發(fā)布時(shí)間：2023-03-17 18:01:32
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的試驗(yàn)設(shè)計(jì)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別技術(shù)射頻卡分類
引言
射頻識(shí)別技術(shù)(RFID，RadioFrequencyIdentification)實(shí)際上是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)(AEI，AutomaticEquipmentIdentification)在無線電技術(shù)方面的具體應(yīng)用與發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)的基本思想是，通過采用一些先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)各類物體或設(shè)備(人員、物品)在不同狀態(tài)(移動(dòng)、靜止或惡劣環(huán)境)下的自動(dòng)識(shí)別和管理。
目前，應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)大致可以分為光學(xué)技術(shù)和無線電技術(shù)兩個(gè)方面。本文主要介紹自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在無線電技術(shù)方面的應(yīng)用。
1射頻識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介
20世紀(jì)80年代，由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，射頻識(shí)別系統(tǒng)的體積大大縮小，使得射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化的階段，成為一種成熟的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。
射頻識(shí)別技術(shù)是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。它與同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同。RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可完成識(shí)別，因此它可在更廣泛的場(chǎng)合中應(yīng)用。
典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)包括射頻卡和讀寫器兩部分。
射頻卡是將幾個(gè)主要模塊集成到一塊芯片中，完成與讀寫器的通信。芯片上有EEPROM用來儲(chǔ)存識(shí)別碼或其它數(shù)據(jù)。EEPROM容量從幾比特到幾萬比特。芯片僅需連接天線(和電池)，可以作為人員的身份識(shí)別卡或貨物的標(biāo)識(shí)卡?？ǚ庋b可以有不同形式，比如常見的信用卡及小圓片的形式等。與條碼、磁卡、IC卡等同期或早期的識(shí)別技術(shù)相比，射頻卡具有非接觸、工作距離長(zhǎng)、適于惡劣環(huán)境、可識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。
在多數(shù)RFID系統(tǒng)中，讀寫器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波(區(qū)域大小取決于工作頻率和天線尺寸)?？ㄆ瑑?nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同。當(dāng)射頻卡經(jīng)過這個(gè)區(qū)域時(shí)，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存。當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。讀寫器接收到卡的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后，通過RS232、RS422、RS485或無線方式將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)單的RFID產(chǎn)品就是一種非接觸的IC卡，而復(fù)雜的RFID產(chǎn)品能和外部傳感器接口連接來測(cè)量、記錄不同的參數(shù)，甚至可與GPS系統(tǒng)連接來跟蹤物體。
工作原理如圖1所示。
2射頻識(shí)別技術(shù)的分類
射頻識(shí)別技術(shù)主要按以下四種方式分類。
(1)工作頻率
根據(jù)工作頻率的不同可分為低頻和高頻系統(tǒng)。①低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于30MHz的系統(tǒng)。其基本特點(diǎn)是：射頻卡的成本較低、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短(無源情況，典型閱讀距離為10cm)、射頻卡外形多樣(卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀)、閱讀天線方向性不強(qiáng)等。低頻系統(tǒng)多用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、動(dòng)物監(jiān)管、貨物跟蹤。②高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率大于400MHz的系統(tǒng)。高頻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是射頻卡及讀寫器成本均較高、卡內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)(可達(dá)幾m~十幾m)、適應(yīng)物體高速運(yùn)動(dòng)性能好、外形一般為卡狀、閱讀天線及射頻卡天線均有較強(qiáng)的方向性。高頻系統(tǒng)多應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫距離和高的讀寫速度的場(chǎng)合，像火車監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)。
(2)射頻卡
根據(jù)射頻卡的不同可分成可讀寫(RW)卡、一次寫入多次讀出(WORM)卡和只讀(RO)卡三種。RW卡一般比WORM卡和RO卡貴得多，如電話卡、信用卡等。一般情況下改寫數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)大于讀取數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間(常規(guī)為改寫所花費(fèi)的時(shí)間為s級(jí)，閱讀花費(fèi)的時(shí)間為ms級(jí))。WORM卡是用戶可以一次性寫入的卡，寫入后數(shù)據(jù)不能改變，且比RW卡要便宜。RO卡存有一個(gè)唯一的號(hào)碼，不能逐改，保證了安全性。RO卡最便宜。
(3)射頻卡的有源與無源
射頻卡可分為有源及無源兩種。有源射頻卡使用卡內(nèi)電池的能量、識(shí)別距離較長(zhǎng)，可達(dá)十幾m，但是它的壽命有限(3~10年)，且價(jià)格較高；無源射頻卡不含電池，利用讀寫器發(fā)射的電磁波提供能量，重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、很便宜，但它的發(fā)射距離受限制，一般是幾十cm，且需要讀寫器的發(fā)射功率大。
(4)調(diào)制方式
根據(jù)調(diào)制方式的不同還可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。①主動(dòng)式的射頻卡用自身的射頻能量主動(dòng)地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器。②被動(dòng)式的射頻卡，使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)。它必須利用讀寫器的載波調(diào)制自己的信號(hào)，適宜在門禁或交通的應(yīng)用中使用。因?yàn)樽x寫器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的射頻卡。
目前使用的多數(shù)系統(tǒng)中，一次只能讀寫一個(gè)射頻卡。射頻卡之間要保持一定距離，確保一次只能有一個(gè)卡在讀寫區(qū)域內(nèi)。讀寫距離長(zhǎng)，射頻卡之間的距離就要大，應(yīng)用起來很不方便。現(xiàn)在的射頻卡具有防碰撞的功能，這對(duì)于RFID來說十分重要。所謂碰撞是指多個(gè)射頻卡進(jìn)入識(shí)別區(qū)域時(shí)信號(hào)互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統(tǒng)可以同時(shí)識(shí)別進(jìn)入識(shí)別距離的所有射頻卡，它的并行工作方式大大提高了系統(tǒng)的效率。
3國(guó)際射頻識(shí)別技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展得很快。RFID產(chǎn)品種類很多，像德州儀器、Motoro1a、Philips、Microchip等世界著名廠家都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品。他們的產(chǎn)品各有特點(diǎn)，自成系列。射頻識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。如澳大利亞將它的RFID產(chǎn)品用于澳機(jī)場(chǎng)旅客行李管理中并發(fā)揮了出色的作用；瑞士國(guó)家鐵路局在瑞士的全部旅客列車上安裝RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，調(diào)度員可以實(shí)時(shí)掌握火車運(yùn)行情況，不僅利于管理，還大大減小了發(fā)生事故的可能性；德國(guó)BMW公司將射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用在汽車生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)過程控制中等。
據(jù)有關(guān)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，射頻識(shí)別產(chǎn)品在全世界的銷量以每年25.3%的比例增長(zhǎng)。由此可見，射頻識(shí)別技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景。
4射頻識(shí)別技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展
我國(guó)政府在1993年制定的金卡工程實(shí)施計(jì)劃，是一個(gè)旨在加速推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程的重大國(guó)家級(jí)工程，由此各種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用十分迅猛?，F(xiàn)在，射頻識(shí)別技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也將在中國(guó)很快地普及。
目前，我國(guó)的射頻識(shí)別技術(shù)在下列幾種應(yīng)用中發(fā)展前景較好。當(dāng)然，這里僅僅羅列了射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的一部分。任何一種技術(shù)如果得到普及，都將會(huì)孕育一個(gè)龐大的市場(chǎng)。射頻識(shí)別將是未來一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
4.1安全防護(hù)領(lǐng)域
(1)門禁保安
將來的門禁保安系統(tǒng)均可應(yīng)用射頻卡。一卡可以多用。比如，可以作工作證、出入證、停車卡、飯店住宿卡甚至旅游護(hù)照等，目的都是識(shí)別人員身份、安全管理、收費(fèi)等等。好處是簡(jiǎn)化出入手續(xù)、提高工作效率、安全保護(hù)。只要人員佩戴了封裝成ID卡大小的射頻卡、進(jìn)出入口有一臺(tái)讀寫器，人員出入時(shí)自動(dòng)識(shí)別身份，非法闖入會(huì)有報(bào)警。安全級(jí)別要求高的地方、還可以結(jié)合其它的識(shí)別方式，將指紋、掌紋或顏面特征存入射頻卡。
公司還可以用射頻卡保護(hù)和跟蹤財(cái)產(chǎn)。將射頻卡貼在物品上面，如計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、文件、復(fù)印機(jī)或其它實(shí)驗(yàn)室用品上。該射頻卡使得公司可以自動(dòng)跟蹤管理這些有價(jià)值的財(cái)產(chǎn)，可以跟蹤一個(gè)物品從某一建筑離開，或是用報(bào)警的方式限制物品離開某地。結(jié)合GPS系統(tǒng)利用射頻卡，還可以對(duì)貨柜車、貨艙等進(jìn)行有效跟蹤。
(2)汽車防盜
這是RFID較新的應(yīng)用。目前已經(jīng)開發(fā)出了足夠小的、能夠封裝到汽車鑰匙當(dāng)中含有特定碼字的射頻卡。它需要在汽車上裝有讀寫器，當(dāng)鑰匙插入到點(diǎn)火器中時(shí)，讀寫器能夠辨別鑰匙的身份。如果讀寫器接收不到射頻卡發(fā)送來的特定信號(hào)，汽車的引擎將不會(huì)發(fā)動(dòng)。用這種電子驗(yàn)證的方法，汽車的中央計(jì)算機(jī)也就能容易防止短路點(diǎn)火。
另一種汽車防盜系統(tǒng)是，司機(jī)自己帶有一射頻卡，其發(fā)射范圍是在司機(jī)座椅45~55cm以內(nèi)，讀寫器安裝在座椅的背部。當(dāng)讀寫器讀取到有效的ID號(hào)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出三聲鳴叫，然后汽車引擎才能啟動(dòng)。該防盜系統(tǒng)還有另一強(qiáng)大功能：倘若司機(jī)離開汽車并且車門敞開引擎也沒有關(guān)閉，這時(shí)讀寫器就需要讀取另一有效ID號(hào)；假如司機(jī)將該射頻卡帶離汽車，這樣讀寫器不能讀到有效ID號(hào)，引擎就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置。
(3)電子物品監(jiān)視系統(tǒng)
電子物品監(jiān)視系統(tǒng)(ElectronicArticleSurveillance,EAS)的目的是防止商品被盜。整個(gè)系統(tǒng)包括貼在物體上的一個(gè)內(nèi)存容量?jī)H為1比特(即開或關(guān))的射頻卡，和商店出口處的讀寫器。射頻卡在安裝時(shí)被激活。在激活狀態(tài)下，射頻卡接近掃描器時(shí)會(huì)被探測(cè)到，同時(shí)會(huì)報(bào)警。如果貨物被購(gòu)買，由銷售人員用專用工具拆除射頻卡(典型的是在服裝店里)，或者用磁場(chǎng)來使射頻卡失效，或者直接破壞射頻卡本身的電特性。EAS系統(tǒng)已被廣泛使用。據(jù)估計(jì)每年消耗60億套。
4.2商品生產(chǎn)銷售領(lǐng)域
(1)生產(chǎn)線自動(dòng)化
用RFID技術(shù)在生產(chǎn)流水線上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、監(jiān)視，提高生產(chǎn)率，改進(jìn)生產(chǎn)方式，節(jié)約了成本。舉個(gè)例子以說明在生產(chǎn)線上應(yīng)用RFID技術(shù)的情況。
用于汽車裝配流水線。德國(guó)寶馬汽車公司在裝配流水線上應(yīng)用射頻卡，以盡可能大量地生產(chǎn)用戶定制的汽車。寶馬汽車的生產(chǎn)是基于用戶提出的要求式樣而生產(chǎn)的。用戶可以從上萬種內(nèi)部和外部選項(xiàng)中，選定自己所需車的顏色、引擎型號(hào)和輪胎式樣等。這樣一來，汽車裝配流水線上就得裝配上百種式樣的寶馬汽車，如果沒有一個(gè)高度組織的、復(fù)雜的控制系統(tǒng)是很難完成這樣復(fù)雜的任務(wù)的。寶馬公司在其裝配流水線上配有RFID系統(tǒng)，使用可重復(fù)使用的射頻卡。該射頻卡上帶有汽車所需的所有詳細(xì)的要求，在每個(gè)工作點(diǎn)處都有讀寫器，這樣可以保證汽車在各個(gè)流水線位置，能毫不出錯(cuò)地完成裝配任務(wù)。
(2)倉(cāng)儲(chǔ)管理
將RFID系統(tǒng)用于智能倉(cāng)庫(kù)貨物管理，能有效地解決與貨物流動(dòng)有關(guān)的信息管理，不但增加了處理貨物的速度，還可監(jiān)視貨物的一切信息。射頻卡貼在貨物所通過的倉(cāng)庫(kù)大門邊上，讀寫器和天線都放在叉車上，每個(gè)貨物都貼有條碼，所有條碼信息都被存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)的中央計(jì)算機(jī)里，與該貨物有關(guān)的信息都能在計(jì)算機(jī)里查到。當(dāng)貨物出庫(kù)時(shí)，由另一讀寫器識(shí)別并告知中央計(jì)算它被放在哪個(gè)拖車上。這樣，管理中心可以實(shí)時(shí)地了解到已經(jīng)生產(chǎn)了多少產(chǎn)品和發(fā)送了多少產(chǎn)品。
(3)產(chǎn)品防偽
偽造問題在世界各地都是令人頭疼的問題，將射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在防偽領(lǐng)域有它自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。防偽技術(shù)本身要求成本低，且難于偽造。射頻卡的成本就相對(duì)便宜，而芯片的制造需要有昂貴的芯片工廠，使偽造者望而卻步。射頻卡本身有內(nèi)存，可以儲(chǔ)存、修改與產(chǎn)品有關(guān)的數(shù)據(jù)，利于銷售商使用；體積十分小、便于產(chǎn)品封裝。像電腦、激光打印機(jī)、電視等產(chǎn)品上都可使用。
(4)RFID卡收費(fèi)
國(guó)外的各種交易大多利用各種卡來完成，而我國(guó)普遍采用現(xiàn)金交易。現(xiàn)金交易不方便也不安全，還容易出現(xiàn)稅收的漏洞。目前的收費(fèi)卡多用磁卡、IC卡，而射頻卡也開始占據(jù)市場(chǎng)。原因是在一些惡劣的環(huán)境中，磁卡、IC卡容易損壞，而射頻卡則不易磨損，也不怕靜電及其它情況；同時(shí)，射頻卡用起來方便、快捷，甚至不用打開包，在讀寫器前搖晃一下，就完成收費(fèi)。另外，還可同時(shí)識(shí)別幾張卡．并行收費(fèi)，如公共汽車上的電子月票。我國(guó)大城市的公共汽車異常擁擠、環(huán)境條件差，射頻卡的使用有助于改善這種情況。
4.3管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域
(1)畜牧管理
該領(lǐng)域的發(fā)展起步于賽馬的識(shí)別，是用小玻璃封裝的射頻卡植于動(dòng)物皮下。射頻卡大約10mm長(zhǎng)，內(nèi)有一個(gè)線圈，約1000圈的細(xì)線繞在鐵氧體上，讀寫距離是十幾cm。從賽馬識(shí)別發(fā)展到了標(biāo)識(shí)牲畜。牲畜的識(shí)別提供了現(xiàn)代化管理牧場(chǎng)的方法。
(2)運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)
在馬拉松比賽中，由于人員太多，有時(shí)第一個(gè)出發(fā)的人同最后一個(gè)出發(fā)的人能相隔40分鐘。如果沒有一個(gè)精確的計(jì)時(shí)裝置，就會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。射頻卡應(yīng)用于馬拉松比賽中，運(yùn)動(dòng)員在自己的鞋帶上很方便地系上射頻卡，在比賽的起跑線和終點(diǎn)線處放置帶有微型天線的小墊片。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員越過此墊片時(shí)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)便會(huì)接收運(yùn)動(dòng)員所帶的射頻卡發(fā)出的ID號(hào)，并記錄當(dāng)時(shí)的時(shí)間。這樣，每個(gè)運(yùn)動(dòng)員都會(huì)有自己的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)不公平競(jìng)爭(zhēng)的可能性了。在比賽路線中，如果每隔5km就設(shè)置這樣一個(gè)墊片，還可以很方便地記錄運(yùn)動(dòng)員在每個(gè)階段所用的時(shí)間。
RFID還可應(yīng)用于汽車大獎(jiǎng)賽上的精確計(jì)時(shí)。在跑道下面按照一定的距離間隔埋入一系列的天線，這些天線與讀寫器相連，而射頻卡安裝到賽車前方。當(dāng)賽車每越過一個(gè)天線時(shí)，賽車的ID號(hào)和時(shí)間就被記錄下來，并存儲(chǔ)到中央計(jì)算機(jī)內(nèi)。這樣到比賽結(jié)束時(shí)，每個(gè)參賽選手將會(huì)有一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果。
4.4交通運(yùn)輸領(lǐng)域
(1)高速公路自動(dòng)收費(fèi)及交通管理
高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)是射頻識(shí)別技術(shù)最成功的應(yīng)用之一。目前，中國(guó)的高速公路發(fā)展非?？欤咚俟肥召M(fèi)卻存在一些問題：一是在收費(fèi)站口，許多車輛要停車排隊(duì)，成為交通瓶頸問題；二是少數(shù)不法的收費(fèi)員貪污路費(fèi)，使國(guó)家損失了相當(dāng)?shù)呢?cái)政收入。RFID技術(shù)應(yīng)用在高速公路自動(dòng)收費(fèi)上，能夠充分體現(xiàn)它非接觸識(shí)別的優(yōu)勢(shì)——讓車輛高速通過收費(fèi)站的同時(shí)自動(dòng)完成收費(fèi)，同時(shí)可以解決收費(fèi)員貪污路費(fèi)及交通擁堵的問題。利用射頻識(shí)別技術(shù)的不停車高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)是將來的發(fā)展方向；人工收費(fèi)，包括IC卡的停車收費(fèi)方式，終將會(huì)被淘汰。預(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)，高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)將有數(shù)十億元的需求。
在城市交通方面，解決交通日趨擁擠問題不能只依賴于修路。加強(qiáng)交通的指揮、控制、疏導(dǎo)，提高道路的利用率，深挖現(xiàn)有交通潛能也是非常重要的；而基于RFID技術(shù)的交通管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查處違章車輛，記錄違章情況。另外，公共汽車站實(shí)時(shí)跟蹤指示公共汽車到站時(shí)間及自動(dòng)顯示乘客信息，會(huì)給乘客帶來很大的方便。
(2)火車和貨運(yùn)集裝箱的識(shí)別
在火車運(yùn)營(yíng)中，使用RFID系統(tǒng)很大的優(yōu)勢(shì)在于：火車是按既定路線運(yùn)行的，因此肯定要通過設(shè)定的讀寫器的地點(diǎn)。通過讀到的數(shù)據(jù)，能夠得到火車的身份、監(jiān)控火車的完整性，以防止遺漏在鐵軌上的車廂發(fā)生撞車事故，同時(shí)能在車站將車廂重新編組。起初的努力是用超音波和雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)讀出車廂側(cè)的條碼，現(xiàn)在被RFID系統(tǒng)取代。射頻卡一般安在車廂頂邊，讀寫器安在鐵路沿線，就可得到火車的實(shí)時(shí)信息及車廂內(nèi)裝的物品信息。
目前，射頻自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的安裝遍布全國(guó)14個(gè)鐵路局。2001年3月1日，鐵道部正式聯(lián)網(wǎng)啟用車次車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，為自備車企業(yè)、合資鐵路和地方鐵路實(shí)現(xiàn)信息化智能運(yùn)輸管理提供了重要良機(jī)。
由于目前中小學(xué)的課時(shí)量、實(shí)驗(yàn)儀器和藥品數(shù)量的限制，使得教材中的很多實(shí)驗(yàn)學(xué)生無法親自動(dòng)手完成，只能由教師來做演示實(shí)驗(yàn)，極大地影響了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力。而微型實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)則可以改善上述的癥狀。尤其是新課改之后，教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容的變化，給實(shí)驗(yàn)教師帶來了一定的挑戰(zhàn)性。倘若課堂上依然完全采取教師講、學(xué)生聽的方式，便無法提高教學(xué)質(zhì)量，使教學(xué)停滯不前。尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，不能自己動(dòng)手操作，就會(huì)永遠(yuǎn)走一條既成的老路，無法實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。而且常規(guī)的實(shí)驗(yàn)會(huì)需要更多的藥品和儀器，同時(shí)造成環(huán)境的污染。因此，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中逐步實(shí)施微型實(shí)驗(yàn)，節(jié)約資源，提高學(xué)生的創(chuàng)造力是相當(dāng)有必要的。
二、微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特色和實(shí)施的必要性
微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器具有不易破碎、小巧便攜、使用方便等特點(diǎn)，使得無論是學(xué)校還是個(gè)人都有能力去創(chuàng)建自己的“微型實(shí)驗(yàn)室”，這就為化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的改革提供了方便與可能。實(shí)踐證明，微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的實(shí)施概括來說主要有以下特點(diǎn)：過去的課堂實(shí)驗(yàn)基本上被演示實(shí)驗(yàn)所占據(jù)，學(xué)生們處在一種“被動(dòng)接受”知識(shí)的狀態(tài)中，而微型實(shí)驗(yàn)使得大多數(shù)學(xué)生都有機(jī)會(huì)自己動(dòng)手參與，使得啟發(fā)式的教學(xué)方法能夠得以實(shí)現(xiàn)；微型化實(shí)驗(yàn)具有安全性和節(jié)約性的特點(diǎn)，教師可以放心地讓每一個(gè)學(xué)生獨(dú)自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的方式可以促進(jìn)學(xué)生理解和形成化學(xué)概念，幫助培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察和動(dòng)手能力，同時(shí)，極大地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣的培養(yǎng)；方便了實(shí)驗(yàn)室分組實(shí)驗(yàn)、家庭小實(shí)驗(yàn)尤其是隨堂實(shí)驗(yàn)的展開，培養(yǎng)了學(xué)生既動(dòng)手又動(dòng)腦、理論聯(lián)系實(shí)際和解決實(shí)際問題的能力，尤其是對(duì)于資源條件較差的農(nóng)村中學(xué)，微型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施對(duì)其影響頗深；有利于減少?gòu)U氣、廢液以及固體廢品的排放，改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、降低空氣污染，減少對(duì)師生健康的損害。具體來說，微型實(shí)驗(yàn)可以：
（一）改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)創(chuàng)新
演示實(shí)驗(yàn)是課堂教學(xué)中最直接、最便捷的一種的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，是探索新知識(shí)、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作和技能的最基本途徑。因此教師在做課堂演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)課本的中實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了合理的微型化改進(jìn)。如：做“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)象不明顯，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的現(xiàn)象，影響觀察和判斷，其中碳和氧化銅的質(zhì)量比需要控制在（9~13）：1的范圍內(nèi)，倘若比例過高，氧化銅不能完全反應(yīng)；比例太低，碳粉的量遮蓋了銅的顏色，現(xiàn)象不易觀察。對(duì)于此實(shí)驗(yàn)，可以做如下改進(jìn)：為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以在實(shí)驗(yàn)開始之前將碳粉和氧化銅粉末混合均勻，調(diào)成糊狀。取少許均勻涂抹在試管底部?jī)?nèi)壁上，待晾干后，進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)操作。因?yàn)榉磻?yīng)物的量非常少，所以加熱較短時(shí)間就能觀察到試管內(nèi)壁紫紅色銅鏡的出現(xiàn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)節(jié)約藥品、現(xiàn)象明顯，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新的意識(shí)。
（二）設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、合作精神
設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助學(xué)生形成概念、鞏固知識(shí)、培養(yǎng)技能，更能訓(xùn)練其團(tuán)結(jié)、合作、互助的精神。在實(shí)驗(yàn)課堂上，一個(gè)合理有效的分組實(shí)驗(yàn)，能幫助大家節(jié)約資源、節(jié)約時(shí)間。如”二氧化碳?xì)怏w的制取“實(shí)驗(yàn)，教師可以將實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)小組：通過上述分組實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生可以找出二氧化碳?xì)怏w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(yōu)劣性。
（三）展開家庭興趣小實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和實(shí)踐能力
實(shí)驗(yàn)課中的教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，畢竟時(shí)間、儀器、藥品選擇有限，不能夠讓每一個(gè)學(xué)生的興趣和個(gè)性得以激發(fā)，課堂中的實(shí)驗(yàn)更多的是訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思維。此時(shí)，家庭興趣小實(shí)驗(yàn)便可以提供廣闊的空間，學(xué)生可以依照自己的興趣愛好，進(jìn)行獨(dú)立的微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先，提出方案設(shè)計(jì)，通過查閱資料、選擇藥品和儀器，現(xiàn)象觀察與記錄，結(jié)果的交流分析等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，都是由學(xué)生來主導(dǎo)的，體現(xiàn)了自己的主觀能動(dòng)性。如“紙杯燒水”實(shí)驗(yàn)——水的沸點(diǎn)是100℃，加熱沸騰后只吸熱，溫度不再升高，而紙的著火點(diǎn)在150℃以上，所以水可以燒開，紙卻沒事，這樣的實(shí)驗(yàn)材料選擇非常簡(jiǎn)單，容易操作。又如”變胖的雞蛋“——醋酸和雞蛋殼的反應(yīng)，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(dòng)有趣，現(xiàn)象明顯易觀察。反應(yīng)原理是：蛋殼消失是因?yàn)榕c醋酸發(fā)生了反應(yīng)，被溶解，從雞蛋中冒出來的氣泡，則是反應(yīng)生成的二氧化碳。
1.初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行不同的劃分。根據(jù)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同，可以將初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分成以下類型：制備實(shí)驗(yàn)、性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)原理的驗(yàn)證、混合物成分的分析、濃度測(cè)定、定性與定量結(jié)合的實(shí)驗(yàn)等。
2.化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案的內(nèi)容實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的成果就是實(shí)驗(yàn)方案。雖然具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容和形式不盡相同，但就一個(gè)相對(duì)完整的實(shí)驗(yàn)方案來說，一般包括：實(shí)驗(yàn)名稱（課題）；實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?shí)驗(yàn)原理；實(shí)驗(yàn)用品（試劑、儀器、裝置設(shè)備）及規(guī)格；實(shí)驗(yàn)裝置圖、實(shí)驗(yàn)步驟和操作方法；注意事項(xiàng)；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果處理；問題和討論等。
3.實(shí)驗(yàn)方案選擇的基本標(biāo)準(zhǔn)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)課題，每個(gè)人的設(shè)計(jì)和操作過程可能不一樣，結(jié)果自然也不會(huì)完全相同。根據(jù)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則和教學(xué)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)方案選擇的基本標(biāo)準(zhǔn)是：原理正確有科學(xué)依據(jù)；裝置簡(jiǎn)單，在實(shí)際中具有可操作性且操作方便；實(shí)驗(yàn)步驟少，需要時(shí)間短；藥品用量少、無毒且廉價(jià)易得；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要明顯；反應(yīng)條件要簡(jiǎn)單（最好在常溫下進(jìn)行）；盡量不用也不產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，即符合“綠色化學(xué)”的要求；制備實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率高；性質(zhì)實(shí)驗(yàn)誤差小；實(shí)驗(yàn)安全無危險(xiǎn)；設(shè)計(jì)要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)取?/p>
二、中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的一般原則
無論哪一類中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，一般都應(yīng)遵循以下原則：
1.科學(xué)性原則科學(xué)性是指實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)程序和操作方法必須與科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法論相一致。科學(xué)性是化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的首要原則。例如：實(shí)驗(yàn)室制取氫氣，就不能選用硝酸與金屬鋅反應(yīng)，因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)很難制得純凈的氫氣。
2.目標(biāo)性原則目標(biāo)性是指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或創(chuàng)新要根據(jù)一定的教學(xué)目標(biāo)有所側(cè)重與突破。同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)目標(biāo)（如教師演示與學(xué)生操作，為了突出環(huán)保或趣味性）不同，設(shè)計(jì)所用的原理、用品、方法、裝置、步驟等是有一定區(qū)別的。
3.安全性原則安全性是指化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免使用有毒、有害的化學(xué)試劑，以及反應(yīng)產(chǎn)生有毒害的物質(zhì)，或者具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)裝置與操作?！叭绻仨毷褂玫?，應(yīng)該在所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案中詳細(xì)寫明注意事項(xiàng)，以防止造成環(huán)境污染和人身傷害?！保?］安全是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一要?jiǎng)?wù)，設(shè)計(jì)時(shí)必須要特別引起重視！
4.新穎性原則新穎性是指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)在思路、操作方法、器材用品、裝置等方面要有新的突破，使新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)與研究更加適用或具有指導(dǎo)的意義。
5.可行性原則可行性是指設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)所運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)施時(shí)切實(shí)可行，所選用的化學(xué)試劑、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備和方法在現(xiàn)有的條件下能夠得到滿足。例如：實(shí)驗(yàn)室大量制取二氧化碳，不能為了創(chuàng)新而選用碳酸鈉代替碳酸鈣（或石灰石）與鹽酸反應(yīng)，或者用硫酸替代鹽酸與碳酸鈣（或石灰石）反應(yīng)。因?yàn)榍罢叻磻?yīng)太劇烈，后者反應(yīng)不完全，很快就停止了。
6.簡(jiǎn)約性原則簡(jiǎn)約性是指盡量采用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置、較少的實(shí)驗(yàn)步驟和試劑，在較短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。復(fù)雜的裝置與步驟以及時(shí)間太長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)都會(huì)轉(zhuǎn)移中學(xué)生的注意力，容易導(dǎo)致他們產(chǎn)生畏難情緒和疲勞感，影響對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的觀察、分析與思考。
7.綠色化原則綠色化是指從化學(xué)反應(yīng)的原料、反應(yīng)的條件、反應(yīng)的產(chǎn)物和實(shí)驗(yàn)的操作等化學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程上進(jìn)行控制，盡可能地減少甚至消除有毒、有害的化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響。綠色化學(xué)是21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
8.啟迪性原則啟迪性是指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)起開導(dǎo)作用，能夠啟發(fā)學(xué)生的思維，促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)原理及知識(shí)的探討和認(rèn)識(shí)，優(yōu)化學(xué)習(xí)過程，從而提高教學(xué)效益。這是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。
三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的視角
初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是在義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，對(duì)現(xiàn)行教材中所涉及的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化、增設(shè)或創(chuàng)新等，以提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的效益。在初中化學(xué)教學(xué)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是提高化學(xué)教學(xué)有效性的需要，也是義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)要與時(shí)俱進(jìn)，必須符合現(xiàn)代化學(xué)教育發(fā)展的理念，在滿足探究性的條件下，可以從以下視角進(jìn)行：
1.實(shí)驗(yàn)過程綠色化“綠色化學(xué)的理念是在化學(xué)反應(yīng)過程以及化工生產(chǎn)中，不再使用有毒有害物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再處理廢物，它是一門從源頭上阻止污染的化學(xué)?！保?］化學(xué)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上要體現(xiàn)綠色化，盡可能做到原料（反應(yīng)物）的綠色化，化學(xué)反應(yīng)的綠色化（采用原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)），生成物的綠色化以及催化劑、溶劑的綠色化。例如：在涉及氧氣的制取實(shí)驗(yàn)時(shí)采用雙氧水分解來制取，二氧化錳要回收等。
2.實(shí)驗(yàn)裝置微型化“所謂微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，就是以盡可能少的化學(xué)試劑來獲取所需化學(xué)信息的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)。”［6］雖然它的化學(xué)試劑用量一般只為常規(guī)實(shí)驗(yàn)用量的幾十分之一乃至幾千分之一，卻可以達(dá)到準(zhǔn)確、明顯、安全、方便和防止環(huán)境污染等目的。例如：在“探究微粒的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”中，可以用試管代替燒杯進(jìn)行微型化實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)單孔橡皮塞上插入一根玻璃導(dǎo)管接近試管底，試管內(nèi)壁貼一張滴加無色酚酞試液的濾紙，從導(dǎo)管口滴上兩滴濃氨水到試管底部，用透明膠封導(dǎo)管口，可以看到，試管里滴有無色酚酞試液的濾紙由下往上慢慢變紅了。
3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)?；白罴训沫h(huán)境保護(hù)方法是在源頭上防止污染的產(chǎn)生，而不是污染產(chǎn)生后再去處理?！保?］實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中我們應(yīng)該采取一些有效措施使化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所和環(huán)境的污染降低到最低限度。這些措施主要是：實(shí)驗(yàn)裝置密閉化，避免敞口操作，防止有關(guān)物質(zhì)散佚到周圍環(huán)境中；采取收集辦法，回收有關(guān)物質(zhì)；對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行無毒害處理；加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的通風(fēng)或采取其他的防護(hù)措施等。例如：一氧化碳還原性實(shí)驗(yàn)，對(duì)多余的一氧化碳可以回收，也可以燃燒進(jìn)行無毒害處理等。
4.實(shí)驗(yàn)操作安全化保證實(shí)驗(yàn)安全，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的原則要求。有一些實(shí)驗(yàn)，由于物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的特殊性，給實(shí)驗(yàn)增加了難度甚至危險(xiǎn)性。在點(diǎn)燃?xì)錃獾膶?dǎo)管和氫氣發(fā)生器之間，用一個(gè)小塑料瓶裝上大約四分之三的水制成一個(gè)“安全裝置”連接起來，這樣，即使點(diǎn)燃不純凈的氫氣，爆炸也只是在“安全裝置”中發(fā)生，氫氣很少威力小，氫氣發(fā)生裝置不會(huì)發(fā)生爆炸，因此不會(huì)發(fā)生安全事故。
5.實(shí)驗(yàn)趣味化化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有動(dòng)機(jī)功能，增加化學(xué)實(shí)驗(yàn)的趣味性，可以激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。例如：在研究燃燒與滅火的條件時(shí)，增加演示“燒不壞的手帕”［8］實(shí)驗(yàn)，可以激發(fā)學(xué)生的興趣。在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討手帕燒壞的條件，則能夠使學(xué)生深化對(duì)有關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。
6.利用儀器功能轉(zhuǎn)化儀器本身沒有限定它只能用于什么而不能用于什么，只是主要適用于什么?！胺此純x器的別樣用途，可以幫助我們加深對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新。”［9］例如：漏斗可以充當(dāng)集氣與尾氣吸收裝置，在鈉與水反應(yīng)氣體產(chǎn)物的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，將漏斗置于水中，倒扣在鈉塊上，產(chǎn)生的少量氣體可順利地富集到試管中。
7.利用學(xué)科知識(shí)遷移我們往往習(xí)慣于使用教材的實(shí)驗(yàn)儀器和裝置，很少重視儀器的笨拙和實(shí)驗(yàn)時(shí)的效率，這種視經(jīng)典為權(quán)威的思想往往就是教師缺乏創(chuàng)新的癥結(jié)所在。實(shí)際上，科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法就是應(yīng)該不斷地發(fā)現(xiàn)問題，傳統(tǒng)裝置的不當(dāng)之處無疑給我們提供了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的課題。例如：學(xué)習(xí)“質(zhì)量守恒定律”內(nèi)容時(shí)，在使用托盤天平稱量氫氧化鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)前后的質(zhì)量時(shí)，在18×200的中型試管里裝入大約1mL稀鹽酸與酚酞的混合溶液，球形滴管吸入NaOH溶液后，將球形滴管放在試管口，把上述帶有球形滴管的試管放入盛水的100mL量筒中，讓學(xué)生通過觀察比較反應(yīng)前后試管浸在液面中的高度即可（試管作上標(biāo)記）。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作起來方便有趣，不用天平而是利用物理上的浮力知識(shí)，體現(xiàn)了學(xué)科之間的聯(lián)系，有利于學(xué)生知識(shí)的遷移。
8.實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單化教材所選用的實(shí)驗(yàn)方案未必都是最好的，有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)不容易成功、結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。例如：測(cè)定“空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”實(shí)驗(yàn)，由于教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置密封性和燃燒匙放入不易控制，加上導(dǎo)氣管內(nèi)尚留有空氣導(dǎo)致誤差因素較多，有時(shí)氧氣顯示超過五分之一，讓教師無法自圓其說。可做如下改進(jìn)：將小顆白磷放在1.5cm×2.5cm的薄銅片上，置于硬質(zhì)大試管中部，塞緊橡皮塞，用酒精燈對(duì)準(zhǔn)銅片加熱使白磷充分燃燒，待試管冷卻后浸入水中，在水面下拿掉橡皮塞，待液面上升穩(wěn)定后再塞上橡皮塞，拿出水面觀察。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)所用儀器少，誤差因素少，結(jié)果比較準(zhǔn)確。
9.儀器、藥品生活化采用學(xué)生熟悉的身邊物品或一些廢品作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)的藥品，就會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生一種親切感，覺得化學(xué)并不神秘，就在自己身邊，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣。例如：用蛋殼代替碳酸鈣制取二氧化碳；測(cè)試肥皂水、食鹽水、泥水、蔗糖水、洗發(fā)水、食醋、蘇打水的pH值等。許多生活用品甚至廢棄物品也可以用做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器，這種“物盡其用”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能夠充分拓展學(xué)生的思維空間，使他們更加關(guān)注身邊的化學(xué)現(xiàn)象，增強(qiáng)愛護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的意識(shí)，更好地學(xué)以致用。例如：用小氣球收集氣體，礦泉水瓶做容器，廢棄的醫(yī)用注射器做量筒、集氣瓶等。
GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)是利用美國(guó)的24顆GPS地址衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)而建立的導(dǎo)航、定位、授時(shí)的系統(tǒng)。美國(guó)政府已承諾，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，GPS系統(tǒng)將向全世界免費(fèi)開放。目前，GPS系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在導(dǎo)航、大地測(cè)量、精確授時(shí)、車輛定位及防盜等領(lǐng)域。因此，開展對(duì)GPS系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，將極大地提高生產(chǎn)力，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文旨在通過利用GPS所提供的精確授時(shí)的功能，采用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)適合于需要精確授時(shí)的高精度時(shí)鐘系統(tǒng)。
GSU-16是日本光電（KODEN）公司生產(chǎn)的并行11通道GPSOEM接收板，由于采用了先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)手段，它具有尺寸小、功耗低、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)良特性。利用它，可以方便、快速地開發(fā)出各種GPS應(yīng)用系統(tǒng)。其主要性能指標(biāo)如下：
接收通道——11通道并行接收，可同時(shí)跟蹤11顆衛(wèi)星；
授時(shí)精度——小于400ns，無累計(jì)誤差；
數(shù)據(jù)更新時(shí)間——1s；
體積和重量——65mm×35mm，約重40g（含鋰電池）；
數(shù)據(jù)輸出格式——NMEA-0183v2.0；RTCM-sc104v2.0；
環(huán)境工作溫度——-30～+75℃；
正常工作參數(shù)——電壓5（1±0.05）V；電流100mA；功耗100mW。
2GSU-16的硬件接口和軟件接口
（1）硬件接口
GSU-16同時(shí)提供12腳接口（J3）和5腳接口（J4）。本設(shè)計(jì)中采用5鏈接口J4，各引腳的功能如表1所列。
表1
接口編號(hào)信號(hào)名稱
功能
1GND電源地2backupin備份電源輸入，3V時(shí)消耗2μA3SD1串行輸出4RD1串行輸入5+5V主供電電源輸入
GSU-16的RD1腳為RS232C的通信接口，其邏輯電平為TTL電平。這樣能夠很方便地與各種單片機(jī)連接連接，無須電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)，12腳接口還提供了高精度的秒脈沖輸出，可用于需要更高精度定時(shí)服務(wù)的測(cè)量系統(tǒng)。在此，我們僅使用其時(shí)鐘信息，故只需在其輸出的ASCII數(shù)據(jù)中直接提取即可。
（2）軟件接口
GSU-16的通信波特率為4800，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)。通常使用NMEA-0183格式輸出，數(shù)據(jù)代碼為ASCII碼字符。
NMEA-0183是美國(guó)海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前廣泛使用V2.0版本。由于該格式為ASCII碼字符串，比較直觀和易于處理，在許多高級(jí)語(yǔ)言中都可以直接進(jìn)行判別、分離，以提取用戶所需要的數(shù)據(jù)。
NMEA-0183主要語(yǔ)句中，最常見的幾種格式為：
GPGGAGPS定位數(shù)據(jù)
GPGLL地址位置和經(jīng)緯度
GPZDA日期和時(shí)間
GPVTG方位角對(duì)地速度
例如，GPZDA為時(shí)間和日期輸出語(yǔ)句，其標(biāo)準(zhǔn)格式如下：
又如，$GPGGA為定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出語(yǔ)句，其標(biāo)準(zhǔn)格式如下：
在具體使用時(shí)，可以在收到一條消息后，用軟件來判別消息引導(dǎo)頭是否為“$GPZDA”或“$GPGGA”來確認(rèn)收到的消息正確與否，然后從消息中提取世界時(shí)，一定要注意將提取到的世界時(shí)加上8小時(shí)才是北京時(shí)間，而且軟件還必須對(duì)16：00～24：00世界時(shí)作相應(yīng)的處理，以轉(zhuǎn)換為正確的北京日期和時(shí)間。
3應(yīng)用電路和程序設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)該時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)，我們采用的單片機(jī)是Motolola公司的MC68HC08的通用芯片MC68HC908GP32。該芯片以它的高性能、低功耗、低價(jià)位獲得了廣泛的應(yīng)用，其主要特性為：
①32KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，具有在線可編程能力和保密功能；
②512B片內(nèi)RAM；
③增強(qiáng)型串行通信口和串行接口；
④支持C語(yǔ)言。
其接口電路可按圖1設(shè)計(jì)，程序流程如圖2所示。
單片機(jī)初始化程序樣例如下：
SCBREQU$0019
SCC1EQU$0013
SCC2EQU$0014
SCC3EQU$0015
SCS1EQU$0016
SCS2EQU$0017
SCDREQU$0018
TEMPEQU$40；定義1個(gè)字節(jié)的臨時(shí)存儲(chǔ)空間
ORG$8000；定義程序的起始位置
INIT：LDA#%00100010；初始化開始
STASCBR；波特率定義
LDA#%01000000
STASCC1
LDA#%00001100
STASCC2
LDA#%00000000
STASCC3
START：JSRGETDATA；接收1個(gè)字符
STATEMP；將其存放臨時(shí)空間
CMP#$"$"；判是否為“$”符，如不是轉(zhuǎn)START
……
；判是否為GPZDA信息模塊，如不是則轉(zhuǎn)START重新接收
……
；數(shù)據(jù)接收與處理模塊
……
；時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)與顯示模塊
……
；返回START重新接收下一組消息
GETDATA：BRCLR5，SCS1，GETDATA
LDASCRA
RTS
4結(jié)論
據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅婁底市目前就有200多家和環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)的企業(yè)，而婁底開設(shè)有環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的院校只有4所，每年的畢業(yè)人數(shù)不足180人，每年仍有大量的崗位空缺。隨著婁底區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快，環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)人員將面臨較大的缺口。因此，培養(yǎng)和發(fā)展環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的技能型和高端技能型人才已顯得相當(dāng)緊迫。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)崗位領(lǐng)域包括了室內(nèi)外裝飾設(shè)計(jì)、建筑裝飾設(shè)計(jì)、城市及城鎮(zhèn)的規(guī)劃、街道及商業(yè)環(huán)境的規(guī)劃、公園與公共綠地規(guī)劃與設(shè)計(jì)、小區(qū)園林設(shè)施及景觀小品設(shè)計(jì)、新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃、農(nóng)業(yè)觀光旅游景區(qū)設(shè)計(jì)等。從業(yè)的主要崗位包括：景觀工程方案設(shè)計(jì)、室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)、旅游景區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、商業(yè)空間設(shè)計(jì)、室內(nèi)裝修裝飾工程與施工、景觀工程預(yù)算、景觀工程施工、景觀工程監(jiān)理、工程預(yù)算、工程管理、設(shè)計(jì)銷售管理、設(shè)計(jì)管理等。但是婁底作為一個(gè)三線的內(nèi)陸城市，大部分的從業(yè)人員主要崗位從事的是室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)的工作，而景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)、會(huì)展展示設(shè)計(jì)的公司很少，這就確定了我們的畢業(yè)生以后主要從事的崗位是室內(nèi)設(shè)計(jì)師、家具與陳設(shè)設(shè)計(jì)師、效果圖繪圖員、施工圖繪圖員、裝飾預(yù)算員。
2技能需求分析
從我市環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)人員市場(chǎng)需求來看，設(shè)計(jì)技術(shù)人才需求較大，可提供的崗位也較多。但這些崗位均要求大專以上學(xué)歷，有相應(yīng)的藝術(shù)功底和工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還要有熟練的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水準(zhǔn)。大多設(shè)計(jì)公司或相關(guān)企業(yè)均在招聘時(shí)都會(huì)要求求職者帶上簡(jiǎn)歷和作品前來應(yīng)征，并能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作面試?？梢娷浖僮骷寄茉谠O(shè)計(jì)行業(yè)的重視程度。環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)最常用的軟件AutoCAD和3DSMAX和Sketchup及其輔助軟件Photoshop、VRay。在工作崗位中設(shè)計(jì)人員或多或少的都需要熟練運(yùn)用這些軟件幫助完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目，部分用人單位他們更注重的是學(xué)生對(duì)于環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力，這也為學(xué)生放開了較廣的就業(yè)空間。
3課程設(shè)置分析
（1）由于用人單位對(duì)學(xué)生的軟件操作技能十分的重視，要求熟練掌握AutoCAD和3DSMAX和Sketchup及其輔助軟件Photoshop、VRay。本專業(yè)以前開設(shè)的是Lightscape課程，但是現(xiàn)在行業(yè)里面VRay的使用是最普及的，Lightscape已經(jīng)被淘汰了。隨著計(jì)算機(jī)的飛速更新?lián)Q代，VRay渲染的時(shí)間會(huì)越來越短。所以把3DMAX課程增加了VRay渲染方面的內(nèi)容，同時(shí)削減了已基本退出專業(yè)市場(chǎng)的渲染軟件Lightscape這門課。
（2）目前，公司里的設(shè)計(jì)師都會(huì)用到一個(gè)草圖大師SketchUp軟件。3DSMAX軟件可以精準(zhǔn)建模和真實(shí)的照片級(jí)的效果，但是學(xué)習(xí)的時(shí)間有196個(gè)課時(shí)之久，而草圖大師軟件結(jié)合了傳統(tǒng)鉛筆草圖的優(yōu)雅自如和現(xiàn)代數(shù)字科技的速度與彈性，在設(shè)計(jì)的過程中，一邊畫圖一般思考，隨著設(shè)計(jì)思考的推進(jìn)，不斷地添加細(xì)節(jié)，草圖大師就是相當(dāng)于一只電子筆，易學(xué)易用，在很短的時(shí)間內(nèi)能用幾個(gè)常用的命令實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維建模，材質(zhì)、光影的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)表現(xiàn)一體化，所以我們要新開設(shè)這樣的一門課程，更好的實(shí)現(xiàn)和市場(chǎng)的對(duì)接。
（3）根據(jù)婁底本地的市場(chǎng)需求，我們確定了室內(nèi)設(shè)計(jì)方向作為本專業(yè)的主干方向，要強(qiáng)化這個(gè)方向的專業(yè)技能，專業(yè)教學(xué)也向這個(gè)方向傾斜，可以適當(dāng)增加實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)間；公共空間專題設(shè)計(jì)也可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)；景觀設(shè)計(jì)和商業(yè)會(huì)展由于不是本專業(yè)設(shè)定的主干方向。因此，可以相應(yīng)減少實(shí)訓(xùn)時(shí)量。
（4）根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)分析，從業(yè)人員認(rèn)為裝飾材料與構(gòu)造的專業(yè)知識(shí)、家具與陳設(shè)設(shè)計(jì)的能在實(shí)際的工作中有重要的作用，需要進(jìn)一步提升這方面的專業(yè)技能。因此，我們可以在這兩門課程的教學(xué)深度和實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)方面進(jìn)行調(diào)整，以幫助學(xué)生提升知識(shí)深度與技能水平。
1.取兩個(gè)大號(hào)飲料瓶，把其中的一個(gè)瓶底切掉，另一個(gè)從中間部位切開，留下帶瓶口的部分，用強(qiáng)力膠將兩瓶黏在一起，確保接口處不漏水。
2.在飲料瓶蓋中間部位鉆一個(gè)直徑略小于油筆芯的小孔，剪下2cm長(zhǎng)的一段油筆芯，將其一端插入瓶蓋的孔中，并用強(qiáng)力膠黏固在瓶蓋上。把輸液管滴壺上端切掉1/4，做成一個(gè)盛液漏斗。在滴壺的下端留下30cm長(zhǎng)的一段輸液管，其余部分剪掉。再把輸液管的端部套在瓶蓋中的油筆芯上，并用棉線扎緊。這樣,一個(gè)演示浮力產(chǎn)生原因的裝置就制作好了。
二、裝置用法
1.把裝置安裝在支架上。在飲料瓶中加入清水，同時(shí)在水中滴入數(shù)滴紅墨水振蕩，使水變成紅顏色。
2.滴壺固定不動(dòng)，使瓶中液面與輸液管中液面相平。把小球放入瓶中，小球因受到水的浮力飄浮在水面上。當(dāng)用推桿將小球推到瓶口并堵在瓶口處時(shí)，移開推桿，小球仍上浮到水面上。
3.當(dāng)再次用推桿將小球推到瓶口并堵在瓶口處時(shí)，此時(shí)下移滴壺，使輸液管中的液面低于瓶中液面，這時(shí)再移開推桿，可以看到小球不再上浮，而是繼續(xù)堵在瓶口處。這表明，小球雖然完全浸在水里，但并不受浮力作用（小球重力很小，可以忽略）。通過分析水對(duì)小球的作用力可知，這時(shí)小球受到水對(duì)它向上的壓力小于水對(duì)它向下的壓力。因此，浮力等于零。移動(dòng)滴壺，只要輸液管中的液面低于瓶中液面，小球就能堵在瓶口處，即浮力為零。
4.移動(dòng)滴壺，只要輸液管中的液面高于瓶中的液面，小球就能上浮，表明小球受到了浮力作用。通過分析水對(duì)小球的作用力可知，這時(shí)小球受到水對(duì)它向上的壓力大于水對(duì)它向下的壓力，即產(chǎn)生了浮力。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
一、目前煙水配套工程建設(shè)的現(xiàn)狀
1.對(duì)煙水工程建設(shè)投入不足，缺乏整體規(guī)劃
要搞好建設(shè)項(xiàng)目，必須要加大資金的投入力度，部分煙草行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)對(duì)煙葉生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入資金的看法不一，少數(shù)地方政府干部和群體對(duì)建設(shè)煙水配套工程積極性和支持力度不高，此外項(xiàng)目缺乏整體規(guī)劃，使得項(xiàng)目在實(shí)施過程中，由于漏項(xiàng)或結(jié)算投資不足而進(jìn)行設(shè)計(jì)變更、調(diào)概等，增加了不必要的投入和建設(shè)成本。
2.實(shí)施煙水配套工程處于探索階段，缺乏工作經(jīng)驗(yàn)
由于工程項(xiàng)目分散，點(diǎn)多面廣，工程技術(shù)和項(xiàng)目管理人手不足，施工管理存在局部漏洞。一是在項(xiàng)目實(shí)施過程中，無法按時(shí)做到現(xiàn)場(chǎng)逐一檢查、分項(xiàng)驗(yàn)收和隱蔽簽證工作；二是工程監(jiān)理人員少，不能對(duì)工程進(jìn)行常態(tài)監(jiān)管。
3.煙水配套工程普遍存在重建設(shè)，輕管理，群眾維護(hù)的責(zé)任意識(shí)差的現(xiàn)象
村級(jí)公路建設(shè)和土地綜合利用開發(fā)造成部分水池、攔山溝損壞不能進(jìn)水，輸水管道堵塞；部分雨水集蓄工程，溝渠被泥沙堵塞后無人清理，到雨季不能進(jìn)水，導(dǎo)致水池在烈日下暴曬，時(shí)間過長(zhǎng)后就無法蓄水；部分工程項(xiàng)目護(hù)欄、爬梯、引水管、供水管、管樁、水龍頭、標(biāo)識(shí)牌等均有人為損壞現(xiàn)象。究其原因是各責(zé)任村未落實(shí)好管護(hù)責(zé)任制，沒有明確專人管護(hù)。
針對(duì)于以上的問題，要提高煙葉的經(jīng)濟(jì)效益，必須加強(qiáng)對(duì)煙水基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)管理。
二、 煙水基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)管理
1.加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，創(chuàng)新發(fā)展是搞好煙水配套工程建設(shè)的基礎(chǔ)
煙草公司把煙水配套工程作為主要工作任務(wù)之一，實(shí)現(xiàn)主要領(lǐng)導(dǎo)負(fù)總責(zé)，班子成員掛靠項(xiàng)目，分管領(lǐng)導(dǎo)具體抓落實(shí)，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)管理實(shí)現(xiàn)包保責(zé)任制。加強(qiáng)煙水配套工程建設(shè)管理的隊(duì)伍建設(shè)，煙草公司從行業(yè)內(nèi)公開擇優(yōu)選擇業(yè)務(wù)骨干，從水利部門抽調(diào)工程技術(shù)人員，充實(shí)煙建辦的建設(shè)管理力量，確保該項(xiàng)工作順利進(jìn)行。建立健全長(zhǎng)效管理機(jī)制，按照“三督查一調(diào)度”（即督導(dǎo)、督查、督辦、抓調(diào)度）的要求，對(duì)煙水配套工程建設(shè)管理制度化，實(shí)行五天一調(diào)度，半月一通報(bào)，同時(shí)成立督查組、按片區(qū)定期進(jìn)行督查指導(dǎo)，貫徹落實(shí)“抓進(jìn)度、抓質(zhì)量”的工作要求。形成對(duì)煙水配套工程全員參與，齊抓共管的良好局面。
2.科學(xué)規(guī)劃，突出實(shí)效是搞好煙水配套工程建設(shè)管理的前提
在煙水配套工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中，要緊緊圍繞“基本煙田搞建設(shè)”的要求優(yōu)化布局；堅(jiān)持“因地制宜，科學(xué)規(guī)劃、依托水源、連片配套、規(guī)模推進(jìn)、多方結(jié)合、注重實(shí)效”的原則，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綜合配套，嚴(yán)把項(xiàng)目立項(xiàng)審查關(guān)，確保實(shí)施工程的質(zhì)量與實(shí)效。在項(xiàng)目申請(qǐng)立項(xiàng)，規(guī)劃設(shè)計(jì)中，煙草部門牽頭，縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)技術(shù)隊(duì)伍和專業(yè)設(shè)計(jì)單位相結(jié)合，認(rèn)真現(xiàn)場(chǎng)踏勘、科學(xué)設(shè)計(jì)、充分論證，保證了設(shè)計(jì)方案的可行性。對(duì)設(shè)計(jì)方案的初審和評(píng)估，實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)審查和專家會(huì)審相結(jié)合的審查制度，由煙草公司與水利部門兩家共同把關(guān)。真正體現(xiàn) “科學(xué)規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、整村推進(jìn)、連片實(shí)施”的要求。
3.嚴(yán)格規(guī)范，注重監(jiān)管是搞好煙水配套工程建設(shè)管理的保證
按照全過程、全員、全方位參與的思路，落實(shí)項(xiàng)目制管理的要求，從抓程序、抓規(guī)范、抓質(zhì)量入手，進(jìn)一步健全制度和措施，強(qiáng)化監(jiān)管，確保規(guī)范運(yùn)作。一是抓好規(guī)范項(xiàng)目管理的落實(shí)；二是加強(qiáng)招投標(biāo)、質(zhì)量監(jiān)督、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、審批等監(jiān)管；三是規(guī)范施工和監(jiān)理的招標(biāo)工作；四是建立多層督察機(jī)制，強(qiáng)化施工監(jiān)管，加強(qiáng)督促檢查；五是 施工管理做到“七員到位”；六是注重縣級(jí)竣工驗(yàn)收基礎(chǔ)作用。
4.加強(qiáng)項(xiàng)目補(bǔ)貼資金的管理是搞好煙水配套工程建設(shè)管理的核心
認(rèn)真落實(shí)三個(gè)“以我為主”的要求，對(duì)項(xiàng)目資金實(shí)行專戶管理、單獨(dú)核算、封閉運(yùn)行，嚴(yán)格落實(shí)煙水配套工程建設(shè)補(bǔ)貼資金管理辦法。通過強(qiáng)化資金管理，保證了補(bǔ)貼資金直補(bǔ)項(xiàng)目建設(shè)主體和?？顚Ｓ?，確保了資金安全和資金撥付渠道的暢通，保證了實(shí)施項(xiàng)目的正常建設(shè)。
5.建管并重，持續(xù)改進(jìn)是搞好煙水配套工程建設(shè)管理的關(guān)鍵
為了使煙水配套工程建設(shè)項(xiàng)目建成后發(fā)揮長(zhǎng)效作用，探索項(xiàng)目建設(shè)的運(yùn)行管護(hù)問題，借鑒水利等部門的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，制定并實(shí)施了《印江自治縣煙水配套工程建設(shè)項(xiàng)目管護(hù)辦法》，堅(jiān)持“誰(shuí)所有、誰(shuí)使用、誰(shuí)受益、誰(shuí)維護(hù)”，“誰(shuí)毀壞、誰(shuí)賠償”和“以水養(yǎng)水”的運(yùn)行管護(hù)原則。強(qiáng)化建管并重，深化建后管護(hù)工作，促進(jìn)了建成項(xiàng)目的運(yùn)行管護(hù)工作。
印江在“十二五”期間將繼續(xù)加強(qiáng)煙葉生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一是圍繞煙草行業(yè)“卷煙上水平”總體規(guī)劃，按照“新思路、大手筆、超常規(guī)”的工作要求，每年繼續(xù)爭(zhēng)取投入專項(xiàng)資金用于煙水配套工程建設(shè)。二是在“依托水源搞建設(shè)”的基礎(chǔ)上，把煙葉生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提升到一個(gè)新的水平。我國(guó)其它地區(qū)在進(jìn)行煙水配套工程建設(shè)中也要嚴(yán)格遵守科學(xué)管理，從而使我國(guó)的烤煙產(chǎn)業(yè)為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
1設(shè)計(jì)自主化的目標(biāo)
為使我國(guó)核電建設(shè)能走上健康持續(xù)發(fā)展的道路，國(guó)家有關(guān)主管部門明確提出必須實(shí)現(xiàn)核電發(fā)展的四個(gè)自主化。四個(gè)自主化中，核電工程設(shè)計(jì)自主化是基礎(chǔ)。只有做到設(shè)計(jì)自主化，才能實(shí)現(xiàn)工程管理、設(shè)備制造和電站營(yíng)運(yùn)的自主化，進(jìn)而降低核電站的投資，降低核能發(fā)電的電價(jià)，我國(guó)的核電也才能得到快速地發(fā)展。
常規(guī)島及電站輔助設(shè)施(BOP)設(shè)計(jì)自主化的主要目標(biāo)是要通過技貿(mào)結(jié)合，以若干臺(tái)大型商用核電站的建設(shè)為載體，逐步全面建立大型商用核電站常規(guī)島和BOP的自主設(shè)計(jì)能力，并具備一定的研究開發(fā)能力。包括建立并完善整套規(guī)程、規(guī)范及程序文件，配套合適的設(shè)計(jì)／計(jì)算手段和方法，培育建立起一支合格的設(shè)計(jì)隊(duì)伍，最終能由國(guó)內(nèi)工程公司或設(shè)計(jì)部門向建設(shè)單位提交合乎規(guī)程規(guī)范要求、質(zhì)量要求和進(jìn)度要求的整套設(shè)計(jì)文件和相關(guān)工程服務(wù)。
實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)自主化的步驟是：
a)在大型商用核電站的首兩臺(tái)機(jī)組的建設(shè)過程中，通過外方為主，中外合作設(shè)計(jì)，完成包括設(shè)計(jì)管理、設(shè)計(jì)規(guī)范、適用的計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)的擬定、計(jì)算與優(yōu)化、施工圖設(shè)計(jì)技術(shù)以及各類工程文件編制在內(nèi)的全面技術(shù)轉(zhuǎn)讓；
b)3、4號(hào)機(jī)組的大部分設(shè)計(jì)責(zé)任轉(zhuǎn)移到中方，僅少量關(guān)鍵性技術(shù)責(zé)任仍由外方承擔(dān)；
c)5、6號(hào)機(jī)組由中方承擔(dān)全部設(shè)計(jì)責(zé)任。
考慮到我國(guó)核電站建設(shè)將走上系列化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的道路，除少量改進(jìn)項(xiàng)目之外，后4臺(tái)機(jī)組的重新設(shè)計(jì)工作量將大大減少。因此，1、2號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的成功與否是設(shè)計(jì)自主化能否得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
2設(shè)計(jì)自主化的現(xiàn)狀
2.1常規(guī)島工程設(shè)計(jì)自主化現(xiàn)狀
從技術(shù)角度而言，核電站常規(guī)島與常規(guī)火力發(fā)電廠汽輪機(jī)島之間并無本質(zhì)上的區(qū)別。我國(guó)幾個(gè)主要的電力設(shè)計(jì)院已經(jīng)具備了600MW級(jí)火力發(fā)電廠的設(shè)計(jì)資格，在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐方面，也已有了相當(dāng)?shù)姆e累。
在核電工程方面，國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)部門自主承擔(dān)完成了秦山一期300MW機(jī)組常規(guī)島設(shè)計(jì)任務(wù)，目前正開展秦山二期600MW級(jí)常規(guī)島工程設(shè)計(jì)工作。而嶺澳核電項(xiàng)目則在大型商業(yè)核電站常規(guī)島設(shè)計(jì)自主化方面邁出了第一步。通過與常規(guī)島供貨商的合作，國(guó)內(nèi)電力設(shè)計(jì)院具體承擔(dān)了常規(guī)島部分土建、工藝設(shè)計(jì)任務(wù)并完全承擔(dān)了相應(yīng)的技術(shù)責(zé)任。整個(gè)設(shè)計(jì)工作按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和慣例組織進(jìn)行，目前工作已接近完成。
與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工程公司(A／E公司)相比，我們至少應(yīng)在以下幾個(gè)方面通過國(guó)際合作，從技術(shù)轉(zhuǎn)讓中獲取相應(yīng)的能力，才能真正談得上設(shè)計(jì)的自主化。
a)項(xiàng)目管理的能力，包括項(xiàng)目管理隊(duì)伍的組成和工作程序的建立等；
b)適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)(硬件和軟件)以及配套的工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，其中工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是問題的關(guān)鍵；
c)接口控制能力，包括接口的預(yù)見性和確立、控制等；
d)系統(tǒng)的計(jì)算擬定和優(yōu)化(指工藝、電氣、儀控等主要系統(tǒng))；
e)設(shè)備采購(gòu)規(guī)范書的編制能力；
f)施工、安裝、調(diào)試和運(yùn)行文件的編制能力；
g)國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的理解和比較。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的A／E公司與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位(CDI)能力差異比較見表1和表2。
2.2BOP設(shè)計(jì)自主化
國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院已基本具備了BOP設(shè)計(jì)自主化的能力。特別是在嶺澳核電站項(xiàng)目中，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院與業(yè)主的經(jīng)驗(yàn)和能力相結(jié)合，除個(gè)別系統(tǒng)由于商務(wù)、系統(tǒng)小成套等因素導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)由外方承擔(dān)外，已全面實(shí)現(xiàn)了包括工程管理、采購(gòu)、設(shè)計(jì)(工藝設(shè)計(jì)和土建設(shè)計(jì))等各個(gè)環(huán)節(jié)的自主化。
表1工程管理能力差異表
項(xiàng)目A／E公司CDI
項(xiàng)目經(jīng)理能對(duì)工程實(shí)施全方位的控制，有職、責(zé)、權(quán)，對(duì)外代表公司對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量、工期和費(fèi)用三大控制，擁有項(xiàng)目組內(nèi)部人力調(diào)度和收入分配的權(quán)力。主要從技術(shù)協(xié)調(diào)角度組織管理項(xiàng)目設(shè)計(jì)，基本沒有人員調(diào)配、費(fèi)用控制和收入分配的權(quán)力。項(xiàng)目三大控制職責(zé)主要由生產(chǎn)處室實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致項(xiàng)目技術(shù)、工期、費(fèi)用職責(zé)不清。
項(xiàng)目管理隊(duì)伍有專責(zé)的項(xiàng)目經(jīng)理工作班子，職能包括項(xiàng)目的計(jì)劃，設(shè)計(jì)管理協(xié)調(diào)，商務(wù)、會(huì)計(jì)、質(zhì)保、預(yù)算、采購(gòu)、合同等與項(xiàng)目實(shí)施有關(guān)的各個(gè)方面。不健全的項(xiàng)目工作班子，依靠生產(chǎn)處室實(shí)現(xiàn)管理的職能。
工作程序建立行之有效的工作程序并按程序辦事，工作人員的個(gè)人表現(xiàn)基本能與公司體系運(yùn)作的有效性進(jìn)行適度的分離。以工作經(jīng)驗(yàn)和工作慣例為基礎(chǔ)，工作程序不健全或不受重視，行政命令仍為主要工作手段之一。
工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)龐大適用的工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，包括工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、參考文檔數(shù)據(jù)庫(kù)等，有利于建立快速報(bào)價(jià)體系，電站優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，降低工程投資。工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)正在建立和積累，但適用于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)基本是空白。
質(zhì)保體系正常運(yùn)作的質(zhì)保體系和較強(qiáng)的質(zhì)保意識(shí)。體系類似，運(yùn)作的有效性和穩(wěn)定性正常。
接口控制有豐富的接口控制經(jīng)驗(yàn)，專門的管理程序和管理人員對(duì)接口的預(yù)見性和控制能力有待加強(qiáng)。
表2工程設(shè)計(jì)能力差異表
項(xiàng)目A／E公司CDI
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)國(guó)際通行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有廣泛深入的了解，并運(yùn)用于工程實(shí)踐。對(duì)國(guó)際通行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的了解和使用有待加強(qiáng)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(SystemDesign)有較強(qiáng)的系統(tǒng)計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)、選型和優(yōu)化的能力，有豐富的計(jì)算機(jī)軟件。有一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算能力，但仍以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和引進(jìn)設(shè)計(jì)為主，應(yīng)變能力不強(qiáng)，適用計(jì)算機(jī)軟件不夠。
安裝設(shè)計(jì)
(設(shè)備、管道、
電纜等)有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)布置、力學(xué)分析、支吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、材料和型號(hào)選擇的經(jīng)驗(yàn)和能力，有適用的參考數(shù)據(jù)庫(kù)支持，具備了3D模型設(shè)計(jì)能力。有豐富的設(shè)備、管道、電纜等設(shè)計(jì)布置的經(jīng)驗(yàn)和能力，掌握了3D模型設(shè)計(jì)能力，但缺乏適用的數(shù)據(jù)庫(kù)，所采用的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件也僅適用于國(guó)內(nèi)工程。
土建設(shè)計(jì)成熟的結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)。與國(guó)外設(shè)計(jì)能力大致相當(dāng)，但大型動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的力學(xué)分析計(jì)算有待加強(qiáng)。
設(shè)備采購(gòu)
規(guī)范書由專門的部門、人員和程序來完成，對(duì)各主要發(fā)電設(shè)備主、輔機(jī)供貨商比較了解，所編設(shè)備采購(gòu)規(guī)格書內(nèi)容比較全面(包括商務(wù)、技術(shù)、材料、質(zhì)保、包裝、運(yùn)輸安裝、服務(wù)等各方面內(nèi)容)。無專門的采購(gòu)部門，以過往工作經(jīng)驗(yàn)為主，以編寫技術(shù)規(guī)格書為主，內(nèi)容相對(duì)較簡(jiǎn)單。
安裝、調(diào)試、
運(yùn)行文件有較強(qiáng)的文件編寫能力。基本無經(jīng)驗(yàn)，能力有待提高。
3工程設(shè)計(jì)模式
3.1常規(guī)島工程設(shè)計(jì)模式
為了要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自主化，必須最大限度地參與核電站的設(shè)計(jì)和管理實(shí)踐活動(dòng)，只有參與才能掌握，只有干才能學(xué)會(huì)，只有敢于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)才能取得勝利。
由于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位的資源、經(jīng)驗(yàn)和能力的局限性，選擇一家國(guó)際著名的工程公司進(jìn)行合作設(shè)計(jì)可更有效地借鑒國(guó)外先進(jìn)的管理手段，設(shè)計(jì)技術(shù)以及信息財(cái)富，有利于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位在較短的時(shí)間內(nèi)盡快趕上國(guó)際先進(jìn)水平。
在選擇國(guó)外合作伙伴時(shí)要注意在電站工程設(shè)計(jì)方面，國(guó)際上流行著兩種不同的模式，在這兩種模式中，工程公司所起的作用也不同。
3.1.1美國(guó)模式
a)設(shè)備制造商僅負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和提供直接由其制造的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)俗稱主機(jī)供應(yīng)商；
b)工程公司在電站的成套設(shè)計(jì)、工程管理、采購(gòu)、工程服務(wù)(土建、安裝、調(diào)試運(yùn)行、維修)等方面起著非常大的作用，并且有豐富的經(jīng)驗(yàn)。
3.1.2歐、日模式
a)設(shè)備制造商不但能負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和提供直接由其制造的產(chǎn)品，對(duì)主廠房?jī)?nèi)的工藝系統(tǒng)也有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)和成套能力；
b)一般不請(qǐng)獨(dú)立的工程公司協(xié)助其進(jìn)行輔助系統(tǒng)的成套設(shè)計(jì)；
c)其工程設(shè)計(jì)力量是屬于設(shè)備制造商的一部分，所提供的工程設(shè)計(jì)總是與公司的設(shè)備緊密聯(lián)系在一起，屬專門化的設(shè)計(jì)。
3.1.3選擇美國(guó)模式的優(yōu)勢(shì)
筆者認(rèn)為，如創(chuàng)建合資的工程公司，則采取美國(guó)模式更為有利，主要因?yàn)椋?/p>
a)從工程的觀點(diǎn)看，美國(guó)模式無論是設(shè)備制造還是電站設(shè)計(jì)均十分接近我國(guó)傳統(tǒng)的、成熟的火力發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐，雙方合作容易找到共同一致的基礎(chǔ)。
b)美國(guó)的工程公司總是獨(dú)立于設(shè)備制造之外，具有和多家廠商合作的經(jīng)驗(yàn)，因而在電站設(shè)計(jì)方面，增強(qiáng)了靈活性，減少了局限性，可增強(qiáng)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院的應(yīng)變能力。
c)在主設(shè)備的招標(biāo)評(píng)標(biāo)過程中，唯有美國(guó)模式的工程公司才能公允地同參與競(jìng)爭(zhēng)的各供貨商進(jìn)行評(píng)判。若選擇了歐洲某設(shè)備貨商合作，將使自己陷入“唯一性”，而失去了“靈活性”和“公允性”。
d)美國(guó)工程公司由于其在工程項(xiàng)目中的地位和作用，積累了非常豐富和廣泛靈活的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提高國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位的水平有利。
e)一般而言，美國(guó)公司在提供技術(shù)轉(zhuǎn)讓方面，持相對(duì)比較開放的態(tài)度。
3.2BOP工程設(shè)計(jì)模式
可按嶺澳核電項(xiàng)目現(xiàn)有的模式，繼續(xù)擴(kuò)大國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的份額，把設(shè)計(jì)自主化推上一個(gè)新臺(tái)階。
