实验设计与分析读书报告

实验设计与分析读书报告（共8篇）

实验设计与分析读书报告 篇1

实验设计与分析读书报告

[摘要]实验设计与分析是用于经济地、科学地安排试验的一项技术。《试验设计与分析》是实验设计与分析领域的名著，全书内容广泛，实例丰富。可作为自然科学研究人员、工程技术人员、管理人员进行科学实验设计与分析的参考书，是产品设计和开发、工序设计和改进等方面非常实用的工具。

本文首先讲述了实验设计分析的原理、方法、特点、步骤以及实验设计及统计分析的注意事项，然后介绍了几种常用的实验设计方法的原理、特点及用法，最后总结了学习《实验设计与分析》后的一些心得体会。

[关键词]：实验设计与分析；正交实验；稳健设计；统计设计；响应变量；统计设计

目录

1.2.引言...................................................................................................................................1 实验设计与分析简介.......................................................................................................1 2.1 什么是实验设计...........................................................................................................1 2.2 发展历史及分类...........................................................................................................2 2.3.实验设计的目的.........................................................................................................2 2.4.基本原理.....................................................................................................................2 2.5.实验设计实施的方法与步骤.....................................................................................3 2.6.实验设计的应用.........................................................................................................3 2.7.注意事项.....................................................................................................................3 3.实验设计方法介绍...........................................................................................................4 3.1 全面实验.......................................................................................................................4 3.2 正交实验.......................................................................................................................4

3.2.1 正交实验的特点：...........................................................................................4 3.2.2 正交实验的类型和分析方法...........................................................................4 3.2.3 实施正交实验的基本步骤和方法...................................................................5 3.3 稳健设计.......................................................................................................................5

3.3.1 稳健设计的优点...............................................................................................5 3.3.2 稳健设计的实施步骤.......................................................................................5

结束语.............................................................................................................................................6 参考文献.........................................................................................................................................6

1.引言

现代科技的发展离不开实验分析，现代实验不单是通过观察现象和测试数据来验证假设，更重要的是现代科技创新和发明的重要手段。所有理论分析不能解决的问题均可利用实验的手段去摸索，特别是在工程领域内。科研是很注重实际应用效果，无论是对零件、部件和整机的结构、性能研究，还是对新配方、新工艺的探索，实验都是必须的手段。几乎没有一项应用研究成果是不需要实验分析和实验论证的。

如果要最有效地进行科学实验，必须用科学方法来设计。所谓实验的统计设计，就是设计实验的过程，使得收集的数据适合于用统计方法分析，得出有效的和客观的结论。如果想从数据作出有意义的结论，用统计方法作实验设计是必要的。当问题涉及到受实验误差影响的数据时，只有统计方法才是客观的分析方法。这样一来，任一实验问题就存在两个方面：实验的设计和数据的统计分析。这两个课题是紧密相连的，因为分析方法直接依赖于所用的设计。实验设计方法已在很多学科中得到广泛的应用。

《实验设计与分析》作为实验设计与分析领域的名著，是作者在亚利桑那州立大学、华盛顿大学和佐治亚理工学院三所大学近40年实验设计教学经验的基础上编写的。

全书内容广泛，包括实验设计与分析的基本原理、特点、方法、发展及应用等，而且实例丰富，简单比较实验、析因设计、分式析因设计、拟合回归模型、响应曲面方法和正交设计、稳健参数设计和过程稳健性研究、含随机因子的实验、嵌套设计和裂区设计等。

通过本书的学习让我对实验设计与分析有了更深入的了解，对设计实验与分析的有了科学和系统的认识，明确了设计思路、方向，学习了多种实验设计与分析方法，为以后科研实验提供了极大的参考及指导作用。

2.实验设计与分析简介

2.1 什么是实验设计

实验是研究者实际上在各个研究领域进行的，通常是发现关于一个特定过程或系统的某些事情。一个实验是一个试验，一个设计的实验是一个试验或一系列试验，它对一个过程或系统的输入变量(人、机、料、法、环)作一些有目的的改变，以使能够观察到和识别出引起输出响应变化的缘由。

通常形象地将过程看作是人，机，料，法，环的一种组合，它把一些输入转变为有一个或多个可观察的响应的一种输出，过程的一些变量x1,x2,...Xn是可控制的，.过程的另一些变量z1,z2,...Zn是不可控制的，响应是可以观察或测量的一个或多个的输出。

2.2 发展历史及分类

早期的实验设计与分析法(ANOVA)于1920由英国生物统计学家、数学家费歇(RA Fisher)提出，Fisher首先开发并应用了方差分析作为实验设计中的统计分析基本方法，最初主要应用农业、生物学、遗传学等方面的研究。随后英、美、苏对之进行研究推广到工业生产领域。

传统的正交实验(Orthogonal array)于1950由日本田口玄一(Taguchi)等创造，随后迅速推广到日本工农业生产的各个领域，成为日本工商企业管理界人员必备的技术。

稳健设计法(Robustness)于1970由日本田口玄一(Taguchi)等创造，稳健设计是对传统正交实验的改进，最初主要应用于二战之后的日本，随后在日本，美国等国家的许多公司得到成功的应用和发展。

现代还出现了多元化的实验方法，包括：残差分析(Residual analysis)、应用回归分析(Regression)、分式析因实验(Fractional factorial design)、曲面响应和调优运算(RSM & EVOT)等。

2.3.实验设计的目的

1)确定哪些变量对响应输出Y最有影响，即找出最显著因素；

2)确定有影响的变量x设置在何处可使响应输出Y几乎总是接近所期望的额定值； 3)确定有影响的变量x设置在何处可使响应输出Y的变异性较小； 4)确定有影响的变量x设置在何处使得不可控的变量z的效应最小。

2.4.基本原理

一种实验要最有效地实行的话，必须用科学方法来设计实验。所谓实验的统计设计，就是设计实验的过程，使得收集的数据适合于用统计方法分析，得出有效的和客观的结论。如果想从数据作出有意义的结论，用统计方法做实验设计是必要的。

实设计有三个基本原理：重复，随机化和区组化。

1)重复即基本实验的重复进行，它有两条重要的性质：第一，允许实验者得到实验

误差的一个估计量；这个误差的估量值成为确定数据的观察差是否是统计上的实际差的基本度量单位。第二，如果用样本均值作为实验中一个因素的效应的估计量，则重复允许实验者求得这一效应的更为精确的估计量。

2)随机化是实验设计使用统计方法的基石，所谓随机化即实验材料的分配和实验进行的次序都是随机地确定的，统计方法要求观察值（或误差）是独立分布的随机变量，有助于“平均出“可能出现的外来因素的效应。

3)区组化是用来提高实验精确度的一种方法。一个区组是实验材料的一个部分，相比于实验材料的全体，它们本身的性质应该更为类似。对实验进行区组，有助于提高实验的精确度。

2.5.实验设计实施的方法与步骤

在设计和分析一个实验时要使用统计方法的话，和实验有关的每个人必须预先对所研究的问题究竟是什么，如何收集数据，要有清晰的认识，至少对如何分析这些数据要有定性的了解，推荐的实验设计实施的方法与步骤如下：

1)问题的识别和问题的提法； 2)因素和水平的选择； 3)响应变量的选择； 4)实验的设计的选择； 5)进行实验； 6)数据的分析； 7)结论和建议。

2.6.实验设计的应用

实验设计方法可以应用在很多领域中。实际上我们可以把实验本身看作为科学方法的一部分，看作是探索系统或过程如何工作的一种途径。

将实验设计应用在工序的早期开发中，可以提高产量；可以减少变异性，与目标值更为一致；减少工序的开发时间；减少工序开发的总成本。

将实验设计应用在开发新产品和改进老产品的工程设计活动中，使产品较容易制造；提高产品适应现场条件的性能；提高产品的可靠性；降低产品的成本；缩短产品设计和开发的时间。

2.7.注意事项

在工程、科学和工业中大多的研究工作都是以经验为根据的，并且广泛使用实验方法。统计方法大大提高了这些实验的效率并经常强化了由此得出的结论。在实验方法中要明智的使用统计方法就要求实验者在思想上牢记下列各点：

1)必需对所研究的问题非常熟悉，需要有丰富的实践经验和扎实的理论知识； 2)使实验和分析尽可能的简单；

3)正确评价实际的显著性和统计的显著性之间的差别； 4)通过序贯迭代的方法进行安排实验。

3.实验设计方法介绍

实验设计是影响研究成功与否最关键的一个环节，是提高实验质量的重要基础。目前，已建立起许多实验设计方法。前面已经介绍了实验设计方法的发展历史，下面简单介绍几种具体的实验设计方法。

3.1 全面实验

所谓全面实验，就是对影响响应输出的各个因素的所有的可能的水平组合进行实验。全面实验的优点：实验数据充分全面。全面实验的缺点：实验次数太多；处理数据麻烦；浪费人力、物力；根本无法进行多因素，多水平的复杂实验。基于上述特点全面实验只实用于少因素、少水平的简单实验。为此，人们创造了正交实验方法，用正交实验方法来安排实验会使实验次数大大减少，而且统计分析的计算也变得非常简单。

3.2 正交实验

正交实验设计法是研究与处理多因素实验的一种科学方法。它利用一种规格化的表格—正交表，挑选实验条件，安排实验计划和进行实验，并通过较少次数的实验，找出较好的生产条件，即最优或较优的实验方案。3.2.1 正交实验的特点

1)合理安排实验，简少实验次数； 2)找出较好的实验方案；

3)找出质量指标与影响因素之间的关系； 4)找到进一步改进产品品质的实验方向； 5)减少人力，物力的支出； 6)简化实验数据分析的计算。

正因为用正交表安排实验具有“均匀分散性”与“整齐可比性”这两个特点，所以它能大大的减少实验的次数，甚至比简单地比较全面实验结果有可能提供更多的信息。3.2.2 正交实验的类型和分析方法

正交实验类型包括下面几种：单指标的正交实验、多指标的正交实验、水平数相同的正交实验、混水平的正交实验、有交互作用的正交实验和带重复实验的正交实验。

可以用直观分析法、方差分析法和综合评分法等不同的方法进行分析。

3.2.3 实施正交实验的基本步骤和方法

1)明确实验目的，确定考察的指标； 2)挑选因素，选水平，制定因素水平表； 3)选择合适的正交表，进行表头设计； 4)明确实验方案，进行实验，测定实验结果；

5)对实验结果进行统计分析，得出因素的主次顺序，确定最优方案； 6)进行验证实验，作进一步分析。

3.3 稳健设计

为了尽量降低误差因素的作用，使实验响应输出因误差因素变化而变化的敏感性最小，即使实验响应输出对误差因素具有稳健性，基于这种指导思想来进行的设计叫做稳健设计。

稳健设计的两个主要工具是信噪比（信号功率/ 噪声功率(Signal/Noise)）和正交表。用信噪比作为特征数来衡量质量，用正交表合理安排实验来选择最佳的参数组合。所以从某种意义上说，稳健设计就是信噪比的正交实验。3.3.1 稳健设计的优点

1)使产品性能对原材料的改变不敏感，从而可以使用价钱便宜的原材料； 2)使产品性能对制造上的变差不敏感，从而降低加工成本； 3)使产品性能对环境的变差不敏感，从而降低操作成本。3.3.2 稳健设计的实施步骤

1)确定主要功能，边缘效果和失效的样式；

2)识别噪声因子，确定估算质量损失的实验条件，并做到对噪声因子的灵敏度最小化；

3)根据具体问题确定质量特征数和优化的目标函数； 4)确定可控因子和它们的可选水平； 5)进行正交实验设计； 6)进行实验，收集实验数据；

7)进行数据分析，确定可控因子的最适当水平； 8)进行核实实验，并计划进一步的工作。

结束语

通过对书本的学习，我们能有效的掌握各种实验设计与分析的方法步骤，能够应用到不同的场合解决各种问题。在今后的科研工作中，为了提高实验质量，就要确保实验设计实现如下指标：

第一是明确衡量产品质量的指标，这个质量指标必须是能够量化的指标，在实验设计中称为实验指标，也称为响应变量(response variable）或输出变量。

第二是寻找影响实验指标的可能因素（factor)，也称为影响因子和输入变量。因素变化的各种状态称为水平，要求根据专业知识初步确定因素水平的范围。

第三是根据实际问题，选择适用的实验设计方法。实验设计的方法有很多，每种方法都有不同的适用条件，选择了适用的方法就可以事半而功倍，选择的方法不正确或者根本没有进行有效的实验设计就会事倍而功半。

第四是科学地分析实验结果，包括对数据的直观分析、方差分析、回归分析等多种统计分析方法。

但是，没有一种“放之四海而皆准”的问题解决方案，实验设计同样不能提供解决所有问题的途径，要全面考虑解决问题的方式，选取最有效、最经济的解决途径。即使决定采用实验设计，也不能生搬硬套地使用书本上的“实验设计步骤”。跟据实际情况和要求，有时可以省去其中的某几步，有时还会在同一个项目中重复循环地跳几轮；除了实验设计涉及的因素外，要尽量确保所有的环境因素是稳定和符合现实的。如果条件所限，如果做不到这一点，不妨可以用随机化、区组化、仿行等方法来尽量避免；保证实验的仿真性，避免一些理想的实验环境，比如实验室；不要一味地排斥实验设计执行之前的历史数据。相反，适当地利用企业信息化的成果，从ERP、MES中的海量数据中进行“数据挖掘”，很可能会减少实验投资，细化因素水平的选取。这也是当前实验设计应用领域中的新趋势之一；为了保险起见，在得到最终的最佳参数水平组合后，还要进行一些验证实验来检验结果，实在没有条件实施验证实验的，也要通过模型的“模拟仿真”来完成这个工作。

工欲善其事，必先利其器。为了提高实验设计的效率和解决问题的成功率，设计者自身也应加强相关知识学习，增加实验设计经验积累，提高自身素质水平。

参考文献

[1] Douglas C.Montgomery.译著.傅珏生，张健，王振羽，解燕.实验设计与分析.人民邮电出版社，2009.10.[2] 苏均和.试验设计.上海财经大学出版社，2005:98-118.

实验设计与分析读书报告 篇2

物理实验课程是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修课程, 提供综合性很强的基本实验技能训练, 是培养学生科学实验能力、提高科学素养的重要基础。由于受实验时间、空间和仪器的限制, 学生通常不能在实验课堂完成设计性实验, 而是教师讲原理、讲步骤, 学生在教师设计好的实验条件下完成实验。

基于组件的虚拟仪器仿真实验可使学生自主选择仪器、实验参数;自主设计实验方案来完成实验, 激发学生的学习热情, 提高实验教学质量[3,4,5]。实验报告中学生通过处理数据、分析实验现象并总结, 体现实验物理思想的正确性, 这要求数据记录、处理方法合理;计算过程正确[7]。数据处理部分是后面数据分析的基础, 机械性高, 后面的数据分析是核心重点。实际教学中, 教师批阅实验报告需要花费大量的时间来查看学生的数据, 反复核算计算结果, 从而影响对实验报告中实验现象分析、总结等更重要部分的批阅。设计性实验的不同实验方案、自主选择仪器和任意设定实验参数则进一步加重了教师的批阅负担。

基于组件的虚拟仪器, 将实验仪器从具体的实验中独立出来作为单独的组件, 实验平台根据学生的设计方案, 采用动态绑定技术通过仪器接口调用仪器, 实现了仪器的自由组合以完成设计性虚拟实验[3,4,6]。本文在此基础上设计了基于虚拟实验的实验报告自动评判系统, 在学生的实验过程中抓取实验状态和实验结果填入实验报告模板, 根据实验报告模板中包含的数据处理方式处理实验数据, 并将获得的结果写入实验报告模板并评阅显示。此系统提高了教师批阅实验报告的效率, 并可应用于开放式实验教学中, 拓宽了教学应用面。

1 设计性虚拟实验报告自动评判系统的构建

设计性虚拟实验的实验报告自动评判系统, 结构如图1所示, 它由虚拟实验模块和实验报告评判模块组成。实验报告评判系统中设计了实验报告处理平台, 将实验报告、数据处理算法、评判算法以独立的组件, 通过接口实现交互。

学生进入虚拟实验后, 根据设计方案选取仪器加入实验平台, 平台根据实验和仪器调用实验算法, 根据计算出的实验状态调整仪器。根据接收的实验报告模板获取相应的实验数据, 将带有数据的实验报告传回实验报告评判模块。根据实验报告中包含的数据处理算法处理数据, 将结果写回实验报告, 根据评判规则自动评判。图中各个模块的主要功能如下:

1.1 虚拟实验系统

虚拟仪器:根据仪器自身的功能和操作方法, 建立仪器的数学模型、物理模型、操作界面、仪器接口, 可以自定义其功能并进行功能的扩展。

实验算法:根据实验内容建立仪器相互关系模型, 模拟实验运行, 显示最终结果。

实验场景平台:构建虚拟实验场景, 提供了学生操作界面, 以及一系列的组件管理和交互的方式, 包括仪器的管理和控制、算法和数据的控制。

仪器接口:定义了实现仪器的调用和内部参数访问的方法, 将实验仪器与具体的实验算法相隔离。

算法接口:定义了实现实验内容的方法, 将实验算法和实验平台、具体实验相隔离。

实验数据接口:提供与虚拟实验交互实验报告数据的接口, 用来在虚拟实验和实验报告系统之间交互实验数据, 传送实验报告。

1.2 实验报告评判系统

实验报告处理平台:与虚拟实验进行交互, 向虚拟实验传送空白报告, 从虚拟实验接收填好数据的实验报告后, 根据报告要求通过处理算法接口调用算法处理, 将结果返回报告后, 参照对应的评判规则给出评判结果。

实验数据接口:提供与虚拟实验交互实验报告数据的接口, 用来在虚拟实验和实验报告系统之间交互实验数据, 传送实验报告。

算法接口:定义了数据处理算法实现方式, 将数据处理算法与实验报告相隔离。

数据处理算法:将实验数据按照指定的方式处理, 并返回处理结果。

自动评判接口:定义实验结果评判规则的实现。

自动评判:将实验结果按评判规则处理, 并返回评判分数。

实验报告:实验内容组成, 每个实验内容包含实验数据、数据处理方法、实验结果评判方法。

2 设计性虚拟实验报告自动评判系统的实现

2.1 虚拟实验的构建

虚拟实验的构建主要是实验通用物理量、实验算法和算法接口、仪器和仪器接口的实现。根据实验研究对象确定主要物理量, 根据主要物理量和实验内容确定实验算法、设计算法接口, 根据物理量和算法接口实现仪器、仪器接口的设计。

以自组万用表为例, 自组万用表设计实验包含利用微安表组装电流表、电压表和不同量程的电阻表。实验原理如图2所示, 串联、并联电阻可以扩大微安表的量程, 并改装成其他测量表盘。学生可以在原理电路图的基础上设计多种电路来完成实验。

2.1.1 实验通用物理量的构建

自组万用表设计实验主要研究对象是电路的电学量, 电路是由导线和电子元件组成的导线回路, 每个元件是一条支路, 支路间的连接点为节点, 抽象出节点间器件类型、电压、阻抗等属性, 建立了电学量的数学模型, 具体的类定义如下:

2.1.2 实验算法接口及算法的实现

实验平台通过算法接口访问实验算法, 实现了实验算法和实验仪器、实验的相隔离。以下是电路算法接口, 表示实验平台将实现ICircultIns接口的电学仪器传入算法中, 根据算法处理的结果更新对应的仪器:

实验遵循基尔霍夫定律:在集中参数电路中, 在任何时刻, 任意一个结点的所有支路电流代数和等于零, 任意一个回路的所有支路电压代数和等于零。建立节点-仪器关系矩阵, 画出节点电路图, 得到关联矩阵并进行计算。具体电路计算流程如图3所示。

2.1.3 仪器接口及实验仪器的实现

仪器接口实现了与仪器的交互, 将仪器和实验平台、实验算法隔离开。以下是仪器接口信息及仪器微安表类的定义:

根据仪器接口设计虚拟仪器组件, 以实验中的微安表为例来说明仪器组件的构建和仪器接口的设计实现[4]。微安表是测量电流的仪表, 但在实验中还用其测量电阻, 因此除了具有读数表盘、调零按钮、不同档位值及其对应的内阻值, 还需要刻画出欧姆刻度表, 可以点击调零按钮进行指针的调零操作, 与实验场景平台交互的仪器接口, 具体的实现如图4所示。

图4微安表类及组件结构图 (参见右栏)

2.2 实验报告评判系统

实验报告评判系统从虚拟实验中获取实验报告, 调用相应的数据处理算法, 根据算法结果和评判规则自动评判, 最后显示、存储已评阅的报告。

2.2.1 实验报告的设计及实现

实验报告模板的内容、逻辑与真实实验报告保持一致, 同时可以存储数据, 且易于存储、扩展、管理和实现。由于XML可标记电子文件使其具有结构性, 可定义数据类型、存储数据, 且易于存储、管理和实现, 因此系统采用XML格式对其进行描述[2]。实验报告模板包括实验名称、实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容, 图5是实验报告模板的组成图。

实验内容包括实验要求、步骤和实验数据两部分, 实验数据部分根据数据处理方法的所需数据来建立相应的实验测量数据组节点。以下是自组万用表设计实验的报告及对应的XML文档, 有实验目的、各实验内容的原理和电路图、仪器、实验要求、实验步骤、实验数据和报告分数。

2.2.2 实验报告对应的数据处理算法及实现

通过数据处理算法接口实现相应的数据处理, 将数据处理算法和实验报告的分离:数据处理算法不和具体的实验相关, 在同一实验中相同的数据可按不同的数据处理算法处理。现以自组万用表设计实验中的电流表为例进行说明。

用改装电流表测量电流值, 其测量值和标准值之间总会存在微小误差, 在测量精度要求较高的情况下需要将测量值和标准值进行最小二乘法直线拟合以调整误差。最小二乘法直线拟合算法是以实测值与计算值差的平方和为最小作为优化判据来拟合离散数据点, 表达了数据之间的线性规律。算法需要几组学生值和标准值的数据对以进行计算, 图7是采用算法进行数据处理的流程图:

图7左边是实验报告数据处理部分对应的XML文件, 右边是实验报告处理平台及最小二乘法直线拟合算法的定义。数据接口读取XML文件, 向任务分发模块传递数据单元列表, 接收从任务分发模块返回的数据并以XML形式保存。任务分发模块根据实验报告的数据处理指定的算法ID通过算法接口调用对应算法, 同时将数据单元传入算法中, 将算法返回的数据返还给数据接口。数据单元根据实验报告数据处理部分的实验测量数据组节点构建。

2.2.3 评判规则的设计与实现

数据处理结束后, 系统自动把处理结果以XML形式加以记录、保存。然后根据模板解析出直线拟合斜率、截距的学生值和标准值, 两项比较, 根据报告指定的评判规则进行评判, 将结果计算整理保存, 具体图8所示。

图8自动评判 (参见右栏)

图8表明:根据评判规则1, 百分比在±0.1范围内得满分2分;评判规则2, 百分比在±0.3范围内得一半分1分, 否则不得分。

综上所述, 设计性虚拟实验的实验报告自动评判系统根据学生自己定制的实验方案进行实验, 并根据实验报告模板, 采集实验数据, 处理实验数据, 根据结果和评判规则计算得分并显示, 达到了实验报告机械部分的自动评阅。

3 结束语

本文针对在面向大面积学生开设设计性实验时, 在教学指导和实验报告的批改中的困扰, 构建了设计性虚拟实验报告自动评判系统。此系统通过数据接口与虚拟实验交互, 调用相应的数据处理算法, 根据算法结果和评判规则实现对数据处理部分进行自动评阅, 并显示、存储已评阅的实验报告的评判结果。

本实验报告自动评判系统提高了教师评阅实验报告的效率, 为面向大面积学生的设计性实验教学创造了条件, 在高校实现面向大面积学生的设计性、开放性实验教学, 大面积提高高校实验教学质量中有广阔的应用前景。

摘要：基于组件的设计性虚拟实验实现了学生自主选择、操作仪器, 完成设计性实验[1, 4, 5]。在此基础上, 文章构建了基于虚拟实验的实验报告自动评判系统, 通过虚拟实验数据接口获得实验信息, 实现实验报告的自动评判, 提高了教师批阅的效率, 拓宽了设计性实验教学应用面。并以自组万用表设计性实验为例, 实现了可设计性虚拟实验报告系统的构建和应用。

关键词：虚拟实验,实验报告,自动评判,XML

参考文献

[1]谭守标, 霍剑青, 王晓蒲.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用[J].中国科学技术大学学报, 2005 (3) :429-433.

[2]邢飞, 杨旭, 霍剑青, 等.基于xml自动评阅系统的设计与实现[J].电子技术, 2010 (9) :43-46.

[3]牛文波, 霍剑青, 王晓蒲.基于UI-Model体系结构的虚拟仪器研究[J].中国科学技术大学学报, 2007, 37 (3) :323-326.

[4]桑士振, 杨旭, 张什永, 等.基于mvc2扩展模式虚拟仪器的设计与实现[J].电子技术, 2010 (9) :50-54.

[5]施俊辉, 杨旭, 霍剑青, 等.基于组件的可设计性虚拟实验的构建与实现[J].中国科学技术大学学报, 2010 (3) :249-253.

[6]周颖, 王晓蒲, 袁泉, 等.基于动态绑定设计方法的设计性虚拟实验系统[J].中国科学技术大学学报, 2006 (12) :1342-1348.

《现代制造业与设计》读书报告 篇3

关键词：约翰·罗斯金；现代制造业；装饰艺术

约翰·罗斯金（1819-1900）是英国维多利亚时代最伟大的艺术批评家之一，他的艺术思想对许多国家的现代实用艺术发展产生过不可估量的影响。罗斯金总是把艺术与社会紧密联系在一起，认为伟大的艺术离不开伟大的心灵，而培养伟大的心灵离不开健康的社会环境。他的实用艺术理论推动了几次重大文化和艺术思潮的发展。罗斯金对待装饰艺术的态度与阿道夫卢斯的截然不同，罗斯金肯定装饰艺术，在这篇讲演稿的第三段，罗斯金这样说道“装饰性艺术适用于某一固定的地方，在那里装饰性艺术或是从属于或是支配着其他艺术品的表现效果。”他认为世界上不存在任何最高级的艺术，只存在装饰性艺术。他以拉斐尔、米开朗琪罗、柯勒乔等艺术大师的作品为例，说明艺术大师的最优秀作品往往都是以装饰性质存在的。罗斯金断言，装饰性艺术绝不是一种堕落艺术，也绝不因为固定在某一个地方就是低等艺术，他认为艺术无低劣之分，有的只是艺术的和谐互补。

文章中罗斯金以荷兰风景画与贝诺佐创作的比萨公墓的绘画做了个比较。荷兰风景画大多是一些小构图的作品。画面地平线很低，天空极其开阔。大多表现一个角落或一个海湾，很少作全景式的作品。色调柔和，多为棕色和灰色的调子。贝诺佐是佛罗伦萨画家，擅长于绘画大幅巨型宗教题材的笔画。显然，荷兰风景画与贝诺佐创作的大型绘画相比不值一提。但是，罗斯金认为荷兰风景画的装饰性却不比贝诺佐的大型绘画低，罗斯金进而得出“所有的艺术都可以是装饰性的，并且迄今为止所创造出的最伟大的艺术也是装饰性艺术。”

罗斯金认为艺术最重要的是师承自然，他说“没有任何人会采用传统艺术来装饰房间，伟大的画家呈现在你眼前的总是自然艺术。装饰就是对自然形状的模仿。罗斯金鼓励学生从大自然中获得创作灵感，比如对静物、花朵、动物，更重要的是对人物的模仿。罗斯金说：“所有伟大的装饰艺术，不管是什么，都建立在工匠描绘人物时所付出的努力，而在最优秀的学派中，则表现为其成员对自己在周围活生生的自然的描绘上。”从罗斯金的语言中我们可以看出他所认为的好的艺术应该是以大自然为蓝本，建筑的装饰也应该建立在对大自然模仿的基础上。

其次，罗斯金认为在装饰艺术中，艺术家必须处理好材料、位置和功能三者的关系。罗斯金在《现代制造业与设计》的演讲中，提出了一些最基本的装饰原则。他认为，材料、位置和功能在装饰中都可能会受到一定的制约，需要艺术家做出恰当的处理。在处理材料方面，如果所使用的装饰材料具有局限性而无法达到理想状态，这就需要遵循传统的手法，即尽可能简化其美，但是不能错误地表现其美”。总而言之，当材料需要我们使用传统的方法时，一切试图避免使用传统方法的努力都会降低艺术品的档次，是艺术家对事实的漠不关心，只能制造出粗糙的艺术品来。在处理艺术品的位置时也会受到一些原则的限制：比如，建筑装饰中，艺术家要考虑到装饰离观众的距离、光线，以及对粗糙的或精细的装饰的选择，使其达到预错误的地点，任何完美的绘画和雕塑都不能被称作是建筑的装饰。”离观众相对较远的雕塑会做得粗糙些，相反，离观众近的艺术品必须使用精细的方法。罗斯金说：“装饰艺术与其他艺术之间的唯一真正的区别就是它们是否在合适的地方，以及与周围的主要的或者辅助的其他艺术是否协调。世界上所有最伟大的艺术都是因为它们有个合适的地点和目的。”也就是说，装饰艺术的可见性是艺术家要考虑的重要因素之一，即它在什么位置，离观众有多远距离。在建筑装饰中，最精致的装饰往往离观众最近，而在建筑上部，离观众较远的地方最适宜放置比较宏伟的装饰，但不必要精细。

罗斯金强调装饰的材料要简朴诚实。他在《建筑的七盏明灯》中对此有大段的论述。比如，他认为教堂的建造要简朴诚实，如果教堂中乱涂上斑驳的色彩，这不仅仅意味着品味差，而且，把虚荣和欺骗带入祈祷之所绝不是无足轻重的，或者是可以原谅的错误。因此，教堂的设备要简朴，不装腔作势，不虚假，不俗气。罗斯金不赞成在建筑装饰中大量使用现代材料，他说：“使用铁材的道理就如同饮酒一样，饮酒也许可以治病，但不能赖以为生。”所以他认为钢材在建筑中应该限制使用。他也不赞成对金属材料的过度使用，因为那样将不仅降低建筑的诚实，而且会削弱其尊贵。他说，如果钢材在建筑中取代了石头，起着防止碎裂的作用，承担着重量，或者凭借自身的重量起着平衡的作用，取代尖顶或扶壁而抵抗侧向推力，或者以杆或梁的形式被用来承担木梁的功能，那么那一刻这座建筑就不再是真正的建筑了。在建筑的装饰方面，罗斯金极力提倡诚实，反对装饰材料使用仿制品。他批评大英博物馆的“壮丽的花岗岩楼梯在平台处使用的竟然是仿制品。”这不免让人对其他部位的装饰材料也感到怀疑，连建筑师本人的诚实都受到怀疑。这种建筑装饰的“表面的欺骗一般可以定义为诱使旁观者相信实际并不存在的某种材料，如常见的在木材上进行绘画，使之与大理石相似，或者在装饰品上进行绘画使之产生凹凸感等等。”

罗斯金的艺术思想是他所处那个时代的特定产物，表达了那个时代艺术家对艺术走向的见解和判断艺术好坏的标准。理解了那个时代经济的发展及艺术的地位也就为我们理解罗斯金奠定了一个良好的基础。罗斯金所处时代的境况早已发生改变，在今天看来，当时社会的种种困境很多都失去了时效性。但是，只要我们换位思考，把罗斯金的理论放回当时他所处的那个时代背景下，我们就能够体会到罗斯金思想在当时的先锋性和超前性。

参考文献

[1] 约翰.罗斯金著翟洪霞，余艳译 芝麻与百合[M].外语教学与研究出版社，2010.1

怎样设计与改进实验报告书 篇4

一、设计与改进实验所应遵循的原则

设计、改进实验是有明确目的的，那就是更好地发挥实验在化学教学中的作用，不是为“改”而改，也不是标新立异。因而，设计、改进实验必须遵循如下的原则：

(一)以教学大纲为依据，紧密结合教材内容

教学大纲是指导教学的纲领性文件，它规定了教学内容的范围和深度，实验的改进或增补，应是严格遵循大纲的要求，不能“超纲”，也不能随意降低标准。教材是教和学的依据，教材的编排循序渐进、衔接紧密，形成了完整的科学知识体系。实验的编排是这一知识体系的重要组成部分。因此，实验的设计与改进，应首先明确该实验在教材中的作用。增补是否有价值，是否有助于化学概念的形成，化学原理的说明，增补与改进均应在不违背教学大纲的要求，不违背教材编排科学性的前提下进行。同时实验安排的时机也应有机地溶入教材的整体之中。

(二)遵循实验教学自身的科学性、系统性

优秀的教材在实验教学编排上也应自成体系，有其自身的规律。如对仪器的认识、使用是由简到繁、渐次增多;各种实验基本技能的训练由教师示范到学生逐步掌握应有计划的安排;又如对学生观察、分析能力的培养也是循序渐进的;组织学生结合教材自己设计实验习题更应在有一定知识及技能积累的条件下进行。因此，进行实验设计与改进，必须遵循实验教学自身的规律性，违背了学生的认识规律，就会适得其反。例如，对初中化学的增补与改进实验，宜装置简单、原理涉及单一，操作简便，随着学生接触的实验多了，化学知识更丰富了，再逐步提高实验的综合性和复杂程度。

(三)实验的设计与改进，要有利于全面提高学生的素质

前面已经论述过，实验的目的，不仅在于知识的传授和实验技能的训练，其重要作用还在于全面提高学生的素质。目前课本上的大部分实验虽都经过长期教学实践的检验是行之有效的，但多数是验证性实验。而探索性实验是从发展学生思维能力出发，将实验变成学生创造性学习的手段。在教师的指导下，通过学生亲自探索新知、亲自实验，去认识化学概念和规律，有利于对学生进行科学方法的初步训练。为此，教师要精心设计实验教学过程，尽量设法提高每个实验的智力价值，使整个教学过程充满启发性、思考性。例如在初中可设计一组探究性实验使学生形成分子的概念及认识分子的性质。

(四)实验的设计与改进应考虑教学法的因素

实验的设计与改进应符合教学法的需要，应有利于调动学生的学习兴趣和积极性。例如，新课的讲授往往以单独的实验为宜，复习课则可设计，增补综合系列实验，以实验为线索引导学生进行复习，如卤素性质综合实验等。并进实验课的设计应注意如何把演示实验简化，使之仪器简单，需时少，易成功，无危险。一般一节课只应安排2～3个实验。

(五)力求仪器装置简单、效果明显、直观性强

实验现象应使全班学生都能观察到，仪器装置简化的目的是为了突出重点，便于观察。当简单性与直观性发生矛盾时，应服从直观性的需要。

(六)提高实验的成功率，改进需时较长的实验

演示实验是为配合课堂教学内容进行的，时间过长会影响知识的讲授。为保证实验在预定的时间内顺利完成，教师应探究实验原理，寻找最佳反应条件，研究反应物的数量关系和形态，考虑影响实验的各种因素。提高实验成功率，使实验准确及时完成，是实验改进的重要课题。

(七)确保安全，防止污染

中学化学涉及一些易燃、易爆、腐蚀性强及有毒气体逸出的实验。在实验教学中确保学生的安全，防止中毒及污染也是实验设计与改进的重要课题。这可从改进仪器装置，增加防护措施，提高实验技巧等多方面加以研究。

二、实验设计与改进的思路与方法

(一)革新设计思想，巧妙构思

实验的设计与改进，本身是一项研究，是一种创造。不墨守陈规，是革新与创造的精髓。因此，成功的实验设计与改进，来源于立意的创新、构思的巧妙。这就要求教师在明确化学反应原理的基础上，有较广博的知识，要熟悉化学、物理学、生物学等学科的实验方法，要了解国内外化学实验设计与改进的动态。下面介绍的几个实验是近年来中学化学实验改革的成果，都很有新意。

1.一氧化氮气体简易发生器

由于一氧化氮气体极易与空气中的氧气化合而生成红棕色的二氧化氮气体，学生难以从实验现象上直观地得出稀硝酸与铜反应生成无色一氧化氮气体的结论。而改进的一氧化氮气体简易发生器(图16)，利用一氧化氮气体不溶于水的性质，用稀硝酸盛满整个试管而将空气排出，避免了生成的一氧化氮与空气中氧气接触的可能。并将一氧化氮的制备与性质实验融为一体，即可清楚地看出实验的主要产物：无色的一氧化氮气体和蓝色的硝酸铜溶液，打开橡皮管夹又可演示一氧化氮与氧气反应生成红棕色二氧化氮气体，同时避免了二氧化氮气体污染空气。这一实验改进，构思巧妙，装置简单，直观性强，具有新颖性。

2.一氧化碳还原氧化铜实验

用锥形瓶或集气瓶收集一瓶一氧化碳，将瓶口用胶塞塞紧。取粗铜丝打磨干净后绕成螺旋状并插入一个与瓶口合适的胶塞中。手持胶塞将铜丝加热，离开火焰后表面要确实看到生成黑色氧化铜，趁热插入瓶中，铜丝由黑色瞬间被还原成光亮的红色，可重复做2～5次，倒入石灰水，石灰水变混浊证明有二氧化碳生成。

这是对原教材中实验的改进，仪器装置简单，操作方便，效果明显，易于观察，且减少了一氧化碳的逸出。

3.吸氧腐蚀实验

本实验为增补课本实验空白而设计。可使学生直观形象地看到吸氧腐蚀有电流产生，是电化腐蚀，加强对吸氧腐蚀机理的认识。

实验装置如图17，将废钢锯条用砂纸打亮，从中间折断，溶液呈微酸性，pH值为6。

实验时，每从导管鼓入一次空气流，即可看到电流计指针发生一次明显的摆动。此实验装置简单，材料易得，操作方便省时，现象明显，并可连续使用。

4.焰色反应效果改进实验

碱金属元素的焰色反应实验，现行教材是用铂丝蘸取检测液在酒精灯上灼烧观察。由于铂丝蘸取溶液很少，焰色反应很快消失，学生不易看清，特别是用蓝色钴玻璃观察钾更困难。

若改用同时点多盏焰色反应灯，能长时间观察金属的焰色反应。可废物利用将青霉素药瓶制作成焰色反应灯。由于酒精灯用乙醇做燃料，而乙醇火焰带黄色，对焰色有严重干扰。将燃料由乙醇改为甲醇，在灯芯上撒放少许粉状检测物，再用深色竖板做背景衬底，点燃灯芯，可观察到鲜明的被测元素焰色反应。

用滴管往小瓶内加入甲醇溶液不超过2/3容积，放入灯芯即可使用。由于点灯法增大了火焰的可见度，用甲醇做燃料，大大降低了对焰色反应的严重干扰，即使观察钾的焰色也不必用钴玻璃。灯芯上添加检测物后，可以保持较长时间使用。小瓶上要贴有标签，并设置瓶盖(可用眼药瓶底部)。

(二)采用其它学科的实验仪器和方法

当代科学技术的发展，使得新知识，新技术不断涌现，各学科之间相互渗透，相互促进成为科技进步的明显特征之一。化学实验也不再是传统的自我封闭的体系。一些其它学科仪器和电子元器件已成为广泛通用和普及的了。根据化学实验设计与改进的原则和方向，引入一些新的仪器或电子元器件，对革新实验往往会收到事半功倍的效果。下面的一些实例，也出自各地教师的研究成果。

1.化学实验中发光二极管、三极管、音乐集成块、压电陶瓷发声器等的应用

半导体发光二极管是一种将电能转化为光能的电子器件，具有耗电省及灵敏度高的特点，利用若干发光二极管和小功率晶体管可制作简单的直流放大电路。利用输入电压的变化，经放大后，能使不同数的发光二极管依次发光。用此装置可证明不同溶液导电能力的差异。由于不同溶液导电能力不同，输入电压也将发生相应变化，此时发光二极管发光的个数也不同，直观形象地说明了溶液导电能力的差异。

“水的电离度受温度影响实验”，“金属活泼性实验”，“氢氧化钡溶液和稀硫酸溶液的中和反应”等实验均可运用上述装置。目前，各地推荐的实验改进、教具改革成果中，很多项目使用发光二极管、三极管等电子器件。这不仅使实验现象直观、鲜明，也开拓了学生的思路。

2.利用投影器做化学投影实验

在简单装置中进行的化学实验一般都可以利用投影器投影。实验现象被投影放大后，使一些只有细微变化的现象，变得易于观察，使远离演示台的学生也能看清。由于投影实验只需在较小的器皿内进行，还可以节约药品。实验投影的方式分为竖直投影和水平投影两种。竖直投影时，银幕上得到的影像是侧视实验的效果;而水平投影时，银幕上得到的影象是俯视实验时的效果，教师可根据所做实验在观察上的要求来设计投影的方式。水平投影一般在结晶皿内进行，如金属钠与水反应、电解铜等实验均能得到较好的效果。竖直投影实验，一般在扁平投影反应槽内进行，可用于金属活动性比较、原电池、胶体电泳等实验。

(三)从探索最佳反应条件上改进实验

实验的研究与改进，一种是新的构思、新的设计，另一种则是对原教材中那些反应条件不易掌握，反应时间较长，效果不明显的实验加以改进，使之更适合教学需要。这还包括原教材中的实验设计无可挑剔，但结合本校具体条件做起来不尽理想的。在不改变原设计构思的情况下，研究的方向主要是探索最佳的反应条件，因为化学反应的发生与进行是受到多种因素制约的，首先是决定于反应物的组成、结构、性质与相互间的作用，其次还要受到外界多种因素与实验程序的影响。因此，化学反应条件的研究与控制是实验成败的关键之一。影响化学反应的速度与程度和实验现象的鲜明与准确的客观因素是众多的。常见的客观条件有反应物的浓度、用量的配比、纯度、温度，反应物间的接触面积，反应体系的.压强、温度、光照及溶剂，反应介质的pH值，实验的程序，电化学反应所需要的电流强度与电压等等。这方面的研究与探索对提高实验教学质量具有十分现实的意义。

1.木炭还原氧化铜实验反应条件的研究

为得到光泽性好的块状金属铜是改进本实验的目的，关键在于研究最佳反应条件。

首先要解决的是木炭和氧化铜的用量比，理论上，木炭与氧化铜的质量比是1∶13.3。但若按此量，木炭的用量实际上会不足，因为试管中的空气会消耗一定量木炭。因而木炭用量要比理论值偏高，实验证明，木炭与氧化铜质量比以1∶10至1∶12为宜。反应物的总量也会影响实验效果，太多、太少均不好，如用15×150mm的试管以1.6克为宜。反应物颗粒要细，混合均匀，适度压实，使颗粒间紧密接触，目的是增大反应物的接触面。另一课题是研究反应温度及灯具，由于本实验是固相反应，要求使用高温灯加热，最宜控制掌握的是使用加铁纱网罩的大火酒精灯，还要考虑此反应是放热反应，当反应物开始发红，猛烈燃烧时应及时撤走酒精灯，便于观察反应继续进行直至反应完全。

2.利用正交试验设计法研究反应最佳条件

当原实验给定的条件不详，效果较差又无文献可查时，应利用正交试验设计法进行研究。正交试验设计法，简称正交法，它利用正交表来安排试验。对那些受诸因素影响的实验，要想获得最佳反应条件，如果盲目试验，不仅增加试验次数，延长周期，造成人力物力的浪费，有时还会因试验次数多得惊人以致无法进行。使用正交法能从众多的不同条件搭配中，选出少量的最具“代表性”的试验，并能对影响试验结果的各个因素的重要程度给予定量的估计。正交法是一种科学方法，一项科学试验要想达到预期的目的，除了正确的指导思想外，采用科学方法也是试验成败的关键。

(四)采用代用品，自己动手设计制作简单的专用仪器

由于学校条件，实验室设备及经费的限制，使部分学校不能按质按量完成教材规定的实验教学内容。为解决这一问题，因地制宜采用代用品，自己动手设计制作简单的仪器，是一项大有作为的研究课题。现举几例说明。

1.用红磷做“自燃”实验

白磷剧毒，易燃，一般中学不具备保存条件。但若将一般实验室中易得到的红磷转化成白磷做自燃实验，不但补足了教材中应做的实验，还扩展了学生的知识面。

取红磷2克装入大试管中，把10厘米长的滤纸条卷成螺旋状装入试管中，配上有直角导管的胶塞，并将导管插入盛有水的试管中。加热红磷，红磷升华为磷蒸气，被滤纸吸附。停止加热，换上无孔胶塞(此时红磷已转化为白磷)，待用。实验时，用镊子夹出纸条，白磷遇空气即燃。

2.为引出催化剂概念而设计的实验装置

原教材中为引出催化剂概念而设计了三个实验，很费时间。现在用一个自制的简单仪器，可使三个实验用一个连续的实验代替。

仪器如图18。A为自制弯曲试管，B为氯酸钾，C为二氧化锰。实验时，首先加热二氧化锰，检验无氧气放出。再加热氯酸钾至熔化，有氧气放出。移开火焰，使试管直立，二氧化锰落入加热的氯酸钾中，检验有氧气迅速放出。此实验由于简洁，有利于概念的引出，已被选入北京市的新编教材中。

3.二氧化碳比空气重的实验

用托盘天平称量实验备用的烧杯的质量后，把集气瓶中的二氧化碳慢慢地向烧杯里倾倒，让学生观看天平指针发生偏移。这一实验由于种种原因往往不易成功。分析原因，有时是由于实验室的天平被腐蚀而不够灵敏所致;称量与感量不匹配等。如用250毫升烧杯称量二氧化碳和空气，其质量差是0.1705克，如果用感量0.2克的天平则指示不出明显变化，所以应当用再大一些的容器。再有集气瓶的体积也应与烧杯的体积相匹配，集气瓶的体积应等于或大于烧杯的体积，容器是否干燥也很重要。为了提高演示成功率，可改成一种自制天平。将悬有两个纸袋的杠杆支架起来并保持平衡，将其悬挂在铁架台上。用大烧杯收集满二氧化碳，然后将二氧化碳慢慢倾注到一端的纸袋里。杠杆失去平衡时，再向另一端的纸袋里倒入二氧化碳，杠杆又恢复平衡。本着就地取材，因陋就简的精神，可制作多种实用的仪器。如用废牛皮纸信封做成漏斗，再涂以蜡或树脂涂料实用且不易摔碎。用易拉罐，有机玻璃、泡沫板，聚光电珠等制作高亮度丁达尔现象实验器，实验现象十分明显;用135胶卷暗盒制作的酒精灯增温护焰罩，能使酒精充分燃烧，焰高是原来的1.5～2倍，处于半气化状态，加罩的酒精灯适用于木炭还原氧化铜、甲烷制取、焰色反应等高温实验。其它一些代用品或废弃物如输液管、塑料瓶等均可派上用场。

4.液封除毒气化学仪器的自制

在中学化学课本的演示实验中，有一些实验会产生污染物，对师生健康有害。如二氧化硫、氯气等，可在现有仪器的条件下加工制成具有防毒气逸出的装置，使实验更加安全，也有利于对学生进行环境保护的教育。图19中的液封集气瓶，可进行多种有害气体性质实验。

实验设计与分析读书报告 篇5

一、实验目的： 对多媒体教学软件进行图文演示设计，综合运用图形图像、影音处理软件及Flash CS4对多媒体教学软件的学习内容进行演示的设计与制作。

二、实验器材：多媒体计算机

三、学时分配： 8

四、实验地点：A301

五、实验内容： 实验主题：配乐诗朗诵 步骤：

1、建立课件场景

启动flash界面，选择新建flash文档，设置文档大小为500*400，背景色为“青色”，帧频为24fps

2、制作卷轴素材

（1）选择主菜单“文件”/“导入”/“导入到库”，从外部文件中导入准备好的画轴和画卷的图片素材。

（2）从“库”中拖入画卷图片，用“任意变形”工具调整其大小，放置在画幅中，形成画卷条幅效果，如图1所示

图1

图2

3、创建向一侧展开的卷轴动画

（1）回到场景，修改图层1为“画卷”层。在“库”中把画卷元件拖入到场景中心，用任意变形工具调整其大小，并在第800帧插入帧。

（2）在“画卷”层左方新增一图层“左画轴”层。在“库”中把“画轴”元件拖入场景作为左画轴，放置在画卷左边缘，并在“任意变形”工具调整其大小适合画卷。（3）在“左画轴”层上方新增一图层“右画轴”层。同（2）方法制作“右画轴”，放置在紧贴左画轴右边位置，如图2所示。

（4）在“左画轴”层上第800帧插入帧，在“右画轴”层上第50帧插入关键帧，按住Shift键用鼠标把右画轴移动到画卷右侧边缘并与画卷对齐。选择“画轴”层上1-50帧序列中的任意帧，右击鼠标，在弹出的快捷菜单中选择“创建传统补间”命令，为右画轴建立向右移动的补间动画，形成画轴展开，其效果如图3所示。

图3 图4（5）在“画卷”层上方新增一图层“遮罩”层。在该层选用工具箱中“矩形”工具，在“属性”对话框上设置笔触颜色为“无色”，填充颜色为任意一种颜色。在场景中用鼠标拖出与画卷一样大小的矩形，覆盖画卷，作为画卷的遮罩。（6）选择“遮罩”层第1帧，运用工具箱中的“任意变形”工具把矩形遮罩图形缩至左画轴下。选择该层第50帧，运用工具箱中的“任意变形”工具把矩形遮罩图形横向扩大到下画轴下，形成从左到右的遮罩扩大式变形。在此层1-50帧序列应用“创建补间形状”，使遮罩矩形建立变形动画。

（7）选择“遮罩”层，右击鼠标，在弹出的快捷键菜单中选择“遮罩层”命令，使矩形变成画卷的遮罩，实现遮罩层动画。由此打开画卷动画生成，画卷将同画轴移动而展开，其最终效果如图4所示。

4、添加按钮控制播放

在场景1时间轴上新建图层，命名为按钮，从主菜单“窗口-公共库”中选择合适的按钮，直接拖入场景，调整其大小，放在合适位置，如图5。

图5 图6

5、声音的加载（1）在主菜单中选择“文件”/“导入”/“导入到库”命令，打开“导入到库”对话框，在此对话框浏览选择需要导入的声音素材，单击“打开”按钮即可将声音素材导入当前Flash文档的“库”中。

（2）在场景的时间轴上新建一图层并命名为“音乐层”，选择该层为当前层。在第50帧插入关键帧

（3）打开“库”对话框，选择需加载的声音文件，直接拖入舞台中，实现声音素材的场景加载。

6、文本的加载

（1）新建图层，并重命名“字幕”，根据音乐，在第51帧，输入文本“如梦令 李清照”，第110帧处插入关键帧，在第51帧和第110帧之间创建传统补间，第111帧插入空白关键帧，第168帧处插入帧。

（2）新建图层，命名为“遮罩2”，在“画卷”层上方新增一图层“遮罩2”层。在该层选用工具箱中“矩形”工具，在“属性”对话框上设置笔触颜色为“无色”，填充颜色为任意一种颜色。在场景中用鼠标拖出与画卷一样大小的矩形，覆盖画卷，作为画卷的遮罩。

（3）选择“遮罩2”层第51帧，运用工具箱中的“任意变形”工具把矩形遮罩图形缩至文本旁。选择该层第110帧，运用工具箱中的“任意变形”工具把矩形遮罩图形横向扩大到完全遮住文本，形成从左到右的遮罩扩大式变形。在此层51-110帧序列应用“创建补间形状”，使遮罩矩形建立变形动画。（4）根据声音起始位置，采用同样方法完成后面所有文本内容的操作。

（5）选择“遮罩2”层，右击鼠标，在弹出的快捷键菜单中选择“遮罩层”命令，使矩形变成画卷的遮罩，实现遮罩层动画。由此打开画卷动画生成，画卷将同画轴移动而展开，其最终效果如图6所示。

7、测试影片并保存文件

（1）按Ctrl+Enter组合键测试影片动画（2）执行“文件|保存”命令保存作品

实验小结

在这次实验中，我不仅熟悉了图文创建环境，还学习到如何进行图形绘制与编辑，文本的创建与编辑，以及声音素材的添加。在具体的实验操作过程中，我也更好地理解了Flash中显示图标的设置意义。陆游说“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”看似简单的操作，当我真正做起来的时候，才发现需要注意的细节很多，稍有不慎就会出现错误。所以，这次的实验使我获益匪浅。

实验二 多媒体教学软件的交互功能设计

一、实验目的：对多媒体教学软件进行交互功能设计，主要运用Flash CS4平台和AS编程对多媒体教学软件的交互功能进行设计与开发。

二、实验器材：多媒体计算机

三、学时分配： 8

四、实验地点：A301

五、实验内容： 实验主题：心理测试 步骤：

1、创建新文档

启动flash界面，选择新建flash文档，设置文档大小为1024*768，背景色为“白色”，帧频为24fps

2、制作软件背景画面

将所找的位图素材导入到库，并拖放到“背景”图层，调整好大小，效果如图1

图1 图2

3、制作题目静态内容画面。

1）新建两个图层，并命名为“题目”和“脚本”。

2）单击“背景”图层，将该图层锁定，避免在以后的操作中移动该图层的内容。3）在“题目”图层的第1帧，单击“文本”工具按钮，编辑文本，效果如图2。

4、制作选择题选项按钮。1)选择“窗口|组件”命令，打开“组件”窗口，双击User Interface组件类，找出RadioButton，如图3所示，并分别拖放3个RadioButton按钮到舞台，分别对应A、B、C文字位置，并将其对齐，最终效果如图4

图3 图4 2)选择其中一个RadioButton组件，选择右边面板的“属性”选项卡，激活“组件检查器”面板，选择“参数”选项卡，将文本“A„„”对应的RadioButton组件的groupName属性设置为answer，删除label参数的值，同样对B、C选项做相同操作

5、制作选择后的反馈显示

单击“文本”图层，选择工具栏中的文本工具，设置属性为“动态文本”，将该文本的实例名称命名为“answer”，并对该文本框的字体设置相应的格式，效果如图5

图5 图6

6、利用ActionScript脚本语言设置问题选项点击动作行为

1）选择“脚本”图层的第一帧，并选择“窗口|动作”命令 2）在“动作-帧”面板中输入脚本代码，实现点击动作，如图6

7、添加背景音乐

将素材导入到库，直接拖入场景，在音乐结束位置，插入帧，其他图层也相应插入帧，如图7

图7 图8

8、测试影片并保存文件

（1）按Ctrl+Enter组合键测试影片动画，效果如图8（2）执行“文件|保存”命令保存作品

实验小结

这次实验是一次非常有趣的实验，我们通过搜索心理测试题，来做一个有交互性功能的Flash。该实验除了要求我们对图文创建和音乐背景添加的有一个更深入的学习，更重要的是对ActionScript脚本语言的学习。没有脚本语言的flash不能算一个真正的flash，而脚本语言的学习又有一定复杂性，所以我们应该花更多时间来学习脚本语言，真正学好Flash。

实验设计与分析读书报告 篇6

实验课成绩

学 学 生 实 验 报 告 书

实验课程名称 数据分析与建模 开 开 课 学 院 管理学院 指导教师姓名 鄢 丹 学 学 生 姓 名

学生专业班级 信管

班

2018 —2019 学年

第1

学期实验报告填写说明

1． 综合性、设计性实验必须填写实验报告，验证、演示性实验可不写实验报告。

2． 实验报告书 必须按统一格式制作（实验中心网站有下载）。

3． 老师在指导学生实验时，必须按实验大纲的要求，逐项完成各项实验；实验报告书中的实验课程名称和实验项目 必须 须与实验指导书一致。

4． 每项实验依据其实验内容的多少，可安排在一个或多个时间段内完成，但每项实验只须填写一份实验报告。

5． 每份实验报告教师都应该有签名、评分表及实验报告成绩。

6． 教师应及时评阅学生的实验报告并给出各实验项目成绩，完整保存实验报告。在完成所有实验项目后，教师应按学生姓名将批改好的各实验项目实验报告装订成册，构成该实验课程总报告，按班级交到实验中心，每个班级实验报告袋中附带一份实验指导书及班级实验课程成绩表。

7． 实验报告封面信息需填写完整，并给出实验环节的成绩，实验环节成绩按其类型采取百分制或优、良、中、及格和不及格五级评定（与课程总成绩一致），并记入课程总成绩中。

实验课程名称：_ 数据分析与建模__

实验项目名称 实验一

简单的数据建模 实验 成绩

实 实 验 者

专业班级

组 组

别 无 无 同 同 组 者 无 无 实验日期 2018 年 年 9 月 月 26 日 第一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）

一、实验目的、意义 本实验旨在通过资料查阅和上机实验，使学生加深了解数据分析与建模的理论与方法，掌握典型的数据模型的建立与使用。

二、实验基本原理与方法 数据分析的理论，最优化模型的建模方法。

应用 Excel 的方法。

三、实验内容及要求 1、应用 Excel 建模分析 某学院有 3 个系，共有学生 200 人，A 系 103 人，B 系 63 人，C 系 34 人。现在成立一个由 21 名学生组成的学生会，该如何公平地分配席位？ 实验任务：用 利用 Q 值法分配席位，并且在 Excel 中进行 Q 值计算。

（提示：参考讲义中的计算过程。）、单变量最优化 一个汽车制造商售出一辆某品牌的汽车可获利 1500 美元，估计每 100 美元的折扣可以使销售额提高 15%。

（1）多大的折扣可以使利润最高？利用五步方法及单变量最优化模型。

（2）对你所得的结果，求关于所做的 15%假设的灵敏性。分别考虑折扣量和相应收益。

（3）假设实际每 100 美元的折扣仅可以使销售额提高 10%，对结果会有什么影响？如果每 100 美元折扣的提高量为 10%~15%之间的某个值，结果又如何？（4）什么情况下折扣会导致利润降低？

实验任务：请将上述求解过程，除了用导数求解外，再用 用 Excel 建模求解之。

（提示：考虑 Excel 的数据，图形，公式三者的关系；Excel。的函数。参考教材第一章。））

四、实验方案或技术路线（只针对综合型和设计型实验）

按照实验任务要求，理论结合实际的实验方案，巩固课程内容，温故知新，查遗补漏，夯实理论基础，提升实验动手能力。

技术路线是，从整体规划，分步骤实施，实验全面总结。

第二部分：实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）、应用 Excel 建模分析 1.分配方案：

第一步：对每个单位各分配一席； 第二步：当分配下一席位时，计算在当前席位份额下各单位的 Q 值，并比较相应 Q 值的大小，将下一席位分配给当前 Q 值最大的一方； Q 值计算公式为：

（其中，Qi 表示单位 i 的 Q 值，Pi 表示单位 i 的人数，Ni 表示单位 i 的当前席位数）

第三步：重复执行第二步，直至席位分配完为止。

2.实验步骤：本实验的实验工具为 Excel（1）首先，打开 Excel 新建一个表格，并做好前期的基本数据输入工作，表格内容包括三部分：

a.已知的每个系的人数和所求的每个系最终分得席位数； b.在不同的已分配席位数的情况下，三个系 Q 值的取值； c.席位分配过程：给席位编号，标注出每个席位的分配结果； 完成后结果如下图所示：

（2）然后，对每个系均分一个席位后，开始对第 4 个席位进行分配。此时各系已分配席位数均为 1，计算此时各系的 Q 值并比较大小：

a.计算 A 系的 Q 值，公式如图所示：

b.计算 B 系的 Q 值，公式如图所示：

c.计算 C 系的 Q 值：

Q 值大者得席位，所以第 4 个席位分配给 A 系。

（3）然后对第 5 个席位进行分配，由于只有 A 系的已分配席位数变为 2，所以此时只需计算 A 系的 Q 值，再比较各系 Q 值大小即可。A 系 Q 值的计算公式只需将原来的 A6 都换成 A7即可，如下图所示：

Q 值大者得席位，所以第 5 个席位分配给 B 系。

（4）然后对第 6 个席位进行分配，由于只有 B 系的已分配席位数变为 2，所以此时只需计算 B 系的 Q 值，再比较各系 Q 值大小即可。B 系 Q 值的计算公式只需将原来的 A6 都换成 A7即可，如下图所示：

Q 值大者得席位，所以第 6 个席位分配给 A 系。

（5）采用类似上述的方法（当已分配席位数加 1 时，Q 值的计算公式中 A 后面的数字也加 1 即可）依次对后面的席位进行分配，直到第 21 个席位分配完毕。

最终 A 系分得席位 11 个，B 系分得席位 6 个，C 系分得席位 4 个。最终分配结果及分配具体分配过程如下图：

6、单变量最优化（（1）多大的折扣可以使利润最高？利用五 步方法及单变量最优化模型。

1.提出问题 【全部的变量包括】

一辆某品牌汽车的成本 C（美元）

一辆某品牌的汽车的折扣金额 100x（美元）

没有折扣时一辆某品牌汽车的售价 P（美元）

有折扣时一辆某品牌汽车的售价 p（美元）

没有折扣时的销量 Q（辆）

有折扣时的销量 q（辆）

没有折扣时的销售额 R（美元）

有折扣时的销售额 r（美元）

有折扣后的利润 L（美元）

【关于上述变量所做的假设】

P – C = 1500 p = P – 100x q = Q *(1 + 0.15x)L = q *(p – C)x >= 0 【目标】求 L 的最大值 2.选择建模方法 本题为单变量优化问题，则建模方法为：设 y = f(x)在 x >= 0 的区间范围内是可微的，若 f(x)在 x 处达到极大或极小, 则 f ΄(x)= 0。

3.推导数学表达式 L = q *(p – C)= Q *(1 + 0.15x)*(p – C)= Q *(1 + 0.15x)*(1500-100x)

= Q *(-15 x^2 + 125x + 1500)记 y = L 作为求最大值的目标变量，x 作为自变量，原问题就化为在集合 S={ x : x ≥0}上求以下函数的最大值：

y = f(x)= Q *(-15 x^2 + 125x + 1500)（Q 为非负常量）

4.求解模型 在本题中，即对 y = f(x)= Q *(-15 x^2 + 125x + 1500)在区间 x >= 0 上求最大值，Q 为非负常量。当 f ΄(x)= Q *(-30x + 125)= 0 时，解得 x ≈ 4.17 故 y = f(x)= Q *(-15 x^2 + 125x + 1500)在 x = 4.17 时取得最大值。

5.回答问题 答：417 美元折扣可以使利润最高。

【 【Excel 建模求解】

1.打开 Excel 新建一个表格，分别列出 X 栏和 Y 栏。X 栏依次写入 0，1，2，3 „„ 等等，Y 栏第一项，根据公式，将 x 以 A2 替代，写入公式“=-15*A2*A2+125*A2+1500”（此处假设 Q = 1），其余的 Y 栏数据，采用拖曳复制的方式复制粘贴公式。当 X 栏有值时，Y 栏就有对应的值。

2.选中 X 栏和 Y 栏的数据，点击菜单栏的【插入】然后插入【散点图】，得到如下图表：

由表和图可知，当 x 在 4 附近时，y 取得最大值。将 x 的取值区间缩小到[3.5 , 4.5] , 再绘出一次散点图，如下：

由上述表和图可知，当 x = 4.2 时，y 取得最大值。

回答问题：大约 420 美元折扣可以使利润最高。

（（2）对你所得的结果，求关于所做的 15% 假设的灵敏性。分别考虑折扣量和相应收益。

设销售额提高百分比为 r 1.折扣量 100x 关于销售额提高百分比 r 的灵敏性（故考虑 x 关于 r 的灵敏性即可）

a.粗分析 前面已假定 r =15%，现在假设 r 的实际值是不同的，对几个不同的 r 值，重复前面的求解过程,可以得到对问题的解 x 关于 r 的敏感程度的一些数据。

即给定 r，对 y = f(x)=(1 + r x)*(1500-100x)（此处假设 Q = 1）求导，得到 f“(x)=-200rx + 1500r-100，令 f”(x)= 0,可得相应 x =(15r-1)/2r , 故折扣量 100x = 50(15r-1)/r ,采用

类似第（1）问的 Excel 建模方法，绘出折扣量 100x 关于销售额提高百分比 r 的散点图。

由上述图表可看到折扣量 100x 对参数 r 是很敏感的。即如果给定不同的销售额提高百分比r，则折扣量 100x 将会有明显变化。因此，r 的取值要合适、合理，所做的分析才有意义。

b.折扣量 100x 对销售额提高百分比 r 灵敏性的系统分析 前面已计算出，使 f“(x)=0 的点为 x =(15r-1)/2r，若要 x≥0,只要 r >= 0.067 , 最佳折扣量100x可由x =(15r-1)/2r即100x = 50(15r-1)/r给出,对 r < 0.067 ,在[0,+∞)上都有f”(x)<0,最佳折扣量为 x=0。下图给出了 r =0.05 的情况（此处假设 Q = 1）：

c.折扣量 100x 对 r 的灵敏性的相对改变量：

由 x =(15r-1)/2r 可得在点 r=0.15 处，dx/dr = 1/(2 r^2)

S(100x , r)= S(x , r)=(dx/dr)*(r/x)= 1/(2rx)= 0.8

即若销售额提高百分比 r 增加 1%，则导致折扣量 100x 增加 0.8%

2.收益（即利润）L 关于销售额提高百分比 r 的灵敏性 a.粗分析 L = q *(p – C)= Q *(1 + rx)*(p – C)= Q *(1 + rx)*(1500-100x)

不妨设 Q = 1，由前面分析可得，折扣量 100x 对销售额提高百分比 r 是很敏感的，且此处分析的利润应该是给定 r 的情况下的最大利润，故将 x =(15r-1)/2r 代入式子 L =(1 + rx)*(1500-100x)得 L = 25(15r+1)^2 / r= 25(225r + 1/r + 30)。

采用类似前面的 Excel 建模方法，绘出利润 L 关于销售额提高百分比 r 的散点图。

由上述图表可看到利润 L 对参数 r 是很敏感的。即如果给定不同的销售额提高百分比 r，则利润 L 将会有明显变化。因此，r 的取值要合适、合理，所做的分析才有意义。

b.利润 L 对销售额提高百分比 r 灵敏性的系统分析 对 L 求导可得 L“(r)= 25(225 – 1/r^2)，使 L”(r)=0 的点为 r = 1/15≈0.067，当 r < 0.067 时，L 随着 r 的增大而减小；当 r >= 0.067 时，L 随着 r 的增大而增大，r=0.067 是极小值点。

c.利润 L 对 r 的灵敏性的相对改变量：

由 L = 25(225r + 1/r + 30)可得在点 r=0.15 处，dL/dr = 25(225 – 1/r^2)≈ 4513.89 S(L , r)=(dL/dr)*(r/L)=(225r – 1/r)/(225r + 1/r + 30)≈ 0.385 即若销售额提高百分比 r 增加 1%，则导致利润 L 增加 0.385%

（（3）假设实际每 100 美元的折扣仅可以使销售额提高 10%，对结果会有什么影响？如果每 100为 美元折扣的提高量为 10%~15% 之间的某个值，结果又如何？ 假设实际每 100 美元的折扣仅可以使销售额提高 10%，当 r = 0.1 时，折扣量 100x = 50(15r-1)/r = 250，利润 L= Q *(1 + 0.1x)*(1500-100x)= 1562.5Q(Q 为常量)答：会使折扣量变为 250 美元，利润变为 1562.5Q(Q 为没有折扣时的销量)如果每 100 美元折扣的提高量为 10%~15%之间的某个值，折扣量 100x 的变化曲线如下图所示：

100x = 50(15r-1)/r

利润 L（假设 Q = 1，仅考虑变化趋势）的变化曲线如下图所示：L = 25(225r + 1/r + 30)

（（4）什么情况下折扣 会导致利润降低？ 利润 L = y = f(x)= Q *(-15 x^2 + 125x + 1500)利润 L（假设 Q = 1）随 x 变化的变化曲线如下图所示：

由第（1）问所求可得，极大值点为 x = 4.17（折扣量 100x = 417 美元），当折扣量 100x <= 417 美元时，随着折扣量的增加，利润增加； 当折扣量 100x > 417 美元时，随着折扣量的增加，利润降低。

由上图还可知，当 x 取[8 , 8.5]区间上的某个值时，利润恰好等于 1500 美元。所以对 x 的取值再进行细分，绘出散点图如下：

由图可知，当 x > 8.33 时，即当折扣量> 833 美元时，此时利润小于没有折扣时的利润。

第三部分

结果与讨论（可加页）

一、

实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）、应用 Excel 建模分析（1）问题 1：已分配席位数和席位号服从等差数列，重复输入浪费时间。

解决方法：使用 Excel 的自动填充功能 以已分配席位数的输入为例，具体操作如下：

a.在准备填充的第一个单元格输入原本应输入的值，此处输入 1，然后保持鼠标停留在该单元格； b.然后在菜单栏找到【开始】，点开后找到【填充】并点击；

c.点击【填充】后选择【序列】，然后进行参数设置。此处应选择【列】和【等差数列】，【步长值】输入等差数列公差值，【终止值】为等差数列最后一个数的值。操作如下图：

d.使用自动填充之后可以得到结果如下：

（2）问题 2：本实验的实验任务是利用 Q 值法分配席位，并且在 Excel 中进行 Q 值计算。

我认为如果在 Excel 中仅仅只进行 Q 值计算，是无法准确地确定 Q 值计算次数的终止点，容易产生一些不必要的计算。

解决方法：

我将表格的内容分为三部分：

a.已知的每个系的人数和所求的每个系最终分得席位数；（有助于更直观地了解已知条件和最终结论；同时 Q 值计算公式中我使用了 B2、C2、D2 单元格，如果三个系的人数发生变化，则只需要修改此处的数据即可，不必修改公式）

b.在不同的已分配席位数的情况下，三个系 Q 值的取值； c.席位分配过程：给席位编号，标注出每个席位的分配结果；（有助于更直观地了解 Q 值法分配的原理；便于最后计算各系的最终分得席位数）

此种分法便于确定 Q 值计算次数的终止点。具体方法是：

每进行一次 Q 值计算，则分配一次席位，分配结果直接写在表格中相应位置，更加直观。当所有席位分配完毕，则是 Q 值计算的终止点，此时在表格中回顾席位分配过程并计数即可得到各系最终分得的席位数。

13、单变量最优化（1）问题 1：绘制散点图之前，要先在表格中输入自变量的值，该数据服从等差数列。

解决方法：使用 Excel 的自动填充功能 具体操作：类似【用 应用 Excel 建模分析】中的问题 1 的操作步骤。

（2）问题 2：绘制散点图之前因变量的计算公式处理方法 解决方法：使用拖曳复制再粘贴的方法。

以第（1）问的第一个散点图为例，具体操作如下：

a.打开 Excel 新建一个表格，分别列出 X 栏和 Y 栏。

b.X 栏采用 Excel 的自动填充功能，依次写入 0，1，2，3 „„ 等等，Y 栏第一项，根据公式，将 x 以 A2 替代，手写输入公式“=-15*A2*A2+125*A2+1500”（此处假设 Q = 1），c.其余的 Y 栏数据，采用拖曳复制的方式复制粘贴公式。首先选中 Y 栏第一项，点击鼠标右键，点击【复制】；然后选中待填入数据的所有 Y 栏单元格，点击鼠标右键，点击【粘贴选项】中的【公式】；则当 X 栏有值时，Y 栏就有对应的值。

d.绘散点图：全部选中 X 栏和 Y 栏的数据，点击菜单栏的【插入】然后插入【散点图】，得到如下图表：

（3）问题 3：使用 Excel 求函数极值点的方法

解决方法：除了用公式法和导数求解之外，使用 Excel 采用多次绘散点图的方法也可求出函数极值点。

以第（1）问为例，具体操作如下：

采用前面的问题（2）中的方法，得到第一个散点图如下：

由表和图可知，当 x 在 4 附近时，y 取得最大值。

故将 x 的取值区间缩小到[3.5 , 4.5] , 再绘出一次散点图，如下：

由上述表和图可知，当 x ≈ 4.2 时，y 取得最大值。而导数计算结果为 x≈4.17，可知绘散点图求函数极值点是可行的。

如果想得到更精确的结果，可以将 x 的取值区间继续缩小，每个值之间的差也不断缩小，直至更加接近于真正的极值点。

二、

小结、建议及体会 此次实验涉及到的知识点包括数据分析的理论、最优化模型的建模方法、应用 Excel 的方法等，我按照实验任务的要求，查阅相关资料，制定出理论结合实际的实验方案，采用“从整体规划，分步骤实施，实验全面总结”的技术路线完成了实验。

此次试验，巩固了我在课堂所学的内容，加深了我对数据分析与建模的理论与方法的了解，帮助我基本掌握了典型的数据模型的建立与使用，提升了我的实验动手能力。

此次实验我主要面临的问题是如何使用 Excel 建模。由于先前对 Excel 的了解甚少，所以此次实验的困难可能会稍大一点，不过，我也因此学到了 Excel 的许多使用技巧，包括自动填充、拖曳复制粘贴公式等，使我受益匪浅。

同时，我还学习了利用表格中的数据绘制散点图，以此类推，也掌握了其他图形的绘制方法。这使得我对于以后其他情况下的数据分析处理多了一种分析方法。我感觉数据分析与建模真的是一门很有用的课，建模帮助我们将现实问题转化为数学问题，再进而求解，更加方便。而模型的求解过程帮助我们掌握了一些建模分析的软件，这将会成为我们人生的一笔财富，成为我们日后需要进行数据分析时的助力。

建议：我觉得关于 Excel 建模方面的知识还是有点少，课件里的内容不是很便于学习。如果可以的话，希望老师可以提供一份较为系统的利用 Excel 建模的过程的资料（步骤叙述明确，带有截图和提示）。不过，该课程后期并不会继续使用 Excel 建模，所以此建议请老师斟酌时间和精力再考虑，或者选择熟悉 Excel 建模过程的同学帮助老师制作此资料，供其他不擅长的同学学习。

第四部分

评分标准（教师可自行设计）及成绩

观测点 考核目标 权重 得分 实验预习1． 预习报告 2． 提问 3． 对于设计型实验，着重考查设计方案的科学性、可行性和创新性 对实验目的和基本原理的认识程度，对实验方案的设计能力 20%

实验过程 1． 是否按时参加实验 2． 对实验过程的熟悉程度 3． 对基本操作的规范程度 4． 对突发事件的应急处理能力 5． 实验原始记录的完整程度 6． 同学之间的团结协作精神 着重考查学生的实验态度、基本操作技能；严谨的治学态度、团结协作精神 30%

结果分析 1． 所分析结果是否用原始记录数据 2． 计算结果是否正确 3． 实验结果分析是否合理 4． 对于综合实验，各项内容之间是否有分析、比较与判断等 考查学生对实验数据处理和现象分析的能力；对专业知识的综合应用能力；事实求实的精神 50%

该项实验报告最终得分

网络实验床存储架构分析与设计 篇7

网络实验床为网络实验提供虚拟的基础设施,模拟真实网络环境。在欧美已经开发一些网络实验床系统,如Emulab和Netbed、DE-TER、Model Net、GENI[1]。在欧美目前对未来互联网实验技术和实验创新环境的研究中,主要包括两类主要的建立未来互联网创新环境的实验技术,即基于重叠网络的技术路线和基于可编程网络设备的技术路线[2]。本文提及的网络实验床系统既是基于上述技术路线。网络试验床数据存储对象主要包括以下三大类别:(1)镜像数据和快照数据,为虚拟机快速部署一致操作系统提供支持;(2)网络试验中需要的海量网络数据;(3)用户个性的数据,如自己添加的协议、操作软件等[3]。因此,网络实验床存储系统不仅要实现数据的简单存储、获取、更新、删除等功能,更需要满足以下条件:支持大数据集;支持一次写入多次读取的处理方式;支持对数据的高并发读取。

本文设计的存储架构将针对网络实验床特殊的数据类别,设计满足需求的存储架构和存储模块,从而为用户提供安全可靠的数据存储服务。

1 网络实验床数据类别分析与架构设计

由于上述特殊需求,本文针对性的设计了网络实验床存储架构。如图1所示,存储架构采用自底向上的设计方法,主要分为物理层、逻辑存储层、网络层、控制层。(如图1)

物理层由存储磁盘、光盘和磁带集群等物理存储设备组成,是网络实验床提供数据存储的物理媒介。

逻辑存储层是在物理层之上,与网络层连接,为网络实验床系统提供分级逻辑存储结构。主要包括账户(account)服务器,容器(container)服务器,存储对象(object)服务器以及其对应的数据库。

网络层为数据存储提供存储节点之间以及存储节点与控制层之间的数据通信支持,支持通用的IP协议簇以及XFS文件系统。

控制层由多个虚拟控制节点组成。控制器主要由三个组件构成:(1)负载均衡控制器,也成为资源环生成器,利用一致性哈希算法、加权法和轮询调度算法,生成一个环状的数值链,代表数据对象到物理地址的映射;(2)代理服务器是为对外接口提供村粗API的服务器进程,符合HTTP协议规范,负责处理逻辑存储层各组件之间的通信;(3)服务器空间管理器。由于镜像数据和快照有着一次写入多次读取的特性,同时物理层基础设施条件有限,因此为实验床设计分级的数据空间管理器,以实现数据迁移和资源回收是非常必要的。

2 模块设计

2.1 逻辑存储层

逻辑存储层是物理层的逻辑结构,如图2所示,逻辑存储层主要包括账号存储服务器、容器存储服务器、对象存储服务器以及它们对应的数据库。

账号存储服务器是存储节点中负责处理对容器列表的管理。容器存储服务器与账号存储服务器类似,负责对象列表的管理。对象存储服务器是大对象块存储服务器,负责对象本身的获取获取、元数据获取、创建、更新、删除、复制请求。

网络试验床的文件采用冗余存储的方式存来保证数据的可靠性,每份数据在存储集群中会保存3个或者3个以上的备份。冗余存储伴随的数据一致性模型如图3所示,本文以客户端传送镜像数据为例详细说明。

流程如下:(1)客户端向控制器询问哪一个块服务器保存了当前的备份,以及备份的位置;(2)控制器回复Leader的标识符以及其他备份的位置;(3)客户端把镜像数据推送到所有备份上;(4)所有的备份都被确认已经得到数据后,客户端发送写数据请求给Leader;(5)Leader把写请求传递给所有的二级备份,即上图中的Replica A和Replica B中;(6)二级备份回复Leader,表明其已经完成指定操作;(7)Leader回复客户端。其中Leader和其他从属备份的地址映射信息保存在控制层代理服务器中,而“Leader”每隔一定时间在各个备份中循环切换。而在读取数据时,由于代理服务器只返回Leader的地址给客户端,如此就能使得数据备份被频繁访问时,将数据流分散到三个数据服务器上,从而一定程度上实现网络流量的负载均衡。

2.2 控制层

2.2.1 代理服务器

代理服务器是一个服务进程,集成成熟的开源云计算[4]Open Stack[5]存储组件Swift中的Proxy程序。在本小节中将介绍代理服务器的作用以及数据存储资源环Ring的概念。

Ring[6]最早由Open Stack引入,代表着存储名称到物理存储位置的映射。Ring由负载均衡器生成,与Open Stack的Ring所不同的是,网络实验床系统不仅考虑了存储节点的容量,而且还将存储节点CPU利用率、磁盘读写速率作为存储节点选择优先级评定标准。Ring分为三类,分别对应逻辑存储层的账号、容器和对象列表。对于存储对毾象的请쬀求将依次查询账号、容器和对象服务器以得到{‘/account_name/container_name/object_name’:object_db_position}[7]的映射信息。

代理服务器存储集群的对外端点,向用户提供RESTful API[8],本地数据采用SQLite[9],其中存放文件系统的所有元数据,这其中包括三种类型:1)账号、容器和存储对象的命名空间;2)账号资源环、容器资源环以及存储对象资源环;3)每个数据对象备份的位置。外部客户通过类似以下格式访问网络实验床数据服务:http://networking_testbed.com///

2.2.2 负载均衡控制器

负载均衡是存储系统必须实现的功能之一。本架构结合轮询调度算法、加权法和一致性哈希算法。实现数据存储的负载均衡。加权法:在网络实验床环境,以服务器存储容量、服务器CPU利用率、磁盘读写速率作为输入,经过一系列四则运算输出每一个物理存储服务器的权重值。轮询调度算法:创建一个循环队列,每个物理节点在队列中的地位都是等同的。数据对象存储的时候,只需要按照顺序,一个对象存入一个节点,依次循环。散列法:散列法也称为哈希法;通过不可逆的Hash函数按照某种规则将客户端请求发给存储集群。

Ring生成的步骤如下:(1)根据加权法得到的权重,计算每一个存储节点的虚节点数目;(2)利用一致性哈希算法计算每个虚拟节点的哈希值;(3)构建0到232的圆环区域;(4)将第二部得到的哈希值映射到圆环区域上;(5)利用一致性哈希算法计算数据对象,也将其Hash值映射到环上;(6)使用轮询调度算法,从数据映射位置开始顺时针查找,将数据保存到找到的第一个Node上。

如图4所示,假设Node1到Node4物理初始条件一样。因此,各虚拟节点在环上均匀分布。当存储节点添加时,以添加Node5为例。按照以上步骤将Node5添加到资源环中,受影响的存储对象只是从Node5开始,逆时针到Node3位置端的存储对象——红圈表示的存储对象存储到Node5中。

2.2.3 服务器空间管理器

本系统引入数据迁移和资源回收,使存储设备分级,在系统运行时,照服务器运行状况分级存储数据,使得数据存储容量大增。由于存储速率高的设备价格昂贵,而价格便宜的设配其存储速率却相对缓慢。利用磁盘、光盘和磁带将存储设备分为三级,当服务器存储容量达到一定阙值时,系统定为80%,服务器空间管理器将控制数据从服务器流向光盘中。当服务器数据低于某一阙值,系统定为50%的时候,停止数据迁移。当然,此种应用在网络试验床环境中,其数据迁移的对象有很大限制,只对于虚拟机镜像数据以及一些归档的数据有效。由于这些数据在很长一段时间内固定不变或者很少有可能会被访问,因此将其存储到相对廉价的光盘和磁带中将节约很多成本。

而当服务器开启时,服务器本身运行将耗费一定的资源。而在各个服务器由于负载均衡控制器,使得每一个服务器本身的资源使用效率不高,从而将会导致资源浪费。因此,本系统在服务器空间管理器上加入资源回收功能。利用服务器存储容量利用率为阙值,在平均存储容量低于50%的时候,将其中某一个服务器数据拷贝到其他服务器中。

3 结论

本文给出了网络实验床环境下存储架构和主要模块的设计,目前其对客户端提供的数据服务接口有账号/容器/数据对象的获取、元数据获取、创建、删除、复制。网络试验床系统有其特殊的诞生环境,其简单、冗余、可扩展、分级管理的架构保证了其数据服务的安全可靠。但在资源回收时,服务器上虚拟机正在运行,如何保持会话目前还不能得到很好解决。因此以后的研究目标将会把此内容加入研究日程。

参考文献

[1]陈昭瑜.存储网络:让数据自由流通[N].中国计算机报,2003-7-16

[2]Charles Thomas,Joel Sommers,Aul Barford.Passive Measurement System for Network testbeds[OL].[2012].http://pages.cs.wisc.edu/~pb/trident_12.pdf

[3]杨晴宇,赵海盟.高速海量数据存储的设计与实现[OL].[2011-02-23].中国科技论文在线,http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201102-621

[4]李木梓,徐柱.云计算与GIS初探[OL].[2012-02-22].中国科技论文在线,http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201202-845

[5]OpenStack.Open source software for building private and public clouds[OL].http://www.openstack.org/

[6]OpenStack.Swift Architectural Overview[OL].http://docs.openstack.org/developer/swift/overview_architecture.html

[7]OpenStack.Preparing the Ring[OL].http://docs.openstack.org/essex/openstack-object-storage/admin/content/preparing-the-ring.html

[8]Wikipedia.Representational State Transfer[OL].http://de.wikipedia.org/wiki/Representational_State_Transfer

实验设计与分析读书报告 篇8

仪器分析是分析化学的重要组成部分,随着近代仪器分析技术的迅速发展,它在农、林、水科学中的应用与日俱增,是科学研究不可缺少的重要检测手段。仪器分析是化学类相关专业的专业基础课,是一门理论与实践密切结合的课程,仪器分析实验是学生验证分析理论、掌握仪器分析应用的重要途径。教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》的文件(即4号文件)明确指出了“高等学校要重视本科教学的实验环节”,同时,根据独立学院培养实用型人才的宗旨,培养和提高学生的实际动手能力成为实践教学工作中的重要环节。

在仪器分析实验教学过程中,我们越来越发现实验内容的设计极为重要。一方面要达到设定的教学目的,使学生对仪器分析的原理和操作有深刻的认识;另一方面要适应各学院现有的仪器设备硬件条件,并且能调动学生的兴趣和实验积极性。因此,有必要根据学校的基本情况对实验内容的选择和设计进行深入地研究。

一、现状分析

仪器分析实验课程不仅涉及到相关仪器的原理和操作,还涉及有机和无机化学的基础知识以及实验室的配置,要最大程度地与仪器分析理论课配合。目前独立学院的仪器分析实验课主要以验证性实验为主,学生做实验完全按教材或教师演示进行操作,造成对实验方案的设计理解不深,对实验原理理解不够、对实验内容印象不深刻,积极性不高。就已经开展的教学工作来看,仪器分析实验主要存在以下四个方面的问题。

1.学生动手能力较差,实验积极性不高。应用化学、高分子材料与工程、环境科学等开设仪器分析实验课程的专业中,学生已经学习过有机化学和无机及分析化学等课程,仪器分析理论课与实验课通常安排在同一学期学习,这样的安排是符合循序渐进的教学规律的,但是在具体教学过程中,我们发现以下问题:第一,学生对以往所学的知识遗忘较严重,理解不深刻。仪器分析涉及部分有机化学和无机化学的基本知识,如果缺乏这些知识将会造成对仪器分析的原理理解不深刻。第二,缺乏基本的安全防护知识。学生的实验安全基本常识匮乏,造成师生人身安全及实验室安全隐患。第三,缺乏对与实验仪器相关联的设备的了解。例如计算机和电机等,动手能力参差不齐。

学生是教学中最主要的部分,学生学习的积极性高低在很大程度上决定了教学结果的成败,以上这些因素导致了学生参与实验的积极性不高,机械地模仿老师的操作,教学效果不佳。

2.教学资源有限。仪器分析使用的大多属于大型精密仪器,操作复杂且价格昂贵,这就决定了学校购买的数量有限。例如红外光谱、原子吸收光谱、气相色谱和高效液相色谱等仪器,一般独立学院的实验中心都只有一台,教学时学生只能分批分组轮流操作。

对于独立学院这种新发展起来的教学载体,很多硬件设备都处在逐步完善的过程中,实验室面积和仪器种类、数量有限,这会影响每个学生独立操作试验的时间和空间,影响教学质量。

3.教材针对性差,有使用的局限性。仪器分析和其他普通化学实验不同,仪器型号多样且更新换代较快,很难有可供不同学校共同采用的教材。市面上现成的课本是编写者根据自身环境编写,有其局限性,在实验仪器选择上,不能涵盖现有仪器,或者书中所列的实验仪器与各学院采用的不同,可能会导致误操作;有些实验的课时安排不符合各学院的教学要求;还有一些教材安排的实验多为验证性试验,由于这类实验的结果已为学生所知,往往不能引发学生的兴趣和求知欲,使课堂气氛不够活跃。

为了解决上述问题,各独立学院通常采取的方法是从不同教材上选取与该院仪器相关的部分,印制零散的讲义分发给学生,内容与实际操作不完全配套,而且不能形成完整的体系,不利于学生的学习。

4.教学效果不佳。仪器分析实验安排通常是以专业班级为单位,这样的安排对理论知识的教学来说,师资是较为合理的,但是在进行仪器分析实验教学时,往往显得不够。

例如,在电化学分析实验中,二十多组学生同时开展实验,教师一方面必须保证学生安全,时刻关注整个实验室情况,另一方面要指导各组学生进行实验,对教师而言是严峻的考验。实验室设备多面积大,使一些学生得不到教师的充分指导。而在原子吸收光谱等实验中,一台仪器二十多组学生轮流操作,参与实验的学生多,每人分配在实验操作上的时间就较少,有些实验只有一次动手机会,学生掌握实验技巧的时间不充分。

二、改进的方法

针对以上所列举的问题和困难,结合教学经验,我们从以下四个方面来改进和优化仪器分析实验课的教学:

1.调整内容,提高学生的积极性。根据各学院的硬件设施,编写合适的仪器分析实验讲义。多采用探索性试验,尽量避免验证性试验,实验结果的不确定性会增加学生对实验过程的兴趣。实验内容的选取贴近生活,如牙膏中氟离子浓度的测定、“雪碧”中苯甲酸的测定、饮料中咖啡因的测定等,引导学生将所学知识应用到生活和实践中去,培养成就感。

以气相色谱为例,该实验是科研、生产、检验等领域常用的仪器分析方法,实验内容贴近生产实际情况,要求学生掌握色谱图的分析方法,并根据实际情况调整试验参数的设置,条件允许的话从色谱柱的填充这一基本步骤开始。每位同学必须自己动手操作,而不是像以前一样仅仅观看教师演示。

2.增加设计性实验,提高实践能力。在实验内容上,除了常规的仪器分析实验,还安排两到三次设计性实验。教育部高教司的关于《普通高等学校本科教学工作水平评估方案》(试行)对设计性实验有明确的定义:设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件,由学生自行设计实验方案并加以完成的实验。贾素云等人认为在设计性实验中,教师给出的“实验目的与要求”要符合学科的培养目标,实验室提供必需的仪器与药品,由学生自拟实验方案并独立自主完成实验的全过程。

在设计性实验的讲义里,只提出了实验目的与要求,其他步骤都要求学生根据掌握的知识进行设计,对学生运用知识解决实际问题的能力有较高的要求。可设计提示性的问题帮助学生理清思路,然后由学生独立完成实验全过程。教师可根据教学情况自由选择,让学生两人一组设计实验步骤。学生设计实验步骤,必须深入了解实验目的,掌握实验涉及的药品和试剂以及仪器的物性和安全常识,理解实验步骤背后的理论意义,比照书本操作要求更深入地了解,这避免了以往学生机械模仿老师操作的模式,加深其对实验过程的理解记忆。

开设必修实验和选做实验两类,将会使学生在强化基本操作技能的基础上有综合性较强的训练,有普通仪器操作,也能接触到一些先进的科学仪器和方法,以开拓眼界,扩大知识面。教师可在教学过程中对各个实验有不同的级别要求,以适应不同专业的需求。

3.改进教学方法,让学生有机会动手操作。改变教学方法,引导学生独立思考,培养学生独立学习和工作能力。遵循实验教学和人才培养规律,学生实验能力的培养要循序渐进,逐步放手,逐步加强和深化。多引进生产实际案例,充分调动学生学习的积极性和主动性,以利于学生能力的培养。

每次实验前的理论课都在幻灯片上以图片的形式介绍实验仪器的基本组成和试验流程。布置学生预习实验,完成思考题。考虑仪器数量和实验室面积,可采用双实验双教师同时进行的教学方法。将学生划分为两部分,每部分学生做一个实验,每个实验一个指导老师,然后交换。这样提高了设备的利用率,使学生有更加充分的动手时间,每个学生都有机会动手,投入到实验中来。

4.改进实验室管理。建议与实验中心的老师配合,课余时间向学生开放实验室。集中组织有兴趣的学生在课余时间进入实验室,在教师监管下进行实验,这既可以作为课堂实验的补充,又可以扩展到课堂之外的内容。

三、实验内容设计的特点

各独立学院应结合专业特点和现有仪器设备,以及学生的教学和实训情况,选择合适的实验内容,编写适用于本校的实验讲义。可将全部实验分为必做实验和设计性选做实验两部分。必做实验内容包括电化学分析、红外光谱分析、气相色谱和液相色谱等多个专业试验,要求学生亲自动手操作各种大型仪器,解决实际问题,其实验内容在社会上有着极为广泛的应用;设计性选做实验由师生根据教学情况自由选择,是学生在掌握仪器分析原理和设备操作基本技能的基础上对理论和实践知识的综合运用。

讲义的主要特点是针对性强。国内现有的实验教材,每个实验针对特定的仪器,对实验条件的设置、参数的确定有固定的要求。目前分析仪器发展迅速,种类和型号多样,该讲义应针对各校所购买的特定仪器,可直接用于以后的仪器分析实验教学工作。

另外,在实验的设计上要突出强调学生的实际动手能力,要求实验内容贴近实际生产生活,一方面调动学生的学习积极性,充分发挥学生的自主学习性,另一方面培养的学生在社会上有更广阔的就业空间,满足社会对动手能力强的人才的需求。

总之,仪器分析实验在独立学院化学类相关专业的实验教学体系中有着重要的地位。随着实验室的建设和发展,各独立学院将购买更多仪器设备,在今后的教学过程中,教师应根据教学要求和硬件条件的变化,不断完善仪器分析实验内容,教学内容的编排始终以调动学生的学习积极性、充分发挥学生的自主学习为目标,根据社会对人才的需求,强调学生的动手能力及解决实际问题的能力。

参考文献:

[1]李田霞,陈峰.独立学院中化学实验教学探索与实践[J].科技信息,2008(14).

[2]吴建高.选择仪器分析试验项目的看法[J].实验室研究与探索,1989(4).

[3]罗崇建,等.仪器分析的实验教学[J].化工高等教育,2002(72).

[4]杜彬,林小虎,任学军.“仪器分析”实验教学的探索与实践[J].食品工程,2007(1).