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科学现象及原理范文1
（湖北工程学院 计算机与信息科学学院，湖北 孝感 432100）
摘 要：借鉴CDIO工程教育理念，提出基于先修课程实践项目的编译原理教学方案。通过将编译程序各阶段分解成子任务，对应先修课程相关知识点，设计编译原理先修课程的实践项目。阐述如何引导学生进行自主研究性学习，以改善编译原理课程的教学效果。
关键词 ：编译原理；先修课程；实践项目；CDIO工程教育理念
基金项目：湖北省高等学校教学改革研究项目“基于CDIO工程教育理念的编译原理课程教学改革”（2012367）。
第一作者简介：李志敏，男，副教授，研究方向为计算机软件与理论，2218538304@qq.com。
l 编译原理课程简介
编译程序是重要的计算机系统软件，它的设计和实现综合应用了高级语言程序设计、计算机体系结构、形式语言与自动机理论、算法设计与分析、软件工程等知识。编译原理课程建立在高级语言或汇编语言的基础上，运用编译理论和技术来解决高级语言在机器上运行的实际问题[1]。
编译原理的先修课程主要是高级语言程序设计、汇编语言程序设计、离散数学、数据结构与算法、操作系统等。编译原理主要介绍编译器实现过程中的词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、目标代码生成、代码优化等各阶段的核心算法，涉及形式语言与自动机等抽象概念，需要学生熟练掌握高级语言、数据结构、操作系统、软件工程、汇编语言等课程的知识。精通高级语言及底层寄存器分配、内存管理等方面的内容。编译原理课程在理论、技术、方法上为学生提供了系统而有效的训练，有利于提高学生的计算机应用和系统开发能力。编译理论中的形式化理论与技术不仅应用于编译器设计，而且广泛应用于人工智能、自然语言处理、网络信息处理、多媒体技术及数据库等领域。该课程的学习对于今后很多领域，如计算机软件技术、计算机系统结构、人工智能系统的机器学习、并行处理技术等领域的理论研究具有深远的意义。
2 基于先修课程教学方案的提出
由于编译原理课程概念繁多、理论抽象、逻辑严密，广泛而且深入地应用其他先修课程的知识。现行教材以编译器各个阶段的设计和实现为主，理论和实践的起点都比较高，割裂了先修课程与编译原理的内在联系。学生普遍感觉不知从哪里找到学习的突破口，再加上从事编译器设计工作的学生数量极少，绝大多数学生学习动力不足。
为提高编译原理教学质量，借鉴CDIO工程教育模式的理念，提出基于先修课程实践项目的编译原理教学方案，如图1所示。
CDIO模式倡导学生开展基于问题的学习、基于项目的学习、基于案例的学习等多种自主研究性学习方法，加强学生实践创新能力训练[2-6]。
由于编译原理课程是一门理论性和实践性都很强的课程，通过实践项目驱动，可以引导学生带着问题，进行自主研究性学习，从而真正掌握编译技术及其在各个领域中的应用。
如图1所示，教师将编译程序各阶段分解成子任务，找出他们相关联的先修课程实践项目。在实验前，教师提供编译程序框架平台和先修课程实践项目，让学生借鉴和分阶段设计编译程序，在编译程序框架平台上，整合集成前端和后端程序，构造出完整的编译程序平台。
3 先修课程实践项目的设计
在教学中，以PL/0编译程序为教学模型。PL/0是Pascal语言的子集，具备一般高级语言的典型特点。PL/0编译程序包含了高级语言程序实现的基本组织、技术和步骤。为降低编译程序设计的难度，针对编译每个阶段，结合C语言程序设计和数据结构课程，可以设计若干相关先修课程实践项目[7]。
3.1 PL/0编译程序的词法分析
（1）识别保留字和标识符。设有一张保留字表。对每个字母开头的字符串（包含若干字母和数字），都要查找保留字表。若查找到则为保留字，将对应的类别放在sym中，否则标记为用户定义的标识符。标识符将ident放在sym中，标识符本身的值放在id中。
（2）拼数和拼复合词。当所取单词是数字时，将数的类别number放在sym中，数值本身的值存放在num中。对两个字符组成的复合词算符，识别后将类别送sym中。
（3）识别单字符单词。识别单一运算符和界限符。
（4）滤空格。空格是程序不可缺少的界限符，但在语法分析中无用，必须滤掉[8]。
依据以上词法分析的任务，教学过程中设计如下先修课程实验项目：
实验1：字符类型统计。编写程序，在终端用键盘输入字符串，用符号#表示输入结束。统计输入的字符串中空格符、制表符、换行符的个数，并显示统计结果。
实验2：判断程序中begin和end是否匹配，并统计匹配次数。程序存放在txt文件中或用键盘直接输入。
实验3（农夫过河问题）：本实验项目用于自动机状态转换和单词识别的实现。
实验4：设计PL/0源程序扫描器，去除空格和注释及其他无关字符后得到单词的集合。
实验5：用自动机识别无符号数；要求能够识别整数，带小数的无符号数以及带指数形式的无符号数。
实验6：设计识别
关键词 、标识符等类型单词的程序。
3.2 PL/0编译程序的语法分析和语义分析
PL/0语法分析同时也根据程序的语义生成相应的代码，并提供了出错处理的机制。本阶段一般采用自上而下的递归下降子程序法。
语法分析从读入第一个单词进行分析作为初始符号的非终结符“程序”，也就是从非终结符“程序”对应状态转换图的初始状态出发开始分析。假设当前单词是a，分析器处于状态p，若读入单词a后转换到状态q，则分析器进入状态q。再读取下一个单词继续分析。如果当前单词是非终结符A，分析器处于状态p，若读入A后转换到状态q，则分析器调用A对应的处理子程序，分析完后，分析器进入状态q。如果当前单词是终结符，则判断当前读入的单词是否与状态转换图的终结符匹配。若匹配，则执行相应的语义分析程序（即翻译程序）。并且继续读取下一个单词进行分析。如果遇到分支点时，将对分支点上的多个符号逐个分析，若都不匹配时出错[9]。
依据以上语法和语义分析的任务，教学过程中设计如下实验项目，主要体现栈结构和递归的应用。
实验7（数字翻译器）：输入一个正整数N，输出它的英文表达。例如：输入1，输出one。输入12，输出twelve。输入135，输出one hundred thirty five。
实验8（魔王语言翻译）：有一个魔王总是使用自己的一种非常精练而又抽象的语言讲话，没有人能听得懂，但他的语言是可以逐步解释成人能听懂的语言，因为他的语言是按照两种形式的规则由人的语言逐步抽象上去的：
（1）α β1β2……βm
（2）（θδ1δ2……δn)θδnθδn-1……θδ1θ
在这两种形式中，从左到右均表示解释。试写一个魔王语言的解释系统，把他的话解释成人能听得懂的话。用下述两条具体规则和上述规则形式（2）实现。设大写字母表示魔王语言的词汇；小写字母表示人的语言词汇；希腊字母表示可以用大写字母或小写字母代换的变量。魔王语言可含人的词汇。
（1）B tAdA
（2）A sae
该实验项目通过一组语法规则，将含有非终结符的单词序列变为句子。
实验9（表达式求值）：从键盘输入中缀表达式，含+，-，*，/以及圆括号“（”和“）”。先将其转换为后缀表达式，然后再利用后缀表达式求值。
3.3 PL/0编译程序的错误处理
发现语法错误时，对于容易校正的错误，例如缺失逗号或分号的错误，则指出出错位置，并补上逗号或分号。对于难以校正的错误，跳过一些单词符号，直到读入一个能使编译程序恢复正常语法分析工作的单词为止。
发现语义错误时，只给出错误信息和出错位置，编译工作继续进行。
对运行错误，例如溢出越界等，只能在运行时给出错误信息，PL/0编译程序无法给出源程序的错误位置。
依据以上PL/0编译程序错误处理任务，教学过程中设计如下先修课程实验项目：
实验10（表达式求值）：从文本文件input.txt中读取若干中缀表达式，中缀表达式之间用“；”隔开。转换为后缀表达式存放在临时temp.txt中，然后从temp.txt读取后缀表达式，完成计算，将计算结果存在input.txt中。要求能进行错误处理。
3.4 PL/0编译程序中符号表的设计与实现
PL/0编译程序中符号表采用单表组织，所有嵌套的作用域共用一个全局符号表。为处理方便，符号表设计为栈结构。对符号表的维护主要有3种操作：登录、查询、删除。
依据以上PL/0编译程序符号表的设计与实现思路，教学过程中设计如下先修课程实验项目，熟悉查找算法和栈的基本操作和应用：
实验11（二叉树的基本操作）：将词法分析得到的记录以二叉树的结构存储并给出查找、删除算法。
实验12（Hash表的基本操作）：将词法分析得到的记录进行散列存储。
实验13（停车场管理）：设停车场是一个可停放n辆汽车的狭长通道，且只有一个大门可供汽车进出。汽车在停车场内按车辆到达时间的先后顺序，依次由北向南排列（大门在最南端，最先到达的第一辆车停放在车场的最北端），若车场内已停满n辆汽车，则后来的汽车只能在门外的便道上等待，一旦有车开走，则排在便道上的第一辆车即可开入；当停车场内某辆车要离开时，在它之后进入的车辆必须先退出车场为它让路，待该辆车开出大门外，其他车辆再按原次序进入车场，每辆停放在车场的车在离开停车场时必须按它停留的时间长短交纳费用。试为停车场编制按上述要求进行管理的模拟程序。
3.5 PL/0程序运行时存储组织与管理
在编译阶段进行的存储空间分配工作称为静态存储分配。在运行阶段进行的存储空间分配工作称为动态存储分配。PL/0采用栈式存储分配方法。依据以上存储组织与管理的任务，教学过程中设计如下实验项目，主要体现栈结构的应用：
实验14（N阶Hanoi塔问题）：要求学生以N=3为例，显示执行过程中递归工作栈状态的变化情况。执行过程包括从主函数进入递归函数到退出递归函数返回主函数。
3.6 PL/0编译程序完整设计
完整的编译程序设计较为复杂，为了让学生熟悉编译程序各个阶段，先要求学生改编实验10（表达式求值），作为编译器设计的预备实验。
实验15（简单的表达式翻译器）：给出C语言编写的翻译器，它将用分号隔开的若干个中缀表达式序列翻译成后缀表达式序列。表达式由数字、标识符、操作符（+，-，*，/，div，mod）构成。要求翻译器包括词法分析、语法和语义分析、符号表、出错处理等编译程序模块[10]。
4 结 语
通过对2012—2014年计算机科学与技术专业3届学生观察分析，绝大多数学生对该课程的重要性有比较清楚的认识，对课程的重视程度普遍提高，能保持浓厚的学习兴趣。80%学生能完成词法分析程序、语法分析程序、中间代码生成等基础实验模块。半数学生可以独立完成编译器设计工作流程。其余学生在教师的指导下，也能顺利完成。
实践表明，通过先修课程的实验项目，将难懂的编译原理与学生已有的基础知识与技能相结合，起到降低编译程序设计门槛的效果。同时进一步巩固先修课程的理论和方法，使学生找到学习编译原理的切入点和兴趣点，提高了实际动手能力，增强了编译原理课程教学实效。
参考文献：
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[9] 陈应明, 马俊杰, 张怀庆. 编译原理[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2004: 13-43.
科学现象及原理范文2
（1）如图1中甲所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团蘸了乙醚的棉花，将活塞迅速压下去，观察现象。
（2）如图1中乙所示，在大口玻璃瓶内装入少量水，并滴入几滴酒精，用气筒往瓶里打气，当塞子跳出时，观察瓶内的变化。
这两个实验的现象都比较明显，实验甲可以观察到：棉花燃烧，玻璃筒内发光；实验乙可以观察到：活塞跳出的瞬间，瓶中出现白雾。
然而，教学中却常常存在两个问题，一是实验现象虽然明显，学生却未能充分感知。尤其是实验乙，学生往往只是注意到“活塞跳出”，而忽视“瓶内出现白雾”这一关键现象。二是实验分析时，不少学生难以从实验现象及有关知识，经逻辑推理得出实验结论，只是机械地记住了实验现象和结论。这两个问题间又有着纵向联系，即实验观察对实验分析有直接影响。
2 原因分析——实验原理不理解
以上问题的存在，是由于学生不理解相关实验原理而导致的。这里所说的实验原理，并不是仅仅指实验所要说明的科学道理。广义地讲，实验原理是实验方法、实验装置和器材、实验过程、实验结果分析等所依据的科学道理。这样说来，一个实验中往往会包含多条实验原理，其中实验要说明的科学道理是核心原理，同时还有其它非核心的、但必须清楚的原理。这两个实验的核心原理是“外界对物体做功，可以使物体内能增加；物体对外做功，物体的内能会减少。”而“燃烧的条件、液化的方法、乙醚的理化性质、棉花和酒精在实验中的作用”等都是实验中必须清楚的、非核心的原理。对这些原理是否理解会直接影响实验现象的观察、分析和实验结论的得出。
首先，由于不理解实验原理，特别是不清楚乙醚、棉花、酒精等在实验中的作用，会导致实验观察对象不明确，未能将观察的焦点聚集在相应的对象上，这样现象虽然发生了，却没有被捕捉到。一方面，这两个实验虽然现象比较明显，但现象持续的时间很短。实验时，如果不明确应该重点观察什么，就容易错过观察实验的最佳时机。另一方面，一个实验中如果有多种现象同时发生，其它现象对关键现象的观察会产生干扰。如实验乙中，关键现象是“瓶内出现白雾”， 但实验中“塞子跳出及其伴随的响声”和“出现白雾”的现象几乎同时发生，且“塞子跳出及其伴随的响声”对学生的感官冲击更大，干扰学生对“白雾”这一关键现象的观察。对实验现象缺乏充分的感知，最终对实验分析构成障碍。
其次，这两个实验中，实验现象和所研究问题的联系是间接的，比如“压缩空气做功”实验中，实验对象是空气，而实验中并没有直接显示出空气的内能变化，显示的是棉花燃烧，需要结合燃烧的条件以及内能的有关知识，才能间接得出“压缩空气，空气内能增加”这一结论。同样，“气体对外做功”实验，要结合液化的条件进行分析，才能间接得出“对外做功，内能减小”的结论。学生虽然知道“燃烧条件、液化方法以及内能的基础知识”等与这个实验相关的原理，但要以逆向思维的方式应用这些原理来分析实验，还有一定困难，从而导致一些学生只是机械记忆实验现象和结论。
3 问题解决——实验原理紧相扣
从分析可知：紧扣实验原理，通过引导让学生充分理解相关实验原理，是有效解决以上问题的基础。
3.1 联系实际 初识核心原理
“做功能改变物体的内能”是这两个实验核心原理的上位原理，在实验前，需先习得这一原理。人教版9年级《物理》教材中，安排了如图2所示的图片，就是为了让学生在相关生活经验的基础上，通过教师引导，习得“做功可以改变物体的内能”这一原理，同时也对实验的核心原理有了初步认识。
3.2 运用原理 引导实验分析
案例甲：“压缩气体，内能增大”的实验分析过程。
学生先通过阅读，了解实验内容和实验操作步骤。
[释疑]①乙醚是一种易燃物质，着火点160℃，易挥发；②“活塞迅速压下去”的过程，是外力通过活塞对玻璃筒中空气做功的过程。
[引导]已知“做功可以改变物体的内能”，而“改变”可能是内能增加，也可能是内能减少。请预测：如果“活塞迅速压下去”，玻璃筒中空气的内能增加，则可能会观察到什么现象？
[学生预测]如果“活塞迅速压下去”，玻璃筒中空气的内能增加，可能会观察到棉花燃烧。因为空气内能增加，温度升高，达到乙醚的着火点，再加上玻璃筒内有空气，乙醚会燃烧，并引燃棉花。
案例乙：“气体对外做功，内能减小”的实验分析过程。
学生先通过阅读，了解实验内容和实验操作步骤。
[释疑]①酒精易挥发，密封的瓶内充满着酒精和水混合蒸气；②给瓶内打气，瓶内气压不断增大，导致瓶塞跳出。瓶塞跳出的瞬间，瓶内高压气体对瓶塞做功，这是瓶内气体对外做功的过程，和上一个实验是相反过程。
[引导]已知“做功可以改变物体的内能”，而“改变”可能是内能增加，也可能是内能减少。请预测：这个实验中，瓶内蒸气的内能是增加还是减少？
[引导]瓶内的混合蒸气可以显示此时瓶内气体内能的变化情况，重点观察此时瓶内出现什么变化。问：如果瓶内蒸气内能减少，可能会观察到什么现象？
[学生预测]如果瓶塞跳起的瞬间，瓶内蒸气的内能减少，温度会降低，蒸气液化，可能看到白雾。
3.3 演示实验 验证实验预测
每个实验分析后，分别通过演示实验来验证学生的预测是否正确，并分别得出实验结论：外界对物体做功，可以使物体内能增加；物体对外做功，物体的内能会减少。
3.4 综合比较 理解核心原理
[讨论]请用“能量转化的观点”来解释以上实验结论。
通过讨论，学生理解了做功改变物体内能的实质。
4 反思感悟——实验分析有方法
理解实验原理，是进行实验分析的基础。紧扣实验原理来分析实验，基本过程如下：首先，明确实验的目的、内容和要求；其次，认真研究实验涉及的各种相关原理，明确实验要素；再次，确定操作要点、注意事项和实验重点观察对象；最后，进行实验操作及分析。实验分析可以是实验后对现象的分析，也可以是实验前的预测性分析，再通过实验来验证。其中“明确实验要素”和“预测性分析”具体阐述如下。
4.1 紧扣实验原理 剖析实验要素 明确观察对象
大量实验事实说明，一个成功的物理实验一般由3个部分组成，即实验对象、实验源、实验效果显示器。实验对象，也就是实验的研究对象，当它接受作用到它上面的“信号”后，会产生一定的效应，从而显示某些现象或者揭示某些规律。实验源，也就是实验的“信号”发生器，由它发出的“信号”作用到实验对象上，会产生一定的实验效果。实验效果显示器，是用来显示实验对象接受“信号”后产生的效应或实验效果的装置。比如“气体对外做功”实验中，实验对象是酒精和水混合的蒸气，实验源是混合蒸气膨胀，实验效果显示器是混合蒸气发生液化。
在实验原理的基础上，剖析实验的三要素，则为实验观察、实验分析奠定了良好的基础。
科学现象及原理范文3
实验题一直是高考的热点，同时也是考生备考的难点。而随着课改的深入，生物实验命题不断呈现出新的发展动向：如从对实验现象和结果的分析、解释向实验设计方向发展；从验证性实验的考查向探究性实验及研究性课题方向发展；从单纯的实验题向主干知识与实验相结合的综合性试题发展等。以实验为命题素材的试题，其考查内容主要包括实验原理、实验目的和假设、实验方法和步骤、实验现象的观察、结果的预测以及相应的结论和分析等，要求设计出科学、合理、严谨、简单的实验方案，培养使考生终生受益的生物学素养。备考时，考生应该结合教材中的实验类型进行分类归纳：
1.以教材实验内容为背景的实验题，主要考查的是对教材实验的实验目的、原理、方法和操作步骤的理解，以及对实验材料及试剂作用的认识。因此，熟知每个实验的目的、原理、方法和步骤、试剂的浓度及作用、实验材料的选取原则等，是解答此类试题的关键。
实验目的的确定，常依据实验原理，结合实验材料，从试题提供的信息中找到解题的切入点，并用恰当的语言进行描述。在具体书写时，一般是“观察什么”“探究什么”或“验证什么”。本题中，依题题目要求，“设计一个检测稻米新鲜程度的简易实验”可获得本实验目的是判断待测稻米的新鲜程度。
实验原理是实验设计的依据和思路。实验原理的运用是解题的根本，每一道实验题都有其原理，充分理解和运用其原理，就能找到问题之所在。
2.验证性实验是指实验者针对已知的实验结果而进行的以验证试验结果、巩固和加强有关的知识内容、培养基本的实验操作能力为目的而进行的重复性实验。分析型验证实验，以“对实验现象和结果的解释、分析”为主要的考查内容，同时也涉及一些简单的实验方法及技能的考查，因此，此类试题应借助于所学基础知识，结合题目信息，作出合理的解释。对于设计型验证实验，则需要明确一般的解题思路：明确实验目的弄清实验的原理及相关的知识点确立完成实验的关键条件考虑每一材料用具可能的作用设计实验方案（①实验步骤或实验装置图；②观察记录试验结果；③分析讨论，得出结论）。
科学现象及原理范文4
关键词：探究性实验；验证性实验；解题方法
生物是一门实验性科学，生物学实验是学生掌握生物科学理论的最重要辅助手段。实验设计及实验原理，步骤，结果与结论分析是历年高考分值最重，区分度最大，学生失分最严重的部分，把握实验设计的常规规律方法，熟习实验考查的几种典型模式的解题技巧是减少本题型失分的重要举措，特别是针对探究性实验与验证性实验的解题策略，更是每位考生必备的功底。以下就如何答好这两种题型，谈一谈我自己的看法。
一、探究性实验与验证性实验的区别
1.探究性实验：指实验者在不知晓实验结果的前提下，通过自己的实验，探究分析和研究得出的结论，从而形成科学概念的一种认识活动。
2.验证性实验：指实验者针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果，巩固和加强有关知识内容，培养实验操作能力为目的的重复性实验。以下是两类实验比较的项目：
1）实验目的前者探索研究对象的未知属性，特征及其与其他因素的关系；后者验证已知对象的已知属性，特征及其与其他因素的关系
2）实验假设前者假设的形式表达，是根据现有科学理论事实，对所有要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案解释设一般采用“如果A，则B”；后者因结论是已知的故不存在假设问题
3）实验原理前者因探究内容而异；后者因验证内容而异
4）实验步骤前者应有的实验步骤实际未完成，实验步骤要自己设计；后者应有的实验步骤，可以是曾经做过的或尚未做过的
5）实验现象和预期结果前者未知，应对应假设分类讨论；后者已知
6）实验结论前者对应实验目的作出探究结论；后者对应实验目的作出肯定结论
二、两类实验设计中遵循的原则
1.科学性原则。包括实验原理的科学性，实验材料的科学性，实验方法及实验结果处理的科学性。
2.对照性原则。生物学实验中为增强实验的可靠性与可信度，设置科学，合理的对照可以使实验方案简洁明了且使实验结论更有说服力。对照组类型如下:
1）空白对照:不给对照组以任何处理.
2）自身对照:实验组和对照组都在同一实验对象上进行.如植物细胞质壁分离和复原实验
3）条件对照：给实验对象施以某种实验处理，这种处理是作为对照意义的。或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。
4）相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验相互对照。
3.单因子变量。要验证谁则把谁作为变量。
4.平行重复原则。在使用中可以通过在一组实验中同时处理多个材料来体现重复性原则。
5.随机性原则。被研究的样本是从总体中任意抽取的，可以消除或减少系统误差，平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。
［1］实验设计的思路及方法
⒈了解题目要求，从题干中找答案。
⒉写出实验名称：指出是什么实验，判断是验证性还是探究性实验。一般有“验证，证明”等词为验证性实验；有“探究，能否，是否”等词为探究性实验。
⒊写出实验目的:在判断基础上，明确目的，一般在题干中有“验证……”，“证明……”，“探究……”其后内容就是实验目的，但有些要提炼要点。
⒋实验原理。这对所学知识运用要求较高，需多方考虑完成此实验的理论依据是什么。
⒌设计实验方案（步骤），一般情况要出现以下几点：
①．如果需要提取，配制，处理实验材料则把提取，配制等操作放在第一步。
②．分组编号。研究对象，器皿等要编组标号，设立实验组和对照组；注意控制无关变量，在措辞中往往有“相同”“一致”等字眼。如果有测量应测量记录初始值。
③．实验处理。分别对实验组和对照组施加单一变量；实验处理要遵循“单一变量和对照原则”。
④．培养（或饲养），观察，记录等。依然在措辞中体现对无关变量的控制，经常有“相同条件下”，以上条件满足后，要明确注明“其他条件适宜且相同。”
⒍通过对实验结果（现象）的处理，综合分析得出实验结论
实验结果即实验过程中观察到的实验现象或收集到的数据，实验结论则是通过对实验结果的分析得出的定性表述，结论要依据实验原理并与实验目的相对应。验证性实验一般有一种结论，而探究性实验可能有多种结论。
四、例题比较
以鉴定某人是否出现糖尿病为例对两种实验类型进行对比。两类实验的原理（斐林试剂与可溶性还原糖作用出现砖红色沉淀）、步骤相同（与教材同），不同表现如下：实验名称前者为鉴定某人是否出现糖尿；后者是验证某糖尿病患者尿液中含还原糖
实验现象与预期结果前者出现或不出现砖红色沉淀；后者出现砖红色沉淀
科学现象及原理范文5
【关键词】氧化说；现代氧化还原理论；比较研究
拉瓦锡的“氧化说”和现代“氧化-还原理论”的形成都是建立在大量的实验事实和理论假设之上的，拉瓦锡的“氧化说”作为现代“氧化-还原理论”的雏形，又为现代“氧化-还原理论”的发展推开了一扇大门。历史证明无论是对已有经验进行理论总结，还是对假说和理论进行实践检验，都会对科学的发展产生积极的影响。
一、理论内容比较
1.拉瓦锡的“氧化说”的理论内容
1777年9月，拉瓦锡综合了前五年间的研究成果，向巴黎科学院提交了篇名为《燃烧概论》的论文，批判了燃素说的错误，全面、系统地阐述了新理论，即“燃烧的氧化学说”。其要点如下：（1）物质燃烧时放出光和热；（2）物质只有在氧存在时才能燃烧；（3）空气由两种成分组成。物质在空气中燃烧时吸收了其中的氧，因而增重；燃烧后所增加的重量恰等于吸收的氧气的重量；（4）非金属燃烧后变为酸，氧是酸的本质，一切酸中都含有氧元素。金属煅烧后变为煅灰即金属氧化物。[1]这一以氧为中心的燃烧理论彻底颠覆了整个化学领域的面貌，正如恩格斯所言，它“使过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来”。
2.现代“氧化-还原理论”的理论内容
现代“氧化-还原理论”的内容主要分为两个阶段，前期的现代“氧化-还原理论”是以化合价为基础的发展阶段，后期则发展为现代“氧化-还原”的电子理论阶段。前期的现代“氧化-还原理论”从化合价的角度揭示了氧化还原反应的宏观表现，主要内容归纳如下：在化学反应过程中，元素化合价（氧化数）升高的过程叫做氧化，元素化合价（氧化数）降低的过程叫做还原。在化学反应过程中，如果有元素化合价变化，即为氧化还原反应。后期的现代“氧化-还原理论”则从微观上揭示了氧化还原反应的本质，主要内容归纳如下：若一个化学反应发生了电子的转移，即包括电子的得失或偏移，则该化学反应是氧化还原反应。化合价（氧化数）升高，即失电子的反应是氧化反应，发生该反应的物质是还原剂；化合价（氧化数）降低，即得电子的反应是还原反应，发生该反应的物质是氧化剂。
二、研究方法比较
1.拉瓦锡的“氧化说”建立过程中应用的研究方法
（1）重视观察和实验的研究方法。1774年，拉瓦锡用锡和铅做了化学史上著名的金属煅烧实验，在实验事实面前，拉瓦锡向燃素说提出了挑战，他认为金属煅灰的增重是金属与空气化合导致的结果，与燃素无关。氧气的发现促使拉瓦锡成功地完成了加热汞煅灰的实验，再次证明了拉瓦锡上述观点的合理性和正确性，同时证明了质量守恒定律。此后，拉瓦锡又做了大量的燃烧试验，包括金属的煅烧，非金属的燃烧，氧化物的热分解，以及大量有机物的燃烧试验，来证明其观点。由此可见，拉瓦锡极其重视观察和实验的研究方法。[2]唯物辩证法认为，任何事物都是质和量的统一体，化学物质亦是如此。在拉瓦锡之前的波义耳、普利斯特里、卡文迪许等著名化学家就已经开始在化学实验中运用天平进行定量研究了，但是拉瓦锡将以量求质的思想应用到定量实验中，否定了燃素的存在，揭示了燃烧过程的本质。对于金属煅烧的增重来源，非金属燃烧是否增重等一系列问题，燃素说已经无法给出定性的解释。拉瓦锡通过金属煅烧实验，尤其是加热汞煅灰的实验进行定量分析，证明了是氧气参加了变化。十八世纪的化学家们用天平以量求量，而拉瓦锡却用其作为揭示自然界规律的重要科学手段。[3]
（3）运用化学史的研究方法。拉瓦锡“氧化说”的建立不是完全崭新的革命，而是以某种方式对旧理论扬弃（或重新组合）后再提出新理论的过程。为了研究在燃烧过程中空气所起的作用，拉瓦锡对大量的化学史料进行了研究，在前人的研究成果中寻求理论支持，去伪存真，在各种不同的理论解释中找到最适合自己的研究方向，最终建立一座崭新的化学理论大厦。
2.现代“氧化-还原理论”建立过程中体现的研究方法：
（1）从宏观到微观，从现象到本质的研究思想。最初的氧化反应仅仅局限于燃烧反应，直到氢气在氯气中可以燃烧等实验事实的发现之后，人们才开始意识到没有氧气的存在，燃烧同样可以进行，氧化反应的概念由此拓展开来。化合价概念的提出，使氧化-还原理论有了突破性的发展。以化合价为核心的氧化-还原理论揭示了氧化还原反应的宏观特征，即在任何一个氧化还原反应中都存在化合价的变化。化合价电子理论的建立，更是让氧化-还原理论有了质的飞跃。以电子为核心的氧化-还原理论揭示了氧化还原反应的微观本质，即任何一个氧化还原反应中都存在电子的转移。从宏观特征到微观本质的探索历程，充分体现了从宏观到微观，从现象到本质的研究思想和方法。
（2）由定性到定量的研究方法。现代“氧化-还原理论”建立的过程中体现了由定性到定量的研究方法。笔者认为拉瓦锡的“氧化说”可以作为现代“氧化-还原理论”发展历程中的第一阶段，以化合价为基础的氧化还原理论是现代“氧化-还原理论”发展历程中的第二阶段，以电子为基础的氧化还原理论则是现代“氧化-还原理论”发展历程中的第三阶段。虽然在第一阶段的发展历程中虽然也体现了定量研究，但那是粗糙的，原始的，更多的则是定性研究。在第二阶段和第三阶段的发展历程中，伴随着化合价理论的发展，化学家们对原子之间相互化合的形式、结构、性质等方面的认识逐步深化和发展。化合价电子理论的建立，发展了氧化还原概念，将氧化还原作用与得失电子相联系。最为重要的是，对化合价的认识也从定性解释过渡到定量计算，从半经验性、半精确计算发展为全电子计算。[4]对现代“氧化-还原理论”的研究正式进入了微观的定量计算阶段。
（3）辩证统一的思想方法。现代“氧化-还原理论”的建立过程中体现了辩证统一的哲学思想。作为氧化反应的对立反应，还原反应概念的提出与氧化反应并不是在同一个时期，它的提出是在氧化反应之后。最初，氧化反应和还原反应的对立关系并不被化学界认可，但在大量的实验事实验证之后，氧化反应和还原反应的对立关系得到了充分的肯定。在二十世纪初，电子发现后，人们发现氧化反应包含电子的失去，而不一定得到氧，并且氧化反应和还原反应都涉及到电子的转移。在氧化反应被定义是失去电子的反应，还原反应是得到电子的反应后，研究发现，这两个反应总是同时出现。此时，两个反应联合在一起称为氧化还原反应。氧化反应和还原反应既存在共性的一面，即反应都涉及电子的转移，并且在任何一个氧化还原反应中，两者是同时发生，同时存在的。与此同时，两者又存在对立的一面，即一方失去电子，另一方则得到电子的相反的反应历程。辩证统一的哲学思想在这一科学发展历程中体现的淋漓尽致。
三、理论及现实意义比较
1.拉瓦锡的“氧化说”建立的理论及现实意义
拉瓦锡“氧化说”的建立，堪称一场全面的“化学革命”，在化学发展的历史进程中具有里程碑式的意义，主要体现在以下几个方面：
第一，拉瓦锡“氧化说”的建立了燃素说的百年统治，使过去以燃素说形式倒立着的化学正立过来。拉瓦锡“氧化说”的建立意味着神秘虚幻的燃素已经被真实的化学物质—氧所替代，拉瓦锡彻底摆脱了旧理论的禁锢，从根本上颠覆了百年来被倒置的观念，建立了崭新的科学的燃烧理论。
第二，在化学领域证实了物质不灭原理或质量守恒定律，并引入了现代化学方程式的雏形。古希腊哲学家一直坚信的“物质不能无中生有和有中变无”的思想，在拉瓦锡的定量分析实验中得到了证实。他还写出了现代化学方程式的雏形：葡萄汁=碳酸+酒精。质量守恒定律的提出、证实和运用在拉瓦锡“氧化说”的建立过程中得到了充分的论述。
第三，确立了新的元素观。元素概念经过了一个混沌的时期：元素被当成了化合物，化合物又被当成了元素等等。过去，燃素论者认为锡、铁等金属是由燃素和煅渣构成的化合物，“氧化说”则认为煅渣是金属和氧结合的化合物，金属才是元素。拉瓦锡制定了化学史上第一张化学元素表，使人们在根本上改变了对元素观念的认识，促进了化合物系统命名法的产生。
2.现代“氧化-还原理论”建立的理论及现实意义
现代“氧化-还原理论”的建立是一个漫长而艰辛的过程，其建立过程就是人类对氧化还原的认知逐渐系统化的过程。时至今日，现代“氧化-还原理论”已经发展成为现代化学的核心理论之一，在科学领域具有极其重要的理论和现实意义，具体表现在以下几个方面：
第一，现代“氧化-还原理论”为我们进行化学研究提供了重要的理论工具。有了现代“氧化-还原理论”的理论支持，我们可以从宏观到微观，从现象到本质，对一系列氧化还原现象进行深入探究，把握其实质。现代“氧化-还原理论”是被实践证明是正确的理论，也必将经历实践，认识，再实践，再认识的过程。现代“氧化-还原理论”作为化学研究的重要理论工具，在被不断使用的过程中也同样在经受实践的考验。
第二，现代“氧化-还原理论”在实际生产和生活中应用广泛，具有重要的社会价值和现实意义。煤炭、石油、天然气等燃料的燃烧为人类的生产和生活提供了必需的能源；通过氧化还原的方法可以从矿石中提炼各种金属；利用氧化还原的电子理论可以将化学能和电能进行转化等。现代“氧化-还原理论”作为重要的理论支柱，来源于实践，又反过来指导实践，在各个领域中发挥着无可替代的作用。
第三，对于现代“氧化-还原理论”的研究有助于帮助研究者建立从宏观到微观，由现象到本质的哲学思维。纵观氧化还原理论发展的历程，氧化还原的化合价理论到氧化还原的电子理论的深入，充分体现了从宏观到微观，由现象到本质的哲学思维。对氧化还原理论认识的不断深入、不断充实、不断具体，充分反映了人们对化学物质运动认识不断深化的过程。人们的认知越深入化学物质运动的本质，其理论的表现形式就越抽象化，理论所揭示的客观规律也就越深刻。
通过拉瓦锡的“氧化说”和现代“氧化-还原理论”的比较研究，笔者深刻地体会到，在科学的探索旅程中，我们要尊重事实、不迷信权威，勇于实践。实践是发现真理、检验真理的唯一标准。现在大家公认的理论，也不是百分之百的正确，也存在某些缺点或错误，在科学的实践中，要勇于克服缺点、纠正错误，向前发展。
参考文献：
[1]张家治.化学史教程[M].第三版.太原：山西教育出版社，2004.
[2]郭宝章.世界化学史[M].广西：广西教育出版社，1992.
[3]袁翰青，应礼文.化学重要史实[M].北京：人民教育出版社，1989.
科学现象及原理范文6
关键词：自主学习、实验、探究
一、高中化学实验自主引导式教学模式的指导思想
《基础教育课程改革纲要（试行）》在论及基础教育课程改革的具体目标时指出：“改变课堂实施过于强调接受学习、死记硬背、机械的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力”。
自主学习是与传统的跟随式教学相对应的一种现代化教学方式，以学生作为学习的主体，学生自己做主，不受别人支配，不受外界干扰，通过阅读、听讲、研究、观察、实践等手段，使学生在知识与技能、过程与方法、情感、态度与价值观等方面得到进一步发展。学生通过自主学习，学会如何去发现问题、解决问题；学会如何去总结经验教训；学会如何去观察和了解世界；学会审美；学会与人交往；学会生存；学会独立；也学会了如何团队协作。自主学习是素质教育的内在要求。
高中化学是一门以实验为基础的学科，让学生亲自动手来进行实验活动探究，在实验过程中进行观察现象、记录数据、分析原理、合作探究，最后得出实验的结论，以达到教学的目的。在整个实验教学过程中，学生们会以全身心的状态投入到自主学习中，愉快地完成学习任务，这也是自主学习的魅力所在。
二、高中化学实验自主引导式教学模式教学流程
高中化学实验自主引导式教学模式的教学流程基本为：分析实验原理――明确实验目的――创设问题情景――预设实验过程――实验实践――记录实验数据和观察实验现象――分析实验结论――反思与表达――制作实验报告。
第一阶段要求教师给学生提供一个实验内容，比如金属与非金属的反应、氨的物理性质等。学生按照实验内容来分析本次实验的反应原理是什么。实验原理是学生开展实验活动的理论基础，必须深刻理解实验原理，并对实验原理进行深入的分析和研究，这是开展化学实验的前提。学生依据化学实验原理写出相应的化学反应方程式，以此做为理论依据，开展化学实验的实践活动。
第二阶段要求学生要明确实验目的。实验目的是实验的最终指向，在整个实验过程中，一切都以实验目的为导向，只有明确了实验目的，学生在实验过程中才能有意识的去记录相关的实验现象，去重点分析这些实验现象，进而得出实验结论。
第三阶段要求教师给学生提供一个问题情境，并讲解探究的步骤。设计问题情境一定要经过深刻的思考，问题情境一定要符合问题实际，并能让学生容易理解和接受，让学生们能够感受到科学家们创造新知识的过程。
第三阶段是实验过程。在这个阶段，老师们仅仅是对学生进行安全指导，以防止化学意外（爆炸、腐蚀等）的发生。整个实验过程是由学生们独立或合作来完成，以此来培养学生们的动手能力和团队精神，实验完成后，学生们会很有成就感，还能以此增强学生们对化学学科的兴趣。
第四阶段分析实验结果、得出实验结论。实验过程中所记录的实验现象和数据，都是总结实验结论的重要依据，实验结果在一定的`差范围内要求准确性和真实性，这就要求实际操作的学生具备良好的严谨性和客观性，这也是一种搞科学的人员所必须具备的精神，对于学生们将来从事科学研究是一种财富。
1.实验原理分析
焰色反应是某些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征的颜色的反应。其原理是每种元素都有其个别的光谱。样本通常是粉或小块的形式。以一条清洁且对化学惰性的金属线（例如铂或镍铬合金）盛载样本，再放到无光焰（蓝色火焰）中。在化学上，常用来测试某种金属元素是否存在于化合物中。
2.创设问题情境
逢年过节我国有放烟花的习俗，五颜六色的烟花在天空中绽放，景色十分美丽迷人。同学们玩过烟花吗？同学们知道烟花是怎么制造的吗？烟花发出的五颜六色是如何形成的？烟花发出各种颜色的原理是什么？同学们想不想亲自做一下烟花的实验呢？想不想自己通过实验把颜色的原理搞清楚呢？通过以上情景的创设，想必很多学生已经在摩拳擦掌、跃跃欲试了。
3.实验过程
首先是要准备各种实验器材，实验器材包括各种灯（酒精灯、酒精喷灯等）、各种金属丝（铂丝、灯泡钨丝、回形针等）、多种金属盐（Ca、Li、Ba、Sr、Na、K、Cu等）、钴玻璃片等。然后同学之间分工合作，有的同学负责实验操作，有的同学负责记录实验现象等。
4.总结实验结果
实验结果整理可以由同学们独立完成，也可以由同学们集体合作完成，如果是独立完成，则需要各人分别完成后，同学间再相互对比各自的结果，通过比较找出产生不同现象的原因，以此达到完成实验目的的效果。
三、高中化学自主引导式教学模式的教学实例
在《金属及其化合物》这一章中，实验3―1至实验3―3是钠的系列性质实验，刚抛出实验问题，同学之间就展开了讨论：钠什么颜色？会像铜？还是像铁？铝？铁不会与水反应，钠可以与水反应吗？；钠放进水中会像铁一样沉底吗？诸如此类学生的问题接二连三的就出来了。学习就怕提不出问题，带着问题去学习可以大大提高学生的学习兴趣，课堂就活了！接下来的实验操作及实验结果的处理学生就能真正用心的完成。真正体现了教师主导学生自主的课堂氛围。
四、高中化学实验自主引导式教学模式对教师的要启示
在高中化学课堂教学中，如何开展好实验探究性教学，使新课程改革精神真正落到实处，教师必须认真做到以下几点：
1.对学生要进行鼓励。有的同学刚开始接触实验时是不敢操作的，总是担心会出现意外，或者实验的结论和别的同学不一样，这时老师要对同学们进行鼓励，，在探索中碰撞，在探讨中进步。
2.要吃透教材。教师和学生都要吃透教材，教材是实验操作的基础，实验具有一定的危险性，要严格遵守实验操作规程，不可胡乱操作，安全第一。吃透教材更利于把握实验中可能出现的各种实验现象，对实验结果就有了一种预判，便于掌控整个实验教学课堂。
3.更新教学观念。改变以往以教师为主体的教学模式，自主学习是以学生为主体，教师为主导的教学模式，以探索、研讨为主线，以培养学生正确的科学态度和科学精神为终极目标。
参考文献：
