緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的11篇實驗設計論文范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

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2實驗步驟

（1）熟悉監控環境和分析平臺的使用。熟悉監控環境的使用，并在其中運行僵尸程序，嘗試和僵尸網絡命令與控制服務器進行連接和通信；熟悉二進制代碼分析平臺BitBlaze的使用，學習利用其動態分析組件TEMU進行軌跡捕獲、二進制代碼插裝的技術和方法，熟悉利用靜態分析組件VINE進行二進制代碼的執行軌跡反匯編及符號執行、約束求解等分析方法。（2）僵尸程序執行軌跡捕獲。執行軌跡是僵尸程序路徑空間中一條路徑的執行過程的詳細記錄。在BitBlaze平臺的TEMU中運行僵尸程序，監控其執行過程，并將從命令與控制信道中接收到的網絡數據標記為污點，捕獲得到僵尸程序的執行軌跡文件。可以分別捕獲僵尸程序在與控制命令服務器無網絡交互、有網絡交互及接收到不同控制命令等情況的幾組不同的執行軌跡，以便于進行對比分析，并用BitBlaze平臺中的VINE將這些二進制的執行軌跡文件轉換成匯編語言格式。（3）僵尸程序執行軌跡文件分析。對捕獲到的執行軌跡文件進行處理和簡化，然后編寫程序對其進行分析：統計分析僵尸程序執行軌跡中的線程個數及線程號、污點傳播過程等信息；分析僵尸程序代碼空間中的代碼覆蓋情況，計算代碼覆蓋率并分析其特點；統計分析系統API調用情況；從執行軌跡文件構造僵尸程序的控制流圖。通過分析，對執行軌跡的特點和僵尸程序的執行邏輯有更加清晰的認識。（4）僵尸網絡控制命令提取。根據步驟（3）中的分析結果，結合僵尸程序的固有特點，從執行軌跡中定位到僵尸程序中對控制命令進行判斷、處理的命令控制邏輯代碼段。定位的方法可以結合參考文獻［3］中提出的規律，也希望學生探索和發現新的特點和規則。然后，在可控環境中執行僵尸程序，當執行到命令控制邏輯代碼段時，利用代碼插裝等二進制代碼動態分析技術［13］提取出僵尸程序可執行的控制命令。（5）僵尸程序行為分析。在可控環境中再次運行僵尸程序，利用FileMon和Wireshark等軟件對僵尸程序的行為進行跟蹤監控。其一，在沒有與命令控制服務器交互時，分析僵尸程序執行后會有怎樣的行為表現，例如自刪除、修改系統文件、修改注冊表選項、試圖連接命令與控制服務器等；其二，在和命令與控制服務器進行交互時，利用步驟（4）中提取出的僵尸網絡命令，觸發僵尸程序運行，再監控其會有怎樣的行為，并總結控制命令與僵尸行為的對應關系。通過多次實驗和觀察，對僵尸程序的行為和特征進行歸納總結。（6）僵尸網絡命令與控制機制的進一步思考和探索。思考上述從僵尸程序二進制文件中挖掘未知命令方法的優缺點，并探索新的改進方法。根據提取出的控制命令及其對應的行為，分析僵尸程序和命令與控制服務器通信的方式，從整體上對該僵尸網絡的命令與控制機制進行認識和思考。在上述步驟中，步驟（3）“執行軌跡文件分析”和步驟（4）“控制命令的提取”涉及較多的專業知識和二進制代碼分析技術，是本實驗的難點。

3實例分析

在TEMU中運行Zeus僵尸程序，在和命令與控制服務器進行通信時，動態捕獲了Zeus僵尸程序的3條執行軌跡，其中的線程數、匯編指令總數和系統API調用個數見表1．對3個執行軌跡進行分析，了解Zeus僵尸程序的執行邏輯，利用執行軌跡中的代碼塊覆蓋率特征，從中定位到滿足參考文獻［3］中提出的覆蓋率規律的代碼塊，其所在代碼區域就是僵尸程序的命令控制邏輯代碼段。根據此方法，可以定位到的代碼段地址范圍為0x26e877c—0x26e87a2，其中調用了系統比較函數lstrcmpiw來進行比較，它是一個循環結構（見圖3）。將Zeus僵尸程序再次放在TEMU中運行。當僵尸程序運行到命令判定循環的入口地址0x26e877c時，開始監控是否調用判定函數lstrcmpiw。如果發生調用，則修改輸入命令為隨機數據，使程序進入判定循環。在判定過程中，通過獲取用來和輸入數據比較的參數，動態捕獲了Zeus僵尸網絡的25個控制命令。提取出控制命令以后，就可以用這些控制命令作為網絡輸入來觸發Zeus僵尸程序，使其表現出相應的行為。掌握了僵尸網絡的命令與控制機制以后，也可以嘗試偽造Zeus命令與控制服務器并向僵尸主機發送bot＿uninstall等命令來卸載、刪除僵尸程序，瓦解僵尸網絡。

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1.實驗原型實驗裝置如圖1。利用熱得快分別給質量相同、初溫相同的水與食用油加熱相同時間（或升高相同溫度）。在相同時間內，由于食用油溫度升得高些，如果要升高相同的溫度，加熱水用的時間應延長。2.不足之處本實驗用熱得快做熱源，由于它的功率較大、溫度升高過快，很難把握，有一定的危險性。教材中的實驗裝置還有兩個嚴重的缺陷，一是熱得快放置方法不正確，液體沒有蓋住熱得快的發熱部分，導致熱得快易損壞；二是由于等質量的水和油相比，油的體積大于水的體積，在油中的熱得快被浸的體積多些，導致兩種液體受熱不一致，數據難以令人信服。而且教材上的實驗能見度不高，讀取溫度數據困難。

二、實驗創新與改進

1.將新型硅膠加熱器固定在容器底部，使得加熱均勻、精度高，實現量化實驗，極易控制。如圖2。教學視點2.使用溫度傳感器及數顯溫度計，讀取數據方便快捷。3.用220V電壓做電源，實驗隨處可進行；內部裝有漏電保護開關，保證用電安全，便于讓學生操作。

三、實驗器材

自制液體加熱器2套，食用油、水各120克，停鐘1個，天平1架，兩份質量相等的水。

四、實驗原理及裝置說明

1.實驗原理新實驗使用控制變量法，通過控制使物質質量相等、吸收熱量相同、升高相同溫度，比較需用的時間。升高相同溫度時，所用時間較長的物質吸收的熱量多，則此物質吸收熱量的能力更強。2.裝置說明新實驗采用兩套完全相同的硅膠加熱器，從底部直接給液體加熱，并裝上傳感器及數顯溫度計，讓測量結果清晰顯現。當達到所需溫度時，只要將紅色開關關掉便可停止加熱。如圖3。

五、實驗設計及結論

實驗一：用加熱器加熱兩份相同質量的水，將結果記入表1，并得出結論。結論：質量相等的同種物質，吸收相同的熱量時，溫度升高的速度相同。實驗二：用加熱器加熱相同質量的水與食用油。將準備好的質量相等的水和食用油倒進兩個加熱器中，幾秒后記錄水與食用油的初始溫度。打開電源，同時按下停鐘開始計時，觀察兩個加熱器中溫度計的變化，用停鐘記下加熱液體每階段所用的時間，讀取相應的溫度變化量，并填入表2中。當加熱時間達到80s時，記下最后溫度，關閉電源，停止加熱，分析數據并得出結論。結論：質量相等的兩種物質，吸收相同的熱量時，溫度升得越慢的吸收的熱量較多，吸收熱量的能力較強。

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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。

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（二）實驗指標的設計

依據相關的實驗研究方法要求，保證實驗前后檢測的真實性，進行相關指標的測定。指標包括：1.前測指標：實驗組排球隊員和對照組的柔韌、力量素質和彈跳能力；2.后測指標：實驗組排球隊員和對照組身體素質水平：傳球技術動作的完成情況，傳球的效果；隊員的體育學習心理水平：體育學習的動機水平和認知水平。

（三）實驗控制的設計

在任何實驗性的科學研究中，由于與實驗相關的條件或因素如果是可測量的、數量化的或等級化的參與因素很多，勢必就會影響實驗的效果，不可避免，但是保持嚴謹的科學態度，合理的控制實驗過程中的各因素、各環節的變量影響效果，就會最大限度的降低實驗產生的誤差，從提高實驗的科學性和準確性，就本實驗研究的過程來看主要是控制以下幾種變量：1.對實驗教師的控制：論文開展前通過走訪和調查，選定的實驗組和對照組的教師或者教練，無論從排球的教學水平、教學經驗都要處于同水平，這樣可以減少教師的影響誤差。2.對隊員的控制：參與對比實驗分析的兩組隊員，都是普通學生，都沒有運動員的經歷，而且在本次實驗前對兩組學生分別進行指標的前測分析，保證實驗前的兩組學生身體素質和體育學習水平測試的差異不具顯著性，從而降低學生水平差異帶來的誤差。3.對訓練和教學過程的控制：為了實驗的誤差降低到最小，實驗訓練的場館一般要求在同一場地，盡可能的減少場館誤差的影響。4.對測試方式和數據的控制：實驗組和對照組的學生統一編排，并打亂測試順序，統一對具有排球教學經驗的教師進行測試，并進行數據的統一記錄，保證測試方式和數據統，從而降低數據的誤差。通過對以上幾個影響因素的控制，最大限度的降低外部環境的影響效果，實驗控制在一定程度上直接影響了實驗效果，因此實驗的控制必須在實驗前后控制在最小范圍內，才能保證實驗的科學性和可靠性。

（四）實驗步驟的設計

根據實驗要求，在不同時期安排不同實驗內容，具體步驟如下圖所示實驗步驟的設計是為了使訓練階段性更強，更能保證實驗的科學性。實驗步驟設計完成，對于今后的實驗教學有一定的指導性作用。

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2教師引導

對問題進行科學猜想如果學生沒有經過科學猜想就進行實驗設計，學生不知道實驗的目的，實驗設計就難以進行下去，不能培養學生的猜想能力，經歷的探究過程也不能鍛煉創新思維。所以教師必須引導學生根據已掌握的物理知識、隨堂實驗和生活經驗，把學生引入科學猜想的情景，有理有據地對問題進行猜想，明確探究的方向。在探究“影響導體電阻的因素”的教學中，筆者通過下面3個現象引導學生猜想：①滑動變阻器的滑片移動，電阻變化；②使用的是220V的燈泡，燈絲越粗越亮；③電線常用銅絲制造而不用鐵絲。這樣的設計給學生的探究指明了方向，學生一步一步地得出自己的科學猜想。

3教師引導

選用實驗器材如果教師直接給學生提供實驗器材，并介紹各種實驗器材的功能，代替了學生的探究和猜想，學生沒有學會遇到困難如何解決問題的方法。所以可以給學生預備多種器材，包括一部分無用器材，讓學生在問題的引導下思考實驗的原理，選用器材，思考有沒有更好的替代器材，有沒有創新，體現探究的開放性。在“測定電池的電動勢和內阻”的實驗中，筆者陳列一些實驗器材：干電池、安培表、伏特表、滑動變阻器、電阻箱、電鍵和導線若干根等，讓學生選擇器材，自行設計電路圖來完成實驗。筆者用下面的問題來引導學生選擇實驗器材：①需要什么儀器，采用什么樣的電路圖，原理是什么；②選擇什么規格的器材，被測干電池選內阻較大的還是較小的，伏特表選什么量程，安培表選什么量程，滑動變阻器選阻值較小的還是較大的。通過這樣的設計引導學生重視分析實驗器材與實驗目的和原理的聯系，分析為什么要選用這些器材，這些器材有什么用途，把本實驗的知識融合在一起，在分析問題的過程中培養學生獨立思考的能力。

4問題引導

自主設計初始實驗方案學生根據自己的預備物理知識，在教師的問題引導下自主設計檢驗猜想的實驗方案，包括根據實驗要求理解實驗原理、先后測量哪些物理量、具體如何操作、編寫實驗步驟、設計實驗表格等。在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗中，筆者用下面的問題來引導學生進行初始方案的設計。①物體的加速度與它受的力、質量這兩個因素均有關，應采用什么實驗方法得出加速度與力、質量三者間的定量關系？②這個實驗需要測量的物理量有哪些？③怎樣測量小車的加速度？需要什么器材？請同學們設計一個可行的實驗方案。④我們要讓細線對小車的拉力等于小車受到的合力，怎樣平衡掉阻力？阻力來自哪些方面？怎樣才算平衡掉了阻力？通過以上問題的引導，學生知道了實驗的方法，解決了實驗設計中的困難，最后大多數同學都能設計出自己的實驗方案。

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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?？蓮纳虾ＷC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?？煞譃榛A工具、轉換工具和瀏覽工具三種類型?；A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）?？蓮闹髁魃鲜泄揪W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。

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（1）實驗信息管理。

實驗信息管理主要包括對實驗室工作人員、實驗室規章制度、實驗室通知以及實驗室辦公文件等信息的集中管理。

（2）實驗課程管理。

實驗課程管理是指面向不同的老師、不同的開設班級，對實驗課程進行編排，以完成實驗課程的統一集中管理，做到實驗課程的時間、教室不沖突。

（3）實驗設備管理。

實驗設備是實驗教學過程中的重要資源，對實驗設備統一進行信息登記和管理，有助于實現對實驗設備的網絡化管理。

（4）實驗教學管理。

實驗教學管理主要包括實驗課程的準備，學生實驗過程視頻的保存，實驗報告的電子化及成績評定，以及實驗教學總結。

1.2模式設計

該設計采用了C/S模式和B/S模式相結合的設計模式。整個實驗室信息管理系統在WEB環境下運行，客戶端與數據庫服務器之間采用B/S模式，從而避免了客戶端專用程序的開發；而數據庫服務器與應用服務器之間采用C/S模式，適宜滿足應用程序和數據庫系統之間的大批量數據訪問和調用，從而提高了數據訪問的靈活性。另一方面，由于數據全部存儲在專用的數據庫服務器上，而應用程序服務器和客戶端只負責發出相應的數據請求指令，這樣在一定程度上也提高了數據的安全性，后期維護也更加趨于合理。

2虛擬現實技術在虛擬實驗中的設計與應用

2.1虛擬現實技術的應用方法

要將傳統的動手實驗演變為基于虛擬現實技術的虛擬實驗，必須要完成三維建模、虛擬場景重建以及動作響應設定等一系列設置，這樣才能夠實現實驗教學的信息化和虛擬化。目前三維建模主要依賴SolidWorks三維軟件完成，而虛擬場景的重新構建，在很大程度上依賴于LabView等圖形化編程軟件的使用。要實現虛擬實驗系統的設計，離不開數據庫系統的應用，因為在虛擬實驗操作過程中，離不開對數據庫的實時動態訪問，因此如何快速訪問數據庫系統成為虛擬技術應用的關鍵。目前應用在虛擬實驗系統中的數據庫訪問技術，主要是依賴于數據的快速存儲方式。對于底層傳遞來的數據，按照數據自身的屬性進行分類，從而將數據自動劃分到不同的數據類中。在同一數據類中，按照所定義的關鍵字對數據進行存儲。采用分類的數據存儲和訪問方式，能夠極大地提高數據庫訪問的效率。

2.2機電一體化實驗的虛擬化設計應用

本研究課題以具體的機電一體化實驗為例探討虛擬實驗系統的設計與應用。機電一體化實驗主要完成傳感器檢測、數據濾波、數據采集、數據顯示、電機控制等一系列任務。針對該實驗的內容，虛擬化和信息化可以按照如下步驟實施：

（1）三維建模。

借助于SolidWorks三維軟件對傳感器、濾波器、數據采集卡、數碼管、CPU控制器、步進電機等進行三維建模，實驗室內的萬用表、示波器等其他實驗儀器也要建模，以增強實驗環境的真實性。

（2）場景重建。

利用LabView圖形化編程軟件，將上述三維模型進行空間布局設置，構建與實驗室完全一致的實驗場景。

（3）界面接口設計。

僅僅有圖形化場景是遠遠不夠的，還必須借助LabView圖形化編程軟件對接口進行設計。比如數據采集卡的接口應當與傳感器的輸出接口保持相同的電平規格；再比如，CPU控制器的輸出脈沖應當跟步進電機的驅動電流保持相同電平規格，以確保電機能夠被驅動。

（4）虛擬動作響應。

設計了界面接口，就能夠利用VRML工具對虛擬動作響應進行設定，通過設定使虛擬實驗系統能夠智能地感知到操作者的意圖，從而順利完成虛擬實驗。

（5）數據庫的快速訪問。

在機電一體化實驗中，需要保存的數據有傳感器采集數據、數據采集卡的采集頻率、CPU控制器的輸出脈沖規格以及步進電機的相關參數。這些參數按照其自身屬性可以劃分為采集數據、控制數據和輸出數據三大類，將上述的數據自動地劃分到這三大類中。當虛擬動作響應需要訪問數據庫系統查詢上述相關數據時，可以首先按照數據所在的大類進行查詢，這樣有助于提高數據庫系統訪問的快速性和準確性。

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實驗的目標是學生在經過網狀拓撲式課堂培養后，在語文閱讀能力上能夠體現出批判性思維的相關特征，提升批判性思維品質。實驗假設涉及了三方面的內容，分為三個假設：1.教學模式與批判性思維意識培養的關系。批判性思維意識應包括“尋找真理、開放思想、分析能力、系統化能力、批判性思維的自信心、求知欲、認知成熟七種意識傾向“，在此設置假設一：網狀拓撲式課堂可以顯著增強學生批判性思維意識；2.教學模式與批判性思維普遍性的關系。設置假設二：網狀拓撲式課堂對培養學生批判性思維具有普遍性。3.教學模式與批判性思維能力的培養的關系。批判性思維包括三個緊密聯系、互相影響的階段：“分析思維方式階段、評估思維方式階段和提高思維方式階段”，具有公正性、普查性、挑戰性、嚴謹性、獨立性五種品質特點，以及思維目標、問題意識、觀點分析、概念理論表達、建立假設、推理結論等六種能力。在此設置了假設三：網狀拓撲式課堂可以顯著提升學生批判性思維能力以及語文綜合閱讀能力。

二、實驗變量的確定及控制措施

1.自變量與因變量的確定。自變量是研究者出于某種研究目的進行操縱以引起因變量發生變化的因素或條件。自變量是因變量的原因，因變量是由于自變量的變化而產生的現象變化或結果，彼此相互依存。依據假設，實驗操作變量是參與網狀拓撲式課堂研究的學生：實驗組學生的語文閱讀教學采取網狀拓撲式，對照組學生的語文閱讀教學采取傳統閱讀教學方式。因變量包括：（1）學生批判性思維能力的總體改變和各個分量（思維目標、問題意識、觀點分析、概念理論表達、建立假設、推理結論）的變化；（2）學生批判性思維意識的總體改變和原則分量的變化。（3）學生語文綜合閱讀測試能力的總體改變。2.無關變量的控制。無關變量，即為實驗中除實驗變量以外的影響實驗現象或結果的因素或條件。實驗者不能根據它對所得的結果做出正確的判斷和解釋。如果不能控制或消除無關變量的影響，因變量變化的根本原因就無法判定。所以在選擇研究變量的同時，必須辨明無關變量，需要在研究過程中加以控制那些可能對實驗結果產生影響的無關變量。本次實驗設計中，因為是按自然班級進行試驗，因而能對一部分無關變量進行控制。無關變量包括下面五個方面：學生自身方面的因素、家庭背景、社會因素、學習環境和教師因素。從高中二年級和三年級的學生中抽取樣本。他們在校已有至少一年的學習生活經歷，接觸的學習環境和社會環境基本一致。學生自身的特點，在進入新年級分班時，皆由學校從學習成績、綜合素質、班級人員組成等方面綜合平衡控制，在所屬的班級層級中，隨機分配，具有一定同質性。實驗中涉及的教師具有高中循環教學經歷，年齡接近，教學能力相當。

三、抽樣及分組的設計

實驗學校江蘇省海安高級中學為獨立設置的高中，規模符合要求。學校各類設備設施齊全，配置先進。學生對絕大多數對教師的教學比較滿意。學校教研組和課題組具備開發課程的能力。語文教研組承擔了省級“十二五”規劃課題，初步形成了較為可行的課程評價、學生評價、教師評價等體系，基本滿足實驗開設的需要。為了保證實驗的真實與嚴謹，盡量減少前測與實驗處理帶來的交互作用，便于作對照比較，采用了隨機后測控制組設計。學校按學習成績綜評、綜合素質測評、班級人員性別比例、選科傾向等因素在進入新學年時隨機分成若干個班級，采取等組實驗法分層整群隨機抽樣。分別從高二年級理科普通班、高三年級理科強化班、高三年級文科普通班三個不同組合中隨機抽取兩個，共386名學生參與實驗。在每個年級的不同類型班級組合中，隨機指派一個班為實驗班，語文閱讀教學中使用網狀拓撲式教學模式；對照班則采取常規教學模式。一個學期之后采用相關測量量表及常規語文閱讀綜合測試進行后測。

四、測量量表的選取

1.批判性思維意識傾向測量量表的選取《加利福尼亞批判性思維傾向測試》是一種比較成熟且使用較為廣泛的思維能力測試量具，有較好的信度與效度。2.批判性思維能力測量量表的選取《批判性思維能力檢測指南》將思維元素與思維標準結合，從八個方面進行測量，比較適合人文學科檢測，因而選取《批判性思維能力檢測指南》作為能力檢測量表。主要在實驗過程中提供給學生和教師針對書面閱讀報告進行分析和檢測。

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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

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完善的設計方案需具備六個條件

一般來說，應具備以下條件：人力、物力和時間滿足設計要求；實驗設計的“三要素”和“四原則”均符合專業和統計學要求；重要的實驗因素和觀測指標沒有遺漏，并做了合理安排；重要的非實驗因素（包括可能產生的各種偏性）都得到了很有效的預防和控制；研究過程中可能出現的各種情況都已考慮在內，并有相應的對策和嚴格的質量控抗對操作方法、實驗數據的收集、整理、分析等均有一套規范的規定和正確的方法。而其中準確把握統計研究設計的“三要素和四原則”，無疑是其設計方案科學嚴謹的象征。

實驗設計的“三要素”

實驗設計三要素應著重考慮：

一、受試對象的種類問題。這里面包含以下幾種情形：l、一般醫學科研——常用動物、離體標本或人體內取得的某些樣本作為受試對象；2、新藥的臨床前試驗——一般用動物作為受試對象；3．新藥的臨床試驗階段——一般用人作為受試對象。新藥臨床試驗一般分為4期，在1期臨床試驗階段，通常用健康志愿者作為受試對象；而在其他各期臨床試驗階段，常用患特定疾病的患者作為受試對象。選擇什么樣的患者，應有嚴格的規定。

二、實驗因素。實驗研究的目的不同，對實驗的要求也不同。若在整個實驗過程中影響觀察結果的因素很多，就必須結合專業知識，對眾多的因素做全面分析，必要時做一些預實驗，區分哪些是重要的實驗因素，哪些是重要的非重要的實驗因素，以便選用合適的實驗設計方法妥善安排這些因素。水平選取的過于密集，實驗次數就會增多，許多相鄰的水平對結果的影響十分接近，不僅不利于研究目的的實現，而且將會浪費人力、物力和時間；反之，該因素的不同水平對結果的影響規律不能真實地反映出來，易于得出錯誤的結論。在缺乏經驗的前提下，應進行必要的預實驗或借助他人的經驗，選取較為合適的若干個水平。所謂質量因素，就是因素水平的取值是定性的，如藥物的種類、處理方法的種類等。應結合實際情況和具體條件，選取質最因素的水平，千萬不能不顧客觀條件而盲目選取。

三、實驗效應。實驗效應是反映實驗因素作用強弱的標志，它必須通過具體的指標來體現。要結合專業知識，盡可能多地選用客觀性強的指標，在儀器和試劑允許的條件下，應盡可能多選用特異性強、靈敏度高的客觀指標。對一些半客觀（如讀取病理切片或X片上所獲得的結果）或主觀指標（如給某些定性實驗結果人為打分或賦值），一定要事先規定讀取數值的嚴格標準，必要時還應進行統一的技術培訓。

實驗設計的“四原則”

實驗設計四原則的實施主要包括：

一、隨機原則的實施：即運用“隨機數字表”實現隨機化；運用”隨機排列表”實現隨機化；運用’計算機產生偽隨機數”實現隨機化。

二、對照原則的實施：空白對照組的設立——此種對照一般用干動物實驗中，在臨床上只適用于慢性病的對比研究中，而且必須慎用；相互對照組的設立——有時要考察的某因素不能取零水平，如考察某化學實驗中反應溫度對實驗結果影響，此時，各實驗組分別人不同的溫度條件下做實驗，各組在實驗中起到了相互對照的作用；標準對照組的設立——為了比較某新藥的療效，往往以當前社會上被公認的、療效比較好且比較穩定的同類藥物作為標準對照；實驗對照組的設立——當某些處理本身夾雜著重要的非處理因素時，還需設立僅含該非處理因素的實驗組為實驗對照組；歷史或中外對照組的設立一一這種對照形式應慎用，其對比的結果僅供參考，不能作為推理的依據；多種對照形式同時并存。

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1．1半導體薄膜表面形貌特征研究

實驗在AFM上對樣品表面進行了多處掃描，獲得樣品表面的一系列圖像。在介觀尺度下，半導體ZnO薄膜表面具有極為凹凸不平的特征，有很多形狀不一、大小較為均勻的洼坑和突起。該樣品的表面二維形貌圖，圖片的掃描范圍為3000×3000nm。顏色的深淺不同表明了半導體ZnO薄膜表面的粗糙不平的特點，樣品表面顏色深的位置代表凹坑深，顏色淺的位置表示該處表面突起。煤樣的三維表面形貌，從另一個角度反映了介觀尺度下薄膜表面的凹凸不同的形貌。

1．2半導體薄膜樣表面顆粒研究

后處理軟件對AFM形貌圖進行處理，選取高度閾值，并剔除10%的最大和最小顆粒，得到半導體ZnO薄膜的表面顆粒分析結果。比例圖代表各個面積尺度的顆粒百分比，每一條線段代表某個尺度(面積)顆粒的百分比。系統所識別到的所有顆粒狀況，黑色區域為表面凹陷部分，灰白相間部分為所識別到的顆粒。從顆粒分析得到的粒度分布。總顆粒數為889，平均粒徑為40．1nm。其中近90%的顆粒粒徑小于56nm。可見，采用AFM掃描，獲得了該樣納米級的表面形貌特征。

1．3半導體薄膜樣表面粗糙度研究

表面粗糙度是表面結構的主要特征之一。表征表面粗糙度的參數有幅度參數(Amplitudeparameters)、混合參數(HybridParameters)和功能參數(FunctionParameters)。其中混合參數是影響表面摩擦性能的重要因素。功能參數是表征表面某些特殊的性能，如表示表面支承性能的表面支承指數Sbi等。該實驗側重于研究半導體ZnO薄膜表面形貌特性。幅度性能是表面形貌的主要特征之一，幅度參數大多與高度相關。幅度參數主要表征表面高度的三個方面的特性:(1)統計特性;(2)極值特性;(3)高度分布的形狀。。半導體ZnO薄膜表面形貌的均方根偏差Sq(統計幅度參數)的數值達8．26nm，說明在AFM掃描區域內，該樣表面粗糙度偏離參考基準的統計值。表面偏斜度Ssk=－0．149＜0，表明該樣表面的分布在基準面之上較為均勻。對于表征表面高度的峭度Sku=2．31＜3，說明該樣形貌高度分布分散，沒有集中在表面的中心部分。

1．4半導體薄膜樣表面的功率譜分析研究

AFM掃描獲得的半導體ZnO薄膜樣品信息，經后處理軟件處理，得到掃描曲線，再經過傅里葉轉換獲得頻譜和功率譜密度函數。不同的薄膜樣品得到的功率譜密度圖各異。表達了不同的頻率對應的功率譜密度值。結合分形理論，通過計算可得到該樣的分形維數D。分形維數是表征表面結構的特征參數。采用功率譜法計算分形維數，有助于進一步研究薄膜樣品表面的分形特征。