实验室方案设计大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇实验室方案设计范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

篇（1）

实验室钥匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而设计的，主要包括STM32F103ZET6中央控制器模块，TCP/IP网络通信模块，指纹采集模块，电磁锁驱动模块。

1.2嵌入式处理器

STM32嵌入式处理器是ST公司基于ARMCrotex-M3内核的STM32F103ZET6STM32嵌入式处理，该处理器运行最快速度能够达到72MHz。内部集成了512K的闪存程序存储器，以及高达64K字节的SRAM，支持睡眠、停机和待机模式。根据STM32数据手册，该处理器在IO方面多大112个快速IO，所有IO都支持中断处理，同时还配有13个通信接口，内部集成了5个USART接口、3个SPI接口、2个I2C接口、1个SDIO接口，FSMC和USB接口。这些丰富的外设资源使得这款芯片非常适合与本系统的开发，同时又提供了非常方便的后续升级和维护。

1.3指纹验证

模块验证正确的时候，钥匙柜自动打开电磁锁，教师便从柜子里面拿取实验室钥匙柜的钥匙。管理员也可以通过指纹验证进入系统，对钥匙柜进行系统设置。本系统采用的FM-180指纹采集块，FM-180属于高亮背景光学头指纹识别设备，采用光学指纹传感器，由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成，具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功能。指纹采集块和STM32是通过USART1来通信的，双方的通信按照通信协议进行数据传输。STM32的指令、模块的应答以及数据交换都是按照规定格式的数据包来进行的。主机必须按照通信协议要发送的指令或数据，也必须按协议解析收到的数据包。

1.4网络模块

本系统的TCP/IP网络模块，主要是向管理服务器上传数据和报表。将数据正确发送到以太网、将以太网上的数据正确接收到是本网络模块的关键。要在以太网上正确传输数据，使用网络协议是必不可少的，而TCP/IP协议是首选。使用完整的TCP/IP协议当然能够实现上述要求，但由于本系统使用了嵌入式硬件和软件系统，其资源有限，因此必须对协议进行精简。所以，本系统要针对STM32嵌入式硬件进行TCP/IP协议的嵌入以及设计应用层的协议。目前基于STM32嵌入式控制器的以太网设计都是嵌入是UIP协议。UIP是一个可实现的TCP/IP协议组件的一个非常重要的部分，UIP的实现目标是保持代码大小和存储器的使用量最小。UIP代码的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP栈要小很多。所以本系统中使用UIP协议栈。

1.5GUI模块

本系统中钥匙柜终端的操作界面都是基于触摸屏来实现的，包括状态的显示，信息的输入，系统设置输入等都是通过触摸屏交互。钥匙柜端使用的触摸屏分辨是240*320，显示效果细腻、清晰。该TFT屏的控制是通过STM32的FSMC接口，再配合嵌入式图形软件uC/GUI，实现了简易明了的终端控制界面。

1.6电磁锁驱动模块

本系统选用的电磁锁为瞬间通电，耗电省，结构简单，安装方便，使用成本低等优点。电磁锁工作参数是：工作电压12V，允许电流600mA，通电工作时间小于1S，允许通电最大时间10S，插销长度为10mm。综合以上电磁锁工作条件，本系统中STM32的GPIO口输出电流有限，因此需要加一级电流增强，所以利用GPIO控制小功率晶体管来驱动电磁锁，实现电磁锁的开关。GPIO通过限流电阻接到NPN晶体管的基极，晶体管的集电极接电磁锁，使用12V电源。当GPIO输出高电平时晶体管导通，电磁锁有电流流过，驱动插销工作，实现开关功能。

1.7摄像头模块

本系统采用OV7670摄像头模块。OV7670是OV公司生产的一颗1/6寸的CMOSVGA图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。该图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

1.8数据报表

实验室管理软件在每一个时间段内都必须生成相应的数据报表，以记录实验室使用的具体情况。数据报表保存在服务器的硬盘空间内，以便随时可以查看。

篇（2）

【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）10-0006-02

一、原有设备落后，实验效果差

PLC原理及应用课程是电子信息、自动化、机电一体化等专业的一门重要课程，该课程为一门应用学科，实践性非常强。目前，内蒙古电子信息职业技术学院开设PLC原理及应用基础实验的PLC实验室使用的是天津源峰科技公司的TVT-90A3型箱式PLC训练装置，该实验箱配备的是松下FP1-C40主机，此主机高级指令少，程序存储空间小，可扩展性差，随着行业的发展，松下的主机在国内市场应用中已大幅减少。学院新采购的MPS柔性系统、电梯、机械手等综合实训教学设备在PLC主机选配上主要是西门子和三菱的主机，所以为了方便教学，需要对PLC实验箱进行更换主机的改造。

二、实验箱改造方案设计

TVT-90A3箱式PLC实验箱采用模块化设计，由主机区、主机接口单元与指令训练区、实验单元板三部分组成。如图1所示：

图1 改造前的TVT-90A3 PLC实验箱

为了减少投入成本，充分利用原来落后、淘汰的资源，经论证得出：只要将原主机更换为符合功能需求的新型主机，完善主机接口单元线路，保留原实验单元板，即可满足实验教学要求。

（一）PLC的选型

PLC按照I/O点数分为：小型（128点以下）、中型（129～512点）和大型（513点以上）三类，根据实验教学项目分析，小型PLC的I/O点数、指令功能和存储容量等性能指标都能满足要求，选定时，可依照如下过程来完成。

第一、确定厂商

对中、小型PLC的目标用户而言，市场上主要生产厂商的PLC产品均能满足其要求，所以在产品选型时，价格是十分重要的因素。日本产品在该领域一直占有优势，但西门子在推出新一代小型PLC产品S7-200后，其价格与日本产品相差不大，已经与日本主要产品（Mitsubishi和Omron）在小型PLC领域取得了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分PLC厂商在小型PLC领域也抢占了一部分市场。相比各家厂商，西门子的市场占有率更高，其产品功能强大、运行稳定、可扩展功能块较多以及适用多种人机界面和监控组态软件。近年来，学院新采购配备有PLC的教学设备中，也以西门子的产品为主。综上所述，为了保证实验教学所使用PLC主机的一致性，确定使用西门子的产品。

第二、通过I/O点数确定主机具体型号

1.需求分析

TVT-90A3实验箱主机接口单元I/O点数为：输入24点，输出24点，4个A/D点和4个D/A点。根据所有实验单元板所需I/O点数分析，PLC主机 I/O点数为24DI/24DO可以完成基本实验和综合实训。实验箱接口单元虽然有A/D、D/A接口，但没有可以与其配合使用的实验单元板，所以此功能将在下一步的S7-200产品参数对比中分析是否选配。

2.S7-200产品参数对比

通过表1所示，CPU 224xp与CPU 226两款主机I/O点数较多，结合表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

两种组合方案都可以满足要求，但方案1中CPU 224XP主机虽然集成了A/D功能，但其模拟量输入输出点只有2/1，而且实验箱内没有与之对应使用的实验板，使得该方案所有I/O点不能全部有效利用。而方案2总的I/O点数与需求点数正好相同，并且市场报价低于方案1，组合后的整体尺寸相对较小，方便今后增加功能模块。所以最终确定使用方案2的组合。

（二）主机与接口单元接线设计

三、实验箱改造实施及测试

1.更换主机，并按照图2所示完成I/O接线焊接，实验箱改造后主机区如下图所示：

图3改造后的TVT-90A3 PLC实验箱主机区

2.使用PC/PPI电缆将PC机COM口与实验箱主机通讯端口连接，并在PC机安装STEP 7 - MicroWIN V4.0编程软件，编写如下测试程序：

下载程序后，使用导线连接输入/输出公共端，依次连接开关SA0和输入端CH0～CH17，HL0发光管和输出端CHO～CH17，拨动开关SA0，HL0发光管和主机面板上对应的Q0.0～Q2.7指示灯会依次点亮，表示主机工作正常，线路连接正确，改造完成。

参考文献：

篇（3）

1.科学性：实验原理、实验方法和操作过程必须科学。

2.可行性：设计的实验方案要切实可行，所用药品、仪器、装置安全可靠。

3.安全性：实验操作要尽量避免带有危险性的操作，尽量避免与有毒物质接触。

4.简约性：实验方案设计要求操作简便、装置简单、实验现象明显。

二、一般解题思路和方法

1.明确目的原理――明确实验目的，弄清题给信息。

2.选择仪器药品――选择合理的化学仪器和药品。

3.设计装置步骤――设计出合理的实验装置和实验操作步骤。

4.记录现象和数据――全面、及时而又准确地记录实验过程中的现象和数据。

5.分析得到结论――根据实验观察到的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理得出正确的结论。

三、实验方案的评价

实验设计的评价包括实验原理及方案的评价、实验装置的评价、实验操作的评价、实验现象的描述与结论分析的评价等。一般从以下几个方面入手：

1.方案在理论上是否科学合理，是否具有严密性。

2.在满足安全性的前提下，操作上是否简便。

3.从经济角度评价，是否节约试剂、降低成本和提高产品质量。

4.从环境角度考虑，是否会给环境造成污染。

四、例题解析

例1 （2016年南宁）下列实验方案，实验设计达不到实验目的的是（ ）。

方案实验目的实验设计

A比较人体吸入的空气和呼出气体中氧气的含量

将燃着的木条分别插入空气样品和呼出气体的样品中

B鉴别CO和CO2分别通过灼热的CuO

C验证燃烧的条件之一是温度要达到可燃物的着火点用玻璃棒分别蘸取酒精和水，放在酒精灯火焰上加热片刻

D除去CaCl2溶液中少量的盐酸加入过量的碳酸钙，待没有气泡产生后，过滤

解析 将燃着的木条分别插入空气样品和呼出气体的样品中，插入空气的木条正常燃烧，插入呼出气体的木条熄灭，A方案可以比较人体吸入的空气和呼出气体中氧气的含量；一氧化碳具有还原性，能与灼热的氧化铜反应生成铜和二氧化碳，二氧化碳不能，B方案可以鉴别CO和CO2；用玻璃棒分别蘸取酒精和水，放在酒精灯火焰上加热片刻，蘸取酒精的可以燃烧，蘸取水的不能燃烧，因此C方案验证了燃烧的条件之一是可燃物；盐酸能与碳酸钙反应生成氯化钙、水和二氧化碳，再过滤除去过量的碳酸钙，D方案能除去杂质且没有引入新的杂质，符合除杂原则。

答案：C。

例2 （2016年泰安）某同学设计了以下四个实验方案，理论上正确，操作上可行，经济上合理的是（ ）。

A.Cu稀盐酸CuCl2NaOH溶液Cu（OH）2

B.H2O通电O2MgMgO

C.CaCO3高温CaOH2OCa（OH）2Na2CO3NaOH溶液

D.MgCl2NaOH溶液Mg（OH）2NaMg

解析 铜不与稀盐酸反应，A方案在理论上是错误的；水通电分解生成氢气和氧气，镁与氧气反应生成氧化镁，B方案理论上正确，但水通电分解制取氧气成本较高，经济上不合理；碳酸钙高温下分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙与水反应可生成氢氧化钙，氢氧化钙与碳酸钠反应生成氢氧化钠和碳酸钙沉淀；C方案理论上正确，操作上较为简便，经济上也合理；氯化镁与氢氧化钠溶液反应生成氢氧化镁沉淀和氯化钠，但钠不与氢氧化镁反应生成镁，D方案在理论上是错误的。

答案：C。

例3 （2016年龙东）某同学在研究硫酸化学性质时，将一定量的稀硫酸放入盛有氧化铜的试管中，观察到固体完全溶解，溶液变蓝色。

反应的化学方程式是。

同学们对于反应后溶液中的溶质成分产生了兴趣，进行了如下探究：

【猜想与假设】猜想一：硫酸铜；猜想二：（化学式）。

【活动与探究】甲同学取少量反应后的溶液于试管中，滴加氯化钡溶液，观察到有白色沉淀产生，认为猜想一成立。

乙同学取少量反应后的溶液于试管中，加入足量的铁粉，观察到有红色固体出现、的现象，认为猜想二成立。

【反思与评价】丙同学进行分析认为同学的方案不合理，理由是。

解析 氧化铜和稀硫酸反应生成硫酸铜和水。【猜想与假设】“固体完全溶解”说明氧化铜完全反应，没有剩余；对于稀硫酸，可能恰好完全反应，也可能有剩余，所以反应后的溶液中的溶质有两种可能，一是硫酸铜；二是硫酸铜和稀硫酸。【活动与探究】由题意认为猜想二成立，即含有硫酸的溶质为硫酸、硫酸铜两种，加入铁粉的现象为有红色固体出现，溶液由蓝色变为浅绿色，且有气泡产生。【反思与评价】氯化钡与硫酸、硫酸铜都能反应，产生白色沉淀，不能判断溶液中是否含有硫酸，甲方案不合理。

答案：CuO+H2SO4CuSO4+H2OCuSO4、H2SO4 产生气泡，溶液由蓝色变为浅绿色 甲 氯化钡与硫酸、硫酸铜都能反应，产生白色沉淀，不能判断溶液中是否有硫酸

例4 （2016年海南）实验室有一瓶敞口放置的过氧化钠（Na2O2）固体，同学们想知道这瓶过氧化钠是否变质，进行如下实验探究：

【查阅资料】2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2，2Na2O2+2H2O4NaOH+O2。

【提出猜想】①没有变质 ②部分变质 ③全部变质

【实验过程及结论】

（1）取少量样品于试管中，加入足量水，无明显现象，证明猜想正确（填序号）。

（2）取少量（1）中所得溶液于试管中，滴加适量稀盐酸，有无色气体产生，证明原样品中一定含有。

篇（4）

中图分类号：TP39 文献标识码：A

职业教育是国家中长期发展规划纲要中重点研究的课题，又恰逢铁路、地铁等城市轨道交通大发展时期，且铁路信号系统设计、安装、操作维护人员又是铁路、城轨现场紧缺的人才。所以，为满足职业教育需求，建设一套集科研和教学为一体的铁路信号计算机联锁系统尤为必要。

一、研究的必要性

现有的电子联锁控制系统结构大多采用在联锁核心层以计算机软件运算简单地替代原有6502的联锁逻辑功能，而继电器接口层仍然保留了近30%继电器作为接口电路，所以存在大量配线、大量插接件等，设计、施工、维护的工作量大且设计周期长，对专业技术人员的专业技术素质要求很高。所以一种模块化的全电子铁路车站信号控制系统成为一种发展趋势，且国内外各大公司都在纷纷研制中。然而作为为铁路、地铁及轻轨等城市轨道交通行业培养专业技术人才的轨道交通职业院校，更有必要研制、建设一套集学生实训教学、职业资格认证、企业岗前培训及教师等科技人员科研开发的综合平台，为学生提供了与企业零距离接触的实习、实训、信号工职业资格认证环境，从而能更快地适应企业运营生产的技术需求，更好的为企业服务，同时又为教师等科研人员提供科研开发的平台，具有较高的实用价值和发展前景。

二、国内外研究现状分析

近年来，铁路、地铁及轻轨等轨道交通行业企业对专业人才的能力要求日益提高，而且对毕业生的需求量日益剧增。一些高职院校购买了能全面提高学生专业能力的铁路车站信号控制系统，但都仅停留在继电式6502电气集中联锁或以信号大继电器作为接口电路的计算机联锁车站信号控制系统，研究一种基于分布式操作系统的全电子铁路车站信号控制系统，并应用于教学、科研中，在国内尚属首例，国际上也处于领先地位。

三、技术方案

理论结合现场实际应用，提出基于分布式操作系统的、模块化、全电子铁路车站信号控制系统的功能需求。

（一）功能需求

联锁关系和技术条件满足中华人民共和国铁道部行业标准TB/T·3072-2002《计算机联锁技术条件》，并具有监测（轨道电压、道岔电流等）、历史记录和回放、远程诊断和维护及与CTC等接口结合功能，同时受安装的现场场地及设备数量限制，采取车站信号联锁控制全部功能在计算机上的铁路标准站场Ⅱ中模拟实现，部分功能在室外真正的铁路小站场实现（铁路小站场按照单向接发车，由一组9#单动道岔、5个轨道区段组成，设置一架进站信号机、一架出站信号机、四架调车信号机，单动道岔分别由一台ZD6-D型转辙机驱动，轨道电路由铁路常用的480轨道电路和25周相敏轨道电路组成），既满足现场实际应用又满足教学要求，并有二次开发功能。

（二）方案设计

根据此项目的功能需求结合铁路车站信号联锁控制系统的相关理论知识，并在充分调研、广泛听取铁路信号控制系统的专家的建议的基础上，设计出切实可行的基于分布式、嵌入式操作系统QNX的车站信号控制系统。该铁路信号联锁控制系统网络层次采用3层网络结构：人机对话层、控制层（又称联锁层）及监控对象层3个物理层次，最下层为监控对象层即室外各种信号设备，主要包括安装在轨旁的轨道电路、转辙机、信号机。分布式、嵌入式QNX操作系统安装在联锁控制层，此层也是系统核心层，完成车站信号的所有联锁逻辑运算，并通过双重联锁总线与接口模块进行通信控制来监控对象层；通过双重以太网与人机对话层进行通信。并利用QNX操作系统具有的高效、模块化、简洁、多任务、优先级占先的进程调度以及快速的程序(上下文)切换时间等几个特性，联锁软件就是在这样一个操作系统平台上，实现铁路车站信号联锁控制，QNX系统这些特性是通过如下两个基本的设计原则取得：微内核结构和基于消息的进程间通信，在QNX微内核环境中各个信号机、道岔和进路间通过基于消息的进程实现各受控对象状态及命令的信息传递。同时该车站信号控制系统取消以往信号控制系统的室内计算机联锁核心层到室外信号设备等受控对象之间的传统接口大继电器，用全电子的接口IO组合模块代替，具体有四种IO组合模块，即轨道电路组合模块、信号机组合模块、道岔组合模块和零散组合模块，每个IO模块采用进口小型继电器及可控硅实现强弱电转换控制，通过电压或电流传感器串接在IO模块电路中，能够回采室外受控对象的表示信息，并集成在一块PCB板上，每个模块均具有两套电路，采用二取二的安全原则实现故障安全。

（三）软、硬件设计在保证系统安全、可靠的前提下，系统的硬件、软件方面采用“模块化”的思想设计开发计算机联锁系统，并采用双机热备工作方式。按照方案要求设计硬件及工程焊配线图纸，车站信号控制系统硬件由电源屏、控制台、主机柜、扩展机柜及室内外防雷分线盘组成。根据方案要求使用QNX开发系统的专用软件mcCAD绘制车站站场图，生成该车站信号控制系统联锁数据库，在另一台虚拟机上安装QNX操作系统，并把设计好的联锁应用软件安装在该虚拟机上，把站场数据库加载到该联锁软件上，通过编译后生成几个支持联锁系统运行的可执行文件，如IO接口文件、联锁进程管理文件等。然后把开发系统开发的文件等装载在QNX目标系统，即这些可执行文件安装在人机对话层以及联锁控制层的上位机、电务维修机和联锁机中进行软硬件联调联测，并针对具体案例不断修改。联锁控制软件设计满足功能需求及铁路行标，如道岔有开通定位和开通反位及“四开”三种状态，信号机根据设置的位置、作用不同有不同的显示状态，如调车信号机有蓝灯或灭灯禁止调车状态和白灯允许调车状态，轨道电路有空闲和占用状态以及进路是否有敌对进路等。另外软件应时时监测受控对象，发现故障及时关闭信号并报警，联锁软件不断通过回读、软件双编码实现板级故障自诊断及覆盖率高的自检、随时回应高级中断申请等多任务执行。

（四）室内外设备安装为增强教师的动手能力，从施工单位借安装工具，进行室外信号机、转辙机、轨道电路的安装、布线等。既节省开支又给职业教育的老师提供现场动手操作能力，必要时带领优秀的学生一起安装配线施工。

（五）实验测试模拟测试联锁程序功能、室内设备联锁实验、室内外设备系统的单点联锁测试的先后顺序。最后进行系统联调联试，即在室内联锁系统控制台上排列进路，然后在室外模拟压车进行测试，查看是否按预定方案完成车站信号控制系统功能，如有出入则要继续进行反复修改，最后试运行，逐步将系统完善。

四、本实验教学系统改变传统的高职院的车站信号控制系统中信号大继电器作为接口层的联锁控制结构或室内外接口部分保留继电器的计算机联锁系统，而把全电子、模块化接口结构、并采用一种基于分布式操作系统QNX的联锁控制系统引入高校教学科研系统，具有创新性，并更好地应用于教学、科研中。全电子的联锁控制系统使设计、施工、维护、扩容更加方便灵活，是铁路、城市轨道交通控制系统的车站联锁的发展方向，具有一定的前瞻性和实用性。

篇（5）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）24-0274-03

一、引言

实验教学是学生从学习理论知识到走向社会的桥梁，对提高学生综合素质、培养学生创新精神和实践能力有着理论教学不可替代的特殊作用[1]。特别是主干课程的实践教学，它是应用型人才培养中的关键环节[2]。课内实验是指与理论课相捆绑的实践教学，即嵌入到专业基础课或专业课内的实验实践教学[3]。它是与理论教学并行实施的实践教学环节，能够帮助学生深入理解和掌握所学的专业知识。

数据结构是随着处理对象的复杂性不断增加而发展起来的一门课程，作为计算机专业的核心课程，在专业人才培养链条中占有举足轻重的地位[4-7]。数据结构主要研究数据在抽象视图和实现视图中的表示和处理方法[8，9]。抽象视图涉及的是数据结构的理论性部分，实现视图主要体现的是数据结构的实践性，理论指导实践，实践支撑理论，因此设计有助于课堂理论教学的实验教学方案是非常有必要的[10]。它可以解决学生对所学知识缺乏必要感性认识的问题，将知识传授、技能训练、能力培养融于一体，使所学理论知识在实验中得到验证和应用[11]。

栈和队列是两种非常重要的数据结构，它们有非常多的实际应用并且是实现其他复杂结构的基础，因此为了帮助学生掌握并灵活运用这两种结构，本文给出一种栈和队列的实验教学方案。该方案的设计思路也可以应用于其他数据结构或课程的实验教学方案的设计。

二、认识两种重要的数据结构――栈和队列

栈和队列是两种运算受限的线性表，它们的插入和删除运算都被限制在表的端点处进行，只是具体的受限规则不一样[12，13]。

（一）学习对象

栈（stack）是运算受限的线性表，它被限制在表的一端进行插入和删除操作。能进行插入和删除的一端称为栈顶，另一端称为栈底。正是由于它插入和删除操作上的限制使得它具有了一种独特的“后进先出”（LIFO）的特性。栈的LIFO特性使得它具有非常多的应用，如：符号平衡问题、中缀表达式转换为后缀表达式问题、后缀表达式的计算问题、函数调用的实现（包括递归函数的实现）、在股票市场中查找划分、Web浏览器中的网页访问历史、文本编辑器中的撤销序列等。此外，栈还是其他很多算法的辅助数据结构和其他数据结构的组成部分。

队列（queue）也是一种运算受限的线性表，它被限制在表的一端进行插入操作，在表的另一端进行删除操作。进行插入操作的一端称为队尾，进行删除操作的一端称为队首。正是由于它插入和删除操作上的限制使得它具有了一种独特的“先进先出”（FIFO）的特性。队列的FIFO特性使得它具有非常多的应用，如：操作系统中的作业调度、异步数据转换、多道程序设计等。此外，队列还是其他很多算法的辅助数据结构和其他数据结构的组成部分。

（二）学习目标

学习这两种重要的线性结构需要学生重点消化的知识点有：（1）栈/队列的概念、类型定义及基本操作的定义和实现；（2）栈/队列的结构特性；（3）栈/队列的灵活应用。

为了配合栈和队列的理论教学，帮助学生理解和掌握上述知识点，我们需要精心设计栈和队列的实验教学方案。

三、栈和队列的实验教学方案设计

（一）实验题目设计

根据栈和队列的学习目标和遵循循序渐进的学习和教学原则，实验题目被分为以下三个层次：基础型实验题目、设计型实验题目和加强理解型实验题目。

所谓基础型实验是指围绕课程讲授的栈/队列的物理实现和其基本运算的实现来设置的实验题目。设计基础型实验的目的是，通过实践的方式验证课堂上讲授的重要知识点，给学生切身的感受，摆脱“纸上谈兵”的感觉，这种立体的感受有助于学生深入理解和掌握这些知识点。设计型实验要求学生能分别运用栈/队列解决简单应用问题。这类实验题目主要是用来引导和加强学生对栈/队列的灵活运用。设计加强理解型实验的目的是强化学生对栈和队列的结构特性的理解和体会。为了达到这个目的，加强理解型实验题目的设计思路有两个方面：（1）引导学生去思考并解决这样两个问题：能否利用栈的LIFO特性来实现队列的FIFO特性？能否利用队列的FIFO特性来实现栈的LIFO特性？（2）让学生实现其他更为复杂的栈和队列。

在栈的理论教学过程中可以开设栈的基础型实验，在栈的理论教学结束后可以开设栈的设计型实验，在队列的理论教学过程中可以开设队列的基础型实验，在队列的理论教学结束后可以开设队列的设计型实验和加强理解型实验题目。表1给出了具体的实验安排。

学生必须在相关内容的理论教学过程中利用自己的课外时间完成全部基础型实验题目，教师根据学时安排选择1～2道设计型实验题目让学生在上机课上完成，未选择的题目应向学生提供完整的源代码和设计说明。相关内容的理论教学结束后，学生必须利用自己的课外时间完成加强理解型实验题目中的第1题和第2题，剩下两题可以选做。

（二）教学方法

因为三种类型实验的要求、难易程度不同，因此在学生参与形式、教师参与程度、教师参与方式等方面需要区别对待。表2给出了对三种类型实验在上述这几个方面的设计。

基础型实验要求每位学生利用课外时间独立完成，教师全程参与指导。所谓全程参与指导是指从算法基本思想到算法实现的各个环节（包括编程技巧、程序调试与测试等）都要参与指导。参与方式多种多样，例如利用QQ等即时通讯工具进行指导，约定时间和地点进行答疑，等等。

设计型实验要求每位学生在上机课上独立完成，教师前期参与指导。所谓前期参与指导是指教师参与学生在算法设计环节的讨论，教师可以给出提示，同时鼓励学生设计不同的算法。参与方式是面对面的交流。

加强理解型实验要求每位学生利用课外时间独立完成，教师后期参与指导。所谓后期参与指导是指教师在收齐学生提交的源码和设计报告后，对其进行分析总结，并将总结结果以班级为单位采用面对面的方式反馈给学生。

（三）考核方法

对三种类型的实验采用不同的考核办法。表3给出了这方面的设计。

对基础型实验不做专门考核的原因是学生基础型实验完成的好坏会直接影响设计型实验和加强理解型实验的完成，因此对其他两种类型实验的考核间接考核了基础型实验。

对设计型实验的考核分两个部分：一是本次上机课上实验的完成情况，包括程序是否调试成功、程序的运行结果是否正确，代码编写的质量等；二是本次上机课结束后提交的实验报告的完成情况，包括内容是否完成、书写是否规范等。

对加强理解型实验的考核主要是考核学生提交的源代码和设计报告的完成质量。

设计型实验的成绩占总实验成绩的70%，加强理解型实验的成绩占总实验成绩的30%。

四、结语

数据结构是一门理论性和实践性很强的课程，其理论教学环节与实验教学环节相辅相成。栈和队列是两种重要的线性结构，为了提高它们的教学效果，增强实验教学对其理论教学的促进作用，本文提出了一种栈和队列的实验教学方案。该方案的设计思路同样适用于其他数据结构或课程的实验教学方案设计。

参考文献：

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[4]教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养[M].北京：机械工业出版社，2010：143-147.

[5]董丽薇.数据结构课程教学方法的改进[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2012，30（2）：307-309.

[6]刘城霞，董宛，蔡英.数据结构中基本教学案例的研究[J].计算机教育，2010，（03）：144-146.

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[8]沈华.数据结构、算法和程序之间关系的探讨[J].计算机教育，2013，（04）：58-61.

[9]沈华.数据结构入门教学中的实例法[J].计算机教育，2013，（24）：64-66.

[10]沈华.数据结构课内实践教学方案[J].实验室研究与探索，2013，32（10）：396-400.

篇（6）

高考化学实验设计型题目所考查的内容主要有下面所列的一个或几个方面：

1.确定实验原理。要求学生在认真审题、明确实验目的的基础上，综合运用学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而确定（选择或拟出）实验原理。

2.选择实验用品。根据实验目的和原理，以及反应物和生成物的性质、反应条件等，合理选择实验所需的仪器和药品。

3.设计装置步骤。根据实验目的和原理，以及选用的实验仪器和用品，设计合理的实验装置和实验操作步骤，并绘制或识别相应的实验装置图。

4.观察现象和数据。根据实验目的、实验原理和过程，预测实验将观察到的现象，以及实现实验目的将要记录哪些数据等。

5.分析得出结论。根据实验观察得到的现象和数据，通过分析或计算、审读图表、推理论证等处理，得出正确的实验结论。

6.对实验方案作出评价。根据题目所要求的实验目的，对实验所采取的原理、实验装置、实验现象、实验过程、实验结果等作出优与劣、好与坏等的分析和评价，并在评价的基础上作出改进等。

二、实验设计与评价试题的类型

（一）物质制备实验方案的设计

【例1】孔雀石主要含Cu2（OH）2CO3，还含少量Fe、Si的化合物。实验室以孔雀石为原料制备CuSO4・5H2O及CaCO3。

步骤如下：

请回答下列问题：

（1）溶液A中的金属离子有Cu2+、Fe2+、Fe3+。从下列所给试剂中选择：实验步骤中试剂①为（填代号），检验溶液A中Fe3+的最佳试剂为（填代号）。

a.KMnO4b.（NH4）2S

c.H2O2d.KSCN

（2）由溶液C获得CuSO4・5H2O，需要经过加热蒸发、、过滤等操作。除烧杯、漏斗外，过滤操作还用到另一玻璃仪器，该仪器在此操作中的主要作用是。

（3）制备CaCO3时，应向CaCl2溶液中先通入（或先加入）（填化学式）。若实验过程中有氨气逸出，应选用下列装置回收（填代号）。

（4）欲测定溶液A中Fe2+的浓度，需要用容量瓶配制某标准溶液，定容时视线应，直到。用KMnO4标准溶液滴定时应选用滴定管（填“酸式”或“碱式”）。

参考答案：（1）cd

（2）冷却结晶引流

（3）NH3 （或NH3・H2O）b

（4）平视凹液面（或平视刻度线）凹液面的最低处与刻度线相切酸式

启示：制备实验方案的设计，对巩固元素化合物知识和掌握各类有机物之间的相互转化关系，全面训练实验技能，培养分析问题和解决问题的能力是非常有益的。

制备实验方案的设计，应遵循以下原则：①条件合适，操作方便；②原理正确，步骤简单；③原料丰富，价格低廉；④产物纯净，污染物少。即从多种路线中选出一种最佳的制备途径，合理地选择化学仪器与药品，设计合理的实验装置和实验操作步骤。

（二）物质性质实验方案的设计

【例2】已知氨可以与灼热的氧化铜反应得到氮气和金属铜，用下图中的装置可以实现该反应。

回答下列问题：

（1）A中加入的物质是，发生反应的化学方程式是。

（2）B中加入的物质是，其作用是。

（3）实验时在C中观察到的现象是，发生反应的化学方程式是。

（4）实验时在D中观察到的现象是，D中收集到的物质是，检验该物质的方法和现象是。

参考答案：（1）固体NH4Cl和Ca（OH）2

2NH4Cl+Ca（OH）2 CaCl2+2NH3+2H2O

（2）碱石灰（或CaO）除去NH3气流中的水汽（或干燥NH3）

（3）黑色粉末部分逐渐变为红色

2NH3+3CuO N2+3H2O+3Cu

（4）出现无色液体氨水用红色石蕊试纸检验，试纸变蓝；用无水CuSO4粉末检验，无水CuSO4变蓝

启示：对于物质性质实验方案的设计，主要是从物质的结构特点或从物质的属类去推测物质可能具有的一系列性质，而后据此设计出合理的实验方案，去探索它可能具有的性质。该类试题的关键是设计出简洁的实验方案，要求操作简单，简便易行，现象明显，且安全可行。

解答物质性质实验方案的设计题的基本流程为：研究物质结构预测可能性质设计实验方案（方法、步骤、仪器、药品、操作要点、现象及分析、结论等）实施实验结论。其基本思路如下图所示：

（三）物质（离子）检验探究实验方案的设计

【例3】三草酸合铁酸钾晶体K3［Fe（C2O4）3］・3H2O可用于摄影和蓝色印刷。某小组将无水三草酸合铁酸钾在一定条件下加热分解，对所得气体产物和固体产物进行实验和探究。请利用实验室常用仪器、用品和以下限选试剂完成验证和探究过程。

限选试剂：浓硫酸、1.0 mol・L-1 HNO3、1.0 mol・L-1盐酸、1.0 mol・L-1 NaOH、3% H2O2 、0.1 mol・L-1 KI、0.1 mol・L-1 CuSO4、20% KSCN、澄清石灰水、氧化铜、蒸馏水。

（1）将气体产物依次通过澄清石灰水（A）、浓硫酸、灼热氧化铜（B）、澄清石灰水（C），观察到A、C中澄清石灰水都变浑浊，B中有红色固体生成，则气体产物是。

（2）该小组同学查阅资料后推知，固体产物中，铁元素不可能以三价形式存在，而盐只有K2CO3。验证固体产物中钾元素存在的方法是，现象是。

（3）固体产物中铁元素存在形式的探究。

①提出合理假设

假设1：；

假设2：；

假设3：。

②设计实验方案证明你的假设。

③实验过程根据②中方案进行实验。按下表的格式写出实验步骤、预期现象与结论。

实验步骤预期现象与结论步骤1：步骤2：步骤3：……参考答案： （1）CO2和CO

（2）焰色反应透过蓝色钴玻璃，观察到紫色火焰

（3）①假设1：铁元素的存在形式为Fe单质

假设2：铁元素的存在形式为FeO

假设3：铁元素的存在形式为Fe与FeO的混合

③

实验步骤预期现象与结论步骤 1：取适量固体产物于试管中，加入足量蒸馏水，充分振荡使K2CO3完全溶解。分离不溶固体与溶液，用蒸馏水充分洗涤不溶固体固体产物部分溶解步骤2：向试管中加入适量CuSO4溶液，再加入少量上述不溶固体，充分振荡（1）若蓝色溶液颜色及加入的不溶固体无明显变化，则假设2成立

（2）若蓝色溶液颜色明显改变，且有暗红色固体物质生成，则证明有Fe单质存在步骤3：继续步骤2中的（2），进行固液分离，用蒸馏水洗涤固体至洗涤液无色。取少量固体于试管中，滴加过量HCl后，静置，取上层清液，滴加适量H2O2，充分振荡后滴加KSCN结合步骤2中的（2）：

（1）若溶液基本无色，则假设1成立

（2）若溶液呈血红色，则假设3成立启示：解物质（离子）检验实验方案的设计试题的思维程序如下：（1）先对试样进行外观观察，确定其颜色、气味、状态等。（2）准备试样，并进行检验。当试样是固体时，应先取少量配成溶液，同时观察试样是否溶解，在溶解时有无气体产生等，以初步判断试样可能含有哪类物质。（3）根据实验现象得出结论。

（四）综合探究实验方案的设计

【例4】乙二酸（HOOCCOOH）俗称草酸。某研究小组为探究乙二酸的部分化学性质，进行了下述实验：

（1）向盛有少量乙二酸的饱和溶液的试管内滴入用稀硫酸酸化的KMnO4溶液，振荡，观察到的现象为溶液紫红色褪去，说明乙二酸具有（填“氧化性”、“还原性”或“酸性”）。

（2）向图甲的A试管中加入一定量的乙二醇、浓硫酸和乙二酸，用酒精灯小火均匀加热该试管3~5 min，在B试管中有油状液体产生，若反应中生成了六元环状化合物，该反应的化学方程式为，其中B试管中的导管不伸入液面下的原因是，饱和碳酸钠溶液的作用是。

（3）已知：草酸在约157℃时升华，在175℃时受热分解可生成H2O、CO2和CO；草酸钙是难溶于水的白色固体。该研究小组设计了一套验证草酸受热分解并检验产物中有CO2的实验装置，如图乙所示。请回答：

①从环境保护的角度看，应增加尾气处理装置，你如何进行尾气处理。②依据题给数据，请分析根据D试管中澄清石灰水变浑浊的现象，能否确定草酸分解产物中有CO2（填“能确定”或“不能确定”），理由是。

参考答案：（1）还原性

（2）COOHCOOH+CH2HOCH2HO浓H2SO4COOCH2COOCH2+2H2O防止加热不均匀而使碳酸钠溶液倒吸入加热的A试管中除去酯中混有的乙二酸和乙二醇，同时减小酯在水中的溶解度，便于酯分层析出

（3）①在装置的尾端放一个点燃的酒精灯（其他合理答案均可）

②不能确定因草酸升华后可能有部分进入D试管，与澄清石灰水反应生成草酸钙沉淀，从而对CO2的检验造成干扰

启示：对于综合探究实验方案的设计类试题，其解题思路一般为:

（1）巧审题，明确实验目的和原理。实验原理是解答实验题的核心，是实验设计的依据和起点。实验原理可从题给的化学情境（或题首所给实验目的）并结合元素化合物等有关知识获取。在此基础上，遵循可靠性、简洁性、安全性的原则，确定符合实验目的、要求的方案。

（2）想过程，理清实验操作的先后顺序。根据由实验原理所确定的实验方案中的实验过程，确定实验操作的方法步骤，把握各步实验操作的要点，理清实验操作的先后顺序。

（3）看准图，分析各项实验装置的作用。有许多综合探究实验题图文结合，思考容量大。在分析解答过程中，要认真细致地分析图中所示的各项装置，并结合实验目的和原理，确定它们在该实验中的作用。

（4）细分析，得出正确的实验结论。实验现象（或数据）是化学原理的外在表现。在分析实验现象（或数据）的过程中，要善于找出影响实验成败的关键以及产生误差的原因，或从有关数据中归纳出定量公式，绘制一定的变化曲线等。

根据对以上试题的分析可知，解化学实验设计方案类试题时必须特别注意以下几方面：（1）原理恰当；（2）效果明显；（3）装置简单；（4）操作安全；（5）节约药品；（6）实验步骤简单；（7）误差较小等。换句话说，就是要符合“绿色化学”的要求（注：“绿色化学”研究的中心问题是使化学反应以及其产物具有以下特点――采用无毒、无害的原料；在无毒、无害的反应条件下进行；减量、循环、重复使用；具有“原子经济性”，即反应具有高选择性、极少副产物、甚至实现零排放；产品应是对环境友好的；满足价廉物美的传统标准）。以上几个方面不仅在实验设计过程中必须充分注意，同时这些标准也是对实验设计优劣进行评价的相关要素。

三、常用解题策略及思想

（一）类比思想

不同物质的属类、结构、性质、制备等诸方面可能有某些相似甚至相同之处。类比是学习中常用的一种科学思维方式，可将不同物质进行由此及彼的联系，可以简化思维过程，提高思维效率。

【例5】某校化学研究性学习小组的同学在学习了金属的知识后，为了解Cu的常见化合物性质，运用类比学习的思想提出如下问题，进行探究。请你协助该小组的同学完成下列研究。

【提出问题】

①Cu的金属活泼性小于Al，Al（OH）3具有两性，Cu（OH）2也具有两性吗？

②通常情况下，+2价Fe的稳定性小于+3价Fe，+1价Cu的稳定性也小于+2价Cu吗？

③CuO能被H2、CO等还原，也能被NH3还原吗？

【实验方案】

（1）解决问题①需用到的药品有CuSO4溶液、（填试剂），同时进行相关实验。

（2）解决问题②的实验步骤和现象如下：取98 g Cu（OH）2固体，加热至80~100℃时，得到黑色固体粉末，继续加热到1000℃以上，黑色粉末全部变成红色粉末A。冷却后称量，A的质量为72 g。向A中加入适量的稀硫酸，得到蓝色溶液，同时观察到容器中还有红色固体存在。据此可推得，A的化学式为 。

（3）为解决问题③，设计的实验装置为（夹持及尾气处理装置未画出）：

实验中观察到CuO变为红色物质，无水CuSO4变蓝色。同时生成一种无污染的气体。

【实验结论】

（1）Cu（OH）2具有两性。证明Cu（OH）2具有两性的实验现象是。

（2）根据“实验方案（2）”，得出的+1价Cu和+2价Cu稳定性大小的结论是；。

（3）CuO能被NH3还原。该反应的化学方程式为。

【问题讨论】

有同学认为NH3与CuO反应中生成的红色物质是Cu，也有同学认为NH3与CuO反应中生成的红色物质是Cu和A的混合物。请你设计一个简单的实验检验NH3与CuO反应中生成的红色物质中是否含有A：。

解析：（1）类比Al（OH）3的实验室制法和两性的检验方法，可以利用CuSO4溶液和适量的NaOH溶液制得Cu（OH）2，把制得的Cu（OH）2分成两份，一份加盐酸，另一份加NaOH溶液，观察蓝色沉淀是否溶解。

（2）98 g Cu（OH）2固体受热分解可以得到80 g CuO，CuO在高温条件下继续受热分解如果全部生成Cu，应得到64 g Cu，但实验中A的质量为72 g，且加入硫酸溶液变蓝，说明有Cu2O的存在，Cu2O在酸性条件下发生反应生成Cu2+和Cu，由此证明A应为Cu2O，质量恰好为72 g。该实验说明在高于1000℃时，+1价Cu比+2价Cu稳定；在溶液中+2价Cu比+1价Cu稳定。

（3）NH3通过加热的CuO应生成无污染的氮气和水蒸气；CuO被还原，还原产物可以根据（2）的实验现象进行验证。

参考答案：

【实验方案】（1）盐酸、NaOH溶液

（2）Cu2O

【实验结论】（1）Cu（OH）2既能溶于盐酸，又能溶于NaOH溶液

（2）在高于1000℃时，+1价Cu比+2价Cu稳定；在溶液中+2价Cu比+1价Cu稳定

（3）3CuO+2NH33Cu+N2+3H2O

【问题讨论】取NH3与CuO反应中生成的红色物质少许，加入稀硫酸，若溶液出现蓝色，说明红色物质中含有A，反之则无

（二）控制变量思想

控制变量法是化学实验设计类试题中的一种常用思想方法。当影响实验某项内容的变量有多方面（个）时，往往先控制某些变量不变化，而只改变某个变量，弄清在其他几个量不变的情况下，这个变量对实验结果的影响，进而总结出相关规律，然后再确定另一个变量，重新进行相关分析。

【例6】 某研究性学习小组在网上收集到如下信息：Fe（NO3）3溶液可以蚀刻银，制作美丽的银饰。他们对蚀刻银的原理进行了如下探究：

【实验】制备银镜，并与Fe（NO3）3溶液反应，发现银镜溶解。

（1）下列有关制备银镜过程的说法正确的是（填序号）。

a．边振荡盛有2%的AgNO3溶液的试管，边滴入2%的氨水，至最初的沉淀恰好溶解为止

b．将几滴银氨溶液滴入2 mL乙醛中

c．制备银镜时，用酒精灯的灯焰给试管底部加热

d．银氨溶液具有较弱的氧化性

e．在银氨溶液配制过程中，溶液的pH增大

【提出假设】

假设1：Fe3+具有氧化性，能氧化Ag。

假设2：Fe（NO3）3溶液显酸性，在此酸性条件下NO-3能氧化Ag。

【设计实验方案，验证假设】

（2）甲同学从上述实验的生成物中检验出了Fe2+，验证了假设1成立。请写出Fe3+氧化Ag的离子方程式：。

（3）乙同学设计实验验证假设2，请帮他完成下表中内容（提示：NO-3在不同条件下的还原产物较复杂，有时难以观察到气体产生）。

实验步骤（不要求写具体操作过程）预期现象和结论①

②

……若银镜消失，假设2成立；若银镜不消失，假设2不成立【思考与交流】

（4）甲同学验证了假设1成立，若乙同学验证了假设2也成立，则丙同学由此得出结论：Fe（NO3）3溶液中的Fe3+和NO-3都氧化了Ag。

你是否同意丙同学的结论，并简述理由：。

解析：本题是一道探究类试题，以日常生活中的蚀刻银制作美丽的银饰为情境，以探究Fe（NO3）3溶液中何种因素蚀刻银为研究课题，考查学生运用相关化学反应原理、元素化合物知识及化学实验基本知识，并运用控制变量思想进行实验设计的能力，同时也考查了对实验现象和结果进行分析、解释和科学举证的能力，以及用正确的化学术语及文字进行表述的能力。

第（3）问，考查学生运用控制变量的科学方法设计实验，是该题的核心。本题中有两个变量，如下表所示：

实验变量Fe3+的氧化性NO-3的氧化性能否蚀刻银能不确定现象或结论银溶解无法测定还原产物由于NO-3的氧化能力随着溶液pH的变化而变化，那么在验证假设2即Fe（NO3）3溶液中的NO-3能氧化Ag时，就要求学生必须严格控制溶液的pH进行实验，这是考查单一变量控制法。解决本题的关键就是需测定上述实验用的Fe（NO3）3溶液的pH，然后配制相同pH的稀硝酸溶液，再将此溶液加入有银镜的试管内。显然，这是该实验的最佳设计方案。

参考答案：（1）ade

（2）Ag+Fe3+Ag++Fe2+

（3）

实验步骤预期现象和结论①测定上述实验用的Fe（NO3）3溶液的pH；

②配制相同pH的稀硝酸溶液，将此溶液加入有银镜的试管内（4）不同意。甲同学检验出了Fe2+，可确定Fe3+一定氧化了Ag；乙同学虽然验证了此条件下NO-3能氧化Ag，但在硝酸铁溶液氧化Ag时，由于没有检验NO-3的还原产物，因此不能确定NO-3是否氧化了Ag

变量探究实验因为能够考查学生对于图表的观察、分析以及处理实验数据归纳得出合理结论的能力，因而在高考试题中屡屡出现。解答此类题时，要认真审题，弄清实验目的，弄清要探究的外界条件有哪些。然后分析题给图表，确定一个变化的量，弄清在其他几个量不变的情况下，这个变化量对实验结果的影响，进而总结出规律。然后再确定另一个变量，重新进行相关分析。但在分析相关数据时，要注意题给数据的有效性。

（三）分析、推理思想

当实验设计类试题涉及结构与性质的关系，特别是利用有关化学反应原理（如氧化还原反应、离子反应、酸碱反应、水解等反应原理）来解释有关过程或现象时，我们可利用相关原理进行分析、推理得出相关结论。

【例7】食盐中含有一定量的镁、铁等杂质，加碘盐中碘的损失主要是由于杂质、水分、空气中的氧气以及光照、受热而引起的。已知：

氧化性：IO-3＞Fe3+＞I2；还原性：S2O2-3＞I-

3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O

KI+I2KI3

（1）某学习小组对加碘盐进行如下实验：取一定量某加碘盐（可能含有KIO3、KI、Mg2+、Fe3+），用适量蒸馏水溶解，并加稀盐酸酸化，将所得试液分为3份。第一份试液中滴加KSCN溶液后显红色；第二份试液中加足量KI固体，溶液显淡黄色，用CCl4萃取，下层溶液显紫红色；第三份试液中加入适量KIO3固体后，滴加淀粉试剂，溶液不变色。

①加KSCN溶液显红色，该红色物质是（用化学式表示）；CCl4中显紫红色的物质是（用电子式表示）。

②第二份试液中加入足量KI固体后，反应的离子方程式为、。

（2）KI作为加碘剂的食盐在保存过程中，由于空气中氧气的作用，容易引起碘的损失。写出潮湿环境中KI与氧气反应的化学方程式：。

将I2溶于KI溶液，在低温条件下，可制得KI3・H2O。该物质作为食盐加碘剂是否合适？（填“是”或“否”），并说明理由。

（3）为了提高加碘盐（添加KI）的稳定性，可加稳定剂减少碘的损失。下列物质中有可能作为稳定剂的是。

A．Na2S2O3B．AlCl3

C．Na2CO3D．NaNO2

（4）对含Fe2+较多的食盐（假设不含Fe3+），可选用KI作为加碘剂。请设计实验方案，检验该加碘盐中的Fe2+：。

解析：（1）①加KSCN溶液后显红色的是Fe3+，它与SCN-的配合物有多种，中学阶段一般写Fe（SCN）3；I2的CCl4溶液显紫红色。

②应用信息“氧化性：IO-3＞Fe3+＞I2”，说明IO-3和Fe3+均能氧化I-生成I2，由题意，加碘盐中可能含有KIO3、KI、Mg2+、Fe3+杂质，故此处反应有两个。

（2）据题意“由于空气中氧气的作用，容易引起碘的损失”则可推断KI被潮湿空气氧化，但反应不能写成“I-+O2+H+…”形式（因此处没有酸性环境）。若联系金属吸氧腐蚀的电极反应，则能顺利写出有关反应。

KI3・H2O作加碘剂问题，可由题中“加碘盐中碘的损失主要是由于杂质、水分、空气中的氧气以及光照、受热而引起的”进行分析推理。因为加碘盐受热时，KI3・H2O不稳定生成KI和 I2（这一性质可从题中“将I2溶于KI溶液，在低温条件下，可制得KI3・H2O”分析推得），KI被氧气氧化，I2受热易升华。

（3）根据信息“还原性：S2O2-3＞I-”，可判断Na2S2O3能作稳定剂； C中 Na2CO3水解呈碱性，能实现“I2+OH-I-”的变化，故也可作稳定剂。B中AlCl3水解呈酸性，使I-易被氧气氧化，D中NaNO2能氧化I-。

（4）实验方案简答要注意规范性。

本实验中I-对Fe2+的检验有干扰（因还原性：I-＞Fe2+，加氧化剂时应先氧化I-，所以应加入适量氧化剂），因过量氧化剂可能氧化SCN-，所以后加的检验试剂KSCN溶液应加至过量。

参考答案：（1）①Fe（SCN）3∶I・・・・∶I・・・・∶

②IO-3+5I-+6H+3I2+3H2O 2Fe3++2I-2Fe2++I2

（2）4KI+O2+2H2O2I2+4KOH否KI3在受热（或潮湿）条件下产生KI和I2，KI易被O2氧化，I2易升华

（3）AC

（4）取足量该加碘盐溶于蒸馏水中，用盐酸酸化，滴加适量氯水（或H2O2），再滴加KSCN溶液，若显血红色则该加碘盐中存在Fe2+

综上所述，化学实验方案设计的一般方法或思路为：

（1）明确目的原理

首先必须认真审题（如要求采用最简单或最佳的方案，制取纯净的某物质等），明确实验目的要求。弄清题目有哪些新的信息，综合已学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而明确实验原理。

（2）选择仪器药品

根据实验的目的和原理，以及反应物和生成物的性质、反应条件，如反应物和生成物的状态、能否腐蚀仪器或橡皮，反应是否加热及温度是否控制在一定范围，给出的药品、仪器或装置是否足够，需要补充还是筛选，仪器药品的规格等。从而选择合理的化学仪器和药品。

（3）设计装置步骤

根据上述实验目的和原理，以及所选用的实验仪器和药品，设计出合理的实验操作步骤、实验装置。学生应具备识别和绘制简单的实验装置图的能力，实验步骤应完整而又简明。

（4）记录现象和数据

根据观察，全面准确地记录实验过程中的现象和数据。

篇（7）

《高中物理课程标准》指出，“实验室的课程资源不仅限于实验室的现有设备，学生身边的物品和器具也是重要的实验室资源”。有研究者（张伟，2005）从资源开发和利用的角度将物理实验分为两大类：非常规物理实验和常规物理实验。“非常规”物理实验，主要就是指利用学生熟悉的生活易得物品、废旧材料、器具、人体或人体局部以及儿童玩具等开发进行的一类体现自创性、体验性、趣味性、简易性、生活化的物理实验教学活动[2]。

人们在教学实践中早就发现，与使用“厂家生产的专门器材”做的实验相比，开发“非常规”物理实验对于实现物理课程标准提出的“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维课程目标具有独特的作用，是常规实验所无法取代的，因而是一种有待深入开发的重要物理课程资源。其深层教育价值主要体现在以下三个方面：

对教师而言，热衷于实验研究，致力于实验开发，会极大地提高教师自身的教学水平和教研水平。尤其在非常规实验的开发中，教师将发现，自己需要不断地学习和提升自我的理论素养，特别是学习新技术、新材料、新发明的有关知识。在提升自我素质的同时，也将使更多的学生体会到物理学习的乐趣、意义和价值，为学生的创新意识和创新能力的培养，起到很好的引领和示范作用。

对学生而言，非常规实验具有取材的熟悉性、结构的形象性、操作的简单性、现象的直观性等特点。利用这些特点，一方面，学生可以通过熟悉的生活用品所发生的物理现象去探索物理本质，这将会大大拉近学生与物理的距离，也更好地体现了“从生活走向物理，从物理走向生活”的新课程理念；另一方面，非常规实验由于其取材的便利性和制作的简单性，可以使实验器材在数量上得以保证，这就可以使更多的学生能够参与到实验方案的制定、实验器具的制作和实验过程的操作体验中去。在此过程中，学生的主体地位得以突出，学习兴趣得以激发，探究的主动性和积极性将大大提升。这样做不仅更有利于促进学生手脑并用、发展学生实践能力和创新能力，同时这也是对学生进行科学方法教育的很好平台和途径。因此，英、美等发达国家，十分重视这类实验的开发与应用。在我国，虽然这类物理实验在中学物理教材中早有体现，在物理教学中早有运用，对其教学功能也有一些专题研究，但仍没有引起物理教育领域的普遍重视，既缺乏深入的理论探讨，更缺乏系统有效的实践探索[3]。

非常规实验的开发对中学物理实验教学的有效开展，具有非常重要的理论意义和实践价值。不仅可以解决经济欠发达的农村乡镇中学实验器材不足的困难，为实现教育的公平性奠定资源基础；同时，也可以为农村中学实验装备政策提供有益的宏观政策参考和有效的具体方案支持。

这里需要强调的是，“非常规”物理实验并不是“非科学”和“无目的”，恰恰相反，它追求科学本质、崇尚科学精神，注意培养学生科学素质，追求丰富的教育内涵和全维课程目标的达成。

二、信息交合法简介

非常规物理实验的开发是一种创造性的活动，所以实验的开发必须以创造学理论为指导。据有关研究资料显示，现已有数百种创造技法。学习这些创造技法，将会大大开阔我们的视野和实验开发的思路。其中信息交合法就是大家公认的在各领域中应用非常广泛的一种创造技法。

信息交合法是华夏研究院思维技能研究所所长许国泰副教授于1983年首创的一种在信息交合中进行创新的思维方法。简言之，就是把物体的总体信息按照其特征和该物体与人类实践活动相关的用途分解成若干个要素，并把这两种信息要素分别设为信息标的X轴与Y轴，两轴垂直相交，构成“信息反应场”，每个轴上各点的信息可以依次与另一轴上的信息交合，从而产生新的信息。

信息交合法有两个基本论点：一是不同信息的交合可产生新信息；二是不同联系的交合可产生新联系。依据这一原理，人们在掌握一定信息的基础上，通过交合与联系可以获得新的信息，提出新的创造设想。比如，独轮自行车本来与碟、碗、勺等日常生活物品没有必然联系，但杂技演员将它们交合在一起，就构成了精彩的杂技节目。同样，生活中的各种物品表面上本来也是互不相干的信息，但通过一个实验主题，我们就可以把它们巧妙地联系在一起，为物理教学服务。

三、基于信息交合的非常规物理实验的设计思路

任何一项新实验的开发，总要针对某一具体问题。非常规实验开发的问题来源主要包括以下三个方面[4]：（1）来自物理教学：为引出某一概念或规律，为突出教学重点，突破教学难点等，均可考虑设计一个新的实验；（2）来自于生活用品或材料：生活中的大量物品，大到冰箱、彩电、录像机，小到一枚硬币、纸杯、铅笔、尺子和橡皮等，都具有物理实验开发和利用的价值；（3）来自于其它学科：即借助其它学科的原理、方法、设备、装置等为物理教学服务。如医学上打吊针的装置就是一件很好的物理仪器，它里面的水总能保持匀速下滴而不受水面高度变化的影响。

【案例1】“来自物理教学”的非常规实验设计思路

下面我们将任选一个实验主题“压强”进行非常规实验的设计尝试，具体说明基于信息交合法的非常规实验设计思路：其设计依据也包括三个方面：首先，教学目标的设定；其次，教学内容的特点；第三，还要考虑学校拥有的实验条件和当地生活环境资源的可利用情况。具体设计程序如图所示[5]。

图1 “非常规”实验方案设计的一般程序

第一步，确定中心，即确定实验的主题和实验目标，也就是零坐标的设定——突破压强教学的重点与难点，即通过实验探究，帮助学生形成压强的概念，理解压强公式，并知道如何根据需要增大或减小压强。

第二步，划坐标线，即围绕实验主题，确定坐标的横轴和纵轴——分别为实验材料和影响压强大小变化的两个因素，即受力面积S和压力F。

第三步：注标点，在信息标上注明有关信息点。这是应用信息交合法的最关键的环节。根据控制变量法的原则，围绕控制物体“受力面积和压力”两个变量来考察“压力的作用效果”来进行实验材料的选择。根据本课题要求，我们把实验设计重点确定为寻找生活中具有“同一物体各端面积不同”结构特点的物品或器具上。为此，我们首先把实验材料分为文具、服饰（包括鞋）、日常用品、常见工具、人体结构（或肤觉的利用）以及其它类别；然后通过发散思维，尽可能多地列举出身边环境中方便获取的每一类可供利用的资源。

本课题中，基本符合要求的实验材料有：（1）文具类：一头削尖的铅笔、中性笔或笔芯、文具盒、笔筒、长方形橡皮、墨水瓶、书籍等；（2）服饰类（包括鞋）：冰鞋、旱冰鞋、高跟鞋与平底鞋等；（3）日常用品：板凳、桌子、椅子、肥皂、图钉、勺子、杯子、筷子、两端粗细不均的各类瓶子等；（4）常见工具：钉子、刀具、螺丝刀、锥子、斧头、铲子等；（5）人体结构（或肤觉的利用）：脚与膝盖、指肚与指甲、手指与手掌、站立与趴下等；（6）其它类：砖块、硬纸盒等，或者还可以利用木材、泡沫板等材料自制一些具有“同一物体各端面积不同”结构特点的物品。同时，为了突出压力作用效果，便于学生观察和体验，加深学生对“压强”概念的理解，我们还需要选择以下实验材料对实验效果进行放大：如细沙、海绵、泡沫板、橡皮泥等，如图2所示。

图2 “压强”概念实验设计思路

第四步：相交合，确定实验的设计方案。即以一标线上的信息为母本，以另一标线上的信息为父本，相交和后可产生新信息；接着对这些信息进行可行性分析和评估，筛选出有价值的创造设想。比如横坐标上的信息“受力面积”与纵坐标上的信息“文具”相结合设计实验：根据一头削尖的铅笔、中性笔或笔芯、文具盒、笔筒、长方形橡皮、墨水瓶等文具都具有“一端粗一端细或两端面积不同”的结构特征，可设计如下学生实验：让学生把铅笔（或中性笔）夹在两手的食指之间，稍稍用力，体验两手指的不同感觉：与铅笔尖端接触的手指会感觉痛，同时会看到指肚凹进，而与笔端接触的手指仅有挤压感。通过这种短暂的体验就可以使学生充分理解：为什么在压力相等的情况下，受力面积越小，压力的作用效果就越明显——即压强的值也就越大。

【案例2】“来自生活物品或材料”的非常规实验设计思路

我们选择生活常见物品——饮料瓶作为实验材料，说明实验开发思路。根据信息交合法的设计原则，我们首先要把饮料瓶的各种物理特性一一列举出来，如形状规则，上端呈圆锥漏斗形，下端多呈圆柱形、空心、底面向内凹成碗状；质地柔软、皮薄易裁剪和加工；可用瓶盖密封；导热性良好，遇热易变形；导电性差，绝缘性好；相同的饮料瓶具有相同的物理性质等等；其次，列举中学物理教学中有关的实验研究课题，进行发散思维和集中思维。如探究凸透镜成像规律、压强与受力面积的关系、滑动摩擦与滚动摩擦、物体的浮沉条件、声音的产生与传播、热传导现象、静电现象、惯性等等。第三，以饮料瓶的各种特性为信息标的X轴，以相关的物理实验课题为信息标的Y轴，两轴垂直相交，即构成“信息反应场”。最后，我们让每个轴上各点的信息依次与另一轴上的信息交合，研究可以产生哪些新的、有价值的信息，并设计实验方案。具体如下：

选择饮料瓶的形状特性，与信息标Y轴上的信息相结合，可以产生的实验研究课题有：进行滑动摩擦力与滚动摩擦力大小的比较研究；利用饮料瓶两端面积不同的特点，在瓶中装入一定量的的沙子后，研究压强的大小与受力面积的关系；如果装入的是不同量的水，则可以探究声音的音调。具体做法是：在几个饮料瓶中盛入不同深度的水，将瓶口移至嘴边吹气，可以听到不同音调的声音产生。空气柱越短的，音调越高，反之，空气柱越长，音调越低。

选择饮料瓶在拧紧瓶盖之后具有很好的密封性的特点，自制“浮沉子”实验装置，用以研究物体的“浮沉条件”；可以演示气体液化现象：拧开瓶盖，滴入几点乙醚，拧紧瓶盖后，稍待一会，蒸发，乙醚液体不见了。当用手挤压瓶体时，乙醚液体重新出现在瓶壁上。这表明压缩气体体积，气体被液化。

选择饮料瓶质地柔软、易裁剪的特性，可设计如下实验装置：第一，用烧热的针尖在一个大饮料瓶底端烫一个小孔，并用胶带暂时封住，在将瓶中装满水，用来研究液体压强和深度的关系；第二，将饮料瓶的瓶底剪掉，用气球的胶膜包住并绷紧，在用细线固定。可以用来演示液体对容器底部和侧壁压强的变化；第三，用大饮料瓶与玻璃管和橡胶塞配合，可以制作一个溢水杯，验证阿基米德原理等等。

选择饮料瓶透明、易密封的特性，可以演示光的直射、反射、折射现象。具体做法是：找一个比较大的饮料瓶，在其中充满香烟（或是卫生香）的烟雾，拧紧瓶盖，就制成了一个简单的光路显示器。用激光笔从瓶底照向瓶口，能清晰地显示光在同一种物质中沿直线传播。若将瓶底放在平面镜上，用激光笔从侧面向瓶底的平面镜照射时，会清晰地观察到入射光线和反射光线，给学生留下深刻的反射现象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水，一半是烟雾时，从侧面向石灰水面照射时，会清晰地观察到光的入射光线和折射光线。

此外，选择饮料瓶皮薄、易导热的特性，可以研究热传导现象；选择相同的饮料瓶具有相同的物理性质这一特点，可以充当等量重物；选择饮料瓶异变形的特点可以演示力的作用效果与力的三要素；可以验证大气压强的存在等等。

综上所述，借助信息交合法，将会大大开拓我们非常规实验的开发思路，突破思维定势，使实验的设计不再是件令人生畏、遥不可及的事情。普通人只要掌握了一定的创造技法，在思考问题时学会有意识地利用这些技法，就一定可以开发出更多的非常规物理实验。

参考文献

[1] 张伟，郭玉英.非常规物理实验：有待深入开发的重要物理课程资源.物理教师，2005（9）.

[2] 张伟等.论“非常规”物理实验的教学地位.课程.教材.教法，2007（12）.

篇（8）

考查的重点在于对化学实验中一般事故的预防和处理、实验原理的掌握、过程与设计能力。实验细节和中间环节，命题的趋势由设计实验向评价实验优化实验方向转变，而一个完美的实验必须保证实验原理、操作程序和方法正确，也就是实验方案的科学性。用药及操作要注意安全，注意环境保护等问题，也就是实验方案的安全性，更要满足中学现有的实验条件，也就是实验方案的可行性，还要使装置简单、步骤少、药品用量少、时间短，即实验方案的简约性。

高考中运用已有的化学实验基础知识和基本操作技能去设计实验方案，是对知识的综合运用能力和对知识迁移能力的很好的考查，并能实现对实验题多方位多层面多角度的考核。结合多年教学经验，化学实验设计题的解答应从以下几个方面入手：

一、明确目的

也就是审题要细，这是一切学习解题的关键步骤，明确命题的实验目的要求，新命题中往往是没有直接系统实践过的，必须弄清题目有哪些新信息，从信息加工角度分析解答时，还要能够敏捷地从题目中获取信息，分析评价信息选择调用已储存的相关知识，通过类比，迁移分析从而明确实验目的。

二、设计原理

通过对新信息的加工及知识的迁移明确指定的设计要求，从设计的要求选定实验方法，这是从宏观上对实验的要求，因为实验方法主要受制于实验原理，并受实验条件的制约，再就是实验装置和实验操作设计，装置和操作属于实验方案细节的设计，其重点在考查实验技能。这就要求学生在日常学习过程中积累扎实的实验知识、经验。

三、仪器、药品的选择

了解以上实验要求后，根据实验目的中设计的装置和操作选择合适的仪器和药品，注意反应物和生成物状态以及能否腐蚀仪器，反应是否需要加热及温度是否可控制等。

四、实验步骤

实验步骤的设计，力求合理、最简，但细节不能忽略，通常要考虑以下细节：（1）气体参与反应的装置气密性的检验；（2）加热操作先后顺序的选择；（3）有没有必要设计冷凝回流装置；（4）冷却装置的选择；（5）实验中有加热操作的要防止倒吸，如气体易溶于水的要防倒吸；（6）还有一些改进装置作用的分析；（7）拆卸装置时的顺序要注意科学性和安全性。

五、现象及结论

篇（9）

acquisition scheme)

2.1 设备接口分析

通过对现场仪器接口的分析，其大体可分为三类：

(1)接口设备，此类设备无任何接口，通常只提供观测读数如烘箱。

(2)预留标准接口设备：此类设备预留有串口和并口接口，如薄膜厚度仪、阴燃仪。

(3)配备专用软件设备：此类设备通常已通过硬件接口和专用软件实现数据采集，但未向第三方开放编程接口和数据格式，此类设备种类繁多，接口互异，从最简单的文本文件、到完全加密的数据存储格式，数量众多，典型设备有拉力仪、白度仪、摩擦系数仪等。

2.2 采集方案设计

(1)无接口设备采集方案：对于无接口的仪器设备除另加装相关采集设备，如位移计、温度传感器等扩展设备外，最简单的处理方式是提供纯软件录入界面。

(2)预留标准接口设备采集方案：预留标准接口的设备多留有RS232串口或并口的设备，其中并口可以通过定制接线将其转为串口，而对于串口设备的采集目前主流的方式有直接集成和使用串口服务器集成两种方案。

直接集成方案，即直接使用串口线连接设备，但必须解决串口数量有限和通信距离较短的问题，通常可以使用多串口卡和RS485协议可以来解决串口数量有限和通信距离短的问题，但仍然存在：受PC内置接口数量限制、接线制作和编程复杂的问题。因此，考虑到扩展性和编程方案的一致性，目前对于多串口设备集成采集较为成熟的方案是使用串口服务器集成采集[2]。

串口服务器是串口和以太网之间的一个转换设备，其内置处理器、嵌入式操作系统和完整的网络协议栈，可以完成串口数据和网络IP包之间的格式转换、实现串口设备和以太网之间的数据双向透明传输和设备联网功能，具有不占用主机资源，转换效率高，运行可靠的特点，目前在工业控制领域有着广泛的应用。基于串口服务器的数据采集方案如图1所示。

 

 

 

 

 

 

图1 使用串口服务器的数据采集方案图

Fig.1 Data acquisition scheme based on serial port server

(3)配备专用软件设备采集方案

配备专用软件的设备，其特点是设备数据已采集并存储到工作站中，但存储格式不一，目前典型的接口格式有标准文本文件格式、标准数据库存储格式和加密格式三种，其中对于加密格式又可分为提供二次开发接口和未提供接口两种，因此本文的一个研究重点即是研究如何解析各类数据文件实现此类设备的数据采集。针对文件解析类数据采集的基本要求，设计以下文件解析类设备数据采集方案，如图2所示。

 

 

 

 

 

 

 

图2 文件解析类设备的数据采集方案图

Fig.2 Data acquisition scheme for file parsing device

对于文件解析类设备的数据采集，一般可以分为三步，即截获、解析和转发。截获是实现此类数据采集的关键和基础，对于多数已知数据文件格式的设备而言，采用基于文件系统的监测是最主要和方便的实现形式，而对于部分加密数据文件格式的设备而言，使用打印驱动截获报表数据是唯一方式。解析是指从截获的数据中获取需要采集的关键数据，可根据数据格式分为标准文本格式解析，标准数据库格式解析和根据二次开发接口进行解析。发送数据，是指将解析的有效数据使用TCP/IP协议发送到指定的数据采集服务程序。

3 采集方案的实现(Implementation of acquisition

scheme)

3.1 总体设计

通过以上分析，本文提出一种针对异构非标准格式数据的集成数据采集方法，即对于提供串口的设备使用串口服务器进行数据采集，对于提供接口文件的设备使用文件解析方式进行数据采集，从而实现了非标准格式的数据采集和保存，系统的总体结构如图3所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3 数据采集系统总体结构图

Fig.3 Architecture of the data acquisition system

其中终端数据采集程序是本系统实现通用数据采集方案的核心模块，需根据设备的接口特性，进行定制，通常需实现数据截获、数据解析和数据发送三大核心功能。数据抽取的方式包括抽取RS232串口设备数据和解析自带工作站和已采集的设备数据两种，其中抽取RS232串口数据采用串口服务器将数据发送到数据采集服务程序，重点是处理异构设备的数据解析，解析方式包括标准文本解析、数据库文件解析、ActiveX控件二次开发和打印驱动数据截取四种方式[3,4]。

3.2 数据文件截获机制的实现

数据文件的截获其目的是截获最新的设备检测数据，从时机上来看应在设备完成相关检测后进行，从目前的实际情况看，多数自带工作站的设备都会将获取的设备数据进行保存，因此通过监视设备数据文件的方式实现数据文件的截获是一种较为可行的方式。文献[5]介绍了一种基于.NET实现的文件系统监控方式，根据此类思路，可以轻易实现Windows平台下的文件监控系统，因此数据采集文件监控系统的流程图设计如图4所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 文件监控系统流程图

Fig.4 File monitoring system flow chart

使用System.IO.File SystemWatcher可以实现对特定文件或文件夹的监视，当指定文件夹中有新文件被创建，会触发Created事件，如指定文件的文件大小或最后写入时间等属性发生变化则会触发Changed事件，如有文件被删除则会触发Deleted事件。通过Path属性可以指定要监听的文件或文件夹，通过Filter属性可以设置要监视的文件类型，如设为“*.*”则表示监视全部文件。通过NotifyFilter属性可以指定要监视的事件类型，通过EnableRaisingEvents来确定是否启动监听。

3.3 数据文件解析方式的实现

数据文件的解析重点是获取对用户有意义的数据，因此根据数据文件格式的不同可以分为标准文本文件解析、标准数据库文件解析和二次开发方式解析。利用.NET技术可以轻易地实现对文本文件、数据库文件和VBA的编程，本文仅介绍标准文本文件解析方式的实现。

标准文本文件解析，指的是设备配备的数据处理程序会将采集到的数据以标准文本形式存储在工作站上，此类设备会通过其自带数据处理软件生成标准文本格式的文件，通过监测和分析此类文件，可获取相关数据。标准文本文件的读取，在.NET中可使用System.IO.StreamReader对象进行读取。

3.4 数据文件的发送

发送模块负责实现数据的发送功能，可采用标准网络通信协议实现，考虑到实现的可靠性，建议采用TCP协议和并发编程的方式实现，在.NET中可使用TCPClient对象来实现数据的发送。

4 采集方案的应用(Application of acquisition

scheme)

某理化指标实验室管理有天平、长度仪、白度仪等21类检测设备，共计45台仪器，负责进行水分、长度、重量、白度等多个理化指标的检定和产品质量管控，鉴于实验仪器设备众多，地理位置分散，接口繁杂，以往通常采用人工录入的方式填报批次试验指标的平均值，并进行合格判定。然而此种方式只能保存批次平均长度和合格判定，无法存储每次试验的详细数据，同时部分试验存在着大量的反复操作，人工抄填、计算、录入的传统方式工作强度大，枯燥乏味，易出错，因此需建立一套基于通用异构非标准格式数据采集方法的实验室自动化数据采集系统，实现试验数据的自动采集，长期保存和查询、分析。

该系统分为设备端、工作站端和数据查询分析系统三个部分，采用层次递进结构，其整体软件结构如图5所示。

 

 

 

 

 

图5 实验室数据自动采集系统软件架构图

Fig.5 Software architecture of laboratory data

automatic acquisition system

设备端程序是主要实现文件解析类数据的采集，通过文件监控和数据解析获取设备数据，通过TCP/IP协议发送到工作站端数据采集服务程序。

工作站端数据采集服务程序是整套数据自动采集系统的中间层，其核心功能是数据接收，指标解析、格式转换和数据转发。其数据接收模块需要接收和处理来自设备端程序和串口服务器两类不同格式的数据，并根据业务规则从中解析出需要保存的有效指标数据，将其统一转换成标准的JSON格式，再通过HTTP协议转送到数据采集分析系统，这里使用HTTP协议可以确保数据可以安全的通过各类防火墙。

 

 

 

 

 

 

 

图6 数据查询分析系统功能模块图

Fig.6 Function module diagram of data query

analysis subsystem

数据查询分析系统是一个基于Web的B/S结构应用程序，采用经典的多层结构分为视图层和Web服务层、业务逻辑层和数据访问层，负责实现数据分析和数据共享两类核心需求，具有检验数据填报，质量数据预警、历史数据查询和数据趋势分析、数据导出和数据集成等功能，同时还提供数据字典和用户权限管理等基础功能模块，其功能结构如图6所示。

本系统采用微软的Visual Studio 2010作为开发工具，C#作为开发语言，对于设备端程序考虑到其兼容性，使用.NET Framework 2.0运行环境；对于查询分析端，考虑到扩展性和可维护性，采用了基于.NET Framework 4.5的ASP.NET MVC架构进行实现，目前已上线运行，实现了对实验检测数据的自动化采集，有效地减轻了试验人员的重复劳动和工作强度，提高了试验数据采集的准确程度和效率，获得了较好的应用成效。

5 结论(Conclusion)

随着制造业信息化的不断深入发展，各类异构设备接口的联网需求和数据采集需求也日益迫切，本文提出了一种异构设备接口的自动化数据采集方案，并基于该方案实现了一套实验室自动化数据采集系统，结果表明该方案可以有效满足异构非标准设备的数据采集需求。但本文的方法在数据采集层面还必须针对设备进行定制开发，目前系统所涉及的设备种类和接口类型还有待进一步扩展。

参考文献(References)

[1] Grzegorz wika.Methods of Manufacturing Data Acquisition for Production Management-A Review[J].Advanced Materials

Research,2014,2845(837):618-623.

[2] Kim R,Chi S,Yoon W C.Data integration and arrangement in the shop floor based-on time stamp:An illustrative study of CNC machining[C].Ubiquitous and Future Networks (ICUFN),2016 Eighth International Conference on. IEEE,2016:121-124.

[3] Kai Bu,et al.A High Speed and Compact Data Acquisition

 

and Storage System[J].Advanced Materials Research,2013,

2526(753):3125-3128.

[4] 李水田.一种基于VBA的非标准格式数据采集方法的研究与实现[J].电子技术与软件工程,2014(24):187

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1课程目标

培养实用型、创新型人才,提升软件研发能力,构建系统、完善的理论及实践专业课程体系架构,一直是计算机专业课程和专业基础课程的根本目标。为积极落实计算机学院计算机科学与技术专业的专业培养目标,强化对学生应用编程实践能力的体系化培养,进一步构建、充实计算机软件、硬件紧密结合的基本知识架构,贯彻系统、可持续发展的培养思路和课程体系,在C语言程序设计、面向对象技术、计算机基础等先修课程基础上,加强学生软件开发能力的培养,设置并开设程序设计实践课程“计算机设计项目实践”。

课程设计方案针对专门的实用编程技术及其应用实现方法,进行特定系统功能的设计,确立实现方法,完成程序编码与调试。进一步加强程序设计基础理论技术的掌握,提升程序设计的深度和难度,培养学生设计实现较大程序的能力。为专业素质和能力的培养奠定扎实基础。

本课程的设计项目对方案设计目标、设计内容、设计思路、实施基本方法进行系统规划,学生能够了解面向具体应用的程序设计基本方法,明确系统功能、设计、实现的基本流程,理解一个实用应用程序的基本架构,掌握设计实现的应用程序的运行流程。在选择C语言编程环境及其方法的基础上,能够基于库函数或类库函数接口,运用具体编程方法,完成应用程序的设计、编码等开发工作。选择学生感兴趣的项目,构建用户自己的应用程序代码,达到熟练运用编译环境工具、开发较大型应用程序的目的。

课程方案设计的基本原则在于,通过精选应用系统的需求分析、功能设计、编码、实现、测试、提交等基本环节,展现软件开发基本过程,运用实用编程技术及其应用实现方法,培养学生实际开发经验,提升学生应用编程实力,巩固学生程序设计基本规范、基本流程的理解和实现技术,达到充实程序设计的应用知识体系、激发学生的学习兴趣和主动性、开拓学生的专业视野和实际工作能力的目的。

2教学方案设计

2.1应用系统的设计

通用操作系统的文件系统为用户数据的存储和读写等提供必备支持,应用程序设计也需要有关文件操作功能的支持,文件系统及其各项实现技术具有实用价值,C语言程序设计课程中,文件系统相关章节对文件的基本操作、编程接口、实现方法等内容进行了简要介绍,学生具备一定的理解文件系统功能和处理文件的知识基础[1]。

参考相关资料,使用高级语言实现的一个文件系统,作为一个应用原型系统,基于该系统,完成软件项目设计的各个过程[2]。

首先通过分析文件系统基本功能,理解文件系统的设计步骤,及设计实现一个简单、功能完善的模拟文件系统SMFS。该文件系统功能包括文件操作、文件存储管理、文件系统一致性和容错性管理[3]。

SMFS文件系统采用C语言设计实现。通过分析原型程序的数据结构设计、算法设计实现,掌握该应用软件的模块划分与集成,掌握编译环境、运行环境的构建与使用。

首先对现有原型系统初步改错并进行调试,查看运行结果,分析并找出原型系统仍然存在的问题。

再根据所设计的文件系统应用程序方案功能,进行设计和修改,对应用程序进行二次开发,完成应用程序的设计、编码、调试、运行。

方案的实施使学生应用能力得到锻炼和提高。学生可了解软件开发规律、开发思路和实现技术。

2.2开发平台的选择

使用PC机、Windows操作系统、高级语言编译工具及其环境,作为硬件、软件开发运行平台。选择Turbo C或 Borland C作为编译工具。开发、运行平台易建。原型软件程序已通过初步调试,可运行,为学生的调试、二次设计、开发提供有利支持和保证。方案可行性、可操作性较强。

3教学内容

3.1文件系统分析

以UNIX操作系统文件系统为例,对文件系统管理数据结构及基本构成进行必要分析,了解文件系统基本工作方式及其功能实现的基本方式。动手实现一个模拟文件系统――文件应用系统。

3.2文件应用系统规划

文件应用系统设计功能包括,提供一个文件操作接口函数库,基于该函数库实现一个简单的文件系统,提供高效的存储管理功能。该文件系统提供较好的容错性能,系统崩溃时进行数据的一致性检测,确保数据不丢失。

基于文件函数库的基本文件操作函数,设计实现一个简单的单用户文件系统。文件系统功能设计简化为以下几个模块。

Naming:将文件名映射为文件占用的磁盘块,空闲磁盘块管理的内存与磁盘数据结构,称为磁盘空闲表。该表可跟踪磁盘上每一个磁盘块分配使用情况,该表永久存放在磁盘上,文件系统启动时放入内存,指导文件的空间分配。

Allocated:磁盘块的分配记录,即文件系统的物理组织。采用索引节点方式进行文件分配磁盘块的管理。每个文件拥有唯一I节点,每个文件的属性信息存放在该文件的I节点中。此外,目录文件中包含该目录下子目录名及其I节点或文件名及其I节点,用于按目录逐级查找,将文件名映射到I节点上。

文件操作包括:创建文件;修改文件;删除文件等。

容错性、一致性的设计。文件系统的恢复策略。确保文件数据的完整性、持久性。

3.3文件应用系统数据结构设计

全局数据结构包括:文件系统文件最大数量;文件系统最大空间;文件系统操作提示符――字符串;文件系统名称――文件名表示;文件系统文件指针;文件I节点――结构体类型;文件I节点指针;文件I节点表――数组。

3.4文件函数库设计

文件系统应能永久存储数据,物理上存储数据的是磁盘。为简单起见,使用一个文件模拟磁盘。将文件磁盘块大小设定为4KB,每个磁盘块有唯一编号,每个文件以磁盘块为单位存储数据。

磁盘函数库模拟真实的硬件接口,设计为函数实现,函数接口提供良好的调试接口,为将磁盘驱动器接口映射为模拟的磁盘函数库函数接口。磁盘函数库设计如下函数:

void creat_file_system()

函数功能:创建一个文件,包括文件管理数据和实体数据结构,表示文件系统。

void open_file_system();

函数功能:打开或创建文件系统,错误返回error;正确则返回文件系统指定的文件管理数据和实体数据结构位置指针。

int new_a_file(char *file_name)

函数功能:搜索文件系统,查出可用空闲管理块,存入指定文件名,返回管理数据位置指针,否则,返回-1。

int del_a_file(char *file_name)

函数功能:搜索文件系统,查出指定文件,从文件系统中删除该文件,返回该文件位置指针,否则返回-1。

void list()

函数功能:搜索文件系统,只要文件名不为空,输出文件名和文件长度,文件计数。

int open_a_file(char *file_name)

函数功能:搜索文件系统,如指定文件存在,返回指定文件所在的序号。

int offset_by_i(int i)

函数功能:返回第i个文件在文件系统存储空间的偏移量。

int write(char *file_name,int offset,char *str,int count)

函数功能:打开文件file_name,写入文件,写入文件系统管理块信息。

int read(char *file_name,int offset,int count,char *str)

函数功能:打开文件file_name,读出该文件字符串内容。

void print_help()

函数功能:输出系统文件操作提示信息,供用户选择。

int main()

函数功能:启动文件系统,进入帮助界面,用户可以输入各项操作代码,循环执行对应文件操作,或结束系统运行。

合法操作包括:①创建文件系统;②新建一个文件;③删除一个文件;④显示文件列表;⑤写入文件;⑥输出文件;⑦退出文件系统。

3.5应用文件系统运行分析

测试中,查看存在的设计缺陷。如,文件系统中文件数量的检测和控制;文件长度的检测和控制;文件系统启动确认等[4]。

3.6应用文件系统的再设计方案

根据学生对原型系统的理解和掌握程度进行自行设计。测试改进方案的系统运行的完善性和健壮性。

4教学过程

本课程课堂授课课时为8学时,上机实践学时为24学时。教学采用讲课、上机交替进行的方式。便于学生及时把教师交付的每个任务贯彻落实、设计实现,教师能将学生实践中出现的问题,利用课堂教学及时反馈、说明、给出指导意见。

教师在授课期间,对设计方案的设计思想、设计方法、实现系统功能、实现技术及方法、编译运行环境等进行简要讲解、说明。学生在上机实践环节过程中,完成项目方案的设计实现,通过接受教师检查、验收、答辩等环节,提交实验报告。锻炼和提升分析,设计,文字、语言表述,实现,工具运用等能力。

该方案教学过程可设计为三个阶段。

4.1授课内容设计

该阶段完成进行系统开发的技术理论、程序架构、软硬平台搭建等准备工作。从项目设计目标、方案设计、实施过程及要求、编程技术分析、系统功能等方面进行授课。指导学生奠定扎实基础,为进行下一阶段的实践作好准备。为了比较系统全面了解有关软件开发的基本概念、基本过程,设计授课内容按系统功能驱动的方法展开,紧密结合实现编程技术,引导学生逐步系统了解开发一个特定应用系统所必需掌握的基本概念和基本技术。

教师在8学时的授课中,首先向学生明确说明方案系统的功能,然后进行功能的分解,直至完成模块的划分,讲解需要的编程技术,实现模块功能,学生在此基础上,设计模块内部的算法流程,并实现、调试、运行软件系统。

4.2实践内容设计

上机实践24学时。实践环节以课题组模式进行工作,利于互相帮助,培养合作能力和意识。学生以课题组为单位进行方案论证、设计、开发环境构建、分工、单元开发、调试、系统运行,完成项目实践报告的编写。组长是项目主持人。该过程能使学生明确软件开发的各个环节,结合自身条件对每个环节进行自己的设计实现。课题组学生可按以下实施内容及步骤开展工作,并按计划接受教师的检查和评估。

每2人自由结为一个课题组。可以均衡学生的能力,达到互助的目的。确立方案的功能及设计基本方法,设计模块函数功能及其编程接口。

安装开发环境、调试开发工具。对于开发使用的 C/C++语言环境及工具、函数等作必要的调试。

分析设计系统功能,划分每位同学的模块分工明细。完成各自的功能模块设计、编码实现、调试,并接受教师检查、评估。

课题组完成系统集成调试。提交调试报告和系统使用说明书,并接受教师软件验收。

项目实践上机环节的内容可操作性强、实施要求具体、目标明确,便于对学生的研究能力、协调协作能力、软件系统分析设计能力、编码能力,解决问题能力、语言、书面表述能力等作一个综合的培养、评价、考核。

5评价体系

对学生方案设计实现的评价,旨在通过实践的各个环节的监督检查,深入了解学生的进展情况、方案实施效果、出现的问题等,为学生提供指导、建议,考核设计与实现结果是否达到方案目标的要求。

针对项目实践课程的目标和特点,必须规划、确立学生成绩评价标准。否则,课程开设效果难以保证。对学生方案设计实现的评价,旨在通过实践的各个环节的监督检查,深入了解学生的进展情况、方案实施效果、出现的问题等,为学生提供指导、建议,考核设计与实现结果是否达到方案目标的要求。

课程实施过程分为:课堂教学,课题组完成系统分析设计的理解、模块功能设计与划分、编程实现与调试、软件验收、答辩等。

学生成绩评价体系设计根据每位学生的各个部分的实施情况进行评估。学生应提交规定格式、内容的文档、实验报告,完成编码、调试、软件验收,学生在阶段检查时对设计实现内容进行讲解、答辩。答辩对学生的系统总体设计模式与运行模式进行考核,确认学生是否对软件系统的设计流程、运行流程及其出现的问题,有全面的理解。敦促学生全面系统地完成项目实践整个实施计划与实施过程。

学生成绩评价体系包括文档成绩评估设计和软件验收答辩两个部分。

文档成绩评估设计。组长及其组员负责组织编写实验报告,实验报告的详细格式及内容的规范要求见附录。其中包括分析设计、系统调试、系统运行手册、设计实现的模块和调试等内容。根据实验报告的可读性、创新性、结构内容完整性、工作量等因素,评估每位学生的文档成绩。

软件验收答辩。根据教师提出的系统需求和设计方案建议,以课题组为单位进行系统分析设计,每人独立进行模块详细设计及编码调试工作,根据提交的模块设计实现文档和调试文档,学生对模块使用的数据结构及算法设计进行讲解、答辩。教师根据讲解简明、思路清楚、工作量饱满、使用技术有独到之处等方面给予成绩评定。根据提交的实验报告进行软件系统验收,根据系统的运行功能实现、界面设计、编码技术运用等评估学生的验收成绩。考核分值分布如表1所示。

表1考核分值分布表

考核内容百分比

系统分析设计报告10%

模块详细设计报告10%

原运行系统调试报告15%

系统调试报告用户手册15%

阶段检查25%

验收检查25%

6教学文档及环境支撑

计算机设计项目实践包括24学时的上机操作,需要完成课程软件系统开发与文档组织编写,是以学生自主完成为主,教师指导为辅的实践过程。为配合师生的需求,提高学生的工作效率,支持文档的编写、系统的设计实现、编码、调试等诸多具体要求,一个方便实用的文档及具体要求支持体系十分必要。教学文档可提前提交给学生参考,一般包括:①授课教案;②实验指导书;③应用软件开发环境;④课程实践环节参考手册;⑤网上教学资源平台;⑥教学大纲;⑦实验大纲;⑧授课计划;⑨实验上机学期计划表。

7课程实践环节参考手册设计

特别设置一个实践环节参考手册,对课程设计所有环节具体要求和实施办法作一说明。为学生方便地编写文档和规范地完成实施过程,提供规范文档体系参考与指导,使学生的成果体系完整、有据可查。

附录一,实验报告规范模板;附录二,实验任务书;附录三,报告文档内容格式参考;附录四,进度安排及成果提交;附录五,实验报告撰写规范;附录六,成绩评估表。

8结语

操作系统技术对于大学计算机专业课体系教育的重要性勿容置疑,实践教学对理论教学有延伸和提升的作用,其教学重要性、迫切性、科学性越来越得到国内外同行的共识,如何将实用技术引入实践教学

环节一直是教学中探索的重点和难点。本方案的创新性在于系统全面地设计了实践类课程的各个环节,提供了较全面的方案设计内容,有一定的参考价值。方案具有较好的可操作性和可移植性,可供其他计算机专业课的实践环节参考。该方案已应用于教学,对学生拓展应用编程技术,进行软件开发具有较好的效果。

该方案具有技术实用、平台易建、功能明确、难度适中的特点。通过方案的实施,学生系统软件分析能力和应用软件的开发能力能得到一个全面的实践和锻炼。

参考文献:

[1] 谭浩强. C语言程序设计[M]. 北京:清华大学出版社,2006(6):150-210.

[2] 卢军. Linux0.01内核分析与操作系统设计[M]. 北京:清华大学出版社,2004(6):139-198.

[3] 孟庆昌,牛欣源. 操作系统[M]. 2版. 北京:电子工业出版社,2009(11):183-216.

[4] 赵斌. 软件测试技术经典教程[M]. 北京:科学出版社,2007(5):1-59.

Research and Implementation of Programming Practice Project

NIU Xin-yuan

篇（11）

中图分类号：TV64 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0066-02

0 引言

治理黄土高原地区的水土流失，有效措施是修建淤地坝。淤地坝的拦沙蓄水淤地的作用和效益都很明显，尤其是采用小流域为单元，结合退耕还林、封山禁牧等措施，利于实施水土保持综合治理规划，有利于土地利用结构和组织劳力，也符合水土流失的规律[1]。

1 工程概况

崖窑河骨干坝作为延安市安塞县的一个新建项目，坐落在河流上游的主沟道。该坝建成后能够拦蓄泥沙，兼具蓄水功能，解决附近居民的饮用水问题。

崖窑河骨干坝由坝体、溢洪道和放水工程组成，其中坝控面积为5.26km2，总库容97.46万m3，拦泥库容70.13万m3，坝高21.50m，设计坝顶长28.65m，滞洪库容27.33万m3，淤积面积105.6亩。沟底高1376.00m，淤泥面高？荦1392.30m，校核洪水位？荦1395.80m，安全超高1.7m，坝顶高？荦1397.50m。

2 自然、社经、水文情况

2.1 地理位置 该小流域属于黄河三级支流、延河二级支流、杏子河一级支流，坐落在延安市安塞县的西南，流域面积76.86 km2，流域内海拔1080m～1580m，流域出口距县城30公里，崖窑河骨干坝位于东径108°59′58.86″，北纬36°47′17.01″，坝控面积为5.26km2。

2.2 地质地貌 坝址处属于典型的黄土丘陵沟壑区第二副区，以红砂岩为主。受水、风、重力等长期侵蚀导致表层黄土不断被剥蚀，沟道及梁顶基岩出现部分，形成沟壑纵横、基岩出露的地貌景观。

崖窑河骨干工程坐落在主沟道的上游崖窑河自然村，沟道常年流水，坝沟底宽约16m，两岸岩石为直立陡崖，出露高度约15m，沟道上游部分沟段比较平缓。

2.3 土壤、植被覆盖 流域内土壤类型以黄绵土为主，约占耕作土壤的80%以上，肥力很低，有机质含量在0.5%～1%之间，PH值在8.0～8.6之间，呈微碱性。

坝址所在地植被稀疏，以经济林和人工草地为主，林草覆盖率约为40.6%。

2.4 社会经济 ①社经情况。崖窑河骨干坝隶属安塞县下属的九台村管辖，该村共有552人，人口密度31.36人/km2，人均土地318.84hm2，人均基本农田0.69亩，人均粮食产量900kg。以种植业为主，其次是畜牧业。②受益和淹没情况。由于崖窑河骨干坝隶属九台村管辖，工程只涉及1个行政村，直接受益范围限制在九台行政村。工程建设过程中不存在淹没问题。

2.5 气象、泥沙、水文 ①气象特征。该工程属于中温带半干旱大陆性季风气候区，干旱少雨，雨量不均，四季分明。年平均气温在8.8℃，蒸发量857.7mm，无霜时间157天，大风天数为26天。②降水。坝址处年均降水量为559mm。6～9月的汛期占全年降水量的80%，多以暴雨形式出现。③泥沙。该工程流域内土壤侵蚀模数年平均量为9000t/km2.a，产沙主要集中在汛期，年产沙69.17万t，占全年产沙总量的95%以上。

3 工程设计

根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》的划分，该工程为五级，洪水重现期为30年，校核为300年，淤积年限20年。

3.1 坝体设计

3.1.1 绘制坝高～库容～淤地面积曲线

根据下式计算各级水位下的库容：

3.1.3 确定坝高 坝高H是由拦泥坝高HL、滞洪坝高Hz和安全超高ΔH组成，

H=HL+HZ+ΔH（5）

查水位—库容曲线决定拦泥坝高，由查水位—库容曲线得，HL=16.30m，淤积高程设计为1392.30m。

调洪演算决定滞洪坝的高度。经调洪演算确定VZ=27.33万m3，查水位—库容曲线HZ=3.50m，滞洪水位高程1395.80m。

根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》的相关规定，安全超高为ΔH=1.70m，坝顶高程为1397.50m。

因此，坝高为

H=HL+Hz+ΔH=16.30+3.50+1.70=21.50m。

按3～5%的预留计算沉陷坝高，取值1.00m，则坝高为22.50m。

3.1.4 坝顶的宽度 按照“规范”[2]和已有实践经验，坝顶宽度为4.0m。

3.1.5 设计坝坡 上、下游坝坡马道的坡比为1：2.50，坝体铺底宽为110.50m。

3.2 溢洪道设计 ①溢流堰。经演算Q泄=83.81m3/s，滞洪水深H=3.50m，堰顶宽B=8m。堰顶长度3H

4 效益分析

4.1 基础效益。工程投入使用后，年拦截泥沙94.68万t，蓄洪水能力27.33万m3。

4.2 经济效益。经济效益涉及直接经济效益坝地的种植效益和间接经济效益拦泥和防洪效益。①坝地种植效益。工程达到淤积年限后，淤成105.6亩坝地，利用率按80%计算，坝地84.48亩，按市场当前价格，以30年的种植期计算，累计效益为63.36万元。②拦泥效益。工程20年可拦泥94.68万t，按照每拦截1t泥沙，可节省费用按3.75元计算，拦泥高达355.05万元。

4.3 生态效益 ①淤地坝降低洪水的含沙量，为下游提供灌溉水源，解决淤地坝的农田灌溉[3]。②通过拦截洪水，减轻洪水对沟道的冲刷，降低流入下游的泥沙[4]。③坝地拦蓄的是小流域坡面上流失的有机质，成为高产稳产的基本农田[5]。

4.4 社会效益 坝地建成后，营造了良好的生产条件，解决了居民用水问题，促进了经济的发展。

5 结语

5.1 分析 经过对工程进行可行性论证和效益评估，该工程建成后减少了入河泥沙和对下游河道的淤积，提高了生产和生活的环境，促进了区域经济的发展。

5.2 展望 从局部范围内解决水土流失问题，进而实现保持水土的目的。从长期意义来看，需要多方协调、共同努力才能从根本上治理延安的水土流失。

参考文献：

[1]崔云鹏，蒋定生.水土保持工程学[M].陕西人民出版社，1997.

[2]SL289—2003水土保持治沟骨干工程技术规范[S].