涉及原料的溶解及溶液配制、混合沉淀反应、温度控制、搅拌、过滤操作及高温反应等环节。根据制备方法的不同，设定不同的模块，按照实验的先后顺序，模拟荧光粉的整个制备流程。
荧光粉后处理：过筛、气流粉碎、表面改性、分装。
2）荧光粉性能表征
选取具有代表性的表征手段，包括X射线粉末衍射、激发和发射光谱、扫描电子显微图片（SEM），来分别分析荧光粉的物相组成、发光性能及形貌。相关图片可选用实际样品的图形化测试结果。
3）复合荧光薄膜的制备与植物生长应用
按照五层共挤工艺流程来制备多层复合荧光薄膜。再利用复合荧光薄膜来进行日光调节后，可提高植物对日光的利用效率、缩短生长周期，提升作物品质。
知识点：
（2）核心要素仿真设计：共 8 个
- 1. 太阳光谱与植物吸收光谱：太阳光谱覆盖整个可见光谱范围，其中绿光区的相对强度最大；绿色植物叶绿素的吸收光谱中，蓝光区与红光区的吸收很强，绿光区以及紫外区的吸收很弱。因此，利用可吸收绿光而发射红光的光能转换材料将绿光转换成植物吸收的红光，利用可吸收紫外光而发射蓝/红光的光能转换材料可将紫外光转换成蓝光/红光，从而显著提升植物生长过程中对太阳光的利用效率。
- 2. 光能转换材料/荧光粉：可吸收特定波长的光，并能以其他波长的光辐射出来的材料。通常，该材料包含基质和激活剂两部分，二者共同决定荧光粉的激发（吸收）和发射波长。
- 3. 复合荧光薄膜：由多种母料（其中一种含有荧光粉）通过五层共挤工艺制备的复合荧光薄膜，其具有光转换等多种功能。
- 4. 高温固相法：在高温下，均匀混合的固体原料在界面间经过接触、反应、成核、晶体生长，从而形成目标光能转换材料。根据固相反应的要求，可选择氧化、惰性、还原等气氛。
- 5. 共沉淀法：将目标光能转换材料所需的元素通过溶液以离子形式混合，再以共沉淀剂的添加形成共沉淀物聚集，干燥后的前驱物在高温下进行反应，进而获得目标光能转换材料。
- 6. X射线粉末衍射分析：基于X射线衍射的原理，对所制备的材料进行X射线粉末衍射测试，获得衍射图谱，将图谱与已知化合物的JCPDS标准卡片进行比对，确定所得材料的物相，并分析产物的纯度。
- 7. 激发光谱：通常以氙灯作为光源，以荧光粉的发射峰值波长作为监测波长，利用光栅改变入射到样品上的波长（激发波长），监测入射波长与发射强度的关系，绘制曲线，即得激发光谱，可获得激发带（覆盖波长范围）和最佳激发波长等信息；
- 8. 发射光谱：通常以氙灯作为光源（也可以用激光作为光源，激发波长固定），利用光栅调节入射到样品上的光源的波长（如设置为最佳的激发波长），监测不同波长时的发射光强度，得发射光谱，可获得发射带（覆盖波长范围）和最佳发射波长等信息。
荧光粉的设计：荧光粉通常由基质与激活剂构成，可根据基质和激活剂的筛选实现荧光粉激发和发射波长的调控；由此，基于植物生长对太阳光谱吸收特性，设计合成具有特定激发和发射波长范围的光能转换材料，以增强植物对太阳光的吸收转换效率； 原料的选择（配方设计）：根据荧光粉组成，需选择合适的原料来进行制备，此处的虚拟仿真操作里，提供多种候选原料（试剂瓶照片），在正确选择所有原料后，方可进入制备环节； 荧光粉的制备：高温固相法涉及固相原料的称量、混合、装样、通气氛、高温炉（管式炉、箱式炉）使用等环节；共沉淀法则涉及原料的溶解及溶液配制、混合沉淀反应、温度控制、搅拌、过滤操作及高温反应等环节。根据制备方法的不同，设定不同的模块，按照实验的先后顺序，模拟荧光粉的整个制备流程。 荧光粉后处理：过筛、气流粉碎、表面改性、分装。 荧光粉性能表征：模拟荧光粉激发-发射光谱的测试仪器及整个操作流程与光谱展示、荧光粉的物相表征过程（X-射线衍射仪的操作）、及其在日光、紫外灯下的颜色对比。 复合荧光薄膜的制备与植物生长应用：模拟五层共挤的实际工作环境与工艺流程，高度还原生产场景；模拟植物在太阳光和转光膜下的生长情况对比。
（1）学生交互性操作步骤：
（2）交互性步骤详细说明：
共11 步
| 序号 | 步骤名称 （100字以内） | 步骤目标要求 （100字以内） | 步骤合理用时 （分钟） | 目标达成度赋分模型 （200字以内） | 步骤满分 | 成绩类型 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 荧光粉体系设计 | 荧光粉体系设计中，针对番茄、甜椒、茄子三种作物，选择具有合适吸收与发射的荧光粉体系 | 5 | 针对一种作物，第一次选择正确得10分，第二次选择正确得5分，之后不得分 | 10 | |
| 2 | 配方设计 | 配方设计中，完成4种荧光粉配方的设计 | 10 | 每选错一次试剂，扣1分，扣完为止。完成一个配方且无误得14分，每多完成一个配方加2分 | 20 | |
| 3 | 绿转红荧光粉原料用量 | 共沉淀法制备绿转红荧光粉中，正确设计所需各原料的用量 | 5 | 每设计错一次原料组成表扣1分，共5分，扣完为止 | 5 | |
| 4 | 绿转红荧光粉制备操作 | 共沉淀法制备绿转红荧光粉中，掌握该制备操作 | 20 | 完成整个制备操作得5分，每少一个大步骤操作扣1分 | 5 | |
| 5 | 紫转蓝荧光粉原料用量 | 固相法制备紫转蓝荧光粉中，正确设计所需各原料的用量 | 5 | 每设计错一次原料组成表扣1分，共5分，扣完为止 | 5 | |
| 6 | 紫转蓝荧光粉制备操作 | 固相法制备紫转蓝荧光粉中，完成紫转蓝荧光粉的制备操作 | 20 | 完成整个制备操作得15分，每少一个大步骤操作扣1分 | 15 | |
| 7 | 紫转红荧光粉原料用量 | 固相法制备紫转红荧光粉中，正确设计所需各原料的用量 | 5 | 每设计错一次原料组成表扣1分，共5分，扣完为止 | 5 | |
| 8 | 紫转红荧光粉制备操作 | 固相法制备紫转红荧光粉中，完成紫转红荧光粉的制备操作 | 20 | 完成整个制备操作得5分，每少一个大步骤操作扣1分 | 5 | |
| 9 | 荧光粉性能表征 | 荧光粉性能表征中，掌握荧光粉表征的三种测试手段：XRD、荧光、紫外 | 20 | 对于XRD、荧光表征，每完成1个得6分，对于紫外表征，完成得3分 | 15 | |
| 10 | 多层复合荧光薄膜生产工艺 | 多层复合荧光薄膜的制备及在植物生长中的应用中，掌握荧光粉加入复合膜的生产工艺流程 | 5 | 没有学习观察荧光粉加入复合膜的生产工艺流程，扣5分 | 10 | |
| 11 | 多层复合荧光薄膜在植物生长中的应用 | 多层复合荧光薄膜的制备及在植物生长中的应用中，观察完整生长天数过程中西红柿的生长差异 | 3 | 没有完整观察150天内西红柿的生长差异，扣3分 | 5 |
1) 促进植物生长光能转换材料设计——荧光粉性能设计
2) 促进植物生长光能转换材料设计——荧光粉配方设计
3) 共沉淀法制备绿转红荧光粉——准备钙铕离子混合溶液
4) 共沉淀法制备绿转红荧光粉——准备沉淀剂
5) 共沉淀法制备绿转红荧光粉——沉淀反应合成前驱体
6) 共沉淀法制备绿转红荧光粉——碳热还原法烧结制备荧光粉
7) 共沉淀法制备绿转红荧光粉——研磨、装袋、编号
8) 固相法制备紫转蓝荧光粉——试剂的选择与用量计算
9) 固相法制备紫转蓝荧光粉——原料称取与混合
10) 固相法制备紫转蓝荧光粉——样品制备
11) 固相法制备紫转红荧光粉——根据分子式化学计量比计算所需原料
12) 固相法制备紫转红荧光粉——原料称取与混合
13) 固相法制备紫转红荧光粉——样品制备
14) 荧光粉性能表征——XRD表征
15) 荧光粉性能表征——发光性质测试-荧光光谱仪
16) 荧光粉性能表征——发光性质测试-紫外灯
17) 多层复合荧光薄膜的制备及在植物生长中的应用——多层复合荧光薄膜的制备
18) 多层复合荧光薄膜的制备及在植物生长中的应用——荧光薄膜用做塑料大棚
（1）实验教学过程
本实验涉及光能转换材料制备、性能表征和复合荧光薄膜制备及应用三大模块。制备光能转换材料需要多种设备，生产复合膜需要大尺寸设备、大空间场地，栽培植物周期长达数月或几年。这些因素导致了实验教学无法在有限的时间和空间里完成。
基于上述因素的制约，通过虚拟仿真实验，利用多媒体和数据库等技术构建高度仿真的荧光粉制备环境、表征环境、荧光薄膜生产过程和作物栽培生长全过程，克服传统实验受设备、场地和时间等多因素的制约，学生在虚拟环境中得以开展全方位、全过程的实验。本虚拟仿真把实验内容切割成“光能转换材料的设计与合成”、“材料性能表征”、“复合荧光薄膜的制备及在植物生长中的应用”及“目标考核”等模块。学生可通过学习模式、任务模式和考核模式来自主和多样式操作所有实验步骤，充分了解用于促进植物生长的荧光粉的设计原理、多层复合荧光薄膜的制备和光能转换材料制备及性能表征，从而完成从荧光粉设计到促进植物生长的完整实验实践，深刻掌握植物利用光能进行光合作用原理，培养材料合成与设计的创新能力。本虚拟仿真的实施突破了化学综合实验在教学时间和空间的局限，拓展了本科实验教学结构和形式。
（2）实验方法
以设计合成可促进西红柿生长的复合荧光薄膜为例。
植物通过色素吸收太阳光中不同波长的光进行光合作用，主要是叶绿素(a,b)吸收蓝光和红光；不同植物需要吸收的波长有差别。利用多层复合荧光薄膜，对太阳光谱进行适度调整，可以获得植物最佳生长作用光谱，从而达到促进植物生长、提高作物品质和增产增收的目的。
首先是光能转换材料设计模块。对比西红柿生长的吸收光谱与垂直入射到地面的太阳光谱，分析西红柿生长对太阳光能转换的特殊需求；选择合适的荧光粉及其比例（紫转红、紫转蓝、绿转红），复配调控转换太阳光，使入射到西红柿叶面的光谱与其生长所需最佳生长作用光谱相匹配。完成“促进植物生长荧光材料设计”模块的学习，掌握光能转换的原理与方法。
然后进入荧光粉的制备模块。根据不同类型荧光粉的组成，选择合适的制备方法、条件、恰当的原料、合适的设备，模拟荧光粉不同方法的制备过程。
接着进入性能表征模块。该模块包括XRD图谱测试、激发和发射光谱测试两部分，以此了解荧光粉的物相测试分析方法和激发、发射光谱测试及呈现方式。
最后是复合荧光薄膜的制备及植物生长应用模块。复合薄膜的制备过程以3D动画全程展示，让学生了解该制备过程；提供多层复合荧光薄膜应用于植物生长的交互界面，使学生观察到植物在普通膜与复合荧光薄膜下生长的差别，形象生动地展现复合荧光薄膜在促进植物生长上的特殊效果。
在荧光粉体系设计中，选择不同的作物后吸收光谱图会变化，要求选择合适光转换的荧光粉及其调节其比例，才能利用其对太阳光的转化，获得匹配作物生长的吸收光谱。而在荧光粉配方设计环节中，需要根据荧光粉的化学组成与制备条件，选择合适的试剂作原料，才能完成荧光粉的配方设计。后续的荧光粉制备与性能表征步骤中，均需按照实验的正确操作顺序依次进行，方能顺利完成相应的实验过程。
京公网安备11010202008117号