科学小实验及其原理篇1
关键词：小学科学；地球与宇宙；模拟实验
小学生认知能力和抽象思维能力还不够成熟。小学科学地球与宇宙领域知识相对抽象，不利于学生的理解和内化。开展模拟实验能够将抽象的知识形象化，有利于学生科学思维的发展和科学概念、知识的建构。
一、模型建构
教师在建构模型的过程中应当尽可能地符合实际，贴近原型和学生实际，以小学生认知特点为基础，在模型材料、结构及形态等方面要尽可能地还原模型，以此来更好地帮助学生建立原型与模型之间的类比关系，从而实现小学生科学概念的建构[1]。对小学生来说，地球与领域的知识相对抽象，建构贴合实际的模型能够实现抽象向具体、陌生向熟悉的转化，从而更好地帮助学生内化知识。
在“昼夜交替现象模拟实验”中，教材中可以用乒乓球来对地球进行模拟，用手电筒来对太阳进行模拟，乒乓球与手电筒都贴近学生的现实生活，但用乒乓球模拟地球并不十分直观。针对这个问题，教师可以进行一定的创新，“昼夜交替现象”这一单元内容是沿着古人的足迹去探索地球的运动特点，教师可以将地球仪上的“小地球”拆下来，利用南北极的孔选股在竖直回形针上，在实验的构成中，学生可以捏着回形针来灵活控制“小地球”转动，所建立的模型更加贴近地球原型。此外，教师可以将手电筒上的灯罩取下，保证手电筒的光向四面八方照射，以此来贴近太阳原型。经过上述处理后的原型不仅直观形象，且贴近原型和学生生活，更便于学生对知识的理解和内化。
二、模拟实验的设计
1.兼顾纵横
教师在小学科学地球与宇宙领域模拟实验设计的过程中，要兼“顾”“纵”“横”，提升教学效率，其中“纵”指的是模拟实验设计各个环节要紧凑，环环相扣，“横”指的是实验设计的任务分工要保证合理性。地球与宇宙领域中的模拟实验相对复杂，学生不仅要运行各个“天体”，还要观察和记录实验现象，有时需要同时进行两个动作，这对小学生来说是不小的挑战。针对这个问题，教师可以引导学生进行任务分解，将分解后的小任务合理分配给各个小组成员，让小组成员各司其职，从而提升模拟实验的时效性。
2.把握细节
对小学科学课来说，在模拟实验的过程中要注重对实验操作细节的把握，保证模拟实验的科学性和规范性。教师在模拟实验设计的过程中应当为学生做好示范，讲解需要注意细节，避免实验失败。
三、模拟实验的操作
1.组织到位
在模拟实验中，在教师的引导下，学生大多能够合理地设计实验计划，但在具体操作的过程中，往往会出现各种各样的问题，这就需要教师做好组织工作，让学生按照规范的实验设计进行实验操作，同时教师要注意各个小组的实验进程，加强把控，引导实验的正常进行。
2.实验记录单的设计
小学生有着认知水平和表达能力较低的特点，且课堂时间有限，这就需要教师设计简单明了的实验记录单，便于学生看懂和记录实验结果，如可以采取判断、选择或填空等简单的方式让学生进行记录。
四、模拟实验的结果推理
1.类比推理
对小学科学地球与宇宙领域的模拟实验来说，其主要研究对象为地球与宇宙领域中的原型。因此，得出模拟实验结果并不是目的，重要的是要通过类比的方式揭示原型的规律和性质，以此来促进学生对知识的内化，从而实现科学概念和知识的建。
2.自主建构
对小学科学来说，其科学概念、知识的建构是一个思维加工过程，其中涉及分析、类比、概况、推理等各个思维环节，通过抽象向形象的转换，学生能够从感性认识提升到理性认识，从而提升学生科学思维能力[2]。在此过程中，教师应当注重学生科学概念与知识建构的自主性。如果教师代替学生将相关概念和知识讲述出来，模拟实验教学的开展则变得没有意义，不利于学生科学思维的培养。因此，教师应当发挥引导作用，引导学生通过交流和讨论发散思维，自主建构科学概念和知识。
综上所述，小学科学地球与宇宙领域模拟实验的开展是一项系统性的工程，教师应当对各个环节加以把握，注重细节，做好引导和组织工作，保证实验的有效性。
参考文献：
[1]韩慧.小学科学地球与宇宙领域模拟实验的教学功能研究[D].北京：首都师范大学，2014.
科学小实验及其原理篇2
探究教学是我国新一轮课程改革所大力倡导的一种教学方式。它对于促进学生主动建构知识、提高学生探究意识和探究能力、培养学生对科学的正确态度等方面都起到重要的作用。
在高中物理教学中,大部分教师对探究式教学进行了积极的尝试,在一定程度上促进了学生学习方式的转变,但同时也暴露出了一些问题。产生问题的原因是多方面的,其中最主要的一点是大部分教师没有理解科学探究的精髓,对探究式教学的认识只停留在操作层面,认为探究课就是引导学生进行实验,把探究教学的要素当成探究教学的步骤。这些错误的理解致使探究教学课堂效果不理想,不能达到提高学生科学素养的目的。学校和教师受传统教育的影响,普遍存在着重理论轻实验的思想;实验教学模式僵化,物理实验教学的基本原则没有充分体现,教学方式呆板;学生对基本测量仪器的使用不规范,学生动手操作能力差,以“背”实验结论代替实验操作。
实验教学是物理教学中的一种重要手段,它不仅使学生直接地形成物理概念掌握物理规律,而且对学生实验技能的培养起着决定性作用。但目前实验的教学还比较普遍的存在一个误区:教师先演示给学生看,然后把原理、结论讲给学生听。这种教法的最终结果必然造成学生处于被动地们位,教师的主导作用和学生的主体作用未能有机结合。
怎样才能把课堂教学与素质教育要求的探究性学习、发现性学习和自主性学习相结合？在大力倡导探究式实验教学的今天,迫切需要大量优秀的、具有创新性的探究实验来丰富我们的课堂教学,为此,我们立足农村高中对探究式实验教学作一些有益的探索。对于学生较为深入地学习物理实验的相关理论、方法、技能:进一步提高学生的实验素养,激发学生实验探究的兴趣;增强学生的创新意识;培养学生实事求是、严谨认真的科学态度;养成交流与合作的良好习惯;发展学生的实践能力,具有非常重要的现实意义。
2几点对策
2.1正确把握“开放”与“收敛”的“度”,选择和设计合适的探究点
在对某一知识内容的实验教学设计中,可选择某个环节作为探究点,予以“开放”;其余的环节相对淡化,这个淡化就是指强化有意义接受学习的成分,采用讲授或质疑应答方式予以“收敛”。但从中学生学过程来看,其科学探究能力还是能均衡地得到培养和提高。至于对某个探究点的实验设计,我们可通过教材文本、物理学史料、方法论、现有的经验和资讯中寻找和制定适合现有教学对象的,符合现有学校教学资源条件的多种的、可供选择的方案。
2.2创设能适度调控探究活动方向与水平的实验情景
情景不但可以激发兴趣、引发问题、引导思考,在现代课堂教学中,还具有诱导与调节探究活动的方向与水平的功能。下面以研究气体压强与体积的关系这一节课的引入所创设的两个情景为例证。
情景1:注射器实验;情景2:吹气球游戏。
实验:(1)用手推压针筒活塞后放手。
(2)用手拉拔针筒活塞拉开距离放手。
问题:(1)在推(或拉)时,手有什么感觉？同时观察到针筒内气体如何变化？
(2)由此你对针筒内气体的压强与体积的变化及其关系作一推断吗？
实验:用两个可乐塑料瓶,在瓶中各反套一个气球(其中一个瓶底有洞),二人比赛用力吹气球。
问题:为什么比赛结果是使劲吹气的大男生反而不吹不大？(展示两个瓶底)你们发现吹气球的条件有什么不同呢？能作一个解释吗？
很显然,上述二个情景都可能推断出一定量气体的压强与体积的定性关系,但推拉注射器活塞情景能直接观察与体验到筒内气体p.v的变化关系,推断较容易;而吹气球游戏有一定的悬念,能唤起学生探究的兴趣,可是,推断分析较难,学生往往不容易发现研究对象是瓶内封闭气体。究竟取哪一个实验？问题应怎样铺垫才是最有效的,只能视教学对象的实际水平做出选择了。
2.3进一步开发与拓展数字化实验系统与原有实验整合的功能
运用传感器、数据采集器和计算机作为中学物理实验探究的工具,无论在测量精度上、数据采集的速度上,以及函数图象处理的功能上,与原有实验的测量工具相比,其先进性与不可替代性是显而易见的。但目前从构成实验探究所需的配套装置而言,就显不足和捉襟见肘了。因此,有效的办法是:(1)将原有实验数字化,如自由下落过程中底部有孔的水瓶的失重现象瞬即消逝,很难观察,改用DV摄成视频,慢放显示,效果就非常显著;又如用原有实验中的秒表、刻度尺、单摆等装置研究其周期t与摆长L的关系,可将已采集的数据输入计算机由excel软件来处理,立即就能获得数学表达式与函数图象,得出结论。(2)将DiS实验系统与原有实验资源整合,以拓展数字化实验系统的功能。如教材中关于机械能守恒定律的实验设计是以DiS实验系统与单摆的装置配套完成实验验证,而现在我们可以形成新的组合,利用位移传感器和数据采集器采集小车在不同表面(粗布面、细布面、木板面)上滑下时各点的高度h与速度v,并由计算机转换与能与机械能随位移变化的图象,以及小车在粗糙程度不同的表面上滑下时,其机械能随位移变化的图象,以及小车在粗糙程度不同的表面上滑下时,其机械能随位移变化的图象。
此时,可组织学生讨论,运用外推的方法,得出在无摩擦阻力的情况下,且只有重力做功时,物体的机械能将守恒的推论。上述整合方式产生的积极效果表现在物理规律的形成更有其内在合理性,学生对科学方法的运用和认识更深刻。
2.4做好课外小实验、小制作,培养学生的探究能力
在教学中要联系教材,引导学生做一些与教学内容有关的小实验、小制作。用学生熟悉的生活用品做实验,在完成小实验、小制作的过程中,学生必须弄懂实验原理,寻求合适的器材,进行部分加工、组装,在操作过程中不仅培养学生的动手能力,更重要的是培养了学生的创造性思维。例如:在学完托盘天平后,可要求学生利用均匀的小木条或直尺、瓶盖、铁丝、橡皮泥、细线等自制一架简易天平,用它来测量一些物体的质量,并与标准质量进行比较。在小实验、小制作过程中,应培养学生做“一物多用”的实验,充分发挥学生的创造能力。如用一次性针筒就能做中学十几个实验,杨振宁教授说:“自制的仪器永远比买来的好”。
3探究式实验教学的设计原则
3.1探索性原则
探索性原则是指:设计的实验所包含的物理规律要较隐蔽,实验的条件和结论之间要有较大的距离,解决问题的方法和途径要较模糊,学生需要通过自身的思考才能有新发现。
3.2科学性原则
科学性原则是指:设计的实验不出现科学性错误,并且具有科学思想和科学方法方面的教育因素。整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离科学基本知识和基本原理以及其它学科领域的基本原则。科学性是设计实验成功的前提。
3.3简易性原则
简易性原则是指:实验的装置要力求结构简单,操作方便,实验现象和变化过程明显,测量的数据精确,实验误差应在允许范围内,以便于学生在实验观测的基础上,集中注意力进行思考分析,比较总结,探究规律。设计的选题要尽可能与日常生活实际相联系,实验的原理要尽可能在高中物理范围之内。
3.4趣味性原则
趣味性原则是指:探究性物理实验的设计要充分考虑学生心理特点和认知水平,实验设计要行动、有趣,能使学生在进行实验探究时,自始至终保持很高兴趣。
3.5发展性原则
发展性原则是指:设计的探究性物理实验应具有促进学生智力和非智力素质的功能。一个设计良好的探究性物理实验不仅应该针对学生心理发展的“现有水平”,更重要的是要针对学生心理发展的“最近发展区”;不仅应该构建起良好的知识结构,包含着促进学生智力发展的知识信息,而且应该营造起亢奋的心理环境,蕴涵着促进学生非智力素质发展情感信息。
3.6主体性原则
主体性原则是指在中学物理探究性实验教学设计过程中要充分注重学生主体发展,充分发挥学生主观能动性的原则。今天“学生主体、教师主导、发展主线”的“主体性教育”思想己被许多教育工作者所接受。因而,应该从学生的全面发展和个性张扬方面考虑组织、选择和设计教学。
3.7开放性原则
在当今科技日新月异,学科知识相互交融,教学内容不断更新的时代,物理实验探究式教学也应是一个开放的不断发展的动态系统。因此中学物理探究性实验教学设计过程应遵循开放性原则。在物理课堂教学中,教师可引导学生像科学家那样,把已知的知识当作未知的来探索,把前人做出的结论设计成一个个发展学生思维能力的探究课题。也可以启发学生对课堂教学中的疑难、实验中的异常、社会生活中的有关物理方面的疑点、热点问题进行探索。让学生通过想象、设计、实验、观察、分析、讨论、评估等步骤获得科学结论,体验领悟知识形成的过程,训练科学研究方法,这就是科学探究性的基本思想。
物理教学离开了实验探究将是无源之水,无本之木。对于一些难以说清道明的概念和规律,往往是千言万语说不清,一看实验便分明。我想只要物理老师注意观察生活,扩大视野,注意收集,是可以很好地做到的。
参考文献
[1]任长松.探究式学习-学生知识的自主建构[m].教育科学出版社,2005,76.
[2]熊士荣.科学探究学习教学实施的研究[J].教学研究,2008,31(4).
[3]丁玉祥.中学物理实验教学目标的分类测量与评价体系[J].教学仪器与实验,2001,12.
[4]廖伯琴.物理探究式教学设计与案例分析[m].北京:高等教育出版社,2003:15～52.
科学小实验及其原理篇3
在新的课程体系之下，《普通高中物理课程标准（实验）》中对普通高中的性质、理念和培养目标进行了重新定位，对普通高中的课程结构及其价值取向进行了整合和调整。这次物理课程改革的主要内容之一是：提出课程实施上注重自主学习，提倡教学方式多样化，并特别强调了科学探究的重要性。
但是，无论是作为学习目标，还是作为教学模式，科学探究对于中国教师和中国学生都比较陌生。除了观念上的原因之外，更主要的原因就是教师对科学探究的模式在运用上还不够成熟，不能从三个维度的培养目标上整体把握，不善于促进学生的自主学习和探究活动，这样就难以进行教育的创新和促使学生的良好成长。所以，科学探究的教学模式该如何付诸实施、加以运用，需要有人摸索出切实可行的内容、条件和方法的指导，以提高科学探究的质量，并把探究活动的方式引向多样化。
二、几种常见课型的科学探究教学模式的运用
根据高中物理学科及物理教学的特点，物理教学中的探究主要分为实验探究和理论探究，下面主要从实验探究方面展开。
1.演示实验的探究
1.1导入新课设计演示，感受科学探究
导入新课的演示实验应该使学生通过观察与思考，有所发现、有所联想，感受科学探究，萌发或提炼出科学问题，体现“提出问题”和“猜想与假设”等科学探究的要素，以利于新知识的构建。因此我总结出这样一种模式：
具体应用在动量定理一节的导入中如下：
（1）演示实验，创设情境
让一个生鸡蛋从高处下落到一个海绵垫子上，学生发现鸡蛋反弹起来，并未摔碎，兴趣大增。
（2）师生合作，提出问题
引导学生提出问题，鸡蛋为什么在地板上容易摔碎而在海绵垫上不容易碎。
（3）大胆猜想，合理假设
学生猜想：地板对鸡蛋的冲击力大，海绵对鸡蛋的冲击力小。
教师引导猜想：两者还有哪些不同。
学生进一步猜想：地板与鸡蛋的接触时间短，海绵与鸡蛋的接触时间长。
学生合理假设：接触时间可能影响冲击力大小。在此基础上引出新课动量定理。
在高中物理的新课导入中，许多课都可以采用这种模式，如：自由落体运动、曲线运动、平抛物体的运动、向心力向心加速度、反冲运动火箭、简谐运动、波的形成和传播等。在这种导入新课的教学模式中，着重突出科学探究的两个要素：提出问题、猜想与假设。在提出问题环节中，着重培养学生发现物理问题和从物理学角度明确表述问题的能力。在猜想与假设环节的实施中，应该让学生反复经历假定和解释这两个过程，这是一个非逻辑思维和逻辑思维反复交替的过程，能很好地发展学生的发散思维和逻辑思维能力。
1.2形成概念探索规律设计演示，体验科学探究
在对多年的教学实践进行总结之后，我总结出在规律教学中设计演示实验，进行科学探究的一种模式：
例如，在《安培力磁感应强度》一节的探究过程如下：
（1）提出问题，猜想假设
诱导提问：安培力的大小可能跟哪些因素有关？
学生猜想：可能跟电流强度、导线在磁场中的长度及在磁场中的位置等有关。
教师诱导：假设与这些因素有关，我们该采用什么方法进行验证呢？
学生回答：控制变量法。
（2）制定计划，设计实验
学生活动：小组成员合作制定计划，设计实验原理，绘制原理图，列出实验步骤。
（3）交流讨论，优化方案
交流：各组简要说明实验原理和步骤。（屏幕给予投影其原理图）
讨论：经讨论，优化选择出两个方案。一个是定性方案，与课本中演示实验相似；另一个是定量方案，其原理是通过弹簧秤测量拉力，根据平衡条件求出安培力的大小。这两个方案都采用了控制变量的方法。
（4）进行实验，收集数据
定性实验方案演示；之后进行定量实验方案演示：弹簧秤读数几乎不变，无法读出其差异。
（5）分析论证，得出规律
分析论证：方案一采用了间接测量的方法，它满足“理论上成立，实际中可行，实验现象清楚，简便易行”这一优化原则，但它的缺点是只能定性不能定量；方案二采用了直接测量的方法，理论上成立，且很有创意，但由于安培力太小，弹簧秤灵敏度差，实际中不可行，需要改进。如果弹簧秤换为拉力传感器，并与微机结合就是现在比较先进的数字化传感系统实验室DiSLab。如果采用很精密的DiSLab实验装置，就可得到定量结果。
在高中物理教材中，为探索物理规律而设计的演示实验同样适用于这种探究模式的还有：牛顿第二定律、向心力向心加速度、电荷库仑定律、电容器的电容、电阻定律电阻率等。在这些课的演示实验探究过程中，着重突出科学探究的两个要素：制定计划与设计实验、交流与合作。通过这两个要素所达到的能力要求：知道实验目的和已有条件，制定实验方案，尝试选择实验方法及所需要的装置与器材，考虑实验的变量及其控制方法，认识到制定计划的作用。在合作中注意既坚持原则又尊重他人，有合作精神，认识到交流与合作的重要性。
2.学生实验的探究
学生实验分为探究性实验和验证性实验，现把探究性学生实验教学模式总结如下：
例如，在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验教学中运用此模式的过程如下：
（1）提出问题
如何来描绘小灯泡的伏安特性曲线，即小灯泡的i-U图像。
（2）理论探究，设计实验
学生理论探究：必须测出小灯泡在不同电压下的电流值，所以需要电压表和电流表以及它们的连接方法。怎样获得不同的电压值，就需要设计变阻器的连接方法。
设计实验：学生根据分析设计实验原理图，得到了四种不同的方案。
（3）小组讨论，优化方案
小组讨论：学生四人一组展开讨论，分析不同方案的特点和适用条件，误差来源等。
优化方案：经讨论，认为因小灯泡为小电阻，所以利用伏安法的外接法误差较小，可排除两种方案。
（4）分组实验，收集数据
学生分成几个小组，各小组分工合作，分别按照方案1和3进行实验，学生自己设计表格、记录数据。
（5）分析论证，交流评估
分析论证：各小组建立i-U坐标系，分别根据方案1和3的数据在坐标系里描点并用平滑曲线连接。
交流评估：各小组之间交流不同方案下的图线的差异，分析优缺点。发现方案1的电压电流读数范围广，分布也较均匀；而方案3的读数范围要小得多。对比得出方案1为最优方案。
科学小实验及其原理篇4
【关键词】生物实验专题复习
一、明确《考试大纲》对实验的要求把握高考实验题的特点
近几年高考题目侧重能力的考核，考学生设计验证实验的能力，考学生分析实验的能力，考学生初步探究实验的能力，也考察学生评价试验的能力。
高考实验题的特点：以教材中的实验为基础（包括教材内容中介绍的传统实验），考试内容和形式多元化，包括验证性试验、探究性试验、模拟实验及调查实验等。
二、把握实验设计的基本概念和原理
（一）什么是实验
依据假设在人为控制条件下，对实验变量的变化和结果进行捕获和解释的科学方法。
（二）试验中的变量
1.变量的种类与相互关系
实验变量（自变量）：实验中实验者操纵、给定的因素和条件。反应变量（因变量）：指实验中由于实验变量引起的变化和结果。二者关系是因果关系，实验变量是因，反应变量是果。
无关变量（控制变量）：除实验变量以外，影响实验变化和结果的因素和条件。额外变量（干扰变量）：由无关变量引起的变化和结果。例如：在利用生长素促进枝条扦插生根实验中，设定的生长素的浓度为实验变量；枝条生根情况为反应变量；除生长素浓度外，如：温度、空气湿度等、影响枝条生根的因素为无关变量；有一系列无关变量引起的枝条生根情况的变化叫额外变量。
2.变量的控制
排除对研究对象的干扰——减法原理。设法对研究对象是假干扰——加法原理。二者本质是相同的，都是为形成单一实验变量。例如：为证实“Co2是光合作用合成有机物必需原料”实验中，用两个大小适当的玻璃罩罩住一株正常的盆栽植物，其中一玻璃罩中放一杯naoH，一玻璃罩放一杯蒸馏水。本实验中变量的控制利用的就是减法原理，naoH吸收了玻璃罩中的Co2作为条件对照，从而验证了Co2是光合作用合成有机物的必需原料。
实验设计方法步骤时，首先向培养皿倒入适量的水，将等量的种子分别放入两组培养皿中，将一组置于黑暗中作为对照，另一组采用加法原理置于光照下，同时，使两组所处温度、水分、空气状况适宜且相同，做到控制无关变量和额外变量，形成有光、无光单一变量。
（三）实验设计的基本原则
1.科学性原则
所谓科学性原则：是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期要有科学依据，实验的各个环节都不能偏离生物学基本知识及原理。包括实验原理的科学性、实验材料选择的科学性、试验方法的科学性及实验结果处理的科学性。
2.重复性原则
任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确科学。
3.对照原则
对照原则是中学实验设计最常用的原则，通过设计对照，即可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。
4.单一变量原则
实验过程中必定保留一个实验变量，排除无关变量和额外变量的干扰。如在“探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”的实验中，加入的淀粉和蔗糖是单一变量，而加入的淀粉酶的量、反应温度、pH等则应控制成相同条件（常量），否则这些因素的差异将作为无关变量，干扰试验的结果及对实验结果的分析。
5.简约化原则
能用最少的材料、用具和最少的实验步骤，就能达到实验目的，体现了简约性原则。转贴于
三、重视教材中的实验
1.将教材中的实验按性质分类
观察类：如“利用高倍显微镜观察叶绿体”“观察细胞质的流动”“观察植物细胞的有丝分裂”。验证类：如“叶绿体色素的分离与提取”“Dna的粗提取与鉴定”“观察植物细胞的质壁分离与复原”。探究类：如“比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率”“温度对酶活性的影响”。设计类：如“植物向性运动的试验设计和观察”“设计并制作小生态瓶，观察生态系统稳定性”调查类：“调查人群中的遗传病”“种群密度的取样调查”“调查环境污染对生物的影响”。
2.深化解析教材中的实验内容
包括理解实验目的、原理、方法、和操作步骤，掌握相关操作技能，并能将其综合运用。
3.教材中实验的综合与分析
例如：下面是以小麦为材料所进行的实验，请回答有关问题：
（1）将发芽的种子研磨液置于试管中，加入班氏试剂，并________，试管中出现红黄色，说明发芽的小麦种子中含有________。
（2）在盛有10ml13%过氧化氢溶液的试管中，加入新鲜的发芽的小麦种子研磨液时，试管中有大量气泡形成，将点燃的卫生香插入试管，火焰变得明亮，这个实验证明发芽的小麦种子中含有________。
（3）利用小麦叶片进行“叶绿体色素提取与分离”实验时，将盛有叶绿体色素提取液的试管经静置后置于透射光和反射光下，依次呈________、________和________。
（4）小麦幼根吸水能力最强的部位是区________，用显微镜观察此区的徒手纵切片，可见到该区已分化出木质部，其中输送水分的是________。
四、分析经典实验
主要包括：酶的发现、光合作用的发现、生长素的发现、Dna遗传物质的发现、C4植物的发现。因为经典实验的一些实验原理、实验方法、巧妙的步骤设计及实验结果统计和处理，在一些高考试题得到体现。
例如：（2005年上海高考）萝卜储藏根组织细胞中是否存在蛋白质和Dna？某生物小组对比进行研究，从网上查阅资料得知：①蛋白质在10%naCi溶液中可沉淀析出；②在蛋白质溶液中加入双缩脲试剂，溶液呈现特有的颜色；③Dna溶于10%的naCi溶液但在95%酒精中呈现呈白色絮状沉淀，析出。
实验材料：白萝卜
实验用具：粉碎机、烧杯、漏斗、试管、滤纸、玻棒、镊子、玻璃片、天平、纱布。
药品及试剂：蒸馏水、naCi、95%酒精、甲基绿试剂、双缩脲试剂、蛋白质标准样液。
科学小实验及其原理篇5
一、有效联系实验目的，提升实验效果
小学科学小学阶段重要学科之一，而且，在小学科学教学中经常会涉及很多实验，实验教学的开展更有益于小学生深入理解小学科学相关知识，因此，要保证小学科学实验开展的有效性、全面性。笔者认为，小学科学实验的开展必须要有效联系实验目的，才能更好地提升实验效果，整个实验中都为学生渗透相应方面的内容，为良好地开展小学科学实验打下良好的基础。例如，在小学科学《螺丝刀和螺丝钉》一课教学中，教师可以将日常所见螺丝刀和螺丝钉的实物拿到课堂中，让学生用心去观察，并分析两者之间的关系，如何使用等，整个实验的目的不仅仅是让学生更好地认识螺丝刀和螺丝钉，更注重的是将学生的学习与生活际联系到一起，不仅可以丰富学生的实验学习内容，同时也能够调动学生的学习热情，切实提升小学科学实验效果。
二、联系已有的知识，有效开展抽象性实验
众所周知，小学科学教学中会涉及很多抽象知识，这些知识很难被学生所理解。以往主要通过实验的方式加深学生对抽象知识的学习和理解，但由于实验效果不好，未能将抽象知识有效地表达出来，也依旧使学生对知识的理解蒙上一层白雾。大量的研究发现，产生这种现象的主要原因是在开展小学科学实验教学时，未能结合学生已经学习到的知识展开实验教学，从而影响到实验教学的整体效果。因此，在新课改下，小学科学实验教学的开展，应充分联系已有的知识，才能更有效地开展抽象性实验，保证实验的顺利进行，同时也提升学生对实验的理解程度。
三、重视实验人和物之间的联系
小学科学实验过程中会涉及很多物体，而且实验与人的操作有着直接的关系，因此，要提升小学科学实验教学质量，则必须重视实验中人和物之间的联系。如，物与物之间的联系，人与物之间的联系，人与人之间的联系，其中物与物之间的联系主要体现在小学科学实验中所应用的材料、工具等之间的联系，实验模型、实验条件的联系能够充分体现出实验的现象，更能体现出小学科学实验的意义、技术以及技能的价值所在。当然，在进行小学科学实验教学过程中，学生通过考虑物与物之间的联系，对促进实验的顺利进行以及更深层次的认识实验也有着极大的作用，从而提升学生的学习效率。人与物之间的联系，主要考虑到实验人员如何操控实验工具、材料等，其所达到的目的也有所不同，而人与人之间的联系，则主要体现在生生、师生之间的联系，通过学生与学生之间的相互交流、评价，以及学生与教师之间的探讨交流等，来对整个实验过程进行总结分析，了解自身的不足，达到相互学习的目的。小学科学实验中教师必须重视人与人之间的联系，这样才能更好地培养学生与人合作、乐于实验、尊重争取、追求真知以及正确的价值观、态度观。
四、结合实验模型联系实验变量
除了以上所提到的树立联系观点之外，在小学科学实验教学中，还应结合具体的实验模型联系实验中所涉及的各个变量，并分析各个变量之间的关系，才能更好地发现实验中存在的不足，更有利于学生深入理解实验的内涵。变量是小学科学实验中最常用的代名词，主要受到实验环境的影响，如，应变量、自变量、控制变量等，这些变量在整个实验模型中都有着相互之间的联系，而且在实验环境的影响下，如果一个变量发生变化，那么其他的变量也会相应发生变化，而在这个过程中，教师应引导学生重点思考变量变化的原因，以及相关的影响因素等，并寻找各个变量之间的联系，利用自己实验以及变量的理解去区分各个变量。例如，实验中所涉及的自变量又被称之为操作独立变量，在整个科学实验中该变量可以由实验人员自由控制变量的量，但同时也会影响到实验的结果。其中所提到的应变量又被称之为反应变量，实验中的变化主要随着自变量的变化而变化，如果学生在实验过程中能够搞清这些变量之间的关系，对加深学生对实验知识的理解以及提升小学科学实验教学质量有着极大的作用。
科学小实验及其原理篇6
关键词 传感器原理与技术 教学改革 地方院校
随着科学技术的迅猛发展和地方经济的高速发展， 社会对应用性创新人才提出了新的要求，这同时也对高等教育，尤其是地方高校的教育和教学改革提出了要求。五邑大学作为珠三角地区的地方高校，其定位是服务于地方经济、为地方经济发展培养人才，其毕业生主要是面向地方，直接到地方企业就业。因此，如何满足企业和社会对应用性创新人才培养提出的更高要求是地方院校人才培养面临的主要任务。
传感器被广泛应用于现代测量、控制、自动化技术以及航空航天等领域，因此“传感器原理与技术”往往被列为信息、机电和物理等专业的必修课程。该课程作为一门综合型多学科交叉课程，涉及的知识面较广，包含物理、材料、电路、计算机、控制、工艺以及误差理论等方面的知识。因此，具备扎实的理论基础和多学科的综合知识是学习传感器的基础。另一方面，“传感器原理与技术”这门课程的应用性非常强，直接面向传感器的生产和使用。然而，对于地方院校而言，由于受到经费等方面的限制，其实验室建设往往滞后于理论教学，这使理论教学与实践教学脱节。另一方面，由于学生理论基础较薄弱，自主学习能力较差，这也是该专业课教学所面临的一些问题。
针对上述问题，我们在长期的教学过程中，根据珠三角地区企业对应用型创新人才培养的需求，把“实物教学”、“案例教学”、“项目教学”以及“小组合作学习”等教学方法引入到教学过程中，有机地将理论教学与实验教学、各级科技竞赛结合起来，提高学生的自主学习能力和创新能力，最终形成培养应用型创新人才的模式，主要体现在以下几个方面：
第一，修订教学大纲，优化教学内容。通过深入珠三角地区企业调研，我们了解到社会对“传感器以及传感器相关人才”的需求特征，并根据企业需求修订“传感器原理与技术”和“传感器专业实验”两门课的教学大纲，使理论教学与实验教学相结合，优化教学内容和教学计划，将企业的需求特征内嵌于教学内容之中，使教学直接为社会和企业服务。
第二，优化教学手段，更新教学理念，定期研讨分析理论教学、实践教学和企业的需求，确定最佳授课手段。在授课过程中，任课教师充分利用物理实验中心内容新颖的测量方法和技术先进的传感器实验教学仪器；在互联网和精品课程网站搜集相关视频录像，利用视频录像等多媒体教学手段丰富教学形式；同时，利用五邑大学网络教学平台提供的基于互联网的现代化教学手段，通过网站实现知识学习、资料查询以及师生互动等教学活动。
第三，改进教学方法，结合理论教学和实践教学，着重培养学生自主创新能力。我们将“实物教学”、“案例教学”、“项目教学”以及“小组合作学习”等教学方法引入理论教学的过程中，把理论教学与实践教学（包括实验教学、课外科技活动小组以及各级科技竞赛）紧密结合在一起，具体表现在以下教学手段：
（1）实物教学。购买相关的传感器的元器件，结合大学物理实验中心的传感器教学仪器，用于实物教学，让学生熟悉传感器的相关产品。
（2）实验教学。利用大学物理实验中心的传感器教学仪器，开设传感器专业实验，使理论教学与实验教学紧密结合，提高学生的动手能力。
（3）案例教学。以传感器的实际应用为案例，讲授各类传感器的原理、电路以及相关的信号处理过程，增加学生对传感器原理和实际应用的理解。
（4）项目教学。以各级科技竞赛为内容，建立与传感器和自动控制相关的科技作品模型，以项目的形式让学生参与科技作品模型的调研、设计、制作的全过程，锻练学生的动手能力和创新精神。
（5）课外活动小组合作学习。成立课外科技活动小组，根据学生的不同层次和阶段，结合传感实验室相关实验仪器的维修、维护和开发，循序渐进地使学生提高动手能力，在小组合作学习的过程中，提高学生的自主学习能力和创新能力。
（6）利用学科竞赛促进学生课外实践。以 “挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛、广东省大学生物理实验设计大赛以及校级物理实验设计大学为驱动，将课内学习和课外实践相结合，调动学生群体将“传感器原理与技术”中所学的理论知识应用于指导竞赛中的实物制作，使学生在实践过程中不断加深对传感器原理的理解。
经过长期的教学实践，我们针对地方院校自身的特点以及地方经济对地方院校的要求，按照地方企业的需求制定教学大纲和培养计划，将实物教学、案例教学、项目教学、课外活动小组以及学科竞赛等手段引入到“传感器原理与技术”的教学实践中，理论联系实践，同时提升学生的理论水平和工程实践能力，形成了一套具有自身特色的应用型人才培养体系。
参考文献
[1] 向丹.传感器原理及应用教改新探[J].广东技术师范学院学报，2008.89：91.
科学小实验及其原理篇7
关键词科技馆；科学教育；实验教育；对策建议
中图分类号G3文献标识码a文章编号1674-6708（2012）65-0003-02
围绕科技馆拓展科学教育功能，加强与学校科学教育,尤其是实验教育的衔接与结合，策划设计并组织实施拓展性科学教育活动的理论和实践研究，是当前的一个重要命题。
1科技馆进校园与科学教育
科学教育是一种以传授基本科学知识为载体，关注科学技术时代的现代人所必需的科学素养的一种养成教育，是将科学知识、科学思想、科学方法、科学精神作为整体的体系，使其内化成为受教育者的信念和行为的教育过程，从而使科学态度与每个公民的日常生活息息相关，让科学精神和人文精神在现代文明中交融贯通[1]。
1.1学校科学教育的特点
学校作为正规教育场所，担负着培养学生科学素质的重要职责。在学校里，科学教育以一种有组织的方式进行，教师按照预先设计好的科学教学内容进行教学，这种方式对学生科学素质的培养发挥着不可替代的作用。
但学校往往需要在规定时间内完成课程，学生好奇心难以得到满足，培养学生创新型思维不足；缺乏交流和互动，导致学生难以发现问题，不能完全激发对科学知识探索和学习的欲望。
1.2科技馆科学教育的特点
在中英科技馆论坛上，英国专家梅兰妮・康指出：科技馆不是一座学校，它扮演的角色是辅助教师的工作，它丰富了人们的体验，开发了人们的科学意识，扩大学生的眼界，增进公众理解科学，这对现代技术社会人们的思辨能力极其重要。这是科技博物馆所特有的，是它的“卖点”，是它同教室里的正规教育的区别所在，是它能够吸引教师、学生前来参观，政府关注的原因[2]。
科技馆作为社会教育场所，是对学校教育的重要补充，它将较为枯燥、抽象的课本知识以生动、直观、互动的形式展示出来，能有效弥补学校教育的不足，解决学校课题教育不易解决的问题。
1.3馆校结合的科学教育
中央文明办、教育部、中国科协联合开展“科技馆活动进校园”工作，明确要求将科技馆资源与学校教育特别是科学课程、综合实践活动结合起来，促进校外科技活动与学校科学教育有效衔接，对科学教育加强前置性研究与多样化设计，为学校探究式学习与素质教育搭建了平台。
1995年美国政府颁布国家科学教育标准，科技博物馆的教育项目开始向标准靠拢，各种服务活动主动配合学校正在进行的科学教育改革。这是世界发展趋势，因此将科技博物馆的科学资源融入到正规学校的科学教育，已成为我国科技馆的战略目标。
2科技馆与学校实验教育
2.1科技馆教育重点的转移
我们正处在创新时代，科技馆务必更新观念，将教育重点转移为传播科学思想和科学方法，激发人们的创造性思维和创新意识，它直接影响着科技馆的展览教育内容与活动的设置。
中国科技馆三期设置了探索与发现主题展厅，展览围绕科学探索和科学实验的若干重要方向搭建展览框架，按照“问题比答案重要，过程比结果重要，方法比知识重要”的原则设计展项，参观者通过融入科学实验之中，享受其过程中的快乐和启发。
2.2我国科技馆实验教育现状
近年，国内科技馆的实验教育得到日益发展。
例如作为全国“科技馆活动进校园”试点单位，浙江省科技馆充分发挥非正规教育场所的教育功能，推出了内容丰富而活泼互动的“暑期趣味实验小课堂”活动，颇受师生家长的欢迎；与省教育部门大力合作，从全省3000余所学校的层层选拔出22位选手，在科技馆展厅联合主办了省首届中小学科学教师实验技能大赛决赛；与区教育局合作，把学校科学课的课堂搬到了科技馆的展厅，结合展品展项实施科学教育实验课并进行竞赛活动；还与教育出版社合作，结合展厅展项出版《趣味科学实验》科普系列丛书，培养孩子不断探索的精神。
重庆科技馆将学生的“科学课”搬到科技馆，开展情景化教学，通过诠释某一展品在生活中的运用，剖析其科学原理，从而引发进一步的科学探究。[3]郑州科技馆把科学实验作为实现科学教育的重要方法之一，于2010年成功举办“科学小实验竞赛”活动。科学体验活动是广西科技馆的品牌节目，在中小学《科学》课基础上进行的延伸和拓展，学生和学校团体均可通过电话预约，免费参与科学实验活动。
2.3国外科技馆实验教育
新西兰国家博物馆展厅中用鹰翅与机翼的剖面加以比对，并辅以图像文字来说明伯努利原理；然后再让观众双臂套上特制的仿生翅膀，通过鼓风实验亲身体验气流产生向上的升力。澳大利亚的墨尔本科学技术博物馆和学校保持长期合作关系，学校经常组织学生来馆做理化实验，内容以趣味性而吸引学生，以贴近生活而受到欢迎。
美国科技博物馆的教育项目围绕着国家科学教育标准，各种服务活动主动配合学校正在进行的科学教育改革，其中科学展示与科学实验为其中的重要内容；新加坡科学中心的各种培训实验活动均围绕教学大纲的内容，每年接待15万名学生，真正成为青少年校外学习的课堂。这些都值得我们借鉴。
3科技馆实验室的策划与研究
3.1建立科技馆实验室的必要性
科学探索是科学家发现自然规律、获取科学知识的主要过程和方法，一般包括提出和聚焦问题，设计研究方案，收集和获取证据，分析数据、取得结论，表达和交流五个要素。中小学科学课程把把探究作为青少年学生学习科学的主要方式，强调通过亲身经历科学活动过程学习科学知识，促进科学态度的发展。
浙江省科技馆在筹建新馆时，曾邀请一批科学老师参加“展项设置意见征询座谈会”，各位老师表示热烈欢迎有浙江自己的科技馆，还一致提出建立可以做各种理化生实验的综合实验室的建议。一些昂贵的物理、化学、生物实验设备设施，中小学无力各自独立置办，由科技馆统一设置，然后安排各学校到科技馆做实验，确实是一种最佳选择。
3.2建立科技馆实验室的主要原则
既然建立科技馆实验室很有必要，接下来是讨论建立科技馆实验室的原则。
科学性原则：科学性是实验教育的最基本要求，必须保证实验原理的科学性，实验过程和结果力求现象明显，直观，以体现实验的科学性；趣味性原则：让学生在实验教学中充分发挥自己的兴趣，促使更加投入和专注，以达到最佳实验效果；参与性原则：包括过程参与和结果参与，不但培养良好的动手能力，而且体现更好的教育实践性；关联性原则：科技馆流动实验室实验设置要与学校《科学》教程同步进程，紧密结合，还要与生活常识相关联，以期取得更好的实验效果；拓展性原则：不拘泥于《科学》教材的内容于范围，可充分利用科技馆科学资源，拓展与延伸实验内容；差异性原则：考虑学生个体能力、知识水平、知识结构的差异性，做到因材施教。
3.3建立科技馆实验室的对策建议
国内外科技馆在科技馆科学实验教育方面的先进经验，我们可以借鉴如下：
1）实验项目的选择
中国科技馆开发的“科普活动体验箱”，结合中小学《科学》课程，配有使用说明书、课程教案及配套活动器材。例如据《科学》课中“材料”单元设计的《再生纸》实验箱，保留古代造纸工艺，由学生动手制作一张再生纸作品，通过实验直观地了解造纸原理和工艺流程，并养成珍惜水资源的环保意识。
台中自然科学博物馆针对小学中年级以上的学生，设置了“奇妙的望”实验项目，利用镜片和筒合，制作多角度观察潜望镜，认识光的反射与折射原理；又通过制作简易的温度控制警报器，认识双金属片的特性及其电路应用原理。
2）实验活动的具体实施
台中自然科学博物馆的科学教育服务活动影响广泛，每年向各教育局发函，由教育局视辖内各校需要而提供名册给科博馆；科博馆再与各学校联系，以洽商适当的到校服务时间及内容；各校填写相关申请表格，由教育局汇集后函送科博馆，最后确定时间和内容，到校进行科学实验服务。在日本，科技博物馆是学生的第二课堂，中小学校有组织地带领学生来上课，展区中设立若干组书写区域，以方便学生的讨论、记录。美国新泽西自由科学中心与州教育局密切合作，充分研究每个学校使用的教材，邀请当地学生来馆做实验，集中展示学校不能展示的科学原理。
由此可见，科技馆实验室在国内外都有广泛的需求，关键问题是科技馆必须与教育部门经常沟通，与各校密切合作，才能开拓更广阔的道路，使之蓬勃发展而永远立于不败之地。
参考文献
[1]刘文利.科学教育的重要途径：非正规学习.[J]教育科学，2007，1.
科学小实验及其原理篇8
1.巧妙运用多媒体资源创设虚拟情境
随着计算的普及，计算机技术在教育上的应用越来越广泛，很多小学建立了多媒体教室，这为虚拟学习情境教学创造了物质条件。在小学科学课堂上，教师应该充分利用这些资源，加大虚拟情境教学的力度。视频资源是虚拟情境创设的重要资源，教师可以提前利用网络资源，查找与课堂内容相关的视频片段，然后在课堂上播放，结合视频内容讲解科学知识。对于小学生而言，这样不仅可以极大地提高学习科学的兴趣，提高课堂注意力，而且可以为学生创设相对真实的虚拟情境，帮助学生理解一些基本的科学原理与知识，提高学生解决实际问题的能力。
例如，《不平静的地球》是浙教版《科学》五年级下册第三单元内容，主要包含三个小节，分别是地球的内部构造、地震、火山。本节课的教学目标是让学生了解地球内部的基本构造，产生地震、火山的原因，以及发生地震灾害后的逃避措施。在创设虚拟学习情境的时候，首先可以利用网络资源，查找不同地貌的图片资源，然后将图片资源制作成小视频资源，在课堂开始的时候进行播放，通过强烈的感官刺激，引起学生的注意力与好奇心，并且引出今天所讲的第一节内容：地球的内部构造。教师结合图片要分别向学生介绍地球内部构造有哪些，以及提出不同地貌是如何形成的原因，让学生思考。然后运用视频呈现火山爆发和地震的场景，给同学强烈的视觉冲击，使学生对火山爆发和地震过程有具体的认识，从而联系先前地貌的形成，使学生明白地貌是由于地表运动造成的。在学生观看视频的时候可以提问“火山爆发和地震是什么原因引起的？”，带动学生思考，引起学生探究的欲望。利用动画演示地壳运动的方式和特征，把学生不能够亲眼所见、亲身感受的场景用动画表现出来，既直观形象，又便于学生理解记忆。教师借助图片、视频及动画等多种多媒体资源的综合应用，给学生创设形象直观的虚拟学习情境。
2.利用小实验创设虚拟学习情境
在小学《科学》教学中，有些内容比较抽象，如果直接给学生讲解，学生很难理解和记忆。虚拟学习情境的创设就是将一些现象直观地呈现在学生面前，便于学生理解，让学生思考现象背后的本质。通过建立小实验来模拟真实的场景，能够给学生带来强烈的视觉效果，达到情境教学的目的。而且可以教会学生在解决一些现实问题的时候，可以利用实验完成，通过实验验证自己的结论或者发现的问题。小学是学生教育的基础阶段，如果从小就对学生树立这样的思想，不仅可以扩展他们的思维，而且可以锻炼他们的动手能力，提高他们实际操作的能力。
《离不开的电》是浙教版四年级下册第三单元内容，其中包括四部分，分别是手电筒的秘密、电和我们生活、串联和并联和安全用电。其教学目标是让学生有电的概念，大体了解电是如何产生的，电和我们的生活有哪些联系及安全用电的相关知识。首先，教师可以展示一些闪电的图片或者有关闪电的小视频，然后提出问题：“同学们，闪电是如何形成的？”让学生思考，通过小实验，验证闪电形成的原理，并且要求学生就所放视频与实验的内在联系思考老师做这个实验的目的与依据是什么。然后建立串联并联电路，通过灯泡的亮度不同而引入学生对串、并联内在区别的理解。并且要通过实验让学生切实地感受到电流击打在人身上的感受，引入安全用电的知识，最后通过播放触电事故造成灾难的小视频以加深学生的印象。教师通过以上一系列的小视频播放及小实验的操作，不仅可以给学生造成视觉上的感受，而且可以给学生造成现实的触觉感受，使原本抽象的相关概念经过学生的亲身经历理解得更深刻。
3.合理利用资源设置虚拟学习情境
创设虚拟学习情境的目的是让学生通过视觉、触觉等外在感受，加强对相关科学知识的了解。在小学科学课堂上，教师可以利用一些网络资源、实物及组织学生小组实验等创设虚拟学习情境，帮助学生理解一些抽象的内容。在虚拟学习情境创设中，教师不要只局限于一种方式，而应该多考虑其他的方式，通过多种方法的有机结合，立体化地设置虚拟学习情境，从多个角度诠释科学原理，帮助学生理解和记忆，提高学生学习的兴趣。
科学小实验及其原理篇9
关键词：倒立摆；现代控制理论；综合实验
作者简介：张勇（1981-），男，山东临清人，内蒙古科技大学信息工程学院，讲师；贺美琳（1991-），女，河北保定人，内蒙古科技大学信息工程学院硕士研究生。（内蒙古包头014010）
基金项目：本文系国家教育部第二批“卓越工程师教育培养计划”支持项目、内蒙古教育科学规划课题（课题编号：nGJGH08115）的研究成果。
中图分类号：G642.423文献标识码：a文章编号：1007-0079（2013）22-0177-02
“现代控制理论”是“自动控制原理”的后续课程，也是硕士研究生“线性系统理论”和“最优控制理论”等课程的基础课程，[1]作为内蒙古科技大学自动化本科专业的基础课和重点课程，“现代控制理论”的教学改革多年来一直受到教师和学生的关注。内蒙古科技大学是一所普通本科院校，学生普遍理论基础偏差，而现代控制理论对数学及相关理论的依赖较重，并且课程中抽象的概念偏多，[2]致使大部分学生在学习过程中较吃力。
倒立摆系统是一个绝对不稳定系统，具有高阶次、多变量、不稳定、非线性和强耦合性的特点，它是进行控制理论研究的理想平台，也是学习和研究现代控制理论最为合适的实验装置之一。[3-5]由于倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，它能直观地表现出许多抽象的控制概念，如系统稳定性、可控性、系统收敛速度与抗干扰能力等。[4-6]同时，作为理想的自动控制领域教研与实验设备，它又能让学生在轻松的实验中非常直观、简便的对所学课程加深理解。[4，5]目前，国内外众多高校针对教学、科研及工程实践的需要，基本上都开设了“倒立摆控制系统”课程。[4]
内蒙古科技大学地处西部偏远地区，在综合考虑区域性学科发展、人才培养、教育科研及自动化专业课程体系建设需要的前提下，[7]组建了智能控制实验室，引进了深圳元创兴公司直线二级倒立摆（5套）和平面三级倒立摆系统（1套）。
本文针对实际教学中存在的问题，就一般普通本科院校学生该如何学习现代控制理论，提出了一种面向现代控制理论教学的倒立摆综合实验教学方法。
一、倒立摆实验系统的硬件构成及原理
倒立摆是指摆杆处于倒置不稳定状态，能够人为控制使其处于动态平衡的一种机构，由一个可以再水平轨道上自由移动的小车和倒置摆铰链而成。[5]以摆杆及小车系统为对象，在尽量使倒立摆保持垂直的同时，也要使小车在水平方向上保持某一基准位置，这是一个研究向小车施加水平方向力的控制系统的设计问题。[8]元创兴直线倒立摆实验系统就是完成上述目的的一个典型实验系统，由运动控制板卡、电控箱、机械本体和微型计算机几个部分组成，其原理框图如图1所示。
图1倒立摆系统原理框图
直线倒立摆系统工作原理：控制器为电机，被控对象为小车及相连接的摆杆（控制器和被控对象构成倒立摆的机械本体，如图1虚线框），电机通过改变电机的速度来影响小车的加速度从而改变摆杆的倾斜角度来调整倒立摆的姿态。运动控制卡（安装于计算机机箱的pCi插槽上）采集旋转编码器数据和电机尾部编码器数据，通过计算就可以得到摆杆的角位移以及小车位移/加速度，然后根据控制算法计算出相应的控制量。控制量由计算机通过运动控制卡下发给伺服驱动器，由驱动器实现对电机控制，电机尾部编码器连接到驱动器形成闭环，从而可以实现闭环控制。
“自动控制理论”是内蒙古科技大学自动化、测控仪器及仪表、电气工程及其自动化等专业的理论基础课，但受各方面的影响，大多数学生对控制的理解还仅仅局限于考试的考点，而对于一个控制系统的实现往往没有具体的概念。通过对倒立摆系统的结构及原理的认识，可以让学生具体的了解一个控制系统的实现。从理论上的控制系统概念到具体的控制实现，改变了以往的教条模式，实现了理论与实践的结合。
二、现代控制理论综合实验教学改革
内蒙古科技大学现代控制理论教学大纲要求课堂教学32学时，实验8学时。为了改善学生对抽象概念及理论知识的认识，为了提高学生解决实际问题的能力，针对内蒙古科技大学大部分学生的基础水平偏差的现状及实验室现有的设备，对现代控制理论的教学做出如下改革：
1.优化教学内容，突出知识点
考虑到学生理论基础偏差，在教学过程中，在保证教学内容的严谨性和系统性前提下，不刻意追求定理证明中数学上的严密性，突出问题的背景和提法，强调贯穿于各章论述中的知识点，理论阐述力求简练和易懂。将所涉及的重要概念、理论和方法以结论的形式穿成各章内容的“知识点”。[1]如“可控性”，重点讲述概念产生的背景及提法、判据方法，而对其判据定理的证明则一带而过。
2.以倒立摆为课程应用背景，教学实验相结合
由于内蒙古科技大学学生考取研究生的比例偏少，而大部分学生的去向是工矿企业，直接参与就业，因此教学中对学生的动手能力及解决实际问题的能力的培养需要加强。结合内蒙古科技大学学生的实际，现代控制理论的教学以倒立摆系统为综合实验平台，课堂教学中以倒立摆为应用背景，将抽象的概念具体化。如围绕倒立摆“可控性”的概念，具体的讲述其相关的控制要求及控制量。实验教学中以被控对象为依托，加深对概念、理论及方法的理解。如在“倒立摆极点配置实验”中，以“摆体不倒，小车在原点”为控制目标的控制问题，理解和掌握控制性能指标与极点位置的理论关系，然后到极点配置算法的具体实施，让学生在实验中印证相关的理论及方法。
三、倒立摆综合实验内容及方法
针对内蒙古科技大学现代控制理论的教学改革，智能控制实验室根据现有的倒立摆实验平台开设了以下实验，从不同的角度训练学生解决实际问题的能力。
1.倒立摆认识实验（运动控制基础实验）
图2直线一级倒立摆极点配置控制仿真模型
在讲述倒立摆系统结构、研究意义及必要性之余，提出了倒立摆系统的控制问题，让学生自主思考该系统的控制实现，需要测量的参数。围绕着控制信号、被控对象反馈信号的测量和现有的实验设备，自主设计测量方法。实验的目的是获取倒立摆系统的关键参数和熟悉编码器的基本原理。目标是使学生学会分析实际控制系统，掌握控制系统关键参数的获取方法，提高学生的动手能力。
2.倒立摆实验系统的建模
由于倒立摆系统的建模涉及较多的理论推导，如力学分析、数学推理及微分方程求解等，鉴于内蒙古科技大学学生的基础，直接给出了最后的相关的状态空间方程。如直线一级倒立摆的状态空间方程：
但在给出状态空间方程之前，先留给学生的问题是：一级摆、二级摆分别为几输入、几输出系统，相关的控制量和被控量分别是什么？有利于学生加深对状态空间方程的认识，同时也能更多的理解被控对象。
3.状态空间控制器设计与仿真
众所周知，倒立摆是一个不稳定的系统，容易通过对上述状态空间方程分析得到验证（系统开环极点为0，0，5.42217，-5.42217）。运用课程中所学的系统可控性分析方法，可知倒立摆系统是一个状态完全可控和输出完全可控的系统。在以往的考试中，极点配置问题的考题一般都是给定期望的极点，与考试不同的是倒立摆系统的期望极点没人给定，因此应引导学生对系统特点进行分析，得出控制性能指标的需求（较短的调整时间和合适的阻尼），进而计算相应的期望极点。根据控制器设计要求，并留有一定的裕量（设调整时间为2秒），选取期望的闭环极点：。进而，通过matLaB仿真计算可求出反馈增益矩阵：，并得到控制量：U=kx，最后通过Simulink测试仿真效果，如图2所示。针对具体的问题训练学生对极点配置方法的运用，并通过matLaB做相关的仿真，这样的教学方法有利于学生充分掌握课程中的知识点及相关概念。
4.软件实验平台实现
针对倒立摆的实时控制，实验室提供了Simulink实时控制平台和VC实时控制平台，学生只需将仿真时算出的K值写入相关的实验平台下即可观看实时控制效果，如图3所示。将K值的四个参数写到平台左下角对应的框内，即可观察摆的实时控制效果。在具体的实验中，只是简要的介绍下平台搭建的原理，而具体搭建只在毕业设计时做相关的要求。
图3直线一级倒立摆VC实时控制平台
上述实验形成了一个有机整体，不仅可以让学生学到和理解现代控制理论的相关知识、概念及原理，同时也展示了一个具体的研究过程，对学生学习科研方法，进行课题研究和解决实际问题大有裨益。
）
四、结语
“现代控制理论”是一门理论性比较强的课程，抽象的概念和理论偏多。通过对倒立摆系统的结构及原理的认识，可以让学生具体的了解现代控制理论中的相关概念、理论及方法，并在具体的研究过程中，学习科研方法，提高解决实际问题的能力。教学实践表明，面向现代控制理论的倒立摆综合实验教学方法得到了多数学生的认可，并促使“现代控制理论”成为校级精品课。
参考文献：
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科学小实验及其原理篇10
电子科学与技术（以下简称“电科”）专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识，能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发，以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术，不仅是当代信息技术两大支柱之一，而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一，正是光电子材料与器件的广泛应用，例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外，诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用，是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见，学习光电子材料与器件的相关知识，不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响，也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生，提供了坚实的理论基础与知识储备。然而，根据笔者的调研，虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程，但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广，教学课时又往往有限（一般为32或48个学时），因此在光电子技术的实际教学过程中，讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学，而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性，并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验，研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。
1光电子材料与器件简介
光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里，光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明，到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世；从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段；从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步，并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下，各种新型光电子材料与器件层出不穷，性能也不断提高。尤其是近年来，随着微米及纳米级加工技术的成熟，新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕，为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。
综上所述，光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位，因此，光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学，而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。
2光电子材料与器件课程教学研究
2.1光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择
光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识，例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等，而且与实际应用结合精密，因此，本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。
在课时安排方面，作为电科专业的一门核心专业课程，光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时（2学分），理论课学时不低于26学时，实验课不低于6学时。
另外，在教材选择方面，由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容，而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多，其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材，例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1]，西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件，但是，目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少，市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之，该书中所涉及的理论知识较深，基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见，对于光电子材料与器件这门新兴课程而言，设立统一的教材并不合适。因此，笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容，自行编写该课程的讲义与课件。
2.2光电子材料与器件课程的理论教学
按照电科专业的专业定位以及培养目标，光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容，在光电子材料与器件教学中要弱化；而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识，要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下，让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。
在教学内容的设置方面，由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中，因此，为了便于学生的理解与知识体系的构建，笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程（共26学时）为例，该理论课程共被分成了绪论（2学时）、激光原理与典型激光器（5学时）、太阳能电池（4学时）、光通信器件与材料（5学时）、光探测器件（5学时）、光电显示器件（3学时）与光存储器件（2学时）等七个章节，这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章内容的设置上，也尽可能突出“工程”内容，弱化“理论”知识。下面，笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。
第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中，向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍，让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中，重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系，并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍，让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。
第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性，其主要内容包括三个部分：激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分，由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程，所以该部分内容为简略介绍的内容，主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重，在该部分内容中，将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似，在介绍完半导体激光器后，可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外，本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。
太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用，但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势，该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中，主要分两小节给学生介绍，第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用，让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求，然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势；第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。
第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节：第一小节介绍光纤通信的基础知识，包括光纤通信的定义，光纤的结构、导光原理、发展历史，以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中，最重要的器件当属光纤，所以，本节开始就着重介绍光纤的相关知识，包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后，又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类，并分别介绍了这两类光器件中的代表器件：掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后，在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件，例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。
第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声；其次，按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器（光电管与光电倍增管）与内光电效应探测器（光电导、光电池与光电二极管）。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。
第六章光显示器件重点介绍四种光显示器：阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。
第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统――光盘系统以及其中最总要的器件光盘。
2.3光电子材料与器件课程的实验教学
光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连，并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件，实验课程的学时应不低于6学时，开设的时间最好在理论教学完成之后，以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面，既要保证与理论课程内容的相辅相成，又要尽量避免与其它课程实验项目的重复，造成资源的浪费。例如，许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程，并配备了相应的激光器实验。在这种情况下，如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容，不仅消耗了宝贵的实验时间，实验效果也会大大降低。
下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学（6学时）中的实验安排。
（1）实验内容：共包含六个实验项目，它们分别是：光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、pSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验（每个实验1学时）。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件，这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件，例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件；而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。
（2）实验要求：以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析，但经笔者调研，这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力，因此，在对原有的实验指导书进行改良后，笔者自行编写了实验的指导书，并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验，原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果，但是，在新改良的实验指导书中，要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流，并要求学生分析比较其差别。通过这种方式，充分调动学生的实验积极性，在具体的实验教学中也取得了很好的效果。
（3）实验方式：分组实验，共同撰写实验报告。这样，不仅提高实验效率，还能够锻炼学生的团队协作意识。
（4）考核方式：根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。