時間：2022-12-15 00:03:53
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2實驗步驟
（1）熟悉監控環境和分析平臺的使用。熟悉監控環境的使用，并在其中運行僵尸程序，嘗試和僵尸網絡命令與控制服務器進行連接和通信；熟悉二進制代碼分析平臺BitBlaze的使用，學習利用其動態分析組件TEMU進行軌跡捕獲、二進制代碼插裝的技術和方法，熟悉利用靜態分析組件VINE進行二進制代碼的執行軌跡反匯編及符號執行、約束求解等分析方法。（2）僵尸程序執行軌跡捕獲。執行軌跡是僵尸程序路徑空間中一條路徑的執行過程的詳細記錄。在BitBlaze平臺的TEMU中運行僵尸程序，監控其執行過程，并將從命令與控制信道中接收到的網絡數據標記為污點，捕獲得到僵尸程序的執行軌跡文件?？梢苑謩e捕獲僵尸程序在與控制命令服務器無網絡交互、有網絡交互及接收到不同控制命令等情況的幾組不同的執行軌跡，以便于進行對比分析，并用BitBlaze平臺中的VINE將這些二進制的執行軌跡文件轉換成匯編語言格式。（3）僵尸程序執行軌跡文件分析。對捕獲到的執行軌跡文件進行處理和簡化，然后編寫程序對其進行分析：統計分析僵尸程序執行軌跡中的線程個數及線程號、污點傳播過程等信息；分析僵尸程序代碼空間中的代碼覆蓋情況，計算代碼覆蓋率并分析其特點；統計分析系統API調用情況；從執行軌跡文件構造僵尸程序的控制流圖。通過分析，對執行軌跡的特點和僵尸程序的執行邏輯有更加清晰的認識。（4）僵尸網絡控制命令提取。根據步驟（3）中的分析結果，結合僵尸程序的固有特點，從執行軌跡中定位到僵尸程序中對控制命令進行判斷、處理的命令控制邏輯代碼段。定位的方法可以結合參考文獻［3］中提出的規律，也希望學生探索和發現新的特點和規則。然后，在可控環境中執行僵尸程序，當執行到命令控制邏輯代碼段時，利用代碼插裝等二進制代碼動態分析技術［13］提取出僵尸程序可執行的控制命令。（5）僵尸程序行為分析。在可控環境中再次運行僵尸程序，利用FileMon和Wireshark等軟件對僵尸程序的行為進行跟蹤監控。其一，在沒有與命令控制服務器交互時，分析僵尸程序執行后會有怎樣的行為表現，例如自刪除、修改系統文件、修改注冊表選項、試圖連接命令與控制服務器等；其二，在和命令與控制服務器進行交互時，利用步驟（4）中提取出的僵尸網絡命令，觸發僵尸程序運行，再監控其會有怎樣的行為，并總結控制命令與僵尸行為的對應關系。通過多次實驗和觀察，對僵尸程序的行為和特征進行歸納總結。（6）僵尸網絡命令與控制機制的進一步思考和探索。思考上述從僵尸程序二進制文件中挖掘未知命令方法的優缺點，并探索新的改進方法。根據提取出的控制命令及其對應的行為，分析僵尸程序和命令與控制服務器通信的方式，從整體上對該僵尸網絡的命令與控制機制進行認識和思考。在上述步驟中，步驟（3）“執行軌跡文件分析”和步驟（4）“控制命令的提取”涉及較多的專業知識和二進制代碼分析技術，是本實驗的難點。
3實例分析
在TEMU中運行Zeus僵尸程序，在和命令與控制服務器進行通信時，動態捕獲了Zeus僵尸程序的3條執行軌跡，其中的線程數、匯編指令總數和系統API調用個數見表1．對3個執行軌跡進行分析，了解Zeus僵尸程序的執行邏輯，利用執行軌跡中的代碼塊覆蓋率特征，從中定位到滿足參考文獻［3］中提出的覆蓋率規律的代碼塊，其所在代碼區域就是僵尸程序的命令控制邏輯代碼段。根據此方法，可以定位到的代碼段地址范圍為0x26e877c—0x26e87a2，其中調用了系統比較函數lstrcmpiw來進行比較，它是一個循環結構（見圖3）。將Zeus僵尸程序再次放在TEMU中運行。當僵尸程序運行到命令判定循環的入口地址0x26e877c時，開始監控是否調用判定函數lstrcmpiw。如果發生調用，則修改輸入命令為隨機數據，使程序進入判定循環。在判定過程中，通過獲取用來和輸入數據比較的參數，動態捕獲了Zeus僵尸網絡的25個控制命令。提取出控制命令以后，就可以用這些控制命令作為網絡輸入來觸發Zeus僵尸程序，使其表現出相應的行為。掌握了僵尸網絡的命令與控制機制以后，也可以嘗試偽造Zeus命令與控制服務器并向僵尸主機發送bot＿uninstall等命令來卸載、刪除僵尸程序，瓦解僵尸網絡。
二、材料準備
1.三種不同顏色的墨水，分別是：紅色、純藍、墨汁（可適當稀釋）。2.試劑瓶6個，一個裝紅墨水，標明“A標準血清”，另一個裝純藍墨水，標明“B標準血清”；其余四個分別裝紅墨水、純藍墨水、墨汁和清水，模擬四種待測血液樣品，在試劑瓶上標明甲、乙、丙、丁。3.載玻片4個，在左右兩邊的邊緣分別用記號筆標明A和B（與醫院中血型鑒定方法一致）。
三、實驗原理
用紅墨水代表A型血樣；用純藍墨水代表B型血樣；墨汁代表AB型血樣；清水代表O型血樣。四種樣品在滴加紅、藍墨水代表的A、B兩種標準血清時，會有不同的顏色變化，用變色與否代表凝集反應，如下表：
四、模擬實驗過程
1.取4張載玻片，均在標明A的位置上方滴加1滴紅墨水（A標準血清），在標明B的位置上方滴加純藍墨水（B標準血清）。2.在每張載玻片上滴加一種待測樣品，A、B標準血清中各加1滴。3.觀察是否變色，將結果記錄在下表中，在括號內注明血型：
二、評價方法
科學探究能力的主要能力結構是科學知識的掌握、科學方法的應用、表達和交流三個方面，科學探究每個維度都可以從這三個指標進行評價，從而形成科學探究能力的評價體系。1.科學知識的掌握評價標準分值5：能夠依據自己選擇的探究因素，選擇合適的實驗材料，設計出簡單、合理、易操作的實驗裝置，實驗過程符合科學邏輯。分值3：能夠依據自己選擇的探究因素，選擇合適的實驗材料，設計出合理可行的實驗裝置，實驗過程符合科學邏輯。分值1：實驗材料選擇不恰當，實驗裝置設計不合理，實驗過程缺乏基本科學邏輯。2.科學方法的應用評價標準分值5：選取恰當數量的大豆種子，實驗裝置應考慮適宜的萌發條件，科學合理設置對照實驗，考慮相同環境因素，保證某一外界因素這一單一變量，有明確可信的數據記錄。分值3：選取恰當數量的大豆種子，科學合理設置對照實驗，保證某一外界因素單一變量。分值1：未考慮實驗的變量控制，設計的實驗方案與檢驗假說沒有邏輯上的關系。3.表達與交流評價標準分值5：能夠簡明有條理地敘述探究方案，實驗裝置描述清晰易懂，易被他人重復。分值3：能詳細敘述出探究方案，基本能被他人理解和重復。分值1：探究方案的表述不完成，邏輯混亂，不可重復。
案例1：
（1）先在2個紙杯上分別標上“A”和“B”。
（2）分別在A杯和B杯內放入250g土。
（3）再在A杯和B杯內分別放入10粒大小相似并完整有生命力的大豆種子。
4）在A杯內每天澆水，B杯不澆水。
（5）仔細觀察一周并記錄種子萌況。評價：科學知識的掌握5分；科學方法的應用5分；表達與交流5分。
案例2：
（1）取兩個燒杯，都放入相等泥土。
（2）分別放入10粒種子，每天澆等量的水。
（3）一個放于溫暖陽光下，另一個同樣放于陽光下，但不讓它照到光。
（4）連續觀察一周，每天記錄萌發數量。待修改問題：
（1）燒杯未標記。
（2）表達可再詳細、具體些。評價：科學知識的掌握5分；科學方法的應用3分；表達與交流3分。
案例3：在土壤里均勻播種種子和水，在溫度37度時會不會發芽。多試幾次，每次不同濕度溫度。待修改問題：
（1）未用標記。
（2）沒有設置對照實驗，沒有控制實驗變量，變量不唯一。
（3）表達沒有條理不清楚，沒有可操作性。評價：科學知識的掌握1分；科學方法的應用1分；表達與交流1分。
三、結果與思考
通過對162份工作單的評價，發現七年級學生在設計探究方案中存在以下問題：
1.器材的選擇：學生在沒有選擇探究溫度因素的情況下選用冰箱放置實驗組。
2.大豆數量：三分之一的學生選擇每組5粒以下的大豆種子進行實驗。
3.實驗組和對照組的編號：只有少數同學給培養皿或燒杯貼標簽編號。
4.單一變量的控制:
（1）探究光：陽光下和陰暗處有溫差，出現光和溫度兩個變量。
（2）探究溫度：冰箱里無光，與室溫下做對照，出現溫度和光兩個變量。
（二）實驗指標的設計
依據相關的實驗研究方法要求，保證實驗前后檢測的真實性，進行相關指標的測定。指標包括：1.前測指標：實驗組排球隊員和對照組的柔韌、力量素質和彈跳能力；2.后測指標：實驗組排球隊員和對照組身體素質水平：傳球技術動作的完成情況，傳球的效果；隊員的體育學習心理水平：體育學習的動機水平和認知水平。
（三）實驗控制的設計
在任何實驗性的科學研究中，由于與實驗相關的條件或因素如果是可測量的、數量化的或等級化的參與因素很多，勢必就會影響實驗的效果，不可避免，但是保持嚴謹的科學態度，合理的控制實驗過程中的各因素、各環節的變量影響效果，就會最大限度的降低實驗產生的誤差，從提高實驗的科學性和準確性，就本實驗研究的過程來看主要是控制以下幾種變量：1.對實驗教師的控制：論文開展前通過走訪和調查，選定的實驗組和對照組的教師或者教練，無論從排球的教學水平、教學經驗都要處于同水平，這樣可以減少教師的影響誤差。2.對隊員的控制：參與對比實驗分析的兩組隊員，都是普通學生，都沒有運動員的經歷，而且在本次實驗前對兩組學生分別進行指標的前測分析，保證實驗前的兩組學生身體素質和體育學習水平測試的差異不具顯著性，從而降低學生水平差異帶來的誤差。3.對訓練和教學過程的控制：為了實驗的誤差降低到最小，實驗訓練的場館一般要求在同一場地，盡可能的減少場館誤差的影響。4.對測試方式和數據的控制：實驗組和對照組的學生統一編排，并打亂測試順序，統一對具有排球教學經驗的教師進行測試，并進行數據的統一記錄，保證測試方式和數據統，從而降低數據的誤差。通過對以上幾個影響因素的控制，最大限度的降低外部環境的影響效果，實驗控制在一定程度上直接影響了實驗效果，因此實驗的控制必須在實驗前后控制在最小范圍內，才能保證實驗的科學性和可靠性。
（四）實驗步驟的設計
根據實驗要求，在不同時期安排不同實驗內容，具體步驟如下圖所示實驗步驟的設計是為了使訓練階段性更強，更能保證實驗的科學性。實驗步驟設計完成，對于今后的實驗教學有一定的指導性作用。
2.在飲料瓶蓋中間部位鉆一個直徑略小于油筆芯的小孔，剪下2cm長的一段油筆芯，將其一端插入瓶蓋的孔中，并用強力膠黏固在瓶蓋上。把輸液管滴壺上端切掉1/4，做成一個盛液漏斗。在滴壺的下端留下30cm長的一段輸液管，其余部分剪掉。再把輸液管的端部套在瓶蓋中的油筆芯上，并用棉線扎緊。這樣,一個演示浮力產生原因的裝置就制作好了。
二、裝置用法
1.把裝置安裝在支架上。在飲料瓶中加入清水，同時在水中滴入數滴紅墨水振蕩，使水變成紅顏色。
2.滴壺固定不動，使瓶中液面與輸液管中液面相平。把小球放入瓶中，小球因受到水的浮力飄浮在水面上。當用推桿將小球推到瓶口并堵在瓶口處時，移開推桿，小球仍上浮到水面上。
3.當再次用推桿將小球推到瓶口并堵在瓶口處時，此時下移滴壺，使輸液管中的液面低于瓶中液面，這時再移開推桿，可以看到小球不再上浮，而是繼續堵在瓶口處。這表明，小球雖然完全浸在水里，但并不受浮力作用（小球重力很小，可以忽略）。通過分析水對小球的作用力可知，這時小球受到水對它向上的壓力小于水對它向下的壓力。因此，浮力等于零。移動滴壺，只要輸液管中的液面低于瓶中液面，小球就能堵在瓶口處，即浮力為零。
4.移動滴壺，只要輸液管中的液面高于瓶中的液面，小球就能上浮，表明小球受到了浮力作用。通過分析水對小球的作用力可知，這時小球受到水對它向上的壓力大于水對它向下的壓力，即產生了浮力。
波形Rom又叫正弦函數功能表Rom，它的意思就是波形存儲器，顧名思義，就是存儲波形的，它是用來儲存在循環中產生的那些失真的很小的波形，也就是那些被經量化還有離散后的正弦波形幅值，用于來產生一個完整的波形，波形儲存器就像一個存放成品零件的地方，用于組裝更大的東西。
2）數模轉換器DAC
數模轉換器，又稱D/A轉換器，簡稱DAC，它的作用就是把一些不合適的信號轉化產生成所需的模擬信號，它一般有4個部分組成，即權電阻網絡，運算放大器，基準電源和模擬開關，數模轉換器通過名字就知道是數字量到模擬量的一個轉換，它的作用就是將離散的數字信號轉變為連續的模擬信號，最后通過濾波器，然后輸出。它的作用就好像是一個組裝車間，把剛剛在波形儲存器里面的離散的波形，進行組裝，把他們變為連續的波形。
3）低通濾波器LPF
低通濾波器，簡稱LPF，是這個系統循環中最后一個環節，就是濾波，既然它是濾波器，那它一定是用來除去一些不要的頻率段的信號的，帶通是讓某一個范圍的頻率通過，低通濾波器是允許低于截止頻率的信號通過，而高于截止頻率的信號就不能通過了，最后得出一個純潔穩定的波形信號。它的作用就好像車間里的最后一步，打磨拋光，是這個物品看起來更加的精美。
2DDS信號源設計
如果采用單片機來控制DDS的話，這樣DDS的效率就會提高很多了。采用了DDS專用的AD985X系列芯片后，它就能提高它的效率了，能滿足高分辨率，高速度，還有高精度的要求了。然后再以單片機作為DDS的控制電路，鍵盤、顯示、串行接口作為電路，能對信號的產生和顯示及處理進行控制，而且后期還能對生成的信號進行處理，比如低通濾波及信號的放大。通過控制電路對DDS輸入控制字，然后經過DDS內部轉換生成信號頻率，然后輸出信號頻率進入低通濾波器進行濾波除雜，最后通過運放電路進行信號的放大。這個系統的運行原理見圖2單片機控制DDS原理圖。
（1）實驗信息管理。
實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。
（2）實驗課程管理。
實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設班級，對實驗課程進行編排，以完成實驗課程的統一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。
（3）實驗設備管理。
實驗設備是實驗教學過程中的重要資源，對實驗設備統一進行信息登記和管理，有助于實現對實驗設備的網絡化管理。
（4）實驗教學管理。
實驗教學管理主要包括實驗課程的準備，學生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學總結。
1.2模式設計
該設計采用了C/S模式和B/S模式相結合的設計模式。整個實驗室信息管理系統在WEB環境下運行，客戶端與數據庫服務器之間采用B/S模式，從而避免了客戶端專用程序的開發；而數據庫服務器與應用服務器之間采用C/S模式，適宜滿足應用程序和數據庫系統之間的大批量數據訪問和調用，從而提高了數據訪問的靈活性。另一方面，由于數據全部存儲在專用的數據庫服務器上，而應用程序服務器和客戶端只負責發出相應的數據請求指令，這樣在一定程度上也提高了數據的安全性，后期維護也更加趨于合理。
2虛擬現實技術在虛擬實驗中的設計與應用
2.1虛擬現實技術的應用方法
要將傳統的動手實驗演變為基于虛擬現實技術的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應設定等一系列設置，這樣才能夠實現實驗教學的信息化和虛擬化。目前三維建模主要依賴SolidWorks三維軟件完成，而虛擬場景的重新構建，在很大程度上依賴于LabView等圖形化編程軟件的使用。要實現虛擬實驗系統的設計，離不開數據庫系統的應用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數據庫的實時動態訪問，因此如何快速訪問數據庫系統成為虛擬技術應用的關鍵。目前應用在虛擬實驗系統中的數據庫訪問技術，主要是依賴于數據的快速存儲方式。對于底層傳遞來的數據，按照數據自身的屬性進行分類，從而將數據自動劃分到不同的數據類中。在同一數據類中，按照所定義的關鍵字對數據進行存儲。采用分類的數據存儲和訪問方式，能夠極大地提高數據庫訪問的效率。
2.2機電一體化實驗的虛擬化設計應用
本研究課題以具體的機電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統的設計與應用。機電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數據濾波、數據采集、數據顯示、電機控制等一系列任務。針對該實驗的內容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：
（1）三維建模。
借助于SolidWorks三維軟件對傳感器、濾波器、數據采集卡、數碼管、CPU控制器、步進電機等進行三維建模，實驗室內的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強實驗環境的真實性。
（2）場景重建。
利用LabView圖形化編程軟件，將上述三維模型進行空間布局設置，構建與實驗室完全一致的實驗場景。
（3）界面接口設計。
僅僅有圖形化場景是遠遠不夠的，還必須借助LabView圖形化編程軟件對接口進行設計。比如數據采集卡的接口應當與傳感器的輸出接口保持相同的電平規格；再比如，CPU控制器的輸出脈沖應當跟步進電機的驅動電流保持相同電平規格，以確保電機能夠被驅動。
（4）虛擬動作響應。
設計了界面接口，就能夠利用VRML工具對虛擬動作響應進行設定，通過設定使虛擬實驗系統能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。
（5）數據庫的快速訪問。
在機電一體化實驗中，需要保存的數據有傳感器采集數據、數據采集卡的采集頻率、CPU控制器的輸出脈沖規格以及步進電機的相關參數。這些參數按照其自身屬性可以劃分為采集數據、控制數據和輸出數據三大類，將上述的數據自動地劃分到這三大類中。當虛擬動作響應需要訪問數據庫系統查詢上述相關數據時，可以首先按照數據所在的大類進行查詢，這樣有助于提高數據庫系統訪問的快速性和準確性。
1.創設情境，復習引入
問題一：電流計指針偏轉方向與通入電流的關系？【實驗一】探索電流計指針偏轉方向與通入電流的關系。師：如何才能知道指針偏轉方向與電流進入方向之間的關系？是否可以通過實驗來確定呢？【學生實驗1】學生按圖接好電路，探究指針偏轉方向與電流進入方向之間的關系，并完成下表。結論：電流從何方流入指針就向何方偏轉。問題二：感應電流產生的條件？【實驗二】感應電流產生的條件：師：在上述實驗中，我們已經得出感應電流產生的條件是什么？生：只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流產生。師：磁鐵插入與抽出時，指針偏轉的方向相同嗎？指針左偏與右偏意味著什么呢？生：不同。指針偏轉不同，表明電路中的電流方向不同。問題三：怎樣判斷通電螺線管中的電流方向？師：怎樣判斷通電螺線管中的電流方向呢？生：根據電流計指針的偏轉方向和螺線管上的導線繞向來判斷。問題四：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向？師：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向呢？生：根據通電螺線管中的電流方向用安培定則判斷。師：那么感應電流的方向是否遵循什么規律呢？本節課讓我們通過實驗來進一步探究。
2.確定課題，分組探究
【學生實驗2】學生按圖接好電路，做實驗并填附表。
3.分組總結，難點依舊
描述實驗現象，填表。討論回答：師：穿過閉合回路的磁通量的增減會導致什么結果？生：有感應電流產生。師：感應電流又會產生什么？生：會產生感應磁場。師：那么這兩個磁場的方向之間有什么關系呢？請大家分成兩組來回答。【小組一】條形磁鐵插入螺線管的過程。（1）N級向下插入原磁場方向向下磁通量增加產生的感應電流的磁場方向向上二者方向相反感應磁場的作用：阻礙原磁場增加。（2）S級向下插入原磁場方向向上磁通量增加產生的感應電流的磁場方向向下二者方向相反感應磁場的作用：阻礙原磁場增加。【小組二】條形磁鐵拔出螺線管的過程。（1）N級向下拔出原磁場方向向下磁通量減小產生的感應電流的磁場方向向下二者方向相同感應磁場的作用：阻礙原磁場減小。（2）S級向下拔出原磁場方向向上磁通量減小產生的感應電流的磁場方向向上二者方向相同感應磁場的作用：阻礙原磁場減小。結論“：增反減同”，即：判定感應電流方向的方法，其內容為“感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化”，由此得出了楞次定律。在這個教學過程中，學生的學習效果如何呢？實際教學中，學生共分成八個小組，其中有三個小組的實驗表格不清楚怎么填而求助于教師，三個小組的表格填了一部分，而只有兩個小組在參照課本的情況下填得比較好。這說明，雖然在教學中運用了各種物理學方法，但并沒有有效地幫助學生理解物理學知識?？上攵?，之后楞次定律的得出也就比較困難，對定律理解也就不夠透徹。如何“有效”運用這些物理學的方法呢？關鍵還是要結合學生學習的實際情況，合理地運用物理學方法。于是，教師帶領學生對這一實驗設計進行了如下的改革，取得了很好的學習成效。
二、改革后的實驗設計方案
1.實驗法
所謂實驗教學法，是指學生在教師的指導下，使用一定的設備和材料，通過控制條件的操作過程，引起實驗對象的某些變化，從觀察這些現象的變化中獲取新知識或驗證知識的教學方法。實驗法是學生做好實驗的前提和基礎，教師耐心細致地做好這一步，才能幫助學生順利進行后面的分組實驗。于是，教師帶領學生對實驗教學過程做了如下改進：（1）創設情境，復習引入【實驗一】產生感應電流的演示實驗。教師演示分步連好電路，由學生上講臺操作，全體學生觀察。問題一：怎樣做能夠產生感應電流？生：將條形磁鐵不斷插入或拔出螺線管。問題二：為什么產生了感應電流？（感應電流產生的條件）生：閉合回路中磁通量發生了變化。問題三：靈敏電流計的指針偏轉與螺線管中的電流方向有什么關系？生：電流從哪邊流入靈敏電流計，指針就向哪邊偏。根據指針的偏轉情況就能判斷出螺線管中的電流方向。問題四：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向？師：怎樣判斷通電螺線管中的磁場方向呢？生：根據通電螺線管中的電流方向用安培定則判斷。師：那么感應電流的方向是遵循什么規律呢？本節課讓我們通過實驗來進一步探究。（2）確定課題，互動探究【實驗二】探究感應電流的方向。教師實驗：N極向下插入螺線管中，請學生記錄實驗現象，把電流方向標在下圖中。學生分組：N極向下從螺線管中拔出，S極向下插入螺線管中，S極向下從螺線管中拔出，分別記錄實驗現象，并把電流方向標在下圖中：由于有教師在【實驗一】中的電路連接演示及在【實驗二】中的實驗操作演示，學生的實驗做得很順利，實驗現象的記錄也很準確，可以說又快又好，有效地完成了這一教學環節。那么接下來，如何由實驗現象整理和歸納出所要得出的結論，這就要看歸納法運用得是否有效了。
2.歸納法
所謂歸納法是指從個別元素中概括出一般結論的思維方法，也可以指學科學習中具體的一種科學方法。由實驗現象歸納得出物理規律，在學生的學習過程中具有重要作用。于是，教師進一步對教學中的歸納過程做了如下改進：首先，降低填表難度。整個表中對每一個實驗現象分析所需要填寫的空格被縮減為兩個，如下所示：其次，設置問題，引發學生的思考。師：通過實驗，我們知道了在不同情況下感應電流的方向（已畫在圖上），那么請大家分析一下，感應電流的方向與什么因素有關呢?生甲：可能與磁感應強度B的方向有關。生乙：可能與條形磁鐵的運動方向有關。生丙：可能與磁通量的變化有關。分析：由過程一、二判斷感應電流的方向與磁感應強度B的方向無關。由過程一、三判斷感應電流的方向與與條形磁鐵的運動方向無關。同樣，由過程一、三判斷感應電流的方向與磁通量的變化無關。那么，到底與什么因素有關呢？最后，難點由教師引導學生突破。師：感應電流會產生磁場嗎？生：會。師：請大家畫出感應電流的磁場方向，并分析原磁場方向與感應電流的磁場方向有什么關系？分成兩組來回答?！拘〗M一】條形磁鐵插入螺線管的過程（1）N級向下插入原磁場方向向下磁通量增加產生的感應電流的磁場方向向上二者方向相反感應磁場的作用：阻礙原磁場增加。（2）S級向下插入原磁場方向向上磁通量增加產生的感應電流的磁場方向向下二者方向相反感應磁場的作用：阻礙原磁場增加?！拘〗M二】條形磁鐵拔出螺線管的過程。（1）N級向下拔出原磁場方向向下磁通量減小產生的感應電流的磁場方向向下二者方向相同感應磁場的作用：阻礙原磁場減小。（2）S級向下拔出原磁場方向向上磁通量減小產生的感應電流的磁場方向向上二者方向相同感應磁場的作用：阻礙原磁場減小。得出結論“：增反減同”即這樣設計的實驗和學習課程，實際的實驗過程順暢了，學生幾乎都能認真完成實驗，記錄下觀察到的現象，并經過分析討論得出了自己的結論，為楞次定律的進一步理解和應用打好了基礎。由此可見，在教學過程中，關鍵是要保證讓學生理解相應的知識。所以，任何教學過程都應當按理解的要求進行整體設計；任何教學方法的應用，都是為實現這一目的而服務的。因此，教學實驗設計必須考慮讓學生透徹理解的有哪些內容，怎樣才能有效地幫助或引導學生理解這些內容，這些內容的理解過程應當運用哪些物理學方法最適合，在理解這些內容的各個階段應分別達到什么要求，等等。假如我們對這些問題搞得比較清楚，在教學過程中恰當而有效地運用好物理學的方法，教學質量就會有大幅度提高，學生的學習也會有較大突破。
高分子精細化工實驗課程相關實驗教材極少且不完善，實驗時間較長且內容多為驗證性實驗，學生在實驗教學過程中不重視對實驗現象及過程的描述和分析，依葫蘆畫瓢，缺乏實驗的目的性和能動性，不利于學生實驗設計能力的培養。為此，一方面可從實驗選材入手，將一些形象、有趣的與日常生活密切相關的元素融入到實驗項目中，緊密聯系實際，做到知識性、趣味性與實用性相結合，充分調動學生的積極性，激發學生的學習熱情。如在“高分子材料阻燃性的測定”、“高分子材料導電性的測定”等實驗中，可由學生自由選擇生活中常見的一些材料如塑料瓶、快餐盒、塑料袋等作為樣品進行測試，讓學生在較高的實驗熱情和興趣下輕松地掌握阻燃高分子材料及導電高分子材料的表征方法。另一方面，精心設計實驗教學，優化驗證性實驗，通過提問、討論等方式，發散學生思維，激發學生實驗設計意識和動機。如在講解“聚芳酰胺的溶液縮聚”實驗項目的實驗原理時，可從單體二酰氯非常活潑在常溫下就能與二胺單體反應，但酰氯遇水很不穩定等這些性質來啟發學生對反應條件的思考，從被動的“接受學習”轉向“發現學習”、“探究學習”。聯系生活實際挖掘實驗素材，激發學生學習熱情;結合多元化的教學方式，發散學生思維，滲透實驗設計思想，是培養學生實驗設計能力的一條有效途徑。
2開展綜合、設計性實驗，提高實驗設計思維品質
高分子精細化工實驗設計能力，主要體現在學生能否正確理解實驗原理并在不同情境下靈活遷移，運用高分子化學與高分子物理等專業基礎知識和實驗技能，設計出實驗新方案的能力。綜合、設計性實驗著眼于學生掌握一定的實驗理論原理和操作技能的基礎上，學生自己設計完成實驗項目。該實驗教學模式可充分激發學生形成實驗設計的觀念和意識，能夠有效增強學生對知識的掌握，培養學生較強的實際動手能力、分析解決問題的能力。例如，在講到高分子精細化工課程中高吸水性樹脂章節內容時，可提供不同的實驗原料和條件，要求學生通過所學的影響吸水性性能的結構因素知識，設計合成不同的高吸水性樹脂。學生通過設計性實驗的過程加深了對吸水性樹脂的合成方法及影響因素的理解和認識，同時也促進了學生對實驗設計的過程的進一步了解。
3開發開放型研究性實驗，形成實驗設計能力
開放型研究性實驗通常是以科研實踐為主題，讓學生自由支配時間進行新實驗的創新設計或是傳統實驗的更新和改造。教師可結合自己的科研工作，開發開放型研究性實驗項目，以課題組為組織形式，讓學生查閱資料確定實驗方案，自行地進行實驗設計。這徹底打破了學生實驗“照方抓藥”的傳統模式，激發了學生的學習興趣，使學生從被動學習變為主動學習，進一步掌握進行科學研究的方法，充分鍛煉學生的創新思維、創造能力和獨立科研能力，從而促進學生實驗設計能力的自主發展，使教學質量不斷提高。例如，聚酰亞胺類材料具有高強、高膜及本質阻燃等特性，是本課程中的一類非常重要的高性能材料，讓學生掌握該材料的制備方法是非常有必要的。然而該材料的制備周期長，從聚酰亞胺的預聚體聚酰胺酸的合成、鋪膜到膜的熱環化需近3天的時間。為此可充分利用實驗室資源，開發“聚酰亞胺類高性能材料的制備及性能研究”開放型研究性實驗項目，讓學生自己查資料確定實驗方案和實驗計劃安排，進行相關實驗。這種研究性實驗項目不僅能充分鍛煉學生自行設計實驗的能力，還可激發學生的學習興趣和熱情。
4將現代仿真技術引入實驗教學，開拓實驗設計思路
一方面高分子精細化工實驗中功能高分子的合成實驗耗時長，而實驗教學課時有限;另一方面由于實驗條件以及學生實驗能力的限制，對設備及技術要求較高的實驗項目無法開展。針對這一現象，可將現代仿真技術引入高分子精細化工實驗教學中。學生可以在仿真機上模擬高分子精細化工產品的生產狀態，感受實驗室操作與工業化大生產的差異，拓寬學生視野，培養和提高其分析問題的能力和創新思維。例如高強高模纖維產品的制備，首先要通過聚合反應合成相應的聚合物，再經過紡絲及一系列的后成型階段才能制成，整個過程對設備和技術都有很高的要求，實驗室很難重現整個加工過程?？捎梅抡婕夹g展現高強高模纖維的合成及紡絲技術，可使學生親身感受高分子精細化工實驗技術和實用價值，能強烈激發學生的創造動機。
5構建科學的能力評價體系，促進實驗設計能力的培養
建立科學完整的實驗成績評價體系，直接影響學生的學業成績和實驗能力的培養和提高，是促進學生實驗設計能力的培養的行之有效的手段之一。目前，高分子精細化工實驗成績的考核主要以實驗報告為主，這種考核辦法重實驗報告，輕實驗過程、操作技能及創新能力等，缺乏全面、客觀的考察。為此，我們建立了一套符合高分子精細化工實驗特點的評價體系，采用平時考查和期末考查相結合的方式來綜合評定學生的實驗成績和能力。其中平時考查又分為課堂實驗和開放型實驗兩部分，分別占總分的50%和30%。課堂實驗的考查主要是通過預習報告(占總成績的10%)、實驗過程(占總成績的30%)、實驗報告(占總成績的10%)等形式對學生的實驗態度、實驗觀察能力、操作能力、合作能力、分析實驗現象和數據處理等能力進行考查。開放性探究實驗主要考查學生的分析能力、設計能力、創作能力以及實驗效果等。期末成績占總成績的20%，主要分為實驗操作和筆試兩部分。這種考核體系側重于實驗過程和學生綜合能力的培養，較為公正、客觀地反映了學生的實驗能力和成績，可有效地促進學生實驗設計能力的培養。
完善的設計方案需具備六個條件
一般來說，應具備以下條件：人力、物力和時間滿足設計要求；實驗設計的“三要素”和“四原則”均符合專業和統計學要求；重要的實驗因素和觀測指標沒有遺漏，并做了合理安排；重要的非實驗因素（包括可能產生的各種偏性）都得到了很有效的預防和控制；研究過程中可能出現的各種情況都已考慮在內，并有相應的對策和嚴格的質量控抗對操作方法、實驗數據的收集、整理、分析等均有一套規范的規定和正確的方法。而其中準確把握統計研究設計的“三要素和四原則”，無疑是其設計方案科學嚴謹的象征。
實驗設計的“三要素”
實驗設計三要素應著重考慮：
一、受試對象的種類問題。這里面包含以下幾種情形：l、一般醫學科研——常用動物、離體標本或人體內取得的某些樣本作為受試對象；2、新藥的臨床前試驗——一般用動物作為受試對象；3．新藥的臨床試驗階段——一般用人作為受試對象。新藥臨床試驗一般分為4期，在1期臨床試驗階段，通常用健康志愿者作為受試對象；而在其他各期臨床試驗階段，常用患特定疾病的患者作為受試對象。選擇什么樣的患者，應有嚴格的規定。
二、實驗因素。實驗研究的目的不同，對實驗的要求也不同。若在整個實驗過程中影響觀察結果的因素很多，就必須結合專業知識，對眾多的因素做全面分析，必要時做一些預實驗，區分哪些是重要的實驗因素，哪些是重要的非重要的實驗因素，以便選用合適的實驗設計方法妥善安排這些因素。水平選取的過于密集，實驗次數就會增多，許多相鄰的水平對結果的影響十分接近，不僅不利于研究目的的實現，而且將會浪費人力、物力和時間；反之，該因素的不同水平對結果的影響規律不能真實地反映出來，易于得出錯誤的結論。在缺乏經驗的前提下，應進行必要的預實驗或借助他人的經驗，選取較為合適的若干個水平。所謂質量因素，就是因素水平的取值是定性的，如藥物的種類、處理方法的種類等。應結合實際情況和具體條件，選取質最因素的水平，千萬不能不顧客觀條件而盲目選取。
三、實驗效應。實驗效應是反映實驗因素作用強弱的標志，它必須通過具體的指標來體現。要結合專業知識，盡可能多地選用客觀性強的指標，在儀器和試劑允許的條件下，應盡可能多選用特異性強、靈敏度高的客觀指標。對一些半客觀（如讀取病理切片或X片上所獲得的結果）或主觀指標（如給某些定性實驗結果人為打分或賦值），一定要事先規定讀取數值的嚴格標準，必要時還應進行統一的技術培訓。
實驗設計的“四原則”
實驗設計四原則的實施主要包括：
一、隨機原則的實施：即運用“隨機數字表”實現隨機化；運用”隨機排列表”實現隨機化；運用’計算機產生偽隨機數”實現隨機化。
二、對照原則的實施：空白對照組的設立——此種對照一般用干動物實驗中，在臨床上只適用于慢性病的對比研究中，而且必須慎用；相互對照組的設立——有時要考察的某因素不能取零水平，如考察某化學實驗中反應溫度對實驗結果影響，此時，各實驗組分別人不同的溫度條件下做實驗，各組在實驗中起到了相互對照的作用；標準對照組的設立——為了比較某新藥的療效，往往以當前社會上被公認的、療效比較好且比較穩定的同類藥物作為標準對照；實驗對照組的設立——當某些處理本身夾雜著重要的非處理因素時，還需設立僅含該非處理因素的實驗組為實驗對照組；歷史或中外對照組的設立一一這種對照形式應慎用，其對比的結果僅供參考，不能作為推理的依據；多種對照形式同時并存。
(一)實驗方案探究設計
實驗方案的探究主要培養學生的工程宏觀分析能力。在傳統的實驗教學模式下，實驗按照統一的方案展開，學生沒有選擇性。這種教學模式適用于理論驗證性的實驗，但在以培養學生工程能力為主的實驗中，就會壓制學生的想象力和主動探究的意識。因此，實驗方案探究是實驗教學策略的最重要部分。實驗的主要目的是認識和探索理論規律，掌握工程技能，應該以問題為驅動開展實驗方案的探究，學生對于老師提出的問題，以分析問題和解決問題為出發點，經過認真思考和研究，自主制定實驗方案，通過搭建實驗對象，準備儀器設備、測量各種工況下的數據，整理和判斷實驗數據和結果的正確性。這就要求實驗具有基于工程的實際背景設計，學生才可能在這種開放性的實驗環境下，對多種可能的實驗方案展開探究。英國開放大學的實驗“能量轉換(EnergyConversion)”是典型的實驗方案探究型實驗。實驗設計背景是銅的工業化生產，實驗問題是如何從銅礦石經過多個環節得到電解銅。教師首先要求學生設計基本方案。學生在實驗前1個月必須預習，由4人組成的實驗小組需要集體制定實驗方案，由于實驗問題本身的開放性，實驗方案也并不是確定的，指導老師只給出一些建議。從粉碎礦石到解析出銅的多步實驗步驟中，有多種途徑可以完成實驗，學生們集體討論得到設計方案。在實驗過程中，方案根據實際情況還繼續修正。完成基本方案設計以后，實驗完成過程也是實驗方案探究過程。學生在實驗室邊實驗、邊觀察、邊記錄、邊討論，每個實驗環節都要求去解答或解決一些相關的問題，如粉碎的效率、溶解濃度以及電解效率等，部分環節還要到計算機上進行數學模型的求解。實驗過程中進行觀察記錄和模型預測，最后對實驗結果進行驗證。實驗結束后，學生還必須根據本星期實驗情況，做口頭報告(Presentation)，教師根據學生預習和作業情況、實驗過程的表現以及口頭報告，給出實驗課程的最終評價?？梢钥闯?，整個實驗過程就是針對如何從銅礦石得到電解銅的這個具有工程背景的問題，在不斷探究的過程中制定和實施實驗方案的過程，這對學生工程宏觀分析能力的培養大有裨益。
(二)實驗過程探究
實驗過程探究主要培養學生的工程微觀分析與操作能力。傳統工科專業的實驗操作基本是按部就班地完成，對于故障分析與解決、規范操作等重要技能以及如何培養學生的工程意識、工程能力、創新能力還較少涉及，這顯然不能滿足工程應用型人才的培養需求。實驗過程探究式是在實驗過程中，教師給學生一定的引導和提示，讓學生自己通過觀察、思考、動手實施等途徑去獨立探索和研究，自行實現實驗過程的教學策略。概括起來，在實驗過程探究中，學生需要在實驗過程中自主發現問題，分析問題，實施和運行，真正實現探與究的學習過程。在工程實際環境中，觀察與發現各種現象、分析現象之間的聯系。因此在線實驗系統會較為真實地模擬這些現象，學生經過現象分析，確定現象發生的內因與外因；結合理論進行討論，明確調節目標與調節手段，形成解決方案。實驗系統設計必須便于討論和方案設計。華東理工大學DCS實驗是較為典型的實驗過程探究型實驗。實驗主要培訓學生DCS操作能力和故障處理能力。由于DCS系統本身的大多數操作都是基于計算機的操作，因此網上實驗課程的界面仿真DCS系統的計算機控制部分操作的界面。以下用一個簡單的故障處理實驗來說明實驗過程探究的實驗。在實驗中，設計了一個常見的故障處理，在圖1的界面中，學生觀察到粗丙酮塔T-601頂溫度儀表TI-6006出發異常過高報警，系統要求學生調節至正常運行溫度73.0-80.0℃。在觀察到異常過高報警后，學生將按照所學知識和工程常識，作出如下分析：粗丙酮塔頂溫度上升可能有4三個工藝方面的原因，分別是加水量過大、回流量過小或再沸器回水量過小，也有可能是儀表自身故障因素。既然存在這三種可能，就必須通過其他觀察和分析來確定故障原因，因此學生首先需分別檢查相關三個儀表，即加水量儀表FRC-6015，回流量儀表FR-6019，E-601再沸器回水儀表FRC-6014，以確定儀表正常工作。學生觀察到回流量儀表FR-6019讀數偏小，就可以判斷出是因為回流量不足造成塔頂溫度升高。在通過觀察分析找到故障原因后，學生根據工藝理論，確定解決方案，即增大塔頂回流量，需要調節FR-6019儀表。在工程環境中，不能進行一步到位的調節，以免造成大的擾動，需逐步小范圍調整，邊調邊等。因此學生在實施解決方案，必須仔細閱讀操作守則，將溫度調節至正常運行溫度的整個操作過程必須符合現場操作規范。操作實施時，首先將LRC-6023改為手動控制，每次增加調節閥閥位必須小于2%—這是操作守則要求的，如果學生超出這個閥位標準進行調節，訓練中系統將給出警告，在考試中則行為將被記錄，作為扣分依據。每次調節后系統會根據數學模型的計算將相應儀表調至相應位置，學生一邊觀察表顯示情況一邊調解，直至塔頂溫度恢復到73.0-80.0℃，最后將LRC-6023設置為自動控制?？梢钥闯觯藢嶒炘谡麄€故障處理過程中，并不像普通課程實驗制定嚴格的步驟，而是讓學生根據工程實際情況，通過自主觀察分析來制定解決方案，然后根據操作規范來一邊觀察一邊操作運行，整個課程設計與教學過程較好地體現了探究式的教學策略。
二、基于過程考核的在線評價體系
對實驗學習成果進行全面評價是在線實驗的重要環節，這樣才能對學生探究式學習過程進行科學合理的評價。傳統現場實驗模式中以數據處理和實驗報告結果來評價只能作為在線實驗中評價模式的參考。對于參加實驗的學生，主要應考慮的因素是其在實驗的準備情況、在實驗過程中探與究的情況，即觀察問題和分析問題的準確性，設計方案的優劣，操作實施過程的規范性、和其他同學交流情況，以及對理論知識的掌握能力和應用能力，因此必須據此建立新的實驗評價體系，即基于實驗過程考核的評價體系。在線實驗評價體系主要分為理論掌握情況、實驗操作能力、合作交流能力，其中實驗操作能力是最為重要的指標。理論掌握情況主要考察預習思考題，實驗操作能力包括是否選擇了正確的儀器或儀表、設計方案是否適當、操作目標是否達到、操作過程是否規范、數據處理與實驗報告是否符合要求等都可以作為實驗過程考核的指標。同時，每一門實驗課程提供BBS建立單門實驗的學習社區，學習者就一些問題難題發帖，由專門的輔導教師回答問題，并確認學習者所發的有效帖數等。其中實驗操作規范是較為特殊的指標，在工程實際中，操作規范化及其重要，否則將引來災難性后果。因此，必須設定一個閥值，學生如果出現較為嚴重的操作規范問題，不論其他指標分數如何，都將判定為不合格，我們定義為罰指標。本文選取上述7個指標因子構成學生實驗教學的基本評價指標體系,并依次設其為A1，A2，…，A7，其中A6為罰指標因子。通過在線實驗系統中自動記錄實驗儀器選取、操作等參數，對學生實驗過程進行跟蹤。結合在線實驗平臺的應用，在實踐中我們采用了一個有七個參數的指標體系，包括預習思考題分數、實驗儀器選取、實驗方案正確性，操作規范性、數據處理、實驗報告、在學習社區的交流情況。對這七個參數賦予不同的權重就可以得到該學生的最終成績，下面分項說明一下每個指標的含義。由于每個指標因子只反映了學生實驗學習的某個方面的特征，各學校可以根據本校實際情況規定指標因子及其特征值，以及罰指標因子的規定。表1顯示的是華東理工大學指標因子的重要性規定，并因此為權重來加權學生實驗的綜合得分。在指標體系中，各項指標的權重大致說明了其重要性，這七個參數基本上涵蓋了學生從準備到完成全過程的表現情況，對每一個指標賦于權值并最終得到終結性評價課程成績，各項指標的加權和就是實驗評價分數。少數指標雖然權重并不高，由于在工程實踐中具有重要意義，低于一定分數整個實驗過程將評價為不合格。比如在前文提到的DCS實驗中，在多次出現不規范操作并且在系統警告后仍然出現2次以上不規范操作，整個實驗過程將被判定為不合格。對于通過經驗方式得到的實驗過程考核評價體系，在經過一定的數據積累以后，可以進行智能化的處理和分析，為學生提供更優化的實驗方案。比如在DCS實驗中，通過對學生實驗過程數據的分析，得出每個學生的優缺點。在選取的兩個學生中，甲學生雖然分數略高，但操作相關的指標得分都不高，因此在后續實驗中，主要給該學生提供注重操作及規范的實驗，比如開關機實驗和某些故障處理實驗。而乙學生操作和動手能力較好，但不注意理論和實驗設計，以及數據處理等工作，在后續實驗中，應多推送理論學習的模塊，提醒學生注意數據處理和實驗報告的完成。
三、在線實驗系統的設計框架
作為在線實驗系統核心部分的探究式學習模式以及相應的在線評價體系設計完成以后，在線實驗系統框架基本構筑完畢。在線實驗系統應本著簡單、適用、高效的原則，實行通用化、標準化、智能化、人性化的設計思想。學生可以通過在線實驗平臺在教師的指導下進行實驗教學的全過程，而在線實驗平臺則通過記錄學生在線上參加的實驗過程、實驗練習以及培訓交流等情況，實現對學生實驗情況的全程跟蹤管理和對學生實驗教學需求的全面掌握。在線實驗設計的基本架構如圖2所示?？梢钥闯?，在框架核心部分的業務層中，支持探究式學習過程是貫穿設計始終的問題，所以應改變原先某些實驗只是為驗證理論的設計，把發現問題、分析問題、設計解決方案、實施解決方案的探究式思路在實驗教學中實現。同時需要學生在各個環節的實驗過程進行完整的記錄，作為其是否按照教學思想完成實驗內容進行考核的依據，同時還可以通過智能化的數據分析和數據挖掘，為學生提供經過優化的個性化實驗教學模塊。組件層和服務層和平臺軟硬件設計相關，在其他文章中有詳細介紹，本文不再贅述。
