随着光信息技术的快速发展，各类荧光材料和器件在照明、显示、防伪、生物医学检测等领域获得了极为广泛的应用。面对荧光材料和器件的设计与开发需求，光谱测量与分析作为研究光与物质相互作用现象和规律的基本手段，已成为领域内人员必须掌握的最基本技能。《发光材料原理与应用》课程是应用物理学专业面向光信息行业开设的一门专业核心课程，而上转换荧光粉的设计及其光谱测量是该门课程的重要实验部分（该实验同时在《大学物理实验》课程中面向全校理工科专业开设）。通过该实验的学习，可以让学生掌握利用光谱评价荧光物质发光性能、分析其发光机制的基本方法，为学生从事相关行业提供基本能力保障。
（1）实验的必要性及实用性
1）必要性
第一，实验设备维护费用高，实验所需原材料价格昂贵。荧光光谱仪是现代高精密光学测试设备，单机价格普遍在20万元/台以上，而且日常维护、维修成本很高。仅使用寿命有限的氙灯灯管，单支就要3000元。此外，实验所需稀土氧化物属于战略资源，均价为20元/克。对于授课群体均在3000人以上的公共基础实验课程，巨大的实验消耗将产生难以支撑的维持费用。所以，本科实验室很难实现荧光光谱仪的大规模采购，并让学生亲身体验荧光材料的制备过程。在开展此项教学过程中，大部分学校只能对授课班级进行分组，被动增加实验环节课时数和单组学生人数。教师需要多次进行现场讲解和示范操作。这种教学方式学生参与度低、教学信息量小，难以对相关设备进行反复操作，因此实际的教学效果较差，不能满足以学生为中心的新工科人才培养需求。
第二，上转换发光材料的制备实验具有不可逆性。上转换发光材料的制备需经历组分设计、药品称量和样品煅烧三个主要环节，其中药品称量和样品煅烧均为不可逆过程。在称量药品时，为防止交叉污染，不仅药勺严禁混用，而且药品从瓶中取出后，绝不可以再次放回。由于低年级本科生自我约束能力较差，上述违规操作时常发生，导致稀土氧化物相互污染。因为不同的稀土元素具有迥异的特征发射峰，所以轻微的污染都将导致整瓶药品作废，造成上千元的损失。煅烧环节的不可逆性与马弗炉升降温时间过长有关。本实验需要将样品在800℃煅烧2小时。整个升温和恒温过程需要4小时，降温更是需要12小时以上。在煅烧过程中，学生一旦发现样品配置有误，或炉温程序出错，实验将无法在短时间内重新开始，导致教学学时的浪费。
第三，实验属于大型综合训练，环节复杂，步骤繁多。实验涉及前躯体配置、高温煅烧、光谱仪拆解、光谱测量等多个环节。其中，发光材料的制备不可避免的要使用高温炉，温度通常在800℃以上。在实验中，即使穿戴防护装备、使用手套和夹具进行操作，也同样存在危险性。加之学生分组操作，人员多且集中，更增加了高温烫伤的风险。对于光谱测量环节，因为无法直观了解光谱仪的内部结构，学生往往对激发和发射光谱的测量原理难以理解。加上光谱测量流程的复杂性和高自由度，使得学生只有通过反复的练习，才能掌握技巧。即便如此，也很难做到对知识的深入理解和消化。因此，如何降低人机比例，让学生在安全环境下多维度、多时空地开展如此综合性的学习和训练，已成为开设此类实验必须考虑的问题。
2）实用性
解决实训教学中这些难题，必须借助现代信息技术，采用虚拟仿真教学手段，改革课堂教学方式，增加教师与学生互动和学生实际参与机会。
建立网络化的虚拟仿真教学平台，学生可以在平台上学习辅导材料、进行仿真实验、在线答疑等学习，能让学生较快地掌握马弗炉、光谱仪等设备的操作，了解实验操作流程及注意事项，掌握相关的知识点。具有较强真实感和临场感的教学仿真学习环境，可以激发学生的学习兴趣，提高实验教学效果。
在虚拟仿真教学平台上，学生面向实际设计荧光材料，对荧光粉进行光谱测量仿真操作，实现一人一机的练习，没有实际高温马弗炉烫伤风险和光谱仪损坏的忧虑，学生可以较快地掌握设备的使用操作。荧光粉制备与光谱测量虚拟仿真实验通过网络进行开放，学生的学习不再受马弗炉和光谱仪台数、时间、地点等问题的制约。网络化、开放式教学模式，学生实现自主学习，形成线上线下相结合、课上课下相结合的新型理论-实践相结合的教学模式，实现全时域、全空域、全受众的智能学习。
在虚拟仿真教学平台上，学生可以按照实验工艺引导，完成荧光粉的制备和光谱测量全过程操作，通过将现代光学测试设备融合到整个实验教学项目中，使同学们不仅掌握荧光粉的传统制备工艺，而且也了解了现代光学测量技术的发展和运用。
（2）教学设计的合理性
实验项目设计从荧光粉的制备入手，以光谱仪的使用与荧光粉发光性能表征为载体，以虚拟仿真教学为手段，将实验过程中基础理论、工艺方法、设备认知和使用作为一个整体呈现。既有荧光粉前躯体的称量和混料加工，又有设备操作和测试方法的学习和实训。使同学们不仅学习到理论基础知识，而且了解到了新材料的工艺发展与运用，以及现代光学测试设备的使用方法，更让同学们通过这样的训练提高运用所学知识解决实际问题能力，培养大学生的实践能力和创新精神，满足新工科对实践教学的新要求。
（3）实验系统的先进性
实验采用3D建模、人机交互等技术，让学生通过反复训练，充分掌握上转换荧光粉的制备方法、光谱测量技术及分析方法，弥补真实实验因高温危险、原材料和设备昂贵导致教学过程人机比不足的缺点，满足新工科对实践教学的新要求。
本虚拟仿真实验采用开放式教学模式，突破时间和空间限制，实现以学生为中心、自主学习为基础的线上线下相结合的实验、实践训练。实验环境真实感和临场感强，允许反复操作，方便学生快速掌握各类设备的使用技巧。有助于激发学生学习兴趣，挖掘学生创新潜能，提高学生的科学素养。