發(fā)布時(shí)間：2022-03-02 15:06:37
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)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?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
模擬實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)驗(yàn)方法的探討，以發(fā)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的未知特性，更好地揭示其內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制。同時(shí)，研究者在科技論文中如何有效展示其模擬實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的效果，對(duì)提升論文價(jià)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(lái)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(shí)驗(yàn)方法的最新進(jìn)展特征，提出屬性依賴法與現(xiàn)場(chǎng)依賴法，為解決更復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問(wèn)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(shí)踐為基礎(chǔ)，在一定環(huán)境與條件下，將研究對(duì)象用其它手段進(jìn)行模仿的一種實(shí)驗(yàn)方法。該方法不直接涉及研究對(duì)象固有的現(xiàn)象與過(guò)程本身，而是設(shè)計(jì)一個(gè)和該現(xiàn)象與過(guò)程相似的模型，并通過(guò)該模型間接地呈現(xiàn)出該現(xiàn)象與過(guò)程。模擬實(shí)驗(yàn)的目的主要是便于經(jīng)濟(jì)地檢驗(yàn)、驗(yàn)證、再現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)或揭示該現(xiàn)象與過(guò)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(jì)算機(jī)模擬。
物理模擬是制作和某現(xiàn)象與過(guò)程相似的物理模型，并對(duì)該模型研究，獲取該現(xiàn)象與過(guò)程的特征。
計(jì)算機(jī)模擬是利用計(jì)算機(jī)對(duì)某現(xiàn)象與過(guò)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(guò)程的特征。計(jì)算機(jī)模擬有模型模擬和統(tǒng)計(jì)模擬兩種基本方法。
2.模擬實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)展特征
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)許多航空航天系統(tǒng)有越來(lái)越嚴(yán)格的性能要求[4-7]。為探索性能的未知特性，實(shí)時(shí)評(píng)估與預(yù)測(cè)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(dòng)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(duì)這些新問(wèn)題，現(xiàn)有研究所采用的模擬實(shí)驗(yàn)方法取得了許多進(jìn)展。
以近年來(lái)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(shí)驗(yàn)方法的最新進(jìn)展以依賴問(wèn)題的屬性信息和現(xiàn)場(chǎng)信息為特征，旨在求解動(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性等復(fù)雜問(wèn)題，根據(jù)對(duì)問(wèn)題信息的依賴特征，將現(xiàn)有的模擬實(shí)驗(yàn)方法歸納為屬性依賴法與現(xiàn)場(chǎng)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(gè)信息要素的模擬實(shí)驗(yàn)方法。
屬性是問(wèn)題的抽象刻畫(huà)，表示問(wèn)題的性質(zhì)與關(guān)系。性質(zhì)表示問(wèn)題的固有特征，關(guān)系表示不同問(wèn)題之間的性質(zhì)傳承與影響。
目標(biāo)屬性是期望得到的對(duì)問(wèn)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(gè)子屬性。若子屬性彼此獨(dú)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(wèn)題分解成低一層次的多個(gè)彼此獨(dú)立的子問(wèn)題，用基本模擬方法逐個(gè)解決各子問(wèn)題，最后融合出結(jié)果。這是一種化整為零、逐個(gè)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(gè)低一層次的獨(dú)立子屬性綜合構(gòu)成，則可以根據(jù)各獨(dú)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(dòng)機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)特征是相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。為此，文獻(xiàn)[7]綜合現(xiàn)有方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種振動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算出系統(tǒng)非線性響應(yīng)，并在兩個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子模擬裝置上進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的吻合性。
在這個(gè)案例中，非線性響應(yīng)特征問(wèn)題被分解為2個(gè)同層次的子問(wèn)題，即理論建模計(jì)算與模態(tài)實(shí)驗(yàn)，2個(gè)子問(wèn)題解答的融合是將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。可以看出，解決這2個(gè)子問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法分別是物理模擬和計(jì)算機(jī)模型模擬，經(jīng)過(guò)對(duì)2種模擬結(jié)果的對(duì)比檢驗(yàn)，最終推斷出航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性響應(yīng)的某些特征，為探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性動(dòng)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(wèn)題按屬性層次由低到高地分解成多個(gè)前后有聯(lián)系的子問(wèn)題，用基本模擬方法逐步解決各子問(wèn)題，最后直接得到結(jié)果。該方法的特點(diǎn)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(gè)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(jì)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(dòng)機(jī)的故障診斷技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)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(yàn)證故障檢測(cè)率、定位率與虛警率等指標(biāo)，從而無(wú)法定量評(píng)價(jià)故障診斷系統(tǒng)性能。這里的問(wèn)題是如何定量評(píng)價(jià)故障診斷系統(tǒng)性能?
為此，文獻(xiàn)[4]將問(wèn)題分解為混合卡爾曼濾波器組故障診斷理論，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)和故障診斷實(shí)驗(yàn)等3個(gè)不同層次的子問(wèn)題。這3個(gè)層次的進(jìn)化關(guān)系為：(1)用計(jì)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(dòng)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(duì)民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)，為故障診斷實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ);(3)基于故障診斷系統(tǒng)，用統(tǒng)計(jì)模擬法評(píng)價(jià)出發(fā)動(dòng)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(gè)子問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法分別是計(jì)算機(jī)模型模擬、物理模型模擬和統(tǒng)計(jì)模擬，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)性能的定量評(píng)價(jià)，為工程實(shí)踐提供了重要依據(jù)。
三、現(xiàn)場(chǎng)依賴法
現(xiàn)場(chǎng)依賴法是基于時(shí)間序列和參數(shù)序列的模擬實(shí)驗(yàn)方法，時(shí)間序列和參數(shù)序列統(tǒng)稱為序列。時(shí)間序列是將某現(xiàn)象的某一個(gè)指標(biāo)在不同時(shí)間上的各個(gè)數(shù)值按時(shí)間先后順序排列而形成的序列，序列中的信息與時(shí)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(shí)間沒(méi)有關(guān)系。
現(xiàn)場(chǎng)依賴法是指依賴于問(wèn)題真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特點(diǎn)是，在模擬實(shí)驗(yàn)中有現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息輸入、輸出與交流，可以及時(shí)矯正評(píng)估與預(yù)測(cè)結(jié)果。按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息特征，現(xiàn)場(chǎng)依賴法可以細(xì)分為時(shí)間序列依賴法與參數(shù)序列依賴法。
1.時(shí)間序列依賴法
時(shí)間序列依賴法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的輸入時(shí)間序列來(lái)實(shí)施輸出序列運(yùn)行軌跡評(píng)估與預(yù)測(cè)的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法。
不確定性的輸入時(shí)間序列干擾會(huì)導(dǎo)致輸出時(shí)間序列運(yùn)行軌跡發(fā)生未知的非線性與多變性演化，通過(guò)將外界的真實(shí)或模擬真實(shí)的時(shí)序干擾輸入模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲取輸出時(shí)間序列的演化響應(yīng)機(jī)制，及時(shí)預(yù)測(cè)與矯正其運(yùn)行軌跡，可以為真實(shí)航空航天系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將地球扁率與大氣阻力攝動(dòng)影響作為輸入時(shí)間序列，通過(guò)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(shí)間序列。其中，依賴的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息是經(jīng)模擬改進(jìn)的用某衛(wèi)星高精度加速度儀測(cè)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(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性時(shí)序特征，模擬軌道序列與衛(wèi)星實(shí)際軌道序列仍然保持一致，發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星運(yùn)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(chǎng)實(shí)時(shí)信息的輸入?yún)?shù)序列來(lái)實(shí)施輸出序列運(yùn)行軌跡評(píng)估與預(yù)測(cè)的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法。
常見(jiàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)序列取值應(yīng)該與真實(shí)系統(tǒng)的參數(shù)序列保持一致，才能可信賴地實(shí)施輸出序列運(yùn)行軌跡評(píng)估與預(yù)測(cè)。
例如，文獻(xiàn)[8]的衛(wèi)星在軌微振動(dòng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，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(duì)衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)特征的影響機(jī)制，為提高衛(wèi)星在軌微振動(dòng)地面模擬實(shí)驗(yàn)精度奠定了基礎(chǔ)。其中，依賴的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息是微振動(dòng)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(yǔ)
基于科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的屬性信息和現(xiàn)場(chǎng)信息特征，提出模擬實(shí)驗(yàn)的屬性依賴法與現(xiàn)場(chǎng)依賴法，可以解決動(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性問(wèn)題，為模擬實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展提供新思路。
模擬實(shí)驗(yàn)方法歸類為科學(xué)技術(shù)研究方法論，合理運(yùn)用屬性依賴法與現(xiàn)場(chǎng)依賴法可以有效地驗(yàn)證或再現(xiàn)研究對(duì)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(chǎng)依賴法產(chǎn)生的效果充分展示出來(lái)，能更好地突出研究成果的創(chuàng)新性。
【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(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【論文編號(hào)】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(dòng)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(guó)家中長(zhǎng)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(wèn)題的實(shí)踐能力；《2015地平線報(bào)告（初等教育版）》提到，未來(lái)1～2年運(yùn)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(guò)程中，存在教學(xué)資源不足、硬件設(shè)備不完善等問(wèn)題，大部分選修模塊無(wú)法開(kāi)設(shè)。在這樣的背景下，Algodoo 這一趣味仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)走進(jìn)了我們的視野，為更好地開(kāi)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(guó)外發(fā)展
Algodoo（譯名“愛(ài)樂(lè)多”）是一款2D仿真虛擬物理實(shí)驗(yàn)軟件，其英文名稱是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二維物理沙盒”，開(kāi)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(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力，并能夠突破收費(fèi)和編程知識(shí)缺乏等障礙。
以“Algodoo”為關(guān)鍵詞在外文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、谷歌學(xué)術(shù)等平臺(tái)檢索，得到的文獻(xiàn)資料大部分為對(duì)Algodoo及其他物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件的新聞報(bào)道類資料，僅有少部分是針對(duì)Algodoo進(jìn)行探究的。斯坦福大學(xué)的Tamar等人在第12屆互動(dòng)設(shè)計(jì)與兒童國(guó)際會(huì)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(dòng)時(shí)，學(xué)生參與建模會(huì)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(jì)了物理的拋體實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)控制角度和速度來(lái)觀察小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生對(duì)平拋有更形象的理解，同時(shí)鍛煉其分析歸納能力。Samir L. da Silva還介紹了其團(tuán)隊(duì)利用Algodoo進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的模擬和數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程，并提出Algodoo可以作為教師向?qū)W生展示物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工具，也可以作為高年級(jí)學(xué)生分析物理實(shí)驗(yàn)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(jì)課堂活動(dòng)，通過(guò)讓學(xué)生在電子白板上用手操作Algodoo來(lái)模擬天體運(yùn)動(dòng)。
2. 國(guó)內(nèi)發(fā)展
目前，Algodoo在中國(guó)大學(xué)以及中小學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用正在起步?；搓帋煼秾W(xué)院的陳樂(lè)老師利用Algodoo進(jìn)行了拱橋受力的物理模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，幫助學(xué)生了解拱橋設(shè)計(jì)原理。北京師范大學(xué)的韓蔚、項(xiàng)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(shí)驗(yàn)和天體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，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(jì)。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(yùn)動(dòng)等物理實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)中。湖北省武鋼三中的朱廣林老師對(duì)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(jué)老師（2015）將Algodoo用于拋體運(yùn)動(dòng)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(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，以趣味性的視覺(jué)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(chǎng)景工具面板、屬性面板、工具面板、工具選項(xiàng)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(chǎng)景和仿真實(shí)驗(yàn)控制、演示等功能；能夠精確形象地模擬實(shí)驗(yàn)，可以直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有助于學(xué)習(xí)由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)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(shí)現(xiàn)精度很高的物理仿真實(shí)驗(yàn)；Algodoo還可以實(shí)時(shí)顯示物體運(yùn)行軌跡、受力和速度等物理特征量，使數(shù)據(jù)分析動(dòng)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(shí)的物理模擬以最有效的方式激勵(lì)學(xué)生記住所學(xué)的知識(shí)，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(jiǎn)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(shí)的教學(xué)，如可以呈現(xiàn)光通過(guò)界面發(fā)生的反射、折射等物理現(xiàn)象，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)模擬多種受力實(shí)驗(yàn)以及模擬液體分子的布朗運(yùn)動(dòng)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(gè)層面中，包括教學(xué)準(zhǔn)備、課堂教學(xué)過(guò)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(lái)。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(jì)高中物理教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)讓學(xué)生在電子白板上動(dòng)手操作Algodoo來(lái)模擬天體運(yùn)動(dòng)，從而驗(yàn)證開(kāi)普勒定律。
首先，教師根據(jù)開(kāi)普勒三大定律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在課前建立太陽(yáng)系模型并繪制天體運(yùn)行軌道。在課程的一開(kāi)始，利用電子白板向?qū)W生展示太陽(yáng)系模型，引起學(xué)生們的注意和興趣。接下來(lái)，教師邀請(qǐng)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(yáng)運(yùn)動(dòng)。之后，教師繪制多個(gè)天體，使其圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，帶領(lǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，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(yùn)行的規(guī)律。最后，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象歸納開(kāi)普勒三大定律，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)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(lè)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(shí)施過(guò)程包含以下幾個(gè)階段：（1）提出問(wèn)題。師生共同討論后確定研究的切入點(diǎn)。（2）制作模型。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)方案，并制作仿真模型。（3）歸納解釋。學(xué)生對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)的獲得和知識(shí)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(guò)問(wèn)題解決來(lái)學(xué)習(xí)”。探究式學(xué)習(xí)就是學(xué)習(xí)者通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題而建構(gòu)知識(shí)的過(guò)程，以問(wèn)題為中心進(jìn)行學(xué)習(xí)是各種探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)的核心思路，有利于幫助學(xué)生提高靈活應(yīng)用知識(shí)的能力，形成有效的問(wèn)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(jì)了高中物理的拋體實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)控制角度和速度來(lái)觀察小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，使學(xué)生探究并發(fā)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。
Algodoo與其他教學(xué)軟件的對(duì)比與借鑒
1. Algodoo與WISE
WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美國(guó)國(guó)家教學(xué)基金會(huì)的資助下主持的“知識(shí)整合環(huán)境”研究計(jì)劃的主要成果。WISE的整個(gè)平臺(tái)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(huà)板
幾何畫(huà)板是適用于數(shù)學(xué)、平面幾何、物理的矢量分析、作圖的動(dòng)態(tài)幾何工具?？傮w來(lái)說(shuō)，幾何畫(huà)板在我國(guó)的使用范圍要比Algodoo廣，經(jīng)過(guò)分析得出了以下三個(gè)可能的原因：（1）教育部門(mén)的大力推廣，幾何畫(huà)板是全國(guó)中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心推廣使用的軟件之一；（2）幾何畫(huà)板比Algodoo操作更加簡(jiǎn)單，不會(huì)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(mén)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(huà)板的比較。
3. Algodoo與Scratch
Scratch是由麻省理工學(xué)院（MIT） 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款面向少年的簡(jiǎn)易編程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在國(guó)內(nèi)尚未廣泛流行的原因有以下幾點(diǎn)：（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(shí)驗(yàn)，而Scratch元件設(shè)置簡(jiǎn)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(lè)、藝術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域；（3）教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)難度高：Algodoo應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中，需要教師進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)尤其是情境創(chuàng)設(shè)這類活動(dòng)時(shí)難度較大，而Scratch則可以設(shè)計(jì)有趣的小故事引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行參與，通過(guò)豐富簡(jiǎn)單的功能實(shí)現(xiàn)有趣的效果。
小 結(jié)
1. Algodoo的優(yōu)勢(shì)
第一，實(shí)驗(yàn)?zāi)M促進(jìn)高效教學(xué)。 Algodoo可以對(duì)物理、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬，在熟悉軟件使用后，可以為教師節(jié)約實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的時(shí)間，將更多時(shí)間投入到教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)中。
第二，動(dòng)手搭建培養(yǎng)學(xué)生探索能力。Algodoo中的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以由學(xué)生自己來(lái)搭建、改進(jìn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和探索能力。
第三，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和知識(shí)探究的興趣。Algodoo無(wú)論是界面還是功能設(shè)計(jì)，都能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和持續(xù)進(jìn)行知識(shí)的興趣，能夠有效地提高課堂效率，同時(shí)把課堂延伸到學(xué)生的課余時(shí)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(duì)大部分物理教師而言，設(shè)計(jì)出符合物理實(shí)驗(yàn)要求的仿真實(shí)驗(yàn)，需要一定的操作能力。
二是教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)難度高。在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，需要綜合考慮Algodoo在教學(xué)中的應(yīng)用，不能只把其作為實(shí)驗(yàn)演示工具，還應(yīng)作為合作建模工具，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ā?/p>
三是國(guó)內(nèi)缺乏討論和共享的平臺(tái)。國(guó)內(nèi)受限于語(yǔ)言、網(wǎng)絡(luò)等因素，無(wú)法充分利用國(guó)外這一社區(qū)平臺(tái)，同時(shí)又缺乏國(guó)內(nèi)的社區(qū)平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化信息系統(tǒng)；中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）10-0028-7
1 研究背景
近年來(lái)，信息技術(shù)已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域，用“傳感器采集、計(jì)算機(jī)處理”數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)方式，不僅迫切而且有實(shí)施的可能。由上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(jì)的DISLab是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組合起來(lái)，共同完成對(duì)物理量測(cè)量的裝置，集物理測(cè)量、自動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]；該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有小型、簡(jiǎn)便、快捷等特點(diǎn)；該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)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(bǔ)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的空缺，具有很大的發(fā)展前景。DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身作為新生的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景，也是物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的首選。
DISLab是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程整合的重要載體。基于傳感器的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)踐總結(jié)了其四大特點(diǎn)，即數(shù)據(jù)采集“智能化”、數(shù)據(jù)處理“智能化”、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”和實(shí)驗(yàn)過(guò)程“可視化”[3]。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景
2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)介紹
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“是在學(xué)習(xí)物理規(guī)律之后進(jìn)行的，其目的在于驗(yàn)證物理規(guī)律的正確性，鞏固和加深對(duì)物理規(guī)律的理解”。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，思維比較聚合，實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量可以直接從驗(yàn)證的結(jié)論中獲得，指向性比較清楚。因此，這類實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵在于物理量的測(cè)量，從測(cè)量數(shù)據(jù)的分析中驗(yàn)證結(jié)論，認(rèn)識(shí)物理規(guī)律。
在物理教學(xué)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理規(guī)律、理解物理知識(shí)起到了重要的作用。但是，很多傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)存在不足，一些物理信號(hào)（如：聲音信號(hào)、電磁信號(hào)）是無(wú)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(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出各種信號(hào)，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(shí)驗(yàn)提供了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)思路?；菟雇姌蛴址Q單臂電橋（如圖1），是一種用比較法測(cè)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(shí)，通過(guò)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(cè)量電阻，這是高中物理電學(xué)教學(xué)中一個(gè)很有用的知識(shí)點(diǎn)。然而，學(xué)生對(duì)電橋平衡的理解總停留在理論分析層面，缺乏感性體驗(yàn)。另外，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量精度不夠，也為本平衡條件的驗(yàn)證增添了障礙。
2.2 探索性實(shí)驗(yàn)介紹
探索性實(shí)驗(yàn)“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(wèn)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(shí)，并培養(yǎng)學(xué)生的能力和學(xué)習(xí)方法”。在探索性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，思維比較發(fā)散，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案都需要實(shí)驗(yàn)者自主進(jìn)行，突出自主性[4]。這類實(shí)驗(yàn)更加注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。
探索性實(shí)驗(yàn)是新課改著重提出需要加強(qiáng)的一類實(shí)驗(yàn)，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(guò)程復(fù)雜，浪費(fèi)課堂時(shí)間。由于DISLab的引入，能夠快速呈現(xiàn)物理過(guò)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究。
在DISLab的基礎(chǔ)上，更多的實(shí)驗(yàn)可以實(shí)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(shí)用性，在物理知識(shí)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(shí)，多數(shù)只能從力的合成與分解入手，簡(jiǎn)單地理解為力的平衡，例如：二力平衡，三力平衡。而對(duì)力矩平衡的理解較難，對(duì)力矩平衡條件的理解，也停留在定態(tài)的思維中。同時(shí)，關(guān)于力矩平衡時(shí)剛體不同處支持力會(huì)發(fā)生變化也是一個(gè)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(cè)力計(jì)顯示，又因該知識(shí)點(diǎn)原本是一教學(xué)難點(diǎn)，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(lái)源于生活又高于生活，它是一種從生活中抽象出來(lái)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(shí)[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(duì)物理知識(shí)的理解及物理規(guī)律的掌握；物理知識(shí)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(diǎn)，即物理知識(shí)內(nèi)容大部分比較簡(jiǎn)單，但物理模型過(guò)于生活化，不易應(yīng)用。因此，抽象模型和測(cè)量數(shù)據(jù)成了這類實(shí)驗(yàn)的共同點(diǎn)。采用物理模擬原理抽象模型之后，將DISLab用于數(shù)據(jù)測(cè)量，一方面解決了測(cè)量上的難題，同時(shí)提高了測(cè)量精度；另一方面由于容易獲得大量數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)的分析處理，增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信程度。
生活知識(shí)是物理的基礎(chǔ)，同時(shí)也是物理實(shí)驗(yàn)的來(lái)源。靜脈輸液是常見(jiàn)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(shí)外，其中也包含了很多物理知識(shí)，例如：大氣壓強(qiáng)的知識(shí)，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(gè)聯(lián)系生活的實(shí)際問(wèn)題，即雙瓶連續(xù)輸液?jiǎn)栴}：思考輸液過(guò)程中兩瓶中的藥液如何變化，哪一瓶藥液先輸完？并說(shuō)明理由。對(duì)此問(wèn)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(shí)總存在一定困難。
3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)展示
3.1 物理規(guī)律，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：惠斯通電橋平衡條件
本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合“物理轉(zhuǎn)化原理”的設(shè)計(jì)思想[6]，通過(guò)測(cè)量電橋橋臂部分電壓和橋上電流，驗(yàn)證電橋平衡條件。實(shí)驗(yàn)在原有實(shí)驗(yàn)電路上稍加改動(dòng)，即將部分橋臂上的電阻以滑動(dòng)變阻器代替。從驗(yàn)證惠斯通平衡條件入手，幫助學(xué)生理解規(guī)律。
[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯
利用DISLab驗(yàn)證惠斯通電橋平衡條件，強(qiáng)化對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)。
[實(shí)驗(yàn)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(shì)相等（D為滑片），C、D間無(wú)電流通過(guò)。
[實(shí)驗(yàn)器材]
電壓傳感器2個(gè)，電流傳感器1個(gè)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，變阻箱2個(gè)（定值電阻10 Ω、15 Ω各1個(gè)），0～20 Ω滑動(dòng)變阻器，學(xué)生電源（電池組），開(kāi)關(guān)，導(dǎo)線等。
[實(shí)驗(yàn)裝置]
如圖2所示，將兩個(gè)變阻箱與滑動(dòng)變阻器連成電橋，調(diào)節(jié)R1=10 Ω，R2=15 Ω；在C點(diǎn)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(cè)量UAC和UAD。
[實(shí)驗(yàn)過(guò)程]
（1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，連接實(shí)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(jì)算機(jī)。
（3）啟動(dòng)DISLab，點(diǎn)擊“通用軟件”，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)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(shí)間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。
（4）傳感器調(diào)零，打開(kāi)學(xué)生電源，將電壓調(diào)為6 V；閉合開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，傳感器開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。
（5）將滑動(dòng)變阻器滑片D自右向左緩慢移動(dòng)至左端，同時(shí)得到“電壓-時(shí)間”“電流-時(shí)間”圖線，停止程序運(yùn)行并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖線。
[數(shù)據(jù)分析]
（1）如圖4，滑片D在右端時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)至某一位置時(shí)，UAC=UAD=2.30 V，I=0.00 A。即UCD=0，此時(shí)電橋上電流為零，電橋平衡。
（4）當(dāng)滑片D再緩慢向左移動(dòng)時(shí)，UAC 和UAD 均逐漸減小，而UC
（5）當(dāng)滑片D在左端時(shí)，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(shí)，
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(shí)驗(yàn)結(jié)論]
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電橋平衡時(shí)，電橋兩端電勢(shì)相等，橋上電流I=0。即R1：R2=R3：R4為電橋平衡條件。
[實(shí)驗(yàn)小結(jié)]
（1）體現(xiàn)“物理轉(zhuǎn)化原理”的設(shè)計(jì)思想――電橋狀態(tài)的改變，伴隨著電壓與電流的變化，通過(guò)對(duì)部分橋臂電壓和橋上電流的測(cè)量，分析電橋的狀態(tài)。
（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)創(chuàng)新――在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路基礎(chǔ)上，將部分橋臂以滑動(dòng)變阻器代替，實(shí)現(xiàn)電橋從不平衡到平衡之間的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
（3）結(jié)合DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新――電橋從不平衡到平衡之間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，因DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示及測(cè)量。外加上簡(jiǎn)便的理論推導(dǎo)，使學(xué)生在感性體驗(yàn)與理性分析兩方面均有收獲。
3.2 物理教材，探索性實(shí)驗(yàn)：平衡剛體的支持力探究
本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合“物理轉(zhuǎn)換原理”的設(shè)計(jì)思想[6]，當(dāng)剛體處于不同的力矩平衡狀態(tài)時(shí)，其支持力也會(huì)發(fā)生變化。現(xiàn)利用力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)定量顯示支持力的大小，探究力矩平衡時(shí)剛體不同處支持力的變化，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)顯示，加深對(duì)力矩平衡條件的理解，填補(bǔ)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)空白。
[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯
探究剛體平衡時(shí)不同處所受支持力的變化，加深力矩平衡條件的理解。
[實(shí)驗(yàn)原理]
剛體平衡時(shí)，外力的合力矩為零，即ΣM=0。
[實(shí)驗(yàn)器材]
力傳感器3個(gè)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，方木塊，鐵架臺(tái)（鐵夾）金屬桿。
[實(shí)驗(yàn)裝置]
如圖5所示，在鐵架臺(tái)上用鐵夾將金屬桿固定在水平位置。將兩個(gè)力傳感器倒置在金屬桿上，測(cè)力鉤豎直向上并在同一水平位置。將長(zhǎng)方體木塊對(duì)稱地放在兩測(cè)力鉤上，木塊保持豎直，背面輕輕靠近鐵架臺(tái)桿但無(wú)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(shí)驗(yàn)過(guò)程]
（1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，組裝實(shí)驗(yàn)儀器。
（2）將力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計(jì)算機(jī)。
（3）啟動(dòng)DISLab，點(diǎn)擊“通用軟件”，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)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(shí)間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。
（4）點(diǎn)擊“開(kāi)始”，兩個(gè)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(yùn)行。
（5）點(diǎn)擊“開(kāi)始”，讓兩個(gè)力傳感器測(cè)定支持力約10 s，然后用第三個(gè)力傳感器測(cè)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(gè)力傳感器的示數(shù)變化，停止程序運(yùn)行，同時(shí)保存拉力、壓力-時(shí)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(shí)，力傳感器測(cè)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(shí)，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(shí)刻兩個(gè)力傳感器壓力示數(shù)之和為定值，如圖7。
（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)力鉤與木塊接觸點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，兩個(gè)力傳感器測(cè)鉤間的距離為L(zhǎng)，右側(cè)細(xì)繩離木塊底部的高度為h，則有：
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)于任一確定的水平拉力F3，在上述理論推導(dǎo)中，通過(guò)測(cè)量具體的h、L值，由（3）式可以求得F1、F2的對(duì)應(yīng)理論值。當(dāng)水平拉力變化時(shí)，剛體不同處所受彈力是變化的，變化過(guò)程則由實(shí)驗(yàn)圖線得以清晰地實(shí)時(shí)顯示，如圖6。
[實(shí)驗(yàn)小結(jié)]
（1）轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)測(cè)量的操作創(chuàng)新――本實(shí)驗(yàn)將剛體用兩個(gè)傳感器支撐，使得剛體所受支持力能被方便測(cè)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(shí)，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(gè)）的力矩關(guān)系，因摩擦力力矩為零。
（2）結(jié)合DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新――力傳感器的使用，可以及時(shí)測(cè)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(shí)，本實(shí)驗(yàn)為高中力矩平衡時(shí)剛體不同處支持力的變化的教學(xué)提供了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)支持。
（3）提供創(chuàng)新多元化的設(shè)計(jì)思路――在這一類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，對(duì)于處于力矩平衡的剛體，除了可以測(cè)量支持力，還可以測(cè)量拉力、摩擦力、電磁力等。該思路可運(yùn)用到其他實(shí)驗(yàn)中。
3.3 聯(lián)系生活，趣味性實(shí)驗(yàn)：輸液中的物理知識(shí)解析
本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合“物理模擬原理”的設(shè)計(jì)思想，合理模擬靜脈輸液，利用壓強(qiáng)傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)顯示瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)，從而認(rèn)識(shí)其中蘊(yùn)含的物理知識(shí)。
[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯
利用DISLab測(cè)量模擬雙瓶連續(xù)輸液裝置中兩瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)，定量揭示輸液中的物理知識(shí)。
[實(shí)驗(yàn)原理]
當(dāng)溫度一定時(shí)，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(shí)驗(yàn)器材]
壓強(qiáng)傳感器2個(gè)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，自制模擬連續(xù)輸液裝置等。
[實(shí)驗(yàn)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(kāi)一個(gè)圓孔的兩個(gè)塑料瓶組成，塑料瓶固定在鐵架臺(tái)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(kāi)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(shí)驗(yàn)過(guò)程]
（1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，組裝實(shí)驗(yàn)儀器。
（2）將兩個(gè)壓強(qiáng)傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計(jì)算機(jī)。
（3）啟動(dòng)DISLab，點(diǎn)擊“通用軟件”，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)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(shí)間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。
（4）模擬單瓶輸液實(shí)驗(yàn)：
①將插在副瓶下端孔橡皮塞中的b管拔出、開(kāi)口向上置于大氣中，由主瓶單獨(dú)模擬單瓶輸液實(shí)驗(yàn)。
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(diǎn)擊“開(kāi)始”，壓強(qiáng)傳感器測(cè)量輸液前瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)。
④旋松a管小壓輪，通過(guò)a管滴液小窗口觀察到主瓶藥液快速流出，同時(shí)記錄瓶?jī)?nèi)藥液上方的氣體壓強(qiáng)。
⑤當(dāng)壓強(qiáng)變化到一定值時(shí)，輸液基本停止；松開(kāi)b管夾子K，使進(jìn)氣管與大氣相通，通過(guò)a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時(shí)記錄瓶?jī)?nèi)藥液上方氣體壓強(qiáng)的變化。
⑥一段時(shí)間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強(qiáng)-時(shí)間”圖線；見(jiàn)圖11。
（5）模擬雙瓶連續(xù)輸液實(shí)驗(yàn)：
①讓b管恢復(fù)連接主副兩瓶，c管開(kāi)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(shí)驗(yàn)。
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管夾住；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(guò)a管滴液小窗口觀察主瓶藥液，開(kāi)始較快流出后滴速變慢，最后輸液基本停止。
④點(diǎn)擊“開(kāi)始”，壓強(qiáng)傳感器分別測(cè)得兩瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)；同時(shí)松開(kāi)b管和c管的夾子K1、K2，通過(guò)a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時(shí)觀察主副瓶?jī)?nèi)液面的變化，并記錄瓶?jī)?nèi)藥液上方氣體壓強(qiáng)。
⑤一段時(shí)間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強(qiáng)-時(shí)間”圖線；見(jiàn)圖12。
[數(shù)據(jù)分析]
（1）模擬單瓶輸液實(shí)驗(yàn)，由圖11可知：
①模擬輸液前，主瓶?jī)?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?jī)?nèi)藥液減少，使氣體體積變小，氣體壓強(qiáng)變?。灰欢螘r(shí)間后，系統(tǒng)平衡，藥液基本停止流出，此時(shí)氣體壓強(qiáng)P2=99.44 kPa；利用玻意耳定律可計(jì)算，氣體體積相對(duì)增加量約為1.83%。
②松開(kāi)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(shí)，因氣體質(zhì)量增大使壓強(qiáng)瞬間增大，藥液重新開(kāi)始流出；此后以正常速度輸液時(shí)，氣體質(zhì)量不斷緩慢增加，液面緩慢下降，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定短時(shí)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(shí)測(cè)此時(shí)瓶?jī)?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(shí)驗(yàn)，由圖12可知：
①b管被夾住時(shí)，壓強(qiáng)傳感器1所測(cè)主瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)為主瓶已停止輸液、體積增大時(shí)的壓強(qiáng)值P1=97.50 kPa；壓強(qiáng)傳感器2所測(cè)氣體壓強(qiáng)為副瓶未工作時(shí)氣體壓強(qiáng)值P2=101.05 kPa。
②同時(shí)松開(kāi)b管和c管的夾子K1、K2，開(kāi)始時(shí)副瓶氣體壓強(qiáng)大于主瓶，藥液從副瓶流入主瓶，主瓶?jī)?nèi)氣體體積變小、壓強(qiáng)變?。辉谕饨缈諝馍形唇?jīng)c管進(jìn)入時(shí)，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(shí)，主瓶?jī)?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(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)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(shí)測(cè)此時(shí)副瓶?jī)?nèi)液面比主瓶?jī)?nèi)液面低約1.0 cm左右。
[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]
（1）單瓶輸液時(shí)，進(jìn)氣管作用十分重要，藥液輸入人體靜脈時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)因體積增大而減?。挥捎谕饨缈諝馔ㄟ^(guò)進(jìn)氣管及時(shí)進(jìn)入，使瓶?jī)?nèi)氣體質(zhì)量增加，因而氣體壓強(qiáng)能在相當(dāng)一段時(shí)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(shí)，主瓶輸出的藥液由副瓶補(bǔ)充，主瓶?jī)?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(shí)間內(nèi)，氣體質(zhì)量增加而保持壓強(qiáng)不變；在整個(gè)輸液過(guò)程中，待副瓶?jī)?nèi)的藥液全部輸完后主瓶才開(kāi)始輸液。雙瓶連續(xù)輸液的優(yōu)點(diǎn)在于能自動(dòng)補(bǔ)充藥液，減輕醫(yī)務(wù)人員的工作量，提高輸液效率。
[實(shí)驗(yàn)小結(jié)]
（1）體現(xiàn)“物理模擬原理”的設(shè)計(jì)思想――通過(guò)自制模擬連續(xù)輸液裝置，一方面鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)驗(yàn)觀察，也對(duì)學(xué)生從實(shí)例中認(rèn)識(shí)玻意耳定律，有一個(gè)更直觀的感受。
（3）結(jié)合DISLab實(shí)驗(yàn)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(guò)單瓶與雙瓶?jī)纱文M輸液實(shí)驗(yàn)，借助于壓強(qiáng)傳感器精確測(cè)定輸液過(guò)程中藥液上方氣體壓強(qiáng)值的變化規(guī)律，解決了長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)難點(diǎn)，取得理想的實(shí)驗(yàn)效果。
4 結(jié) 語(yǔ)
基于DIS的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，作為數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合，其本身就是一種創(chuàng)新。馮容士先生指出：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)承載著創(chuàng)新性教育的重任，將實(shí)驗(yàn)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(guò)來(lái)再用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，即對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以及創(chuàng)新思維的激發(fā)。
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【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)教學(xué)應(yīng)用;模擬仿真實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì)
【中圖分類號(hào)】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009―8097(2010)06―0132―03
一 引言
模擬仿真實(shí)驗(yàn)作為計(jì)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建中的模型創(chuàng)建和教學(xué)設(shè)計(jì)存在一些普遍問(wèn)題,表現(xiàn)在抽象模型,交互性、針對(duì)現(xiàn)象反饋和教學(xué)性能方面。我們所開(kāi)發(fā)的模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),正確地運(yùn)用了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全新的面向?qū)W習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境。
二 模擬仿真實(shí)驗(yàn)
模擬是指在交互控制狀態(tài)下,對(duì)某種現(xiàn)象或過(guò)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(guò)程變化的模擬;程序性和情形性的模擬。在計(jì)算機(jī)輔助真實(shí)現(xiàn)象的模擬教學(xué)模式中,物理現(xiàn)象的模擬是將一個(gè)真實(shí)的現(xiàn)象或過(guò)程的某種規(guī)律在屏幕上表現(xiàn)出來(lái),以供學(xué)習(xí)者去學(xué)習(xí)和研究,如表現(xiàn)光線通過(guò)透鏡的成像規(guī)律,光線通過(guò)棱鏡的傳播等問(wèn)題。過(guò)程變化的模擬,通常是為學(xué)習(xí)者說(shuō)明解釋一個(gè)不會(huì)明顯表現(xiàn)出來(lái)的過(guò)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(gè)構(gòu)成過(guò)程的行為或動(dòng)作順序,它的主要特點(diǎn)是有一個(gè)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(duì)某種情形探索,用不同方法或扮演不同的角色時(shí),所產(chǎn)生的影響并實(shí)時(shí)地表現(xiàn)出來(lái)。其中物理現(xiàn)象和過(guò)程變化的模擬,最常見(jiàn)的一種就是模擬仿真實(shí)驗(yàn)。
三 模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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(guò)程,并實(shí)時(shí)地加以顯示。在所建立的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境中,不但能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)觀察到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的現(xiàn)象或結(jié)果,還可以清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)發(fā)生和現(xiàn)象演變的過(guò)程、擴(kuò)大或縮小觀察空間、減慢或加快時(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn),隨時(shí)觸發(fā)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的說(shuō)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(guò)程的效率,使抽象的概念、規(guī)則和原理變得簡(jiǎn)單易學(xué)。同時(shí)可以做到及時(shí)糾正實(shí)驗(yàn)中所犯的錯(cuò)誤,絕對(duì)避免了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可能帶來(lái)的可怕后果。
那么,在設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),要充分考慮其教學(xué)設(shè)計(jì),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(diǎn),建立以計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的學(xué)習(xí)情境。模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),能夠在交互控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)象、過(guò)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(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、變化過(guò)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(jì)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(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)的過(guò)程,進(jìn)行討論和探究來(lái)完成意義建構(gòu),在探索的環(huán)境和氣氛中實(shí)現(xiàn)有目的學(xué)習(xí)[2]。設(shè)計(jì)要能夠完全反映真實(shí)現(xiàn)象的整個(gè)過(guò)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(guò)程科學(xué)、結(jié)果真實(shí)、數(shù)據(jù)可靠等。能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示進(jìn)行多次重復(fù),以利于對(duì)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(shí)際實(shí)驗(yàn)中難以或根本觀察不到的實(shí)驗(yàn)發(fā)生過(guò)程和微觀內(nèi)部機(jī)制,并通過(guò)形象的表現(xiàn)揭示其中內(nèi)涵、規(guī)律;實(shí)現(xiàn)對(duì)某些實(shí)驗(yàn)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(shí)質(zhì)問(wèn)題突出地展示出來(lái);通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對(duì)照類比等。這對(duì)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(huì)起到非常關(guān)鍵的作用。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和教學(xué)性能設(shè)計(jì)目標(biāo),可以將實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)成介紹部分、呈現(xiàn)現(xiàn)象、交互活動(dòng)、系統(tǒng)修改、系統(tǒng)反饋和結(jié)束。為了便于說(shuō)明和設(shè)計(jì),這里主要從以下幾個(gè)方面討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所涉及的問(wèn)題。
(1)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明與幫助
說(shuō)明包括本專題的教學(xué)意圖、演示項(xiàng)目和教學(xué)建議的總的扼要文字說(shuō)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(guò)程不知所措;幫助應(yīng)實(shí)現(xiàn)在線幫助,即在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以隨時(shí)激活、瀏覽一個(gè)幫助窗口,提醒學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行特別提示和探究引導(dǎo)。例如,在單擺實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)基本模型,是從真實(shí)實(shí)驗(yàn)抽象出關(guān)鍵的要素,能夠用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)應(yīng)抓住實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本質(zhì)的真實(shí)程度。例如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中在確定單擺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí),只考慮擺長(zhǎng)和重力加速度對(duì)單擺周期的影響,而忽略空氣阻力的作用;只考慮擺線長(zhǎng)度,擺球質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的變化,而忽略具體變化擺線長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)過(guò)程,擺球質(zhì)量的稱量過(guò)程和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的轉(zhuǎn)移過(guò)程。擺動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)范圍足以表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,擺線長(zhǎng)度的變化范圍在35cm-106cm之間(地面上擺的擺長(zhǎng)約99.4cm),利用滑塊變化技術(shù)即時(shí)調(diào)節(jié)擺長(zhǎng);擺球質(zhì)量有20g、30g、40g、50g幾種。地點(diǎn)有柏林、北京、新加坡、月球等可供選擇。每次變化擺長(zhǎng)、質(zhì)量、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù),完全按照單擺周期公式反映了對(duì)周期的影響。真實(shí)單擺實(shí)驗(yàn)的擺球運(yùn)動(dòng)軌跡是弧形的,其擺動(dòng)過(guò)程是連續(xù)的,而模擬擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)卻是跳躍的、間斷的,但在計(jì)算機(jī)程序代碼運(yùn)行時(shí)利用了人的視覺(jué)反應(yīng)時(shí)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(jiǎn)單。模型的構(gòu)造是為了計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)上的考慮,對(duì)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(jué)反應(yīng)期間能對(duì)模擬現(xiàn)象的連續(xù)變化的描述;分立性是指通過(guò)一些分立的量來(lái)表現(xiàn)現(xiàn)象的某種規(guī)律或規(guī)則;邏輯性是指對(duì)模擬現(xiàn)象表現(xiàn)過(guò)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(gè)模式構(gòu)造中要既分開(kāi)獨(dú)立找到特有影響因素或相關(guān)量,又要統(tǒng)籌考慮對(duì)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(shí)驗(yàn)控制操作有關(guān)的交互性,涉及到的因素有:模擬中的每個(gè)對(duì)象、每一個(gè)物理量;所遵從的規(guī)律規(guī)則;現(xiàn)象的精確性;實(shí)現(xiàn)的順序;幾種解決方案;時(shí)間幀;學(xué)習(xí)者的角色扮演等。在模型確立過(guò)程中,要嚴(yán)格地按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)要注意模擬現(xiàn)象對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,物距與像距是相對(duì)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(wú)需由于變化透鏡位置給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量帶來(lái)麻煩和不便。基于這樣的考慮,要求透鏡固定放在60厘米處,對(duì)于焦距是10、15、20厘米來(lái)講,物的放置范圍在060厘米之間,物可放在此區(qū)間的任何位置,屏在0110厘米的區(qū)間內(nèi)通過(guò)任意移動(dòng),來(lái)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(duì)應(yīng)關(guān)系及物像大小的變化規(guī)律等。設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)學(xué)抽象既簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真研究,確定主要變量;找出實(shí)驗(yàn)中的各種內(nèi)部聯(lián)系和關(guān)系;確定實(shí)驗(yàn)約束條件;根據(jù)有關(guān)學(xué)科規(guī)定使用符號(hào)或代號(hào);簡(jiǎn)化和檢查實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?看它是否可以表現(xiàn)出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示
把模擬現(xiàn)象真實(shí)表現(xiàn)出來(lái),既要考慮讓學(xué)習(xí)者看見(jiàn)的,又要考慮聽(tīng)見(jiàn)的,同時(shí)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(shuō)明某個(gè)概念。一般情況下,物理模擬主題,通常是觀察現(xiàn)象或通過(guò)現(xiàn)象總結(jié)出某種規(guī)律。情形性模擬主題,通常要說(shuō)明某種概念;而程序性和過(guò)程模擬通常兩者都包括。其次考慮模擬中項(xiàng)目或儀器的選擇,操作對(duì)象,對(duì)事件作出的反應(yīng),對(duì)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(shí)性,這就需要充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù),做到生動(dòng)、直觀、形象真實(shí)。如真實(shí)摩擦力實(shí)驗(yàn)中,摩擦力不是直接看到的,而在模擬實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,類似于閃光照相技術(shù),提供了每隔1/30秒在落體瞬時(shí)位置打點(diǎn)的方法,直觀展示出在相同時(shí)間間隔內(nèi),落體的位移變化情況,同時(shí)將數(shù)據(jù)記錄在表格中,以利進(jìn)一步研究和計(jì)算;在楞次定律的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中,磁感線是不能直接觀察到的,但在模擬物理實(shí)驗(yàn)中則根據(jù)需要讓學(xué)習(xí)者生動(dòng)、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,在動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)上應(yīng)采用定時(shí)處理,既做到模擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)際的現(xiàn)象相一致,又做到模擬的過(guò)程與實(shí)際的過(guò)程相一致。同時(shí)注意動(dòng)畫(huà)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(mén)為其具有教學(xué)性能而展示。
4 交互性設(shè)計(jì)
模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)有效,越具吸引力。模擬實(shí)驗(yàn)有別于一般演示實(shí)驗(yàn),體現(xiàn)在它具有較強(qiáng)的交互性,主要反映在用戶對(duì)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(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn)。可表現(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(huà)面顯示狀態(tài)、計(jì)算步長(zhǎng)等等。如模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,在交互性方面體現(xiàn)在:可將物、透鏡和屏拖動(dòng)至光具座的相應(yīng)位置上,且可對(duì)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(dòng),使學(xué)習(xí)者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系與規(guī)律。同時(shí)允許學(xué)習(xí)者隨時(shí)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(duì)問(wèn)題的深入研究探討。
控制功能要靈活方便,設(shè)計(jì)時(shí)注意參數(shù)的調(diào)節(jié)過(guò)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(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏、光筆和語(yǔ)音等。因?yàn)閷W(xué)習(xí)者的參與主要靠靈活方便的控制來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)提供一定的實(shí)驗(yàn)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(shí)的拓寬[3]。
5 顯示與反饋
當(dāng)對(duì)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(gè)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(duì)當(dāng)前狀態(tài)的說(shuō)明解釋。對(duì)于前一類情況,應(yīng)能隨時(shí)顯示改變參數(shù)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即可以實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中除了在屏上觀察像外,可隨時(shí)激活圖標(biāo)顯示正面畫(huà)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(duì)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(guò)探究而得出結(jié)論。
四 模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用
對(duì)于模擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)情境,啟發(fā)學(xué)習(xí)者主動(dòng)探討研究,完全像做實(shí)驗(yàn)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(lái),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(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師再也不會(huì)感到物理難教,一些原來(lái)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(shí)驗(yàn)中實(shí)實(shí)在在地動(dòng)態(tài)顯示出來(lái),便于講解。從學(xué)習(xí)者角度也不會(huì)再感到物理難學(xué),原來(lái)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(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)思考后得出結(jié)論。對(duì)學(xué)習(xí)者而言,完全可以獨(dú)立或與學(xué)習(xí)伙伴一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用系統(tǒng)關(guān)鍵提示和解釋,實(shí)現(xiàn)探究學(xué)習(xí)。因此,利用這樣的模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí),不再是“被教會(huì)”。
五 結(jié)論
通過(guò)結(jié)合作者開(kāi)發(fā)的模擬物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐,文章探討了模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其教學(xué)設(shè)計(jì)的方法,由于不同學(xué)科有其自身的特點(diǎn),在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體處理,但總體目標(biāo)都是要求實(shí)現(xiàn)隨時(shí)觀察到與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相同的現(xiàn)象或結(jié)果。歸納為以下幾點(diǎn):(1)模型構(gòu)建時(shí)要簡(jiǎn)潔,抓住最基本要素,排除非本質(zhì)的東西。(2)實(shí)驗(yàn)要有很強(qiáng)交互性。(3)模擬過(guò)程要清晰、可重復(fù)。(4)模擬的結(jié)果要真實(shí)可信。(5)現(xiàn)象呈現(xiàn)時(shí)關(guān)鍵幀有說(shuō)明解釋。(6)有學(xué)習(xí)指導(dǎo)和使用說(shuō)明。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的模擬仿真實(shí)驗(yàn),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(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)用于教育教學(xué),特別是模擬實(shí)驗(yàn)這種教學(xué)模式,必將在教學(xué)和學(xué)習(xí)中發(fā)揮愈來(lái)愈大的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 李云程.探討制約CAI開(kāi)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].中國(guó)電化教育, 2000,(3):40-42.
【關(guān)鍵詞】研究性實(shí)（試）驗(yàn) 學(xué)科專業(yè)理論 工程實(shí)踐 裝備保障
近年來(lái)，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(dòng)，在校區(qū)反響強(qiáng)烈，理論深入人心，成績(jī)有目共睹。誠(chéng)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(gè)方面，一是對(duì)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(shí)體和制度建設(shè)，這是共識(shí)，同時(shí)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(duì)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(duì)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(diǎn)討論第二個(gè)問(wèn)題。
一、學(xué)科專業(yè)理論與工程實(shí)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(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，學(xué)科專業(yè)理論與工程實(shí)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(lái)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)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(shí)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(shí)卻與實(shí)際的裝備保障實(shí)踐相脫節(jié)，沒(méi)有發(fā)揮出作用，甚至不知道怎么發(fā)揮！
近年來(lái)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(yùn)用學(xué)科專業(yè)理論去解決裝備保障中的重大問(wèn)題是兩個(gè)層面的問(wèn)題。
由于設(shè)備型號(hào)多，要做到深層次熟悉設(shè)備還需要一個(gè)過(guò)程。以故障分析任務(wù)為例，教員要分析好一個(gè)故障，不但要對(duì)設(shè)備操作使用熟練，對(duì)故障現(xiàn)象清楚，還要對(duì)設(shè)備內(nèi)部電路工作原理甚至某個(gè)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(yùn)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。現(xiàn)實(shí)情況是設(shè)備更新和換代快，功能越來(lái)越完善，電路結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，集成化程度也越來(lái)越高，這就要求教員靜下心來(lái)花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)摸索設(shè)備特點(diǎn)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(gè)裝備教員掌握裝備保障的一個(gè)大體過(guò)程，周期較長(zhǎng)。
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(duì)伍，他們蓄勢(shì)待發(fā)，另一方面，新裝備保障中有許多重大故障問(wèn)題急需解決。目前看，只有開(kāi)展研究性實(shí)（試）驗(yàn)才能較好地將兩個(gè)方面結(jié)合起來(lái)，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(shí)（試）驗(yàn)是學(xué)科專業(yè)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的橋梁
研究性實(shí)（試）驗(yàn)是通過(guò)實(shí)（試）驗(yàn)的方法檢驗(yàn)理論正確與否的過(guò)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(guò)建立各種模型、仿真得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)最逼近理論數(shù)據(jù)的模型，就是工程實(shí)現(xiàn)的最佳方法，所以說(shuō)研究性實(shí)（試）驗(yàn)本身就是理論做先導(dǎo)的工程實(shí)踐。研究性實(shí)（試）驗(yàn)可以分為三個(gè)類型：即基礎(chǔ)性研究實(shí)（試）驗(yàn)、應(yīng)用基礎(chǔ)性實(shí)研究（試）驗(yàn)和和應(yīng)用性研究實(shí)（試）驗(yàn)?；A(chǔ)性研究實(shí)（試）驗(yàn)是指擬以認(rèn)識(shí)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(shí)（試）驗(yàn)；應(yīng)用基礎(chǔ)型研究實(shí)（試）驗(yàn)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(shí)（試）驗(yàn)；應(yīng)用性研究實(shí)（試）驗(yàn)則指為某種具體的實(shí)用目標(biāo)提供技術(shù)管理、方法和途徑的研究實(shí)（試）驗(yàn)。
任職教育院校教員可以立足于實(shí)驗(yàn)室，以開(kāi)展應(yīng)用性研究實(shí)（試）驗(yàn)的方法開(kāi)展工程實(shí)踐。將教學(xué)和科研過(guò)程中遇到的難以理解的理論問(wèn)題，通過(guò)做實(shí)（試）驗(yàn)加以驗(yàn)證；將有關(guān)部門(mén)反饋過(guò)來(lái)的設(shè)備故障等各種疑難問(wèn)題，以實(shí)（試）驗(yàn)的方法進(jìn)行情景再現(xiàn)，運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行科學(xué)分析研究，則容易將簡(jiǎn)單、孤立的問(wèn)題上升到一定的理論高度。通過(guò)開(kāi)展這種研究性實(shí)（試）驗(yàn)，能夠架設(shè)起學(xué)科專業(yè)理論與工程實(shí)踐的橋梁，促使我們不斷更新已掌握的理論知識(shí)、不斷改進(jìn)工程實(shí)踐的方式和方法。理論更新和工程實(shí)踐改進(jìn)相輔相成，互相促進(jìn)。
工程實(shí)踐需要學(xué)專業(yè)理論的指導(dǎo)，同時(shí)工程實(shí)踐也能夠促進(jìn)理論成果的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化，工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題和不足，促使我們不斷地獲取新知識(shí)，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(shí)踐相結(jié)合的過(guò)程進(jìn)行歸納和整理，便產(chǎn)生了學(xué)術(shù)成果。
三、開(kāi)展與裝備保障結(jié)合密切的研究性實(shí)（試）驗(yàn)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(duì)裝備檢測(cè)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(lái)源于基層，也不能來(lái)源于書(shū)本，只能是通過(guò)開(kāi)展應(yīng)用性研究實(shí)（試）驗(yàn)來(lái)逐步掌握。
（一）建設(shè)研究性實(shí)驗(yàn)室或在已有裝備實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上增加研究功能
開(kāi)展與裝備保障密切結(jié)合的研究性實(shí)（試）驗(yàn)，前提必須要有研究性實(shí)驗(yàn)室。研究性實(shí)驗(yàn)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?yàn)樾卵b備保障服務(wù)為目標(biāo)。
新建的研究性實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具有完善的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shì)。實(shí)現(xiàn)方式就是軟件仿真和硬件模擬，或軟硬結(jié)合。要在實(shí)驗(yàn)室能夠做到：在裝備通電工作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在原理功能仿真中分析問(wèn)題，在理論與實(shí)際電路結(jié)合的過(guò)程中解決問(wèn)題。
（二）依托研究性實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展與新裝備保障密切相關(guān)的研究性實(shí)（試）驗(yàn)
開(kāi)展研究性實(shí)（試）驗(yàn)必須密切結(jié)合本專業(yè)理論，并以裝備保障重大理論問(wèn)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(wú)線電羅盤(pán)定向系統(tǒng)故障?；鶎油久枋龉收犀F(xiàn)象是：通電檢查時(shí)，在“羅盤(pán)”位置不能自動(dòng)定向，耳機(jī)無(wú)聲音；在“收訊”狀態(tài)，耳機(jī)無(wú)聲音；在“環(huán)”狀態(tài)，耳機(jī)無(wú)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(pán)電原理圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)羅盤(pán)工作信號(hào)流程特點(diǎn)，三種工作狀態(tài)信號(hào)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(huì)導(dǎo)致檢波器輸出的可變相位信號(hào)不正常，進(jìn)而引起自動(dòng)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(huà)出該無(wú)線電羅盤(pán)電路圖并加上模擬信號(hào)，還原羅盤(pán)故障現(xiàn)象，根據(jù)羅盤(pán)接收中測(cè)試點(diǎn)的位置，在相應(yīng)的電路模塊中設(shè)置故障，并在測(cè)試點(diǎn)采用故障樹(shù)法逐個(gè)測(cè)試，故障樹(shù)如下圖1所示。最后將仿真結(jié)果反饋到相應(yīng)部門(mén)，根據(jù)該仿真結(jié)果對(duì)照故障羅盤(pán)接收機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)，最終得出結(jié)論是4BG4三極管損壞。
圖1某型無(wú)線電羅盤(pán)超外差接收機(jī)測(cè)試故障圖
1.1水文地質(zhì)學(xué)科涵義與研究對(duì)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(yíng)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(guó)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(shí)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(dòng)相互作用下地下水水量和水質(zhì)的時(shí)空變化規(guī)律以及如何運(yùn)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(yùn)動(dòng)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(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)及其合理利用，地下水對(duì)工程建設(shè)和礦山開(kāi)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(diǎn)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(dòng)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(lái)，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(duì)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(wèn)題迅速增長(zhǎng)。
水文地質(zhì)學(xué)是從尋找和利用地下水源開(kāi)始發(fā)展的，圍繞實(shí)際應(yīng)用，逐漸開(kāi)展了理論研究，目前已形成了一系列分支。
1.4.1地下水動(dòng)力學(xué)
地下水動(dòng)力學(xué)是研究地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討地下水量、水質(zhì)和溫度傳輸?shù)挠?jì)算方法，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(gè)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(guò)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(píng)價(jià)。合理開(kāi)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(shí)地下水涌入礦坑的條件，預(yù)測(cè)礦坑涌水量以及其它與采礦有關(guān)的水文地質(zhì)問(wèn)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(wèn)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?lái)取暖、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(kāi)發(fā)方法等，是水文地?zé)釋W(xué)的研究?jī)?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(shí)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(shí)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(shí)相應(yīng)發(fā)展起來(lái)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(gè)地區(qū)水循環(huán)的強(qiáng)度與頻率，往往決定著地下水的補(bǔ)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(jiǎn)史
人們?cè)缭谶h(yuǎn)古時(shí)代就已打井取水。中國(guó)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(shí)期在德黑蘭附近修建了坎兒井，最長(zhǎng)達(dá)26公里，最深達(dá)150米。約公元前250年，在中國(guó)四川，為采地下鹵水開(kāi)鑿了深達(dá)百米以上的自流井。中國(guó)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(guò)程中，人們也探索了地下水的來(lái)源。法國(guó)帕利西、中國(guó)徐光啟和法國(guó)馬略特，先后指出了井泉水來(lái)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(guó)水力工程師達(dá)西，進(jìn)行了水通過(guò)砂的滲透試驗(yàn)，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(guó)裘布依以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，提出計(jì)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(guó)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(kāi)始應(yīng)用映射法。
19世紀(jì)末20世紀(jì)初，對(duì)地下水起源又提出了一些新的學(xué)說(shuō)。奧地利修斯于1902年提出了初生說(shuō)。美國(guó)萊恩、戈登和俄國(guó)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(shí)生成的沉積水。1912年，德國(guó)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(guó)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(jì)算推進(jìn)到了一個(gè)新階段。20世紀(jì)中葉，蘇聯(lián)奧弗琴尼科夫和美國(guó)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(shí)，在地下水的賦存、運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)給、排泄、起源以至化學(xué)成分變化、水量評(píng)價(jià)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(mén)成熟的學(xué)科。
20世紀(jì)中葉以來(lái)，合理開(kāi)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(wèn)題，越來(lái)越引起人們的重視。同時(shí)，人們對(duì)某些地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)程有了新的認(rèn)識(shí)。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(guó)博爾頓和美國(guó)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(cè)地下水運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室物理模擬，40年代末發(fā)展起來(lái)的電網(wǎng)絡(luò)模擬，到50—60年代在解決水文地質(zhì)問(wèn)題中得到應(yīng)用。
由于電子計(jì)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(wèn)題的主要手段。同時(shí)，同位素方法在確定地下水平均貯留時(shí)間，追蹤地下水流動(dòng)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(wèn)題。對(duì)于地下水中污染物的運(yùn)移和開(kāi)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(lái)，加拿大的托特提出了地下水流動(dòng)系統(tǒng)理論，為水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展開(kāi)拓了新的發(fā)展前景。
2.2國(guó)外水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀
水文地質(zhì)學(xué)是一門(mén)年輕的學(xué)科，它是基于地下水在地質(zhì)單元內(nèi)運(yùn)移時(shí)所發(fā)生的物理和化學(xué)變化而發(fā)展起來(lái)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(shí)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(guó)水文地質(zhì)學(xué)理論原則（A.Hazen，C.Slichter，F(xiàn).King，O.Mainzer等），美國(guó)水文地質(zhì)科學(xué)家發(fā)展了實(shí)用水文地質(zhì)學(xué)的應(yīng)用。與此同時(shí)，德國(guó)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(guó)人對(duì)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(mén)比較完整、系統(tǒng)的獨(dú)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(gè)分支，是跨越于地質(zhì)科學(xué)和水文學(xué)之問(wèn)的一門(mén)獨(dú)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(dòng)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(dòng)對(duì)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(wèn)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(guò)去的幾十年中，國(guó)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(kāi)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(guò)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(shí)，每種期刊上論文的數(shù)量和內(nèi)容也顯著增加。
國(guó)際水文地質(zhì)大會(huì)是公認(rèn)的比較權(quán)威的世界級(jí)水文地質(zhì)會(huì)議，至今已經(jīng)召開(kāi)了39屆（2011年在泰國(guó)舉行）。其中2006年10月9日在我國(guó)北京舉行的第34屆國(guó)際水文地質(zhì)大會(huì)是繼1988年在廣西桂林舉辦的第21屆國(guó)際水文地質(zhì)大會(huì)之后，再次在中國(guó)舉辦。此次大會(huì)又恰逢國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)成立50周年慶典，是國(guó)際水文地質(zhì)發(fā)展史上的重要里程碑。此次會(huì)議以“地下水的現(xiàn)狀與未來(lái)”為主題，圍繞全球地下水問(wèn)題與需求、中國(guó)地下水的現(xiàn)狀與未來(lái)等開(kāi)展交流與研討，展示全球、亞洲和中國(guó)水文地質(zhì)成果及新一輪國(guó)土資源大調(diào)查的水文地質(zhì)工作進(jìn)展。
在國(guó)際上，美國(guó)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(zhǎng)期居于國(guó)際領(lǐng)先地位，影響和引導(dǎo)了國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展方向。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了多個(gè)項(xiàng)目，開(kāi)始對(duì)有害物質(zhì)水文過(guò)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(shí)現(xiàn)了水文地質(zhì)調(diào)查成果全國(guó)共享；在法國(guó)，各種公共管理部門(mén)、盆地基金機(jī)構(gòu)和地質(zhì)調(diào)查部門(mén)，通過(guò)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(wèn)題。目的是讓大家了解各種生產(chǎn)活動(dòng)給自然資源帶來(lái)的嚴(yán)重影響，提高對(duì)地下水和當(dāng)前共同利益的認(rèn)識(shí)，解釋那些按公眾意愿制定的政策和收費(fèi)規(guī)定。在總體研究結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)地下水變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)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(chǎng)應(yīng)用于研究地下水循環(huán)，而這是我國(guó)學(xué)者地下水循環(huán)研究中一直忽視的一個(gè)主要因素。在歐洲，生態(tài)水文學(xué)的研究已經(jīng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，各國(guó)之間的聯(lián)系及對(duì)比研究較多。冰島是世界上地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用率較高的國(guó)家之一，地?zé)岚l(fā)電站裝機(jī)容量總計(jì)200 MWe，排名世界第8位，87%的家庭使用地?zé)崛∨Ｓ捎诮?jīng)濟(jì)發(fā)展所處的階段不同，國(guó)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(gè)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(gè)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(lái)。目前，水文地質(zhì)處于轉(zhuǎn)折時(shí)期，由發(fā)現(xiàn)并最大程度的開(kāi)發(fā)利用新資源轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠淼毓芾硭鼈儯@對(duì)于人類和其它生物來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。
2.3國(guó)內(nèi)水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)人民早在4000年前的龍山文化時(shí)期就已經(jīng)鑿井開(kāi)發(fā)利用地下水了，但直到建國(guó)前，從事水文地質(zhì)工作的人員極少，幾乎沒(méi)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(guó)后，水文地質(zhì)事業(yè)才得到了較大發(fā)展。
我國(guó)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(guó)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(guò)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(shì)?？?966年開(kāi)始的10年動(dòng)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(duì)，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(kāi)拓的新時(shí)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(kāi)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(guò)《鐘山地質(zhì)與南京井水供給的關(guān)系》一文，這是我國(guó)早期的重要水文地質(zhì)文獻(xiàn)之一。同時(shí)。西安、蘭州等城市也相繼完成了部分水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)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(guó)的成立，為水文地質(zhì)工程地質(zhì)事業(yè)開(kāi)辟了廣闊的前景。1956年3月，地質(zhì)部召開(kāi)了第一屆全國(guó)水文地質(zhì)工程地質(zhì)協(xié)作會(huì)議。50年代的中后期，地質(zhì)部已在各地區(qū)建立了23個(gè)水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，職工已達(dá)11000人，包括地質(zhì)、鉆探、化驗(yàn)等各個(gè)兵種，并開(kāi)始應(yīng)用物探手段。在此期間基本完成了我國(guó)主要平原地區(qū)1：20萬(wàn)水文地質(zhì)普查近100×104km2；編制了一些全國(guó)性水文地質(zhì)圖件；進(jìn)行了30多個(gè)城市和工業(yè)基地的供水水文地質(zhì)勘探；建立了40多個(gè)地下長(zhǎng)期觀測(cè)站；在近1000個(gè)礦區(qū)開(kāi)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)陷入嚴(yán)重困難境地，整個(gè)地質(zhì)工作的發(fā)展，也同樣受到嚴(yán)重影響。地質(zhì)部門(mén)專業(yè)隊(duì)伍經(jīng)過(guò)調(diào)整，重新組建了個(gè)直屬大隊(duì)，分別承擔(dān)北京市城市建設(shè)、上海地面沉降、長(zhǎng)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(guó)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(guó)水文地質(zhì)在地?zé)帷⑥r(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(kāi)展了環(huán)境水文地質(zhì)工作。各省廣泛開(kāi)展區(qū)域地下水資源的評(píng)價(jià)，比較普遍地應(yīng)用了電子計(jì)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(píng)價(jià)方向發(fā)展，逐步采用先進(jìn)的測(cè)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(guó)性的水文地質(zhì)工作會(huì)議，且國(guó)際交流日益增多。
1978年，黨的勝利召開(kāi)，從此我國(guó)的水文地質(zhì)事業(yè)發(fā)展邁入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。至1996年，我國(guó)以1/20萬(wàn)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(jì)，從1978年以來(lái)，中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑學(xué)會(huì)、中國(guó)水利學(xué)會(huì)、中國(guó)地理學(xué)會(huì)等部門(mén)，先后組織召開(kāi)了“地下水資源概念和評(píng)價(jià)方法”、“全國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)會(huì)議”、“西北干旱地區(qū)地下水資源學(xué)術(shù)討論會(huì)”、“全國(guó)水文專業(yè)會(huì)議”等會(huì)議。重點(diǎn)討論了地下水資源的概念、分類、評(píng)價(jià)方法、開(kāi)發(fā)利用及其它水文地質(zhì)問(wèn)題，并出版了相應(yīng)的學(xué)術(shù)會(huì)議論文集?；鶐r山區(qū)裂隙水與巖溶水的開(kāi)發(fā)利用，也日益受到重視。在全國(guó)性的巖溶水和裂隙水學(xué)術(shù)會(huì)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(yùn)移機(jī)制及其評(píng)價(jià)方法。在環(huán)境地質(zhì)方面，召開(kāi)了全國(guó)性的環(huán)境水文地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)、水文地球化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)、地質(zhì)災(zāi)害研究與防治學(xué)術(shù)討論會(huì)等。探討了我國(guó)不同地區(qū)地下水污染現(xiàn)狀、評(píng)價(jià)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(huì)議論文集。此外，還召開(kāi)了地下水人工補(bǔ)給、地面沉降學(xué)術(shù)研討會(huì)。所有這些不僅反映了我國(guó)水文地質(zhì)研究的新方向，同時(shí)也可看出水文地質(zhì)研究已進(jìn)入一個(gè)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(shí)的技術(shù)方法和條件，調(diào)查深度及廣度有限，而且隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展及人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)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(shí)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(píng)價(jià)工作，滯后于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)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(kāi)發(fā)利用、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面，有的已開(kāi)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(kāi)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(diǎn)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(chǔ)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(huì)化程度低，不能滿足政府和社會(huì)性公益成果的實(shí)用性、時(shí)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(huì)化服務(wù)已是一個(gè)重要問(wèn)題。
3 福建省水文地質(zhì)學(xué)為國(guó)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(wàn)區(qū)域性地質(zhì)—水文地質(zhì)綜合測(cè)量中間報(bào)告及普查報(bào)告和農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察中間報(bào)告；
（2）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報(bào)告（上世紀(jì)60年代及以前具體項(xiàng)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(duì)童永福、程登科《福建省永安寧洋舊城幅綜合水文地質(zhì)測(cè)量普查報(bào)告書(shū)》等10余份城市水文地質(zhì)測(cè)量普查報(bào)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(wàn)水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》等；
（2）提交完成了1/20萬(wàn)福州、福安、三沙、浮鷹島、福清幅、泉州幅、南日島、廈門(mén)、漳州、東山等區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告；
（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報(bào)告（上世紀(jì)70年代具體項(xiàng)目的工作）：1974年1月，福建省地質(zhì)局水文工程地質(zhì)隊(duì)《漳州幅、東山幅1/20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)報(bào)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(wàn)區(qū)域地質(zhì)報(bào)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(wàn)福建省水文地質(zhì)圖、福建省1/50萬(wàn)農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)區(qū)劃圖說(shuō)明書(shū)島嶼水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目；
（2）分別完成了福建省多幅1/20萬(wàn)和1/5萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告；
（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報(bào)告：1980年10月，福建省水文工程地質(zhì)隊(duì)童永?！陡＝ㄊ∷牡刭|(zhì)圖1/50萬(wàn)》；1980年8月，江西省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊(duì)萬(wàn)益民、鄧健如、趙維良等《廣昌幅G-50-9 1/20萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》；福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)完成《連城盆地水文地質(zhì)勘探報(bào)告》；福建省第一水文隊(duì)完成《漳州盆地水文地質(zhì)勘探報(bào)告》；1985年9月，福建省第二水文工程地質(zhì)隊(duì)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(bào)告》等20余份1/20萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告，尚有單點(diǎn)供水簡(jiǎn)報(bào)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(bào)告；
（2）提交1/2.5萬(wàn)同安縣新店埔園—?jiǎng)⑽宓暌?guī)劃區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告；
（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質(zhì)地質(zhì)勘查報(bào)告：1990年8月，福建省廈門(mén)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—?jiǎng)⑽宓暌?guī)劃區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告1/2.5萬(wàn)》等近30份水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，尚有單點(diǎn)供水簡(jiǎn)報(bào)495份。
3.1.5 2000年以來(lái)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(kāi)發(fā)公司林昌威、林昭麗、吳開(kāi)化等《福建省大田縣區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)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(zhǎng)汀縣區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》等各地區(qū)均有展開(kāi)；
廈門(mén)地質(zhì)工程勘察院進(jìn)行廈門(mén)地下熱水調(diào)查。
3.2已進(jìn)行和正在進(jìn)行為社會(huì)服務(wù)方面的專門(mén)水文地質(zhì)工作
福建省主要對(duì)地?zé)?、礦泉水等資源進(jìn)行了專項(xiàng)保護(hù)和為社會(huì)服務(wù)工作，并專門(mén)發(fā)文。如：閩地發(fā)[1999]85號(hào)《關(guān)于委托地（市）、縣地礦主管部門(mén)對(duì)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(jì)，福建省經(jīng)省或原地礦部全國(guó)儲(chǔ)委評(píng)審鑒定和儲(chǔ)量審批的飲用天然礦泉水水源地勘探報(bào)告235處，批準(zhǔn)允許開(kāi)采資源量（B級(jí)或C級(jí)）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(diǎn)勘探報(bào)告211項(xiàng)，其中，單礦泉水點(diǎn)專項(xiàng)的勘探報(bào)告209項(xiàng)。
至2008年，我省現(xiàn)同時(shí)具有采礦許可證和注冊(cè)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(mén)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(cè)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(kāi)采未申報(bào)或正在申報(bào)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(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源首先是從開(kāi)發(fā)溫泉起始的，根據(jù)志書(shū)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(kāi)始進(jìn)入有計(jì)劃的勘查開(kāi)發(fā)。在此之前僅對(duì)溫泉點(diǎn)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(duì)開(kāi)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(wàn)福建省地?zé)釁^(qū)劃圖時(shí)，統(tǒng)計(jì)各類溫泉點(diǎn)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(zhǎng)足的開(kāi)展，但進(jìn)行系統(tǒng)研究的極少。
已在多個(gè)領(lǐng)域運(yùn)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(cè)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(kāi)采設(shè)計(jì)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(duì)郭樹(shù)春完成《福建邵武楓林硫鐵礦區(qū)水文地質(zhì)初步普查報(bào)告》；1959年3月。1962年3月，福建省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)五〇七分隊(duì)提交了《福建省龍巖馬坑鐵礦地質(zhì)勘探中間報(bào)告》；1971年1月～1976年3月，福建省地質(zhì)一團(tuán)三中隊(duì)提交了《福建省龍巖馬坑鐵礦詳細(xì)勘探報(bào)告》；1979年12月，冶金工業(yè)部冶金地質(zhì)會(huì)戰(zhàn)指揮部第五地質(zhì)勘探桂世芳完成《福建省德化縣陽(yáng)山鐵礦西礦段礦床水文地質(zhì)勘探報(bào)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(jí)地下水可開(kāi)采資源量1萬(wàn)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(zhǎng)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(shì)及預(yù)測(cè)
對(duì)于地下水的區(qū)域研究，可以擴(kuò)展到整個(gè)流域或完整水文地質(zhì)單元來(lái)研究。進(jìn)一步研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動(dòng)力學(xué)特征，如荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)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(shí)際資料基礎(chǔ)上，做好對(duì)資料的二次開(kāi)發(fā)，編制相應(yīng)成果，以供生產(chǎn)部門(mén)應(yīng)用。在我國(guó)，由于地域面積較大，生態(tài)水文學(xué)研究也必需實(shí)行區(qū)際間的配合與協(xié)作，同時(shí)也必須與國(guó)際研究相同步，謀求更大范圍內(nèi)的合作。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)地下水的監(jiān)測(cè)，掌握地下水的動(dòng)態(tài)，在已有監(jiān)測(cè)站網(wǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，逐步完善地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)、方法和新的監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的建設(shè)，提高全國(guó)地下水動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)水平和預(yù)測(cè)能力。
地下水資源評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。
地下水動(dòng)力學(xué)與計(jì)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(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，研究建立水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)及相應(yīng)的儲(chǔ)存系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行地下水評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)等。
對(duì)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(wèn)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(jià)值。
對(duì)環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題的研究、人工補(bǔ)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(wèn)題都是水文地質(zhì)工作者當(dāng)前或?qū)?lái)所面臨的重要研究課題。
我國(guó)礦山研究得較多，油田的水文地質(zhì)問(wèn)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(wèn)題；且國(guó)內(nèi)對(duì)工程中的水文地質(zhì)問(wèn)題和水巖相互作用造成的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題研究較少。今后要加強(qiáng)礦山環(huán)境問(wèn)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(kāi)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(yùn)動(dòng)等基礎(chǔ)性問(wèn)題的科學(xué)研究也應(yīng)成為重要的戰(zhàn)略措施。
人類活動(dòng)對(duì)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(cè)技術(shù)尚需發(fā)展，尤其在溶質(zhì)運(yùn)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(píng)價(jià)，目前基本無(wú)實(shí)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(chǔ)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(shí)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(wèn)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(wèn)題及研究對(duì)策
5.1福建省水文地質(zhì)學(xué)科發(fā)展中存在的一些問(wèn)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(kāi)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(guó)家投入減少，使得水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展研究也沒(méi)有大的進(jìn)展。2010年后，國(guó)家已經(jīng)開(kāi)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(wèn)題。如：（1）礦山開(kāi)采過(guò)程因?yàn)榈叵滤斐傻V山涌水、突水；（2）隧道掘進(jìn)過(guò)程造成問(wèn)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(kāi)采范圍大、持續(xù)歷史長(zhǎng)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(kāi)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(xiàng)迫切要去解決的問(wèn)題。
這些問(wèn)題的出現(xiàn)都會(huì)造成人民生命、財(cái)產(chǎn)的重大損失，國(guó)家也開(kāi)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(shì)
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(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)機(jī)制和計(jì)算方法；地下水中污染物和溫度運(yùn)移機(jī)制和計(jì)算方法；粘性土的滲透機(jī)制；包氣帶水鹽運(yùn)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(shì)
近年來(lái)，水文地質(zhì)學(xué)科迎來(lái)了發(fā)展契機(jī)。2011年6月1日，中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ610-2011）在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施。導(dǎo)則的實(shí)施對(duì)地下水工作者是一個(gè)新的開(kāi)端，特別是對(duì)于一級(jí)項(xiàng)目的地下水評(píng)價(jià)工作有了更高的要求，也使得社會(huì)發(fā)展環(huán)境中開(kāi)始重視地下水的工作，地下水成為社會(huì)發(fā)展中環(huán)境的一個(gè)不可或缺的重要因素。福建省在這個(gè)大環(huán)境下也從2011年開(kāi)始進(jìn)行了多流域、地區(qū)項(xiàng)目的地下水評(píng)價(jià)工作。
隨著人民生活水平的提高，社會(huì)開(kāi)始關(guān)注和參與地?zé)衢_(kāi)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(kāi)發(fā)利用不斷提升；另一方面，當(dāng)前我國(guó)正在努力實(shí)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)崂谩㈤_(kāi)發(fā)已有逾百年的歷史，開(kāi)發(fā)利用地?zé)崽貏e是淺層地?zé)豳Y源不僅對(duì)于緩解我省能源緊張的形勢(shì)，對(duì)實(shí)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(kāi)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(shí)也能提供福建獨(dú)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(duì)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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(lái)，一些地區(qū)由于過(guò)量開(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)利用中存在的諸多問(wèn)題已嚴(yán)重危及水資源的可持續(xù)利用，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全構(gòu)成威脅，加強(qiáng)對(duì)地下水資源的管理和保護(hù)刻不容緩。
水資源屬國(guó)家所有，加強(qiáng)水資源的合理分配、管理和保護(hù)事關(guān)國(guó)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(huì)發(fā)展以及生態(tài)與環(huán)境保護(hù)對(duì)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(huì)服務(wù)的重要體現(xiàn)，是履行《水法》賦予水行政主管部門(mén)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(yùn)動(dòng)緩慢、補(bǔ)給周期長(zhǎng)、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(diǎn)，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(kāi)發(fā)利用和保護(hù)目標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，為地下水合理開(kāi)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(duì)福建省的上述特點(diǎn)和福建省現(xiàn)狀：最好按區(qū)域性（1：50萬(wàn)、1：20萬(wàn)、1：5萬(wàn)）、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(shí)應(yīng)對(duì)地下水水源地進(jìn)行劃分，利于不同層級(jí)的保護(hù)；將地下水作為福建省水源地的應(yīng)急水源和儲(chǔ)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(guó)水資源總量的4.2%；人均水資源3665m3，高于全國(guó)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(tái)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(kāi)發(fā)港灣島嶼為開(kāi)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(diǎn)投資開(kāi)發(fā)區(qū)用水。這就需要福建省應(yīng)對(duì)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(diǎn)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?yàn)橹鳎０毒€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(shí)城市周邊1/5萬(wàn)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(píng)價(jià)，同時(shí)勘查新的地?zé)崴磪^(qū)、評(píng)價(jià)不同地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)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(kāi)發(fā)新的地?zé)豳Y源形式等，提供一個(gè)成熟的技術(shù)流程、堅(jiān)實(shí)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(kāi)展縣市范圍內(nèi)的主要地下水供水地域調(diào)查，以應(yīng)對(duì)極端氣象條件下的工程取水目標(biāo)。
（2）開(kāi)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。
