时间：2023-02-28 15:58:31
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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。
1、引言
目前，信息安全已发展成为一个综合、交叉的学科领域，它需要综合利用计算机、通信、微电子、数学、法律、管理、教育等等诸多学科的长期知识积累和最新研究成果。信息安全也是一个复杂的系统工程，涉及到信息基础建设、网络与系统的构造、信息系统与业务应用系统的开发、信息安全的法律法规、安全管理体系等。信息安全作为一门新兴、综合、交叉学科，涉及的领域也很多，因此除了工程教育共有的特点，信息安全人才培养有其独有的特点：信息安全领域知识覆盖面宽、信息安全知识更新快、信息安全教育是一种持续教育、信息安全教育需要面向多样化、层次化的人才需求、信息安全教育更注重应用和实践能力。
作为高职院校信息安全专业，应该在专业培养目标明确的前提下，充分考虑信息安全人才培养的特点，对专业实验室建设进行科学设计，准确定位，才能发挥专业实验室对培养学生核心能力，提高动手能力的重要作用。
2、专业实验室建设的定位
高等职业教育培养的是面向生产、建设、服务和管理第一线的高级应用型人才，“高级”强调的是理论基础宽厚，“应用型”强调的是技能熟练程度，因此培养具备较扎实的专业理论知识和一定实践操作技能的“高级蓝领”（社会上把企业中的人员按其受教育程度、工作性质、创造的价值、获取的报酬等综合因素分为金领、白领、蓝领。随着我国加入WTO与经济全球化的发展，我国的国民经济结构调整使许多企业进行了产品结构的调整，岗位技术含量正在不断增加，“蓝领”“白领”的边际正在模糊和淡化，“高级蓝领”应运而生。
以浙江警官职业学院司法信息安全专业为例，该专业的培养目标是为司法行政机关及其他行政机关、企事业单位培养信息安全管理员(运行维护)，为信息安全企业培养安全服务工程师，为公安机关培养网络警察，培养能够胜任“信息安全事件的预防、发现、处置”工作的技能型、管理型、复合型人才，主要满足一线工作岗位、实践操作技能强、具有大专学历层次的信息安全人才需求。因此，高职院校司法信息安全专业更加注重实践教学，更加注重学生动手能力的培养，更加注重学生职业能力的培养。
3、专业实验室规划与设计
3.1专业实验室规划
信息安全综合实训室的建设紧紧围绕网络信息安全事件“预防发现处置”工作流程为主线，以学生职业能力培养为中心，实现“教、学、做”一体。目标为培养掌握最前沿高级信息安全的实用技能型人才，突出网络信息安全事件处置能力的培养，加强网络安全技术应用与管理能力、信息安全事件处置能力的实训。
3.2专业实验室设计
信息安全综合实训室实验实训综合系统分别由信息安全基础实验室系统(实验性质、仿真环境)、信息安全仿真实训平台(实训性质、仿真环境)、信息安全综合实训平台(实训性质、全真环境)三部分组成,学生通过该实验实训系统的训练，逐步完成从基本技能培养岗位能力建立岗位能力提升及强化三个层次职业能力的三次提升。
（1）信息安全基础实验室系统——（实验性质、仿真环境）
信息安全基础实验室系统能够提供多种常用信息安全产品的仿真环境，能够完成人机操作、多机操作等攻防实验内容。配合理论教学供学生进行日常上机实验，教师可以参照实验室教材与标准讲义，指导学生通过实际操作理解典型网络攻击的原理与手法，进而掌握针对这些典型攻击的各种网络安全防御手段，同时掌握常用网络安全防御软件的配置使用方法。 （教学软件+硬件集成为一体）
要求满足：50人能同时进行交互操作。
（2）信息安全仿真实训平台——（实训性质、仿真环境）
信息安全仿真实训平台通过还原职业活动情景的方式，仿真多种企业环境，重建企业不同的网络安全需求，采用案例分析模式，任务驱动的教学方式，培养学生对企业各种安全问题的综合处理能力，使其掌握不同网络环境下对一系列安全产品的综合部署和配置方法。支持多人配合完成实训任务，具有高互动性和真实性，培养学生团队工作意识。实训方案来源于真实企业需求，并参照国家职业技能鉴定标准符合当前信息安全保障工作对实用型信息安全人才的要求，实现学习与就业的无缝衔接。（教学软件+硬件集成为一体）
要求满足：50人能同时进行交互操作。
4、结语
信息安全综合实训室主要是针对司法信息安全专业岗位（信息安全管理员-运行维护）所要求的核心能力（网络安全技术应用能力和信息安全事件的综合处置能力），进行设计的。信息安全综合实训室的建设为信息安全人才培养提供了全方位的实验环境, 学生在这里通过实验、实训，能够加深对网络攻击技术、网络渗透技术、服务器入侵技术、网络防护技术、数据恢复技术及计算机信息的加密与解密等技术原理的理解，掌握防火墙、IDS等网络安全产品的搭建、配置与使用，电子证据的固定与分析，电子数据恢复，信息安全事件的综合处置等核心技能，对于提升学生就业能力将有直接帮助，同时，对改善学校办学条件、提高教学质量、培养高素质操作技能强的信息安全人才具有十分重要的意义。
参考文献
[1]李建华，张爱新等.信息安全实验室的建设方案[J].实验室研究与探索，2009（3）：65-67
化学实验方案设计能力的培养，不可能一蹴而就，所谓“冰冻三尺，非一日之寒”，必须潜移默化，由量变促成质变，应根据学生的认知规律，由浅入深，由简到繁，循序渐进。在教学实践中，笔者结合教材中的典型实验，引导学生理解实验目的、原理，掌握实验设计的基本原则和方法，加强实验设计思维的培养。
【案例1】离子检验或物质检验型实验方案的设计
《化学必修1》第21页“活动与探究”栏目：氯化铵、硫酸铵、氯化钾、硫酸钾均可用作化肥，它们都是白色可溶于水的固体，探究这几种盐中所含离子的检验方法。
教学过程：
问题1：这些物质中有哪几种离子？
问题2：■、Cl- 、■选用什么试剂检验？有什么现象？如何把实验过程用文字描述出来？
问题3：K+用什么方法检验？具体操作如何？
问题4：检验离子应从哪几个方面分析？
拓展：四种盐如何区分？请画出流程图。
[方案]
延伸：如何验证白色固体是NH4Cl？请写出实验方案。
离子检验或物质检验实验方案的设计，要根据各种离子或物质的某些特性对离子或物质进行检验，熟练把握各种离子或物质的性质，并把握实验方案设计的技巧，进而设计合理的方案。
【案例2】物质制备型实验方案的设计
《化学选修6：实验化学》硫酸亚铁铵的制备
实验方案设计流程如下：铁屑的净化制取硫酸亚铁溶液制备硫酸亚铁铵晶体计算产率。
设计这类实验的整体思路：从原料出发，通过控制反应条件，如对温度的控制，先得到目标产物，即粗产品，接着对粗产品进行分离提纯，是这类实验的重点所在。寻找分离提纯的最佳方案，使所得产品纯度高，产率大。
【案例3】原理验证型实验方案的设计
《化学选修6：实验化学》硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素
设计方案见表1。
这类原理验证型实验方案的设计，是在明确反应原理的基础上，通过控制一定的实验条件，控制单因子变量，最终设计可行的实验方案。
从以上这些典例中，我们不难发现，化学教材中蕴含着丰富的实验设计思想方面的素材，教师应深入挖掘，在日常教学中不断渗透实验方案设计思想。每一个成功的实验其设计思想总是包含着对已有知识的灵活应用与创造性的科学构想。
二、结合课本实验，了解化学实验方案设计的一般流程和基本原则
化学实验方案设计的流程包括：知识铺垫提出问题小组讨论形成方案方案优化规范表达。“以铝为原料制备氢氧化铝实验方案的设计”，通过小组讨论，各小组形成的方案大致可以分为以下两种类型。
第一类制备方法：酸碱法
第二类制备方案：电化学法
方案8：电解法――Al为阳极，Cu为阴极，电解氯化钠溶液。
方案9：原电池法――Al、Cu为电极，浸没在通入空气的NaCl溶液中。
各小组在个人意见的基础上，对各自的实验方案进行评价，对比方案1～7，从制备1mol氢氧化铝消耗酸碱量来看，方案7消耗酸碱量最少，从实验室操作的便利性看，通入气体的操作较为烦琐。对比方案8、方案9，从反应速率来看：方案8>方案9，从能源消耗来看，方案8>方案9。综合以上这些因素，方案7为最佳方案。
由此看出实验方案设计应该遵循以下基本原则：
三、充分挖掘课本中的实验素材，加以适当的指导和训练，提高实验设计能力
1.变验证性实验为探究性实验，提高实验设计能力
验证性实验是用以验证已学过知识的正确性，学生处于被动接受知识的状态，而探究性实验是指在实验的基础上，通过科学的分析、综合等思维来获取知识，学生处于一种主动探索知识的状态，对培养学生的创新能力十分有利。因此，教师应精心安排，积极钻研，变验证性实验为探究性实验，通过探究实验来获取新知识。
在一次优质课评比中，有位教师很巧妙地将课本中的验证性实验转变为探究性实验，收到了很好的课堂效果。当时的课题是“影响盐类水解的因素”，给我印象深刻的是这位教师在处理书本中“活动与探究”这个栏目时设计了这样一张实验报告单：
实验目的：探究影响盐类水解的因素
实验方案的设计
这位教师充分利用课本资源，很巧妙地处理了“活动与探究”这个栏目的教学。既可以有效地改变学生的学习方式，调动学生学习的积极性，又能起到提高学生科学素养，培养学生科学探究能力的作用，对学生适应新课程教学活动起到很好的引领作用，达到最佳的教学效果。
2.将课本中相关结论转化为实验，提高实验设计能力
实验是人们认识和研究物质变化规律或验证某一结论的常用科学方法。书本上的知识凡是能够通过实验来验证或探究的，都应启发学生思维，认真引导学生进行实验设计，甚至还可尝试让学生亲自动手做实验，从而提高学生的探究和设计能力。
【案例】第三周期元素性质变化规律
【实验一】Na、Mg、Al和水的反应：分别取一小段钠、镁、铝，用砂纸磨掉表面的氧化膜，放入三支小试管中，加入2～3 mL水，并滴入两滴酚酞溶液。观察现象。
过一会儿，分别用酒精灯给三支试管加热至沸腾，并移开酒精灯，再观察现象。
【实验二】 Mg、Al与稀盐酸反应比较
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。
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：
药物化学的主要任务就是探索新药开发的途径和方法，创制安全高效的新药，以满足临床的需要。开发有某种活性且有价值的先导化合物，对其结构进行一系列的改造和优化以期创造出疗效较好、毒副作用较小的新药；改造现有的药物或有效化合物以期获得更为安全和有效的药物。故药物化学是一门非常注重实验教学的学科，实验教学不仅是理论教学的重要补充，更是培养学生创新能力和综合能力、提高学生综合素质的重要途径。传统的实验教学的主要形式均是针对药学专业的各门课程的验证性实验为主，在实验过程中学生们按部就班地根据书本上已有的实验步骤和方法去操作，这样的教学形式虽然教授了学生基本的实验技能，但却没有给学生以自我发挥的机会，很容易导致学生主动学习的意识不强，束缚了学生自由思维的空间，不利于创新精神的培养。设计性实验的引入旨在培养学生的综合素质，提高其创新能力和综合能力。
那么如何在药物化学实验中实施设计性实验教学呢？首先，由任课教师给出实验目的及要求，其次，学生通过查阅相关文献自行设计实验方案并开展相关实验操作[2-5]。这是以教师为引导、学生为主体的实验教学方式，需要学生在学习过程中投入更多的精力、发挥更大的主观能动性，教师则需要完成更多的课前准备工作：从课题选择、方案设计、实验准备、实验实施、结果分析等多个环节入手进行准备，充实和完善设计性实验的教学方案。在具体实施过程中，我校选择了药学本科已经掌握了有机合成基本知识的大三学生进行设计性实验教学[6-8]。
1 如何设计课题
1.1 实验课题的选择
如何进行设计性实验课题的选择呢？这首先需要教师完成很多的课前准备工作，譬如原料是否容易获得、实验仪器能否满足、实验操作的难易程度、实验时间的长短、参与人数的多少等，同时还需要考虑学生的基础知识掌握情况、《有机化学》课程的开展情况和学生具体学过了哪些基本操作，在药物化学设计性实验课程中如何从更深的层面来进行研究性学习。
我校学生在已有课程中已经学过有机化学和药物化学的理论知识，在设计性实验课程中选择扑热息痛这一经典的解热镇痛药作为研究对象。针对药物化学专业的基本要求、特点以及设计性实验的题目和内容设计的原则，讨论后提出了《扑热息痛的合成》这个题目和本实验设计的一些基本要求。学生三到四人一组，采取组长负责制，各自选取不同的合成路线来进行方案设计。
1.2 实验方案的设计
在以往的验证性实验中，通常都会给出具体的原料和试剂用量，以及详细的实验步骤，学生只需机械性、按部就班地完成实验操作，即可获得预期的实验结果，虽然学生在实验操作过程中发现的问题教师也都能及时帮助解决，但学生的实验的主动性不能得以体现。
在设计性实验教学中，没有现成的实验步骤供学生参考，实验方案需要学生通过文献调研自行设计，所以首先要培养学生如何进行查阅文献、如何通过整理分析获得所需要的信息。实验方案在很大程度上决定了实验的成败与否。授课教师首先要讲解如何进行专业文献的查阅，并对学生的文献查阅进行指导，譬如可以利用网络搜索工具或现有的图书期刊等，网上资源主要包括一些常用的中英文数据库，如Scifinder和Beilstein检索，以及中国知网、万方、维普、Web of Science、ACS、Elesevier、Wiley-Blackwell等，另外还包括专利文献的检索和获取，二次文献的使用等等。之后每组学生再就各自选题查阅相关文献，对文献进行分类整理并讨论分析。本着节省经费、操作简便、安全无毒的原则，讨论每种合成方法的优缺点及可行性，选定最优的合成路线。接下来就各组实验方案进行组间讨论，教师给予一定的指导，引导学生互相交流、独立思考并如何解决问题。各组学生经过多次组间讨论以及与教师的讨论都可完成实验方案，包括实验题目、目的要求、仪器试剂、实验步骤、预期结果及参考文献等。这种以学生为主、教师为辅的设计性实验教学方式不但提高了了学生学习的主观能动性，而且锻炼了学生查阅文献和分析问题、解决问题的能力，还促进了学生的团队协作精神。
2 如何实施实验
2.1 实验的前期准备
实验的前期准备工作需要任课教师、实验教辅人员和学生的相互配合。学生依据实验方案列出所需设备和仪器试剂等，提前一周递交给实验室管理人员。实验教辅人员再根据学生提交的实验方案准备所需的实验设备和仪器试剂，另外，实验教辅人员还可以指导学生正确使用相关仪器。任课教师需进行预实验，在学生提交的实验方案的基础上，对该药物的合成方法进行全面而系统的检索和总结，找出适合实验室操作的多种合成方法和路线。在预实验的过程中，认真记录实验现象和结果，列出实验的注意事项，并对各条路线的优缺点进行全面的分析，对每步反应做到心中有数，这样才能指导学生进行实验操作。实验前要向学生特别强调安全问题及注意事项。
2.2 实验的具体实施
以“扑热息痛的合成”为例，除了让学生了解设计扑热息痛的一般方法，培养学生灵活运用已掌握的理论知识和实验技能，通过查阅有关资料，自行设计实验方案，从而提高学生分析问题和解决问题的能力。图1就是学生查阅的扑热息痛的几种常用合成路线及各条路线的优缺点。
具体方案如下：①学生提前一周从网上查阅药物的合成方法，完成相应药物合成方法的综述，并说明现行的工业生产方法，设计出合理的实验室合成工艺路线。②进行组间讨论，方案经教师审阅后，若方法合理，条件具备，学生可按照自己的设计方案进行实验。③学生依据与教师研讨的结果，在一周内写出相关药物的合成方法的具体操作步聚，做出具体的实验方案，包装化学反应方程式，原料的物化常数，原料的配料比，反应所用的仪器设备和辅助材料，反应的装置图，反应的关健控制点，产品纯化的方法，预期的收率等。④要求学生按事先规定的投料比进行实验，仔细观察实验现象，认做好实验记录。⑤实验结果和实验报告作为学生药物化学实验考核的主要指标。
设计性实验教学的开展就是为了促进学生主动思考，提高他们分析问题和解决问题的能力。在实验过程中，教师不再讲解实验内容，而是鼓励学生按照各自查阅好的实验方案完成具体操作，对于实验过程中出现的问题教师并不立刻给出建议，而是鼓励学生互相交流、共同研讨解决方案。通过这种教学改革的尝试，发现基本上每组学生都能完成实验方案，达到预定的目标，取得了预期成果。但在实验过程中也发现了一些值得注意的问题：一是学生对实验现象的观察和记录不够仔细，很多学生的实验记录本上只有几组简单的实验数据；二是部分学生实验中遇到问题不能很好地处理，导致实验进程的延缓或结果的误差；三是教师对实验可能出现的问题预计不足，譬如个别试剂短缺造成实验进度减慢等等。这些问题在今后的教学实践中都有待逐步解决，教师和学生共同努力才能更好地完善设计性实验教学。
图1 扑热息痛的常用合成路线及各自的优缺点
2.3 实验的分析总结
在设计性实验教学中，分析总结实验结果也是非常重要的一个环节，学生通过对整个实验过程的思考与整理，锻炼了他们分析问题和解决问题的能力，奠定了他们从事初步的科学研究工作的基础。
各组学生均要完成一份实验报告，实验报告内容包括实验目的、实验要求、实验步骤、实验现象、实验结果、实验讨论等几部分，主要讨论设计性实验的过程和结果，对不同反应路线的优缺点进行讨论和总结。分析实验成功或者失败的原因，然后师生一起总结交流，找出需要改进的地方并提出解决方案。教师对学生所采用的合成路线及实验结果进行点评，分析利弊，使学生更好地了解如何设计药物的合成路线并对其进一步研究。
3 如何分析总结实验效果
《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）.
开放实验室管理系统设计方案怎么写
在学校实验室的管理中，发现了一些问题，其中如：在统筹安排各班级上实验课的时间需要人工实现，而且经常会出现同时有多个班级要使用实验室的冲突，并且调课后没有及时通知老师和班级同学。为了方便实验室的管理，我们提出利用网络来管理实验室的上机情况。以学校的网络实验室为背景，开发一个开放实验室管理系统设计方案.........
六. 实验室管理信息系统??功能描述：??实验室的使用情况、查看实验信息、增加实验项目、增加实验材料。实验室的管理员通过本系统可以清楚的掌握实验室当时的使用情况；同时管理员还可以通过系统的操作界面清楚地了解其中任何一个实验室的试验信息（例如：实验项目的个数、预约的实验时间、实验项目的名字、所需要的实验器材、实验人数等）；当外界人员需要申请在某一实验室做项目时，管理员可以通过查看实验室的使用情况而合理的给申请者安排做实验的时间；为了方便增加实验项目输入实验信息，在系统中备份一些实验常用的实验器材，但是每个实验对器材的要求是不一样的，在系统中我们可以任意的加进实验所需器材，为了提高管理效率系统将器材分为大型中型和小型三类
学校下周让交一份自己设计的实验方案！基本要求??a、实验题目。（如测量某一物理量）??b、写出实验的理论依据及实验公式的推导过程。??c、根据实验要求合理选择所需仪器。??d、实验步骤、注意事项。??e、对结果进行分析，得出结论。??当然不是自己做的也差不多，推荐些网址也行。
实验目的：验证上端开口盛水容器底部小孔出水速度v与小孔离液面高度h之间的关系??实验器材：底部侧面钻有小孔的大容器、米尺、软木塞、铅直器。??实验步骤：??1．用软木塞封闭小孔；??2．将容器置于一定高度H处，并向其中加深度为h的水，??3．拔开软木塞让水流流动一小段时间后再封闭小孔；??4．测量水流最远着地点距小孔正下方的距离L；??5．多次重复1—4步；??6．整理实验器材。??数据处理：??由平抛运动可求水流在空中流动时间 ，由水平方向可得水流出口速度．
初中物理创新实验设计方案（测量纸片下落的速度）
作者：朱文军文章来源：初中物理点击数：309更新时间：2008-10-10
一、实验名称：测量纸片下落的速度
二、实验设计思路：
实验“测量纸片下落的速度”所提供的实验器材有卷尺、秒表、纸片，但是采用这些实验器材
总是发现纸片在下落的过程中忽左忽右的飘，下落的路线不是直的，容易碰到课桌或其它的物体而改变路线。我就想找一种东西来代替它，起初想用气球，但发现更难控制路线，而且气球太大，放在实验桌上会引起学生的无意注意。后来想这种东西应该还是用纸来做，因为如果采用铁球等密度较大的东西做实验的话，由于下落的时间太短无法测量下落时间，或者是测量出来的时间误差太大。最后和同学们一起讨论想到用小时候玩过的三个纸条组成的“纸锥”来替代原来的纸片。而且下落的时间可以通过秒表测出（由于实验室没有足够多的卷尺，可以利用人的身高这个已知条件，此时下落的时间大约是1．2秒）。
三、实验目的：
学会测量运动物体的速度。
四、实验所涉及的科学道理：
测量纸片（改成“纸锥”）下落的速度这个实验利用的实验原理是速度公式 。把纸片改成“纸锥”，主要考虑它在下落时由于下部的形状不同，空气的流速也不相同，根据“在流体中，流速越大的地方压强越小”（伯努利原理），会产生压力差，导致“纸锥”下落时会顺时针或者逆时针旋转（具体旋转的方向是由安装时的顺序决定的）。
五、实验操作步骤：
（1）实验前要测量出同学的身高，作为“纸锥”下落的高度s，记录在实验表格。
(2）一位同学把30～50厘米长的刻度尺平放在自己的头顶，另一个同学按照这样的高度自由释放“纸锥”，同时开始记时，记下“纸锥”落地时所用的时间t，记录在实验表格。
（3）重复上述步骤两次。
（4）根据速度公式计算出“纸锥”三次下落的速度，并计算出平均值。
六、实验装置或照片：
学生可以自制“纸锥”（剪三个完全相同的左右的纸条，把每个纸条对折一次，然后连环套在一起，如图1所示，把三个“脚”向外抽紧，如图2所示）
七、实验所用器材：
“纸锥”一个，30～50厘米长的刻度尺一把，秒表一只。
八、实验效果以及其他需要说明的问题：
实验效果：2005年12月14日前后在南京树人国际学校初二十二个班级中施教效果很好，
解决了原来所用纸片下落不稳、路线不是直线，路程无法测量的缺点，而且实验器材制作方便、成本低廉、操作简单、学生感兴趣。后来在鼓楼区其他学校初二物理教学中得到进一步的检验，各位同行一致反应较好。具有较大的推广使用价值。
说明：在制作“纸锥”时需要用硬度不要太大、密度较小的纸张，学生课堂练习纸最佳。可以选择高个子同学的身高作为“纸锥”的下落高度，这样可以增加下落时间，减小时间测量上的误差，但是会导致矮个子同学很难判断刻度尺是不是水平的；用矮个子同学身高作为“纸锥”下落的高度，可以最大程度的使刻度尺保持水平，但是会使下落时间变短，这样测量的高度准确了，但是下落时间的测量误差会增大。这样的分析过程可以通过学生的讨论完成。
1 物理实验设计能力内涵的认识
物理实验设计能力是指学生在实施物理实验之前,根据一定的实验目的和要求,运用有关物理知识与实验技能,对实验的仪器、装置、步骤和操作方法等实验因素进行规划的能力。它具有较强的综合性、创造性和灵活性等特点。①实验设计的综合性是因为实验设计本身就是一个综合运用所学物理知识与实验技能,对实验的仪器、装置、步骤和操作方法等进行规划的过程,在这个过程中,学生除了具备一定的物理知识和实验技能外,还需要掌握各种科学方法。如观察、测量、记录、归纳整理资料、分析对比异同、抽象概括结论等。②实验设计的创造性,是指通过实验设计,可以充分发挥学生的聪明才智,让学生运用自己所学知识,创造性地构思、设计解决问题的途径和方法。③实验设计的灵活性是指学生在进行实验设计时要具有应变能力,思维要灵活,对于要解决的问题,根据不同的实验条件,可以设计不同的方案
1.某物理小组到外旅游,看到河边有一种漂亮的石子，他们非常想知道它的密度，但手边只有弹簧测力计。请你帮他们设计一个实施方案粗略测出石子的密度（写清实验步骤，并用测量量表示出密度值）
步骤一：用质量、体积均可忽略的细绳捆住石子，用测力计测重力，记录示数F1 步骤二：用测力计钩着将石子浸没在河水中但不碰到底，记录测力计示数F2
ρ=F1*ρ水/(F1-F2)
2.小明手里有一块非常漂亮的橡皮泥，手中还有一个量筒和一盆水，请你设计一个实验帮他测出橡皮泥的密度（①.步骤 ②.表达式）
步骤一：向量筒中注入适量水，记录示数V1，放入橡皮泥块，使其被水浸没但水不溢出，记录水面上升后示数V2
步骤二：将橡皮泥取出，重新读取液面下降后的读数V3
步骤三：将橡皮泥弄干，捏成小船形，轻轻放入量筒内水中使其漂浮，且水无溢出，记录示数V4
ρ=(V4-V3)ρ水/(V2-V1)
3.小明做实验时不小心将两杯液体（清水和盐水）弄混，他只用一支铅笔和一段细铁丝便轻松进行了分辨（写出步骤及表达式）
步骤一：将细铁丝缠绕在铅笔杆一端，使其能够在水中直立漂浮
步骤二：将铅笔细铁丝一端分别放入两杯液体中，在笔杆上标记液面高度
由于漂浮，受力平衡ρ液gSl=mg
标记距绕细铁丝一端较长的是清水，较短的是盐水
4.小兰想测出自家牛奶的密度，但她只能找到一支粗细均匀的细木棒和一段细线、水、一个螺母及一把毫米刻度尺，如何测出它的密度（①.步骤 ②.表达式）{若将毫米刻度尺换成量筒如何？}
使用量筒：
步骤一：将螺母套紧固定在木棒一端，使其在液体中能直立
步骤二：向量筒中倒入适量牛奶，记录体积V1
步骤三：将木棒放入牛奶中，使其能够漂浮且不触到量筒底部，记录液面上升后体积V2 步骤四：将牛奶倒出，洗净量筒，再倒入适量水，记录体积V3
步骤五：将木棒放入水中，使其能够漂浮且不触到量筒底部，记录液面上升后体积V4 ρ奶=(V2-V1)ρ水/(V4-V3)
使用刻度尺：用细线捆住木棒一端，依次慢慢放入牛奶和水中，直至木棒恰好要歪倒，标记该时刻液面在木棒上的刻度，用刻度尺测量浸入端到标记刻度的距离，分别为h1、h2 ρ奶=ρ水h2/h1
5.小明妈妈买来一条质量2Kg的鱼，可小明想知道鱼是否足秤，可手边只有一把量程5N的测力计，还有一根轻质均匀细直尺和细线。（请谁基础实验帮他解决难题 ①.步骤 ②.表达式） 步骤一：用细线做三个环，其中一个固定在直尺0刻度处，一个固定在直尺L刻度处（L不大于为1/5量程），另一个不固定（可在L刻度以上移动）
步骤二：将鱼挂在0刻度处的线环，测力计钩子钩住可移动线环，用一手提起L刻度处的线环并用另一手拉弹簧测力计，使得支持能够平衡
步骤三：改变可移动线环的位置以及拉测力计的拉力，记录若干组测力计示数Fi与可移动线环所在刻度Li(i=1,2...)
由力矩平衡：mg*L=Fi*(Li-L)
代入数据，求m的平均值,即为鱼的质量，与2kg比较即可
6.小红手中有两块外形、体积相同的小金属块，请你设计实验比较两金属块密度大小，器材自选（①.步骤 ②.表达式）
器材：天平
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）25-0039-02
2016年2月，国务院针对城市交通阻塞问题提出了“街区制”的解决方案，提出居民小区和企事业大院应逐步向社会开放，优化城市路网，提高城市的交通效率。2016年7月，中国人民大学，北京航空航天大学，中国政法大学等多所北京高校率先开放校园道路，以促进区域交通微循环，减少过往车辆绕校园的现象，被社会媒体解读为“大学拆墙”。很显然，随着中国高校从上世纪五十年代的“大院制”向世界名校“街区制”的发展趋势，中国高校将呈现开放式办学的全新姿态，向社会提供了交通资源、教学资源、实验资源与科研资源，这是当前中国高校开放式办学的宏观背景[1]。
随着普通高校对教学目标的重定位，特别是各类工程院校意识到培养应用型人才才能响应中国生产力提升的需求，能解决学生就业难问题，因此提出了多种新型的实践教学法，与生产需求挂钩，请企业工程师担任实践教师，围绕着生产问题而布置学习内容[2]。这样实验室从传统的理论教师安排实验项目，转变为学生根据生产需求，在实践教师的引导下，自发申请实验项目。理论教师根据学生申请，安排实验室开放时间和开放项目，学生可以在指定的时间，在企业工程师、理论教师的共同指导下开展实验。这是当前中国高校开放式办学的微观背景[3]。
综上所述，在中国高校开放式办学的需求下，高校的实验楼周边人群复杂，实验室利用率提高，实验安排繁忙，实验项目从风险可控的验证型实验向不可预见结果的研究型、设计型实验转变，从而形成了越来越难以掌控的实验室安防态势。在复杂的实验室开放环境下，一旦发生实验室突发事件时，因为校保卫处和保安公司对实验室情况不熟悉，采取错误的应对措施，就会引发严重的事故。因此在实验室事故发生时，需要采用先进科技判明事故类型，查询最佳处置预案，把事故详情通知实验室的责任人，把处置预案告知保安，并调集实验室师生前往支援。针对这一需求，应用“感知层、网络层、应用层”三层开发架构，设计了一个开放实验室物联网安防系统，将能有效地控制突发事故时的经济损失和人员伤亡[4]。
1 物联网架构的设计
本设计在实验室前端安装了各种传感器，以实现事件类型的感知。一般来说，门磁传感器被布置成有线的形式，可检测门窗在未开放时段被异常打开的突发事件；有毒气体传感器布置成有线的形式，安装于化学实验室的操作台，用于检测实验过程中操作流程错误导致的毒气泄露事件；可燃气体传感器布置成有线的形式，安装于可燃气体管道附近，用于检测实验后未关闭气管的事件；RFID传感器布置成有线的形式，分为两种，一种是915Mhz的10m距离的读卡器，用于检测贵重设备是否被带出特定实验室，一种为13.56Mhz的IC卡门禁读卡器，配合门磁传感器，可用于非法入侵实验室事件；人体红外热释电传感器布置成无线的形式，布置在交通要道处，将随着实验楼承担不同的研究任务而导致人流热点区域改变即时调整位置，可以用于检测实验楼各区域的繁忙态势，大数据分析表明，实验室的安全事故和使用人流量存在着一定的相关性；撞击传感器布置成无线的形式，用于检测敏感区域破坏墙、门、窗的事件；爆炸传感器也布置成无线形式，用于在发生爆炸事故时，分析爆炸区域和规模，快速计算疏散路径的用途；摄像头采用串口通讯的方式，用于获取突发事件发生瞬间的图像信息，以便云端可以人工检查事件类型，减少误报事故，同时事故瞬间相片也能让实验室负责老师在第一时间了解实验室的真实状态，更好指导保安采取正确的处置措施[5]。在每个实验室内各种传感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模块。MCU通过有线和无线的方式，收集传感器监测到的突发事件[6]。
在网络层，MCU把突发事件编码，拼接成“房间号，事件号”字符串，通过3G Modem，应用Socket通讯技术向云安防中心发送字符串。在实验室突发事件的同时，MCU向摄像头发出拍照指令，得到事故瞬间相片。MCU通过3G Modem，将事故现场相片上传云应用层的安防中心。随后，MCU也将报警以短信形式发送给实验室的负责教师，将事故图像以彩信的方式发送给实验室负责教师。
物联网的应用层也称为“云端”，保卫处在云端建设安防中心，收到各实验室MCU发来的报警信息后。第一步，先呼叫当班保安立即前往事故现象查看。第二步，在预案数据库检索相应的应对措施，调取师生安全员的联系方式，对所有师生安全员群发事故短信，并拨打师生安全员手机，要求师生安全员到现场协助保安处置事故。第三步，向保卫处领导，实验室相关院系领导，学校分管领导汇报警情，以备事件难以控制时，能更加有效地组织施救团队，以及大规模调动应急物资。
2 硬件开发
在本系统中，感知层有较多的硬件开发工作。每个实验室的核心MCU都要外接十多个传感器，还需要连接“3G MODEM”。因此选择飞思卡尔公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33个传感器，也可通过“MAX232”芯片发送AT指令，从而控制串口上的“3G MODEM”。“3G MODEM”选择华为公司生产的“GTM 900C”，因为内嵌了“TCP/IP”协议，使得图像上传和彩信发送较容易实现。摄像头选择深圳市高信通电子有限公司生产“GXT-Y101”的模块，其特点是可以通过串口接受MCU发出的拍照指令，又能压缩图像为JPEG格式，减少串口通讯耗时。
网络层的通讯工作主要由“GTM 900C”模块承担，内置了“增强AT指令集”，因此具有较强大的Socket通讯、短信发送、图像传递、彩信发送的功能。实验表明，在传递“房间号，事件号”短信时，只需耗时4s，以彩信的方式传递一张50 kB事故实时图像，只需耗时30s。
以MCU上传事故图像为例，完整步骤如下：（1）MCU通过IO脚检测到传感器事件；（2）MCU通过串口1，向传感器同房间的摄像头发送拍照指令“5600360100”，摄像头完成事件瞬间的图像的感知工作；（3）MCU向摄像头发出“5600340100”指令，即要求摄像头返回照片的数据长度；（4）MCU发出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求阅读摄像头的此时长度为“A4B9”的图像；（5）MCU收到图像后，发出指令“5600360103”，摄像头又恢复到待机状态；（6）MCU通过IO脚虚拟的串口2，向“GTM 900C”发送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”发送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通讯的状态设置；（8）MCU向“GTM 900C”发送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的设置，即用本地的1237端口与互联网上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口发起通讯，建立UDP连接；（9） MCU向“GTM 900C”发送“AT%IPSEND = "（图像数据）"”，完成事故图像向云端的安防中心的上传，传递50 kB的事故图像约18s；（10） MCU向“GTM 900C”发送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切断UDP连接，进入待机状态。
3 云端软件开发
云端安防中心模块结构见图1，云端通过WINSOCK模块接收各实验室的门禁信息，通过WINSOCK模块接收各实验室的突发事件传感器信息和现场图像，通过一个“GTM 900C”模块群发调度指令给当班的保安，要求大楼保安和巡逻保安赶往出事地点，也可通过保安的手机移动APP实现对保安的调度。计算服务器接着按“房间号”、“事件号”为查询关键词，在SQL SERVER数据库搜索相应的“处置预案”，并从处置预案中获得师生安全员的联系方式，通过第二个“GTM 900C”模块向师生安全员和保安群发处置预案，要求各人员严格按处置预案开展应急措施，避免事故扩大或造成应急人员伤亡。最后实现彩信群发，向所有应急人员现场照片，让应急人员对现场内部状态有较准确了解。
如果学校规模较大，或是要将教室、办公室也纳入安防监控体系，可以通过增加计算服务器来提高指令的效率。把各计算服务器布置成并行作业的状态，每一台计算服务器都具有应急指挥的完全能力，每台计算服务器在下达应急指令过程中，从空闲状态转变为繁忙状态，由其他空闲计算服务器来响应新的事故报警。该设计使得云端具有同时应对多个事故的指挥能力，而且即使若干计算服务器突然损坏，也不会导致应急指挥的中断。实践证明，每三百个实验室、教室、办公室配置一台计算服务器，在多起突发事件同时发生时，云端仍然具有多点扑救的指挥能力。
4 结论
系统在南京理工大学紫金学院进行了测试。紫金学院采用了“项目教学法”来培养应用型人才，应用了“任务引领，实践导向”的教学思想，学生在企业实践教师的指导下，根据生产需求，自行设计了各种全新的实验项目，传统实验室管理方法无法适应实践教学的新需求。应用了基于物联网的实验室安防系统后，即使实验项目日趋复杂，也能按传感器类型对突发事件进行有效地分类，调取匹配的处置预案，更精准地指挥保安和师生安全员应对实验室事故。而且在平时，实验室安防系统可以从门磁传感器数据统计实验室的实验教学的情况，根据IC卡门禁读卡器数据计算学生实践学时和教师的实践课时，通过热释电传感器了解实验大楼的人群分布，及时调整巡逻保安的巡防区域。所以本系统不仅仅能发挥安防应急指挥的作用，也能加强实践教学的管理。
参考文献：
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[3] 林宇洪， 陈清耀， 巫志龙等. 基于物联网的实验室安防报警器设计[J]. 江西科技师范大学学报， 2015（6）.
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:
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[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
前言
伴随着汽车行业的迅猛发展，不同汽车行业的整车厂都先后推出自己生产研制的不同排量的发动机，在发动机的整机OTS生产状态，都需要进行不同的零部件的设计，试验对比，从而选出最佳的设计作为批产的设计方案，本文介绍的就是在发动机研制过程中，对发动机汽缸垫的选型，设计、模拟计算、试验验证，通过试验数据的对比验证，确定最后的设计方案进行批产。
1 汽缸垫的作用
气缸垫位于气缸盖与气缸体之间 又称气缸床. 其功用是填补气缸体和气缸盖之间的微观孔隙，保证结合面处有良好的密封性，进而保证燃烧室的密封 防止气缸漏气和水套漏水。
随着内燃机的不断强化，热负荷和机械负荷均不断增加，气缸垫的密封性愈来愈重要.对结构和材料的要求是：在高温高压和高腐蚀的燃气作用条件下具有足够的强度，耐热；不少损或变质，耐腐蚀；具有一定的弹性，能补偿结合面的不平度，以保证密封；使用寿命长。
2 汽缸垫的试验研究
2.1 汽缸垫的设计方案
根据某系列汽油发动机开发阶段的规划，对1.5T原型样机进行汽缸垫温度场验证试验，并对各汽缸垫进行检测各点温度值，为设计部门提供相关的试验数据，对比实验数据，并以确定最佳汽缸垫方案。三种方案如下图所示，图1、图2、图3。原型样机的汽缸垫方案如图1所示。
图 1第一种汽缸垫设计方案 图 2 第二种汽缸垫设计方案
图 3 第三种汽缸垫设计方案
2.2 试验方案
在发动机缸体上进行打孔，安装热电偶传感器测量鼻梁区的温度，对比各个方案的温度变化值。
2.2.1 试验各传感器的安装
如图4所示，第15点，16点、17点为我们试验所要检测的测量点。
2.2.2 试验工况
本次试验的转速我们选取1000rpm、3000rpm、4000rpm、5500rpm以上4点在全负荷的工况下，测量个点的温度值，每个工况温度5分钟后进行测量取点。机油温度不需要控制，出水温度控制在90±3℃。
2.2.3 试验数据
3 结论
通过试验的数据的对比，第一方案的发动机汽缸垫的的测温比其他的二个方案略低一些。能够使发动机的缸体温度降低下来，保证了整机的温度要求，因此我们选取第一方案的设计作为我们的首选方案。
