實驗室方案設計大全11篇

緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的11篇實驗室方案設計范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

篇（1）

實驗室鑰匙控制柜是基于嵌入式STM32硬件而設計的，主要包括STM32F103ZET6中央控制器模塊，TCP/IP網絡通信模塊，指紋采集模塊，電磁鎖驅動模塊。

1.2嵌入式處理器

STM32嵌入式處理器是ST公司基于ARMCrotex-M3內核的STM32F103ZET6STM32嵌入式處理，該處理器運行最快速度能夠達到72MHz。內部集成了512K的閃存程序存儲器，以及高達64K字節的SRAM，支持睡眠、停機和待機模式。根據STM32數據手冊，該處理器在IO方面多大112個快速IO，所有IO都支持中斷處理，同時還配有13個通信接口，內部集成了5個USART接口、3個SPI接口、2個I2C接口、1個SDIO接口，FSMC和USB接口。這些豐富的外設資源使得這款芯片非常適合與本系統的開發，同時又提供了非常方便的后續升級和維護。

1.3指紋驗證

模塊驗證正確的時候，鑰匙柜自動打開電磁鎖，教師便從柜子里面拿取實驗室鑰匙柜的鑰匙。管理員也可以通過指紋驗證進入系統，對鑰匙柜進行系統設置。本系統采用的FM-180指紋采集塊，FM-180屬于高亮背景光學頭指紋識別設備，采用光學指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構成，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等項功能。指紋采集塊和STM32是通過USART1來通信的，雙方的通信按照通信協議進行數據傳輸。STM32的指令、模塊的應答以及數據交換都是按照規定格式的數據包來進行的。主機必須按照通信協議要發送的指令或數據，也必須按協議解析收到的數據包。

1.4網絡模塊

本系統的TCP/IP網絡模塊，主要是向管理服務器上傳數據和報表。將數據正確發送到以太網、將以太網上的數據正確接收到是本網絡模塊的關鍵。要在以太網上正確傳輸數據，使用網絡協議是必不可少的，而TCP/IP協議是首選。使用完整的TCP/IP協議當然能夠實現上述要求，但由于本系統使用了嵌入式硬件和軟件系統，其資源有限，因此必須對協議進行精簡。所以，本系統要針對STM32嵌入式硬件進行TCP/IP協議的嵌入以及設計應用層的協議。目前基于STM32嵌入式控制器的以太網設計都是嵌入是UIP協議。UIP是一個可實現的TCP/IP協議組件的一個非常重要的部分，UIP的實現目標是保持代碼大小和存儲器的使用量最小。UIP代碼的大小和RAM的需求比其他一般的TCP/IP棧要小很多。所以本系統中使用UIP協議棧。

1.5GUI模塊

本系統中鑰匙柜終端的操作界面都是基于觸摸屏來實現的，包括狀態的顯示，信息的輸入，系統設置輸入等都是通過觸摸屏交互。鑰匙柜端使用的觸摸屏分辨是240*320，顯示效果細膩、清晰。該TFT屏的控制是通過STM32的FSMC接口，再配合嵌入式圖形軟件uC/GUI，實現了簡易明了的終端控制界面。

1.6電磁鎖驅動模塊

本系統選用的電磁鎖為瞬間通電，耗電省，結構簡單，安裝方便，使用成本低等優點。電磁鎖工作參數是：工作電壓12V，允許電流600mA，通電工作時間小于1S，允許通電最大時間10S，插銷長度為10mm。綜合以上電磁鎖工作條件，本系統中STM32的GPIO口輸出電流有限，因此需要加一級電流增強，所以利用GPIO控制小功率晶體管來驅動電磁鎖，實現電磁鎖的開關。GPIO通過限流電阻接到NPN晶體管的基極，晶體管的集電極接電磁鎖，使用12V電源。當GPIO輸出高電平時晶體管導通，電磁鎖有電流流過，驅動插銷工作，實現開關功能。

1.7攝像頭模塊

本系統采用OV7670攝像頭模塊。OV7670是OV公司生產的一顆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位影像數據。該產品VGA圖像最高達到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質量、數據格式和傳輸方式。該圖像傳感器應用獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩定的彩色圖像。

1.8數據報表

實驗室管理軟件在每一個時間段內都必須生成相應的數據報表，以記錄實驗室使用的具體情況。數據報表保存在服務器的硬盤空間內，以便隨時可以查看。

篇（2）

【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0006-02

一、原有設備落后，實驗效果差

PLC原理及應用課程是電子信息、自動化、機電一體化等專業的一門重要課程，該課程為一門應用學科，實踐性非常強。目前，內蒙古電子信息職業技術學院開設PLC原理及應用基礎實驗的PLC實驗室使用的是天津源峰科技公司的TVT-90A3型箱式PLC訓練裝置，該實驗箱配備的是松下FP1-C40主機，此主機高級指令少，程序存儲空間小，可擴展性差，隨著行業的發展，松下的主機在國內市場應用中已大幅減少。學院新采購的MPS柔性系統、電梯、機械手等綜合實訓教學設備在PLC主機選配上主要是西門子和三菱的主機，所以為了方便教學，需要對PLC實驗箱進行更換主機的改造。

二、實驗箱改造方案設計

TVT-90A3箱式PLC實驗箱采用模塊化設計，由主機區、主機接口單元與指令訓練區、實驗單元板三部分組成。如圖1所示：

圖1 改造前的TVT-90A3 PLC實驗箱

為了減少投入成本，充分利用原來落后、淘汰的資源，經論證得出：只要將原主機更換為符合功能需求的新型主機，完善主機接口單元線路，保留原實驗單元板，即可滿足實驗教學要求。

（一）PLC的選型

PLC按照I/O點數分為：小型（128點以下）、中型（129～512點）和大型（513點以上）三類，根據實驗教學項目分析，小型PLC的I/O點數、指令功能和存儲容量等性能指標都能滿足要求，選定時，可依照如下過程來完成。

第一、確定廠商

對中、小型PLC的目標用戶而言，市場上主要生產廠商的PLC產品均能滿足其要求，所以在產品選型時，價格是十分重要的因素。日本產品在該領域一直占有優勢，但西門子在推出新一代小型PLC產品S7-200后，其價格與日本產品相差不大，已經與日本主要產品（Mitsubishi和Omron）在小型PLC領域取得了類似的市場地位。近年來，由于具有明顯的價格優勢，中國臺灣的部分PLC廠商在小型PLC領域也搶占了一部分市場。相比各家廠商，西門子的市場占有率更高，其產品功能強大、運行穩定、可擴展功能塊較多以及適用多種人機界面和監控組態軟件。近年來，學院新采購配備有PLC的教學設備中，也以西門子的產品為主。綜上所述，為了保證實驗教學所使用PLC主機的一致性，確定使用西門子的產品。

第二、通過I/O點數確定主機具體型號

1.需求分析

TVT-90A3實驗箱主機接口單元I/O點數為：輸入24點，輸出24點，4個A/D點和4個D/A點。根據所有實驗單元板所需I/O點數分析，PLC主機 I/O點數為24DI/24DO可以完成基本實驗和綜合實訓。實驗箱接口單元雖然有A/D、D/A接口，但沒有可以與其配合使用的實驗單元板，所以此功能將在下一步的S7-200產品參數對比中分析是否選配。

2.S7-200產品參數對比

通過表1所示，CPU 224xp與CPU 226兩款主機I/O點數較多，結合表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主機雖然集成了A/D功能，但其模擬量輸入輸出點只有2/1，而且實驗箱內沒有與之對應使用的實驗板，使得該方案所有I/O點不能全部有效利用。而方案2總的I/O點數與需求點數正好相同，并且市場報價低于方案1，組合后的整體尺寸相對較小，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）主機與接口單元接線設計

三、實驗箱改造實施及測試

1.更換主機，并按照圖2所示完成I/O接線焊接，實驗箱改造后主機區如下圖所示：

圖3改造后的TVT-90A3 PLC實驗箱主機區

2.使用PC/PPI電纜將PC機COM口與實驗箱主機通訊端口連接，并在PC機安裝STEP 7 - MicroWIN V4.0編程軟件，編寫如下測試程序：

下載程序后，使用導線連接輸入/輸出公共端，依次連接開關SA0和輸入端CH0～CH17，HL0發光管和輸出端CHO～CH17，撥動開關SA0，HL0發光管和主機面板上對應的Q0.0～Q2.7指示燈會依次點亮，表示主機工作正常，線路連接正確，改造完成。

參考文獻：

篇（3）

1.科學性：實驗原理、實驗方法和操作過程必須科學。

2.可行性：設計的實驗方案要切實可行，所用藥品、儀器、裝置安全可靠。

3.安全性：實驗操作要盡量避免帶有危險性的操作，盡量避免與有毒物質接觸。

4.簡約性：實驗方案設計要求操作簡便、裝置簡單、實驗現象明顯。

二、一般解題思路和方法

1.明確目的原理――明確實驗目的，弄清題給信息。

2.選擇儀器藥品――選擇合理的化學儀器和藥品。

3.設計裝置步驟――設計出合理的實驗裝置和實驗操作步驟。

4.記錄現象和數據――全面、及時而又準確地記錄實驗過程中的現象和數據。

5.分析得到結論――根據實驗觀察到的現象和記錄的數據，通過分析、計算、圖表、推理等處理得出正確的結論。

三、實驗方案的評價

實驗設計的評價包括實驗原理及方案的評價、實驗裝置的評價、實驗操作的評價、實驗現象的描述與結論分析的評價等。一般從以下幾個方面入手：

1.方案在理論上是否科學合理，是否具有嚴密性。

2.在滿足安全性的前提下，操作上是否簡便。

3.從經濟角度評價，是否節約試劑、降低成本和提高產品質量。

4.從環境角度考慮，是否會給環境造成污染。

四、例題解析

例1 （2016年南寧）下列實驗方案，實驗設計達不到實驗目的的是（ ）。

方案實驗目的實驗設計

A比較人體吸入的空氣和呼出氣體中氧氣的含量

將燃著的木條分別插入空氣樣品和呼出氣體的樣品中

B鑒別CO和CO2分別通過灼熱的CuO

C驗證燃燒的條件之一是溫度要達到可燃物的著火點用玻璃棒分別蘸取酒精和水，放在酒精燈火焰上加熱片刻

D除去CaCl2溶液中少量的鹽酸加入過量的碳酸鈣，待沒有氣泡產生后，過濾

解析 將燃著的木條分別插入空氣樣品和呼出氣體的樣品中，插入空氣的木條正常燃燒，插入呼出氣體的木條熄滅，A方案可以比較人體吸入的空氣和呼出氣體中氧氣的含量；一氧化碳具有還原性，能與灼熱的氧化銅反應生成銅和二氧化碳，二氧化碳不能，B方案可以鑒別CO和CO2；用玻璃棒分別蘸取酒精和水，放在酒精燈火焰上加熱片刻，蘸取酒精的可以燃燒，蘸取水的不能燃燒，因此C方案驗證了燃燒的條件之一是可燃物；鹽酸能與碳酸鈣反應生成氯化鈣、水和二氧化碳，再過濾除去過量的碳酸鈣，D方案能除去雜質且沒有引入新的雜質，符合除雜原則。

答案：C。

例2 （2016年泰安）某同學設計了以下四個實驗方案，理論上正確，操作上可行，經濟上合理的是（ ）。

A.Cu稀鹽酸CuCl2NaOH溶液Cu（OH）2

B.H2O通電O2MgMgO

C.CaCO3高溫CaOH2OCa（OH）2Na2CO3NaOH溶液

D.MgCl2NaOH溶液Mg（OH）2NaMg

解析 銅不與稀鹽酸反應，A方案在理論上是錯誤的；水通電分解生成氫氣和氧氣，鎂與氧氣反應生成氧化鎂，B方案理論上正確，但水通電分解制取氧氣成本較高，經濟上不合理；碳酸鈣高溫下分解生成氧化鈣和二氧化碳，氧化鈣與水反應可生成氫氧化鈣，氫氧化鈣與碳酸鈉反應生成氫氧化鈉和碳酸鈣沉淀；C方案理論上正確，操作上較為簡便，經濟上也合理；氯化鎂與氫氧化鈉溶液反應生成氫氧化鎂沉淀和氯化鈉，但鈉不與氫氧化鎂反應生成鎂，D方案在理論上是錯誤的。

答案：C。

例3 （2016年龍東）某同學在研究硫酸化學性質時，將一定量的稀硫酸放入盛有氧化銅的試管中，觀察到固體完全溶解，溶液變藍色。

反應的化學方程式是。

同學們對于反應后溶液中的溶質成分產生了興趣，進行了如下探究：

【猜想與假設】猜想一：硫酸銅；猜想二：（化學式）。

【活動與探究】甲同學取少量反應后的溶液于試管中，滴加氯化鋇溶液，觀察到有白色沉淀產生，認為猜想一成立。

乙同學取少量反應后的溶液于試管中，加入足量的鐵粉，觀察到有紅色固體出現、的現象，認為猜想二成立。

【反思與評價】丙同學進行分析認為同學的方案不合理，理由是。

解析 氧化銅和稀硫酸反應生成硫酸銅和水。【猜想與假設】“固體完全溶解”說明氧化銅完全反應，沒有剩余；對于稀硫酸，可能恰好完全反應，也可能有剩余，所以反應后的溶液中的溶質有兩種可能，一是硫酸銅；二是硫酸銅和稀硫酸。【活動與探究】由題意認為猜想二成立，即含有硫酸的溶質為硫酸、硫酸銅兩種，加入鐵粉的現象為有紅色固體出現，溶液由藍色變為淺綠色，且有氣泡產生。【反思與評價】氯化鋇與硫酸、硫酸銅都能反應，產生白色沉淀，不能判斷溶液中是否含有硫酸，甲方案不合理。

答案：CuO+H2SO4CuSO4+H2OCuSO4、H2SO4 產生氣泡，溶液由藍色變為淺綠色 甲 氯化鋇與硫酸、硫酸銅都能反應，產生白色沉淀，不能判斷溶液中是否有硫酸

例4 （2016年海南）實驗室有一瓶敞口放置的過氧化鈉（Na2O2）固體，同學們想知道這瓶過氧化鈉是否變質，進行如下實驗探究：

【查閱資料】2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2，2Na2O2+2H2O4NaOH+O2。

【提出猜想】①沒有變質 ②部分變質 ③全部變質

【實驗過程及結論】

（1）取少量樣品于試管中，加入足量水，無明顯現象，證明猜想正確（填序號）。

（2）取少量（1）中所得溶液于試管中，滴加適量稀鹽酸，有無色氣體產生，證明原樣品中一定含有。

篇（4）

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

職業教育是國家中長期發展規劃綱要中重點研究的課題，又恰逢鐵路、地鐵等城市軌道交通大發展時期，且鐵路信號系統設計、安裝、操作維護人員又是鐵路、城軌現場緊缺的人才。所以，為滿足職業教育需求，建設一套集科研和教學為一體的鐵路信號計算機聯鎖系統尤為必要。

一、研究的必要性

現有的電子聯鎖控制系統結構大多采用在聯鎖核心層以計算機軟件運算簡單地替代原有6502的聯鎖邏輯功能，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，設計、施工、維護的工作量大且設計周期長，對專業技術人員的專業技術素質要求很高。所以一種模塊化的全電子鐵路車站信號控制系統成為一種發展趨勢，且國內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培養專業技術人才的軌道交通職業院校，更有必要研制、建設一套集學生實訓教學、職業資格認證、企業崗前培訓及教師等科技人員科研開發的綜合平臺，為學生提供了與企業零距離接觸的實習、實訓、信號工職業資格認證環境，從而能更快地適應企業運營生產的技術需求，更好的為企業服務，同時又為教師等科研人員提供科研開發的平臺，具有較高的實用價值和發展前景。

二、國內外研究現狀分析

近年來，鐵路、地鐵及輕軌等軌道交通行業企業對專業人才的能力要求日益提高，而且對畢業生的需求量日益劇增。一些高職院校購買了能全面提高學生專業能力的鐵路車站信號控制系統，但都僅停留在繼電式6502電氣集中聯鎖或以信號大繼電器作為接口電路的計算機聯鎖車站信號控制系統，研究一種基于分布式操作系統的全電子鐵路車站信號控制系統，并應用于教學、科研中，在國內尚屬首例，國際上也處于領先地位。

三、技術方案

理論結合現場實際應用，提出基于分布式操作系統的、模塊化、全電子鐵路車站信號控制系統的功能需求。

（一）功能需求

聯鎖關系和技術條件滿足中華人民共和國鐵道部行業標準TB/T·3072-2002《計算機聯鎖技術條件》，并具有監測（軌道電壓、道岔電流等）、歷史記錄和回放、遠程診斷和維護及與CTC等接口結合功能，同時受安裝的現場場地及設備數量限制，采取車站信號聯鎖控制全部功能在計算機上的鐵路標準站場Ⅱ中模擬實現，部分功能在室外真正的鐵路小站場實現（鐵路小站場按照單向接發車，由一組9#單動道岔、5個軌道區段組成，設置一架進站信號機、一架出站信號機、四架調車信號機，單動道岔分別由一臺ZD6-D型轉轍機驅動，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），既滿足現場實際應用又滿足教學要求，并有二次開發功能。

（二）方案設計

根據此項目的功能需求結合鐵路車站信號聯鎖控制系統的相關理論知識，并在充分調研、廣泛聽取鐵路信號控制系統的專家的建議的基礎上，設計出切實可行的基于分布式、嵌入式操作系統QNX的車站信號控制系統。該鐵路信號聯鎖控制系統網絡層次采用3層網絡結構：人機對話層、控制層（又稱聯鎖層）及監控對象層3個物理層次，最下層為監控對象層即室外各種信號設備，主要包括安裝在軌旁的軌道電路、轉轍機、信號機。分布式、嵌入式QNX操作系統安裝在聯鎖控制層，此層也是系統核心層，完成車站信號的所有聯鎖邏輯運算，并通過雙重聯鎖總線與接口模塊進行通信控制來監控對象層；通過雙重以太網與人機對話層進行通信。并利用QNX操作系統具有的高效、模塊化、簡潔、多任務、優先級占先的進程調度以及快速的程序(上下文)切換時間等幾個特性，聯鎖軟件就是在這樣一個操作系統平臺上，實現鐵路車站信號聯鎖控制，QNX系統這些特性是通過如下兩個基本的設計原則取得：微內核結構和基于消息的進程間通信，在QNX微內核環境中各個信號機、道岔和進路間通過基于消息的進程實現各受控對象狀態及命令的信息傳遞。同時該車站信號控制系統取消以往信號控制系統的室內計算機聯鎖核心層到室外信號設備等受控對象之間的傳統接口大繼電器，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、信號機組合模塊、道岔組合模塊和零散組合模塊，每個IO模塊采用進口小型繼電器及可控硅實現強弱電轉換控制，通過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象的表示信息，并集成在一塊PCB板上，每個模塊均具有兩套電路，采用二取二的安全原則實現故障安全。

（三）軟、硬件設計在保證系統安全、可靠的前提下，系統的硬件、軟件方面采用“模塊化”的思想設計開發計算機聯鎖系統，并采用雙機熱備工作方式。按照方案要求設計硬件及工程焊配線圖紙，車站信號控制系統硬件由電源屏、控制臺、主機柜、擴展機柜及室內外防雷分線盤組成。根據方案要求使用QNX開發系統的專用軟件mcCAD繪制車站站場圖，生成該車站信號控制系統聯鎖數據庫，在另一臺虛擬機上安裝QNX操作系統，并把設計好的聯鎖應用軟件安裝在該虛擬機上，把站場數據庫加載到該聯鎖軟件上，通過編譯后生成幾個支持聯鎖系統運行的可執行文件，如IO接口文件、聯鎖進程管理文件等。然后把開發系統開發的文件等裝載在QNX目標系統，即這些可執行文件安裝在人機對話層以及聯鎖控制層的上位機、電務維修機和聯鎖機中進行軟硬件聯調聯測，并針對具體案例不斷修改。聯鎖控制軟件設計滿足功能需求及鐵路行標，如道岔有開通定位和開通反位及“四開”三種狀態，信號機根據設置的位置、作用不同有不同的顯示狀態，如調車信號機有藍燈或滅燈禁止調車狀態和白燈允許調車狀態，軌道電路有空閑和占用狀態以及進路是否有敵對進路等。另外軟件應時時監測受控對象，發現故障及時關閉信號并報警，聯鎖軟件不斷通過回讀、軟件雙編碼實現板級故障自診斷及覆蓋率高的自檢、隨時回應高級中斷申請等多任務執行。

（四）室內外設備安裝為增強教師的動手能力，從施工單位借安裝工具，進行室外信號機、轉轍機、軌道電路的安裝、布線等。既節省開支又給職業教育的老師提供現場動手操作能力，必要時帶領優秀的學生一起安裝配線施工。

（五）實驗測試模擬測試聯鎖程序功能、室內設備聯鎖實驗、室內外設備系統的單點聯鎖測試的先后順序。最后進行系統聯調聯試，即在室內聯鎖系統控制臺上排列進路，然后在室外模擬壓車進行測試，查看是否按預定方案完成車站信號控制系統功能，如有出入則要繼續進行反復修改，最后試運行，逐步將系統完善。

四、本實驗教學系統改變傳統的高職院的車站信號控制系統中信號大繼電器作為接口層的聯鎖控制結構或室內外接口部分保留繼電器的計算機聯鎖系統，而把全電子、模塊化接口結構、并采用一種基于分布式操作系統QNX的聯鎖控制系統引入高校教學科研系統，具有創新性，并更好地應用于教學、科研中。全電子的聯鎖控制系統使設計、施工、維護、擴容更加方便靈活，是鐵路、城市軌道交通控制系統的車站聯鎖的發展方向，具有一定的前瞻性和實用性。

篇（5）

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）24-0274-03

一、引言

實驗教學是學生從學習理論知識到走向社會的橋梁，對提高學生綜合素質、培養學生創新精神和實踐能力有著理論教學不可替代的特殊作用[1]。特別是主干課程的實踐教學，它是應用型人才培養中的關鍵環節[2]。課內實驗是指與理論課相捆綁的實踐教學，即嵌入到專業基礎課或專業課內的實驗實踐教學[3]。它是與理論教學并行實施的實踐教學環節，能夠幫助學生深入理解和掌握所學的專業知識。

數據結構是隨著處理對象的復雜性不斷增加而發展起來的一門課程，作為計算機專業的核心課程，在專業人才培養鏈條中占有舉足輕重的地位[4-7]。數據結構主要研究數據在抽象視圖和實現視圖中的表示和處理方法[8，9]。抽象視圖涉及的是數據結構的理論性部分，實現視圖主要體現的是數據結構的實踐性，理論指導實踐，實踐支撐理論，因此設計有助于課堂理論教學的實驗教學方案是非常有必要的[10]。它可以解決學生對所學知識缺乏必要感性認識的問題，將知識傳授、技能訓練、能力培養融于一體，使所學理論知識在實驗中得到驗證和應用[11]。

棧和隊列是兩種非常重要的數據結構，它們有非常多的實際應用并且是實現其他復雜結構的基礎，因此為了幫助學生掌握并靈活運用這兩種結構，本文給出一種棧和隊列的實驗教學方案。該方案的設計思路也可以應用于其他數據結構或課程的實驗教學方案的設計。

二、認識兩種重要的數據結構――棧和隊列

棧和隊列是兩種運算受限的線性表，它們的插入和刪除運算都被限制在表的端點處進行，只是具體的受限規則不一樣[12，13]。

（一）學習對象

棧（stack）是運算受限的線性表，它被限制在表的一端進行插入和刪除操作。能進行插入和刪除的一端稱為棧頂，另一端稱為棧底。正是由于它插入和刪除操作上的限制使得它具有了一種獨特的“后進先出”（LIFO）的特性。棧的LIFO特性使得它具有非常多的應用，如：符號平衡問題、中綴表達式轉換為后綴表達式問題、后綴表達式的計算問題、函數調用的實現（包括遞歸函數的實現）、在股票市場中查找劃分、Web瀏覽器中的網頁訪問歷史、文本編輯器中的撤銷序列等。此外，棧還是其他很多算法的輔助數據結構和其他數據結構的組成部分。

隊列（queue）也是一種運算受限的線性表，它被限制在表的一端進行插入操作，在表的另一端進行刪除操作。進行插入操作的一端稱為隊尾，進行刪除操作的一端稱為隊首。正是由于它插入和刪除操作上的限制使得它具有了一種獨特的“先進先出”（FIFO）的特性。隊列的FIFO特性使得它具有非常多的應用，如：操作系統中的作業調度、異步數據轉換、多道程序設計等。此外，隊列還是其他很多算法的輔助數據結構和其他數據結構的組成部分。

（二）學習目標

學習這兩種重要的線性結構需要學生重點消化的知識點有：（1）棧/隊列的概念、類型定義及基本操作的定義和實現；（2）棧/隊列的結構特性；（3）棧/隊列的靈活應用。

為了配合棧和隊列的理論教學，幫助學生理解和掌握上述知識點，我們需要精心設計棧和隊列的實驗教學方案。

三、棧和隊列的實驗教學方案設計

（一）實驗題目設計

根據棧和隊列的學習目標和遵循循序漸進的學習和教學原則，實驗題目被分為以下三個層次：基礎型實驗題目、設計型實驗題目和加強理解型實驗題目。

所謂基礎型實驗是指圍繞課程講授的棧/隊列的物理實現和其基本運算的實現來設置的實驗題目。設計基礎型實驗的目的是，通過實踐的方式驗證課堂上講授的重要知識點，給學生切身的感受，擺脫“紙上談兵”的感覺，這種立體的感受有助于學生深入理解和掌握這些知識點。設計型實驗要求學生能分別運用棧/隊列解決簡單應用問題。這類實驗題目主要是用來引導和加強學生對棧/隊列的靈活運用。設計加強理解型實驗的目的是強化學生對棧和隊列的結構特性的理解和體會。為了達到這個目的，加強理解型實驗題目的設計思路有兩個方面：（1）引導學生去思考并解決這樣兩個問題：能否利用棧的LIFO特性來實現隊列的FIFO特性？能否利用隊列的FIFO特性來實現棧的LIFO特性？（2）讓學生實現其他更為復雜的棧和隊列。

在棧的理論教學過程中可以開設棧的基礎型實驗，在棧的理論教學結束后可以開設棧的設計型實驗，在隊列的理論教學過程中可以開設隊列的基礎型實驗，在隊列的理論教學結束后可以開設隊列的設計型實驗和加強理解型實驗題目。表1給出了具體的實驗安排。

學生必須在相關內容的理論教學過程中利用自己的課外時間完成全部基礎型實驗題目，教師根據學時安排選擇1～2道設計型實驗題目讓學生在上機課上完成，未選擇的題目應向學生提供完整的源代碼和設計說明。相關內容的理論教學結束后，學生必須利用自己的課外時間完成加強理解型實驗題目中的第1題和第2題，剩下兩題可以選做。

（二）教學方法

因為三種類型實驗的要求、難易程度不同，因此在學生參與形式、教師參與程度、教師參與方式等方面需要區別對待。表2給出了對三種類型實驗在上述這幾個方面的設計。

基礎型實驗要求每位學生利用課外時間獨立完成，教師全程參與指導。所謂全程參與指導是指從算法基本思想到算法實現的各個環節（包括編程技巧、程序調試與測試等）都要參與指導。參與方式多種多樣，例如利用QQ等即時通訊工具進行指導，約定時間和地點進行答疑，等等。

設計型實驗要求每位學生在上機課上獨立完成，教師前期參與指導。所謂前期參與指導是指教師參與學生在算法設計環節的討論，教師可以給出提示，同時鼓勵學生設計不同的算法。參與方式是面對面的交流。

加強理解型實驗要求每位學生利用課外時間獨立完成，教師后期參與指導。所謂后期參與指導是指教師在收齊學生提交的源碼和設計報告后，對其進行分析總結，并將總結結果以班級為單位采用面對面的方式反饋給學生。

（三）考核方法

對三種類型的實驗采用不同的考核辦法。表3給出了這方面的設計。

對基礎型實驗不做專門考核的原因是學生基礎型實驗完成的好壞會直接影響設計型實驗和加強理解型實驗的完成，因此對其他兩種類型實驗的考核間接考核了基礎型實驗。

對設計型實驗的考核分兩個部分：一是本次上機課上實驗的完成情況，包括程序是否調試成功、程序的運行結果是否正確，代碼編寫的質量等；二是本次上機課結束后提交的實驗報告的完成情況，包括內容是否完成、書寫是否規范等。

對加強理解型實驗的考核主要是考核學生提交的源代碼和設計報告的完成質量。

設計型實驗的成績占總實驗成績的70%，加強理解型實驗的成績占總實驗成績的30%。

四、結語

數據結構是一門理論性和實踐性很強的課程，其理論教學環節與實驗教學環節相輔相成。棧和隊列是兩種重要的線性結構，為了提高它們的教學效果，增強實驗教學對其理論教學的促進作用，本文提出了一種棧和隊列的實驗教學方案。該方案的設計思路同樣適用于其他數據結構或課程的實驗教學方案設計。

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[10]沈華.數據結構課內實踐教學方案[J].實驗室研究與探索，2013，32（10）：396-400.

篇（6）

高考化學實驗設計型題目所考查的內容主要有下面所列的一個或幾個方面：

1.確定實驗原理。要求學生在認真審題、明確實驗目的的基礎上，綜合運用學過的知識，通過類比、遷移、分析，從而確定（選擇或擬出）實驗原理。

2.選擇實驗用品。根據實驗目的和原理，以及反應物和生成物的性質、反應條件等，合理選擇實驗所需的儀器和藥品。

3.設計裝置步驟。根據實驗目的和原理，以及選用的實驗儀器和用品，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟，并繪制或識別相應的實驗裝置圖。

4.觀察現象和數據。根據實驗目的、實驗原理和過程，預測實驗將觀察到的現象，以及實現實驗目的將要記錄哪些數據等。

5.分析得出結論。根據實驗觀察得到的現象和數據，通過分析或計算、審讀圖表、推理論證等處理，得出正確的實驗結論。

6.對實驗方案作出評價。根據題目所要求的實驗目的，對實驗所采取的原理、實驗裝置、實驗現象、實驗過程、實驗結果等作出優與劣、好與壞等的分析和評價，并在評價的基礎上作出改進等。

二、實驗設計與評價試題的類型

（一）物質制備實驗方案的設計

【例1】孔雀石主要含Cu2（OH）2CO3，還含少量Fe、Si的化合物。實驗室以孔雀石為原料制備CuSO4?5H2O及CaCO3。

步驟如下：

請回答下列問題：

（1）溶液A中的金屬離子有Cu2+、Fe2+、Fe3+。從下列所給試劑中選擇：實驗步驟中試劑①為（填代號），檢驗溶液A中Fe3+的最佳試劑為（填代號）。

a.KMnO4b.（NH4）2S

c.H2O2d.KSCN

（2）由溶液C獲得CuSO4?5H2O，需要經過加熱蒸發、、過濾等操作。除燒杯、漏斗外，過濾操作還用到另一玻璃儀器，該儀器在此操作中的主要作用是。

（3）制備CaCO3時，應向CaCl2溶液中先通入（或先加入）（填化學式）。若實驗過程中有氨氣逸出，應選用下列裝置回收（填代號）。

（4）欲測定溶液A中Fe2+的濃度，需要用容量瓶配制某標準溶液，定容時視線應，直到。用KMnO4標準溶液滴定時應選用滴定管（填“酸式”或“堿式”）。

參考答案：（1）cd

（2）冷卻結晶引流

（3）NH3 （或NH3?H2O）b

（4）平視凹液面（或平視刻度線）凹液面的最低處與刻度線相切酸式

啟示：制備實驗方案的設計，對鞏固元素化合物知識和掌握各類有機物之間的相互轉化關系，全面訓練實驗技能，培養分析問題和解決問題的能力是非常有益的。

制備實驗方案的設計，應遵循以下原則：①條件合適，操作方便；②原理正確，步驟簡單；③原料豐富，價格低廉；④產物純凈，污染物少。即從多種路線中選出一種最佳的制備途徑，合理地選擇化學儀器與藥品，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟。

（二）物質性質實驗方案的設計

【例2】已知氨可以與灼熱的氧化銅反應得到氮氣和金屬銅，用下圖中的裝置可以實現該反應。

回答下列問題：

（1）A中加入的物質是，發生反應的化學方程式是。

（2）B中加入的物質是，其作用是。

（3）實驗時在C中觀察到的現象是，發生反應的化學方程式是。

（4）實驗時在D中觀察到的現象是，D中收集到的物質是，檢驗該物質的方法和現象是。

參考答案：（1）固體NH4Cl和Ca（OH）2

2NH4Cl+Ca（OH）2 CaCl2+2NH3+2H2O

（2）堿石灰（或CaO）除去NH3氣流中的水汽（或干燥NH3）

（3）黑色粉末部分逐漸變為紅色

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

（4）出現無色液體氨水用紅色石蕊試紙檢驗，試紙變藍；用無水CuSO4粉末檢驗，無水CuSO4變藍

啟示：對于物質性質實驗方案的設計，主要是從物質的結構特點或從物質的屬類去推測物質可能具有的一系列性質，而后據此設計出合理的實驗方案，去探索它可能具有的性質。該類試題的關鍵是設計出簡潔的實驗方案，要求操作簡單，簡便易行，現象明顯，且安全可行。

解答物質性質實驗方案的設計題的基本流程為：研究物質結構預測可能性質設計實驗方案（方法、步驟、儀器、藥品、操作要點、現象及分析、結論等）實施實驗結論。其基本思路如下圖所示：

（三）物質（離子）檢驗探究實驗方案的設計

【例3】三草酸合鐵酸鉀晶體K3［Fe（C2O4）3］?3H2O可用于攝影和藍色印刷。某小組將無水三草酸合鐵酸鉀在一定條件下加熱分解，對所得氣體產物和固體產物進行實驗和探究。請利用實驗室常用儀器、用品和以下限選試劑完成驗證和探究過程。

限選試劑：濃硫酸、1.0 mol?L-1 HNO3、1.0 mol?L-1鹽酸、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、氧化銅、蒸餾水。

（1）將氣體產物依次通過澄清石灰水（A）、濃硫酸、灼熱氧化銅（B）、澄清石灰水（C），觀察到A、C中澄清石灰水都變渾濁，B中有紅色固體生成，則氣體產物是。

（2）該小組同學查閱資料后推知，固體產物中，鐵元素不可能以三價形式存在，而鹽只有K2CO3。驗證固體產物中鉀元素存在的方法是，現象是。

（3）固體產物中鐵元素存在形式的探究。

①提出合理假設

假設1：；

假設2：；

假設3：。

②設計實驗方案證明你的假設。

③實驗過程根據②中方案進行實驗。按下表的格式寫出實驗步驟、預期現象與結論。

實驗步驟預期現象與結論步驟1：步驟2：步驟3：……參考答案： （1）CO2和CO

（2）焰色反應透過藍色鈷玻璃，觀察到紫色火焰

（3）①假設1：鐵元素的存在形式為Fe單質

假設2：鐵元素的存在形式為FeO

假設3：鐵元素的存在形式為Fe與FeO的混合

③

實驗步驟預期現象與結論步驟 1：取適量固體產物于試管中，加入足量蒸餾水，充分振蕩使K2CO3完全溶解。分離不溶固體與溶液，用蒸餾水充分洗滌不溶固體固體產物部分溶解步驟2：向試管中加入適量CuSO4溶液，再加入少量上述不溶固體，充分振蕩（1）若藍色溶液顏色及加入的不溶固體無明顯變化，則假設2成立

（2）若藍色溶液顏色明顯改變，且有暗紅色固體物質生成，則證明有Fe單質存在步驟3：繼續步驟2中的（2），進行固液分離，用蒸餾水洗滌固體至洗滌液無色。取少量固體于試管中，滴加過量HCl后，靜置，取上層清液，滴加適量H2O2，充分振蕩后滴加KSCN結合步驟2中的（2）：

（1）若溶液基本無色，則假設1成立

（2）若溶液呈血紅色，則假設3成立啟示：解物質（離子）檢驗實驗方案的設計試題的思維程序如下：（1）先對試樣進行外觀觀察，確定其顏色、氣味、狀態等。（2）準備試樣，并進行檢驗。當試樣是固體時，應先取少量配成溶液，同時觀察試樣是否溶解，在溶解時有無氣體產生等，以初步判斷試樣可能含有哪類物質。（3）根據實驗現象得出結論。

（四）綜合探究實驗方案的設計

【例4】乙二酸（HOOCCOOH）俗稱草酸。某研究小組為探究乙二酸的部分化學性質，進行了下述實驗：

（1）向盛有少量乙二酸的飽和溶液的試管內滴入用稀硫酸酸化的KMnO4溶液，振蕩，觀察到的現象為溶液紫紅色褪去，說明乙二酸具有（填“氧化性”、“還原性”或“酸性”）。

（2）向圖甲的A試管中加入一定量的乙二醇、濃硫酸和乙二酸，用酒精燈小火均勻加熱該試管3~5 min，在B試管中有油狀液體產生，若反應中生成了六元環狀化合物，該反應的化學方程式為，其中B試管中的導管不伸入液面下的原因是，飽和碳酸鈉溶液的作用是。

（3）已知：草酸在約157℃時升華，在175℃時受熱分解可生成H2O、CO2和CO；草酸鈣是難溶于水的白色固體。該研究小組設計了一套驗證草酸受熱分解并檢驗產物中有CO2的實驗裝置，如圖乙所示。請回答：

①從環境保護的角度看，應增加尾氣處理裝置，你如何進行尾氣處理。②依據題給數據，請分析根據D試管中澄清石灰水變渾濁的現象，能否確定草酸分解產物中有CO2（填“能確定”或“不能確定”），理由是。

參考答案：（1）還原性

（2）COOHCOOH+CH2HOCH2HO濃H2SO4COOCH2COOCH2+2H2O防止加熱不均勻而使碳酸鈉溶液倒吸入加熱的A試管中除去酯中混有的乙二酸和乙二醇，同時減小酯在水中的溶解度，便于酯分層析出

（3）①在裝置的尾端放一個點燃的酒精燈（其他合理答案均可）

②不能確定因草酸升華后可能有部分進入D試管，與澄清石灰水反應生成草酸鈣沉淀，從而對CO2的檢驗造成干擾

啟示：對于綜合探究實驗方案的設計類試題，其解題思路一般為:

（1）巧審題，明確實驗目的和原理。實驗原理是解答實驗題的核心，是實驗設計的依據和起點。實驗原理可從題給的化學情境（或題首所給實驗目的）并結合元素化合物等有關知識獲取。在此基礎上，遵循可靠性、簡潔性、安全性的原則，確定符合實驗目的、要求的方案。

（2）想過程，理清實驗操作的先后順序。根據由實驗原理所確定的實驗方案中的實驗過程，確定實驗操作的方法步驟，把握各步實驗操作的要點，理清實驗操作的先后順序。

（3）看準圖，分析各項實驗裝置的作用。有許多綜合探究實驗題圖文結合，思考容量大。在分析解答過程中，要認真細致地分析圖中所示的各項裝置，并結合實驗目的和原理，確定它們在該實驗中的作用。

（4）細分析，得出正確的實驗結論。實驗現象（或數據）是化學原理的外在表現。在分析實驗現象（或數據）的過程中，要善于找出影響實驗成敗的關鍵以及產生誤差的原因，或從有關數據中歸納出定量公式，繪制一定的變化曲線等。

根據對以上試題的分析可知，解化學實驗設計方案類試題時必須特別注意以下幾方面：（1）原理恰當；（2）效果明顯；（3）裝置簡單；（4）操作安全；（5）節約藥品；（6）實驗步驟簡單；（7）誤差較小等。換句話說，就是要符合“綠色化學”的要求（注：“綠色化學”研究的中心問題是使化學反應以及其產物具有以下特點――采用無毒、無害的原料；在無毒、無害的反應條件下進行；減量、循環、重復使用；具有“原子經濟性”，即反應具有高選擇性、極少副產物、甚至實現零排放；產品應是對環境友好的；滿足價廉物美的傳統標準）。以上幾個方面不僅在實驗設計過程中必須充分注意，同時這些標準也是對實驗設計優劣進行評價的相關要素。

三、常用解題策略及思想

（一）類比思想

不同物質的屬類、結構、性質、制備等諸方面可能有某些相似甚至相同之處。類比是學習中常用的一種科學思維方式，可將不同物質進行由此及彼的聯系，可以簡化思維過程，提高思維效率。

【例5】某校化學研究性學習小組的同學在學習了金屬的知識后，為了解Cu的常見化合物性質，運用類比學習的思想提出如下問題，進行探究。請你協助該小組的同學完成下列研究。

【提出問題】

①Cu的金屬活潑性小于Al，Al（OH）3具有兩性，Cu（OH）2也具有兩性嗎？

②通常情況下，+2價Fe的穩定性小于+3價Fe，+1價Cu的穩定性也小于+2價Cu嗎？

③CuO能被H2、CO等還原，也能被NH3還原嗎？

【實驗方案】

（1）解決問題①需用到的藥品有CuSO4溶液、（填試劑），同時進行相關實驗。

（2）解決問題②的實驗步驟和現象如下：取98 g Cu（OH）2固體，加熱至80~100℃時，得到黑色固體粉末，繼續加熱到1000℃以上，黑色粉末全部變成紅色粉末A。冷卻后稱量，A的質量為72 g。向A中加入適量的稀硫酸，得到藍色溶液，同時觀察到容器中還有紅色固體存在。據此可推得，A的化學式為 。

（3）為解決問題③，設計的實驗裝置為（夾持及尾氣處理裝置未畫出）：

實驗中觀察到CuO變為紅色物質，無水CuSO4變藍色。同時生成一種無污染的氣體。

【實驗結論】

（1）Cu（OH）2具有兩性。證明Cu（OH）2具有兩性的實驗現象是。

（2）根據“實驗方案（2）”，得出的+1價Cu和+2價Cu穩定性大小的結論是；。

（3）CuO能被NH3還原。該反應的化學方程式為。

【問題討論】

有同學認為NH3與CuO反應中生成的紅色物質是Cu，也有同學認為NH3與CuO反應中生成的紅色物質是Cu和A的混合物。請你設計一個簡單的實驗檢驗NH3與CuO反應中生成的紅色物質中是否含有A：。

解析：（1）類比Al（OH）3的實驗室制法和兩性的檢驗方法，可以利用CuSO4溶液和適量的NaOH溶液制得Cu（OH）2，把制得的Cu（OH）2分成兩份，一份加鹽酸，另一份加NaOH溶液，觀察藍色沉淀是否溶解。

（2）98 g Cu（OH）2固體受熱分解可以得到80 g CuO，CuO在高溫條件下繼續受熱分解如果全部生成Cu，應得到64 g Cu，但實驗中A的質量為72 g，且加入硫酸溶液變藍，說明有Cu2O的存在，Cu2O在酸性條件下發生反應生成Cu2+和Cu，由此證明A應為Cu2O，質量恰好為72 g。該實驗說明在高于1000℃時，+1價Cu比+2價Cu穩定；在溶液中+2價Cu比+1價Cu穩定。

（3）NH3通過加熱的CuO應生成無污染的氮氣和水蒸氣；CuO被還原，還原產物可以根據（2）的實驗現象進行驗證。

參考答案：

【實驗方案】（1）鹽酸、NaOH溶液

（2）Cu2O

【實驗結論】（1）Cu（OH）2既能溶于鹽酸，又能溶于NaOH溶液

（2）在高于1000℃時，+1價Cu比+2價Cu穩定；在溶液中+2價Cu比+1價Cu穩定

（3）3CuO+2NH33Cu+N2+3H2O

【問題討論】取NH3與CuO反應中生成的紅色物質少許，加入稀硫酸，若溶液出現藍色，說明紅色物質中含有A，反之則無

（二）控制變量思想

控制變量法是化學實驗設計類試題中的一種常用思想方法。當影響實驗某項內容的變量有多方面（個）時，往往先控制某些變量不變化，而只改變某個變量，弄清在其他幾個量不變的情況下，這個變量對實驗結果的影響，進而總結出相關規律，然后再確定另一個變量，重新進行相關分析。

【例6】 某研究性學習小組在網上收集到如下信息：Fe（NO3）3溶液可以蝕刻銀，制作美麗的銀飾。他們對蝕刻銀的原理進行了如下探究：

【實驗】制備銀鏡，并與Fe（NO3）3溶液反應，發現銀鏡溶解。

（1）下列有關制備銀鏡過程的說法正確的是（填序號）。

a．邊振蕩盛有2%的AgNO3溶液的試管，邊滴入2%的氨水，至最初的沉淀恰好溶解為止

b．將幾滴銀氨溶液滴入2 mL乙醛中

c．制備銀鏡時，用酒精燈的燈焰給試管底部加熱

d．銀氨溶液具有較弱的氧化性

e．在銀氨溶液配制過程中，溶液的pH增大

【提出假設】

假設1：Fe3+具有氧化性，能氧化Ag。

假設2：Fe（NO3）3溶液顯酸性，在此酸性條件下NO-3能氧化Ag。

【設計實驗方案，驗證假設】

（2）甲同學從上述實驗的生成物中檢驗出了Fe2+，驗證了假設1成立。請寫出Fe3+氧化Ag的離子方程式：。

（3）乙同學設計實驗驗證假設2，請幫他完成下表中內容（提示：NO-3在不同條件下的還原產物較復雜，有時難以觀察到氣體產生）。

實驗步驟（不要求寫具體操作過程）預期現象和結論①

②

……若銀鏡消失，假設2成立；若銀鏡不消失，假設2不成立【思考與交流】

（4）甲同學驗證了假設1成立，若乙同學驗證了假設2也成立，則丙同學由此得出結論：Fe（NO3）3溶液中的Fe3+和NO-3都氧化了Ag。

你是否同意丙同學的結論，并簡述理由：。

解析：本題是一道探究類試題，以日常生活中的蝕刻銀制作美麗的銀飾為情境，以探究Fe（NO3）3溶液中何種因素蝕刻銀為研究課題，考查學生運用相關化學反應原理、元素化合物知識及化學實驗基本知識，并運用控制變量思想進行實驗設計的能力，同時也考查了對實驗現象和結果進行分析、解釋和科學舉證的能力，以及用正確的化學術語及文字進行表述的能力。

第（3）問，考查學生運用控制變量的科學方法設計實驗，是該題的核心。本題中有兩個變量，如下表所示：

實驗變量Fe3+的氧化性NO-3的氧化性能否蝕刻銀能不確定現象或結論銀溶解無法測定還原產物由于NO-3的氧化能力隨著溶液pH的變化而變化，那么在驗證假設2即Fe（NO3）3溶液中的NO-3能氧化Ag時，就要求學生必須嚴格控制溶液的pH進行實驗，這是考查單一變量控制法。解決本題的關鍵就是需測定上述實驗用的Fe（NO3）3溶液的pH，然后配制相同pH的稀硝酸溶液，再將此溶液加入有銀鏡的試管內。顯然，這是該實驗的最佳設計方案。

參考答案：（1）ade

（2）Ag+Fe3+Ag++Fe2+

（3）

實驗步驟預期現象和結論①測定上述實驗用的Fe（NO3）3溶液的pH；

②配制相同pH的稀硝酸溶液，將此溶液加入有銀鏡的試管內（4）不同意。甲同學檢驗出了Fe2+，可確定Fe3+一定氧化了Ag；乙同學雖然驗證了此條件下NO-3能氧化Ag，但在硝酸鐵溶液氧化Ag時，由于沒有檢驗NO-3的還原產物，因此不能確定NO-3是否氧化了Ag

變量探究實驗因為能夠考查學生對于圖表的觀察、分析以及處理實驗數據歸納得出合理結論的能力，因而在高考試題中屢屢出現。解答此類題時，要認真審題，弄清實驗目的，弄清要探究的外界條件有哪些。然后分析題給圖表，確定一個變化的量，弄清在其他幾個量不變的情況下，這個變化量對實驗結果的影響，進而總結出規律。然后再確定另一個變量，重新進行相關分析。但在分析相關數據時，要注意題給數據的有效性。

（三）分析、推理思想

當實驗設計類試題涉及結構與性質的關系，特別是利用有關化學反應原理（如氧化還原反應、離子反應、酸堿反應、水解等反應原理）來解釋有關過程或現象時，我們可利用相關原理進行分析、推理得出相關結論。

【例7】食鹽中含有一定量的鎂、鐵等雜質，加碘鹽中碘的損失主要是由于雜質、水分、空氣中的氧氣以及光照、受熱而引起的。已知：

氧化性：IO-3＞Fe3+＞I2；還原性：S2O2-3＞I-

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

KI+I2KI3

（1）某學習小組對加碘鹽進行如下實驗：取一定量某加碘鹽（可能含有KIO3、KI、Mg2+、Fe3+），用適量蒸餾水溶解，并加稀鹽酸酸化，將所得試液分為3份。第一份試液中滴加KSCN溶液后顯紅色；第二份試液中加足量KI固體，溶液顯淡黃色，用CCl4萃取，下層溶液顯紫紅色；第三份試液中加入適量KIO3固體后，滴加淀粉試劑，溶液不變色。

①加KSCN溶液顯紅色，該紅色物質是（用化學式表示）；CCl4中顯紫紅色的物質是（用電子式表示）。

②第二份試液中加入足量KI固體后，反應的離子方程式為、。

（2）KI作為加碘劑的食鹽在保存過程中，由于空氣中氧氣的作用，容易引起碘的損失。寫出潮濕環境中KI與氧氣反應的化學方程式：。

將I2溶于KI溶液，在低溫條件下，可制得KI3?H2O。該物質作為食鹽加碘劑是否合適？（填“是”或“否”），并說明理由。

（3）為了提高加碘鹽（添加KI）的穩定性，可加穩定劑減少碘的損失。下列物質中有可能作為穩定劑的是。

A．Na2S2O3B．AlCl3

C．Na2CO3D．NaNO2

（4）對含Fe2+較多的食鹽（假設不含Fe3+），可選用KI作為加碘劑。請設計實驗方案，檢驗該加碘鹽中的Fe2+：。

解析：（1）①加KSCN溶液后顯紅色的是Fe3+，它與SCN-的配合物有多種，中學階段一般寫Fe（SCN）3；I2的CCl4溶液顯紫紅色。

②應用信息“氧化性：IO-3＞Fe3+＞I2”，說明IO-3和Fe3+均能氧化I-生成I2，由題意，加碘鹽中可能含有KIO3、KI、Mg2+、Fe3+雜質，故此處反應有兩個。

（2）據題意“由于空氣中氧氣的作用，容易引起碘的損失”則可推斷KI被潮濕空氣氧化，但反應不能寫成“I-+O2+H+…”形式（因此處沒有酸性環境）。若聯系金屬吸氧腐蝕的電極反應，則能順利寫出有關反應。

KI3?H2O作加碘劑問題，可由題中“加碘鹽中碘的損失主要是由于雜質、水分、空氣中的氧氣以及光照、受熱而引起的”進行分析推理。因為加碘鹽受熱時，KI3?H2O不穩定生成KI和 I2（這一性質可從題中“將I2溶于KI溶液，在低溫條件下，可制得KI3?H2O”分析推得），KI被氧氣氧化，I2受熱易升華。

（3）根據信息“還原性：S2O2-3＞I-”，可判斷Na2S2O3能作穩定劑； C中 Na2CO3水解呈堿性，能實現“I2+OH-I-”的變化，故也可作穩定劑。B中AlCl3水解呈酸性，使I-易被氧氣氧化，D中NaNO2能氧化I-。

（4）實驗方案簡答要注意規范性。

本實驗中I-對Fe2+的檢驗有干擾（因還原性：I-＞Fe2+，加氧化劑時應先氧化I-，所以應加入適量氧化劑），因過量氧化劑可能氧化SCN-，所以后加的檢驗試劑KSCN溶液應加至過量。

參考答案：（1）①Fe（SCN）3∶I????∶I????∶

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

（2）4KI+O2+2H2O2I2+4KOH否KI3在受熱（或潮濕）條件下產生KI和I2，KI易被O2氧化，I2易升華

（3）AC

（4）取足量該加碘鹽溶于蒸餾水中，用鹽酸酸化，滴加適量氯水（或H2O2），再滴加KSCN溶液，若顯血紅色則該加碘鹽中存在Fe2+

綜上所述，化學實驗方案設計的一般方法或思路為：

（1）明確目的原理

首先必須認真審題（如要求采用最簡單或最佳的方案，制取純凈的某物質等），明確實驗目的要求。弄清題目有哪些新的信息，綜合已學過的知識，通過類比、遷移、分析，從而明確實驗原理。

（2）選擇儀器藥品

根據實驗的目的和原理，以及反應物和生成物的性質、反應條件，如反應物和生成物的狀態、能否腐蝕儀器或橡皮，反應是否加熱及溫度是否控制在一定范圍，給出的藥品、儀器或裝置是否足夠，需要補充還是篩選，儀器藥品的規格等。從而選擇合理的化學儀器和藥品。

（3）設計裝置步驟

根據上述實驗目的和原理，以及所選用的實驗儀器和藥品，設計出合理的實驗操作步驟、實驗裝置。學生應具備識別和繪制簡單的實驗裝置圖的能力，實驗步驟應完整而又簡明。

（4）記錄現象和數據

根據觀察，全面準確地記錄實驗過程中的現象和數據。

篇（7）

《高中物理課程標準》指出，“實驗室的課程資源不僅限于實驗室的現有設備，學生身邊的物品和器具也是重要的實驗室資源”。有研究者（張偉，2005）從資源開發和利用的角度將物理實驗分為兩大類：非常規物理實驗和常規物理實驗。“非常規”物理實驗，主要就是指利用學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發進行的一類體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性、生活化的物理實驗教學活動[2]。

人們在教學實踐中早就發現，與使用“廠家生產的專門器材”做的實驗相比，開發“非常規”物理實驗對于實現物理課程標準提出的“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”三維課程目標具有獨特的作用，是常規實驗所無法取代的，因而是一種有待深入開發的重要物理課程資源。其深層教育價值主要體現在以下三個方面：

對教師而言，熱衷于實驗研究，致力于實驗開發，會極大地提高教師自身的教學水平和教研水平。尤其在非常規實驗的開發中，教師將發現，自己需要不斷地學習和提升自我的理論素養，特別是學習新技術、新材料、新發明的有關知識。在提升自我素質的同時，也將使更多的學生體會到物理學習的樂趣、意義和價值，為學生的創新意識和創新能力的培養，起到很好的引領和示范作用。

對學生而言，非常規實驗具有取材的熟悉性、結構的形象性、操作的簡單性、現象的直觀性等特點。利用這些特點，一方面，學生可以通過熟悉的生活用品所發生的物理現象去探索物理本質，這將會大大拉近學生與物理的距離，也更好地體現了“從生活走向物理，從物理走向生活”的新課程理念；另一方面，非常規實驗由于其取材的便利性和制作的簡單性，可以使實驗器材在數量上得以保證，這就可以使更多的學生能夠參與到實驗方案的制定、實驗器具的制作和實驗過程的操作體驗中去。在此過程中，學生的主體地位得以突出，學習興趣得以激發，探究的主動性和積極性將大大提升。這樣做不僅更有利于促進學生手腦并用、發展學生實踐能力和創新能力，同時這也是對學生進行科學方法教育的很好平臺和途徑。因此，英、美等發達國家，十分重視這類實驗的開發與應用。在我國，雖然這類物理實驗在中學物理教材中早有體現，在物理教學中早有運用，對其教學功能也有一些專題研究，但仍沒有引起物理教育領域的普遍重視，既缺乏深入的理論探討，更缺乏系統有效的實踐探索[3]。

非常規實驗的開發對中學物理實驗教學的有效開展，具有非常重要的理論意義和實踐價值。不僅可以解決經濟欠發達的農村鄉鎮中學實驗器材不足的困難，為實現教育的公平性奠定資源基礎；同時，也可以為農村中學實驗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。

這里需要強調的是，“非常規”物理實驗并不是“非科學”和“無目的”，恰恰相反，它追求科學本質、崇尚科學精神，注意培養學生科學素質，追求豐富的教育內涵和全維課程目標的達成。

二、信息交合法簡介

非常規物理實驗的開發是一種創造性的活動，所以實驗的開發必須以創造學理論為指導。據有關研究資料顯示，現已有數百種創造技法。學習這些創造技法，將會大大開闊我們的視野和實驗開發的思路。其中信息交合法就是大家公認的在各領域中應用非常廣泛的一種創造技法。

信息交合法是華夏研究院思維技能研究所所長許國泰副教授于1983年首創的一種在信息交合中進行創新的思維方法。簡言之，就是把物體的總體信息按照其特征和該物體與人類實踐活動相關的用途分解成若干個要素，并把這兩種信息要素分別設為信息標的X軸與Y軸，兩軸垂直相交，構成“信息反應場”，每個軸上各點的信息可以依次與另一軸上的信息交合，從而產生新的信息。

信息交合法有兩個基本論點：一是不同信息的交合可產生新信息；二是不同聯系的交合可產生新聯系。依據這一原理，人們在掌握一定信息的基礎上，通過交合與聯系可以獲得新的信息，提出新的創造設想。比如，獨輪自行車本來與碟、碗、勺等日常生活物品沒有必然聯系，但雜技演員將它們交合在一起，就構成了精彩的雜技節目。同樣，生活中的各種物品表面上本來也是互不相干的信息，但通過一個實驗主題，我們就可以把它們巧妙地聯系在一起，為物理教學服務。

三、基于信息交合的非常規物理實驗的設計思路

任何一項新實驗的開發，總要針對某一具體問題。非常規實驗開發的問題來源主要包括以下三個方面[4]：（1）來自物理教學：為引出某一概念或規律，為突出教學重點，突破教學難點等，均可考慮設計一個新的實驗；（2）來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，小到一枚硬幣、紙杯、鉛筆、尺子和橡皮等，都具有物理實驗開發和利用的價值；（3）來自于其它學科：即借助其它學科的原理、方法、設備、裝置等為物理教學服務。如醫學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】“來自物理教學”的非常規實驗設計思路

下面我們將任選一個實驗主題“壓強”進行非常規實驗的設計嘗試，具體說明基于信息交合法的非常規實驗設計思路：其設計依據也包括三個方面：首先，教學目標的設定；其次，教學內容的特點；第三，還要考慮學校擁有的實驗條件和當地生活環境資源的可利用情況。具體設計程序如圖所示[5]。

圖1 “非常規”實驗方案設計的一般程序

第一步，確定中心，即確定實驗的主題和實驗目標，也就是零坐標的設定——突破壓強教學的重點與難點，即通過實驗探究，幫助學生形成壓強的概念，理解壓強公式，并知道如何根據需要增大或減小壓強。

第二步，劃坐標線，即圍繞實驗主題，確定坐標的橫軸和縱軸——分別為實驗材料和影響壓強大小變化的兩個因素，即受力面積S和壓力F。

第三步：注標點，在信息標上注明有關信息點。這是應用信息交合法的最關鍵的環節。根據控制變量法的原則，圍繞控制物體“受力面積和壓力”兩個變量來考察“壓力的作用效果”來進行實驗材料的選擇。根據本課題要求，我們把實驗設計重點確定為尋找生活中具有“同一物體各端面積不同”結構特點的物品或器具上。為此，我們首先把實驗材料分為文具、服飾（包括鞋）、日常用品、常見工具、人體結構（或膚覺的利用）以及其它類別；然后通過發散思維，盡可能多地列舉出身邊環境中方便獲取的每一類可供利用的資源。

本課題中，基本符合要求的實驗材料有：（1）文具類：一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶、書籍等；（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、兩端粗細不均的各類瓶子等；（4）常見工具：釘子、刀具、螺絲刀、錐子、斧頭、鏟子等；（5）人體結構（或膚覺的利用）：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”結構特點的物品。同時，為了突出壓力作用效果，便于學生觀察和體驗，加深學生對“壓強”概念的理解，我們還需要選擇以下實驗材料對實驗效果進行放大：如細沙、海綿、泡沫板、橡皮泥等，如圖2所示。

圖2 “壓強”概念實驗設計思路

第四步：相交合，確定實驗的設計方案。即以一標線上的信息為母本，以另一標線上的信息為父本，相交和后可產生新信息；接著對這些信息進行可行性分析和評估，篩選出有價值的創造設想。比如橫坐標上的信息“受力面積”與縱坐標上的信息“文具”相結合設計實驗：根據一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶等文具都具有“一端粗一端細或兩端面積不同”的結構特征，可設計如下學生實驗：讓學生把鉛筆（或中性筆）夾在兩手的食指之間，稍稍用力，體驗兩手指的不同感覺：與鉛筆尖端接觸的手指會感覺痛，同時會看到指肚凹進，而與筆端接觸的手指僅有擠壓感。通過這種短暫的體驗就可以使學生充分理解：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——即壓強的值也就越大。

【案例2】“來自生活物品或材料”的非常規實驗設計思路

我們選擇生活常見物品——飲料瓶作為實驗材料，說明實驗開發思路。根據信息交合法的設計原則，我們首先要把飲料瓶的各種物理特性一一列舉出來，如形狀規則，上端呈圓錐漏斗形，下端多呈圓柱形、空心、底面向內凹成碗狀；質地柔軟、皮薄易裁剪和加工；可用瓶蓋密封；導熱性良好，遇熱易變形；導電性差，絕緣性好；相同的飲料瓶具有相同的物理性質等等；其次，列舉中學物理教學中有關的實驗研究課題，進行發散思維和集中思維。如探究凸透鏡成像規律、壓強與受力面積的關系、滑動摩擦與滾動摩擦、物體的浮沉條件、聲音的產生與傳播、熱傳導現象、靜電現象、慣性等等。第三，以飲料瓶的各種特性為信息標的X軸，以相關的物理實驗課題為信息標的Y軸，兩軸垂直相交，即構成“信息反應場”。最后，我們讓每個軸上各點的信息依次與另一軸上的信息交合，研究可以產生哪些新的、有價值的信息，并設計實驗方案。具體如下：

選擇飲料瓶的形狀特性，與信息標Y軸上的信息相結合，可以產生的實驗研究課題有：進行滑動摩擦力與滾動摩擦力大小的比較研究；利用飲料瓶兩端面積不同的特點，在瓶中裝入一定量的的沙子后，研究壓強的大小與受力面積的關系；如果裝入的是不同量的水，則可以探究聲音的音調。具體做法是：在幾個飲料瓶中盛入不同深度的水，將瓶口移至嘴邊吹氣，可以聽到不同音調的聲音產生。空氣柱越短的，音調越高，反之，空氣柱越長，音調越低。

選擇飲料瓶在擰緊瓶蓋之后具有很好的密封性的特點，自制“浮沉子”實驗裝置，用以研究物體的“浮沉條件”；可以演示氣體液化現象：擰開瓶蓋，滴入幾點乙醚，擰緊瓶蓋后，稍待一會，蒸發，乙醚液體不見了。當用手擠壓瓶體時，乙醚液體重新出現在瓶壁上。這表明壓縮氣體體積，氣體被液化。

選擇飲料瓶質地柔軟、易裁剪的特性，可設計如下實驗裝置：第一，用燒熱的針尖在一個大飲料瓶底端燙一個小孔，并用膠帶暫時封住，在將瓶中裝滿水，用來研究液體壓強和深度的關系；第二，將飲料瓶的瓶底剪掉，用氣球的膠膜包住并繃緊，在用細線固定。可以用來演示液體對容器底部和側壁壓強的變化；第三，用大飲料瓶與玻璃管和橡膠塞配合，可以制作一個溢水杯，驗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、折射現象。具體做法是：找一個比較大的飲料瓶，在其中充滿香煙（或是衛生香）的煙霧，擰緊瓶蓋，就制成了一個簡單的光路顯示器。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側面向瓶底的平面鏡照射時，會清晰地觀察到入射光線和反射光線，給學生留下深刻的反射現象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時，從側面向石灰水面照射時，會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、易導熱的特性，可以研究熱傳導現象；選擇相同的飲料瓶具有相同的物理性質這一特點，可以充當等量重物；選擇飲料瓶異變形的特點可以演示力的作用效果與力的三要素；可以驗證大氣壓強的存在等等。

綜上所述，借助信息交合法，將會大大開拓我們非常規實驗的開發思路，突破思維定勢，使實驗的設計不再是件令人生畏、遙不可及的事情。普通人只要掌握了一定的創造技法，在思考問題時學會有意識地利用這些技法，就一定可以開發出更多的非常規物理實驗。

參考文獻

[1] 張偉，郭玉英.非常規物理實驗：有待深入開發的重要物理課程資源.物理教師，2005（9）.

[2] 張偉等.論“非常規”物理實驗的教學地位.課程.教材.教法，2007（12）.

篇（8）

考查的重點在于對化學實驗中一般事故的預防和處理、實驗原理的掌握、過程與設計能力。實驗細節和中間環節，命題的趨勢由設計實驗向評價實驗優化實驗方向轉變，而一個完美的實驗必須保證實驗原理、操作程序和方法正確，也就是實驗方案的科學性。用藥及操作要注意安全，注意環境保護等問題，也就是實驗方案的安全性，更要滿足中學現有的實驗條件，也就是實驗方案的可行性，還要使裝置簡單、步驟少、藥品用量少、時間短，即實驗方案的簡約性。

高考中運用已有的化學實驗基礎知識和基本操作技能去設計實驗方案，是對知識的綜合運用能力和對知識遷移能力的很好的考查，并能實現對實驗題多方位多層面多角度的考核。結合多年教學經驗，化學實驗設計題的解答應從以下幾個方面入手：

一、明確目的

也就是審題要細，這是一切學習解題的關鍵步驟，明確命題的實驗目的要求，新命題中往往是沒有直接系統實踐過的，必須弄清題目有哪些新信息，從信息加工角度分析解答時，還要能夠敏捷地從題目中獲取信息，分析評價信息選擇調用已儲存的相關知識，通過類比，遷移分析從而明確實驗目的。

二、設計原理

通過對新信息的加工及知識的遷移明確指定的設計要求，從設計的要求選定實驗方法，這是從宏觀上對實驗的要求，因為實驗方法主要受制于實驗原理，并受實驗條件的制約，再就是實驗裝置和實驗操作設計，裝置和操作屬于實驗方案細節的設計，其重點在考查實驗技能。這就要求學生在日常學習過程中積累扎實的實驗知識、經驗。

三、儀器、藥品的選擇

了解以上實驗要求后，根據實驗目的中設計的裝置和操作選擇合適的儀器和藥品，注意反應物和生成物狀態以及能否腐蝕儀器，反應是否需要加熱及溫度是否可控制等。

四、實驗步驟

實驗步驟的設計，力求合理、最簡，但細節不能忽略，通常要考慮以下細節：（1）氣體參與反應的裝置氣密性的檢驗；（2）加熱操作先后順序的選擇；（3）有沒有必要設計冷凝回流裝置；（4）冷卻裝置的選擇；（5）實驗中有加熱操作的要防止倒吸，如氣體易溶于水的要防倒吸；（6）還有一些改進裝置作用的分析；（7）拆卸裝置時的順序要注意科學性和安全性。

五、現象及結論

篇（9）

acquisition scheme)

2.1 設備接口分析

通過對現場儀器接口的分析，其大體可分為三類：

(1)接口設備，此類設備無任何接口，通常只提供觀測讀數如烘箱。

(2)預留標準接口設備：此類設備預留有串口和并口接口，如薄膜厚度儀、陰燃儀。

(3)配備專用軟件設備：此類設備通常已通過硬件接口和專用軟件實現數據采集，但未向第三方開放編程接口和數據格式，此類設備種類繁多，接口互異，從最簡單的文本文件、到完全加密的數據存儲格式，數量眾多，典型設備有拉力儀、白度儀、摩擦系數儀等。

2.2 采集方案設計

(1)無接口設備采集方案：對于無接口的儀器設備除另加裝相關采集設備，如位移計、溫度傳感器等擴展設備外，最簡單的處理方式是提供純軟件錄入界面。

(2)預留標準接口設備采集方案：預留標準接口的設備多留有RS232串口或并口的設備，其中并口可以通過定制接線將其轉為串口，而對于串口設備的采集目前主流的方式有直接集成和使用串口服務器集成兩種方案。

直接集成方案，即直接使用串口線連接設備，但必須解決串口數量有限和通信距離較短的問題，通常可以使用多串口卡和RS485協議可以來解決串口數量有限和通信距離短的問題，但仍然存在：受PC內置接口數量限制、接線制作和編程復雜的問題。因此，考慮到擴展性和編程方案的一致性，目前對于多串口設備集成采集較為成熟的方案是使用串口服務器集成采集[2]。

串口服務器是串口和以太網之間的一個轉換設備，其內置處理器、嵌入式操作系統和完整的網絡協議棧，可以完成串口數據和網絡IP包之間的格式轉換、實現串口設備和以太網之間的數據雙向透明傳輸和設備聯網功能，具有不占用主機資源，轉換效率高，運行可靠的特點，目前在工業控制領域有著廣泛的應用。基于串口服務器的數據采集方案如圖1所示。

 

 

 

 

 

 

圖1 使用串口服務器的數據采集方案圖

Fig.1 Data acquisition scheme based on serial port server

(3)配備專用軟件設備采集方案

配備專用軟件的設備，其特點是設備數據已采集并存儲到工作站中，但存儲格式不一，目前典型的接口格式有標準文本文件格式、標準數據庫存儲格式和加密格式三種，其中對于加密格式又可分為提供二次開發接口和未提供接口兩種，因此本文的一個研究重點即是研究如何解析各類數據文件實現此類設備的數據采集。針對文件解析類數據采集的基本要求，設計以下文件解析類設備數據采集方案，如圖2所示。

 

 

 

 

 

 

 

圖2 文件解析類設備的數據采集方案圖

Fig.2 Data acquisition scheme for file parsing device

對于文件解析類設備的數據采集，一般可以分為三步，即截獲、解析和轉發。截獲是實現此類數據采集的關鍵和基礎，對于多數已知數據文件格式的設備而言，采用基于文件系統的監測是最主要和方便的實現形式，而對于部分加密數據文件格式的設備而言，使用打印驅動截獲報表數據是唯一方式。解析是指從截獲的數據中獲取需要采集的關鍵數據，可根據數據格式分為標準文本格式解析，標準數據庫格式解析和根據二次開發接口進行解析。發送數據，是指將解析的有效數據使用TCP/IP協議發送到指定的數據采集服務程序。

3 采集方案的實現(Implementation of acquisition

scheme)

3.1 總體設計

通過以上分析，本文提出一種針對異構非標準格式數據的集成數據采集方法，即對于提供串口的設備使用串口服務器進行數據采集，對于提供接口文件的設備使用文件解析方式進行數據采集，從而實現了非標準格式的數據采集和保存，系統的總體結構如圖3所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖3 數據采集系統總體結構圖

Fig.3 Architecture of the data acquisition system

其中終端數據采集程序是本系統實現通用數據采集方案的核心模塊，需根據設備的接口特性，進行定制，通常需實現數據截獲、數據解析和數據發送三大核心功能。數據抽取的方式包括抽取RS232串口設備數據和解析自帶工作站和已采集的設備數據兩種，其中抽取RS232串口數據采用串口服務器將數據發送到數據采集服務程序，重點是處理異構設備的數據解析，解析方式包括標準文本解析、數據庫文件解析、ActiveX控件二次開發和打印驅動數據截取四種方式[3,4]。

3.2 數據文件截獲機制的實現

數據文件的截獲其目的是截獲最新的設備檢測數據，從時機上來看應在設備完成相關檢測后進行，從目前的實際情況看，多數自帶工作站的設備都會將獲取的設備數據進行保存，因此通過監視設備數據文件的方式實現數據文件的截獲是一種較為可行的方式。文獻[5]介紹了一種基于.NET實現的文件系統監控方式，根據此類思路，可以輕易實現Windows平臺下的文件監控系統，因此數據采集文件監控系統的流程圖設計如圖4所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖4 文件監控系統流程圖

Fig.4 File monitoring system flow chart

使用System.IO.File SystemWatcher可以實現對特定文件或文件夾的監視，當指定文件夾中有新文件被創建，會觸發Created事件，如指定文件的文件大小或最后寫入時間等屬性發生變化則會觸發Changed事件，如有文件被刪除則會觸發Deleted事件。通過Path屬性可以指定要監聽的文件或文件夾，通過Filter屬性可以設置要監視的文件類型，如設為“*.*”則表示監視全部文件。通過NotifyFilter屬性可以指定要監視的事件類型，通過EnableRaisingEvents來確定是否啟動監聽。

3.3 數據文件解析方式的實現

數據文件的解析重點是獲取對用戶有意義的數據，因此根據數據文件格式的不同可以分為標準文本文件解析、標準數據庫文件解析和二次開發方式解析。利用.NET技術可以輕易地實現對文本文件、數據庫文件和VBA的編程，本文僅介紹標準文本文件解析方式的實現。

標準文本文件解析，指的是設備配備的數據處理程序會將采集到的數據以標準文本形式存儲在工作站上，此類設備會通過其自帶數據處理軟件生成標準文本格式的文件，通過監測和分析此類文件，可獲取相關數據。標準文本文件的讀取，在.NET中可使用System.IO.StreamReader對象進行讀取。

3.4 數據文件的發送

發送模塊負責實現數據的發送功能，可采用標準網絡通信協議實現，考慮到實現的可靠性，建議采用TCP協議和并發編程的方式實現，在.NET中可使用TCPClient對象來實現數據的發送。

4 采集方案的應用(Application of acquisition

scheme)

某理化指標實驗室管理有天平、長度儀、白度儀等21類檢測設備，共計45臺儀器，負責進行水分、長度、重量、白度等多個理化指標的檢定和產品質量管控，鑒于實驗儀器設備眾多，地理位置分散，接口繁雜，以往通常采用人工錄入的方式填報批次試驗指標的平均值，并進行合格判定。然而此種方式只能保存批次平均長度和合格判定，無法存儲每次試驗的詳細數據，同時部分試驗存在著大量的反復操作，人工抄填、計算、錄入的傳統方式工作強度大，枯燥乏味，易出錯，因此需建立一套基于通用異構非標準格式數據采集方法的實驗室自動化數據采集系統，實現試驗數據的自動采集，長期保存和查詢、分析。

該系統分為設備端、工作站端和數據查詢分析系統三個部分，采用層次遞進結構，其整體軟件結構如圖5所示。

 

 

 

 

 

圖5 實驗室數據自動采集系統軟件架構圖

Fig.5 Software architecture of laboratory data

automatic acquisition system

設備端程序是主要實現文件解析類數據的采集，通過文件監控和數據解析獲取設備數據，通過TCP/IP協議發送到工作站端數據采集服務程序。

工作站端數據采集服務程序是整套數據自動采集系統的中間層，其核心功能是數據接收，指標解析、格式轉換和數據轉發。其數據接收模塊需要接收和處理來自設備端程序和串口服務器兩類不同格式的數據，并根據業務規則從中解析出需要保存的有效指標數據，將其統一轉換成標準的JSON格式，再通過HTTP協議轉送到數據采集分析系統，這里使用HTTP協議可以確保數據可以安全的通過各類防火墻。

 

 

 

 

 

 

 

圖6 數據查詢分析系統功能模塊圖

Fig.6 Function module diagram of data query

analysis subsystem

數據查詢分析系統是一個基于Web的B/S結構應用程序，采用經典的多層結構分為視圖層和Web服務層、業務邏輯層和數據訪問層，負責實現數據分析和數據共享兩類核心需求，具有檢驗數據填報，質量數據預警、歷史數據查詢和數據趨勢分析、數據導出和數據集成等功能，同時還提供數據字典和用戶權限管理等基礎功能模塊，其功能結構如圖6所示。

本系統采用微軟的Visual Studio 2010作為開發工具，C#作為開發語言，對于設備端程序考慮到其兼容性，使用.NET Framework 2.0運行環境；對于查詢分析端，考慮到擴展性和可維護性，采用了基于.NET Framework 4.5的ASP.NET MVC架構進行實現，目前已上線運行，實現了對實驗檢測數據的自動化采集，有效地減輕了試驗人員的重復勞動和工作強度，提高了試驗數據采集的準確程度和效率，獲得了較好的應用成效。

5 結論(Conclusion)

隨著制造業信息化的不斷深入發展，各類異構設備接口的聯網需求和數據采集需求也日益迫切，本文提出了一種異構設備接口的自動化數據采集方案，并基于該方案實現了一套實驗室自動化數據采集系統，結果表明該方案可以有效滿足異構非標準設備的數據采集需求。但本文的方法在數據采集層面還必須針對設備進行定制開發，目前系統所涉及的設備種類和接口類型還有待進一步擴展。

參考文獻(References)

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

2526(753):3125-3128.

[4] 李水田.一種基于VBA的非標準格式數據采集方法的研究與實現[J].電子技術與軟件工程,2014(24):187

篇（10）

1課程目標

培養實用型、創新型人才,提升軟件研發能力,構建系統、完善的理論及實踐專業課程體系架構,一直是計算機專業課程和專業基礎課程的根本目標。為積極落實計算機學院計算機科學與技術專業的專業培養目標,強化對學生應用編程實踐能力的體系化培養,進一步構建、充實計算機軟件、硬件緊密結合的基本知識架構,貫徹系統、可持續發展的培養思路和課程體系,在C語言程序設計、面向對象技術、計算機基礎等先修課程基礎上,加強學生軟件開發能力的培養,設置并開設程序設計實踐課程“計算機設計項目實踐”。

課程設計方案針對專門的實用編程技術及其應用實現方法,進行特定系統功能的設計,確立實現方法,完成程序編碼與調試。進一步加強程序設計基礎理論技術的掌握,提升程序設計的深度和難度,培養學生設計實現較大程序的能力。為專業素質和能力的培養奠定扎實基礎。

本課程的設計項目對方案設計目標、設計內容、設計思路、實施基本方法進行系統規劃,學生能夠了解面向具體應用的程序設計基本方法,明確系統功能、設計、實現的基本流程,理解一個實用應用程序的基本架構,掌握設計實現的應用程序的運行流程。在選擇C語言編程環境及其方法的基礎上,能夠基于庫函數或類庫函數接口,運用具體編程方法,完成應用程序的設計、編碼等開發工作。選擇學生感興趣的項目,構建用戶自己的應用程序代碼,達到熟練運用編譯環境工具、開發較大型應用程序的目的。

課程方案設計的基本原則在于,通過精選應用系統的需求分析、功能設計、編碼、實現、測試、提交等基本環節,展現軟件開發基本過程,運用實用編程技術及其應用實現方法,培養學生實際開發經驗,提升學生應用編程實力,鞏固學生程序設計基本規范、基本流程的理解和實現技術,達到充實程序設計的應用知識體系、激發學生的學習興趣和主動性、開拓學生的專業視野和實際工作能力的目的。

2教學方案設計

2.1應用系統的設計

通用操作系統的文件系統為用戶數據的存儲和讀寫等提供必備支持,應用程序設計也需要有關文件操作功能的支持,文件系統及其各項實現技術具有實用價值,C語言程序設計課程中,文件系統相關章節對文件的基本操作、編程接口、實現方法等內容進行了簡要介紹,學生具備一定的理解文件系統功能和處理文件的知識基礎[1]。

參考相關資料,使用高級語言實現的一個文件系統,作為一個應用原型系統,基于該系統,完成軟件項目設計的各個過程[2]。

首先通過分析文件系統基本功能,理解文件系統的設計步驟,及設計實現一個簡單、功能完善的模擬文件系統SMFS。該文件系統功能包括文件操作、文件存儲管理、文件系統一致性和容錯性管理[3]。

SMFS文件系統采用C語言設計實現。通過分析原型程序的數據結構設計、算法設計實現,掌握該應用軟件的模塊劃分與集成,掌握編譯環境、運行環境的構建與使用。

首先對現有原型系統初步改錯并進行調試,查看運行結果,分析并找出原型系統仍然存在的問題。

再根據所設計的文件系統應用程序方案功能,進行設計和修改,對應用程序進行二次開發,完成應用程序的設計、編碼、調試、運行。

方案的實施使學生應用能力得到鍛煉和提高。學生可了解軟件開發規律、開發思路和實現技術。

2.2開發平臺的選擇

使用PC機、Windows操作系統、高級語言編譯工具及其環境,作為硬件、軟件開發運行平臺。選擇Turbo C或 Borland C作為編譯工具。開發、運行平臺易建。原型軟件程序已通過初步調試,可運行,為學生的調試、二次設計、開發提供有利支持和保證。方案可行性、可操作性較強。

3教學內容

3.1文件系統分析

以UNIX操作系統文件系統為例,對文件系統管理數據結構及基本構成進行必要分析,了解文件系統基本工作方式及其功能實現的基本方式。動手實現一個模擬文件系統――文件應用系統。

3.2文件應用系統規劃

文件應用系統設計功能包括,提供一個文件操作接口函數庫,基于該函數庫實現一個簡單的文件系統,提供高效的存儲管理功能。該文件系統提供較好的容錯性能,系統崩潰時進行數據的一致性檢測,確保數據不丟失。

基于文件函數庫的基本文件操作函數,設計實現一個簡單的單用戶文件系統。文件系統功能設計簡化為以下幾個模塊。

Naming:將文件名映射為文件占用的磁盤塊,空閑磁盤塊管理的內存與磁盤數據結構,稱為磁盤空閑表。該表可跟蹤磁盤上每一個磁盤塊分配使用情況,該表永久存放在磁盤上,文件系統啟動時放入內存,指導文件的空間分配。

Allocated:磁盤塊的分配記錄,即文件系統的物理組織。采用索引節點方式進行文件分配磁盤塊的管理。每個文件擁有唯一I節點,每個文件的屬性信息存放在該文件的I節點中。此外,目錄文件中包含該目錄下子目錄名及其I節點或文件名及其I節點,用于按目錄逐級查找,將文件名映射到I節點上。

文件操作包括:創建文件;修改文件;刪除文件等。

容錯性、一致性的設計。文件系統的恢復策略。確保文件數據的完整性、持久性。

3.3文件應用系統數據結構設計

全局數據結構包括:文件系統文件最大數量;文件系統最大空間;文件系統操作提示符――字符串;文件系統名稱――文件名表示;文件系統文件指針;文件I節點――結構體類型;文件I節點指針;文件I節點表――數組。

3.4文件函數庫設計

文件系統應能永久存儲數據,物理上存儲數據的是磁盤。為簡單起見,使用一個文件模擬磁盤。將文件磁盤塊大小設定為4KB,每個磁盤塊有唯一編號,每個文件以磁盤塊為單位存儲數據。

磁盤函數庫模擬真實的硬件接口,設計為函數實現,函數接口提供良好的調試接口,為將磁盤驅動器接口映射為模擬的磁盤函數庫函數接口。磁盤函數庫設計如下函數:

void creat_file_system()

函數功能:創建一個文件,包括文件管理數據和實體數據結構,表示文件系統。

void open_file_system();

函數功能:打開或創建文件系統,錯誤返回error;正確則返回文件系統指定的文件管理數據和實體數據結構位置指針。

int new_a_file(char *file_name)

函數功能:搜索文件系統,查出可用空閑管理塊,存入指定文件名,返回管理數據位置指針,否則,返回-1。

int del_a_file(char *file_name)

函數功能:搜索文件系統,查出指定文件,從文件系統中刪除該文件,返回該文件位置指針,否則返回-1。

void list()

函數功能:搜索文件系統,只要文件名不為空,輸出文件名和文件長度,文件計數。

int open_a_file(char *file_name)

函數功能:搜索文件系統,如指定文件存在,返回指定文件所在的序號。

int offset_by_i(int i)

函數功能:返回第i個文件在文件系統存儲空間的偏移量。

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

函數功能:打開文件file_name,寫入文件,寫入文件系統管理塊信息。

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

函數功能:打開文件file_name,讀出該文件字符串內容。

void print_help()

函數功能:輸出系統文件操作提示信息,供用戶選擇。

int main()

函數功能:啟動文件系統,進入幫助界面,用戶可以輸入各項操作代碼,循環執行對應文件操作,或結束系統運行。

合法操作包括:①創建文件系統;②新建一個文件;③刪除一個文件;④顯示文件列表;⑤寫入文件;⑥輸出文件;⑦退出文件系統。

3.5應用文件系統運行分析

測試中,查看存在的設計缺陷。如,文件系統中文件數量的檢測和控制;文件長度的檢測和控制;文件系統啟動確認等[4]。

3.6應用文件系統的再設計方案

根據學生對原型系統的理解和掌握程度進行自行設計。測試改進方案的系統運行的完善性和健壯性。

4教學過程

本課程課堂授課課時為8學時,上機實踐學時為24學時。教學采用講課、上機交替進行的方式。便于學生及時把教師交付的每個任務貫徹落實、設計實現,教師能將學生實踐中出現的問題,利用課堂教學及時反饋、說明、給出指導意見。

教師在授課期間,對設計方案的設計思想、設計方法、實現系統功能、實現技術及方法、編譯運行環境等進行簡要講解、說明。學生在上機實踐環節過程中,完成項目方案的設計實現,通過接受教師檢查、驗收、答辯等環節,提交實驗報告。鍛煉和提升分析,設計,文字、語言表述,實現,工具運用等能力。

該方案教學過程可設計為三個階段。

4.1授課內容設計

該階段完成進行系統開發的技術理論、程序架構、軟硬平臺搭建等準備工作。從項目設計目標、方案設計、實施過程及要求、編程技術分析、系統功能等方面進行授課。指導學生奠定扎實基礎,為進行下一階段的實踐作好準備。為了比較系統全面了解有關軟件開發的基本概念、基本過程,設計授課內容按系統功能驅動的方法展開,緊密結合實現編程技術,引導學生逐步系統了解開發一個特定應用系統所必需掌握的基本概念和基本技術。

教師在8學時的授課中,首先向學生明確說明方案系統的功能,然后進行功能的分解,直至完成模塊的劃分,講解需要的編程技術,實現模塊功能,學生在此基礎上,設計模塊內部的算法流程,并實現、調試、運行軟件系統。

4.2實踐內容設計

上機實踐24學時。實踐環節以課題組模式進行工作,利于互相幫助,培養合作能力和意識。學生以課題組為單位進行方案論證、設計、開發環境構建、分工、單元開發、調試、系統運行,完成項目實踐報告的編寫。組長是項目主持人。該過程能使學生明確軟件開發的各個環節,結合自身條件對每個環節進行自己的設計實現。課題組學生可按以下實施內容及步驟開展工作,并按計劃接受教師的檢查和評估。

每2人自由結為一個課題組。可以均衡學生的能力,達到互助的目的。確立方案的功能及設計基本方法,設計模塊函數功能及其編程接口。

安裝開發環境、調試開發工具。對于開發使用的 C/C++語言環境及工具、函數等作必要的調試。

分析設計系統功能,劃分每位同學的模塊分工明細。完成各自的功能模塊設計、編碼實現、調試,并接受教師檢查、評估。

課題組完成系統集成調試。提交調試報告和系統使用說明書,并接受教師軟件驗收。

項目實踐上機環節的內容可操作性強、實施要求具體、目標明確,便于對學生的研究能力、協調協作能力、軟件系統分析設計能力、編碼能力,解決問題能力、語言、書面表述能力等作一個綜合的培養、評價、考核。

5評價體系

對學生方案設計實現的評價,旨在通過實踐的各個環節的監督檢查,深入了解學生的進展情況、方案實施效果、出現的問題等,為學生提供指導、建議,考核設計與實現結果是否達到方案目標的要求。

針對項目實踐課程的目標和特點,必須規劃、確立學生成績評價標準。否則,課程開設效果難以保證。對學生方案設計實現的評價,旨在通過實踐的各個環節的監督檢查,深入了解學生的進展情況、方案實施效果、出現的問題等,為學生提供指導、建議,考核設計與實現結果是否達到方案目標的要求。

課程實施過程分為:課堂教學,課題組完成系統分析設計的理解、模塊功能設計與劃分、編程實現與調試、軟件驗收、答辯等。

學生成績評價體系設計根據每位學生的各個部分的實施情況進行評估。學生應提交規定格式、內容的文檔、實驗報告,完成編碼、調試、軟件驗收,學生在階段檢查時對設計實現內容進行講解、答辯。答辯對學生的系統總體設計模式與運行模式進行考核,確認學生是否對軟件系統的設計流程、運行流程及其出現的問題,有全面的理解。敦促學生全面系統地完成項目實踐整個實施計劃與實施過程。

學生成績評價體系包括文檔成績評估設計和軟件驗收答辯兩個部分。

文檔成績評估設計。組長及其組員負責組織編寫實驗報告,實驗報告的詳細格式及內容的規范要求見附錄。其中包括分析設計、系統調試、系統運行手冊、設計實現的模塊和調試等內容。根據實驗報告的可讀性、創新性、結構內容完整性、工作量等因素,評估每位學生的文檔成績。

軟件驗收答辯。根據教師提出的系統需求和設計方案建議,以課題組為單位進行系統分析設計,每人獨立進行模塊詳細設計及編碼調試工作,根據提交的模塊設計實現文檔和調試文檔,學生對模塊使用的數據結構及算法設計進行講解、答辯。教師根據講解簡明、思路清楚、工作量飽滿、使用技術有獨到之處等方面給予成績評定。根據提交的實驗報告進行軟件系統驗收,根據系統的運行功能實現、界面設計、編碼技術運用等評估學生的驗收成績。考核分值分布如表1所示。

表1考核分值分布表

考核內容百分比

系統分析設計報告10%

模塊詳細設計報告10%

原運行系統調試報告15%

系統調試報告用戶手冊15%

階段檢查25%

驗收檢查25%

6教學文檔及環境支撐

計算機設計項目實踐包括24學時的上機操作,需要完成課程軟件系統開發與文檔組織編寫,是以學生自主完成為主,教師指導為輔的實踐過程。為配合師生的需求,提高學生的工作效率,支持文檔的編寫、系統的設計實現、編碼、調試等諸多具體要求,一個方便實用的文檔及具體要求支持體系十分必要。教學文檔可提前提交給學生參考,一般包括:①授課教案;②實驗指導書;③應用軟件開發環境;④課程實踐環節參考手冊;⑤網上教學資源平臺;⑥教學大綱;⑦實驗大綱;⑧授課計劃;⑨實驗上機學期計劃表。

7課程實踐環節參考手冊設計

特別設置一個實踐環節參考手冊,對課程設計所有環節具體要求和實施辦法作一說明。為學生方便地編寫文檔和規范地完成實施過程,提供規范文檔體系參考與指導,使學生的成果體系完整、有據可查。

附錄一,實驗報告規范模板;附錄二,實驗任務書;附錄三,報告文檔內容格式參考;附錄四,進度安排及成果提交;附錄五,實驗報告撰寫規范;附錄六,成績評估表。

8結語

操作系統技術對于大學計算機專業課體系教育的重要性勿容置疑,實踐教學對理論教學有延伸和提升的作用,其教學重要性、迫切性、科學性越來越得到國內外同行的共識,如何將實用技術引入實踐教學

環節一直是教學中探索的重點和難點。本方案的創新性在于系統全面地設計了實踐類課程的各個環節,提供了較全面的方案設計內容,有一定的參考價值。方案具有較好的可操作性和可移植性,可供其他計算機專業課的實踐環節參考。該方案已應用于教學,對學生拓展應用編程技術,進行軟件開發具有較好的效果。

該方案具有技術實用、平臺易建、功能明確、難度適中的特點。通過方案的實施,學生系統軟件分析能力和應用軟件的開發能力能得到一個全面的實踐和鍛煉。

參考文獻:

[1] 譚浩強. C語言程序設計[M]. 北京:清華大學出版社,2006(6):150-210.

[2] 盧軍. Linux0.01內核分析與操作系統設計[M]. 北京:清華大學出版社,2004(6):139-198.

[3] 孟慶昌,牛欣源. 操作系統[M]. 2版. 北京:電子工業出版社,2009(11):183-216.

[4] 趙斌. 軟件測試技術經典教程[M]. 北京:科學出版社,2007(5):1-59.

Research and Implementation of Programming Practice Project

NIU Xin-yuan

篇（11）

中圖分類號：TV64 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）17-0066-02

0 引言

治理黃土高原地區的水土流失，有效措施是修建淤地壩。淤地壩的攔沙蓄水淤地的作用和效益都很明顯，尤其是采用小流域為單元，結合退耕還林、封山禁牧等措施，利于實施水土保持綜合治理規劃，有利于土地利用結構和組織勞力，也符合水土流失的規律[1]。

1 工程概況

崖窯河骨干壩作為延安市安塞縣的一個新建項目，坐落在河流上游的主溝道。該壩建成后能夠攔蓄泥沙，兼具蓄水功能，解決附近居民的飲用水問題。

崖窯河骨干壩由壩體、溢洪道和放水工程組成，其中壩控面積為5.26km2，總庫容97.46萬m3，攔泥庫容70.13萬m3，壩高21.50m，設計壩頂長28.65m，滯洪庫容27.33萬m3，淤積面積105.6畝。溝底高1376.00m，淤泥面高？犖1392.30m，校核洪水位？犖1395.80m，安全超高1.7m，壩頂高？犖1397.50m。

2 自然、社經、水文情況

2.1 地理位置 該小流域屬于黃河三級支流、延河二級支流、杏子河一級支流，坐落在延安市安塞縣的西南，流域面積76.86 km2，流域內海拔1080m～1580m，流域出口距縣城30公里，崖窯河骨干壩位于東徑108°59′58.86″，北緯36°47′17.01″，壩控面積為5.26km2。

2.2 地質地貌 壩址處屬于典型的黃土丘陵溝壑區第二副區，以紅砂巖為主。受水、風、重力等長期侵蝕導致表層黃土不斷被剝蝕，溝道及梁頂基巖出現部分，形成溝壑縱橫、基巖出露的地貌景觀。

崖窯河骨干工程坐落在主溝道的上游崖窯河自然村，溝道常年流水，壩溝底寬約16m，兩岸巖石為直立陡崖，出露高度約15m，溝道上游部分溝段比較平緩。

2.3 土壤、植被覆蓋 流域內土壤類型以黃綿土為主，約占耕作土壤的80%以上，肥力很低，有機質含量在0.5%～1%之間，PH值在8.0～8.6之間，呈微堿性。

壩址所在地植被稀疏，以經濟林和人工草地為主，林草覆蓋率約為40.6%。

2.4 社會經濟 ①社經情況。崖窯河骨干壩隸屬安塞縣下屬的九臺村管轄，該村共有552人，人口密度31.36人/km2，人均土地318.84hm2，人均基本農田0.69畝，人均糧食產量900kg。以種植業為主，其次是畜牧業。②受益和淹沒情況。由于崖窯河骨干壩隸屬九臺村管轄，工程只涉及1個行政村，直接受益范圍限制在九臺行政村。工程建設過程中不存在淹沒問題。

2.5 氣象、泥沙、水文 ①氣象特征。該工程屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，干旱少雨，雨量不均，四季分明。年平均氣溫在8.8℃，蒸發量857.7mm，無霜時間157天，大風天數為26天。②降水。壩址處年均降水量為559mm。6～9月的汛期占全年降水量的80%，多以暴雨形式出現。③泥沙。該工程流域內土壤侵蝕模數年平均量為9000t/km2.a，產沙主要集中在汛期，年產沙69.17萬t，占全年產沙總量的95%以上。

3 工程設計

根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》的劃分，該工程為五級，洪水重現期為30年，校核為300年，淤積年限20年。

3.1 壩體設計

3.1.1 繪制壩高～庫容～淤地面積曲線

根據下式計算各級水位下的庫容：

3.1.3 確定壩高 壩高H是由攔泥壩高HL、滯洪壩高Hz和安全超高ΔH組成，

H=HL+HZ+ΔH（5）

查水位—庫容曲線決定攔泥壩高，由查水位—庫容曲線得，HL=16.30m，淤積高程設計為1392.30m。

調洪演算決定滯洪壩的高度。經調洪演算確定VZ=27.33萬m3，查水位—庫容曲線HZ=3.50m，滯洪水位高程1395.80m。

根據《水土保持治溝骨干工程技術規范》的相關規定，安全超高為ΔH=1.70m，壩頂高程為1397.50m。

因此，壩高為

H=HL+Hz+ΔH=16.30+3.50+1.70=21.50m。

按3～5%的預留計算沉陷壩高，取值1.00m，則壩高為22.50m。

3.1.4 壩頂的寬度 按照“規范”[2]和已有實踐經驗，壩頂寬度為4.0m。

3.1.5 設計壩坡 上、下游壩坡馬道的坡比為1：2.50，壩體鋪底寬為110.50m。

3.2 溢洪道設計 ①溢流堰。經演算Q泄=83.81m3/s，滯洪水深H=3.50m，堰頂寬B=8m。堰頂長度3H

4 效益分析

4.1 基礎效益。工程投入使用后，年攔截泥沙94.68萬t，蓄洪水能力27.33萬m3。

4.2 經濟效益。經濟效益涉及直接經濟效益壩地的種植效益和間接經濟效益攔泥和防洪效益。①壩地種植效益。工程達到淤積年限后，淤成105.6畝壩地，利用率按80%計算，壩地84.48畝，按市場當前價格，以30年的種植期計算，累計效益為63.36萬元。②攔泥效益。工程20年可攔泥94.68萬t，按照每攔截1t泥沙，可節省費用按3.75元計算，攔泥高達355.05萬元。

4.3 生態效益 ①淤地壩降低洪水的含沙量，為下游提供灌溉水源，解決淤地壩的農田灌溉[3]。②通過攔截洪水，減輕洪水對溝道的沖刷，降低流入下游的泥沙[4]。③壩地攔蓄的是小流域坡面上流失的有機質，成為高產穩產的基本農田[5]。

4.4 社會效益 壩地建成后，營造了良好的生產條件，解決了居民用水問題，促進了經濟的發展。

5 結語

5.1 分析 經過對工程進行可行性論證和效益評估，該工程建成后減少了入河泥沙和對下游河道的淤積，提高了生產和生活的環境，促進了區域經濟的發展。

5.2 展望 從局部范圍內解決水土流失問題，進而實現保持水土的目的。從長期意義來看，需要多方協調、共同努力才能從根本上治理延安的水土流失。

參考文獻：

[1]崔云鵬，蔣定生.水土保持工程學[M].陜西人民出版社，1997.

[2]SL289—2003水土保持治溝骨干工程技術規范[S].