实验科学与技术

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张泓筠, 孟波, 尹海峰

实验科学与技术. 2024, 22(06): 1-7.

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该文由一个简单实验导出了有趣的物理现象，物体系外观“静止”状态下可产生超重和失重。实验设计的简易物体系（盛水容器+水+气球），浮体重量和浮体与水的相互作用力不等。借助浮力和水压变化引起气球或气体热力学状态改变，进而反过来引起浮力变化，导致物体系对支撑物（台秤）的压力改变，从而产生超重和失重现象。针对浮体上下运动，从非平衡态到平衡态的自发状态改变，将熵变拓展应用到宏观物体运动。孤立系统宏观熵变增加意味着状态变化的自发性，以及运动物体和水的相互作用力大小与运动物体本身重量大小不等，由此可判断超重和失重。同时，详细分析物体受力状态的变化对于如何分析复杂物体系状态变化和受力起到示范作用。

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基于MALDI-MS高效检测血清中FFAs技术方法的开发创新实践

姜丽艳, 徐阳, 杜映达, 董洪举

实验科学与技术. 2024, 22(06): 8-12+33.

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游离脂肪酸（FFAs）在人体生理活动中扮演着至关重要的角色，且作为肿瘤检测标志物具有灵敏性和特异性的显著优势，准确测定血清中FFAs的含量对科学研究以及临床诊断具有非常重要的意义。该研究基于基质辅助激光解吸质谱仪（MALDI-MS）和刺激响应分子印迹膜（Sr-MIM）技术的优势和局限，开发出一种新型的针对血清中FFAs的快速、高选择性、高通量的分析检测方法，为MALDI-MS检测复杂样品中小分子化合物的痕量分析提供了新思路；同时，拓宽了大型仪器的应用范围，有利于提高大型仪器优势资源共享效率；进一步深入应用于大学生创新训练项目，激发学生学术兴趣和创新潜力，提升拔尖创新人才培养质量，营造自由创新的科研生态环境。

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核形石灰岩单轴压裂试验设计和裂纹演化特征

宋德朋

实验科学与技术. 2024, 22(06): 13-19.

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船山组核形石灰岩是广泛分布于长江中下游及东南沿海各省的重要建筑材料。该文结合断裂力学理论，通过偏光显微镜观察和扫描电镜研究，探讨核形石灰岩在张应力作用下，微裂纹扩展形成宏观破裂的过程。研究显示，核形石颗粒界面、次生孔隙、粒间孔隙等处存在微裂纹，微裂纹扩展需要消耗能量，当裂纹扩至核形石附近时，有绕过核形石或穿过核形石扩展两种不同的路径，主要取决于核形石纹层类型、结构致密度、颗粒大小等结构因素。

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基于核磁共振测井T₂谱评价储层孔隙结构仿真实验设计

谢然红, 王翔宇, 金国文, 郭江峰

实验科学与技术. 2024, 22(06): 20-27.

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储层孔隙结构评价对油气资源勘探开发和二氧化碳地质封存等具有重要意义。将核磁共振测井横向弛豫时间（T₂）谱转换为毛管压力曲线是进行储层孔隙结构评价的有效手段。针对转换模型理论性强、原理抽象复杂等特点，利用MATLAB GUI设计了基于核磁共振测井T₂谱评价储层孔隙结构的仿真实验。该交互界面包含毛管压力曲线数据预处理、核磁共振T₂谱转换毛管压力曲线及孔隙结构特征参数提取等模块。通过在仿真实验中利用不同转换方法将核磁共振T₂谱转换为毛管压力曲线，并将处理结果与实验测量数据在图形界面进行比对，最终从转换所得毛管压力曲线中提取孔隙结构特征参数，进行储层孔隙结构评价。该仿真实验操作简单，能将不同方法的处理过程与结果直观展示给学生，增强学生对不同转换模型预测毛管压力曲线的理解与认识，提高了地球物理测井教学效果。

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机器人虚拟仿真实验设计及教学实践

王帅, 房立金, 王军义, 丁其川, 王昊

实验科学与技术. 2024, 22(06): 28-33.

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结合机器人建模仿真软件V-REP逼真的三维图像显示功能和MATLAB程序强大的计算能力，开发六自由度机器人虚拟仿真实验平台。首先在V-REP中建立机器人模型，然后介绍V-REP的通信模式和调用机制，最后用机器人关节空间轨迹规划仿真和笛卡尔空间直线规划的例子说明如何使用MATLAB编写程序实现对V-REP内部机器人的运动仿真。利用机器人仿真技术搭建形象有趣的实验平台，应用到机器人基础原理实验课堂中，探索翻转课堂实验教学模式，提高学生学习兴趣和机器人设计仿真能力。

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基于WebGL的森林作业技术与装备虚拟仿真实验系统

周成军, 邱仁辉, 巫志龙, 胡喜生, 郑丽凤, 周新年

实验科学与技术. 2024, 22(06): 34-44.

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针对伐区木材生产作业受高难度、高危险、高成本、不可逆和生态破坏等诸多因素的制约，整合WebGL技术、网络技术和3D仿真技术，开发了森林作业技术与装备虚拟仿真实验系统。设计了伐区创建与主伐分析、采伐作业技术与装备、集材作业技术与装备虚拟仿真实验内容。学生通过参数变量控制、作业过程观察和关键技术实操，按操作步骤开展技能实训。开发的虚拟仿真实验系统具有实践性和交互性，教学效果好，有助于提升学生的实践能力和创新思维能力，可为森林工程及相关专业的实验教学提供参考。

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脉冲激光雷达全波形建模及仿真实验

金伟正, 孙原

实验科学与技术. 2024, 22(06): 45-50+56.

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根据脉冲激光雷达测距基本原理，搭建脉冲激光雷达模型，对发射电流波形、激光发射功率、接收信号功率、接收光电压波形进行了建模与仿真，并分析产生测量误差的因素，研究不同情况全波形分析算法精确获取激光脉冲接收时间：对于信噪比较高的单模回波，可使用自适应阈值法；对信噪比较低的，可使用波形形心法。该仿真与建模可应用于激光雷达实验教学与设计和相关科学研究。

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基于虚拟仪器的数控插补原理实验仿真教学系统的开发

关泽飘

实验科学与技术. 2024, 22(06): 51-56.

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数控插补原理是数控系统及原理与数控技术的教学重点，也是教学难点。针对目前高校缺乏数控插补原理实验教学设备的现状，基于LabVIEW虚拟仪器开发平台，开发了数控插补原理实验仿真教学系统，可以实现逐点比较法和数字积分法在第一象限的直线插补和圆弧插补运算，并动态实时显示插补的轨迹及理论直线或圆弧曲线，满足了实验教学及培训的需求。

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基于模糊数学理论的岩土工程课程群实验教学体系优化的评价与分析

袁艺宸, 苗雨, 周博

实验科学与技术. 2024, 22(06): 57-62.

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该文根据岩土工程课程群的实验教学特点建立了对应的教学评价体系，并以课程群核心课程土力学实验为例，利用模糊数学理论设计多种合成算法模型对实验教学质量进行了二级综合评价。通过对实验课程教学体系的改革优化，实验课前预习考核机制的设置，实验准备环节的落实，虚拟仿真实验项目的增设等，增强了学生的实验参与度，有效提升了实验教学质量。

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虚实结合液压传动与控制实验教学系统设计

张俊, 叶龙, 刘丽, 吴央芳

实验科学与技术. 2024, 22(06): 63-69.

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随着信息技术、虚拟现实技术的快速发展，其在教育领域的应用也越来越广泛。为解决当前液压传动与控制课程理论教学内容抽象、实验教学设备紧缺等问题，以当前理论教学内容及实验教学设备为基础，基于Unity3D开发了一套虚实结合的液压传动与控制实验教学系统。系统针对液压理论课程教学、液压回路实验教学设计了结构展示与虚拟拆装、液压实验案例和现场实验3大模块，实现了包括视角交互、模型选中反馈、自动拆装、运动仿真、流体仿真、回路仿真等一系列功能。系统在调试发布后通过一轮课程的验证，获得了良好的运行及使用效果，在优化教学体系的同时大大提高了课程教学效率。

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藏药材纤毛婆婆纳保肝活性及其成分研究综合性虚拟仿真实验的开发与应用

阎臻, 王甜, 张大伟, 林宏辉, 李佛生

实验科学与技术. 2024, 22(06): 70-77.

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为满足生物、化学、药学等专业学生在植物天然产物提取与活性研究的教学和科研需要，利用WebGL技术和3D仿真技术，并结合Unity3D、Maya和Visual Studio等开发工具设计了藏药材纤毛婆婆纳保肝活性及其成分研究的综合性虚拟仿真实验项目。该项目依据植物天然产物提取和活性研究的背景，紧扣理论课程与真实实验的知识点，吸收了最新的科研成果与应用案例。实验系统涵盖了藏药材纤毛婆婆纳保肝活性物质的分离与鉴定，乙酸乙酯萃取相保肝活性研究相关的体外抗氧化活性，体内活性分析，色谱分离分析，质谱、核磁共振鉴定的实验原理和关键技能等内容。该项目的教学实践表明，虚拟仿真实验有效拓展了学生的认知范围与学习空间，打造了“虚实结合、虚实互补”的实践教学模式，使学生能够独立深入的参与综合性实验教学，提高自主学习能力、创新能力和综合实践能力。

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基于OPERA的纳米线电子场致发射仿真实验

祁康成, 青可欣, 黄煜程

实验科学与技术. 2024, 22(06): 78-83.

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以氧化锌纳米线作为研究对象，探究纳米线电子场致发射的影响因素，提出了一套完整的虚拟仿真实验方案。该实验利用计算机仿真模拟软件OPERA-3D对氧化锌纳米线结构进行建模，重点研究纳米线长径比、栅压、阴-栅间距以及纳米线阵列密度等因素对场致发射电流的影响及其作用机制。实验表明，纳米线的长径比和阴-栅距离是影响其场致发射性能的重要参数，同时合理控制纳米线阵列密度，可以有效降低场屏蔽效应的影响。通过该仿真实验，学生可以深入理解纳米线电子场致发射的基本原理和电子光学理论，提高实践动手能力培养科研思维，为其今后的学习打下坚实的基础。

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γ-FeOOH/高岭石材料动态降解双酚A综合实验设计

李春全, 张祥伟, 袁方, 孙志明

实验科学与技术. 2024, 22(06): 84-89+97.

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根据矿物材料的学科交叉特点，设计了以高岭石为催化剂载体的γ-FeOOH/高岭石过硫酸盐复合催化材料，并通过自主搭建动态降解装置研究其活化过硫酸盐降解双酚A的研究型综合教学实验。采用场发射扫描电子显微镜、场发射透射电子显微镜、X射线粉末衍射仪和N2等温吸脱附测试等表征手段深入分析了催化剂的微观形貌、物相结构和孔隙特征，并进一步结合动态降解体系对复合材料活化过硫酸盐降解双酚A的应用性能进行了评价，启发学生对材料结构与催化性能之间构-效关系研究的思考。实践结果表明，该实验的设计有助于加深学生对矿物材料研究前沿的了解，培养学生的科研思维，提升学生的科研创新能力和实践能力，提升教学质量。

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计算机网络课程的实验教学改革与研究

刘梦娟, 傅翀, 张翔

实验科学与技术. 2024, 22(06): 90-97.

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随着教育部在2018年正式启动“新工科”计划，电子科技大学围绕新工科建设目标对一批专业核心课程进行了改革，取得了卓越的成绩。计算机网络作为软件工程专业的核心课程，在课程组织形式、教学手段、理论和实验内容上都进行了大幅改革。该文首先分析传统计算机网络课程在实验教学中存在的问题，并对其他高校的网络课程实验改革进行了调研。在此基础上，介绍了课程组在实验教学改革中采取的各种措施，包括设计新的实验内容和实验类型、完善实验教学材料、增加更为客观的评价方式等。特别是采用多种技术来设计实验内容，协议验证实验促进了学生对协议的理解，虚拟仿真实验弥补了学生在组网和设备配置方面的不足，网络编程实验加强了学生在网络编码方面的工程能力。这种多样化的实验形式不仅激发了学生的学习兴趣，同时使学生理论联系实际，有明显的学习获得感。最后，对实验教学改革中积累的经验进行总结，并对未来的工作进行展望。

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大型仪器培训模式的研究与实践

杜桂月, 李丽萍, 张时佳, 哈莹, 宋春风, 黄建军

实验科学与技术. 2024, 22(06): 98-103+111.

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当前教育信息化大力推进，针对传统培训形式单一、任务繁重以及时间和空间限制等问题，学院平台将微信公众平台引入到大型仪器培训模式中，研究大型仪器培训新模式。实践表明，该模式的运行激发了学生自主学习的积极性和创新性，显著提升了学生的专业认知、科研水平和培养质量；有效降低了仪器故障率，提高了大型仪器使用效益；提升了教师的业务水平和专业能力，增强了平台的综合服务能力。

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电力用户需求预测虚拟仿真实验设计与实践

吴玲, 牛文琪, 冯奕, 高峰

实验科学与技术. 2024, 22(06): 104-111.

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及时和准确地预测电力用户需求是电力市场有效运行、用户开展节能减排以及落实“双碳”任务的基础。然而在电力用户需求预测的传统教学中，存在数据获取困难且数据量庞大，需求预测计算过程繁琐导致难以验证试错等问题。为了解决这些问题，该文自主研发了电力用户需求预测虚拟仿真实验。该实验基于真实的电力用户数据，搭建了虚拟实验场景，遵循售电公司的实际业务流程，高度仿真了电力用户需求预测活动。通过这个实验环境，学生可以直观感受、重复试错，并进行实际验证，从而达到方法探究与经验积累的教学目的。

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基于OBE的三坐标测量机大仪实践教学建设

汤洁, 姜可嘉, 吴信辉

实验科学与技术. 2024, 22(06): 112-118.

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工程教育专业认证背景下，针对机械类、智能制造和测控等专业的本科生实践课程教学，需要建设精密仪器或精密测量系统的综合实训课程。三坐标测量机（CMM）是广泛应用于工程领域的融“光、机、电、算”于一体的典型精密仪器，选用该仪器作为实践教学平台，建设了三坐标测量机通用测量软件PC-DMIS和脱机版PC-DMIS软件实践系统，并明确了基于成果导向教育（OBE）的教学目标和达成度评价方法。依托该实践系统，开展了多轮实践课程教学，学生通过实践训练能解决精密零件复杂测量工程问题，可掌握通用测量软件PC-DMIS的应用，并了解其专用软件开发。实践证明，实践系统有助于培养学生的实践和创新能力，可为相关专业实践课程建设提供参考。

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氧化亚铜的可控制备及光学性能测试创新实验设计

郭江娜, 周明, 张云怀

实验科学与技术. 2024, 22(06): 119-124.

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开发了一种简单易行的液相还原法制备氧化亚铜（Cu₂O）的新策略，通过改变温度和表面活性剂等反应动力学参数，成功实现了对尺寸与形貌的精准调控，制备了具有八面体和立方体形貌，尺寸在100～650 nm范围内可调的Cu₂O半导体材料。实验发现尺寸和形貌的精准调节能显著影响Cu₂O产物的颜色，这主要源于对其吸光和载流子传输特性的调控。实验建立了材料合成参数、微观结构与光学性能之间的关联规律。该实验绿色安全、现象直观、可操作性强，应用于本科创新型综合实验教学，有助于学生在实验实践中强化对材料化学知识的理解和运用。

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古代玻璃分类与成分复原模型

刘苏霆, 周彤, 李皓, 覃思义

实验科学与技术. 2024, 22(06): 125-129.

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分析丝绸之路上古代玻璃的成分，有利于了解历史的脉络。由于恶劣环境条件的影响，玻璃会出现风化的情况，这对玻璃成分分析和类别确定带来困难。该文提出了一种综合鉴定方法：对风化前的玻璃成分进行预测，并利用投票法和K-Means方法建立类别的划分模型。经过验证，类别划分模型达到了98.44%的准确度，且有较好的鲁棒性。

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中国教育现代化背景下高校实验教学中心的内涵式发展研究

于春雨, 饶霁阳, 张富晓

实验科学与技术. 2024, 22(06): 130-137.

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《中国教育现代化2035》为高校实验教学中心的建设注入了新的内涵，也提出了新的要求。该文以西南石油大学石油天然气装备技术省级实验教学示范中心为例，剖析了实验教学中心在文化建设、管理体系、培养模式、教师队伍等方面存在的问题，给出了基于中国教育现代化背景下实验教学中心内涵式发展的方案，经过4年的持续建设，中心建设成以学生为中心的“多方位培养、多学科融合、多赛道发展”协同育人共同体，为高校实验教学中心的深化改革提供新的思路。

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基于物联网技术建设高校基础化学实验室安全准入系统的实践

余孟玲, 蔡涵鹏

实验科学与技术. 2024, 22(06): 138-144.

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针对高校基础化学实验室安全管理面临的信息化不足，实验人员安全意识不够，以及实验室安全投入经费有限等难题，该文以人的管理为核心，基于物联网技术构建了一种高效、便捷、灵活、低成本的高校基础化学实验室安全准入系统。该系统由实验室安全准入考试、实验室门禁和实验室实操演练3个子系统构成。在该实验室安全准入系统的运行中，以通关模式促进安全知识灵活主动学习，以物联网技术支撑门禁自动实时打卡，以线上和线下结合方式完成实操演练环节中的高效便捷安全技能训练，全面保障基础化学实验室消防安全和环保安全。经过两年的实践应用表明，该系统实现了高校基础化学实验室安全教育从被动考核到主动学习的转变，使实验室安全管理与教育从量变提升到质变。

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离散型智能工厂教学平台建设与实践研究

梁玉娇, 李红莲, 苏丹丹, 梁俞, 庞彬

实验科学与技术. 2024, 22(06): 145-152.

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为适应一流本科教育和工程认证的需求，河北大学以鼠标电池装配自动化产线为依托，设计了由4台工作站组成的离散型智能工厂教学平台。依托该平台，与现有课程融合，增设机器人原理与控制实训课程，完善教学体系；扩展了校内实习实训平台，与校外实习基地互补互融；为学生参加竞赛提供技术和场地支持，引导学生主动参与学习、培养积累知识的意识。实践表明，离散型智能工厂教学平台的建设有助于培养学生解决复杂工程问题的实践能力和探究创新的思维意识，提升学生的工程素养，促进一流本科人才的培养。

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2024年, 第22卷, 第06期　
刊出日期：2024-12-28

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