实验设计范文第1篇
【关键词】数学实验高等数学教学改革教育模式
一 开设高等数学实验课的必要性及现状分析
随着计算机技术的日益发展，数学建模和与之相伴的数值计算方法已成为工程设计的关键工具。当今世界科学技术的发展对数学的依赖已经达到惊人的地步。“高技术本质上是一种数学技术”的观点现已被越来越多的人所认同。数学在自然科学、工程技术、经济管理乃至人文社科领域越来越成为解决实际问题的有力工具。数值仿真已成为很多工程及应用学科人才必须掌握的技术手段。因此，一切科学和工程人员的教育必须包含数学和计算科学更多的内容。本科教育中，对学生的数学教育面临着新的挑战。
作为一门传统的基础课程，高等数学长期以来已经形成了一套相对成熟的教学方法。大部分从事高等数学教学的教育工作者观念陈旧，坚持数学教学只讲理论、不讲应用的错误观念，教师以书本内容为主，枯燥的讲授数学的理论知识，致使数学教学的作用和地位日趋下降。学生对数学的学习严重缺乏兴趣，对数学学科领域的作用认识严重不足。传统的高等数学教材与教学重视推理过程，忽视实际计算;重视连续性内容，忽视离散型内容。这与学生未来的实际应用严重脱节，教师在课堂的引导是盲目的，无法激活学生的主动性和创造性。
受益于近年来全国大学生数学建模竞赛的蓬勃开展，越来越多的学生及教师感受到了数学在实际问题中的作用。这对传统的高等数学教学方式产生了强烈的冲击，高等数学课程中应适当增加实验性内容已成为共识。目前，已有很多高校在进行高等数学实验课程的尝试，也取得了相对良好的效果。数学实验课程的开设为未来高等数学教育模式的改革指明了方向。人们看到，必须冲破传统数学教育观念的束缚，重新审视高等数学教育在整个高等教育中的地位和作用，定位现代高等数学教育目标，推进高等数学教育模式改革，才能培养出具有国际竞争力的高素质人才。
虽然在一些学校中，高等数学实验课程的开设取得了良好的效果，使很多学生受益。但目前总体来说，这类课程还处于不断地革新和完善过程中。如何准确地把握这类课程的
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* 基金项目：广东省高等教育教学改革重点项目(编号：2013-5-220)、广东海洋大学教学改革课题(编号：XJG201215)
教学内容和方法还有待于进一步探索和实践。目前，高等数学实验课程存在的主要问题在于以下几个方面：(1)大部分数学实验类课程是孤立于原有高等数学课程体系之外的，实验内容没有和原有的教学内容形成有机的结合，没有真正的起到实验辅助教学的作用。(2)现有的大部分数学实验类课程的设计片面追求自成体系，遍地开花、内容臃肿，冲淡了这类课程实践性的特点，也使得很多专业不愿开设相关课程。(3)目前大部分数学实验课程的设计完全由数学教师完成。对于不同学科、专业的学生采用了相同的实验设计，缺乏针对性，完全为了实验而实验，无法充分调动学生的积极性。
二 高等数学实验课程设计的基本原则
笔者结合自己高等数学的教学实践，通过阅读大量相关文献以及和相关教师探讨，认为高等数学实验课程设计应遵循以下几个原则：
1.实验课程设计应有侧重点
实验课程是辅助性的，是对原有高等数学教学的有益补充，不追求自成体系，应集中在高等数学核心概念和重要内容。高等数学原有的体系是经过多年积累的，实验课程的融入不应打破原有的体系结构，它应该成为“山路上”的风景，使人在“登山”的路上忘记疲惫，而不是成为山脚下的一处花园，让人忘记“登山”。
2.实验课程的设计应分层次、立体化
传统高等数学教学方式主要的问题在于学生对于一些抽象概念缺乏直观的理解，抑或是学生不了解一些数学工具的具体作用，进而缺乏对数学的兴趣。实验课程的设计应重点围绕这些问题进行考虑。(1)设计一些演示实验对一些抽象概念给予直观形象的描述;(2)对一些有着重要应用背景的概念、方法，通过设计实验让学生学会通过软件计算相关的问题;(3)可以结合数学建模的内容，设计一些探索性综合实验，充分激发学生的合作和创新精神，提高学习的积极性。
3.实验课程的设计应“因地制宜”
实验的内容应与专业相结合，不应由数学教师独立完成。以往的数学实验课完全由数学老师独立设计完成，没有充分考虑学生的专业背景以及未来的应用领域。而这些方面对于学生对实验课程的兴趣有着重要关系。因而在高等数学实验课程设计中，应征求不同专业背景教师的意见。
4.实验课程设计应有实效性
要从培养应用型、复合型人才的角度来设计高等数学实验课程体系。实验课程的设计应以学生为中心、以问题为主线、以培养能力为目标。开设高等数学实验课程最终的目的是让学生更好地掌握高等数学知识，因而实验课程的设计不能流于表面，应注重教学的实效性。
三 高等数学实验课程改革的基本方案
1.教学内容
在保持原有高等数学教学的基本框架下，从三个层次设计高等数学实验内容。
第一，针对一些抽象不易理解的数学概念设计相关的演示实验，这一部分的内容直接嵌入原有的课堂教学当中，主要以教师演示为主，其目的是增加学生对一些抽象概念的直观认识，不需要增加学时。
第二，针对高等数学中一些重要的内容，围绕目前广泛应用的Matlab软件，设计一些实验使学生能够顺畅的应用数学软件完成诸如求导数、积分、傅里叶变换、解微分方程等的计算方法。这一部分的内容应结合高等数学理论课程的进程，以实验课形式使学生在教师指导下完成对相关软件编程的掌握。这部分是数学教师能够直接完成的，相关专业可以结合自身专业特点对实验课的内容进行相应的删减。这一部分Matlab基础教学和练习需要4～6个学时，高等数学相关的一些计算可以控制在6～10个学时。
第三，结合全国大学生数学建模竞赛的相关试题，以及和相关专业的教师进行探讨，结合学生的专业特点设计综合性实验，这一部分课程可采用相对开放性的方式开设。教师在课堂通过2～4个学时讲述相关实验内容的核心模型，具体内容的完成可让学生课下通过查阅相关文献最终完成。
2.教学模式
实验课程的教学应以学生为中心，除了演示实验外，更应以学生独立操作为主，教师辅导为辅。让学生在软件辅助下完成一些复杂的数学运算，处理相关的数学问题。实验过程中，教师应通过问题引导学生的学习，促进学生的思考。实验过程可采用分组的形式，而对于教学内容可进行分块处理，把思想方法接近的实验结合到一起来做。实验教学应该与理论教学相协调，实验课程的安排应该围绕理论课程的进程来进行。
四 开设高等数学实验课程应注意的一些问题
1.正确处理学习数学基础理论课和相关软件使用的关系
要正确处理学习数学基础理论和相关软件使用的关系，需要时刻铭记实验课程是辅助性的，不能因软件强大的计算能力而忽视对数学基础的学习，避免学生过分依赖数学软件。
2.注重教师素质的提高
再好的方案都是需要人来执行的，任课教师的素质直接决定了最终实验课程改革的成败。要促成教师观念的转变，对于一些长期从事高等数学教学的人员，尤为重要。新的教学模式对一些老教师提出了更高的要求，要求他们掌握通用的数学软件并具备一定的编程能力。
3.要在实验内容的设计上下硬功夫
近年来，一些数学实验课程的开设，带来了一些负面影响，甚至有人因此而否定数学实验课程。数学实验课程有它固有的优势，而实验中出现的某些弊端，多数是因为选材不当造成的。因此，要想更好地开展数学实验课程，在内容设计上还有很长的路要走，需要从事高等数学教育的人不懈努力。
五 结束语
总之，高等数学实验课程的改革势在必行，它已成为高等数学课程教学改革的必然趋势。在改革中一定要恪守一些基本原则，内容选择和方案设计要与实际相结合。实验课程教学改革对高校从事高等数学课程教学的教师提出了更高的要求，向传统的教学模式和观念提出了挑战，也为高等数学教学未来的发展指明了方向。本文是笔者在高等数学教学改革与实践中获得的一点粗浅的认识和体会，愿与各位同仁交流、分享。
参考文献
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〔责任编辑：肖薇〕
实验设计范文第2篇
关键词：机械设计;实验教学;真实实验;虚拟实验
工科大学机械类“机械设计”课程的教学基本目标是，通过对材料、信息及能量的运用与控制，使学生具备设计能够有效工作且可靠的通用机械零部件的知识和能力[1]，并掌握典型机械零部件实验方法。这要求学生不仅掌握理论知识，还要有一定的动手实验能力，并最终着眼于工程实际设计与实验能力的培养，也是合格工程师必备的基本条件之一。传统的工科教育，学生获取理论知识主要通过课堂学习，实践知识和实际能力的培养主要通过实验环节完成，这里的实验指的是真实实验。课堂教学基本采用“粉笔(ppt)+讲授”的注入方式，实验教学包括学生对实际零部件模型操作或测量的动手实验和教师演示学生观察的演示实验。这些教学方式通常是以“教师为中心”的模式为主导。面对社会对工程人才要求知识面广、综合实践能力强以及具备创新意识的状况下，这种传统的教学方式越来越不适应工科大学机械工程教育的发展[2]，尤其是机械设计实验教学的发展。
科技的进步，特别是“信息+网络”技术的快速发展，给大学各课程的实验教学改革提供了新的方式方法[3-5]，比如，远程网络实验、虚拟实验等[6]。近年来“互联网+实验”的虚拟实验持续升温，人们对此褒贬不一。一种观点认为，虚拟实验是一种先进高效的实验教学手段，适合国内大规模本科培养，也有利于教学模式向“以学生为中心”转变[7-8]。另一种观点认为“能实不虚”，虚拟实验的效果低于真实实验。
本文结合“机械设计”课程，就真实实验和虚拟实验各自的特点展开论述。分析两种类型实验在教学实践中的應用。另外，结合 “机械设计”课程的具体内容，通过实例阐明如何合理有效地利用两类实验。
一、真实实验的特点及其作用
(一)真实实验的优点及其作用
“机械设计”真实实验对学生理解书本知识、增强对通用零部件的感性认知、培养结构拆装及零部件测量等动手能力及实践经验，起到非常重要的作用，至今沿用。即便基于数学和信息网络技术逐渐发展起来的虚拟实验或远程实验已经走进实验教学多年，传统真实实验仍然是机械设计实验教学的主导方式和基础。相对于虚拟实验，几个优点决定了它在“机械设计”实验教学中具有不可替代的作用。
1.培养如何设计实验的能力。包括选用仪器和工
具、操作、现象观察、数据收集及解释等。2.长于培养学生动手技能和实践能力。能培养学生正确使用仪器、传感器或软件等工具测量零件性能参数。比如构建组装零部件、机械故障排除、传感器安置、电路连接以及仪器标定或调零等，这些是工程实践必备的一个基本技能。3.能够利用触觉感知对理论知识获得感性认识，理解理论模型预测能力及其局限。4.通过处理实验中遇到的不可预测问题，真实实验使学生感受到研究的复杂性，并
有机会培养处理技巧。比如，在齿轮参数测量实验中的误差问题，能够让学生认识到测量的随机性和不完美性，学习准确测量的规程及技巧。在这方面，真实实验具有虚拟实验无法比拟的优势。5.参与真实实验，能够更好地培养学生的工程兴趣、锻炼交流及团队合作等，对增强学生的能力大有裨益，这一特点往往是最容易被忽略的。
(二)真实实验的局限性
尽管真实实验具有诸多优点，但随着工业科技及社会人才需求的不断发展，大学本科培养的变化，传统真实实验的局限性也逐渐显露。首先，一些真实实验成本高、耗时长、效率低。比如，机械零件磨损量实验，真实实验在一两个学时内往往无法得到较为完整的磨损三阶段曲线，哪怕是跨阶段的磨损曲线也是比较耗时的。其次，实验参数也不容易改变，要开展更加丰富的实验十分困难。像动压滑动轴承实验，若开展不同润滑油对轴承性能影响绝非易事。可见，真实实验要改变实验条件，获取更多实验结果的时间成本和经济成本高昂。加之国内院校本科生培养规模庞大，实验仪器生均比例低，真实实验的这一缺点愈发突出。再次，现有真实实验教学阻碍了教学模式的转变。近些年来，由于教学激励机制等问题，学校和教师缺乏对“机械设计”实验课在经费、时间和精力上的投入，实践性教学条件严重不足[9]，学生很少有机会有条件认真做实验，久而久之实验课变成了应付、走过场，严重影响了学生科学实验兴趣培养和研究技能的增强，更谈不上“以学生为中心”的教学模式的转变。最后，机械设计教学虽然强调了科学技术与工程实践相结合，实际上绝大部分学校几乎不具备将科技知识与工程实践相结合的师资条件和能力，缺乏能够将理论充分应用于实践的真实实验。可见，真实实验难以在本科规模化培养过程中更进一步发挥作用，势必要在教学内容、教学方法及手段方面进行革新。
二、虚拟实验的特点及作用
(一)虚拟实验的优点及其作用
虚拟实验是利用理论模型、数值方法、信息网络和计算机技术，将真实的物理现象或过程模型化，在计算机上以图片、视频、动画或曲线等直观形式展现，并通过网络共享使用。相对于真实实验，有如下优点。
1.容易改变实验条件参数。虚拟实验中，学生能够轻松改变实验参数，实现不同条件下的实验研究，使实验变得简单易行。此外，还可以通过排除次要信息的混淆干扰，实现重要参数对结果影响的研究，获得实验的关键信息。比如，仅仅通过修改时间得到不同时长下的实验结果，分析时间尺度的影响。
2.可以开展真实实验难以甚至无法观察的实验现
象，对于需要进行交互方式研究难以观察的现象，优势更明显。将理论知识或模型方程与物理现象或零件应用直接联系、对比和扩展。比如，微观尺度下的许多实验，真实实验难以实现，更不要说通过交互式方式研究实验现象随参数变化。
3.虚拟实验受客观条件限制相对较小，效率高于真实实验。虚拟实验可以提供短时间甚至某一瞬间的更多的实验结果，使学生完成更多的实验并获取更多的结果信息，计算机也能够记录学生实验的全过程。学生可以多次重复实验，且几乎不受时间、地点等客观条件的限制。
4.理解概念性知识，虚拟实验可以代替真实实验。理解这些知识并不需要触觉信息参与。虚拟实验能够方便、高效、透彻地让学生理解知识。
(二)虚拟实验的局限性
由于虚拟实验的实际功效依赖于数学、信息、网络和计算机等一系列理论知识和技术条件，加之机械设计课程内容的特点，不可避免存在一些问题。这主要包括以下几点。
1.最大的问题是如何精确模拟真实物理过程。由于理论基础、技术条件或主观认识等原因，设计虚拟实验时可能漏掉实际当中的一些重要因素，导致一定的偏差，甚至错误结果。因此，设计虚拟实验时，要明确实验目标及其主要和次要影响因素，客观衡量实验室所具备的技术能力和条件。例如，若无法合理模拟零件之间的接触，对机械零件拆装虚拟的真实感就会差很多。
2.有限的预设的输入和输出会限制学生的创造性。虚拟平台把学生限制在预设的环境中，影响了他们的学习激情和好奇心。当然，这方面随着信息网络和相关技术的发展，会不断改善。
3.模拟的适用性和效率取决于网络技术和软件标
准。虚拟实验的开展，难免会遇到大量学生同时上网实验的情况，容易造成网络拥堵，硬件计算能力不足的情况，导致实验无法正常开展。因此，具备足够容量和计算能力的硬件条件，是虚拟实验取得应有效果的基本前提条件。
4.虚拟实验导致学生忽视操作安全规则和实验伦
理问题。这些是真实实验必须要考虑的[10]。虚拟实验无论怎样操作都不会涉及安全和实验伦理问题，学生往往会忽略掉这些实际上十分重要的内容。这也是虚拟实验无法代替真实实验的一个重要原因。
可见，就像软件不能代替实际系统模型一样，虚拟实验不能完全替代真实实验，无法提供完全真实的实验。我们在教学过程中运用虚拟实验时，应该时刻牢记这一点。
三、真实实验与虚拟实验在“机械设计”中的运用
吉林大学的“机械设计”课程包括[11]：疲劳强度、摩擦学基础知识和通用零部件的结构类型及特点、失效形式、材料及热处理、应用及调整维护等基本知识，以及通用零部件的设计计算。
疲劳强度和接触强度部分，主要涉及应力、疲劳寿命和摩擦磨损等基础知识的理解。这些概念有些属于微观尺度下真实实验难以观察的物理量，有些实验周期长，比如，零件三个磨损阶段实验，采用虚拟实验显然要更加合适。但是，磨损虚拟实验的难点在于磨损系数等参数需要大量的真实实验结果分析研究确定。而实现这些微观尺度下的虚拟实验需要数学、物理、摩擦学、接触力学及材料学等多学科综合，需要较强计算能力和图像显示功能的硬件设施，吉林大学“机械设计”教师在这方面做了一些初步尝试。带传动教学的主要目的是通过研究带传动效率理解打滑和弹性滑动的特点与区别。该实验涉及仪器设备调平衡、加载并读取载荷，同时观察皮带打滑现象，虚拟实验的真实感不强，实现起来难度很大，真实实验就非常合适。齿轮传动实验中齿轮精度实验，显然真实实验更为合适。目前对测量误差模型化还需要进一步的科学研究，不具备虚拟的理论条件。而且零件尺寸测量的真实实验也能够培养学生操作测量工具的能力和技巧，虚拟实验无法使学生感受到测量工具与被测零件接触力度的大小对测量结果的影响。滚动轴承轴系部件设计实验，可以采用虚实结合方式。学生先在虚拟平台上预习和练习，并根据给定要求设计轴系。然后到实验室现场组装设计的轴系，并测量零部件尺寸，最后画出装配图。实践表明，这样大大提升了实验效率和效果，教学效果非常好。当然，轴系设计虚拟实验时，若能够将零件之间的接触也加入，学生通过电脑操作拆装零件也能够感受到零件之间的接触，将极大提升虚拟实验的真实感[12]。对液体动压径向滑动轴承摩擦实验，亦可以运用虚实结合的原则。吉林大学已有实验台完全可以实现确定润滑油类型和滑动轴承结构尺寸下的压力和温度测量。利用我们开发的液体动压向心滑动轴承虚拟平台，可以轻松实现改变润滑油黏度、轴瓦材料、偏心距、軸承结构尺寸等参数的实验研究，大幅度增加了实验获得的信息量。
顺便指出，“能实不虚”并不意味着有了真实实验，就没必要进行虚拟实验。对某一实验而言，尤其实验中遇到设计复杂、微观或者参数难以测量的问题时，虚拟实验显然是更好的选择。虚拟平台更容易做到将真实实验向理论知识和工程实践两个方向上拓展，可以在不过多增加实验教学学时和学生负担的情况下，最大限度实现理论与工程实践的结合和综合，还可以帮助学生对真实实验的理解[13]，达到扩展知识面和眼界、提升能力的目的。在多年的教学实践中，我们将机械设计课程实验中的一部分，开发了虚拟平台，与真实实验配合使用，取得了良好的效果。
四、结论
在机械设计实践教学中，真实实验在培养学生实验设计、动手技能、随机处理、团队合作与交流以及操作规程和伦理等方面，发挥重要的作用。但也存在耗时多、效率低、成本高等缺点。特别是在大规模本科生培养条件下，完全采用真实实验的实验教学显然已经无法适应课程实验教学的需求。随着科技的不断发展，虚拟实验会越来越接近真实实验的效果，特别是在概念性理解、难以观察的实验现象或微观尺度现象等方面可以替代真实实验。而且虚拟实验可以根据需要合理地更加形象化地甚至夸张地表现一些实验现象，以便于学生理解。虚拟实验效率高、耗时低的优点使其应用前景广阔，在推进机械设计实验教学向“以学生为中心”模式改革进程中必将发挥越来越重要的作用。但也要避免“一切实验都可虚拟”的错误观念，而忽视真实实验基础性地位和重要作用。
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实验设计范文第3篇
一、实验目的
1.初步了解《机械设计》课程所研究的各种常用零件的结构、类型、特点及应用。
2.了解各种标准零件的结构形式及相关的国家标准。
3.了解各种传动的特点及应用。
4.了解各种常用的润滑剂及相关的国家标准。
5.增强对各种零部的结构及机器的感性认识。
二、实验方法
通过对实验指导书的学习及机械零件模型的展示，实验教学人员的介绍，答疑及同学的观察去认识机器常用的基本零件，使理论与实际对应起来，从而增强同学对机械零件的感性认识。并通过展示的机械设备、机器模型等，使学生们清楚知道机器的基本组成要素—机械零件。
三、实验内容
(一)螺纹联接
螺纹联接是利用螺纹零件工作的，主要用作紧固零件。基本要求是保证联接强度及联接可靠性，同学们应了解如下内容：
1.螺纹的种类; 2.螺纹联接的基本类型;
3.螺纹联接的防松;4.提高螺纹联接强度的措施。
在掌握上述内容，通过参观螺纹联接模型，同学应区分出：①什么是普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹和锯齿螺纹;②能认识什么是普通螺纹、双头螺纹、螺钉及紧定螺钉联接;③能认识摩擦防松与机械防松的零件;④了解联接螺栓的光杆部分做得比较细的原因是什么等问题。
(二)标准联接零件
标准联接零件一般是由专业企业按国标(GB)成批生产，供应市场的零件。这类零件的结构形式和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。通过实验学生们要能区分螺栓与螺钉;能了解各种标准化零件的结构特点，使用情况;了解各类零件有那些标准代号，以提高学生们对标准化意识。
1.螺栓; 2.螺钉;3.螺母;4.垫圈;5.挡圈。
(三)键、花键及销联接
1.键联接;2.花键联接;3.销联接
以上几种联接，通过展柜的参观同学们要仔细观察其结构，使用场合，并能分清和认识以上各类零件。
(四)机械传动
机械传动有螺旋传动、带传动、链传动、齿传动及蜗杆传动等。各种传动都有不同的特点和使用范围，这些传动知识同学们在学习“机械设计”课程中都有
要详细讲授。在这里主要通过实物观察，增加同学们对各种机械传动知识的感性认识，为今后理论学习及课程设计打下良好基础。
1.螺旋传动;2.带传动; 3.链传动; 4.齿轮传动; 5.蜗杆传动。(五)轴系零、部件
1.轴承;2.轴 (六)弹簧
(七)润滑剂及密封
实验二轴承装置设计和分析
一、实验目的
了解轴承的类型、布置、安装及调整方法，以及润滑和密封方式。
二、实验设备及工具
1. 组合式轴系结构设计分析实验箱 2. 测量及绘图工具
300mm钢板尺、游标卡尺、铅笔、三角板等。
三、实验内容及要求
1.依据指导教师给每组指定实验内容(圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系或蜗杆轴系)观察组装后的轴系结构，绘制轴系部件的装配草图。
2.测量轴系的主要装配尺寸，分析并测绘轴系零件，绘制主要零件的结构草图。
四、实验步骤
1.明确实验内容，理解设计要求;
2.复习有关轴承组合设计的内容与方法;3.构思轴承装置设计方案
1)根据齿轮类型选择滚动轴承型号;
2)确定支承轴向固定方式(两端固定：一端固定、一端游动);
3)根据齿轮圆周速度(高、中、低)确定轴承润滑方式(脂润滑、油润滑);
4)选择端盖形式(凸缘式、嵌入式)并考虑透盖处密封方式(毡圈、皮碗、油沟);5)考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题;4.组装轴系部件
根据轴承装置设计方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件，检查所设计组装的轴系结构是否正确。
5.绘制轴承装置结构草图。
6.测量零件结构尺寸(支座不用测量)，并作好记录。 7.将所有零件放人实验箱内的规定位置，交还所借工具
8.根据结构草图及测量数据，在3号图纸上用1：l比例绘制轴系结构装配图，要求装配关系表达正确，注明必要尺寸(如支承跨距、齿轮直径与宽度、主要配合尺寸)，填写标题栏和明细表。
9.写出实验报告。
实验三轴系结构设计和分析
一、 实验目的
1.熟悉并掌握轴与轴上零件的结构形状及功用、工艺要求和装配关系;2.熟悉并掌握轴及轴上零件的定位与固定方法;
3.熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计基本方法
二、实验设备及工具
1. 组合式轴系结构设计分析实验箱
实验箱提供了可组成减速器圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系和蜗杆轴系三类轴系结构模型的成套零件(详见实验中的设备介绍)。
2.测量及绘图工具
300mm钢板尺、游标卡尺、铅笔、三角板等。
三、实验内容及要求
1.依据指导教师给每组指定实验内容(圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系或蜗杆轴系)观察组装后的轴系结构，绘制轴系部件的装配草图。
2.测量轴系的主要装配尺寸，分析并测绘轴系零件，绘制主要零件的结构草图。3.每人编写实验报告一份。
四、实验步骤
1.明确实验内容，理解设计要求;2.复习有关轴的结构设计内容与方法;
3.对轴系部件进行拆解，观察和分析轴系各零件的结构，对其主要的结构尺寸进行测量(支座不用测量)。
实验设计范文第4篇
实验室的建设，无论是新建、扩建、或是改建项目，它不单纯是选购合理的仪器设备，还要综合考虑实验室的总体规划、合理布局和平面设计，以及供电、供水、供气、通风、空气净化、安全措施、环境保护等基础设施和基本条件。因此实验室的建设是一项复杂的系统工程，在现代实验室里，先进的科学仪器和优越完善的实验室是提升现代化科技水平，促进科研成果增长的必备条件。“以人为本，人与环境”己成为人们高度关注的课题。本着“安全、环保、实用、耐久、美观、经济、卓越、领先”，的规划设计理念。规划设计主要分为六个方面：平面设计系统、单台结构功能设计系统、供排水设计系统、电控系统、特殊气体配送系统、有害气体输出系统等六个方面。下面就按上述六方面依次讲解。
二、 化验室设计要求
根据化验任务需要，化验室有贵重的精密仪器和各种化学药品，其中包括易燃及腐蚀性药品。另外，在操作过程中常产生有害的气体或蒸气。因此，对化验室的房屋结构、环境、室内设施等有其特殊的要求，在筹建新化验室或改建原有化验室时都应考虑。
化验室用房大致分为三类：精密仪器实验室、化学分析实验室、辅助室(办公室、储藏室、钢瓶室等)。
化验室要求远离灰尘、烟雾、噪音和震动源的环境中，因此化验室不应建在交通要道、锅炉房、机房及生产车间近旁(车间化验室除外)。为保持良好的气象条件，一般应为南北方向。
1. 精密仪器室
精密仪器室要求具有防火、防震、防电磁干扰、防噪音、防潮、防腐蚀、防尘、防有害气体侵入的功能，室温尽可能保持恒定。为保持一般仪器良好的使用性能，温度应在15~30℃，有条件的最好控制在18~25℃。湿度在60%-70%，需要恒温的仪器室可装双层门窗及空调装臵。
仪器室可用水磨石地或防静电地板，不推荐使用地毯，因地毯易积聚灰尘，还会产生静电、大型精密仪器室的供电电压应稳定，一般允许电压波动范围为±10%。必要时要配备附属设备(如稳压电源等)。为保证供电不间断，可采用双电源供电。应设计有专用地线，接地极电阻小于4Ω。
气相色谱室及原子吸收分析室因要用到高压钢瓶，最好设在就近室为能建钢瓶室(方向朝北)的位臵。放仪器用的实验台与墙距离500mm，以便于操作与维修，室内有有良好的通风，原子吸收仪器上方设局部排气罩。
微型计算机和微机控制的精密仪器对供电电压和频率有一定要求。为防止电压瞬变、瞬时停电、电压不足等影响仪器动作，可根据需要选用不间断电源(UPS)。
在设计专用的仪器分析室的同时，就近配套设计相应的化学处理室，这在保护仪器和加强管理上是非常必要的。
2. 化学分析室
在化学分析室中进行样品的化学处理和分析测定，工作中常使用一些小型的电器设备及各种化学试剂，如操作不慎也具有一定的危险性，针对这些使用特点，在化学分析室设计上应注意以下要求：
(1)建筑要求化验室的建筑应耐火或用不易燃的材料建成，隔断和顶棚也要考虑到防火性能。可采用水磨石地面，窗户要能防尘，室内采光要好，门应向外开，大实验室应设两个出口，以利于发生意外时人员的撤离。
(2)供水和排水 供水要保证必须的水压、水质、和水量以满足仪器设备正常运行的需要，室内总阀门应设在易操作的显著位臵，下水道应采用耐酸碱腐蚀的材料，地面应有地漏。
(3)通风设施由于化验工作中常常会产生有毒或易燃的气体，因此化验室要有良好的通风条件，通风设施一般有3种：
① 全室通风采用排气扇或通风竖井，换气次数一般为5次/时。
② 局部排气罩 一般安装在大型仪器发生有害气体部位的上方。在教学实验室中产生有害气体的上方，设臵 局部排气罩以减少室内空气的污染。
③ 通风柜 这是实验室常用的一种局部排风设备。内有加热源、水源、照明等装臵。可采用防火防爆的金属材料制作通风柜，内涂防腐涂料，通风管道要能耐酸碱气体腐蚀。风机可安装在顶层机房内，并应有减少震动和噪音的装臵，排气管应高于屋顶2m以上。一台排风机连接一个通风柜较好，不同房间
共用一个风机和通风管道易发生交叉污染。通风柜在室内的正确位臵是放在空气流动较小的地方，或采用较好的狭缝式通风柜。通风柜台面高度800mm，宽750mm，柜内净高1200-1500mm，操作口高度800mm，柜长1200-1800mm。条缝处风速0.3-0.5m/s视窗开启高度为300-500mm。挡板后风道宽度等于缝宽2倍以上。
(4)煤气与供电有条件的化验室可安装管道煤气。化验室的电源分照明用电和设备用电。照明最好采用荧光灯。设备用电中，24h运行的电器如冰箱单独供电，其余电器设备均由总开关控制，烘箱、高温炉等电热设备应有专用插座、开关及熔断器。在室内及走廊上安装应急灯，备夜间突然停电时使用。
(5) 实验台实验台主要由台面、台下的支架和器皿柜组成，为方便操作，台上可设臵药品架，台的两端可安装水槽。
实验台面一般宽750mm，长根据房间尺寸，可为1500-3000mm，高可为800-850mm。台面常用贴面理化板、实芯理化板、耐腐人造石或水磨石预制板等制成。理想的台面应平整、不易碎裂、耐酸碱及溶剂腐蚀，耐热，不易碰碎玻璃器皿等。
3. 辅助用室
(1)药品储藏室由于很多化学试剂属于易燃、易爆、有毒或腐蚀性物品，故不要购臵过多。储藏室仅用于存放少量近期要用的化学药品，且要符合危险品存放安全要求。要具有防明火、防潮湿、防高温、防日光直射、防雷电的功能。药品储藏室房间应朝北、干燥、通风良好，顶棚应遮阳隔热，门窗应坚固，窗应为高窗，门窗应设遮阳板。门应朝外开。易燃液体储藏室室温一般不许超过28℃，爆炸品不许超过30℃。少量危险品可用铁板柜或水泥柜分类隔离贮存。室内设排气降温风扇，采用防爆型照明灯具。备有消防器材。可以符合上述条件的半地下室为药品储藏室。
(2)钢瓶室易燃或助燃气体钢瓶要求安放在室外的钢瓶室内，钢瓶室要求远离热源、火源及可燃物仓库。钢瓶室要用非燃或难燃材料构造，墙壁用防爆墙，轻质顶盖，门朝外开。要避免阳光照射，并有良好的通风条件。钢瓶距明火热源10m以上，室内设有直立稳固的铁架用于放臵钢瓶。
实验室的建设，无论是新建、扩建、或是改建项目，它不单纯是选购合理的仪器设备，还要综合考虑实验室的总体规划、合理布局和平面设计，以及供电、供水、供气、通风、空气净化、安全措施、环境保护等基础设施和基本条件。因此实验室的建设是一项复杂的系统工程，在现代实验室里，先进的科学仪器和优越完善的实验室是提升现代化科技水平，促进科研成果增长的必备条件。“以人为本，人与环境”己成为人们高度关注的课题。本着“安全、环保、实用、耐久、美观、经济、卓越、领先”，的规划设计理念。规划设计主要分为六个方面：平面设计系统、单台结构功能设计系统、供排水设计系统、电控系统、特殊气体配送系统、有害气体输出系统等六个方面。下面就按上述六方面依次讲解。
一、平面设计系统
平面设计我们主要考虑以下几个方面的因素：
1、疏散、撤离、逃生、顺畅、无阻，安全通道;一般实验室门主要向里开，但如设臵有爆炸危险的房间，房门应朝外开，房门材质最好选择压力玻璃。
2、人体学(前后左右工作空间)，完美的设备与科技工作者操作空间范围的协调搭配体现了科学化、人性化的规划设计。
在做平面设计的时候，首先要考虑的因素是就是“安全”，实验室是最易发生爆炸、火灾、毒气泄露等的场所。我们在做平面设计的时候，应尽量地要保持实验室的通风流畅、逃生通道畅通。根据国际人体工程学的标准。我们做如下的划分以供参照：(祥见下图)
实验台与实验台通道划分标准(通道间隔用L表示)
L>500mm时，一边可站人操作;
L>800mm时，一边可坐人操作;
L>1200mm时，一边可坐人，一边可站人，中间不可过人;
L>1500mm时，两边可坐人，中间可过人;
L>1800mm时，两边可坐人，中间可过人可过仪器
天平台、仪器台不宜离墙太近，离墙400mm为宜。为了在工作发生危险时易于疏散，实验台间的
过道应全部通向走廊。另:实验室建筑层高宜为3.7米-4.0米为宜，净高宜为2.7米-2.8米，有洁净度、压力梯度、恒温恒湿等特殊要求的实验室净高宜为2.5米-2.7米(不包括吊顶);实验室走廊净宽宜为
2.5米-3.0米.普通实验室双门宽以1.1米-1.5米(不对称对开门)为宜,单门宽以0.8米-0.9米为宜。
3、专业学科功能。实验室通常按物理学，无机化学，有机合成化学，生物学来分类。根据实验室内容、用途和规模的不同又各有自己的特点，比如基础教学实验室，按学科专业分，多为较简单的教学实验对水电气风等要求较低，而科研机构对实验室通风、供排水、电控及洁净都要求较高，但实验室设计的基本原则都是具有共同性的，以有机化学为例，主要由化学基本实验室、仪器分析实验室、洁净实验室、电子计算机室、研究室、辅助实验室、服务供应室等组成。
化学基本实验室，主要是进行容量分析、离子测定、氧化还原等实验，一般设计的装备有：实验台与洗涤台;通风柜及管道修检井;带试剂架的实验台及辅助工作台，需考虑设在实验室内的研究空间或电脑台，药品柜、器皿柜、落地安臵的仪器设备、急救器等。
仪器分析实验室，主要设臵各种大型精密分析仪器，同时也包括普通小型分析仪等，一般设计的装备有：仪器台、实验台、通风柜、天平台、电脑台、气瓶柜、洗涤台、器皿柜、药品柜、急救器、万向排气罩、原子吸收罩等。以下列出各类仪器分析实验室的要求，以供参考。
各类仪器分析实验室要求：
气相色谱分析室主要是对容易转化为气态而不分解的液态有机化合物及气态样品的分析。仪器设备主要有气相色谱仪，具有计算机控制系统及数据处理系统，自动化程度很高，对有机化合物具有高效的分离能力，所用载气主要有：H
2、N
2、Ar、He、CO2等。但对高沸点化合物，难挥发的及热不稳定的化合物、离子化合物、高聚物的分离却无能为力。要求局部排风及避免阳光直射在仪器上，避免影响电路系统正常工作的电场及磁场存在，一般设计：仪器台(应离墙以便仪器维修)、万向排气罩、电脑台(一般在仪器台旁配臵)、边台、洗涤台、试剂柜等
液相色谱分析室主要体现在高效率分离，对复杂的有机化合物分离制取纯净化合物，定量分析和定性分析，仪器设备主要有：高效液相色谱仪，适宜于高沸点化合物、难挥发化合物、热不稳定化合物、离子化合物、高聚物等，弥补气相色谱仪的不足。环境和实验室基础装备设计要求与气相色谙室相近。质谱分析室主要是对纯有机物的定性分析，实现对有机化合物的分子量、分子式、分子结构的测定，分析样品可以是气体、液体、固体，主要设备有质谱仪、气-质联用仪。质谱仪是利用电磁学的原理，使物质的离子按照基特征的质荷比(即质量m与电荷e之比—m/e)来进行分离并进行质谱分析的仪器，缺点是对复杂有机混合物的分离无能为力。气相色谱分离效率高，定量分析简便的特点，结合质谱仪灵敏度高，定性分析能力强的特点，两种仪器联用为气-质联用仪。可以取长补短，提高分析质量和效率。质谱仪可能有汞蒸汽逸出，要考虑局部排风。
光谱分析室主要是根据物质对光具有吸收、散射的物理特征及发射光的物理特性，在分析化学领域建立化学分析。主要的仪器是原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪，分光光度计、原子荧光光谱仪、荧光分光光度计、X射线荧光仪、红外光光谱仪、电感耦合等离子体(LCP)光谱仪、拉曼光谱仪等。实验室应尽量远离化学实验室、以防止酸、碱、腐蚀性气体等对仪器的损害，远离辐射源;室内应有防尘、防震、防潮等措施。仪器台与窗、墙之间要有一定距离，便于对仪器的调试和检修。应设计局部排风。使用原子吸收罩排风较为适宜。
以上实验室，根据实际需要可设臵样品处理室，一般有洗涤台、实验台、通风柜等设备，同化学实验室类似。
洁净实验室主要是通过人为的手段，应用洁净技术实现控制室内空气中尘埃、含菌浓度、温湿度与压力、以达到所要求的洁净度、温湿度和气流速度等环境参数。空气洁净度是指洁净空气环境中空气含尘量程度，空气洁净度的级别以含尘浓度划分。洁净度是指每升空气中所含粒径≥0.5um的尘粒的总颗粒。我国空气洁净等级标准分为：100级、1000级、10000级、100000级。国际标准则划分为：1级、2级、3级、4级、5级。
洁净室
洁净室一般实施两级隔离，一级隔离通过生物安全柜、负压隔离器、正压防护服、手套、眼罩等实现;二级隔离通过实验室的建筑、空调净化和电气控制系统来实现。但由于净化空调需要风量小为了安全起见，风量都按大的估算，一般都要超过规范规定，物别是百级以上，冷热负荷在要求不是很严格的
情况可能估算，现在专门有净化空调机组，可以直接利用。二级~四级生物安全实验室应实施两级隔离。一般实验室装备有:超净工作台、生物安全柜、边台或不锈钢操作台、洗涤台等。
以PRC实验室为例(PCR即聚合酶链式反应)，是分子生物学研究和实验的常规方法，也是生物学、医学临床等领域广泛应用的实验技术。其特点是能将微量的DNA大幅增加，实验室通常分为四个区域，即：试剂储存和准备区、标本制备区、扩增反应混合物配制和扩增区、扩增产物分析区(如使用全自动分析仪，区域可适当合并)。进入各个区域必须严格按照单一方向进行，不同的工作区域使用不同的工作服(例如不同的颜色)。工作人员离开时，不得将工作服带出。
试剂储存和准备室(标本制备区)，仪器主要配臵有：冷冻离心机、生物安全柜、冰箱、可移动紫外灯、全自动力核酸蛋白纯化仪、专用工作服和工作鞋等。扩增反应混合物配制和扩增区配臵有：冰箱、高速离心机、超净工作台、PCR仪(要求负压状态)、可移动紫外灯、微量加样器、核酸扩增仪等。扩增产物分析区主要配臵有：移液器、振荡器、超净工作台、毛细管电泳仪、冰箱、离心机、微量加样器、可移动紫外灯等。PCR
电子计算机室和研究室，电子计算机与我们的生活最为密切，主要考虑空调散热、电源电压等问题。配臵的装备主要是带键盘仪器台。研究所主要是供研究人员办公的地方，对我们实验室装备要求较低，在此不多作讲解。
辅助实验室：主要有天平室、高温室、纯水室、气瓶室、贮藏室、溶液配制室、暗室等。天平室，分析天平是化学实验室必备的常用仪器，高精度天平对环境有一定要求，主要是气流和风速的影响，天平室应靠近化学实验室，以方便使用，但不宜与高温室和有较强电磁干扰的房间相邻。高精度微量天平宜设在底层。天平室内不得设臵洗涤台或任何管道穿过窒内，以免管道渗漏影响天平的维护和使用。高温室，高温炉和恒温箱是常备设备，一般放臵在高温工作台上，但特大型的恒温箱须落地安臵为宜，高温炉秘恒温箱须分开放臵。纯水室，主要是设计的实验装备有;边台和洗涤台。现代实验室多使用去离子水、水量大且能保证水质。地面需设地漏。气瓶室，实验室用气除不燃气体(氮气、二氧化碳)、惰性气体(氩气、氦气等)外，其他气体具有高压、剧毒、氧化分解、爆炸等危险性气体，例如易燃气体氢气、一氧化碳;剧毒气体为氟气、氯气;助燃气体为氧气等，这些气体不得进行实验室。可以通过管子接到各实验室内。溶液配制室，用于配制各种标准溶液和不同浓度的溶液。在允许的条件下，可由两个房间组成，其一设有天平台。另一间作配制试剂和存放试剂之用，一般应配臵：通风柜、实验台、试剂柜。
服务供应部分，为基本实验室和辅助实验室服务的场所，如高压锅室和水电气辅助室等。我们只需稍作了解。
4、实验室工作人员总人数;
5、仪器设备布局;
6、工作程序、流程专业设计;
第一部分为平面设计，甲方使用方先拿出最根本的功能要求、分布方案，我们给出初步方案。因为传统实验室建筑设计按国家建筑标准，仅是以外型和室内结构为主，并非以实验室功能为主，建筑设计与功能设计脱节。
第二部分为单台功能，单台结构设计，应逐项、逐件、逐层，从整栋大楼、分层、分房间、分单件设计确定，全面细分确认;
第三部分，全部确认后，进入招标程序，然后中标方与甲方配合，装修和净化工程先行，交工验收后实验室基础配套将进入责任明确阶段，承担责任，全部完工时集中同时验收，基础装备部分为产品测试标准，测试与前两项工程不同，有很大区别不可等同对待。
7、净化室地面、墙壁通风流畅，防止死角，室内四角尽量空闲，易打理，简洁。
二、单台结构功能设计系统
不同专业采用不同实验室专用基础配套装备，系列产品共分五大部分：A、实验台部分;B、仪器台部分;C、功能柜部分;D、仪器设备部分;E、输出系统部分;
A、实验台部分
1、实验台的分类：
①实验台按实验室的功能划分为：物理实验台(主要用于电子、电工、物理实验);化学实验台(主要用于有机、无机化学实验);生物实验台(主要用于净化无菌实验，如简易解剖台、不锈钢操作台等); ②按结构划款式分为：钢木结构(由钢制支撑架、箱体、台面、试剂架、连接件、辅件组成);铝木结构：(由铝制支撑架、箱体、台面、试剂架、连接件、辅件组成);全钢(箱体、钢支架、台面、试剂架、连接件、辅件组成)。
③按用途可分为：中央实验台、边台实验台、洗涤实验台、试剂架，实验柜、实验凳。
2、实验柜的分类：
按材质可分为：铝木实验柜、全钢制实验柜。
3、台面的分类
在整个实验室基础装备销售中，台面占总报价1/3的份额，台面的作用可见一斑。
①按实验台的功能作用可分为：
化学实验台面：防强酸、强碱、耐高温;耐98%的浓硫酸;如实芯理化板。
物理实验台面：防静电、耐温、抗滑、稳定强;耐28%的硫酸，表面材质为防火板。
生物实验台面：防水、防止细菌密度强;表面材质为不锈钢板。
②按照台面材质可分为理化板、环氧树脂板、大理石板和陶瓷板。
理化板(威盛亚)不能直接接触光焰，对65%硝酸、铬酸、氢氟酸有轻微疵点，对98%硫酸有疵点; 环氧树脂是高分子材料，耐高温(380℃)，具有优良的抗化学腐蚀性能，可修复及复原;
大理石一般用于高温台、天平台等，耐高温，但运输过程中较容易损坏;
陶瓷价格比较昂贵，在国内用得比较少。其耐高温和抗腐蚀性能极其优秀。
B、仪器台部分
承重性、稳定性、抗外干扰、电控要求很高，气体配送严格、安全、可靠、方便、易管理;承重：500Kg以上。主要用于仪器分析实验室，如光谱、色谱、原子分析实验室等。
实验柜部分是前两部分服务、储存，重要功能部分涉及安全、环保问题;有铝木和全钢之分;试剂、药品、挥发性药品、剧毒品、气瓶等储存功能基本分以下几种：
1、一般性能药品柜;
2、挥发性药品储存柜;
3、气瓶柜;
4、文件柜(资料柜);
5、更衣柜;
6、标本柜;
7、器皿柜;
C、仪器设备部分：
1、通风柜;
2、生物安全柜;
3、超净工作台;
4、剧毒品安全储存柜;
7、解剖台;
8、取材台;
D、有害气体输出部分。在后面章节将会详细说明，这里就作不重复。
三、供排水设计系统
供排水设计系统主要是为前期实验室建筑设计服务。必须在装修开始前完成实验台柜方案的确定，并出具供排水定位图。
四、电控系统
实验室供电系统也是实验室最基本的条件之一。电源插座有：10A、16A。电源插座应远离水盆和煤气、氢气等喷嘴口，并不影响实验台仪器的放臵和操作位臵。线盒采用钢线槽(主要用于试剂架、边台和中央台台面上。电线线径应充分考虑实验的当前需要和扩容。必须在装修开始前完成实验台柜方案的确定，并出具电位图。
五、特殊气体配送系统
实验室用气主要有不燃气体(氮气、二氧化碳)、惰性气体(氩气、氦气等)、易燃气体(氢气、一氧化碳);剧毒气体(氟气、氯气);助燃气体(氧气)组成。除不燃气体、惰性气体外其它气体不得进入实验室。可以通过输气管接到各实验室内。一般气相室配臵氦气(He)、氮气(N2)。气质联用室
配臵了氮气、氢气、氧气。氢气管线上的连接管件都要连接后焊接，严禁有泄漏的可能。所有的管线在安装完毕后一定要做气密性实验，并在使用前要先除油。由于管道细小，管间距小，安装过程中可依据现场情况进行调整，保证间距不小于45mm，气瓶装瓶时，易燃易爆与惰性气体同柜，杜绝两种易燃气体同装一柜。
六、有害气体输出系统
实验设计范文第5篇
摘要：介绍了虚拟实验室的建设策略与关键技术，包括虚拟实验室的系统平台结构、组成部分设计和开发方式等，提出了虚拟实验室元器件库的建模方法、网络化平台方案、Web技术的运用方法和虚拟实验室管理平台设计方式，为开发工科类课程虚拟实验室提供了技术支持和理论基础。
关键词：虚拟实验室；建设策略；虚拟元器件库；实验教学
作者简介：王健（1976-），男，辽宁旅顺人，沈阳工程学院信息工程系，副教授；王庆利（1960-），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院信息工程系主任，教授。（辽宁?沈阳?110136）
一、虚拟实验室研究的意义与建设策略
虚拟实验方式能够综合利用计算机技术和虚拟现实技术，辅助实验教学或完成在传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，提高实验教学质量。虚拟实验室结合Internet网络技术，突破传统实验室对“时间、空间”的限制，缓解高校实验经费、实验教学资源不足的现状。使用者可以通过虚拟实验系统完成实验内容的学习和操作实践，多层次、多角度地对实验设计和结果进行分析，然后再回到真实的实验室进行实践检验。这样既节省了实验时间，又提高了实验效率，促进了创造性思维的发展。网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生变革性的影响。
1.虚拟实验室研究的意义
虚拟实验室的特点主要包括以下几方面：
（1）提高学生学习效果。学生可以在正式实验前，在虚拟实验室对实验原理、实验流程、实验数据分析方法进行预习，还可以在实验后，进入虚拟实验室复习实验，通过重复实验现象，增强对实验原理的理解。
（2）保护仪器设备。在虚拟实验室中，对虚拟设备设置了过限保护，如最大电压、最大电流等，即便学生误操作，只会“损坏”虚拟设备，同时给学生发出警告，这样保护了实际的仪器设备资源。
（3）提高設备资源的利用率和共享性。虚拟实验采用基于Web的网络技术，虚拟实验装置将提供24小时的全天候在线服务，从而提高设备的利用率。不仅可以为本校学生提供教学服务，同时也可以为不具备实验教学硬件资源的院校和企业提供远程教学环境，形成资源广泛共享。[1]
2.虚拟实验室的建设策略
虚拟实验室的建设策略包括教学模式和学生交互式学习模式的设计、虚拟实验室的系统总体结构和各组成部分的设计。在设计过程中重点研究将Web网络编程技术、多媒体技术和虚拟技术相结合，构建虚拟实验室网络平台系统。系统主要包括硬件、软件及管理三个方面。
（1）硬件方面，目前多数院校已经建立了覆盖教室和学生寝室的校园网络并接入了互联网，校园网络中心也能够提供运行虚拟实验室网络平台的服务器，这些基础设施基本可以满足需求，不需要太多的投入。
（2）软件方面，包括虚拟实验室网络平台软件系统的开发和实验内容建设两部分。实验内容建设是虚拟实验室建设的关键。在实验内容建设方面针对不同的实验项目可采用动画、视频、图片、文字、声音等几种媒体表现形式有机地结合，设计出生动活泼的实验教学界面。还可以制作出一些交互式、具有沉浸感的内容，让学生从各个角度观察和学习计算机硬件组装与维护方法，仿佛身临其境，以便更好地理解学习内容。
（3）管理方面，在虚拟实验室网络平台上还应对虚拟实验设备、实验项目、实验报告、测验题目、实验成绩、实验指导等进行有效管理，并对学生在虚拟实验室的学习情况进行统计。
二、虚拟元器件库设计
以计算机组装与维护虚拟实验室为例，虚拟元器件库中的各个元器件主要为计算机的各个部件，每个部件具有多种型号，例如名称、品牌、容量、接口类型、外形等。将各个元器件分别定义为实体C1，C2，……，Cn，再将每种实体所包含的不同型号元器件及其各种属性定义为二维关系，形成如下的虚拟元件库存储模式。
R1（a11，a12，a13，……a1n）
R2（a21，a22，a23，……a2n）
……
Rn（an1，an2，an3，……ann）
在虚拟实验室中进行计算机组装实验时，元器件的装配关系阐述了各个元器件之间是以怎样的相对位置关系组装起来的，它表现了各个元器件的接口类型、自由度及相互约束关系。
在计算机组装虚拟实验中，元器件的装配关系可抽象为：在前面的存储模式中寻找一条路径，保证相互连接的元器件具有相兼容的属性。在元器件库中同一种元器件有多种不同型号和属性，若能够生产一个满足条件为Ci.Rx.axn=Cj.Ry.ayn=Ck.Rz.azn的集合，就意味着集合中的元器件Rx，Ry，Rz可以正确的组装在一起，不断在集合中添加符合条件的元器件，直至集合中的元器件能够包含一台计算机的全部硬件为止。
三、虚拟实验数据结构的设计
在虚拟元器件库设计的基础上，对虚拟实验所需的各种设备和器材进行数据结构设计，明确各设备和器材的组合关系以及连接属性。例如：存储器类（Memory）中可包括存储器容量、接口类型、读写速率、外观、尺寸、位宽等属性。设计类的目的主要是用于封装虚拟器件，以提供标准的仪器仪表的功能，为每种常用的设备或器材定义相应的实例。另外通过类中的方法可以实现对类中属性的安全操作，并为器件与实验系统的通讯提供统一接口，具体器件功能由所封装的虚拟器件实现。通过对整个虚拟实验系统的分析，设计了以下几种基类：
1.虚拟元器件类
用于模拟基本电路板的结构和操作事件。
2.通用器件类
用于封装虚拟元器件类，以提供标准的器件接口，实现器件的信号和引脚定义及其他可连线的方法。
3.虚拟操作类
用于定义虚拟实验中的各种操作，统一虚拟器件间的相互作用，设置多种操作路径和顺序。
4.虚拟界面类
用于封装各种器件的外观和多媒体信息。
5.虚拟实验类
用于对各个虚拟实验项目、所使用的虚拟元器件、操作方法、界面风格等进行设置和管理。部分实现代码如下：
public class majorinfo
{
private int id； //定义各种属性
private String name；
private String type；
private String intro；
……
public void setid（int newId） //定义有关方法
{ this.id = newId；
}
public majorinfo getmajorinfo（int id）throws Exception
{majorinfo major=new majorinfo（）； //定义虚拟操作等
while（major.next（））
……
}
四、Web技术的运用
1.虚拟实验室的网络平台
虚拟实验室网络平台系统的开发，主要采用基于MVC架构的JSP技术，具体可采用Struts框架或其他框架，开发工具选择对JSP支持较好的Eclipse。[2]Web服务器软件采用稳定性和经济型比较好的Tomcat，数据库服务器可采用免费且功能全面的MySQL。
2.虚拟实验室的实验内容
虚拟实验室应有具体的实验来支撑，否则网络平台就是一个空架子，形同虚设。在设计实验内容时充分利用3DMAX、Flash、流媒体、Virtools、虚拟现实、动态交互式网页等技术。例如在实验演示部分采用3DMAX或Flash制作各个实验的操作演示视频，在学生亲自操作时采用具有交互功能的Flash、动态交互式网页以及Virtools制作的仿真操作环境。[3]
以虚拟计算机组装实验为例，为使学生更好的观察和了解计算机主要部件的连接方式，可采用3DMAX设计出计算机各部件的三维模型，通过动画演示方式将分散的各个部件按计算机组装的正确顺序连接装配成一台完整的计算机。动画中通过旋转视图使学生可以从不同的角度观察组装过程及效果。三维动画效果截图如图1所示。
在软件实验中可采用VMware或Microsoft Virtual PC等虚拟机软件，在其中可以完成硬盤分区及格式化、安装操作系统、克隆软件的使用等一些对计算机具有一定破坏性或危险性的实验。在虚拟机软件中完成上述实验与在真实计算机中几乎完全相同，而且不会对真实计算机造成任何不良影响，可明显提高实验效率和教学效果。
五、虚拟实验室管理平台设计
虚拟实验的管理平台应包括对实验者、教师、实验项目、实验内容、虚拟元器件库的管理，以及对实验情况的统计。
学生可以凭用户名和密码登录虚拟实验室网进行虚拟实验操作，完成实验报告并提交到虚拟实验室中，最后完成在线测验题目。
教师可在线批阅学生提交的实验报告，统计学生在线测验的成绩。另外通过对每个学生登录后系统自动创建的Session对象记载学生在虚拟实验室学习的情况（如登录次数、累计登录时长、虚拟实验操作次数等），供教师查看和统计分析，教师可综合以上信息给出学生的实验成绩。
管理者可以添加或修改实验内容，在虚拟元器件库中添加新型号的元器件，可将元器件的技术参数、图片、视频资料等更新到虚拟实验室网络平台系统中，这样不必购买新元器件就可以让学生在虚拟实验中体验到新元器件的特点和操作方法。
在虚拟实验室中还可以设置实验答疑模块和学习论坛模块。由教师对学生实验中出现的疑难问题进行及时解答，帮助学生顺利完成实验。同时了解学生对实验的掌握程度，并及时反馈、调整教学。学生可以将实验中的收获、经验、体会及问题发布到论坛上，教师可以将一些典型的问题提出来，供大家探讨。
六、结论
通过虚拟实验室进行实验，既可以缩短实验的时间，又可以获得直观、真实的效果，还能对那些不可见的结构原理和不可重组的精密设备进行仿真实训，避免真实实验操作带来的各种危险。虚拟实验室具有先进性和共享性，实验教学项目和虚拟实验元器件易于修改和扩充，减少了设备投入经费，使教学内容在虚拟的环境中不断更新，及时跟上技术的发展。
参考文献：
[1]肖随贵,曾惠芳.浅论计算机虚拟实验室的建设[J].教学与管理,2006,(10):143-144.
[2]刘浩.电力电子学网络虚拟实验室的设计与实现[J].实验技术与管理,2012,(4):92-94.
[3]刘丹,杨尚真.基于VRML的网络交互式虚拟实验室的开发[J].中国教育信息化,2008,(5):32-33.
（责任编辑：孙晴）
实验设计范文第6篇
生物学是以实验为基础的自然科学。实验是培养学生科学方法、科学态度和创新精神的重要手段。近几年高考生物试卷中，实验题所占的比例越来越大，其中又以实验设计题居多。因此，在实验教学过程中，正确引导学生勤于动脑和动手，搜集和处理相关的科学信息，分析和解决问题，培养实验设计能力，就显得尤为重要。
实验设计是科学探究的关键步骤，是当前素质教育在生物实验教学中的具体表现。实验设计是指实验者根据一定的实验目的和要求，运用有关的科学知识、原理，创造性地设计出新的实验方案，并能独立地根据实验方案来处理相关的实验问题。
近年高考的生物实验题将实验设计和完成实验设计能力的考察作为一项十分重要的内容，因此，教师可引导学生掌握简单的实验设计方式，学会科学的实验设计。
1 掌握实验设计的基本原则 培养
学生科学的设计方法
在生物实验教学中，教师要让学生放开手脚，允许他们自主设计实验探究过程，但在实验设计的过程中，需要让学生掌握实验设计的基本原则。
1.1 主体性原则
“教为主导，学为主体”是新课程倡导下的教学方式。实验设计关注学生的自主性，教师应把学习的主动权交给学生，放手让学生自主学习，使学生在学习中善于发现问题，设计具体的实验方案，并进行验证。
1.2 科学性原则
实验目的要明确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法不能违背生物学基本原理和其他科学原理。
1.3 指导性原则
实验设计是一个构思、磨合、实现的过程，思路应该以所学的概念、原理、规律等知识作指导，教师不能指挥学生去做，更不能代替学生做，应当让学生充分发挥各自的能力进行实验设计。
2 拓展实验思路 引导学生进行自主实验设计
实验设计应面向全体学生，确立学生学习的主体地位。在实验教学中，首先应尊重学生的主体地位，相信学生是“有想法、有个性、有创造力”的学生；其次，要创设民主平等的气氛，善于启发和指导学生动脑动手，引导学生正确地分析思考问题。
2.1 开放实验室 给学生充分的自主空间 发挥学生主体地位
实验室是实验教学的主要场所，而开放实验室更是以学生为主体的自主活动。开放实验室就是让学生动起来，按自己的要求，自己的实验课题，自己的实验设计提出申请，由实验室提供仪器材料，实验教师协助完成的一种教学模式。如在学习了《显微镜的使用》这一节内容，除了完成教材规定的实验内容外，笔者还让学生准备了不同的实验材料，比如自己的头发、随手可捉的小虫和随处可见的叶片等，他们兴致盎然地在显微镜下“乱”做一通，有学生惊奇地发现：“哎呀，我的头发这么粗？”“哇，怎么我的头发一端开叉了，好像一条叉路似的？”“小虫身上有这么多毛！”另一个同学很气恼地说：“蚊子在显微镜下是这么大的，原来是用这根‘针’来吸我们的血！”……同学们七嘴八舌地说出自己的发现，通过这种方式让学生更多地体会到实验成功的喜悦，充分满足学生的好奇心，激发学生探究学习的兴趣，收到较好的教学效果。
2.2 把部分实验改为探索性实验 充分发挥学生的自主思维
实验课中仅仅根据课本实验中的材料、要求、步骤进行实验，难免限制学生的思维。在实验过程中，学生会有各种想法，有的想法也有一定的价值；有时也会提出种种问题，得到各种不同的结论，甚至是错误的结论。教师不能打击他们学习的积极性，应该肯定学生的想法，尊重他们，善于发现他们的优点。因此，除了完成课本实验外，更应鼓励学生进行一些探究性的实验。如：“观察植物细胞的质壁分离与复原”的实验中，教材中用0.3g/ml的蔗糖溶液使洋葱表皮细胞发生质壁分离，完成实验后，有部分学生提出问题：为什么要选用0.3g/ml的蔗糖溶液呢？如果用浓度小于0.3g/ml或者大于0.3g/ml的蔗糖溶液来做实验，实验现象是否一样呢？带着这些疑问，笔者让学生分组进行不同的探究：探究洋葱表皮细胞在不同浓度的蔗糖溶液中是否发生质壁分离与复原，分离情况如何，复原状况又如何？表1是学生记录的数据。
从两组实验中看到：用0.1g/ml的蔗糖溶液时，细胞发生轻微的质壁分离，但现象不明显，滴加清水复原较慢；用0.6g/ml的蔗糖溶液时，分离很明显，滴加清水但不能复原；而用0.3g/ml蔗糖溶液时，分离较明显，而且分离速度快，有一部分细胞原生质层已经脱离细胞壁，滴加清水，复原较快，现象明显。通过实验对比得出：蔗糖溶液浓度过小，不容易发生质壁分离而且分离速度慢；蔗糖溶液浓度过高，导致细胞失水过多而死亡，不能复原。因此，同学们得出一个结论：浓度为0.3g/ml的蔗糖溶液最适合做洋葱细胞质壁分离及复原的实验。
3 巧挖课本 强化训练 提高学生
实验设计能力
在教学过程中，巧挖课本，从不同角度，增加一些相关的实验设计内容，进行训练，这样才能真正提高学生设计实验的能力。
3.1 从实验过程出发进行实验设计
在教材的实验中，大多数实验都已提供了具体的方法和步骤。在实际教学中首先要引导学生思考实验步骤设计中隐含的科学方法，引导学生了解实验的思维过程，提出探究性的问题；其次根据实验可能的各种条件，让学生自行设计实验，进行实验操作，并做认真记录，引导学生分析实验结果，由结果推导出结论。如在学习《DNA分子结构》时，在简要介绍DNA分子结构的基础上，指导学生制作DNA分子双螺旋结构模型，指导学生进行制作的具体程序如下。
（1）讨论确定本组制作DNA分子双螺旋结构模型的大小，设计方案，制作方案，确定使用的各种材料；
（2）按照设计的方案进行具体分工，逐步完成DNA分子双螺旋结构模型的制作；
（3）对所制作的DNA分子双螺旋结构模型进行检验，并进行必要的修补；
（4）回顾制作过程，复述DNA分子的结构，重点是双螺旋结构的构成方式；
（5）展示各组成果，开展交流活动，取长补短，并小结。
在DNA分子模型的制作过程中，每一位同学都有自己的工作，每一位同学都会在主动的参与中获得自己的体验，学会分析，学会研究，学会合作与分享共同的成果。最终使学生形成提出问题→作出假设→设计实验方案→探究过程→得出结果→分析评价实验设计的方法。
3.2 利用实验习题进行实验设计
实验设计题都是以课本中的知识点为依据的，这样既能考查学生的基本知识，又能使学生在设计实验时不至于无从下手。例如有一道习题：“被子植物花粉管的萌发与环境条件有很大关系”。为了探索微量元素硼对花粉的萌发有无影响，笔者向学生提供了如下的实验材料和用品：新鲜葱、兰花、葡萄糖溶液、琼脂、硼酸溶液、稀盐酸、蒸馏水、滴管、镊子、载玻片、显微镜等，让学生自行选择，自主探索，设计实验方案并写出实验步骤，让学生在实验过程中获得学习的乐趣。
4 体会与反思
探究式实验设计模式是素质教育的具体化和深化，它有利于充分调动学生学习的积极性，把学习的主动权交给学生，使学生成为教学过程中的积极参与者，真正体现教为主导，学为主体的理念。在具体实施过程中，应注意以下几点。
（1）在实验过程中，让学生勤于“动脑想”，不要局限于课本的实验探究，鼓励学生在日常生活或学习中勤动脑，发现问题并解决问题。
（2）鼓励学生大胆“动手做”，让学生在操作过程中理解知识。
（3）注重学生“动口说”，在探究过程中给学生
提供讨论、交流、各抒己见的机会，充分体现以学生为主体的教学模式。