发布时间：2022-03-02 15:06:37
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的物理模拟论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
模拟实验是一种重要的科学技术研究方法，已广泛应用于许多领域[1-3]。社会发展与人类进步，迫切要求研究者日益关注新模拟实验方法的探讨，以发现越来越复杂的科学技术问题的未知特性，更好地揭示其内在运行机制。同时，研究者在科技论文中如何有效展示其模拟实验方法产生的效果，对提升论文价值，突出研究成果的创新性有重要意义。为此，在论述基本模拟类型的基础上，以近年来航空航天领域的某些中文科技论文为主要案例，探讨模拟实验方法的最新进展特征，提出属性依赖法与现场依赖法，为解决更复杂的科学技术问题提供新思路。
一、模拟的类型
1.模拟的基本类型
模拟是以科学技术理论与实践为基础，在一定环境与条件下，将研究对象用其它手段进行模仿的一种实验方法。该方法不直接涉及研究对象固有的现象与过程本身，而是设计一个和该现象与过程相似的模型，并通过该模型间接地呈现出该现象与过程。模拟实验的目的主要是便于经济地检验、验证、再现、发现或揭示该现象与过程的特征、演变规律与内在机制。
模拟的基本类型有物理模拟与计算机模拟。
物理模拟是制作和某现象与过程相似的物理模型，并对该模型研究，获取该现象与过程的特征。
计算机模拟是利用计算机对某现象与过程进行求解、分析、判断以及图像显示等，得出该现象与过程的特征。计算机模拟有模型模拟和统计模拟两种基本方法。
2.模拟实验方法的进展特征
科学技术的发展，对许多航空航天系统有越来越严格的性能要求[4-7]。为探索性能的未知特性，实时评估与预测性能退化轨迹，科学技术研究已经从静态发展到动态、从线性发展到非线性、从确定性参数发展到不确定性参数、从不变性函数发展到多变性函数。面对这些新问题，现有研究所采用的模拟实验方法取得了许多进展。
以近年来航空航天技术领域的某些中文科技论文为案例，经研究发现，模拟实验方法的最新进展以依赖问题的属性信息和现场信息为特征，旨在求解动态、非线性、不确定性与多变性等复杂问题，根据对问题信息的依赖特征，将现有的模拟实验方法归纳为属性依赖法与现场依赖法。
二、属性依赖法
属性依赖法是基于属性、目标属性与层次属性等3个信息要素的模拟实验方法。
属性是问题的抽象刻画，表示问题的性质与关系。性质表示问题的固有特征，关系表示不同问题之间的性质传承与影响。
目标属性是期望得到的对问题属性的某种解答或认知。
层次属性是目标属性的分解，即将目标属性分解为若干个子属性。若子属性彼此独立，则称为同层次子属性;否则称为非同层次子属性。层次按从低到高的顺序分为多层，目标属性依赖于最高层子属性，最高层子属性依赖于次高层子属性，依次类推，直到最低层子属性。
根据目标属性的不同，属性依赖法又细分为同步进化法与层次进化法。
1.同步进化法
同步进化法是将问题分解成低一层次的多个彼此独立的子问题，用基本模拟方法逐个解决各子问题，最后融合出结果。这是一种化整为零、逐个击破、同步进化的方法。具体做法是，若目标属性是由多个低一层次的独立子属性综合构成，则可以根据各独立子属性的特征，进行子属性模拟，然后推断各子属性的模拟结果，使各子属性由低层次同步进化至高层次，获得目标属性特征。
例如，揭示航空发动机非线性动力学特征是相关领域的一个重要问题。为此，文献[7]综合现有方法的优点，提出一种振动耦合动力学模型，计算出系统非线性响应，并在两个航空发动机转子模拟装置上进行模态实验，发现计算结果与实验结果有很好的吻合性。
在这个案例中，非线性响应特征问题被分解为2个同层次的子问题，即理论建模计算与模态实验，2个子问题解答的融合是将计算结果与实验结果进行对比分析。可以看出，解决这2个子问题的实验模拟方法分别是物理模拟和计算机模型模拟，经过对2种模拟结果的对比检验，最终推断出航空发动机非线性响应的某些特征，为探索航空发动机非线性动力学特征提供了新思路。
2.层次进化法
层次进化法是将问题按属性层次由低到高地分解成多个前后有联系的子问题，用基本模拟方法逐步解决各子问题，最后直接得到结果。该方法的特点是化整为零、逐步击破、依次进化。具体做法是，若目标属性可以分解为多个彼此低一层次的关联子属性，则可以根据各子属性的特征，按照设计好的步骤，依次进行子属性模拟，逐步使属性由低层次向高层次进化，逼近目标属性特征。
例如，航空发动机的故障诊断技术对发动机性能的可靠性、维护性和保障性有重要影响。但是，现有研究主要关注故障诊断算法的有效性，尚未有效验证故障检测率、定位率与虚警率等指标，从而无法定量评价故障诊断系统性能。这里的问题是如何定量评价故障诊断系统性能?
为此，文献[4]将问题分解为混合卡尔曼滤波器组故障诊断理论，发动机故障诊断系统和故障诊断实验等3个不同层次的子问题。这3个层次的进化关系为：(1)用计算机模型模拟方法构建混合卡尔曼滤波器组，为发动机故障诊断系统奠定理论模型基础;(2)基于理论模型，针对民用涡扇发动机常见的4种故障，用物理模型模拟方法搭建发动机故障诊断系统，为故障诊断实验奠定基础;(3)基于故障诊断系统，用统计模拟法评价出发动机故障诊断系统性能的定量指标值。
在该案例中，依次解决3个子问题的实验模拟方法分别是计算机模型模拟、物理模型模拟和统计模拟，最终目标是实现故障诊断系统性能的定量评价，为工程实践提供了重要依据。
三、现场依赖法
现场依赖法是基于时间序列和参数序列的模拟实验方法，时间序列和参数序列统称为序列。时间序列是将某现象的某一个指标在不同时间上的各个数值按时间先后顺序排列而形成的序列，序列中的信息与时间密切相关。参数序列是由某现象的某些特征值构成的序列，序列中的信息与时间没有关系。
现场依赖法是指依赖于问题真实现场信息的一种模拟实验方法，其特点是，在模拟实验中有现场的实时信息输入、输出与交流，可以及时矫正评估与预测结果。按照现场实时信息特征，现场依赖法可以细分为时间序列依赖法与参数序列依赖法。
1.时间序列依赖法
时间序列依赖法是根据现场实时信息的输入时间序列来实施输出序列运行轨迹评估与预测的一种模拟实验方法。
不确定性的输入时间序列干扰会导致输出时间序列运行轨迹发生未知的非线性与多变性演化，通过将外界的真实或模拟真实的时序干扰输入模拟实验系统，获取输出时间序列的演化响应机制，及时预测与矫正其运行轨迹，可以为真实航空航天系统的可靠运行奠定基础。
例如，为揭示大气阻力导致卫星轨道衰减的机制，文献[1]构建了模拟实验系统，将地球扁率与大气阻力摄动影响作为输入时间序列，通过模型模拟输出轨道根数变化，获取卫星轨道高度衰减结果即输出时间序列。其中，依赖的现场实时信息是经模拟改进的用某卫星高精度加速度仪测量得到的大气密度数据。尽管热层大气密度数据呈现出明显的动态、非线性、不确定性与多变性时序特征，模拟轨道序列与卫星实际轨道序列仍然保持一致，发现了卫星运行轨迹演变的新特性，研究成果具有创新性。
2.参数序列依赖法
参数序列依赖法是根据现场实时信息的输入参数序列来实施输出序列运行轨迹评估与预测的一种模拟实验方法。
常见参数有刚度、阻尼、固有频率、压力、流量与温度等，多种参数的组合构成参数序列。模拟实验系统的参数序列取值应该与真实系统的参数序列保持一致，才能可信赖地实施输出序列运行轨迹评估与预测。
例如，文献[8]的卫星在轨微振动环境模拟实验，用物理模拟方法构建出低频弹性支撑装置，揭示出自由边界条件对卫星动力学特征的影响机制，为提高卫星在轨微振动地面模拟实验精度奠定了基础。其中，依赖的现场实时信息是微振动扰振，输入参数序列为激振力参数，输出序列为模拟卫星弹性体的模态相应。
四、结 语
基于科学技术问题的属性信息和现场信息特征，提出模拟实验的属性依赖法与现场依赖法，可以解决动态、非线性、不确定性与多变性问题，为模拟实验方法的发展提供新思路。
模拟实验方法归类为科学技术研究方法论，合理运用属性依赖法与现场依赖法可以有效地验证或再现研究对象的表现，揭示其演变规律，发现某些未知特性。
在科技论文中，将属性依赖法与现场依赖法产生的效果充分展示出来，能更好地突出研究成果的创新性。
【关键词】Algodoo；课堂教学；案例分析；信息技术与课程整合；物理
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2017）01-0070-04
2001年颁布的《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确提出要全面推进素质教育；教育部从2003 年启动了普通高中新课程改革，将技术课程（包括信息技术和通用技术）列为普通高中学生的的必修课；《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中强调提高学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力；《2015地平线报告（初等教育版）》提到，未来1～2年运用STEAM教育推行信息技术在教育中的整合，提倡混合式学习。很多学校在推行信息技术与课程整合的过程中，存在教学资源不足、硬件设备不完善等问题，大部分选修模块无法开设。在这样的背景下，Algodoo 这一趣味仿真实验平台走进了我们的视野，为更好地开展通用技术课程提供了有力的技术支持。
Algodoo的发展
1. 国外发展
Algodoo（译名“爱乐多”）是一款2D仿真虚拟物理实验软件，其英文名称是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二维物理沙盒”，开发目的是使物理教学和研究更直观有效。Algodoo适用范围广，鼓励学生发挥创造力，并能够突破收费和编程知识缺乏等障碍。
以“Algodoo”为关键词在外文文献数据库、谷歌学术等平台检索，得到的文献资料大部分为对Algodoo及其他物理仿真实验软件的新闻报道类资料，仅有少部分是针对Algodoo进行探究的。斯坦福大学的Tamar等人在第12届互动设计与儿童国际会议（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的论文中提出，在利用Algodoo等虚拟建模工具进行教学活动时，学生参与建模会提高其元表征能力。巴西维多利亚大学的Samir L. da Silva等人利用Algodoo设计了物理的抛体实验教学活动，教师引导学生通过控制角度和速度来观察小球的运动轨迹，通过模拟实验让学生对平抛有更形象的理解，同时锻炼其分析归纳能力。Samir L. da Silva还介绍了其团队利用Algodoo进行布朗运动实验的模拟和数据计算过程，并提出Algodoo可以作为教师向学生展示物理实验的教学工具，也可以作为高年级学生分析物理实验数据的学习工具。斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的Bor Gregorcic（2015）利用交互式电子白板设计课堂活动，通过让学生在电子白板上用手操作Algodoo来模拟天体运动。
2. 国内发展
目前，Algodoo在中国大学以及中小学物理教学中的应用正在起步。淮阴师范学院的陈乐老师利用Algodoo进行了拱桥受力的物理模拟实验，设计对照实验活动，帮助学生了解拱桥设计原理。北京师范大学的韩蔚、项华老师与北京景山学校的吴俊杰老师将Algodoo软件应用在“数字科学家”课程中，以介绍伽利略斜面实验和天体运动实验，进行了物理、数学、信息技术学科相结合的游戏化学习设计。江苏省海安中学的黄伟老师（2012）利用Algodoo进行小球抛体、数学摆线、弹簧运动等物理实验模拟和数据分析。江苏省南通大学附属中学的沈军老师将Algodoo应用在气体的模拟实验中。湖北省武钢三中的朱广林老师对Algodoo在物理学中的应用进行了示例列举。贵州师范大学的张觉老师（2015）将Algodoo用于抛体运动的课堂教学。山东省章丘一中的王清老师利用Algodoo模拟牛顿第二定律和动量守恒定律的实验，以趣味性的视觉效果展现物理原理。
Algodoo的教学功能
1. 基本功能
Algodoo软件界面如图1所示，主要由场景工具面板、属性面板、工具面板、工具选项面板、模拟仿真控制面板构成。Algodoo可以作为教学演示工具、建模工具、分析解释工具、在线交流和反思工具。
Algodoo具有丰富的场景和仿真实验控制、演示等功能；能够精确形象地模拟实验，可以直观地观察到实验现象，有助于学习由感性认识上升到理性认识，实现知识的迁移；能够创建各种物理元件，如固体、液体、齿轮、弹簧、光线与透镜等；可以设置其材质及相关参数，如质量、密度、摩擦因素、弹性、折射率等；模拟各元件在重力、摩擦力、弹力、浮力、空气阻力的作用下相互影响，实现精度很高的物理仿真实验；Algodoo还可以实时显示物体运行轨迹、受力和速度等物理特征量，使数据分析动态可视化。
2. 应用领域
Algodoo适用于8岁到大学阶段的学生，基于真实的物理模拟以最有效的方式激励学生记住所学的知识，使枯燥的课程变得有趣且易学，增强了学生的学习积极性。它的内置课程以简洁的形式表示抽象概念，方便教师教学，适合专注于STEM的政府机构或教学组织使用。它主要可应用于物理学科几何光学、力学、电磁学、热学等知识的教学，如可以呈现光通过界面发生的反射、折射等物理现象，通过设计来模拟多种受力实验以及模拟液体分子的布朗运动等。
课堂教学应用案例
1. Algodoo作为教学技术与课程整合
将Algodoo应用于课堂教学之中，体现了将信息技术与课程整合的理念，即信息技术主要作为一种工具、媒介和方法融入教学的各个层面中，包括教学准备、课堂教学过程等。目前，各位教师和研究人员都是将Algodoo作为教学技术与课程整合起来。斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的Bor Gregorcic利用交互式电子白板设计高中物理教学活动，通过让学生在电子白板上动手操作Algodoo来模拟天体运动，从而验证开普勒定律。
首先，教师根据开普勒三大定律进行实验设计，在课前建立太阳系模型并绘制天体运行轨道。在课程的一开始，利用电子白板向学生展示太阳系模型，引起学生们的注意和兴趣。接下来，教师邀请学生在电子白板上绘制天体，并辅助学生设置天体的参数（如天体质量、速度等），引导学生进行天体的操作，使其能够围绕太阳运动。之后，教师绘制多个天体，使其围绕太阳运动，带领学生观察实验，帮助学生利用Algodoo提供的数据分析功能，引导学生讨论天体运行的规律。最后，教师对实验过程进行总结，结合实验现象归纳开普勒三大定律，进行知识点的巩固。
2. 建构主义教学理论下Algodoo的应用
Algodoo在构建情境性学习方面也有较多的应用。陈乐将Algodoo引入主题为“赵州桥”的高中通用技术课堂，创设一定的情境，具体实施过程包含以下几个阶段：（1）提出问题。师生共同讨论后确定研究的切入点。（2）制作模型。学生在教师的指导下设计方案，并制作仿真模型。（3）归纳解释。学生对仿真实验结果做出合理的解释。（4）最后进行模型的优化改进，从中总结拱桥受力原理。
在传统教学中，教师一般在教学之初先讲解所要学习的概念和原理，而后再让学生去做一定的练习，尝试着去解答有关的习题。建构主义认为，学和做、知识的获得和知识的应用是可以合二为一的，学习者可以在“做中学”，“通过问题解决来学习”。探究式学习就是学习者通过发现问题和解决问题而建构知识的过程，以问题为中心进行学习是各种探究式学习活动的核心思路，有利于帮助学生提高灵活应用知识的能力，形成有效的问题解决和推理策略，并发展他们的自主学习技能。
已有不少教师将Algodoo应用于探究式学习。例如，巴西维多利亚大学的Samir L. da Silva等人利用Algodoo设计了高中物理的抛体实验教学活动，引导学生通过控制角度和速度来观察小球的运动轨迹，使学生探究并发现平抛运动的规律。
Algodoo与其他教学软件的对比与借鉴
1. Algodoo与WISE
WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美国国家教学基金会的资助下主持的“知识整合环境”研究计划的主要成果。WISE的整个平台建设得很完善，按照用户角色的不同而有不同的功能模块。表1是Algodoo与WISE的比较分析。
2. Algodoo与几何画板
几何画板是适用于数学、平面几何、物理的矢量分析、作图的动态几何工具。总体来说，几何画板在我国的使用范围要比Algodoo广，经过分析得出了以下三个可能的原因：（1）教育部门的大力推广，几何画板是全国中小学计算机教育研究中心推广使用的软件之一；（2）几何画板比Algodoo操作更加简单，不会给广大的教育工作者造成较大的负担；（3）在当前应试教育体制下，数学作为一门主要学科，受学校和教师重视的程度较高。表2是Algodoo与几何画板的比较。
3. Algodoo与Scratch
Scratch是由麻省理工学院（MIT） 设计开发的一款面向少年的简易编程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在国内尚未广泛流行的原因有以下几点：（1）操作难度高：Algodoo元件有不同的属性和参数，需要设置才能够实现模拟实验，而Scratch元件设置简单，重在培养学生的逻辑思维能力；（2）应用领域窄：Algodoo主要适用于物理领域，而Scratch则因具有丰富的多媒体功能和便利的操作而适用于数学、音乐、艺术等多个领域；（3）教学活动设计难度高：Algodoo应用于教学活动中，需要教师进行大量的准备工作，在设计教学活动尤其是情境创设这类活动时难度较大，而Scratch则可以设计有趣的小故事引导学生进行参与，通过丰富简单的功能实现有趣的效果。
小 结
1. Algodoo的优势
第一，实验模拟促进高效教学。 Algodoo可以对物理、数学等领域进行实验的模拟，在熟悉软件使用后，可以为教师节约实验准备的时间，将更多时间投入到教学活动设计中。
第二，动手搭建培养学生探索能力。Algodoo中的虚拟实验环境可以由学生自己来搭建、改进，有利于培养学生的动手能力和探索能力。
第三，能够激发学生对实验操作和知识探究的兴趣。Algodoo无论是界面还是功能设计，都能够激发学生对实验操作和持续进行知识的兴趣，能够有效地提高课堂效率，同时把课堂延伸到学生的课余时间。
2. Algodoo的局限
一是技能要求较高。Algodoo虽然包含丰富的功能，但对大部分物理教师而言，设计出符合物理实验要求的仿真实验，需要一定的操作能力。
二是教学活动设计难度高。在设计教学活动时，需要综合考虑Algodoo在教学中的应用，不能只把其作为实验演示工具，还应作为合作建模工具，让学生参与实验模型的搭建。
三是国内缺乏讨论和共享的平台。国内受限于语言、网络等因素，无法充分利用国外这一社区平台，同时又缺乏国内的社区平台。
关键词：数字化信息系统；中学物理实验；创新实验
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）10-0028-7
1 研究背景
近年来，信息技术已渗透到了各个领域，用“传感器采集、计算机处理”数据的实验方式，不仅迫切而且有实施的可能。由上海市中小学数字化实验系统研发中心按照《课程标准》和教材要求研发设计的DISLab是一种将传感器、数据采集器和计算机组合起来，共同完成对物理量测量的装置，集物理测量、自动控制、数据记录、数据分析和结果显示于一体的综合性实验平台[1]；该系统能实时测量和动态显示实验数据，具有小型、简便、快捷等特点；该系统通过计算机处理实验数据，借助图表、图线等的具体分析，解决了数据分析和处理的难题。此外，该系统又填补了实验过程的空缺，具有很大的发展前景。DISLab实验系统本身作为新生的实验平台，具有很大的应用和发展前景，也是物理实验创新的首选。
DISLab是信息技术与传统实验课程整合的重要载体。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是DISLab两大技术支撑，也是实验面向信息化，提升档次的途径之一[2]。笔者查阅文献，结合实践总结了其四大特点，即数据采集“智能化”、数据处理“智能化”、实验设计“重点化”和实验过程“可视化”[3]。
2 实验设计背景
2.1 验证性实验介绍
验证性实验“是在学习物理规律之后进行的，其目的在于验证物理规律的正确性，巩固和加深对物理规律的理解”。在验证性实验过程中，思维比较聚合，实验中需要测量的物理量可以直接从验证的结论中获得，指向性比较清楚。因此，这类实验关键在于物理量的测量，从测量数据的分析中验证结论，认识物理规律。
在物理教学中，验证性实验对学生认识物理规律、理解物理知识起到了重要的作用。但是，很多传统验证性实验存在不足，一些物理信号（如：声音信号、电磁信号）是无法看到的，学生很难在头脑中形成清晰的物理图景。而DISLab能在计算机上呈现出各种信号，便于学生理解。
本文利用DISLab系统，为“惠斯通电桥平衡条件”实验提供了创新实验思路。惠斯通电桥又称单臂电桥（如图1），是一种用比较法测电阻的精密仪器。当电路满足电桥平衡条件，电桥达到平衡时，通过电桥的电流为零。利用惠斯通电桥的平衡条件能方便准确地测量电阻，这是高中物理电学教学中一个很有用的知识点。然而，学生对电桥平衡的理解总停留在理论分析层面，缺乏感性体验。另外，由于传统实验仪器的测量精度不够，也为本平衡条件的验证增添了障碍。
2.2 探索性实验介绍
探索性实验“是为探寻物理性质及规律进行的，以发现和解决问题为核心，其目的在于建立物理概念及规律，理解和掌握物理知识，并培养学生的能力和学习方法”。在探索性实验过程中，思维比较发散，实验设计和实验方案都需要实验者自主进行，突出自主性[4]。这类实验更加注重实验设计和实验过程。
探索性实验是新课改着重提出需要加强的一类实验，却在中学物理课堂极少出现，许多教师认为其探究过程复杂，浪费课堂时间。由于DISLab的引入，能够快速呈现物理过程，以其强大的数据处理功能，使得中学物理课堂可以更容易实现实验探究。
在DISLab的基础上，更多的实验可以实现数字化定量研究，即数字化应用。
力矩平衡以其广泛的实用性，在物理知识体系中占据很大的分量，力矩平衡条件的应用在中学教学中也很重要。然而，学生理解处于力矩平衡的刚体时，多数只能从力的合成与分解入手，简单地理解为力的平衡，例如：二力平衡，三力平衡。而对力矩平衡的理解较难，对力矩平衡条件的理解，也停留在定态的思维中。同时，关于力矩平衡时刚体不同处支持力会发生变化也是一个高中物理拓展教学的内容。由于支持力的变化很难用测力计显示，又因该知识点原本是一教学难点，因此，学生在理解上存在困难。
2.3 趣味性物理介绍
物理来源于生活又高于生活，它是一种从生活中抽象出来的理论，与生活息息相关。从生活中，我们可以找到许多物理知识[5]。从生活这一角度出发，增添了物理现象的趣味性，加深了对物理知识的理解及物理规律的掌握；物理知识存在于我们生活的方方面面，生活化的物理为其自身增添了普适性。
生活中的物理有其自身特点，即物理知识内容大部分比较简单，但物理模型过于生活化，不易应用。因此，抽象模型和测量数据成了这类实验的共同点。采用物理模拟原理抽象模型之后，将DISLab用于数据测量，一方面解决了测量上的难题，同时提高了测量精度；另一方面由于容易获得大量数据，通过对多组数据的分析处理，增加了实验结果的可信程度。
生活知识是物理的基础，同时也是物理实验的来源。静脉输液是常见的医疗手段，与我们的生活息息相关。除却专业的医疗知识外，其中也包含了很多物理知识，例如：大气压强的知识，液体压强的物理原理以及为气体的量化研究和化学分析奠定了基础的波意耳定律。
在高三物理习题中，也有这样一个联系生活的实际问题，即双瓶连续输液问题：思考输液过程中两瓶中的药液如何变化，哪一瓶药液先输完？并说明理由。对此问题的传统教法只停留在定性的理论分析上，学生理解时总存在一定困难。
3 实验设计展示
3.1 物理规律，验证性实验：惠斯通电桥平衡条件
本实验主要结合“物理转化原理”的设计思想[6]，通过测量电桥桥臂部分电压和桥上电流，验证电桥平衡条件。实验在原有实验电路上稍加改动，即将部分桥臂上的电阻以滑动变阻器代替。从验证惠斯通平衡条件入手，帮助学生理解规律。
[实验目的]
利用DISLab验证惠斯通电桥平衡条件，强化对物理规律的认识。
[实验原理]
在图2所示的电桥中，有电桥平衡条件，R1：R2=R3：R4，UCD=0，则C、D电势相等（D为滑片），C、D间无电流通过。
[实验器材]
电压传感器2个，电流传感器1个，数据采集器，计算机，变阻箱2个（定值电阻10 Ω、15 Ω各1个），0～20 Ω滑动变阻器，学生电源（电池组），开关，导线等。
[实验装置]
如图2所示，将两个变阻箱与滑动变阻器连成电桥，调节R1=10 Ω，R2=15 Ω；在C点与滑片D间接入电流传感器，在电阻R1和电阻D、A两端分别接入电压传感器测量UAC和UAD。
[实验过程]
（1）按照实验装置图，连接实物图，如图3。
（2）将电压传感器与电流传感器接入数据采集器，连接至计算机。
（3）启动DISLab，点击“通用软件”，打开实验设置，分别设置电压和电流传感器的采样频率；选择组合图线，横坐标为时间，纵坐标依次显示传感器示数。
（4）传感器调零，打开学生电源，将电压调为6 V；闭合开关，点击“开始”，传感器开始采集数据。
（5）将滑动变阻器滑片D自右向左缓慢移动至左端，同时得到“电压-时间”“电流-时间”图线，停止程序运行并保存实验数据图线。
[数据分析]
（1）如图4，滑片D在右端时，UAC=4.32 V，UAD=4.40 V，I=0.33 A；即UCD=0.08 V，因UC>UD，故桥上有电流0.33 A，且电流从C流向D。
（2）当滑片D缓慢向左移动时，UAC 和UAD均逐渐减小，而UC>UD，但两者逐渐接近，即UCD逐渐变小，桥上电流随之减小，且方向从C流向D。
（3）当滑片D移动至某一位置时，UAC=UAD=2.30 V，I=0.00 A。即UCD=0，此时电桥上电流为零，电桥平衡。
（4）当滑片D再缓慢向左移动时，UAC 和UAD 均逐渐减小，而UC
（5）当滑片D在左端时，UAC=0.40 V，UAD=0.32 V，I=0.30 A；即UCD=-0.08 V，因UC
[理论推导]
当UAC=UAD=2.30 V、I=0时，
由UAC+UCB=6.0 V，UAD+UDB=6.0 V，
得UCB=3.70 V，UDB=3.70 V。
又R1=UAC/IACB，R2=UCB/IACB，R3=UAD/IADB，R4=UDB/IADB，
得R1：R2=UAC：UCB，R3：R4=UAD：UDB，
得电桥电阻平衡条件，
即R1：R2=R3：R4。
[实验结论]
通过实验验证，当电桥平衡时，电桥两端电势相等，桥上电流I=0。即R1：R2=R3：R4为电桥平衡条件。
[实验小结]
（1）体现“物理转化原理”的设计思想――电桥状态的改变，伴随着电压与电流的变化，通过对部分桥臂电压和桥上电流的测量，分析电桥的状态。
（2）改进实验电路的设计创新――在传统实验电路基础上，将部分桥臂以滑动变阻器代替，实现电桥从不平衡到平衡之间的动态过程。
（3）结合DISLab实验系统的技术创新――电桥从不平衡到平衡之间的动态变化过程，因DISLab实验系统的引入，实现了数字化的实时动态显示及测量。外加上简便的理论推导，使学生在感性体验与理性分析两方面均有收获。
3.2 物理教材，探索性实验：平衡刚体的支持力探究
本实验主要结合“物理转换原理”的设计思想[6]，当刚体处于不同的力矩平衡状态时，其支持力也会发生变化。现利用力传感器设计实验来定量显示支持力的大小，探究力矩平衡时刚体不同处支持力的变化，通过实时测量和动态显示，加深对力矩平衡条件的理解，填补教学中的实验空白。
[实验目的]
探究刚体平衡时不同处所受支持力的变化，加深力矩平衡条件的理解。
[实验原理]
刚体平衡时，外力的合力矩为零，即ΣM=0。
[实验器材]
力传感器3个，数据采集器，计算机，方木块，铁架台（铁夹）金属杆。
[实验装置]
如图5所示，在铁架台上用铁夹将金属杆固定在水平位置。将两个力传感器倒置在金属杆上，测力钩竖直向上并在同一水平位置。将长方体木块对称地放在两测力钩上，木块保持竖直，背面轻轻靠近铁架台杆但无挤压。在木块上方套一根细绳，方便力传感器施加水平拉力。
[实验过程]
（1）按照实验装置图，组装实验仪器。
（2）将力传感器接入数据采集器，然后连接至计算机。
（3）启动DISLab，点击“通用软件”，打开实验设置，设置力传感器的采样频率；选择组合图线，横坐标为时间，纵坐标依次显示传感器示数。
（4）点击“开始”，两个力传感器采集所受木块的压力值；仔细调节木块的位置，使图中左右两力传感器的压力F1和F2的示数尽可能相等，完成后停止程序运行。
（5）点击“开始”，让两个力传感器测定支持力约10 s，然后用第三个力传感器测钩钩住木块上的细绳，给木块施加一水平向右的拉力F3；改变拉力的大小，观察两个力传感器的示数变化，停止程序运行，同时保存拉力、压力-时间图线。
[数据分析]
如图6所示。
（1）F3=0，未施加水平拉力时，力传感器测的压力分别为F1=2.61 N，F2=2.69 N。
（2）F3增大，当水平拉力逐渐增大时，左侧力传感器的示数F1逐渐减小，而右侧力传感器的示数F2逐渐增大，如图7。且任一时刻两个力传感器压力示数之和为定值，如图7。
（3）实验过程中木块始终处于力矩平衡状态，即M=M。
其理论推导如下：如图8，设右侧力传感器测力钩与木块接触点为转动轴，两个力传感器测钩间的距离为L，右侧细绳离木块底部的高度为h，则有：
实验结论：对于任一确定的水平拉力F3，在上述理论推导中，通过测量具体的h、L值，由（3）式可以求得F1、F2的对应理论值。当水平拉力变化时，刚体不同处所受弹力是变化的，变化过程则由实验图线得以清晰地实时显示，如图6。
[实验小结]
（1）转换实验测量的操作创新――本实验将刚体用两个传感器支撑，使得刚体所受支持力能被方便测量，从而达到探究刚体平衡条件下不同处所受支持力的目的。同时，将刚体所受外力（摩擦力、重力、桌面的支持力）的力矩关系，合理地转换为刚体的重力和支持力（两个）的力矩关系，因摩擦力力矩为零。
（2）结合DISLab实验系统的技术创新――力传感器的使用，可以及时测量得到两支持力随拉力发生变化，准确地揭示不同处弹力的变化规律，结合理论推导，强化刚体平衡和力矩平衡的概念。同时，本实验为高中力矩平衡时刚体不同处支持力的变化的教学提供了一个全新的实验支持。
（3）提供创新多元化的设计思路――在这一类实验设计中，创新主要体现在实验设计上，对于处于力矩平衡的刚体，除了可以测量支持力，还可以测量拉力、摩擦力、电磁力等。该思路可运用到其他实验中。
3.3 联系生活，趣味性实验：输液中的物理知识解析
本实验主要结合“物理模拟原理”的设计思想，合理模拟静脉输液，利用压强传感器，实时测量和动态显示瓶内气体压强，从而认识其中蕴含的物理知识。
[实验目的]
利用DISLab测量模拟双瓶连续输液装置中两瓶内的气体压强，定量揭示输液中的物理知识。
[实验原理]
当温度一定时，气体的压强与气体体积及气体质量有关，即PV=C（T恒定）。
[实验器材]
压强传感器2个，数据采集器，计算机，自制模拟连续输液装置等。
[实验装置]
本装置可以分别模拟单瓶输液与双瓶连续输液，如图9所示。自制模拟双瓶连续输液装置如图10所示，由上下两端均开一个圆孔的两个塑料瓶组成，塑料瓶固定在铁架台上，右瓶为输液主瓶，左瓶为输液副瓶。瓶上端孔用橡皮塞塞紧，橡皮塞中的胶管与压强传感器相连；瓶下端孔也用橡皮塞塞紧。如图9主瓶下端橡皮塞中插入一根医用输液管a（管中有观察液滴的小窗口及控制输液速度的小压轮），其下端置于相当于人体静脉的烧杯中；两橡皮塞中由一根胶管b将双瓶药液连通，副瓶下端孔橡皮塞中插一细管c（截面略小于b管），c开口向上与大气相通。主、副瓶中装入大半瓶的红色水代表药液。
[实验过程]
（1）按照实验装置图，组装实验仪器。
（2）将两个压强传感器接入数据采集器，然后连接至计算机。
（3）启动DISLab，点击“通用软件”，打开实验设置，设置压强传感器的采样频率；选择组合图线，横坐标为时间，纵坐标依次显示传感器示数。
（4）模拟单瓶输液实验：
①将插在副瓶下端孔橡皮塞中的b管拔出、开口向上置于大气中，由主瓶单独模拟单瓶输液实验。
②将a管用小压轮压住，用夹子K夹住b管；在主瓶中装入模拟药液的红色水，并将主瓶上端孔用连着胶管和压强传感器的橡皮塞塞紧。
③点击“开始”，压强传感器测量输液前瓶内的气体压强。
④旋松a管小压轮，通过a管滴液小窗口观察到主瓶药液快速流出，同时记录瓶内药液上方的气体压强。
⑤当压强变化到一定值时，输液基本停止；松开b管夹子K，使进气管与大气相通，通过a管滴液小窗口观察主瓶输液状态，同时记录瓶内药液上方气体压强的变化。
⑥一段时间后，停止数据采集，并保存“压强-时间”图线；见图11。
（5）模拟双瓶连续输液实验：
①让b管恢复连接主副两瓶，c管开口向上置于大气中，由主副两瓶共同模拟双瓶连续输液实验。
②将a管用小压轮压住，用夹子K1、K2分别将副瓶下端孔橡皮塞中的b管和c管夹住；在主副瓶中装入模拟药液的红色水，并将主副瓶上端孔用连着胶管和压强传感器的橡皮塞塞紧。
③旋松a管小压轮，通过a管滴液小窗口观察主瓶药液，开始较快流出后滴速变慢，最后输液基本停止。
④点击“开始”，压强传感器分别测得两瓶内的气体压强；同时松开b管和c管的夹子K1、K2，通过a管滴液小窗口观察主瓶输液状态，同时观察主副瓶内液面的变化，并记录瓶内药液上方气体压强。
⑤一段时间后，停止数据采集，并保存“压强-时间”图线；见图12。
[数据分析]
（1）模拟单瓶输液实验，由图11可知：
①模拟输液前，主瓶内气体压强P1=101.26 kPa；堵住进气口、旋松小压轮后，由于瓶内药液减少，使气体体积变小，气体压强变小；一段时间后，系统平衡，药液基本停止流出，此时气体压强P2=99.44 kPa；利用玻意耳定律可计算，气体体积相对增加量约为1.83%。
②松开b管夹子K1后，b管与大气相通，瓶外空气迅速进入瓶中，可观察到大量气泡从液体内冒出；气体温度与体积几乎不变时，因气体质量增大使压强瞬间增大，药液重新开始流出；此后以正常速度输液时，气体质量不断缓慢增加，液面缓慢下降，在实验测定短时间内气体压强保持在P3=100.08 kPa不变。
③P1=101.26 kPa，P3=100.08 kPa；P1与P3之差约为1.18 kPa，相当于12.04 cm高水柱产生的压强，实测此时瓶内液面与进气管b处液面高度差约为12.0 cm。
（2）模拟双瓶连续输液实验，由图12可知：
①b管被夹住时，压强传感器1所测主瓶内气体压强为主瓶已停止输液、体积增大时的压强值P1=97.50 kPa；压强传感器2所测气体压强为副瓶未工作时气体压强值P2=101.05 kPa。
②同时松开b管和c管的夹子K1、K2，开始时副瓶气体压强大于主瓶，药液从副瓶流入主瓶，主瓶内气体体积变小、压强变小；在外界空气尚未经c管进入时，副瓶中气体压强变小，最小为99.60 kPa；之后外界空气经c管进入副瓶，副瓶气体压强瞬间增大，而主瓶气体则因体积继续变小，压强继续变大。
③当正常输液时，主瓶内液面位置不变，气体体积不变，压强不变，气体压强为P1'=100.35 kPa；副瓶药液流入主瓶，液面下降，外界空气不断进入，在实验测定时间内，气体压强为P2'=100.25 kPa不变。
④P1'=100.35 kPa，P2'=100.25 kPa；P1'与P2'之差约为0.10 kPa，相当于1.02 cm高水柱产生的压强，实测此时副瓶内液面比主瓶内液面低约1.0 cm左右。
[实验结论]
（1）单瓶输液时，进气管作用十分重要，药液输入人体静脉时，瓶内气体的压强因体积增大而减小；由于外界空气通过进气管及时进入，使瓶内气体质量增加，因而气体压强能在相当一段时间内保持基本不变，从而使输液正常进行。
（2）双瓶连续输液时，主瓶输出的药液由副瓶补充，主瓶内液面位置不变，气体体积与压强均保持不变；副瓶中药液不断流向主瓶，外界空气经进气管进入副瓶，在一定时间内，气体质量增加而保持压强不变；在整个输液过程中，待副瓶内的药液全部输完后主瓶才开始输液。双瓶连续输液的优点在于能自动补充药液，减轻医务人员的工作量，提高输液效率。
[实验小结]
（1）体现“物理模拟原理”的设计思想――通过自制模拟连续输液装置，一方面锻炼学生的设计能力和操作能力，另一方面突显模型在物理学习中的重要地位，而模型化也是物理学习的思想之一。
（2）选取气体压强作为研究――在输液过程中，药液上方气体压强值的变化，能够间接反映装置的输液状态。结合实验观察，也对学生从实例中认识玻意耳定律，有一个更直观的感受。
（3）结合DISLab实验系统的技术创新――首次用DISLab结合自制模拟连续输液装置，通过单瓶与双瓶两次模拟输液实验，借助于压强传感器精确测定输液过程中药液上方气体压强值的变化规律，解决了长期以来的技术难点，取得理想的实验效果。
4 结 语
基于DIS的物理实验创新，作为数字化技术与传统实验的整合，其本身就是一种创新。冯容士先生指出：“实验教学承载着创新性教育的重任，将实验教学中的创新予以归纳，上升到理论和技法的高度，反过来再用以指导实验的创新，其本质是学生思维品质的提升和科研素养的积累。而这正是培养创造型人才的必需[7]”。这正是其主要特点，即对学生创新能力的培养以及创新思维的激发。
参考文献：
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[5]曹志芬.生活中的物理知识――论初中物理教学[J].新课程・中学，2015（6）：66―67.
【关键词】计算机教学应用;模拟仿真实验;教学设计
【中图分类号】G420【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2010)06―0132―03
一 引言
模拟仿真实验作为计算机用于教学的一种基本模式,在教学中有着广泛的应用前景。它既适合于在教师指导下课
堂教学,也适合于学习者进行探究式自主学习和协作学习。本课题在认真研究已有模拟仿真实验基础上,发现实验构建中的模型创建和教学设计存在一些普遍问题,表现在抽象模型,交互性、针对现象反馈和教学性能方面。我们所开发的模拟物理实验系统,正确地运用了建构主义学习理论,实现了一个全新的面向学习者的学习环境。
二 模拟仿真实验
模拟是指在交互控制状态下,对某种现象或过程进行表现和展示。按照所要表现的现象,可以把模拟分为两大类四种情况:物理现象和过程变化的模拟;程序性和情形性的模拟。在计算机辅助真实现象的模拟教学模式中,物理现象的模拟是将一个真实的现象或过程的某种规律在屏幕上表现出来,以供学习者去学习和研究,如表现光线通过透镜的成像规律,光线通过棱镜的传播等问题。过程变化的模拟,通常是为学习者说明解释一个不会明显表现出来的过程及难以理解的概念所进行的模拟。这两种模拟一般是不可人为随意干预或参与的。第二类情况中,大多数程序性模拟是为了教授一个构成过程的行为或动作顺序,它的主要特点是有一个或更多的步骤序列,以供学习者学习或训练。情形性模拟是在不同的情形下,涉及人的态度而非技能行为,不像程序性模拟要教一系列规则,而是展示允许学习者针对某种情形探索,用不同方法或扮演不同的角色时,所产生的影响并实时地表现出来。其中物理现象和过程变化的模拟,最常见的一种就是模拟仿真实验。
三 模拟仿真实验设计
随着信息技术的发展,人们可以模拟出自然界发生的各种现象和过程,并实时地加以显示。在所建立的模拟实验教学情境中,不但能够实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果,还可以清楚地观察到实验发生和现象演变的过程、扩大或缩小观察空间、减慢或加快时间上的控制等,还可在有效的范围内方便地改变某些条件、参数或仪器进行对比实验,随时触发对当前状态的说明解释。将其用于教学中将极大地引起学习者的学习兴趣,大大提高教学和学习过程的效率,使抽象的概念、规则和原理变得简单易学。同时可以做到及时纠正实验中所犯的错误,绝对避免了在实际实验环境中可能带来的可怕后果。
那么,在设计模拟仿真实验时,要充分考虑其教学设计,以建构主义学习理论作为指导,结合物理现象的特点,建立以计算机模拟物理实验和对实验进行分析的学习情境。模拟仿真实验设计目标,能够在交互控制下实现对现象、过程、内部机制和原理等内容的展示,易于学习者对系统的运动状态、变化过程、受外部条件的影响、概率特性和响应特性等进行观察思考和分析研究。
1 设计要求
为了方便教师或学习者自身在所创设的情境中,启发、诱导或学习者之间通过协作学习的过程,进行讨论和探究来完成意义建构,在探索的环境和气氛中实现有目的学习[2]。设计要能够完全反映真实现象的整个过程,包括仪器设备、装置及所呈现的现象显示逼真,模拟过程科学、结果真实、数据可靠等。能够对实验现象的展示进行多次重复,以利于对现象的规律、规则、理论进行详细深入的探索和研究。能够实现智能化的模拟仿真,让学习者观察到实际实验中难以或根本观察不到的实验发生过程和微观内部机制,并通过形象的表现揭示其中内涵、规律;实现对某些实验的人为控制,能够瞬间观察感兴趣的现象或量值;可以把隐藏在现象背后的实质问题突出地展示出来;通过改变实验条件、参数或仪器进行对照类比等。这对于学习者理解抽象的概念、掌握或探索有关的规则、定理或定律会起到非常关键的作用。
2 实验设计
根据模拟实验的特点和教学性能设计目标,可以将实验的结构和流程设计成介绍部分、呈现现象、交互活动、系统修改、系统反馈和结束。为了便于说明和设计,这里主要从以下几个方面讨论实验设计中所涉及的问题。
(1)实验说明与帮助
说明包括本专题的教学意图、演示项目和教学建议的总的扼要文字说明、使用与操作指导,其作用在于避免学习者盲目进行操作或对学习过程不知所措;帮助应实现在线帮助,即在实验过程中可以随时激活、浏览一个帮助窗口,提醒学习者对现象进行特别提示和探究引导。例如,在单摆实验中使用指导提示和教学建议提示。
(2)基本模型确定
模拟实验基本模型,是从真实实验抽象出关键的要素,能够用计算机编程实现模拟的首要一步。建立模型要有足够的精度。在设计时重点应抓住实验中最本质的东西,而把非本质的东西尽可能去掉,又不影响反映实验现象本质的真实程度。例如模拟物理实验系统中在确定单摆实验模型时,只考虑摆长和重力加速度对单摆周期的影响,而忽略空气阻力的作用;只考虑摆线长度,摆球质量及实验地点的变化,而忽略具体变化摆线长度的调节过程,摆球质量的称量过程和实验地点的转移过程。摆动过程中的数据调节范围足以表现其运动规律,摆线长度的变化范围在35cm-106cm之间(地面上摆的摆长约99.4cm),利用滑块变化技术即时调节摆长;摆球质量有20g、30g、40g、50g几种。地点有柏林、北京、新加坡、月球等可供选择。每次变化摆长、质量、地点进行实验所得的数据,完全按照单摆周期公式反映了对周期的影响。真实单摆实验的摆球运动轨迹是弧形的,其摆动过程是连续的,而模拟摆动实验却是跳跃的、间断的,但在计算机程序代码运行时利用了人的视觉反应时间,完全可以较逼真地模拟出连续的效果[1]。
模型要尽量简单。模型的构造是为了计算机编程实现上的考虑,对所要模拟的现象应从持续性、分立性和逻辑性方面进行数学抽象。持续性是指在视觉反应期间能对模拟现象的连续变化的描述;分立性是指通过一些分立的量来表现现象的某种规律或规则;逻辑性是指对模拟现象表现过程的逻辑方面的考虑。这里的持续性、分立性和逻辑性,在整个模式构造中要既分开独立找到特有影响因素或相关量,又要统筹考虑对现象整体效果的影响。在模型中既要考虑模拟现象自身的特性,又要考虑与学习者进行实验控制操作有关的交互性,涉及到的因素有:模拟中的每个对象、每一个物理量;所遵从的规律规则;现象的精确性;实现的顺序;几种解决方案;时间帧;学习者的角色扮演等。在模型确立过程中,要严格地按照科学规律进行设计,同时要注意模拟现象对条件的要求,在何条件下成立,何条件下不成立要明确。如模拟物理实验系统中,物距与像距是相对透镜光心而言的,只要物距和像距的调整范围能够表现出成像位置及大小的变化规律即可,无需由于变化透镜位置给实验设计及测量带来麻烦和不便。基于这样的考虑,要求透镜固定放在60厘米处,对于焦距是10、15、20厘米来讲,物的放置范围在060厘米之间,物可放在此区间的任何位置,屏在0110厘米的区间内通过任意移动,来找到清晰成像的位置及观察像的大小变化,从而表现出物距u、像距v和焦距f间的位置对应关系及物像大小的变化规律等。设计时的数学抽象既简单又有效,在现象的表现中既涉及到持续性、分立性,又涉及到逻辑性。
(3)模型建立步骤
在明确实验设计目标基础上,对实验进行认真研究,确定主要变量;找出实验中的各种内部联系和关系;确定实验约束条件;根据有关学科规定使用符号或代号;简化和检查实验模型,看它是否可以表现出真实的实验现象。
3 实验现象显示
把模拟现象真实表现出来,既要考虑让学习者看见的,又要考虑听见的,同时注意所表现现象和数据的可靠性。在这一阶段,首先应明确要表现的主题是为了观察现象,还是为了说明某个概念。一般情况下,物理模拟主题,通常是观察现象或通过现象总结出某种规律。情形性模拟主题,通常要说明某种概念;而程序性和过程模拟通常两者都包括。其次考虑模拟中项目或仪器的选择,操作对象,对事件作出的反应,对现象某种规律的有效观察等等。另外应考虑模拟表现上的真实性,这就需要充分利用计算机技术,做到生动、直观、形象真实。如真实摩擦力实验中,摩擦力不是直接看到的,而在模拟实验中却可显示任一瞬间摩擦力的大小和方向;在弹簧振子的简谐振动实验中,学习者可观察到位移、回复力、速度、加速度矢量随振动而周期性变化的情况,并可显示任一位置的位移、回复力、速度、加速度的数值;在自由落体运动实验中,类似于闪光照相技术,提供了每隔1/30秒在落体瞬时位置打点的方法,直观展示出在相同时间间隔内,落体的位移变化情况,同时将数据记录在表格中,以利进一步研究和计算;在楞次定律的真实实验中,磁感线是不能直接观察到的,但在模拟物理实验中则根据需要让学习者生动、形象地观察到磁感线的疏密、方向的变化。为了达到实验的准确性,在动画设计上应采用定时处理,既做到模拟的实验现象与实际的现象相一致,又做到模拟的过程与实际的过程相一致。同时注意动画的演示不要因机器速度的不同而发生畸变。有些现象专门为其具有教学性能而展示。
4 交互性设计
模拟实验设计中的交互控制,主要体现在学习者与模拟事件的交互性作用上,模拟的交互性越强,越真实有效,越具吸引力。模拟实验有别于一般演示实验,体现在它具有较强的交互性,主要反映在用户对各种参数的选择、设定和调节上或仪器的选用上,实现在有效合理范围内方便地改变参数或仪器等进行对比实验。可表现在系统中的角度、位置、速度、温度等几何和物理参量变化上,也包括选择物理模型、样式或样品、条件等,还应包括观察角度、画面显示状态、计算步长等等。如模拟物理实验系统中,在交互性方面体现在:可将物、透镜和屏拖动至光具座的相应位置上,且可对相互位置关系正确与否作出判断与提示。物和屏可分别放在各自区间内任意移动,使学习者清楚地观察到物距与像距、物与像大小的对应关系与规律。同时允许学习者随时更换或调节透镜焦距和物的大小,这些教学性能给教师的讲解和学习者的学习提供了更多的可变参数,便于对问题的深入研究探讨。
控制功能要灵活方便,设计时注意参数的调节过程和参数的显示,要比较直观、方便、快捷。交互形式最常用的是键盘、鼠标、触摸屏、光笔和语音等。因为学习者的参与主要靠灵活方便的控制来实现,通过提供一定的实验控制或选择条件,将有利于学习者的进一步钻研和知识的拓宽[3]。
5 显示与反馈
当对模拟系统进行某种操作后,系统应给出相应的反馈,这种反馈可以是自然的,也可以是人为的。所谓自然反馈是类似于可能发生的事,人为反馈是类似于个别指导或练习模式中给出的相应提示或结论性信息,如对当前状态的说明解释。对于前一类情况,应能随时显示改变参数后的实验结果,即可以实时绘制与显示。如当物距、物大小、透镜焦距及屏位置中,只要有一个量发生变化,屏上所接到的光斑或像就随之变化。另外考虑提供多种显示方式,如截面、二维或三维表现等;可调显示参数,如投影角度、比例、显示范围等,体现出显示的多样性、可调性。如模拟物理实验系统中除了在屏上观察像外,可随时激活图标显示正面画面,满足学习者从不同角度进行观察。这将有利于学习者对同一现象的观察与思考,能从不同的侧面、角度进行全面的观察与分析比较,经过探究而得出结论。
四 模拟仿真实验教学应用
对于模拟仿真实验系统,它既适用于教师课堂进行教学,也适用于学习者自己进行探究式学习。教师利用这种特定实验情境,启发学习者主动探讨研究,完全像做实验一样归纳和总结出相关的规律。利用情境或在情境中进行教学,能够让学习者参与进来,做到教师只是引导者而非讲演者,更利于学习者主动进行学习。教师再也不会感到物理难教,一些原来单纯利用黑板和演示不容易讲得清楚的东西,现在在模拟实验中实实在在地动态显示出来,便于讲解。从学习者角度也不会再感到物理难学,原来仅仅靠想象的抽象东西,现在活灵活现地出现在面前,你可以仔细观察,反复实验,经过思考后得出结论。对学习者而言,完全可以独立或与学习伙伴一起进行实验,利用系统关键提示和解释,实现探究学习。因此,利用这样的模拟实验开展教学,能够大大激发学习者的求知欲,满足学习者的探索欲,最大限度地发挥学习者的认知主体作用,让学习回归本体,就是实现学习者自主学习,不再是“被教会”。
五 结论
通过结合作者开发的模拟物理实验系统项目设计与实践,文章探讨了模拟仿真实验设计及其教学设计的方法,由于不同学科有其自身的特点,在进行设计时应该根据实际情况进行具体处理,但总体目标都是要求实现随时观察到与实际实验相同的现象或结果。归纳为以下几点:(1)模型构建时要简洁,抓住最基本要素,排除非本质的东西。(2)实验要有很强交互性。(3)模拟过程要清晰、可重复。(4)模拟的结果要真实可信。(5)现象呈现时关键帧有说明解释。(6)有学习指导和使用说明。这样设计出来的模拟仿真实验,在教学上有利于学习者的启发式、探究式学习。随着计算机技术不断进步,计算机用于教育教学,特别是模拟实验这种教学模式,必将在教学和学习中发挥愈来愈大的作用。
参考文献
[1] 李云程.探讨制约CAI开展的关键环节软件设计问题[J].中国电化教育, 2000,(3):40-42.
【关键词】研究性实（试）验 学科专业理论 工程实践 装备保障
近年来，青岛校区着力推进加速提升学科专业建设活动，在校区反响强烈，理论深入人心，成绩有目共睹。诚然，学科专业涉及院校建设的方方面面，还有许多发展空间，需要思考和改进。主要体现在两个方面，一是对学科专业建设的定位还有待于完善，学科专业建设是一种实体和制度建设，这是共识，同时也应是一种精神和文化建设，二者相辅相成，缺一不可；二是对学科专业理论水平的认定有失偏颇，在任职教育院校教员队伍中，博士研究生和硕士研究生已达到较高的比例，理论上讲，这样的学历结构使得学科专业理论水平已经不低，所谓“低”，只是理论的应用水平偏低，表现在与装备保障结合密切的创新性、前沿性理论匮乏，标志性成果偏少或档次不高等方面。限于篇幅，本文重点讨论第二个问题。
一、学科专业理论与工程实践的衔接度是制约加速学科专业建设的瓶颈
学科专业建设是一个长期的过程，学科专业理论与工程实践的衔接也不能一蹴而就。校区大部分教员是从高等院校直接分配而来，实践经验不足，对于装备原理以及使用维护等了解不多，尤其是近几年新进的博士和硕士教员，由于工作时间较短，虽然有着较深厚的学科专业理论功底，了解或掌握本学科领域前沿，但是这些理论知识却与实际的装备保障实践相脱节，没有发挥出作用，甚至不知道怎么发挥！
近年来校区采取了很多积极措施，使大部分教员做到了“三熟悉”，为课堂教学提供了素材，为基本的科研工作奠定了基础，但是，“三熟悉”与学科专业理论水平，尤其是运用学科专业理论去解决装备保障中的重大问题是两个层面的问题。
由于设备型号多，要做到深层次熟悉设备还需要一个过程。以故障分析任务为例，教员要分析好一个故障，不但要对设备操作使用熟练，对故障现象清楚，还要对设备内部电路工作原理甚至某个元器件的功能了如指掌。唯有如此，才能够将学科专业理论娴熟的运用到分析设备工作原理中去，根据故障现象，结合理论逐步摸索，分析出故障产生的原因，形成判断和排除故障的能力。现实情况是设备更新和换代快，功能越来越完善，电路结构越来越复杂，集成化程度也越来越高，这就要求教员静下心来花费较长时间来摸索设备特点和工作机理，才能逐步适应新装备保障工作。这也是一个装备教员掌握装备保障的一个大体过程，周期较长。
加速提升学科专业理论水平，应与院校的使命任务密切相关，那就是在装备保障中体现学科专业理论的深度和难度，一方面，校区有较高学历的教员队伍，他们蓄势待发，另一方面，新装备保障中有许多重大故障问题急需解决。目前看，只有开展研究性实（试）验才能较好地将两个方面结合起来，并达到加速提升学科专业理论水平的效果。
二、研究性实（试）验是学科专业理论与工程实践相结合的桥梁
研究性实（试）验是通过实（试）验的方法检验理论正确与否的过程，是先根据相关理论推导出理论数据，然后通过建立各种模型、仿真得出实验数据，实验室数据最逼近理论数据的模型，就是工程实现的最佳方法，所以说研究性实（试）验本身就是理论做先导的工程实践。研究性实（试）验可以分为三个类型：即基础性研究实（试）验、应用基础性实研究（试）验和和应用性研究实（试）验。基础性研究实（试）验是指拟以认识自然现象，探索自然规律为目的，不直接考虑应用目标的研究性实（试）验；应用基础型研究实（试）验是指以获取新原理、新技术、新方法为目的的研究成果，有广泛的应用前景的研究性实（试）验；应用性研究实（试）验则指为某种具体的实用目标提供技术管理、方法和途径的研究实（试）验。
任职教育院校教员可以立足于实验室，以开展应用性研究实（试）验的方法开展工程实践。将教学和科研过程中遇到的难以理解的理论问题，通过做实（试）验加以验证；将有关部门反馈过来的设备故障等各种疑难问题，以实（试）验的方法进行情景再现，运用理论知识进行科学分析研究，则容易将简单、孤立的问题上升到一定的理论高度。通过开展这种研究性实（试）验，能够架设起学科专业理论与工程实践的桥梁，促使我们不断更新已掌握的理论知识、不断改进工程实践的方式和方法。理论更新和工程实践改进相辅相成，互相促进。
工程实践需要学专业理论的指导，同时工程实践也能够促进理论成果的产生和转化，工程实践中遇到的问题和不足，促使我们不断地获取新知识，跟踪学科专业理论前沿，而将最新学科专业理论与工程实践相结合的过程进行归纳和整理，便产生了学术成果。
三、开展与装备保障结合密切的研究性实（试）验的基本思路方法
任职教育院校的使命任务就是培养胜任岗位工作的优秀人才，优秀人才不仅能够熟练操作使用和维护装备，还要对装备检测和故障排除有较深的造诣，具备这些专业技能也是成为任职教育院校合格专业教员的基本条件。这些专业技能既不能来源于基层，也不能来源于书本，只能是通过开展应用性研究实（试）验来逐步掌握。
（一）建设研究性实验室或在已有装备实验室基础上增加研究功能
开展与装备保障密切结合的研究性实（试）验，前提必须要有研究性实验室。研究性实验室建设或改造是以本专业相关理论为基础，以装备所采用的新技术为依托，以能够为新装备保障服务为目标。
新建的研究性实验室应具有完善的实验原理、仿真功能、复杂电磁环境模拟仿真功能，并有一定的实装和物理模拟器，既能满足当前教学科研之用，还能反映装备发展的趋势。实现方式就是软件仿真和硬件模拟，或软硬结合。要在实验室能够做到：在装备通电工作过程中发现问题，在原理功能仿真中分析问题，在理论与实际电路结合的过程中解决问题。
（二）依托研究性实验室开展与新装备保障密切相关的研究性实（试）验
开展研究性实（试）验必须密切结合本专业理论，并以装备保障重大理论问题为牵引，进行系统性、理论性和工程性综合研究，才能不断提升自身的专业理论水平。
例如，某型无线电罗盘定向系统故障。基层同志描述故障现象是：通电检查时，在“罗盘”位置不能自动定向，耳机无声音；在“收讯”状态，耳机无声音；在“环”状态，耳机无声音，手控状态控制正常。如果只是根据故障现象，很难判断故障位置。在熟悉罗盘电原理图的基础上，根据罗盘工作信号流程特点，三种工作状态信号流程不同且三种状态均表现故障，则可以初步判断故障应位于三种工作状态的公共电路——超外差接收机电路。进一步分析可知，故障只有位于超外差接收机电路中低放之前部分，才会导致检波器输出的可变相位信号不正常，进而引起自动定向功能不正常。理论分析到此为止，已经将故障缩小到比较小的区域。为进一步判断故障位置，在multisim软件中画出该无线电罗盘电路图并加上模拟信号，还原罗盘故障现象，根据罗盘接收中测试点的位置，在相应的电路模块中设置故障，并在测试点采用故障树法逐个测试，故障树如下图1所示。最后将仿真结果反馈到相应部门，根据该仿真结果对照故障罗盘接收机测试数据，最终得出结论是4BG4三极管损坏。
图1某型无线电罗盘超外差接收机测试故障图
1.1水文地质学科涵义与研究对象
地下水即是赋存于地面以下岩石空隙中的水。地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力与信息载体。地下水及赋存地下水的介质还具有一些另外的功能。水文地质学在国民经济发展中的作用是与地下水及其赋存介质的功能相联系的。
1.2水文地质学的定义
地下水这一名词有广义与狭义之分。广义的地下水是指赋存于地面以下岩土空隙中的水；包气带及饱水带中所有含于岩石空隙中的水均属之。狭义的地下水仅指赋存于饱水带岩土空隙中的水。
水文地质学（hydrogeology）是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。它研究在与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律以及如何运用这些规律兴利除害。
1.3水文地质学研究的范畴及任务
水文地质学是研究地下水的科学，主要研究地下水的分布、运动和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资源评价、开发及其合理利用，地下水对工程建设和矿山开采的不利影响及其防治等。在不同环境中，地下水的埋藏、分布、运动和组成成分均不相同。查明上述各方面状况，可为科学地利用或防治地下水提供根据。水文地质学对地下水的研究，着重自然历史和地质环境的影响，同主要用水文循环和水量平衡原理研究地下水的地下水水文学关系密切，只是研究的侧重点稍有不同。
1.4水文地质学及分支
随着科学的发展和生产建设的需要，水文地质学又分为区域水文地质学、地下水动力学、水文地球化学、供水水文地质学、矿床水文地质学、土壤改良水文地质学等分支学科。近年来，水文地质学与地热、地震、环境地质等方面的研究相互渗透，又形成了若干新领域，如环境水文地质学、地下水资源管理、同位素水文地质学等。随着生产力和科学技术的高速发展，人类对生态环境的影响到了举足轻重的地步，与环境生态有关的水文地质问题迅速增长。
水文地质学是从寻找和利用地下水源开始发展的，围绕实际应用，逐渐开展了理论研究，目前已形成了一系列分支。
1.4.1地下水动力学
地下水动力学是研究地下水的运动规律，探讨地下水量、水质和温度传输的计算方法，进行水文地质定量模拟。这是水文地质学的重要基础。
1.4.2水文地球化学
水文地球化学是水文地质学的另一个重要基础。研究各种元素在地下水中的迁移和富集规律，利用这些规律探讨地下水的形成和起源、地下水污染形成的机制和污染物在地下水中的迁移和变化、地下水与矿产形成和分布的关系，寻找金属矿床、放射性矿床、石油和天然气，研究矿水的形成和分布等。
1.4.3供水水文地质学
供水水文地质学是为了确定供水水源而寻找地下水，通过勘察，查明含水层的分布规律、埋藏条件，进行水质与水量评价。合理开发利用并保护地下水资源，按含水系统进行科学管理。
1.4.4矿床水文地质学
矿床水文地质学是研究采矿时地下水涌入矿坑的条件，预测矿坑涌水量以及其它与采矿有关的水文地质问题。
1.4.5农业水文地质学
农业水文地质学的内容主要包括两方面，一是为农田提供灌溉水源进行水文地质研究；二是为沼泽地和盐碱地的土壤改良，防治次生土壤盐碱化等问题进行水文地质论证。
1.4.6水文地热学
地热是一种新的能源，如何利用由地下热水或热蒸汽携至地表的地热能，用来取暖、温室栽培或地热发电等，以及地下热水的形成、分布规律，以及勘察与开发方法等，是水文地热学的研究内容。
1.4.7区域水文地质学
区域水文地质学是研究地下水区域性分布和形成规律，以指导进一步水文地质勘察研究，为各种目的的经济区划提供水文地质依据。
1.4.8古水文地质学
古水文地质学是研究地质历史时期地下水的形成、埋藏分布、循环和化学成分的变化等。据此，可以分析古代地下水的起源与形成机制，阐明与地下水有关的各种矿产的形成、保存与破坏条件。
地下水的形成和分布与地质环境有密切联系。水文地质学以地质学为基础，同时又与岩石学、构造地质学、地史学、地貌学、第四纪地质学、地球化学等学科关系密切。工程地质学是与水文地质学是同时相应发展起来的，因此两者有不少内容相互交叉。
地下水积极参与水文循环，一个地区水循环的强度与频率，往往决定着地下水的补给状况。因此，水文地质学与水文学、气象学、气候学有密切关系，水文学的许多方法也可应用于水文地质学。地下水运动的研究，是以水力学、流体力学理论为基础的，并应用各种数学方法和计算技术。
2 水文地质学演化历史与发展现状
2.1水文地质学发展简史
人们早在远古时代就已打井取水。中国已知最古老的水井是距今约5700年的浙江余姚河姆渡古文化遗址水井。古波斯时期在德黑兰附近修建了坎儿井，最长达26公里，最深达150米。约公元前250年，在中国四川，为采地下卤水开凿了深达百米以上的自流井。中国汉代凿龙首渠，是一种井、渠结合的取水建筑物。在利用井泉的过程中，人们也探索了地下水的来源。法国帕利西、中国徐光启和法国马略特，先后指出了井泉水来源于大气降水或河水入渗。马略特还提出了含水层与隔水层的概念。
1855年，法国水力工程师达西，进行了水通过砂的渗透试验，得出线性渗透定律，即著名的达西定律，奠定了水文地质学的基础。1863年，法国裘布依以达西定律为基础，提出计算潜水流的假设和地下水流向井的稳定流公式。1885年。英国的张伯伦确定了自流井出现的地质条件。奥地利福希海默在1885年制出了流网图并开始应用映射法。
19世纪末20世纪初，对地下水起源又提出了一些新的学说。奥地利修斯于1902年提出了初生说。美国莱恩、戈登和俄国安德鲁索夫在1908年分别提出在自然界中存在与沉积岩同时生成的沉积水。1912年，德国凯尔哈克提出地下水和泉的分类，总结了地下水的埋藏特征和排泄条件。美国迈因策尔于1928年提出了承压含水层的压缩性和弹性。他们为水文地质学的形成作出了重要贡献。
泰斯于1935年利用地下水非稳定流与热传导的相似性，得出了地下水流向水井的非稳定流公式即泰斯公式，把地下水定量计算推进到了一个新阶段。20世纪中叶，苏联奥弗琴尼科夫和美国的怀特在水文地球化学方面作出了许多贡献。到第二次世界大战结束时，在地下水的赋存、运动、补给、排泄、起源以至化学成分变化、水量评价等方面，均有了较为系统的理论和研究方法。水文地质学已经发展成为一门成熟的学科。
20世纪中叶以来，合理开发、科学管理与保护地下水资源的迫切性和有关的环境问题，越来越引起人们的重视。同时，人们对某些地下水运动过程有了新的认识。1946年起，雅可布和汉图什等论述了孔隙承压含水层的越流现象。英国博尔顿和美国的纽曼分别导出了潜水完整井非稳定流方程。
由于预测地下水运动过程的需要，促进了水文地质模拟技术的发展，20世纪30年代开展了实验室物理模拟，40年代末发展起来的电网络模拟，到50—60年代在解决水文地质问题中得到应用。
由于电子计算机技术的发展，70～80年代，地下水数学模拟成为处理复杂水文地质问题的主要手段。同时，同位素方法在确定地下水平均贮留时间，追踪地下水流动等研究中得到应用。遥感技术及数学地质方法也被引进，用以解决水文地质问题。对于地下水中污染物的运移和开采地下水引起的环境变化，引起广泛的重视。20世纪60年代以来，加拿大的托特提出了地下水流动系统理论，为水文地质学的发展开拓了新的发展前景。
2.2国外水文地质学发展现状
水文地质学是一门年轻的学科，它是基于地下水在地质单元内运移时所发生的物理和化学变化而发展起来的，水文地质学是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律，以及合理利用地下水或防治其危害的学科。水文地质学诞生于19世纪中期，在20世纪初，依据法国水文地质学理论原则（A.Hazen，C.Slichter，F.King，O.Mainzer等），美国水文地质科学家发展了实用水文地质学的应用。与此同时，德国和奥地利的水文地质学家（F.Forchheimer，A.Thiem，O.Smreker，J.Kozeny等）详细解释了水文地质，尤其是关于地下水流域和水力工程方面调查的方法。俄国人对水文地质学发展有着重大的贡献（W.Dokutchaev，A.F.Lebedev等）。水文地质学成为地质科学中一门比较完整、系统的独立学科，是在20世纪30—40年代。水文地质学已被公认为是地球科学的一个分支，是跨越于地质科学和水文学之问的一门独立科学。水文地质学在二战以后有了深入的发展，特别是在地下水动力学、水文地质编图、水文地质采矿、模型和同位素方法、水文地球化学和地下水监控这些领域。人类活动对包括地下水在内的自然环境的改造异常强烈，产生了一系列生态环境问题，当代水文地质学进入了生态环境水文地质学的新阶段。
在过去的几十年中，国际水文地质学发生了翻天覆地的变化，从专业期刊的发展中就可以看出。1963年，《地下水》（Ground Water）和《水文学杂志》（Journal of Hydrology）创刊；1965年，开始出版《水资源研究》。此后，陆续创刊的欧美主流学术期刊有：1976年，《水资源进展》（Advances in Water Resources）和《污染水文学杂志》（Joumalof Contaminant Hydrology）；1986年，《水文过程》（Hydrologic Processes）；1993年，《水文地质学杂志》；1995年，《水文工程学杂志》（Joumalof Hydrologic Engineering）。期刊的数目大幅增加的同时，每种期刊上论文的数量和内容也显著增加。
国际水文地质大会是公认的比较权威的世界级水文地质会议，至今已经召开了39届（2011年在泰国举行）。其中2006年10月9日在我国北京举行的第34届国际水文地质大会是继1988年在广西桂林举办的第21届国际水文地质大会之后，再次在中国举办。此次大会又恰逢国际水文地质学家协会成立50周年庆典，是国际水文地质发展史上的重要里程碑。此次会议以“地下水的现状与未来”为主题，围绕全球地下水问题与需求、中国地下水的现状与未来等开展交流与研讨，展示全球、亚洲和中国水文地质成果及新一轮国土资源大调查的水文地质工作进展。
在国际上，美国水文地质调查研究经历了100多年的发展，在该领域长期居于国际领先地位，影响和引导了国际水文地质学的发展方向。从20世纪80年代开始，美国地质调查局启动了多个项目，开始对有害物质水文过程和地质隔离技术进行深入研究。其水文地质资料有90%向普通大众公布，实现了水文地质调查成果全国共享；在法国，各种公共管理部门、盆地基金机构和地质调查部门，通过各种媒介向公众宣传有关水资源的重要情况，回答提出的特殊技术问题。目的是让大家了解各种生产活动给自然资源带来的严重影响，提高对地下水和当前共同利益的认识，解释那些按公众意愿制定的政策和收费规定。在总体研究结果基础上对地下水变化情况进行监测和计算，以有利于管理机构的决策。日本的东京湾将地下温度场应用于研究地下水循环，而这是我国学者地下水循环研究中一直忽视的一个主要因素。在欧洲，生态水文学的研究已经形成一个网络，各国之间的联系及对比研究较多。冰岛是世界上地热资源开发利用率较高的国家之一，地热发电站装机容量总计200 MWe，排名世界第8位，87%的家庭使用地热取暖。由于经济发展所处的阶段不同，国外目前研究矿山水文地质工作的比较少。
总之，目前水文地质在各个不同的领域都有发展，例如地下水文学、土壤力学、经济地质、石油采钻工程、构造地质学、地球化学、地球物理学、海洋地质学和生态学。这个领域由于以上所有领域研究人员的杰出贡献而丰富起来。目前，水文地质处于转折时期，由发现并最大程度的开发利用新资源转变为合理地管理它们，这对于人类和其它生物来说是至关重要的。
2.3国内水文地质学发展现状
我国人民早在4000年前的龙山文化时期就已经凿井开发利用地下水了，但直到建国前，从事水文地质工作的人员极少，几乎没有设备，只零星地进行一些地下水调查工作。直到建国后，水文地质事业才得到了较大发展。
我国水文地质事业的发展经历了坎坷曲折的道路。20世纪50年代，是我国水文地质事业创建、发展的重要年代，而后的“”，曾使正处在兴旺发达的水文地质工程地质事业受到挫折。60年代前期，经过重新调整，水文地质工程地质战线再次出现大好形势。可1966年开始的10年动乱再次使水文地质工作受到了损害，到70年代前期，水文地质工程地质工作逐步有了好转，并组建了基建工程兵水文地质部队，加强了水文地质普查工作。直到1978年12月党的以后，水文地质工程地质事业才走向了健康发展的道路，进入了振兴开拓的新时期。
解放前，在水文地质方面，地质人员最先介入的是城市供水水文地质勘查。上海、北京、天津等大城市由于需要开凿深井取用地下水。地质学家谢家荣，曾在《地理杂志》第二卷第一期上发表过《钟山地质与南京井水供给的关系》一文，这是我国早期的重要水文地质文献之一。同时。西安、兰州等城市也相继完成了部分水文地质调查报告。济南、福建等地完成了泉水水文地质调查等工作。
解放后，中华人民共和国的成立，为水文地质工程地质事业开辟了广阔的前景。1956年3月，地质部召开了第一届全国水文地质工程地质协作会议。50年代的中后期，地质部已在各地区建立了23个水文地质工程地质队，职工已达11000人，包括地质、钻探、化验等各个兵种，并开始应用物探手段。在此期间基本完成了我国主要平原地区1：20万水文地质普查近100×104km2；编制了一些全国性水文地质图件；进行了30多个城市和工业基地的供水水文地质勘探；建立了40多个地下长期观测站；在近1000个矿区开展了水文地质工作，并在北京、山东、河北、福建等省市进行了矿泉水勘察。20世纪60年代前期，由于自然灾害和“”所造成的后果，使我国国民经济陷入严重困难境地，整个地质工作的发展，也同样受到严重影响。地质部门专业队伍经过调整，重新组建了个直属大队，分别承担北京市城市建设、上海地面沉降、长江三峡、湖北丹江口、黄河治理、西南铁路及岩溶研究等方面的任务。但1966年编制出版了黄淮海平原和松辽平原的水文地质图系，是我国第一批正式出版的跨省图系，在编图技术和编图方法等方面，都有所创新。20世纪70年代，我国水文地质在地热、农业水文地质等方面都取得了较大进展。70年代后期，在一些重要城市开展了环境水文地质工作。各省广泛开展区域地下水资源的评价，比较普遍地应用了电子计算机，并推广数值法建立数学模型。工程地质向定量评价方向发展，逐步采用先进的测试技术，在岩、土体特性，区域稳定性的岩体力学研究等方面，初步形成了自己的理论体系和技术系统。物探、遥感及同位素技术在水文地质工程地质工作中得到了初步应用，取得了较好的效果。同期举办了若干次全国性的水文地质工作会议，且国际交流日益增多。
1978年，党的胜利召开，从此我国的水文地质事业发展迈入了一个崭新的时期。至1996年，我国以1/20万为主的区域水文地质普查工作全面完成。据不完全统计，从1978年以来，中国地质学会、中国建筑学会、中国水利学会、中国地理学会等部门，先后组织召开了“地下水资源概念和评价方法”、“全国地下水资源评价学术会议”、“西北干旱地区地下水资源学术讨论会”、“全国水文专业会议”等会议。重点讨论了地下水资源的概念、分类、评价方法、开发利用及其它水文地质问题，并出版了相应的学术会议论文集。基岩山区裂隙水与岩溶水的开发利用，也日益受到重视。在全国性的岩溶水和裂隙水学术会议上，着重讨论了岩溶地区岩溶发育规律，岩溶水和裂隙水的运移机制及其评价方法。在环境地质方面，召开了全国性的环境水文地质经验交流会、水文地球化学学术讨论会、地质灾害研究与防治学术讨论会等。探讨了我国不同地区地下水污染现状、评价方法，地质灾害的成因、特征及防治措施，出版了相应的学术会议论文集。此外，还召开了地下水人工补给、地面沉降学术研讨会。所有这些不仅反映了我国水文地质研究的新方向，同时也可看出水文地质研究已进入一个新的发展阶段。
2.4福建省水文地质学发展现状
福建省的水文地质基础调查资料虽然较全面，但局限于当时的技术方法和条件，调查深度及广度有限，而且随着国民经济与社会发展及人类经济工程活动的不断加强，水文地质条件已发生了较大的变化，新的情况未能及时查清。
环境地质调查资料相当欠缺。环境地质调查评价工作，滞后于国民经济建设和社会发展的需要。如在生态环境保护、城市规划、土地综合利用、土壤改良、地质环境的合理开发利用、地质灾害防治等方面，有的已开展工作、但还很不全面，有的则刚刚起步。
水文地质环境地质调查的技术与思路，基本上仍依托传统思路和技术为主，在跨学科聚集、综合和开发研究，在应用高新技术于调查上，同先进省区相比，存在一些差距。如以往水文地质工作重点放在地下水资源较丰富的地区，以找到多少地下水资源储量为荣，而忽视了贫水地区水文地质调查工作的重要性。
水文地质环境地质调查成果的信息化、网络化、社会化程度低，不能满足政府和社会性公益成果的实用性、时效性需求，改变成果表达形式，改革服务方式并提供社会化服务已是一个重要问题。
3 福建省水文地质学为国民经济发展服务的内容及主要成果
3.1背景材料
3.1.1上世纪60年代及以前完成的全省性水文地质方面的工作主要成果
（1）提交1/20万区域性地质—水文地质综合测量中间报告及普查报告和农田供水水文地质勘察中间报告；
（2）各地市城镇供水、水文地质地质勘查报告（上世纪60年代及以前具体项目的工作）：1960年1月，福建省地质局水文地质工程地质队童永福、程登科《福建省永安宁洋旧城幅综合水文地质测量普查报告书》等10余份城市水文地质测量普查报告。
3.1.2上世纪70年代
（1）1970年～1979年提交《福建省沿海地区1/20万水文地质工程地质调查报告》等；
（2）提交完成了1/20万福州、福安、三沙、浮鹰岛、福清幅、泉州幅、南日岛、厦门、漳州、东山等区域水文地质普查报告；
（3）各地市城镇供水、水文地质地质勘查报告（上世纪70年代具体项目的工作）：1974年1月，福建省地质局水文工程地质队《漳州幅、东山幅1/20万区域地质报告：地貌、第四系地质、水文地质部分》等10余份城市1/20万区域地质报告（包括水文地质调查部分）。
3.1.3上世纪80年代
（1）1980年一1989年，完成1/50万福建省水文地质图、福建省1/50万农业水文地质区划图说明书岛屿水文地质调查项目；
（2）分别完成了福建省多幅1/20万和1/5万区域水文地质工程地质调查报告；
（3）各地市城镇供水、水文地质地质勘查报告：1980年10月，福建省水文工程地质队童永福《福建省水文地质图1/50万》；1980年8月，江西省地质局水文地质大队万益民、邓健如、赵维良等《广昌幅G-50-9 1/20万区域水文地质普查报告》；福建省水文地质工程地质队完成《连城盆地水文地质勘探报告》；福建省第一水文队完成《漳州盆地水文地质勘探报告》；1985年9月，福建省第二水文工程地质队福州综合地质组李文曲、黄宏沣、赵钦铭等完成《福建省福州市福州盆地水文地质勘探报告》等20余份1/20万区域水文地质普查报告，尚有单点供水简报672份。
3.1.4上世纪90年代
（1）1990年一1999年，提交了闽东、闽南沿海缺水地区供水水文地质调查报告；
（2）提交1/2.5万同安县新店埔园—刘五店规划区水文地质工程地质调查报告；
（3）各地市城镇供水、水文地质地质勘查报告：1990年8月，福建省厦门水文地质工程地质公司林恢亮、陈强、郑英才等《福建省同安县新店埔园—刘五店规划区水文地质工程地质调查报告1/2.5万》等近30份水文地质调查报告，尚有单点供水简报495份。
3.1.5 2000年以来地市城镇供水、水文地质地质勘查
三明地区：2000年3月，闽西地质矿产开发公司林昌威、林昭丽、吴开化等《福建省大田县区域水文地质调查报告》；
龙岩地区：2000年8月，福建省水文地质工程地质勘察研究院李文祥、郑艺贞、白振炎《福建省长汀县区域水文地质调查报告》等各地区均有展开；
厦门地质工程勘察院进行厦门地下热水调查。
3.2已进行和正在进行为社会服务方面的专门水文地质工作
福建省主要对地热、矿泉水等资源进行了专项保护和为社会服务工作，并专门发文。如：闽地发[1999]85号《关于委托地（市）、县地矿主管部门对部分地热、矿泉水采矿权进行审批、发证的通知》等。
3.2.1福建省矿泉水水源保护
至2004年统计，福建省经省或原地矿部全国储委评审鉴定和储量审批的饮用天然矿泉水水源地勘探报告235处，批准允许开采资源量（B级或C级）28990m3/d。矿泉水类型主要为偏硅酸型233处，其中偏硅酸锶复合型45处，碳酸偏硅酸型4处，到目前为止尚未发现锂、硒、溴、碘、锌等类型矿泉水。矿泉水点勘探报告211项，其中，单矿泉水点专项的勘探报告209项。
至2008年，我省现同时具有采矿许可证和注册登记证的矿泉水水源有40处，包括福州市6处、莆田市1处、泉州市7处、厦门市7处、漳州市7处、龙岩市3处、三明市4处、南平市2处、宁德市3处；仅有注册登记证的矿泉水水源7处；仅有采矿许可证的矿泉水水源6处。尚有10余处有开采未申报或正在申报等工作。
3.2.2福建省地热水资源保护
地热是一种宝贵的能源矿产，开发利用地热资源首先是从开发温泉起始的，根据志书记载，福建温泉利用已有1000多年历史，进入20世纪70年代以后，福建省开始进入有计划的勘查开发。在此之前仅对温泉点进行零星记载和研究。1971年，福建省水文地质工程地质队开展了南靖汤坑的地热勘探工作。1982年，童永福等编制1：50万福建省地热区划图时，统计各类温泉点190余处（其中包括部分20℃的）。至2000年为止，福建省已查明的地下热水分布共196处。
由于趋利原因，近些年地热工作调查和水源地的勘查有了长足的开展，但进行系统研究的极少。
已在多个领域运用地热资源，如城镇地下热水集中供热、水产养殖与研究、农业利用与研究、温泉医疗保健、地震观测等。
3.3福建省矿区水文地质调查工作
矿区水文地质工作始于上世纪50年代，主要是为矿山开采设计提供水文工程地质依据。如：1960年4月，福建省地质局第一地质大队郭树春完成《福建邵武枫林硫铁矿区水文地质初步普查报告》；1959年3月。1962年3月，福建省地质局第五地质大队五〇七分队提交了《福建省龙岩马坑铁矿地质勘探中间报告》；1971年1月～1976年3月，福建省地质一团三中队提交了《福建省龙岩马坑铁矿详细勘探报告》；1979年12月，冶金工业部冶金地质会战指挥部第五地质勘探桂世芳完成《福建省德化县阳山铁矿西矿段矿床水文地质勘探报告》等，矿山多数已经或正在进行水文地质调查工作。
3.4福建省地下水水源地工作
全省已探明C级地下水可开采资源量1万m3/d以上的水源地有：龙岩盆地岩溶水水源地、连城城郊盆地岩溶水水源地、永安市大湖—虾蛤水源地、长汀盆地岩溶水水源地、东山岛松散岩类孔隙水水源地、平潭岛松散岩类孔隙水水源地。
4 水文地质学发展趋势及预测
对于地下水的区域研究，可以扩展到整个流域或完整水文地质单元来研究。进一步研究典型生态环境区域的地下水动力学特征，如荒漠、岩溶和黄土高原区域地下水运动规律，特别是浅层地下水变化的地表生态效应及深层地下水赋存规律，可为地下水合理利用提供新的途径。并且在已积累大量实际资料基础上，做好对资料的二次开发，编制相应成果，以供生产部门应用。在我国，由于地域面积较大，生态水文学研究也必需实行区际间的配合与协作，同时也必须与国际研究相同步，谋求更大范围内的合作。我国应加强地下水的监测，掌握地下水的动态，在已有监测站网监测的基础上，逐步完善地下水监测技术、方法和新的监测网站的建设，提高全国地下水动态变化监测水平和预测能力。
地下水资源评价方面，在地表水、地下水综合考虑的原则下，按照地下水系统进行评价。
地下水动力学与计算技术方面，要加强基本理论的研究，研究建立在各种复杂条件下的水文地质模型及其相对应的数学模型，研究建立水文地质数据库及相应的储存系统，运用计算机技术进行地下水评价、预测、预报等。
对裂隙介质、岩溶介质中地下水系统数值模拟的关键技术尚未解决，地下水水质模拟的可靠性问题有待深入分析，地下水系统不同模拟方法的结合应用具有更大的价值。
对环境水文地质问题的研究、人工补给的理论和方法的研究、遥感技术、同位素技术的应用、裂隙水和岩溶水的研究以及目前所存在的城市供水不足、地面沉降、海水入浸、水质污染等各种复杂的水文地质问题都是水文地质工作者当前或将来所面临的重要研究课题。
我国矿山研究得较多，油田的水文地质问题仅是泛泛而谈，未深入讨论，还涉及一些关于隧道、高速公路等的工程地质问题；且国内对工程中的水文地质问题和水岩相互作用造成的地质灾害问题研究较少。今后要加强矿山环境问题的研究工作，水文地质专业学者要与采矿人员合作。进行多学科多方法研究；水资源与矿产资源要综合开发利用，例如把水资源作为伴生的矿产资源，建立煤水双资源矿井。在涵养、保护地下水资源方面，需要加强与生态建设相协调的应用基础研究，挖掘潜力，节约用水、探索深层承压地下水如何科学利用，有关地下水形成、运动等基础性问题的科学研究也应成为重要的战略措施。
人类活动对地下水资源的影响亦需要进一步深入探索。土壤水研究理论及检测技术尚需发展，尤其在溶质运移方面的研究欠缺很多。地热的研究基本上都属于区域现状的评价，目前基本无实际创新性成果，如地热弃水回灌技术、沉积盆地地热资源勘探技术、地热资源综合利用技术、热储工程等的研究。其它特殊类型水，如矿泉水、凝结水、微咸水、咸水、卤水等亦需进一步研究。
纵观水文地质学的发展，初期实质上是找水水文地质学，到本世纪70年代，资源成为水文地质学的主要课题，现在与环境生态有关的水文地质问题迅速增多。从某种意义上讲，环境水文地质已成为水文地质学研究的核心课题。
5 福建省水文地质学科发展中存在的问题及研究对策
5.1福建省水文地质学科发展中存在的一些问题
历史的原因，福建省在上世纪90年代后，水文地质学科的发展基本开始处于停滞状态，一方面，供水多依赖于地表水，仅局部地区是地下水为主（如福建龙岩地区），另一方面，国家投入减少，使得水文地质学科的发展研究也没有大的进展。2010年后，国家已经开始重视水文地质学科的发展。
工程引发的地下水问题。如：（1）矿山开采过程因为地下水造成矿山涌水、突水；（2）隧道掘进过程造成问题。龙厦铁路象山隧道；（3）地下水超采引起的地面沉降等。
岩溶塌陷：三明、龙岩等覆盖型岩溶区。
采空塌陷：主要发生于矿山地下开采范围大、持续历史长的区域。
地面沉降：东部沿海港湾河口平原区（福州温泉开采区）。
突发性、季节性特大雨造成地质灾害，地表水和地下水互相沟通、连成一体，水源地成为一项迫切要去解决的问题。
这些问题的出现都会造成人民生命、财产的重大损失，国家也开始进行水文地质学科与相关学科结合的发展。
5.2水文地质学的发展趋势
由主要研究天然状态下的地下水，转向更重视研究人类活动影响下的地下水；由局限于饱水带的含水层，扩展到包气带及“隔水层”；由只研究地壳表层地下水，扩展到地球深层的水。
预计今后的水文地质研究，在下列方面将有突破：裂隙水与岩溶水运动机制和计算方法；地下水中污染物和温度运移机制和计算方法；粘性土的渗透机制；包气带水盐运移机制；水文地球化学和同位素水文地质学，地下水数学模型；地球深层水文地质。
5.3福建省水文地质学科发展趋势
近年来，水文地质学科迎来了发展契机。2011年6月1日，中华人民共和国国家环境保护标准《环境影响评价技术导则地下水环境》（HJ610-2011）在全国范围内实施。导则的实施对地下水工作者是一个新的开端，特别是对于一级项目的地下水评价工作有了更高的要求，也使得社会发展环境中开始重视地下水的工作，地下水成为社会发展中环境的一个不可或缺的重要因素。福建省在这个大环境下也从2011年开始进行了多流域、地区项目的地下水评价工作。
随着人民生活水平的提高，社会开始关注和参与地热开发租研究工作。一方面，民间投资者的热情，使得原有地热资源开发利用不断提升；另一方面，当前我国正在努力实现节能减排的工作目标，发展低碳经济。福建省在地热利用、开发已有逾百年的历史，开发利用地热特别是浅层地热资源不仅对于缓解我省能源紧张的形势，对实现节能减排的工作目标将起到积极的推进作用，依靠科技进步，提高地热资源勘查开发利用水平；加强地热资源特别是浅层地热资源的规划工作，同时也能提供福建独特的旅游资源和民生资源。
5.4福建省水文地质学科发展的对策建设
地下水是水资源的组成部分，是生态与环境的重要要素，是我国经济社会发展的重要水源之一。在我省大部特别是沿海平原和海岛地区，地下水在生活饮水、农田灌溉、工业生产、城市发展和维系良好生态与环境方面发挥了重要作用。近年来，一些地区由于过量开采地下水，导致地下水水位持续下降，地下含水层被疏干，引发了地面沉降、海水入侵、土地沙化；一些地区由于废污水过量排放和面源污染的不断加剧，造成地下水水质恶化，地下水资源开发利用中存在的诸多问题已严重危及水资源的可持续利用，对经济社会可持续发展和生态安全构成威胁，加强对地下水资源的管理和保护刻不容缓。
水资源属国家所有，加强水资源的合理分配、管理和保护事关国家经济安全与公共安全。根据地下水的资源与环境属性，经济社会发展以及生态与环境保护对地下水的要求，统筹考虑水资源的合理配置和公共资源的使用和保护准则，合理划分地下水功能区，协调地下水不同使用功能之间的关系，是政府加强公共管理和社会服务的重要体现，是履行《水法》赋予水行政主管部门依法管理地下水资源职责的客观要求。
地下水赋存于地质介质中，具有运动缓慢、补给周期长、循环更新慢、自我修复能力差、地下水系统遭到破坏后难以治理和修复等特点，必须采取严格的措施加以有效保护。以水文地质单元为基础、结合区域地下水主导功能划分地下水功能区，制订开发利用和保护目标及标准，为地下水合理开发、保护、治理与管理提供科学依据，以保障供水安全、生态与环境安全和地下水资源的可持续利用。
针对福建省的上述特点和福建省现状：最好按区域性（1：50万、1：20万、1：5万）、城镇供水（如龙岩市、永安市……）、农业供水（如连城）、工矿供水（洪宽工业区、永安造纸厂……）、专题性研究（如福建省地下水污染调查……）、地下水治理（如航站楼工程降水、铁矿采空区降水）、地方病、地下热水等。将有地下水可作为供水水源地区，以及沿海半岛、岛屿缺水地区，进行多手段、全方位地下水找水的工作；同时应对地下水水源地进行划分，利于不同层级的保护；将地下水作为福建省水源地的应急水源和储备资源。
1999年，福建省地表水资源总量1215.39×108m3，多年平均值为1201×108m3。全省水资源总量1216.11×108m3，约占全国水资源总量的4.2%；人均水资源3665m3，高于全国平均水平，但其空间分配不均。缺水地区主要为沿海岛屿、半岛岬角区及红土台地区。沿海四地市人口和工业产值占全省总量的70%，而水资源只占全省水资源的36%。特别是近年开发港湾岛屿为开发区、投资区，水资源供需矛盾突出。缺水者主要为农灌用水和重点投资开发区用水。这就需要福建省应对沿海半岛、岛屿缺水地区进行多手段、全方位地下水找水的工作。
福建省地貌最大特点是平原分散，分水岭分割面积小，地下水的汇水面积普遍较小。地貌形态受构造控制，分水岭及主干河谷常以北东、北西及北北东方向为主，海岸线总体方向和主要干河呈交叉状分布。这就要求按流域进行系统性水文地质、环境污染等综合调查与研究。同时城市周边1/5万区域水文地质调查较欠缺，应尽快完善该部分的工作。
加强地热资源勘查评价，同时勘查新的地热水源区、评价不同地区地热资源开发利用的适宜性、科学统一管理全省地下热水资源、研究开发新的地热资源形式等，提供一个成熟的技术流程、坚实的科学基础和可靠的工作示范。
5.5今后工作建议
（1）开展县市范围内的主要地下水供水地域调查，以应对极端气象条件下的工程取水目标。
（2）开展地下水分散供水的水文地质条件研究，解决广大分散居住生活工作人员的地下水水源地。
