時間：2023-02-28 15:58:31
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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。
1、引言
目前，信息安全已發展成為一個綜合、交叉的學科領域，它需要綜合利用計算機、通信、微電子、數學、法律、管理、教育等等諸多學科的長期知識積累和最新研究成果。信息安全也是一個復雜的系統工程，涉及到信息基礎建設、網絡與系統的構造、信息系統與業務應用系統的開發、信息安全的法律法規、安全管理體系等。信息安全作為一門新興、綜合、交叉學科，涉及的領域也很多，因此除了工程教育共有的特點，信息安全人才培養有其獨有的特點：信息安全領域知識覆蓋面寬、信息安全知識更新快、信息安全教育是一種持續教育、信息安全教育需要面向多樣化、層次化的人才需求、信息安全教育更注重應用和實踐能力。
作為高職院校信息安全專業，應該在專業培養目標明確的前提下，充分考慮信息安全人才培養的特點，對專業實驗室建設進行科學設計，準確定位，才能發揮專業實驗室對培養學生核心能力，提高動手能力的重要作用。
2、專業實驗室建設的定位
高等職業教育培養的是面向生產、建設、服務和管理第一線的高級應用型人才，“高級”強調的是理論基礎寬厚，“應用型”強調的是技能熟練程度，因此培養具備較扎實的專業理論知識和一定實踐操作技能的“高級藍領”（社會上把企業中的人員按其受教育程度、工作性質、創造的價值、獲取的報酬等綜合因素分為金領、白領、藍領。隨著我國加入WTO與經濟全球化的發展，我國的國民經濟結構調整使許多企業進行了產品結構的調整，崗位技術含量正在不斷增加，“藍領”“白領”的邊際正在模糊和淡化，“高級藍領”應運而生。
以浙江警官職業學院司法信息安全專業為例，該專業的培養目標是為司法行政機關及其他行政機關、企事業單位培養信息安全管理員(運行維護)，為信息安全企業培養安全服務工程師，為公安機關培養網絡警察，培養能夠勝任“信息安全事件的預防、發現、處置”工作的技能型、管理型、復合型人才，主要滿足一線工作崗位、實踐操作技能強、具有大專學歷層次的信息安全人才需求。因此，高職院校司法信息安全專業更加注重實踐教學，更加注重學生動手能力的培養，更加注重學生職業能力的培養。
3、專業實驗室規劃與設計
3.1專業實驗室規劃
信息安全綜合實訓室的建設緊緊圍繞網絡信息安全事件“預防發現處置”工作流程為主線，以學生職業能力培養為中心，實現“教、學、做”一體。目標為培養掌握最前沿高級信息安全的實用技能型人才，突出網絡信息安全事件處置能力的培養，加強網絡安全技術應用與管理能力、信息安全事件處置能力的實訓。
3.2專業實驗室設計
信息安全綜合實訓室實驗實訓綜合系統分別由信息安全基礎實驗室系統(實驗性質、仿真環境)、信息安全仿真實訓平臺(實訓性質、仿真環境)、信息安全綜合實訓平臺(實訓性質、全真環境)三部分組成,學生通過該實驗實訓系統的訓練，逐步完成從基本技能培養崗位能力建立崗位能力提升及強化三個層次職業能力的三次提升。
（1）信息安全基礎實驗室系統——（實驗性質、仿真環境）
信息安全基礎實驗室系統能夠提供多種常用信息安全產品的仿真環境，能夠完成人機操作、多機操作等攻防實驗內容。配合理論教學供學生進行日常上機實驗，教師可以參照實驗室教材與標準講義，指導學生通過實際操作理解典型網絡攻擊的原理與手法，進而掌握針對這些典型攻擊的各種網絡安全防御手段，同時掌握常用網絡安全防御軟件的配置使用方法。 （教學軟件+硬件集成為一體）
要求滿足：50人能同時進行交互操作。
（2）信息安全仿真實訓平臺——（實訓性質、仿真環境）
信息安全仿真實訓平臺通過還原職業活動情景的方式，仿真多種企業環境，重建企業不同的網絡安全需求，采用案例分析模式，任務驅動的教學方式，培養學生對企業各種安全問題的綜合處理能力，使其掌握不同網絡環境下對一系列安全產品的綜合部署和配置方法。支持多人配合完成實訓任務，具有高互動性和真實性，培養學生團隊工作意識。實訓方案來源于真實企業需求，并參照國家職業技能鑒定標準符合當前信息安全保障工作對實用型信息安全人才的要求，實現學習與就業的無縫銜接。（教學軟件+硬件集成為一體）
要求滿足：50人能同時進行交互操作。
4、結語
信息安全綜合實訓室主要是針對司法信息安全專業崗位（信息安全管理員-運行維護）所要求的核心能力（網絡安全技術應用能力和信息安全事件的綜合處置能力），進行設計的。信息安全綜合實訓室的建設為信息安全人才培養提供了全方位的實驗環境, 學生在這里通過實驗、實訓，能夠加深對網絡攻擊技術、網絡滲透技術、服務器入侵技術、網絡防護技術、數據恢復技術及計算機信息的加密與解密等技術原理的理解，掌握防火墻、IDS等網絡安全產品的搭建、配置與使用，電子證據的固定與分析，電子數據恢復，信息安全事件的綜合處置等核心技能，對于提升學生就業能力將有直接幫助，同時，對改善學校辦學條件、提高教學質量、培養高素質操作技能強的信息安全人才具有十分重要的意義。
參考文獻
[1]李建華，張愛新等.信息安全實驗室的建設方案[J].實驗室研究與探索，2009（3）：65-67
化學實驗方案設計能力的培養，不可能一蹴而就，所謂“冰凍三尺，非一日之寒”，必須潛移默化，由量變促成質變，應根據學生的認知規律，由淺入深，由簡到繁，循序漸進。在教學實踐中，筆者結合教材中的典型實驗，引導學生理解實驗目的、原理，掌握實驗設計的基本原則和方法，加強實驗設計思維的培養。
【案例1】離子檢驗或物質檢驗型實驗方案的設計
《化學必修1》第21頁“活動與探究”欄目：氯化銨、硫酸銨、氯化鉀、硫酸鉀均可用作化肥，它們都是白色可溶于水的固體，探究這幾種鹽中所含離子的檢驗方法。
教學過程：
問題1：這些物質中有哪幾種離子？
問題2：■、Cl- 、■選用什么試劑檢驗？有什么現象？如何把實驗過程用文字描述出來？
問題3：K+用什么方法檢驗？具體操作如何？
問題4：檢驗離子應從哪幾個方面分析？
拓展：四種鹽如何區分？請畫出流程圖。
[方案]
延伸：如何驗證白色固體是NH4Cl？請寫出實驗方案。
離子檢驗或物質檢驗實驗方案的設計，要根據各種離子或物質的某些特性對離子或物質進行檢驗，熟練把握各種離子或物質的性質，并把握實驗方案設計的技巧，進而設計合理的方案。
【案例2】物質制備型實驗方案的設計
《化學選修6：實驗化學》硫酸亞鐵銨的制備
實驗方案設計流程如下：鐵屑的凈化制取硫酸亞鐵溶液制備硫酸亞鐵銨晶體計算產率。
設計這類實驗的整體思路：從原料出發，通過控制反應條件，如對溫度的控制，先得到目標產物，即粗產品，接著對粗產品進行分離提純，是這類實驗的重點所在。尋找分離提純的最佳方案，使所得產品純度高，產率大。
【案例3】原理驗證型實驗方案的設計
《化學選修6：實驗化學》硫代硫酸鈉與酸反應速率的影響因素
設計方案見表1。
這類原理驗證型實驗方案的設計，是在明確反應原理的基礎上，通過控制一定的實驗條件，控制單因子變量，最終設計可行的實驗方案。
從以上這些典例中，我們不難發現，化學教材中蘊含著豐富的實驗設計思想方面的素材，教師應深入挖掘，在日常教學中不斷滲透實驗方案設計思想。每一個成功的實驗其設計思想總是包含著對已有知識的靈活應用與創造性的科學構想。
二、結合課本實驗，了解化學實驗方案設計的一般流程和基本原則
化學實驗方案設計的流程包括：知識鋪墊提出問題小組討論形成方案方案優化規范表達?！耙凿X為原料制備氫氧化鋁實驗方案的設計”，通過小組討論，各小組形成的方案大致可以分為以下兩種類型。
第一類制備方法：酸堿法
第二類制備方案：電化學法
方案8：電解法――Al為陽極，Cu為陰極，電解氯化鈉溶液。
方案9：原電池法――Al、Cu為電極，浸沒在通入空氣的NaCl溶液中。
各小組在個人意見的基礎上，對各自的實驗方案進行評價，對比方案1～7，從制備1mol氫氧化鋁消耗酸堿量來看，方案7消耗酸堿量最少，從實驗室操作的便利性看，通入氣體的操作較為煩瑣。對比方案8、方案9，從反應速率來看：方案8>方案9，從能源消耗來看，方案8>方案9。綜合以上這些因素，方案7為最佳方案。
由此看出實驗方案設計應該遵循以下基本原則：
三、充分挖掘課本中的實驗素材，加以適當的指導和訓練，提高實驗設計能力
1.變驗證性實驗為探究性實驗，提高實驗設計能力
驗證性實驗是用以驗證已學過知識的正確性，學生處于被動接受知識的狀態，而探究性實驗是指在實驗的基礎上，通過科學的分析、綜合等思維來獲取知識，學生處于一種主動探索知識的狀態，對培養學生的創新能力十分有利。因此，教師應精心安排，積極鉆研，變驗證性實驗為探究性實驗，通過探究實驗來獲取新知識。
在一次優質課評比中，有位教師很巧妙地將課本中的驗證性實驗轉變為探究性實驗，收到了很好的課堂效果。當時的課題是“影響鹽類水解的因素”，給我印象深刻的是這位教師在處理書本中“活動與探究”這個欄目時設計了這樣一張實驗報告單：
實驗目的：探究影響鹽類水解的因素
實驗方案的設計
這位教師充分利用課本資源，很巧妙地處理了“活動與探究”這個欄目的教學。既可以有效地改變學生的學習方式，調動學生學習的積極性，又能起到提高學生科學素養，培養學生科學探究能力的作用，對學生適應新課程教學活動起到很好的引領作用，達到最佳的教學效果。
2.將課本中相關結論轉化為實驗，提高實驗設計能力
實驗是人們認識和研究物質變化規律或驗證某一結論的常用科學方法。書本上的知識凡是能夠通過實驗來驗證或探究的，都應啟發學生思維，認真引導學生進行實驗設計，甚至還可嘗試讓學生親自動手做實驗，從而提高學生的探究和設計能力。
【案例】第三周期元素性質變化規律
【實驗一】Na、Mg、Al和水的反應：分別取一小段鈉、鎂、鋁，用砂紙磨掉表面的氧化膜，放入三支小試管中，加入2～3 mL水，并滴入兩滴酚酞溶液。觀察現象。
過一會兒，分別用酒精燈給三支試管加熱至沸騰，并移開酒精燈，再觀察現象。
【實驗二】 Mg、Al與稀鹽酸反應比較
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。
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：
藥物化學的主要任務就是探索新藥開發的途徑和方法，創制安全高效的新藥，以滿足臨床的需要。開發有某種活性且有價值的先導化合物，對其結構進行一系列的改造和優化以期創造出療效較好、毒副作用較小的新藥；改造現有的藥物或有效化合物以期獲得更為安全和有效的藥物。故藥物化學是一門非常注重實驗教學的學科，實驗教學不僅是理論教學的重要補充，更是培養學生創新能力和綜合能力、提高學生綜合素質的重要途徑。傳統的實驗教學的主要形式均是針對藥學專業的各門課程的驗證性實驗為主，在實驗過程中學生們按部就班地根據書本上已有的實驗步驟和方法去操作，這樣的教學形式雖然教授了學生基本的實驗技能，但卻沒有給學生以自我發揮的機會，很容易導致學生主動學習的意識不強，束縛了學生自由思維的空間，不利于創新精神的培養。設計性實驗的引入旨在培養學生的綜合素質，提高其創新能力和綜合能力。
那么如何在藥物化學實驗中實施設計性實驗教學呢？首先，由任課教師給出實驗目的及要求，其次，學生通過查閱相關文獻自行設計實驗方案并開展相關實驗操作[2-5]。這是以教師為引導、學生為主體的實驗教學方式，需要學生在學習過程中投入更多的精力、發揮更大的主觀能動性，教師則需要完成更多的課前準備工作：從課題選擇、方案設計、實驗準備、實驗實施、結果分析等多個環節入手進行準備，充實和完善設計性實驗的教學方案。在具體實施過程中，我校選擇了藥學本科已經掌握了有機合成基本知識的大三學生進行設計性實驗教學[6-8]。
1 如何設計課題
1.1 實驗課題的選擇
如何進行設計性實驗課題的選擇呢？這首先需要教師完成很多的課前準備工作，譬如原料是否容易獲得、實驗儀器能否滿足、實驗操作的難易程度、實驗時間的長短、參與人數的多少等，同時還需要考慮學生的基礎知識掌握情況、《有機化學》課程的開展情況和學生具體學過了哪些基本操作，在藥物化學設計性實驗課程中如何從更深的層面來進行研究性學習。
我校學生在已有課程中已經學過有機化學和藥物化學的理論知識，在設計性實驗課程中選擇撲熱息痛這一經典的解熱鎮痛藥作為研究對象。針對藥物化學專業的基本要求、特點以及設計性實驗的題目和內容設計的原則，討論后提出了《撲熱息痛的合成》這個題目和本實驗設計的一些基本要求。學生三到四人一組，采取組長負責制，各自選取不同的合成路線來進行方案設計。
1.2 實驗方案的設計
在以往的驗證性實驗中，通常都會給出具體的原料和試劑用量，以及詳細的實驗步驟，學生只需機械性、按部就班地完成實驗操作，即可獲得預期的實驗結果，雖然學生在實驗操作過程中發現的問題教師也都能及時幫助解決，但學生的實驗的主動性不能得以體現。
在設計性實驗教學中，沒有現成的實驗步驟供學生參考，實驗方案需要學生通過文獻調研自行設計，所以首先要培養學生如何進行查閱文獻、如何通過整理分析獲得所需要的信息。實驗方案在很大程度上決定了實驗的成敗與否。授課教師首先要講解如何進行專業文獻的查閱，并對學生的文獻查閱進行指導，譬如可以利用網絡搜索工具或現有的圖書期刊等，網上資源主要包括一些常用的中英文數據庫，如Scifinder和Beilstein檢索，以及中國知網、萬方、維普、Web of Science、ACS、Elesevier、Wiley-Blackwell等，另外還包括專利文獻的檢索和獲取，二次文獻的使用等等。之后每組學生再就各自選題查閱相關文獻，對文獻進行分類整理并討論分析。本著節省經費、操作簡便、安全無毒的原則，討論每種合成方法的優缺點及可行性，選定最優的合成路線。接下來就各組實驗方案進行組間討論，教師給予一定的指導，引導學生互相交流、獨立思考并如何解決問題。各組學生經過多次組間討論以及與教師的討論都可完成實驗方案，包括實驗題目、目的要求、儀器試劑、實驗步驟、預期結果及參考文獻等。這種以學生為主、教師為輔的設計性實驗教學方式不但提高了了學生學習的主觀能動性，而且鍛煉了學生查閱文獻和分析問題、解決問題的能力，還促進了學生的團隊協作精神。
2 如何實施實驗
2.1 實驗的前期準備
實驗的前期準備工作需要任課教師、實驗教輔人員和學生的相互配合。學生依據實驗方案列出所需設備和儀器試劑等，提前一周遞交給實驗室管理人員。實驗教輔人員再根據學生提交的實驗方案準備所需的實驗設備和儀器試劑，另外，實驗教輔人員還可以指導學生正確使用相關儀器。任課教師需進行預實驗，在學生提交的實驗方案的基礎上，對該藥物的合成方法進行全面而系統的檢索和總結，找出適合實驗室操作的多種合成方法和路線。在預實驗的過程中，認真記錄實驗現象和結果，列出實驗的注意事項，并對各條路線的優缺點進行全面的分析，對每步反應做到心中有數，這樣才能指導學生進行實驗操作。實驗前要向學生特別強調安全問題及注意事項。
2.2 實驗的具體實施
以“撲熱息痛的合成”為例，除了讓學生了解設計撲熱息痛的一般方法，培養學生靈活運用已掌握的理論知識和實驗技能，通過查閱有關資料，自行設計實驗方案，從而提高學生分析問題和解決問題的能力。圖1就是學生查閱的撲熱息痛的幾種常用合成路線及各條路線的優缺點。
具體方案如下：①學生提前一周從網上查閱藥物的合成方法，完成相應藥物合成方法的綜述，并說明現行的工業生產方法，設計出合理的實驗室合成工藝路線。②進行組間討論，方案經教師審閱后，若方法合理，條件具備，學生可按照自己的設計方案進行實驗。③學生依據與教師研討的結果，在一周內寫出相關藥物的合成方法的具體操作步聚，做出具體的實驗方案，包裝化學反應方程式，原料的物化常數，原料的配料比，反應所用的儀器設備和輔助材料，反應的裝置圖，反應的關健控制點，產品純化的方法，預期的收率等。④要求學生按事先規定的投料比進行實驗，仔細觀察實驗現象，認做好實驗記錄。⑤實驗結果和實驗報告作為學生藥物化學實驗考核的主要指標。
設計性實驗教學的開展就是為了促進學生主動思考，提高他們分析問題和解決問題的能力。在實驗過程中，教師不再講解實驗內容，而是鼓勵學生按照各自查閱好的實驗方案完成具體操作，對于實驗過程中出現的問題教師并不立刻給出建議，而是鼓勵學生互相交流、共同研討解決方案。通過這種教學改革的嘗試，發現基本上每組學生都能完成實驗方案，達到預定的目標，取得了預期成果。但在實驗過程中也發現了一些值得注意的問題：一是學生對實驗現象的觀察和記錄不夠仔細，很多學生的實驗記錄本上只有幾組簡單的實驗數據；二是部分學生實驗中遇到問題不能很好地處理，導致實驗進程的延緩或結果的誤差；三是教師對實驗可能出現的問題預計不足，譬如個別試劑短缺造成實驗進度減慢等等。這些問題在今后的教學實踐中都有待逐步解決，教師和學生共同努力才能更好地完善設計性實驗教學。
圖1 撲熱息痛的常用合成路線及各自的優缺點
2.3 實驗的分析總結
在設計性實驗教學中，分析總結實驗結果也是非常重要的一個環節，學生通過對整個實驗過程的思考與整理，鍛煉了他們分析問題和解決問題的能力，奠定了他們從事初步的科學研究工作的基礎。
各組學生均要完成一份實驗報告，實驗報告內容包括實驗目的、實驗要求、實驗步驟、實驗現象、實驗結果、實驗討論等幾部分，主要討論設計性實驗的過程和結果，對不同反應路線的優缺點進行討論和總結。分析實驗成功或者失敗的原因，然后師生一起總結交流，找出需要改進的地方并提出解決方案。教師對學生所采用的合成路線及實驗結果進行點評，分析利弊，使學生更好地了解如何設計藥物的合成路線并對其進一步研究。
3 如何分析總結實驗效果
《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?！胺浅Ｒ帯蔽锢韺嶒?，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?？梢杂脕硌菔疽后w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）.
開放實驗室管理系統設計方案怎么寫
在學校實驗室的管理中，發現了一些問題，其中如：在統籌安排各班級上實驗課的時間需要人工實現，而且經常會出現同時有多個班級要使用實驗室的沖突，并且調課后沒有及時通知老師和班級同學。為了方便實驗室的管理，我們提出利用網絡來管理實驗室的上機情況。以學校的網絡實驗室為背景，開發一個開放實驗室管理系統設計方案.........
六. 實驗室管理信息系統??功能描述：??實驗室的使用情況、查看實驗信息、增加實驗項目、增加實驗材料。實驗室的管理員通過本系統可以清楚的掌握實驗室當時的使用情況；同時管理員還可以通過系統的操作界面清楚地了解其中任何一個實驗室的試驗信息（例如：實驗項目的個數、預約的實驗時間、實驗項目的名字、所需要的實驗器材、實驗人數等）；當外界人員需要申請在某一實驗室做項目時，管理員可以通過查看實驗室的使用情況而合理的給申請者安排做實驗的時間；為了方便增加實驗項目輸入實驗信息，在系統中備份一些實驗常用的實驗器材，但是每個實驗對器材的要求是不一樣的，在系統中我們可以任意的加進實驗所需器材，為了提高管理效率系統將器材分為大型中型和小型三類
學校下周讓交一份自己設計的實驗方案！基本要求??a、實驗題目。（如測量某一物理量）??b、寫出實驗的理論依據及實驗公式的推導過程。??c、根據實驗要求合理選擇所需儀器。??d、實驗步驟、注意事項。??e、對結果進行分析，得出結論。??當然不是自己做的也差不多，推薦些網址也行。
實驗目的：驗證上端開口盛水容器底部小孔出水速度v與小孔離液面高度h之間的關系??實驗器材：底部側面鉆有小孔的大容器、米尺、軟木塞、鉛直器。??實驗步驟：??1．用軟木塞封閉小孔；??2．將容器置于一定高度H處，并向其中加深度為h的水，??3．拔開軟木塞讓水流流動一小段時間后再封閉小孔；??4．測量水流最遠著地點距小孔正下方的距離L；??5．多次重復1—4步；??6．整理實驗器材。??數據處理：??由平拋運動可求水流在空中流動時間 ，由水平方向可得水流出口速度．
初中物理創新實驗設計方案（測量紙片下落的速度）
作者：朱文軍文章來源：初中物理點擊數：309更新時間：2008-10-10
一、實驗名稱：測量紙片下落的速度
二、實驗設計思路：
實驗“測量紙片下落的速度”所提供的實驗器材有卷尺、秒表、紙片，但是采用這些實驗器材
總是發現紙片在下落的過程中忽左忽右的飄，下落的路線不是直的，容易碰到課桌或其它的物體而改變路線。我就想找一種東西來代替它，起初想用氣球，但發現更難控制路線，而且氣球太大，放在實驗桌上會引起學生的無意注意。后來想這種東西應該還是用紙來做，因為如果采用鐵球等密度較大的東西做實驗的話，由于下落的時間太短無法測量下落時間，或者是測量出來的時間誤差太大。最后和同學們一起討論想到用小時候玩過的三個紙條組成的“紙錐”來替代原來的紙片。而且下落的時間可以通過秒表測出（由于實驗室沒有足夠多的卷尺，可以利用人的身高這個已知條件，此時下落的時間大約是1．2秒）。
三、實驗目的：
學會測量運動物體的速度。
四、實驗所涉及的科學道理：
測量紙片（改成“紙錐”）下落的速度這個實驗利用的實驗原理是速度公式 。把紙片改成“紙錐”，主要考慮它在下落時由于下部的形狀不同，空氣的流速也不相同，根據“在流體中，流速越大的地方壓強越小”（伯努利原理），會產生壓力差，導致“紙錐”下落時會順時針或者逆時針旋轉（具體旋轉的方向是由安裝時的順序決定的）。
五、實驗操作步驟：
（1）實驗前要測量出同學的身高，作為“紙錐”下落的高度s，記錄在實驗表格。
(2）一位同學把30～50厘米長的刻度尺平放在自己的頭頂，另一個同學按照這樣的高度自由釋放“紙錐”，同時開始記時，記下“紙錐”落地時所用的時間t，記錄在實驗表格。
（3）重復上述步驟兩次。
（4）根據速度公式計算出“紙錐”三次下落的速度，并計算出平均值。
六、實驗裝置或照片：
學生可以自制“紙錐”（剪三個完全相同的左右的紙條，把每個紙條對折一次，然后連環套在一起，如圖1所示，把三個“腳”向外抽緊，如圖2所示）
七、實驗所用器材：
“紙錐”一個，30～50厘米長的刻度尺一把，秒表一只。
八、實驗效果以及其他需要說明的問題：
實驗效果：2005年12月14日前后在南京樹人國際學校初二十二個班級中施教效果很好，
解決了原來所用紙片下落不穩、路線不是直線，路程無法測量的缺點，而且實驗器材制作方便、成本低廉、操作簡單、學生感興趣。后來在鼓樓區其他學校初二物理教學中得到進一步的檢驗，各位同行一致反應較好。具有較大的推廣使用價值。
說明：在制作“紙錐”時需要用硬度不要太大、密度較小的紙張，學生課堂練習紙最佳?？梢赃x擇高個子同學的身高作為“紙錐”的下落高度，這樣可以增加下落時間，減小時間測量上的誤差，但是會導致矮個子同學很難判斷刻度尺是不是水平的；用矮個子同學身高作為“紙錐”下落的高度，可以最大程度的使刻度尺保持水平，但是會使下落時間變短，這樣測量的高度準確了，但是下落時間的測量誤差會增大。這樣的分析過程可以通過學生的討論完成。
1 物理實驗設計能力內涵的認識
物理實驗設計能力是指學生在實施物理實驗之前,根據一定的實驗目的和要求,運用有關物理知識與實驗技能,對實驗的儀器、裝置、步驟和操作方法等實驗因素進行規劃的能力。它具有較強的綜合性、創造性和靈活性等特點。①實驗設計的綜合性是因為實驗設計本身就是一個綜合運用所學物理知識與實驗技能,對實驗的儀器、裝置、步驟和操作方法等進行規劃的過程,在這個過程中,學生除了具備一定的物理知識和實驗技能外,還需要掌握各種科學方法。如觀察、測量、記錄、歸納整理資料、分析對比異同、抽象概括結論等。②實驗設計的創造性,是指通過實驗設計,可以充分發揮學生的聰明才智,讓學生運用自己所學知識,創造性地構思、設計解決問題的途徑和方法。③實驗設計的靈活性是指學生在進行實驗設計時要具有應變能力,思維要靈活,對于要解決的問題,根據不同的實驗條件,可以設計不同的方案
1.某物理小組到外旅游,看到河邊有一種漂亮的石子，他們非常想知道它的密度，但手邊只有彈簧測力計。請你幫他們設計一個實施方案粗略測出石子的密度（寫清實驗步驟，并用測量量表示出密度值）
步驟一：用質量、體積均可忽略的細繩捆住石子，用測力計測重力，記錄示數F1 步驟二：用測力計鉤著將石子浸沒在河水中但不碰到底，記錄測力計示數F2
ρ=F1*ρ水/(F1-F2)
2.小明手里有一塊非常漂亮的橡皮泥，手中還有一個量筒和一盆水，請你設計一個實驗幫他測出橡皮泥的密度（①.步驟 ②.表達式）
步驟一：向量筒中注入適量水，記錄示數V1，放入橡皮泥塊，使其被水浸沒但水不溢出，記錄水面上升后示數V2
步驟二：將橡皮泥取出，重新讀取液面下降后的讀數V3
步驟三：將橡皮泥弄干，捏成小船形，輕輕放入量筒內水中使其漂浮，且水無溢出，記錄示數V4
ρ=(V4-V3)ρ水/(V2-V1)
3.小明做實驗時不小心將兩杯液體（清水和鹽水）弄混，他只用一支鉛筆和一段細鐵絲便輕松進行了分辨（寫出步驟及表達式）
步驟一：將細鐵絲纏繞在鉛筆桿一端，使其能夠在水中直立漂浮
步驟二：將鉛筆細鐵絲一端分別放入兩杯液體中，在筆桿上標記液面高度
由于漂浮，受力平衡ρ液gSl=mg
標記距繞細鐵絲一端較長的是清水，較短的是鹽水
4.小蘭想測出自家牛奶的密度，但她只能找到一支粗細均勻的細木棒和一段細線、水、一個螺母及一把毫米刻度尺，如何測出它的密度（①.步驟 ②.表達式）{若將毫米刻度尺換成量筒如何？}
使用量筒：
步驟一：將螺母套緊固定在木棒一端，使其在液體中能直立
步驟二：向量筒中倒入適量牛奶，記錄體積V1
步驟三：將木棒放入牛奶中，使其能夠漂浮且不觸到量筒底部，記錄液面上升后體積V2 步驟四：將牛奶倒出，洗凈量筒，再倒入適量水，記錄體積V3
步驟五：將木棒放入水中，使其能夠漂浮且不觸到量筒底部，記錄液面上升后體積V4 ρ奶=(V2-V1)ρ水/(V4-V3)
使用刻度尺：用細線捆住木棒一端，依次慢慢放入牛奶和水中，直至木棒恰好要歪倒，標記該時刻液面在木棒上的刻度，用刻度尺測量浸入端到標記刻度的距離，分別為h1、h2 ρ奶=ρ水h2/h1
5.小明媽媽買來一條質量2Kg的魚，可小明想知道魚是否足秤，可手邊只有一把量程5N的測力計，還有一根輕質均勻細直尺和細線。（請誰基礎實驗幫他解決難題 ①.步驟 ②.表達式） 步驟一：用細線做三個環，其中一個固定在直尺0刻度處，一個固定在直尺L刻度處（L不大于為1/5量程），另一個不固定（可在L刻度以上移動）
步驟二：將魚掛在0刻度處的線環，測力計鉤子鉤住可移動線環，用一手提起L刻度處的線環并用另一手拉彈簧測力計，使得支持能夠平衡
步驟三：改變可移動線環的位置以及拉測力計的拉力，記錄若干組測力計示數Fi與可移動線環所在刻度Li(i=1,2...)
由力矩平衡：mg*L=Fi*(Li-L)
代入數據，求m的平均值,即為魚的質量，與2kg比較即可
6.小紅手中有兩塊外形、體積相同的小金屬塊，請你設計實驗比較兩金屬塊密度大小，器材自選（①.步驟 ②.表達式）
器材：天平
中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）25-0039-02
2016年2月，國務院針對城市交通阻塞問題提出了“街區制”的解決方案，提出居民小區和企事業大院應逐步向社會開放，優化城市路網，提高城市的交通效率。2016年7月，中國人民大學，北京航空航天大學，中國政法大學等多所北京高校率先開放校園道路，以促進區域交通微循環，減少過往車輛繞校園的現象，被社會媒體解讀為“大學拆墻”。很顯然，隨著中國高校從上世紀五十年代的“大院制”向世界名?！敖謪^制”的發展趨勢，中國高校將呈現開放式辦學的全新姿態，向社會提供了交通資源、教學資源、實驗資源與科研資源，這是當前中國高校開放式辦學的宏觀背景[1]。
隨著普通高校對教學目標的重定位，特別是各類工程院校意識到培養應用型人才才能響應中國生產力提升的需求，能解決學生就業難問題，因此提出了多種新型的實踐教學法，與生產需求掛鉤，請企業工程師擔任實踐教師，圍繞著生產問題而布置學習內容[2]。這樣實驗室從傳統的理論教師安排實驗項目，轉變為學生根據生產需求，在實踐教師的引導下，自發申請實驗項目。理論教師根據學生申請，安排實驗室開放時間和開放項目，學生可以在指定的時間，在企業工程師、理論教師的共同指導下開展實驗。這是當前中國高校開放式辦學的微觀背景[3]。
綜上所述，在中國高校開放式辦學的需求下，高校的實驗樓周邊人群復雜，實驗室利用率提高，實驗安排繁忙，實驗項目從風險可控的驗證型實驗向不可預見結果的研究型、設計型實驗轉變，從而形成了越來越難以掌控的實驗室安防態勢。在復雜的實驗室開放環境下，一旦發生實驗室突發事件時，因為校保衛處和保安公司對實驗室情況不熟悉，采取錯誤的應對措施，就會引發嚴重的事故。因此在實驗室事故發生時，需要采用先進科技判明事故類型，查詢最佳處置預案，把事故詳情通知實驗室的責任人，把處置預案告知保安，并調集實驗室師生前往支援。針對這一需求，應用“感知層、網絡層、應用層”三層開發架構，設計了一個開放實驗室物聯網安防系統，將能有效地控制突發事故時的經濟損失和人員傷亡[4]。
1 物聯網架構的設計
本設計在實驗室前端安裝了各種傳感器，以實現事件類型的感知。一般來說，門磁傳感器被布置成有線的形式，可檢測門窗在未開放時段被異常打開的突發事件；有毒氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于化學實驗室的操作臺，用于檢測實驗過程中操作流程錯誤導致的毒氣泄露事件；可燃氣體傳感器布置成有線的形式，安裝于可燃氣體管道附近，用于檢測實驗后未關閉氣管的事件；RFID傳感器布置成有線的形式，分為兩種，一種是915Mhz的10m距離的讀卡器，用于檢測貴重設備是否被帶出特定實驗室，一種為13.56Mhz的IC卡門禁讀卡器，配合門磁傳感器，可用于非法入侵實驗室事件；人體紅外熱釋電傳感器布置成無線的形式，布置在交通要道處，將隨著實驗樓承擔不同的研究任務而導致人流熱點區域改變即時調整位置，可以用于檢測實驗樓各區域的繁忙態勢，大數據分析表明，實驗室的安全事故和使用人流量存在著一定的相關性；撞擊傳感器布置成無線的形式，用于檢測敏感區域破壞墻、門、窗的事件；爆炸傳感器也布置成無線形式，用于在發生爆炸事故時，分析爆炸區域和規模，快速計算疏散路徑的用途；攝像頭采用串口通訊的方式，用于獲取突發事件發生瞬間的圖像信息，以便云端可以人工檢查事件類型，減少誤報事故，同時事故瞬間相片也能讓實驗室負責老師在第一時間了解實驗室的真實狀態，更好指導保安采取正確的處置措施[5]。在每個實驗室內各種傳感器的后端，布置MCU（Micro Controller Unit）模塊。MCU通過有線和無線的方式，收集傳感器監測到的突發事件[6]。
在網絡層，MCU把突發事件編碼，拼接成“房間號，事件號”字符串，通過3G Modem，應用Socket通訊技術向云安防中心發送字符串。在實驗室突發事件的同時，MCU向攝像頭發出拍照指令，得到事故瞬間相片。MCU通過3G Modem，將事故現場相片上傳云應用層的安防中心。隨后，MCU也將報警以短信形式發送給實驗室的負責教師，將事故圖像以彩信的方式發送給實驗室負責教師。
物聯網的應用層也稱為“云端”，保衛處在云端建設安防中心，收到各實驗室MCU發來的報警信息后。第一步，先呼叫當班保安立即前往事故現象查看。第二步，在預案數據庫檢索相應的應對措施，調取師生安全員的聯系方式，對所有師生安全員群發事故短信，并撥打師生安全員手機，要求師生安全員到現場協助保安處置事故。第三步，向保衛處領導，實驗室相關院系領導，學校分管領導匯報警情，以備事件難以控制時，能更加有效地組織施救團隊，以及大規模調動應急物資。
2 硬件開發
在本系統中，感知層有較多的硬件開發工作。每個實驗室的核心MCU都要外接十多個傳感器，還需要連接“3G MODEM”。因此選擇飛思卡爾公司的“MC68HC908GP32”芯片，可外接最多33個傳感器，也可通過“MAX232”芯片發送AT指令，從而控制串口上的“3G MODEM”?！?G MODEM”選擇華為公司生產的“GTM 900C”，因為內嵌了“TCP/IP”協議，使得圖像上傳和彩信發送較容易實現。攝像頭選擇深圳市高信通電子有限公司生產“GXT-Y101”的模塊，其特點是可以通過串口接受MCU發出的拍照指令，又能壓縮圖像為JPEG格式，減少串口通訊耗時。
網絡層的通訊工作主要由“GTM 900C”模塊承擔，內置了“增強AT指令集”，因此具有較強大的Socket通訊、短信發送、圖像傳遞、彩信發送的功能。實驗表明，在傳遞“房間號，事件號”短信時，只需耗時4s，以彩信的方式傳遞一張50 kB事故實時圖像，只需耗時30s。
以MCU上傳事故圖像為例，完整步驟如下：（1）MCU通過IO腳檢測到傳感器事件；（2）MCU通過串口1，向傳感器同房間的攝像頭發送拍照指令“5600360100”，攝像頭完成事件瞬間的圖像的感知工作；（3）MCU向攝像頭發出“5600340100”指令，即要求攝像頭返回照片的數據長度；（4）MCU發出“5600320C000A000000000000A4B90010”，即要求閱讀攝像頭的此時長度為“A4B9”的圖像；（5）MCU收到圖像后，發出指令“5600360103”，攝像頭又恢復到待機狀態；（6）MCU通過IO腳虛擬的串口2，向“GTM 900C”發送“AT+CGDCONT = 1， "IP"， "CMNET"”指令，完成APN配置工作；（7） MCU向“GTM 900C”發送“AT%ETCPIP = "user"， "pw"”，完成TCP/IP通訊的狀態設置；（8）MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPOPEN = "UDP"， "xxx.xxx.xxx.xxx"， 1800，， 1237”完成UDP的設置，即用本地的1237端口與互聯網上的xxx.xxx.xxx.xxx的IP地址上的1800端口發起通訊，建立UDP連接；（9） MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPSEND = "（圖像數據）"”，完成事故圖像向云端的安防中心的上傳，傳遞50 kB的事故圖像約18s；（10） MCU向“GTM 900C”發送“AT%IPCLOSE”，通知“GTM 900C”切斷UDP連接，進入待機狀態。
3 云端軟件開發
云端安防中心模塊結構見圖1，云端通過WINSOCK模塊接收各實驗室的門禁信息，通過WINSOCK模塊接收各實驗室的突發事件傳感器信息和現場圖像，通過一個“GTM 900C”模塊群發調度指令給當班的保安，要求大樓保安和巡邏保安趕往出事地點，也可通過保安的手機移動APP實現對保安的調度。計算服務器接著按“房間號”、“事件號”為查詢關鍵詞，在SQL SERVER數據庫搜索相應的“處置預案”，并從處置預案中獲得師生安全員的聯系方式，通過第二個“GTM 900C”模塊向師生安全員和保安群發處置預案，要求各人員嚴格按處置預案開展應急措施，避免事故擴大或造成應急人員傷亡。最后實現彩信群發，向所有應急人員現場照片，讓應急人員對現場內部狀態有較準確了解。
如果學校規模較大，或是要將教室、辦公室也納入安防監控體系，可以通過增加計算服務器來提高指令的效率。把各計算服務器布置成并行作業的狀態，每一臺計算服務器都具有應急指揮的完全能力，每臺計算服務器在下達應急指令過程中，從空閑狀態轉變為繁忙狀態，由其他空閑計算服務器來響應新的事故報警。該設計使得云端具有同時應對多個事故的指揮能力，而且即使若干計算服務器突然損壞，也不會導致應急指揮的中斷。實踐證明，每三百個實驗室、教室、辦公室配置一臺計算服務器，在多起突發事件同時發生時，云端仍然具有多點撲救的指揮能力。
4 結論
系統在南京理工大學紫金學院進行了測試。紫金學院采用了“項目教學法”來培養應用型人才，應用了“任務引領，實踐導向”的教學思想，學生在企業實踐教師的指導下，根據生產需求，自行設計了各種全新的實驗項目，傳統實驗室管理方法無法適應實踐教學的新需求。應用了基于物聯網的實驗室安防系統后，即使實驗項目日趨復雜，也能按傳感器類型對突發事件進行有效地分類，調取匹配的處置預案，更精準地指揮保安和師生安全員應對實驗室事故。而且在平時，實驗室安防系統可以從門磁傳感器數據統計實驗室的實驗教學的情況，根據IC卡門禁讀卡器數據計算學生實踐學時和教師的實踐課時，通過熱釋電傳感器了解實驗大樓的人群分布，及時調整巡邏保安的巡防區域。所以本系統不僅僅能發揮安防應急指揮的作用，也能加強實踐教學的管理。
參考文獻：
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[3] 林宇洪， 陳清耀， 巫志龍等. 基于物聯網的實驗室安防報警器設計[J]. 江西科技師范大學學報， 2015（6）.
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?？梢跃鈱W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?？己朔种捣植既绫?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。
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Research and Implementation of Programming Practice Project
NIU Xin-yuan
前言
伴隨著汽車行業的迅猛發展，不同汽車行業的整車廠都先后推出自己生產研制的不同排量的發動機，在發動機的整機OTS生產狀態，都需要進行不同的零部件的設計，試驗對比，從而選出最佳的設計作為批產的設計方案，本文介紹的就是在發動機研制過程中，對發動機汽缸墊的選型，設計、模擬計算、試驗驗證，通過試驗數據的對比驗證，確定最后的設計方案進行批產。
1 汽缸墊的作用
氣缸墊位于氣缸蓋與氣缸體之間 又稱氣缸床. 其功用是填補氣缸體和氣缸蓋之間的微觀孔隙，保證結合面處有良好的密封性，進而保證燃燒室的密封 防止氣缸漏氣和水套漏水。
隨著內燃機的不斷強化，熱負荷和機械負荷均不斷增加，氣缸墊的密封性愈來愈重要.對結構和材料的要求是：在高溫高壓和高腐蝕的燃氣作用條件下具有足夠的強度，耐熱；不少損或變質，耐腐蝕；具有一定的彈性，能補償結合面的不平度，以保證密封；使用壽命長。
2 汽缸墊的試驗研究
2.1 汽缸墊的設計方案
根據某系列汽油發動機開發階段的規劃，對1.5T原型樣機進行汽缸墊溫度場驗證試驗，并對各汽缸墊進行檢測各點溫度值，為設計部門提供相關的試驗數據，對比實驗數據，并以確定最佳汽缸墊方案。三種方案如下圖所示，圖1、圖2、圖3。原型樣機的汽缸墊方案如圖1所示。
圖 1第一種汽缸墊設計方案 圖 2 第二種汽缸墊設計方案
圖 3 第三種汽缸墊設計方案
2.2 試驗方案
在發動機缸體上進行打孔，安裝熱電偶傳感器測量鼻梁區的溫度，對比各個方案的溫度變化值。
2.2.1 試驗各傳感器的安裝
如圖4所示，第15點，16點、17點為我們試驗所要檢測的測量點。
2.2.2 試驗工況
本次試驗的轉速我們選取1000rpm、3000rpm、4000rpm、5500rpm以上4點在全負荷的工況下，測量個點的溫度值，每個工況溫度5分鐘后進行測量取點。機油溫度不需要控制，出水溫度控制在90±3℃。
2.2.3 試驗數據
3 結論
通過試驗的數據的對比，第一方案的發動機汽缸墊的的測溫比其他的二個方案略低一些。能夠使發動機的缸體溫度降低下來，保證了整機的溫度要求，因此我們選取第一方案的設計作為我們的首選方案。
