应用实验范文

应用实验范文（精选12篇）

应用实验 第1篇

为了达到设计性实验的预期目的, 保证实验质量, 必须把握3个环节。

1.1 实验前的预习报告

每次实验前, 学生必须认真阅读实验教材, 复习有关理论知识, 查阅有关元器件及所用仪器的主要性能和使用方法, 深入了解本次实验的目的、原理、任务及要求。弄清各主要参数的测量原理及测量方法, 熟悉测量电路。根据每次实验的已知条件和要完成的技术指标, 认真写出预习报告。预习报告内容包括:实验步骤, 画出初步拟定的原理电路图, 并用经验公式估算出电路图中各个元件的数值, 画出各主要参数的测量电路图, 求出各个参数的理论计算值, 然后将理论计算值和待测参数列成表格, 以便实验时填写。实验证明, 凡是准备工作做得充分的同学, 做起实验来得心应手, 能收到事半功倍的效果。

1.2 实验中的正确测试

实验过程中, 必须严格按照科学的操作方法进行实验, 严格执行实验室的规章制度, 测试参数时要心中有数, 细心观测, 认真做好实验数据记录, 并及时对实验结果进行分析, 当出现故障时, 应冷静分析原因, 要有科学的思维方法, 要坚信自己能够解决问题, 正确排除故障, 要运用所学的知识, 分析解决实验中的现象。实验结束时, 必须将实验数据送给指导教师查阅签字, 然后关闭仪器电源, 整理好仪器, 经教师同意后方可离开实验室。

1.3 实验结束后认真撰写设计性实验报告

撰写实验报告是培养科学实验基本技能的重要环节, 也是对工程技术人员的一项基本训练, 撰写实验报告的过程本身就是一个理论——实践——理论的认识总结过程。一份比较完整的设计性实验报告应包括以下内容:课题名称, 主要技术指标, 已知条件, 实验用仪器, 实验电路图, 实验数据与波形, 实验结果的讨论与误差分析, 思考题的解答以及书中所规定的其他要求等等。

2 设计性实验报告的要求

每份实验报告包括:

标题、实验名称、实验者的班级、姓名、实验日期等等。

1) 已知条件

2) 主要技术指标

3) 实验用仪器 (名称、型号、数量)

4) 电路原理

如果所设计的电路由几个单元电路组成, 则阐述电路原理时, 最好先用总体框图说明, 然后结合框图逐一介绍各单元电路的工作原理。

5) 单元电路的设计与调试步骤

(1) 选择电路形式

(2) 电路设计

——对所选电路中的各元件值进行

定量计算或工程估算。

(3) 电路的调试

6) 整机联调与测试

——当各单元电路测试正确后, 进行整机联调。

(1) 测量主要技术指标

报告中要说明各项技术指标的测量方法, 画出测试原理图, 记录并整理实验数据, 正确选取有效数字的位数。根据实验数据, 进行必要的计算, 列出表格, 在方格纸上绘制出光滑的波形或曲线。

(2) 故障分析及说明

说明在单元电路和整机调试中出现的主要故障及解决方法, 若有波形失真, 要分析波形失真的原因。

(3) 绘制出整机电原理图, 并标明调试后的各种元件参数。

7) 测量结果的误差分析

用理论计算值代替真值, 求得测量结果的相对误差, 并分析误差产生的原因。

8) 电路改进意见及实验中的收获体会

每份实验报告除了上述内容外, 还应做到文理通顺, 图形美观, 页面整洁。

3 设计性实验报告举例

专业___班号__组别____指导教师

姓名___实验日期___第__次实验

实验名称单级阻容耦合放大器设计

3.1已知条件

电源电压Uc c=+1 2 V, 负载电阻RL=2kΩ, 晶体管3DG6或3AX31, 输入正弦电压Ui=10mV (有效值) , 信号源内阻PS=600Ω。

3.2 主要技术指标

电压增益AV>4 0, 输入电阻Ri>2kΩ, 频率响应20Hz~500kHz, 电路工作稳定。

3.3 实验仪器设备

COS5020示波器1台;XD22信号发生器1台;

HT1712F直流稳压器1台;500型万用表1台。

3.4 电路工作原理

图1所示电路为一典型的工作点稳定阻容耦合放大器。RB1、RB2、RE组成电流负反馈偏置电路, RC为晶体管直流负载, RC与RL构成交流负载。CB、CC用来隔直和交流耦合。

3.5 电路的设计与调试

(1) 确定电路选择管型

3DG6β=100, 要求电路工作稳定, 采用分压式电流负反馈偏置电路。

(2) 电路设计 (定量计算)

根据3DG6的输出特性曲线, 选静态工作点Q。

RB2=UBQ/I1= (UEQ+0.7V) /I1=15.5kΩ取标称值15kΩ

RB1= (UCC-UBQ) /I1=45kΩ用20kΩ电阻与47kΩ电位器串联

取AV=50, 负反馈电阻RF=10kΩ

取CB=CC=22μF

取30022μF

(3) 电路的装调

按照设计参数安装电路, 接通电源, 经过调整满足要求后, 用万用表测量静态工作点。

3.6 主要技术指标的测量

(1) 测量电压增益AV

在放大器输入端加上, 正弦波, 在输出波形不失真时, 测量和波形如附图2所示, 由图可知

(2) 测量输入电阻Ri

接线图如附图3所示。取=1kΩ, 分别测得R两端对地电压Usm=17.5mV, Ui m=1 2 m V, 则Ri=R Ui m/ (Us mUim) =2.18kΩ

(3) 测量输出电阻RO

测量电路见附图4。输入一固定信号电压, 分别测得RL断开和接上时的输出电压UO=1.55V, UL=0.8V, 则

RO= (UO/UL-1) RL=1.9kΩ

3.7 误差分析

(1) 电压增益AV

理论计算值AV取50, 实测值AV=47

相对误差

γAV= (47-50) /50×100%=-6%

(2) 输入电阻Ri

理论计算值

实测值Ri=2.18kΩ

相对误差

γRi= (2.18-1.98) /1.98×100%=10%

(3) 输出电阻RO

理论值RO≈RC=2.2kΩ

实测值RO=1.9kΩ

相对误差

γRo= (1.9-2.2) /2.2×100%=-13%

误差产生的原因: (1) 各计算公式为近似公式; (2) 元件的实际值与标称值不尽相同; (3) 在频率不太高时, CE、CB的容抗不能忽视。

3.8 实验分析与研究

(1) 影响放大器电压增益的因素

从求AV的公式可知:

(1) 晶体管的β↑→AV↑;RC↑→AV↑, 而RO≈RC, 故RC不可太大。

(2) 影响放大器通频带的因素

从求fL的公式可知:

(1) 负反馈电阻RF↑→fL↓但AV↓, 故RF不能太大。

(2) CE↑→fL↓, 但CE增大后, 电容的体积和价格也增大, 设计时应综合考虑。

(3) 波形失真的研究

当静态工作点过低时, 如附图5中的Q1点, 会产生截止失真;过高时, 如图中Q2点, 会产生饱和失真。失真波形如附图6所示。改进办法:调整偏置电阻, 截止失真时减小RB1, 提高UBQ增大IE, 或重新设置工作点。

3.9 心得体会

(1) 通过本次实验掌握了单级阻容耦合放大器的工程估算方法和如何调整静态工作点, 熟悉了放大器的主要性能及其测量方法。尤其是对如何提高放大器的增益和扩展频带体会较深。

(2) 进一步掌握了示波器、信号发生器和万用表的使用方法, 以及如何检查晶体管的好坏。

(3) 在实验时应保持冷静, 有条理。遇到问题要联系书本知识积极思考, 同时一定要做好实验前的预习和实验中必要的记录, 这样才能够在实验后有实验数据进行分析和总结, 写出合格的实验报告。

参考文献

[1]郎朗.电路与电子技术实验教程.合肥工业大学出版社, 2012-3

应用实验 第2篇

（1）如何在数据环境中建立两数据表之间的临时关联？ 答：

建立临时关联的前提条件是：子表需要建立以关联字段为表达式的索引，并设置该索引为主控索引。

创建临时关联可以通过多种方法实现：数据工作期、命令方式和数据环境。

使用命令方式创建表间的临时关联

格式：

SET RELATION TO [< 关系表达式 1>] INTO < 工作区 1>/< 表别名 1>

[,< 关系表达式 2> INTO < 工作区 2>/< 表别名 2> …] ]

[IN< 工作区 >/< 表别名 >] [ADDITIVE]

（2）请问，实验内容的第 2、3、4 题中，使用 SQL 的 SELECT 语句有什么好处？ 答：

利用 L SQL 的 的 T SELECT 查询语句，可以方便地针对单表或多表进行信息查询，特别是当需要对多张表中的相关信息查询时，利用 L SQL 的 的 T SELECT 查询语句可以更有效地设计多表信息查询 表单。

（3）请问 InterActiveChange 事件是怎样发生的？在实验内容的第 3 题中，列表框中的数据是如何添加的？ 答：

列表框常用到 InterA A ctiveC Ce hange 事件，它的触发时机是：在使用键盘或鼠标更改控件的值时，此事件发生。改时间可用于：复选框、组合框、命

令框、编辑框、列表框、选项组、微调和文本框等。在实验内容的第 3 3 题中，通过列表框的 M ADDITEM 方法将相关的表数据添加到列表框。2 ．简答题

（1）职工表与销售表的临时关联，销售表与职工表的临时关联两者有何区别？ 答：

职工表与销售表的临时关联其 父表是职工，子表是销售，需要建立销售表中与关联字段相匹配的索引；销售表与职工表的临时关联其父表是销售，子表是职工，需要建立职工表中与关联字段相匹配的索引。

（2）要设置页框中各页的标题，可使用哪一个属性？ 答：

可使用 CAPTI ON。鼠标右键单击页框，弹出快捷菜单，选择“编辑”页框，此时处于编辑状态下的页框会出现蓝色的边框，分别设置每一页的 CAPTION属性。

（3）在实验内容的第 2 题中，从数据环境将职工表的职工号字段直接拖放到页框上后，显示职工号文本框的对象名称（Name）是什么？该文本框的ControlSource 属性是什么？ ：

答：

实验图象的应用 第3篇

例题 某同学利用DIS，定值电阻[R0]、电阻箱[R1]等实验器材测量电池[a]的电动势和内阻，实验装置如图1所示，实验时多次改变电阻箱的阻值，记录外电路的总电阻阻值[R]，用电压传感器测得端电压[U]，并在计算机上显示出如图2所示的[1U-1R]关系图线，重复上述实验方法测量电池[b]的电动势和内阻，得到图2中的图线[b].

[0.5][-2.0] [计算机][数据

采集器][电压

传感器] [图2][图1]

（1）由图线[a]可知电池[a]的电动势[Ea]= V，内阻[ra]= Ω；

（2）若用同一个电阻[R]先后与电池[a]及电池[b]连接，则两电池的输出功率[Pa] [Pb]（填“大于”“等于”或“小于”），两电池的效率[ηa] [ηb]（填“大于”“等于”或“小于”）.

解析 电路部分可以由图3表示出.

[电压表][图3]

由实验原理也就可以顺利地得到题中所给图象的函数表达式

[E=U+URr⇒][1U=1E+(rE)1R]

由此式可以得出，电源图线在纵轴上截距的倒数是电源电动势的大小. 电源图线斜率的倒数是短路电流的大小（定值，与外电阻无关）.

[1E=0.5→E=10.5=2VrE=k=0.52→r=14×2=0.5]

[或1r=2→r=12=]0.5Ω

由图象上电源[a]线上的数据，可以计算得电源[a]的电动势[E]＝2V，内电阻[r]=0.5Ω.

但是电源[b]线上没有给任何数据，我们是不是可以用下面的三种做法，得出两电源电动势、内电阻的比较.

方法1 数形结合，用图示法得到可能的未知数据，进行特殊值计算.

在“力的图示”中同学们曾学过以单位长去度量线段的方法. 如图4所示，纵轴上0~0.5的线段上，五等分后即可读到电源[b]线的纵截距大小，横轴0~-2线段上二等分就可以读到电源b的横截距的大小，根据上面的计算，就可以计算出电源[b]的电动势、内电阻，进而可以进行比较. （由于此题是定性的比较大小，所以只需定性地划分标度读出数来即可）

[0.5][-2.0] [图4]

[1E≈0.18→Eb≈10.18≈5.5V1r≈1.4→rb≈11.4≈0.7Ω]

对于第二问，两电源分别与同一电阻连接，即增加了新的器件，电源处于新状态.

有了电源[b]的电动势和内电阻的数值，只要再任意设定一个外电阻如[R1]=2Ω，就可以对两电源进行电源的输出功率及效率的计算. 换句话说就是进行特殊值的计算，利用特殊值的计算结果比较大小，得到答案.

方法2 图象与新状态所遵循的规律相结合

两电源图线斜率为短路电流的倒数，由图可知[a]的斜率大于[b]的斜率，对两电源的短路电流，有

[Eara

按题目所述物理连接，电源与外电阻组成闭合回路，按对应的物理规律，即全电路欧姆定律，由于电动势、内电阻、外电阻都是正数，结合上面的不等式（短路电流的表达式分母中加外电阻），得到回路电流，对两电源回路电流大小，有

[Eara+R1

由此关系，并用纯电阻的功率计算式进行判断，有

[P=I2R ∵Ia

此法最为简单.

方法3 数形结合，“画”出新状态，充分应用图象的物理意义

图象中电源图线上的纵截距倒数可表示电动势的大小，横截距表示什么？

①经过思考后可得：是内电阻的倒数. 所以可以应用它直接表示内电阻的大小.

（图中所给的图线，将反映电源本质属性的两个物理量：电动势和内电阻，以及由这两个量所得到的电源的短路电流，这三个量是由电源决定的，与外电路无关. 我们称此线为电源图线是有道理的）

分别比较两个电源图线的纵截距、横截距，有

[Ea

题目第二问，用同一个电阻[R]先后与电池[a]及电池[b]连接，讨论两电池的输出功率及效率的关系.

这就又提出一个新的器件：外电阻.

又给出了电源的新状态：电源与外电阻形成闭合电路.

没有给出外电阻的阻值，能不能在所给图象上“画”一个外电阻[R1]?“画出”电源的新状态，从中发现“新”物理意义？

[0.5][-2.0][图5] ②由横轴的物理意义，可以画如图5所示的垂直于横轴的线段，表示一个定值电阻[R1]. 向左移动该线表示电阻在变大，反之外电阻变小.

③与电源图线[a]相交，可以表示外电阻[R1]与该电源构成一个闭合回路；

④与电源图线[b]相交，可以表示外电阻[R1]与该电源构成另一个闭合回路.

⑤交点的纵坐标数的倒数，是[R1]两端的电压，也是电源的路端电压. 纵坐标的值越大，路端电压越小.

可以看出，外电阻[R1]分别与两电源相连时，路端电压[Ua

⑥交点与原点连线的斜率，其物理意义是电源与外电阻[R1]构成的闭合电路的电流的倒数. 该线的斜率越大，闭合回路的电流越小. 则

[k=1U1R1=R1U=1I]

即此线斜率的倒数表示回路电流的大小. （由图象可以看出与外电阻大小有关）

可知，外电阻[R1]分别与两电源相连时，两电路的回路电流大小关系[Ia

有了以上路端电压、回路电流的大小关系的结论，就可以用不同的规律讨论外电阻[R1]分别与两电源相连时，两电源输出功率的大小关系，有

[P=U2R ∵Ua

[P=I2R ∵Ia

或[IaUa

对外电阻[R1]分别与两电源相连时两电源效率的比较，只要用电阻表示的效率公式，就可以容易得到

[η=RR+r ∵raη b]

将解题过程中对[1U-1R]图象“挖掘”到的物理意义，总结在图6中.

注意，此题所给的[1U-1R]图象，坐标轴与图线所围的面积，没有物理意义，但在其它的图象讨论中需要考虑.

物理上的“数形结合”，形指图象，数指图象的解析式即函数表达式. 要强调的是，函数表达式要从物理情景所遵从的物理规律进行推导；如果是实验题，则要从这个实验所用的实验原理进行推导. 对于新图象更要这样做.

【练习】

（10Ω）][V]1．在测量电源的电动势和内阻的实验中，由于所用的电压表（视为理想电压表）的量程较小，某同学设计了如图7所示的实物电路.

（1）试验时，应先将电阻箱的电阻调到 .（选填“最大值”“最小值”或“任意值”）

（2）改变电阻箱的阻值[R]，分别测出阻值[R0]=10Ω的定值电阻两端的电压[U]，下列两组[R]的取值方案中，比较合理的方案是 .（选填“1”或“2”）

（3）根据实验数据描点，绘出的[1U-R]图象是一条直线. 若直线的斜率为[k]，在坐标轴上的截距为[b]，则该电源的电动势[E]= ，内阻[r]= （用[k]、[b]和[R0]表示）

2．如图8所示，若[x]轴表示时间，[y]轴表示位置，则该图象反映了某质点做匀速直线运动时，位置与时间的关系. 若令[x]轴和[y]轴分别表示其它的物理量，则该图象又可以反映在某种情况下，相应的物理量之间的关系. 下列说法中正确的是（ ）

[图8]

A. 若[x]轴表示时间，[y]轴表示动能，则该图象可以反映某物体受恒定合外力作用做直线运动的过程中，物体动能与时间的关系

B. 若[x]轴表示频率，[y]轴表示动能，则该图象可以反映光电效应中，光电子最大初动能与入射光频率之间的关系

C．若[x]轴表示时间，[y]轴表示动量，则该图象可以反映某物体在沿运动方向的恒定合外力作用下，物体动量与时间的关系

D．若[x]轴表示时间，[y]轴表示感应电动势，则该图象可以反映静置于磁场中的某闭合回路，当磁感应强度随时间均匀增大时，闭合回路的感应电动势与时间的关系

【参考答案】

1．（1）最大值 （2）2 （3）[E=1kR0] [r=bk-R0]

由实验原理进行函数表达式的推导：

[E=I(R+R0+r)→E=UR0(R+R0+r)→1U=1ER0(R+R0+r)→ 1U=1ER0R+1ER0(R0+r)]

考察斜率和截距可以得到什么物理量. 这里的[U]不是路端电压！只是外电路上的一个局部电压！

应用实验 第4篇

一、探究微观粒子的特性

世界万物都是由极其微小的粒子构成的, 构成物质的这些微观粒子不是静止不动的, 总在不断运动。为了探究分子具有不断运动的特性, 初中化学教材[1]利用图1所示的实验装置探究氨分子具有不断运动的特性, 但由于浓氨水具有挥发性, 该装置密封性差, 氨气逸出到空气中, 大家闻到了刺激性的氨味, 造成了对环境的污染。为此, 我们对教材实验装置进行了重新设计, 利用图2所示的实验装置, 重新进行实验:固体氢氧化钠吸收浓氨水中的水分, 放出热量, 加快氨分子的运动速率, 支管口连接气球, 整个体系处于密封状态, 不仅再闻不到刺激性的氨味, 而且很快观察到湿润的酚酞滤纸条变红等实验现象, 由此得出分子不断运动的结论。改进后的实验装置浓氨水用量大大减少且在密封体系中进行, 既做到了现象明显、可视性强, 又避免了对环境的污染, 体现了实验过程的绿色化、实验装置的微型化、实验药品的节约化、实验现象的直观化、实验改进的高效化。如果没有现成的管壁有口的试管, 我们也可以用U型管对实验进行改进, 改进后的装置如图3所示, 能够得到与图2相同的实验效果。

二、改进气体发生装置

初中化学教材中分别介绍了氧气、氢气、二氧化碳三种气体的实验室制法, 三种气体的制备都是固体与液体反应, 在常温下进行, 因此可用相同的实验发生装置制取气体, 然后, 依据需要选择气体收集装置。 (说明:氧气的制备选用二氧化锰和过氧化氢) 。教材中气体的制备及收集, 如图4所示。

上述实验中的气体发生装置, 不能控制反应的发生或停止, 当收集到所需气体之后, 反应仍在进行, 容易造成药品的不必要浪费。为此我们用注射器代替长颈漏斗, 通过注射器向广口瓶内添加液体药品, 实现化学实验的微型化, 改进后的装置如图5所示。

在注射器内盛有液体反应物 (如稀盐酸、稀硫酸、过氧化氢溶液等) , 广口瓶底部放有固体反应物 (如石灰石、锌粒、二氧化锰等) , 通过注射器向瓶内注射液体, 随着液体与固体的接触, 它们之间的化学反应不断进行, 我们就会得到需要的气体。

使用改进后的实验发生装置, 通过推拉注射器, 能随时控制反应的进行, 根据需要收集气体, 减少实验药品的用量, 避免了药品的不必要浪费, 培养了学生的“节约”意识。

三、探究物质的性质

酸碱盐是初中化学学习的重要化合物, 探究酸碱盐的化学性质, 我们一般是利用试管进行实验, 由于学生对液体实验药品的体积估算不够准确, 加上所用实验药量越多, 实验现象越明显的错误认识, 结果过多地加入实验药品, 有的甚至超过试管容积的一半, 造成了不必要的浪费, 加大了实验废液的处理成本, 人为地加大了实验管理人员的工作量。若用点滴板代替试管进行该类实验, 则会避免出现上述问题, 而得到同样的实验效果。

如, 盐酸溶液中含有H2O分子、H+和Cl-离子, 要探究是哪一种粒子能使紫色石蕊试液变成红色, 我们可以在白色点滴板上进行下列实验, 并记录实验现象和结论。

第1孔利用蒸馏水进行实验, 溶液颜色不变, 说明水分子不能使紫色石蕊试液变红, 第2孔用NaCl溶液进行实验, 孔中溶液仍为紫色, 说明Cl-离子不能使紫色石蕊试液变红, 第3孔、第4孔分别用盐酸和硫酸进行实验, 二者均有相同的H+, 孔中溶液均由紫色变为红色, 证明了是H+使紫色石蕊变红色。

显然, 运用点滴板进行实验, 实现了化学实验的微型化, 既便于观察实验现象、节约实验用品 (只需1~2小滴) 、减少实验产生的污染, 又增大了实验的数量、收到明显的实验效果, 可谓省时省力高效。

四、进行综合实验

初中化学教材气体的制备与性质实验一般是分开的, 即先制备气体, 再利用制备的气体进行实验, 这样的设计方案缺乏连贯性和综合性, 实验操作不方便、气体的利用率较低, 在环保、节能等方面也同样会产生一些弊端。若将气体的制备与性质实验融为一体同时进行, 既节约药品, 又方便操作, 还避免对环境的污染。

二氧化碳气体的制备及性质实验我们可用图7所示的微型化实验装置对教材中的实验进行改进。

实验前确保该装置的气密性良好, 通过挤压胶头, 滴入稀盐酸。石灰石便与盐酸反应, 产生二氧化碳气体, 1处的紫色石蕊试液变红色、2处的澄清石灰水变浑浊, 验证了二氧化碳能与水反应、二氧化碳能与石灰水反应的化学性质, 用燃着的木条放在微型集气瓶口, 木条火焰熄灭, 说明二氧化碳已收集满。

该装置集二氧化碳的制备、收集、验满、性质实验于一体, 实验装置简单、便于操作, 实验药品用量少、实验现象明显, 能控制反应的发生或停止。

利用同样的思路, 我们可以设计图8所示的“微型”实验装置, 集氢气的制备与性质实验于一起。在G处装稀盐酸, H处放少量铁屑, 排尽装置内的空气, 加热氧化铁, 则会观察到暗红色粉末变为黑色, 该实验装置同样具有节约实验用品、减少废物产生 (减少污染) 、反应时间短、便于操作和观察现象等特点。

五、增补教材实验

初中化学课本在介绍一些理论知识时, 并没有安排具体的演示实验, 学生对此缺乏感性认识, 教师缺乏说服力, 此时我们可以抓住问题的关键鼓励学生积极思维, 精心思考, 大胆探索实验方案。如学习二氧化碳与氢氧化钠的反应时, 教材只是进行了简单的事实陈述, 并没有设计具体的实验方案。此时教师可以设计图9所示的实验装置[2], 弥补教材的不足。

将注射器1中的溶液推入充有CO2的瓶中, 可以看到瓶内气球变大, 这是因为瓶内气体减少, 压强变小, 在大气压的作用下, 瓶内气球鼓起来;此时向外拉注射器3, 注射器中的澄清石灰水不变浑浊, 说明瓶内的CO2气体已被氢氧化钠溶液吸收完全, 将注射器2中的溶液推入瓶内, 看到瓶内有气泡产生, 气球变瘪, 向外拉注射器3, 注射器内的澄清石灰水变浑浊, 说明产生了二氧化碳与氢氧化钠反应有新物质产生。

该实验通过验证反应物是否减少 (或是否存在) 和从是否有新物质产生来探究CO2与NaOH溶液发生反应。

利用验证有新物质生成来探究物质之间能够发生反应的思路, 也可以验证二氧化碳的其他性质。

二氧化碳密度比空气大, 且与水反应产生碳酸, 二氧化碳与水反应没有明显的实验现象, 为此, 我们设计如图10、图11所示的实验装置[3], 验证二氧化碳的密度比空气大、二氧化碳能与水反应等性质。

将Y形导管平放于桌面, 湿润的紫色石蕊试纸变红色, 干燥的紫色石蕊试纸无明显变化, 说明二氧化碳与水能够发生化学反应;把Y形导管固定在铁架台上, a管位于上方, b管位于下方, 缓缓通入二氧化碳气体, 观察到两湿润的石蕊试纸均变红色, 但b管中试纸变色比a管明显变快, 从而证实二氧化碳的密度比空气大, 主要从b管中通过。

上述实验设计将二氧化碳的物理性质与化学性质融为一体, 对教材中的实验进行了优化设计, 化抽象为直观, 增进了学生对知识的理解, 培养了学生的实证意识。

微型实验具有简化装置、节约试剂、减少污染、节省空间、降低成本、缩短时间等特点, 对于培养学生的创新精神、实践能力, 激发学生的学习兴趣, 发挥着极其重要的作用, 已经成为化学实验改革的一道亮丽风景。

参考文献

[1]卢巍.义务教育课程标准实验教科书化学 (八年级全一册) 教师教学用书.济南.山东教育出版社, 2007.

化学计量实验应用教案 第5篇

学习目标：

1、巩固对物质的量、mol、阿伏伽德罗常数、摩尔质量等概念的理解

2、熟练物质的量、物质质量、微粒个数、摩尔质量的换算

学习重点：物质的量、物质质量、微粒个数、摩尔质量的换算

学法指导：练习、注重细节

基础检测：

一、物质的量(n)

①、定义：表示含有一定数目粒子的集体的物理量。物质的量用符号“n”表示。 ②、研究对象：微观微粒(如分子、原子、离子、质子、中子、电子等)

③、使用摩尔时必须指明物质的化学式。 如：1 mol水(错误)、1 mol H2O(正确) 题型一：已知化学式的物质的量，根据化学式求化学式中各粒子(包括分子、原子、离子、电子、质子、中子等)的物质的量。

1、0.5 molNa2SO4有 molNa+ mol SO42- ，mol.

2、1 mol H2O中有mol电子mol质子

a mol NH4+有mol电子mol质子

题型二：已知化学式中某粒子(包括分子、原子、离子、电子、质子、中子等)的物质的量，根据化学式求化学式或化学式中其他粒子的物质的量。

1、mol H2SO4 含有a mol氧原子

2、已知KNO3中氧原子O的物质的量为X mol，则KNO3中N原子的物质的量为 mol。

3、与0.2mol H3PO4含有相同H原子数的HNO3为mol。

二、阿伏加德罗常数(NA)：

①、定义值(标准)：以0.012kg(即12克)碳-12原子的数目为标准;

②、近似值：经过科学测定，阿伏加德罗常数的近似值一般取6.02 x 1023 moL―1，单位是mol-1，用符号NA表示。常用NA≈6.02 x 1023 moL―1进行有关计算，但是当进行概念表达是，则需体现“近似值”的特点

物质的量与阿伏加德罗常数之间的关系：

n(B)=N(B) / NA

说明：

根据这个公式 n(B)=N(B) / NA要注意，我们求哪一种粒子个数就需要知道谁的物质的量。

练习：

已知Na2CO3溶液中Na2CO3的物质的量为X mol，则该溶液中含有Na+CO32-

二、摩尔质量(M)：

三、

①摩尔质量的单位： g/ moL

② 某物质的摩尔质量在数值上等于该物质的原子量、分子量或化学式式量。

练习：1、24.5g H2SO4的物质的量是多少?

2、71g Na2SO4中含有Na+ 和SO42―的物质的量各是多少?

3、含有1.5 x1022个分子的物质，其质量为0.7g，求该物质的相对分子质量。

4、1.7gNH3所含的分子数与gN2所含的分子数相同。

巩固检测

一、选择题(每小题只有一个选项符合题意)

1.下列关于摩尔的说法中，正确的是 ( )

A.是一个表示微观粒子数目的物理量 B.是表示物质质量的单位

C.是表示物质中所含的微粒数 D.是表示物质的量的单位

2.下列叙述中正确的是 ( )

A.1mol碳的质量是12g/mol B.碳的摩尔质量是12

C.碳的摩尔质量是12g D.碳的摩尔质量是12g/mol

3.a mol H2和2a molHe具有相同的 ( )

A.分子数 B.原子数 C.质子数 D.质量

4.n克的H2SO4所含氧原子的物质的量是 ( )

A.n/98 moL B.7n/98 moL C.4n/98 moL D.4n/32 moL

5.下列各组物质中，含原子数最多的是 ( )

A.0.4molO2 B.4℃时5.4mL水 C.10gNe D.6.021023个硫酸分子

6.设NA代表阿伏加德罗常数，下列说法正确的是( )

A.2.4g金属镁全部变成镁离子时失去的电子数目为0.1NA

B.2g氢气所含原子数目为NA

C.17gNH3 所含的电子数为10NA

D.14.2g Na2SO4溶于水，溶液中含有的阳离子数目为NA

7.已知1gN2含a个分子，则阿伏加德罗常数为( )

A.a/14 mol-1 B.a/28 mol-1 C.14a mol-1 D.28a mol-1

8.相同质量的SO2和SO3它们之间的关系是 ( )

A.所含硫原子的物质的量之比为1:1 B.氧原子的物质的量之比为3:2

C.氧元素的质量比为2:3 D.硫元素的质量比为5:4

二、填空题

9. ______H2O中的氧原子数与1.6gO2中所含的氧原子数相同。

10.含有相同分子数的一氧化碳和二氧化碳，其质量比是摩尔质量比是 ，物质的量比是 ，所含氧原子个数比是 ，碳原子数比是 。

三、计算题：

实验综合应用高考定位 第6篇

实验方案的设计与评价能力是进行实验的基本能力，是高考考查的重点。在高考中主要以物质的制备或性质实验为载体，结合实验操作、物质性质探究等命题。通常是针对综合实验中的某一环节或某一步骤进行方案的设计与评价，解题的关键是根据实验目的和实验原理设计多种实验方案并对多种方案进行分析评价选出最佳方案。

例1 究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部，塞上瓶塞（如图1）。从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。

（1）请完成以下实验设计表（表中不要留空格）：

（3）该小组对图2中0～t1时压强变大的原因提出了如下假设，请你完成假设二。

假设一：发生析氢腐蚀产生了气体；

假设二： 。

（4）为验证假设一，某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。请你再设计一个实验方案验证假设一，写出实验步骤和结论。

解析 （1）根据控制变量法可知，在探究影响铁粉腐蚀的因素时，需控制其他条件不变，只改变某一个条件，再探究这一条件对铁粉腐蚀的影响。实验②探究醋酸浓度的影响时，要控制碳粉、铁粉的质量与参照实验①相同，故铁粉质量为2 g。实验③中碳粉的质量与参照实验①不同，而其他条件相同，故实验③的目的为探究碳粉质量的影响。

（2）根据图2知，0～t1压强增大，则发生析氢腐蚀，t1后压强减小，则发生吸氧腐蚀。发生电化学腐蚀时，Fe失去电子，电子沿导体由Fe流向C，碳作正极，碳粉表面发生还原反应，电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-。

（3）使密闭容器内气压增大的原因有：一是通过化学反应生成了气体；二是化学反应过程中放出了热量，使容器内温度升高，气体膨胀，压强增大。

（4）略

化学实验综合探究

探究类综合实验题是一类思维开放性试题，能够综合考查大家发现问题和解决问题的能力，命题角度灵活、涵盖知识面广，该类试题是近几年高考命题的热点。特别是有机化学综合实验题，它通常以有机化合物的制备为载体考查常见化学实验仪器的使用方法，物质的分离、提纯等基本实验操作和注意事项，以及实验条件的控制、产率计算等。

例2 为了探究AgNO3的氧化性和热稳定性，某化学兴趣小组设计了如下实验。

Ⅰ. AgNO3的氧化性

将光亮的铁丝伸入AgNO3溶液中，一段时间后将铁丝取出。为检验溶液中Fe的氧化产物，将溶液中的Ag+除尽后，进行了如下实验。可选用的试剂：KSCN溶液、K3[Fe（CN）6]溶液、氯水。

（1）请完成下表：

（2）装置B的作用是 。

（3）【查阅资料】 Ag2O和粉末状的Ag均为黑色；Ag2O可溶于氨水。

【提出设想】 试管中残留的黑色固体可能是：i.Ag；ⅱ.Ag2O；ⅲ.Ag和Ag2O。

【实验验证】 该小组为验证上述设想，分别取少量黑色固体放入试管中，进行了如下实验。

[实验编号＼&操作＼&现象＼&a＼&加入足量氨水，振荡＼&黑色固体不溶解＼&b＼&加入足量稀硝酸，振荡＼&黑色固体溶解，并有气体产生＼&]

【实验评价】 根据上述实验，不能确定固体产物成分的实验是 （填实验编号）。

【实验结论】 根据上述实验结果，该小组得出AgNO3固体受热分解的产物有 。

解析 （1）Fe3+遇KSCN显血红色；铁氰化钾与Fe2+生成蓝色的铁氰化亚铁沉淀。

（2）AgNO3加热分解生成的红棕色气体为NO2，易溶于水，所以装置B的作用为安全瓶，由于两侧的导管较短，故不可能倒吸到装置A中。

（3）根据信息，Ag2O可溶于氨水，由实验a知，黑色固体不溶，则黑色固体为ⅰ（Ag），而不是ⅱ和ⅲ。由实验b知，有气体生成，则一定含有Ag，故不能判断出黑色固体成分。综上，AgNO3热分解的产物有NO2、O2和Ag。

工艺流程型综合实验题

工艺流程型综合实验题是以工业生产流程为命题背景，融合元素化合物知识、化学反应原理和化学实验等内容为一体的综合性试题，与实际联系密切，是近几年高考的热点题型，应引起足够的重视。

已知：HCl的沸点是-85.0 ℃，HF的沸点是19.5 ℃。

（1）第①步反应中无水HF的作用是 、 。反应设备不能用玻璃材质的原因是 （用化学方程式表示）。无水HF有腐蚀性和毒性，工厂安全手册提示：如果不小心将HF沾到皮肤上，可立即用2%的 溶液冲洗。

（2）该流程需在无水条件下进行，第③步反应中PF5极易水解，其产物为两种酸，写出PF5水解的化学方程式 。

（3）第④步分离采用的方法是 ；第⑤步分离尾气中的HF、HCl采用的方法是 。

（4）LiPF6产品中通常混有少量LiF。取样品w g，测得Li的物质的量为n mol，则该样品中LiPF6的物质的量为 mol（用含w、n的代数式表示）。

解析 （1）LiF（s）+HF（l）=LiHF2（aq），即生成的LiHF2溶于无水液态HF中得饱和LiHF2溶液，故无水HF的作用是作反应物和溶剂。由于玻璃材质的主要成分是SiO2，SiO2能和HF反应，故反应设备不能用玻璃材质。由于NaHCO3溶液呈碱性能中和HF，且对皮肤腐蚀性小，故可用2%的NaHCO3溶液冲洗。

（2）PF5中P、F元素的化合价分别为+5价和-1价，故水解产物分别为H3PO4、HF，其水解反应为PF5+4H2O=H3PO4+5HF。

（3）第④步分离的是固态LiPF6和液态HF，则采用的方法是过滤。由于HCl和HF的沸点差别较大，故分离尾气中HF和HCl应采用冷凝液化的方法（HF冷凝为液体时，HCl仍为气体）。

（4）设w g样品中含有LiPF6、LiF的物质的量分别为x、y，则有：x+y=n，152x+26y=w，解得：x=[w-26n126]mol。

应用实验 第7篇

实验教学是教学活动中的重要环节, 有利于学生深刻理解理论知识、积极发挥主观能动性、进行科学研究与再创造, 是从理论走向实践的桥梁, 也是高校教学中不可或缺的重要组成环节。实验条件的好坏直接影响到学生动手能力、创新精神和综合素质的培养。随着高校扩招, 传统实验室的设备和规模已不能满足学生的实验需求, 学生的实验时间和实验空间都受到限制。尤其是在医学院校, 医学实验的开展受实验动物以及试剂等诸多因素影响, 且实验成本较高。随着计算机技术和网络技术的发展以及科研的进一步深入, 虚拟实验技术日渐成熟和完善, 实验教学改革也迫切地需要虚拟实验技术在教学中的应用能够早日从理论研究向实际应用迈进[2]。

医学虚拟实验技术是一门集自动化技术、计算机技术、通信技术、网络技术、虚拟技术和多媒体技术等而兴起的新兴实验技术, 最早是一些国外的医学院及医院的人员使用。近年来, 国内上海中医药大学、山东大学、南方医科大学、中山大学、天津中医药大学等已经成功入选国家级虚拟仿真实验教学中心, 并且建立了虚拟仿真实验平台。

网上虚拟实验教学具有广阔的应用前景, 但虚拟实验技术要求比较高, 在实际教学中还未得到广泛应用, 有关虚拟实验教学模式还有很多工作值得教育者去深入探讨。

1 研究内容

采用计算机虚拟仿真技术和网络技术, 建立医学显微形态学虚拟仿真实验教学平台。医学显微形态学虚拟仿真实验教学资源的建设, 使学生、教师可在任何地点通过网络进行虚拟实验的操作学习, 没有客户端数量的限制, 平台采用负载均衡技术, 配合多线机房云服务器存储, 使得访问速度更快。

2 研究目标

通过该项目的研究, 制作医学实验仿真教学课件, 建立医学显微形态学虚拟仿真实验教学平台及资源库, 促进虚拟仿真技术在实验教学中的应用, 持续推进实验教学信息化建设。

3 医学虚拟实验平台在实验教学中的应用

3.1 情景设置

虚拟实验的情景设置需要运用计算机技术、网络技术、网络三维技术和多媒体技术等, 从而创造出逼真的情景。只有这样, 才能使学生产生真实的学习体验, 增强学习兴趣。通过视觉、听觉等的刺激, 使学生在虚拟情景中掌握知识, 并迁移到真实的实践当中, 能独立解决问题, 并真正理解所学知识。另外, 注重知识的呈现方式, 分析学生现有知识、能力水平, 适当地安排一些省略、空白或者令人感到奇怪之处, 以激发学生的兴趣。虚拟实验系统不同于真实的实验室环境, 实验者是通过用户界面与之交互作用的。因此, 界面的设计要方便、美观、易于操作。

3.2 过程模拟

在虚拟实验过程模拟阶段, 学生通过观察、分析实验现象, 处理实验数据, 并根据反馈调整策略、澄清错误概念, 检验自己的假设和实验设计方案, 这有助于提高学生对反馈的反应能力以及对因果关系的敏感性。另外, 在虚拟实验过程中, 学生必须有意识地运用自己的经验, 并用现有的知识综合分析实验结果。因此, 要注重虚拟实验的真实性和智能化。真实性可以丰富学生在虚拟情景中的体验, 智能化主要表现为可在实验过程中跟踪学生的实验进度, 并适时地为其提出指导性建议。

3.3 迁移学习

在开展虚拟实验时, 学生应该学会运用迁移理论, 其定义就是“在一种情景中获得的技能、知识或形成的态度对另一种情景中技能、知识的获得或态度形成的影响”。简言之, 迁移学习就是一种学习对另一种学习的影响。在虚拟实验情景创设中, 虚拟与真实学习情景的共同要素越多, 迁移的程度就越高, 反之, 则迁移的程度越低;虚拟与真实学习情景的共同因素越多, 迁移就越容易发生。迁移的发生依赖于学习者在虚拟与真实学习情景里对共同原理的掌握和运用程度。例如实验设备与实验环境是根据真实环境模拟开发的, 只有创设逼真度高、现场感强的虚拟情景, 对学生来说才能感觉到真实。

3.4 总结评价

分析虚拟实验的进程、描述自己的感觉和反应, 以判断自己的概念掌握程度以及分析和解决问题能力, 意识到自己存在的问题和不足, 并寻求新的解决问题的方法。同时, 把虚拟情景与真实世界相比较, 把虚拟实验和实际应用联系起来, 即迁移学习, 将在虚拟情景中掌握的概念和解决问题的方法运用于实际情景中, 提高学生的自信心和灵活性。

3.5 修改完善

通过对学生知识掌握、态度情感、能力培养方面的分析, 进一步修改完善虚拟实验设计。分析学生是否通过虚拟实验达到基本的教学目标, 如概念原理、实验仪器的结构及操作的掌握;是否培养了学生对实验的兴趣、热情, 提高其积极性和参与度;是否能够增强学生对实际问题的解决能力等。

医学虚拟实验在无实验动物和实验仪器的情况下, 利用计算机模拟生物医学实验的全部操作过程。在虚拟实验的过程中, 学生可逼真地观察虚拟实验场景, 真正做到直接、直观和及时了解某些动物实验的基本操作过程, 熟悉实验步骤, 厘清实验思路, 弥补了传统教学方式呆板、师生间互动不足、趣味性不强的不足, 被越来越多地应用于高校教学中, 逐渐成为一种新型的互动体验式教学模式。作为一种有力的教学补充手段, 虚拟实验为成功实施真实的医学实验奠定了基础。对学生而言, 可以很好地完成实验预习, 调动了学生的学习积极性;对于教师而言, 能够起到辅助教学的作用;对于学校而言, 可以有效降低实验成本, 提高医学实验教学质量。

4 医学虚拟实验平台的优越性

虚拟实验系统能够大大节省常规的实验设备经费;由于硬件和软件的标准化、规范化, 用户往往只需经历一次组建工作。虚拟实验系统利用网络技术, 可使参与实验的人员在远程相互合作进行实验研究。

5 研究意义及补充

5.1 加深学生对实验概念、原理的理解

虚拟实验系统通过计算机把教学内容、实验设备、教师指导和学生操作等有机地融为一体。借助仿真技术, 虚拟实验系统直观地展示了仪器的三维全貌, 并附加形象生动、图文并茂的使用说明书, 加强学生对仪器的了解, 有助于学生对实验从整体到局部建立起直观的感性认识, 加深学生对实验概念、原理的理解。

5.2 培养学生解决问题的方法和能力

虚拟实验省略真实实验中因仪器本身干扰或人为因素所造成的繁琐操作细节, 引导学生将注意力集中在实验上, 培养学生解决问题的方法和能力, 能有效地避免在实际实验中出现的盲目操作和实验走过场的现象, 提高实验效率。

5.3 加强师生、生生互动合作学习

虚拟情景中学生之间的协作互动环境是较理想、较活跃的, 因为在协作过程中, 他们就某一项具体的任务进行交流并分享各自的观点, 以使工作顺利进行。同时, 以E-mail和BBS论坛等形式在学生与辅导教师之间建立起清晰、高效的对话渠道, 加强师生间的沟通交流。

5.4 教学方式灵活

基于因特网的虚拟实验教学模式不同于传统面对面的教学模式, 它能够灵活地提供给用户 (学生) 不同的实验教学内容, 用户 (学生) 可以根据实际情况确定学习内容和安排学习进程, 从而可以最大限度地满足用户 (学生) 的不同需要。它突破了传统教学模式时间、地点、人次的限制, 解决了传统实验教学长期受到课堂、课时限制这一问题, 使实验教学在时间、空间上得到延伸。

5.5 虚拟实验适合于发展网上远程教育

由于客观条件的限制, 能够进入高等院校接受教育的人毕竟有限, 网上的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求, 虚拟实验为远程教育的发展提供了广阔前景。

摘要：医学虚拟实验平台采用计算机虚拟仿真技术和网络技术, 在医学实验教学中发挥着巨大的作用, 使医学实验操作简单化, 有助于提高学生的积极性和学习效率。通过虚拟实验的真实感、立体感, 使学生模拟实验的全部操作过程, 可加强学生的主观能动性和对知识的理解力, 使学生掌握基本的操作技能和运用知识的能力, 克服传统教学方式呆板、师生间互动不足、趣味性不强的弊端, 真正提升医学的实验教学价值。医学虚拟实验平台可为学生提供随时随地的实验服务, 为虚拟实验远程教育的发展提供广阔前景。

关键词：医学虚拟实验,实验教学,资源共享

参考文献

[1]郑丹.网上虚拟实验教学模式的研究与探讨[J].高校实验室工作研究, 2008 (3) :16-18.

虚拟实验开发及在物理实验中的应用 第8篇

虚拟实验室是指基于多媒体计算机技术与仪器技术、能通过计算机模拟实验现象并在计算机屏幕上通过场景式图形界面加以展示的一种环境, 它有着传统实验室无法比拟的优势。[1,2]虚拟实验室中有众多仿真实验, 每个仿真实验都要用到仿真仪器, 运用面向对象方法建立模型, 采用组件技术对仿真仪器进行构建和封装, 从而达到仿真仪器的可重用性。[3,4]

大学物理实验, 要求学生掌握一些常用电子仪器的使用, 如信号发生器、示波器等, 有些实验仪器如示波器工作原理比较复杂, 操作面板上旋钮较多, 其中一些旋钮涉及仪器复杂的工作原理, 学生很难在短时间内理解并正确使用。开发仿真仪器, 不必实现原来仪器的所有功能, 可以根据实际需要对仪器功能进行取舍, 使仿真仪器操作得以简化;另外还可以根据实验中的特殊要求扩展实验仪器的功能, 实现原来实验仪器无法实现的功能, 提高实验教学质量。

1. 概述

本研究运用面向对象的方法开发了仿真双路信号发生器和仿真双踪示波器, 根据仪器的功能设计了仿真仪器的属性、方法和事件, 并封装成独立的控件。在仿真实验程序中采用了开发的仿真仪器, 实验时只要将仿真仪器正确连线, 并设置适当的参数, 那么仿真双踪示波器上将显示输入信号的波形;当仿真仪器参数发生变化时, 系统通过该参数绑定的方法改变仿真仪器的属性值, 同时触发相应的事件, 改变仿真双踪示波器上的信号波形;扩展了示波器的功能, 使其能够显示李萨如图形的绕行方向。通过该仿真实验程序, 学生能够熟悉并正确使用双路信号发生器和双踪示波器。

2. 系统开发

本研究开发的仿真仪器以及仿真实验程序基于Microsoft.Net FrameWork 3.5平台, 开发工具为Microsoft Visual Studio 2008, 开发语言为C#3.0, 开发的仿真仪器都封装成独立的控件, [5]因此采用此类仿真仪器的仿真实验程序可以方便地进a行维护和扩展。

2.1 仿真双路信号发生器

仿真双路信号发生器对应的类名称为SignalGenerater, 它是从用户控件类UserControl继承而来, 因此具有User Control类的所有属性和方法。为了实现需要的功能, SignalGenerater类新增了以下属性:信号输出波形SignalType (可选项有正弦波, 脉冲, 锯齿波) , 输出信号频率SignalFrequency, 输出信号幅值SignalAmplitude, 输出信号初位相SignalPhase, 另外SignalGenerater类还包含接线柱子控件, 主要代码如下:

SignalGenerater类新增的方法有:

选择输出信号波形, 通过选择下拉列表中的输出信号类型条目确定输出信号波形, 选中的输出信号波形保存在SignalType属性中;

设置输出信号频率, 首先选中某个通道的‘频率’单选按钮, 再在‘数值’输入框中输入频率值, 并选择频率单位, 设置值保存在相应的属性中;

设置输出信号幅值, 首先选中某个通道的‘幅值’单选按钮, 再在‘数值’输入框中输入幅值的大小, 并选择幅值单位, 设置值保存在相应的属性中;

设置输出信号初位相, 首先选中某个通道的‘初位相’单选按钮, 再在‘数值’输入框中输入初位相值, 设置值保存在相应的属性中;

接线柱连线, 在仿真双路信号发生器的某个接线柱上按下鼠标左键, 移动鼠标到其他仿真仪器的接线柱上松开鼠标左键, 接线柱子控件将保存连线信息。

2.2 仿真双踪示波器

仿真双踪示波器对应的类名称为Oscilloscopes, 它也是从基类UserControl继承而来。为了实现需要的功能, Oscilloscopes类新增了以下属性:信号波形显示方式ShowState (可选项有通道1, 通道2, 通道1和通道2, 李萨如图形) , X方向刻度数值及单位, Y方向刻度数值及单位, 另外Oscilloscopes类也包含接线柱子控件。

Oscilloscopes类新增的方法有:

选择信号波形显示方式, 通过选择下拉列表框中表示信号波形显示方式的条目确定显示方式, 选中的条目保存在ShowState属性中;

设置X方向刻度数值及单位, 通过选择下拉列表框中表示X方向刻度数值及单位的条目进行设置, 设置值保存在相应的属性中;

设置Y方向刻度数值及单位, 通过选择下拉列表框中表示Y方向刻度数值及单位的条目进行设置, 设置值保存在相应的属性中;

信号波形Y方向平移, 用鼠标单击信号波形Y方向上移、下移按钮, 信号波形在Y方向上、下移动;

显示李萨如图形, 将示波器信号波形显示方式设置为李萨如图形, 当示波器的两个通道都有信号输入时, 示波器屏幕上将显示李萨如图形, 用鼠标双击李萨如图形, 示波器屏幕上将出现一个移动的小圆点, 根据小圆点移动的路径可以确定李萨如图形的绕行方向。实际示波器无法显示李萨如图形绕行方向, 该功能是仿真示波器的扩展功能;

接线柱连线, 在仿真双踪示波器的某个接线柱上按下鼠标左键, 移动鼠标到其他仿真仪器的接线柱上松开鼠标左键, 即可在两个接线柱之间连线, 接线柱子控件将保存连线信息。

2.3 仿真实验程序

仿真实验程序采用C/S模式, C/S模式程序响应速度快, 用户使用体验好。仿真实验程序主界面如图 (1) 所示。

仿真仪器设计有多种方法, 分别用来设置不同的属性值, 这些方法会触发相应的事件, 被触发的事件调用自己的程序代码实现相应的功能, 设置仿真仪器属性值在仿真仪器类内部完成。当需要在两个仿真仪器之间进行操作, 必须在仿真仪器类外部定义一个委托, 使用该委托在仿真仪器类内部定义新的事件, 仿真实验程序为仿真仪器新增事件订阅事件处理函数, 通过事件处理函数实现两个仿真仪器之间的操作 (如在两个仿真仪器的接线柱之间连线) , 程序主要代码如下, 其中PicBoxDragEnterFunc为仿真实验程序中的事件处理函数, 它的功能就是在两个接线柱之间连线并保存相关的操作结果。

定义委托:public delegate void Pic BoxDrag-DropEventHander (object sender, DragEventArgs e) ;

定义仿真仪器的新事件:public event Pic BoxDrag-DropEventHander Pic BoxDragDrop;

为仿真仪器新事件订阅处理函数:this.oscillo-scopes1.PicBoxDragEnter+=new VisualApparatus.Pic BoxDragEnterEventHander (this.PicBoxDragEnterFunc) ;

3. 系统应用

运行仿真实验程序, 在程序主界面上, 用鼠标在仿真仪器的接线柱之间连线, 设置仿真双路信号发生器适当的输出信号参数, 设置仿真双踪示波器的显示属性, 在示波器屏幕上观察单路信号显示、双路信号显示和李萨如图形。

接线柱连线时, 仿真程序界面上显示鼠标移动的轨迹, 以方便用户连线。如果连线错误需要删除, 只要在这两个接线柱之间再次连线。

为了方便仿真实验程序界面布局, 用户可以用鼠标拖动仿真仪器至合适的位置, 移动仿真仪器时, 系统将自动重新画出仿真仪器间的连线。另外, 为了仿真实验程序界面更加美观, 用户可以设置示波器屏幕上信号波形的颜色和线宽, 也可以设置示波器屏幕定标栅格线的颜色和宽度, 接线柱之间连线的颜色和线宽也可以由用户设置。

4. 结论

将实际仪器抽象为虚拟仿真仪器, 可以将实际仪器某些与本实验无关的特性剥离, 突出展示仪器的主要功能, 简化了仪器的使用;根据实验需要, 可以扩展仿真仪器的功能, 实现原来仪器无法实现的功能, 使学生更好理解实验原理, 提高了学生学习兴趣和实验教学效果。采用仿真实验, 可以使实验安排更灵活, 实验维护更加简单方便, 也节省了实验资金。

参考文献

[1]张瑾, 苏晓鹭.数字电路虚拟实验组件的构建[J].大连大学学报, 2004, 25 (4) :67-70.

[2]蔡青.仿真实验的应用与大学物理实验的教学改革[J].成都信息工程学院学报, 2006, 21 (1) :113-115.

[3]郭雷, 霍剑青, 王晓蒲。仿真物理实验教学系统的设计与实现[J].中国科学技术大学学报, 2002, 32 (3) :373-379.

[4]杨路明, 段晓华, 彭佳扬。网络硬件虚拟实验室中虚拟元件和虚拟设备研究[J].现代电子技术, 2004, (5) :103-106.

应用实验 第9篇

所谓数字化(DIS)其实是digital information system三个词的缩写,是数字化信息系统的简称。数字化实验平台主要是由传感器、计算机、数据采集器以及配套软件等构成,能够实现化学试验数据的即时处理、编辑,可存储化学实验数据文件,利用数字化实验手段可以创新化学实验设计理念和模式,实现中学化学实验教学的现代化。

一、创新设计———数字化实验在化学实验教学中的引入

1. 数字化实验在化学实验教学中的引入

从数字化实验引入化学实验教学开始,“悦纳”和“抗拒”之争就从来没有停止过。在数据已经成为和自然资源、人力资源一样重要的第三战略资源的今天,对化学教师而言,也许更重要的已不再是争执“要不要”引入数字化实验,而是如何更好地“应用”数字化实验来创新我们的实验教学。

中学化学中的不少实验,如Cl2和SO2的性质等,出于安全需要通常在通风橱中进行,可燃气体的爆炸问题和有毒气体泄漏的伤害问题也常引起人们对化学实验安全更多的关注。如果把化学实验的发展进程划分为三个时代:第一个时代(实验1.0版本),即传统实验时代,常规玻璃实验器皿占据实验的主角,大剂量、大仪器、繁杂装置扮演重要角色;第二个时代(实验2.0版本),即微型化、替代化实验时代,这一时期凡是能“看得见”的实验现象均被充分挖掘出来;第三个时代(实验3.0版本),即数字化实验时代,它是一个“眼见为实”的时代,能将化学反应以及化学现象的本质等逐步地转化成为能够进行监测的直观、准确、实时的数字信号,有利于学生对化学反应本质规律的深入认知与研究。数字化实验可以提升教师对于化学实验资源的整合能力。

2. 引入数字化实验对化学教学的影响

从化学实验1.0版本向化学实验3.0版本的跨越,不只是仪器和操作方法的改变,更多的是实验观念、设计思想的改变。

在化学实验1.0和2.0时代,化学实验具有简单、易于操作等优点,但实验仪器和装置用途比较单一,实验结果需要依赖于人工读数和记录,实验者难以观测到快速变化的过程,不便于复杂化学问题的研究;而数字化实验通过高速度、高精度地数据采集和自动化测量,实时记录下转瞬即逝的实验的每一个过程,并能对动态的实验数据信息进行综合的、多维的分析。传统实验和数字化实验在构建学生的化学学科认知系统上具有不同的模式(如图1所示)。

数字化实验带给学生的不是“验证”而是“推理”,这大大开拓了师生的视野,激发了学生的积极性,可以从根本上改变传统化学教学的结构和模式,培养学生的创新精神和研究意识,提升学生的学习力。

3. 化学教学中引入数字化实验的切入点

数字化实验在中学化学教学中的引入需要进行系统的研究,具体而言可以在三个方面引入。

(1)在从定性到定量的转变中引入。有人说当下的时代是一个“读图”的时代,图像直观、清晰的表征特性能很好地帮助学生掌握和理解化学本质,传统中学化学实验可以观察到实验过程中出现的现象,但难以进行定量化处理。而DIS实验通过数字传感技术,可以将采集到的实验过程完整数据,经由计算机配套软件处理后以表格和图像的形式呈现出来。如:在“浓硫酸的吸水性”实验中用相对湿度传感器进行对比实验,可分别测定有、无浓硫酸的密闭容器中空气的相对湿度变化曲线,将传统的定性实验进行定量化改造。

(2)在从表象到本质的转变中引入。数字化实验在中学化学实验教学中的引入可以大大优化教学过程,让一些难理解的科学概念和原理,借助于DIS的直观演示和数据分析,达到快速突破化学教学难点的目的。如弱电解质稀释过程中导电性变化,是中学化学教学中的一个难点,教学中单一的理论探讨对学生无异于纸上谈兵。而应用数字化技术,用电导率传感器监测冰醋酸中随着水的加入,溶液中电流的变化,从实验的数据可以直观看出:随着水的加入,冰醋酸的电流先增大后减小。数字化实验通过各种手段抛开化学研究过程中那些表面的、次要的、非本质的因素,将内在的、重要的、本质的东西表现出来,有利于激发学生的学习兴趣,并为感性认知内化为理性概念奠定了基础。

(3)在从质疑到探究的转变中引入。传统化学实验中常常会遇到实验结果和实验预期不一致的情况,引发学生对化学实验,甚至对化学教师的质疑,这就需要实验技术手段的优化和更新。如“乙醇分子结构的测定实验”是高中化学教材中定量实验之一,但很多化学教师也只是进行了理论探究或纯数据探究,根本不敢以真实实验来探究,因为实验结果常常和理论数据相距较大。通过DIS实验就会发现通过压强传感器测量密闭烧瓶中的压强变化,虽然测得的压强总体上呈增大的趋势,但局部却是时减时增,这说明了乙醇的挥发对本实验有着比较显著的影响,DIS实验发掘出的这一教学“意外资源”可在一定程度上培养学生综合分析问题的能力,培养他们讨论、思考、沟通、展示的能力,把新课标的理念和目标落到实处。

二、创新实践———数字化实验在化学实验中的应用

化学的核心是“反应”,数字化实验在化学实验中的创新应用可以更好地推动学生对“反应”的认知和理解。试以“金属的电化学腐蚀”实验为例说明。

1.“金属的电化学腐蚀”教学中数字化实验引入的缘起

“金属的电化学腐蚀”实验教学可由暖宝宝发热原理引入。暖宝宝模拟装置能否构成原电池?若能,原电池可能的电极反应式是什么?能够设计实验验证自己的猜想吗?教学中我们发现,学生通过讨论可以顺利解决负极的电极反应式为Fe-2e-=Fe2+,但正极反应式是,还是,学生无法证明,当传统实验短时间内没有明显现象的时候,DIS实验显示出它独有的魅力。

按图准备好实验装置(分别按图2、图3所示):取一只20mL的注射器,取下针尖和活塞,将一张剪好大小合适的滤纸卷好紧贴注射器内壁,用胶头滴管取2滴饱和食盐水将滤纸润湿,再往滤纸上均匀地撒上铁粉和碳粉的混合物,在注射器尾端塞上橡皮塞,并将之与压强传感器、接收器、计算机相连,开启数据软件,引导学生观察数据,发现起始压强均为常压下的101.7kPa,待数据稳定后压强传感器显示数据如图4所示。将饱和食盐水换成2mol/L的稀硫酸,数据稳定后压强传感器显示数据如图5所示。

结合数字化实验获得的数据结果,学生可清晰明了地推理出不同情况下金属电化学腐蚀的阳极反应。第一个演示实验(电解质溶液为饱和食盐水)数据变化看出注射器内的压强在减小,说明正极应发生的反应(吸氧);若发生的反应,则体系的压强应会增大。同理可推得第二个演示实验(电解质溶液为2mol/L的稀硫酸)正极应发生的反应(析氢)。不同环境下金属的腐蚀类型一目了然。

2. 金属的电化学腐蚀中数字化实验应用的推广

在DIS实验的实验原理讨论中,我们不难发现本实验用到的“压强传感器”是通过测定密闭容器中压强变化来说明反应本质的,中学化学实验中还有不少其他实验涉及压强问题,也可以用压强传感器进行DIS实验。如初中化学实验“空气中氧气含量的测定”,教材中传统实验方法要在瓶外点燃红磷,不仅不环保,而且随着燃烧的红磷深入瓶内,空气会瞬间膨胀,使得实验误差较大,实验说服力较差;改用DIS实验绿色环保,实验限制因子较少,结果可控性好,实验效果较好。此外,还可以利用本实验的压强检测原理设计其余数字化实验,如利用压强传感器监测双氧水分解过程中有无催化剂的情况下压强的变化情况,说明催化剂对化学反应速率的影响;利用压强传感器监测光照条件下Cl2和CH4混合气体倒扣在饱和食盐水中的压强变化,来监测取代反应的发生过程;利用压强传感器监测反应生成气体的线性差异,来比较碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应速率的快慢等等。德国著名教育学家斯普朗格曾说过:“教育的最终目的不是传授已有的东西,而是要把人的创造力量诱导出来,将生命感、价值感唤醒。”数字化实验在化学实验教学中的应用,也是一种唤醒和创新,值得深入研究。

三、创新反思———数字化实验在化学实验中的追问

如同中学化学实验从1.0版本向2.0版本演进时遇到的问题一样,当数字化浪潮来临,推动化学实验从2.0版本向3.0版本演进时,也会遇到一些实验创新的问题,带给实验教学更多的反思。

1. 拒绝排斥数字化实验的问题

中学化学实验教学受高考命题范式的影响较大,当高考实验命题还完全停留在传统实验架构和纸笔测试时代时,较大的一次性实验设备投入的顾虑、传统实验习惯的影响和自我学习的惰性就会占据上风,成为教师排斥和拒绝DIS实验的直接原因。但其实更为重要的是很多化学教师自身对DIS实验系统的认识还远远不够,缺乏前瞻性,在化学实验教学中拒绝数字化实验就不足为奇了。

联合国科教文组织曾提出教育的四根支柱:学会求知、学会做事、学会合作、学会生存。在数字化时代,我们的化学实验教学还可以加上第五根支柱,那就是“学会变化”!正如成功学大师陈安之说:趋势就像一匹马,如果在马后面追,你永远都追不上,你只有骑在马上面,才能和马一样快,这就叫“马上成功”!实验教学也是如此。

2. 用数字化实验全盘替代传统化学实验的问题

数字化背景下的化学实验3.0版本,究其实质是对传统化学实验的一种改良、优化和完善,而非推翻、颠覆和摒弃。有人说数字化实验是把双刃剑,使用得当才能使教师、学生、教学环境多方受益,过分地依赖数字化实验则会束缚师生思维的开放性,使得化学思维深度和想象力受到限制,而如果用DIS实验全盘替代传统化学实验,则教师的化学教学激情就会缺乏,学生的观察力、记忆力、实验操作能力等就得不到应有的训练,这与引入DIS实验的初衷是背道而驰的。

数字化实验是学习化学,也是理解化学的工具,它作为中学化学教和学的工具、学习环境支撑的工具,可以创造出图文并茂、人机交互、即时反馈的学习环境,这在推动中学化学实验教学优化过程中可以发挥巨大的作用。但若用数字化实验全盘替代传统化学实验,则使教师成为演示员,没有了师生、生生间的互动合作与情感交流,那些实验数据、图像就如同过眼云烟,势必会导致学生对化学原理理解的肤浅,导致学生化学学科核心素养的下降。数字化实验在化学实验教学中的创新可从以下几个方面去思考:某化学反应能不能进行,向什么方向进行?若可以进行,能进行到什么程度?什么时候能进行完?反应是如何进行的?

3. 数字化实验和传统实验融合的问题

2011年9月美国教育部长邓肯提出了著名的乔布斯之问:“为什么在教育领域信息技术的投入很大,却没有产生像在生产和流通领域那样的效果呢?”那是因为教育没有发生“结构性”的改变,没有触动教育原有模式。

数字化实验与传统实验的融合应合理统筹安排。数字化实验主要是从具体实验数据分析归纳实验结论,侧重于实验的探究过程和思维能力的培养;而传统实验往往只是对结果作定性分析,侧重于实验过程的具体操作、常用仪器的使用规范和用途、实验现象的细致观察以及从现象分析结论,应该说各有所长。把数字化实验和传统实验有机融合结合在一起,将是最理想的实验教学状态。

从图6我们可以看到,传统实验范式和数字化实验范式并非矛盾和排他的,而是实验演进和优化的不同阶段,是包容关系。在化学教学实践中可采用SAM模式:Substitution(代替)、Augmentation(增加)、Modification(修改),根据化学实验的特点、内容、学情来适时选择,发挥出各自最大的功效来优化化学教学课堂,充分发挥各自的优势,取长补短,才能相得益彰。

摘要：数字化实验是学习化学和理解化学的工具,它作为中学化学教和学的工具、学习环境支撑的工具,可以创造出图文并茂、人机交互、即时反馈的学习环境,这在推动中学化学实验教学优化过程中可以发挥巨大的作用。从数字化实验的创新设计、数字化实验的创新实践、数字化实验的创新反思等三方面阐述了数字化实验在中学化学实验教学中的引入、应用和思考,提出数字化实验在中学化学教学中的引入需要进行系统的研究,在从定性到定量的转变中引入,在从表象到本质的转变中引入,在从质疑到探究的转变中引入。

关键词：创新,数字化实验,传感器,中学,化学

参考文献

[1]托马斯·弗里德曼.世界是平的:21世纪简历[M].长沙:湖南科学技术出版社,2015:16-17.

[2]高弘.浅析数字化实验系统与新课标实施[J].实验教学与仪器,2009(3):4-5.

实验动物应用研究概述 第10篇

动物实验的广泛开展经过半个多世纪的发展,由Russell和Burch提出的3R原则已逐渐被接受并运用于生物医学研究中,并在实践中进一步发展,所谓3R即减少(reduction)、替代(replacement)和优化(refinement)的原则[2]。随着现代生物学技术迅猛发展,特别是转基因技术、基因敲除技术、克隆技术等其他分子技术在实验动物模型制作中得到广泛应用,从而使实验动物品种、品系及具有人类疾病特征的模型动物种类数量快速增长[3]。本文从动物疾病模型、基因敲除动物、转基因动物、器官移植及模式动物等方面综述了实验动物在科研中的应用。

1 动物疾病模型

模式动物的应用已有100多年的历史,在生物学研究中具有不可替代的重要作用。大多数生物学过程在长期的进化中是高度保守的,因此许多生物E-mail:xijzou@163.com

学过程在大多数或所有的模式生物中都是类似的,模式动物也因此成为研究人类生物学过程和疾病发生的重要工具[4]。目前实验动物疾病模型主要集中于阿尔茨海默病、高尿酸血症、糖尿病及癌症等热点[5]。

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD),又称老年性痴呆,是一种与衰老相关,以认知功能下降为特征的渐进性脑退行性疾病或综合征[6]。关于AD的病因及发病机制存在多种学说,根据不同的学说又建立了多种AD模型:包括损伤模型、转基因小鼠模型、自然衰老动物模型等[7]。其中,AD转基因小鼠可模拟AD患者的某些病理改变,如老年斑、神经元纤维缠结,可望成为研究AD发病机制及药物筛选的理想模型。Werner综合征(Werner syndrome,WS)是一种罕见的人类常染色体隐性遗传疾病[8],临床通常表现为明显的提早衰老(如:早老性脱发、白发、秃头症、皮肤硬化症、Ⅱ型糖尿病以及性腺机能减退等症状),一直以来该病作为研究人类早老综合征的典型病例而受到关注,Chang等[9]以及Du 等[10]分别独立地成功构建了Wrn 缺陷以及端粒功能异常的端粒酶缺失小鼠模型。

国际上众多研究认为异种胰岛细胞移植是有效治疗Ⅰ型糖尿病的方法之一,它可以解决移植供体缺乏的矛盾。叶斌等[11]采用化学药物诱导制作犬的糖尿病模型,经肝动脉移植微囊化的新生猪胰岛细胞入糖尿病犬的肝内,能纠正异种动物犬糖尿病模型的高血糖状态,不发生明显副作用,因此该模型的建立有望解决异种胰岛细胞移植产生的免疫排斥反应。高尿酸血症系嘌呤代谢紊乱或(和)尿酸排泄减少所引起的一组疾病,是痛风、肾结石等病征的重要生化基础,临床上无症状高尿酸血症十分常见,潜在危险性很大。目前已建立有高尿酸所导致疾病的动物模型,如微晶尿酸钠型大鼠痛风关节炎模型、大鼠皮下气囊尿酸钠痛风模型等和高尿酸血症动物模型[12],将有助于筛选和评价抗痛风或抗高尿酸血症药物的作用环节及效果。

潘子民等[13]建立的荷人卵巢癌细胞株SKOV3严重联合免疫缺陷小鼠(SCID)动物模型,经证实卵巢癌SKOV3细胞在SCID鼠体内移植生长后,保持原有特性,至少从移植瘤细胞形态学、生长特性和分泌CA125等方面未见改变。该模型较好地模拟了卵巢癌腹腔播散的生物学行为,为卵巢癌的研究提供了理想的人体模拟工具。

2 基因敲除动物

基因敲除又称基因打靶(gene targeting),是通过外源DNA与染色体DNA 之间的同源重组,精细地定点修饰和改造基因DNA 片段的技术。

1985年,Smithies首次利用同源重组将一段外源质粒插入到人染色体的β-珠蛋白位点,这是第1例在哺乳动物细胞中进行的基因打靶。1987年 Smithies[14]和Capecchi 等[15]两个研究小组同时报道在小鼠ES细胞中进行了基因敲除。2007年10月8日,美国科学家Mario R.Capecchi和Oliver Smithies、英国科学家Martin J.Evans因为在利用胚胎干细胞对小鼠基因进行定向修饰原理方面的系列发现,分享了2007年诺贝尔生理学或医学奖。因敲除技术已经帮助人们构建了数百个人类疾病的小鼠模型[16],包括心血管疾病、神经退化性疾病、糖尿病、癌症等小鼠模型。通过对这些模型的研究,可以找到相关疾病的潜在治疗靶点。预计在不久的将来,有可能完成小鼠所有基因的敲除实验,来研究不同基因在生命活动中所扮演的具体角色。

2000年,McCreath等[17]对绵羊胎儿成纤维细胞进行基因打靶并通过核移植培育成功1只活的绵羊。2002年,赖良学等[18]用核移植的方法生产敲除了α-1,3-半乳糖苷酶基因的克隆猪,成功研制了首例基因敲除猪。2003年,Zan等[19]利用乙烷亚硝基脲(ENU)诱导大鼠种系突变体,对子代大鼠Brcal和Brac2基因上的功能突变进行筛选,最终获得了这两种肿瘤抑制基因的基因敲除大鼠。可以预期在不久的将来,在不同模式动物中利用基因打靶技术对人类基因组的功能进行研究,基因打靶动物模型将对与人类疾病相关的基因功能研究产生积极的影响。

3 转基因动物

基因克隆和重组技术的诞生,将具有特殊性状的外源基因转入动物整合表达,使定向改变动物性状成为可能。转基因技术在动物基因表达调控、癌症动物模型、基因治疗与肿瘤学等诸多领域中发挥着巨大的作用。

由于小鼠的许多生化特征与人类相似,且饲养周期相对较短,饲养过程可控,成本相对较低,因此常作为基本的动物研究模型。特别是目前转基因小鼠的构建体系相对比较成熟,转基因小鼠的构建成为研究基因体内具体功能的重要途径。1982 年,美国科学家Palmiter 等[20]将大鼠的生长激素基因注射到小鼠的雄性前核中,获得了体型明显大于正常小鼠的“超级鼠”。 AD转基因鼠的诞生为AD发病机制及治疗的研究带来了新的曙光,赵燕星等[6]研究AD-APPswe/PSldE9双转基因小鼠对挥发性吸入麻醉药药物敏感性的变化,APP/PSI双转基因对8月龄小鼠异氟醚、七氟醚、地氟醚3种挥发性吸入麻醉剂的MAC值无明显影响,AD转基因小鼠为研究AD的发病机制和药物筛选提供了理想的模型。基于K14启动子下的带有flag标签的Pygo2质粒,构建了Pygo2转基因小鼠模型[21],将有助于我们对乳腺癌发生和治疗的研究。瑞士日内瓦大学研究人员复制了猫头鹰猴的抗艾滋病病毒基因并将其植入与人类具有相同免疫学特征的转基因老鼠体内,结果显示该基因仍具有与原基因相同的对抗艾滋病的能力,该基因的复制成功有可能使其在艾滋病治疗中发挥作用[22]。

1984年,朱作言等[23]将小鼠重金属螯合蛋白基因启动子与调控序列和人生长激素基因的重组DNA注射到鱼的受精卵原核内,首次建立了世界上第1例转基因鱼模型,开辟了鱼类遗传育种的新领域,同时也揭开了转基因鱼研究的序幕。目前,各国实验室对一些有应用价值的小型实验模式鱼类进行了纯化培育工作[24],如斑马鱼(Danio rerio)、虹鳉(Poecilia reticulatus)、青鳟(Xiphophorus maculatus)以及剑尾鱼(Xiphophorus helleri)等都有近交超过20代的品系,这些系已经有较高的遗传均一性,为转基因鱼研究提供了基础材料。伍翠芳等[25]通过显微注射法将含有斑点叉尾鮰生长激素基因的全鱼基因表达载体导入彩鲫受精卵,构建了转基因彩鲫,并通过PCR检测到生长激素基因的导入。钟山等[26]用鲤鱼β-actin基因终止子和生长激素基因终止子分别构建了转基因构建体,结果表明鲤鱼GH基因的终止子比鲤鱼β-actin基因的终止子的活性强,具有转植基因自身终止子的构建体比β-actin基因终止子的构建体更适合筛选优良性状的转基因品种,从而可以筛选到快速生长的转“全鱼”生长激素基因鲤鱼。

转基因棉花、转基因大豆、转基因玉米等农作物早已实现商品化生产。转基因动物的产业化迟早必将实现。现存的这样或那样的问题必将在不断的深入研究中逐一得到解决,从而大大提高人类对自然的控制能力。

4 器官移植

用器官移植来拯救脏器终末期疾病患者的生命是在20世纪初从异种移植开始尝试的。Calne等根据异种器官移植后排斥反应的强弱程度,将动物分为两类:近缘(eonoordant)动物和远缘(discordant)动物,后者排斥反应极强,难控制;前者排斥反应较后者弱。

转基因动物是目前公认的解决异种移植中免疫难题的理想方法。但作为转基因对象的动物必须遗传背景清楚、稳定,且转入的目的基因能高度表达,并稳定地遗传给后代。近交系动物具有同基因性、反应均一性,基因型有长期的稳定性,是高级的基因型试剂。

在人用器官供体培育方面,最早是用小鼠进行实验,Corry和Sknoskiewicz等[27,28]在20世纪70年代建立了小鼠心脏和肾脏的移植模型,到90年代末期甚至可以进行的带血管鼠耳以及腹主动脉移植[29]。近年来,国内外已陆续出现多种荷人卵巢癌SCID 鼠移植模型[13],根据移植途径不同主要有皮下移植、原位移植、腹腔移植等几种方式,为卵巢癌的载体研究提供重要的实验工具。现在已生产出了可为人类提供器官的转基因猪,由于转基因猪与人在解剖和生理方面具有许多相似的生物学特性,因而被视为人类器官移植的理想材料[30]。

5 模式动物

模式动物因具有易于细胞和遗传操作,基因组序列完备,生长周期短,较高繁殖力及体积小等特点,常被应用于科学研究、教学及生产实践。目前最广泛利用的模式动物包括:鼠(哺乳动物模式)、斑马鱼(脊椎动物模式)、爪蟾(脊椎动物模式)、果蝇(无脊椎动物模式)和线虫(无脊椎动物模式)[31,32,33,34,35,36,37,38]。

老鼠是生物学和医学研究中重要的模式动物,是基因组测序浪潮中的重点研究对象之一,英、美、德等国的上百位科学家于2002年12月5日联合宣布,他们已成功地破译了老鼠基因组序列。研究发现,老鼠体内约有3万个基因,其数量与人类基因接近,并且99%的基因与人类相似。通过人类基因与老鼠基因的比较,将有助于了解人类自身,有助于了解人类细胞工作过程及基因变异与疾病的关系,知晓很多关于人类疾病和生理机能的信息。比如,科学家可以通过关闭老鼠体内的某些基因来研究可能产生的后果,也可以通过寻找老鼠体内的变异基因发现基因与某些疾病的关系。因此,这一成果对利用老鼠来研究人类疾病具有非常重要的意义。

斑马鱼因其成鱼体型较小,胚胎透明且体外发育,易于活体观察;生长发育快,受精后24小时主要器官原基本形成,便于研究组织器官的发育和功能;2月龄成鱼即可繁殖,可快速获得大量胚胎。斑马鱼的特点在20世纪70年代开始受到科学家们的关注,并成为最重要的脊椎动物模式之一。随着斑马鱼基因组测序工程的完成,发现斑马鱼的基因与人类的基因保守度达到85%[31],使得斑马鱼成为一种研究人类疾病的模式动物越来越受到人们的关注。目前已经有相关文章介绍了斑马鱼在发育学、学习和记忆、免疫学、遗传学、药物成瘾、细胞死亡、神经毒理学和基因筛选等研究领域的应用[31,32]。

果蝇用做模式动物已有悠长的历史,对其遗传背景、基因定位与表型效应的认识远胜于其他实验动物,同时有比较成熟的各种遗传分析方法[33]。黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)是遗传学中最普遍使用的研究材料,是奠定经典遗传学基础的重要模式生物之一。基于清晰的遗传背景和便捷的遗传操作,果蝇在发育生物学、生物化学、分子生物学等领域占据了不可替代的位置[33,34,35]。

秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)以雌雄同体和雄性个体两种形式存在。一般情况下,雌雄同体能够自身繁殖,功能简单,生长期短,遍体透明,有利于在显微镜下观察[36,37]。1974年,布雷内采用化学试剂对秀丽线虫进行研究,诱导出了特异性基因突变,使得基因分析能够和细胞分化以及器官发育紧密联系起来,为细胞程序化死亡的探索开辟了一条新途径,并最终为程序化细胞性死亡机制的揭示作出巨大贡献,从而荣享2002年诺贝尔生理医学奖[38]。

6 小结

实验动物作为医学生物研究的手段,同时又是医学生物学发展的推进剂,它的提高和发展又会把生物医学领域的诸多课题研究引入新的境地。重视动物实验问题,既是自然科学发展的必然趋势,也是社会科学发展的必然结果。当前,基因工程技术的飞速发展,实验动物科学也迎来一个革命性时代,这使得在实验动物活体内集整体水平、细胞水平和分子水平于一体的研究成为可能,从而促进生物医学的整体研究。

摘要：文章综述了实验动物主要涉及的应用领域,包括动物疾病模型、基因敲除动物、转基因动物、器官移植及模式动物等方面的研究成果,说明了实验动物模型在生物学研究中的重要性。

虚拟实验室在生物实验教学中的应用 第11篇

【关键词】实验教学 生物实验 虚拟实验室

【基金项目】广州市教育局2016年青少年科技教育项目“玻璃温室种植有机蔬菜”科技实践活动。

【中图分类号】G633.91【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）24-0105-02

生物是一门十分注重实验的学科，除了要求学生掌握扎实的基础理论知识，更要把实验和理论结合，培养学生的观察力、思维力和动手能力（林凤屏等，2016）。但实际的教学过程中由于实验课时、试剂、仪器设备价格昂贵等条件的限制，许多实验无法开设，学生对一些理论知识的掌握理解得不透彻。虚拟实验室是指由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的软件，包括实验环境、仪器设备、实验对象以及实验资源等内容（叶步伟， 马德俊， 2016；）。生物实验教学中引入虚拟仿真实验技术，将器材、试剂等实验室元素生成一种特殊的立体环境，不仅加深了学生对实验原理和实验方法的感性认识，而且提高了学生的学习兴趣，培养了学生学习兴趣、创造力及丰富的想象力，弥补了传统实验教学中的缺点同时弥补传统化学实验的不足，减少实验室废弃物排放对环境的污染和节省学校的实验经费（王伟和陈辉2007；蔡丁友，2013）。

1.虚拟实验室在教学中的应用（Potkonjak et al.， 2016）

与实体实验室不同，虚拟实验室可以使学生提前熟悉了解实验原理、掌握实验过程和操作步骤、了解实验过程中可能出现的问题和解决方法（李彩虹等2013；张丽娟等2015），因此在应用于实验教学中必然具有不同的特点，如何利用虚拟实验室开展实验教学至关重要。

1.1虚拟实验室可以开设更多实验项目。传统实验室由于仪器设备、实验课时和场地等诸多因素的限制，许多实验项目无法开设。在虚拟实验室里，仪器即软件，可以根据需要随意开发。由于仪器缺乏无法开设的实验项目，可利用虚拟实验室进行仿真，同样能达到学生对相关知识的掌握。有了虚拟实验室，学生实验不受时间和空间的限制，能够更自由地依据个人的时间、学习进度和掌握程度进行自主安排实验，增强了学生自主学习能力，加大了实验的灵活性。

1.2虚拟实验室提高了学生对实体实验室的利用率。学生进入开放实验室之前，首先利用虚拟实验室进行实验设计、分析和验证，熟悉仪器设备的使用等，在进入开放实验室后才会有目的的进行实验。学生可以利用虚拟实验室的一些辅助功能进行实验预约，提交电子实验报告，还可以和实验指导教师进行在线互动。将虚拟实验室和开放实验室有机结合在一起，可以调动学生主动学习的兴趣，提高实验室的利用率和实验效率。

1.3虚拟实验室应用于学生创新能力的培养。利用虚拟实验室，可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行模拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应等方面探索性的学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律。因此，利用虚拟实验室进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

2.虚拟实验室融入生物实验教学的方法

在生物学实验教学中，选择适合于教材内容和学生认知特点的实验方法是至关重要的。从生物学实验的内容来看，主要有形态解剖实验、分类实验和生理实验三种。从实验的类型上划分，可分为学生分组实验、教师演示实验和实习三种，而其中学生分组实验所占的比例最大。根据生物学实验教学内容的特点，可将学生分组实验分为验证式实验、同步式实验和探索式实验三种类型。

2.1 虚拟实验室在验证式实验课教学中的应用

验证式实验是形态和现象的观察为主，例如： “观察根尖的结构”、“观察叶片的结构”等实验，这类实验所需要的基础知识多、观察操作要求高、实验的内容比较复杂。将实验的各个操作步骤、关键点等制成不同的环节，学生在虚拟操作中通过选择来完成实验的虚拟操作。其基本的程序是：学生运用虚拟实验室软件进行预习和复习→学生动手实验→验证知识。

2.2 虚拟实验室在同步式实验课教学中的应用

这类实验课讲课与实验操作同步或交替进行，它一般编排在有关课文之中或之后，所需的基础知识较多，并且实验的内容与讲述的理论知识关系相当密切，学生需要通过实验获得一定的感性认识之后，才能将观察结果上升为理性认识。如：“观察种子的结构”、“观察叶芽的构造”、“观察花的结构”、“观察水螅”、“观察蚯蚓”、“解剖青蛙”和“解剖鲫鱼”等。

因此，此类实验课教学程序的设计以及教学内容的合理组织尤为重要，是实验课成败的关键。首先，教师应精心设计好本节课的教程，做到手段多样而不繁琐，内容丰富而不杂乱，即：通过虚拟实验室将实验的观察、操作等环节给学生演示，穿插于讲述、理解、思考与总结之中，并力求两者衔接自然而合理，做到教学思路清晰，知识脉络一目了然，符合初中学生从感性到理性的认知规律。

2.3 虚拟实验室在探索式实验课教学中的应用

探索式实验能充分体现启发式教学思想，是实践论在教学中的实际体现，它充分利用学生对新奇事物进行探索、调查、研究的心理，由教师向学生提出课题和实验方法，学生积极主动地去操作、观察、思考和得出结论。这类实验一般编排于相关课文之前，所需要的基础知识不多，实验方法通过学生自己阅读就能掌握，如：“绿叶在光下制造淀粉”和“脊蛙反射实验”。其教学程序是：虚拟实验室预习实验→实体实验室正式实验→讨论分析→获得结论。通过虚拟实验室预习实验，让学生对将要操作的实验有充分的了解，提高实际操作中的实验效率，对实际结果与设计的实验结果有出入的，可引导学生对结果进行讨论，了解实验结果的各种影响因素（蔡丁友， 2013）。在探讨对实验结果影响的因素过程中，有可能积累一些以往忽略了的问题，将这些问题反馈于虚拟仿真实验的设计之中，可使其设计逐步得到完善。

总之，虚拟仿真实验在生物学实验中的应用可以主要分为2个步骤。第一步可将各个实验的从实验准备开始、依次将实验操作的各个步骤做成虚拟演示实验。这部分可作为实验教学实践中的补充，学生可根据需要调取演示实验自主学习，然后再运用于实际操作中。第二部是将验证性试验、形态和现象的观察结合起来制成虚拟仿真实验。将实验的各个操作步骤、关键点等制成不同的环节，学生在虚拟操作中同过选择来完成实验的虚拟操作，形态和现象的观察作为实验结果以图像的方式自动生成，最后学生选择实验的结论。总之，将虚拟实验室融入课堂可以通过在课堂教学实际的展示以及课后让学生进行自主学习的方式。

3.虚拟实验室实验效果的评价

虚拟实验室采用的拟物化设计，更好地将实验室仪器进行虚拟化，从而模拟真实实验的过程，在操作过程中也同样遵循实际实验的流程与步骤，重点是注意实验的细节。虚拟仿真实验的应用前景要依靠其在实际应用中的效果来决定，教学实践的虚拟仿真实验效果的评价指标应该主要是看教学效果和实验效果。教学效果的观察可用随机对照实验进行观察，将学生进行随机分组，设为运用虚拟仿真实验组和不运用虚拟仿真实验组进行对比观察，设计各种指标进行对比。实验效果的评价可根据虚拟实验与实际实验的相关性来判断。唐富山等（2015）研究发现开展虚拟实验教学后，学生实验成绩和理论考试成绩与以往年级相比，均有不同幅度的提高。刘慧萍等（2014）通过问卷调査发现学生对虚拟仿真实验容易接受，也喜欢这种新的教学手段。

参考文献：

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应用实验 第12篇

一、虚拟仿真实验的应用优势

虚拟仿真实验系统是以计算机虚拟现实和数码仿真技术为核心, 生物仿真引擎、处理因素数据库、虚拟环境界面等多种技术为支撑的虚拟现实系统。在计算机环境中建立的虚拟实验环境使实验者可以像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备, 对实验对象进行虚拟操作, 完成各种预定的实验项目, 起到学习训练的作用。该系统由于不受试验动物、试剂的制约, 学生在预习、复习或拓展训练时采用虚拟实验比实时实验有更大的优越性。虚拟仿真实验教学是教师综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等多种技术, 通过构建一个逼真可视化的实验操作环境和实验对象, 使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验, 达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。虚拟仿真实验教学具有明显优势, 并对传统实验教学思想、体系、 模式、内容、方法以及手段等都产生了颠覆性影响。学生通过对仿真实验系统的反复多次模拟操作, 可以加深对实验原理及操作步骤的理解, 还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验, 为学生综合能力、创新精神和创新能力的培养提供保障。

二、虚拟仿真实验应用于医学实验教学的必要性

目前我国高校医学专业实验教学面对日益扩大的招生规模, 师资力量相对不足;医学生学习过程中, 开设动物实验是增加学生学习兴趣、降低理论学习难度, 应用学习技术的有效措施, 但在目前的基础医学教学中, 由于受实验动物、试剂、器材、实验准备、教师、场所及时间协调和一些特殊设备的影响, 很多实验课的大规模开设非常困难。试剂的配置、仪器的检修、人员的配套, 开设大规模实验课的运作成本也居高不下;教学资源的限制不能满足每个学生独立完成整套实验操作;很多医学院校的基础医学教学只能开设有限的几个传统性实验, 这使学生理解实验机制受到了很大的限制;多数医学院校使用的教材因受出版周期和征订程序等因素的影响, 其更新速度远不及医学理论的飞速发展, 最新的科研进展往往难以在教科书中得到及时的体现[2];部分学生过分关注分数, 对实验课程没兴趣, 不重视, 更忽略对实验过程和结果的讨论分析, 平时也很少关注新技术新理论的发展, 缺少创新思维, 走入临床后动手操作能力比较弱, 对异常结果无法做出合理的解释。面临这种人才培养与临床实际需求之间脱轨的现状, 迫切要求采用一种新的教学模式来适应社会的发展。要将科研成果有效地应用于教学, 使学生在掌握已成定论的基础知识的基础上, 又能理解有关疾病发生机制的最新进展, 就更需要借助于来自于实验的感性认识, 以进一步增强学生的创新能力[3]。

三、虚拟仿真实验在基础及临床实验中的应用

在基础医学实验方面, 门秀丽等将虚拟仿真实验系统有效应用于病理生理学实验教学, 对比传统教学模式班级和引入虚拟仿真实验系统的实验班级的教学效果, 采用座谈会、问卷调查、期末考试成绩分析及一年后抽样考试等形式, 对比结果显示实验班级成绩明显优于对照班, 说明虚拟仿真实验的应用在一定程度上提高了学生的学习效果[4]。西南大学药学实验教学中心开发构建了药物制备工程虚拟仿真实验模块、 药理生理学虚拟仿真实验模块、体内药物分析虚拟仿真实验模块和药物分子虚拟筛选实验模块等虚拟仿真实验项目, 使学生更加全面、系统的掌握药理学实验技能和基本操作。王少康等以食物中毒事件为核心, 利用计算机虚拟现实和数码仿真技术, 虚拟食物中毒现场情景, 通过人机对话, 使学生像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和手段, 结合食品卫生学专业知识和我国食物中毒的相关法律法规, 从食物中毒经常性准备、现场卫生学调查、可疑食物的控制和污染样品采集、实验室检测、中毒人群救治、行政处罚实施等方面对食物中毒进行虚拟处理, 提高学生食物中毒事件的现场应急处理能力。食物中毒虚拟仿真实验的建立和开展, 能够在解决上述实际问题之余, 提高推动预防医学专业的教学改革, 提高学生的主观能动性和就业竞争力, 更加符合精英教育的教学理念[5]。

乔明曦等针对药剂学专业特点, 将药剂学虚拟仿真实验教学作为传统实体实验教学的重要补充, 通过完善药剂学虚拟仿真实验教学课程体系的建设, 加强药剂学虚拟仿真实验教学队伍建设, 完善药剂学虚拟仿真实验教学平台建设等途径进行研究[6]。谭珂等人研发的肝脏手术虚拟仿真教学系统, 能较好地展现出肝组织以及肝内管道之间的空间毗邻关系, 有效地提高了虚拟场景的沉浸感, 虚拟膝关节镜手术仿真训练系统仿真腔镜下的手术场景, 提供的视觉、听觉信息使得用户产生一种正在进行真实手术的沉浸感。该系统在国家执业医师协会培训基地用于培训关节镜医师, 取得了良好的教学效果[7]。虚拟仿真技术在我国口腔医学教育领域也有了初步的尝试和应用。国内一些知名院校已在各专业课程的教学过程中逐步借助虚拟仿真技术来实现特定的教学功能, 改进或替代传统的教学方式, 其教学效果获得了师生的认可与好评, 实现了教学质量的提升[8]。华西口腔实验教学中心现阶段虚拟仿真实验教学中心包含数字化3D虚拟口腔解剖实习平台、穆格数字化虚拟口腔技能培训系统及口腔医学机器人训练机等, 虚拟仿真实验教学中心能实现传统实验不具备或难以完成的教学功能, 在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作, 以及高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时, 为医学人才培养提供可靠、安全和经济的实验项目。张冬芹等在3DS MAX中完成人物面部唇裂畸变形态的建模, 将得到的头部模型导入软件进行面部数据处理, 应用虚拟仿真技术完成医学手术过程的三维虚拟仿真[9]。

四、虚拟仿真实验教学应用可行性及应用前景

医学虚拟仿真实验教学具有教学训练过程安全无风险、高效率、学习体验真实、教学过程可调控以及知识库多样性等优点, 对促进医学教育与训练模式的改革, 提高训练效率和质量有着重要意义, 在医学教育领域具有广阔的应用前景, 但医学实验对象因其复杂性, 对实验技术操作要求高, 现阶段的虚拟仿真实验操作软件开发种类及数量有限, 已开发的软件尚有待进一步完善提升品质, 实验建模方面要求更高的逼真度、更准确人体几何模型、体现人体的生物物理特性、触觉反馈的精确性和实时性提高;医学虚拟仿真教学环境架构方面要求更加完善, 教师教学过程中以及学生实验中的实际可操作性也要求更高。需要使用者与网络技术人员合作, 将医学理论及实验知识与网络技术完美结合, 教师在教学过程中做到取长补短, 学生通过虚拟实验课程的学习与训练, 减少其现实操作时出现许多失误问题[10], 将虚拟实验和真实实验结合起来, 争取达到完美的教学目的和效果。

虚拟仿真实验教学模式已成为一种高速发展的新型实验教学模式, 实验教学平台的建设和发展对于推动实验和实践教学改革、完善传统实验的不足及提高教学质量具有重要意义。随着计算机科技水平的发展, 医学实验教学课程体系的完善和建设将为虚拟仿真实验教学可持续发展注入活力, 虚拟仿真实验的内容将不断的发展, 对医学实验教学水平带来持续的提高, 实现传统实验无法完成的教学功能, 为医学生进入临床操作前的学习提供先进、高效的实验平台, 推进医学教育的不断改革与发展。

参考文献

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