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時(shí)間：2023-02-28 15:58:31
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗(yàn)，特別為您篩選了11篇實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時(shí)與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識(shí)！
實(shí)驗(yàn)室鑰匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而設(shè)計(jì)的，主要包括STM32F103ZET6中央控制器模塊，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊，指紋采集模塊，電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊。
1.2嵌入式處理器
STM32嵌入式處理器是ST公司基于ARMCrotex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6STM32嵌入式處理，該處理器運(yùn)行最快速度能夠達(dá)到72MHz。內(nèi)部集成了512K的閃存程序存儲(chǔ)器，以及高達(dá)64K字節(jié)的SRAM，支持睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式。根據(jù)STM32數(shù)據(jù)手冊(cè)，該處理器在IO方面多大112個(gè)快速I(mǎi)O，所有IO都支持中斷處理，同時(shí)還配有13個(gè)通信接口，內(nèi)部集成了5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、1個(gè)SDIO接口，F(xiàn)SMC和USB接口。這些豐富的外設(shè)資源使得這款芯片非常適合與本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)又提供了非常方便的后續(xù)升級(jí)和維護(hù)。
1.3指紋驗(yàn)證
模塊驗(yàn)證正確的時(shí)候，鑰匙柜自動(dòng)打開(kāi)電磁鎖，教師便從柜子里面拿取實(shí)驗(yàn)室鑰匙柜的鑰匙。管理員也可以通過(guò)指紋驗(yàn)證進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)鑰匙柜進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。本系統(tǒng)采用的FM-180指紋采集塊，F(xiàn)M-180屬于高亮背景光學(xué)頭指紋識(shí)別設(shè)備，采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能。指紋采集塊和STM32是通過(guò)USART1來(lái)通信的，雙方的通信按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STM32的指令、模塊的應(yīng)答以及數(shù)據(jù)交換都是按照規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包來(lái)進(jìn)行的。主機(jī)必須按照通信協(xié)議要發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)，也必須按協(xié)議解析收到的數(shù)據(jù)包。
1.4網(wǎng)絡(luò)模塊
本系統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模塊，主要是向管理服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)和報(bào)表。將數(shù)據(jù)正確發(fā)送到以太網(wǎng)、將以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)正確接收到是本網(wǎng)絡(luò)模塊的關(guān)鍵。要在以太網(wǎng)上正確傳輸數(shù)據(jù)，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是必不可少的，而TCP/IP協(xié)議是首選。使用完整的TCP/IP協(xié)議當(dāng)然能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求，但由于本系統(tǒng)使用了嵌入式硬件和軟件系統(tǒng)，其資源有限，因此必須對(duì)協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)。所以，本系統(tǒng)要針對(duì)STM32嵌入式硬件進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的嵌入以及設(shè)計(jì)應(yīng)用層的協(xié)議。目前基于STM32嵌入式控制器的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)都是嵌入是UIP協(xié)議。UIP是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議組件的一個(gè)非常重要的部分，UIP的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是保持代碼大小和存儲(chǔ)器的使用量最小。UIP代碼的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP棧要小很多。所以本系統(tǒng)中使用UIP協(xié)議棧。
1.5GUI模塊
本系統(tǒng)中鑰匙柜終端的操作界面都是基于觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括狀態(tài)的顯示，信息的輸入，系統(tǒng)設(shè)置輸入等都是通過(guò)觸摸屏交互。鑰匙柜端使用的觸摸屏分辨是240*320，顯示效果細(xì)膩、清晰。該TFT屏的控制是通過(guò)STM32的FSMC接口，再配合嵌入式圖形軟件uC/GUI，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易明了的終端控制界面。
1.6電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊
本系統(tǒng)選用的電磁鎖為瞬間通電，耗電省，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。電磁鎖工作參數(shù)是：工作電壓12V，允許電流600mA，通電工作時(shí)間小于1S，允許通電最大時(shí)間10S，插銷長(zhǎng)度為10mm。綜合以上電磁鎖工作條件，本系統(tǒng)中STM32的GPIO口輸出電流有限，因此需要加一級(jí)電流增強(qiáng)，所以利用GPIO控制小功率晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鎖，實(shí)現(xiàn)電磁鎖的開(kāi)關(guān)。GPIO通過(guò)限流電阻接到NPN晶體管的基極，晶體管的集電極接電磁鎖，使用12V電源。當(dāng)GPIO輸出高電平時(shí)晶體管導(dǎo)通，電磁鎖有電流流過(guò)，驅(qū)動(dòng)插銷工作，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。
1.7攝像頭模塊
本系統(tǒng)采用OV7670攝像頭模塊。OV7670是OV公司生產(chǎn)的一顆1/6寸的CMOSVGA圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過(guò)SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。該圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過(guò)減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。
1.8數(shù)據(jù)報(bào)表
實(shí)驗(yàn)室管理軟件在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)都必須生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表，以記錄實(shí)驗(yàn)室使用的具體情況。數(shù)據(jù)報(bào)表保存在服務(wù)器的硬盤(pán)空間內(nèi)，以便隨時(shí)可以查看。
1、引言
目前，信息安全已發(fā)展成為一個(gè)綜合、交叉的學(xué)科領(lǐng)域，它需要綜合利用計(jì)算機(jī)、通信、微電子、數(shù)學(xué)、法律、管理、教育等等諸多學(xué)科的長(zhǎng)期知識(shí)積累和最新研究成果。信息安全也是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到信息基礎(chǔ)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的構(gòu)造、信息系統(tǒng)與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、信息安全的法律法規(guī)、安全管理體系等。信息安全作為一門(mén)新興、綜合、交叉學(xué)科，涉及的領(lǐng)域也很多，因此除了工程教育共有的特點(diǎn)，信息安全人才培養(yǎng)有其獨(dú)有的特點(diǎn)：信息安全領(lǐng)域知識(shí)覆蓋面寬、信息安全知識(shí)更新快、信息安全教育是一種持續(xù)教育、信息安全教育需要面向多樣化、層次化的人才需求、信息安全教育更注重應(yīng)用和實(shí)踐能力。
作為高職院校信息安全專業(yè)，應(yīng)該在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)明確的前提下，充分考慮信息安全人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確定位，才能發(fā)揮專業(yè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)培養(yǎng)學(xué)生核心能力，提高動(dòng)手能力的重要作用。
2、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的定位
高等職業(yè)教育培養(yǎng)的是面向生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)和管理第一線的高級(jí)應(yīng)用型人才，“高級(jí)”強(qiáng)調(diào)的是理論基礎(chǔ)寬厚，“應(yīng)用型”強(qiáng)調(diào)的是技能熟練程度，因此培養(yǎng)具備較扎實(shí)的專業(yè)理論知識(shí)和一定實(shí)踐操作技能的“高級(jí)藍(lán)領(lǐng)”（社會(huì)上把企業(yè)中的人員按其受教育程度、工作性質(zhì)、創(chuàng)造的價(jià)值、獲取的報(bào)酬等綜合因素分為金領(lǐng)、白領(lǐng)、藍(lán)領(lǐng)。隨著我國(guó)加入WTO與經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整使許多企業(yè)進(jìn)行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，崗位技術(shù)含量正在不斷增加，“藍(lán)領(lǐng)”“白領(lǐng)”的邊際正在模糊和淡化，“高級(jí)藍(lán)領(lǐng)”應(yīng)運(yùn)而生。
以浙江警官職業(yè)學(xué)院司法信息安全專業(yè)為例，該專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是為司法行政機(jī)關(guān)及其他行政機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位培養(yǎng)信息安全管理員(運(yùn)行維護(hù))，為信息安全企業(yè)培養(yǎng)安全服務(wù)工程師，為公安機(jī)關(guān)培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)警察，培養(yǎng)能夠勝任“信息安全事件的預(yù)防、發(fā)現(xiàn)、處置”工作的技能型、管理型、復(fù)合型人才，主要滿足一線工作崗位、實(shí)踐操作技能強(qiáng)、具有大專學(xué)歷層次的信息安全人才需求。因此，高職院校司法信息安全專業(yè)更加注重實(shí)踐教學(xué)，更加注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，更加注重學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)。
3、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃與設(shè)計(jì)
3.1專業(yè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃
信息安全綜合實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)緊緊圍繞網(wǎng)絡(luò)信息安全事件“預(yù)防發(fā)現(xiàn)處置”工作流程為主線，以學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)為中心，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體。目標(biāo)為培養(yǎng)掌握最前沿高級(jí)信息安全的實(shí)用技能型人才，突出網(wǎng)絡(luò)信息安全事件處置能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)應(yīng)用與管理能力、信息安全事件處置能力的實(shí)訓(xùn)。
3.2專業(yè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)
信息安全綜合實(shí)訓(xùn)室實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)綜合系統(tǒng)分別由信息安全基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、仿真環(huán)境)、信息安全仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(實(shí)訓(xùn)性質(zhì)、仿真環(huán)境)、信息安全綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(實(shí)訓(xùn)性質(zhì)、全真環(huán)境)三部分組成,學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的訓(xùn)練，逐步完成從基本技能培養(yǎng)崗位能力建立崗位能力提升及強(qiáng)化三個(gè)層次職業(yè)能力的三次提升。
（1）信息安全基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)——（實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、仿真環(huán)境）
信息安全基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)能夠提供多種常用信息安全產(chǎn)品的仿真環(huán)境，能夠完成人機(jī)操作、多機(jī)操作等攻防實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。配合理論教學(xué)供學(xué)生進(jìn)行日常上機(jī)實(shí)驗(yàn)，教師可以參照實(shí)驗(yàn)室教材與標(biāo)準(zhǔn)講義，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作理解典型網(wǎng)絡(luò)攻擊的原理與手法，進(jìn)而掌握針對(duì)這些典型攻擊的各種網(wǎng)絡(luò)安全防御手段，同時(shí)掌握常用網(wǎng)絡(luò)安全防御軟件的配置使用方法。 （教學(xué)軟件+硬件集成為一體）
要求滿足：50人能同時(shí)進(jìn)行交互操作。
（2）信息安全仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)——（實(shí)訓(xùn)性質(zhì)、仿真環(huán)境）
信息安全仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)通過(guò)還原職業(yè)活動(dòng)情景的方式，仿真多種企業(yè)環(huán)境，重建企業(yè)不同的網(wǎng)絡(luò)安全需求，采用案例分析模式，任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)企業(yè)各種安全問(wèn)題的綜合處理能力，使其掌握不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)一系列安全產(chǎn)品的綜合部署和配置方法。支持多人配合完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，具有高互動(dòng)性和真實(shí)性，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)工作意識(shí)。實(shí)訓(xùn)方案來(lái)源于真實(shí)企業(yè)需求，并參照國(guó)家職業(yè)技能鑒定標(biāo)準(zhǔn)符合當(dāng)前信息安全保障工作對(duì)實(shí)用型信息安全人才的要求，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)與就業(yè)的無(wú)縫銜接。（教學(xué)軟件+硬件集成為一體）
要求滿足：50人能同時(shí)進(jìn)行交互操作。
4、結(jié)語(yǔ)
信息安全綜合實(shí)訓(xùn)室主要是針對(duì)司法信息安全專業(yè)崗位（信息安全管理員-運(yùn)行維護(hù)）所要求的核心能力（網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)應(yīng)用能力和信息安全事件的綜合處置能力），進(jìn)行設(shè)計(jì)的。信息安全綜合實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)為信息安全人才培養(yǎng)提供了全方位的實(shí)驗(yàn)環(huán)境, 學(xué)生在這里通過(guò)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)，能夠加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)滲透技術(shù)、服務(wù)器入侵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)防護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)及計(jì)算機(jī)信息的加密與解密等技術(shù)原理的理解，掌握防火墻、IDS等網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的搭建、配置與使用，電子證據(jù)的固定與分析，電子數(shù)據(jù)恢復(fù)，信息安全事件的綜合處置等核心技能，對(duì)于提升學(xué)生就業(yè)能力將有直接幫助，同時(shí)，對(duì)改善學(xué)校辦學(xué)條件、提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)高素質(zhì)操作技能強(qiáng)的信息安全人才具有十分重要的意義。
參考文獻(xiàn)
[1]李建華，張愛(ài)新等.信息安全實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009（3）：65-67
化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，不可能一蹴而就，所謂“冰凍三尺，非一日之寒”，必須潛移默化，由量變促成質(zhì)變，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，由淺入深，由簡(jiǎn)到繁，循序漸進(jìn)。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者結(jié)合教材中的典型實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理，掌握?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則和方法，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)。
【案例1】離子檢驗(yàn)或物質(zhì)檢驗(yàn)型實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)
《化學(xué)必修1》第21頁(yè)“活動(dòng)與探究”欄目：氯化銨、硫酸銨、氯化鉀、硫酸鉀均可用作化肥，它們都是白色可溶于水的固體，探究這幾種鹽中所含離子的檢驗(yàn)方法。
教學(xué)過(guò)程：
問(wèn)題1：這些物質(zhì)中有哪幾種離子？
問(wèn)題2：■、Cl- 、■選用什么試劑檢驗(yàn)？有什么現(xiàn)象？如何把實(shí)驗(yàn)過(guò)程用文字描述出來(lái)？
問(wèn)題3：K+用什么方法檢驗(yàn)？具體操作如何？
問(wèn)題4：檢驗(yàn)離子應(yīng)從哪幾個(gè)方面分析？
拓展：四種鹽如何區(qū)分？請(qǐng)畫(huà)出流程圖。
[方案]
延伸：如何驗(yàn)證白色固體是NH4Cl？請(qǐng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)方案。
離子檢驗(yàn)或物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，要根據(jù)各種離子或物質(zhì)的某些特性對(duì)離子或物質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)，熟練把握各種離子或物質(zhì)的性質(zhì)，并把握實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的技巧，進(jìn)而設(shè)計(jì)合理的方案。
【案例2】物質(zhì)制備型實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)
《化學(xué)選修6：實(shí)驗(yàn)化學(xué)》硫酸亞鐵銨的制備
實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程如下：鐵屑的凈化制取硫酸亞鐵溶液制備硫酸亞鐵銨晶體計(jì)算產(chǎn)率。
設(shè)計(jì)這類實(shí)驗(yàn)的整體思路：從原料出發(fā)，通過(guò)控制反應(yīng)條件，如對(duì)溫度的控制，先得到目標(biāo)產(chǎn)物，即粗產(chǎn)品，接著對(duì)粗產(chǎn)品進(jìn)行分離提純，是這類實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)所在。尋找分離提純的最佳方案，使所得產(chǎn)品純度高，產(chǎn)率大。
【案例3】原理驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)
《化學(xué)選修6：實(shí)驗(yàn)化學(xué)》硫代硫酸鈉與酸反應(yīng)速率的影響因素
設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。
這類原理驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，是在明確反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制一定的實(shí)驗(yàn)條件，控制單因子變量，最終設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案。
從以上這些典例中，我們不難發(fā)現(xiàn)，化學(xué)教材中蘊(yùn)含著豐富的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想方面的素材，教師應(yīng)深入挖掘，在日常教學(xué)中不斷滲透實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思想。每一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)其設(shè)計(jì)思想總是包含著對(duì)已有知識(shí)的靈活應(yīng)用與創(chuàng)造性的科學(xué)構(gòu)想。
二、結(jié)合課本實(shí)驗(yàn)，了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的一般流程和基本原則
化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的流程包括：知識(shí)鋪墊提出問(wèn)題小組討論形成方案方案優(yōu)化規(guī)范表達(dá)?！耙凿X為原料制備氫氧化鋁實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)”，通過(guò)小組討論，各小組形成的方案大致可以分為以下兩種類型。
第一類制備方法：酸堿法
第二類制備方案：電化學(xué)法
方案8：電解法――Al為陽(yáng)極，Cu為陰極，電解氯化鈉溶液。
方案9：原電池法――Al、Cu為電極，浸沒(méi)在通入空氣的NaCl溶液中。
各小組在個(gè)人意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各自的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比方案1～7，從制備1mol氫氧化鋁消耗酸堿量來(lái)看，方案7消耗酸堿量最少，從實(shí)驗(yàn)室操作的便利性看，通入氣體的操作較為煩瑣。對(duì)比方案8、方案9，從反應(yīng)速率來(lái)看：方案8>方案9，從能源消耗來(lái)看，方案8>方案9。綜合以上這些因素，方案7為最佳方案。
由此看出實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下基本原則：
三、充分挖掘課本中的實(shí)驗(yàn)素材，加以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和訓(xùn)練，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力
1.變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是用以驗(yàn)證已學(xué)過(guò)知識(shí)的正確性，學(xué)生處于被動(dòng)接受知識(shí)的狀態(tài)，而探究性實(shí)驗(yàn)是指在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)的分析、綜合等思維來(lái)獲取知識(shí)，學(xué)生處于一種主動(dòng)探索知識(shí)的狀態(tài)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力十分有利。因此，教師應(yīng)精心安排，積極鉆研，變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取新知識(shí)。
在一次優(yōu)質(zhì)課評(píng)比中，有位教師很巧妙地將課本中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫?shí)驗(yàn)，收到了很好的課堂效果。當(dāng)時(shí)的課題是“影響鹽類水解的因素”，給我印象深刻的是這位教師在處理書(shū)本中“活動(dòng)與探究”這個(gè)欄目時(shí)設(shè)計(jì)了這樣一張實(shí)驗(yàn)報(bào)告單：
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄坑绊扄}類水解的因素
實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)
這位教師充分利用課本資源，很巧妙地處理了“活動(dòng)與探究”這個(gè)欄目的教學(xué)。既可以有效地改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又能起到提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的作用，對(duì)學(xué)生適應(yīng)新課程教學(xué)活動(dòng)起到很好的引領(lǐng)作用，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。
2.將課本中相關(guān)結(jié)論轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力
實(shí)驗(yàn)是人們認(rèn)識(shí)和研究物質(zhì)變化規(guī)律或驗(yàn)證某一結(jié)論的常用科學(xué)方法。書(shū)本上的知識(shí)凡是能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證或探究的，都應(yīng)啟發(fā)學(xué)生思維，認(rèn)真引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，甚至還可嘗試讓學(xué)生親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生的探究和設(shè)計(jì)能力。
【案例】第三周期元素性質(zhì)變化規(guī)律
【實(shí)驗(yàn)一】Na、Mg、Al和水的反應(yīng)：分別取一小段鈉、鎂、鋁，用砂紙磨掉表面的氧化膜，放入三支小試管中，加入2～3 mL水，并滴入兩滴酚酞溶液。觀察現(xiàn)象。
過(guò)一會(huì)兒，分別用酒精燈給三支試管加熱至沸騰，并移開(kāi)酒精燈，再觀察現(xiàn)象。
【實(shí)驗(yàn)二】 Mg、Al與稀鹽酸反應(yīng)比較
中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
職業(yè)教育是國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要中重點(diǎn)研究的課題，又恰逢鐵路、地鐵等城市軌道交通大發(fā)展時(shí)期，且鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、操作維護(hù)人員又是鐵路、城軌現(xiàn)場(chǎng)緊缺的人才。所以，為滿足職業(yè)教育需求，建設(shè)一套集科研和教學(xué)為一體的鐵路信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)尤為必要。
一、研究的必要性
現(xiàn)有的電子聯(lián)鎖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多采用在聯(lián)鎖核心層以計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)算簡(jiǎn)單地替代原有6502的聯(lián)鎖邏輯功能，而繼電器接口層仍然保留了近30%繼電器作為接口電路，所以存在大量配線、大量插接件等，設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)的工作量大且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)素質(zhì)要求很高。所以一種模塊化的全電子鐵路車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，且國(guó)內(nèi)外各大公司都在紛紛研制中。然而作為為鐵路、地鐵及輕軌等城市軌道交通行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才的軌道交通職業(yè)院校，更有必要研制、建設(shè)一套集學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)、職業(yè)資格認(rèn)證、企業(yè)崗前培訓(xùn)及教師等科技人員科研開(kāi)發(fā)的綜合平臺(tái)，為學(xué)生提供了與企業(yè)零距離接觸的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、信號(hào)工職業(yè)資格認(rèn)證環(huán)境，從而能更快地適應(yīng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的技術(shù)需求，更好的為企業(yè)服務(wù)，同時(shí)又為教師等科研人員提供科研開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。
二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
近年來(lái)，鐵路、地鐵及輕軌等軌道交通行業(yè)企業(yè)對(duì)專業(yè)人才的能力要求日益提高，而且對(duì)畢業(yè)生的需求量日益劇增。一些高職院校購(gòu)買(mǎi)了能全面提高學(xué)生專業(yè)能力的鐵路車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)，但都僅停留在繼電式6502電氣集中聯(lián)鎖或以信號(hào)大繼電器作為接口電路的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)，研究一種基于分布式操作系統(tǒng)的全電子鐵路車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于教學(xué)、科研中，在國(guó)內(nèi)尚屬首例，國(guó)際上也處于領(lǐng)先地位。
三、技術(shù)方案
理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，提出基于分布式操作系統(tǒng)的、模塊化、全電子鐵路車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)的功能需求。
（一）功能需求
聯(lián)鎖關(guān)系和技術(shù)條件滿足中華人民共和國(guó)鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T·3072-2002《計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件》，并具有監(jiān)測(cè)（軌道電壓、道岔電流等）、歷史記錄和回放、遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)及與CTC等接口結(jié)合功能，同時(shí)受安裝的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地及設(shè)備數(shù)量限制，采取車(chē)站信號(hào)聯(lián)鎖控制全部功能在計(jì)算機(jī)上的鐵路標(biāo)準(zhǔn)站場(chǎng)Ⅱ中模擬實(shí)現(xiàn)，部分功能在室外真正的鐵路小站場(chǎng)實(shí)現(xiàn)（鐵路小站場(chǎng)按照單向接發(fā)車(chē)，由一組9#單動(dòng)道岔、5個(gè)軌道區(qū)段組成，設(shè)置一架進(jìn)站信號(hào)機(jī)、一架出站信號(hào)機(jī)、四架調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)，單動(dòng)道岔分別由一臺(tái)ZD6-D型轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)動(dòng)，軌道電路由鐵路常用的480軌道電路和25周相敏軌道電路組成），既滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用又滿足教學(xué)要求，并有二次開(kāi)發(fā)功能。
（二）方案設(shè)計(jì)
根據(jù)此項(xiàng)目的功能需求結(jié)合鐵路車(chē)站信號(hào)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的相關(guān)理論知識(shí)，并在充分調(diào)研、廣泛聽(tīng)取鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)的專家的建議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的基于分布式、嵌入式操作系統(tǒng)QNX的車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)。該鐵路信號(hào)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：人機(jī)對(duì)話層、控制層（又稱聯(lián)鎖層）及監(jiān)控對(duì)象層3個(gè)物理層次，最下層為監(jiān)控對(duì)象層即室外各種信號(hào)設(shè)備，主要包括安裝在軌旁的軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)。分布式、嵌入式QNX操作系統(tǒng)安裝在聯(lián)鎖控制層，此層也是系統(tǒng)核心層，完成車(chē)站信號(hào)的所有聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，并通過(guò)雙重聯(lián)鎖總線與接口模塊進(jìn)行通信控制來(lái)監(jiān)控對(duì)象層；通過(guò)雙重以太網(wǎng)與人機(jī)對(duì)話層進(jìn)行通信。并利用QNX操作系統(tǒng)具有的高效、模塊化、簡(jiǎn)潔、多任務(wù)、優(yōu)先級(jí)占先的進(jìn)程調(diào)度以及快速的程序(上下文)切換時(shí)間等幾個(gè)特性，聯(lián)鎖軟件就是在這樣一個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)鐵路車(chē)站信號(hào)聯(lián)鎖控制，QNX系統(tǒng)這些特性是通過(guò)如下兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則取得：微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和基于消息的進(jìn)程間通信，在QNX微內(nèi)核環(huán)境中各個(gè)信號(hào)機(jī)、道岔和進(jìn)路間通過(guò)基于消息的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)各受控對(duì)象狀態(tài)及命令的信息傳遞。同時(shí)該車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)取消以往信號(hào)控制系統(tǒng)的室內(nèi)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖核心層到室外信號(hào)設(shè)備等受控對(duì)象之間的傳統(tǒng)接口大繼電器，用全電子的接口IO組合模塊代替，具體有四種IO組合模塊，即軌道電路組合模塊、信號(hào)機(jī)組合模塊、道岔組合模塊和零散組合模塊，每個(gè)IO模塊采用進(jìn)口小型繼電器及可控硅實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電轉(zhuǎn)換控制，通過(guò)電壓或電流傳感器串接在IO模塊電路中，能夠回采室外受控對(duì)象的表示信息，并集成在一塊PCB板上，每個(gè)模塊均具有兩套電路，采用二取二的安全原則實(shí)現(xiàn)故障安全。
（三）軟、硬件設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)安全、可靠的前提下，系統(tǒng)的硬件、軟件方面采用“模塊化”的思想設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，并采用雙機(jī)熱備工作方式。按照方案要求設(shè)計(jì)硬件及工程焊配線圖紙，車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)硬件由電源屏、控制臺(tái)、主機(jī)柜、擴(kuò)展機(jī)柜及室內(nèi)外防雷分線盤(pán)組成。根據(jù)方案要求使用QNX開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的專用軟件mcCAD繪制車(chē)站站場(chǎng)圖，生成該車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)庫(kù)，在另一臺(tái)虛擬機(jī)上安裝QNX操作系統(tǒng)，并把設(shè)計(jì)好的聯(lián)鎖應(yīng)用軟件安裝在該虛擬機(jī)上，把站場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)加載到該聯(lián)鎖軟件上，通過(guò)編譯后生成幾個(gè)支持聯(lián)鎖系統(tǒng)運(yùn)行的可執(zhí)行文件，如IO接口文件、聯(lián)鎖進(jìn)程管理文件等。然后把開(kāi)發(fā)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的文件等裝載在QNX目標(biāo)系統(tǒng)，即這些可執(zhí)行文件安裝在人機(jī)對(duì)話層以及聯(lián)鎖控制層的上位機(jī)、電務(wù)維修機(jī)和聯(lián)鎖機(jī)中進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)聯(lián)測(cè)，并針對(duì)具體案例不斷修改。聯(lián)鎖控制軟件設(shè)計(jì)滿足功能需求及鐵路行標(biāo)，如道岔有開(kāi)通定位和開(kāi)通反位及“四開(kāi)”三種狀態(tài)，信號(hào)機(jī)根據(jù)設(shè)置的位置、作用不同有不同的顯示狀態(tài)，如調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)有藍(lán)燈或滅燈禁止調(diào)車(chē)狀態(tài)和白燈允許調(diào)車(chē)狀態(tài)，軌道電路有空閑和占用狀態(tài)以及進(jìn)路是否有敵對(duì)進(jìn)路等。另外軟件應(yīng)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受控對(duì)象，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)關(guān)閉信號(hào)并報(bào)警，聯(lián)鎖軟件不斷通過(guò)回讀、軟件雙編碼實(shí)現(xiàn)板級(jí)故障自診斷及覆蓋率高的自檢、隨時(shí)回應(yīng)高級(jí)中斷申請(qǐng)等多任務(wù)執(zhí)行。
（四）室內(nèi)外設(shè)備安裝為增強(qiáng)教師的動(dòng)手能力，從施工單位借安裝工具，進(jìn)行室外信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、軌道電路的安裝、布線等。既節(jié)省開(kāi)支又給職業(yè)教育的老師提供現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)手操作能力，必要時(shí)帶領(lǐng)優(yōu)秀的學(xué)生一起安裝配線施工。
（五）實(shí)驗(yàn)測(cè)試模擬測(cè)試聯(lián)鎖程序功能、室內(nèi)設(shè)備聯(lián)鎖實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)外設(shè)備系統(tǒng)的單點(diǎn)聯(lián)鎖測(cè)試的先后順序。最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，即在室內(nèi)聯(lián)鎖系統(tǒng)控制臺(tái)上排列進(jìn)路，然后在室外模擬壓車(chē)進(jìn)行測(cè)試，查看是否按預(yù)定方案完成車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)功能，如有出入則要繼續(xù)進(jìn)行反復(fù)修改，最后試運(yùn)行，逐步將系統(tǒng)完善。
四、本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的高職院的車(chē)站信號(hào)控制系統(tǒng)中信號(hào)大繼電器作為接口層的聯(lián)鎖控制結(jié)構(gòu)或室內(nèi)外接口部分保留繼電器的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，而把全電子、模塊化接口結(jié)構(gòu)、并采用一種基于分布式操作系統(tǒng)QNX的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)引入高校教學(xué)科研系統(tǒng)，具有創(chuàng)新性，并更好地應(yīng)用于教學(xué)、科研中。全電子的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)使設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、擴(kuò)容更加方便靈活，是鐵路、城市軌道交通控制系統(tǒng)的車(chē)站聯(lián)鎖的發(fā)展方向，具有一定的前瞻性和實(shí)用性。
PLC原理及應(yīng)用課程是電子信息、自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)的一門(mén)重要課程，該課程為一門(mén)應(yīng)用學(xué)科，實(shí)踐性非常強(qiáng)。目前，內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院開(kāi)設(shè)PLC原理及應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的PLC實(shí)驗(yàn)室使用的是天津源峰科技公司的TVT-90A3型箱式PLC訓(xùn)練裝置，該實(shí)驗(yàn)箱配備的是松下FP1-C40主機(jī)，此主機(jī)高級(jí)指令少，程序存儲(chǔ)空間小，可擴(kuò)展性差，隨著行業(yè)的發(fā)展，松下的主機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用中已大幅減少。學(xué)院新采購(gòu)的MPS柔性系統(tǒng)、電梯、機(jī)械手等綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備在PLC主機(jī)選配上主要是西門(mén)子和三菱的主機(jī)，所以為了方便教學(xué)，需要對(duì)PLC實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行更換主機(jī)的改造。
二、實(shí)驗(yàn)箱改造方案設(shè)計(jì)
TVT-90A3箱式PLC實(shí)驗(yàn)箱采用模塊化設(shè)計(jì)，由主機(jī)區(qū)、主機(jī)接口單元與指令訓(xùn)練區(qū)、實(shí)驗(yàn)單元板三部分組成。如圖1所示：
圖1 改造前的TVT-90A3 PLC實(shí)驗(yàn)箱
為了減少投入成本，充分利用原來(lái)落后、淘汰的資源，經(jīng)論證得出：只要將原主機(jī)更換為符合功能需求的新型主機(jī)，完善主機(jī)接口單元線路，保留原實(shí)驗(yàn)單元板，即可滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。
（一）PLC的選型
PLC按照I/O點(diǎn)數(shù)分為：小型（128點(diǎn)以下）、中型（129～512點(diǎn)）和大型（513點(diǎn)以上）三類，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目分析，小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)、指令功能和存儲(chǔ)容量等性能指標(biāo)都能滿足要求，選定時(shí)，可依照如下過(guò)程來(lái)完成。
第一、確定廠商
對(duì)中、小型PLC的目標(biāo)用戶而言，市場(chǎng)上主要生產(chǎn)廠商的PLC產(chǎn)品均能滿足其要求，所以在產(chǎn)品選型時(shí)，價(jià)格是十分重要的因素。日本產(chǎn)品在該領(lǐng)域一直占有優(yōu)勢(shì)，但西門(mén)子在推出新一代小型PLC產(chǎn)品S7-200后，其價(jià)格與日本產(chǎn)品相差不大，已經(jīng)與日本主要產(chǎn)品（Mitsubishi和Omron）在小型PLC領(lǐng)域取得了類似的市場(chǎng)地位。近年來(lái)，由于具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，中國(guó)臺(tái)灣的部分PLC廠商在小型PLC領(lǐng)域也搶占了一部分市場(chǎng)。相比各家廠商，西門(mén)子的市場(chǎng)占有率更高，其產(chǎn)品功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、可擴(kuò)展功能塊較多以及適用多種人機(jī)界面和監(jiān)控組態(tài)軟件。近年來(lái)，學(xué)院新采購(gòu)配備有PLC的教學(xué)設(shè)備中，也以西門(mén)子的產(chǎn)品為主。綜上所述，為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)所使用PLC主機(jī)的一致性，確定使用西門(mén)子的產(chǎn)品。
第二、通過(guò)I/O點(diǎn)數(shù)確定主機(jī)具體型號(hào)
1.需求分析
TVT-90A3實(shí)驗(yàn)箱主機(jī)接口單元I/O點(diǎn)數(shù)為：輸入24點(diǎn)，輸出24點(diǎn)，4個(gè)A/D點(diǎn)和4個(gè)D/A點(diǎn)。根據(jù)所有實(shí)驗(yàn)單元板所需I/O點(diǎn)數(shù)分析，PLC主機(jī) I/O點(diǎn)數(shù)為24DI/24DO可以完成基本實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)箱接口單元雖然有A/D、D/A接口，但沒(méi)有可以與其配合使用的實(shí)驗(yàn)單元板，所以此功能將在下一步的S7-200產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比中分析是否選配。
2.S7-200產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比
通過(guò)表1所示，CPU 224xp與CPU 226兩款主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)較多，結(jié)合表2和表3按照需求分析得出：
方案1：CPU 224XP+EM 223 DI16/DO16=DI30/DO26
方案2：CPU 226+EM222 DO8=DI24/DO24
兩種組合方案都可以滿足要求，但方案1中CPU 224XP主機(jī)雖然集成了A/D功能，但其模擬量輸入輸出點(diǎn)只有2/1，而且實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)使用的實(shí)驗(yàn)板，使得該方案所有I/O點(diǎn)不能全部有效利用。而方案2總的I/O點(diǎn)數(shù)與需求點(diǎn)數(shù)正好相同，并且市場(chǎng)報(bào)價(jià)低于方案1，組合后的整體尺寸相對(duì)較小，方便今后增加功能模塊。所以最終確定使用方案2的組合。
（二）主機(jī)與接口單元接線設(shè)計(jì)
三、實(shí)驗(yàn)箱改造實(shí)施及測(cè)試
1.更換主機(jī)，并按照?qǐng)D2所示完成I/O接線焊接，實(shí)驗(yàn)箱改造后主機(jī)區(qū)如下圖所示：
圖3改造后的TVT-90A3 PLC實(shí)驗(yàn)箱主機(jī)區(qū)
2.使用PC/PPI電纜將PC機(jī)COM口與實(shí)驗(yàn)箱主機(jī)通訊端口連接，并在PC機(jī)安裝STEP 7 - MicroWIN V4.0編程軟件，編寫(xiě)如下測(cè)試程序：
下載程序后，使用導(dǎo)線連接輸入/輸出公共端，依次連接開(kāi)關(guān)SA0和輸入端CH0～CH17，HL0發(fā)光管和輸出端CHO～CH17，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)SA0，HL0發(fā)光管和主機(jī)面板上對(duì)應(yīng)的Q0.0～Q2.7指示燈會(huì)依次點(diǎn)亮，表示主機(jī)工作正常，線路連接正確，改造完成。
參考文獻(xiàn)：
藥物化學(xué)的主要任務(wù)就是探索新藥開(kāi)發(fā)的途徑和方法，創(chuàng)制安全高效的新藥，以滿足臨床的需要。開(kāi)發(fā)有某種活性且有價(jià)值的先導(dǎo)化合物，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的改造和優(yōu)化以期創(chuàng)造出療效較好、毒副作用較小的新藥；改造現(xiàn)有的藥物或有效化合物以期獲得更為安全和有效的藥物。故藥物化學(xué)是一門(mén)非常注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，更是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要途徑。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要形式均是針對(duì)藥學(xué)專業(yè)的各門(mén)課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生們按部就班地根據(jù)書(shū)本上已有的實(shí)驗(yàn)步驟和方法去操作，這樣的教學(xué)形式雖然教授了學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能，但卻沒(méi)有給學(xué)生以自我發(fā)揮的機(jī)會(huì)，很容易導(dǎo)致學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)不強(qiáng)，束縛了學(xué)生自由思維的空間，不利于創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的引入旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高其創(chuàng)新能力和綜合能力。
那么如何在藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)施設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)呢？首先，由任課教師給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙螅浯?，學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作[2-5]。這是以教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中投入更多的精力、發(fā)揮更大的主觀能動(dòng)性，教師則需要完成更多的課前準(zhǔn)備工作：從課題選擇、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果分析等多個(gè)環(huán)節(jié)入手進(jìn)行準(zhǔn)備，充實(shí)和完善設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方案。在具體實(shí)施過(guò)程中，我校選擇了藥學(xué)本科已經(jīng)掌握了有機(jī)合成基本知識(shí)的大三學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6-8]。
1 如何設(shè)計(jì)課題
1.1 實(shí)驗(yàn)課題的選擇
如何進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課題的選擇呢？這首先需要教師完成很多的課前準(zhǔn)備工作，譬如原料是否容易獲得、實(shí)驗(yàn)儀器能否滿足、實(shí)驗(yàn)操作的難易程度、實(shí)驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短、參與人數(shù)的多少等，同時(shí)還需要考慮學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況、《有機(jī)化學(xué)》課程的開(kāi)展情況和學(xué)生具體學(xué)過(guò)了哪些基本操作，在藥物化學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程中如何從更深的層面來(lái)進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。
我校學(xué)生在已有課程中已經(jīng)學(xué)過(guò)有機(jī)化學(xué)和藥物化學(xué)的理論知識(shí)，在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程中選擇撲熱息痛這一經(jīng)典的解熱鎮(zhèn)痛藥作為研究對(duì)象。針對(duì)藥物化學(xué)專業(yè)的基本要求、特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的題目和內(nèi)容設(shè)計(jì)的原則，討論后提出了《撲熱息痛的合成》這個(gè)題目和本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一些基本要求。學(xué)生三到四人一組，采取組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制，各自選取不同的合成路線來(lái)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)
在以往的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，通常都會(huì)給出具體的原料和試劑用量，以及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生只需機(jī)械性、按部就班地完成實(shí)驗(yàn)操作，即可獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題教師也都能及時(shí)幫助解決，但學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性不能得以體現(xiàn)。
在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)步驟供學(xué)生參考，實(shí)驗(yàn)方案需要學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研自行設(shè)計(jì)，所以首先要培養(yǎng)學(xué)生如何進(jìn)行查閱文獻(xiàn)、如何通過(guò)整理分析獲得所需要的信息。實(shí)驗(yàn)方案在很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)的成敗與否。授課教師首先要講解如何進(jìn)行專業(yè)文獻(xiàn)的查閱，并對(duì)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱進(jìn)行指導(dǎo)，譬如可以利用網(wǎng)絡(luò)搜索工具或現(xiàn)有的圖書(shū)期刊等，網(wǎng)上資源主要包括一些常用的中英文數(shù)據(jù)庫(kù)，如Scifinder和Beilstein檢索，以及中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、Web of Science、ACS、Elesevier、Wiley-Blackwell等，另外還包括專利文獻(xiàn)的檢索和獲取，二次文獻(xiàn)的使用等等。之后每組學(xué)生再就各自選題查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行分類整理并討論分析。本著節(jié)省經(jīng)費(fèi)、操作簡(jiǎn)便、安全無(wú)毒的原則，討論每種合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)及可行性，選定最優(yōu)的合成路線。接下來(lái)就各組實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行組間討論，教師給予一定的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生互相交流、獨(dú)立思考并如何解決問(wèn)題。各組學(xué)生經(jīng)過(guò)多次組間討論以及與教師的討論都可完成實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)題目、目的要求、儀器試劑、實(shí)驗(yàn)步驟、預(yù)期結(jié)果及參考文獻(xiàn)等。這種以學(xué)生為主、教師為輔的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不但提高了了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，而且鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，還促進(jìn)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。
2 如何實(shí)施實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作需要任課教師、實(shí)驗(yàn)教輔人員和學(xué)生的相互配合。學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案列出所需設(shè)備和儀器試劑等，提前一周遞交給實(shí)驗(yàn)室管理人員。實(shí)驗(yàn)教輔人員再根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案準(zhǔn)備所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器試劑，另外，實(shí)驗(yàn)教輔人員還可以指導(dǎo)學(xué)生正確使用相關(guān)儀器。任課教師需進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)該藥物的合成方法進(jìn)行全面而系統(tǒng)的檢索和總結(jié)，找出適合實(shí)驗(yàn)室操作的多種合成方法和路線。在預(yù)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，列出實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，并對(duì)各條路線的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面的分析，對(duì)每步反應(yīng)做到心中有數(shù)，這樣才能指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)前要向?qū)W生特別強(qiáng)調(diào)安全問(wèn)題及注意事項(xiàng)。
2.2 實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施
以“撲熱息痛的合成”為例，除了讓學(xué)生了解設(shè)計(jì)撲熱息痛的一般方法，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用已掌握的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，通過(guò)查閱有關(guān)資料，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，從而提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。圖1就是學(xué)生查閱的撲熱息痛的幾種常用合成路線及各條路線的優(yōu)缺點(diǎn)。
具體方案如下：①學(xué)生提前一周從網(wǎng)上查閱藥物的合成方法，完成相應(yīng)藥物合成方法的綜述，并說(shuō)明現(xiàn)行的工業(yè)生產(chǎn)方法，設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)室合成工藝路線。②進(jìn)行組間討論，方案經(jīng)教師審閱后，若方法合理，條件具備，學(xué)生可按照自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。③學(xué)生依據(jù)與教師研討的結(jié)果，在一周內(nèi)寫(xiě)出相關(guān)藥物的合成方法的具體操作步聚，做出具體的實(shí)驗(yàn)方案，包裝化學(xué)反應(yīng)方程式，原料的物化常數(shù)，原料的配料比，反應(yīng)所用的儀器設(shè)備和輔助材料，反應(yīng)的裝置圖，反應(yīng)的關(guān)健控制點(diǎn)，產(chǎn)品純化的方法，預(yù)期的收率等。④要求學(xué)生按事先規(guī)定的投料比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)做好實(shí)驗(yàn)記錄。⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為學(xué)生藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核的主要指標(biāo)。
設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展就是為了促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考，提高他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師不再講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而是鼓勵(lì)學(xué)生按照各自查閱好的實(shí)驗(yàn)方案完成具體操作，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題教師并不立刻給出建議，而是鼓勵(lì)學(xué)生互相交流、共同研討解決方案。通過(guò)這種教學(xué)改革的嘗試，發(fā)現(xiàn)基本上每組學(xué)生都能完成實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，取得了預(yù)期成果。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些值得注意的問(wèn)題：一是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和記錄不夠仔細(xì)，很多學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄本上只有幾組簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題不能很好地處理，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的延緩或結(jié)果的誤差；三是教師對(duì)實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的問(wèn)題預(yù)計(jì)不足，譬如個(gè)別試劑短缺造成實(shí)驗(yàn)進(jìn)度減慢等等。這些問(wèn)題在今后的教學(xué)實(shí)踐中都有待逐步解決，教師和學(xué)生共同努力才能更好地完善設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
圖1 撲熱息痛的常用合成路線及各自的優(yōu)缺點(diǎn)
2.3 實(shí)驗(yàn)的分析總結(jié)
在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的思考與整理，鍛煉了他們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，奠定了他們從事初步的科學(xué)研究工作的基礎(chǔ)。
各組學(xué)生均要完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)討論等幾部分，主要討論設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果，對(duì)不同反應(yīng)路線的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論和總結(jié)。分析實(shí)驗(yàn)成功或者失敗的原因，然后師生一起總結(jié)交流，找出需要改進(jìn)的地方并提出解決方案。教師對(duì)學(xué)生所采用的合成路線及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，分析利弊，使學(xué)生更好地了解如何設(shè)計(jì)藥物的合成路線并對(duì)其進(jìn)一步研究。
3 如何分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)效果
《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，“實(shí)驗(yàn)室的課程資源不僅限于實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有設(shè)備，學(xué)生身邊的物品和器具也是重要的實(shí)驗(yàn)室資源”。有研究者（張偉，2005）從資源開(kāi)發(fā)和利用的角度將物理實(shí)驗(yàn)分為兩大類：非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)和常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)?！胺浅Ｒ?guī)”物理實(shí)驗(yàn)，主要就是指利用學(xué)生熟悉的生活易得物品、廢舊材料、器具、人體或人體局部以及兒童玩具等開(kāi)發(fā)進(jìn)行的一類體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗(yàn)性、趣味性、簡(jiǎn)易性、生活化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)[2]。
人們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中早就發(fā)現(xiàn)，與使用“廠家生產(chǎn)的專門(mén)器材”做的實(shí)驗(yàn)相比，開(kāi)發(fā)“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維課程目標(biāo)具有獨(dú)特的作用，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)所無(wú)法取代的，因而是一種有待深入開(kāi)發(fā)的重要物理課程資源。其深層教育價(jià)值主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
對(duì)教師而言，熱衷于實(shí)驗(yàn)研究，致力于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，會(huì)極大地提高教師自身的教學(xué)水平和教研水平。尤其在非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)中，教師將發(fā)現(xiàn)，自己需要不斷地學(xué)習(xí)和提升自我的理論素養(yǎng)，特別是學(xué)習(xí)新技術(shù)、新材料、新發(fā)明的有關(guān)知識(shí)。在提升自我素質(zhì)的同時(shí)，也將使更多的學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)習(xí)的樂(lè)趣、意義和價(jià)值，為學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，起到很好的引領(lǐng)和示范作用。
對(duì)學(xué)生而言，非常規(guī)實(shí)驗(yàn)具有取材的熟悉性、結(jié)構(gòu)的形象性、操作的簡(jiǎn)單性、現(xiàn)象的直觀性等特點(diǎn)。利用這些特點(diǎn)，一方面，學(xué)生可以通過(guò)熟悉的生活用品所發(fā)生的物理現(xiàn)象去探索物理本質(zhì)，這將會(huì)大大拉近學(xué)生與物理的距離，也更好地體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向生活”的新課程理念；另一方面，非常規(guī)實(shí)驗(yàn)由于其取材的便利性和制作的簡(jiǎn)單性，可以使實(shí)驗(yàn)器材在數(shù)量上得以保證，這就可以使更多的學(xué)生能夠參與到實(shí)驗(yàn)方案的制定、實(shí)驗(yàn)器具的制作和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作體驗(yàn)中去。在此過(guò)程中，學(xué)生的主體地位得以突出，學(xué)習(xí)興趣得以激發(fā)，探究的主動(dòng)性和積極性將大大提升。這樣做不僅更有利于促進(jìn)學(xué)生手腦并用、發(fā)展學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)這也是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育的很好平臺(tái)和途徑。因此，英、美等發(fā)達(dá)國(guó)家，十分重視這類實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。在我國(guó)，雖然這類物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教材中早有體現(xiàn)，在物理教學(xué)中早有運(yùn)用，對(duì)其教學(xué)功能也有一些專題研究，但仍沒(méi)有引起物理教育領(lǐng)域的普遍重視，既缺乏深入的理論探討，更缺乏系統(tǒng)有效的實(shí)踐探索[3]。
非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開(kāi)展，具有非常重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。不僅可以解決經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)器材不足的困難，為實(shí)現(xiàn)教育的公平性奠定資源基礎(chǔ)；同時(shí)，也可以為農(nóng)村中學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備政策提供有益的宏觀政策參考和有效的具體方案支持。
這里需要強(qiáng)調(diào)的是，“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)并不是“非科學(xué)”和“無(wú)目的”，恰恰相反，它追求科學(xué)本質(zhì)、崇尚科學(xué)精神，注意培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，追求豐富的教育內(nèi)涵和全維課程目標(biāo)的達(dá)成。
二、信息交合法簡(jiǎn)介
非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)是一種創(chuàng)造性的活動(dòng)，所以實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)必須以創(chuàng)造學(xué)理論為指導(dǎo)。據(jù)有關(guān)研究資料顯示，現(xiàn)已有數(shù)百種創(chuàng)造技法。學(xué)習(xí)這些創(chuàng)造技法，將會(huì)大大開(kāi)闊我們的視野和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的思路。其中信息交合法就是大家公認(rèn)的在各領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的一種創(chuàng)造技法。
信息交合法是華夏研究院思維技能研究所所長(zhǎng)許國(guó)泰副教授于1983年首創(chuàng)的一種在信息交合中進(jìn)行創(chuàng)新的思維方法。簡(jiǎn)言之，就是把物體的總體信息按照其特征和該物體與人類實(shí)踐活動(dòng)相關(guān)的用途分解成若干個(gè)要素，并把這兩種信息要素分別設(shè)為信息標(biāo)的X軸與Y軸，兩軸垂直相交，構(gòu)成“信息反應(yīng)場(chǎng)”，每個(gè)軸上各點(diǎn)的信息可以依次與另一軸上的信息交合，從而產(chǎn)生新的信息。
信息交合法有兩個(gè)基本論點(diǎn)：一是不同信息的交合可產(chǎn)生新信息；二是不同聯(lián)系的交合可產(chǎn)生新聯(lián)系。依據(jù)這一原理，人們?cè)谡莆找欢ㄐ畔⒌幕A(chǔ)上，通過(guò)交合與聯(lián)系可以獲得新的信息，提出新的創(chuàng)造設(shè)想。比如，獨(dú)輪自行車(chē)本來(lái)與碟、碗、勺等日常生活物品沒(méi)有必然聯(lián)系，但雜技演員將它們交合在一起，就構(gòu)成了精彩的雜技節(jié)目。同樣，生活中的各種物品表面上本來(lái)也是互不相干的信息，但通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，我們就可以把它們巧妙地聯(lián)系在一起，為物理教學(xué)服務(wù)。
三、基于信息交合的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路
任何一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，總要針對(duì)某一具體問(wèn)題。非常規(guī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的問(wèn)題來(lái)源主要包括以下三個(gè)方面[4]：（1）來(lái)自物理教學(xué)：為引出某一概念或規(guī)律，為突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)等，均可考慮設(shè)計(jì)一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)；（2）來(lái)自于生活用品或材料：生活中的大量物品，大到冰箱、彩電、錄像機(jī)，小到一枚硬幣、紙杯、鉛筆、尺子和橡皮等，都具有物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)和利用的價(jià)值；（3）來(lái)自于其它學(xué)科：即借助其它學(xué)科的原理、方法、設(shè)備、裝置等為物理教學(xué)服務(wù)。如醫(yī)學(xué)上打吊針的裝置就是一件很好的物理儀器，它里面的水總能保持勻速下滴而不受水面高度變化的影響。
【案例1】“來(lái)自物理教學(xué)”的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
下面我們將任選一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題“壓強(qiáng)”進(jìn)行非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)嘗試，具體說(shuō)明基于信息交合法的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：其設(shè)計(jì)依據(jù)也包括三個(gè)方面：首先，教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定；其次，教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)；第三，還要考慮學(xué)校擁有的實(shí)驗(yàn)條件和當(dāng)?shù)厣瞽h(huán)境資源的可利用情況。具體設(shè)計(jì)程序如圖所示[5]。
圖1 “非常規(guī)”實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的一般程序
第一步，確定中心，即確定實(shí)驗(yàn)的主題和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，也就是零坐標(biāo)的設(shè)定——突破壓強(qiáng)教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生形成壓強(qiáng)的概念，理解壓強(qiáng)公式，并知道如何根據(jù)需要增大或減小壓強(qiáng)。
第二步，劃坐標(biāo)線，即圍繞實(shí)驗(yàn)主題，確定坐標(biāo)的橫軸和縱軸——分別為實(shí)驗(yàn)材料和影響壓強(qiáng)大小變化的兩個(gè)因素，即受力面積S和壓力F。
第三步：注標(biāo)點(diǎn)，在信息標(biāo)上注明有關(guān)信息點(diǎn)。這是應(yīng)用信息交合法的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)控制變量法的原則，圍繞控制物體“受力面積和壓力”兩個(gè)變量來(lái)考察“壓力的作用效果”來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料的選擇。根據(jù)本課題要求，我們把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重點(diǎn)確定為尋找生活中具有“同一物體各端面積不同”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的物品或器具上。為此，我們首先把實(shí)驗(yàn)材料分為文具、服飾（包括鞋）、日常用品、常見(jiàn)工具、人體結(jié)構(gòu)（或膚覺(jué)的利用）以及其它類別；然后通過(guò)發(fā)散思維，盡可能多地列舉出身邊環(huán)境中方便獲取的每一類可供利用的資源。
本課題中，基本符合要求的實(shí)驗(yàn)材料有：（1）文具類：一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長(zhǎng)方形橡皮、墨水瓶、書(shū)籍等；（2）服飾類（包括鞋）：冰鞋、旱冰鞋、高跟鞋與平底鞋等；（3）日常用品：板凳、桌子、椅子、肥皂、圖釘、勺子、杯子、筷子、兩端粗細(xì)不均的各類瓶子等；（4）常見(jiàn)工具：釘子、刀具、螺絲刀、錐子、斧頭、鏟子等；（5）人體結(jié)構(gòu)（或膚覺(jué)的利用）：腳與膝蓋、指肚與指甲、手指與手掌、站立與趴下等；（6）其它類：磚塊、硬紙盒等，或者還可以利用木材、泡沫板等材料自制一些具有“同一物體各端面積不同”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的物品。同時(shí)，為了突出壓力作用效果，便于學(xué)生觀察和體驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)“壓強(qiáng)”概念的理解，我們還需要選擇以下實(shí)驗(yàn)材料對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行放大：如細(xì)沙、海綿、泡沫板、橡皮泥等，如圖2所示。
圖2 “壓強(qiáng)”概念實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
第四步：相交合，確定實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案。即以一標(biāo)線上的信息為母本，以另一標(biāo)線上的信息為父本，相交和后可產(chǎn)生新信息；接著對(duì)這些信息進(jìn)行可行性分析和評(píng)估，篩選出有價(jià)值的創(chuàng)造設(shè)想。比如橫坐標(biāo)上的信息“受力面積”與縱坐標(biāo)上的信息“文具”相結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：根據(jù)一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長(zhǎng)方形橡皮、墨水瓶等文具都具有“一端粗一端細(xì)或兩端面積不同”的結(jié)構(gòu)特征，可設(shè)計(jì)如下學(xué)生實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生把鉛筆（或中性筆）夾在兩手的食指之間，稍稍用力，體驗(yàn)兩手指的不同感覺(jué)：與鉛筆尖端接觸的手指會(huì)感覺(jué)痛，同時(shí)會(huì)看到指肚凹進(jìn)，而與筆端接觸的手指僅有擠壓感。通過(guò)這種短暫的體驗(yàn)就可以使學(xué)生充分理解：為什么在壓力相等的情況下，受力面積越小，壓力的作用效果就越明顯——即壓強(qiáng)的值也就越大。
【案例2】“來(lái)自生活物品或材料”的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
我們選擇生活常見(jiàn)物品——飲料瓶作為實(shí)驗(yàn)材料，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)思路。根據(jù)信息交合法的設(shè)計(jì)原則，我們首先要把飲料瓶的各種物理特性一一列舉出來(lái)，如形狀規(guī)則，上端呈圓錐漏斗形，下端多呈圓柱形、空心、底面向內(nèi)凹成碗狀；質(zhì)地柔軟、皮薄易裁剪和加工；可用瓶蓋密封；導(dǎo)熱性良好，遇熱易變形；導(dǎo)電性差，絕緣性好；相同的飲料瓶具有相同的物理性質(zhì)等等；其次，列舉中學(xué)物理教學(xué)中有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究課題，進(jìn)行發(fā)散思維和集中思維。如探究凸透鏡成像規(guī)律、壓強(qiáng)與受力面積的關(guān)系、滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦、物體的浮沉條件、聲音的產(chǎn)生與傳播、熱傳導(dǎo)現(xiàn)象、靜電現(xiàn)象、慣性等等。第三，以飲料瓶的各種特性為信息標(biāo)的X軸，以相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)課題為信息標(biāo)的Y軸，兩軸垂直相交，即構(gòu)成“信息反應(yīng)場(chǎng)”。最后，我們讓每個(gè)軸上各點(diǎn)的信息依次與另一軸上的信息交合，研究可以產(chǎn)生哪些新的、有價(jià)值的信息，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。具體如下：
選擇飲料瓶的形狀特性，與信息標(biāo)Y軸上的信息相結(jié)合，可以產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究課題有：進(jìn)行滑動(dòng)摩擦力與滾動(dòng)摩擦力大小的比較研究；利用飲料瓶?jī)啥嗣娣e不同的特點(diǎn)，在瓶中裝入一定量的的沙子后，研究壓強(qiáng)的大小與受力面積的關(guān)系；如果裝入的是不同量的水，則可以探究聲音的音調(diào)。具體做法是：在幾個(gè)飲料瓶中盛入不同深度的水，將瓶口移至嘴邊吹氣，可以聽(tīng)到不同音調(diào)的聲音產(chǎn)生?？諝庵蕉痰?，音調(diào)越高，反之，空氣柱越長(zhǎng)，音調(diào)越低。
選擇飲料瓶在擰緊瓶蓋之后具有很好的密封性的特點(diǎn)，自制“浮沉子”實(shí)驗(yàn)裝置，用以研究物體的“浮沉條件”；可以演示氣體液化現(xiàn)象：擰開(kāi)瓶蓋，滴入幾點(diǎn)乙醚，擰緊瓶蓋后，稍待一會(huì)，蒸發(fā)，乙醚液體不見(jiàn)了。當(dāng)用手?jǐn)D壓瓶體時(shí)，乙醚液體重新出現(xiàn)在瓶壁上。這表明壓縮氣體體積，氣體被液化。
選擇飲料瓶質(zhì)地柔軟、易裁剪的特性，可設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)裝置：第一，用燒熱的針尖在一個(gè)大飲料瓶底端燙一個(gè)小孔，并用膠帶暫時(shí)封住，在將瓶中裝滿水，用來(lái)研究液體壓強(qiáng)和深度的關(guān)系；第二，將飲料瓶的瓶底剪掉，用氣球的膠膜包住并繃緊，在用細(xì)線固定?？梢杂脕?lái)演示液體對(duì)容器底部和側(cè)壁壓強(qiáng)的變化；第三，用大飲料瓶與玻璃管和橡膠塞配合，可以制作一個(gè)溢水杯，驗(yàn)證阿基米德原理等等。
選擇飲料瓶透明、易密封的特性，可以演示光的直射、反射、折射現(xiàn)象。具體做法是：找一個(gè)比較大的飲料瓶，在其中充滿香煙（或是衛(wèi)生香）的煙霧，擰緊瓶蓋，就制成了一個(gè)簡(jiǎn)單的光路顯示器。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質(zhì)中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側(cè)面向瓶底的平面鏡照射時(shí)，會(huì)清晰地觀察到入射光線和反射光線，給學(xué)生留下深刻的反射現(xiàn)象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時(shí)，從側(cè)面向石灰水面照射時(shí)，會(huì)清晰地觀察到光的入射光線和折射光線。
此外，選擇飲料瓶皮薄、易導(dǎo)熱的特性，可以研究熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；選擇相同的飲料瓶具有相同的物理性質(zhì)這一特點(diǎn)，可以充當(dāng)?shù)攘恐匚?；選擇飲料瓶異變形的特點(diǎn)可以演示力的作用效果與力的三要素；可以驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的存在等等。
綜上所述，借助信息交合法，將會(huì)大大開(kāi)拓我們非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)思路，突破思維定勢(shì)，使實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不再是件令人生畏、遙不可及的事情。普通人只要掌握了一定的創(chuàng)造技法，在思考問(wèn)題時(shí)學(xué)會(huì)有意識(shí)地利用這些技法，就一定可以開(kāi)發(fā)出更多的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
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開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案怎么寫(xiě)
在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的管理中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，其中如：在統(tǒng)籌安排各班級(jí)上實(shí)驗(yàn)課的時(shí)間需要人工實(shí)現(xiàn)，而且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有多個(gè)班級(jí)要使用實(shí)驗(yàn)室的沖突，并且調(diào)課后沒(méi)有及時(shí)通知老師和班級(jí)同學(xué)。為了方便實(shí)驗(yàn)室的管理，我們提出利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理實(shí)驗(yàn)室的上機(jī)情況。以學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室為背景，開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.........
六. 實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)??功能描述：??實(shí)驗(yàn)室的使用情況、查看實(shí)驗(yàn)信息、增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、增加實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)室的管理員通過(guò)本系統(tǒng)可以清楚的掌握實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)的使用情況；同時(shí)管理員還可以通過(guò)系統(tǒng)的操作界面清楚地了解其中任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)信息（例如：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的個(gè)數(shù)、預(yù)約的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的名字、所需要的實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)人數(shù)等）；當(dāng)外界人員需要申請(qǐng)?jiān)谀骋粚?shí)驗(yàn)室做項(xiàng)目時(shí)，管理員可以通過(guò)查看實(shí)驗(yàn)室的使用情況而合理的給申請(qǐng)者安排做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間；為了方便增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目輸入實(shí)驗(yàn)信息，在系統(tǒng)中備份一些實(shí)驗(yàn)常用的實(shí)驗(yàn)器材，但是每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)器材的要求是不一樣的，在系統(tǒng)中我們可以任意的加進(jìn)實(shí)驗(yàn)所需器材，為了提高管理效率系統(tǒng)將器材分為大型中型和小型三類
學(xué)校下周讓交一份自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案！基本要求??a、實(shí)驗(yàn)題目。（如測(cè)量某一物理量）??b、寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)及實(shí)驗(yàn)公式的推導(dǎo)過(guò)程。??c、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求合理選擇所需儀器。??d、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)。??e、對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。??當(dāng)然不是自己做的也差不多，推薦些網(wǎng)址也行。
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證上端開(kāi)口盛水容器底部小孔出水速度v與小孔離液面高度h之間的關(guān)系??實(shí)驗(yàn)器材：底部側(cè)面鉆有小孔的大容器、米尺、軟木塞、鉛直器。??實(shí)驗(yàn)步驟：??1．用軟木塞封閉小孔；??2．將容器置于一定高度H處，并向其中加深度為h的水，??3．拔開(kāi)軟木塞讓水流流動(dòng)一小段時(shí)間后再封閉小孔；??4．測(cè)量水流最遠(yuǎn)著地點(diǎn)距小孔正下方的距離L；??5．多次重復(fù)1—4步；??6．整理實(shí)驗(yàn)器材。??數(shù)據(jù)處理：??由平拋運(yùn)動(dòng)可求水流在空中流動(dòng)時(shí)間 ，由水平方向可得水流出口速度．
初中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案（測(cè)量紙片下落的速度）
作者：朱文軍文章來(lái)源：初中物理點(diǎn)擊數(shù)：309更新時(shí)間：2008-10-10
一、實(shí)驗(yàn)名稱：測(cè)量紙片下落的速度
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：
實(shí)驗(yàn)“測(cè)量紙片下落的速度”所提供的實(shí)驗(yàn)器材有卷尺、秒表、紙片，但是采用這些實(shí)驗(yàn)器材
總是發(fā)現(xiàn)紙片在下落的過(guò)程中忽左忽右的飄，下落的路線不是直的，容易碰到課桌或其它的物體而改變路線。我就想找一種東西來(lái)代替它，起初想用氣球，但發(fā)現(xiàn)更難控制路線，而且氣球太大，放在實(shí)驗(yàn)桌上會(huì)引起學(xué)生的無(wú)意注意。后來(lái)想這種東西應(yīng)該還是用紙來(lái)做，因?yàn)槿绻捎描F球等密度較大的東西做實(shí)驗(yàn)的話，由于下落的時(shí)間太短無(wú)法測(cè)量下落時(shí)間，或者是測(cè)量出來(lái)的時(shí)間誤差太大。最后和同學(xué)們一起討論想到用小時(shí)候玩過(guò)的三個(gè)紙條組成的“紙錐”來(lái)替代原來(lái)的紙片。而且下落的時(shí)間可以通過(guò)秒表測(cè)出（由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有足夠多的卷尺，可以利用人的身高這個(gè)已知條件，此時(shí)下落的時(shí)間大約是1．2秒）。
三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>
學(xué)會(huì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度。
四、實(shí)驗(yàn)所涉及的科學(xué)道理：
測(cè)量紙片（改成“紙錐”）下落的速度這個(gè)實(shí)驗(yàn)利用的實(shí)驗(yàn)原理是速度公式 。把紙片改成“紙錐”，主要考慮它在下落時(shí)由于下部的形狀不同，空氣的流速也不相同，根據(jù)“在流體中，流速越大的地方壓強(qiáng)越小”（伯努利原理），會(huì)產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致“紙錐”下落時(shí)會(huì)順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（具體旋轉(zhuǎn)的方向是由安裝時(shí)的順序決定的）。
五、實(shí)驗(yàn)操作步驟：
（1）實(shí)驗(yàn)前要測(cè)量出同學(xué)的身高，作為“紙錐”下落的高度s，記錄在實(shí)驗(yàn)表格。
(2）一位同學(xué)把30～50厘米長(zhǎng)的刻度尺平放在自己的頭頂，另一個(gè)同學(xué)按照這樣的高度自由釋放“紙錐”，同時(shí)開(kāi)始記時(shí)，記下“紙錐”落地時(shí)所用的時(shí)間t，記錄在實(shí)驗(yàn)表格。
（3）重復(fù)上述步驟兩次。
（4）根據(jù)速度公式計(jì)算出“紙錐”三次下落的速度，并計(jì)算出平均值。
六、實(shí)驗(yàn)裝置或照片：
學(xué)生可以自制“紙錐”（剪三個(gè)完全相同的左右的紙條，把每個(gè)紙條對(duì)折一次，然后連環(huán)套在一起，如圖1所示，把三個(gè)“腳”向外抽緊，如圖2所示）
七、實(shí)驗(yàn)所用器材：
“紙錐”一個(gè)，30～50厘米長(zhǎng)的刻度尺一把，秒表一只。
八、實(shí)驗(yàn)效果以及其他需要說(shuō)明的問(wèn)題：
實(shí)驗(yàn)效果：2005年12月14日前后在南京樹(shù)人國(guó)際學(xué)校初二十二個(gè)班級(jí)中施教效果很好，
解決了原來(lái)所用紙片下落不穩(wěn)、路線不是直線，路程無(wú)法測(cè)量的缺點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)器材制作方便、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、學(xué)生感興趣。后來(lái)在鼓樓區(qū)其他學(xué)校初二物理教學(xué)中得到進(jìn)一步的檢驗(yàn)，各位同行一致反應(yīng)較好。具有較大的推廣使用價(jià)值。
說(shuō)明：在制作“紙錐”時(shí)需要用硬度不要太大、密度較小的紙張，學(xué)生課堂練習(xí)紙最佳?？梢赃x擇高個(gè)子同學(xué)的身高作為“紙錐”的下落高度，這樣可以增加下落時(shí)間，減小時(shí)間測(cè)量上的誤差，但是會(huì)導(dǎo)致矮個(gè)子同學(xué)很難判斷刻度尺是不是水平的；用矮個(gè)子同學(xué)身高作為“紙錐”下落的高度，可以最大程度的使刻度尺保持水平，但是會(huì)使下落時(shí)間變短，這樣測(cè)量的高度準(zhǔn)確了，但是下落時(shí)間的測(cè)量誤差會(huì)增大。這樣的分析過(guò)程可以通過(guò)學(xué)生的討論完成。
1 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)
物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是指學(xué)生在實(shí)施物理實(shí)驗(yàn)之前,根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?運(yùn)用有關(guān)物理知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能,對(duì)實(shí)驗(yàn)的儀器、裝置、步驟和操作方法等實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行規(guī)劃的能力。它具有較強(qiáng)的綜合性、創(chuàng)造性和靈活性等特點(diǎn)。①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的綜合性是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)綜合運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能,對(duì)實(shí)驗(yàn)的儀器、裝置、步驟和操作方法等進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生除了具備一定的物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能外,還需要掌握各種科學(xué)方法。如觀察、測(cè)量、記錄、歸納整理資料、分析對(duì)比異同、抽象概括結(jié)論等。②實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性,是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),可以充分發(fā)揮學(xué)生的聰明才智,讓學(xué)生運(yùn)用自己所學(xué)知識(shí),創(chuàng)造性地構(gòu)思、設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的途徑和方法。③實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性是指學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要具有應(yīng)變能力,思維要靈活,對(duì)于要解決的問(wèn)題,根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件,可以設(shè)計(jì)不同的方案
1.某物理小組到外旅游,看到河邊有一種漂亮的石子，他們非常想知道它的密度，但手邊只有彈簧測(cè)力計(jì)。請(qǐng)你幫他們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)施方案粗略測(cè)出石子的密度（寫(xiě)清實(shí)驗(yàn)步驟，并用測(cè)量量表示出密度值）
步驟一：用質(zhì)量、體積均可忽略的細(xì)繩捆住石子，用測(cè)力計(jì)測(cè)重力，記錄示數(shù)F1 步驟二：用測(cè)力計(jì)鉤著將石子浸沒(méi)在河水中但不碰到底，記錄測(cè)力計(jì)示數(shù)F2
ρ=F1*ρ水/(F1-F2)
2.小明手里有一塊非常漂亮的橡皮泥，手中還有一個(gè)量筒和一盆水，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)幫他測(cè)出橡皮泥的密度（①.步驟 ②.表達(dá)式）
步驟一：向量筒中注入適量水，記錄示數(shù)V1，放入橡皮泥塊，使其被水浸沒(méi)但水不溢出，記錄水面上升后示數(shù)V2
步驟二：將橡皮泥取出，重新讀取液面下降后的讀數(shù)V3
步驟三：將橡皮泥弄干，捏成小船形，輕輕放入量筒內(nèi)水中使其漂浮，且水無(wú)溢出，記錄示數(shù)V4
ρ=(V4-V3)ρ水/(V2-V1)
3.小明做實(shí)驗(yàn)時(shí)不小心將兩杯液體（清水和鹽水）弄混，他只用一支鉛筆和一段細(xì)鐵絲便輕松進(jìn)行了分辨（寫(xiě)出步驟及表達(dá)式）
步驟一：將細(xì)鐵絲纏繞在鉛筆桿一端，使其能夠在水中直立漂浮
步驟二：將鉛筆細(xì)鐵絲一端分別放入兩杯液體中，在筆桿上標(biāo)記液面高度
由于漂浮，受力平衡ρ液gSl=mg
標(biāo)記距繞細(xì)鐵絲一端較長(zhǎng)的是清水，較短的是鹽水
4.小蘭想測(cè)出自家牛奶的密度，但她只能找到一支粗細(xì)均勻的細(xì)木棒和一段細(xì)線、水、一個(gè)螺母及一把毫米刻度尺，如何測(cè)出它的密度（①.步驟 ②.表達(dá)式）{若將毫米刻度尺換成量筒如何？}
使用量筒：
步驟一：將螺母套緊固定在木棒一端，使其在液體中能直立
步驟二：向量筒中倒入適量牛奶，記錄體積V1
步驟三：將木棒放入牛奶中，使其能夠漂浮且不觸到量筒底部，記錄液面上升后體積V2 步驟四：將牛奶倒出，洗凈量筒，再倒入適量水，記錄體積V3
步驟五：將木棒放入水中，使其能夠漂浮且不觸到量筒底部，記錄液面上升后體積V4 ρ奶=(V2-V1)ρ水/(V4-V3)
使用刻度尺：用細(xì)線捆住木棒一端，依次慢慢放入牛奶和水中，直至木棒恰好要歪倒，標(biāo)記該時(shí)刻液面在木棒上的刻度，用刻度尺測(cè)量浸入端到標(biāo)記刻度的距離，分別為h1、h2 ρ奶=ρ水h2/h1
5.小明媽媽買(mǎi)來(lái)一條質(zhì)量2Kg的魚(yú)，可小明想知道魚(yú)是否足秤，可手邊只有一把量程5N的測(cè)力計(jì)，還有一根輕質(zhì)均勻細(xì)直尺和細(xì)線。（請(qǐng)誰(shuí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)幫他解決難題 ①.步驟 ②.表達(dá)式） 步驟一：用細(xì)線做三個(gè)環(huán)，其中一個(gè)固定在直尺0刻度處，一個(gè)固定在直尺L刻度處（L不大于為1/5量程），另一個(gè)不固定（可在L刻度以上移動(dòng)）
步驟二：將魚(yú)掛在0刻度處的線環(huán)，測(cè)力計(jì)鉤子鉤住可移動(dòng)線環(huán)，用一手提起L刻度處的線環(huán)并用另一手拉彈簧測(cè)力計(jì)，使得支持能夠平衡
步驟三：改變可移動(dòng)線環(huán)的位置以及拉測(cè)力計(jì)的拉力，記錄若干組測(cè)力計(jì)示數(shù)Fi與可移動(dòng)線環(huán)所在刻度Li(i=1,2...)
由力矩平衡：mg*L=Fi*(Li-L)
代入數(shù)據(jù)，求m的平均值,即為魚(yú)的質(zhì)量，與2kg比較即可
6.小紅手中有兩塊外形、體積相同的小金屬塊，請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較兩金屬塊密度大小，器材自選（①.步驟 ②.表達(dá)式）
器材：天平
中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）25-0039-02
2016年2月，國(guó)務(wù)院針對(duì)城市交通阻塞問(wèn)題提出了“街區(qū)制”的解決方案，提出居民小區(qū)和企事業(yè)大院應(yīng)逐步向社會(huì)開(kāi)放，優(yōu)化城市路網(wǎng)，提高城市的交通效率。2016年7月，中國(guó)人民大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，中國(guó)政法大學(xué)等多所北京高校率先開(kāi)放校園道路，以促進(jìn)區(qū)域交通微循環(huán)，減少過(guò)往車(chē)輛繞校園的現(xiàn)象，被社會(huì)媒體解讀為“大學(xué)拆墻”。很顯然，隨著中國(guó)高校從上世紀(jì)五十年代的“大院制”向世界名?！敖謪^(qū)制”的發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)高校將呈現(xiàn)開(kāi)放式辦學(xué)的全新姿態(tài)，向社會(huì)提供了交通資源、教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)資源與科研資源，這是當(dāng)前中國(guó)高校開(kāi)放式辦學(xué)的宏觀背景[1]。
隨著普通高校對(duì)教學(xué)目標(biāo)的重定位，特別是各類工程院校意識(shí)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才才能響應(yīng)中國(guó)生產(chǎn)力提升的需求，能解決學(xué)生就業(yè)難問(wèn)題，因此提出了多種新型的實(shí)踐教學(xué)法，與生產(chǎn)需求掛鉤，請(qǐng)企業(yè)工程師擔(dān)任實(shí)踐教師，圍繞著生產(chǎn)問(wèn)題而布置學(xué)習(xí)內(nèi)容[2]。這樣實(shí)驗(yàn)室從傳統(tǒng)的理論教師安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生根據(jù)生產(chǎn)需求，在實(shí)踐教師的引導(dǎo)下，自發(fā)申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。理論教師根據(jù)學(xué)生申請(qǐng)，安排實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間和開(kāi)放項(xiàng)目，學(xué)生可以在指定的時(shí)間，在企業(yè)工程師、理論教師的共同指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。這是當(dāng)前中國(guó)高校開(kāi)放式辦學(xué)的微觀背景[3]。
綜上所述，在中國(guó)高校開(kāi)放式辦學(xué)的需求下，高校的實(shí)驗(yàn)樓周邊人群復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室利用率提高，實(shí)驗(yàn)安排繁忙，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從風(fēng)險(xiǎn)可控的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)向不可預(yù)見(jiàn)結(jié)果的研究型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，從而形成了越來(lái)越難以掌控的實(shí)驗(yàn)室安防態(tài)勢(shì)。在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放環(huán)境下，一旦發(fā)生實(shí)驗(yàn)室突發(fā)事件時(shí)，因?yàn)樾１Ｐl(wèi)處和保安公司對(duì)實(shí)驗(yàn)室情況不熟悉，采取錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)措施，就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此在實(shí)驗(yàn)室事故發(fā)生時(shí)，需要采用先進(jìn)科技判明事故類型，查詢最佳處置預(yù)案，把事故詳情通知實(shí)驗(yàn)室的責(zé)任人，把處置預(yù)案告知保安，并調(diào)集實(shí)驗(yàn)室?guī)熒巴гａ槍?duì)這一需求，應(yīng)用“感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層”三層開(kāi)發(fā)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)，將能有效地控制突發(fā)事故時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[4]。
1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室前端安裝了各種傳感器，以實(shí)現(xiàn)事件類型的感知。一般來(lái)說(shuō)，門(mén)磁傳感器被布置成有線的形式，可檢測(cè)門(mén)窗在未開(kāi)放時(shí)段被異常打開(kāi)的突發(fā)事件；有毒氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的操作臺(tái)，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作流程錯(cuò)誤導(dǎo)致的毒氣泄露事件；可燃?xì)怏w傳感器布置成有線的形式，安裝于可燃?xì)怏w管道附近，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)后未關(guān)閉氣管的事件；RFID傳感器布置成有線的形式，分為兩種，一種是915Mhz的10m距離的讀卡器，用于檢測(cè)貴重設(shè)備是否被帶出特定實(shí)驗(yàn)室，一種為13.56Mhz的IC卡門(mén)禁讀卡器，配合門(mén)磁傳感器，可用于非法入侵實(shí)驗(yàn)室事件；人體紅外熱釋電傳感器布置成無(wú)線的形式，布置在交通要道處，將隨著實(shí)驗(yàn)樓承擔(dān)不同的研究任務(wù)而導(dǎo)致人流熱點(diǎn)區(qū)域改變即時(shí)調(diào)整位置，可以用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)樓各區(qū)域的繁忙態(tài)勢(shì)，大數(shù)據(jù)分析表明，實(shí)驗(yàn)室的安全事故和使用人流量存在著一定的相關(guān)性；撞擊傳感器布置成無(wú)線的形式，用于檢測(cè)敏感區(qū)域破壞墻、門(mén)、窗的事件；爆炸傳感器也布置成無(wú)線形式，用于在發(fā)生爆炸事故時(shí)，分析爆炸區(qū)域和規(guī)模，快速計(jì)算疏散路徑的用途；攝像頭采用串口通訊的方式，用于獲取突發(fā)事件發(fā)生瞬間的圖像信息，以便云端可以人工檢查事件類型，減少誤報(bào)事故，同時(shí)事故瞬間相片也能讓實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)老師在第一時(shí)間了解實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)狀態(tài)，更好指導(dǎo)保安采取正確的處置措施[5]。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種傳感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模塊。MCU通過(guò)有線和無(wú)線的方式，收集傳感器監(jiān)測(cè)到的突發(fā)事件[6]。
在網(wǎng)絡(luò)層，MCU把突發(fā)事件編碼，拼接成“房間號(hào)，事件號(hào)”字符串，通過(guò)3G Modem，應(yīng)用Socket通訊技術(shù)向云安防中心發(fā)送字符串。在實(shí)驗(yàn)室突發(fā)事件的同時(shí)，MCU向攝像頭發(fā)出拍照指令，得到事故瞬間相片。MCU通過(guò)3G Modem，將事故現(xiàn)場(chǎng)相片上傳云應(yīng)用層的安防中心。隨后，MCU也將報(bào)警以短信形式發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)教師，將事故圖像以彩信的方式發(fā)送給實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)教師。
物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層也稱為“云端”，保衛(wèi)處在云端建設(shè)安防中心，收到各實(shí)驗(yàn)室MCU發(fā)來(lái)的報(bào)警信息后。第一步，先呼叫當(dāng)班保安立即前往事故現(xiàn)象查看。第二步，在預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)檢索相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，調(diào)取師生安全員的聯(lián)系方式，對(duì)所有師生安全員群發(fā)事故短信，并撥打師生安全員手機(jī)，要求師生安全員到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助保安處置事故。第三步，向保衛(wèi)處領(lǐng)導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)院系領(lǐng)導(dǎo)，學(xué)校分管領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)警情，以備事件難以控制時(shí)，能更加有效地組織施救團(tuán)隊(duì)，以及大規(guī)模調(diào)動(dòng)應(yīng)急物資。
2 硬件開(kāi)發(fā)
在本系統(tǒng)中，感知層有較多的硬件開(kāi)發(fā)工作。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的核心MCU都要外接十多個(gè)傳感器，還需要連接“3G MODEM”。因此選擇飛思卡爾公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33個(gè)傳感器，也可通過(guò)“MAX232”芯片發(fā)送AT指令，從而控制串口上的“3G MODEM”?！?G MODEM”選擇華為公司生產(chǎn)的“GTM 900C”，因?yàn)閮?nèi)嵌了“TCP/IP”協(xié)議，使得圖像上傳和彩信發(fā)送較容易實(shí)現(xiàn)。攝像頭選擇深圳市高信通電子有限公司生產(chǎn)“GXT-Y101”的模塊，其特點(diǎn)是可以通過(guò)串口接受MCU發(fā)出的拍照指令，又能壓縮圖像為JPEG格式，減少串口通訊耗時(shí)。
網(wǎng)絡(luò)層的通訊工作主要由“GTM 900C”模塊承擔(dān)，內(nèi)置了“增強(qiáng)AT指令集”，因此具有較強(qiáng)大的Socket通訊、短信發(fā)送、圖像傳遞、彩信發(fā)送的功能。實(shí)驗(yàn)表明，在傳遞“房間號(hào)，事件號(hào)”短信時(shí)，只需耗時(shí)4s，以彩信的方式傳遞一張50 kB事故實(shí)時(shí)圖像，只需耗時(shí)30s。
以MCU上傳事故圖像為例，完整步驟如下：（1）MCU通過(guò)IO腳檢測(cè)到傳感器事件；（2）MCU通過(guò)串口1，向傳感器同房間的攝像頭發(fā)送拍照指令“5600360100”，攝像頭完成事件瞬間的圖像的感知工作；（3）MCU向攝像頭發(fā)出“5600340100”指令，即要求攝像頭返回照片的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；（4）MCU發(fā)出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求閱讀攝像頭的此時(shí)長(zhǎng)度為“A4B9”的圖像；（5）MCU收到圖像后，發(fā)出指令“5600360103”，攝像頭又恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)；（6）MCU通過(guò)IO腳虛擬的串口2，向“GTM 900C”發(fā)送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通訊的狀態(tài)設(shè)置；（8）MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的設(shè)置，即用本地的1237端口與互聯(lián)網(wǎng)上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口發(fā)起通訊，建立UDP連接；（9） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPSEND = "（圖像數(shù)據(jù)）"”，完成事故圖像向云端的安防中心的上傳，傳遞50 kB的事故圖像約18s；（10） MCU向“GTM 900C”發(fā)送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切斷UDP連接，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
3 云端軟件開(kāi)發(fā)
云端安防中心模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，云端通過(guò)WINSOCK模塊接收各實(shí)驗(yàn)室的門(mén)禁信息，通過(guò)WINSOCK模塊接收各實(shí)驗(yàn)室的突發(fā)事件傳感器信息和現(xiàn)場(chǎng)圖像，通過(guò)一個(gè)“GTM 900C”模塊群發(fā)調(diào)度指令給當(dāng)班的保安，要求大樓保安和巡邏保安趕往出事地點(diǎn)，也可通過(guò)保安的手機(jī)移動(dòng)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)保安的調(diào)度。計(jì)算服務(wù)器接著按“房間號(hào)”、“事件號(hào)”為查詢關(guān)鍵詞，在SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)搜索相應(yīng)的“處置預(yù)案”，并從處置預(yù)案中獲得師生安全員的聯(lián)系方式，通過(guò)第二個(gè)“GTM 900C”模塊向師生安全員和保安群發(fā)處置預(yù)案，要求各人員嚴(yán)格按處置預(yù)案開(kāi)展應(yīng)急措施，避免事故擴(kuò)大或造成應(yīng)急人員傷亡。最后實(shí)現(xiàn)彩信群發(fā)，向所有應(yīng)急人員現(xiàn)場(chǎng)照片，讓?xiě)?yīng)急人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部狀態(tài)有較準(zhǔn)確了解。
如果學(xué)校規(guī)模較大，或是要將教室、辦公室也納入安防監(jiān)控體系，可以通過(guò)增加計(jì)算服務(wù)器來(lái)提高指令的效率。把各計(jì)算服務(wù)器布置成并行作業(yè)的狀態(tài)，每一臺(tái)計(jì)算服務(wù)器都具有應(yīng)急指揮的完全能力，每臺(tái)計(jì)算服務(wù)器在下達(dá)應(yīng)急指令過(guò)程中，從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉泵顟B(tài)，由其他空閑計(jì)算服務(wù)器來(lái)響應(yīng)新的事故報(bào)警。該設(shè)計(jì)使得云端具有同時(shí)應(yīng)對(duì)多個(gè)事故的指揮能力，而且即使若干計(jì)算服務(wù)器突然損壞，也不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)急指揮的中斷。實(shí)踐證明，每三百個(gè)實(shí)驗(yàn)室、教室、辦公室配置一臺(tái)計(jì)算服務(wù)器，在多起突發(fā)事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，云端仍然具有多點(diǎn)撲救的指揮能力。
4 結(jié)論
系統(tǒng)在南京理工大學(xué)紫金學(xué)院進(jìn)行了測(cè)試。紫金學(xué)院采用了“項(xiàng)目教學(xué)法”來(lái)培養(yǎng)應(yīng)用型人才，應(yīng)用了“任務(wù)引領(lǐng)，實(shí)踐導(dǎo)向”的教學(xué)思想，學(xué)生在企業(yè)實(shí)踐教師的指導(dǎo)下，根據(jù)生產(chǎn)需求，自行設(shè)計(jì)了各種全新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理方法無(wú)法適應(yīng)實(shí)踐教學(xué)的新需求。應(yīng)用了基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)后，即使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目日趨復(fù)雜，也能按傳感器類型對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行有效地分類，調(diào)取匹配的處置預(yù)案，更精準(zhǔn)地指揮保安和師生安全員應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室事故。而且在平時(shí)，實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)可以從門(mén)磁傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況，根據(jù)IC卡門(mén)禁讀卡器數(shù)據(jù)計(jì)算學(xué)生實(shí)踐學(xué)時(shí)和教師的實(shí)踐課時(shí)，通過(guò)熱釋電傳感器了解實(shí)驗(yàn)大樓的人群分布，及時(shí)調(diào)整巡邏保安的巡防區(qū)域。所以本系統(tǒng)不僅僅能發(fā)揮安防應(yīng)急指揮的作用，也能加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的管理。
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1課程目標(biāo)
培養(yǎng)實(shí)用型、創(chuàng)新型人才,提升軟件研發(fā)能力,構(gòu)建系統(tǒng)、完善的理論及實(shí)踐專業(yè)課程體系架構(gòu),一直是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程的根本目標(biāo)。為積極落實(shí)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),強(qiáng)化對(duì)學(xué)生應(yīng)用編程實(shí)踐能力的體系化培養(yǎng),進(jìn)一步構(gòu)建、充實(shí)計(jì)算機(jī)軟件、硬件緊密結(jié)合的基本知識(shí)架構(gòu),貫徹系統(tǒng)、可持續(xù)發(fā)展的培養(yǎng)思路和課程體系,在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等先修課程基礎(chǔ)上,加強(qiáng)學(xué)生軟件開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng),設(shè)置并開(kāi)設(shè)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐課程“計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐”。
課程設(shè)計(jì)方案針對(duì)專門(mén)的實(shí)用編程技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法,進(jìn)行特定系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì),確立實(shí)現(xiàn)方法,完成程序編碼與調(diào)試。進(jìn)一步加強(qiáng)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論技術(shù)的掌握,提升程序設(shè)計(jì)的深度和難度,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較大程序的能力。為專業(yè)素質(zhì)和能力的培養(yǎng)奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。
本課程的設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)方案設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)思路、實(shí)施基本方法進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃,學(xué)生能夠了解面向具體應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)基本方法,明確系統(tǒng)功能、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的基本流程,理解一個(gè)實(shí)用應(yīng)用程序的基本架構(gòu),掌握設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序的運(yùn)行流程。在選擇C語(yǔ)言編程環(huán)境及其方法的基礎(chǔ)上,能夠基于庫(kù)函數(shù)或類庫(kù)函數(shù)接口,運(yùn)用具體編程方法,完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、編碼等開(kāi)發(fā)工作。選擇學(xué)生感興趣的項(xiàng)目,構(gòu)建用戶自己的應(yīng)用程序代碼,達(dá)到熟練運(yùn)用編譯環(huán)境工具、開(kāi)發(fā)較大型應(yīng)用程序的目的。
課程方案設(shè)計(jì)的基本原則在于,通過(guò)精選應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析、功能設(shè)計(jì)、編碼、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、提交等基本環(huán)節(jié),展現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)基本過(guò)程,運(yùn)用實(shí)用編程技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),提升學(xué)生應(yīng)用編程實(shí)力,鞏固學(xué)生程序設(shè)計(jì)基本規(guī)范、基本流程的理解和實(shí)現(xiàn)技術(shù),達(dá)到充實(shí)程序設(shè)計(jì)的應(yīng)用知識(shí)體系、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性、開(kāi)拓學(xué)生的專業(yè)視野和實(shí)際工作能力的目的。
2教學(xué)方案設(shè)計(jì)
2.1應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)為用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀寫(xiě)等提供必備支持,應(yīng)用程序設(shè)計(jì)也需要有關(guān)文件操作功能的支持,文件系統(tǒng)及其各項(xiàng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)具有實(shí)用價(jià)值,C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程中,文件系統(tǒng)相關(guān)章節(jié)對(duì)文件的基本操作、編程接口、實(shí)現(xiàn)方法等內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,學(xué)生具備一定的理解文件系統(tǒng)功能和處理文件的知識(shí)基礎(chǔ)[1]。
參考相關(guān)資料,使用高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)文件系統(tǒng),作為一個(gè)應(yīng)用原型系統(tǒng),基于該系統(tǒng),完成軟件項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)過(guò)程[2]。
首先通過(guò)分析文件系統(tǒng)基本功能,理解文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單、功能完善的模擬文件系統(tǒng)SMFS。該文件系統(tǒng)功能包括文件操作、文件存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)一致性和容錯(cuò)性管理[3]。
SMFS文件系統(tǒng)采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析原型程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),掌握該應(yīng)用軟件的模塊劃分與集成,掌握編譯環(huán)境、運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建與使用。
首先對(duì)現(xiàn)有原型系統(tǒng)初步改錯(cuò)并進(jìn)行調(diào)試,查看運(yùn)行結(jié)果,分析并找出原型系統(tǒng)仍然存在的問(wèn)題。
再根據(jù)所設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)應(yīng)用程序方案功能,進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改,對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試、運(yùn)行。
方案的實(shí)施使學(xué)生應(yīng)用能力得到鍛煉和提高。學(xué)生可了解軟件開(kāi)發(fā)規(guī)律、開(kāi)發(fā)思路和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
2.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇
使用PC機(jī)、Windows操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言編譯工具及其環(huán)境,作為硬件、軟件開(kāi)發(fā)運(yùn)行平臺(tái)。選擇Turbo C或 Borland C作為編譯工具。開(kāi)發(fā)、運(yùn)行平臺(tái)易建。原型軟件程序已通過(guò)初步調(diào)試,可運(yùn)行,為學(xué)生的調(diào)試、二次設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)提供有利支持和保證。方案可行性、可操作性較強(qiáng)。
3教學(xué)內(nèi)容
3.1文件系統(tǒng)分析
以UNIX操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)為例,對(duì)文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及基本構(gòu)成進(jìn)行必要分析,了解文件系統(tǒng)基本工作方式及其功能實(shí)現(xiàn)的基本方式。動(dòng)手實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬文件系統(tǒng)――文件應(yīng)用系統(tǒng)。
3.2文件應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃
文件應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能包括,提供一個(gè)文件操作接口函數(shù)庫(kù),基于該函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng),提供高效的存儲(chǔ)管理功能。該文件系統(tǒng)提供較好的容錯(cuò)性能,系統(tǒng)崩潰時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的一致性檢測(cè),確保數(shù)據(jù)不丟失。
基于文件函數(shù)庫(kù)的基本文件操作函數(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的單用戶文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為以下幾個(gè)模塊。
Naming:將文件名映射為文件占用的磁盤(pán)塊,空閑磁盤(pán)塊管理的內(nèi)存與磁盤(pán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),稱為磁盤(pán)空閑表。該表可跟蹤磁盤(pán)上每一個(gè)磁盤(pán)塊分配使用情況,該表永久存放在磁盤(pán)上,文件系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)放入內(nèi)存,指導(dǎo)文件的空間分配。
Allocated:磁盤(pán)塊的分配記錄,即文件系統(tǒng)的物理組織。采用索引節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行文件分配磁盤(pán)塊的管理。每個(gè)文件擁有唯一I節(jié)點(diǎn),每個(gè)文件的屬性信息存放在該文件的I節(jié)點(diǎn)中。此外,目錄文件中包含該目錄下子目錄名及其I節(jié)點(diǎn)或文件名及其I節(jié)點(diǎn),用于按目錄逐級(jí)查找,將文件名映射到I節(jié)點(diǎn)上。
文件操作包括:創(chuàng)建文件;修改文件;刪除文件等。
容錯(cuò)性、一致性的設(shè)計(jì)。文件系統(tǒng)的恢復(fù)策略。確保文件數(shù)據(jù)的完整性、持久性。
3.3文件應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括:文件系統(tǒng)文件最大數(shù)量;文件系統(tǒng)最大空間;文件系統(tǒng)操作提示符――字符串;文件系統(tǒng)名稱――文件名表示;文件系統(tǒng)文件指針;文件I節(jié)點(diǎn)――結(jié)構(gòu)體類型;文件I節(jié)點(diǎn)指針;文件I節(jié)點(diǎn)表――數(shù)組。
3.4文件函數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)
文件系統(tǒng)應(yīng)能永久存儲(chǔ)數(shù)據(jù),物理上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的是磁盤(pán)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),使用一個(gè)文件模擬磁盤(pán)。將文件磁盤(pán)塊大小設(shè)定為4KB,每個(gè)磁盤(pán)塊有唯一編號(hào),每個(gè)文件以磁盤(pán)塊為單位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
磁盤(pán)函數(shù)庫(kù)模擬真實(shí)的硬件接口,設(shè)計(jì)為函數(shù)實(shí)現(xiàn),函數(shù)接口提供良好的調(diào)試接口,為將磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口映射為模擬的磁盤(pán)函數(shù)庫(kù)函數(shù)接口。磁盤(pán)函數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)如下函數(shù):
void creat_file_system()
函數(shù)功能:創(chuàng)建一個(gè)文件,包括文件管理數(shù)據(jù)和實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),表示文件系統(tǒng)。
void open_file_system();
函數(shù)功能:打開(kāi)或創(chuàng)建文件系統(tǒng),錯(cuò)誤返回error;正確則返回文件系統(tǒng)指定的文件管理數(shù)據(jù)和實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)位置指針。
int new_a_file(char *file_name)
函數(shù)功能:搜索文件系統(tǒng),查出可用空閑管理塊,存入指定文件名,返回管理數(shù)據(jù)位置指針,否則,返回-1。
int del_a_file(char *file_name)
函數(shù)功能:搜索文件系統(tǒng),查出指定文件,從文件系統(tǒng)中刪除該文件,返回該文件位置指針,否則返回-1。
void list()
函數(shù)功能:搜索文件系統(tǒng),只要文件名不為空,輸出文件名和文件長(zhǎng)度,文件計(jì)數(shù)。
int open_a_file(char *file_name)
函數(shù)功能:搜索文件系統(tǒng),如指定文件存在,返回指定文件所在的序號(hào)。
int offset_by_i(int i)
函數(shù)功能:返回第i個(gè)文件在文件系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的偏移量。
int write(char *file_name,int offset,char *str,int count)
函數(shù)功能:打開(kāi)文件file_name,寫(xiě)入文件,寫(xiě)入文件系統(tǒng)管理塊信息。
int read(char *file_name,int offset,int count,char *str)
函數(shù)功能:打開(kāi)文件file_name,讀出該文件字符串內(nèi)容。
void print_help()
函數(shù)功能:輸出系統(tǒng)文件操作提示信息,供用戶選擇。
int main()
函數(shù)功能:啟動(dòng)文件系統(tǒng),進(jìn)入幫助界面,用戶可以輸入各項(xiàng)操作代碼,循環(huán)執(zhí)行對(duì)應(yīng)文件操作,或結(jié)束系統(tǒng)運(yùn)行。
合法操作包括:①創(chuàng)建文件系統(tǒng);②新建一個(gè)文件;③刪除一個(gè)文件;④顯示文件列表;⑤寫(xiě)入文件;⑥輸出文件;⑦退出文件系統(tǒng)。
3.5應(yīng)用文件系統(tǒng)運(yùn)行分析
測(cè)試中,查看存在的設(shè)計(jì)缺陷。如,文件系統(tǒng)中文件數(shù)量的檢測(cè)和控制;文件長(zhǎng)度的檢測(cè)和控制;文件系統(tǒng)啟動(dòng)確認(rèn)等[4]。
3.6應(yīng)用文件系統(tǒng)的再設(shè)計(jì)方案
根據(jù)學(xué)生對(duì)原型系統(tǒng)的理解和掌握程度進(jìn)行自行設(shè)計(jì)。測(cè)試改進(jìn)方案的系統(tǒng)運(yùn)行的完善性和健壯性。
4教學(xué)過(guò)程
本課程課堂授課課時(shí)為8學(xué)時(shí),上機(jī)實(shí)踐學(xué)時(shí)為24學(xué)時(shí)。教學(xué)采用講課、上機(jī)交替進(jìn)行的方式。便于學(xué)生及時(shí)把教師交付的每個(gè)任務(wù)貫徹落實(shí)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),教師能將學(xué)生實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題,利用課堂教學(xué)及時(shí)反饋、說(shuō)明、給出指導(dǎo)意見(jiàn)。
教師在授課期間,對(duì)設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能、實(shí)現(xiàn)技術(shù)及方法、編譯運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行簡(jiǎn)要講解、說(shuō)明。學(xué)生在上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)過(guò)程中,完成項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),通過(guò)接受教師檢查、驗(yàn)收、答辯等環(huán)節(jié),提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。鍛煉和提升分析,設(shè)計(jì),文字、語(yǔ)言表述,實(shí)現(xiàn),工具運(yùn)用等能力。
該方案教學(xué)過(guò)程可設(shè)計(jì)為三個(gè)階段。
4.1授課內(nèi)容設(shè)計(jì)
該階段完成進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)理論、程序架構(gòu)、軟硬平臺(tái)搭建等準(zhǔn)備工作。從項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)、方案設(shè)計(jì)、實(shí)施過(guò)程及要求、編程技術(shù)分析、系統(tǒng)功能等方面進(jìn)行授課。指導(dǎo)學(xué)生奠定扎實(shí)基礎(chǔ),為進(jìn)行下一階段的實(shí)踐作好準(zhǔn)備。為了比較系統(tǒng)全面了解有關(guān)軟件開(kāi)發(fā)的基本概念、基本過(guò)程,設(shè)計(jì)授課內(nèi)容按系統(tǒng)功能驅(qū)動(dòng)的方法展開(kāi),緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)編程技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生逐步系統(tǒng)了解開(kāi)發(fā)一個(gè)特定應(yīng)用系統(tǒng)所必需掌握的基本概念和基本技術(shù)。
教師在8學(xué)時(shí)的授課中,首先向?qū)W生明確說(shuō)明方案系統(tǒng)的功能,然后進(jìn)行功能的分解,直至完成模塊的劃分,講解需要的編程技術(shù),實(shí)現(xiàn)模塊功能,學(xué)生在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部的算法流程,并實(shí)現(xiàn)、調(diào)試、運(yùn)行軟件系統(tǒng)。
4.2實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)
上機(jī)實(shí)踐24學(xué)時(shí)。實(shí)踐環(huán)節(jié)以課題組模式進(jìn)行工作,利于互相幫助,培養(yǎng)合作能力和意識(shí)。學(xué)生以課題組為單位進(jìn)行方案論證、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建、分工、單元開(kāi)發(fā)、調(diào)試、系統(tǒng)運(yùn)行,完成項(xiàng)目實(shí)踐報(bào)告的編寫(xiě)。組長(zhǎng)是項(xiàng)目主持人。該過(guò)程能使學(xué)生明確軟件開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié),結(jié)合自身?xiàng)l件對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。課題組學(xué)生可按以下實(shí)施內(nèi)容及步驟開(kāi)展工作,并按計(jì)劃接受教師的檢查和評(píng)估。
每2人自由結(jié)為一個(gè)課題組。可以均衡學(xué)生的能力,達(dá)到互助的目的。確立方案的功能及設(shè)計(jì)基本方法,設(shè)計(jì)模塊函數(shù)功能及其編程接口。
安裝開(kāi)發(fā)環(huán)境、調(diào)試開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于開(kāi)發(fā)使用的 C/C++語(yǔ)言環(huán)境及工具、函數(shù)等作必要的調(diào)試。
分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能,劃分每位同學(xué)的模塊分工明細(xì)。完成各自的功能模塊設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、調(diào)試,并接受教師檢查、評(píng)估。
課題組完成系統(tǒng)集成調(diào)試。提交調(diào)試報(bào)告和系統(tǒng)使用說(shuō)明書(shū),并接受教師軟件驗(yàn)收。
項(xiàng)目實(shí)踐上機(jī)環(huán)節(jié)的內(nèi)容可操作性強(qiáng)、實(shí)施要求具體、目標(biāo)明確,便于對(duì)學(xué)生的研究能力、協(xié)調(diào)協(xié)作能力、軟件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力、編碼能力,解決問(wèn)題能力、語(yǔ)言、書(shū)面表述能力等作一個(gè)綜合的培養(yǎng)、評(píng)價(jià)、考核。
5評(píng)價(jià)體系
對(duì)學(xué)生方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的評(píng)價(jià),旨在通過(guò)實(shí)踐的各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)督檢查,深入了解學(xué)生的進(jìn)展情況、方案實(shí)施效果、出現(xiàn)的問(wèn)題等,為學(xué)生提供指導(dǎo)、建議,考核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)結(jié)果是否達(dá)到方案目標(biāo)的要求。
針對(duì)項(xiàng)目實(shí)踐課程的目標(biāo)和特點(diǎn),必須規(guī)劃、確立學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。否則,課程開(kāi)設(shè)效果難以保證。對(duì)學(xué)生方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的評(píng)價(jià),旨在通過(guò)實(shí)踐的各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)督檢查,深入了解學(xué)生的進(jìn)展情況、方案實(shí)施效果、出現(xiàn)的問(wèn)題等,為學(xué)生提供指導(dǎo)、建議,考核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)結(jié)果是否達(dá)到方案目標(biāo)的要求。
課程實(shí)施過(guò)程分為:課堂教學(xué),課題組完成系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的理解、模塊功能設(shè)計(jì)與劃分、編程實(shí)現(xiàn)與調(diào)試、軟件驗(yàn)收、答辯等。
學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)根據(jù)每位學(xué)生的各個(gè)部分的實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)估。學(xué)生應(yīng)提交規(guī)定格式、內(nèi)容的文檔、實(shí)驗(yàn)報(bào)告,完成編碼、調(diào)試、軟件驗(yàn)收,學(xué)生在階段檢查時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行講解、答辯。答辯對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模式與運(yùn)行模式進(jìn)行考核,確認(rèn)學(xué)生是否對(duì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、運(yùn)行流程及其出現(xiàn)的問(wèn)題,有全面的理解。敦促學(xué)生全面系統(tǒng)地完成項(xiàng)目實(shí)踐整個(gè)實(shí)施計(jì)劃與實(shí)施過(guò)程。
學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系包括文檔成績(jī)?cè)u(píng)估設(shè)計(jì)和軟件驗(yàn)收答辯兩個(gè)部分。
文檔成績(jī)?cè)u(píng)估設(shè)計(jì)。組長(zhǎng)及其組員負(fù)責(zé)組織編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)報(bào)告的詳細(xì)格式及內(nèi)容的規(guī)范要求見(jiàn)附錄。其中包括分析設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)運(yùn)行手冊(cè)、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的模塊和調(diào)試等內(nèi)容。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的可讀性、創(chuàng)新性、結(jié)構(gòu)內(nèi)容完整性、工作量等因素,評(píng)估每位學(xué)生的文檔成績(jī)。
軟件驗(yàn)收答辯。根據(jù)教師提出的系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)方案建議,以課題組為單位進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì),每人獨(dú)立進(jìn)行模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)及編碼調(diào)試工作,根據(jù)提交的模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)文檔和調(diào)試文檔,學(xué)生對(duì)模塊使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計(jì)進(jìn)行講解、答辯。教師根據(jù)講解簡(jiǎn)明、思路清楚、工作量飽滿、使用技術(shù)有獨(dú)到之處等方面給予成績(jī)?cè)u(píng)定。根據(jù)提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行軟件系統(tǒng)驗(yàn)收,根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行功能實(shí)現(xiàn)、界面設(shè)計(jì)、編碼技術(shù)運(yùn)用等評(píng)估學(xué)生的驗(yàn)收成績(jī)?？己朔种捣植既绫?所示。
表1考核分值分布表
考核內(nèi)容百分比
系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)報(bào)告10%
模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告10%
原運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)試報(bào)告15%
系統(tǒng)調(diào)試報(bào)告用戶手冊(cè)15%
階段檢查25%
驗(yàn)收檢查25%
6教學(xué)文檔及環(huán)境支撐
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)踐包括24學(xué)時(shí)的上機(jī)操作,需要完成課程軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與文檔組織編寫(xiě),是以學(xué)生自主完成為主,教師指導(dǎo)為輔的實(shí)踐過(guò)程。為配合師生的需求,提高學(xué)生的工作效率,支持文檔的編寫(xiě)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、編碼、調(diào)試等諸多具體要求,一個(gè)方便實(shí)用的文檔及具體要求支持體系十分必要。教學(xué)文檔可提前提交給學(xué)生參考,一般包括:①授課教案;②實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū);③應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境;④課程實(shí)踐環(huán)節(jié)參考手冊(cè);⑤網(wǎng)上教學(xué)資源平臺(tái);⑥教學(xué)大綱;⑦實(shí)驗(yàn)大綱;⑧授課計(jì)劃;⑨實(shí)驗(yàn)上機(jī)學(xué)期計(jì)劃表。
7課程實(shí)踐環(huán)節(jié)參考手冊(cè)設(shè)計(jì)
特別設(shè)置一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)參考手冊(cè),對(duì)課程設(shè)計(jì)所有環(huán)節(jié)具體要求和實(shí)施辦法作一說(shuō)明。為學(xué)生方便地編寫(xiě)文檔和規(guī)范地完成實(shí)施過(guò)程,提供規(guī)范文檔體系參考與指導(dǎo),使學(xué)生的成果體系完整、有據(jù)可查。
附錄一,實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范模板;附錄二,實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(shū);附錄三,報(bào)告文檔內(nèi)容格式參考;附錄四,進(jìn)度安排及成果提交;附錄五,實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)規(guī)范;附錄六,成績(jī)?cè)u(píng)估表。
8結(jié)語(yǔ)
操作系統(tǒng)技術(shù)對(duì)于大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)課體系教育的重要性勿容置疑,實(shí)踐教學(xué)對(duì)理論教學(xué)有延伸和提升的作用,其教學(xué)重要性、迫切性、科學(xué)性越來(lái)越得到國(guó)內(nèi)外同行的共識(shí),如何將實(shí)用技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)
環(huán)節(jié)一直是教學(xué)中探索的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本方案的創(chuàng)新性在于系統(tǒng)全面地設(shè)計(jì)了實(shí)踐類課程的各個(gè)環(huán)節(jié),提供了較全面的方案設(shè)計(jì)內(nèi)容,有一定的參考價(jià)值。方案具有較好的可操作性和可移植性,可供其他計(jì)算機(jī)專業(yè)課的實(shí)踐環(huán)節(jié)參考。該方案已應(yīng)用于教學(xué),對(duì)學(xué)生拓展應(yīng)用編程技術(shù),進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)具有較好的效果。
該方案具有技術(shù)實(shí)用、平臺(tái)易建、功能明確、難度適中的特點(diǎn)。通過(guò)方案的實(shí)施,學(xué)生系統(tǒng)軟件分析能力和應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)能力能得到一個(gè)全面的實(shí)踐和鍛煉。
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Research and Implementation of Programming Practice Project
NIU Xin-yuan
前言
伴隨著汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，不同汽車(chē)行業(yè)的整車(chē)廠都先后推出自己生產(chǎn)研制的不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)OTS生產(chǎn)狀態(tài)，都需要進(jìn)行不同的零部件的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)對(duì)比，從而選出最佳的設(shè)計(jì)作為批產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案，本文介紹的就是在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸墊的選型，設(shè)計(jì)、模擬計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，確定最后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行批產(chǎn)。
1 汽缸墊的作用
氣缸墊位于氣缸蓋與氣缸體之間 又稱氣缸床. 其功用是填補(bǔ)氣缸體和氣缸蓋之間的微觀孔隙，保證結(jié)合面處有良好的密封性，進(jìn)而保證燃燒室的密封 防止氣缸漏氣和水套漏水。
隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷強(qiáng)化，熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷均不斷增加，氣缸墊的密封性愈來(lái)愈重要.對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的要求是：在高溫高壓和高腐蝕的燃?xì)庾饔脳l件下具有足夠的強(qiáng)度，耐熱；不少損或變質(zhì)，耐腐蝕；具有一定的彈性，能補(bǔ)償結(jié)合面的不平度，以保證密封；使用壽命長(zhǎng)。
2 汽缸墊的試驗(yàn)研究
2.1 汽缸墊的設(shè)計(jì)方案
根據(jù)某系列汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)階段的規(guī)劃，對(duì)1.5T原型樣機(jī)進(jìn)行汽缸墊溫度場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，并對(duì)各汽缸墊進(jìn)行檢測(cè)各點(diǎn)溫度值，為設(shè)計(jì)部門(mén)提供相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以確定最佳汽缸墊方案。三種方案如下圖所示，圖1、圖2、圖3。原型樣機(jī)的汽缸墊方案如圖1所示。
圖 1第一種汽缸墊設(shè)計(jì)方案 圖 2 第二種汽缸墊設(shè)計(jì)方案
圖 3 第三種汽缸墊設(shè)計(jì)方案
2.2 試驗(yàn)方案
在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上進(jìn)行打孔，安裝熱電偶傳感器測(cè)量鼻梁區(qū)的溫度，對(duì)比各個(gè)方案的溫度變化值。
2.2.1 試驗(yàn)各傳感器的安裝
如圖4所示，第15點(diǎn)，16點(diǎn)、17點(diǎn)為我們?cè)囼?yàn)所要檢測(cè)的測(cè)量點(diǎn)。
2.2.2 試驗(yàn)工況
本次試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速我們選取1000rpm、3000rpm、4000rpm、5500rpm以上4點(diǎn)在全負(fù)荷的工況下，測(cè)量個(gè)點(diǎn)的溫度值，每個(gè)工況溫度5分鐘后進(jìn)行測(cè)量取點(diǎn)。機(jī)油溫度不需要控制，出水溫度控制在90±3℃。
2.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
3 結(jié)論
通過(guò)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的對(duì)比，第一方案的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸墊的的測(cè)溫比其他的二個(gè)方案略低一些。能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體溫度降低下來(lái)，保證了整機(jī)的溫度要求，因此我們選取第一方案的設(shè)計(jì)作為我們的首選方案。
