实验与理论分析

实验与理论分析（精选12篇）

实验与理论分析 第1篇

黄磷,又称白磷,分子式P4,属危险化学品中的自燃物品和剧毒物品[1],纯品为无色至黄色蜡状固体,有蒜臭味。自燃点为30℃,熔点为44.1℃,沸点为280℃,相对密度为1.82,不溶于水,稍微溶于苯、氯仿[2]。黄磷是一种重要的化工原料,在化工、制药等多个领域应用广泛。黄磷的化学性质活泼,常温下就能与氧结合并迅速燃烧。在黄磷生产、储运过程中,黄磷容易泄漏自燃,导致火灾或爆炸事故,对人员、财产以及环境造成严重危害[3]。因此,黄磷的安全问题引起了许多学者的注意。但目前国内对黄磷的研究多集中于工程应用角度,缺少黄磷燃烧的基础数据,黄磷燃烧特性也缺少相关的理论分析。本文基于黄磷燃烧实验,观察黄磷燃烧火灾动力学现象,获得了黄磷燃烧过程质量损失速率、火焰温度以及火焰高度等相关基础数据。根据实验数据,建立了黄磷燃烧池火模型,并对黄磷燃烧特性进行了理论分析。

1 黄磷燃烧特性实验

2010年10月,笔者在中国矿业大学火灾实验室进行了多组固态黄磷融熔燃烧实验,其中选取三组进行实验分析,实验过程环境温度为20℃。实验分组情况如表1所示。

1.1 黄磷燃烧特性实验方案设计

黄磷燃烧特性实验采用的实验仪器主要包括Agilent 34970A数据采集器、三星超感低度彩色摄像机SCC-B2007P、SCC-B230P/B2003P型摄像机、K型热电偶、克利夫兰油杯以及电子称重传感器。实验装置如图1、图2所示。实验中将黄磷置于克利夫兰油杯内,外加热源点燃固态黄磷,K型热电偶测定火焰轴线方向上的温度,电子称重传感器测定黄磷燃烧时的质量损失速率,摄像机拍摄的火焰图片分析火焰高度。实验过程中记录了黄磷燃烧过程的质量损失速率、火焰温度以及火焰高度等燃烧特性参数。

1.2 黄磷燃烧特性实验现象

通过黄磷燃烧特性实验,观察了黄磷如下的火灾动力学现象:

(1)实验过程中室温保持在20℃,低于黄磷的自燃点,黄磷接触空气后没有立即燃烧,黄磷表面缓慢氧化,出现少量白烟。

(2)外加热源的作用下,黄磷慢慢融化,当黄磷表面达到自燃点后黄磷迅速自燃,燃烧过程中伴有噗嗤的声音,火焰快速蔓延形成形状不规则的湍流火焰。

(3)固态黄磷融熔引燃后,黄磷液面快速燃烧,发出耀眼的黄色火焰,并伴有浓烈的白烟,火焰上方形成蘑菇状的烟柱,见图3所示。

(4)黄磷燃烧过程中出现喷溅现象,喷溅原因可能是实验黄磷表面粘有残留水分[4]。

1.3 黄磷燃烧特性实验数据

实验仪器记录了黄磷质量损失速率、火焰温度以及火焰高度等燃烧特性数据,如图4-6所示。

对黄磷燃烧特性实验数据分析得到如下结论:

(1)通过图4黄磷的质量损失速率拟合曲线可以看出,黄磷的质量损失速率为某一恒定值。黄磷燃烧的质量损失速率与黄磷燃烧表面积成正比相关关系,随着燃烧表面积的增大,黄磷的质量损失速率增大。而实验黄磷的总质量对黄磷的质量损失速率几乎没影响。

实验一单位面积的黄磷质量损失速率为:

$m^{″}=\frac{\text{Δ}m/\text{Δ}t}{S}=\frac{0.0354\text{g}/\text{s}}{0.003266\text{m}{}^2}=10.8\text{g}/(\text{m}{}^2\cdot \text{s})$ (1)

实验二单位面积的黄磷质量损失速率为:

$m^{″}=\frac{\text{Δ}m/\text{Δ}t}{S}=\frac{0.0335\text{g}/\text{s}}{0.003266\text{m}{}^2}=10.3\text{g}/(\text{m}{}^2\cdot \text{s})$ (2)

实验三单位面积的黄磷质量损失速率为:

$m^{″}=\frac{\text{Δ}m/\text{Δ}t}{S}=\frac{0.2146\text{g}/\text{s}}{0.015069\text{m}{}^2}=14.2\text{g}/(\text{m}{}^2\cdot \text{s})$ (3)

式中:m″单位面积黄磷质量损失速率,g/(m2s);

ΔmΔt时间内黄磷的质量损失,g;

S黄磷液面燃烧表面积,m2。

(2)通过图5可以看出,实验一、实验二和实验三记录的黄磷燃烧火焰最高温度均约1000℃,由此可知黄磷燃烧的最高温度在1000℃左右。

(3)通过图6可以看出,实验一黄磷稳定燃烧时平均火焰高度为15.40cm,实验二黄磷稳定燃烧时平均火焰高度约为15.57cm,实验三黄磷稳定燃烧时平均火焰高度为29.96cm。黄磷燃烧火焰高度受燃烧表面积的影响较大。

2 黄磷燃烧实验理论分析

2.1 池火模型

池火是以可燃液体、易熔固体为燃料的火灾[5],可燃性液体液面上的自由燃烧[6]。常见的池火模型有点源模型、Shokri-Beyler模型和Mudan模型[7]等。点源模型是将池火火焰抽象为火焰中心的一个点,所有的热辐射均从这个点释放出来。Shokri-Beyler模型和Mudan模型一般将池火火焰假设为更加合理的其他形状,并考虑不同方位上的视角对热辐射造成的影响[8,9]。本文将采用池火模型对黄磷火焰高度进行理论分析。

(1)火源热释放速率

火源热释放速率Q的表达式为:

$Q={\rm H}{}_c\cdot m^{″}\cdot S(4)$

式中:Hc燃烧热,J/kg。

(2)火焰高度

Heskestad对广泛的实验数据进行数学处理,当燃料燃烧表面直径满足7<Q2/5/D<700kW2/5/m时,火焰高度可采用公式(5)计算得到[10]:

$h=-1.02D+0.235Q{}^{2/5}(5)$

式中,h火焰高度,m;Q火源热释放速率,kW;D燃料燃烧的表面直径(对于非圆火源可采用等效直径),m。

2.2 黄磷实验火焰高度理论分析

特性实验中黄磷燃烧的火焰高度理论分析如下:

(1)实验一:Hc=2.497107J/kg[11];m″=0.0108kg/m2s;S=32.6610-4m2;D=6.4510-2m

由公式(4)得,实验一火源热释放速率:

$\begin{array}{l}Q=2497010{}^{3}0.010832.66\\ 10{}^{-4}10{}^{-3}=0.88\text{k}\text{W}(6)\end{array}$

由公式(5)得,实验一火焰高度:

$\begin{array}{l}h=-1.026.4510{}^{-2}+0.235\\ 0.88{}^{2/5}=15.76\text{c}\text{m}(7)\end{array}$

(2)实验二:Hc=2.497107J/kg;m″=0.0103kg/m2s;S=32.6610-4m2;D=6.4510-2m

由公式(4)得,实验二火源热释放速率:

$\begin{array}{l}Q=2497010{}^{3}0.010332.66\\ 10{}^{-4}10{}^{-3}=0.84kW(8)\end{array}$

由公式(5)得,实验二火焰高度:

$\begin{array}{l}h=-1.026.4510{}^{-2}+0.235\\ 0.84{}^{2/5}=15.34\text{c}\text{m}(9)\end{array}$

(3)实验三:Hc=2.497107J/kg;m″=0.0142kg/m2s;S=150.6910-4m2;D=13.8510-2m

由公式(4)得,实验三火源热释放速率:

$\begin{array}{l}Q=2497010{}^{3}0.0142150.69\\ 10{}^{-4}10{}^{-3}=5.34\text{k}\text{W}(10)\end{array}$

由公式(5)得,实验三火焰高度:

$\begin{array}{l}h=-1.0213.8510{}^{-2}+0.235\\ 5.34{}^{2/5}=31.80\text{c}\text{m}(11)\end{array}$

对火焰高度的理论计算结果与火焰高度实验数据进行对比分析,如表2所示。

3 结论

(1)黄磷接触空气后没有立即燃烧,表面发生缓慢氧化,出现少量白烟,当黄磷表面达到自燃点后黄磷自燃,燃烧过程中伴有噗嗤的声音,火焰快速蔓延形成耀眼的形状不规则的湍流火焰,火焰上方出现浓烈的白烟并形成蘑菇状的烟柱。燃烧时火焰最高温度约为1000℃。

(2)对于固定燃烧表面积的黄磷燃烧过程,黄磷的质量损失速率可近似视为某一恒定值。黄磷燃烧的质量损失速率与黄磷燃烧表面积成正相关关系,随着燃烧表面积的增大,黄磷的质量损失速率增大。

(3)池火模型可以对黄磷的燃烧特性进行预测和分析,其中黄磷燃烧火焰高度与黄磷燃烧表面积成正相关关系,池火模型所预测的火焰高度与实验数据基本相吻合,相对误差小于7%。

参考文献

[1]于立见.危险化学品事故后果计算过程探讨[J].中国安全生产科学技术,20095,(6):86-88YU Li-jian.Analysis of accident consequence computa-tion for hazardous chemicals[J].Journal of Safety Sci-ence and Technology,20095,(6):86-88

[2]彭历.黄磷喷溅燃烧事故的调查讨论[J].消防科学与技术,2008,27(3):230-232PENG Li.Investigation of yellow phosphorus spraying andcombustion[J].Fire Science and Technology,2008,27(3):230-232

[3]胡国军.黄磷工业生产安全研究[D].成都:四川大学,2006:13-14

[4]骆志宏.原油火灾中的沸溢和喷溅[J].石油库和加油站,2001,1(10):27-28LUO Zhi-hong.Fire in crude oil overflow and splash boil-ing[J].Oil Depot and Gas Station,2001,1(10):27-28

[5]李树谦,胡兆吉.化工储罐区池火灾多米诺效应研究[J].工业安全与环保,2008,34(10):21-23LI Shu-qian,HU Zhao-ji.Research On the ChemicalTank District Poolfire Domino Effect[J].Industrial Safetyand Environmental Protectio,20083,4(10):21-23

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[7]李慧,蒋军成,王若菌.池火灾热辐射的数值研究[J].中国安全科学学报,20051,5(10)LI Hui,JIANG Jun-cheng,WANG Ruo-jun.Modelingand Numerical Study of Pool Fire Heat Radiation[J].China Safety Science Journal,2005,15(10)

[8]刘志勇.池火灾模型及伤害特征研究[J].消防科学与技术,2009,28(11):803-805LIU Zhi-yong.The research on pool fire model and injurycharacteristics[J].Fire Science and Technology,2009,28(11):803-805

[9]朱建华,褚家成.池火特性参数计算及其热辐射危害评价[J].中国安全科学学报,2003,13(6)ZHU Jian-hua,CHU Jia-cheng.Calculation of Character-istic Parameters of Pool Fire and Assessment of Its Ther-mal Radiation Hazard[J].Fire Science and Technology,2003,13(6)

[10]Bjrn Karlsson,James G.Quintiere.Enclosure Fire Dy-namics[M].Boca:CRC Press,2000

微格教学实验的理论与实践探索 第2篇

段

新(duanxinxyz)熊冠恒

李尧英

摘要：本文针对物理师范生开展教学技能训练进行了微格教学实验，从理论和实践两个方面作了初步探讨和总结。

关键词：微格教学实验，理论，实践，探索

1.物理教学技能训练理论初探

物理师范生教学技能训练只有从物理基本教学技能开始，才可能使他们举一反三，触类旁通，提高训练效果。又考虑到教学技能训练是教师职业培训的主要内容，应着眼于教学技能对物理教师职业生涯的基础性和启后性。因此，我们在对物理课堂教学进行大量分析后发现：物理教育专业师范生教学技能训练主要包括以下十五种基本教学技能：

⑴分析教材与确立教学目标技能； ⑵分析教学重点、难点、关键点技能； ⑶选择、运用教学媒体技能； ⑷课堂教学设计技能； ⑸激发学习兴趣技能； ⑹指导观察技能； ⑺指导自学技能； ⑻组织教学活动技能； ⑼实验操作技能； ⑽启发讲解技能； ⑾巩固教学技能；

⑿作业布置与批阅技能； ⒀教学评估技能； ⒁课外教学辅导技能； ⒂教学研究技能。

2.物理基本教学要求

教学技能有两个方面。其一为教学认知能力，它的内在结构具有相对稳定性，但处于不断发展之中；其二为教学行为操作技能，在其形成过程中，动作的配合和协调逐步简缩和默契。

上述两个方面的教学技能具有相对应的层次为：了解认识与模仿，有机联想与目标定向，有效迁移与条件反射。在物理教学技能训练中，对师范生提出过高要求是不切实际的，必须从了解认识教学和模仿教学行为开始，逐步达到一定的水平，才符合学生技能形成和发展的客观规律。

3.物理基本教学技能训练的组织实施 3.1组织形式 3.1.1分组训练

先将教学班分成若干组。要求每个组每周至少拿出相当于4课时的业余时间训练，并按微格教学轮流扮演教师、学生角色进行施教与听课。

每次施教以单选基本训练为主。训练前教师把某项技能的主要内容、要求及训练方式向 1 学生布置，具体教学课题一般由教师指定，也允许学生自选课题。

施教者以该项技能为主进行微格教案的备课、课堂教学设计、施教，听课同学按该项技能要求进行反馈、切磋与评价，以修改教案重复施教。3.1.2大课集中检查

为了有效检查学生训练情况，每周集中大课一次，从每组中随机抽查1-2名学生，在大课上施教8-10分钟。这种训练使用的技能和教学内容一般是学生在分阶段分组中讲练过的，讲完后即由教师和同学给予评价。3.2技能训练的过程与方式

对大多数施教训练的基本教学技能，一般都按照如下的过程实施： 观看示范——>备课及课堂教学设计（书面）——>说课——>施教

在上述过程中技能训练的方式主要有三种：书面作业、说课和施教训练。

书面作业与平常“教师布置作业——学生完成——教师再按要求评定”没有太大区别；施教训练实际上是指训练者扮演教师角色，其他同学扮演学生角色，共同组成进行教学。说课是师范生（或教师）以口头形式向同学（或同行）阐述某课题教材内容分析、教学方法与过程设计、教学媒体运用和教学活动安排等事项的一种教研活动形式。

师范生说课时间安排在备课及课堂设计与施教之间。其目的在于：一方面强化学生对备课及课堂教学内容的充分、全面理解，使他们尽快掌握备课要求和课堂设计技术；另一方面在一定程度上为施教打下语言和心理基础。说课要在分组中进行，说课者也必须在讲台上说。教师对学生说课质量还要进行评定。

另外，说课还要注意以下几点：（1）选择典型课题；

（2）评价时要加强现代教学思想的渗透；（3）务必挑选有责任心的学生担任组长；（4）教师巡回检查每次分组训练情况。

实验与理论分析 第3篇

关键词：电解FeCl2溶液；电压；离子淌度；超电位；热力学；动力学

文章编号：1005–6629（2016）3–0076–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

学习了电化学有关知识后，有学生提出用惰性电极电解FeCl2溶液时，电极反应如何书写？该问题让笔者想到近几年高考试题中有关电解FeCl2溶液的考查，如：2013年福建高考化学试题中考查了FeCl2溶液的电解（23题最后一问），2014年北京高考化学28题则详细探究了不同电压条件下电解FeCl2溶液，其阳极电极反应的可能情况。学者陈花[1]在“电解氯化亚铁溶液”一文中探究了电解氯化亚铁的一些具体实验。本文将从热力学和动力学两个角度出发，探究氯化亚铁溶液电解时，阴、阳电极在不同电压、浓度以及不同pH条件下的实验现象及其理论支撑。

惰性电极电解FeCl2溶液电极反应的可能情况分析如下。

2.1 阴极电极反应分析

（1）阴极反应：2H++2e-=H2↑

（2）阴极反应：Fe2++2e-=Fe

通电后，在电场的作用下，阳离子H+与Fe2+定向移动到阴极，它们可能会在阴极表面得到电子，那么究竟是H+还是Fe2+先得电子呢？

①从热力学角度分析：在标准状态下，因为Eθ（Fe2+/Fe）=-0.4402V [2]，Eθ（H+/H2）=0.000V，因此H+更容易在阴极表面先得电子。但是由于存在析氢超电位现象（见表1），造成H+不易在阴极得电子，仅从超电位角度（热力学）分析，H+离子难以在石墨电极表面得到电子，但在铂电极表面能顺利得到电子产生氢气。

而阴极反应：Fe2++2e-=Fe的ΔG=-nFEθ=-2×96.487×（-0.4402）=84.95 kJ·mol-1>0，在没有外力作用下，反应不自发，但是在有电场外力作用下，该阴极电极反应就有可能。

②从动力学角度分析，H+的迁移速率更大，更易到达电极表面，这是由于H3O+或OH-在水溶液电场作用下迁移的特殊性造成的，H3O+和OH-表现出很高的离子淌度（如表2）。

H3O+和OH-表现出的特殊迁移速率，是由于在通常的溶剂中的离子移动之外附加了跳跃机理，来自水合质子的氢离子可以跳跃到临近的水分子，是一个与水合氢离子在溶液中运动有相同效果的过程（如图1）。有人认为在水溶液中单个的溶剂质子化的传导实际通过一种质子传递机理，即Grotthuss机理[5]，并不是质子本身从溶液的一端迁向另一端，而是质子从一个水分子传给另一个水分子，电流就很快沿着氢键传导，分子的排列形式从（a）到（b），以（b）排列方式的分子必须翻转，回复到（a）的排列状态而接受（或释放）质子。

当离子半径越小，极化率越大，电荷数越高，离子在电解质溶液中迁移速率越慢，淌度越小，因此Fe2+的离子淌度比H+小，在电场的作用下，H3O+和OH-优先到达阴极或阳极表面，更容易首先放电。但是，在电流密度不是很大的情况下，离子的迁移速率还是很小，其影响离子得失电子能力还是次要因素，因为溶液中的离子除了定向迁移外还有自由扩散运动的存在。

③在相同的惰性电极下，如果FeCl2溶液浓度比较大，Fe2+在阴极得电子的能力就强。相反如果溶液的pH小，酸性强，则H+就更易在阴极放电。

因此，在某浓度和pH下，Fe2+与H+放电顺序难以确定，需视具体情况再行确定。

2.2 阳极电极反应分析

（1）阳极反应：Fe2+-e-=Fe3+

（2）阳极反应：2Cl--2e-=Cl2↑

阳极反应的实质是具有还原性的离子在阳极表面失去电子，发生氧化反应，Fe2+和Cl-都具有还原性，那么究竟是Cl-还是Fe2+先失去电子呢？从以下几个方面加以分析。

①从热力学角度分析：根据标准电极电势Eθ（Fe3+/Fe2+）=0.770V，Eθ（Cl2/Cl-）=1.358V [6]看，应该是Fe2+容易在阳极表面先失去电子，发生氧化反应。从超电势角度分析，由于Cl2在阳极表面的超电势比较大，如电流密度为100 A·m-2时，Cl2在石墨Eθ（Cl2/Cl-）=0.251V [7]。金属离子的超电势相对比较小，当电流密度较大时，Fe2+的超电势也随之会增大，在电压和电流密度不是很大的情况下，Fe2+先氧化，在电极上优先失电子。

而阳极反应：Fe3++e-=Fe2+的ΔG=-nFEθ=-1×96.487×0.770=-74.29 kJ·mol-1，而Cl2+2e-=2Cl-的ΔG=-nFEθ=-2×96.487×1.358=-262.1 kJ·mol-1，由此可见Fe2+在阳极失电子的趋势比Cl-在阳极失电子的趋势更大。

②从动力学角度分析，结合表2的有关离子淌度数据，Cl-离子淌度U+=7.91×10-8 （m2·V-1·s-1），而Fe2+离子淌度U+=5.4×10-8 （m2·V-1·s-1），因此Cl-容易在阳极发生氧化反应。但是，Cl-失去電子生成Cl2并不能及时从溶液中逸出，若此时遇到Fe2+，则会发生2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-，因此，从结果上看，就是Fe2+优先于Cl-放电。

为深入解析在不同条件下FeCl2溶液的电解情况，笔者通过系列单电解池电解实验作进一步的探究，得到的实验结果如表3、表4和表5所示。

通过上述不同条件下的实验探究，结合理论分析，我们得出用惰性电极电解FeCl2溶液电极反应的某些规律。

（1）阴极电极反应：Fe2+和H+都有可能在陰极发生还原反应。Fe2+在阴极优先得电子发生还原反应：Fe2++2e-=Fe，在阴极可析出银白色金属。而H+在阴极得电子受到溶液pH和电压影响，当FeCl2溶液pH<1左右或电压在3.5V以上时，H+在阴极得电子发生还原反应：2H++2e-=H2↑。当溶液pH越小，电压越大，H+越易得到电子。

（2）阳极电极反应：Cl-和Fe2+都有可能在阳极发生氧化反应。Fe2+优先在阳极失去电子发生氧化反应：Fe2+-e-=Fe3+。而Cl-在阳极失去电子受到电压影响，如电压大于3.0V以上，Cl-在阳极发生氧化反应：2Cl--2e-=Cl2↑，有Cl2从阳极逸出。当电解电压越大，Cl-越易失去电子。

（3）外界条件（浓度、电压、pH）对电解的影响。结合表3、表4、表5的实验结果分析得到：FeCl2溶液浓度对电解影响不大；pH主要影响H+在阴极得电子，当溶液pH<1左右H+会在阴极得电子产生H2；电压主要影响Cl-在阳极失电子，当电压大于3.0V以上时Cl-会在阳极失电子产生 Cl2。

（4）电解过程是一个复杂的物理、化学过程，在电解的有关教学中，我们切不可把问题简单化，更不要设想企图找到一个“一语定乾坤”的规律，这不但难以做到，也不是严谨的科学态度。对于中学教学来说，如果说有这样的电解规律，那就只有阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应这个规律，而所谓优先放电顺序等规律，都是在一定条件下的规律。

参考文献：

[1]陈花.实验探索：电解氯化亚铁溶液[J].福建教学研究，2014，（2）：35～36.

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[3][4]上海师范大学等合编.物理化学·下册·第三版[M].北京：高等教育出版社：441，389.

[5]伍艳辉，邵一凡，张惠敏，张海峰.质子交换膜中质子传递机理研究进展[J].电源技术，2010，（11）：1206～1207.

等分定位的理论研究与实验分析 第4篇

随着精密加工和高速加工技术的迅速发展, 零件的制造误差越来越小, 因而对零件定位精度的要求也越来越高。实际生产中, 一般都是以选择高精度的定位元件作为提高精度的主要手段, 而对正确定位后夹紧所引起的漂移往往关注不够, 特别是具有高定位精度要求的零件加工时更显突出[1]。在切削量稍大时, 定位后夹紧引起的变形又使工作台产生定位漂移, 若能够在定位夹紧后及时准确的测出其定位漂移的误差值, 判断出这个定位误差是否在允许的误差范围之内, 对提高零件加工精度是十分有益的。

1 等分定位理论

常见的等分有直线等分和圆等分。对于数控镗床或卧式加工中心的旋转工作台的圆分度, 通常包含两层涵义:第一是圆周的等分, 即按规定的等分制等分圆周, 获得需要的等分点;第二是圆周被等分后, 运动部件在某一需要的等分点上定位。因此, 旋转运动部件的圆分度是先等分后定位[2]。圆分度台简称分度台, 又称圆转台, 通常它的主轴的主要工作位置是垂直位置, 即工作台面处于水平位置。回转工作台通常由蜗轮、蜗杆进行传动。它可作为机床附件, 用在铣床、镗床上作圆分度加工使用。目前, 通过准确定位的措施, 例如销孔定位、反靠定位或对线定位, 精心加工、安装和测量, 可达到高分度精度的要求。

位置读数等分定位理论是在一封闭路程运动的载体上, 等分设置n个被测目标, 在n个被测目标附近设置n个传感器, 检测出对应位置读数。选取某一位置作为初始位置, 求对应各位置读数之和M0, 当物体沿封闭路程做等分运动到新位置时, 在不计误差的条件下, n个传感器测得n个被测目标的位置读数之和Mi等于初始位置n个位置读数之和M0。位置读数等分定位理论是一种实现理论上无误差等分的装置和方法, 已经在理论上验证通过[2]。

2 系统方案设计

在回转工作台附近安装两个传感器 (角度相隔180°) , 采集两个传感器的数值, 并将2路信号经过模/数转换器转换成相应的数字量送至单片机[3], 单片机对过程信息进行运算和处理, 然后显示, 并且利用串口传给上位机进行处理。

传感器探头位移与转台转动角度之间的关系如图1所示。探头在Z轴 (垂直于工作台端面:XOY平面) 方向上的位移变动为, 由此可得, 楔型感应块在X方向上位移变动为:

因为位移变动量非常小, 将其近似看成是工作台圆周转过的弧长

而△s=R˙△α, 由于R已知, 所以:

△α即为夹紧漂移值。

这样只要把△α作为调整量, 只要再微移运动物体 (即被测目标) 一个 (-△α) 值, 即可从理论上实现无误差的定位夹紧。

3 实验研究

采用直径为250mm的TS型回转工作台, 此回转工作台在在底座上有360°的等分刻度, 在转盘上装有指针, 用于指示度数数值。在蜗杆上装有刻度盘, 用于指示分数数值。2块楔型铁块位于分度盘的端面上, 二等分均布于同一圆周上, 其中心线的半径为111mm。传感器选择德国TURCK公司提供的电感式传感器, 型号是Bi1, 5-EG08-LU, 读取频率为200Hz, 工作温度范围为-10~+70℃。

选择一适当的位置作为初始位置1, 使每个传感器对应每个楔型的感应块, 5位显示器对应的显示数字为;顺时针 (或者逆时针) 转动转台至下一个位置2, 使得此位置时的输出数据读数与初始位置1时相同, 5位显示器对应的显示数字也为

, 此时认为工作台转过了180°;将工作台夹紧, 工作台转过一个微小的角度至新位置3, 此时5位显示器对应的显示数字为;最后经过以下计算得出的实际值。

实验是在室温为20°, 手动夹紧 (力20kg) 的条件下进行检测的, 实验数据如表1所示。

4 误差分析

在等分定位检测实验过程中, 影响检测数据的因素颇多。在进行数据处理时, 已经通过滤波等方法去掉个别大的粗大误差。经过分析, 影响检测数据的误差主要有以下四类:

1) 因为夹紧引起的直线位移变动量非常小, 计算时将其近似看成是工作台圆周转过的弧长△s≈△x, 由于误差非常小, 可以忽略不计。

2) 被测对象的误差包括回转工作台的误差和被测目标楔型块的自身以及安装的误差。回转工作台的分度误差包括刻线误差、间隔误差、间隔累积误差和直径误差。

被测目标楔型块的自身以及安装的误差包括斜面切割误差, 一致性误差, 粘贴位置误差。由于电火花线切割机床的精度是10um, 因此斜面切割误差也是10um;由于2块楔型块的一端均与工作台最外侧圆周对齐位置粘贴, 因此粘贴位置误差可忽略不计;由于2块楔型块是一次切割而成, 因此楔型块的一致性误差可忽略不计。

3) 传感器的自身以及安装的误差, 包括:

(1) 重复精度<1%, 上电预热0.5小时后只有<0.5%;

(2) 温度漂移<0.06%/℃;

(3) 线性误差为±3%满量程。

在计算传感器的总误差值时, 应用各种误差的均方根来表示[4]:

实验所用传感器的检测精度为5um。

4) A/D转换器的误差

(1) A/D转换器的量化误差是由转换特性决定的, 是一种原理误差, 也是一种固有的、无法消除的误差。

(2) 非线性误差, 是指在整个转换量程范围内, 任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差。

另外温度漂移误差、零点漂移误差、参考电压误差等由于非常小, 故可忽略不计。在计算A/D转换器的总误差值时, 应用各种误差的均方根来表示:

其中为各因素引起的相应误差, 为A/D转换器的总误差。

经过计算可得A/D转换器的总误差为0.707LSB。

参考文献

[1]刘北英, 邹春生.加工中心几何精度检验的探讨[J].机床与液压, 1999, (15) :81-83.

[2]刘北英, 丁钰.精密测量中等分定位概念的探讨[J].航空精密制造技术, 2006, 42 (5) :48-51.

[3]周建洪, 刘北英.回转工作台定位检测电路的设计[J].机械制造与自动化, 2007, (1) :32-35.

实验与理论分析 第5篇

二组分液体蒸发模型的理论与实验研究

摘要：有毒液体泄漏后的蒸发会导致人员中毒和环境污染,估算有毒液体的.蒸发速率对于预测有毒蒸汽在环境中的浓度分布至关重要,尤其是多组分液体,蒸发过程较复杂,蒸发速率的预测大都基于经验模型和半经验模型,且很少考虑热传递对蒸发的影响.文中研究建立了描述二组分液体蒸发质量和液体温度随时间变化的数学模型.设计建造了风洞实验台,并针对不同体积配比下的苯和乙醇混合溶液进行了风洞实验,并将实验测量值同模型计算值进行了比较.结果表明,新建立的模型能够较准确地预测二组分液体蒸发质量和温度随时间的变化,其预测平均偏差分别为25.82%和33.79%,从而为今后研究多组分液体的蒸发过程奠定了基础.作 者：潘旭海 华敏 蒋军成 龚红卫 PAN Xu-hai HUA Min JIANG Jun-cheng GONG Hong-wei 作者单位：南京工业大学,城市建设与安全环境学院,江苏,南京,210009期 刊：化学工程 ISTICPKU Journal：CHEMICAL ENGINEERING年，卷(期)：,35(2)分类号：X84 X9关键词：二组分液体 蒸发 模型 风洞实验

化学实验与理论教学的有效衔接 第6篇

【关键词】化学教学；实验；理论；衔接

1.前言

通过实验与理论相结合，是化学教学最为有效的教学方法。化学这门学科具有以下特点：以实验为基础，概念抽象难以理解，化学理论、化学规律需要通过化学实验以及分析总结所得。为此，教师要选择有效的教学模式，通过化学实验引导学生理解化学的本质，将化学实验得到的结论与规律与化学理论进行结合，不仅激发学生的学习兴趣，还能让学生对化学理论有更加深刻的理解。将实验教学和理论教学作为一个对立统一的一体，培养学生的思维能力和动手能力，巩固理论，提升学生的综合素质。

2.化学实验与理论教学中存在的问题

2.1实验与理论教学脱节

化学教学中的实验教学与理论教学都是重点教学项目，缺一不可，不能单一教学，应当做到紧密结合。但是因为长期传统化学教学的影响以及教学观念的不同和教学环境的制约，化学实验教学与理论教学经常不能互相结合，往往被当作两门单独的项目进行教学，导致实验与理论教学脱节。实验是对理论的诠释，理论是实验的结果。如果教师不能通过实验去解决学生在理论上不能理解的问题，使得学生会不明就里，不理解理论的由来，只能是死记硬背。这样一来，理论水平与实验水平就不能一起提高，影响教学效率，更使学生的学习水平得不到提升。

2.2教学模式单一，学生缺乏主动性

传统的化学实验教学模式分为三个阶段，即课前预习，课堂实验，课后交实验报告以及教师点评。通常情况下，教师都在实验前帮学生做好一切准备工作，例如配置实验所需的试剂、准备实验仪器等，然后学生就根据书上的步骤进行操作。这样的实验教学缺乏灵活性，按部就班，不懂变通，模式单一，导致学生的思维能力得不到提升，创新能力得不到培养，动手能力和想象能力得不到发挥，长期以此会缺乏学习主动性。

2.3实验设备与教学方式落后

近年来，高校不断扩招，所增加的教学项目也越来越多，专业结构越来越复杂。然而，教学设备的投入却远远不够。另一方面，由于化学实验设备的价格也有所上升，实验室的设备已经不能满足现代化学实验教学的要求，学校就没能及时更新化学实验设备以及化学实验室，导致化学实验教学效率下降。这一问题可以通过利用计算机和虚拟实验技术在课堂上实行，代替实验室不足的缺陷，完成一部分实验教学，为化学实验与理论教学的有效衔接打下基础。

3.化学实验与理论教学的有效衔接

3.1在化学理论教学中进行实验演示

化学教学的理论性很强，需要掌握的知识点多。高中人教版的教材中可以发现，基本上所有的化学理论都是高度归纳得出的非常简短、精炼的语句，这就使得学生难以理解其中的含义。对此，老师可以将一些图片、幻灯片、模型等将复杂、抽象的概念以具体形式表现出来，让学生更易理解。一些上述形式都不能表现出来的抽象概念则可以通过实验演示法。例如，在教与学生配置一定物质的量浓度的溶液这一课时，不能单单口头表述配置的过程和步骤，可以将实验工具和试液带到课堂当中，一边进行实验一边对配置的步骤和所需注意的地方进行讲解。不仅如此，对于实验中遇到的问题、发生的现象，还要让学生认真思考并且回答问题，还可以让学生上来协助实验。这样不仅能引起学生的课堂兴趣，吸引学生的目光，还能提高学生的实践能力与思维能力，更有利于学生理解抽象的概念。

3.2培养学生实验的兴趣，提高主动性

据研究发现，少部分对化学实验积极性低，情绪消极，其主要原因是外界或者自我认识的误导。例如在证明氢气的可燃性这个实验中，学生会担心不纯的氢气点燃时产生爆炸危及人身安全；在做酸碱中和实验中担心硫酸的腐蚀性还伤害皮肤；在做硫在氢气中燃烧的实验中害怕所产生的硫化氢产生的恶臭味等等。因为各种原因，在实验中不能放开手脚，不愿参与实验。对此，教师应当让学生明白实验教学对理论教学甚至对整个化学教学的重要性。还有，教师在做实验演示时应当以身作则，冷静稳重，严格按照程序进行操作，并注意提点学生在实验过程中的注意事项，特别是对实验中可能产生的危险更要督促学生严格操作，避免危险的发生。对于可能产生危险性较大的实验，教师可以亲自示范，危险性较小或者并无危险性的实验可以让学生进行练习。这样，就可以培养学生实验的兴趣，提高课堂积极性。

3.3开辟第二课堂，培养学生科研意识

开辟第二课堂是指让学生利用课余的时间开展兴趣小组活动。教师可以布置一件比较简单的任务让学生在小组内完成，协助教师的科研课题的研究。学生还可以创新设计课题与研究方案，给教师更多的参考的同时还能让学生在实验中利用理论知识，促进学生对理论知识的巩固。这样不仅能提升学生的实践能力，还能培养团队意识，有利于将来在社会中获得更多的人脉交际。

4.结语

要真正的做到实验教学和理论教学的有效衔接并不是一件简单的事。要使用先进的教学设备，改进教学模式和教学方法，完善教学环境，提高师资队伍的力量。在教学过程中，教师既是指导者，又是参与者，在教学过程中起着举足轻重的作用。因此，教师要不断研究、发掘境界更高的教学艺术，促进实验教学和理论教学的有效衔接。

【参考文献】

[1]黄宗本.浅谈中学化学实验与理论教学的关系[J].南平师专学报，1994（12）.

[2]张中华.新课程化学实验教学中的理论思维教学[J].实验教学与仪器，2010（03）.

[3]李宗群.基础化学理论与实验一体化教学模式的构建[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2009（12）.

实验与理论分析 第7篇

三相电压源型PWM逆变器以其能够提供电压和频率可调的功率输出,在DC/AC功率变换中得到了广泛的应用 。SVPWM因其直流电压利用率高、数字化实现容易、谐波性能好等优点得到越来越多的应用。但SVPWM仅能够将输出基波电压提高到六阶梯波运行时的0.907倍,为了获得更高的基波输出电压,逆变器必须工作在过调制区,直至达到六阶梯波运行状态。当出现过调制时,调制波峰值超出三角载波峰值,实际输出的基波电压不再随调制度线性变化,这种情况下控制器已经饱和,输出电压波形仅仅部分受控。由于在饱和区间上调制器失去了对输出电压的控制,因此输出电压波形逐渐发生畸变且含有低次谐波成分。因此需要对SVPWM过调制算法进行研究,在保证实际输出基波电压随调制度线性变化的同时,尽量提高电能质量。

本文在传统SVPWM算法的基础上,研究了一种过调制控制算法的原理,并对其谐波特性进行了分析,采用Matlab/Simulink进行了仿真验证,最后进行了实验验证。仿真和实验结果验证了该过调制算法的正确性和有效性。

2 过调制算法原理

首先定义调制度为

$m=\frac{|\mathit{u}{}^{*}|}{2U{}_{\text{d}\text{c}}/\text{π}}$ (1)

式中:|u*|为参考相电压幅值;2Udc/π为逆变器六阶梯波运行时输出基波电压幅值。

采用传统的SPWM调制时,最大输出相电压幅值为Udc/2,调制度为0.785;采用SVPWM调制时,最大输出相电压幅值为$U{}_{\text{d}\text{c}}/\sqrt{3}$,调制度为0.907,直流电压利用率比SPWM提高了15.47%。为了得到更高的调制度,就需要运用一定的过调制控制算法。

根据调制度大小,将SVPWM的调制区域分成3部分:线性调制区(0m0.907)、过调制1区(0.907<m0.952)和过调制2区(0.952<m1)。

2.1线性调制区(0m0.907)

如图1所示,SVPWM处于线性调制区域意味着参考电压矢量位于正六边形的内切圆内,此时参考电压矢量的轨迹为圆形,对应的线电压输出波形为标准正弦波。此时保持参考电压矢量的幅值和相角均不变,由SVPWM的基本原理可知,参考电压矢量u*由相邻两个有效矢量和零矢量合成。根据伏秒平衡原则,有

$\mathit{u}{}^{*}=\frac{{\rm T}{}_1}{{\rm T}{}_{\text{s}}}\mathit{u}{}_1+\frac{{\rm T}{}_2}{{\rm T}{}_{\text{s}}}\mathit{u}{}_2$ (2)

式中:Ts为PWM开关周期;T1,T2分别为有效矢量u1和u2的作用时间。

则相邻2个有效矢量和零矢量的作用时间分别为

$\{\begin{array}{l}{\rm T}{}_1=\frac{\sqrt{3}|\mathit{u}{}^{*}|}{U{}_{\text{d}\text{c}}}{\rm T}{}_{\text{s}}\sin (\frac{n\text{π}}{3}-\alpha )\\ {\rm T}{}_2=\frac{\sqrt{3}|\mathit{u}{}^{*}|}{U{}_{\text{d}\text{c}}}{\rm T}{}_{\text{s}}\sin [\alpha -\frac{(n-1)\text{π}}{3}]n=1,\cdots ,6\\ {\rm T}{}_0={\rm T}{}_{\text{s}}-{\rm T}{}_1-{\rm T}{}_2\end{array}(3)$

式中:α为参考电压矢量的相角;n为参考电压矢量在α,β平面所处的扇区。

当调制度m=0.907时,参考电压矢量u*的轨迹为正六边形的内切圆,此时输出电压为线性调制范围内的最大值。当调制度m>0.907时,由于正六边形的限制,逆变器输出电压发生畸变,其幅值将小于参考电压的幅值,此时PWM调制进入过调制区。

过调制区的脉宽调制可通过修正参考电压矢量的相角和幅值来实现。如图2所示,由控制系统得到的参考电压矢量u*=u*∠α通过预处理器修正后得到实际调制的参考电压矢量u*p=u*p∠αp,然后送入PWM调制器进行调制。

2.2过调制1区(0.907<m0.952)

如图3所示,粗实线为实际调制的参考电压矢量轨迹,长虚线为希望的参考电压矢量轨迹,短虚线为实际参考电压矢量中的基波分量。交角αg为u*和正六边形边界的交点与正六边形顶点之间的夹角。令|u*|=u*,则交角αg的表达式为

$\alpha {}_{\text{g}}=\text{π}/6-\arccos (\frac{U{}_{\text{d}\text{c}}}{\sqrt{3}u{}^{*}})$ (4)

将式(1)代入式(4),可得交角αg与调制度m的关系曲线如图4所示。

在过调制1区,保持参考电压矢量u*的相角不变,即αp=α,只修正u*的幅值,以减少谐波。由图3可知,u*超出正六边形的轨迹被限制到正六边形边界上,则实际调制的参考电压矢量u*p的幅值被修正为

$u{}_{\text{p}}^{*}=\{\begin{array}{cc}u{}^{*}& \frac{(n-1)\text{π}}{3}\alpha \frac{(n-1)\text{π}}{3}+\alpha {}_{\text{g}}\\ \frac{U{}_{\text{d}\text{c}}}{\sqrt{3}\sin [\frac{(n+1)\text{π}}{3}-\alpha ]}& \frac{(n-1)\text{π}}{3}+\alpha {}_{\text{g}}\alpha \frac{n\text{π}}{3}-\alpha {}_{\text{g}}\\ u{}^{*}& \frac{n\text{π}}{3}-\alpha {}_{\text{g}}\alpha \frac{n\text{π}}{3}\end{array}(5)$

实际调制的参考电压矢量u*p中的基波分量幅值为[2]

$U{}_1=\frac{6}{\text{π}}\{u{}^{*}\cdot \alpha {}_{\text{g}}+\frac{U{}_{\text{d}\text{c}}}{\sqrt{3}}\ln [\text{t}\text{g}(\text{π}/3-\alpha {}_{\text{g}}/2)]\}(6)$

将式(1)、式(4)代入式(6),可得基波电压幅值U1与调制度m的关系曲线如图5所示。

由图5可以看出,过调制1区的基波相电压最大调制度为m=0.952,对应着交角αg=0,此时u*p的轨迹被完全限制在正六边形边界上。故该方法无法实现逆变器六阶梯波运行。为了达到最大调制度1,需采用其他的过调制算法。

2.3过调制2区(0.952<m1)

当调制度m>0.952时,为了获得更大的伏秒平衡区域,u*p必须保持在正六边形的顶点一段时间,然后再沿着正六边形边界走完剩余的开关周期。

如图6所示,角αh称为保持角,控制着u*p保持在正六边形顶点处的时间,并唯一控制着基波电压,它是关于调制度m的非线性函数[3]。以第1扇区为例,当ααh时,up始终保持为u1;当αhαπ/3-αh时,u*p随u*一起旋转,但是幅值为六边形边界,并且在位置π/6时两者重合;当α≥π/3-αh时,u*p始终保持为u2。保持角αh在0～π/6之间变化,当αh=π/6时,u*p的轨迹在正六边形的6个顶点上跳变,即逆变器运行在六阶梯波状态,达到最大调制度m=1。这种方法在相角上不能保证完全跟随,但是可以实现幅值的最大化。

实际调制的参考电压矢量u*p被限制到u*端点向正六边形边界作垂线的交点处,则实际参考电压矢量u*p的相角为

$\alpha {}_{\text{p}}=\{\begin{array}{cc}\frac{(n-1)\text{π}}{3}& \frac{(n-1)\text{π}}{3}\alpha \frac{(n-1)\text{π}}{3}+\alpha {}_{\text{h}}\\ \frac{\alpha -(2n-1)\cdot \alpha {}_{\text{h}}}{1-\frac{6}{\text{π}}\cdot \alpha {}_{\text{h}}}& \frac{(n-1)\text{π}}{3}+\alpha {}_{\text{h}}\alpha \frac{n\text{π}}{3}-\alpha {}_{\text{h}}\\ \frac{n\text{π}}{3}& \frac{n\text{π}}{3}-\alpha {}_{\text{h}}\alpha \frac{n\text{π}}{3}\end{array}(7)$

u*p的幅值为

$u{}_{\text{p}}^{*}=\{\begin{array}{cc}\frac{2}{3}U{}_{\text{d}\text{c}}& \frac{(n-1)\text{π}}{3}\alpha \frac{(n-1)\text{π}}{3}+\alpha {}_{\text{h}}\\ \frac{U{}_{\text{d}\text{c}}}{\sqrt{3}\cos [\frac{(2n-1)\text{π}}{6}-\alpha {}_{\text{p}}]}& \frac{(n-1)\text{π}}{3}+\alpha {}_{\text{h}}\alpha \frac{n\text{π}}{3}-\alpha {}_{\text{h}}\\ \frac{2}{3}U{}_{\text{d}\text{c}}& \frac{n\text{π}}{3}-\alpha {}_{\text{h}}\alpha \frac{n\text{π}}{3}\end{array}(8)$

将保持角αh与调制度m的非线性关系曲线分段线性化,有

$\begin{array}{l}\{\begin{array}{l}\alpha {}_{\text{h}}=6.40m-6.090.9517m<0.9800\\ \alpha {}_{\text{h}}=11.75m-11.340.9800m<0.9975\\ \alpha {}_{\text{h}}=48.96m-48.430.9975m1.0000\end{array}\\ (9)\end{array}$

3 谐波分析

将式(5)、式(7)、式(8)代入图2 的预处理器中即可实现过调制区的脉宽调制。由于预处理器包含了一组非线性函数,经过预处理器修正后的参考电压矢量已发生畸变。图7为调制度m=0.98时α,β坐标系下的参考电压波形及其频谱图。过调制过程引入了较大的低次谐波(5次,7次,9次,11次等),且总的谐波畸变率(THD)随调制度m的增大而增大[1]。实质上,过调制条件所带来的仅有的谐波差别是增加了基带谐波分量,而这些基带谐波是由过调制过程的非线性特性造成的。

4 仿真与实验结果

本文采用Matlab/Simulink仿真软件,仿真参数为:鼠笼式异步电机(690 V,350 kW)额定转速为1 100 r/min(3对极),额定频率为50 Hz。电网电压为690 V,直流侧电容为18.8 mF,开关频率为3 kHz。为验证过调制算法,将直流电压从1 100 V降到890 V。

图8为调制度m连续变化时的波形图,可以看出采用该过调制算法可实现线性调制区到六阶梯波运行状态的平滑过渡。由图8d可以看到,相电流波形随调制度的增加畸变越来越严重。

图9为逆变器输出基波电压随调制度的变化曲线,当不采用过调制算法时,在过调制区逆变器输出基波电压将小于参考电压,虽最终能够达到六阶梯波运行,但此时所需调制度m>4,这显然对提高电机的动态响应速度很不利;采用本文所提过调制算法时,逆变器输出基波电压在整个调制范围内随调制度基本成线性变化。

实验在350 kW鼠笼式异步发电机全功率变换器实验平台上进行,该平台采用背靠背两电平PWM变换器拓扑,采用IGBT作为功率开关器件。软件平台以dSPACE为核心控制器,以Matlab/Simulink仿真环境为算法载体,可以通过dSPACE上位机软件进行参数在线修改以及以实际波形的方式监测系统中的电压和电流等量。

实验参数如下:电网电压380 V,直流电压600 V,直流侧电容18.8 μF,开关频率2 kHz,网侧变换器通过LCL滤波器接入电网。

图10为不同调制度下a相SVPWM调制波波形,可以看出随着调制度的增加,PWM调制波波峰逐渐被削平,最后工作在方波运行状态。图11为逆变器工作在过调制区时输出线电压Uab和相电压Ua的波形,可以看出随着调制度的增加,逆变器输出电压波形中的脉冲数逐渐减少,最后输出方波。实验结果与理论分析相一致。

5 结论

针对传统SVPWM算法直流电压利用率只有0.907的缺点,研究了一种基于SVPWM的过调制算法,深入分析了该过调制算法的基本原理及过调制区的低次谐波成分。最后对该过调制算法进行了仿真和实验验证。结果表明,该过调制算法可实现在整个调制范围内PWM逆变器输出基波电压的线性控制,最终达到逆变器的六阶梯波运行状态。

摘要：过调制算法能够有效提高逆变器的输出基波电压,对缩短电动机的动态响应时间、扩大稳态运行区域是十分有意义的。研究了一种基于SVPWM的过调制算法,并对过调制区的谐波成分进行了分析。最后在Matlab/Simulink仿真软件和350 kW鼠笼式异步发电机全功率变换器实验平台上进行了验证。结果表明,该过调制策略可实现在整个调制范围内PWM逆变器输出基波电压的线性控制,最终达到逆变器的六阶梯波运行状态。

关键词：空间矢量PWM,过调制,电压源逆变器,电压利用率,线性控制

参考文献

[1]Dong-Choon Lee,G-Myoung Lee.A Novel OvermodulationTechnique for Space-vector PWM Inverters[J].IEEETrans.on Power Electronics,1998,13(6):1144-1151.

[2]Bolognani S,Zigliotto M.Space Vector Fourier Analysis ofSVM Inverters in the Overmodulation Range[C]∥PEDES1996,New Delhi,India:1996:319-324.

[3]Holtz J,Lotzkat W,Khambadkone A.On Continuous Con-trol of PWM Inverters in the Overmodulation Range Inclu-ding the Six-step Mode[J].IEEE Trans.on Power Elec-tronics,1993,8(4):546-553.

实验与理论分析 第8篇

1 食品分析与检验理论与实验课程体系与内容的不足与改革探索

食品分析与检验是学生掌握食品质量检测与控制的重要课程之一, 其理论性、实践性与应用性极强, 一般高校都设置32学时左右的理论课程学习和24学时左右的实验课程学习。主要内容包括一般成分、食品添加剂、有毒有害成分, 以及包装材料的分析等。内容非常多, 56个学时不可能完成全部内容的学习。目前绝大部分高校都主要完成一般营养成分和部分食品添加剂和有毒有害成分的分析, 主要介绍相关成分的分析原理、步骤与注意事项, 内容单一枯燥, 与其它课程和相关法律法规脱节, 没有充分阐述各成分的测定意义, 造成学生学习兴趣不高, 加之课件缺乏动画、视频等音像资料, 学生很难准确理解测定原理与步骤和测定技巧。多年的教学发现, 很多学生到大四做毕业论文, 甚至部分考入的研究生连标准曲线都不会做, 有的还在用坐标纸画标准曲线, 教学内容与方式需要及时更新。部分学生在创新研究与毕业论文反映出对数据处理掌握不够, 对有效数字的保留、多数据统计分析都存在较大问题。

对于上述问题, 我们在教学内容上不断更新和细化, 针对薄弱环节调整教学内容与重点, 主要表现在: (1) 在开设食品物性与感官评定课程之前, 我们单独设置食品感官评定一章内容, 重点介绍感官评定的方法与数据处理, 并结合食品实验数据处理课程, 开设相关实验, 提高学生感官评定的学习质量。开设食品物性与感官评定课程之后, 该门课程主要系统介绍食品感官评定与物性分析的理论知识, 在食品分析实验中开设相关综合设计性实验, 提高两门课程的学习质量。因此, 笔者认为, 在没有食品物性与感官评定课程的高校, 应最后单独设置相关理论课程与实验课程的学习, 进一步提升学生监测食品品质的综合能力。 (2) 结合食品试验设计的学习内容, 重点介绍食品数据的记录与处理, 如有效数字的保留、准确度、精确度、标准误差和标准偏差等的含义与表示方法, 并多举实例分析, 尤其是往年学生的出错数据记录与处理。 (3) 理论课程内容包含一般成分分析, 强调一般成分分析的重要性、必要性, 并强调食品标准与法规、食品安全法、食品营养标签规定等法律法规对食品分析与检验的相关要求, 增强学生的学习积极性与主动性。在讲述食品添加剂与食品污染物时, 要多举目前新闻网络等媒体和广大群众都关心的典型食品添加剂事件与食品污染事件, 说明添加剂与食品污染物检测的种类和意义, 详细介绍重要的典型的添加剂如苯甲酸、亚硝酸盐、重金属铬和汞等的来源、测定意义、原理、步骤与注意事项等。 (4) 在课程内容中充分体现现代食品检测技术, 比较标准化的、经典的、规范化的传统标准化检测技术与现代检测技术之间的优势和缺点, 积极引导学生建立新型分析检测方法建立的创新思维, 并能根据食品产品检测要求, 合理选择检测方法。比如最简单的水分测定, 一般经典方法可能为常压干燥、真空干燥法和蒸馏法, 讲解时能和现代食品红外水分检测技术相互比较, 充分体现现代技术的快速便捷性, 以后学生在大规模测定水分时, 可能就会选择后者, 不会选择一般干燥法, 费时费力。 (5) 样品预处理好坏是食品检测成功与否的关键, 因此, 在学习各成分测定时, 尤其注意样品预处理方法的介绍。食品原料包括生物与非生物组织、固态与液态、动物与植物产品等, 即使水分测定也不能马虎, 如蔬菜、豆类和肉类三种原料的预处理方式完全不同, 如果都参照风干豆类样品的预处理, 也就是简单粉碎, 将会显著增加蔬菜和肉类样品水分测定结果的误差。 (6) 食品分析与检验实验是理论与实践结合的重要纽带, 是食品分析与质量控制教学体系的重要组成部分, 也是提高学生实践动手和创新能力的必要途径。实验课程内容的设计不能简单取决于理论课程的学习, 应根据食品分析与检验和所在学科整个课程体系进行模块化设计, 多年的实验教学改革与实践证明, 首先就是实验内容的设计, 目前我们实验内容主要包括一般营养成分分析 (水分、蛋白质、脂肪、灰分) 模块、添加剂亚硝酸和二氧化硫测定模块、牛奶中青霉素和油炸方便面中丙二醛的测定模块、食用油/肉制品/乳制品综合设计性检验模块。实验内容涉及面广, 选择对象为日常生活中常见食品, 由基础到综合, 模块化教学, 有助于学生系统掌握典型食品分析与检测方法, 显著提升了该门课程和其他课程的教学质量。

2 食品分析与检验理论与实验课程教学方式方法的不足与改革探索

结合课程内容, 选用不同的教学方式与方法, 学生学习兴趣与效果截然不同。过去, 理论课程和实验课程分别主要为“师讲生听”和“师讲生做”的方式。由于内容本身枯燥, 加之学生对很多术语与设备不太熟悉。总是似懂非懂, 对于实验课程, 反正有讲义和老师在身边, 边做边看边问, 课堂上基本能学会机械的实验操作。但是, 对课程与与实验内容没有融会贯通, 不能坚持课前预习和课后复习, 导致学习效果不佳。

多年的学习与教学改革探索, 形成“他导—互导—自导”的教学方式, 学习效果和教学质量显著提升。首先, 在课程学习之前, 将所要理论课程和实验课程学习内容, 包括讲师讲授、学生课外学习和实验讨论内容等全部告诉学生, 并要求学生根据自己学习特点和安排提前预习和学习, 有助于学生系统了解本门课程的学习内容, 增强学生的积极性。由于本门课程学习内容非常多, 教师讲授部分主要针对重点典型成分进行系统讲解, 为学生提供学习思路与方法, 首先形成“他导”的教学方式。在各模块学习过程中, 布置相关课外课程论文与课堂讨论, 让学生自主积极多方面学习, 并通过讨论, 教师点评等方式形成“他导—互导—自导”的学习方式。尤其是实验课程, 互导和自导至关重要, 有助于学生深刻理解实验原理、最大程度地掌握实验操作步骤与技巧等。

另外, 食品分析中某些检测项目如水分、蛋白质、脂肪和灰分等, 耗时长和操作步骤相对简单等。如果每个实验都单独安排学时, 存在等待时间过程过长, 学生聊天、实验效率低, 严重影响实验课质量。模块化教学中将水分、蛋白质、脂肪和灰分类长耗时项目放在一个模块, 也就是将四个实验作为一个实验项目, 也就是食品中水分、蛋白质、脂肪和灰分的测定, 可以统筹利用时间, 让学生系统掌握常见营养成分的分析测定方法, 着实提高实验效率与实验教学质量。

3 食品分析与检验理论与实验课程考核的不足与改革探索

一般地, 理论课程考核主要包括平时成绩与期末考试成绩, 前者主要包括平时作业与考勤等。实验课程主要是实验报告和形式化的实验技能抽测。考核相对单一, 少部分学生认为只要期末考试成绩及格就能通过本门课程的考核, 平时学习积极性不高。为此, 我们改革后的理论课程考核主要包括平时成绩 (课程论文、课后作业、课堂随机测验、口试、考勤) 和期末考试 (试题库) , 每次平时成绩记录后立即公布, 让学生随时了解自己的平时成绩, 做到公正公平。另外, 教师要认真批改每一份报告与作业, 对于平时作业较差的学生, 可以让其修改, 并鼓励学生修改。通过多次交流学习, 学生学习积极性与学习质量显著提高。同时, 教师可以随时发现学生学习和自己教学中存在的不足并及时更正。实验课程的考核包括课前预习报告与口试、现场操作、卫生整理、实验报告四部分。根据实验前的预习报告, 结合学生操作前教师的讲解, 随机口试测验, 通过后方可进行后面的实验操作。实验操作过程中, 仔细观察学生操作的规范性、正确性, 及时纠正学生的错误, 以及学生在整个实验过程中的三废处理与卫生保持情况, 并随时询问学生试验相关问题, 现场给分并公布成绩。对于实验报告, 要求小组数据共用, 但必需自己处理数据和撰写实验报告, 尤其写好实验中的注意事项与影响实验结果的因素, 也就是讨论分析部分, 对于写得不好者, 可以重写, 重新评定成绩。这样, 学生对自己的成绩也满意, 尤其是可以提高学生自己的总结能力、创新实践与写作技巧等。

总体来说, 经过多年的改革与实践, 教学改革效果与教学质量显著提高。但改革是个巨大的系统工程, 总体目标仍就是通过革新教学内容与教学方式方法等, 最终激励学生主动学习, 培养创新思维, 系统深度掌握本门课程的相关内容, 为以后的学习工作奠定良好基础, 在以后的工作中, 我们仍然会集中广大教育教学者的智慧, 不断改革探索, 进一步提升教学质量。

摘要：食品分析与检验课程是食品质量检测与控制教学体系的重要基础课程。本文首先分析目前该门课程理论与实验教学的不足, 再针对性阐述该门课程理论教学与实验教学课程教学体系与内容、教学方式与教学考核的改革探索。

关键词：食品分析,教学改革,理论教学,实验教学

注释

11 张英华, 王喜波.关于《食品分析》教学改革的几点思考[J].林区教学, 2012.6:8-10.

22 顾红.食品分析实验教学改革与实践[J].中国校外教育, 2008.8:33.

33 张丽平, 余晓琴, 蒋旎, 刘妙丽.《食品分析与检测技术》课程项目化教学改革探讨[J].成都纺织高等专科学校学报, 2013.1:62-64.

《机能学实验》理论考试试卷分析 第9篇

1 《机能学实验》理论考试改革概况

自2002年起至2005年, 机能中心共承担2001级至2003级临床医学专业、口腔专业、护理专业、法医专业五、七年制约2, 000名学生的《机能学实验》课程的教学任务。该课程理论考试题型2001级仅为简答题, 考试时间为60分钟。2002级开始, 根据课程的内容和特点对理论考试试卷进行了不断地丰富和完善, 至2003级试卷已经包括填空题、简答题、实验设计题、实验结果分析题、图形分析判断题、综合思考题等多种题型, 考试时间增至90分钟。

2 试卷分析

为分析2001级和2003级两级学生理论考试试卷质量的情况, 分别从两级学生的理论考试试卷中随机各抽取100 份试卷作为样本, 以学生考试平均成绩、成绩分布、试题的难度和区别度作为评价试卷质量的主要指标对试卷进行分析, 其中试题难度采用公式P= X/W, 式中P为难度值, X为全体应试者该题得分的平均值, W为该题满分值;计算所有题目难度加权平均值, 即为该试卷的难度值, 公式为undefined, 式中pi为第i道题的难度值;fi为第i道题的分值;在分析试卷的区别度时, 首先将按卷面总分多少排序, 从最高分开始取27%的人作为高分组 (H) , 从最低分开始取27%的人作为低分组 (L) , 试题区别度采用公式D=PH-PL, 其中PH 为该题高分组的难度值, PL为该题低分组的难度值;计算所有题目区别度加权平均值, 即为该试卷的区别度值, 公式为undefined, 式中Di为第i道题区分度;fi为第i道题的分值。

3 结果

3.1 成绩分布

两级学生理论考试试卷满分均为100分。两级学生成绩分布情况如下表所示, 其成绩分布均呈近似正态分布;2001级总体平均分为 77.8分, 2003级总体平均分为80.3分。

3.2 试卷难度

难度是指试题、试卷的难易程度, 是评价试题、试卷质量的主要指标和依据。此次研究2001级试卷总体难度为0.8, 2003级试卷各类题型的总体难度0.8, 其中填空题0.8, 简答题0.7, 综合思考题0.9, 图形分析题0.8。一般认为试题的难度系数应在0.4-0.7, 大于0.7认为试题偏易, 小于0.4认为试题偏难。因此, 2001级和2003级试卷总体难度偏易。

3.3 试卷区别度

区别度是指考试对学生实际水平的区分程度, 也是评价试题、试卷质量的主要指标和依据。此次研究2001级试卷总体区别度为0.5。2003级试卷各类题型的总体区别度为0.2, 其中填空题0.3, 简答题0.4, 综合思考题0.1, 图形分析0.5。一般认为试题的区别度系数应大于0.4, 0.15-0.4为一般, 小于0.15为差。因此, 2001级试卷总体区别度为优;2003级试卷总体区别度为一般, 其中填空题、简答题的区别度为一般, 综合思考题的区别度较差, 图形分析题的区别度为优。

3.4 试卷总体质量

根据试题难度和区别度的评定标准, 将两级试卷中不同题型的试题分为良好 (P≥0.5, D≥0.15) 、较好 (P<0.5, D≥0.15) 、一般 (P≥0.5, D<0.15) 、较差 (P<0.5, D<0.15) 四种, 结果2001级、2003级试卷总体质量均为良好, 其中2003级试卷填空题、简答题、图形分析题质量均为良好, 综合思考题质量为一般。

4 讨论

考试是整个教学工作中不可缺少的一部分, 高质量的考试不仅能够科学地检测教学质量和教学中存在的问题, 而且还能准确地评定学生对所学知识、技能的掌握情况, 因此, 科学地组织实施考试工作, 至关重要。试卷是实施考试的重要载体, 试卷的质量决定着考试能否达到预期目的的关键所在, 所以不断完善和修订试卷内容, 提高试卷质量是教学工作特别是教改工作的重要内容。

通过对《机能学实验》理论考试试卷进行质量分析, 发现从考题形式和覆盖面来看, 2001级试卷题型仅为简答题, 试题对教学内容的覆盖面为41%, 而2003级试卷题型为填空题、简答题、综合思考题和图形分析题, 试题对教学内容的覆盖面为82%, 这说明2003级试卷更接近《机能学实验》课的教学要求, 更能全面的测量学生对于课程内容的掌握程度;2001级试卷和2003级试卷总体质量均为良好, 2003级试卷填空题、简答题、图形分析题质量亦均为良好, 试题良好率占总试卷试题的80%以上, 说明我校《机能学实验》理论考试质量一直保持在良好水平。另外, 此次研究发现, 2003级试卷综合思考题难度为0.9, 区别度为0.1, 说明该卷的综合思考题偏易, 不能有效地将学生的实际学习水平区别开来, 所以今后在根据课程的特点开发新题型的同时, 应进一步注重新题型自身的质量和检测学生知识水平的有效性, 从而使我校《机能学实验》理论考试能够更好地根据课程目标的要求和教学改革的需要得以进一步提高和完善。

此次分析表明, 通过对《机能学实验》理论考试试卷的不断改革和修订, 我校《机能学实验》理论考试试卷的总体质量得到了不断地完善和提高, 从而使得该课理论考试能够更有效地反映学生对该门课程相应理论部分内容的掌握情况, 更科学地满足该课程改革不断深入发展的需要。

摘要：为使《机能学实验》课健康理性地向前发展, 运用平均成绩、成绩分布、试题难度和区别度等指标对随机抽取的西安交通大学医学院2001级和2003级临床医学专业100名学生《机能学实验》课理论考试试卷进行了分析。分析结果显示, 西安交通大学医学院《机能学实验》理论考试质量一直保持在良好水平, 且2003级临床医学专业《机能学实验》课理论考试试卷质量较2001级有了一定的提高。

关键词：试卷分析,机能学实验,教学改革

参考文献

[1]程文明, 高署, 李荣, 等.天然药物化学试卷分析[J].安徽医药, 2004 (5) :398-399.

[2]孙菊, 姜凤良, 景晓红, 等.高护专业微生物与免疫学考试试卷分析与评价[J].西北医学教育, 2004 (6) :498-499.

实验与理论分析 第10篇

我校分析化学于2007年获得硕士学位授权并开始招生, 近年来分析化学方向获得过省部级奖励3次, 承担国家自然科学基金项目9项、省部级项目6项、厅级项目10多项, 申请专利10多项, 发表论文100多篇。针对我校十三五发展规划, 即从教学为主的高校逐步转向以教学研究为主的高校, 改革教学质量的任务也迫在眉睫。因此, 笔者在在分析化学实验教学的实践中进行了包括实验教材、实验内容、教学方法、考核方法等方面的大量探索, 以强化了学生的理论知识和实际动手能力, 同时通过实验教学反哺分析化学理论课程的教学改革和建设, 全方位提升分析化学实验和理论课程教学质量。

一、精心选择实验教材, 理论主讲教师参加实验课教学

分析化学理论教材和实验教材均选自武汉大学编著、高等教育出版社出版的《分析化学》 (第五版) 和《分析化学实验》 (第五版) , 是高等教育出版社百门精品课程教材之一。笔者作为分析化学理论主讲教师, 一直参加实验课教学, 从而便于开展理论联系实际的教学方法, 便于发现学生理论学习和实践操作方面的问题并及时解决问题。比如笔者根据学生用间接碘量法测铜合金中铜含量和络合滴定法测定自来水硬度的实验, 将分析化学理论课内容穿插在在实验内容中, 使学生对相关知识的掌握理解加深, 同时通过实验课教学, 使学生认识到树立“量”的正确概念的必要性和正确性。

二、合理设计实验教学内容, 体现层次性和实用性

以实验教材为基础, 根据高等教育改革方向要求和我校教学研究型学校的发展要求, 建立了“基础型实验、综合设计型实验、开放创新型实验”的多层次实验教学内容体系, 激发学生学习兴趣, 提高学生分析技能, 突出创新能力和实践能力的培养。

基础型实验是夯实学生实验基础、培养学生实验基本操作实施能力的关键, 因此针对基础型实验, 教师应对学生的基本操作训练进行全程指导, 在天平称量、溶液配制、滴定和重量分析等基本操作方面对学生进行专题训练。让每个学生都能规范和熟练地掌握上述基本操作。

综合设计型的实验是以综合性、设计性分析化学实验为主, 结合分析化学的前沿技术和方法, 体现系统性、前沿性和全面性, 要求学生结合多种实验操作技能、前沿技术和多个理论知识制定详细的研究方案, 设计具体的实验路线, 选择合适的实验操作仪器, 以期提升学生对分析化学实验中问题的分析能力和解决能力, 注重学生的能力培养, 以养成良好的科学素质, 基本掌握化学研究的一般方法。我们在综合型实验中开设了如“混合碱组成的测定”和“食用米醋中总酸量和氨基酸氮含量的测定”等实验项目, 联系生产生活实际, 既让学生真切体会到化学实验和生活息息相关, 又培养了其利用理论知识解决实际问题的能力。

开放创新型实验通过“挑战杯选拔赛”和教师的科研课题而设计, 依托学校开放实验室平台实现, 引导学生进入学术领域, 促进学生的本科教学课程知识与学科科研的互动, 调动学生学习该课程的主动性和积极性。通过“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛华东交通大学选拔赛”平台, 学生根据自己的兴趣和指导老师的科研课题情况, 自主撰写项目申请书、项目方案设计和完成项目实验内容, 从而启发、激励学生的创新思维, 使学生进一步夯实分析化学理论基础和实验技能基础, 同时也使学生的创新思维和创新能力得到发展。指导老师在评审挑战杯项目申请书时, 主要侧重项目申请书有无独特的见解、有无新颖的设计思路和有无现实可行性等, 筛选出优秀的挑战杯项目参加“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛华东交通大学选拔赛”。例如筛选的层层组装法构筑碳纳米管修饰电极及其应用和无试剂型分子印迹电化学传感器的研制和应用均获得“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区”三等奖。同时, 笔者以科研为驱动力, 带动学科建设和实验教学, 每年从科研工作中抽取部分成果编写实验项目, 确保实验内容与时俱进且具有较高的创新性。

三、建立闭环量化考核体系, 提高教学效果

为充分调动学生积极性、自觉性、提高教学质量, 并使成绩能够客观地反映学生对知识和操作技能的掌握程度, 我们建立了“实验学习前 (预习考核) +实验学习中 (平时考核) +实验学习后 (期末考核) ”的闭环量化考核体系, 并对各个环节的考核进行了具体量化 (如表1所示) 。

实验预习考核能督促学生了解实验的原理, 明确实验的难点、关键步骤, 做到“有备而来”, 带着问题上课, 发挥学生的主观能动性。平时考核占比达到50%, 注重延伸和累计效果, 有利于培养学生严谨的态度。期末考核由笔试和操作考核两部分组成, 笔试主要考查分析化学实验原理、实验后的问题解决和重要实验条件的把控等内容, 这些内容与分析化学理论教学紧密相关, 反哺理论教学;操作设计考核在考查学生基本实验方案设计、操作能力、数据处理能力和实验报告撰写能力的同时还通过附带思考题的方式考查学生的创新科研能力。

四、结语

实践表明, 分析化学实验教学不仅是培养学生的基本实验操作能力、解决实验问题的思维能力和设计新型实验项目的创新能力的重要环节, 也是帮助学生牢固掌握分析化学理论, 反哺理论教学的重要手段。通过实验教学的改革, 我们能明显地感觉到学生在实验积极性、理论知识掌握及实验动手能力和创新能力方面的很大提高。为适应学校发展方向和社会发展需要, 我们将不断探索如何将分析化学实验教学与理论教学、前沿科学、实际生产和现实生活需要更紧密结合, 有效激发了学生学习兴趣和热情, 提高学生综合素质、创新实践和科研能力。

参考文献

[1]俞汝勤, 梁逸增.分析化学教学的发展[J].大学化学, 2000, 15 (1) :1-4.

[2]李秀华.优化分析化学实验教学的探索[J].福建师范大学学报:自然科学版, 2011, (5) :30-33.

[3]张华山.分析化学国家精品课程的建设及课程开放思考[J].中国大学教学, 2013, (3) :54-56.

[4]张凤杰, 华瑞年, 张丽影, 王艳颖.创新人才培养与无机与分析化学实验教学改革[J].高校实验室工作研究, 2009, (1) :24-25.

实验与理论分析 第11篇

关键词:教学改革;理论教学;创新能力;虚拟实验平台

中图分类号:H191 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 04-0000-01

Reform of Course Theory &Experimental Teaching on《Microcomputer Principles and Interface Techniques》

Chen Ke,Zhang Qi

(Sichuan Vocational&echnology College,Suining629000,China)

Abstract:As a fundamental major course of relative majors of electrical and information in higher vocational colleges,the course Microcomputer Principles and Interface Techniques is of great practice. The breakthroughs of the course reform lie in enhancing cultivating the students’ originality and bringing their initiatives into full play.In the aspect of theoretic teaching,the cultivation of the students’ comprehensive analytic ability should be emphasized enable them to have the ability of certain microcomputer hardware interface design.In the aspect of experimental teaching,the virtual experiment platform of microcomputer interface is established, the restriction of traditional experiments targeting time and space is broken,the integration of experimental teaching is realized.

Keywords:Teaching reform;Theoretic teaching;Originality;Virtual experiment platform

《微机原理与接口技术》课程是高职院校电气信息类专业的主要专业基础课程之一。很多学生在该课程的学习过程中,对接口芯片的工作原理与接口电路的设计思路及其在微机控制系统中的应用难以形成一个系统的概念,更谈不上创新设计能力的培养。因此,积极地对《微机原理与接口技术》课程进行教学改革,有效提高教学质量是当前该门课程教学的首要任务。

一、转变教学指导思想,实现以能力为本

当前很多高职院校对该课程的教学大多采用验证教学模式,尤其是在实验教学中普遍采用实验箱,仅对接口芯片功能进行相应的工作方式验证性实验,忽略了对学生的自主思维空间进行拓展,从而阻碍了创新能力的形成,使该课程在学生的整个专业知识体系结构中的作用得不到应有的体现[1]。因此,学生对该门课程的学习重点必须在教师的引导下从“是什么,如何工作”转变到“如何思考,如何设计”这个层面上来,这也更符合当前高职教育所强调的“以能力为本”这个全新的教学指导思想。

二、优化理论教学内容,推行实验教学改革

《微机原理与接口技术》课程教学改革以突出实用为目的,并结合高职院校学生实际特点,重点阐述与接口应用相关指令及编程基础,加大微机接口应用技术知识方面的阐述。内容取材上,力求反映微型计算机接口技术的最新成果和新知识,对现有理论教学内容进行适当的优化。课程通过课堂教学和一定量的实验教学相结合,使学生建立起“程序存储和程序控制”的牢固概念,教学改革的宗旨是要全面培养学生进行微机系统扩展的应用能力和独立分析问题、解决问题的创新能力。

在《微机原理与接口技术》课程教学中,实验教学是一个很重要的环节。传统的接口实验一般采用实验箱来完成,成本较高,并且能够扩展的实验项目有限,通常是验证性实验居多,很多能拓展学生创新思维的实验项目无法开展。因此,建立“微机接口虚拟实验平台”,是当前很多高职院校对该课程实验教学改革的目标所在。

传统的接口实验设备包括两部分:“微机”和与其连接的“专用实验台”两个部分。“微机接口虚拟实验平台”则采用以“软”代“硬”和“虚”、“实”结合的设计思路,强调系统的实用性和可扩展性,最大限度地仿真真实的实验环境。

“虚拟实验平台”包含虚拟接口电路和虚拟实验操作台。虚拟接口电路是实验程序和虚拟实验操作台的连接通道,包含了实验中常用的I/O接口芯片,有8253、8255A、、A/D、D/A等,与实际芯片功能相同,并与实际的微机实现了“连接”,能够被实际的实验程序所访问,也即对调试程序而言与真实的存在几乎没有什么差别。虚拟实验操作台主要包括常用的外围单元电路,如指示灯、数码管、键盘、开关、传感器等,它是一个交互性较强的可视化界面,不仅可以指示或反映出实验的结果,同时学生可以通过拖动鼠标来模拟连线和使用虚拟的测试仪器进行检测等操作[2]。

下图展示的是“虚拟实验平台”上8255A芯片与4×4键盘的虚拟接口实验操作台界面。

8255A芯片与4×4键盘的虚拟接口实验操作台界面

与传统的实验相比,“虚拟实验平台”作为一种新型的实验类型,在很多方面优于传统的硬件实验平台,具有比传统实验更为灵活多样的表现形式,在培养学生创新能力,促进实验教学技术手段创新发展等方面将发挥重要的作用。

三、结束语

《微机原理与接口技术》的课程教学与实验改革是一个长期的过程,本文通过作者自己的教学实践,合理优化教学内容,灵活组织教学模式,适时设计教学场景,通过建立“虚拟实验平台”,提高了教学质量,改善了教学效果,全面拓展了学生的创新思维,培养了学生的创新能力。

参考文献:

[1]陈友宣.微机接口技术实验课程教学改革探讨[J].企业教育,2007,03下:7-8

[2]王青.微机接口网上虚拟实验室的研究设计[D].中国海洋大学,2004

作者简介:

陈科,男,四川职业技术学院电子电气工程系,助教,硕士,研究方向:电气自动化技术。

实验与理论分析 第12篇

本文以已实施的某钢管混凝土拱桥抗震性能振动台实验为基础, 以某99 m跨度钢管混凝土拱桥1/30实验模型的制作为例, 探讨满足相似理论情况下相似系数的取定和以单一模型材料模拟原型结构中拱肋的组合材料的转换条件。通过采用有限元软件ANSYS建模对比分析实验模型、原型结构的基本振动频率和模态, 验证该过程中欠质量模型相似理论是正确的、截面材料转换条件是可行的。

1 原型概述

原型为净跨径99 m的某钢管混凝土下承式系杆拱, 净矢跨比为1/5, 净矢高19.8 m, 拱肋线形为抛物线。拱肋采用双肢Φ800 mm钢管加中部间距500 mm的一钢板对构成哑铃型截面, 管壁钢板12 mm厚, 内填C40混凝土, 拱脚处拱肋下部加劲为矩形断面。肋间设4道Φ600 mm空心钢管横系梁。每肋拱脚间用钢绞线作为预应力系杆, 以承担恒载作用下的拱脚水平推力。每肋下的系杆为12根, 每根为9束Φ15.2 mm (7Φj5) 的钢绞线, 系杆锚具为OVMXG15-9。吊杆为110Φ5高强低松弛钢丝。吊杆横梁为钢筋混凝土工字梁。吊杆间距6 m。桥面板为钢筋混凝土板式预制结构, 湿接缝联结。桥面铺装为10 cm厚的C30防水钢筋混凝土。为加强桥面系的整体性, 在系杆处设加劲纵梁。

2 模型设计

确定模型与原型的相似关系是模型设计的关键, 此过程以相似系数表示。本文以量纲分析法确定相似系数。量纲分析法的原理指的是根据描述的物理过程物理量纲和谐原理, 寻求物理工程中各物理量之间的关系而建立相似准数的方法。其工作原理是相似定理, 相似物理现象的Π数相等, n个物理系数, k个基本量纲可确定 (n-k) 个Π数。

2.1 完全质量模型

模型设计中考虑影响钢管混凝土拱桥振动台实验所涉及的物理量有:结构尺寸L, 结构水平变形χ, 应力σ, 应变ξ, 结构材料的弹性模量E, 结构材料的平均密度ρ, 结构的自重q, 结构的振动频率ω, 结构的阻尼比ζ, 地震动的振幅A, 地震动的最大频率ωg。与各物理量相对应的相似系数分别记为:SL、Sχ、Sσ、Sξ、SE、Sρ、Sq、Sω、Sζ、SA、Sωg。

用量纲分析法写出质量系统下的量纲矩阵如表1所示。

求解上述量纲矩阵, 可得8个无量纲Π数, 令无量纲数分别等于1, 可得相似理论下, 模型与原型之间应满足的相似关系

$\begin{array}{l}\text{Π}{}_1=\frac{S{}_{\chi }}{S{}_L}=1‚\text{Π}{}_2=\frac{S{}_{\sigma }}{S{}_{\rho }S{}_{\text{ϖ}}^{2}S{}_L^2}=1‚\text{Π}{}_3=S{}_{\xi }=1‚\\ \text{Π}{}_4=S{}_{\zeta }=1‚\text{Π}{}_5=\frac{S{}_A}{S{}_L^{}}=1‚\text{Π}{}_6=\frac{S{}_{\omega g}}{S{}_{\omega }^{}}=1‚\\ \text{Π}{}_7=\frac{S{}_E}{S{}_{\rho }S{}_{\text{ϖ}}^{2}S{}_L^2}=1‚\text{Π}{}_8=\frac{S{}_q}{S{}_{\rho }S{}_{\text{ϖ}}^{2}S{}_L^4}=1.\end{array}$

对以上各相似系数整理得

$\begin{array}{l}S{}_{\xi }=1‚S{}_{\zeta }=1‚S{}_{\chi }=S{}_L=S{}_A‚S{}_{\sigma }=S{}_E=S{}_{\rho }S{}_{\omega }^{2}S{}_{\omega }^2‚\\ S{}_q=S{}_{\rho }S{}_{\omega }^{2}S{}_{\omega }^4‚S{}_{\omega }=S{}_{\omega g}.\end{array}$

对于以上相似关系, 取定其中的任意3项, 则可求出其余5项。

2.2 欠质量模型

振动台实验时, 为了使小比例模型能够很好地再现原型结构的动力特征, 模型与原型的竖向压应变相似常数应该等于1, 为此必须在模型上施加一定数量的人工质量——配重, 满足量纲分析法的要求。但由于振动台承载力和模型配重空间的限制等, 现实情况下的实验模型多是欠质量模型, 即附加的配重小于M=SqMq-Mm。

利用振型正交条件, 将多自由度体系的运动方程解耦后, 模型与原型对应自由度的动力反应关系由Duhamel积分可求出位移相似系数:$S{}_x=S{}_{\ddot{x}{}_g}/S{}_f^2$, 由此推出弹性阶段的动力相似关系如表2所示。

2.3 截面换算

本实验模型拱桥的拱肋, 通过截面的代换, 采用哑铃型钢筋代替原型的钢管混凝土材料。

拱肋截面换算及惯性矩换算按式 (1) 进行, 并且该式列能满足对截面抗拉压刚度和弯曲刚度相似的要求。

$\begin{array}{l}E{}_a{\rm I}{}_a+E{}_g{\rm I}{}_g=E{\rm I},\\ E{}_{a}A{}_a+E{}_{g}A{}_g=EA,\\ \gamma {}_{a}A{}_a+\gamma {}_{g}A{}_a=\gamma A.\end{array}(1)$

式中:Ea、Eg、E分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的弹性模量及换算截面的材料弹性模量Aa、Ag、A分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的截面面积及换算截面面积;Ia、Ig、I分别为钢管混凝土中混凝土截面、钢管截面在组合截面中的截面惯性矩和换算截面的组合截面惯性矩;γa、γg、γ分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的剪切模量及换算截面的材料剪切模量。

2.4 模型设计

为了保证实验模型能够真实反映结构原型的受力特征, 模型设计必须采用恰当的几何相似系数。参考已有桥梁振动台实验中模型的几何相似系数, 见表3。本文实验模型的几何相似系数采用1/30, 实验中人工质量配重4 t。依次计算各相似系数见表3。

据混凝土C40和钢材的弹性模量, 将拱肋简化为实心Q235钢并按几何相似系数缩尺, 而横撑、吊杆、系杆、纵横梁等构件均直接按几何相似系数缩尺。结构截面换算后尺寸如图1所示。

(a) 拱肋间横撑; (b) 纵向加劲梁; (c) 拱肋断面; (d) 横梁断面

模型各细部截面尺寸模型拱轴线矢跨比仍保持1/5, 静跨高0.66 m, 静跨径3.3 m, 拱肋中心距0.45 m, 拱轴线方程为

$y=\frac{4\times 0.66}{3.3{}^2}(3.3-x)x,0\le x\le 3.3.(2)$

3有限元时程分析及实验结果对比

本文应用有限元软件ANSYS对结构原型和实验模型分别进行模态和弹性阶段的分析。

钢管混凝土拱桥结构原型和实验模型的有限元分析模型;结构原型和实验模型前五阶自振周期见表4, 相应的模态振型分别为主拱肋侧弯、主拱肋反对称侧弯、主拱肋和桥面板对称竖弯、主拱肋对称侧弯、主拱肋反对称竖弯, 桥面板反对称扭转, 见图2～图7。两者的前四阶振型中, 前三阶振型相同, 四、五阶振型出现时间前后交换。

综合结果分析:可认为实验模型与原型相似, 实施振动试验能够准确反映原型结构的振动特点。说明表2的相似关系和式 (1) 的截面换算条件对钢管混凝土拱桥振动台实验的模型设计是可行的。

4 结束语

采用有限元软件对钢管混凝土拱桥结构原型和振动试验模型分别分析两者的基本振动频率和前五阶基本振型。两模型基本振型出现顺序一致;借助频率相似系数Sf, 由原型基本频率计算值推算的模型基本频率推算值与模型基本频率有限元计算值吻合。证明提出适用于钢管混凝土拱桥振动台实验的相似关系正确和截面转化公式可行。

摘要：针对小相似比情况下钢管混凝土组合材料在实验室不易模拟的问题, 结合实验, 提出适用于钢管混凝土拱桥振动台实验的相似关系和由原型组合材料向单一实验材料转化的截面转化条件。通过有限元软件分析不足配重模型下模型与原型的基本振动频率和前阶模态, 借用相似系数对比, 验证相似理论和转换条件的正确性。

关键词：钢管混凝土拱桥,相似理论,截面转化公式,基本频率,模态分析

参考文献

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