時間：2023-03-20 16:22:19
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實驗目的：在類似船舶搖晃、液貨裝卸等外來擾動引起的液艙液貨晃蕩條件下，結合油品在整個液貨艙中的傳質過程，研究油品蒸發及透氣孔處油氣的排出規律。在影響油品蒸發傳質速率的其他因素（溫度、黏度和密度等相關液貨特征參數）相同的情況下，將重點考慮液貨艙液相厚度（即液貨裝載率相同）與晃蕩強度對油品蒸發、油氣傳遞的影響，以探尋油氣的蒸發排放規律。實驗內容：構建實物模型實驗，研究貨艙液相厚度與晃蕩強度對于油氣排放的作用規律。根據研究目標，基于研究對象的特征，設計兩組3種實驗方案。第1組為晃蕩實驗：一是考察在相同液相厚度、不同晃蕩強度下透氣濃度的變化；二是考察在相同晃蕩強度、不同液相厚度下透氣濃度的變化。第2組為裝貨實驗：考察在裝貨過程中（即液相厚度與裝貨形成的晃蕩強度同時改變），透氣濃度的變化。
2模型實驗設計與流程
2.1模型設計制作及儀器設備
2.1.1模型艙的設計制作綜合參考現有大型油船結構尺寸資料，選取單個邊艙模型原型尺寸：長25.7m、寬16.1m、艙深18.9m，艙容約為7820m3。根據幾何相似原理建立一個約為單個邊艙1/40的模型（模型尺寸為：640mm×400mm×470mm，容積約120L）。模型艙使用有機玻璃制成，側壁留有一個注油孔A（半徑r=8mm）頂部留有一個透氣孔B（半徑R=12mm）和一個儀器固定孔C。同時，為了便于數據的分析與處理，整個模型艙被分為3個區：液相區、氣相區和氣液邊界層（氣液邊界層是擾動的，這里取平均值）。液相區主要是液態油品，高度用L表示；氣相區主要是油氣與空氣的混合氣體，高度用V表示；氣相區與液相區的交界處稱為氣液邊界層；整個模型艙的深度為H。
2.1.2液艙晃動模擬平臺的設計制作液艙晃動模擬平臺是用來模擬油船的油艙受風、浪影響而晃動的實驗設備，包括了傳動和控制兩部分。該裝置利用一個液壓缸提供推動力，使工作臺左右擺動以模擬船體在海上的晃蕩。在單片機輸入指令后，信號經過數模轉化器傳給電源，以改變電源的輸出電壓，進而改變伺服閥兩端的輸入電流，然后在閥內改變閥芯的開口大小，控制回路的輸出流量和壓力，從而控制液壓缸的運動，最終保證液壓缸的運動速度在設計值附近，使工作臺產生預期的晃蕩效果。
2.1.3儀器設備主要實驗儀器：一臺計量泵，用于模擬加油；一套液艙晃動模擬裝置，用于模擬油船在海上航行時的晃蕩情形；一臺DR70C系列智能線式紅外VOCs檢測儀，用于實時記錄透氣孔處排出油氣的濃度；一臺計算機，用于存儲濃度檢測儀記錄的數據；兩臺高清攝像機，分別從正面和側面記錄整個實驗過程中模型艙及液相表面的變化。
2.2晃蕩實驗設計
對于第一組實驗，由于液相的晃蕩強度與液相厚度及外來晃蕩強度有關，因此，為了研究不同液相晃蕩強度對透氣孔處排出油氣濃度的影響，設置7種氣液比、5種晃蕩強度的交叉晃蕩實驗。7種氣液比分別為1％、3％、5％、25％、50％、75％及95％，5種晃蕩強度分別為a（a=0）、b、c和d、e，共計進行35組晃蕩實驗。其中，外來晃蕩強度通過調節液艙晃動模擬平臺負載大小來施加。a=0，即晃蕩發生裝置關閉，液相處于靜置狀態；b為整個量程的20％；c為整個量程的40％；d為整個量程的60％；e為整個量程的80％。
2.3裝貨實驗設計
對于第2組實驗，由于不同的裝貨速率代表著不同的液面上升速率及液相擾動強度，因此，為了研究不同裝貨速率對油氣產生及排出的影響，共設計7種裝貨速率：0.38L/min、0.88L/min、1.38L/min、1.88L/min、2.46L/min、2.96L/min及3.46L/min，其裝載率都是0～95％。其中裝貨速率1.38L/min是根據實際油船裝貨速率按歐拉相似準則（壓力差為注油孔內外油品的壓力差）得到；裝貨速率0.38L/min、0.88L/min和1.88L/min、2.46L/min、2.96L/min和3.46L/min是結合計量泵的量程及最小刻度的實際情況，從而設計出0.5L/min裝貨速率間隔的速度。
2.4模型實驗流程
晃蕩實驗：將濃度傳感器安裝在透氣孔處，將模型艙固定在晃蕩發生裝置的工作臺上，分別調節油品的裝載率和模擬平臺的晃蕩強度，依次進行實驗，通過計算機分別記錄透氣孔處排出油氣的實時濃度。每次實驗前，模型艙內都充滿干凈空氣，艙內壓力為標準大氣壓。實驗時通過空調系統控制環境溫度為26℃。裝貨實驗：將油品通過計量泵再經過加油管注入模型艙內，濃度傳感器安裝在透氣孔處，依次進行實驗，用計算機分別記錄透氣孔處排出油氣實時濃度。每次加油實驗前，模型艙內都充滿干凈空氣，艙內壓力為標準大氣壓。實驗時用空調系統控制環境溫度為26℃。
3部分實驗結果展示
3.1晃蕩實驗
油品裝載率25％（圖6），靜置時間6h。在靜置條件下，當裝載率為25％時，透氣孔處排出氣體濃度規律：前600s左右，透氣孔處排出氣體中油氣體積分數為0；600s后，排出氣體中油氣體積分數在短時間內迅速上升至60％，隨后曲線斜率變小，排出氣體中油氣體積分數增加速度變慢，直至達到飽和，即油氣體積分數Csat=81.6％。形成這種現象的原因：前600s左右，排出的氣體主要為原來模型艙中的空氣，因此排出的油氣體積分數為0；600~2500s后，在模型艙氣相區中，由于油氣濃度差很大，油氣的蒸發擴散非常快，致使透氣孔處排出油氣的體積分數迅速增加；2500~5000s，隨著氣相區內油氣濃度差的減小，油氣的蒸發擴散變慢，造成透氣孔處排出油氣的體積分數增加變慢；5000s后，氣體的蒸發擴散慢慢接近充分，使得艙內油氣濃度達到飽和，排出油氣的體積分數不再增加。
3.2裝貨實驗
加油速度1.38L/min（圖8），加油時間4957s。在裝載率達到70％之前，透氣口排出氣體中油氣體積分數處于較低水平，約35％，且上升速率較慢。當裝載率為70％～95％時，排出氣體中油氣體積分數快速上升，最后達到90％，接近飽和（圖9）。該實驗結果與文獻[4]實船所測裝貨過程中透氣孔排氣規律相同。形成這種現象的原因：在整個加油過程中，從液面蒸發出油氣分子的自然擴散是從高濃度處向低濃度處進行，這使得艙內的油氣濃度呈現分層現象，越靠近液面，油氣濃度越大。在裝載率到達70％之前，主要是進行油氣分子的自然擴散，聚集形成油氣濃度層。同時，艙內空間較大，油氣的對流效應較弱，油氣從產生至傳遞到透氣口有延遲效應，因而使該過程中透氣口排出的油氣體積分數較小。隨后，裝載率從70％上升至95％，隨著液面上升，氣相區體積縮小，對流效應越來越明顯，延遲效應越來越弱，并且此時油氣分子自然擴散也更加充分，因而使透氣口排出氣體的體積分數上升得越來越快，體積分數值越來越大。
4結束語
實驗前將所用試劑都置于電熱恒溫干燥箱中，在110℃條件下烘干處理3h，脫水后密封保存備用。以轉爐提釩釩渣為參照［8－9］，配置實驗試樣組成的質量分數見表1。配好的試樣放入瑪瑙研缽中研磨，保證樣品充分混勻。實驗材料準備好后進行以下實驗：（1）差熱分析法（DSC）實驗：利用DSC精確測定試樣的相變和反應溫度。使用氬氣（99．99％）作保護氣氛，流量為2L／min。設備升溫和降溫速度為10℃／min，試樣量為10mg［10］。（2）高溫淬火實驗：為確認FeO與V2O5發生的反應和生成的物質，以DSC測定的相變溫度為依據進行高溫淬火實驗。試樣裝入MgO坩堝（33mm×29mm×50mm），放入二硅化鉬爐中，加熱到試樣的液相線溫度以上50℃，然后再降到至相變溫度并保溫一定的時間后迅速取出，置于水中淬冷。（3）樣品表征：X衍射分析淬冷后的試樣物相；采用掃描電鏡觀測樣品形貌及尺寸。
2結果與議論
2.1差熱分析試樣經升溫熔化后均勻性更好，故本實驗以DSC降溫曲線結果為準。從DSC降溫曲線中得到試樣的相變溫度見表2。從表中可看出：1—4號試樣在600℃左右開始熔化產生相轉變，原因是1—4號試樣中FeO含量較低，有放熱峰出現所致；隨著試樣中FeO含量增加，試樣的熔點升高，600℃左右不易發生熔化而產生相轉變；1—7號試樣在接近800℃左右均發生相變，原因是V2O5發生了分解反應：V2O5V2O3＋O2；3—10試樣在970℃、1300℃、1450℃左右均發生了相變或反應。
2.2XRD分析試樣高溫淬火后用RigakuD／MAX2500衍射儀進行分析。試樣在970℃保溫2h后迅速取出用水淬冷，部分試樣的分析結果見表3。圖1和圖2分別是試樣10在1450℃和1300℃保溫后得到的X衍射圖譜。分析X衍射結果發現，FeO－V2O5體系在高溫下發生了反應，970℃時主要生成釩酸鐵FeVO4，1300℃和1450℃時主要生成反式釩鐵尖晶石Fe2VO4；隨著FeO含量的增加，體系中的物相減少，只有Fe2O3由此可以看出，FeO和V2O5之間發生了一系列氧化還原反應，其反應的實質是V2O5在反應開始時發生分解得到V2O3和O2，FeO被氧化成Fe2O3，V2O3與FeO和Fe2O3同時發生反應生成Fe2VO4，未分解完的V2O5與Fe2O3發生反應生成FeVO4。
2.3SEM分析通過掃描電鏡可以更直觀形象地觀察鐵釩體系中的物相結構。圖3為試樣分別在1450℃、1300℃保溫30min的SEM。從圖中可以看出，鐵釩體系主要組成為釩鐵尖晶石相和鐵氧化物相，圖中灰白色物相為尖晶石相，黑灰色物相為鐵氧化物相。由1300℃保溫得到的釩渣礦相中尖晶石的粒徑明顯比1450℃保溫得到的尖晶石粒徑大，其尺寸分布范圍也較寬，主要分布在10～30μm之間。在1450℃保溫時，尖晶石粒徑主要分布在10～25μm之間，尺寸相對較小。這是由于高溫下形核率大于晶體長大速率，所以形核較多，晶體尺寸較小；當溫度降低時，形核率增大，但其增長率小于晶體長大速度，所以隨著保溫溫度的降低，尖晶石平均晶粒尺寸增加。
3實驗內容拓展
本文所設計的綜合實驗是研究型實驗。學生可以在教師指導下完成系列實驗，包括熟悉實驗內容、設計實驗方案、準備實驗材料、完成實驗操作、分析實驗結果和撰寫實驗報告。通過該研究型實驗，激發學生獲取新知識的欲望，催化學生創新的熱情，使學生更加注重知識體系的系統性和整體性，從而完成理論—實踐—理論的循環過程。應用TRIZ理論的動態化原理［11－12］，還可以對實驗內容進行拓展，不斷擴充和更新實驗內容：（1）進行鐵釩體系平衡的熱力學計算。學生可根據最小吉布斯自由能原理進行計算，驗證實驗結果和理論計算的一致性。（2）探索釩鐵尖晶石結晶規律。學生可在前期研究的基礎上，自主設計實驗方案，探索影響釩鐵尖晶石結晶規律的因素。（3）從FeO－SiO2－V2O5系著手，探索釩氧化物的行為，為改進造渣制度提供理論依據。（4）探索焙燒浸出方式制取釩氧化物時工藝參數對釩鐵尖晶石的影響。
4結束語
實驗的硬件環境為兩臺計算機：一臺作為宿主機，運行各種安全實驗的代碼；另一臺作為調試機，運行被實驗的內核。兩臺機器通過串口進行連接，傳送調試指令和調試數據。具體實驗時，可使用虛擬機以WRK內核引導系統運行，既可以防止實驗對真實的硬件和文件系統產生負面影響，也可以方便地通過一個命名管道連接虛擬機和物理機，將虛擬機作為被調試機、物理機器作為調試機來進行實驗。
2實驗模塊
實驗內容的設計是以Hook技術為基礎，從影響操作系統安全的外設事件、進程保護、文件管理、網絡安全等方面進行設計。Windows操作系統是建立在事件驅動機制之上的，系統各部分之間的溝通也都是通過消息的相互傳遞而實現。Hook（鉤子）技術是Windows系統的一種非常重要的接口，可以截獲并處理在其他應用程序之間傳遞的消息，并由此完成一些普通應用程序難以實現的特殊功能。Hook技術分為應用層Hook技術和內核層Hook技術。該實驗采用Hook技術設計了全局鍵盤監聽、進程隱藏與保護、文件監視、網絡監聽等具體實驗內容。
2.1全局鍵盤監聽
本模塊的實驗目的是讓學生理解Windows的消息處理機制——回調函數、Hook技術的原理，并能運用這些原理改變系統消息的控制權，達到維護系統安全的目的。實驗內容是通過回調函數定制新的鍵盤鉤子，在主控機上通過windbg把鉤子以DLL的形式加入到目標機的所有運行進程中，實現全局鍵盤監聽。鉤子函數將獲取的鍵盤信息返回給主控機，在其dbgview上顯示鍵盤的輸入信息。
2.2進程隱藏與保護
本模塊的實驗目的是為了讓學生理解系統服務的原理和執行流程，并能利用SSDTHook技術改變系統服務的地址和執行流程，達到改變相關進程的控制權并保護該進程的目的。實驗內容分為兩部分，首先是通過修改SSDT（即系統服務描述符表）中NtQuerySystem-InformationAPI的地址，將其替換為自定義的服務函數NtQuerySystemInformation（即SSDTHook）地址，實現在被調試機中隱藏指定進程的目的；然后，通過修改SSDT中NtTerminateProcessAPI阻止進程被任務管理器等進程管理工具殺掉，達到保護進程的目的。為了保證系統的穩定性(至少不讓其崩潰)，應當在自定義的服務函數中調用系統中原來的服務。
2.3文件監視
本模塊的實驗目的是為了讓學生理解文件監視的原理，運用相關的Hook技術保護指定文件，達到防止病毒木馬等惡意修改或刪除文件、維護文件系統安全的目的。實驗的內容是當刪除一個需要受保護文件時，利用SHFileOperationHook替換原來的API函數，禁止刪除該文件的操作，并提示該文件受保護。
2.4網絡監聽
本模塊的實驗目的是幫助學生理解網絡抓包技術的原理，并運用相關的HookWinSocketAPI實現抓包，達到監測網絡傳輸和排除網絡故障的目的。實驗內容是首先利用Hook技術完成消息的截獲，提取出感興趣的消息；其次，利用API攔截技術攔截相應的網絡程序的SOCKET網絡函數；第三，利用DLL技術將HookAPI攔截的代碼封裝，利用EXE程序將DLL映射到進程中。相關網絡函數被調用時將觸發API函數攔截。最后，從網絡函數中提取我們想要得到的數據包。
3實施方法
操作系統安全實驗是信息安全專業實踐內容的重要部分，由于實驗內容需要一定的內核知識基礎且具有一定難度，因此將其定位為開放式實驗，并安排在操作系統原理和信息系統安全等相關專業課程學習之后實施。借助網絡學習平臺，將所有實驗信息對信息安全專業學生開放；學生按照教師定制的學習路徑，自主獲取實驗的基本信息、網絡查詢實驗資料和相關技術及應用方法、自主完成實驗步驟、提交實驗結果，并可以在實驗過程中改進實驗內容。對于實驗要求，教師可以在學習路徑中分別指定基礎性要求和創新性要求，這樣既能保障基礎安全實踐能力的訓練內容，又能激發學生的創新能力。
4結語
（一）實驗分析
高錳酸鉀制取氧氣是利用酒精燈、試管、鐵架臺、導管、集氣瓶、水槽等儀器，通過加熱高錳酸鉀制取氧氣，利用排水法來收集氧氣。學生不僅要掌握實驗原理、目的，實驗儀器和藥品的使用方法及注意事項，實驗步驟、化學方程式的書寫等內容，還要培養觀察、分析能力和實踐操作能力。
（二）《高錳酸鉀制取氧氣》的實驗目的
（1）通過虛擬實驗中的文本展示工具，使學習者了解實驗目的、原理和方法。
（2）通過對虛擬實驗的操作，掌握藥品的選擇以及儀器連接的先后順序，能夠動手制取氧氣。
（3）通過對實驗過程、現象的觀察、分析實驗反應機制，加深對實驗的認知和理解。
（三）《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗活動設計
學生要完成虛擬實驗首先需要安裝Secondlife客戶端，進入Secondlife虛擬環境，通過以下流程完成整個虛擬實驗。
（1）準備階段：學習者通過Secondlife提供的地圖工具搜索到虛擬實驗室地標并通過瞬間移動工具進入虛擬實驗室。
（2）實驗階段：學習者通過人-機交互選擇事先通過3D建模工具創建好的虛擬實驗儀器、藥品并通過資源工具查詢相關儀器的使用方法及實驗裝置圖，完成實驗儀器的裝置；點擊各個實驗儀器、添加藥品來完成實驗。
（3）評價反饋階段：教師根據學生提交的實驗報告和學習者的學習記錄對學習者本次實驗進行一個綜合評價，并將評價結果通過評價反饋系統及時反饋給學習者。
二、《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗環境設計
本研究以《高錳酸鉀制取氧氣》為例設計的虛擬實驗環境。以實驗過程的設計為理論基礎從場景及模型設計、交互設計、支持工具設計、特效設計、評價設計這幾方面設計三維虛擬實驗環境。
（一）實驗環境的場景及模型主要虛擬教室、虛擬實驗室和儀器設備組成
虛擬教室由講臺、桌椅、多媒體系統、音響設備、電子白板、書柜、書、電腦組成，供學習者實驗后進行交流、報告、探究、形成實驗結論。虛擬實驗室主要由實驗環境、實驗操作臺、水池、藥品柜、滅火設備為為學習者完成實驗并獲取實驗數據。儀器設備主要是酒精燈、試管、鐵架臺、導管、集氣瓶、水槽、鐵夾、燒杯。藥品耗材主要是高錳酸鉀等。
（二）交互系統設計
（1）人機交互設計：在實驗中通過操作交互，學習者能夠感受到實驗設備的控制感和體驗感。在Secondlife中，利用創建工具可以實現簡單的“點擊”“移動”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登腳本語言可以設置改變物體的性質、運動方式、運動軌跡、對外力的反應等等，能夠較好地支持學習者的操作交互。
（2）交流工具：學習者在實驗過程中和老師、同伴交流的方式主要有在線的同步交流和異步交流。
（三）支持工具設計
實驗支持工具是指支持學習者完成實驗的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、資源工具、實驗認知工具、評價反饋工具等。搜索工具主要是地圖工具和瞬間移動工具通過它們是搜索定位各種學習場所、用戶，并瞬間移動到目的地。資源工具包含Secondlife內部資源和外部資源。內部資源主要是3D瀏覽器；外部資源包括各大搜索引擎。這些工具可以搜索Secondlife內部和外部各種信息資源實驗認知工具主要包括3D建模工具、拍攝工具、記事本工具主要為為實驗過程中學習者觀察記錄實驗現象、采集數據提供支持。評價反饋工具主要包括問卷系統（choicer、Quizchair）、學習記錄系統（Tracker）、Web-Intercom，為實驗后學習者自評、反思以及教師評價反饋提供支持。
（四）特效設計
在Secondlife中，通過粒子系統結合林登腳本語言可以營造煙霧、火焰、氣體、雪花等各種現象。在本實驗中酒精燈加熱的火焰、水槽里面的氣泡、集氣瓶中的氧氣、反應過程中的煙霧、藥品晶體的狀態變化等效果都可以通過粒子系統來實現。
三、結論
1．1教材中關于探究杠桿的平衡條件實驗設計
在教材中，該實驗安排為學生分組實驗，并且要求在九年級上學期的第一周就要完成．具體步驟是:(1)通過實驗會讓學生調節桿杠，讓杠桿在水平位置達到基本平衡，因為這樣便于從杠桿上直接讀出力臂的大小;(2)把一定的鉤碼掛在杠桿左側，用彈簧測力計在某一位置豎直拉住杠桿，當杠桿達到水平位置平衡時，記錄下測力計數據;(3)通過變換鉤碼數量，或調整塑料卡子改變鉤碼的位置，或調整塑料卡子改變彈簧測力計的位置，重復上述步驟;(4)記錄三組數據，然后進行數據分析．
1．2杠桿平衡條件的定量計算
杠桿平衡的條件是:F1L1=F2L2，只要有3個物理量，就可以通過公式運算出來第四個物理量．該階段實驗的難度在于:(1)杠桿示意圖要準確;(2)單位需要做到統一;(3)保證測量直尺的密度準確均勻．核心是討論杠桿的平衡問題，桿杠得以保持平衡的條件是:F1L1=F2L2，如果杠桿達不到平衡條件，可以將杠桿的支點向乘積較大的一方移動．
1．3杠桿實驗中出現的問題
(1)實驗設備對平衡的影響．平衡實驗設備一般搭配的塑料卡子，但是這會影響到桿杠平衡的精確度．一般來說，塑料卡子約在0．2克，這對平衡造成的影響是不可以小看的，因為這會直接影響到定量計算的精確問題．關于這一問題的解決方法，可以變換質量更輕的棉線圈取代設備自帶的卡子．這可以大大減少實驗的誤差問題．(2)杠桿平衡的判斷問題．老版教材采用的是用鉤碼代替作用力F1和作用力F2，沒有使用彈簧測力計．雖然使用鉤碼既方便又便于觀察，但是難以連續改變作用力F1和作用力F2的大小，力臂測量的不準確也會直接影響到定量計算的準確問題．因而，新版教材已改進為左端用鉤碼，右端用彈簧測力計向下拉動進行實驗．但是彈簧測力計在右端倒置使用時由于受彈簧測力計彈簧、鋁質滑片和外殼的影響會使測得的拉力要小一些．建議教師使用彈簧測力計在左側(與鉤碼在同一側)施加拉力作用，正置使用，在豎直方向上調零，學生也比較熟悉．而且可以嘗試用彈簧測力計斜向上拉杠桿，直至杠桿在水平位置平衡，記下此時的動力、阻力、阻力臂的值，需要借助刻度尺及三角板輔助測量出動力臂的值，體會為什么實驗中要調節杠桿在水平位置平衡．
2杠桿實驗的教學反思和后繼實驗
2．1保證桿杠實驗的準確度
杠桿屬于力的研究范疇，但力是一個比較抽象的概念．杠桿平衡實驗就是為了讓學生深切的體會力和力的作用，但是力臂也是需要考慮的問題．總結上面的實驗問題可以看出，其中核心問題還是在于測量和計算的精確問題．在實驗前，教師要求學生調節杠桿到水平位置的原因也就是考慮到桿杠自身的重力對平衡造成的影響．傳統的做法是要求學生實驗3次，最后來求平均值，以此方法減少誤差．但是很顯然，這樣的做法依然是存在問題的．筆者認為實驗的次數可以加大到約10次左右，同時也對記錄數據的表格進行了改變．
2．2教學過程中的問題意識
杠桿屬于簡單機械，要求學生在觀察中發現問題和尋找解決方式，這是蘇科版初中物理教材獨特的設計模式．因此教材設定了實驗活動的內容，不僅有探究、觀察、實驗，還有討論、交流和評估等內容．因此，在課堂中引導學生提出問題，并想辦法解決是教師的重要責任．比如在實驗中遇到圖1出現的問題:怎么在不改變O點右側的數據，同時保持左側第幾個鉤碼不變，需要將另外2個鉤碼移到到其下方?這一問題是考察學生在限定性條件下，如何動腦筋解決問題．根據杠桿平衡的條件F1L1=F2L2，通過相應的計算可以得出答案為第2格．另外，教師也可以根據具體的教學情況，詢問學生一些通過實驗才能讀出的問題．比如問:(1)平衡螺母的在杠桿平衡實驗中的作用是什么?(2)為什么需要調節杠桿到水平位置?(3)如果掛好鉤碼后，是否可以再次調整平衡螺母?
2．3杠桿平衡實驗在生活中的應用問題
實驗的目的就是為了讓學生在生活中可以靈活地運用所學知識進行常識性判斷，杠桿平衡實驗尤其表現出在生活中的適用性．最簡單的應用問題就是，學生可以依據杠桿平衡的條件準確地判斷費力桿杠、省力杠桿和等臂杠桿．即當F1×L1=F2×L2時，若L1＞L2，那么F1＜F2，該杠桿就是省力杠桿;若L1＜L2，那么F1＞F2，那么該杠桿就是費力杠桿;若是若L1=L2，F1=F2，那么就是等臂杠桿．經歷過杠桿平衡的實驗，學生至少應該能夠繪畫出杠桿示意圖，并且能夠通過分析數據，得出一定的平衡規律．同時，學生還應該關注生產生活，了解杠桿在生活中的作用，比如我國古代的舂和桔槔就是善于運用杠桿的結果．
3結語
1.實驗目的。
通過模擬基于XBRL數據的審計過程，幫助學生增強對審計理論與方法的感性認識，熟練掌握收集審計證據的主要方法，理解并順利實施XBRL的信息渲染與萃取，培養動手能力。
2.實驗內容。
從教學方來看，通過實驗向學生展示如下內容：XBRL會計數據的生成與傳遞過程；傳統財務報告渲染為XBRL財務報告的基本機理；XBRL信息的萃取機理；基于XBRL的審計證據的收集與處理方法。從學習方來看，通過實驗掌握如下職業技能：獲取傳統財務報告信息；把傳統財務報告渲染為XBRL財務報告；從XBRL財務報告中萃取信息；收集和處理審計證據。
3.注意事項。
一是傳統財務報告的獲取。通過以下渠道獲取傳統財務報告信息：上市公司網站；財經網站；證券交易所網站（上海證券交易所、巨潮網站）；中國證監會指定的其他上市公司信息披露媒體（中國證券報、證券時報、上海證券報、金融時報、中國改革報、證券日報、證券市場周刊）。二是XBRL實例文檔的獲取。可從上海證券交易所和深圳證券交易所網站中下載XBRL實例文檔。三是取得對會計準則及相關規范的理解。主要涉及會計信息化、XBRL通用分類標準的制定與實施等。四是取得對審計準則及相關規范的理解。主要涉及審計信息化、內部控制中的信息與溝通、審計過程中對信息的關注等。
4.設計建議：
一是教學準備。教師在準備實驗時，要撰寫審計案例文本，對審計環境、公司概況和審計的主要環節進行描述，以提高審計實驗的效果。二是學習準備。學生在實驗開始前，應回顧傳統財務報告信息的編制過程、XBRL的基本理論、XBRL規范、XBRL分類標準、XBRL實例文檔和報告流程。此外，還要收集或編制基于XBRL的樣式表，提高實驗過程的可視化效果。三是比較實驗效果。通過XBRL審計只是《審計模擬實訓》課程的一個環節，在實施XBRL審計實驗之前，已經實施了傳統審計實驗。教與學雙方都應比較兩種實驗的效果，以增強對XBRL審計實驗的理解能力。四是做好實驗總結。教師要撰寫教學總結報告，學生也要撰寫模擬實訓總結報告。
二、把傳統財務報告渲染為XBRL財務報告
1.渲染工具。
渲染工具（RenderingTools）是解決XBRL可視性的應用軟件的統稱，把電腦編碼語言顯示為人類肉眼能夠識別的視覺元素。可分為基礎工具、轉換工具和瀏覽工具三種類型。基礎工具包括XBRLGL應用軟件、XBRLFR應用軟件、分類標準編輯軟件、實例文檔編制軟件等；轉換工具包括文件轉換軟件、版本轉換軟件等；瀏覽工具包括各種解讀、瀏覽、顯示功能的軟件。把傳統財務報告渲染為XBRL財務報告的過程通常并不借助XBRLGL應用軟件，而是通過XBRL規范直接將已經存在的財務報告信息轉換為XBRLFR。這個過程實際上是為審計實驗提供資料的過程，學生只有理解了此過程，才有可能在此基礎上實施審計模擬實驗。把傳統財務報告渲染為XBRL財務報告應遵守基本的會計業務處理的基本規則，如遵守會計等式或資產負債表平衡規則、資產負債表須列示資產（遵守邏輯，下同）、分類資產負債表須列示流動資產、資產負債表須列示股東權益，等等。
2.數據準備相關的審計實驗設計。
（1）教師準備。
一是上市公司數據。根據實驗的環節需要，選擇適當的上市公司數據。例如，在實質性程序的財務分析環節，可選擇收入、成本具有可比性的施工企業的數據。二是實驗軟件。教師個人往往無力采購正規的實驗軟件，況且即使有實驗軟件，學院或學校的實驗室也往往不能正常保障該軟件在局域網內的運行。因此，建議下載Fujitsu等主流XBRL軟件商提供的免費試用版軟件，安裝于學生的單機電腦中使用。三是理論、技術、規范等文本。在理論課教學中，向學生傳授XBRLGL和XBRLFR的基本知識、技術特點，并展示規范文本。四是上市公司實例文檔。下載與上市公司數據相應的上市公司實例文檔，以便檢驗實驗成果。
（2）學生準備。
一是傳統財務報告的編制。實驗前學生應回顧傳統財務報告的編制理論與方法，以實現對照比較的目的。二是對XBRL財務報告的理解。學生能夠理解XBRL財務報告是正確實施XBRL審計實驗的基本前提。三是對證監會監管要求的理解。系統回顧和理解證監會關于會計信息披露的要求。四是技術準備。包括熟悉XBRL相關軟件的使用、財務報告和其他會計信息的讀取、驗證與邏輯檢驗。
（3）實驗實施。
在教師的指導下，學生實施以下環節的實驗：XBRL相關軟件的安裝與試用；依據經濟業務資料，編制XBRL實例文檔；理解和運用XBRL分類標準，據以調整XBRL實例文檔；考慮和分析證監會的監管要求，進一步理解和運用XBRL分類標準；XBRL網上呈報。
三、審計實驗中XBRL信息的萃取
1.萃取工具。
萃取工具（ExtractionTools）是獲取XBRL呈報的會計信息并進行分析和使用的應用軟件的統稱。在審計實驗中，主要的萃取工具有：XBRL實例文檔瀏覽軟件、文件轉換軟件、版本轉換軟件、財務分析軟件、文件審核軟件和文件搜索軟件等。其中，各類轉換軟件的功能與渲染工具的功能是相同的。從XBRL數據庫中萃取信息，要注意檢驗信息的安全性和邏輯性。同時還要考慮其是否能正常應用于風險評估模型、舞弊識別模型、分析性程序和專業判斷模型之中（考慮這些模型的特點和要求）。
2.相關審計實驗的設計。
（1）教師準備。
一是上市公司環境描述。由于審計實驗無法重現公司環境和審計環境，因此描述文本對于學生理解實驗情境非常重要。二是上市公司XBRL數據庫（模擬）。必要時可向上市公司動員，爭取支持。三是審計軟件（數據萃取工具）。可從主流上市公司網站下載。四是審計模型準備。向學生提供主要的審計模型及其解釋文本。
（2）學生準備。
一是基本審計理論與方法的準備，尤其是取得對連續審計的理解。XBRL有利于實現連續審計，學生應先了解傳統審計與連續審計的聯系與區別。二是取得對審計模型的理解。通過教學回顧和審計模型展示，幫助學生在實驗中理解審計模型的涵義，掌握模型涉及的數據的獲取途徑。三是實質性程序。在實驗中掌握賬實核對等實質性程序的運用技巧。四是審計工作底稿。掌握審計工作底稿的編制要求。
（3）實驗實施。
1.彈性元件的虛擬模型根據導體材料的應變電阻效應，電阻的相對變化與應變之間的關系。為了獲得電橋輸出與載荷的關系，需要構建彈性元件的數學模型。電阻式傳感器的彈性元件結構有圓筒式、柱環式、懸梁式和輪輻式四種基本類型，各種不同的結構型式的彈性元件應變ε與載荷F的關系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環式彈性元件其中R0為內環半徑，b為柱環寬度，h為柱環厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l為有效長度，b為懸梁寬度，h為懸梁厚度，E為彈性模量。（4）輪輻式彈性元件其中b為輪輻條厚度，h為輪輻條寬度，G為剪切模量。將四種彈性元件類型設計在一個子VI中，通過操作“彈性元件類型”下拉列表進行選擇。
2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測量電路，整個電橋電路由四個橋臂組成，當橋臂接入應變電阻時則成為應變電橋。當有一個臂被接入應變電阻時，被稱為單臂電橋；兩個臂被接入應變電阻時則為雙臂電橋（也稱半橋）；四個臂均被接入應變電阻時則稱為全橋。在橋路中均未接入應變電阻時。
3.電阻屬性和接橋方式設計前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應變電阻和平衡電阻三種，應變電阻的貼片方式分為受拉應力和受壓應力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應變電阻和固定電阻。該屬性通過操作“R1”設置開關進行選擇。若R1為應變電阻屬性，其阻值會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR1以及因溫度變化產生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過操作“R2”設置開關可以選擇R2的屬性。若R2作為應變電阻，則會隨載荷F的增減而產生相應的ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。若操作“差動設置”開關，則可使R2的受力方式為受壓應力，從而會隨載荷F的增減而產生相應的-ΔR2以及因溫度變化產生的ΔR2t。R3，R4需要參與調平電路的設計，因此接線也會相對復雜。通過操作“R3”和“R4”設置開關對該電阻進行屬性操作。圖中出現的Rr顯示框為調零電路中的R5的右半部分與R6串聯然后再與R3并聯后的阻值。Rl顯示框為R5的左半部分與R6串聯后再與R4并聯后的阻值。（2）接橋方式的設計。虛擬前面板上的電橋工作方式分別為：不工作、單臂工作，半橋工作和全電橋工作方式四大類型。對于半橋和全橋方式，其中應變片又分為差動和非差動兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設置成固定電阻。該方式無論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時將R1設置為應變電阻，R2、R3、R4設置為固定電阻。此時，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應變電阻受拉應力，對應電阻值增大；如果應變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應變電阻受壓應力，對應電阻值減小。半橋非差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應變片受到相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。半橋差動工作時，R1、R2設置為應變電阻，R3、R4設置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對應的應變片受到拉應力和壓應力。全橋非差動工作時R1、R2、R3、R4屬性均為應變電阻，此時，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變為綠色。四個電阻上的箭頭方向一致，表明四個電阻受相同性質的應力，此時電橋輸出基本為零。全橋差動工作時，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應力。
4.溫度誤差計算及補償在討論應變計的工作特性時通常是以溫度恒定為前提的，但在實際應用過程中，工作溫度可能會發生變化，從而導致應變電阻的阻值發生變化。設工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應變電阻的相對變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計算出溫度變化時的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時，采用補償塊法進行溫度誤差補償，該方法利用兩塊參數相同的應變計R1、R2，R1貼于試件上并接入工作臂，R2貼于與試件材料相同溫度環境的補償塊上，但該補償塊不參與機械應變，同時接入電橋相鄰臂作為補償臂。當接通電源并施加負載時，補償臂產生的熱輸出與工作臂產生的熱輸出相同，則可達到溫度誤差補償的目的。對于半橋差動和全橋差動工作方式，根據公式（10）的和差特性即能進行溫度誤差補償。5.非線性誤差計算及補償公式（10）是對公式（9）進行線性化后的輸出。對于單臂工作時，非線性誤差可以通過在電路中加入補償臂（該臂不受外加應力作用）。對于半橋差動和全橋差動工作方式，不需要外接補償電路，因為差動工作方式具有很好的非線性補償作用。
二、虛擬操作面板的設計
用LabVIEW軟件開發虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實驗根據真實的電阻式傳感器實驗電路接線圖作為虛擬儀器的操作面板，能直觀地闡述電阻式傳感器實驗原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調零模塊、差動放大模塊、直流電源模塊。此外前面板還包括電阻、外力、溫度的賦值等。
三、遠程虛擬實驗的演示步驟
電阻式傳感器實驗的遠程操作分別由DataSocket技術與Web網絡工具來實現。DataSocket技術以及網絡化技術的結合使虛擬儀器的遠程控制成為可能，可在若干計算機上對傳感器虛擬實驗進行操作及數據處理。這為傳感器虛擬實驗的互動教學提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實驗的遠程操作過程如下：第一步，打開服務器網頁。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類型。第四步，設置接橋和布片方式。第五步，打開電源開關。第六步，調節調零電位計，直至電橋近似達到初始平衡狀態。第七步，點擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網頁，查看電橋輸出曲線。第十步，點擊服務器面板中的“復位鍵”，使所有選項、開關及輸入數據均清零和初始化。第十一步，關閉電源開關。
四、結束語
1．高中生物實驗設計遵循的原則
實驗設計要遵循實驗的原則。首先，實驗的設計要具有科學性，科學性原則要求教師在進行試驗教學的時候，要明確實驗的目的性，在選擇實驗材料的時候，一定要選擇具有科學性的材料、運用科學性的實驗方法、使用合理恰當的實驗原理。除此之外還要滿足高中生物學實驗的基本原則和原理。其次，實驗設計要嚴謹，在生物實驗進行時要保證實驗設計的方案沒有漏洞。最后，實驗設計要簡易，在進行實驗的時候，要保證實驗所需的材料能夠容易獲得，實驗的操作步驟簡單易懂，避免實驗所需時間過長。除以上幾點原則之外，還要遵循可行性原則、隨機性原則、可重復性原則以及實驗條件一致性原則等。
2．高中生物實驗設計的方法
高中生物實驗設計屬于探索性的教學活動，任何的探索都是從問題開始出發的，因此，教師在進行實驗教學的時候一定要重視引導學生去發現問題。在實驗開始之前，教師首先要確定就是要通過實驗來提出問題的假設，用實驗來解決問題，用實驗來得到正確的結論。由此可見，高中生物實驗的設計是高中生物學科的難點。教師在設計實驗的時候一定要引導學生去發現問題，讓學生對實驗感興趣，并且不斷的提出問題，在引導的過程中，激發學生的探索精神和學習興趣，集中學生的注意力，激發學生的求職欲望，以及鼓勵學生自我提問、學生與學生之間相互提問、學生與老師相互提問。除此之外，教師在實驗設計的時候，還要不斷地優化創新生物實驗的設計，在設計的時候教師一定要利用控制單一變量的原則來不斷地調整實驗的進行，這樣才能有效地培養學生的辯證思維和創新思維。只有做到了以上幾點，才能有效地保證高中生物實驗設計的科學性和有效性。
二、高中生物實驗的分析
高中生物實驗中，實驗結果的分析占有很重要的位置。教師在進行實驗分析之前，一定要給學生充分的思考時間，讓學生進行討論交流，使學生嘗試著去分析實驗的結果。將學生以小組為單位進行討論，讓學生自己去探索實驗的原理、步驟以及對實驗結果的分析。如此一來，不僅能夠提高學生的學習興趣，還能夠使得一些有困惑的學生能夠得到其他同學的解答后恍然大悟。對于學生一些較好的想法和提議，教師要給予及時的鼓勵和支持。實驗結果一般都可以觀察和測量的實驗現象，在生物實驗中出現的真實狀況，是獲取實驗結論的重要依據。假如教師所做的生物實驗屬于驗證性實驗，那么結果是唯一的，同樣結論也是唯一的。假如教師所做的生物實驗屬于探究性實驗，那么結果就不再唯一，且每一個結果都將得到一個結論。一般高中生物實驗結果的分析，問題出現最多的實驗就屬探索性實驗，通常表現的情況有以下幾種:首先，實驗的結果與實驗的結論不一致;其次，教師在進行實驗分析的時候不全名，沒有正確且準切的分析實驗結果出現的各種可能性;最后，教師在實驗分析時語言表達不準確，甚至出現結果與結論顛倒的現象。通常生物實驗結果分析使用的語句都是“如果……那么說明……”首先闡述實驗的結果，然后再闡述得出的結論。
三、結束語
綜上所述，高中生物實驗重視的不僅是實驗的技能，更注重實驗的設計和分析，尤其是在近幾年的高考中，實驗設計和分析出現的相對頻繁，并且所占的比例和分數也逐漸呈上漲的趨勢。因此，教師在平時的教學過程中，一定要重視實驗的設計和分析，對于實驗過程中學生提出的一些好想法和意見，教師要給予及時的鼓勵和支持。
由于目前中小學的課時量、實驗儀器和藥品數量的限制，使得教材中的很多實驗學生無法親自動手完成，只能由教師來做演示實驗，極大地影響了學生的動手能力和創造能力。而微型實驗的出現則可以改善上述的癥狀。尤其是新課改之后，教學方式、教學內容的變化，給實驗教師帶來了一定的挑戰性。倘若課堂上依然完全采取教師講、學生聽的方式，便無法提高教學質量，使教學停滯不前。尤其是在實驗教學方面，不能自己動手操作，就會永遠走一條既成的老路，無法實現創新。而且常規的實驗會需要更多的藥品和儀器，同時造成環境的污染。因此，在中學化學實驗當中逐步實施微型實驗，節約資源，提高學生的創造力是相當有必要的。
二、微型化學實驗的特色和實施的必要性
微型化學實驗儀器具有不易破碎、小巧便攜、使用方便等特點，使得無論是學校還是個人都有能力去創建自己的“微型實驗室”，這就為化學實驗課堂教學的改革提供了方便與可能。實踐證明，微型化學實驗在教學中的實施概括來說主要有以下特點：過去的課堂實驗基本上被演示實驗所占據，學生們處在一種“被動接受”知識的狀態中，而微型實驗使得大多數學生都有機會自己動手參與，使得啟發式的教學方法能夠得以實現；微型化實驗具有安全性和節約性的特點，教師可以放心地讓每一個學生獨自動手實驗，親自動手實驗的方式可以促進學生理解和形成化學概念，幫助培養學生實驗觀察和動手能力，同時，極大地促進了學生對于化學實驗興趣的培養；方便了實驗室分組實驗、家庭小實驗尤其是隨堂實驗的展開，培養了學生既動手又動腦、理論聯系實際和解決實際問題的能力，尤其是對于資源條件較差的農村中學，微型實驗的實施對其影響頗深；有利于減少廢氣、廢液以及固體廢品的排放，改善實驗室環境、降低空氣污染，減少對師生健康的損害。具體來說，微型實驗可以：
（一）改進演示實驗，激發創新
演示實驗是課堂教學中最直接、最便捷的一種的實驗教學方式，是探索新知識、學習實驗操作和技能的最基本途徑。因此教師在做課堂演示實驗時，對課本的中實驗進行了合理的微型化改進。如：做“木炭還原氧化銅”實驗時，常常會出現現象不明顯，反應時間較長的現象，影響觀察和判斷，其中碳和氧化銅的質量比需要控制在（9~13）：1的范圍內，倘若比例過高，氧化銅不能完全反應；比例太低，碳粉的量遮蓋了銅的顏色，現象不易觀察。對于此實驗，可以做如下改進：為了減少實驗時間，可以在實驗開始之前將碳粉和氧化銅粉末混合均勻，調成糊狀。取少許均勻涂抹在試管底部內壁上，待晾干后，進行還原實驗操作。因為反應物的量非常少，所以加熱較短時間就能觀察到試管內壁紫紅色銅鏡的出現。改進后的實驗節約藥品、現象明顯，有利于激發學生的創新能力，培養其創新的意識。
（二）設計分組實驗，培養學生的創新、合作精神
設計分組實驗不僅可以幫助學生形成概念、鞏固知識、培養技能，更能訓練其團結、合作、互助的精神。在實驗課堂上，一個合理有效的分組實驗，能幫助大家節約資源、節約時間。如”二氧化碳氣體的制取“實驗，教師可以將實驗分為4個小組：通過上述分組實驗探究，學生可以找出二氧化碳氣體制取的最佳方案，并且能夠舉一反三，了解到其他制取方案的優劣性。
（三）展開家庭興趣小實驗，培養學生實驗興趣和實踐能力
實驗課中的教師演示實驗和學生分組實驗，畢竟時間、儀器、藥品選擇有限，不能夠讓每一個學生的興趣和個性得以激發，課堂中的實驗更多的是訓練學生的實驗方法和實驗思維。此時，家庭興趣小實驗便可以提供廣闊的空間，學生可以依照自己的興趣愛好，進行獨立的微型實驗設計。首先，提出方案設計，通過查閱資料、選擇藥品和儀器，現象觀察與記錄，結果的交流分析等。整個實驗過程中，都是由學生來主導的，體現了自己的主觀能動性。如“紙杯燒水”實驗——水的沸點是100℃，加熱沸騰后只吸熱，溫度不再升高，而紙的著火點在150℃以上，所以水可以燒開，紙卻沒事，這樣的實驗材料選擇非常簡單，容易操作。又如”變胖的雞蛋“——醋酸和雞蛋殼的反應，雞蛋殼的主要成分是碳酸鈣，醋酸的主要成分是酸，所用物品在生活中隨處可見，獲取容易，生動有趣，現象明顯易觀察。反應原理是：蛋殼消失是因為與醋酸發生了反應，被溶解，從雞蛋中冒出來的氣泡，則是反應生成的二氧化碳。
