序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的物理模擬論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。

第1篇

模擬實驗是一種重要的科學(xué)技術(shù)研究方法，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域[1-3]。社會發(fā)展與人類進(jìn)步，迫切要求研究者日益關(guān)注新模擬實驗方法的探討，以發(fā)現(xiàn)越來越復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題的未知特性，更好地揭示其內(nèi)在運行機(jī)制。同時，研究者在科技論文中如何有效展示其模擬實驗方法產(chǎn)生的效果，對提升論文價值，突出研究成果的創(chuàng)新性有重要意義。為此，在論述基本模擬類型的基礎(chǔ)上，以近年來航空航天領(lǐng)域的某些中文科技論文為主要案例，探討模擬實驗方法的最新進(jìn)展特征，提出屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法，為解決更復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題提供新思路。

 

一、模擬的類型

 

1.模擬的基本類型

 

模擬是以科學(xué)技術(shù)理論與實踐為基礎(chǔ)，在一定環(huán)境與條件下，將研究對象用其它手段進(jìn)行模仿的一種實驗方法。該方法不直接涉及研究對象固有的現(xiàn)象與過程本身，而是設(shè)計一個和該現(xiàn)象與過程相似的模型，并通過該模型間接地呈現(xiàn)出該現(xiàn)象與過程。模擬實驗的目的主要是便于經(jīng)濟(jì)地檢驗、驗證、再現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)或揭示該現(xiàn)象與過程的特征、演變規(guī)律與內(nèi)在機(jī)制。

 

模擬的基本類型有物理模擬與計算機(jī)模擬。

 

物理模擬是制作和某現(xiàn)象與過程相似的物理模型，并對該模型研究，獲取該現(xiàn)象與過程的特征。

 

計算機(jī)模擬是利用計算機(jī)對某現(xiàn)象與過程進(jìn)行求解、分析、判斷以及圖像顯示等，得出該現(xiàn)象與過程的特征。計算機(jī)模擬有模型模擬和統(tǒng)計模擬兩種基本方法。

 

2.模擬實驗方法的進(jìn)展特征

 

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對許多航空航天系統(tǒng)有越來越嚴(yán)格的性能要求[4-7]。為探索性能的未知特性，實時評估與預(yù)測性能退化軌跡，科學(xué)技術(shù)研究已經(jīng)從靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)、從線性發(fā)展到非線性、從確定性參數(shù)發(fā)展到不確定性參數(shù)、從不變性函數(shù)發(fā)展到多變性函數(shù)。面對這些新問題，現(xiàn)有研究所采用的模擬實驗方法取得了許多進(jìn)展。

 

以近年來航空航天技術(shù)領(lǐng)域的某些中文科技論文為案例，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，模擬實驗方法的最新進(jìn)展以依賴問題的屬性信息和現(xiàn)場信息為特征，旨在求解動態(tài)、非線性、不確定性與多變性等復(fù)雜問題，根據(jù)對問題信息的依賴特征，將現(xiàn)有的模擬實驗方法歸納為屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法。

 

二、屬性依賴法

 

屬性依賴法是基于屬性、目標(biāo)屬性與層次屬性等3個信息要素的模擬實驗方法。

 

屬性是問題的抽象刻畫，表示問題的性質(zhì)與關(guān)系。性質(zhì)表示問題的固有特征，關(guān)系表示不同問題之間的性質(zhì)傳承與影響。

 

目標(biāo)屬性是期望得到的對問題屬性的某種解答或認(rèn)知。

 

層次屬性是目標(biāo)屬性的分解，即將目標(biāo)屬性分解為若干個子屬性。若子屬性彼此獨立，則稱為同層次子屬性;否則稱為非同層次子屬性。層次按從低到高的順序分為多層，目標(biāo)屬性依賴于最高層子屬性，最高層子屬性依賴于次高層子屬性，依次類推，直到最低層子屬性。

 

根據(jù)目標(biāo)屬性的不同，屬性依賴法又細(xì)分為同步進(jìn)化法與層次進(jìn)化法。

 

1.同步進(jìn)化法

 

同步進(jìn)化法是將問題分解成低一層次的多個彼此獨立的子問題，用基本模擬方法逐個解決各子問題，最后融合出結(jié)果。這是一種化整為零、逐個擊破、同步進(jìn)化的方法。具體做法是，若目標(biāo)屬性是由多個低一層次的獨立子屬性綜合構(gòu)成，則可以根據(jù)各獨立子屬性的特征，進(jìn)行子屬性模擬，然后推斷各子屬性的模擬結(jié)果，使各子屬性由低層次同步進(jìn)化至高層次，獲得目標(biāo)屬性特征。

 

例如，揭示航空發(fā)動機(jī)非線性動力學(xué)特征是相關(guān)領(lǐng)域的一個重要問題。為此，文獻(xiàn)[7]綜合現(xiàn)有方法的優(yōu)點，提出一種振動耦合動力學(xué)模型，計算出系統(tǒng)非線性響應(yīng)，并在兩個航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子模擬裝置上進(jìn)行模態(tài)實驗，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實驗結(jié)果有很好的吻合性。

 

在這個案例中，非線性響應(yīng)特征問題被分解為2個同層次的子問題，即理論建模計算與模態(tài)實驗，2個子問題解答的融合是將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。可以看出，解決這2個子問題的實驗?zāi)M方法分別是物理模擬和計算機(jī)模型模擬，經(jīng)過對2種模擬結(jié)果的對比檢驗，最終推斷出航空發(fā)動機(jī)非線性響應(yīng)的某些特征，為探索航空發(fā)動機(jī)非線性動力學(xué)特征提供了新思路。

 

2.層次進(jìn)化法

 

層次進(jìn)化法是將問題按屬性層次由低到高地分解成多個前后有聯(lián)系的子問題，用基本模擬方法逐步解決各子問題，最后直接得到結(jié)果。該方法的特點是化整為零、逐步擊破、依次進(jìn)化。具體做法是，若目標(biāo)屬性可以分解為多個彼此低一層次的關(guān)聯(lián)子屬性，則可以根據(jù)各子屬性的特征，按照設(shè)計好的步驟，依次進(jìn)行子屬性模擬，逐步使屬性由低層次向高層次進(jìn)化，逼近目標(biāo)屬性特征。

 

例如，航空發(fā)動機(jī)的故障診斷技術(shù)對發(fā)動機(jī)性能的可靠性、維護(hù)性和保障性有重要影響。但是，現(xiàn)有研究主要關(guān)注故障診斷算法的有效性，尚未有效驗證故障檢測率、定位率與虛警率等指標(biāo)，從而無法定量評價故障診斷系統(tǒng)性能。這里的問題是如何定量評價故障診斷系統(tǒng)性能?

 

為此，文獻(xiàn)[4]將問題分解為混合卡爾曼濾波器組故障診斷理論，發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)和故障診斷實驗等3個不同層次的子問題。這3個層次的進(jìn)化關(guān)系為：(1)用計算機(jī)模型模擬方法構(gòu)建混合卡爾曼濾波器組，為發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)奠定理論模型基礎(chǔ);(2)基于理論模型，針對民用渦扇發(fā)動機(jī)常見的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)，為故障診斷實驗奠定基礎(chǔ);(3)基于故障診斷系統(tǒng)，用統(tǒng)計模擬法評價出發(fā)動機(jī)故障診斷系統(tǒng)性能的定量指標(biāo)值。

 

在該案例中，依次解決3個子問題的實驗?zāi)M方法分別是計算機(jī)模型模擬、物理模型模擬和統(tǒng)計模擬，最終目標(biāo)是實現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)性能的定量評價，為工程實踐提供了重要依據(jù)。

 

三、現(xiàn)場依賴法

 

現(xiàn)場依賴法是基于時間序列和參數(shù)序列的模擬實驗方法，時間序列和參數(shù)序列統(tǒng)稱為序列。時間序列是將某現(xiàn)象的某一個指標(biāo)在不同時間上的各個數(shù)值按時間先后順序排列而形成的序列，序列中的信息與時間密切相關(guān)。參數(shù)序列是由某現(xiàn)象的某些特征值構(gòu)成的序列，序列中的信息與時間沒有關(guān)系。

 

現(xiàn)場依賴法是指依賴于問題真實現(xiàn)場信息的一種模擬實驗方法，其特點是，在模擬實驗中有現(xiàn)場的實時信息輸入、輸出與交流，可以及時矯正評估與預(yù)測結(jié)果。按照現(xiàn)場實時信息特征，現(xiàn)場依賴法可以細(xì)分為時間序列依賴法與參數(shù)序列依賴法。

 

1.時間序列依賴法

 

時間序列依賴法是根據(jù)現(xiàn)場實時信息的輸入時間序列來實施輸出序列運行軌跡評估與預(yù)測的一種模擬實驗方法。

 

不確定性的輸入時間序列干擾會導(dǎo)致輸出時間序列運行軌跡發(fā)生未知的非線性與多變性演化，通過將外界的真實或模擬真實的時序干擾輸入模擬實驗系統(tǒng)，獲取輸出時間序列的演化響應(yīng)機(jī)制，及時預(yù)測與矯正其運行軌跡，可以為真實航空航天系統(tǒng)的可靠運行奠定基礎(chǔ)。

 

例如，為揭示大氣阻力導(dǎo)致衛(wèi)星軌道衰減的機(jī)制，文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了模擬實驗系統(tǒng)，將地球扁率與大氣阻力攝動影響作為輸入時間序列，通過模型模擬輸出軌道根數(shù)變化，獲取衛(wèi)星軌道高度衰減結(jié)果即輸出時間序列。其中，依賴的現(xiàn)場實時信息是經(jīng)模擬改進(jìn)的用某衛(wèi)星高精度加速度儀測量得到的大氣密度數(shù)據(jù)。盡管熱層大氣密度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的動態(tài)、非線性、不確定性與多變性時序特征，模擬軌道序列與衛(wèi)星實際軌道序列仍然保持一致，發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星運行軌跡演變的新特性，研究成果具有創(chuàng)新性。

 

2.參數(shù)序列依賴法

 

參數(shù)序列依賴法是根據(jù)現(xiàn)場實時信息的輸入?yún)?shù)序列來實施輸出序列運行軌跡評估與預(yù)測的一種模擬實驗方法。

 

常見參數(shù)有剛度、阻尼、固有頻率、壓力、流量與溫度等，多種參數(shù)的組合構(gòu)成參數(shù)序列。模擬實驗系統(tǒng)的參數(shù)序列取值應(yīng)該與真實系統(tǒng)的參數(shù)序列保持一致，才能可信賴地實施輸出序列運行軌跡評估與預(yù)測。

 

例如，文獻(xiàn)[8]的衛(wèi)星在軌微振動環(huán)境模擬實驗，用物理模擬方法構(gòu)建出低頻彈性支撐裝置，揭示出自由邊界條件對衛(wèi)星動力學(xué)特征的影響機(jī)制，為提高衛(wèi)星在軌微振動地面模擬實驗精度奠定了基礎(chǔ)。其中，依賴的現(xiàn)場實時信息是微振動擾振，輸入?yún)?shù)序列為激振力參數(shù)，輸出序列為模擬衛(wèi)星彈性體的模態(tài)相應(yīng)。

 

四、結(jié) 語

 

基于科學(xué)技術(shù)問題的屬性信息和現(xiàn)場信息特征，提出模擬實驗的屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法，可以解決動態(tài)、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實驗方法的發(fā)展提供新思路。

 

模擬實驗方法歸類為科學(xué)技術(shù)研究方法論，合理運用屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法可以有效地驗證或再現(xiàn)研究對象的表現(xiàn)，揭示其演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)某些未知特性。

 

在科技論文中，將屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法產(chǎn)生的效果充分展示出來，能更好地突出研究成果的創(chuàng)新性。

第2篇

【關(guān)鍵詞】Algodoo；課堂教學(xué)；案例分析；信息技術(shù)與課程整合；物理

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）01-0070-04

2001年頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》中明確提出要全面推進(jìn)素質(zhì)教育；教育部從2003 年啟動了普通高中新課程改革，將技術(shù)課程（包括信息技術(shù)和通用技術(shù)）列為普通高中學(xué)生的的必修課；《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力；《2015地平線報告（初等教育版）》提到，未來1～2年運用STEAM教育推行信息技術(shù)在教育中的整合，提倡混合式學(xué)習(xí)。很多學(xué)校在推行信息技術(shù)與課程整合的過程中，存在教學(xué)資源不足、硬件設(shè)備不完善等問題，大部分選修模塊無法開設(shè)。在這樣的背景下，Algodoo 這一趣味仿真實驗平臺走進(jìn)了我們的視野，為更好地開展通用技術(shù)課程提供了有力的技術(shù)支持。

Algodoo的發(fā)展

1. 國外發(fā)展

Algodoo（譯名“愛樂多”）是一款2D仿真虛擬物理實驗軟件，其英文名稱是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二維物理沙盒”，開發(fā)目的是使物理教學(xué)和研究更直觀有效。Algodoo適用范圍廣，鼓勵學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力，并能夠突破收費和編程知識缺乏等障礙。

以“Algodoo”為關(guān)鍵詞在外文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、谷歌學(xué)術(shù)等平臺檢索，得到的文獻(xiàn)資料大部分為對Algodoo及其他物理仿真實驗軟件的新聞報道類資料，僅有少部分是針對Algodoo進(jìn)行探究的。斯坦福大學(xué)的Tamar等人在第12屆互動設(shè)計與兒童國際會議（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的論文中提出，在利用Algodoo等虛擬建模工具進(jìn)行教學(xué)活動時，學(xué)生參與建模會提高其元表征能力。巴西維多利亞大學(xué)的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設(shè)計了物理的拋體實驗教學(xué)活動，教師引導(dǎo)學(xué)生通過控制角度和速度來觀察小球的運動軌跡，通過模擬實驗讓學(xué)生對平拋有更形象的理解，同時鍛煉其分析歸納能力。Samir L. da Silva還介紹了其團(tuán)隊利用Algodoo進(jìn)行布朗運動實驗的模擬和數(shù)據(jù)計算過程，并提出Algodoo可以作為教師向?qū)W生展示物理實驗的教學(xué)工具，也可以作為高年級學(xué)生分析物理實驗數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)工具。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學(xué)的Bor Gregorcic（2015）利用交互式電子白板設(shè)計課堂活動，通過讓學(xué)生在電子白板上用手操作Algodoo來模擬天體運動。

2. 國內(nèi)發(fā)展

目前，Algodoo在中國大學(xué)以及中小學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用正在起步。淮陰師范學(xué)院的陳樂老師利用Algodoo進(jìn)行了拱橋受力的物理模擬實驗，設(shè)計對照實驗活動，幫助學(xué)生了解拱橋設(shè)計原理。北京師范大學(xué)的韓蔚、項華老師與北京景山學(xué)校的吳俊杰老師將Algodoo軟件應(yīng)用在“數(shù)字科學(xué)家”課程中，以介紹伽利略斜面實驗和天體運動實驗，進(jìn)行了物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的游戲化學(xué)習(xí)設(shè)計。江蘇省海安中學(xué)的黃偉老師（2012）利用Algodoo進(jìn)行小球拋體、數(shù)學(xué)擺線、彈簧運動等物理實驗?zāi)M和數(shù)據(jù)分析。江蘇省南通大學(xué)附屬中學(xué)的沈軍老師將Algodoo應(yīng)用在氣體的模擬實驗中。湖北省武鋼三中的朱廣林老師對Algodoo在物理學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了示例列舉。貴州師范大學(xué)的張覺老師（2015）將Algodoo用于拋體運動的課堂教學(xué)。山東省章丘一中的王清老師利用Algodoo模擬牛頓第二定律和動量守恒定律的實驗，以趣味性的視覺效果展現(xiàn)物理原理。

Algodoo的教學(xué)功能

1. 基本功能

Algodoo軟件界面如圖1所示，主要由場景工具面板、屬性面板、工具面板、工具選項面板、模擬仿真控制面板構(gòu)成。Algodoo可以作為教學(xué)演示工具、建模工具、分析解釋工具、在線交流和反思工具。

Algodoo具有豐富的場景和仿真實驗控制、演示等功能；能夠精確形象地模擬實驗，可以直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，有助于學(xué)習(xí)由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，實現(xiàn)知識的遷移；能夠創(chuàng)建各種物理元件，如固體、液體、齒輪、彈簧、光線與透鏡等；可以設(shè)置其材質(zhì)及相關(guān)參數(shù)，如質(zhì)量、密度、摩擦因素、彈性、折射率等；模擬各元件在重力、摩擦力、彈力、浮力、空氣阻力的作用下相互影響，實現(xiàn)精度很高的物理仿真實驗；Algodoo還可以實時顯示物體運行軌跡、受力和速度等物理特征量，使數(shù)據(jù)分析動態(tài)可視化。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

Algodoo適用于8歲到大學(xué)階段的學(xué)生，基于真實的物理模擬以最有效的方式激勵學(xué)生記住所學(xué)的知識，使枯燥的課程變得有趣且易學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。它的內(nèi)置課程以簡潔的形式表示抽象概念，方便教師教學(xué)，適合專注于STEM的政府機(jī)構(gòu)或教學(xué)組織使用。它主要可應(yīng)用于物理學(xué)科幾何光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等知識的教學(xué)，如可以呈現(xiàn)光通過界面發(fā)生的反射、折射等物理現(xiàn)象，通過設(shè)計來模擬多種受力實驗以及模擬液體分子的布朗運動等。

課堂教學(xué)應(yīng)用案例

1. Algodoo作為教學(xué)技術(shù)與課程整合

將Algodoo應(yīng)用于課堂教學(xué)之中，體現(xiàn)了將信息技術(shù)與課程整合的理念，即信息技術(shù)主要作為一種工具、媒介和方法融入教學(xué)的各個層面中，包括教學(xué)準(zhǔn)備、課堂教學(xué)過程等。目前，各位教師和研究人員都是將Algodoo作為教學(xué)技術(shù)與課程整合起來。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學(xué)的Bor Gregorcic利用交互式電子白板設(shè)計高中物理教學(xué)活動，通過讓學(xué)生在電子白板上動手操作Algodoo來模擬天體運動，從而驗證開普勒定律。

首先，教師根據(jù)開普勒三大定律進(jìn)行實驗設(shè)計，在課前建立太陽系模型并繪制天體運行軌道。在課程的一開始，利用電子白板向?qū)W生展示太陽系模型，引起學(xué)生們的注意和興趣。接下來，教師邀請學(xué)生在電子白板上繪制天體，并輔助學(xué)生設(shè)置天體的參數(shù)（如天體質(zhì)量、速度等），引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行天體的操作，使其能夠圍繞太陽運動。之后，教師繪制多個天體，使其圍繞太陽運動，帶領(lǐng)學(xué)生觀察實驗，幫助學(xué)生利用Algodoo提供的數(shù)據(jù)分析功能，引導(dǎo)學(xué)生討論天體運行的規(guī)律。最后，教師對實驗過程進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合實驗現(xiàn)象歸納開普勒三大定律，進(jìn)行知識點的鞏固。

2. 建構(gòu)主義教學(xué)理論下Algodoo的應(yīng)用

Algodoo在構(gòu)建情境性學(xué)習(xí)方面也有較多的應(yīng)用。陳樂將Algodoo引入主題為“趙州橋”的高中通用技術(shù)課堂，創(chuàng)設(shè)一定的情境，具體實施過程包含以下幾個階段：（1）提出問題。師生共同討論后確定研究的切入點。（2）制作模型。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下設(shè)計方案，并制作仿真模型。（3）歸納解釋。學(xué)生對仿真實驗結(jié)果做出合理的解釋。（4）最后進(jìn)行模型的優(yōu)化改進(jìn)，從中總結(jié)拱橋受力原理。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師一般在教學(xué)之初先講解所要學(xué)習(xí)的概念和原理，而后再讓學(xué)生去做一定的練習(xí)，嘗試著去解答有關(guān)的習(xí)題。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)和做、知識的獲得和知識的應(yīng)用是可以合二為一的，學(xué)習(xí)者可以在“做中學(xué)”，“通過問題解決來學(xué)習(xí)”。探究式學(xué)習(xí)就是學(xué)習(xí)者通過發(fā)現(xiàn)問題和解決問題而建構(gòu)知識的過程，以問題為中心進(jìn)行學(xué)習(xí)是各種探究式學(xué)習(xí)活動的核心思路，有利于幫助學(xué)生提高靈活應(yīng)用知識的能力，形成有效的問題解決和推理策略，并發(fā)展他們的自主學(xué)習(xí)技能。

已有不少教師將Algodoo應(yīng)用于探究式學(xué)習(xí)。例如，巴西維多利亞大學(xué)的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設(shè)計了高中物理的拋體實驗教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生通過控制角度和速度來觀察小球的運動軌跡，使學(xué)生探究并發(fā)現(xiàn)平拋運動的規(guī)律。

Algodoo與其他教學(xué)軟件的對比與借鑒

1. Algodoo與WISE

WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美國國家教學(xué)基金會的資助下主持的“知識整合環(huán)境”研究計劃的主要成果。WISE的整個平臺建設(shè)得很完善，按照用戶角色的不同而有不同的功能模塊。表1是Algodoo與WISE的比較分析。

2. Algodoo與幾何畫板

幾何畫板是適用于數(shù)學(xué)、平面幾何、物理的矢量分析、作圖的動態(tài)幾何工具?？傮w來說，幾何畫板在我國的使用范圍要比Algodoo廣，經(jīng)過分析得出了以下三個可能的原因：（1）教育部門的大力推廣，幾何畫板是全國中小學(xué)計算機(jī)教育研究中心推廣使用的軟件之一；（2）幾何畫板比Algodoo操作更加簡單，不會給廣大的教育工作者造成較大的負(fù)擔(dān)；（3）在當(dāng)前應(yīng)試教育體制下，數(shù)學(xué)作為一門主要學(xué)科，受學(xué)校和教師重視的程度較高。表2是Algodoo與幾何畫板的比較。

3. Algodoo與Scratch

Scratch是由麻省理工學(xué)院（MIT） 設(shè)計開發(fā)的一款面向少年的簡易編程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在國內(nèi)尚未廣泛流行的原因有以下幾點：（1）操作難度高：Algodoo元件有不同的屬性和參數(shù)，需要設(shè)置才能夠?qū)崿F(xiàn)模擬實驗，而Scratch元件設(shè)置簡單，重在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力；（2）應(yīng)用領(lǐng)域窄：Algodoo主要適用于物理領(lǐng)域，而Scratch則因具有豐富的多媒體功能和便利的操作而適用于數(shù)學(xué)、音樂、藝術(shù)等多個領(lǐng)域；（3）教學(xué)活動設(shè)計難度高：Algodoo應(yīng)用于教學(xué)活動中，需要教師進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，在設(shè)計教學(xué)活動尤其是情境創(chuàng)設(shè)這類活動時難度較大，而Scratch則可以設(shè)計有趣的小故事引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行參與，通過豐富簡單的功能實現(xiàn)有趣的效果。

小 結(jié)

1. Algodoo的優(yōu)勢

第一，實驗?zāi)M促進(jìn)高效教學(xué)。 Algodoo可以對物理、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行實驗的模擬，在熟悉軟件使用后，可以為教師節(jié)約實驗準(zhǔn)備的時間，將更多時間投入到教學(xué)活動設(shè)計中。

第二，動手搭建培養(yǎng)學(xué)生探索能力。Algodoo中的虛擬實驗環(huán)境可以由學(xué)生自己來搭建、改進(jìn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和探索能力。

第三，能夠激發(fā)學(xué)生對實驗操作和知識探究的興趣。Algodoo無論是界面還是功能設(shè)計，都能夠激發(fā)學(xué)生對實驗操作和持續(xù)進(jìn)行知識的興趣，能夠有效地提高課堂效率，同時把課堂延伸到學(xué)生的課余時間。

2. Algodoo的局限

一是技能要求較高。Algodoo雖然包含豐富的功能，但對大部分物理教師而言，設(shè)計出符合物理實驗要求的仿真實驗，需要一定的操作能力。

二是教學(xué)活動設(shè)計難度高。在設(shè)計教學(xué)活動時，需要綜合考慮Algodoo在教學(xué)中的應(yīng)用，不能只把其作為實驗演示工具，還應(yīng)作為合作建模工具，讓學(xué)生參與實驗?zāi)Ｐ偷拇罱ā?/p>

三是國內(nèi)缺乏討論和共享的平臺。國內(nèi)受限于語言、網(wǎng)絡(luò)等因素，無法充分利用國外這一社區(qū)平臺，同時又缺乏國內(nèi)的社區(qū)平臺。

第3篇

關(guān)鍵詞：數(shù)字化信息系統(tǒng)；中學(xué)物理實驗；創(chuàng)新實驗

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）10-0028-7

1 研究背景

近年來，信息技術(shù)已滲透到了各個領(lǐng)域，用“傳感器采集、計算機(jī)處理”數(shù)據(jù)的實驗方式，不僅迫切而且有實施的可能。由上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心按照《課程標(biāo)準(zhǔn)》和教材要求研發(fā)設(shè)計的DISLab是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)組合起來，共同完成對物理量測量的裝置，集物理測量、自動控制、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示于一體的綜合性實驗平臺[1]；該系統(tǒng)能實時測量和動態(tài)顯示實驗數(shù)據(jù)，具有小型、簡便、快捷等特點；該系統(tǒng)通過計算機(jī)處理實驗數(shù)據(jù)，借助圖表、圖線等的具體分析，解決了數(shù)據(jù)分析和處理的難題。此外，該系統(tǒng)又填補了實驗過程的空缺，具有很大的發(fā)展前景。DISLab實驗系統(tǒng)本身作為新生的實驗平臺，具有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景，也是物理實驗創(chuàng)新的首選。

DISLab是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗課程整合的重要載體?；趥鞲衅鞯挠嬎銠C(jī)實時數(shù)據(jù)采集和基于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計算機(jī)建模和圖像分析等技術(shù)是DISLab兩大技術(shù)支撐，也是實驗面向信息化，提升檔次的途徑之一[2]。筆者查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實踐總結(jié)了其四大特點，即數(shù)據(jù)采集“智能化”、數(shù)據(jù)處理“智能化”、實驗設(shè)計“重點化”和實驗過程“可視化”[3]。

2 實驗設(shè)計背景

2.1 驗證性實驗介紹

驗證性實驗“是在學(xué)習(xí)物理規(guī)律之后進(jìn)行的，其目的在于驗證物理規(guī)律的正確性，鞏固和加深對物理規(guī)律的理解”。在驗證性實驗過程中，思維比較聚合，實驗中需要測量的物理量可以直接從驗證的結(jié)論中獲得，指向性比較清楚。因此，這類實驗關(guān)鍵在于物理量的測量，從測量數(shù)據(jù)的分析中驗證結(jié)論，認(rèn)識物理規(guī)律。

在物理教學(xué)中，驗證性實驗對學(xué)生認(rèn)識物理規(guī)律、理解物理知識起到了重要的作用。但是，很多傳統(tǒng)驗證性實驗存在不足，一些物理信號（如：聲音信號、電磁信號）是無法看到的，學(xué)生很難在頭腦中形成清晰的物理圖景。而DISLab能在計算機(jī)上呈現(xiàn)出各種信號，便于學(xué)生理解。

本文利用DISLab系統(tǒng)，為“惠斯通電橋平衡條件”實驗提供了創(chuàng)新實驗思路?；菟雇姌蛴址Q單臂電橋（如圖1），是一種用比較法測電阻的精密儀器。當(dāng)電路滿足電橋平衡條件，電橋達(dá)到平衡時，通過電橋的電流為零。利用惠斯通電橋的平衡條件能方便準(zhǔn)確地測量電阻，這是高中物理電學(xué)教學(xué)中一個很有用的知識點。然而，學(xué)生對電橋平衡的理解總停留在理論分析層面，缺乏感性體驗。另外，由于傳統(tǒng)實驗儀器的測量精度不夠，也為本平衡條件的驗證增添了障礙。

2.2 探索性實驗介紹

探索性實驗“是為探尋物理性質(zhì)及規(guī)律進(jìn)行的，以發(fā)現(xiàn)和解決問題為核心，其目的在于建立物理概念及規(guī)律，理解和掌握物理知識，并培養(yǎng)學(xué)生的能力和學(xué)習(xí)方法”。在探索性實驗過程中，思維比較發(fā)散，實驗設(shè)計和實驗方案都需要實驗者自主進(jìn)行，突出自主性[4]。這類實驗更加注重實驗設(shè)計和實驗過程。

探索性實驗是新課改著重提出需要加強(qiáng)的一類實驗，卻在中學(xué)物理課堂極少出現(xiàn)，許多教師認(rèn)為其探究過程復(fù)雜，浪費課堂時間。由于DISLab的引入，能夠快速呈現(xiàn)物理過程，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，使得中學(xué)物理課堂可以更容易實現(xiàn)實驗探究。

在DISLab的基礎(chǔ)上，更多的實驗可以實現(xiàn)數(shù)字化定量研究，即數(shù)字化應(yīng)用。

力矩平衡以其廣泛的實用性，在物理知識體系中占據(jù)很大的分量，力矩平衡條件的應(yīng)用在中學(xué)教學(xué)中也很重要。然而，學(xué)生理解處于力矩平衡的剛體時，多數(shù)只能從力的合成與分解入手，簡單地理解為力的平衡，例如：二力平衡，三力平衡。而對力矩平衡的理解較難，對力矩平衡條件的理解，也停留在定態(tài)的思維中。同時，關(guān)于力矩平衡時剛體不同處支持力會發(fā)生變化也是一個高中物理拓展教學(xué)的內(nèi)容。由于支持力的變化很難用測力計顯示，又因該知識點原本是一教學(xué)難點，因此，學(xué)生在理解上存在困難。

2.3 趣味性物理介紹

物理來源于生活又高于生活，它是一種從生活中抽象出來的理論，與生活息息相關(guān)。從生活中，我們可以找到許多物理知識[5]。從生活這一角度出發(fā)，增添了物理現(xiàn)象的趣味性，加深了對物理知識的理解及物理規(guī)律的掌握；物理知識存在于我們生活的方方面面，生活化的物理為其自身增添了普適性。

生活中的物理有其自身特點，即物理知識內(nèi)容大部分比較簡單，但物理模型過于生活化，不易應(yīng)用。因此，抽象模型和測量數(shù)據(jù)成了這類實驗的共同點。采用物理模擬原理抽象模型之后，將DISLab用于數(shù)據(jù)測量，一方面解決了測量上的難題，同時提高了測量精度；另一方面由于容易獲得大量數(shù)據(jù)，通過對多組數(shù)據(jù)的分析處理，增加了實驗結(jié)果的可信程度。

生活知識是物理的基礎(chǔ)，同時也是物理實驗的來源。靜脈輸液是常見的醫(yī)療手段，與我們的生活息息相關(guān)。除卻專業(yè)的醫(yī)療知識外，其中也包含了很多物理知識，例如：大氣壓強(qiáng)的知識，液體壓強(qiáng)的物理原理以及為氣體的量化研究和化學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)的波意耳定律。

在高三物理習(xí)題中，也有這樣一個聯(lián)系生活的實際問題，即雙瓶連續(xù)輸液問題：思考輸液過程中兩瓶中的藥液如何變化，哪一瓶藥液先輸完？并說明理由。對此問題的傳統(tǒng)教法只停留在定性的理論分析上，學(xué)生理解時總存在一定困難。

3 實驗設(shè)計展示

3.1 物理規(guī)律，驗證性實驗：惠斯通電橋平衡條件

本實驗主要結(jié)合“物理轉(zhuǎn)化原理”的設(shè)計思想[6]，通過測量電橋橋臂部分電壓和橋上電流，驗證電橋平衡條件。實驗在原有實驗電路上稍加改動，即將部分橋臂上的電阻以滑動變阻器代替。從驗證惠斯通平衡條件入手，幫助學(xué)生理解規(guī)律。

[實驗?zāi)康腯

利用DISLab驗證惠斯通電橋平衡條件，強(qiáng)化對物理規(guī)律的認(rèn)識。

[實驗原理]

在圖2所示的電橋中，有電橋平衡條件，R1：R2=R3：R4，UCD=0，則C、D電勢相等（D為滑片），C、D間無電流通過。

[實驗器材]

電壓傳感器2個，電流傳感器1個，數(shù)據(jù)采集器，計算機(jī)，變阻箱2個（定值電阻10 Ω、15 Ω各1個），0～20 Ω滑動變阻器，學(xué)生電源（電池組），開關(guān)，導(dǎo)線等。

[實驗裝置]

如圖2所示，將兩個變阻箱與滑動變阻器連成電橋，調(diào)節(jié)R1=10 Ω，R2=15 Ω；在C點與滑片D間接入電流傳感器，在電阻R1和電阻D、A兩端分別接入電壓傳感器測量UAC和UAD。

[實驗過程]

（1）按照實驗裝置圖，連接實物圖，如圖3。

（2）將電壓傳感器與電流傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，連接至計算機(jī)。

（3）啟動DISLab，點擊“通用軟件”，打開實驗設(shè)置，分別設(shè)置電壓和電流傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。

（4）傳感器調(diào)零，打開學(xué)生電源，將電壓調(diào)為6 V；閉合開關(guān)，點擊“開始”，傳感器開始采集數(shù)據(jù)。

（5）將滑動變阻器滑片D自右向左緩慢移動至左端，同時得到“電壓-時間”“電流-時間”圖線，停止程序運行并保存實驗數(shù)據(jù)圖線。

[數(shù)據(jù)分析]

（1）如圖4，滑片D在右端時，UAC=4.32 V，UAD=4.40 V，I=0.33 A；即UCD=0.08 V，因UC>UD，故橋上有電流0.33 A，且電流從C流向D。

（2）當(dāng)滑片D緩慢向左移動時，UAC 和UAD均逐漸減小，而UC>UD，但兩者逐漸接近，即UCD逐漸變小，橋上電流隨之減小，且方向從C流向D。

（3）當(dāng)滑片D移動至某一位置時，UAC=UAD=2.30 V，I=0.00 A。即UCD=0，此時電橋上電流為零，電橋平衡。

（4）當(dāng)滑片D再緩慢向左移動時，UAC 和UAD 均逐漸減小，而UC

（5）當(dāng)滑片D在左端時，UAC=0.40 V，UAD=0.32 V，I=0.30 A；即UCD=-0.08 V，因UC

[理論推導(dǎo)]

當(dāng)UAC=UAD=2.30 V、I=0時，

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，

得電橋電阻平衡條件，

即R1：R2=R3：R4。

[實驗結(jié)論]

通過實驗驗證，當(dāng)電橋平衡時，電橋兩端電勢相等，橋上電流I=0。即R1：R2=R3：R4為電橋平衡條件。

[實驗小結(jié)]

（1）體現(xiàn)“物理轉(zhuǎn)化原理”的設(shè)計思想――電橋狀態(tài)的改變，伴隨著電壓與電流的變化，通過對部分橋臂電壓和橋上電流的測量，分析電橋的狀態(tài)。

（2）改進(jìn)實驗電路的設(shè)計創(chuàng)新――在傳統(tǒng)實驗電路基礎(chǔ)上，將部分橋臂以滑動變阻器代替，實現(xiàn)電橋從不平衡到平衡之間的動態(tài)過程。

（3）結(jié)合DISLab實驗系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新――電橋從不平衡到平衡之間的動態(tài)變化過程，因DISLab實驗系統(tǒng)的引入，實現(xiàn)了數(shù)字化的實時動態(tài)顯示及測量。外加上簡便的理論推導(dǎo)，使學(xué)生在感性體驗與理性分析兩方面均有收獲。

3.2 物理教材，探索性實驗：平衡剛體的支持力探究

本實驗主要結(jié)合“物理轉(zhuǎn)換原理”的設(shè)計思想[6]，當(dāng)剛體處于不同的力矩平衡狀態(tài)時，其支持力也會發(fā)生變化?，F(xiàn)利用力傳感器設(shè)計實驗來定量顯示支持力的大小，探究力矩平衡時剛體不同處支持力的變化，通過實時測量和動態(tài)顯示，加深對力矩平衡條件的理解，填補教學(xué)中的實驗空白。

[實驗?zāi)康腯

探究剛體平衡時不同處所受支持力的變化，加深力矩平衡條件的理解。

[實驗原理]

剛體平衡時，外力的合力矩為零，即ΣM=0。

[實驗器材]

力傳感器3個，數(shù)據(jù)采集器，計算機(jī)，方木塊，鐵架臺（鐵夾）金屬桿。

[實驗裝置]

如圖5所示，在鐵架臺上用鐵夾將金屬桿固定在水平位置。將兩個力傳感器倒置在金屬桿上，測力鉤豎直向上并在同一水平位置。將長方體木塊對稱地放在兩測力鉤上，木塊保持豎直，背面輕輕靠近鐵架臺桿但無擠壓。在木塊上方套一根細(xì)繩，方便力傳感器施加水平拉力。

[實驗過程]

（1）按照實驗裝置圖，組裝實驗儀器。

（2）將力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計算機(jī)。

（3）啟動DISLab，點擊“通用軟件”，打開實驗設(shè)置，設(shè)置力傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。

（4）點擊“開始”，兩個力傳感器采集所受木塊的壓力值；仔細(xì)調(diào)節(jié)木塊的位置，使圖中左右兩力傳感器的壓力F1和F2的示數(shù)盡可能相等，完成后停止程序運行。

（5）點擊“開始”，讓兩個力傳感器測定支持力約10 s，然后用第三個力傳感器測鉤鉤住木塊上的細(xì)繩，給木塊施加一水平向右的拉力F3；改變拉力的大小，觀察兩個力傳感器的示數(shù)變化，停止程序運行，同時保存拉力、壓力-時間圖線。

[數(shù)據(jù)分析]

如圖6所示。

（1）F3=0，未施加水平拉力時，力傳感器測的壓力分別為F1=2.61 N，F(xiàn)2=2.69 N。

（2）F3增大，當(dāng)水平拉力逐漸增大時，左側(cè)力傳感器的示數(shù)F1逐漸減小，而右側(cè)力傳感器的示數(shù)F2逐漸增大，如圖7。且任一時刻兩個力傳感器壓力示數(shù)之和為定值，如圖7。

（3）實驗過程中木塊始終處于力矩平衡狀態(tài)，即M=M。

其理論推導(dǎo)如下：如圖8，設(shè)右側(cè)力傳感器測力鉤與木塊接觸點為轉(zhuǎn)動軸，兩個力傳感器測鉤間的距離為L，右側(cè)細(xì)繩離木塊底部的高度為h，則有：

實驗結(jié)論：對于任一確定的水平拉力F3，在上述理論推導(dǎo)中，通過測量具體的h、L值，由（3）式可以求得F1、F2的對應(yīng)理論值。當(dāng)水平拉力變化時，剛體不同處所受彈力是變化的，變化過程則由實驗圖線得以清晰地實時顯示，如圖6。

[實驗小結(jié)]

（1）轉(zhuǎn)換實驗測量的操作創(chuàng)新――本實驗將剛體用兩個傳感器支撐，使得剛體所受支持力能被方便測量，從而達(dá)到探究剛體平衡條件下不同處所受支持力的目的。同時，將剛體所受外力（摩擦力、重力、桌面的支持力）的力矩關(guān)系，合理地轉(zhuǎn)換為剛體的重力和支持力（兩個）的力矩關(guān)系，因摩擦力力矩為零。

（2）結(jié)合DISLab實驗系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新――力傳感器的使用，可以及時測量得到兩支持力隨拉力發(fā)生變化，準(zhǔn)確地揭示不同處彈力的變化規(guī)律，結(jié)合理論推導(dǎo)，強(qiáng)化剛體平衡和力矩平衡的概念。同時，本實驗為高中力矩平衡時剛體不同處支持力的變化的教學(xué)提供了一個全新的實驗支持。

（3）提供創(chuàng)新多元化的設(shè)計思路――在這一類實驗設(shè)計中，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在實驗設(shè)計上，對于處于力矩平衡的剛體，除了可以測量支持力，還可以測量拉力、摩擦力、電磁力等。該思路可運用到其他實驗中。

3.3 聯(lián)系生活，趣味性實驗：輸液中的物理知識解析

本實驗主要結(jié)合“物理模擬原理”的設(shè)計思想，合理模擬靜脈輸液，利用壓強(qiáng)傳感器，實時測量和動態(tài)顯示瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)，從而認(rèn)識其中蘊含的物理知識。

[實驗?zāi)康腯

利用DISLab測量模擬雙瓶連續(xù)輸液裝置中兩瓶內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，定量揭示輸液中的物理知識。

[實驗原理]

當(dāng)溫度一定時，氣體的壓強(qiáng)與氣體體積及氣體質(zhì)量有關(guān)，即PV=C（T恒定）。

[實驗器材]

壓強(qiáng)傳感器2個，數(shù)據(jù)采集器，計算機(jī)，自制模擬連續(xù)輸液裝置等。

[實驗裝置]

本裝置可以分別模擬單瓶輸液與雙瓶連續(xù)輸液，如圖9所示。自制模擬雙瓶連續(xù)輸液裝置如圖10所示，由上下兩端均開一個圓孔的兩個塑料瓶組成，塑料瓶固定在鐵架臺上，右瓶為輸液主瓶，左瓶為輸液副瓶。瓶上端孔用橡皮塞塞緊，橡皮塞中的膠管與壓強(qiáng)傳感器相連；瓶下端孔也用橡皮塞塞緊。如圖9主瓶下端橡皮塞中插入一根醫(yī)用輸液管a（管中有觀察液滴的小窗口及控制輸液速度的小壓輪），其下端置于相當(dāng)于人體靜脈的燒杯中；兩橡皮塞中由一根膠管b將雙瓶藥液連通，副瓶下端孔橡皮塞中插一細(xì)管c（截面略小于b管），c開口向上與大氣相通。主、副瓶中裝入大半瓶的紅色水代表藥液。

[實驗過程]

（1）按照實驗裝置圖，組裝實驗儀器。

（2）將兩個壓強(qiáng)傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計算機(jī)。

（3）啟動DISLab，點擊“通用軟件”，打開實驗設(shè)置，設(shè)置壓強(qiáng)傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。

（4）模擬單瓶輸液實驗：

①將插在副瓶下端孔橡皮塞中的b管拔出、開口向上置于大氣中，由主瓶單獨模擬單瓶輸液實驗。

②將a管用小壓輪壓住，用夾子K夾住b管；在主瓶中裝入模擬藥液的紅色水，并將主瓶上端孔用連著膠管和壓強(qiáng)傳感器的橡皮塞塞緊。

③點擊“開始”，壓強(qiáng)傳感器測量輸液前瓶內(nèi)的氣體壓強(qiáng)。

④旋松a管小壓輪，通過a管滴液小窗口觀察到主瓶藥液快速流出，同時記錄瓶內(nèi)藥液上方的氣體壓強(qiáng)。

⑤當(dāng)壓強(qiáng)變化到一定值時，輸液基本停止；松開b管夾子K，使進(jìn)氣管與大氣相通，通過a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時記錄瓶內(nèi)藥液上方氣體壓強(qiáng)的變化。

⑥一段時間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強(qiáng)-時間”圖線；見圖11。

（5）模擬雙瓶連續(xù)輸液實驗：

①讓b管恢復(fù)連接主副兩瓶，c管開口向上置于大氣中，由主副兩瓶共同模擬雙瓶連續(xù)輸液實驗。

②將a管用小壓輪壓住，用夾子K1、K2分別將副瓶下端孔橡皮塞中的b管和c管夾??；在主副瓶中裝入模擬藥液的紅色水，并將主副瓶上端孔用連著膠管和壓強(qiáng)傳感器的橡皮塞塞緊。

③旋松a管小壓輪，通過a管滴液小窗口觀察主瓶藥液，開始較快流出后滴速變慢，最后輸液基本停止。

④點擊“開始”，壓強(qiáng)傳感器分別測得兩瓶內(nèi)的氣體壓強(qiáng)；同時松開b管和c管的夾子K1、K2，通過a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時觀察主副瓶內(nèi)液面的變化，并記錄瓶內(nèi)藥液上方氣體壓強(qiáng)。

⑤一段時間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強(qiáng)-時間”圖線；見圖12。

[數(shù)據(jù)分析]

（1）模擬單瓶輸液實驗，由圖11可知：

①模擬輸液前，主瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)P1=101.26 kPa；堵住進(jìn)氣口、旋松小壓輪后，由于瓶內(nèi)藥液減少，使氣體體積變小，氣體壓強(qiáng)變??；一段時間后，系統(tǒng)平衡，藥液基本停止流出，此時氣體壓強(qiáng)P2=99.44 kPa；利用玻意耳定律可計算，氣體體積相對增加量約為1.83%。

②松開b管夾子K1后，b管與大氣相通，瓶外空氣迅速進(jìn)入瓶中，可觀察到大量氣泡從液體內(nèi)冒出；氣體溫度與體積幾乎不變時，因氣體質(zhì)量增大使壓強(qiáng)瞬間增大，藥液重新開始流出；此后以正常速度輸液時，氣體質(zhì)量不斷緩慢增加，液面緩慢下降，在實驗測定短時間內(nèi)氣體壓強(qiáng)保持在P3=100.08 kPa不變。

③P1=101.26 kPa，P3=100.08 kPa；P1與P3之差約為1.18 kPa，相當(dāng)于12.04 cm高水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，實測此時瓶內(nèi)液面與進(jìn)氣管b處液面高度差約為12.0 cm。

（2）模擬雙瓶連續(xù)輸液實驗，由圖12可知：

①b管被夾住時，壓強(qiáng)傳感器1所測主瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)為主瓶已停止輸液、體積增大時的壓強(qiáng)值P1=97.50 kPa；壓強(qiáng)傳感器2所測氣體壓強(qiáng)為副瓶未工作時氣體壓強(qiáng)值P2=101.05 kPa。

②同時松開b管和c管的夾子K1、K2，開始時副瓶氣體壓強(qiáng)大于主瓶，藥液從副瓶流入主瓶，主瓶內(nèi)氣體體積變小、壓強(qiáng)變??；在外界空氣尚未經(jīng)c管進(jìn)入時，副瓶中氣體壓強(qiáng)變小，最小為99.60 kPa；之后外界空氣經(jīng)c管進(jìn)入副瓶，副瓶氣體壓強(qiáng)瞬間增大，而主瓶氣體則因體積繼續(xù)變小，壓強(qiáng)繼續(xù)變大。

③當(dāng)正常輸液時，主瓶內(nèi)液面位置不變，氣體體積不變，壓強(qiáng)不變，氣體壓強(qiáng)為P1'=100.35 kPa；副瓶藥液流入主瓶，液面下降，外界空氣不斷進(jìn)入，在實驗測定時間內(nèi)，氣體壓強(qiáng)為P2'=100.25 kPa不變。

④P1'=100.35 kPa，P2'=100.25 kPa；P1'與P2'之差約為0.10 kPa，相當(dāng)于1.02 cm高水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，實測此時副瓶內(nèi)液面比主瓶內(nèi)液面低約1.0 cm左右。

[實驗結(jié)論]

（1）單瓶輸液時，進(jìn)氣管作用十分重要，藥液輸入人體靜脈時，瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)因體積增大而減??；由于外界空氣通過進(jìn)氣管及時進(jìn)入，使瓶內(nèi)氣體質(zhì)量增加，因而氣體壓強(qiáng)能在相當(dāng)一段時間內(nèi)保持基本不變，從而使輸液正常進(jìn)行。

（2）雙瓶連續(xù)輸液時，主瓶輸出的藥液由副瓶補充，主瓶內(nèi)液面位置不變，氣體體積與壓強(qiáng)均保持不變；副瓶中藥液不斷流向主瓶，外界空氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入副瓶，在一定時間內(nèi)，氣體質(zhì)量增加而保持壓強(qiáng)不變；在整個輸液過程中，待副瓶內(nèi)的藥液全部輸完后主瓶才開始輸液。雙瓶連續(xù)輸液的優(yōu)點在于能自動補充藥液，減輕醫(yī)務(wù)人員的工作量，提高輸液效率。

[實驗小結(jié)]

（1）體現(xiàn)“物理模擬原理”的設(shè)計思想――通過自制模擬連續(xù)輸液裝置，一方面鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力和操作能力，另一方面突顯模型在物理學(xué)習(xí)中的重要地位，而模型化也是物理學(xué)習(xí)的思想之一。

（2）選取氣體壓強(qiáng)作為研究――在輸液過程中，藥液上方氣體壓強(qiáng)值的變化，能夠間接反映裝置的輸液狀態(tài)。結(jié)合實驗觀察，也對學(xué)生從實例中認(rèn)識玻意耳定律，有一個更直觀的感受。

（3）結(jié)合DISLab實驗系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新――首次用DISLab結(jié)合自制模擬連續(xù)輸液裝置，通過單瓶與雙瓶兩次模擬輸液實驗，借助于壓強(qiáng)傳感器精確測定輸液過程中藥液上方氣體壓強(qiáng)值的變化規(guī)律，解決了長期以來的技術(shù)難點，取得理想的實驗效果。

4 結(jié) 語

基于DIS的物理實驗創(chuàng)新，作為數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的整合，其本身就是一種創(chuàng)新。馮容士先生指出：“實驗教學(xué)承載著創(chuàng)新性教育的重任，將實驗教學(xué)中的創(chuàng)新予以歸納，上升到理論和技法的高度，反過來再用以指導(dǎo)實驗的創(chuàng)新，其本質(zhì)是學(xué)生思維品質(zhì)的提升和科研素養(yǎng)的積累。而這正是培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的必需[7]”。這正是其主要特點，即對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以及創(chuàng)新思維的激發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室V6.0用戶手冊[Z].上海：上海市小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心，2007，1.

[2]張公政.傳感器實驗與高中生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[D].武漢：華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3]朱目強(qiáng).數(shù)字化實驗的特點概述[Z].人民教育出版社課程教材研究所“新課程在線”，2008.

[4]陳靈，彭成紅.加強(qiáng)研究性實驗教學(xué)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2010，29（8）：202.

[5]曹志芬.生活中的物理知識――論初中物理教學(xué)[J].新課程?中學(xué)，2015（6）：66―67.

第4篇

【關(guān)鍵詞】計算機(jī)教學(xué)應(yīng)用;模擬仿真實驗;教學(xué)設(shè)計

【中圖分類號】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009―8097(2010)06―0132―03

一 引言

模擬仿真實驗作為計算機(jī)用于教學(xué)的一種基本模式,在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。它既適合于在教師指導(dǎo)下課

堂教學(xué),也適合于學(xué)習(xí)者進(jìn)行探究式自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)。本課題在認(rèn)真研究已有模擬仿真實驗基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)實驗構(gòu)建中的模型創(chuàng)建和教學(xué)設(shè)計存在一些普遍問題,表現(xiàn)在抽象模型,交互性、針對現(xiàn)象反饋和教學(xué)性能方面。我們所開發(fā)的模擬物理實驗系統(tǒng),正確地運用了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論,實現(xiàn)了一個全新的面向?qū)W習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境。

二 模擬仿真實驗

模擬是指在交互控制狀態(tài)下,對某種現(xiàn)象或過程進(jìn)行表現(xiàn)和展示。按照所要表現(xiàn)的現(xiàn)象,可以把模擬分為兩大類四種情況:物理現(xiàn)象和過程變化的模擬;程序性和情形性的模擬。在計算機(jī)輔助真實現(xiàn)象的模擬教學(xué)模式中,物理現(xiàn)象的模擬是將一個真實的現(xiàn)象或過程的某種規(guī)律在屏幕上表現(xiàn)出來,以供學(xué)習(xí)者去學(xué)習(xí)和研究,如表現(xiàn)光線通過透鏡的成像規(guī)律,光線通過棱鏡的傳播等問題。過程變化的模擬,通常是為學(xué)習(xí)者說明解釋一個不會明顯表現(xiàn)出來的過程及難以理解的概念所進(jìn)行的模擬。這兩種模擬一般是不可人為隨意干預(yù)或參與的。第二類情況中,大多數(shù)程序性模擬是為了教授一個構(gòu)成過程的行為或動作順序,它的主要特點是有一個或更多的步驟序列,以供學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)或訓(xùn)練。情形性模擬是在不同的情形下,涉及人的態(tài)度而非技能行為,不像程序性模擬要教一系列規(guī)則,而是展示允許學(xué)習(xí)者針對某種情形探索,用不同方法或扮演不同的角色時,所產(chǎn)生的影響并實時地表現(xiàn)出來。其中物理現(xiàn)象和過程變化的模擬,最常見的一種就是模擬仿真實驗。

三 模擬仿真實驗設(shè)計

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們可以模擬出自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象和過程,并實時地加以顯示。在所建立的模擬實驗教學(xué)情境中,不但能夠?qū)崿F(xiàn)隨時觀察到與實際實驗相同的現(xiàn)象或結(jié)果,還可以清楚地觀察到實驗發(fā)生和現(xiàn)象演變的過程、擴(kuò)大或縮小觀察空間、減慢或加快時間上的控制等,還可在有效的范圍內(nèi)方便地改變某些條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對比實驗,隨時觸發(fā)對當(dāng)前狀態(tài)的說明解釋。將其用于教學(xué)中將極大地引起學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣,大大提高教學(xué)和學(xué)習(xí)過程的效率,使抽象的概念、規(guī)則和原理變得簡單易學(xué)。同時可以做到及時糾正實驗中所犯的錯誤,絕對避免了在實際實驗環(huán)境中可能帶來的可怕后果。

那么,在設(shè)計模擬仿真實驗時,要充分考慮其教學(xué)設(shè)計,以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論作為指導(dǎo),結(jié)合物理現(xiàn)象的特點,建立以計算機(jī)模擬物理實驗和對實驗進(jìn)行分析的學(xué)習(xí)情境。模擬仿真實驗設(shè)計目標(biāo),能夠在交互控制下實現(xiàn)對現(xiàn)象、過程、內(nèi)部機(jī)制和原理等內(nèi)容的展示,易于學(xué)習(xí)者對系統(tǒng)的運動狀態(tài)、變化過程、受外部條件的影響、概率特性和響應(yīng)特性等進(jìn)行觀察思考和分析研究。

1 設(shè)計要求

為了方便教師或?qū)W習(xí)者自身在所創(chuàng)設(shè)的情境中,啟發(fā)、誘導(dǎo)或?qū)W習(xí)者之間通過協(xié)作學(xué)習(xí)的過程,進(jìn)行討論和探究來完成意義建構(gòu),在探索的環(huán)境和氣氛中實現(xiàn)有目的學(xué)習(xí)[2]。設(shè)計要能夠完全反映真實現(xiàn)象的整個過程,包括儀器設(shè)備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象顯示逼真,模擬過程科學(xué)、結(jié)果真實、數(shù)據(jù)可靠等。能夠?qū)嶒灛F(xiàn)象的展示進(jìn)行多次重復(fù),以利于對現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進(jìn)行詳細(xì)深入的探索和研究。能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的模擬仿真,讓學(xué)習(xí)者觀察到實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發(fā)生過程和微觀內(nèi)部機(jī)制,并通過形象的表現(xiàn)揭示其中內(nèi)涵、規(guī)律;實現(xiàn)對某些實驗的人為控制,能夠瞬間觀察感興趣的現(xiàn)象或量值;可以把隱藏在現(xiàn)象背后的實質(zhì)問題突出地展示出來;通過改變實驗條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對照類比等。這對于學(xué)習(xí)者理解抽象的概念、掌握或探索有關(guān)的規(guī)則、定理或定律會起到非常關(guān)鍵的作用。

2 實驗設(shè)計

根據(jù)模擬實驗的特點和教學(xué)性能設(shè)計目標(biāo),可以將實驗的結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計成介紹部分、呈現(xiàn)現(xiàn)象、交互活動、系統(tǒng)修改、系統(tǒng)反饋和結(jié)束。為了便于說明和設(shè)計,這里主要從以下幾個方面討論實驗設(shè)計中所涉及的問題。

(1)實驗說明與幫助

說明包括本專題的教學(xué)意圖、演示項目和教學(xué)建議的總的扼要文字說明、使用與操作指導(dǎo),其作用在于避免學(xué)習(xí)者盲目進(jìn)行操作或?qū)W(xué)習(xí)過程不知所措;幫助應(yīng)實現(xiàn)在線幫助,即在實驗過程中可以隨時激活、瀏覽一個幫助窗口,提醒學(xué)習(xí)者對現(xiàn)象進(jìn)行特別提示和探究引導(dǎo)。例如,在單擺實驗中使用指導(dǎo)提示和教學(xué)建議提示。

(2)基本模型確定

模擬實驗基本模型,是從真實實驗抽象出關(guān)鍵的要素,能夠用計算機(jī)編程實現(xiàn)模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設(shè)計時重點應(yīng)抓住實驗中最本質(zhì)的東西,而把非本質(zhì)的東西盡可能去掉,又不影響反映實驗現(xiàn)象本質(zhì)的真實程度。例如模擬物理實驗系統(tǒng)中在確定單擺實驗?zāi)Ｐ蜁r,只考慮擺長和重力加速度對單擺周期的影響,而忽略空氣阻力的作用;只考慮擺線長度,擺球質(zhì)量及實驗地點的變化,而忽略具體變化擺線長度的調(diào)節(jié)過程,擺球質(zhì)量的稱量過程和實驗地點的轉(zhuǎn)移過程。擺動過程中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)范圍足以表現(xiàn)其運動規(guī)律,擺線長度的變化范圍在35cm-106cm之間(地面上擺的擺長約99.4cm),利用滑塊變化技術(shù)即時調(diào)節(jié)擺長;擺球質(zhì)量有20g、30g、40g、50g幾種。地點有柏林、北京、新加坡、月球等可供選擇。每次變化擺長、質(zhì)量、地點進(jìn)行實驗所得的數(shù)據(jù),完全按照單擺周期公式反映了對周期的影響。真實單擺實驗的擺球運動軌跡是弧形的,其擺動過程是連續(xù)的,而模擬擺動實驗卻是跳躍的、間斷的,但在計算機(jī)程序代碼運行時利用了人的視覺反應(yīng)時間,完全可以較逼真地模擬出連續(xù)的效果[1]。

模型要盡量簡單。模型的構(gòu)造是為了計算機(jī)編程實現(xiàn)上的考慮,對所要模擬的現(xiàn)象應(yīng)從持續(xù)性、分立性和邏輯性方面進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象。持續(xù)性是指在視覺反應(yīng)期間能對模擬現(xiàn)象的連續(xù)變化的描述;分立性是指通過一些分立的量來表現(xiàn)現(xiàn)象的某種規(guī)律或規(guī)則;邏輯性是指對模擬現(xiàn)象表現(xiàn)過程的邏輯方面的考慮。這里的持續(xù)性、分立性和邏輯性,在整個模式構(gòu)造中要既分開獨立找到特有影響因素或相關(guān)量,又要統(tǒng)籌考慮對現(xiàn)象整體效果的影響。在模型中既要考慮模擬現(xiàn)象自身的特性,又要考慮與學(xué)習(xí)者進(jìn)行實驗控制操作有關(guān)的交互性,涉及到的因素有:模擬中的每個對象、每一個物理量;所遵從的規(guī)律規(guī)則;現(xiàn)象的精確性;實現(xiàn)的順序;幾種解決方案;時間幀;學(xué)習(xí)者的角色扮演等。在模型確立過程中,要嚴(yán)格地按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計,同時要注意模擬現(xiàn)象對條件的要求,在何條件下成立,何條件下不成立要明確。如模擬物理實驗系統(tǒng)中,物距與像距是相對透鏡光心而言的,只要物距和像距的調(diào)整范圍能夠表現(xiàn)出成像位置及大小的變化規(guī)律即可,無需由于變化透鏡位置給實驗設(shè)計及測量帶來麻煩和不便?；谶@樣的考慮,要求透鏡固定放在60厘米處,對于焦距是10、15、20厘米來講,物的放置范圍在060厘米之間,物可放在此區(qū)間的任何位置,屏在0110厘米的區(qū)間內(nèi)通過任意移動,來找到清晰成像的位置及觀察像的大小變化,從而表現(xiàn)出物距u、像距v和焦距f間的位置對應(yīng)關(guān)系及物像大小的變化規(guī)律等。設(shè)計時的數(shù)學(xué)抽象既簡單又有效,在現(xiàn)象的表現(xiàn)中既涉及到持續(xù)性、分立性,又涉及到邏輯性。

(3)模型建立步驟

在明確實驗設(shè)計目標(biāo)基礎(chǔ)上,對實驗進(jìn)行認(rèn)真研究,確定主要變量;找出實驗中的各種內(nèi)部聯(lián)系和關(guān)系;確定實驗約束條件;根據(jù)有關(guān)學(xué)科規(guī)定使用符號或代號;簡化和檢查實驗?zāi)Ｐ?看它是否可以表現(xiàn)出真實的實驗現(xiàn)象。

3 實驗現(xiàn)象顯示

把模擬現(xiàn)象真實表現(xiàn)出來,既要考慮讓學(xué)習(xí)者看見的,又要考慮聽見的,同時注意所表現(xiàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的可靠性。在這一階段,首先應(yīng)明確要表現(xiàn)的主題是為了觀察現(xiàn)象,還是為了說明某個概念。一般情況下,物理模擬主題,通常是觀察現(xiàn)象或通過現(xiàn)象總結(jié)出某種規(guī)律。情形性模擬主題,通常要說明某種概念;而程序性和過程模擬通常兩者都包括。其次考慮模擬中項目或儀器的選擇,操作對象,對事件作出的反應(yīng),對現(xiàn)象某種規(guī)律的有效觀察等等。另外應(yīng)考慮模擬表現(xiàn)上的真實性,這就需要充分利用計算機(jī)技術(shù),做到生動、直觀、形象真實。如真實摩擦力實驗中,摩擦力不是直接看到的,而在模擬實驗中卻可顯示任一瞬間摩擦力的大小和方向;在彈簧振子的簡諧振動實驗中,學(xué)習(xí)者可觀察到位移、回復(fù)力、速度、加速度矢量隨振動而周期性變化的情況,并可顯示任一位置的位移、回復(fù)力、速度、加速度的數(shù)值;在自由落體運動實驗中,類似于閃光照相技術(shù),提供了每隔1/30秒在落體瞬時位置打點的方法,直觀展示出在相同時間間隔內(nèi),落體的位移變化情況,同時將數(shù)據(jù)記錄在表格中,以利進(jìn)一步研究和計算;在楞次定律的真實實驗中,磁感線是不能直接觀察到的,但在模擬物理實驗中則根據(jù)需要讓學(xué)習(xí)者生動、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達(dá)到實驗的準(zhǔn)確性,在動畫設(shè)計上應(yīng)采用定時處理,既做到模擬的實驗現(xiàn)象與實際的現(xiàn)象相一致,又做到模擬的過程與實際的過程相一致。同時注意動畫的演示不要因機(jī)器速度的不同而發(fā)生畸變。有些現(xiàn)象專門為其具有教學(xué)性能而展示。

4 交互性設(shè)計

模擬實驗設(shè)計中的交互控制,主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者與模擬事件的交互性作用上,模擬的交互性越強(qiáng),越真實有效,越具吸引力。模擬實驗有別于一般演示實驗,體現(xiàn)在它具有較強(qiáng)的交互性,主要反映在用戶對各種參數(shù)的選擇、設(shè)定和調(diào)節(jié)上或儀器的選用上,實現(xiàn)在有效合理范圍內(nèi)方便地改變參數(shù)或儀器等進(jìn)行對比實驗?？杀憩F(xiàn)在系統(tǒng)中的角度、位置、速度、溫度等幾何和物理參量變化上,也包括選擇物理模型、樣式或樣品、條件等,還應(yīng)包括觀察角度、畫面顯示狀態(tài)、計算步長等等。如模擬物理實驗系統(tǒng)中,在交互性方面體現(xiàn)在:可將物、透鏡和屏拖動至光具座的相應(yīng)位置上,且可對相互位置關(guān)系正確與否作出判斷與提示。物和屏可分別放在各自區(qū)間內(nèi)任意移動,使學(xué)習(xí)者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對應(yīng)關(guān)系與規(guī)律。同時允許學(xué)習(xí)者隨時更換或調(diào)節(jié)透鏡焦距和物的大小,這些教學(xué)性能給教師的講解和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供了更多的可變參數(shù),便于對問題的深入研究探討。

控制功能要靈活方便,設(shè)計時注意參數(shù)的調(diào)節(jié)過程和參數(shù)的顯示,要比較直觀、方便、快捷。交互形式最常用的是鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、光筆和語音等。因為學(xué)習(xí)者的參與主要靠靈活方便的控制來實現(xiàn),通過提供一定的實驗控制或選擇條件,將有利于學(xué)習(xí)者的進(jìn)一步鉆研和知識的拓寬[3]。

5 顯示與反饋

當(dāng)對模擬系統(tǒng)進(jìn)行某種操作后,系統(tǒng)應(yīng)給出相應(yīng)的反饋,這種反饋可以是自然的,也可以是人為的。所謂自然反饋是類似于可能發(fā)生的事,人為反饋是類似于個別指導(dǎo)或練習(xí)模式中給出的相應(yīng)提示或結(jié)論性信息,如對當(dāng)前狀態(tài)的說明解釋。對于前一類情況,應(yīng)能隨時顯示改變參數(shù)后的實驗結(jié)果,即可以實時繪制與顯示。如當(dāng)物距、物大小、透鏡焦距及屏位置中,只要有一個量發(fā)生變化,屏上所接到的光斑或像就隨之變化。另外考慮提供多種顯示方式,如截面、二維或三維表現(xiàn)等;可調(diào)顯示參數(shù),如投影角度、比例、顯示范圍等,體現(xiàn)出顯示的多樣性、可調(diào)性。如模擬物理實驗系統(tǒng)中除了在屏上觀察像外,可隨時激活圖標(biāo)顯示正面畫面,滿足學(xué)習(xí)者從不同角度進(jìn)行觀察。這將有利于學(xué)習(xí)者對同一現(xiàn)象的觀察與思考,能從不同的側(cè)面、角度進(jìn)行全面的觀察與分析比較,經(jīng)過探究而得出結(jié)論。

四 模擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用

對于模擬仿真實驗系統(tǒng),它既適用于教師課堂進(jìn)行教學(xué),也適用于學(xué)習(xí)者自己進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。教師利用這種特定實驗情境,啟發(fā)學(xué)習(xí)者主動探討研究,完全像做實驗一樣歸納和總結(jié)出相關(guān)的規(guī)律。利用情境或在情境中進(jìn)行教學(xué),能夠讓學(xué)習(xí)者參與進(jìn)來,做到教師只是引導(dǎo)者而非講演者,更利于學(xué)習(xí)者主動進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師再也不會感到物理難教,一些原來單純利用黑板和演示不容易講得清楚的東西,現(xiàn)在在模擬實驗中實實在在地動態(tài)顯示出來,便于講解。從學(xué)習(xí)者角度也不會再感到物理難學(xué),原來僅僅靠想象的抽象東西,現(xiàn)在活靈活現(xiàn)地出現(xiàn)在面前,你可以仔細(xì)觀察,反復(fù)實驗,經(jīng)過思考后得出結(jié)論。對學(xué)習(xí)者而言,完全可以獨立或與學(xué)習(xí)伙伴一起進(jìn)行實驗,利用系統(tǒng)關(guān)鍵提示和解釋,實現(xiàn)探究學(xué)習(xí)。因此,利用這樣的模擬實驗開展教學(xué),能夠大大激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲,滿足學(xué)習(xí)者的探索欲,最大限度地發(fā)揮學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用,讓學(xué)習(xí)回歸本體,就是實現(xiàn)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí),不再是“被教會”。

五 結(jié)論

通過結(jié)合作者開發(fā)的模擬物理實驗系統(tǒng)項目設(shè)計與實踐,文章探討了模擬仿真實驗設(shè)計及其教學(xué)設(shè)計的方法,由于不同學(xué)科有其自身的特點,在進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)實際情況進(jìn)行具體處理,但總體目標(biāo)都是要求實現(xiàn)隨時觀察到與實際實驗相同的現(xiàn)象或結(jié)果。歸納為以下幾點:(1)模型構(gòu)建時要簡潔,抓住最基本要素,排除非本質(zhì)的東西。(2)實驗要有很強(qiáng)交互性。(3)模擬過程要清晰、可重復(fù)。(4)模擬的結(jié)果要真實可信。(5)現(xiàn)象呈現(xiàn)時關(guān)鍵幀有說明解釋。(6)有學(xué)習(xí)指導(dǎo)和使用說明。這樣設(shè)計出來的模擬仿真實驗,在教學(xué)上有利于學(xué)習(xí)者的啟發(fā)式、探究式學(xué)習(xí)。隨著計算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步,計算機(jī)用于教育教學(xué),特別是模擬實驗這種教學(xué)模式,必將在教學(xué)和學(xué)習(xí)中發(fā)揮愈來愈大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李云程.探討制約CAI開展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)軟件設(shè)計問題[J].中國電化教育, 2000,(3):40-42.

第5篇

【關(guān)鍵詞】研究性實（試）驗 學(xué)科專業(yè)理論 工程實踐 裝備保障

近年來，青島校區(qū)著力推進(jìn)加速提升學(xué)科專業(yè)建設(shè)活動，在校區(qū)反響強(qiáng)烈，理論深入人心，成績有目共睹。誠然，學(xué)科專業(yè)涉及院校建設(shè)的方方面面，還有許多發(fā)展空間，需要思考和改進(jìn)。主要體現(xiàn)在兩個方面，一是對學(xué)科專業(yè)建設(shè)的定位還有待于完善，學(xué)科專業(yè)建設(shè)是一種實體和制度建設(shè)，這是共識，同時也應(yīng)是一種精神和文化建設(shè)，二者相輔相成，缺一不可；二是對學(xué)科專業(yè)理論水平的認(rèn)定有失偏頗，在任職教育院校教員隊伍中，博士研究生和碩士研究生已達(dá)到較高的比例，理論上講，這樣的學(xué)歷結(jié)構(gòu)使得學(xué)科專業(yè)理論水平已經(jīng)不低，所謂“低”，只是理論的應(yīng)用水平偏低，表現(xiàn)在與裝備保障結(jié)合密切的創(chuàng)新性、前沿性理論匱乏，標(biāo)志性成果偏少或檔次不高等方面。限于篇幅，本文重點討論第二個問題。

一、學(xué)科專業(yè)理論與工程實踐的銜接度是制約加速學(xué)科專業(yè)建設(shè)的瓶頸

學(xué)科專業(yè)建設(shè)是一個長期的過程，學(xué)科專業(yè)理論與工程實踐的銜接也不能一蹴而就。校區(qū)大部分教員是從高等院校直接分配而來，實踐經(jīng)驗不足，對于裝備原理以及使用維護(hù)等了解不多，尤其是近幾年新進(jìn)的博士和碩士教員，由于工作時間較短，雖然有著較深厚的學(xué)科專業(yè)理論功底，了解或掌握本學(xué)科領(lǐng)域前沿，但是這些理論知識卻與實際的裝備保障實踐相脫節(jié)，沒有發(fā)揮出作用，甚至不知道怎么發(fā)揮！

近年來校區(qū)采取了很多積極措施，使大部分教員做到了“三熟悉”，為課堂教學(xué)提供了素材，為基本的科研工作奠定了基礎(chǔ)，但是，“三熟悉”與學(xué)科專業(yè)理論水平，尤其是運用學(xué)科專業(yè)理論去解決裝備保障中的重大問題是兩個層面的問題。

由于設(shè)備型號多，要做到深層次熟悉設(shè)備還需要一個過程。以故障分析任務(wù)為例，教員要分析好一個故障，不但要對設(shè)備操作使用熟練，對故障現(xiàn)象清楚，還要對設(shè)備內(nèi)部電路工作原理甚至某個元器件的功能了如指掌。唯有如此，才能夠?qū)W(xué)科專業(yè)理論嫻熟的運用到分析設(shè)備工作原理中去，根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合理論逐步摸索，分析出故障產(chǎn)生的原因，形成判斷和排除故障的能力?，F(xiàn)實情況是設(shè)備更新和換代快，功能越來越完善，電路結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，集成化程度也越來越高，這就要求教員靜下心來花費較長時間來摸索設(shè)備特點和工作機(jī)理，才能逐步適應(yīng)新裝備保障工作。這也是一個裝備教員掌握裝備保障的一個大體過程，周期較長。

加速提升學(xué)科專業(yè)理論水平，應(yīng)與院校的使命任務(wù)密切相關(guān)，那就是在裝備保障中體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)理論的深度和難度，一方面，校區(qū)有較高學(xué)歷的教員隊伍，他們蓄勢待發(fā)，另一方面，新裝備保障中有許多重大故障問題急需解決。目前看，只有開展研究性實（試）驗才能較好地將兩個方面結(jié)合起來，并達(dá)到加速提升學(xué)科專業(yè)理論水平的效果。

二、研究性實（試）驗是學(xué)科專業(yè)理論與工程實踐相結(jié)合的橋梁

研究性實（試）驗是通過實（試）驗的方法檢驗理論正確與否的過程，是先根據(jù)相關(guān)理論推導(dǎo)出理論數(shù)據(jù)，然后通過建立各種模型、仿真得出實驗數(shù)據(jù)，實驗室數(shù)據(jù)最逼近理論數(shù)據(jù)的模型，就是工程實現(xiàn)的最佳方法，所以說研究性實（試）驗本身就是理論做先導(dǎo)的工程實踐。研究性實（試）驗可以分為三個類型：即基礎(chǔ)性研究實（試）驗、應(yīng)用基礎(chǔ)性實研究（試）驗和和應(yīng)用性研究實（試）驗?；A(chǔ)性研究實（試）驗是指擬以認(rèn)識自然現(xiàn)象，探索自然規(guī)律為目的，不直接考慮應(yīng)用目標(biāo)的研究性實（試）驗；應(yīng)用基礎(chǔ)型研究實（試）驗是指以獲取新原理、新技術(shù)、新方法為目的的研究成果，有廣泛的應(yīng)用前景的研究性實（試）驗；應(yīng)用性研究實（試）驗則指為某種具體的實用目標(biāo)提供技術(shù)管理、方法和途徑的研究實（試）驗。

任職教育院校教員可以立足于實驗室，以開展應(yīng)用性研究實（試）驗的方法開展工程實踐。將教學(xué)和科研過程中遇到的難以理解的理論問題，通過做實（試）驗加以驗證；將有關(guān)部門反饋過來的設(shè)備故障等各種疑難問題，以實（試）驗的方法進(jìn)行情景再現(xiàn)，運用理論知識進(jìn)行科學(xué)分析研究，則容易將簡單、孤立的問題上升到一定的理論高度。通過開展這種研究性實（試）驗，能夠架設(shè)起學(xué)科專業(yè)理論與工程實踐的橋梁，促使我們不斷更新已掌握的理論知識、不斷改進(jìn)工程實踐的方式和方法。理論更新和工程實踐改進(jìn)相輔相成，互相促進(jìn)。

工程實踐需要學(xué)專業(yè)理論的指導(dǎo)，同時工程實踐也能夠促進(jìn)理論成果的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化，工程實踐中遇到的問題和不足，促使我們不斷地獲取新知識，跟蹤學(xué)科專業(yè)理論前沿，而將最新學(xué)科專業(yè)理論與工程實踐相結(jié)合的過程進(jìn)行歸納和整理，便產(chǎn)生了學(xué)術(shù)成果。

三、開展與裝備保障結(jié)合密切的研究性實（試）驗的基本思路方法

任職教育院校的使命任務(wù)就是培養(yǎng)勝任崗位工作的優(yōu)秀人才，優(yōu)秀人才不僅能夠熟練操作使用和維護(hù)裝備，還要對裝備檢測和故障排除有較深的造詣，具備這些專業(yè)技能也是成為任職教育院校合格專業(yè)教員的基本條件。這些專業(yè)技能既不能來源于基層，也不能來源于書本，只能是通過開展應(yīng)用性研究實（試）驗來逐步掌握。

（一）建設(shè)研究性實驗室或在已有裝備實驗室基礎(chǔ)上增加研究功能

開展與裝備保障密切結(jié)合的研究性實（試）驗，前提必須要有研究性實驗室。研究性實驗室建設(shè)或改造是以本專業(yè)相關(guān)理論為基礎(chǔ)，以裝備所采用的新技術(shù)為依托，以能夠為新裝備保障服務(wù)為目標(biāo)。

新建的研究性實驗室應(yīng)具有完善的實驗原理、仿真功能、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬仿真功能，并有一定的實裝和物理模擬器，既能滿足當(dāng)前教學(xué)科研之用，還能反映裝備發(fā)展的趨勢。實現(xiàn)方式就是軟件仿真和硬件模擬，或軟硬結(jié)合。要在實驗室能夠做到：在裝備通電工作過程中發(fā)現(xiàn)問題，在原理功能仿真中分析問題，在理論與實際電路結(jié)合的過程中解決問題。

（二）依托研究性實驗室開展與新裝備保障密切相關(guān)的研究性實（試）驗

開展研究性實（試）驗必須密切結(jié)合本專業(yè)理論，并以裝備保障重大理論問題為牽引，進(jìn)行系統(tǒng)性、理論性和工程性綜合研究，才能不斷提升自身的專業(yè)理論水平。

例如，某型無線電羅盤定向系統(tǒng)故障?；鶎油久枋龉收犀F(xiàn)象是：通電檢查時，在“羅盤”位置不能自動定向，耳機(jī)無聲音；在“收訊”狀態(tài)，耳機(jī)無聲音；在“環(huán)”狀態(tài)，耳機(jī)無聲音，手控狀態(tài)控制正常。如果只是根據(jù)故障現(xiàn)象，很難判斷故障位置。在熟悉羅盤電原理圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)羅盤工作信號流程特點，三種工作狀態(tài)信號流程不同且三種狀態(tài)均表現(xiàn)故障，則可以初步判斷故障應(yīng)位于三種工作狀態(tài)的公共電路——超外差接收機(jī)電路。進(jìn)一步分析可知，故障只有位于超外差接收機(jī)電路中低放之前部分，才會導(dǎo)致檢波器輸出的可變相位信號不正常，進(jìn)而引起自動定向功能不正常。理論分析到此為止，已經(jīng)將故障縮小到比較小的區(qū)域。為進(jìn)一步判斷故障位置，在multisim軟件中畫出該無線電羅盤電路圖并加上模擬信號，還原羅盤故障現(xiàn)象，根據(jù)羅盤接收中測試點的位置，在相應(yīng)的電路模塊中設(shè)置故障，并在測試點采用故障樹法逐個測試，故障樹如下圖1所示。最后將仿真結(jié)果反饋到相應(yīng)部門，根據(jù)該仿真結(jié)果對照故障羅盤接收機(jī)測試數(shù)據(jù)，最終得出結(jié)論是4BG4三極管損壞。

圖1某型無線電羅盤超外差接收機(jī)測試故障圖

第6篇

1.1水文地質(zhì)學(xué)科涵義與研究對象

地下水即是賦存于地面以下巖石空隙中的水。地下水的功能主要包括：資源、生態(tài)環(huán)境因子、災(zāi)害因子、地質(zhì)營力與信息載體。地下水及賦存地下水的介質(zhì)還具有一些另外的功能。水文地質(zhì)學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用是與地下水及其賦存介質(zhì)的功能相聯(lián)系的。

1.2水文地質(zhì)學(xué)的定義

地下水這一名詞有廣義與狹義之分。廣義的地下水是指賦存于地面以下巖土空隙中的水；包氣帶及飽水帶中所有含于巖石空隙中的水均屬之。狹義的地下水僅指賦存于飽水帶巖土空隙中的水。

水文地質(zhì)學(xué)（hydrogeology）是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨空間和時間變化的規(guī)律，以及合理利用地下水或防治其危害的學(xué)科。它研究在與巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈以及人類活動相互作用下地下水水量和水質(zhì)的時空變化規(guī)律以及如何運用這些規(guī)律興利除害。

1.3水文地質(zhì)學(xué)研究的范疇及任務(wù)

水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的科學(xué)，主要研究地下水的分布、運動和形成規(guī)律，地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，地下水資源評價、開發(fā)及其合理利用，地下水對工程建設(shè)和礦山開采的不利影響及其防治等。在不同環(huán)境中，地下水的埋藏、分布、運動和組成成分均不相同。查明上述各方面狀況，可為科學(xué)地利用或防治地下水提供根據(jù)。水文地質(zhì)學(xué)對地下水的研究，著重自然歷史和地質(zhì)環(huán)境的影響，同主要用水文循環(huán)和水量平衡原理研究地下水的地下水水文學(xué)關(guān)系密切，只是研究的側(cè)重點稍有不同。

1.4水文地質(zhì)學(xué)及分支

隨著科學(xué)的發(fā)展和生產(chǎn)建設(shè)的需要，水文地質(zhì)學(xué)又分為區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)、地下水動力學(xué)、水文地球化學(xué)、供水水文地質(zhì)學(xué)、礦床水文地質(zhì)學(xué)、土壤改良水文地質(zhì)學(xué)等分支學(xué)科。近年來，水文地質(zhì)學(xué)與地?zé)帷⒌卣?、環(huán)境地質(zhì)等方面的研究相互滲透，又形成了若干新領(lǐng)域，如環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)、地下水資源管理、同位素水文地質(zhì)學(xué)等。隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人類對生態(tài)環(huán)境的影響到了舉足輕重的地步，與環(huán)境生態(tài)有關(guān)的水文地質(zhì)問題迅速增長。

水文地質(zhì)學(xué)是從尋找和利用地下水源開始發(fā)展的，圍繞實際應(yīng)用，逐漸開展了理論研究，目前已形成了一系列分支。

1.4.1地下水動力學(xué)

地下水動力學(xué)是研究地下水的運動規(guī)律，探討地下水量、水質(zhì)和溫度傳輸?shù)挠嬎惴椒?，進(jìn)行水文地質(zhì)定量模擬。這是水文地質(zhì)學(xué)的重要基礎(chǔ)。

1.4.2水文地球化學(xué)

水文地球化學(xué)是水文地質(zhì)學(xué)的另一個重要基礎(chǔ)。研究各種元素在地下水中的遷移和富集規(guī)律，利用這些規(guī)律探討地下水的形成和起源、地下水污染形成的機(jī)制和污染物在地下水中的遷移和變化、地下水與礦產(chǎn)形成和分布的關(guān)系，尋找金屬礦床、放射性礦床、石油和天然氣，研究礦水的形成和分布等。

1.4.3供水水文地質(zhì)學(xué)

供水水文地質(zhì)學(xué)是為了確定供水水源而尋找地下水，通過勘察，查明含水層的分布規(guī)律、埋藏條件，進(jìn)行水質(zhì)與水量評價。合理開發(fā)利用并保護(hù)地下水資源，按含水系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)管理。

1.4.4礦床水文地質(zhì)學(xué)

礦床水文地質(zhì)學(xué)是研究采礦時地下水涌入礦坑的條件，預(yù)測礦坑涌水量以及其它與采礦有關(guān)的水文地質(zhì)問題。

1.4.5農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學(xué)

農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容主要包括兩方面，一是為農(nóng)田提供灌溉水源進(jìn)行水文地質(zhì)研究；二是為沼澤地和鹽堿地的土壤改良，防治次生土壤鹽堿化等問題進(jìn)行水文地質(zhì)論證。

1.4.6水文地?zé)釋W(xué)

地?zé)崾且环N新的能源，如何利用由地下熱水或熱蒸汽攜至地表的地?zé)崮埽脕砣∨?、溫室栽培或地?zé)岚l(fā)電等，以及地下熱水的形成、分布規(guī)律，以及勘察與開發(fā)方法等，是水文地?zé)釋W(xué)的研究內(nèi)容。

1.4.7區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)

區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水區(qū)域性分布和形成規(guī)律，以指導(dǎo)進(jìn)一步水文地質(zhì)勘察研究，為各種目的的經(jīng)濟(jì)區(qū)劃提供水文地質(zhì)依據(jù)。

1.4.8古水文地質(zhì)學(xué)

古水文地質(zhì)學(xué)是研究地質(zhì)歷史時期地下水的形成、埋藏分布、循環(huán)和化學(xué)成分的變化等。據(jù)此，可以分析古代地下水的起源與形成機(jī)制，闡明與地下水有關(guān)的各種礦產(chǎn)的形成、保存與破壞條件。

地下水的形成和分布與地質(zhì)環(huán)境有密切聯(lián)系。水文地質(zhì)學(xué)以地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，同時又與巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地史學(xué)、地貌學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)等學(xué)科關(guān)系密切。工程地質(zhì)學(xué)是與水文地質(zhì)學(xué)是同時相應(yīng)發(fā)展起來的，因此兩者有不少內(nèi)容相互交叉。

地下水積極參與水文循環(huán)，一個地區(qū)水循環(huán)的強(qiáng)度與頻率，往往決定著地下水的補給狀況。因此，水文地質(zhì)學(xué)與水文學(xué)、氣象學(xué)、氣候?qū)W有密切關(guān)系，水文學(xué)的許多方法也可應(yīng)用于水文地質(zhì)學(xué)。地下水運動的研究，是以水力學(xué)、流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)的，并應(yīng)用各種數(shù)學(xué)方法和計算技術(shù)。

2 水文地質(zhì)學(xué)演化歷史與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展簡史

人們早在遠(yuǎn)古時代就已打井取水。中國已知最古老的水井是距今約5700年的浙江余姚河姆渡古文化遺址水井。古波斯時期在德黑蘭附近修建了坎兒井，最長達(dá)26公里，最深達(dá)150米。約公元前250年，在中國四川，為采地下鹵水開鑿了深達(dá)百米以上的自流井。中國漢代鑿龍首渠，是一種井、渠結(jié)合的取水建筑物。在利用井泉的過程中，人們也探索了地下水的來源。法國帕利西、中國徐光啟和法國馬略特，先后指出了井泉水來源于大氣降水或河水入滲。馬略特還提出了含水層與隔水層的概念。

1855年，法國水力工程師達(dá)西，進(jìn)行了水通過砂的滲透試驗，得出線性滲透定律，即著名的達(dá)西定律，奠定了水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)。1863年，法國裘布依以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，提出計算潛水流的假設(shè)和地下水流向井的穩(wěn)定流公式。1885年。英國的張伯倫確定了自流井出現(xiàn)的地質(zhì)條件。奧地利福希海默在1885年制出了流網(wǎng)圖并開始應(yīng)用映射法。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，對地下水起源又提出了一些新的學(xué)說。奧地利修斯于1902年提出了初生說。美國萊恩、戈登和俄國安德魯索夫在1908年分別提出在自然界中存在與沉積巖同時生成的沉積水。1912年，德國凱爾哈克提出地下水和泉的分類，總結(jié)了地下水的埋藏特征和排泄條件。美國邁因策爾于1928年提出了承壓含水層的壓縮性和彈性。他們?yōu)樗牡刭|(zhì)學(xué)的形成作出了重要貢獻(xiàn)。

泰斯于1935年利用地下水非穩(wěn)定流與熱傳導(dǎo)的相似性，得出了地下水流向水井的非穩(wěn)定流公式即泰斯公式，把地下水定量計算推進(jìn)到了一個新階段。20世紀(jì)中葉，蘇聯(lián)奧弗琴尼科夫和美國的懷特在水文地球化學(xué)方面作出了許多貢獻(xiàn)。到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，在地下水的賦存、運動、補給、排泄、起源以至化學(xué)成分變化、水量評價等方面，均有了較為系統(tǒng)的理論和研究方法。水文地質(zhì)學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門成熟的學(xué)科。

20世紀(jì)中葉以來，合理開發(fā)、科學(xué)管理與保護(hù)地下水資源的迫切性和有關(guān)的環(huán)境問題，越來越引起人們的重視。同時，人們對某些地下水運動過程有了新的認(rèn)識。1946年起，雅可布和漢圖什等論述了孔隙承壓含水層的越流現(xiàn)象。英國博爾頓和美國的紐曼分別導(dǎo)出了潛水完整井非穩(wěn)定流方程。

由于預(yù)測地下水運動過程的需要，促進(jìn)了水文地質(zhì)模擬技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)30年代開展了實驗室物理模擬，40年代末發(fā)展起來的電網(wǎng)絡(luò)模擬，到50—60年代在解決水文地質(zhì)問題中得到應(yīng)用。

由于電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，70～80年代，地下水?dāng)?shù)學(xué)模擬成為處理復(fù)雜水文地質(zhì)問題的主要手段。同時，同位素方法在確定地下水平均貯留時間，追蹤地下水流動等研究中得到應(yīng)用。遙感技術(shù)及數(shù)學(xué)地質(zhì)方法也被引進(jìn)，用以解決水文地質(zhì)問題。對于地下水中污染物的運移和開采地下水引起的環(huán)境變化，引起廣泛的重視。20世紀(jì)60年代以來，加拿大的托特提出了地下水流動系統(tǒng)理論，為水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展開拓了新的發(fā)展前景。

2.2國外水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

水文地質(zhì)學(xué)是一門年輕的學(xué)科，它是基于地下水在地質(zhì)單元內(nèi)運移時所發(fā)生的物理和化學(xué)變化而發(fā)展起來的，水文地質(zhì)學(xué)是研究地下水的數(shù)量和質(zhì)量隨空間和時間變化的規(guī)律，以及合理利用地下水或防治其危害的學(xué)科。水文地質(zhì)學(xué)誕生于19世紀(jì)中期，在20世紀(jì)初，依據(jù)法國水文地質(zhì)學(xué)理論原則（A.Hazen，C.Slichter，F(xiàn).King，O.Mainzer等），美國水文地質(zhì)科學(xué)家發(fā)展了實用水文地質(zhì)學(xué)的應(yīng)用。與此同時，德國和奧地利的水文地質(zhì)學(xué)家（F.Forchheimer，A.Thiem，O.Smreker，J.Kozeny等）詳細(xì)解釋了水文地質(zhì)，尤其是關(guān)于地下水流域和水力工程方面調(diào)查的方法。俄國人對水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展有著重大的貢獻(xiàn)（W.Dokutchaev，A.F.Lebedev等）。水文地質(zhì)學(xué)成為地質(zhì)科學(xué)中一門比較完整、系統(tǒng)的獨立學(xué)科，是在20世紀(jì)30—40年代。水文地質(zhì)學(xué)已被公認(rèn)為是地球科學(xué)的一個分支，是跨越于地質(zhì)科學(xué)和水文學(xué)之問的一門獨立科學(xué)。水文地質(zhì)學(xué)在二戰(zhàn)以后有了深入的發(fā)展，特別是在地下水動力學(xué)、水文地質(zhì)編圖、水文地質(zhì)采礦、模型和同位素方法、水文地球化學(xué)和地下水監(jiān)控這些領(lǐng)域。人類活動對包括地下水在內(nèi)的自然環(huán)境的改造異常強(qiáng)烈，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題，當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)進(jìn)入了生態(tài)環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)的新階段。

在過去的幾十年中，國際水文地質(zhì)學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化，從專業(yè)期刊的發(fā)展中就可以看出。1963年，《地下水》（Ground Water）和《水文學(xué)雜志》（Journal of Hydrology）創(chuàng)刊；1965年，開始出版《水資源研究》。此后，陸續(xù)創(chuàng)刊的歐美主流學(xué)術(shù)期刊有：1976年，《水資源進(jìn)展》（Advances in Water Resources）和《污染水文學(xué)雜志》（Joumalof Contaminant Hydrology）；1986年，《水文過程》（Hydrologic Processes）；1993年，《水文地質(zhì)學(xué)雜志》；1995年，《水文工程學(xué)雜志》（Joumalof Hydrologic Engineering）。期刊的數(shù)目大幅增加的同時，每種期刊上論文的數(shù)量和內(nèi)容也顯著增加。

國際水文地質(zhì)大會是公認(rèn)的比較權(quán)威的世界級水文地質(zhì)會議，至今已經(jīng)召開了39屆（2011年在泰國舉行）。其中2006年10月9日在我國北京舉行的第34屆國際水文地質(zhì)大會是繼1988年在廣西桂林舉辦的第21屆國際水文地質(zhì)大會之后，再次在中國舉辦。此次大會又恰逢國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會成立50周年慶典，是國際水文地質(zhì)發(fā)展史上的重要里程碑。此次會議以“地下水的現(xiàn)狀與未來”為主題，圍繞全球地下水問題與需求、中國地下水的現(xiàn)狀與未來等開展交流與研討，展示全球、亞洲和中國水文地質(zhì)成果及新一輪國土資源大調(diào)查的水文地質(zhì)工作進(jìn)展。

在國際上，美國水文地質(zhì)調(diào)查研究經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，在該領(lǐng)域長期居于國際領(lǐng)先地位，影響和引導(dǎo)了國際水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展方向。從20世紀(jì)80年代開始，美國地質(zhì)調(diào)查局啟動了多個項目，開始對有害物質(zhì)水文過程和地質(zhì)隔離技術(shù)進(jìn)行深入研究。其水文地質(zhì)資料有90%向普通大眾公布，實現(xiàn)了水文地質(zhì)調(diào)查成果全國共享；在法國，各種公共管理部門、盆地基金機(jī)構(gòu)和地質(zhì)調(diào)查部門，通過各種媒介向公眾宣傳有關(guān)水資源的重要情況，回答提出的特殊技術(shù)問題。目的是讓大家了解各種生產(chǎn)活動給自然資源帶來的嚴(yán)重影響，提高對地下水和當(dāng)前共同利益的認(rèn)識，解釋那些按公眾意愿制定的政策和收費規(guī)定。在總體研究結(jié)果基礎(chǔ)上對地下水變化情況進(jìn)行監(jiān)測和計算，以有利于管理機(jī)構(gòu)的決策。日本的東京灣將地下溫度場應(yīng)用于研究地下水循環(huán)，而這是我國學(xué)者地下水循環(huán)研究中一直忽視的一個主要因素。在歐洲，生態(tài)水文學(xué)的研究已經(jīng)形成一個網(wǎng)絡(luò)，各國之間的聯(lián)系及對比研究較多。冰島是世界上地?zé)豳Y源開發(fā)利用率較高的國家之一，地?zé)岚l(fā)電站裝機(jī)容量總計200 MWe，排名世界第8位，87%的家庭使用地?zé)崛∨?。由于?jīng)濟(jì)發(fā)展所處的階段不同，國外目前研究礦山水文地質(zhì)工作的比較少。

總之，目前水文地質(zhì)在各個不同的領(lǐng)域都有發(fā)展，例如地下水文學(xué)、土壤力學(xué)、經(jīng)濟(jì)地質(zhì)、石油采鉆工程、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)和生態(tài)學(xué)。這個領(lǐng)域由于以上所有領(lǐng)域研究人員的杰出貢獻(xiàn)而豐富起來。目前，水文地質(zhì)處于轉(zhuǎn)折時期，由發(fā)現(xiàn)并最大程度的開發(fā)利用新資源轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠淼毓芾硭鼈儯@對于人類和其它生物來說是至關(guān)重要的。

2.3國內(nèi)水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

我國人民早在4000年前的龍山文化時期就已經(jīng)鑿井開發(fā)利用地下水了，但直到建國前，從事水文地質(zhì)工作的人員極少，幾乎沒有設(shè)備，只零星地進(jìn)行一些地下水調(diào)查工作。直到建國后，水文地質(zhì)事業(yè)才得到了較大發(fā)展。

我國水文地質(zhì)事業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了坎坷曲折的道路。20世紀(jì)50年代，是我國水文地質(zhì)事業(yè)創(chuàng)建、發(fā)展的重要年代，而后的“”，曾使正處在興旺發(fā)達(dá)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)事業(yè)受到挫折。60年代前期，經(jīng)過重新調(diào)整，水文地質(zhì)工程地質(zhì)戰(zhàn)線再次出現(xiàn)大好形勢。可1966年開始的10年動亂再次使水文地質(zhì)工作受到了損害，到70年代前期，水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作逐步有了好轉(zhuǎn)，并組建了基建工程兵水文地質(zhì)部隊，加強(qiáng)了水文地質(zhì)普查工作。直到1978年12月黨的以后，水文地質(zhì)工程地質(zhì)事業(yè)才走向了健康發(fā)展的道路，進(jìn)入了振興開拓的新時期。

解放前，在水文地質(zhì)方面，地質(zhì)人員最先介入的是城市供水水文地質(zhì)勘查。上海、北京、天津等大城市由于需要開鑿深井取用地下水。地質(zhì)學(xué)家謝家榮，曾在《地理雜志》第二卷第一期上發(fā)表過《鐘山地質(zhì)與南京井水供給的關(guān)系》一文，這是我國早期的重要水文地質(zhì)文獻(xiàn)之一。同時。西安、蘭州等城市也相繼完成了部分水文地質(zhì)調(diào)查報告。濟(jì)南、福建等地完成了泉水水文地質(zhì)調(diào)查等工作。

解放后，中華人民共和國的成立，為水文地質(zhì)工程地質(zhì)事業(yè)開辟了廣闊的前景。1956年3月，地質(zhì)部召開了第一屆全國水文地質(zhì)工程地質(zhì)協(xié)作會議。50年代的中后期，地質(zhì)部已在各地區(qū)建立了23個水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，職工已達(dá)11000人，包括地質(zhì)、鉆探、化驗等各個兵種，并開始應(yīng)用物探手段。在此期間基本完成了我國主要平原地區(qū)1：20萬水文地質(zhì)普查近100×104km2；編制了一些全國性水文地質(zhì)圖件；進(jìn)行了30多個城市和工業(yè)基地的供水水文地質(zhì)勘探；建立了40多個地下長期觀測站；在近1000個礦區(qū)開展了水文地質(zhì)工作，并在北京、山東、河北、福建等省市進(jìn)行了礦泉水勘察。20世紀(jì)60年代前期，由于自然災(zāi)害和“”所造成的后果，使我國國民經(jīng)濟(jì)陷入嚴(yán)重困難境地，整個地質(zhì)工作的發(fā)展，也同樣受到嚴(yán)重影響。地質(zhì)部門專業(yè)隊伍經(jīng)過調(diào)整，重新組建了個直屬大隊，分別承擔(dān)北京市城市建設(shè)、上海地面沉降、長江三峽、湖北丹江口、黃河治理、西南鐵路及巖溶研究等方面的任務(wù)。但1966年編制出版了黃淮海平原和松遼平原的水文地質(zhì)圖系，是我國第一批正式出版的跨省圖系，在編圖技術(shù)和編圖方法等方面，都有所創(chuàng)新。20世紀(jì)70年代，我國水文地質(zhì)在地?zé)?、農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)等方面都取得了較大進(jìn)展。70年代后期，在一些重要城市開展了環(huán)境水文地質(zhì)工作。各省廣泛開展區(qū)域地下水資源的評價，比較普遍地應(yīng)用了電子計算機(jī)，并推廣數(shù)值法建立數(shù)學(xué)模型。工程地質(zhì)向定量評價方向發(fā)展，逐步采用先進(jìn)的測試技術(shù)，在巖、土體特性，區(qū)域穩(wěn)定性的巖體力學(xué)研究等方面，初步形成了自己的理論體系和技術(shù)系統(tǒng)。物探、遙感及同位素技術(shù)在水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作中得到了初步應(yīng)用，取得了較好的效果。同期舉辦了若干次全國性的水文地質(zhì)工作會議，且國際交流日益增多。

1978年，黨的勝利召開，從此我國的水文地質(zhì)事業(yè)發(fā)展邁入了一個嶄新的時期。至1996年，我國以1/20萬為主的區(qū)域水文地質(zhì)普查工作全面完成。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1978年以來，中國地質(zhì)學(xué)會、中國建筑學(xué)會、中國水利學(xué)會、中國地理學(xué)會等部門，先后組織召開了“地下水資源概念和評價方法”、“全國地下水資源評價學(xué)術(shù)會議”、“西北干旱地區(qū)地下水資源學(xué)術(shù)討論會”、“全國水文專業(yè)會議”等會議。重點討論了地下水資源的概念、分類、評價方法、開發(fā)利用及其它水文地質(zhì)問題，并出版了相應(yīng)的學(xué)術(shù)會議論文集?；鶐r山區(qū)裂隙水與巖溶水的開發(fā)利用，也日益受到重視。在全國性的巖溶水和裂隙水學(xué)術(shù)會議上，著重討論了巖溶地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律，巖溶水和裂隙水的運移機(jī)制及其評價方法。在環(huán)境地質(zhì)方面，召開了全國性的環(huán)境水文地質(zhì)經(jīng)驗交流會、水文地球化學(xué)學(xué)術(shù)討論會、地質(zhì)災(zāi)害研究與防治學(xué)術(shù)討論會等。探討了我國不同地區(qū)地下水污染現(xiàn)狀、評價方法，地質(zhì)災(zāi)害的成因、特征及防治措施，出版了相應(yīng)的學(xué)術(shù)會議論文集。此外，還召開了地下水人工補給、地面沉降學(xué)術(shù)研討會。所有這些不僅反映了我國水文地質(zhì)研究的新方向，同時也可看出水文地質(zhì)研究已進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。

2.4福建省水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

福建省的水文地質(zhì)基礎(chǔ)調(diào)查資料雖然較全面，但局限于當(dāng)時的技術(shù)方法和條件，調(diào)查深度及廣度有限，而且隨著國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展及人類經(jīng)濟(jì)工程活動的不斷加強(qiáng)，水文地質(zhì)條件已發(fā)生了較大的變化，新的情況未能及時查清。

環(huán)境地質(zhì)調(diào)查資料相當(dāng)欠缺。環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作，滯后于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的需要。如在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、土地綜合利用、土壤改良、地質(zhì)環(huán)境的合理開發(fā)利用、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面，有的已開展工作、但還很不全面，有的則剛剛起步。

水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)與思路，基本上仍依托傳統(tǒng)思路和技術(shù)為主，在跨學(xué)科聚集、綜合和開發(fā)研究，在應(yīng)用高新技術(shù)于調(diào)查上，同先進(jìn)省區(qū)相比，存在一些差距。如以往水文地質(zhì)工作重點放在地下水資源較豐富的地區(qū)，以找到多少地下水資源儲量為榮，而忽視了貧水地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查工作的重要性。

水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成果的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、社會化程度低，不能滿足政府和社會性公益成果的實用性、時效性需求，改變成果表達(dá)形式，改革服務(wù)方式并提供社會化服務(wù)已是一個重要問題。

3 福建省水文地質(zhì)學(xué)為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的內(nèi)容及主要成果

3.1背景材料

3.1.1上世紀(jì)60年代及以前完成的全省性水文地質(zhì)方面的工作主要成果

（1）提交1/20萬區(qū)域性地質(zhì)—水文地質(zhì)綜合測量中間報告及普查報告和農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察中間報告；

（2）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報告（上世紀(jì)60年代及以前具體項目的工作）：1960年1月，福建省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊童永福、程登科《福建省永安寧洋舊城幅綜合水文地質(zhì)測量普查報告書》等10余份城市水文地質(zhì)測量普查報告。

3.1.2上世紀(jì)70年代

（1）1970年～1979年提交《福建省沿海地區(qū)1/20萬水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報告》等；

（2）提交完成了1/20萬福州、福安、三沙、浮鷹島、福清幅、泉州幅、南日島、廈門、漳州、東山等區(qū)域水文地質(zhì)普查報告；

（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報告（上世紀(jì)70年代具體項目的工作）：1974年1月，福建省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)隊《漳州幅、東山幅1/20萬區(qū)域地質(zhì)報告：地貌、第四系地質(zhì)、水文地質(zhì)部分》等10余份城市1/20萬區(qū)域地質(zhì)報告（包括水文地質(zhì)調(diào)查部分）。

3.1.3上世紀(jì)80年代

（1）1980年一1989年，完成1/50萬福建省水文地質(zhì)圖、福建省1/50萬農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)區(qū)劃圖說明書島嶼水文地質(zhì)調(diào)查項目；

（2）分別完成了福建省多幅1/20萬和1/5萬區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報告；

（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報告：1980年10月，福建省水文工程地質(zhì)隊童永?！陡＝ㄊ∷牡刭|(zhì)圖1/50萬》；1980年8月，江西省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊萬益民、鄧健如、趙維良等《廣昌幅G-50-9 1/20萬區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》；福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊完成《連城盆地水文地質(zhì)勘探報告》；福建省第一水文隊完成《漳州盆地水文地質(zhì)勘探報告》；1985年9月，福建省第二水文工程地質(zhì)隊福州綜合地質(zhì)組李文曲、黃宏灃、趙欽銘等完成《福建省福州市福州盆地水文地質(zhì)勘探報告》等20余份1/20萬區(qū)域水文地質(zhì)普查報告，尚有單點供水簡報672份。

3.1.4上世紀(jì)90年代

（1）1990年一1999年，提交了閩東、閩南沿海缺水地區(qū)供水水文地質(zhì)調(diào)查報告；

（2）提交1/2.5萬同安縣新店埔園—劉五店規(guī)劃區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報告；

（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報告：1990年8月，福建省廈門水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司林恢亮、陳強(qiáng)、鄭英才等《福建省同安縣新店埔園—劉五店規(guī)劃區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報告1/2.5萬》等近30份水文地質(zhì)調(diào)查報告，尚有單點供水簡報495份。

3.1.5 2000年以來地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查

三明地區(qū)：2000年3月，閩西地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)公司林昌威、林昭麗、吳開化等《福建省大田縣區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告》；

龍巖地區(qū)：2000年8月，福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院李文祥、鄭藝貞、白振炎《福建省長汀縣區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告》等各地區(qū)均有展開；

廈門地質(zhì)工程勘察院進(jìn)行廈門地下熱水調(diào)查。

3.2已進(jìn)行和正在進(jìn)行為社會服務(wù)方面的專門水文地質(zhì)工作

福建省主要對地?zé)帷⒌V泉水等資源進(jìn)行了專項保護(hù)和為社會服務(wù)工作，并專門發(fā)文。如：閩地發(fā)[1999]85號《關(guān)于委托地（市）、縣地礦主管部門對部分地?zé)?、礦泉水采礦權(quán)進(jìn)行審批、發(fā)證的通知》等。

3.2.1福建省礦泉水水源保護(hù)

至2004年統(tǒng)計，福建省經(jīng)省或原地礦部全國儲委評審鑒定和儲量審批的飲用天然礦泉水水源地勘探報告235處，批準(zhǔn)允許開采資源量（B級或C級）28990m3/d。礦泉水類型主要為偏硅酸型233處，其中偏硅酸鍶復(fù)合型45處，碳酸偏硅酸型4處，到目前為止尚未發(fā)現(xiàn)鋰、硒、溴、碘、鋅等類型礦泉水。礦泉水點勘探報告211項，其中，單礦泉水點專項的勘探報告209項。

至2008年，我省現(xiàn)同時具有采礦許可證和注冊登記證的礦泉水水源有40處，包括福州市6處、莆田市1處、泉州市7處、廈門市7處、漳州市7處、龍巖市3處、三明市4處、南平市2處、寧德市3處；僅有注冊登記證的礦泉水水源7處；僅有采礦許可證的礦泉水水源6處。尚有10余處有開采未申報或正在申報等工作。

3.2.2福建省地?zé)崴Y源保護(hù)

地?zé)崾且环N寶貴的能源礦產(chǎn)，開發(fā)利用地?zé)豳Y源首先是從開發(fā)溫泉起始的，根據(jù)志書記載，福建溫泉利用已有1000多年歷史，進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，福建省開始進(jìn)入有計劃的勘查開發(fā)。在此之前僅對溫泉點進(jìn)行零星記載和研究。1971年，福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊開展了南靖湯坑的地?zé)峥碧焦ぷ鳌?982年，童永福等編制1：50萬福建省地?zé)釁^(qū)劃圖時，統(tǒng)計各類溫泉點190余處（其中包括部分20℃的）。至2000年為止，福建省已查明的地下熱水分布共196處。

由于趨利原因，近些年地?zé)峁ぷ髡{(diào)查和水源地的勘查有了長足的開展，但進(jìn)行系統(tǒng)研究的極少。

已在多個領(lǐng)域運用地?zé)豳Y源，如城鎮(zhèn)地下熱水集中供熱、水產(chǎn)養(yǎng)殖與研究、農(nóng)業(yè)利用與研究、溫泉醫(yī)療保健、地震觀測等。

3.3福建省礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查工作

礦區(qū)水文地質(zhì)工作始于上世紀(jì)50年代，主要是為礦山開采設(shè)計提供水文工程地質(zhì)依據(jù)。如：1960年4月，福建省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊郭樹春完成《福建邵武楓林硫鐵礦區(qū)水文地質(zhì)初步普查報告》；1959年3月。1962年3月，福建省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊五〇七分隊提交了《福建省龍巖馬坑鐵礦地質(zhì)勘探中間報告》；1971年1月～1976年3月，福建省地質(zhì)一團(tuán)三中隊提交了《福建省龍巖馬坑鐵礦詳細(xì)勘探報告》；1979年12月，冶金工業(yè)部冶金地質(zhì)會戰(zhàn)指揮部第五地質(zhì)勘探桂世芳完成《福建省德化縣陽山鐵礦西礦段礦床水文地質(zhì)勘探報告》等，礦山多數(shù)已經(jīng)或正在進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查工作。

3.4福建省地下水水源地工作

全省已探明C級地下水可開采資源量1萬m3/d以上的水源地有：龍巖盆地巖溶水水源地、連城城郊盆地巖溶水水源地、永安市大湖—蝦蛤水源地、長汀盆地巖溶水水源地、東山島松散巖類孔隙水水源地、平潭島松散巖類孔隙水水源地。

4 水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展趨勢及預(yù)測

對于地下水的區(qū)域研究，可以擴(kuò)展到整個流域或完整水文地質(zhì)單元來研究。進(jìn)一步研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動力學(xué)特征，如荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運動規(guī)律，特別是淺層地下水變化的地表生態(tài)效應(yīng)及深層地下水賦存規(guī)律，可為地下水合理利用提供新的途徑。并且在已積累大量實際資料基礎(chǔ)上，做好對資料的二次開發(fā)，編制相應(yīng)成果，以供生產(chǎn)部門應(yīng)用。在我國，由于地域面積較大，生態(tài)水文學(xué)研究也必需實行區(qū)際間的配合與協(xié)作，同時也必須與國際研究相同步，謀求更大范圍內(nèi)的合作。我國應(yīng)加強(qiáng)地下水的監(jiān)測，掌握地下水的動態(tài)，在已有監(jiān)測站網(wǎng)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，逐步完善地下水監(jiān)測技術(shù)、方法和新的監(jiān)測網(wǎng)站的建設(shè)，提高全國地下水動態(tài)變化監(jiān)測水平和預(yù)測能力。

地下水資源評價方面，在地表水、地下水綜合考慮的原則下，按照地下水系統(tǒng)進(jìn)行評價。

地下水動力學(xué)與計算技術(shù)方面，要加強(qiáng)基本理論的研究，研究建立在各種復(fù)雜條件下的水文地質(zhì)模型及其相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，研究建立水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的儲存系統(tǒng)，運用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行地下水評價、預(yù)測、預(yù)報等。

對裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，地下水水質(zhì)模擬的可靠性問題有待深入分析，地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結(jié)合應(yīng)用具有更大的價值。

對環(huán)境水文地質(zhì)問題的研究、人工補給的理論和方法的研究、遙感技術(shù)、同位素技術(shù)的應(yīng)用、裂隙水和巖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、水質(zhì)污染等各種復(fù)雜的水文地質(zhì)問題都是水文地質(zhì)工作者當(dāng)前或?qū)硭媾R的重要研究課題。

我國礦山研究得較多，油田的水文地質(zhì)問題僅是泛泛而談，未深入討論，還涉及一些關(guān)于隧道、高速公路等的工程地質(zhì)問題；且國內(nèi)對工程中的水文地質(zhì)問題和水巖相互作用造成的地質(zhì)災(zāi)害問題研究較少。今后要加強(qiáng)礦山環(huán)境問題的研究工作，水文地質(zhì)專業(yè)學(xué)者要與采礦人員合作。進(jìn)行多學(xué)科多方法研究；水資源與礦產(chǎn)資源要綜合開發(fā)利用，例如把水資源作為伴生的礦產(chǎn)資源，建立煤水雙資源礦井。在涵養(yǎng)、保護(hù)地下水資源方面，需要加強(qiáng)與生態(tài)建設(shè)相協(xié)調(diào)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，挖掘潛力，節(jié)約用水、探索深層承壓地下水如何科學(xué)利用，有關(guān)地下水形成、運動等基礎(chǔ)性問題的科學(xué)研究也應(yīng)成為重要的戰(zhàn)略措施。

人類活動對地下水資源的影響亦需要進(jìn)一步深入探索。土壤水研究理論及檢測技術(shù)尚需發(fā)展，尤其在溶質(zhì)運移方面的研究欠缺很多。地?zé)岬难芯炕旧隙紝儆趨^(qū)域現(xiàn)狀的評價，目前基本無實際創(chuàng)新性成果，如地?zé)釛壦毓嗉夹g(shù)、沉積盆地地?zé)豳Y源勘探技術(shù)、地?zé)豳Y源綜合利用技術(shù)、熱儲工程等的研究。其它特殊類型水，如礦泉水、凝結(jié)水、微咸水、咸水、鹵水等亦需進(jìn)一步研究。

縱觀水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展，初期實質(zhì)上是找水水文地質(zhì)學(xué)，到本世紀(jì)70年代，資源成為水文地質(zhì)學(xué)的主要課題，現(xiàn)在與環(huán)境生態(tài)有關(guān)的水文地質(zhì)問題迅速增多。從某種意義上講，環(huán)境水文地質(zhì)已成為水文地質(zhì)學(xué)研究的核心課題。

5 福建省水文地質(zhì)學(xué)科發(fā)展中存在的問題及研究對策

5.1福建省水文地質(zhì)學(xué)科發(fā)展中存在的一些問題

歷史的原因，福建省在上世紀(jì)90年代后，水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展基本開始處于停滯狀態(tài)，一方面，供水多依賴于地表水，僅局部地區(qū)是地下水為主（如福建龍巖地區(qū)），另一方面，國家投入減少，使得水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展研究也沒有大的進(jìn)展。2010年后，國家已經(jīng)開始重視水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展。

工程引發(fā)的地下水問題。如：（1）礦山開采過程因為地下水造成礦山涌水、突水；（2）隧道掘進(jìn)過程造成問題。龍廈鐵路象山隧道；（3）地下水超采引起的地面沉降等。

巖溶塌陷：三明、龍巖等覆蓋型巖溶區(qū)。

采空塌陷：主要發(fā)生于礦山地下開采范圍大、持續(xù)歷史長的區(qū)域。

地面沉降：東部沿海港灣河口平原區(qū)（福州溫泉開采區(qū)）。

突發(fā)性、季節(jié)性特大雨造成地質(zhì)災(zāi)害，地表水和地下水互相溝通、連成一體，水源地成為一項迫切要去解決的問題。

這些問題的出現(xiàn)都會造成人民生命、財產(chǎn)的重大損失，國家也開始進(jìn)行水文地質(zhì)學(xué)科與相關(guān)學(xué)科結(jié)合的發(fā)展。

5.2水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展趨勢

由主要研究天然狀態(tài)下的地下水，轉(zhuǎn)向更重視研究人類活動影響下的地下水；由局限于飽水帶的含水層，擴(kuò)展到包氣帶及“隔水層”；由只研究地殼表層地下水，擴(kuò)展到地球深層的水。

預(yù)計今后的水文地質(zhì)研究，在下列方面將有突破：裂隙水與巖溶水運動機(jī)制和計算方法；地下水中污染物和溫度運移機(jī)制和計算方法；粘性土的滲透機(jī)制；包氣帶水鹽運移機(jī)制；水文地球化學(xué)和同位素水文地質(zhì)學(xué)，地下水?dāng)?shù)學(xué)模型；地球深層水文地質(zhì)。

5.3福建省水文地質(zhì)學(xué)科發(fā)展趨勢

近年來，水文地質(zhì)學(xué)科迎來了發(fā)展契機(jī)。2011年6月1日，中華人民共和國國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ610-2011）在全國范圍內(nèi)實施。導(dǎo)則的實施對地下水工作者是一個新的開端，特別是對于一級項目的地下水評價工作有了更高的要求，也使得社會發(fā)展環(huán)境中開始重視地下水的工作，地下水成為社會發(fā)展中環(huán)境的一個不可或缺的重要因素。福建省在這個大環(huán)境下也從2011年開始進(jìn)行了多流域、地區(qū)項目的地下水評價工作。

隨著人民生活水平的提高，社會開始關(guān)注和參與地?zé)衢_發(fā)租研究工作。一方面，民間投資者的熱情，使得原有地?zé)豳Y源開發(fā)利用不斷提升；另一方面，當(dāng)前我國正在努力實現(xiàn)節(jié)能減排的工作目標(biāo)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。福建省在地?zé)崂?、開發(fā)已有逾百年的歷史，開發(fā)利用地?zé)崽貏e是淺層地?zé)豳Y源不僅對于緩解我省能源緊張的形勢，對實現(xiàn)節(jié)能減排的工作目標(biāo)將起到積極的推進(jìn)作用，依靠科技進(jìn)步，提高地?zé)豳Y源勘查開發(fā)利用水平；加強(qiáng)地?zé)豳Y源特別是淺層地?zé)豳Y源的規(guī)劃工作，同時也能提供福建獨特的旅游資源和民生資源。

5.4福建省水文地質(zhì)學(xué)科發(fā)展的對策建設(shè)

地下水是水資源的組成部分，是生態(tài)與環(huán)境的重要要素，是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要水源之一。在我省大部特別是沿海平原和海島地區(qū)，地下水在生活飲水、農(nóng)田灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、城市發(fā)展和維系良好生態(tài)與環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用。近年來，一些地區(qū)由于過量開采地下水，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，地下含水層被疏干，引發(fā)了地面沉降、海水入侵、土地沙化；一些地區(qū)由于廢污水過量排放和面源污染的不斷加劇，造成地下水水質(zhì)惡化，地下水資源開發(fā)利用中存在的諸多問題已嚴(yán)重危及水資源的可持續(xù)利用，對經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全構(gòu)成威脅，加強(qiáng)對地下水資源的管理和保護(hù)刻不容緩。

水資源屬國家所有，加強(qiáng)水資源的合理分配、管理和保護(hù)事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)安全與公共安全。根據(jù)地下水的資源與環(huán)境屬性，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展以及生態(tài)與環(huán)境保護(hù)對地下水的要求，統(tǒng)籌考慮水資源的合理配置和公共資源的使用和保護(hù)準(zhǔn)則，合理劃分地下水功能區(qū)，協(xié)調(diào)地下水不同使用功能之間的關(guān)系，是政府加強(qiáng)公共管理和社會服務(wù)的重要體現(xiàn)，是履行《水法》賦予水行政主管部門依法管理地下水資源職責(zé)的客觀要求。

地下水賦存于地質(zhì)介質(zhì)中，具有運動緩慢、補給周期長、循環(huán)更新慢、自我修復(fù)能力差、地下水系統(tǒng)遭到破壞后難以治理和修復(fù)等特點，必須采取嚴(yán)格的措施加以有效保護(hù)。以水文地質(zhì)單元為基礎(chǔ)、結(jié)合區(qū)域地下水主導(dǎo)功能劃分地下水功能區(qū)，制訂開發(fā)利用和保護(hù)目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，為地下水合理開發(fā)、保護(hù)、治理與管理提供科學(xué)依據(jù)，以保障供水安全、生態(tài)與環(huán)境安全和地下水資源的可持續(xù)利用。

針對福建省的上述特點和福建省現(xiàn)狀：最好按區(qū)域性（1：50萬、1：20萬、1：5萬）、城鎮(zhèn)供水（如龍巖市、永安市……）、農(nóng)業(yè)供水（如連城）、工礦供水（洪寬工業(yè)區(qū)、永安造紙廠……）、專題性研究（如福建省地下水污染調(diào)查……）、地下水治理（如航站樓工程降水、鐵礦采空區(qū)降水）、地方病、地下熱水等。將有地下水可作為供水水源地區(qū)，以及沿海半島、島嶼缺水地區(qū)，進(jìn)行多手段、全方位地下水找水的工作；同時應(yīng)對地下水水源地進(jìn)行劃分，利于不同層級的保護(hù)；將地下水作為福建省水源地的應(yīng)急水源和儲備資源。

1999年，福建省地表水資源總量1215.39×108m3，多年平均值為1201×108m3。全省水資源總量1216.11×108m3，約占全國水資源總量的4.2%；人均水資源3665m3，高于全國平均水平，但其空間分配不均。缺水地區(qū)主要為沿海島嶼、半島岬角區(qū)及紅土臺地區(qū)。沿海四地市人口和工業(yè)產(chǎn)值占全省總量的70%，而水資源只占全省水資源的36%。特別是近年開發(fā)港灣島嶼為開發(fā)區(qū)、投資區(qū)，水資源供需矛盾突出。缺水者主要為農(nóng)灌用水和重點投資開發(fā)區(qū)用水。這就需要福建省應(yīng)對沿海半島、島嶼缺水地區(qū)進(jìn)行多手段、全方位地下水找水的工作。

福建省地貌最大特點是平原分散，分水嶺分割面積小，地下水的匯水面積普遍較小。地貌形態(tài)受構(gòu)造控制，分水嶺及主干河谷常以北東、北西及北北東方向為主，海岸線總體方向和主要干河呈交叉狀分布。這就要求按流域進(jìn)行系統(tǒng)性水文地質(zhì)、環(huán)境污染等綜合調(diào)查與研究。同時城市周邊1/5萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查較欠缺，應(yīng)盡快完善該部分的工作。

加強(qiáng)地?zé)豳Y源勘查評價，同時勘查新的地?zé)崴磪^(qū)、評價不同地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用的適宜性、科學(xué)統(tǒng)一管理全省地下熱水資源、研究開發(fā)新的地?zé)豳Y源形式等，提供一個成熟的技術(shù)流程、堅實的科學(xué)基礎(chǔ)和可靠的工作示范。

5.5今后工作建議

（1）開展縣市范圍內(nèi)的主要地下水供水地域調(diào)查，以應(yīng)對極端氣象條件下的工程取水目標(biāo)。

（2）開展地下水分散供水的水文地質(zhì)條件研究，解決廣大分散居住生活工作人員的地下水水源地。