实验设计优化（共12篇）
实验设计优化 篇1
初中生物实验课是最受学生欢迎的课程, 也是学生踊跃参与, 充分发挥创造力的课程。但在实际教学过程中, 老师们却碰到很多实际问题。有的老师完全按照书本上的实验方案, 要求学生一步步地模仿操作过程, 结果常常造成“有探究之形, 无探究之实”的假探究现象;有些老师虽然也做了认真的教学设计, 可真正上课时, 总得不到学生的认可理解, 要么探究得太热闹, 要么探究得太安静, 结果一节课下来学生一无所获;还有些学校由于实验条件的限制, 干脆就不做试验了, 看现成的实验视频, 把结论直接告诉学生。这样的教学抑制了学生的创新思维发展, 不利于学生积极性的培养和科学素养的形成。生物学是实践性很强的一门自然学科。在实验教学过程中, 教师可以不拘泥于课本实验方案, 根据教学内容的需要, 优化实验设计, 充分发挥学生的主体作用, 让学生设计实验方法, 解决实验中出现的问题, 进而改进实验方案, 最后总结得出结论。这样的教学既调动了学生学习生物的积极性, 又提高了学生的科学素养。
一、培养实验兴趣, 激发创新技能
兴趣是最好的老师。生物实验是学生获取知识、培养能力的重要手段。初中生物教学中经常会遇到一些抽象的知识概念, 如果教师只是照本宣科, 那这样的生物课堂就变得枯燥而乏味。教师在实验教学中, 可以多设计一些有趣而简单的小活动, 调动学生参与实验的积极性, 从而提高学生学习效率。例如在讲初一“能量的释放和呼吸”这一节内容时, 由于学生以前从未涉及这么抽象的知识, 很多同学很难理解能量的释放和呼吸的关系。老师可让学生进行一个简单的小活动:全班同学先在安静的状态下测呼吸频率, 然后一起做迅速起蹲的动作后测呼吸频率, 最后休息几分钟后再次测呼吸频率。做完这个小活动之后, 接着提出几个问题: (1) 比较人体在3种状态下的呼吸频率是否有差别? (2) 这3种状态中哪种消耗的能量最多?消耗能量的多少与呼吸频率有什么关系? (3) 能量的释放与呼吸密切相关吗?通过这个活动学生很自然地回答了这些问题, 也很好地理解了呼吸和能量释放的关系。大家虽然做得气喘吁吁, 有点累了, 但积极性非常高。再比如上初一“鉴定食物的主要成分”课时, 教师可增加一个“验证食物里含有维生素C”的实验, 把一小份新鲜豆芽榨出汁液, 取2mL左右的汁液移入小烧杯, 加入芡粉, 搅拌均匀, 将碘酒逐滴加到豆芽汁中, 每加一滴就轻轻震荡, 碘酒与淀粉产生的蓝紫色立即消失, 当加到一定滴数后, 溶液变成紫色, 震荡后也不消失。虽然学生都知道维生素C, 但维生素C很抽象, 看不到摸不着, 同学们通过小实验活动轻松地理解了维生素C的特性, 摆脱以往硬灌式的教学模式, 化难为易, 化繁为简, 学生在快乐和笑声中完成了学习任务。
二、精心设置疑问, 培养学生问题意识
著名教育家朱熹说:“读书应无疑者, 先教有疑。”疑是创新的前提。在上实验课的开始几分钟, 学生对实验的内容或多或少地怀有好奇心和求知欲, 注意力也比较集中。老师就可抓住这一有利时机, 根据教学目的创设若干问题情境, 使学生积极思考探索, 从而满足学生的新奇感和求知欲。例如, 在“探究阳光在植物生长中的作用”时, 老师可先提出几个问题让学生来思考: (1) 为什么实验前要将绿叶在黑暗处放置一昼夜? (2) 为什么要对一片完整的叶片部分遮光? (3) 为什么要脱色?用水代替酒精脱色可以吗? (4) 为什么隔水加热酒精而不能用火直接加热酒精? (5) 绿叶在酒精中脱至什么颜色时, 停止加热?让学生带着问题去探究。这些问题对于学生来说有着很强的吸引力, 使学生对本实验产生了浓厚的兴趣, 从而很自然地、全身心地投入到探究实验中来。
三、改革课本实验方案, 培养学生创新思维
1. 把验证性实验改成探究性实验
虽然大家现在都在提倡生物探究实验, 可很多都是浮于表面的假探究。大部分学生做的还是验证性实验, 它虽具有很强的系统性、理论性, 有利于培养学生生物实验的基本操作技能, 但它不利于学生的思维能力、创新能力的培养。我在平时的教学中对书中部分验证性实验进行了一定的调整, 重新设计和增加一些探究性元素, 让学生通过提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论来完成探究学习。学生从探究实验过程中真正提高了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力, 也有利于学生在学习活动中主体地位的形成。例如上初一“鉴定食物的主要成分”的实验课, 教师完全不需要按书上的步骤要求学生完成鉴定淀粉、脂肪、蛋白质的实验, 而是可以课前在学生桌上准备好一些常见的食物 (面包、馒头、鸡蛋清、食用油、花生、核桃等) , 也可让学生把自己带的食物拿出来鉴定。教师可大胆地让学生合上书本, 小组合作自己想办法来鉴定食物的成分, 当然由于学生没有这方面的知识, 做起来会很盲目, 所以教师在学生探究前要给予一定的指导, 比如说淀粉遇碘会变蓝色, 蛋白质遇到高温会凝固成白色的固态物质, 脂肪能在纸张、布匹等上面留下“油斑”。这样学生明确了探究的方向和目标, 学生能很快地进入探究过程中。当然各小组学生探究的方法各不相同, 很多可能也是不正确的, 但教师不能完全地否定学生的探究过程, 而是要充分地让学生讨论, 改进探究方法, 最后得出结论。这样的教学能激起学生好奇心和求知欲望, 大大培养了学生的创新思维。
2. 改进书本实验方案, 使实验更加科学严谨
实验教学是生物教学的重要组成部分, 它能培养学生实践能力、创新能力, 能提高学生的生物科学素养。虽然初中生物的教材上给出了很多实验参考方案, 但在实际的实验操作过程中常常会碰到些细节性的问题, 在不影响探究目的的前提下, 对书上的一些实验方案进行了小小的改进, 使之更科学严谨, 更具实际操作性。例如“观察溶液浓度的大小对植物吸水的影响”的实验, 书上使用两根萝卜条来做实验的, 我做了一定的改进, 每小组用打孔器打出三根大小相同的萝卜条, 这样更具可比性和说服力, 其中一根萝卜条放在保鲜膜中包好, 以防止水分的流失, 另一根放在浓盐水中, 第三根放在清水中, 通过三根萝卜条的对比, 让学生理解浓度的大小对植物吸水、失水的影响。
四、制作简易模型, 使教学紧密联系生活
初中生物的有些知识是比较单调、枯燥、抽象的, 还有些生命现象比较难以描述, 或者由于专业性太强了很难在学生脑海中留下深刻印象, 导致学生没有真正理解生命现象, 知识点掌握不牢固, 那如何来解决这个问题呢?教师可以利用生活中的一些材料, 巧妙地制作简易模型, 使生物教学和生活紧密联系起来。用制作模型的办法来反映生命活动的现象和规律, 则其更容易被学生接受和理解, 有着事半功倍的作用。因此, 教师在课堂教学中应多出示模型来解释生物学知识, 从而提高教学效益, 促进学生思维的发展, 提高学生学习生物的能力。比如说讲关节的知识点, 教师可用两个硬纸板的空心圆棒 (例如保鲜膜用完剩下的硬纸板圆棒) , 把其中的一个圆棒的一端塞个小球使它鼓起来来模拟关节头, 另一根棒模拟关节窝, 再把两根棒用橡皮筋固定起来, 通过两根棒的活动来展示关节的活动。
总之, 在初中生物实验教学中, 教师既要遵循教材的理论知识, 把理论知识传授给学生, 又要在实验教学过程中不断地结合学生实际情况, 进行一些可行的创新调整, 以培养学生的科学素养。
实验设计优化 篇2
一、从化学新课程标准看化学实验教学的重要性 1.化学新课程标准关于初中化学实验的解读
“以实验为基础”是化学学科的基本特征。当今，化学实验仍然是化学学科发展的最现实、最生动、最有效的物质载体。从本质上看，这一过程与科学家进行的科学研究中的化学实验是一致的。化学实验能形象、生动、直观地产生化学问题，化学实验能对学生在科学探究中提出的猜想或假设进行验证；学生通过实验研究和认识物质，掌握化学基础知识和基本技能，初步学会化学研究的实验方法；在实验过程中学生积极地动脑动手，体验科学家科学探究的过程和方法，获得科学探究的乐趣和成功的喜悦。
2.中学化学实验教学的功能
中学化学实验教学具有以下四个方面的功能：
A.化学实验是最生动、最直观的教学手段，能提供丰富、典型的感性材料，通过比较、分类、分析、综合、抽象和概括等科学方法，帮助学生形成相应的的化学概念；
B.帮助学生巩固化学知识、深刻理解和掌握化学基础理论；
C.化学实验是一种特殊的学习实践活动，有助于操作技能的熟练和综合能力的培养；
D.实验探究是学习化学的重要形式，学生亲身体验科学探究过程，有助于培养学生严谨的认真的科学态度。
3.从多角度分析实验教学的重要性
化学实验是一项既动脑又动手的技能性学科活动，它不仅是对化学现象和规律的认知活动，还是对未知化学世界的探求活动。领会新课程，就必须充分重视化学实验教学。
（1）从认知角度，通过实验形成概念，得出规律，认识物质性质有利于人们更好地利用物质和改造物质。通过实验能使学生感受到真实的化学、有用的化学。
（2）从心理学角度看，著名化学家波义耳说：知识应该从实验中来，实验是最好的老师。从兴趣着手，热爱化学学习，同时多做实验能保持兴趣、激发兴趣，在愉快中活动，在活动中提升探究的欲望。真正做到“一丝惬意心中来”。（3）掌握实验技能，提升实验综合能力，为从事科学研究、工业生产等奠基。
（4）有利于培养学生的科学素质，激发思维培养能力，特别是通过探究实验，能培养学生创新精神实践能力。加强实验探究是当今课改学习核心知识、实践活动、培养创造力的活动形式。
二、高中中化学实验教学现状分析
实验教学中，演示实验多于学生实验，忽视学生积极主动参与，在对实验能力的培养方面存在观念上的偏差，疲于赶进度，把实验当作直观工具辅助手段，学生主动参与实验的机会不够。在素质教育也需“应试教育”面前，教师往往习惯于指导学生观察或动手实验，学生记忆仪器名称、实验步骤、现象要点，把生动活泼的实验活动，变成僵死呆板的条条，而忽略了诱导学生把在实验观察时激发起来的兴奋中心，及时转移由透过现象到认识变化的实质上来，抹杀了学生学习化学时的个性思维，学生只是简单地从识记中获取知识，学习毫无开创性可言；有的学生对于课堂曾观察过乃至自己动手做过的化学实验，在脑海里留下的仅是一片空白，毫无印象；有的学生靠死记硬背对付实验问题，往往“张冠李戴”；有的学生做实验时求应付，走过场，未曾动手，就已经按课本所述，先填好实验报告的“正确结论”，追求的是“高分低能”。
传统的化学实验教学功利性强，为应试而教，为应试而学，甚至把“做”化学实验变成了老师“讲”实验、学生“听”实验和“背”实验，学生动手能力差，动手率低；学生实验操作不规范，成功率不高的现象较为普遍。做实验不如讲实验，讲实验不如背实验、画实验的现象依然存在，对化学实验教学的教育教学功能认识不足。平时实验尤其明显，即使有了实验考查要求，学生便缺乏主动意识，不能讨论研讨，仍是教师研究学生记忆，学生缺乏质疑反思的能力，遇到新情境便一筹莫展。
实验中学生还是较重视实验的操作和对实验的分析质疑，学生的认识是到位的，但只重视实验的假设，轻分析，有探究但探究水平不高，重视实验结果或结论，对实验过程的探索不重视。学生对实验的要求也是新课程的目标。
三、近几年高考对化学实验考查的要求
化学是实验性科学。化学离不开实验，化学概念、原理和规律大多是由实验推导和论证的，实验有助于加深对化学概念原理规律的理解，也有助于培养学生的科学态度和创新精神。高考是选拔性考试，为高等学校选拔人才，实验能力是从事科学研究的基础，因此高考中对实验中对实验能力的考察特别重视，高考中实验题既能考查考生的自学能力，提取信息能力，逻辑思维能力，又能考查考生的实践运用和创新能力，还能考查科学语言的表述能力。从近几年高考试题来看，实验题的分值接近或超过化学总分的20％，足以说明命题者对实验能力考查的厚爱。实验题已经成为考查创新能力的主阵地，高考中实验题做得好与坏直接决定高考的成败，正所谓，“得实验者得天下”。
纵观近几年的理综试卷，出题人较强化实验操作考查力度，体现探究性和开放性。实验试题的命制遵循了以下原则：①实验的科学性、可行性；② 仪器简单、条件适宜、试剂易得；③操作步骤的方便性、安全性。因此题干所用仪器、试剂都是初中最常见的普通用品，试题设计情境和图示内所用装置也不复杂，考查范围都是基本操作、基本观察要求。考查形式有：
①选择实验题 ②对比实验 ③评价实验题 ④信息实验题 ⑤操作实验题 ⑥探究实验题： ⑦实验流程验证题 ⑧实验推理框图题
四、优化高中化学实验的意义
中学化学实验教学，适应了现代社会对人才素质培养的要求，是对传统化学教学的发展和充实，是培养学生创新精神和探索实践能力、培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力的重要途径，也是对教师传统教育观念的挑战。
实验设计优化 篇3
关键词 实验设计 课程标准 探究教学
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
《义务教育生物学课程标准（2011年版）》（以下简称“新课标”）明确指出，生物学课程不仅要让学生获得基础的生物学知识，还期待学生主动地参与学习过程，养成理性思维的习惯，并高度重视对学生探究能力的评价。生物学是一门以实验为基础的科学，初中生物包含了近50个不同类型的实验。但对于一些不易操作或不够具体的实验设计，不少教师按部就班进行实验，导致实验效果不佳，或一些教师为了“挤时间”而变做实验为看录像，“练习”的效果或许不差，却达不到培养学生探究能力的目标。因此，根据新课标的要求，笔者结合实验实际操作的可行性和合理性原则，对教材中的一些实验进行了优化设计，让每一位学生都能真正获得学习体验。实践表明，学生学习积极性高，教学效果显著。
1 改进实验装置，关注学生体验
瑞士教育心理学家皮亚杰曾说过：“知识来源于动作”。我国著名教育家陶行知先生也早在1927年便提出“行是知之始，知是行之成”的著名理论。这些都说明动手实践和探究实践的重要性。同时，新课标大大增加了实验教学的份量，在实验操作过程中倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，突出了对学生探究能力的培养。笔者通过改进实验装置并实施，关注学生的学习体验，提高了学生的科学素养。
案例1：以苏教版七年级上册第六章第四节中“植物呼吸作用产生二氧化碳”的实验为例。教材中选用分别装有新鲜和烫熟蔬菜的黑色塑料袋，验证植物的呼吸作用产生了二氧化碳。该实验中，新鲜植物经过一个昼夜的呼吸作用产生的气体量并不多，在塑料袋中不易将其完全挤压出来，经常使通入澄清石灰水中的气体量不足，而导致实验失败。
针对以上问题，教师进行了实验装置的改进，如图1所示。用矿泉水瓶代替黑色塑料袋，瓶中气体受到挤压易排出，且排出量较大。改进后的实验装置十分便于操作，即使一名学生也能独立完成实验。另外，矿泉水瓶易得，携带方便，学生也可带回家进一步验证。经过这样的改进后，每一位学生都真正获得了学习体验，提高了学习兴趣，进而加深了对生物学知识的理解。
2 提高实验材料可控性，化难为易
“培养学生具有一定的探索精神”是新课标倡导的基本目标之一。而初中生物实验范围较广，涉及到生物界的各个方面，在实验过程中实验材料的可控性将直接影响实验的效果和对学生探索精神的培养。教师通过提高实验材料的可控性来降低实验操作的难度，大大激发了学生的探究兴趣。
案例2：以苏教版七年级上册第二章第二节中“蚯蚓在什么样的物体表面爬得快”的实验为例。教材中对探究假设蚯蚓在玻璃板（硬纸板）的物体表面爬得快只提供了简单的实验指导，而在实际的操作中往往会遇到许多难题：如蚯蚓在物体上不爬怎么办？爬得不是直线怎么办？怎么测量爬的直线距离呢？这些问题在实际的操作中均会出现，教师却难以控制。笔者对这个实验做了以下改进，效果良好。
首先，实验前将蚯蚓浸泡在水中30 s，制造缺氧环境。这样蚯蚓在脱离水后，便会产生应激反应而不断爬行，可解决蚯蚓不爬的问题。然后紧贴蚯蚓放置一把直尺，并记下蚯蚓爬行时的起点和终点刻度，以获得在特定时间段内的爬行距离，进而得知蚯蚓的爬行速度。这样便解决了蚯蚓爬的不是直线和如何测量爬的直线距离的问题，降低了实际操作的难度，化难为易，大大提高了学生的探究兴趣。
3 改进实验方法，联系现实生活
在初中生物实验中，有些实验材料不易制成临时切片标本，只好以观察永久切片代替，这让实验缺乏了趣味性，也不能培养学生的创新能力。“注重与现实生活相联系”是新课标的基本理念之一。故笔者尝试改进实验方法，转变思想联系现实生活，化静为动，提高了教学的高效性。
案例3：以苏教版七年级下册第九章第二节中“观察小肠结构”的实验为例。教材中选用在显微镜下观察狗小肠壁横切片标本，说明小肠结构易于吸收的特点，这样的设计较为科学却缺乏趣味性。
教师用日常生活中的毛巾，制作简易小肠皱襞模型，让学生直观、形象地观察到小肠皱襞结构。然后把毛巾展开，可让学生直观体会到小肠皱襞和绒毛大大增加了小肠内的吸收面积的特点，进而形成结构与功能相统一的观点（图2）。同时，为了让学生更加清晰地了解小肠绒毛的内部结构，教师选用不同颜色的超轻黏土，分别作成图3中的形状，褐色代表小肠绒毛壁、黄色代表毛细淋巴管、蓝色代表小静脉、红色代表小动脉组装成小肠绒毛结构模型。学生可以形象地看到小肠绒毛中丰富的毛细血管和毛细淋巴管，进而理解小肠绒毛有利于营养物质吸收的结构特点。改进后的实验不仅让学生“动起来”，培养了学生的创新能力，也让学生体会到“知识源于生活”。该实验可选择在学习完知识点后让学生操作，教师也可边讲解边让学生操作，加深印象。
此外，在苏教版七年级下册第八章第三节“骨的特性与骨的成分之间的关系”的探究实验中，教材中用“骨的煅烧”和“骨的脱钙”两个实验以说明骨的成分包含无机物和有机物。骨在煅烧后剩余的成分是否是无机物呢？骨在脱钙后剩余的成分是否是有机物呢？教材中没有进一步的验证，却给学生带来了困惑。根据骨中的无机物可溶解于盐酸，有机物可燃烧的特点，教师增加了“煅烧后骨的脱钙”和“脱钙后骨的煅烧”两个实验，对骨的成分进行了进一步的验证，很好地解决了学生的困惑，加深了学生对该知识点的理解。
优化初中物理课堂实验设计的途径 篇4
一、丰富学生的观察和体验,建立认知和获得感悟
在一些物理实验设计中,教师往往只考虑设置与问题直接相关的观察对象和体验活动,这确实可以提高有效注意度和形成结果的统一,但这可能会降低学生在实验活动中的思考活跃度。多一些观察对象和活动情境,不仅可以提升学生的观察品质和思维水平,也可以促进他们形成全面、深刻的认识。例如在学习重力的方向时,教师一般会采用如图1所示实验装置,将水缸设置成不同的倾斜度,请学生观察悬挂重物的细线与水平面的位置关系,从而得出重力的方向是竖直向下的结论并理解其含义。但这个实验却无法说明为什么要将重力的方向与水平面去作比较这个问题。其实,教师只要在这个实验装置中多设置两个参考面,如图2所示,将水缸设置成不同的倾斜度时,请学生同时观察悬挂重物的细线与这两个参考面A、B和水平面的位置关系,在变化比较中,使学生自然而然地理解为什么物理学用重力与水平面的位置关系来描述它的方向。这样设计,不仅能使学生更好地理解重力的方向,也能提高他们独立观察其他事物的辨析能力。
二、强化实验活动间的联系,构建合理的学习逻辑
在一些物理课上,教师为激发学生的学习兴趣和提高课堂的活跃度,会设计一些小实验,但这些实验活动往往独立进行,缺乏明确的主线引导使之成为一个递进的集合体,起到逐渐形成物理概念或认识物理规律的作用,从而失去了教学意义。如果教师能够建立实验内容上的内在逻辑联系的话,就能够帮助学生对某些物理概念的提出形成完整的认知过程。例如,在声波的产生和传播的课堂教学中,教师会设计发声音叉弹开小球、敲击铁皮碗引起碗口下方橡皮膜上泡沫粒子跳动、发声音箱使箱体前方烛焰晃动和振动在弹簧圈中传播这四个学生实验和演示实验,分别用以说明发声体在振动,发声体的振动可以引起其他物体振动,以及模拟声波的形态和传播特点。如果只是这样来组织这几个实验的话,它们之间的联系显然是断裂的,学生也无法真正理解为什么要用声波这个概念来描述声音的传播形式。所以,教师需要找出这些实验的共同点一—振动、传递,围绕声波概念的形成,把这些实验进行连接和组织:首先利用第一个实验现象,不仅证明发声体在振动,同时证明发声体的振动是可以传递的;然后利用第二和第三个实验现象,推断出发声体的振动可以通过空气传递,并提出问题——如何描述发声体的振动在空气中的传播;最后利用第四个实验提出声波的概念,并认识它的传播特点。通过这样的串联设计,实验不仅成为了一个学习整体,也为学生的认识发展搭建了阶梯。
三、精心设计探究问题,引导合理有效的猜想
在探究实验的猜想环节,教师一般都会提出一个探究问题引导学生根据生活经验或先前知识进行猜想,有时却发现即使精心设计了许多情境,但还是无法避免学生提出的一些猜想超出预计,从而影响整个实验设计的实施,导致实验无法完成。如果教师能够设计出一个好的探究问题,不仅能增加学生提出猜想的合理性与有效性,更能提高整个探究实验的成效性。例如,在比热容概念形成的实验设计中,教师一般都选用相同的切入点“物体吸收热量的多少与哪些因素有关”建立猜想活动,尽管有生活情境引导,但学生还是会提出“可能与热传递的方式和物体的温度有关”这个猜想,为此教师需要给出额外的解释,既影响整个探究实验的进程,也较难从根本上消除学生对此问题形成的假设。如果教师改变一下问题,以“物体吸收相同的热量后,升高的温度与哪些因素有关”来引导学生进行猜想,就可以充分利用他们已经掌握的知识——在热传递过程中,物体吸收热量后温度升高(不考虑相变吸热),避免这两个猜想因素的出现。更为重要的是,这样的问题设计与之后探究环节的联系更紧密,通过比较质量相同的不同物质吸收相同的热量后升高的温度与物质种类的关系形成比热容的概念,也可以避免学生产生额外错误认知的可能,有利于他们理解和应用比热容知识。
四、预设学生问题,生成完备的实验方案
一种情况是当同一或相近的实验情境出现在不同的实验中时,教师不能完全不顾及学生先前的认知体验和观察视角,迫使其按照教师的预设进行观察与描述,教师应当积极地组织多次观察活动,让学生从不同的观察角度来描述同一物理现象,再从其中的一组具有相同指向性的观察结果来引出问题或得出结论。例如,在机械功概念引入时,教师常会设置几组物体在力的作用下移动一段距离或仍然不动的实验情境,期望学生从观察物体在力的作用下是否移动一段距离来对比形成机械功的概念,但在这之前,学生学习过力的作用效果,他们很容易从在力的作用下物体的运动状态是否发生改变这一观察角度来描述这些实验现象,为此,教师就需要对可能提出这种观察结果的学生进行预设,并合理地引导和组织。当然,在这组对照实验观察中,部分学生也可能存在观察指向不同的现象,对于“在力的作用下物体若未发生移动”,他们倾向于表述为“在力的作用下物体保持静止,运动状态不变”,对于“在力的作用下物体若发生移动”,他们倾向于表述为“在力的作用下物体移动了一段距离”,针对这种可能,教师需要考虑在学生表达时,组织班级学生讨论分析这个问题,从而使他们明白在对比实验中,应当从同一物理角度对同一物理性质或参数进行观察,这样的结果才有比较意义。至此,通过这个实验,教师不仅可以顺利地引出机械功的概念,还能提高学生的实验观察能力和描述能力。
另一种情况是当学生对一个物理问题存在多种假设认识时,教师不能采取回避或简单用理论予以解答的策略,因为学生由于生活经验形成的一些物理前概念如果不能用科学事实来推翻的话,依然会主导他们对一些物理问题的思考。所以,教师在一些探究实验设计时应当对学生可能存在或提出的假设做好充分应对,准备好实验器材和方案。
五、设计基础训练前案,降低实验操作负荷
实验设计优化 篇5
风洞风扇桨叶低噪声优化设计及实验研究
风扇噪声是风洞中最主要的噪声源.高噪声不仅会对风洞中的实验结果不利,影响实验结果的.可靠性和精确性,而且还会带来严重的噪声污染.因此,对风洞风扇桨叶进行低噪声设计研究具有十分重要的意义.主要研究了风洞风扇桨叶的低噪声设计,采用工程估算法与试验结合的方法对风洞风扇噪声情况进行分析.以某翼型桨叶为研究对象,通过修改叶型尾缘厚度对风洞风扇进行了低噪声优化设计.
作 者：孟庆明 李光里 MENG Qing-ming LI Guang-li 作者单位：沈阳航空工业学院飞行器动力与能源学院,辽宁,沈阳,110136刊 名：沈阳航空工业学院学报英文刊名：JOURNAL OF SHENYANG INSTITUTE OF AERONAUTICAL ENGINEERING年，卷(期)：25(4)分类号：V351.3关键词：风洞 桨叶 低噪声 声压级 尾缘厚度
实验设计优化 篇6
摘要：为寻求微观分子运动的最佳宏观展示，以碱性品红作为示踪因子，通过适当的实验设计，排除品红参与的（1）入水初始速度所致的宏观运动；（2）溶液密度差异引起密度流所致的宏观运动；（3）温差引起水的环流所致的宏观运动；（4）接触面空气扰动所致的宏观运动，展现了微观分子运动的宏观现象。还设计了可以在中学实验室开展的、以最大程度排除十扰因素并实现“微观分子运动的宏观展示”的改进实验。探讨了宏观运动对微观运动十扰的机制，指出某些“实验规则”存在可能导致实验误差的现象。
关键词：分子运动；宏观运动；品红；实验改进
文章编号：1005 - 6629（2015）5 - 0069 - 04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 “微观分子运动的宏观展示”问题提出
“分子运动”是重要的科学概念，是贯穿物理、化学等学科的基础概念，也是公众理解当代科学的一个奠基性概念。微观分子运动的宏观展示对于建立正确的分子运动概念具有重要意义。
人民教育出版社九年级《化学》教材“分子和原子”中[1]，展示了“品红在水中扩散”的实验。教材设问，“在静置的水中，品红为什么能扩散？”，在问题右侧配发了“品红在水中的扩散”图片。该图片由三幅小照片组成，照片之间还有两个箭头表示品红在水中的扩散过程随时间变化的趋势。意在揭示，由于品红的分子运动，导致了品红“在静置的水中能扩散”。
然而，该实验存在一定问题。意在展示微观分子“扩散”，就应当排除宏观运动的干扰，否则无法区分运动现象是宏观还是微观的。这要求初始状态中的品红与水应当处于相对静止或者接近相对静止状态，否则品红就会参与背景的宏观运动而削弱“分子运动”的价值。但是，由教材实验容易看出品红并非由静态或者接近静态入水，而是从一定高度滴下、以一定初速度入水的（从课文配图1可以非常清晰地看出此点）。品红实际参与从水的上层往下层运动的机械运动，这一宏观运动干扰了作为微观运动的品红的分子扩散。品红“扩散”的主要原因是重力！课文的实验存在不妥，宏观运动与微观运动相混淆，“分子运动导致了品红的扩散”无法真实体现出来。
如图1所示，我们对教材实验进行了重现。
我们从距离液面约lcm处将品红液滴滴下，复现教材实验。复现的实验清晰呈现了前述问题。由图不难看出品红参与的主导运动是重力引起的宏观物理运动而非微观分子运动。
2 微观分子运动的宏观展示实验设计
我们决定通过合理设计的实验，消除微观分子运动的干扰因素，从而展示分子运动现象。
2.1 消除重力因素干扰的实验
从水面上方滴人示踪溶液会导致液滴具有一定的初始入水速度。实际上，即使仅距离水面0.5cm，滴入水中的品红溶液也会具有约0.31m/s的初始速度；这一速度看似不大，然而对正常无规则运动的分子相同时间内的位移而言却是极其惊人的；这一宏观运动直接影响到品红分子运动现象。因此，我们选择用滴管将品红溶液缓慢注入烧杯底部，以消除重力因素的作用，观察品红在静置水中的分子扩散。滴管进入液面是违反使用规范的，因此我们使用了一个规定仅用于此的专用滴管；若选用长针头的注射器滴注会取得更好的效果。
如图2所示，与从液面上方滴入的品红相比，注入烧杯底部的品红发生的扩散明显缓慢许多。这再度证实了滴人液滴时的初始速度是分子扩散的干扰因素，必须排除。
2.2 显示溶液密度因素影响的实验
考虑到品红溶液的密度不同于水的密度，我们进行了相关实验。尽管两者密度差异非常小（品红在常温状态下的水中，饱和溶解度仅为1%，因此品红溶液密度与水非常接近），但这一差异足以影响品红在水中的扩散。实验中观察到，将品红溶液通过滴管滴到烧杯内水的中部，该液滴较快沉到了杯底，如图3所示。这表明，品红分子在水中扩散的实验中，品红溶液的密度是一个不容忽视的影响因素。我们同时注意到，实验中导致液滴下沉的原因还可能是由于品红的溶解度较低，溶液中混有未完全溶解的固体颗粒所致。为排除此因素干扰，我们吸取了非饱和态品红溶液的上清液。
通过配制与饱和品红溶液密度相同的氯化钠溶液，可以将溶液密度差异带来的影响消除。从而使品红在水（溶液）中的扩散受到的干扰更少。氯化钠与品红不发生作用，且对后者溶解度的影响很小。
2.3 显示温差影响的实验
由于实验中室温与水温之间存在微小的差值（水温为21℃而室温为22℃）；温差作用下，烧杯中的水存在一个缓慢的环流，环流以烧杯的轴心为中心进行。实验中品红的路径显示出了水的环流，实验如图4所示：
需要解释品红的运动路径为什么是这样的。在室温高于水温的情况下，烧杯内的水环流纵剖面如下图5所示：
该环流是一种类似于洋流的宏观运动，需要被排除才能准确显示微观分子运动。但我们所在的实验室不具备大范围的精确温控能力。实验中气温与水温的温差仅为1℃，二者间的热交换不显著，误差在可接受范围内。这同时暗示，中学化学实验室几乎不具备将微观分子运动现象精确演示出来的条件。
2.4 实验讨论
教科书中的实验，未能考虑到初始速度、溶液密度、温差等因素的影响，这些因素引发了品红溶液或者烧杯中水的宏观机械运动，这些宏观运动无论从尺度还是效应上都掩盖了品红的分子运动。
从消除宏观运动影响的思路出发，在恒温室内，配制等密度溶液，用特制长针管缓慢将品红溶液注入等密度溶液来演示“品红的扩散”，这样可以清晰地表明“（液体）分子总是在永不停息地做无规则运动”这一概念，将微观分子运动展示出来。当然，更严密的做法是，针管缓慢进入水中后不进行任何注射操作而是固定起来，并加上毛玻璃盖以阻隔空气流动，任由长针头接触点的品红自由扩散进入烧杯溶液，更有利于微观分子运动的宏观展示（其缺点在于，需要相对较长的时间）。
然而，要求的上述实验条件如恒温，中学实验室基本都不具备。为了使“分子运动”概念的传授形象生动，我们设计了另一个简单可靠的实验来展示分子运动。
3 优化的实验
我们有针对性地设计了优化的演示实验。（1）为了避免温差的影响，实验使用的溶液需要提前在实验室静置24h以上，通过与空气充分的热交换确保水温与室温相同，这基本排除了温差的影响。（2）为了减少空气流动的干扰，可以给实验器皿加上玻璃盖。（3）为了避免初始速度和溶液密度差的影响，可以采用这样的方案：使用极小的一粒碱性品红固体微粒，用镊子缓慢投入盛有适量水的静置的烧杯里；通过品红固体颗粒自身的缓慢溶解形成示踪溶液。这样的溶液产生于水中，因此没有初始速度。品红颗粒极小，烧杯中水很多，溶液远未达到饱和，因此局部形成的溶液与水的密度差极小，实验中可以忽略不计（实验现象也证实了我们的设想）。这样，重力、密度差的干扰因素也基本被排除。不过，优化的实验新引入了一个无法排除的干扰因素：溶解热。但如前所述，由于固体微粒非常小，溶解速度也较慢，溶解热没有带来宏观可视的影响。
通过精巧的设计，新实验最大限度地排除了干扰因素。其操作简便，成本低廉。无论是在实验现象的显著程度上，还是在成本、可操作性上，都是一个可以替代教材实验的优化实验。
如图6-a、6-b：优化的实验所示，图6-a展示的是刚刚投入烧杯的品红小颗粒的状态，图6-b展示的是开始在水中自由扩散的品红分子。
4 问题讨论
4.1 为什么要选择液体作为实验材料
对展示分子运动现象而言，液体的确是最为理想的材料。固相、液相、气相材料之间，首先排除不同相态材料之间的展示，因为这样操作困难；在相同相态内，如果选择“固-固”的实验方式（如将金属球置于铅块之上），需要数年时间才能看到实验所需的分子扩散现象；如果选择“气-气”的实验方式，不易找到理想的实验材料，且操作干扰因素太多、精确性要求太高，难以实施；“液-液”则是三者间最佳的实验材料：易于操作、效果明显，精确性可控。因此，一般都选择液体作为材料。
4.2 烧杯中水的宏观运动何以干扰到品红的微观运动
这看起来似乎不是个问题，但事实上却容易对公众的理解构成干扰。因为，液体分子直径数量级为10-10 m；分子间作用力比较大，因此分子通常在各自的平衡位置附近做热振动，振动的振幅为l0-10 m。但是由于振动的频率非常高，20℃时分子振动平衡位置改变的平均时间间隔约为10-11 s，导致液体分子的移动速率可以达到10 m/s的数量级！这个速度远远大于烧杯的长、宽、高。因此，看起来即使从距离烧杯液面0.5cm处滴落，所获得的附加速度0.31 m/s较之10 m/s仅为3.1%，从数值上看，完全可以忽略不计——这样的话，教材实验就“没有误差”了！
这涉及到非常有趣的一点是，我们需要区分“速度”、“速率”与“位移”的概念。水分子的移动速率尽管很大（本处为lOm/s），然而事实上“位移”却很小，原因在于分子移动方向会随时改变，以致位移最低只有10-9～10-10 m的数量级，这较之10-1m/s（即0.1 m/s）的入水速度所导致的位移，完全可以忽略不计。还需要澄清的一点是，分子移动速率与分子振动速率不同，分子振动速率可以达到l02m/S的数量级并且随着温度升高而迅速增大，这是描述分子偏离平衡位置快慢的物理量，分子移动速率则是描述分子扩散快慢的物理量。由此可见，任何宏观运动对于水分子的扩散而言，都是必须排除的干扰因素。仅仅是“速度（速率）”大，未必能直接导致微观分子运动的可视化，还需要一个条件：适当的位移。只有足够大的位移，才能被人肉眼观察到。因此，我们需要给微观分子以适当的运动时间。
在这里，温度对微观分子运动的影响可以为后续的“化学反应速率”等理论铺平道路，提供概念支持。
4.3 一个隐蔽的问题
事实上，在中学化学实验室里，依照实验操作规程（例如，禁止将滴管伸人液面以下）是无法排除对微观分子运动的干扰的。换言之，对实验规则的遵守可能会引起实验误差。这是一个非常有趣并且值得探讨的课题，也是一个隐蔽的问题。事实上，我们在中学科学教科书中已发现了不少此类问题。
此类问题的破解，不仅有助于公众理解科学、学生学习理科，更有助于解释一般意义上限制科学研究的一些“惯习”和文化因素；从而有助于更多、更好的科学探索。
（浙江大学生物科学学院徐子叶等同学对实验提供了帮助，特此致谢。论文还得到了浙江大学化学系谢玉群副教授、浙江大学物理学系张寒洁副教授的指导，在此一并致谢。）
参考文献：
[1]胡美玲主编.义务教育课程标准实验教科书·化学（上册）（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006： 49
[2]海道源.液体中分子扩散现象演示法[J].物理教师，1997，（12）：6
[3]冯锦湘，马琴芬.分子扩散与温度有关对比实验[J]物理教师，1999，（5）：23
[4]陈六平，韩世钧.液体分子自扩散系数的预测[J].高等学校化学学报，1999，（2）：231～234
实验设计优化 篇7
关键词：试验设计,实验课,教学改革,优化
一、引言
《试验优化设计》作为一门设计试验的工具式学科, 因为具有计算简便、可靠性高、适用范围广、设计灵活、试验次数少[1]等优点, 被广泛应用于理、工[2]、农、医、军事和管理等各个领域, 在食品[3]、医药、机械、材料[4]、生物等专业有着重要地位, 并在节约资源、减少成本、缩短试验周期[5]等方面做出了突出的贡献。因此, 《试验优化设计》课程教学具有实用性和现实意义。而由实用性导致, 本门课程的目标是使学生在实践过程中能够有针对性的设计试验。要达到这一目标, 仅依靠老师上课时的讲解是不够的, 必须给学生实践的机会, 因而, 实验课的开设势在必行。
二、《试验优化设计》教学现存问题
《试验优化设计》作为设计试验的工具式学科, 在食品、医药、机械、材料、生物等多学科专业广泛开设, 是一门应用广泛、实用性强的重要学科。由于本门课程与实际联系紧密, 因此, 在授课过程中, 局限于理论知识的课程设置是不可取的, 较为合理的做法是理论联系实际, 即在课堂教学的基础上增加实验课环节。而目前国内各大高校在《试验优化设计》相关类的课程设置方面, 具备实验课环节的不到10%。这使得初次接触本门课程的学生, 在面对大量陌生的公式、和试验设计方法时, 理论与实际脱节, 很难提起兴趣, 随着课程的深入, 渐渐失去学习热情, 呈现一种被动学习的状态, 不利于学生理解课本上的知识点, 想达到活学活用、举一反三的程度更是难上加难。而仅有的若干个认识到实验课重要性的高校, 所开设的实验课, 采取的实验方式也较为局限, 大多是以提供实验指导书的方式, 让学生按照指导书上的步骤, 按部就班的执行一遍即算实验完成, 学生通常会“依样画葫芦”的将实验流程操作一遍, 其过程高度机械化, 没有给学生主动思考的空间。这种一次实验做一道题的实验课, 与课后作业的效果大同小异, 完全达不到让学生了解课程价值并对课程产生学习兴趣的目的。由此, 实验课的开设是必要的, 而实验方式的改革也是势在必行的。
三、《试验优化设计》教学改革方法
(一) 实验课内容
此次对《试验优化设计》课程进行的教学改革主要针对实验课。在进行实验之前, 首先要对“试验优化设计”中的“试验”和“实验课”中的“实验”进行区分。“试验”是指对未知事物, 或对别人已知自己未知的事物进行了解而进行的试探性操作。而“实验”是为检验已有的或新的假说、假设、原理而进行的明确、具体的技术操作行为。简而言之, “试验”是探索而“实验”是验证[6]。让学生明确这一点, 才能避免在实验课过程中, 许多学生因为词语混淆遇到阻碍而无法按时完成实验安排。为满足本实验对设备的要求, 需要将实验课上课地点选在学校计算机中心或网络中心。实验内容为由学生自主进行一次广义试验设计, 主要分为资料搜集、文献阅读、设计计算和内容讲解四个方面, 具体流程如下: (1) 进入学校图书馆页面, 选择中国期刊网、中国知网、维普网、万方数据库中的任意一个, 作为本次实验的资料搜集平台; (2) 在所选网页内搜索与《试验优化设计》课程相关的关键字, 如“试验设计”、“正交设计”、“方差分析”、“实验设计”、“交互作用”、“回归分析”等, 经过搜索得到大量试验优化设计案例; (3) 在搜索结果中选择一篇具有广义试验设计案例的文章 (论文、期刊不限) , 这一过程需要学生阅读文献摘要对搜索结果进行取舍; (4) 阅读所选文章, 并按照文中的试验设计流程自己动手计算一遍; (5) 总结并整理自己的计算过程, 并用PPT的形式将完整的广义试验设计过程呈现出来, 在下一次课上进行PPT讲解。实验过程中, 教师随时解答学生的疑问, 并指导学生按照实验流程正确操作。实验进行到第四步时, 由于自身计算不准确或文献内容有误等原因, 可能导致学生的计算结果与所阅读文献的计算结果不一致, 此时进行检查和再次计算需要耗费大量时间。因此, 确定此次实验课为4学时, 并且实验任务到完成第四步为止。即便有少数学生由于计算机应用不熟练、文献搜索能力弱或阅读速度慢等原因, 在试验设计计算前耗费了较多时间, 4学时的实验课也足够他们完成第一遍计算过程。实验的目的在于让学生亲自体会《试验优化设计》课程的实用性并切实学会试验设计过程和方法, 计算的准确度和文献中的试验设计结果并不是此次实验的重点, 所以, 如果遇到计算结果与文献内容不一致的情况, 可以安排学生课下自行验证, 若确实是文献有误, 不必另找文献重新计算, 只要总结其错误原因, 计算出正确结果即可。由于学生所选文献难度不等、计算速度亦有差异, 大部分学生在实验第四部分完成后, 时间所剩无几。因此, 实验课第五部分中的计算过程整理和PPT制作, 全部由学生在课下完成, 而PPT讲解则在下次课上进行, 学时根据课堂人数确定。若为30人左右的小班课程, 则每人限时5~8分钟, 全部学生依次进行PPT讲解;若为50~100人的中班课程, 则根据班内学生所学专业, 在各个专业中按比例抽取总共20~30人进行讲解;若为100人以上的大班课程, 则可进行随机抽取学生讲解PPT, 其余学生将PPT上传至老师邮箱, 用以评定实验课成绩, 对于主动要求讲解PPT的学生给予适当加分。
(二) 实验课意义
经过上述的实验课改革, 学生能够在搜索关键字时, 感受到本门课程应用的广泛性与普遍性。无论理工方面的数学试验、寿命试验, 还是食品、医药方面的配方配比[7], 甚至是经济与管理方面的市场分析[8], 都能找到试验设计的身影。这能够让学生切身体会到《试验优化设计》课程的实用性, 从而产生学习的欲望和兴趣, 在学习过程中将更有动力, 学习效果也会更好。而筛选文章的过程, 是为学生提供了一个平台用以阅读与课程相关的文章, 在此过程中, 学生有机会阅读到应用不同试验优化设计方法的各种案例, 这是一个理论联系实际的过程, 对于巩固所学知识十分有益。在随后的动手计算过程中, 学生由宏观的对试验设计方法的认知, 细化到对试验设计方法计算过程的实践, 从而加深对试验设计方法的理解。最后的PPT制作和讲解过程, 是让学生对一次完整的试验设计过程进行总结, 并让学生对试验设计过程中的每一步都充分理解, 因为只有自己先充分理解了, 才能很好地讲述给他人。实验过程由教师全程答疑, 随时解决学生的疑问, 以保证实验课能够顺利进行, 学生能够按时完成实验任务。
(三) 可行性分析
此次针对《试验优化设计》课程进行的教学改革, 在从前单纯教学的基础上增加实验课, 在设施方面需要学校计算机中心的支持, 包括电脑和网络两方面, 而这些皆为一般高校普遍具备的资源, 只需申请排课即能满足实验课需求。除此之外, 实验课无需其他特殊支持。因此, 在国内已开设《试验优化设计》课程的高校, 皆具备开设以上所述实验课的能力。
四、结束语
本文从实验课方面出发, 分析了《试验优化设计》课程教学过程的现存问题, 并论述了开设实验课的必然性和实验课改革的必要性, 最终提出了一套切实可行、行之有效的实验课具体方案。然而, 教学成果的获得仅依靠教学改革方案是不够的, 还需要授课教师具备相当的专业素质和教学水平, 只有在优秀教师的配合下, 教学改革才可能取得理想的效果。
参考文献
[1]齐迎春, 丛茜, 王骥月, 齐欣.凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析[J].机械工程学报, 2012, 48 (15) :126-130.
[2]何为, 韩力群.基于神经元网络模型的系统参数优化设计方法[J].信息与控制, 2001, 30 (6) :562-565.
[3]李洪飞, 张桂芳, 李良玉, 等.甜叶菊甙提取液絮凝工艺技术研究[J].中国食品学报, 2011, 11 (5) :129-137.
[4]何为, 吴婧, 夏建飞, 等.优化试验法在化学镀铜工艺研究中的应用[J].实验科学与技术, 2010, 8 (2) :35, 38.
[5]弯艳玲, 丛茜, 田为军《.试验设计》课程教学改革的内容与方法[J].实验科学与技术, 2012, 10 (2) :60-63.
[6]在线新华字典.http://xh.5156edu.com/html5/141043.html.
[7]任露泉.试验设计及其优化[M].北京:科学出版社, 2009:16-19.
实验设计优化 篇8
在初中科学《氧气的性质》一节中,“硫在氧气中燃烧”是一个重要的教师演示实验。但教材中介绍的实验方法存在着以下不足:实验过程中硫跟铜制燃烧匙会发生化学反应,使得铜制燃烧匙利用率降低;实验结束后,没有尾气处理过程,二氧化硫自由扩散,污染空气。于是,课题组通过实验探究,对实验进行了优化设计,使实验药品微量化,实现了绿色化学实验。通过改进后的实验装置进行实验教学取得了较好的教学效果。
二、实验的设计
1.实验仪器与药品
实验试剂:5%过氧化氢溶液、二氧化锰固体、硫粉、20%氢氧化钠溶液;
实验仪器:脱脂棉、注射器、集气瓶(250mL)、与集气瓶配套的木塞、玻璃燃烧匙、气球、玻璃导管、药匙、酒精灯等。
2.实验装置图
3.实验步骤和现象
(1)实验准备:在与集气瓶配套的木塞上打出两个孔,可以塞进玻璃燃烧匙、玻璃导管。木塞上插入注射器。在玻璃导管上连接一个气球,作为集气瓶内气压的平衡装置。
(2)加料:用脱脂棉包裹小半药匙的二氧化锰固体放入集气瓶底部,在注射器中加入15mL 5%的过氧化氢溶液,逐滴滴加过氧化氢至包有二氧化锰的脱脂棉处,使之反应,产生氧气。
(3)引燃:在玻璃燃烧匙中加入半匙硫粉,在酒精灯上对玻璃燃烧匙进行加热,引燃后迅速放入集体气瓶中将木塞塞上。
(4)实验现象:硫粉在氧气中剧烈燃烧,产生淡蓝色火焰,同时气球逐渐膨胀。
(5)尾气吸收:取下过氧化氢注射器,换一只装有20%氢氧化钠溶液的注射器,注入氢氧化钠进行尾气吸收,不断挤压气球使得气球内的二氧化硫也能被充分吸收。
4.实验注意事项
(1)集气瓶中氧气的产生最好同引燃硫粉的操作同时进行,可叫一学生上来帮忙,而且在引燃硫粉时尽量不要在空气中停留太久,以免产生大量二氧化硫污染空气。
(2)脱脂棉不宜太厚,放入后要压平,不要接触到燃烧匙,也不宜太薄,否则粉末会散开。
三、实验改进优点
(1)反应实验、气体制备及收集均在一个集气瓶中发生,装置轻便,方便教师搬运与转移,且装置可反复利用,即可作为此反应的专属装置,充分体现了实验的微型化、绿色化学和环保概念。
(2)不需要事先制取氧气,便于操作,可以让学生辅助操作,很好地调动了化学课的课堂气氛。
(3)用气球收集反应产生的二氧化硫气体,后又用氢氧化钠溶液直接从注射器注入,充分吸收内部多余的二氧化硫气体,保护环境,防止气体泄漏带来环境污染。
(4)现场制备氧气,并且制取时间短、浓度大,火焰颜色明显,气体迅速膨大,现象直观明显。
(5)用脱脂棉包裹二氧化锰固体,防止液体与粉末直接反应造成粉末在瓶内飞溅,并且脱脂棉的渗透作用使得二氧化锰与过氧化氢反应能够缓慢进行,防止由于反应过于剧烈造成危险。
(6)将铜制燃烧匙改为玻璃燃烧匙,延长燃烧匙的使用时间,增加装置的重复利用率。
四、装置的应用
该装置还可以应用于同一类型实验的改进,即某些固体在气体中燃烧,而气体又可以通过固体和液体直接制取的实验。该装置具有操作简单、气体浓度大的优点。比如磷在氧气中燃烧,也可用该装置进行改进。若对该装置做一定程度的改进还可用于其他实验,是实验改进中辐射思想的体现。
摘要：针对浙教版初中科学教材中“硫在氧气中燃烧”演示实验的不足,对实验进行装置的优化设计。使实验药品微量化,实现绿色化学实验。改进后的实验取得了较好的实验效果。
关键词：硫在氧气中燃烧,演示实验,优化设计
参考文献
[1]韦毅聪.“硫在氧气中燃烧”的环保测评与改进[J].中小学实验与装备,2015(5):46.
二维PSD实验仪的设计及优化 篇9
近年来我国经济的飞快发展带动了光电技术的迅猛发展,新技术、新器件不断涌现,在某些工业场合中需要对位移进行非接触测量。PSD是上世纪70年代研制成功的一种新型位置传感器,是一种新型的能在其感光表面连续移动光点位置的光电传感器,具有很高的几何分辨率,可以对位移进行精确的非接触测量。当入射光是一个小光斑照射到光敏面时,PSD输出信号则与光的能量中心位置有关,而对光斑的形状无严格要求,并可对光斑位置进行连续测量。PSD具有频谱响应宽、响应速度快、信号处理简单、便于与微机接口、可以进行非接触测量等优点,在精密尺寸测量、三维空间位置、机器人定位系统、工业检测和监控、高能物理实验等领域具有广泛的应用价值。但目前市面上一维PSD实验仪较为普遍,为了满足当前光电技术实验课程的需求及科研的需要,调查国内近百所具有代表性的学校开设的光电技术课程、教学大纲、实验开设等情况后,设计了一款适用于高校使用的“二维PSD实验仪”,可用于教学和科研。
1 PSD测位原理
PSD(位置敏感器件)是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器,其工作原理基于横向光电效应。当入射光点落在器件感光表面不同位置时,PSD将输出不同的电信号,通过对输出信号的处理,即可判断入射点在PSD器件上的位置,因此,可以实现光点位置的连续测量。PSD器件可分为线性(一维)PSD和面型(二维)PSD,前者可以测定光点的一维位置坐标,后者可以测定光点在二维平面上的位置坐标。PSD结构原理图如图1所示[1]。
图2二维PSD原理示意图(参见下页)
PSD由3层构成,最上一层是P层,下层是N层,中间插入一层较厚的高阻层,形成P-I-N结构。此结构的特点是I层耗尽区宽,结电容小,光生载流子几乎全部都在I层耗尽区中产生,没有扩散分量的光电流,因此响应速度比普通PN结光电二极管快得多。当PSD表面受到光照射时,在光斑位置处产生比例于光能量的电子-空穴对流过P层电阻,分别从设置在P层相对的两个输出电极A和B上输出光电流Ia和Ib,由于P层电阻是均匀的,电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离。
这里给出计算入射光点位置的公式[2]:
而二维PSD是在一维的基础上改进的四侧面结构,这种结构暗电流小,响应速度灵敏,其示意图如图2所示,光斑中心的位置可以分别表示为:
实验设计之初考虑避免信号差和运算电路造成附近噪声,选取MCU对各路信号进行数字差和处理。
2 二维PSD实验仪主箱体的设计
一个基于PSD的位移测量结构应该包含位移动作单元和测量单元。本实验仪由结构件与主实验箱体两部分构成,结构件采用二维手动平移台作为动作单元,激光器作为光斑信号发生装置固定在手动平移台上,通过调节光路,使得光斑直接打在二维PSD器件上,手动调节平移台从而实现光斑二维位置的移动。二维PSD芯片感知光斑移动输出对应四路电流信号,电流信号通入主箱体进行信号处理与测量,实验仪整体测量系统组成如图3所示。
图3二维PSD实验仪系统组成图(参见右栏)
PSD芯片分辨率一般为0.1~1μm,因环境光干扰和电路器件噪声等影响使得做出的成品仪器或装置很难做到这个级别,本设计选取光敏面积为15×15mm、分辨率1μm、光波响应为300~1100nm的二维PSD芯片,结合微弱信号处理相关知识,通过稳恒激光器功率、降低环境光干扰、选择芯片、滤波、增益匹配等技术,使得实验仪测量精度有了很大提高。
2.1 激光器功率调节单元
光斑光强和功率稳定性在很大程度上影响着二维PSD芯片信号输出。光斑光强小使得因芯片暗电流及其部分环境干扰光产生的电流远大于有效电流信号而无法提取,光强过大使得输出信号饱和,或者因过大而经过信号处理电路时达到饱和。光斑功率不稳定则影响电流输出不稳定,使得测量精度下降。本实验仪采用650nm半导体激光二极管作为光源用于给PSD提供位置信号照明,并通过专门设计的可调恒流源电路驱动激光二极管,电路如图4所示。
电路设计上首先对激光二极管电流进行检测,实现方式为监测R2两端电压,R2阻值为1Ω,其两端电压通入仪表放大器AD623进行反馈。电路中R1取很大阻值并与+5V连接,目的是避免瞬时电流过大而烧坏器件,TL431提供稳压源,通过调节电位器Rr使运算放大器OP27同相端电压在0~253m V之间变化,进而调节OP27输出端电压,最终实现激光二极管工作电流保持在0~18m A稳恒可调。
2.2 信号处理单元
由于PSD信号较弱,前级处理非常重要,必须选用偏置电流和噪声较小的运放,这样才能有效地提取信号,抑制噪声。因此,前级I-V转换放大电路采用TL072,是一款低噪声JFET输入型运算放大器[3],其偏置电流仅为5p A,足以检测暗电流为0.1μA的PSD芯片的输出电流。恒流驱动的激光器照射PSD芯片,产生的电流信号为直流信号,经I/V转换后通入二阶低通滤波电路,通过计算外围电路电容、电阻参数[4],设定滤波截止频率为40Hz,目的为消除工频干扰及其部分噪声,同时也应注意低频信号涉及到的1/f噪声。PSD四路输出信号I/V转换,而转换电阻阻值并非完全一样,为保证四路信号增益相同,本设计加入了增益补偿电路,使信号放大倍数尽可能保持一致,从而更精确地计算位移量。考虑到PSD有一定大小的暗电流以及环境光的影响,设计加入调零电路[5],降低该部分影响。整个信号处理单元电路如图5所示。
2.3 A/D转换单元
本单元对信号处理单元的四路信号和激光功率调节单元的电流反馈信号进行A/D转换并通入到单片机进行数据处理。因转换需要通道较多,本设计选取TLC2543进行A/D转换,ADC工作时参考电压的稳定性在很大程度上决定了ADC性能,同时参考电压输入端内阻并非无穷大,故接入参考电压时应考虑阻抗问题,本设计自行设计准确、稳定的+5V基准电压作为A/D芯片的参考电压,如图6所示,TL431的V端电压恒为2.5V,通过调节Rr1使得K端电压为+5V。
此外,每路信号通入AD单元前应接入跟随电路,避免TLC2543芯片的内阻影响,芯片每路输入端接退耦电容,滤除纹波影响,同时注意信号单元与AD单元之间走线应尽可能短。
2.4 单片机单元
本单元控制A/D转换,并处理转换后的数据。根据公式(2)、(3),PSD输出信号需进行和差及其除法运算,以往PSD处理电路是通过运放搭建起来的,为避免信号和差及其除法运算电路造成附加噪声,同时降低仪器成本及其电路复杂程度,本设计提出了选取MCU对各路信号进行数字差和处理,并加入数字滤波技术,采样100次,滤取中间30~70次采样数据为有效数据求取平均值。
2.5 液晶显示单元及其上位机通信
本单元主要由一片240×128液晶屏构成,提供对二维PSD输出信号的显示、坐标跟踪及其激光器功率调节显示。同时为了更方便快捷地记录数据及其更详细的坐标显示,本设计还编写了上位机软件,如图7所示。
3 二维PSD实验仪的结构设计
二维PSD实验仪结构件主要提供位移量,但由于环境光对PSD测位影响很大,为了抑制背景光斑,消除环境光的影响,二维PSD实验仪结构件设计加入了遮光罩和窄带滤光片,结构设计如图8。窄带滤光片固定在遮光罩中,可以通过中心频率为650nm、带宽10nm的红光,配合遮光罩使用,目的也是为了消除环境光的影响,提高测量精度。二维平移台提供最小刻度10 m,量程13×13mm二维平移量。
4 仪器测试
调试好实验仪进行测试,每驱动平移台移动一个刻度记录液晶屏中显示的坐标值,数据如表1所示。
数据显示液晶屏中的数据有跳变现象,分析为桌面震动所造成,经过反复测试证实此二维PSD实验仪的分辨率可达到10 m,在芯片性能比一维PSD低的情况下,比目前市场上的一维PSD实验仪精度高许多。
5 总结
本二维PSD实验仪结构设计比市面上一维PSD实验仪设计复杂许多,首先结构上将结构测量部分与箱体信号处理部分分开,结构设计上添加遮光罩和窄带滤光片,有效消除环境光的影响,这是一维PSD实验仪很少用到的设计,箱体信号处理部分电路设计考虑更周全,如前级信号处理、增益补偿、调零电路(消除暗电流和环境光的影响)、40Hz低通滤波(消除工频干扰)、采用MCU减少差和运算电路噪声、给AD提供自行设计+5基准电压(准确、稳定)、并采用数字滤波技术等,充分考虑各方面因素,尽量消除各种影响,提高测量精度。实验也证实,本二维PSD实验仪测量的分辨率可达到10 m,即是二维平移台最小可移动距离,而P S D芯片分辨率为1 m,若二维平移台的精度可以提高到1 m,本实验仪的分辨率有望达到更高。
致谢
特别感谢湖北自然科学基金(No:2010CDZ072)的资助与支持,它给予了我们相对较宽松的自由探索的机会。
参考文献
[1]唐雯,王应海.一种PSD传感器在跟踪系统中的应用[J].电子技术2008,45(7):33-35
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实验设计优化 篇10
一、初中化学实验优化原则
(1)科学性原则。初中化学实验进行优化的时候,要注重科学性原则。教师采取的优化措施符合科学的研究方法,实验的操作过程满足设计的要求。教师不能按照自己想象,随意更改化学实验的过程和药物用品,既要保证化学实验的科学性,又要保证学生的安全性。
(2)可行性原则。教师进行初中化学实验优化设计的过程中,要确保实验过程切实可行,选用的试验方法、实验设备、实验仪器、化学药品等符合实验室的要求。有些学校的实验室基础设施差,药品设备不齐全,教师要进行合理改进,灵活设计化学实验。
(3)安全性原则。化学实验涉及很多的药品、设备,在化学实验中,很容易造成安全事故,危害教师和学生的身体健康。教师在准备实验的时候,要尽量减少使用危险药品、有毒药品、易爆炸药品等,把化学实验的安全放在第一位。教师在进行实验之前,就要把实验所需要的药品使用方法和禁止事项告诉学生,包括实验室发生意外的紧急疏散情况等,让学生了解自身安全的相关知识。在实验过程中,教师要严格控制学生的操作过程,监督学生安全规范地进行操作,力求实验成功。
(4)简易性原则。简单的实验操作简便,实验的效果也好,复杂的实验实验室装配困难,学生失败可能性非常大。所以,教师要尽量选用简单的实验进行操作。教师在进行实验优化的时候,尽量减少仪器的数量,减少仪器之间的转配和连接,减少复杂的实验仪器。简单的化学实验能够满足学生学习的兴趣,提高实验成功率,帮助学生建立良好的自信心。初中化学实验注重基础,教师要多进行简易、基础的实验。
(5)鲜明性原则。初中化学实验种类繁多,学生对常见的实验缺乏兴趣。教师进行实验优化设计的时候,要注重鲜明性原则。为了提高实验效果的鲜明性,教师要减少复杂的知觉背景,避免学生分散注意力,让学生详细地观察实验现象,领会实验的过程和结果。
二、初中化学实验优化策略
(1)教师转变传统思想。传统的化学实验只是流于形式,教师主要是让学生死记硬背实验过程和实验结果,对实验的操作性非常不重视。在新课标下,教师要转变传统的思路,在思想上提高对化学实验的重视程度。教师认真学习和研究初中化学实验的相关理论,思考实验的优化措施。教师要把学生放在实验的主体地位,强调学生主观能动性的发挥,在日常教学中,积极和学生建立良好的师生关系,提高学生的实验热情。教师详细讲述化学实验的要求和相关注意事项,确保学生在实验之前都能够深入了解化学实验的操作过程。教师积极发挥引导作用,给学生展示个性的机会,让学生能够进行创新实验。
(2)提高学生实验兴趣。初中化学实验本身就是很有兴趣的学科,教师在教学中,要注重展示化学实验的魅力,提高学生参与化学实验的积极性。教师不仅要在课堂上多多展示化学实验教学,还要给学生动手的机会,让学生充分了解化学实验。例如,在进行检验酸碱性的实验的时候,教师可以准备酚酞试剂,分别让学生把酸性试剂和碱性试剂滴到酚酞当中,让学生观察酚酞的变化,给出实验结论。让学生参与进去,就可以提高学生的兴趣。
(3)使用多种教学设备。随着科学技术不断发展,多媒体、计算机等教学设备已经成为化学实验的有力助手。教师要积极使用先进的设备,提高学生的实验能力。多媒体是常见的手段,教师可以在多媒体上播放很多化学实验的相关视频,通过刺激学生的视觉和听觉系统,加深学生对化学实验的了解程度。还可以在多媒体上形象反映出各种化学物质之间的关系,例如制取氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳的过程对比,这些气体的化学性质探讨等。教师还可以使用计算机优化实验的过程,比如在计算机上进行化学模拟实验,学生使用计算机就可以进行化学实验仪器装配、过程操作,达到智能化教学,既节约了资源,又提高学生的实验兴趣。
(4)建立合理的评价机制。学生进行化学实验之后,教师要对学生的表现进行合理评价。教师的评价直接影响学生的实验积极性,所以教师要争取客观公正地评价。教师以鼓励为主,对实验表现好的学生给予充分鼓励,并且提出更高的期望。对于表现差的学生,教师要善于发现实验中的闪光点,进行赞赏,并且委婉地提出实验的不足,争取下次提高实验效率。教师要让学生建立主体意识,让学生成为化学实验的主要人员,积极进行化学实验的准备工作。教师还要鼓励学生进行创新性实验,勇敢探索,力求达到创新的效果。
总结
初中化学实验强调学生主观能动性的发挥,教师要改变原来的思想,积极进行化学实验的优化设计工作。教师要提高学生的实验兴趣,增强学生亲自动手的机会,使用多媒体、计算机等教学手段,提高课堂化学实验的效率。在实验完成之后,合理客观地评价,让学生建立良好的自信心,积极进行化学实验的创新,促进学生个性化发展。
摘要：随着我国教育制度的不断改革,传统的人才培养模式已经不能适应时代的发展,新课标提出把学生放在主体地位的教学模式。初中化学实验课程要改变原来的教学方法,进行实验设计的优化,让学生真正进行化学实验,而不是单纯记住结论。进行初中化学实验的设计优化,能够有效提高学生的实验能力。
实验设计优化 篇11
关键词：实验教学；课程体系，优化路径；价值分析
一、中学地理课实验教学体系平台功能分析
1.地理课实验教学体系紧紧围绕着应用型人才培养目标，突出中学生创新精神与实践能力的培养，地理课实验教学中心以基础实验、专业实验和创新设计实验三大模块构建内部体系。整合传统实验，开发具有设计性、创新性、综合性特点的新型实验项目，按照中学教学的内涵、特点和要求来规划实验项目，实现由单一性向综合性转变，示范型向参与型转变，验证型向开发型转变。
2.地理课实验教学体系针对新形势下中学生培养模式的变化和发展，以提高中学生综合素质和应用技能为目标，以改革传统中学教学模式和管理体制为核心，以强化学生能力培养为宗旨，构建“3+3+3”实验教学课程体系，实现三个结合：即实验教学与理论教学及社会实践相结合，实验教学与学校发展和社会需求、社会研发相结合，实验教学与现代计算机和网络技术相结合；构筑三个实验板块：即基础性实验、综合设计性实验和研究创新性实验；强化三个实践能力训练环节：即中学生自主实现的创新型实践环节、中学生团队实现的实践环节、与社区和机构联合实现的实践环节。
3.培养学生一专多能的综合素质与能力，在技术应用层面寻找新的突破点，所构建中学实验教学体系平台的模式既可以让中学生在实践中学习巩固相关的专业的知识，也能促使中学生，在学校就能体验到社会实际工作的基本流程和工作模式。
4.整个实验环节的运作，均强化在实践过程中提高中学生的创新能力，以挖掘中学生思维的创造潜能，并以探索和紧跟业界的最新动态为忠旨和原动力，引导中学生在学好理论知识的前提下，进一步整合其相关专业知识和技能。
5.积极开展科研，教研和实验技术研究活动，通过开展实验活动，提高教师的科研水平和教学水平，同时通过实践设计等形式吸收学生参与科研、教研项目，以此来锻炼学习的实践技能。通过实验室开放，开展科技制作与创新活动，提高中学生的综合素质和创新能力，通过参加各种大赛，使学生的创新意识和应用实践能力得到了进一步的提高。
6.地理基础实验课程板块完全与理论课程对接，作为认知性、验证性、操作性训练，用以契合理论教学中所涉列相关知识要点，达到知行合一。
二、中学地理课实验教学体系程序设计
实验教学是学校培养创新型人才的重要途径，针对中学人才培养模式的核心，构建地理课实验教学平台，其目的是为了在实验教学中加强学生创新能力和实践能力的培养，扭转只重“三基”、轻视能力和素质训练的实验教风，实现“知识、能力和素质”协调发展。其设计程序为：
1.基础实验环节。着重于基础理论和基本技能的训练，是创新能力和实践能力培养的基础。该环节重在基础，面向综合，在掌握实验的基本方法、基本知识以及基本操作的基础上逐步培养学生分析问题、解决问题的能力，为开放性实验教学打下扎实的基础。
2.开放实验环节。该环节是中学生毕业实训前的演练，以学生自主学习为主要特征。开放实验内容与设计性、综合性实验相结合，与课外科技活动、科研相结合，加强新技术和新方法的引进。通过加强学期综合性和设计性实验项目、探索和设置开放实验课程、将开放性综合实验列入培养计划等措施，鼓励学生选择感兴趣的研究方向，早日介入科研，使多数学生可以在中学阶段得到更多的科研训练。
3.实训环节。这是学习、探索和创新相结合的综合性教学阶段，是对学生综合运用所学知识分析问题和解决问题能力的考核。学校充分利用办学的文化积淀和人才培养基地的优势，将实验室的实训环节做到精益和精透。地理课实验教学提高地理课教学质量的重要途径。结合实验室的教学条件和不同年级学生的特点，按照“一体化、多层次、开放式”建设思路，形成与“三层次”实验教学体系相适应的多层次、全方位开放的实验室结构体系。其步骤流程为：其一，演示性实验教学的组织实施。在安排课程教学计划时，根据地理课教学内容提出需实施演示性实验课的知识点，对这些知识点进行分类。一类是必须在课堂阐释的知识点，按常规方法先授课再安排实验；首先老师在总实验台的示范板上给演示一遍，让学生在掌握正确的实验方法，保证安全操作的基础上再自己动手实验，使学生培养了动手实验的自信心，也初步激发起学生进行实验学习的熱情。二类是纯理论、原理性知识点，采取逆向教学法先做实验，通过实验结果，加以简单的理论讲授来完成理论教学，三类是可以成为其他实验组成部分的知识点，则对其实验进行了删减合并，分类后排_出实验计划，并按计划组织实施。通过以上措施一方面解决了课堂授课与实验课的重复问题，节约了教学时间，另一方面提升了演示性实验教学在整个教学过程中的比重。其二，研究性实验教学的组织实施。为落实研究性实验教学，突出学生主体地位，增强学生学习兴趣，我们在严格按实验计划组织实施的基础上，组织学生开展排除障碍、改变情景、调整途径等研究性实验。提高了学生熟练动手能力和分析解决问题的能力。分班竞赛，达到共同掌握知识的目的。其三，综合性实验的组织实施。对于多个知识点交叉、相对复杂一点的综合性实验，除计划安排外，我们还通过第二课堂，开放式实验的便利条件，通过开展实验成果评比、实验体会交流座谈会，成果展示等活动，组织学生进行自主实验。最后组织成果评比，展示和座谈会，将小组成果转化为全体学生的成果，学生通过热情积极参与，既主动学到了理论知识又锻炼了实践操作和应用技术能力。其四，实验评价。实验评价是学生在实验过程中实践能力，操作技能和解决现场问题能力的客观反映，是实验教学中必不可少的重要一环，也是保证实现培养目标的一种手段。对于成果的评比，演示活动，不论成功的还是失败的，全部参加，我们只是作为激励学生创新思维、扩散实验成果，促进学生掌握知识点的方式，而不是一种评价手段。恰恰相反，我们改变了传统的事后结果评价，建立了以事中过程评价为重点的实验教学评价体系，保证了对学生实验评价的客观性。在评价内容上，变原先仅以实验报告为主要内容，为从态度、能力和结果等几方面进行综合评定。态度评价主要侧重于对实验本身意义的认知程度，对兴趣、实验目的，实验内容的预知程度，对实验中人身及设备的安全重视程度，对实验善后工作的处理等。能力评价主要是对学生现场动手和操作能力的评价，主要评价因素是独立、正确、协调、快速完成实验情况，人身及实验设备安全表现情况，对实验中出现的问题及现象的判断分析水平，创新意识及在实验中的应用情况的评价。结果
评价主要构成要素是，数据结果是否准确，对现场数据或现象的分析处理是否合理，实验报告是否规范、清楚，通过实验是否创新出新的工艺或操作方法。在评价方式上，不再等学生做完实验后，将有关的实验数据或实验现象记录带回，利用课余时间将报告完成后交教师评定，而是将实验成绩的评定拿到实验现场，把实验过程的各个环节纳入考核要素中，采取现场打分。通过观察，了解每位学生的实验态度及动手能力；通过学生提出的问题和指导人员的提问，了解学生对理论及实验教学的掌握程度；通过实验数据及实验报告了解学生处理现场问题的方法及能力。做到终结评价与过程评价的有机结合。这样，实验成绩就基本上反映了学生实验的真实水平，最大限度地保证了实验成绩的客观公正。
地理课实验教学体系平台建设是培养学生实践创新能力的重要途径。通过建设实验教学体系、实验室体系和实验教师队伍，构建符合国家对中学人才培养模式的超前设计。形成“基础实验一开放实验一实训”三层次实验教学体系，改革了传统的实验教学单一模式，通过实验教学将创新能力和实践能力培养贯穿于人才培养的全过程。实施各项开放式研究型实验教学平台的管理措施，通过多层次、全方位的实验室开放的改革与实践，不断改进实验教学在培养中学生实践创新能力方面的缺陷和不足，使教师重视实验教学，学生积极参与科技创新活动，达到了提高实验教学质量、增强学生科研能力和创新意识的目的。在培养学生的实践能力和创新能力方面取得了初步成效。
三、中学地理课实验教学体系的价值分析
1.创新理念，科学规划实验教学体系建设。中学要积极优化整合地理课实验教学资源，注重通识教育与专业教育相结合、课内教学与课外实践相结合、教学资源与科研资源相结合，制订了旨在培养学生科学思维能力、实践探索能力和创新能力的实验教学实施方案；改革实践教学模式，从学科知识结构和实践技能的整体性出发，创建富有主动性和创新性的实践教学独立运行新模式；改革实践教学内容，增加综合性、设计性、研究性和应用性实验的比例，分层次、多模块全面重组和更新实践教学内容；改革实践教学方法和手段，开展多媒体网络教学、计算机仿真实践教学等，不断创新实践教学的渠道。
2.以人为本，合理规划实验技术队伍建设。中学要按照“专、兼、聘”相结合的建设思路，通过调整、培训和引进等方式，不断强化实验室技术队伍建设；通过采取定编设岗、公开招聘、竞争上岗、按绩考核等措施，完善实验教学队伍的聘用与考核；每年选留优秀研究生毕业生充实实验队伍，并采取固定编制和流动编制相结合的方式，吸引校内外高水平教师或业内精英从事实验教学工作；鼓励从事科研和理论教学的教师重视开展实验教学；鼓励实验教学人员参加学历教育、进修和专业培训，不断提高实验技术人员的专业素质和业务水平。学校严格按照国家实验教学示范中心的建设标准，切换加强实验室建设。在建设初期，学校通过组织示范中心经验交流会、研讨会等形式，严格论证和科学规划示范中心建设方案；在建设过程中，科学组织省内外专家进行预评、预答辩等措施查缺补漏，并委派专人指导、协助院系进行建设和申报工作；评审结束后，进一步引导各示范中心建立长效机制加强自身建设，努力实现每个实验教学中心都有先进的教育理念和教学体系，有先进的实验教学队伍和管理体制，有先进的仪器设备和安全的运行环境，有显著的实验教学效果和鲜明的特色，使实验室能够更好地服务于学校的教学科研、学科建设、人才培养等工作。
实验设计优化 篇12
1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
北京瑞利WFX 110型原子吸收分光光度计, 锰空心阴极灯, 纵向加热平台石墨管。1 mg/ml锰标准储备液 (国家标准物质中心提供) , 临用前用纯水逐级稀释成100 μg/L标准应用液, 最终酸度为1%硝酸。其余试剂均为分析纯。
1.2 仪器工作条件
波长279.5 nm, 狭缝0.2 nm, 灯电流1.5 mA, 氩气流量1 L/min (原子化时停气) , 氘灯扣除背景, 进样体积20 μl, 峰面积定量, 测量方式为标准曲线法。
1.3 样品测定
1.3.1 样品前处理
吸取5.0 ml尿样于10 ml比色管, 加入2滴HNO3, 纯水定容至刻度, HNO3浓度约为1%。
1.3.2 标准溶液配制
吸取一定量标准应用液, 加入0.5 ml硝酸, 模拟尿稀释至50 ml, 配制成0、2.50、5.00、7.50、10.00、20.00 μg/L标准系列溶液。
1.3.3 石墨炉升温程序
见表1。
2 结果与讨论
2.1 标准曲线的绘制
人尿组成成分复杂, 为尽量消除样品的基体效应, 采用模拟尿配制标准系列。
2.2 正交表实验优化升温程序
石墨炉原子吸收光谱法测定尿锰分析中升温程序的控制非常重要, 其中石墨炉的灰化温度、灰化时间、原子化温度和原子化时间4个因素对测定灵敏度影响很大, 各因素常相互制约, 对测定产生影响。本文参考文献[2,3]报道各选择了4个水平, 因此选用L16 (44) 正交表[4]安排实验, 通过实验分析选择最佳方案。待测溶液浓度为10 μg/L, 实验方案、测定结果及基本计算见表2。
从表中可以看出, 9号实验条件得出的吸光度值最高, 即为理论上最佳方案, 但是该方案不一定是实际最佳方案, 需进一步计算。表中均值1, 2, 3, 4分别是因素A、B、C、D在各水平 (从低水平到高水平) 下的平均吸光度值, 通过计算可以看出, 灰化温度和原子化温度分别为1300和2400 ℃, 灰化时间和原子化时间分别为8和12 s时平均吸光度值最高, 由此我们判定, 此升温程序为最佳方案, 这与理论方案一致。
2.3 分析性能指标
2.3.1 线性范围、检出限和特征质量
采用模拟尿稀释标准系列, 当锰浓度在0～20 μg/L范围内有良好线性 (r>0.999) , 特征质量为1.78 pg, 测定相同工作条件下的空白溶液 (n=10) , 检出限为0.17 μg/L (3 s) 。
2.3.2 准确度与精密度
在尿样中加入高中低3种浓度标准溶液, 测定了加标回收率和精密度, 结果见表3。
3 小结
我们采用正交实验对石墨炉测定尿锰的几个主要条件进行优化选择, 与传统的单因素变换研究多因素效应相比, 具有能够减少实验次数、缩短分析周期, 更有利于得出可信结果的优点。经过正交实验优选出来的条件用于尿锰测定时, 结果稳定, 灵敏度高, 回收情况良好, 很好的满足了尿锰检测的需要。
参考文献
[1]徐伯洪, 闫惠芳.工作场所有害物质监测方法.北京:中国人民公安大学出版社, 2003:406.
[2]黄为红.石墨炉原子吸收法直接测定尿中微量锰.江苏预防医学, 2006, 17 (2) :57-59.
[3]闵珍, 黄月华.石墨炉原子吸收光谱法测定尿液中锰.职业卫生与应急救援, 2002, 20 (4) :217.