時間：2022-02-12 04:03:58
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電子從電子槍加熱發射而出，經加速電壓加速，穿過極板射向熒屏。這個過程產生霍爾效應中所需的工作電流。在無外磁場的情況下，觀察亮點的移動情況，測量霍爾電壓；在極板處加上垂直于電子束及極板方向的磁場，電子束因此受到洛倫茲力而偏轉，在極板積聚，產生電壓，測量得霍爾電壓UH；除去磁場，觀察熒光屏上亮點位置移動情況，待位置穩定后，測量此時電壓。
二、霍爾效應實驗的實現步驟及實驗檢驗實驗步驟
將磁鐵和示波管組裝在一起，提供磁場；連接外電路開關，打開電源，開始實驗；調整聚焦及亮度，使亮點集中到熒光屏中央，測量霍爾電壓；加載磁場，測量極板處磁感應強度B，觀察熒光屏亮點移動情況；穩定后，測量霍爾電壓UH；除去磁場，觀察亮點移動情況，測量霍爾電壓。實驗結果與現象分析實驗數據分析在X偏轉板處所加磁場的磁感應強度B為0.00017T，示波管內部是固定結構，為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求，可分析出加速電壓UO為陰極K與第二柵極G2之間的電壓，約為1000V（因為實驗時G2電位可調范圍為±100V，實際加速電壓為900V至1100V）。示波器內X偏轉板之間的距離（由于在透明的真空殼體內不能準確測量，目測為1cm）約為0.01m。將示波器的亮度調大，所測電壓逐漸增大；當亮度調節到最大時（輸入電壓約為900V至1100V），所測霍爾電壓達到最大值33.8V。理論上，電子經加速電壓加速后，亮點在熒光屏上迅速向上偏移，這個過程時間極短。這是受洛倫茲力作用，使電子束向上偏轉。由于偏轉極板兩側電荷積聚，產生霍爾電壓，電子束同時受電場力和洛倫茲力作用平衡。但是由于對于此時電子速度，極板長度不可忽略，所以電子束相對中央位置發生偏轉。過3min，待穩定后，再除去磁場，如圖5。亮點迅速移動到下方，這是由于磁感應強度為零，霍爾效應消失。這個過程是極短的。這些現象都符合霍爾效應，所以本實驗成功驗證了霍爾效應。
三、結語
關鍵詞：實驗教學 優化設計 習慣 操作 開放
化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗是化學的重要組成部分和教學實現途徑，化學實驗中蘊含著化學原理、化學反應現象和化學探索思考基本點。高中化學新課程標準要求教師優化實驗教學方式，使學生在實驗的基礎上主動完成化學知識體系建構。在當前的教學實踐中，化學教學多注重教師講授，實驗僅作為教師講授的輔助活動，而非學生化學學習的主要途徑。高中化學實驗教學要進行不斷的優化設計，努力打造高效率、高收獲的化學課堂。本文將針對高中化學學習的初步、中級、高等及提升整合階段的不同特征，探索高中化學實驗教學的優化設計方案。
一、培養良好習慣，鞏固實驗基礎
化學實驗是激發學生學習興趣的源泉，具有培養學生觀察能力、創新能力和實踐動手能力的重要作用。在高中化學學習的初步階段，學生剛進入高中化學的情境，對于高中化學深奧知識感覺陌生，高中化學實驗更是云里霧里。而高中化學實驗只有在嚴密的實驗過程和明確的實驗目標指導下才能發揮出其對于化學知識學習的重要意義。在初步階段，教師必須重視培養學生的良好實驗習慣、嚴謹的科學態度和實事求是的精神，促使學生養成愛護實驗器材、整潔有序的實驗美德，為實驗的順利開展打下堅實基礎。
例如化學必修一第一章“從實驗中學化學”就特別注重培養學生掌握化學實驗的基本方法，使學生對實驗流程有清晰明確的理解。教師在此章的教學過程中，帶領學生走進實驗室，使學生認知試管、燒杯、燒瓶、各種試劑瓶、量筒、酒精燈等基本常用實驗器材的使用方法和注意事項。而后教師組織學生進行簡單的制取蒸餾水實驗。在實驗過程中，教師要注重培養學生有條理地進行，實驗的先后順序要清晰、步驟不能缺失，實驗后要整理好實驗器材和實驗平臺。只有實驗的步驟正確、條理清晰，才能為更深入的觀察實驗、探究實驗準備條件。
二、注重動手操作，提升實驗能力
經過初步階段的培養訓練，學生已經具備了良好的實驗素質和基礎實驗知識，觀察能力、創新能力和實踐動手能力都有一定的發展。在隨后的中級階段，教師首先要清楚認識學生的化學實驗能力狀態后進行實驗教學優化設計。從以前的演示實驗為主，轉變為學生親自動手實驗為主。在此過程中，教師要成為學生實驗的引導者和指點者，將化學實驗的主動權交還給學生，使學生在實踐中提升實驗能力。
例如在“鐵離子、亞鐵離子氫氧化物的制取”實驗中，教師將Fe（OH）2的制備實驗設計為小組實驗，合理安排實驗小組成員和分工，每組配備好實驗用品。實驗中，學生清楚地觀察到最初生成的白色絮狀沉淀，但白色絮狀物氧化太快，沒有觀察到其變為灰綠色、最終變成紅褐色的過程。于是學生們動手進行實驗改進，經過大量的實驗后，將實驗過程改進如下：首先把氫氧化鈉溶液和硫酸溶液進行加熱煮沸后分別裝在兩只試管中進行保存，用一較長的膠頭滴管吸滿一滴管的煮沸過的NaOH溶液；完成后把還原鐵粉加入到另一只試管之中，再迅速加入稀H2SO4，同時在溶液中滴入部分植物油將其封存好，然后把準備好的膠頭滴管伸入試管底部，再擠出氫氧化鈉溶液。在這種情況下，進行油封能使反應在相對密閉的體系中進行，白色沉淀現象比較難以消失。學生在實際動手實驗中不僅彰顯了細微的現象使得學生印象深刻，而且培養了學生創新能力和實驗技能，真正實現了實驗能力的提升。
三、增加設計實驗，實現能力飛躍
教師在優化設計高中化學實驗教學的過程中，學生經過初步和中級階段的嚴格訓練，實驗能力得到了切實提升。基于學生的能力發展階段，進入高等階段后教師要不斷改善化學實驗，促進學生的創新精神的提升和創新能力的提高，并且通過實驗教學，鞏固深化基礎理論知識。高中學生在具備了一定的化學素養之后，已經有了一定的創新能力，通過高中化學實驗培養學生的創新能力，可以說是一種捷徑。例如“銅與濃稀硝酸”的實驗，銅與濃硝酸的反應產物NO2可直接被NaOH溶液吸收，即2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O，從而避免了室內空氣的污染，而銅與稀硝酸反應所產生的NO，不是成鹽氧化物，是不可以直接被NaOH溶液吸收，必將逸出造成室內環境污染，且無法避免裝置中的殘留空氣對反應生成NO的干擾，于是教師要求學生自主設計改進實驗。學生們通過激烈的討論，提出了許多設計方案，大部分學生從生成物的性質入手：既然NO為非成鹽氧化物，NaOH溶液不能直接吸收，不過可以按照NO+NO2+2NaOH2NaNO2+H2O和2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2O實現綠色化設計。學生通過提出假設、設計實驗、檢驗假設的過程真正實現了知識的活學活用，實現了能力的飛躍式發展。
四、全開放實驗室，助力主動學習
經過初步、中等、高級三個階段的化學實驗教學優化后，學生的化學實驗能力已經進入質的飛躍階段。但在傳統的高中化學實驗教學中，學生只能在課堂上進行實驗，課下實驗室的封閉性使得學生無法在課下進行自主學習。為了貫徹因材施教和循序漸進的教學原則，教師可以全面開放學生實驗室，為學生創造良好的課余實驗條件，增加學生動手、動腦，獨立完成實驗的機會。開放實驗室，讓實驗室成為一個學生驗證問題的場所，學生對于課堂上的困惑，可以在實驗室里得到驗證，并且學生自己去探尋答案要比在教師的引導下亦步亦趨的學習效果還要好。
例如在學習鹽類水解時，很多學生誤以為像Na2CO3溶液中的CO2-3都發生水解。部分學生在課下進入實驗室進行自主實驗學習時，自主探究增加了以下實驗：用試管盛取2到3毫升的 Na2CO3溶液，滴入1、2滴酚酞試液，觀察記錄現象并進行解釋；然后再往試管中滴入1、2滴BaCl2溶液，觀察記錄現象并進行解釋。學生在隨后的課堂上提出了自己的想法，Na2CO3溶于水只有少量的CO2-3發生水解，大多數CO2-3仍存在于溶液中，該想法獲得了其他學生的高度認同。
參考文獻：
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[4]賀瑛.合作學習策略在中學化學教學中的嘗試 [J].化學教學，2006. 7
某一開放性化學實驗課題有多種實驗設計方案，一般在物質的制備、檢驗、分離、除雜的實驗中出現較多。它能全面綜合考查學生的化學知識、實驗技能、思維和表達能力。中考中，屬于較難題目。考試中應注意以下幾點：
一、實驗設計必需遵循科學性
實驗設計的對象為制取物質或進行物質性質的實驗，首先了解實驗的原理，這就是設計必需遵循的科學性。
二、實驗設計必需注意可行性
實驗的設計必需考慮儀器的性能，所用材料的資源豐富，價廉易得，這就是實驗的可行性。
三、實驗設計的安全性
（1）點燃可燃氣體（如H2、O2、CH4）或用CO、H2還原CuO、Fe2O3之前，要驗純，以防爆炸事故的發生。
（2）進行有毒氣體（如CO、SO2、NO2）實驗時，應在通風的環境中進行實驗，并注意尾氣的處理。CO要燃燒掉，SO2和NO2用堿溶液吸收，避免中毒。
（3）用加熱法制取并用排水法收集氣體時，要注意熄滅酒精燈與從水槽中移出導管的順序，避免水的倒流使試管炸裂。
例2．（09年南昌中考題）在整理化學實驗室時，發現一瓶失去標簽的白色粉未，可能是碳酸鈉，也可能是氫氧化鈣。白色粉未是哪種物質呢？請你提出猜想，并設計實驗進行探究。
解析：用NaCO3和Ca（OH）2在性質上的不同，設計實驗方案，推測實驗現象和結論。解題關鍵是找到和兩種物質混合現象不同的同一試劑。
答案：
輔導資料中答案為如下：將電壓表與滑動變阻器并聯，閉合開關，調節滑動變阻器，使電壓表讀數為2.2V時，小燈泡正常發光。由于電源電壓是6V，當電壓表示數為2.2V時，根據串聯電路電壓的關系，小燈泡兩端電壓為UL=6V-2.2V=3.8V，正好等于額定電壓。測出此時電路中的電流I，即可求出小燈泡的額定功率P=3.8V×I，電路圖如圖1所示。
筆者認為，本題提供的參考答案存在不足之處。在測電功率的電路中，滑動變阻器的首要作用是保護整個電路，避免電流表、小燈泡、電壓表等器件的損壞。所以，在開關閉合前，滑動變阻器連入的阻值都要最大，這已成了初中電學實驗設計很重要的一步；第二作用是滑動變阻器移動滑片，調節電流或電壓，直至燈泡正常發光。由于題目中沒有告訴燈泡電阻RL和滑動變阻器最大阻值R的大小和關系，開關閉合前滑動變阻器又處于最大阻值，如果RL小于R，根據串聯電路中電壓的分配跟電阻成正比，則滑動變阻器兩端電壓在開關剛閉合時會超過3V，就將會使并聯在滑動變阻器兩端的電壓表再次損壞。可見，上面的實驗方案是不完善的。因為它沒有考慮到電壓表再次損壞的可能性。
在此，作如下討論，并給出正確解決方案：（設燈泡電阻為RL，滑動變阻器最大阻值為R）
1．當R≤RL時，由串聯電路中電壓的分配跟電阻成正比可知，滑動變阻器兩端的電壓不會超過3V，在電壓表0~3V擋范圍內，則不會損壞電壓表。在設計實驗方案時電壓表直接與滑動變阻器并聯即可。本題一些輔導資料提供的參考答案正是適合這一種情況。
2．當R＞RL時，由串聯電路中電壓的分配跟電阻成正比可知，在開關閉合時滑動變阻器兩端的電壓超過3V，為了避免電壓表0~3V擋燒壞，可設計如下實驗步驟：（a）按如圖2連接電路，開關閉合前，滑動變阻器滑片P放在最右端。閉合開關，調節滑動變阻器滑片P，使燈泡逐漸變亮，直至電壓表讀數剛好為3V；（b）此時斷開開關，將電壓表改接到滑動變阻器兩端，如圖3所示，再繼續向左調節滑片P，直到電壓表示數為2.2V為止，記錄此時電流表的示數I，此時小燈泡正常發光，額定功率P=3.8V×I。
本題由于沒有告訴燈泡電阻RL和滑動變阻器最大阻值R的大小，正確的設計方案應以上面討論2的敘述為準。可以說，本題是一道很好的實驗設計題，它能鍛煉學生的發散性思維和創造性思維，培養學生探究能力和學習興趣。在討論了此題的實驗方案后，針對本題中的滑動變阻器，我又設計了這樣一個問題給學生思考：若題目中RL=18Ω，有四個最大阻值分別為10Ω，15Ω，20Ω，40Ω的滑動變阻器，選哪一個最適宜呢？學生經過討論發現，若選10Ω的滑動變阻器，即使在最大阻值，也不能保護整個電路。若選20Ω或40Ω的滑動變阻器，方案可行，但如討論2所說，步驟復雜，稍有疏忽，就會損壞電壓表。而選15Ω的滑動變阻器，正如討論1所說，方案最簡單。所以，選15Ω的滑動變阻器則最適宜。
首先認識清楚學生不會設計實驗方案的原因.經過調查研究發現，主要有下列一些因素：
（1）學生找不到解決實驗中出現的問題的有效方法.
例如，筆者在教學人教版五單元課題一“質量守恒定律”.
【實驗5-1】用碳酸鈉和稀鹽酸反應驗證質量守恒定律，實驗結果天平指針最終不在標尺中央，問學生是什么原因，學生都能找出是因為反應過程中有氣體逸出，那么應如何設計實驗方案使得天平平衡來驗證質量守恒定律呢，結果同學們有的答在燒杯口蓋上玻璃片、有的答用塑料包住燒杯口…在經過小組討論發現這些方案行不通.如，不用溫度計，如何設計實驗驗證氫氧化鈉、氯化鈉、硝酸銨溶于水時是放熱還是吸熱？學生陷入一片茫然之中.
（2）學生不會利用相關物質的性質分析實驗中的干擾因素，需要控制哪些變量.
例如，在中考復習課中要求學生設計用不同的方法驗證鹽酸與氫氧化鈉發生
了中和反應，學生除了會用酸堿指示劑來驗證，其他方法也就難以找出.當提示如用碳酸鈉溶液作指示劑來驗證鹽酸與氫氧化鈉發生了中和反應，該如何來設計方案呢？結果學生也難以下手.
具體指導方法和策略
一、遵循學生的認知規律，觸類旁通，循序漸進地實施
例如，上述按照【實驗5-1】用碳酸鈉和稀鹽酸反應驗證質量守恒定律時，天平最終不平衡是因為反應過程中有氣體逸出，那么如何不讓氣體逸出成了本實驗的關鍵.而在燒杯口該玻璃片又漏氣，可以引導學生在驗證質量守恒定律時還有什么實驗中也遇到了氣體，同學們很快就想到用白磷燃燒驗證質量守恒定律中有氣體參加和逸出.然后再問該實驗是怎樣解決的呢？同學們就找出原來利用氣球來解決問題的.這樣學生就設計如圖1所示的裝置來驗證.結果有同學提出新問題，那就是加入試劑后才塞緊瓶塞，在塞緊瓶塞前會有部分氣體逸出.然后同學們再改進方法，即如何在加入試劑反應時不需打開瓶塞，同學們最終想到了解決問題的方案即用圖2（注射器中放稀鹽酸、瓶中放碳酸鈉）及圖3（瓶中放稀鹽酸，氣球中放碳酸鈉粉末）的設計方案.接下來筆者又提出一個問題，當氣球脹大后，會不會受到空氣的浮力而影響實驗結果呢？學生紛紛討論，最終得出結論：當產生的二氧化碳量少時，對實驗沒影響，反之當產生的二氧化碳的量較多時會有影響，最后筆者要求分別用質量不同的兩組物質（事先準備好了）做對比試驗加以驗證.
指導學生設計實驗的思維方法，排除其思維障礙，培養學生加強設計實驗方案的能力.
讓學生感悟設計實驗的基本方法，從解答實驗過程分析試題人手，透析其各環節的優缺點，實現學生從感性上了解實驗方案的形式，體會設計實驗需要注意的問題.
從上可知，不僅要指導學生如何設計實驗方案，還要比較不同方案的優缺點，以及注意在實驗中的用量、安全等問題.
二、指導學生分析相關物質的性質，利用性質利用實驗現象解決問題
例如，在新課或中考復習課中要求學生不用酸堿指示劑而用其他方案來驗證.
鹽酸與氫氧化鈉發生了反應.首先幫助學生分析指示劑為什么由紅色褪成無色，（其實利用了鹽酸把堿反應完，使得酚酞變成無色），接下來可以引導學生思考鹽酸還有那些化學性質呢？學生答出鹽酸能跟排在氫前面的金屬反應，產生氣體.這時，就可以問學生能否把鋅粒當成“指示劑”來驗證鹽酸與氫氧化鈉發生了反應.小組討論后得出可以用鋅粒當成“指示劑”來驗證鹽酸與氫氧化鈉發生了反應.方案如下：在試管中加入2 mL稀鹽酸，逐滴加入過量的氫氧化鈉溶液，振蕩后再加入鋅粒，實驗過程中無氣泡逸出可以驗證鹽酸與氫氧化鈉發生了反應.但是有學生提出問題，鹽酸與氫氧化鈉反應無現象，不知加多少氫氧化鈉才過量呀？一旦有鹽酸剩余當再加入鋅粒就會有氣體產生，接下來筆者就引導學生分析，等量的同種鹽酸不加入氫氧化鈉與加入了一定量的氫氧化鈉后再與鋅粒反應，兩種情況產生的氫氣量一樣嗎？同學們答出當然不一樣，然后同學們就恍
然大悟，方案找到了：取兩分等量的同種鹽酸，一份直接加入鋅粒，另一份加入一定量氫氧化鈉后，再加入鋅，測定產生的體積，比較兩者體積，發現后者體積比前者少.
三、指導學生歸納設計的實驗方案的一般思路和方法及注意事項
即對實驗設計的方案應符合科學性（即實驗原理、操作程序和方法必須正確）；安全性（即用藥量及操作要注意安全，注意環境保護等問題）；可行性（要滿足學校現有的實驗條件和設施）；簡約性（裝置簡單、步驟少、藥品用量少、時間短等）；實驗現象明顯性等五個方面.
藥學專業作為藥學知識傳播應用和創新的主要教育平臺，擔負起培養大量藥學專門人才的重任。現代醫藥產業的蓬勃發展和全球藥品研發領域的客觀現狀使得對藥物研發創新性人才的需求量大增。因此，高等藥學教育發展的方向和目標之一就是實施創新教育、培養創新型醫藥人才。藥學是一門以實踐教學為主的學科，藥學教學應該緊緊加強實踐教學這一學科基石，著力啟發學生的創新意識、綜合能力和動手能力，造就理論知識扎實適應社會需求的創新型高素質人才。因此，實踐教學在藥學的專業教學體系中占據相當重要的作用。藥物化學的教學內容涉及范圍很廣，包括了藥物的化學結構、中英文名稱、理化性質、合成方法、體內代謝、作用機理和構效關系等基礎內容，還包括了藥物的發現、發展、優化、新理論和新技術、新藥研發動向等。藥物化學的主要研究內容就是先導化合物的發現及其結構優化，它是新藥發現和研究的重要環節，對于藥學創新性人才的培養起著至關重要的作用[1]。
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
在藥物化學設計性實驗教學中，教師為輔助，他們需要提出實驗課題，做好文獻調研工作和預實驗，與學生分析討論實驗方案，這樣不僅是教師引導幫助學生，學生的一些新思維、新想法也啟發了教師，使得教師對課堂及課題的掌控能力及對學生的引導能力都有了明顯的提高。以學生為主體，使學生由被動學習轉為主動學習，由以往驗證性實驗的機械操作者變為實驗設計者，積極主動地完成了實驗的每一個環節，極大地發揮了其主觀能動性，各方面能力都得到鍛煉和提高。通過設計性實驗的實施，更好地激發了學生的學習興趣，學生積極踴躍參與討論各種合成路線的優勢和弊端，從而確定出最優的實驗方案。通過這些動腦、動嘴、動手的環節，也讓學生們愛上了實驗課，變以往較為枯燥的實驗課為課堂氣氛活躍、科學思維活躍的創新課。
實驗方案設計范文一藥品：
半枝蓮、95%乙醇、鹽酸小檗堿對照品、蒸餾水、鹽酸溶液、氫氧化鈉溶液、碘-碘化鉀試劑
儀器：
722型紫外分光光度計、電子分析天平、電熱恒溫水浴鍋、數據超聲波清洗器、微型植物粉碎機、PH計、加熱板、循環水式多用真空泵
實驗方法：
超生波提取法、半仿生法、正交實驗、生物堿的鑒定方法
實驗步驟：
一、藥品、儀器的準備
二、對照品溶液的制備、波長的測定、標準曲線的制作、推算出回歸方程
三、樣液的制備
四、用半仿生法提取半枝蓮中生物堿
1、單因素實驗
(1)溫度對提取效果的影響
(2)酸度對提取效果的影響
(3)堿度對提取效果的影響
(4)料液比對提取效果的影響
2、因素、水平的確定及進行正交實驗設計：
由單因素溫度、酸度、堿度和料液比作為正交試驗的四個水平
進行正交實驗以確定半仿生法中最優的提取條件
五、超聲波輔助半仿生法提取半枝蓮生物堿：在上述半仿生法得到的最優提取條件下進行超聲波提取
1、單因素實驗
(1)溫度對提取效果的影響
(2)提取次數對提取效果的影響
(3)酒精濃度對提取效果的影響
2、因素、水平的確定及進行正交實驗設計：
由單因素溫度、提取次數、酒精濃度作為正交試驗的三個水平進行正交實驗以確定在超聲波輔助半仿生法提取中的最優條件
六、在超聲波輔助半仿生法提取的最優條件下提取半枝蓮中生物堿
七、利用紫外分光光度計測定上述提取到的生物堿的吸光度，與標準曲線進行比較，計算出生物堿的量及產率。
八、生物堿的鑒定：
生物堿沉淀反應
1、碘化鉍鉀試劑反應 取滲漉液1ml，加碘化鉍鉀試劑1滴～2滴，生成棕色至棕紅色者為陽性反應在。
2、碘-碘化鉀試劑反應 取滲漉液1ml，加碘-碘化鉀試劑1滴～2滴，生成棕黃色沉淀者為陽性反應。
3、硅鎢酸試劑反應 取滲漉液1ml，加硅鎢酸試劑數滴，生成淡黃色沉淀者為陽性反應。
實驗方案設計范文二一、【實驗題目】：
印刷條件對預涂膜覆膜質量影響探究
二、【實驗設計思路】：
影響覆膜質量因素主要分為兩類，即覆膜工藝的影響和印刷條件的影響。覆膜工藝的影響無疑是覆膜的溫度、速度、壓力三種因素。往往現在對于覆膜質量影響因素大多是考慮到覆膜工藝(溫度、速度、壓力)的影響因素如出現：打皺、起泡、卷曲、出膜、虧膜、搭邊痕的質量因素。而很少考慮印刷條件對覆膜質量的影響。而往往有些時候就是由于印刷條件的因素才影響了覆膜的質量。基于如此這次試驗研究的方向就是在規定一定的覆膜條件，通過改變樣張印刷所需條件進行打樣并將其做預涂膜處理。最終的實驗結果是為了探討印刷條件是如何影響預涂膜質量，是否有一定的規律可循。最后以此為依據確定印刷品覆膜所適宜的最佳印刷條件。
三、【實驗儀器及材料】：
(1)IGT印刷適性儀、預涂膜覆膜機、剝離強度儀;
(2)油墨、銅版紙(確定規格，ph值)、BOPP預涂膜。
四、 【實驗準備】：
在IGT印刷適性儀進行試驗打樣，確定一般印刷打樣的印刷條件范圍。(溫度、速度、壓力大致范圍)。
五、 【實驗原理及步驟】：
(1)采用覆合強度指標考察覆膜質量, 覆合強度的測量參考GB2T2790-1995標準進行測量。對于每個試樣, 從剝離力和剝離長度的關系曲線上測定平均剝離力, 以N為單位, 記錄下至少100mm剝離長度內的剝離力的最大值和最小值, 并計算相應的剝離強度值。
計算公式如下:
180 = F /B
式中: 180 為剝離強度(N/mm); F為剝離力(N); B為試樣寬度(mm)。 利用上式, 計算所有試驗試樣的平均剝離強度、最小剝離強度和最大剝離強度, 以及它們的算術平均值
(2)利用IGT印刷適性儀在銅版紙上面進行打樣。
1、在一定的墨層厚度、印刷速度、印刷壓力的情況下進行印刷實地打樣，打樣后將樣條放在正常的印刷環境中進行干燥(干燥時間受紙張、溫度、濕度的影響)。通過對不同印刷時間間隔(0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h)的樣條在預涂膜覆膜機上面進行覆膜( 覆膜的壓力在6. 8mPa, 溫度為90 e, 覆膜速度為100r/min)。然后在剝離強度測定儀上測試各樣條的剝離強度記錄數據，確定最佳覆膜時間間隔。
2、在第一步所確定的最佳印刷時間間隔的條件下，印刷壓力、印刷速度一定，改變印刷墨層厚度進行印刷實地打樣，對不同墨層厚度(0.5-4.0Lm)下的印刷樣條進行同上覆膜處理，在剝離強度測定儀上測試各樣條的剝離強度，記錄數據。確定覆膜的最佳墨層厚度。
3、在前兩步所得到的最佳印刷時間間隔和最佳印刷墨層厚度的情況下，控制印刷壓力一定，改變印刷速度(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s)進行印刷實地打樣，對不同印刷速度下的印刷樣條進行同上覆膜處理，在剝離強度測定儀上測試各樣條的剝離強度，記錄數據。確定最佳的印刷速度。
4、根據前三步的實驗所得的最佳印刷時間間隔、最佳印刷墨層厚度、最佳印刷速度的情況下，改變印刷壓力(200-800N)進行印刷實地打樣，對不同印刷壓力下的印刷樣條進行同上覆膜，在剝離強度測定儀上測試各樣條的剝離強度，記錄數據。
六、【數據處理】：
七、【實驗結果】：
八、【參考文獻】：
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許文才，包裝印刷與印后加工 北京：中國輕工業出版社 20xx.8 (普通高等教育十五國家規劃教材)
馮瑞乾，印刷原理及工藝 北京：印刷工業出版社 1999-4 (高等學校印刷工程類教材)
GB- T2790- 1995,膠粘劑180b剝離強度試驗方法撓性材料對剛性材料[S]
實驗方案設計范文三一、實訓目標
畢業論文設計是學生綜合運用所學知識分析和解決實際問題的一個十分重要的集中實踐環節。
通過這一環節的實施，指導學生掌握論文寫作方法，學會調查研究，完成畢業論文設計與寫作，并在論文寫作實踐中得到鍛煉，提高分析和解決問題的能力，提升創新意識和專業素質，成為一名善調查、懂研究、能說會寫的合格的畢業生。
二、論文設計指導小組
組長：徐先海、魯倫文
組員：唐娟、李向萍、溫曉瓊、鄧君瑞、卜劍莉
三、論文設計(寫作)要求
畢業論文是學生畢業前必須完成的一個重要教學環節。要求學生能夠運用在校所學的基本知識、基礎理論、技能工具與方法等，研究和探討實際工作中的相關問題。它是綜合考察學生運用所學知識分析問題、解決問題以及操作能力的重要手段。在論文寫作過程中要求學生做到：
1、 應在實事求是、深入實際的基礎上，運用所學知識，獨立寫出具有一定質量的畢業論文。
2、 畢業論文選題應在所學專業范圍以內，其形式為學術論文、研究報告或分析報告。
3、 畢業論文應做到觀點新穎、明確，有獨創性;材料翔實、有力;結構完整、謹嚴;語言準確、通順流暢。
4、 畢業論文按統一版式的規范化要求(參見系部統一格式)，正文字數要求10000-15000字。
四、論文設計實施環節
1、組織動員
時間：20xx年4月27日
地點：二教(501)
對象：國貿08級全體同學
方式：集體動員會
班主任(輔導員)要協助做好組織動員工作。
2、學生報名分組
畢業論文為學生必修環節，不得免修。11屆畢業生要在5月1日前提交報名申請。根據報名情況對其進行分組。每位指導教師指導一組學生，原則上每組不超過18人。
3、指導教師聘任
畢業設計指導教師以對口專業，具有本科學歷，且實踐能力較強，有一定教學經驗的專職老師來擔任。指導教師負責學生畢業設計的全程指導工作。
指導教師的職責有：
(1)指導教師應認真履行職責，指導學生組織好畢業論文設計的全過程;
(2)指導教師對論文的選題方向、思想觀點、結構格式及文字質量負指導責任，并負責在論文定稿的指定位置按要求簽署評閱意見;
評閱意見包括的主要內容有：選題是否恰當，論文主題是否明確;結構是否合理，表述是否準確、流暢;選用資料是否恰當、充分，是否具有代表性;論述的邏輯性是否合理等。
(3)指導教師應督促學生及時與老師聯系，按時提交寫作提綱、初稿、修改稿和正稿。
(4)指導教師須將指導意見記錄在工作紀錄本上;
(5)指導教師對每學生的論文指導時間不低于5學時/周。
4、學生設計(撰寫)論文
學生在指導老師指導下確定選題。選題要求：
(1)應符合專業培養目標和教學要求，不應脫離專業范圍，要有一定的綜合性，具有一定的深度和廣度;
(2)題目大小適中，對實際工作有一定的指導意義;
(3)應結合當前的熱點和難點問題進行思考，鼓勵解決實際問題;
(4)選題一經確定，一般不再作變動。
在論文設計(撰寫)過程中，指導教師應幫助解決學生在設計(寫作)過程中存在的具體問題。論文完成后，指導教師須寫出符合整個論文設計過程情況的初評成績與評語。
5、時間安排(共5周)
布置動員、確定選題階段：4月27-5月10日;
擬定論文大綱階段：5月10-24日;
設計(撰寫)論文初稿階段：5月25-6月24日;
修改階段：20XX年6月25日-20XX年6月
提交論文及論文成績初評、答辯階段：20XX年6月底-7月。
五、論文設計成績評定
畢業論文設計成績以百分制體現，由指導教師根據學生寫作態度和論文質量給出。分優、良、及格、不及格四等。
1、優(90分以上)
(1)符合黨和國家的有關方針、政策;
(2)論文選題明確，能夠理論聯系實際，對經濟工作或學術問題的研究有一定的獨到性與現實性，并有一定的新意;
(3)論文中心論點突出，論據充足，論證過程邏輯性強，文章結構合理，表述流暢，層次清楚。
2、良(80-89分)
(1)符合黨和國家的有關方針和政策，能夠運用所學知識，理論聯系實際，觀點明確，分析比較深入;
(2)論文選題明確，具有一定的現實意義，能用所學知識分析現實經濟問題;
(3)論文中心突出，論據較充足，論證過程較有邏輯性，文章結構合理，層次清楚，表述通順。
3、及格(60-79分)
(1)符合黨和國家的有關方針和政策，基本上能夠運用所學知識去分析問題，但內容欠充實;
(2)論文的論點較明確，尚能聯系實際經濟工作;
(3)論文資料尚充足、具體，但比較陳舊，缺乏新意，論證不夠充分，缺乏說服力。文章有一定的條理，文字尚通順。
4、不及格(60分以下)
凡具有以下條款之一者均為不及格。
(1)不符合黨和國家的有關方針和政策，或在經濟理論上有原則性錯誤，或未掌握已學的有關專業知識，缺乏寫作技能;
關鍵詞：鋼鐵化驗；實驗室建設；設計方案
中圖分類號：TF08 文獻標識碼：A
1 化驗室分類
現在的化驗室分類方法比較多，筆者將按照使用分析檢驗的方法闡述如下。第一類是化學分析檢驗室，第二類是儀器分析檢驗室。前者的特點是儀器設備簡單投資少，檢驗成本低，一般應用在常量組分的分析實驗上，但是不能忽視的是容易造成環境污染。后者的特點是使用的分析儀器設備必須是大型的和復雜的，但是這種分析檢驗結果還是比價簡單的，而且靈敏度高。但是這個一般使用在資金雄厚的大中型礦業企業。
2 化驗室組織機構
化驗室組織機構的設置對于化驗室工作來說是很重要的。它在具體工作中享有獨立開展業務的權利，并且在組織機構管理方面相對獨立性，堅持科學公正公平的態度完成每一項工作。具體架構圖如圖1所示。這其中化驗室各個工作人員目標分工明確，并用科學化實現高效地工作任務。
3 化驗室設計方案
目前的化驗室設計一般地是有建筑本身設計，化驗室及設備設計兩大部分組成。這兩部分的組成是相輔相成的，它是集中了建筑功能和工程技術和建筑藝術的結合體。建筑設計的主要依據是有關部門對建筑任務的要求，包括了建筑面積，工程造價等。還要有城建部門同意的設計批文以及建筑單位根據有關批文向設計單位辦理的手續。設計人員要根據以上設計文件，進行必要的調查研究，分析處理材料進行綜合設計建筑圖紙等。化驗室及設備設計是要滿足操作人員即化驗員的實際方便操作，舒適度，面積等，還有化驗用的儀器等。下面筆者以某化驗室為例分別闡述這兩部分的設計工作。
3.1建筑本身設計。化驗室建筑本身是要滿足對建筑的實際要求，一般來說要單獨的建筑并采用東西側為走廊，不同功能的房間分布在南北兩側。主要包括取樣室，天平室，藥品儲備室，儀器室等。最主要的是對走廊的要求，單面走廊寬是1.5m，如果是雙面走廊凈寬就要到1.82m，走廊上面有通風管道的話應保持在2.4-3.0m。而化驗室最好選在靠近煉鐵車間，分布如下：在一樓設取樣室，預處理室，天平室等，在二樓設更衣室，會議室，藥品儲備室等。
化驗樓選址應該滿足建筑用地，實驗用地等的環境要求，其中基地要與那些易燃易爆的生產車間有段距離，保障安全性。還要遠離噪聲震動源，確保試驗的科學性。
另外對化驗室建筑模數的要求是4m，4.5m，7.2m等，化驗室的進度模數取決于實驗臺長度和布置形式。目前通用的進深模數有6m，6.7m等。
3.2化驗室及設備設計
首先是化驗室內的最基本布置，包括洗滌池，通風處，帶試劑架的工作臺，存放儀器的櫥柜燈。化驗室尺寸設計。尺寸的大小主要取決于化驗工作的要求，并要考慮安全性和發展的整體需要。一般來說，化驗室的高度尺寸操作空間的高度不應該小于2.5m，而專用工作空間應該說在2.6-3m。
化驗室必備硬件要求要有電力采用三相電。通風設施也必不可少，尤其是操作間中的加熱酸溶過程必須在通風櫥中進行。另外，化驗室還要有下水設施。
化驗室的主要設備一般分為以下幾方面（表1）。
而試驗臺的設計布置一般有周邊式，兩邊式等，主要有臺面和臺下支座構成。它的寬度為1.2-1.8m為宜，靠墻的試驗臺寬度0.75-0.9m，靠墻的儲物架寬度0.3-0.5m。而試驗臺的長度一般是寬度的1.5-3倍的樣子。在通道設置方面一般為1.5-2.1m。
在管線通道管線架方面要引出臺面供方面使用；藥品架的設置不宜很寬，要保持在能存放2個中型試劑瓶為準，寬度就是在200-300mm。另外在實驗臺下空間通常設有器皿柜，方便實驗用品的存放。
綜上所述，鋼鐵廠化驗室的建設和設計基本要求要準確，數據一定要可靠。化驗室的設計和建設筆者認為最好是有經驗的公司進行前期設計策劃，還要在建設之前建立一套嚴格地管理制度。還要做好對化驗人員進行化驗知識的培訓，要求化驗人員嚴格按要求操作，同時做好抽檢檢查制度。總之在進入科技發展的今天，一些實驗室也要像安全、節能、環保、智能化方向發展，不斷順應時代需求，滿足生產需要。
參考文獻
關鍵詞：開放實驗室；物聯網；安防系統
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”向世界名校“街區制”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”。“3G 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。
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