2024年, 第22卷, 第01期　
刊出日期：2024-02-28

  

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  基于GNURadio与USRP的OFDM无线通信系统实验

  武畅, 焦曙阳, 钱程东

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 1-8.

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  针对目前无线通信课程内容侧重讲述基本理论推导，相关实验多关注模块功能仿真，缺乏系统性和真实场景的问题，提出了以GNURadio软件和通用软件无线电外设（USRP）硬件平台为基础的正交频分复用（OFDM）无线通信系统实验。该实验内容包括掌握OFDM的基本原理、搭建OFDM收发系统、分析相关通信性能和完成硬件系统，最后在实际无线通信场景中完成测试，实现实时视频传输。通过软件系统和硬件平台的协同，学生能充分了解无线通信的基本原理、各通信模块的使用、无线通信系统的架构以及相关的性能分析方法，完成从理论基础到工程应用、从模块验证到系统实现、从理想环境仿真到实际场景测试的跨越，从而全面提升工程素养。
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  考虑温度影响的岩石三向膨胀力测量仪及其实验设计

  朱宝龙, 任龙

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 9-15.

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  膨胀力是膨胀类岩石重要特性之一，该文提出了一种考虑温度影响的岩石三向膨胀力测试方法与实验装置。基于实验设计，利用该装置开展了黑色页岩、红层泥岩膨胀力实验，得到两类岩石在不同温度下的膨胀力时程曲线；分析了黑色页岩、红层泥石膨胀力随时间的变化规律，并与基于弹性力学原理计算得到的两类岩石膨胀力进行了对比，进一步比较了温度对两类岩石膨胀力的影响规律。该装置结构清晰、操作简单，更有利于学生对岩石膨胀力的理解，也是对岩石力学实验教学内容的补充。
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  气态流动鼓泡发生器的研制与应用

  狄璐

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 16-21.

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  随着全球化石资源的不断消耗，可再生资源的转化利用已成为科研工作者的关注焦点。由生物质经过生物或化学方法转化而获得的生物基低碳醇的催化转化是近些年来研究的热点。为高效率探索多种模型催化反应，该文研制了气态流动鼓泡发生器来替代传统的固定床反应器的进料过程，目的是进行不同的模型催化反应探索实验。通过对比二者的实验结果显示，该设备具有误差小、试验快、操作简单等特点，且其设计所占空间小、便携等优点，适用于多种原位表征技术。通过将气态流动鼓泡发生器与原位漫反射红外光谱联用，使学生深入学习了红外理论知识和仪器设备的工作原理，将学生们学到的催化学科的相关基础知识进行融会贯通。气态流动鼓泡发生器不仅辅助科研实验的探索，还可拓展到实验教学的应用，提升学生的科研创新能力，为科教融合、教研一体提供了新范式。
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  基于个性化最小二乘法的软特征集成实验方法

  张擎, 张洋洋

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 22-29.

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  在生物特征识别技术的研究中，软特征的集成实验一直采用主特征之间的集成实验模型。软特征在适用范围、识别能力等方面与主特征有很大差别，直接使用主特征之间的集成机制无法有效地挖掘和利用软特征中的区分性信息，造成实验结果不够理想和准确。基于此，该文深入分析软特征的特性，提出“有效的互补性”和“个性化集成”两点集成要求，并在量化有效的互补性基础上，结合“最小错误率”目标，利用最小二乘法为每一个用户建立局部集成模型。将集成模型用于人脸识别和指纹识别两个实验场景，验证了该文对问题分析的合理性以及所提方法在提高识别准确率方面的有效性。
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  基于磁场检测的干式空心电抗器匝间短路故障诊断方法

  李威, 王智弘, 廖子涵, 刘卫东, 符劲松, 张进, 赵彦珍

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 30-36.

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  匝间短路故障是干式空心电抗器最常见的故障，严重时会引起电抗器绝缘损坏、起火，甚至烧毁。及早诊断电抗器匝间短路故障，发出有效预警对电力系统安全运行具有重要意义。该文提出一种基于磁场检测的干式空心电抗器匝间短路故障诊断方法：独立于电抗器本体，上下安装与电抗器绕组同轴的检测线圈，通过检测线圈感应电压的变化，采用基于数理统计的准确识别匝间短路过程的3σ判据模型和算法，判断电抗器匝间短路故障并进行预警和报警。基于有限元数值计算软件，以一台型号为BKGKL-20000-35干式空心电抗器为研究对象，仿真分析了电抗器在不同位置发生匝间短路故障时检测线圈的感应电压变化规律，验证所提出方法的有效性。最后通过对试制样机的现场试验，验证了该方法实用可靠，可推广应用于实际电力系统中。
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  基于PLCSIM Advanced和Simulink的自动化生产线仿真实训平台设计

  安翠娟, 张凯, 王国霞, 张敏, 丁大伟, 武善雷

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 37-43+51.

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  为解决自动化生产线实训线下课程实验硬件套数不足、实验时长和场地受限等问题，提升教学质量，设计了一种基于PLCSIM Advanced和Simulink的自动化生产线仿真实训平台。该仿真平台以实训设备为依托，使用Simulink搭建被控对象仿真模型，在PLCSIM Advanced仿真控制器中编写控制算法，通过应用程序接口（application programming interface,API）通信实现对象模型与控制器间数据的实时交换和仿真。以纸张张力控制设备为例，介绍了仿真实训平台搭建和实施过程。实践教学表明，该仿真平台提高了自动化生产线实训课程的教学成效，激发了学生实践学习的兴趣，提升了学生发现、解决复杂工程问题的能力，让学生深刻体会到团队合作和有效沟通的重要性。
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  虚拟仿真在海洋调查实验教学中的研究与应用

  刘子洲, 翟方国, 陈旭, 孟静, 郭心顺

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 44-51.

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  海洋调查实验教学是海洋科学人才培养的重要环节，受限于实验条件，仅靠海上实践不能完全满足教学要求，需要引入新的教学手段。该文首先介绍了在虚拟仿真技术迅速发展的背景下，中国海洋大学海洋调查虚拟仿真实验教学的建设思路及不同阶段的表现形式；然后结合目前应用于本科教学的“近海物理海洋综合调查虚拟仿真实验”，系统阐述了实验模块、实验步骤及实现的主要功能；最后对海洋调查虚拟仿真教学的教学效果及未来发展进行了总结展望。
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  基于CDIO理念的物联网技术课程实验教学研究

  周春月, 宋明月, 陶丹, 赵文山, 高睿鹏

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 52-56.

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  作为国家战略性新兴产业的重要组成部分，物联网深度融合了新一代信息技术，也带来了社会对物联网应用型人才的实际需求。该文针对研究生专业课程“物联网技术”在教学改革实践过程中的不足之处，基于CDIO的工程教育理念，以“实践&创新”为目标，围绕课程知识体系和物联网关键技术对实践能力层次和实验教学内容进行了优化设计，循序渐进以达到工程教育培养目标。最后，总结了研究生实验课程开放式教学模式的实施效果。
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  基于MATLAB的数字信号处理综合课程实验

  杨桃丽, 于瀚雯

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 57-61+67.

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  数字信号处理是一门理论与实践结合性很强的课程，结合遥感科学与技术专业的特点以及实际应用，设计了一个基于MATLAB的数字信号处理综合课程实验。该实验以GRACE卫星Level 2数据为研究对象，通过信号频谱分析、滤波器设计和处理等操作，从而实现高精度快速减小数据条纹噪声。该综合实验覆盖了数字信号处理课程的主要关键知识点，有利于学生形成较完整的数字信号处理知识体系，培养了学生将抽象的理论知识应用于实际遥感处理的能力。
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  面向安全操作的工业机器人虚实结合实验教学方法

  吴军, 何瑜, 申世军

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 62-67.

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  该文探讨了工业机器人实验教学课程中虚拟仿真与实物实验有机结合的安全操作教学方法。根据实际应用场景设计了工业机器人在有限空间中的轨迹规划实验，并给出了物理建模、运动学计算、轨迹规划的递进式解决方案，提出了基于MATLAB Robotics Toolbox的虚拟仿真教学过程和基于国产工业机器人的实物实验教学过程，在此基础上综合设计了虚实结合的安全操作实验教学方法，以实际课程案例说明其应用效果。采用该方法进行实验教学能够在保证安全操作的前提下使学生循序渐进地掌握工业机器人操作过程，为学生进行开放性实验探索提供安全的虚实结合架构，在教学过程中取得了良好的效果，也可推广到其他具有操作危险性的实验教学课程。
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  卢瑟福散射虚拟仿真实验设计与教学实践

  田立朝, 张湘, 姜静, 杨晓虎, 吕中良, 赵子甲

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 68-75.

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  卢瑟福散射实验是核物理学发展史中的经典实验之一。基于实验放射源使用安全的考虑，国内外高校多以理论讲授为主，少有实验教学，限制了学生对原子核微观结构及射线与物质的微观相互作用的深入理解。针对以上问题，开发了基于Unity3D的卢瑟福散射虚拟仿真实验，真实再现实验场景，通过蒙特卡罗模拟保证了实验数据的真实可靠性。实验内容涵盖半导体α谱仪的使用、卢瑟福微分散射截面公式的验证、卢瑟福背散射在材料分析中的应用等内容。该虚拟仿真实验的开发为高校近代物理实验、核物理实验、材料表征等专业实验教学提供了参考，丰富了核物理实验教学的内容。
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  基于漏磁检测的钢丝绳无损检测实验设计及实践

  肖茜, 刘志亮, 杨平, 杨磊磊

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 76-81+113.

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  以科研项目为基础，以实际工程问题为导向，搭建了基于霍尔传感器的钢丝绳无损检测实验平台。该实验平台通过双回路励磁结构磁化钢丝绳，利用霍尔传感器阵列检测并采集磁化后钢丝绳径向的磁场分布，再通过信号处理技术识别出钢丝绳断丝漏磁信号，进而判断钢丝绳的局部损伤。实验过程涉及信号“产生—传感—采集—传输—记录—处理—应用”的全过程，构成知识闭环，有助于学生全方位地理解课程知识体系，激发学生的学习兴趣，培养学生的科研能力和创新能力。
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  “虚实交融、点面结合”的非电专业电路实验教学研究

  郑重, 顾理, 陆伟, 朱俊株

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 82-88.

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  电子线路课程内容多、系统性强，对于非电专业学生难度较大。与理论课相配套的电路实验，由于客观条件的限制，在时间上与理论课进度难以同步，且实验内容侧重于单个知识点的验证，综合性相对缺乏，难以充分发挥其对理论课程的支撑作用。基于Multisim设计了系列仿真实验，作为实体实验的补充,构建了“虚实交融、点面结合”的实验教学模式。实体实验立足章节纵向联系，聚焦“点上强化”，旨在加深学生对理论知识点的理解，训练学生的动手能力；仿真实验突出章节横向联系，强调“面上拓展”，着力挖掘实验内容的深度和广度，培养学生分析问题和解决问题的能力。通过实验教学改革与创新，有效激发学生学习的主动性和积极性，提升非电专业电路课程教学的质量和效果。
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  类水滑石衍生物催化臭氧氧化甲苯综合实验设计

  孙也, 李梦歆, 蒋炘鑫, 李海丹, 洪威, 朱天乐

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 89-94.

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  为提升本科生实验教学水平，基于化学前沿成果服务于大气污染治理的理念，设计了类水滑石衍生物催化剂催化臭氧氧化VOCs中具有代表性的苯系污染物甲苯的综合实验。学生自主设计实验方案，采用不同制备方法结合高温煅烧技术制备类水滑石衍生物催化剂，并对其进行X射线衍射XRD、扫描电子显微镜SEM、比表面积检测方法 BET、H₂程序升温还原H₂-TPR、NH₃程序升温脱附NH₃-TPD、电子顺磁共振EPR等结构和理化性质表征。实验帮助学生理解材料化学在环保领域的实际应用，教会学生使用仪器分析手段解密构效关系，培养学生“宏微结合”的创新思维，也为科研课堂的开展提供了新思路。
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  基于ILOs的“电气传动课程设计”建设与实践

  刘瑞静, 张婷, 吴美杰

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 95-100.

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  双一流建设背景下，课程是人才培养的核心要素。该文以“两性一度”为标准，对标《北京理工大学研究型课程认证标准》，对综合性实验课程“电气传动课程设计”进行研究型课程建设，构建了具有高阶性的知识、能力、素质相融合的预期学习成果（ILOs），并针对每条ILOs设计了具有创新性、挑战度的教学内容，明确了相应的教学策略，制定了评价标准及评价反馈机制，持续改进，不断提高教学质量及课程水平。实践证明，基于ILOs的研究型课程的实施，培养了学生解决复杂工程问题的能力及创新实践能力，实现了“价值塑造、知识养成、实践能力”三位一体的培养目标。
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  专业基础实验课程教学研究

  朱天钰, 田秀娟

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 101-106.

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  实验课程是工科类专业学生学习内容的重要组成部分。实验课程配备的资源应满足教学需求，但在实际操作中，仍然存在资源有限问题，如仪器台套数不足、可操作功能不丰富、创新思考空间有限等。针对山东科技大学材料科学与工程学院基础实验课程有限资源的问题，对新能源材料与器件专业现有的实验课程资源进行归类和分析，提出了优化实验课程思路。根据实验学时和设备条件，将学习重点放在仪器认识、样品制备、参数选择、结果处理、技能和思路训练方面。在课程规划环节，优化实验课程安排和设备的配置；在知识回顾与学习环节，穿插了解应用实例；在操作仪器环节，设置思考项目、变量因素，让学生相互指导、找寻规律；在课前预习和课后自习环节，引入虚拟仿真技术、线上资源。这为专业技术实验、综合实验等课程的开展提供了新的思路。
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  新工科背景下通信电子线路基础实验课程改革探索

  薛睿, 王帅创, 高敬鹏, 林云, 杜正威

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 107-113.

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  针对目前通信电子线路实验内容设置单一、教学手段不够丰富、教学效果不够理想等问题，提出了以任务为主线、以教师为主导、以学生为主体的实验模式，并融入联想、启发、任务驱动、项目类比等多种教学方法。以高稳定度LC正弦波振荡器的设计为例，设计了“基本”“进阶”“扩展”3种实验任务与内容，以多样化“套餐”满足学生对于实验的不同需求；在一块电路板上实现克拉泼、西勒和并联型晶体振荡器电路，使学生更容易掌握3种电路的区别与联系；采用了项目类比教学法，通过本实验使学生掌握解决典型通信工程问题的流程与科学方法；任务引入与思政环节巧妙结合，树立学生科学兴国的意识，增强民族自豪感。
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  双一流新工科背景下交通类通识课程“大数据与智能交通”的多实验教学设计

  何庆, 刘震, 马青松

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 114-120.

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  为响应创新驱动发展、“交通强国”等一系列国家战略号召，实现新工科、双一流教学改革目标，交通运输领域亟须培养一批实践与创新兼优、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才，交通运输专业传统课程体系亟待调整。以新型交通类通识课程“大数据与智能交通”为例，以提升交通运输专业学生实践能力、创新能力、计算机能力等素质为目标，对课程提出新要求，为培养交通运输行业需要的高素质复合型新工科人才建立坚实基础。将传统交通运输工程与大数据技术有机结合，开展多实验教学，每组实验均采用实际案例，并使用多源数据，包括列车旅行时间估计的时空数据、轨道扣件状态分类的二维图像数据以及地铁内噪声的一维音频数据等，有效提高学生创新实践能力。
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  基于真三轴试验装置的岩石渗流密封方式改进及实验研究

  武鹏飞, 雒小飞, 王建美, 宋晓夏, 王建龙

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 121-126.

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  国内现有的非常规油气储层的渗透性测试大多采用圆柱试样，通过假三轴试验装置进行测试，而真三轴条件下立方体试件棱边大多存在棱边串流与端面密封不严的缺陷。基于现有真三轴试验装置，以及大量的实验经验，针对现有的立方体试件单橡胶套渗流密封方式进行改进。介绍了嵌套式“上下密封套”结构特征，特别对棱边区的密封进行了设计，提出了密封套顶-底端面凹陷型内嵌“单孔网槽导流板”结构设计，并对顶部传压板的尺寸进行了讨论。对100 mm×100 mm×100 mm立方体煤样进行了真三轴渗流试验分析，得到了不同入口渗透压力真三轴围压条件下的渗透率。该密封方法的改进有助于提高科研单位及测试中心对原位地应力条件下非常规油气储层渗透性测试精度，并提高高端科研人才的实践创新能力与科研素养。
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  汽化溶剂在MOF材料扩散系数测定的装置设计与实现

  薛峰, 王晟, 居沈贵

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 127-130+160.

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  测定汽化溶剂在固相吸附剂晶内扩散系数是重要的吸附参数，传统实验教学滞后于“解决复杂问题能力”的培养要求。该文以“气相扩散系数测定实验”为对象，将其拓展为“汽化溶剂在MOF(HKUST-1型)多孔材料晶内扩散系数测定实验装置设计与实现”，它结合气相色谱仪FID检测器原理和零长柱法测定晶内扩散系数的原理，提出实验设计方案、实验测量法和数据拟合法，并对零长柱法(ZLC)做了MATLAB软件模拟计算，拟合实验数据与文献报道值接近。该实验在学生操作过程中，实验系统由学生根据实验原理自助搭建，将实验原理、吸附材料装填、数据采集和测量、数据分析和报告撰写融为一体，践行新工科人才培养理念，提高人才培养目标的达成度。
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  ZPW-2000移频信号检测实验仪的设计与实现

  康耀军, 李建国

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 131-137.

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  依据周期测频法设计了以FPGA为核心器件的ZPW-2000移频信号检测实验仪。该实验仪采用8个计数器实现移频信息的检测，其中，边频检测采用2个计数器分别检测计数信号上下跳沿，通过选择2组计数值中较大值，使计数误差降低至0-1个计数信号周期，在200 MHz计数信号下，边频检测误差可控制在0.07 Hz以内；低频检测采用6个异步计数器，分别实现移频信号中低频成分的获取及低频频率的检测计算，低频频率计数器通过设置前N个状态进行低频计数，第N+1个状态进行计数值锁存分析的方式，有效降低了低频获取引起的误差。分析发现，当N≥10时，最大误差可降至0.029 Hz以下。实验仪实测证明，边频、低频检测误差均能满足铁道标准TB/T 3532—2018中移频信号上下边频误差±0.15 Hz、低频误差±0.03 Hz的要求；检测实验仪能准确解算出基于FPGA的ZPW-2000移频信号发码实验仪移频信息，解决了ZPW-2000系列轨道电路移频信号教学及实验任务必须采用铁路专用设备的限制，结合发码实验仪可为学生更直观地展示轨道电路发码与检测过程，使学生更加深入地了解移频轨道的电路原理。
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  高校院级平台大型仪器设备年度使用报告的建立及作用研究

  王娜, 吴洋, 卿大咏, 罗米娜

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 138-142.

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  大型仪器设备缺少精细化管理以及开放共享不足一直是各高校设备管理中存在的主要问题。为了解决以上问题，通过对学校的分析测试共享平台网络大数据进行统计、归类、分析和总结，建立院级平台各仪器设备的年度使用报告。年度使用报告的建立以每台设备为核心，通过对设备的年度使用情况、每月的使用机时、用户使用情况、维修情况、人才培养、科研成果等进行全面的分析，可及时发现仪器设备在管理流程中的漏洞，制定纠正措施，有助于构建精确的管理流程和策略，提升管理水平，促进仪器开放共享。
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  γ射线探测综合实验教学平台开发

  覃雪, 余鑫, 韩寰宇, 陈秀莲, 刘军

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 143-148.

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  针对传统γ射线探测实验装置定位精度不高、搭建麻烦、可开展的实验项目少，不利于实验重复与教学等缺点，该文设计开发了一款γ射线探测与测量综合实验教学平台，完成了平台的机械设计加工以及γ射线探测专用数字化多道分析器研制。基于该平台，可完成多个关于γ射线探测与应用的认知、基础、综合型、探究型实验项目。实践教学效果证明，该平台稳定性好，操作性强，实验结果准确，方便教师教学，能使学生更好地理解与掌握γ射线的性质、γ射线与物质相互作用的机制以及γ射线的应用。
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  基于校企合作的燃气输配智慧化实验平台设计与开发

  周昊, 周诗岽, 马鸿雁, 杨足膺, 高玉明

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 149-154.

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  针对燃气企业人才职业能力培养与新工科背景下燃气输配课程教学改革的需要，实施行业指导、校企共建，设计建设了燃气输配智慧化实验平台，开发出多种类型的实验项目，构建了多层次实验教学项目体系并进行了实验教学方法的探索。该平台运用各种信息化先进技术，可模拟燃气输配管网工艺系统及运行工况、燃气管网智能化控制系统运行、燃气管网事故应急处理等任务，具有丰富多样的实验与工程实训功能，有利于实施理实一体化教学，锻炼和提高学生的工程实践能力、智能化能力和创新意识，加强培养学生解决城市燃气输配复杂工程问题的能力和素质。
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  简道云在科研试剂耗材管理中的应用

  晁宁宁, 姚梦琳, 刘志强, 张立

  实验科学与技术. 2024, 22(01): 155-160.

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  科研试剂耗材采购、使用和报销是科学研究中不可或缺的一环，但是由于科研试剂耗材的特殊性，往往都是采用以课题组为单位自主选择、随买随用、实时报销的管理模式。课题组作为科研中的基本单元，可以通过做好试剂耗材管理和经费报销为科研工作和经费管理打下良好基础。本课题组在实际工作中，依靠在线表单系统——简道云搭建了一整套耗材试剂管理系统，覆盖了从采购、入库、领用、出库到报账的全流程，实现了耗材试剂管理的无纸化高效管理，并实现了经费管理中的使用追踪。