电化学系统

电化学系统（共12篇）

电化学系统 篇1

0 引言

生物芯片技术是20世纪影响最为深远的重大科技进展之一,是融合了微电子学、计算机科学、生物科学、化学、物理学等学科为一体的高度交叉的新技术,它既具有重大的基础研究价值,又具有明显的产业化前景[1]。

所谓生物芯片,就是利用微加工技术并结合有关的化学合成技术,将大量探针分子固定于载体(如玻片、硅胶芯片、高分子材料制成的薄膜等),然后与标记的样品分子进行杂交,通过检测杂交信号的分布及强弱,对靶分子的序列和数量进行分析检验的微型器件。生物芯片检测仪则是通过检测杂交信号并把测定结果转变为可供分析、处理的图像数据,从而对生物芯片进行分析的一种检测装置。

目前普遍采用的生物芯片检测技术是光学检测法,如:激光诱导荧光检测法、化学荧光法、化学发光法、酶标法或同位素法等。随着芯片集成度的提高,使用的反应样品量越来越少,产生的信号越来越微弱,对检测系统的要求也就越来越高,必须满足很高的检测灵敏度、高信噪比及大动态范围。电化学检测方法满足灵敏度高、线性范围宽、分析速度快、试样用量少、成本低等要求,而且电化学检测仪易于微型化和便携化,使得在近几年的生物芯片检测技术中越来越受到青睐。

1 电化学检测技术简介

电化学检测技术特别适用于生物组分的检测,因为生物分子的电化学反应会产生生物电流信号,可以直接用于检测,不需要进行其它的信号转换。大多数生物组分如细胞、DNA、蛋白质等均具有电化学活性,在电化学测量的过程中可以直接检测它们反应产生的电化学信号,适用于生物组分进行准确、快捷和大信息量的检测分析。

本文所讲生物芯片电化学检测仪的检测电极采用三电极体系:工作电极(W);辅助电极(A);参比电极(R)。在整个检测过程中,所有的参比电极均连在一起,工作电极和辅助电极则分别引出。电化学检测方法众多,如:电流-时间法(I-T)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、阶梯扫描伏安法(SCV)、差示脉冲伏安法(DPV)、常规脉冲伏安法(NPV)、方波伏安法(SWV)等,通常采用电流-时间法和循环伏安法。电化学反应的原理是在工作电极上加上一定的电压之后,由于电极和溶液之间存在电势差,生物组分中的电活性物质将被氧化或还原,从而在电极和溶液之间形成电流,用于检测。一般电流的大小与被分析生物组分的浓度有关系,通过对电流的检测便可实现对被测组分的浓度检测。

2 系统硬件电路设计

整个嵌入式系统的硬件部分是由生物信号采集卡和计算机数据处理两大部分组成。生物信号采集卡的硬件部分大致包括五个模块,即供电模块、D/A触发模块、模拟信号采集模块、信号处理(A/D)与控制模块、USB通信模块。整个嵌入式系统的硬件电路原理框图如图1所示。

2.1 供电模块设计

由于整个嵌入式系统要实现便携化的特征,所以采用USB供电技术。同时整个系统硬件电路用到的芯片数目众多,而且各自的工作电压不同,所以相应的供电模块油然而生,如图2所示。

2.2 D/A触发模块设计

为了能够对生物芯片施加任意大小和波形的电压,如:电流-时间法(I-T)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(ISV)所要求的电压波形,本文选用C8051F020芯片自带的DAC模块来加以实现。通过软件编程方式,可以输出-2.5V～2.5V之间的任意波形和电压值。

C8051F020芯片内有两路12位的DAC,两个电压比较器,CPU通过SFRS来控制数模转换和比较器。DAC为电压输出模式,与ADC共用参考电平,允许用软件命令和定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号来更新DAC的输出。

2.3 模拟信号采集模块设计

模拟信号采集模块主要用来实现对工作电极上检测到的微弱电流信号进行一级放大、二级放大、滤波以及采集的功能。本模块主要由运算放大器ICL7650、OP-07,多路选择器MAX396,低通滤波电路等构成。

在生物芯片的电化学检测过程中,所检测到的电流强度一般在10e-9到10e-3A之间,需要先进行放大然后才可以检测。本文设计的模拟信号采集系统,首先对电化学反应产生的微弱生物电流信号进行放大处理,然后经A/D转换之后变成数字信号送入上位机处理显示。为了使得上位机能够实现高精度控制处理,所以对整个数据信号采集系统中的信号放大器和A/D转换器的高精度要求就显得非常重要,采用的是C8051F020自带的A/D转换器,精度可以达到12位,但是对于前期放大电路自身所产生的电压失调和电流飘移却无法改善,所以必须设计一种高精度、低漂移、高输入阻抗的自稳零斩波的运算放大电路来实现整个系统的精度要求。

为了避免在微弱电流信号放大过程中出现常见的电流、电压失调和零点漂移现象,需要设计两级放大电路。第一级放大电路需要进行电流-电压转换(I-V转换),根据电化学反应产生的微弱电流信号特点,选用具有输入偏置电流小,失调电压小、温度漂移小以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力的自稳零斩波运算放大器ICL7650[2]。总的来说,ICL7650有如下几个特点:(1)极低的输入失调电压。整个工作温度范围(约100℃)内只有±1μv的失调电压;(2)很低的输入偏置电流:10pA。符合本次模拟信号的处理要求;(3)极高的开环增益,CMRR,PSRR均≥130dB;(4)极高的转换速率:SR=2.5V/μs;(5)单位增益带宽可达2MHz;(6)具有内调制补偿电路,相位裕度≥80°;(7)内部有箝位电路,能减少过载时的恢复时间;(8)在输入端、输出端只有极其微小的斩波尖峰泄漏。

第二级放大电路采用一种高精度低漂移的运算放大器OP-07,同时放大倍数程控可调,增益的调节可以通过信号处理和控制模块进行控制。同时由于供电模块电源的波动,会对整个系统的零点产生影响,所以需要在电路中加入二极管来稳定系统的零点。

由于本系统的模拟信号采集过程是多路信号同时采集,所以需要采用多路选择器MAX396在不同的信号间进行切换。MAX396自身的工作电流在10e-9A数量级,和电化学反应产生的模拟信号数量级相近,所以不能直接接在采样电路的最前端,需要放在两级放大电路之间,可以避免引入测量误差。生物组分电化学反应后生成的有效模拟信号是低频信号,所以需要对高频干扰信号(包括电源引入的高频信号)进行滤除,本文采用了二阶RC滤波电路。

2.4 信号处理与控制模块

信号处理与控制模块是整个嵌入式系统的核心,经分析比较,决定采用CYGNAL公司的C8051F020单片机作为本模块的核心单元来管理整个系统的协同运行。C8051F020具有一下优点[3]:

(1)采用高速8051微控制器内核,运算速度快。该芯片采用流水线指令结构,与标准的8051结构相比,指令执行速度有很大的提高,70%的指令执行时间为一个或两个系统时钟周期;当工作在最大系统时钟频率25MHz时,执行速度可达25MIPS。

(2)片内集成了模拟外设:多通道12位(或8位)的A/D转换器,而且最大的采样速率可以达到100kbps(或500kbps),不必外加ADC芯片就可以满足系统要求。

(3)片内集成了JTAG调试和边内扫描功能。片内JTAG调试电路可以提供全速非浸入式的电路内部调试,不需要仿真器;完全符合IEEE1149.1的边界扫描标准。

(4)片内存储空间大。该芯片具有64kB的系统可编程Flash程序存储器,4kB内部数据RAM以及外部64kB数据存储器接口,同时Flash存储器还可用于非易失性数据存储,安全可靠。

(5)片内集成了两个增强型URAT串口

(6)具有合适的工作温度范围,满足系统的环境使用要求。

(7)供电电压位于2.7～3.6V之间,而且具有多种节电休眠和停机模式。

A/D转换部分采用C8051F020自带的ADC子系统,由逐次逼近型ADC采样、多通道的模拟输入选择器和可编程增益放大器构成。当ADC工作在最大采样速率时,可以提供真正的12位(或8位)精度[4]。C8051F020除了一个12位的ADCO子系统外,还有一个8位的ADC1子系统,当ADC1工作在最大的采样速率500ksps时,可以提供真正的8位精度。与DAC子系统相似,ADC也有灵活的转换机制,允许用软件命令、定时器溢出或外部信号输入等方式来启动ADC转换机制,ADCO和ADC1可以用软件来强制同步转换。

同时,在模拟信号采集卡上预留了与MCU相连的JTAG仿真接口,可以实时地对C8051F020进行程序写入,方便以后系统的升级[5]。

2.5 USB通信模块

本文设计的生物信号采集卡是一个外置电路板,同时由于电化学反应产生的电流信号比较微弱,而且在电路设计过程中为了尽可能避免引入干扰噪声,放大电路、采集电路均尽量地靠近信号源,使得本文的通信方式不便于选用PCI接口的内置方式,从而选择日渐流行的USB通信方式。该方式具有安装方便、带宽高、易于扩展等诸多优点,已成为现代数据传输的发展趋势。选用的USB芯片是CY-PRESS公司生产的CY7C68001,支持USB2.0协议,最高的传输速率可以达到480Mbps,大大高于以前的RS232串口的传输速度[6]。

CY7C68001内部不含微控制器,只是上位机(PC)和下位机(模拟信号采集卡)之间用来连接的从设备。CY7C68001芯片支持高速(480Mbps)或全速(12Mbps)传输;3.3V的操作电压,采用外部晶振的振荡频率24MHz;内部集成了串型接口驱动(SIE)、电压调节器和4kB的FIFO;可以选择8位或16位的总线传输方式;同时对用户也可以提供足够的端口、缓冲区和传输速度;支持USB2.0协议所要求的四种全部的传输方式(中断传输、控制传输、同步传输、批量传输),可以满足用户的各种数据传输要求。由于CY7C68001芯片自身不带MCU内核,所以USB的驱动程序必须要自己加载完成。

3 系统软件设计

软件设计部分分为两块:模拟信号采集卡MCU(C8051F020)的控制以及数据采集处理部分;上位机(PC)接受并处理MCU发来的数据,显示输出波形结果。

同硬件设计部分相似,软件设计也采用模块化的设计方法,大致包括以下几个模块:系统参数设置(D/A波形产生参数。模拟信号采样参数等)、数据采集控制(Samplerate、Iscontrol等)、采集数据处理(Average、Digital filtering等)和数据传输、显示(Display)等。C8051F020的程序开发使用KeilμVision3的集成开发环境(IDE),编程语言使用C语言和汇编语言相结合的方法。μVision3IDE是一个基于Window的开发平台,包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个MAKE工具。μVision3源代码级调试器是一个理想的快速可靠的程序调试器,此调试器包含一个高速模拟器能够模拟整个单片机系统包括片上外围器件和外部硬件,而且Keil uWision3IDE可以完成从工程建立和管理,编译,连接,目标代码的生成,软件仿真,硬件仿真等完整的开发流程。尤其C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平,而且可以附加灵活的控制选项,在开发时非常理想。大大缩短了程序的开发周期。

上位机的软件设计部分采用了Microsoft开发的Visual C#编程集成开发环境(IDE)。C#是微软开发的一种面向对象的编程语言,是微软.NET开发环境的重要组成部分。Visual C#编程集成开发环境是为生成在.NET Framework上运行的多种应用程序而设计的。C#简单、功能强大、类型安全,而且是面向对象的,充分利用了PC机强大的图形界面能力和数据处理能力对测试数据进行分析和显示,用户可以通过鼠标、键盘来操作应用程序面板上的各种开关按键来控制仪器,完成测试。采用Visual C#编写应用软件,大大地简化了程序设计难度,提高了程序设计的效率。最新设计的应用程序(如图3所示)可以把采样得到的数据、波形直观地显示出来,同时,根据需要可以对这些数据进行后处理,如局部放大观察,定义坐标,还可以保存用户指定的数据、波形以及打印所需的数据和波形。

4 结束语

本文介绍了一种以单片机C8051F020为核心的迷你型生物芯片电化学检测仪的嵌入式系统,包括系统硬件、软件部分的设计。经过多次反复的测试证明,该检测仪系统可以准确地给出测试结果,而且实时性好,易于携带,具有很大的发展前景。

参考文献

[1]Gooding J J.Electrochemical DNA hybridization biosensor Electroanalysis [Z].2002(14):1149 - 1556.

[2]李孝轩.传感器微弱信号低噪声斩波放大器[J].传感技术学报,1994(3).

[3]潘琢金,施国君.C8051FXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[4]鲍可进.C8051F单片机原理及应用[M].中国电力出版社, 2006.

[5]梁书豪.C8051F020 MCU在高速数据采集系统中的应用[J].检测技术,2006.

[6]匡胜元,杨浩.基于USB2.0的生物信号数据采集卡的设计与实现[J].中国电机工程学会,2005:564-566.

电化学系统 篇2

有这样一群人：他们来自于全国各地，为了共同的目标聚集在美丽的津城；他们常常奔赴四面八方，为了共同的理想奋战在设计工作的一线；有两鬓斑白的长者，虽年逾花甲，仍老骥伏枥，在后辈前进的道路上甘为人梯，为大家指点迷津；有年富力强的骨干，孜孜不倦，披肝沥胆，以忘我的工作、无私的奉献，实践科学的发展

；有生龙活虎的青年，以初生牛犊不畏虎的勇气，辅以师从前辈的谦虚和谨慎，争先恐后，建功立业，跃跃欲试地扛起从前辈手中接过的大旗……他们就是电化人。

历经半个多世纪的磨砺，积淀几代电化人的智慧，蜕变出这个朝气蓬勃、干劲十足、勇往直前的团队。五十多年来，他们的足迹踏遍大江南北，从人迹罕至的山涧村野到流光溢彩的繁华都市，从大铁到城轨，从重载到高速，从轮轨到磁浮，无处不闪动着他们挥汗如雨的身影。昔日，他们从零起步，设计了中国第一条电气化铁路，为中国铁路的繁荣发展奠定了坚实的基础；今天，京津城际、大秦铁路等大批工程的成就惊艳世界，让业内同行难以望其项背，而居功至伟的他们却无暇顾及纷至沓来的荣誉，甚至来不及稍事休息就在中国铁路跨越式发展的道路上继续开拓前行……

无数个日日夜夜的操劳，幻化成一幅幅宏伟的蓝图，伴随着一卷卷长篇巨制的诞生，宝成、阳安、襄渝、石太、武衡、京秦、大秦、京沪等铁路横空出世，中国的电气化铁路飞架南北，让无数天堑变通途；

数不清披星戴月的加班，诞生出一个个供电方案，再历经一遍又一遍地反复推敲，助力北京、天津、广州、深圳、重庆、南京、上海、杭州、长沙、苏州等城市轨道交通四通八达，网络遍及各个角落。

伴随着电化院的飞速发展，行供所也白驹过隙般走过了五十余载。五十多年的追求、探索与期盼，历尽沧桑，坚持不懈，行供所这片肥沃的土壤上人才辈出、薪火相传。

刚及而立之年的陈姐，用她尚嫌稚嫩的双肩扛起行供所所长的重任，全面协调所里的各项工作，在人力资源紧张的情况下，陈姐身先士卒，亲自带领我们参与多条地铁线路的投标工作，连续的封闭、加班，让她无暇顾及家里两岁多的孩子，但对所里年轻人在工作和生活中遇到的难题她总是尽最大努力帮助我们解决。

而平时寡言鲜语的苏总，为我们解答疑问时的娓娓道来，就像是一本铁道电气化设计百科全书，小到一个参数的设定，大到一个系统的构成，所有问题只有你问不到的，没有苏总答不上来的，而且对于我们设计文件中的错误和问题，苏总总是不厌其烦的提出，并认真地纠正，绝对的坚持原则。繁琐的设计工作，全所技术文件的复核，同时还兼任京沪高速专业负责人的他，不知熬过了多少个不眠之夜。

我们所里那一批年富力强的项目部长们，等，年少老成，经验丰富，同时负责多条线路的设计管理工作，忙得不亦乐乎，用实际行动诠释着自己对工作的热爱。

年轻的我们常常被这样的人和事感动着，耳濡目染着，正是在这辛苦的工作中，我深深地理解了一代又一代电化人的无私奉献，他们不仅以身作则，恪尽职守，更把自己多年来积累的丰富经验毫无保留的言传身教给年轻的我们。

电化学系统 篇3

关键词：专业导论；质量保障系统；教学实践；材料化学

中图分类号：G640　文献标识码：A　文章编号：1671-0568(2012)41-0035-03

一、引言

随着对大学新生开设专业导论课的背景、价值和目的日益充分的探讨，越来越多的学校开始重视专业导论课程的设立，任课教师也提出了许多教学改革方法和措施。专业导论课主要对本专业性质、学习内容、学习方法、课程设置及未来就业前景和领域进行介绍，目的是培养学生专业思想和兴趣，引导正确的学习方法，规划四年学习计划和未来就业。专业导论课程的授课质量将会影响本科生大学四年的学习质量，甚至外延到学生的职业生涯。课程教学质量是学校教学水平的具体体现，是教学评估的重要指标，建立课程教学质量保障体系是必要的。

材料化学专业(绿色电子材料方向)是教育部批准2009年开始招生的新专业。上海第二工业大学(以下简称“我校”)基于电子产品制造绿色化和从源头上解决废弃电子产品环境污染问题的行业背景，根据国家环境保护政策和企业需求开设了本专业。材料化学专业(绿色电子材料方向)培养掌握电子信息制造基础知识、材料化学专业知识和电子废弃物资源化技术，从事绿色电子材料设计与制备的专业技术人才，满足微电子及光电子材料与器件制造、电子原辅材料制备、电子废弃物处理等高新技术和环保产业需求。在新专业的培养方案中，大学一年级第一学期开设了“材料化学专业导论”课程。对于新专业建设，应当始终把教育评估的质量观贯穿于教学活动的每个环节。从2009年开始，我校制订和完善了教学大纲、教学进程表；自编了讲义，并制作多媒体课件；在教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了探索，从课程目标、课程实施、课程管理和课程评价四方面初步建立了“材料化学专业导论”课程教学质量保障系统。

二、课程目标

材料化学专业导论课是大一新生最早接触到的一门和专业相关的必修课程，1学分，16学时。建立清晰、准确的课程目标是保证教学质量的首要前提。课程教学必须解答新生心中的三大困惑，即这个专业是“干什么”的?要“学什么”?毕业后自己能“做什么”?学生学完之后将对材料化学专业(绿色电子材料方向)有全面的了解，包括本专业在社会发展中与国民经济中的地位与作用；本专业涉及的科学技术研究内容与发展趋势；本专业的教学培养计划及课程设置；本专业学生的知识结构、能力结构与素质要求。从而使学生更明确大学四年学习目标与内容，掌握正确的学习方法，了解就业方向与领域。

三、课程实施

1.课程教学内容

材料化学专业导论课程教学内容涉及专业知识、思想教育、职业创业教育等方面的内容，要实现教育和教学双重目标。通过三部分材料化学专业知识的讲解，使学生首先了解这个专业是“干什么”的。第一部分从什么是材料、材料的分类、材料的用途、新材料入手，让学生有一个从感性到理性的认识过程；第二部分包括一级学科材料科学与工程的内容以及学科专业发展过程；第三部分先介绍传统的材料化学专业涵盖的内容，在材料化学专业框架下讲解材料化学专业(绿色电子材料方向)的设置背景、研究范畴、专业特点等。电子信息产业的迅猛发展带来的电子废弃物对环境的污染问题日益严重，欧盟相继出台了WEEE指令、RoHS指令来应对，电子废弃物的资源化以及电子产品的绿色设计与制造是解决问题的主要技术和方法，本专业的特点就是培养掌握这方面专业知识和技能的应用性人才。为了使学生更深入理解本专业在社会发展和国民经济中的重要性以及开设本专业的意义，在这一部分增加了电子材料概述、电子辅料概述，无公害电子制造技术的发展趋势三个模块的内容。

针对学生希望知道在我校这个专业能“学什么”，课程重点介绍了本专业培养方案，讲述专业学习的课程体系，也增加了本专业学生所能参加的技能考试所需的知识点。培养方案包括本专业对学生的基本要求、毕业生应获得的知识和能力、修学年限、毕业与学位的授予、四年课程安排和学分要求。对专业主干课程要学习的主要内容作一概括。针对公共课、专业基础课、专业课和实践课不同课程的特点，介绍学习这些课程的基本方法。材料化学专业(绿色电子材料方向)有着全新的课程体系，以四大化学(无机化学、有机化学、分析化学、物理化学)课程为基础，材料化学、材料物理、高分子材料、胶体与界面化学等课程为主，增开了电子信息材料、印制电路技术、电子化学品(电子原辅材料)、封装技术与材料等专业课，让学生较全面地了解电子信息产业和产业链；增加了废弃物资源化技术、电子产品和电子化学品中有毒有害物质和毒理学的专业必修课和选修课，让学生了解电子产品和电子化学品中有毒有害物质及其危害，以及资源化技术。增加了纳米材料、薄膜材料制备技术的专业课和绿色电子材料设计的实验课，让学生了解和掌握电子原辅材料绿色设计和制造技术与制备方法。增加的这些课程与材料化学专业的材料制备／合成、组成，结构、测试，表征、性能，应用的专业课程相互衔接，形成了独特的知识体系。

对于学生毕业后能“做什么”的问题，从几个方面来讲授。第一是材料类人才的现状和需求；第二是已开设环境工程(电子废弃物方向)专业、相关材料类专业的学校以及研究所的简介；第三，结合我校开设的职业生涯规划以及自主创业教育，为本专业学生明晰就业方向，树立正确的择业和就业观。

材料化学导论课程中还设计了专题讲座，包括欧盟WEEE指令、欧盟RoHS指令、PCB与绿色生产，通过听取专题报告学生对本专业进行更深层次的了解。

2.课程教学方法与手段

根据材料化学专业导论课的特点分析和教学内容可以看出本课程的教学难度并不大，因此在教学方法上可以实现多层次、多样化，避免单纯枯燥的讲解。在专题讲座中，邀请有经验的企业技术骨干作1～2个报告；以学生为中心，学生体验式教学，学生课后通过各种途径来查阅相关资料，并在课堂上相互交流成果，比如调研电子原辅材料企业、查找开设材料化学专业的学校等；实践环节方面安排学生参观我校的学生实验室以及各研究课题组的专业实验室，激发学生对科研的感觉。

利用多媒体课件与板书相结合的教学手段，教师通过精讲的方式促进学生对重点概念的理解。在课堂上采用讨论教学法，拟定能引起学生兴趣的、有启发性的讨论题目，结合学生课后自己查阅的资料开展讨论。在考核方式上采用期末考试与小论文相结合的方式进行。

四、课程管理与评价

1.课程管理

课程质量不仅受静态的课程资源要素的影响，也与课程管理对课程活动进程中的动态控制有关。材料化学专业导论课程教学质量保障系统包括教师工作的规范管理、学生学习的规范管理和施教过程规范管理。成立了材料化学专业导论课程教学团队，上好导论课不仅需要统观专业教学体系，还应通晓专业应用领域，同时还要对专业就业市场有一定的了解，因此，任课教师团队由系主任和两位教授组成。任课教师严格按照教学大纲制定教学进程表。教学大纲中明确了这门课程的性质与任务、课程基本要求、课程内容、教学时数分配，考核方式，教材。教学进程表是严格按照教学大纲分配一学期内16学时课程，每周1个课时的上课内容。所有相关本课程的教学文件每学期进行归档，由教务部门统一管理。学生学习规范包括有学习条件、学习任务、学习要求，有课后作业，接受诚信教育。教师在施教过程中必须遵守学校的一切教学管理规定。

2.课程评价

材料化学专业导论课程的教学评价包括学生评教，督导和同行评议。学生评教和督导听课由学校层面组织，并将结果反馈到学院；同行评议是由学院组织其他教师听课，结果由学院的学术委员会反馈给授课教师。此外，授课教师在课程学习期中和期末运用课堂调查了解学生的学习情况，以此构成今后改进教学的基础。

五、结语

高中化学教学需要系统思维 篇4

系统思维起源于系统论。它是美籍奥地利人、理论生物学家L.V. 贝塔朗菲 (L.Von.Bertalanffy) 于1945年创立的。通常认为, 系统思维是把认识对象作为系统, 从各要素的性质以及系统和要素、要素和要素、系统和环境的相互作用与相互影响中综合地考察认识对象的一种思维方式。整体性是系统思维的核心思想, 它强调把想要达到的结果、实现该结果的过程、过程优化以及对未来的影响等一系列问题作为一个整体系统进行研究。

二、高中化学教学需要系统思维

1.现代社会需要系统思维

现代社会是一个复杂的系统, 协调处理其中的各种关系, 需要系统思维。只有重视系统中多种因素的动态协调, 才能更好地促进社会的和谐运行。“过去工业时代的扩张一直靠对自然资源的不可持续的‘攫取 - 制造 - 废弃’的线性生产方式”[1], 从而造成了对自然的破坏, “今天我们的世界如此不健康, 跟我们没有把它看作一个更大的系统有极大的关系”[2]。在如今大工业、大农业、大商业、大科学、大文化日益盛行的全球化的今天, 我们“必须要重新设计, 从基于攫取自然和社会资本, 转向滋养社会和生态的健康福祉”[1]。在不断缩小的地球村里, 人类间相互和谐相处, 并与所有生命系统和谐相处, 是我们的一项基本的生活需要。

2.高中教育需要系统思维

高中是处在义务教育和高等教育之间的特殊的教育阶段, 它既不应该是义务教育的简单延伸, 也不应该是高等教育的预科, 而应有其特殊的地位和价值。“一方面, 高中要承担继续培养和提高国民基本素养的重任;另一方面, 也要从各方面为青年学生将来接受高等教育作好充分准备;再次, 高中生正处在抽象思维发展成熟和道德伦理观念形成的关键时期, 因而高中教育恰好处在人的认知发展和道德发展的重要环节”[3]。而现实的高中教育, 往往是人为割裂了其应有的系统的、全面的功能和价值, 单一地、片面地追求某方面的价值, 三年的高中教学时间只是两年上新课, 一年通过做题和反复的训练来应对高考, 从而提高学校“被异化的价值”———升学率, 这些显然是无助于学生的终身发展和学业的长久进步。所以高中教育需要系统思维。我们不仅仅需要站在高等教育的立场, 还应该在更广阔的视野中思考与研究, 包括政治的、社会的、经济的、区域的、历史的等方面, 协调处理好学生的科学人文素养、终身发展能力及与高考升学率的关系。

3.高中化学教学中系统思维的缺失

化学是一门以实验为基础的、与“朝阳科学紧密联系”的、社会迫切需要的、承上启下的“中心的、实用的和创造性科学”。然而, 就是这样一门应用极其广泛的充盈着方法与情感价值的科学, “随着改革开放以来中学阶段尤其是高中阶段应试教育的愈演愈烈, 逐渐脱离了其赖以产生与发展的生活世界, 同时失却了充满活力的科学方法及科学情感的向度, 仅剩下干瘪而无灵魂的科学知识的堆积, 日益沦落为理科中的文科”[4]。新课程改革的实施, 为基础教育带来了新的景象, 但多年的实践结果表明, 在各种因素的共同影响下, 高中化学教学仍然是处于一种缺乏系统思维的状态。大多数高中化学教师不仅忽视了化学学科本身的系统性, 忽视了化学与科学、社会和环境的相互作用、相互影响, 而且也忽视了学生的自主学习、自主构建的过程, 仅仅是单方面传授一些支离破碎的所谓重点知识和重要题型, 而学生学习化学的目的也仅仅限于知识的掌握和分数的获取。对高中学生的科学教育来讲, 我们不应该传授给学生支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实, 而是应该用恰当的、生动的教育方法, 不仅要帮助学生达成系统化知识的构建, 初步形成科学态度, 掌握科学方法, 了解科学精神, 而且要帮助其建立一个完整的对自然界的认知, 明白什么是对社会和自然的责任。从这方面来讲, 系统思维可以说是最适合的、必需的思维方式了。

三、系统思维在高中化学教学中的应用

根据化学教学的特点, 化学教学系统的要素可分为教师、学生、文本、化学实验、教学环境和教学理论等6项。[5]对每一个要素、要素和要素、要素和系统、系统和环境以及教学系统的结构 (即各要素以何种形式构成系统) 等方面都需要用系统思维来指导我们的教学研究。在此, 我们仅从教学设计及教学内容方面来探讨系统思维的应用。

1.高中化学教学课时目标的系统化设计

教师每节课的教学不应是盲目的、随意的, 教学的立足点也不能仅仅是针对某些知识点的、孤立的重难点而展开的教学行为, 而是应将每一节课的教学纳入整个学科教学体系之中, 在课时目标的指导下进行有计划的教学过程。而每课时的教学也应该是为每个学期和学年的教学服务, 学期、学年的教学又应该是服务于整个高中化学课程, 而化学课程的目标又是服务于教育目的。所以, 对化学教学, 不能简单地、孤立地来看, 而应该把它放在课程目标和教育目的的大系统中进行系统化设计, 以促进学生加深对科学本质的认识, 更深刻地认识科学、技术和社会之间的相互关系, 逐步树立可持续发展的思想, 培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。

2.高中化学教学内容的系统化研究

高中化学教学内容通常可分为基本概念和基本理论、元素化合物、有机化学、物质结构、化学实验和化学计算六部分。这些内容彼此相互联系、相互作用、相互影响, 共同构成化学课程内容系统;而每一部分内容又可以单独构成一个更小的系统, 在这个系统中的各组分是互相依赖、互相作用、互相制约的。所以, 对这些教学内容, 一方面要放在人类文化背景下, 从宏观上认识各个内容系统的整体面貌, 并把握各部分内容之间的关联性;另一方面要结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势, 深入内部 (也就是更小的系统) 细致研究各组分的特征表现及其系统化行为。这样, 不仅可以使学生从整体上认识和把握化学基本概念、物质性质及物质反应的基本趋势, 帮助学生在头脑中建构起一种有序的知识结构, 而且当需要对概念、原理及反应过程加以准确认识时, 又能使学生迅速切入概念的核心内涵及物质内部和反应细节进行深入研究, 让学生在化学学习的过程中“既见森林, 又见树木”。

3.高中化学课程体系中化学基本观念的系统化研究

当学生将具体的化学事实性东西都忘掉以后, 在他头脑中剩下的东西, 就是根植于学生头脑的化学基本观念, 它是学生主动运用化学思想方法认识身边事物和处理问题的自觉意识或思维习惯[6]。可以说化学基本观念的养成是我们高中化学教学的逻辑起点和最终目标。而观念的形成不是一朝一夕的, 也不是你强硬塞给他的。那么怎样在整个高中三年的时间里有计划、有目的、有策略的帮助学生形成牢固的化学基本观念更需要我们进行系统化研究。

4.高中化学系统化教学的系统化思考

苗东升教授建议我们要跳出系统看系统。正所谓“横看成岭侧成峰, 远近高低各不同, 不识庐山真面目, 只缘身在此山中”, 所以“欲识庐山真面目, 须得身离此山中”。对高中化学系统化教学需要跳出教学系统, 来审视与这个系统有关的外在环境, 系统功能的发挥必定是受环境影响的。比如社会环境, 教师的专业素养和各方面知识的储备、性格脾气以及学校领导对教学评价的导向性等等, 都是影响到系统化教学的因素。所以, 我们需要对系统化教学进行系统化思考, 以期使系统化教学更有效地得到落实和发挥最佳效益。

四、高中化学教学内容中系统思维范例

1.合成氨条件的选择

化学发展史中合成氨条件的选择是比较典型的系统思维的例子。为提高原料的转化率, 应采取低温、高压和适时分离出氨气, 为加快反应速率, 应采取高温、高压和使用催化剂。可见, 对速率和转化率来说, 温度是矛盾因素, 压强是一致因素。在这种情况下, 必须从整体出发系统地思考问题, 不仅要考虑反应速率和转化率的高低, 还要考虑实际操作的可能性 (材料的耐压和增压投入的成本) 。最终, 德国化学家哈伯 (Fritz Haber) 在经历了数千次的实验后, 采用了“保系统的全局利益以降低系统某部分的功能为代价”的方式, 提出了合成氨的最优化条件[7], 使人类从此摆脱了依靠天然氮肥的被动局面, 加速了世界农业的发展。因此在1918年他被瑞典皇家科学院授予了诺贝尔化学奖, 但却激起了世界众多科学家的强烈反对和谴责, 因为哈伯在第一次世界大战期间负责研制、生产氯气、芥子气等毒气, 并使用于战争之中, 造成近百万人伤亡。这也就是把科学放在一个更大的系统中, 科学及科学家的社会价值都是我们应该系统化思考的因素。这样一种系统化的思考, 可以帮助学生深刻地认识化学与科学、技术、社会及人类生活的密切关系。

2.氧化还原反应的系统化行为

对氧化还原反应的认识, 我们从系统的角度就会发现, 它只不过是在氧化剂和还原剂之间玩起了传递电子的游戏。在一个系统中, 如果多人扔电子, 得看谁扔的快;如果多人抢电子, 得看谁抢的快;如果扔和抢在不同的位置, 电子通过导线在中间传递, 那就构成了原电池, 可以对外做功;如果在同一电解系统中, 那么扔和抢的能力则变成了离子的放电顺序, 电镀锌则是锌离子和氢离子浓度影响其系统行为的结果;如果能力不足以抢到电子, 那么跳起来抢, 一旦把电子抱到后就立刻飞走 (脱离系统) , 则就是根据平衡移动和熵增原理在工业上由钠制备钾的做法;如果金属离子有多种途径抢得电子还原成单质, 则需要在反应条件、效率、环境等方面衡量和比较, 找到最佳生产方式;扔和抢的能力越强, 反应自发进行的程度就越大;如果在食品或药品中加入还原剂去抢得氧气的电子, 则可以延长保质期, 但是过量的添加剂对人体健康又是有害的。从这个系统的角度看, 就会发现化学反应变得有序而有趣, 化学反应的发生既是具体物质性质的使然, 又是该物质存在于系统中的系统行为的必然结果, 对化学反应的认识, 也不再是局限于反应本身, 而是放在了与自然界相互作用的关系中[8]。这样一种系统化的思考, 不仅有利于学生对化学知识体系的整体把握, 而且能够帮助他们在系统思考中发现有利于迁移的知识, 提升其对世界的整体认知和解决问题的能力。

3.碱金属单质及其化合物的系统化复习

在高中化学内容体系中, 碱金属单质及其化合物主要包括钠、氧化钠、过氧化钠、氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠。这些物质的性质及行为表现实际上都是受这个家族的本质特性———极强的活泼性影响的。钠活泼性非常强, 极易失去电子, 即使遇到得电子能力不是特别强的H, 钠也会把电子强行塞给它, 所以NaH表现出离子化合物的性质。当钠单质和氧气反应的时候, 如果给它提供了稍微温暖的条件加热, 则由于其极强的还原性, 就会把O2还原的面目全非, 所以产物就不再是普通的氧化物, 而是过氧化物。同样, 正因为其极强的还原性, 所以NaOH的碱性极强, 故称之为烧碱。至于碳酸钠和碳酸氢钠为什么会水解呈较强的碱性, 也是受这个强还原性影响的。这样, 可以使学生先看到这个家族的整体面貌, 理解其基本行为习性。然后在此基础上, 以核心物质Na2O2、Na2CO3和NaHCO3为实验探究点, 进入内部深入探究各物质的性质及用途, 并使性质与原理、结构水乳相融, 这样可以更好地帮助学生完善知识结构, 重建学科知识体系。这样一种“先见森林, 再见树木”的教学, 实际上就是将整个学科或一部分知识体系视作一个系统, 让学生先从整体上感知学科精神、学科面貌和学科特征, 然后再探究学科内部具体的知识和内容。这样便有利于学生既能综观全局, 又能重点突破, 学生所面对和掌握的东西也不再是支离破碎的, 而是彼此有着规律性联系。

上述几个例子仅仅是在教学内容方面做了些许系统化的研究, 它并不代表教学过程, 真实的教学过程是一个多维的、动态的系统, 只有系统中各要素有机结合才能发挥出系统的最大功效。

参考文献

[1]彼得·圣吉.第五项修炼.张成林, 译.北京:中信出版社, 2009.

[2]苗东升.论系统思维 (二) :从整体上认识和解决问题.系统辩证学学报, 2004 (10) .

[3]项贤明.高中课改宜尊重高中的特殊性.中国教育报, 2012-03-24.

[4]张新宇.化学教科书中元素知识的系统研究.上海:华东师范大学出版社, 2009.

[5]马永平, 杨承印.教学情景中的化学系统结构探析.化学教育, 2003 (9) .

[6]毕华林.化学基本观念的内涵及其教学价值.中学化学教学参考, 2011 (6) .

[7]朱立峰.化学系统思维能力:内涵与范例.教育研究与评论, 2011 (8) .

化学振荡反应微机自动测试系统 篇5

本文介绍了化学振荡反应微机自动测试系统的设计及功能.该测试系统硬件包含四大模块:温度测试和显示模块、化学振荡反应的振荡周期测试和显示模块、电压测试模块、数据上传到计算机的通信模块,系统也可以脱离计算机独立使用.下位机软件采用汇编语言编写,上位机用Visual Basic 6.0语言编写.该测量系统可对化学振荡反应实验全过程的数据进行采集和测量,具有使用方便,设计新颖,实验数据稳定,现象直观等特点.

作 者：梁燕萍 张昌民 贾剑平唐山  作者单位：西安电子科技大学理学院,陕西,西安,710071 刊 名：计算机与应用化学  ISTIC PKU英文刊名：COMPUTERS AND APPLIED CHEMISTRY 年，卷(期)： 21(5) 分类号：O64 关键词：化学振荡反应   测量系统   数据采集  

电化学系统 篇6

一、隐含知识系统的化学案例

在现行高中化学教材中，有这样一个隐含知识体系——“相同的反应物由于其不同的反应条件，导致产物不同”。如在有机化学课程中可看到以下情景。

这在“元素及其化合物”的知识点中随处可见，但它是以零碎、分散的形式呈现出来的。在以往的教学过程中，教师往往采用“各个击破”的教学手段来处理之。具体而言，就是由教师挖掘这方面的知识，将其进行系统化整理，通过“举一反三”的手段，将其隐含的规律和解题技巧传授给学生，最后再来一个“综合”，即“反三归一”的环节，使知识脉络更加清晰化。

此教学模式虽在以往的教学过程中取得了一定效果，但还是有相当一部分学生反映这些知识不好记忆、不好理解，遇到相应问题或题目更无从下手。可见，该传统教学模式虽对基础知识、基本技能的掌握有积极的一面，但却不利于学生创新精神和实践能力的培养。

二、隐含知识系统的教学实践

鉴上述问题，本人以教育学、心理学和建构主义等理论为基础，构建了《相同反应物不同反应》这一隐含知识系统的教学模式，分为以下五个阶段。

第一阶段，通过小专题的探究，激发学生的探究欲望。

此阶段，教师要研究和诊断学生的先入之见，对学生已有知识经验和教材作全面科学的分析，深入挖掘教材中所蕴涵的能力价值和情感价值，找出能建立广泛联系、迁移性强、活化率高的知识点，创设有利于激发学生学习兴趣和动机的问题程序。

第二阶段，通过课题小组活动，构建学生的认知结构。

课题小组活动是该教学模式实施的核心，由以下要素构成。

①组建学习小组，按照学生学习兴趣、能力、态度、男女比例等分成若干学习小组，明确学习目标；

②发现问题（隐含知识系统），在小组内编制学习目标，发现生成问题，在该过程中，教师要对学生的选题进行指导，防止课题过偏过大。

③合作探究步骤中，组员要自主研究，讨论分享，合作展示。

④在教师的指导下，进行总结梳理，形成专题小论文的形式，巩固成果。

组建化学课题小组、引导学生自主研究以及学生之间的协作学习，都充分发挥了学生的主体作用，使学生成为真正意义上的主动建构者。在此过程中，教师应遵循建构主义的自上而下原则，将《相同反应物不同反应》这一隐含系统问题进行整体呈现，让学生尝试解决问题。而学生要自己去发现完成该整体任务所需的各种知识技能，要思考如何进行分工协作、制订实施方案；学生还要明白：要顺利完成该课题，需查阅哪些资料，从资料中获取哪些信息；需要做哪些实验，实验需要哪些药品和器材等。学生之间通过讨论，相互启发，不仅获得了知识，而且创新能力和团队精神也得到了强化。

第三阶段，教师进行阶段性归纳小结。

建构主义认为，“意义建构”是学习过程的最终目标，学生在自主学习和探究过程中构建的认知结构，是由教材、资料、实验等通过主体思考，并经内化而逐渐形成的，达不到“系统化”的高度，它需要教师在学生研究的基础上，即学生积累了大量的感观知识后，及时进行归纳总结。在归纳总结时，不仅要注意拓宽学生的知识面，即“举一反三”的教学，还应该在此基础上来一个“反三归一”的环节，使知识更加清晰化、系统化，从而体现教师的主导作用。

对于《相同反应物不同反应》这一课题，本人主要从以下专题进行分析归纳和提升。

①运用内因和外因的辩证关系来归纳反应：一是温度不同产物不同；二是浓度不同产物不同；三是物质的量不同产物不同。

②通过化学方程式的分与合的讲解，来理解同一体系不同反应的实质。

③从图像的角度来讨论反应。

④从定量的角度来理解反应，并介绍有关解题方法和技巧。

第四阶段，构建该隐含知识系统的知识网络。

经过以上三个环节后，教师应积极引导学生进行归纳小结，使知识迁移后升华为学生的能力。通过举行化学小论文比赛、化学实验设计等竞赛活动，使学生建构起“横成片、纵成线”的立体结构网络。

总之，该教学模式在高中化学教学中的运用是一种有益的尝试，在实施素质教育的今天是很有生命力的。目前该模式（或者说是教学设计方案）仍处于实验的初级探索阶段，要使之更加完善更加科学，在发展的过程中，我们还有许多工作要做。特别是对教师教育观念的更新、知识水平和能力的提高、教学理论水平的升级等方面，都提出了较高的要求。就我们的实验过程而言，下一步我们急需做的工作是：建立一个多元的、定性与定量相结合的、有利于推进本教学模式实施的相应评价体系。

浅谈化学教学系统的设计 篇7

(1) 要熟练地掌握教材。教材是课堂教学的主要依据, 教师只有对教材的高度稔熟, 对教材相关的知识点做到博学精通, 心中有数, 以及注意对教材内容的前后联系, 这样才能回答和处理学生就教材内容提出的疑问, 也才能就教学情况变换教学方法。例如, 教学中经常出现这样的情况:教师提出一个问题, 学生一时答不上来, 卡壳了, 怎么办?或放缓思考的坡度, 或化难为易, 或变换角度等。这些都必须熟悉教材才能办到。

(2) 要熟悉学生情况。教师在上课前必须通过各种渠道了解学生的知识能力、兴趣爱好、课外阅读等方面的情况, 把握学生的思维动向。对同一个问题, 由于每个学生知识基础和思考的角度不同, 会有不同的看法。这就要求教师要注意把握学生思维的脉搏, 关注学生认识发展的动向。

(3) 要充分备课。备课实际上是在脑海里活现上课情景, 既要把讲课的内容、方法、步骤仔细推敲、揣摩, 又要在头脑中装着学生, 形成一个在脑海中上课的过程。例如, 当教师讲到某个地方, 学生会提出什么疑问, 教师如何作答;教师提出某个问题, 学生会怎样回答, 一般有几种答案, 教师怎样引导, 最后该怎样归纳等等。如果在备课过程中多从学生方面考虑, 会有利于提高教师的应变能力。

(4) 对演示实验有充分的准备。演示实验是化学课堂教学非常重要的一个环节, 演示实验的成功与否将直接影响教学进度和教学效果, 这就要求教师必须对所演示实验的目的要求、仪器装置、所用试剂、溶液浓度、实验用品等做到心中有数, 准确无误, 并从实验效果的直观性强、实验简易快捷以及确保实验安全等前提下做好预备实验。

(5) 加强学习, 不断扩大知识面。“知识就是力量”, “巧妇难为无米之炊”。任何一种能力的形成, 都是以一定的知识作为前提条件的。因为只有加强学习, 不断扩充知识面, 具有广泛的知识, 才能对学生进行解惑, 随机应变地处理课堂教学中发生的问题。

课堂教学是提高教学质量的关键所在。要课堂教学达到更好的效果, 教师要不断提高自身的素质, 更要搞好教学系统的设计, 即看教师的教学目标、教学方法和手段, 教学过程中教与学的双边活动的构思和安排是否达到最优化。

电厂化学水处理系统的优化设计 篇8

关键词：电厂,化学水处理系统,优化设计

引言

在电厂控制系统中使用标准化、开放的工业以太网功能将不同厂家的控制系统连接起来已成为一种技术发展的必然, 控制方式由原来的分散控制逐渐发展为集中控制。由于PLC具有体积小, 抗干扰能力强, 组态灵活等优点已成为火力发电厂控制系统中主要应用系统。

1 电厂化学水处理系统介绍

1.1 电厂化学水处理系统分类

电厂化学水处理系统一般按照系统的功能进行分类, 其中包括:来水预处理、凝结水精处理、汽水取样监测分析、炉内加药系统、综合的水泵房、反渗透预脱盐、循环水加氯、锅炉补给水处理、废水及污水处理等子系统。

1.2 电厂化学水处理系统存在问题

从电厂的化学水处理控制系统运行状况分析, 主要存在以下特点及问题:

(1) 无论是继电器还是PLC的控制系统, 其位置都处在较为分散的状态, 不容易进行集中控制。

(2) 无论是哪种系统, 都保留着多个化学水处理的运行值班岗位, 但由于岗位太多会出现监管不到位的问题, 易造成事故的发生。

(3) 运行的工作量较大, 巡检点过多, 增加了劳动成本。

(4) 化学仪表管理水平处在落后状态, 不能及时有效的标定表计, 造成表计测量不准确。

(5) 子系统较多, 设备繁杂, 控制系统的备品备件种类过多, 资金积压比较严重, 人员技术水平差异不等。

(6) 控制不精细, 制水及加药成本过高。

(7) 控制工艺技术不完善, 机械自动化水平不高, 自动干预能力不强。

2 电厂化学水处理系统的PLC设计

2.1 可编程控制器的基本特征

从整体上来看, 可编程控制器其自身的主要特点概括来讲主要是以下几个:

(1) 机型的系列化。

(2) 采用的是多个处理器来进行使用。

(3) 具有较强的存储的能力。

(4) 具有强大的输入以及输出的接口。

(5) 其功能都很强大, 同时都采用了智能的外围接口。

(6) 方便实现网络化, 能过实时进行监控。

(7) 紧凑型高、可靠性强、保密性好的特点。

(8) 在进行编程的过程中, 选用的编程语言较为通俗易懂。

PLC系统的运行流程:当工艺参数、阀门开关及设备运行状况在PLC中被设置后, PLC利用组态中的驱动实现与上位机的通讯;上位机在获得现场数据后对现场设备的运行状况进行监控;操作者根据状态参数利用键盘或鼠标实现设备的控制;PLC在接到指令后按照程序完成逻辑运算, 将结果在输出模块中送出, 利用输出信号实现设备的控制, 进而达到系统的正常运行。

可编工业程控制器的特点决定了系统比较容易与工业的控制系统相互组成一个新的整体, 其自身的机型在系列化的特点可以使得用户有余地的去选择自身所需要的型号, 而且可以对可编程控制器的功能进行扩充, 方便现场技术人员能够及时根据现场实际情况修改工艺流程, 进而优化整体系统。

2.2 化学水处理监控系统

在进行化学水处理工艺流程的控制过程中, 其操作台上所进行操作的时候, 需要根据现场实际情况进行实时监控, 并且去完成如下工作:

(1) 通过化学水处理系统的工艺模拟的流程显示和实时运行操作。

(2) 通过化学水处理系统预处理工艺模拟流程的显示和设备运行操作。

(3) 通过化学水处理系统预处理过程, 在进行供电时保证模拟的画面的显示和设备实时操作。

(4) 根据化学水处理系统流程显示主要的工艺参数, 并能够及时汇总在报表中。

(5) 根据化学水处理系统流程将报警汇总在记录中进行显示。

2.3 化学水处理PLC系统应用要求

PLC系统在化学水处理系统中主要是为了更好的监视和控制整个电厂中的化学水的处理流程和整个系统的设备运行, 便于监控整个化学水处理系统的正常运行。有关水处理的系统在工艺流程上的控制、各种闸门以及相关的阀门的控制、水泵的启/停控制、化学水的处理过程的控制等等, 都属于计算机的监控系统所能检测到的是否正常或者异常的状态, 以保证系统能够进行安全高效的运行。

2.4 解决的相关技术关键以及主要的创新点

2.4.1 项目的技术关键

项目的技术关键主要是通过PLC系统便于集中控制来实现电厂中化学水处理的自动监控, 开发出相关的控制软件, 实现系统的自动化。

2.4.2 系统的创新点

系统的创新点主要是将所有操作以及数据的监视都在一台计算机中进行, 实现了电厂所有水处理 (含污水处理、加药处理等) 系统的集中控制, 将所有设备控制集中在几个画面上, 根据每个子系统运行的需求, 启停不同的设备来配合完成整体流程的运行, 在有效的缩短了工艺调整时间之后, 让工艺过程在最佳的经济点上进行运行。

2.5 系统中所存在问题的改进意见

将PLC系统及时进行软硬件的更新, 通过对卡件的及时更换, 可以提高系统的运行速度, 提升阀门、水泵、温度元器件、流量等的反馈时间, 达到精细化运行。不断优化系统的运行方式, 将手动控制全部改造为自动控制, 进行反馈信号与输出信号的迟滞时间优化, 将迟滞时间进一步压缩, 增强误操作的反应时间。加强技术人员的现场培训, 在更新硬件后及时对相应软件进行优化, 保证技术人员的水平不断提高。

3 结束语

在使用PLC的系统之后, 化学水处理系统运行稳定可靠, 在通信数据时, 可以处于准确及时的状态中, 有效的提高设备的规范化管理, 并且大大提高了工作的效率, 将PLC系统作为其中央的处理的单元, 有效实现了系统的远程监控模式、手动以及自动的控制等等多种功能。

参考文献

[1]原铭良, 宗学军, 何戡, 等.电厂化学水处理控制系统中PLC控制系统设计与预测控制研究[J].自动化与信息工程, 2012, 4:35-39+42.

化学成分传输系统的改造和完善 篇9

关键词：Windows API函数,串口采集,VisualStudio2005,多线程设计

在炼钢生产过程中, 炉前操作人员能及时、准确获得钢水成分数据信息至关重要。安钢第一炼轧厂炼钢区成分采集传输采用北京五环仪器仪表厂的连机传输系统 (以下简称五环系统) 。该系统将光谱仪的成分数据通过无线方式传输到现场各个岗位。由于现场环境恶劣、电磁干扰等因素影响, 成分数据出现丢失现象;设备老化、损坏增加了维护难度和维护成本。2008年第一炼轧厂炼钢物流跟踪系统建设完成, 物流系统使用的以太网络联通了各个工位, 同时联通了办公网络。办公系统要求共享生产过程中的成分数据, 对以前的成分传输系统提出了新的要求。经过分析, 决定依托以太网络, 开发新的成分采集、传输系统。新系统投用以来, 运行稳定, 使用效果理想, 取得了良好的经济效益。

1 五环系统的系统构成

(1) 硬件构成:在化验室里使用一台数据采集电脑采集光谱仪成分数据, 一台远程通信转换器通过串口连接到数据采集电脑接收要发送的成分数据、一台信号驱动器和一台信号发射机上负责将数据传输出去;在各个操作岗位安装一台无线接收机和一台显示电脑用于接收并显示成分数据。

(2) 系统流程:成分数据由光谱仪进入采集电脑, 如果需要修正, 操作人员可以通过键盘进行核对和修正;当确认无误后, 成分数据通过无线发射机以同步串行方式发射出去, 各个工位的无线接收器接收到信号后, 在当地主机上自动显示。如不需修正, 数据采集电脑可设置为自动状态, 数据经通讯口直接送至现场。在数据发送的同时数据处理机自动留下原始记录。

2 系统存在的问题

(1) 该系统采用无线方式传输, 由于现场环境恶劣、特别是电磁干扰的影响, 成分数据在传输中出现丢失的情况。

(2) 由于长时间使用, 设备开始出现老化、损坏的情况, 增加了维护难度和成本。

(3) 办公系统要求共享成分数据, 该系统每增加一个成分查看点, 需要增加一台无线接收设备和一台显示电脑, 设备成本太高。

3 系统改造的基础

(1) 第一炼轧厂2008年炼钢物流跟踪系统建成, 生产网覆盖生产现场, 生产网和办公网在中心通讯机房通过路由器联通, 两个化验室也可以连入生产网, 现有网络为系统改造提供了链路基础。

(2) 物流跟踪系统在各个工位的电脑可以实时、准确地显示各种生产数据, 成分数据也可以无缝集成到该系统中, 为系统改造提供了软件基础。

(3) 物流跟踪系统的使用oracle10G数据库, 可以作为成分数据的保存地。

4 系统改造的过程

4.1 硬件改造

(1) 原数据采集电脑的硬件配置为P42.4G的CPU、256M的内存、40G的硬盘, 按照新系统硬件要求, 只需将内存升级为1G, 该电脑仍然可以当作新的数据采集电脑。

(2) 使用串口线将数据采集电脑和光谱仪操作电脑连接, 使用双绞线将数据采集电脑连入生产网。

(3) 设定数据采集电脑IP地址为生产网段内的IP, 完成网络的连接。

4.2 新的系统流程

(1) 数据采集电脑使用新的采集程序通过串口采集、分解成分数据, 将数据保存到物流系统的Oracle数据库系统中。

(2) 炼钢物流系统采用了B/S方式适时显示生产情况, 修改物流系统的网页, 将成分数据无缝集成到物流实时画面中, 同时提供成分数据的查询功能。

(3) 新的系统流程图如下:

4.3 软件改造

(1) 数据采集电脑操作系统采用更稳定的WinXP操作系统, 安装Oracle10G客户端, 安装.NET2.0支持。

(2) 本厂技术人员使用VisualStudio2005开发C++版成分采集软件。新的软件自动运行, 不影响光谱仪的正常运行, 画面可以隐藏, 不占用桌面空间, 提供铃声提醒, 保证工作人员不漏发、多发成分数据。

(3) 新程序分为两部分:采集和分解。采集部分采集到成分数据后适时显示, 响铃, 提醒工作人员该成分已经保存, 同时触发分解程序。分解程序受到触发后, 将采集到的成分块按照规则分解, 保存至数据库成分表中, 分解程序不影响采集程序的运行。

(4) 成分发布主要与炼钢物流系统结合。炼钢物流发布系统采用B/S模式, 成分发布集成到炼钢物流系统中。在各工位适时显示当前炉的成分数据, 在明显查询中提供成分数据的查询、导出。在物流系统中设置各钢种的不同成分的上下限, 在各个工位显示当前炉的成分数据时, 如果成分超出上下限, 则以不同的颜色提醒现场操作人员注意。

5 成分自动采集程序主要代码介绍

成分采集电脑通过串口连接光谱仪操作电脑, 采集程序使用VisualStudio2005编写C++版, 串口编程基于Windows API (Application Program Interface用户程序接口) 函数, 配合Win32的重叠I/O操作和多线程设计。

(1) 系统启动后首先初始化串口, 接着启动线程监控串口。

(2) 在串口线程中提供了对串口数据的读和写。

UINT CSerialPort::CommThread (LPVOID pParam) //在该线程中提供串口的读数据和写数据

(3) 一台采集电脑连接多个光谱仪设备, 根据不同串口号进行不同的设备处理, 这里以4460为例说明如何进行采集。

(4) 串口检测到直读光谱Air 4460的设备请求数据数据, 首先返回一个应答, 然后开始接受数据。数据接受完成就对数据按照格式进行分解, 保存到数据库。

6 结语

新系统经过一段时间的运行, 运行正常, 达到了改造的目的。系统改造完成后, 成分数据由无线网络改有线以太网, 数据丢失的情况不再出现, 全厂联网电脑可以通过物流网页查看成分数据。

维护的设备由原来的一整套五环设备减少到一台电脑, 降低了设备维护成本和维护难度。

在系统改造中我们依托现有资源, 自己开发程序实现数据采集, 在不增加成本的基础上实现了成分数据在全厂的共享, 为公司降本增效做出了贡献。

参考文献

[1]丁世峰等编著.C#2.0实用开发详解.2008, 1

[2]黄泽建, 林君.基于API的串行口通讯软件设计[J].吉林大学学报, 2002 (12)

分析化学实验网络考试系统的构建 篇10

一、化学实验网络考试系统的的设计策略

1. 传统的分析化学实验考试之弊端

首先由老师根据本学期所学知识命题,然后进入实验室在实验柜台里找出所需的器材、药品等,在老师的监考下进行实验操作。由于学生多、老师少,老师与学生不可能一对一,从而老师的不可能把学生的每一步操作都看清楚。作为学生也许会因老师在旁边产生紧张感,影响到考试操作的表现。除此之外,在考试过程中也许损坏到实验器材以及使用药品造成污染。

2. 分析化学实验网络考试的构想

根据传统考试的不足,结合社会网络科学技术,我们可以构想分析化学实验网络考试。在网络平台上创建分析化学实验考试系统,其中包括虚拟的分析实验室 ( 通过配备一定数量的计算机及虚拟实验软件,从而可以在计算机上进行各种相关实验设计与测试) 、虚拟实验仪器 ( 利用现有的计算机相应的硬件和专用软件,形成既有普通仪器的基本功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器) 、虚拟实验( 利用鼠标的点击、拖动、将微机上虚拟的各种仪器,按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统,同时在这个系统上完成整个实验) 、分析化学实验考试题库 ( 其中包括学生所学实验而提炼出来自动组成的考试试题) 、评分系统。当学生通过相应的Web页面登录进入管理系统或分析化学实验考试系统时,打开界面考试题库选择题目后通过虚拟实验及虚拟仪器进行考试。考试完成后学生即可看到成绩和在操作过程中的问题,从而帮助学生及时地改正和提高。

二、分析化学实验网络考试系统的构建

1. 实验考试系统组织形式

考试系统采用WWW网站形式,进入分析化学实验考试系统。教师和学生可分别通过相应的Web页面登录进入管理系统或实验考试系统。

2. 试题库建立

考试系统建立在试题库之上,试题库涵盖分析化学的操作和理论。操作包括实验基本原理、实验操作要领、实验设备仪器性能及使用方法、数据处理方法、实验技能技巧等相关的题目。理论包括基本概念、操作过程中注意事项、仪器使用方法等。题目内容注重实际操作和使用技巧,内容来源于分析化学实验课本或者是实验的引申,这就要求学生有一定的实验经验积累,学生使用的成套考试试题随机产生,加入智能化的干预条件,使每套试题难度相当,内容各异。

三、化学实验网络考试系统的功能特点

( 1) 具备虚拟的分析实验室、虚拟仪器、虚拟实验等多媒体信息的传输和显示,完全适用于化学实验考试 ( 其中操作和理论考试) 。

( 2) 采用实验网络考试使得考试形式多样化。如考试时间可统一也可不统一,考试地点可集中也可分散等。

( 3) 只要学校条件允许可支持大规模的考试,一个或多个班级同时进行。

( 4) 易于操作和使用。教师和考生只要具备使用Web浏览器的常识,就能够熟练使用该平台。

总之,在现代教育技术发展的猛烈势头下,进行网络考试是一个有益的尝试,分析化学实验是化学专业中最基础的学科之一,操作基础且简单以及仪器设备也较少易于建立网络考试系统。对于构建节约型和开放型实验考试系统以及教育的发展具有深远的意义。

摘要：本文介绍了分析化学实验网络考试系统的设计策略,以及该系统的体系结构和功能特点。该网络考试系统不仅能满足网络实验考试系统的要求,而且能促进教师的教和学生的学,提高教师的工作效率以及学生的考试积极性,同时也使得分析实验考试更具灵活性。

电化学系统 篇11

新课程标准下的中学化学教学，对化学教师的基本技能和专业知识提出了更高的要求。以培养合格中学化学教师为目的的中学化学教学法课程的培养目标也应随之调整，不仅要教给师范生化学教育教学的理论和方法、与新课程一致的教学理念，还应让他们具备系统的、完整的化学学科专业知识体系，方能使师范生在走上工作岗位后，在化学教学中以学科知识为良好载体，在课堂中顺利开展探究式教学，实现学生的全面发展。现有的中学化学教法课程设置中，化学教学论模块注重化学教学的理论和方法的传授，中学化学教学技能训练模块注重课堂的教学技能及化学学科知识的系统化，但由于教学内容相对于教学课时容量过大，学生在学习的过程中更多地关注教育教学理论和方法在课堂教学的应用而忽视了构建自身化学学科知识的网络体系，进入教育实习环节后，只能进行知识点的简单呈现，不能用化学思维方式系统地引导学生讲理清知识的来胧去脉，将化学这门逻辑性很强的自然科学当作文科来处理，降低了化学教育的效果。

为有效解决师范生在实习过程中存在上述问题，有必要对师范生化学学科知识系统性、完整性情况进行调查研究，并以此为依据优化中学化学教学法课程，找到达成中学化学教学法课程培养目标的有效途径。

调查方法及过程

化学是一门研究物质的组成、结构、性质、变化规律及用途的重要的自然科学。从整个中学化学课程的设置来看，有物质的组成和构成、物质的性质、化学用语、化学实验、化学计算等几大部分，每一部分都独立成为一个小体系。作为一名合格的化学师范毕业生，必须熟悉中学化学课程中化学知识的分类情况，并能清楚地理出每类知识的网络结构。

本次调查采用问卷的方式，根据中学化学课程的设置情况，设计了七道具有代表性的陈述性问题来对临近毕业的师范生进行化学学科专业知识系统性、完整性调查（调查问题见下节：问卷调查结果统计及分析）。调查对象为西安文理学院化学与化工系2011届化学教育专业学生。

问卷的发放回收情况如下：向2011届学生发放问卷37份，回收37份，有效问卷37份，无效问卷0份。答卷方式为闭卷考试形式，真实有效。

问卷调查结果统计及分析

第1题. 从化学的研究对象来看，中学化学知识分为哪几个模块？之间有什么联系？用简单明了的方式表达出来。

设置此问题目的有二：一是了解师范生能否站在教学的宏观角度认识化学的研究对象，二是通过调查师范生对各个模块之间关系的认识了解他们对知识系统化的情况。

参考答案： 物质的组成、结构、性质（变化规律）、用途四大模块。

统计结果见表1:

结果分析：被调查的37名学生中，其中仅10.8 % 完全正确，2.7%答出了物质的结构、物质的性质这两个模块，并能够指出其结构决定性质、性质可以反推出物质的结构，56.8%的答非所问，29.7%对此题没有做出任何回答，即86.5%的学生完全不能站在教学的宏观角度认识化学的研究对象，更谈不上其专业知识的系统性及完整性。

第2题 请用网络图形式试着画出元素、原子、分子、质子、中子、电子、原子核、离子、单质、化合物等概念之间的关系。

设置此题的目的在于考查师范生对元素、原子、分子、质子、中子、电子、原子核、离子、单质、化合物等概念之间的关系，从而了解组成及结构方面知识的系统性和完整性。

参考答案：

统计结果见表 2：

结果分析：被调查的 37人中，56.8% 回答正确，在物质的组成及结构知识方面具有很好的系统性和完整性；32.4% 系统性部分缺失而不完整， 表现为绘出的知识网络不能将所有的概念放在适当的位置，或者画出几个小的网络图却无法将之合并成一个整体；10.8 % 答案空缺，说明他们完全不具备组成及结构方面知识的系统性和完整性。

第3题. 请用网络图形式试着画出纯净物、混合物、单质、化合物、酸、碱、盐、非金属单质、金属单质、金属氧化物和非金属氧化物之间的关系。

设置此题旨在考查师范生宏观物质分类方面知识的系统性和完整性。

参考答案：

统计结果见表3：

结果分析：被调查的37 人中，回答完全的占86.5%，答案不完整只有1人，仅占2.7% ，答案空缺的占 10.8% 没有做出任何回答。此题的调查结果显示，绝大数师范生宏观物质分类方面知识的系统性和完整性很好。

第4题. 请找出元素、纯净物、化学反应、元素符号、化学式和化学方程式之间的联系并用网络图形式试着画出来。

设置此题目的在于考查化学用语知识的系统性和完整性。

参考答案：

统计结果见表4：

结果分析：被调查的37 人中，有16.2% 完整且系统地画出了元素、纯净物、化学反应、元素符号、化学式和化学方程式之间的联系；59.5% 的网络图不完整，系统性不好且存在逻辑性错误。其回答如图1所示：

第5题. 请用网络图形式试着列出烷烃、烯烃、炔烃、卤代烃、醇、醛、酸和酯之间的变化关系。

设置此题是考察师范生有机化合物知识的系统性和完整性。

参考答案：

统计结果见表5:

结果分析：被调查的37人中，35.1% 完整且系统地画出了烷烃、烯烃、炔烃、卤代烃、醇、醛、酸和酯之间的转化体系； 54.1%完整性和系统性不全面，回答如图4 及图5所示：

第6题. 请说出实验室制取气体的一般思路。

设置此题的目的在于考察师范生是否将气体的发生原理与气体的发生装置、收集方法、检验方法及尾气处理与气体的性质整合为一个有机的系统。

参考答案：一般思路：依据反应原理选择发生装置，依据气体典型化学性质检验气体，依据气体物理性质选择收集方法，依据气体化学性质选择尾气处理方法。

统计结果见表6：

结果分析：被调查的37 人中，仅有24.3%能够系统且完整地阐述制取气体的一般思路，66.2%只能回答出部分思路，系统性不完整，回答如图8、9所示：

第7题. 请用最简单明了的方式指出物质的量（n）与物质摩尔质量（M）、阿佛加德罗常数（NA）、气体摩尔体积（Vm）之间的关系。[提示：表达过程中还要用到质量m，气体体积V，微粒数N]

设置此题目的在于考察师范生是否系统、完整地把握了微观粒子数与宏观物质的质量、体积之间的相互关系。

参考答案：

统计结果见表7：

结果分析：被调查的37人中，67.6%答案完全正确； 16.2%答案不全面，体现在知识点显现不全、知识点衔接不上，说明学生没有将这部分知识系统化。

统计结果显大部分师范生对知识点的把握比较到位。在中学化学教学法课程实施过程中如果有意识地从知识的系统性、完整性方面加以引导，一定可以弥补师范生这方面的欠缺。

反 思

尽管化学教学论注重化学教学的理论和方法的传授、中学化学教学技能训练注重课堂的教学技能及化学学科知识的系统化，但教与学两方面均忽视师范生化学专业知识系统化的加强。教师方面认为学生经过中考、高考两轮选拔，关于中学化学知识还是具有一定的系统性和完整性，学生方面由于教学内容相对于教学课时容量过大，学生在学习的过程中更多地关注教育教学理论和方法在课堂教学的应用而忽视了构建自身化学学科知识的网络体系。所以，在以后的教学中，教师应引导学生在学习教育教学理论方法、课堂教学技能的同时，将自身已经拥有的化学知识进行重新建构，形成系统的网络化知识体系。

参考文献：

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[3]江琳才.义务教育课程标准实验教科书九年级 (下册)[M]. 第二版. 广州： 广东教育出版社，2006.

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[5]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书 化学 必修2[M]. 第二版. 北京：人民教育出版社，2007.

[6]宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修1[M]. 第二版.北京：人民教育出版社，2007.

[7]宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修2[M]. 第二版. 北京：人民教育出版社，2007.

[8]宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修3[M]. 第二版. 北京：人民教育出版社，2007.

[9]宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修4[M]. 第二版. 北京：人民教育出版社，2007.

[10] 宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修5[M]. 第二版. 北京：人民教育出版社，2007.

[11]宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书 化学 选修6[M]. 第二版. 北京：人民教育出版社，2007.

[12]宋玲珍.教师职业素养的基本要求[J].科教纵横 河南科技，2009，12：22～23.

[13]何彩霞. 对化学教师学科知识结构的测评与思考[J]. 教育，2001，05：74～77.

电化学系统 篇12

此新型化学冷光源具有许多独特的优点, 拥有很大的应用前景:化学发光过程无火焰, 基本上无热辐射;可以完全地杜绝因电火花或放热引起火灾的可能性;不产生表观电流, 因而不出现电磁效应, 可以作为无电磁波干扰的电源;化学发光过程不受地域、环境和气候条件的限制, 是一种方便的无污染光源, 用于水下及腐蚀性环境中, 可以制成任意形状;可以通过成分选择和调节, 使发光强度, 持续时间 (几小时～几十个小时) 和颜色 (从紫到红的整个可见光范围) 满足特殊的需要。另外, 这种体系还具有发光效率高、强度大、寿命长的特点, 具有其他光源无法比拟的能量转换效率。美国和日本在激烈的科技较量中竞相开发化学冷光产品, 而且有部分的产品在80年代中期开始投放市场。我国也有专门的厂家生产同类的产品。

最初, 化学光源只是在军事活动中使用, 美国军队就曾在1990年爆发的海湾战争中将化学光源用于夜间的照明和联络信号。海军救生设备上使用的冷光棒可在一海里之外能够看得见。在美国, 各种航艇飞机上的救生背心都规定必备这种识别灯源。由于这种光源具有密封性好、不怕水、体积小、重量轻、安全可靠等优点, 近年来逐步进入民用市场。用于森林、草原、沙漠等地的信号或照明, 煤矿、油田等易燃、易爆的危险场所作为安全光源, 水下诱鱼、野外作业、野营、文娱活动等电源突断时紧急照明, 在各种文娱活动中制成发光手镯、项圈、耳坠及发光棒以渲染现场气氛等等。

1化学发光的理论研究

由于化学发光反应的中间体活性较高、寿命短, 无法直接获得检测, 草酸酯的化学发光研究走过了40多年的历史, 人们对该反应的机理依然有着不同的猜想。普遍认为的发光机理是[1]:过氧化氢对草酸酯的羰基亲核进攻, 生成双氧基环状中间体二氧杂环丁二酮, 中间体分解将能量传递给受体荧光分子, 使之处于激发状态, 这种激发态分子从激发单重态回到基态, 释放出光子即发出荧光。化学发光反应如下:

根据理论计算, 1kg的化学发光体 (浓度为5mol/L) 能够发出约4×105Lm·h的光能, 相当于40W的白炽灯连续两周发光量的总和[2]。

发光效率是评价一个化学发光反应体系性能的重要参数。1摩尔分子发生化学发光反应如能产生1摩尔光子则化学发光效率为100%。自然界中化学发光效率最高的是生物化学发光, 如萤火虫发光的化学发光效率高达88%。目前非生物化学发光中过氧草酸酯类发光效率最高, 约20%～30%[3]。过氧草酸酯类发光的效率是反应机理中各步骤产率的乘积, 可用下式表示:

化学发光效率=Y1×Y2×Y3

其中, Y1是双氧基环状中间体的产率, Y2是激发态荧光分子的产率, Y3是荧光剂的荧光量子产率[4]。

2化学光源的组成

化学光源典型结构一般由两部分构成:在一个透明或半透明的塑料容器中, 一部分盛有特定结构的草酸酯;另一部分盛有含少量催化剂的过氧化物溶液, 称为活化剂组分;适当浓度的荧光染料可以溶解在草酸酯溶液中, 也可以溶解在活化剂组分中。在两部分之间有一易裂的玻璃泡, 当受外力挤压或弯曲时, 玻璃泡破裂, 两部分溶液混合发生化学反应而生产光的辐射[5]。

如果荧光剂存在于草酸酯组分中, 那么草酸酯组分的溶剂必须溶解荧光剂, 过氧化物和催化剂。两种组分的溶剂可以不同, 但应该能够互溶。目前草酸酯组分的溶剂多选用邻苯二甲酸二丁酯, 活化剂组分的溶剂是邻苯二甲酸二甲酯或邻苯二甲酸二丁酯和叔丁醇的混合物。当溶剂不纯, 含有水分或其它杂质时, 会对草酸酯溶液的稳定性有影响, 使制备的冷光源保存期缩短。

根据化学发光效率公式, 显然草酸酯的反应性能 (与Y1有关) 是决定化学发光激发荧光效率的主要因素。因此目前对POCL化学发光效率的研究, 集中于双草酸酯和荧光剂等组分的合成。实用化的草酸酯多为双 (2, 4, 6-三氯苯基) 草酸酯及其同类化合物[6];荧光剂常选用较稳定的稠合线性共轭芳烃, 如9, 19-二苯乙炔基蒽及其取代衍生物等;过氧化物优选的是过氧化氢;催化剂为水杨酸钠之类具有碱性的物质, 其作用是促进双草酸酯水解反应, 生成高能中间体。

3系统环境对发光效率的影响

系统环境是指除发光体系基本组分外与发光系统发生作用的各种因素的总和, 亦即为系统提供输入或接受它输出的各种因素的总和;所有化学反应的进行与其所处的系统环境都是密切相关的。本方法中化学发光反应的进行, 除了与草酸酯﹑过氧化氢﹑荧光剂这些主要组分有关外, 还要受到系统环境的影响。

3.1溶剂的影响

3.1.1 溶剂化作用

首先, 溶剂对草酸酯的溶剂化作用 (与Y1有关) 对荧光剂的溶剂化作用 (与Y2和Y3有关) 以及对双氧基环状高能中间体的稳定作用 (与Y1和Y2有关) 是不容忽略的。邻苯二甲酸二丁酯对草酸酯组分溶解能力小, 为达到一定的发光时间 (溶解足够量的草酸酯, 一般为0.01～0.3mol/L) 需增加溶剂量, 这使得草酸酯组分的体积增大, 草酸酯有效浓度减小, 发光效率降低, 以及费用显著提高。

3.1.2 溶剂的类型

文献[7]曾考察了分别用乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二辛酯等3种溶剂溶解草酸酯组分的化学发光效率, 发现在乙酸乙酯中, 发光强度小, 发光持续时间短;在邻苯二甲酸二辛酯中, 发光时间最长, 但发光强度最弱;在邻苯二甲酸二丁酯中, 发光强度最高, 有效发光时间可达10h以上。这说明溶剂不仅影响草酸酯的发光效率, 而且对草酸酯的分解速度也有显著影响。

文献[8]使用取代喹吖啶酮荧光剂时发现, 改变喹吖啶酮的取代基可以增加其在化学发光溶剂中的溶解度, 改善发光效果, 增大发光强度。换言之, 溶剂对荧光剂的有效溶解也将提高发光效率。

选择利于双氧基环状高能中间体稳定存在的溶剂, 也将有利于 (2) 式和 (3) 式的进行。

由于草酸酯﹑荧光剂溶解性及与过氧化氢互溶性方面的原因, 过氧草酸酯化学发光体系一般采用邻苯二甲酸二甲酯或丁酯、叔丁醇等作为溶剂。在这些溶剂中荧光剂的荧光量子产率只有微小的差别。然而, 当溶剂中有水分或其它杂质时, 会对草酸酯溶液的稳定性有影响, 使制备的冷光源保存期缩短, 因此, 必须采用较纯的溶剂和其它添加剂[9]。

3.2催化剂和抑制剂的影响

3.2.1 催化剂

在双氧环状中间体的生成过程中, 碱对过氧化氢与草酸酯的初始亲核加成, 以及随后的取代苯酚基团的离去均有催化作用。一些弱碱, 如胺类、水杨酸碱金属盐、四丁铵基水杨酸等的加入, 均可增加发光强度, 同时提高量子产率, 但也会降低发光寿命[10]。实际使用时, 常用水杨酸钠作为催化剂。通过调节催化剂的加入浓度, 可以使长寿发弱光的体系转化为短寿发强光的体系。

3.2.2 抑制剂

相反, 一些有机强酸或酸酐的加入, 抑制了过氧化氢与草酸酯的亲核加成反应, 不利于生成稳定的双氧基环状高能中间体, 从而可以降低化学发光反应的速率, 使光能以较平稳的趋势长时间地释放, 这有利于提高光辐射的有效利用率。常用的一些有机酸及酸酐包括:均苯四酸酐、偏苯三酸酐、顺丁烯二酸酐、草酸、丙二酸、丁二酸和一些酚类物质[11]。通过调节抑制剂的加入浓度, 可以使短寿发强光的体系转变为长寿发弱光的体系。

3.3高分子聚合物的影响

(2) 式属于能量传递过程, 双氧基环状高能中间体有可能将能量传递给荧光剂分子, 也可能自行分解或与其他分子碰撞而损失能量 (转化为热能) 。传递给荧光剂分子的能量越多则Y2越大。Cyanamid公司报道[12], 少量水溶性高分子可提高化学发光的量子产率。相关文献报道[13], 加入适量的聚合物, 如聚苯乙烯能明显地增强化学发光强度。Yanagase[14,15]研究表明, 对于氧化发光体系, 加入适量玻璃纤维﹑石棉、沸石等物质可提高发光亮度。这说明系统黏度, 悬浊在系统中的阻隔弛豫分散质和胶体粒子存在, 关系到双氧基环状高能中间体与荧光剂分子间的能量传递, 在一定程度上防止双氧基环状高能中间体以及荧光剂激发态分子的无效碰撞造成动态淬灭。

3.4其它影响因素

化学发光反应体系的酸度、温度、极性、含水量等影响发光效率的其他因素, 在相关的报道中未见系统研究。而这方面的信息对于提高化学发光效率, 降低化学光源制作成本有重要影响。

4展望

近年来, 这种化学冷光源已日益流行于各大晚会和演唱会上, 以活跃现场气氛, 其市场需求正在不断扩大。在国外, 还发明了荧光棒棒糖和荧光面具[16,17]。而且由于它使用方便, 没有危险性, 是一种很好的应急光源。将应急光源与警报结合的紧急设施有利于人们在发生紧急情况时迅速逃生, 如地震、火灾等[18]。现阶段的研究方向应该是提高发光的寿命和强度以利于发挥更大的用途。长时间发亮的荧光棒可用于娱乐场合, 而高亮度的荧光棒可在一些不宜用电或没有电的地方应急用。因此, 该产品具有良好的开发前景。

摘要：介绍了化学光源的特点、组成及化学发光机理, 详细讨论了系统环境对化学发光效率的影响, 述评了相关研究的进展。