發(fā)布時間：2022-03-02 15:06:37
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，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。
模擬實驗是一種重要的科學技術研究方法，已廣泛應用于許多領域[1-3]。社會發(fā)展與人類進步，迫切要求研究者日益關注新模擬實驗方法的探討，以發(fā)現(xiàn)越來越復雜的科學技術問題的未知特性，更好地揭示其內在運行機制。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上，以近年來航空航天領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展特征，提出屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法，為解決更復雜的科學技術問題提供新思路。
一、模擬的類型
1.模擬的基本類型
模擬是以科學技術理論與實踐為基礎，在一定環(huán)境與條件下，將研究對象用其它手段進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)律與內在機制。
模擬的基本類型有物理模擬與計算機模擬。
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。
計算機模擬是利用計算機對某現(xiàn)象與過程進行求解、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.模擬實驗方法的進展特征
科學技術的發(fā)展，對許多航空航天系統(tǒng)有越來越嚴格的性能要求[4-7]。為探索性能的未知特性，實時評估與預測性能退化軌跡，科學技術研究已經(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展。
以近年來航空航天技術領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，表示問題的性質與關系。性質表示問題的固有特征，關系表示不同問題之間的性質傳承與影響。
目標屬性是期望得到的對問題屬性的某種解答或認知。
層次屬性是目標屬性的分解，即將目標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)目標屬性的不同，屬性依賴法又細分為同步進化法與層次進化法。
1.同步進化法
同步進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，最后融合出結果。這是一種化整為零、逐個擊破、同步進化的方法。具體做法是，若目標屬性是由多個低一層次的獨立子屬性綜合構成，則可以根據(jù)各獨立子屬性的特征，進行子屬性模擬，然后推斷各子屬性的模擬結果，使各子屬性由低層次同步進化至高層次，獲得目標屬性特征。
例如，揭示航空發(fā)動機非線性動力學特征是相關領域的一個重要問題。為此，文獻[7]綜合現(xiàn)有方法的優(yōu)點，提出一種振動耦合動力學模型，計算出系統(tǒng)非線性響應，并在兩個航空發(fā)動機轉子模擬裝置上進行模態(tài)實驗，發(fā)現(xiàn)計算結果與實驗結果有很好的吻合性。
在這個案例中，非線性響應特征問題被分解為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果與實驗結果進行對比分析?？梢钥闯觯鉀Q這2個子問題的實驗模擬方法分別是物理模擬和計算機模型模擬，經(jīng)過對2種模擬結果的對比檢驗，最終推斷出航空發(fā)動機非線性響應的某些特征，為探索航空發(fā)動機非線性動力學特征提供了新思路。
2.層次進化法
層次進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，最后直接得到結果。該方法的特點是化整為零、逐步擊破、依次進化。具體做法是，若目標屬性可以分解為多個彼此低一層次的關聯(lián)子屬性，則可以根據(jù)各子屬性的特征，按照設計好的步驟，依次進行子屬性模擬，逐步使屬性由低層次向高層次進化，逼近目標屬性特征。
例如，航空發(fā)動機的故障診斷技術對發(fā)動機性能的可靠性、維護性和保障性有重要影響。但是，現(xiàn)有研究主要關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，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[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個層次的進化關系為：(1)用計算機模型模擬方法構建混合卡爾曼濾波器組，為發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)奠定理論模型基礎;(2)基于理論模型，針對民用渦扇發(fā)動機常見的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)，為故障診斷實驗奠定基礎;(3)基于故障診斷系統(tǒng)，用統(tǒng)計模擬法評價出發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)性能的定量指標值。
在該案例中，依次解決3個子問題的實驗模擬方法分別是計算機模型模擬、物理模型模擬和統(tǒng)計模擬，最終目標是實現(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。參數(shù)序列是由某現(xiàn)象的某些特征值構成的序列，序列中的信息與時間沒有關系。
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測結果。按照現(xiàn)場實時信息特征，現(xiàn)場依賴法可以細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機制，及時預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。
例如，為揭示大氣阻力導致衛(wèi)星軌道衰減的機制，文獻[1]構建了模擬實驗系統(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)的組合構成參數(shù)序列。模擬實驗系統(tǒng)的參數(shù)序列取值應該與真實系統(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測。
例如，文獻[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)星動力學特征的影響機制，為提高衛(wèi)星在軌微振動地面模擬實驗精度奠定了基礎。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。
四、結 語
基于科學技術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技術研究方法論，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。
【關鍵詞】Algodoo；課堂教學；案例分析；信息技術與課程整合；物理
【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A
【論文編號】1671-7384（2017）01-0070-04
2001年頒布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》中明確提出要全面推進素質教育；教育部從2003 年啟動了普通高中新課程改革，將技術課程（包括信息技術和通用技術）列為普通高中學生的的必修課；《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中強調提高學生勇于探索的創(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教育推行信息技術在教育中的整合，提倡混合式學習。很多學校在推行信息技術與課程整合的過程中，存在教學資源不足、硬件設備不完善等問題，大部分選修模塊無法開設。在這樣的背景下，Algodoo 這一趣味仿真實驗平臺走進了我們的視野，為更好地開展通用技術課程提供了有力的技術支持。
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)目的是使物理教學和研究更直觀有效。Algodoo適用范圍廣，鼓勵學生發(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”為關鍵詞在外文文獻數(shù)據(jù)庫、谷歌學術等平臺檢索，得到的文獻資料大部分為對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進行探究的。斯坦福大學的Tamar等人在第12屆互動設計與兒童國際會議（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的論文中提出，在利用Algodoo等虛擬建模工具進行教學活動時，學生參與建模會提高其元表征能力。巴西維多利亞大學的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設計了物理的拋體實驗教學活動，教師引導學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還介紹了其團隊利用Algodoo進行布朗運動實驗的模擬和數(shù)據(jù)計算過程，并提出Algodoo可以作為教師向學生展示物理實驗的教學工具，也可以作為高年級學生分析物理實驗數(shù)據(jù)的學習工具。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學的Bor Gregorcic（2015）利用交互式電子白板設計課堂活動，通過讓學生在電子白板上用手操作Algodoo來模擬天體運動。
2. 國內發(fā)展
目前，Algodoo在中國大學以及中小學物理教學中的應用正在起步?；搓帋煼秾W院的陳樂老師利用Algodoo進行了拱橋受力的物理模擬實驗，設計對照實驗活動，幫助學生了解拱橋設計原理。北京師范大學的韓蔚、項華老師與北京景山學校的吳俊杰老師將Algodoo軟件應用在“數(shù)字科學家”課程中，以介紹伽利略斜面實驗和天體運動實驗，進行了物理、數(shù)學、信息技術學科相結合的游戲化學習設計。江蘇省海安中學的黃偉老師（2012）利用Algodoo進行小球拋體、數(shù)學擺線、彈簧運動等物理實驗模擬和數(shù)據(jù)分析。江蘇省南通大學附屬中學的沈軍老師將Algodoo應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在物理學中的應用進行了示例列舉。貴州師范大學的張覺老師（2015）將Algodoo用于拋體運動的課堂教學。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成。Algodoo可以作為教學演示工具、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，有助于學習由感性認識上升到理性認識，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；可以設置其材質及相關參數(shù)，如質量、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. 應用領域
Algodoo適用于8歲到大學階段的學生，基于真實的物理模擬以最有效的方式激勵學生記住所學的知識，使枯燥的課程變得有趣且易學，增強了學生的學習積極性。它的內置課程以簡潔的形式表示抽象概念，方便教師教學，適合專注于STEM的政府機構或教學組織使用。它主要可應用于物理學科幾何光學、力學、電磁學、熱學等知識的教學，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。
課堂教學應用案例
1. Algodoo作為教學技術與課程整合
將Algodoo應用于課堂教學之中，體現(xiàn)了將信息技術與課程整合的理念，即信息技術主要作為一種工具、媒介和方法融入教學的各個層面中，包括教學準備、課堂教學過程等。目前，各位教師和研究人員都是將Algodoo作為教學技術與課程整合起來。斯洛文尼亞的盧布爾雅那大學的Bor Gregorcic利用交互式電子白板設計高中物理教學活動，通過讓學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)開普勒三大定律進行實驗設計，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，利用電子白板向學生展示太陽系模型，引起學生們的注意和興趣。接下來，教師邀請學生在電子白板上繪制天體，并輔助學生設置天體的參數(shù)（如天體質量、速度等），引導學生進行天體的操作，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，帶領學生觀察實驗，幫助學生利用Algodoo提供的數(shù)據(jù)分析功能，引導學生討論天體運行的規(guī)律。最后，教師對實驗過程進行總結，結合實驗現(xiàn)象歸納開普勒三大定律，進行知識點的鞏固。
2. 建構主義教學理論下Algodoo的應用
Algodoo在構建情境性學習方面也有較多的應用。陳樂將Algodoo引入主題為“趙州橋”的高中通用技術課堂，創(chuàng)設一定的情境，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。學生在教師的指導下設計方案，并制作仿真模型。（3）歸納解釋。學生對仿真實驗結果做出合理的解釋。（4）最后進行模型的優(yōu)化改進，從中總結拱橋受力原理。
在傳統(tǒng)教學中，教師一般在教學之初先講解所要學習的概念和原理，而后再讓學生去做一定的練習，嘗試著去解答有關的習題。建構主義認為，學和做、知識的獲得和知識的應用是可以合二為一的，學習者可以在“做中學”，“通過問題解決來學習”。探究式學習就是學習者通過發(fā)現(xiàn)問題和解決問題而建構知識的過程，以問題為中心進行學習是各種探究式學習活動的核心思路，有利于幫助學生提高靈活應用知識的能力，形成有效的問題解決和推理策略，并發(fā)展他們的自主學習技能。
已有不少教師將Algodoo應用于探究式學習。例如，巴西維多利亞大學的Samir L. da Silva等人利用Algodoo設計了高中物理的拋體實驗教學活動，引導學生通過控制角度和速度來觀察小球的運動軌跡，使學生探究并發(fā)現(xiàn)平拋運動的規(guī)律。
Algodoo與其他教學軟件的對比與借鑒
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、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計算機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擔；（3）在當前應試教育體制下，數(shù)學作為一門主要學科，受學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是由麻省理工學院（MIT） 設計開發(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)，需要設置才能夠實現(xiàn)模擬實驗，而Scratch元件設置簡單，重在培養(yǎng)學生的邏輯思維能力；（2）應用領域窄：Algodoo主要適用于物理領域，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、音樂、藝術等多個領域；（3）教學活動設計難度高：Algodoo應用于教學活動中，需要教師進行大量的準備工作，在設計教學活動尤其是情境創(chuàng)設這類活動時難度較大，而Scratch則可以設計有趣的小故事引導學生進行參與，通過豐富簡單的功能實現(xiàn)有趣的效果。
小 結
1. Algodoo的優(yōu)勢
第一，實驗模擬促進高效教學。 Algodoo可以對物理、數(shù)學等領域進行實驗的模擬，在熟悉軟件使用后，可以為教師節(jié)約實驗準備的時間，將更多時間投入到教學活動設計中。
第二，動手搭建培養(yǎng)學生探索能力。Algodoo中的虛擬實驗環(huán)境可以由學生自己來搭建、改進，有利于培養(yǎng)學生的動手能力和探索能力。
第三，能夠激發(fā)學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計，都能夠激發(fā)學生對實驗操作和持續(xù)進行知識的興趣，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。
二是教學活動設計難度高。在設計教學活動時，需要綜合考慮Algodoo在教學中的應用，不能只把其作為實驗演示工具，還應作為合作建模工具，讓學生參與實驗模型的搭建。
三是國內缺乏討論和共享的平臺。國內受限于語言、網(wǎng)絡等因素，無法充分利用國外這一社區(qū)平臺，同時又缺乏國內的社區(qū)平臺。
關鍵詞：數(shù)字化信息系統(tǒng)；中學物理實驗；創(chuàng)新實驗
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）10-0028-7
1 研究背景
近年來，信息技術已滲透到了各個領域，用“傳感器采集、計算機處理”數(shù)據(jù)的實驗方式，不僅迫切而且有實施的可能。由上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心按照《課程標準》和教材要求研發(fā)設計的DISLab是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組合起來，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是信息技術與傳統(tǒng)實驗課程整合的重要載體?；趥鞲衅鞯挠嬎銠C實時數(shù)據(jù)采集和基于計算機數(shù)據(jù)處理軟件的計算機建模和圖像分析等技術是DISLab兩大技術支撐，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，結合實踐總結了其四大特點，即數(shù)據(jù)采集“智能化”、數(shù)據(jù)處理“智能化”、實驗設計“重點化”和實驗過程“可視化”[3]。
2 實驗設計背景
2.1 驗證性實驗介紹
驗證性實驗“是在學習物理規(guī)律之后進行的，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論中獲得，指向性比較清楚。因此，這類實驗關鍵在于物理量的測量，從測量數(shù)據(jù)的分析中驗證結論，認識物理規(guī)律。
在物理教學中，驗證性實驗對學生認識物理規(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，學生很難在頭腦中形成清晰的物理圖景。而DISLab能在計算機上呈現(xiàn)出各種信號，便于學生理解。
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。當電路滿足電橋平衡條件，電橋達到平衡時，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確地測量電阻，這是高中物理電學教學中一個很有用的知識點。然而，學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“是為探尋物理性質及規(guī)律進行的，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)學生的能力和學習方法”。在探索性實驗過程中，思維比較發(fā)散，實驗設計和實驗方案都需要實驗者自主進行，突出自主性[4]。這類實驗更加注重實驗設計和實驗過程。
探索性實驗是新課改著重提出需要加強的一類實驗，卻在中學物理課堂極少出現(xiàn)，許多教師認為其探究過程復雜，浪費課堂時間。由于DISLab的引入，能夠快速呈現(xiàn)物理過程，以其強大的數(shù)據(jù)處理功能，使得中學物理課堂可以更容易實現(xiàn)實驗探究。
在DISLab的基礎上，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，力矩平衡條件的應用在中學教學中也很重要。然而，學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的內容。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難點，因此，學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。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，即物理知識內容大部分比較簡單，但物理模型過于生活化，不易應用。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，增加了實驗結果的可信程度。
生活知識是物理的基礎，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。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：大氣壓強的知識，液體壓強的物理原理以及為氣體的量化研究和化學分析奠定了基礎的波意耳定律。
在高三物理習題中，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，學生理解時總存在一定困難。
3 實驗設計展示
3.1 物理規(guī)律，驗證性實驗：惠斯通電橋平衡條件
本實驗主要結合“物理轉化原理”的設計思想[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，幫助學生理解規(guī)律。
[實驗目的]
利用DISLab驗證惠斯通電橋平衡條件，強化對物理規(guī)律的認識。
[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，變阻箱2個（定值電阻10 Ω、15 Ω各1個），0～20 Ω滑動變阻器，學生電源（電池組），開關，導線等。
[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。
（3）啟動DISLab，點擊“通用軟件”，打開實驗設置，分別設置電壓和電流傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標為時間，縱坐標依次顯示傳感器示數(shù)。
（4）傳感器調零，打開學生電源，將電壓調為6 V；閉合開關，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）當滑片D再緩慢向左移動時，UAC 和UAD 均逐漸減小，而UC
（5）當滑片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]
當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。
[實驗結論]
通過實驗驗證，當電橋平衡時，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]
（1）體現(xiàn)“物理轉化原理”的設計思想――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）改進實驗電路的設計創(chuàng)新――在傳統(tǒng)實驗電路基礎上，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）結合DISLab實驗系統(tǒng)的技術創(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，使學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
本實驗主要結合“物理轉換原理”的設計思想[6]，當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。現(xiàn)利用力傳感器設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，填補教學中的實驗空白。
[實驗目的]
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，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。
（3）啟動DISLab，點擊“通用軟件”，打開實驗設置，設置力傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標為時間，縱坐標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；仔細調節(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，當水平拉力逐漸增大時，左側力傳感器的示數(shù)F1逐漸減小，而右側力傳感器的示數(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。
其理論推導如下：如圖8，設右側力傳感器測力鉤與木塊接觸點為轉動軸，兩個力傳感器測鉤間的距離為L，右側細繩離木塊底部的高度為h，則有：
實驗結論：對于任一確定的水平拉力F3，在上述理論推導中，通過測量具體的h、L值，由（3）式可以求得F1、F2的對應理論值。當水平拉力變化時，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]
（1）轉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）的力矩關系，合理地轉換為剛體的重力和支持力（兩個）的力矩關系，因摩擦力力矩為零。
（2）結合DISLab實驗系統(tǒng)的技術創(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，準確地揭示不同處彈力的變化規(guī)律，結合理論推導，強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提供了一個全新的實驗支持。
（3）提供創(chuàng)新多元化的設計思路――在這一類實驗設計中，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在實驗設計上，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
本實驗主要結合“物理模擬原理”的設計思想，合理模擬靜脈輸液，利用壓強傳感器，實時測量和動態(tài)顯示瓶內氣體壓強，從而認識其中蘊含的物理知識。
[實驗目的]
利用DISLab測量模擬雙瓶連續(xù)輸液裝置中兩瓶內的氣體壓強，定量揭示輸液中的物理知識。
[實驗原理]
當溫度一定時，氣體的壓強與氣體體積及氣體質量有關，即PV=C（T恒定）。
[實驗器材]
壓強傳感器2個，數(shù)據(jù)采集器，計算機，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）將兩個壓強傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計算機。
（3）啟動DISLab，點擊“通用軟件”，打開實驗設置，設置壓強傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標為時間，縱坐標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傳感器的橡皮塞塞緊。
③點擊“開始”，壓強傳感器測量輸液前瓶內的氣體壓強。
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，同時記錄瓶內藥液上方的氣體壓強。
⑤當壓強變化到一定值時，輸液基本停止；松開b管夾子K，使進氣管與大氣相通，通過a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時記錄瓶內藥液上方氣體壓強的變化。
⑥一段時間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強-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”，壓強傳感器分別測得兩瓶內的氣體壓強；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)，同時觀察主副瓶內液面的變化，并記錄瓶內藥液上方氣體壓強。
⑤一段時間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強-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，主瓶內氣體壓強P1=101.26 kPa；堵住進氣口、旋松小壓輪后，由于瓶內藥液減少，使氣體體積變小，氣體壓強變??；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，瓶外空氣迅速進入瓶中，可觀察到大量氣泡從液體內冒出；氣體溫度與體積幾乎不變時，因氣體質量增大使壓強瞬間增大，藥液重新開始流出；此后以正常速度輸液時，氣體質量不斷緩慢增加，液面緩慢下降，在實驗測定短時間內氣體壓強保持在P3=100.08 kPa不變。
③P1=101.26 kPa，P3=100.08 kPa；P1與P3之差約為1.18 kPa，相當于12.04 cm高水柱產(chǎn)生的壓強，實測此時瓶內液面與進氣管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，壓強傳感器1所測主瓶內氣體壓強為主瓶已停止輸液、體積增大時的壓強值P1=97.50 kPa；壓強傳感器2所測氣體壓強為副瓶未工作時氣體壓強值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大于主瓶，藥液從副瓶流入主瓶，主瓶內氣體體積變小、壓強變?。辉谕饨缈諝馍形唇?jīng)c管進入時，副瓶中氣體壓強變小，最小為99.60 kPa；之后外界空氣經(jīng)c管進入副瓶，副瓶氣體壓強瞬間增大，而主瓶氣體則因體積繼續(xù)變小，壓強繼續(xù)變大。
③當正常輸液時，主瓶內液面位置不變，氣體體積不變，壓強不變，氣體壓強為P1'=100.35 kPa；副瓶藥液流入主瓶，液面下降，外界空氣不斷進入，在實驗測定時間內，氣體壓強為P2'=100.25 kPa不變。
④P1'=100.35 kPa，P2'=100.25 kPa；P1'與P2'之差約為0.10 kPa，相當于1.02 cm高水柱產(chǎn)生的壓強，實測此時副瓶內液面比主瓶內液面低約1.0 cm左右。
[實驗結論]
（1）單瓶輸液時，進氣管作用十分重要，藥液輸入人體靜脈時，瓶內氣體的壓強因體積增大而減??；由于外界空氣通過進氣管及時進入，使瓶內氣體質量增加，因而氣體壓強能在相當一段時間內保持基本不變，從而使輸液正常進行。
（2）雙瓶連續(xù)輸液時，主瓶輸出的藥液由副瓶補充，主瓶內液面位置不變，氣體體積與壓強均保持不變；副瓶中藥液不斷流向主瓶，外界空氣經(jīng)進氣管進入副瓶，在一定時間內，氣體質量增加而保持壓強不變；在整個輸液過程中，待副瓶內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)務人員的工作量，提高輸液效率。
[實驗小結]
（1）體現(xiàn)“物理模擬原理”的設計思想――通過自制模擬連續(xù)輸液裝置，一方面鍛煉學生的設計能力和操作能力，另一方面突顯模型在物理學習中的重要地位，而模型化也是物理學習的思想之一。
（2）選取氣體壓強作為研究――在輸液過程中，藥液上方氣體壓強值的變化，能夠間接反映裝置的輸液狀態(tài)。結合實驗觀察，也對學生從實例中認識玻意耳定律，有一個更直觀的感受。
（3）結合DISLab實驗系統(tǒng)的技術創(chuàng)新――首次用DISLab結合自制模擬連續(xù)輸液裝置，通過單瓶與雙瓶兩次模擬輸液實驗，借助于壓強傳感器精確測定輸液過程中藥液上方氣體壓強值的變化規(guī)律，解決了長期以來的技術難點，取得理想的實驗效果。
4 結 語
基于DIS的物理實驗創(chuàng)新，作為數(shù)字化技術與傳統(tǒng)實驗的整合，其本身就是一種創(chuàng)新。馮容士先生指出：“實驗教學承載著創(chuàng)新性教育的重任，將實驗教學中的創(chuàng)新予以歸納，上升到理論和技法的高度，反過來再用以指導實驗的創(chuàng)新，其本質是學生思維品質的提升和科研素養(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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【關鍵詞】計算機教學應用;模擬仿真實驗;教學設計
【中圖分類號】G420【文獻標識碼】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用于教學的一種基本模式,在教學中有著廣泛的應用前景。它既適合于在教師指導下課
堂教學,也適合于學習者進行探究式自主學習和協(xié)作學習。本課題在認真研究已有模擬仿真實驗基礎上,發(fā)現(xiàn)實驗構建中的模型創(chuàng)建和教學設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),正確地運用了建構主義學習理論,實現(xiàn)了一個全新的面向學習者的學習環(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。在計算機輔助真實現(xiàn)象的模擬教學模式中,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,以供學習者去學習和研究,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,通常是為學習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行的模擬。這兩種模擬一般是不可人為隨意干預或參與的。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,以供學習者學習或訓練。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,而是展示允許學習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 模擬仿真實驗設計
隨著信息技術的發(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情境中,不但能夠實現(xiàn)隨時觀察到與實際實驗相同的現(xiàn)象或結果,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方便地改變某些條件、參數(shù)或儀器進行對比實驗,隨時觸發(fā)對當前狀態(tài)的說明解釋。將其用于教學中將極大地引起學習者的學習興趣,大大提高教學和學習過程的效率,使抽象的概念、規(guī)則和原理變得簡單易學。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,在設計模擬仿真實驗時,要充分考慮其教學設計,以建構主義學習理論作為指導,結合物理現(xiàn)象的特點,建立以計算機模擬物理實驗和對實驗進行分析的學習情境。模擬仿真實驗設計目標,能夠在交互控制下實現(xiàn)對現(xiàn)象、過程、內部機制和原理等內容的展示,易于學習者對系統(tǒng)的運動狀態(tài)、變化過程、受外部條件的影響、概率特性和響應特性等進行觀察思考和分析研究。
1 設計要求
為了方便教師或學習者自身在所創(chuàng)設的情境中,啟發(fā)、誘導或學習者之間通過協(xié)作學習的過程,進行討論和探究來完成意義建構,在探索的環(huán)境和氣氛中實現(xiàn)有目的學習[2]。設計要能夠完全反映真實現(xiàn)象的整個過程,包括儀器設備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象顯示逼真,模擬過程科學、結果真實、數(shù)據(jù)可靠等。能夠對實驗現(xiàn)象的展示進行多次重復,以利于對現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進行詳細深入的探索和研究。能夠實現(xiàn)智能化的模擬仿真,讓學習者觀察到實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發(fā)生過程和微觀內部機制,并通過形象的表現(xiàn)揭示其中內涵、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)象背后的實質問題突出地展示出來;通過改變實驗條件、參數(shù)或儀器進行對照類比等。這對于學習者理解抽象的概念、掌握或探索有關的規(guī)則、定理或定律會起到非常關鍵的作用。
2 實驗設計
根據(jù)模擬實驗的特點和教學性能設計目標,可以將實驗的結構和流程設計成介紹部分、呈現(xiàn)現(xiàn)象、交互活動、系統(tǒng)修改、系統(tǒng)反饋和結束。為了便于說明和設計,這里主要從以下幾個方面討論實驗設計中所涉及的問題。
(1)實驗說明與幫助
說明包括本專題的教學意圖、演示項目和教學建議的總的扼要文字說明、使用與操作指導,其作用在于避免學習者盲目進行操作或對學習過程不知所措;幫助應實現(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,提醒學習者對現(xiàn)象進行特別提示和探究引導。例如,在單擺實驗中使用指導提示和教學建議提示。
(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鍵的要素,能夠用計算機編程實現(xiàn)模擬的首要一步。建立模型要有足夠的精度。在設計時重點應抓住實驗中最本質的東西,而把非本質的東西盡可能去掉,又不影響反映實驗現(xiàn)象本質的真實程度。例如模擬物理實驗系統(tǒng)中在確定單擺實驗模型時,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,擺球質量及實驗地點的變化,而忽略具體變化擺線長度的調節(jié)過程,擺球質量的稱量過程和實驗地點的轉移過程。擺動過程中的數(shù)據(jù)調節(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),利用滑塊變化技術即時調節(jié)擺長;擺球質量有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、質量、地點進行實驗所得的數(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,但在計算機程序代碼運行時利用了人的視覺反應時間,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。模型的構造是為了計算機編程實現(xiàn)上的考慮,對所要模擬的現(xiàn)象應從持續(xù)性、分立性和邏輯性方面進行數(shù)學抽象。持續(xù)性是指在視覺反應期間能對模擬現(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,在整個模式構造中要既分開獨立找到特有影響因素或相關量,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,又要考慮與學習者進行實驗控制操作有關的交互性,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;學習者的角色扮演等。在模型確立過程中,要嚴格地按照科學規(guī)律進行設計,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間的位置對應關系及物像大小的變化規(guī)律等。設計時的數(shù)學抽象既簡單又有效,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
在明確實驗設計目標基礎上,對實驗進行認真研究,確定主要變量;找出實驗中的各種內部聯(lián)系和關系;確定實驗約束條件;根據(jù)有關學科規(guī)定使用符號或代號;簡化和檢查實驗模型,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,既要考慮讓學習者看見的,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,對現(xiàn)象某種規(guī)律的有效觀察等等。另外應考慮模擬表現(xiàn)上的真實性,這就需要充分利用計算機技術,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,學習者可觀察到位移、回復力、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,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,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)需要讓學習者生動、形象地觀察到磁感線的疏密、方向的變化。為了達到實驗的準確性,在動畫設計上應采用定時處理,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性能而展示。
4 交互性設計
模擬實驗設計中的交互控制,主要體現(xiàn)在學習者與模擬事件的交互性作用上,模擬的交互性越強,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)在它具有較強的交互性,主要反映在用戶對各種參數(shù)的選擇、設定和調節(jié)上或儀器的選用上,實現(xiàn)在有效合理范圍內方便地改變參數(shù)或儀器等進行對比實驗?？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位置上,且可對相互位置關系正確與否作出判斷與提示。物和屏可分別放在各自區(qū)間內任意移動,使學習者清楚地觀察到物距與像距、物與像大小的對應關系與規(guī)律。同時允許學習者隨時更換或調節(jié)透鏡焦距和物的大小,這些教學性能給教師的講解和學習者的學習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,設計時注意參數(shù)的調節(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、觸摸屏、光筆和語音等。因為學習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,將有利于學習者的進一步鉆研和知識的拓寬[3]。
5 顯示與反饋
當對模擬系統(tǒng)進行某種操作后,系統(tǒng)應給出相應的反饋,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或練習模式中給出的相應提示或結論性信息,如對當前狀態(tài)的說明解釋。對于前一類情況,應能隨時顯示改變參數(shù)后的實驗結果,即可以實時繪制與顯示。如當物距、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,可隨時激活圖標顯示正面畫面,滿足學習者從不同角度進行觀察。這將有利于學習者對同一現(xiàn)象的觀察與思考,能從不同的側面、角度進行全面的觀察與分析比較,經(jīng)過探究而得出結論。
四 模擬仿真實驗教學應用
對于模擬仿真實驗系統(tǒng),它既適用于教師課堂進行教學,也適用于學習者自己進行探究式學習。教師利用這種特定實驗情境,啟發(fā)學習者主動探討研究,完全像做實驗一樣歸納和總結出相關的規(guī)律。利用情境或在情境中進行教學,能夠讓學習者參與進來,做到教師只是引導者而非講演者,更利于學習者主動進行學習。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。從學習者角度也不會再感到物理難學,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,你可以仔細觀察,反復實驗,經(jīng)過思考后得出結論。對學習者而言,完全可以獨立或與學習伙伴一起進行實驗,利用系統(tǒng)關鍵提示和解釋,實現(xiàn)探究學習。因此,利用這樣的模擬實驗開展教學,能夠大大激發(fā)學習者的求知欲,滿足學習者的探索欲,最大限度地發(fā)揮學習者的認知主體作用,讓學習回歸本體,就是實現(xiàn)學習者自主學習,不再是“被教會”。
五 結論
通過結合作者開發(fā)的模擬物理實驗系統(tǒng)項目設計與實踐,文章探討了模擬仿真實驗設計及其教學設計的方法,由于不同學科有其自身的特點,在進行設計時應該根據(jù)實際情況進行具體處理,但總體目標都是要求實現(xiàn)隨時觀察到與實際實驗相同的現(xiàn)象或結果。歸納為以下幾點:(1)模型構建時要簡潔,抓住最基本要素,排除非本質的東西。(2)實驗要有很強交互性。(3)模擬過程要清晰、可重復。(4)模擬的結果要真實可信。(5)現(xiàn)象呈現(xiàn)時關鍵幀有說明解釋。(6)有學習指導和使用說明。這樣設計出來的模擬仿真實驗,在教學上有利于學習者的啟發(fā)式、探究式學習。隨著計算機技術不斷進步,計算機用于教育教學,特別是模擬實驗這種教學模式,必將在教學和學習中發(fā)揮愈來愈大的作用。
參考文獻
[1] 李云程.探討制約CAI開展的關鍵環(huán)節(jié)軟件設計問題[J].中國電化教育, 2000,(3):40-42.
【關鍵詞】研究性實（試）驗 學科專業(yè)理論 工程實踐 裝備保障
近年來，青島校區(qū)著力推進加速提升學科專業(yè)建設活動，在校區(qū)反響強烈，理論深入人心，成績有目共睹。誠然，學科專業(yè)涉及院校建設的方方面面，還有許多發(fā)展空間，需要思考和改進。主要體現(xiàn)在兩個方面，一是對學科專業(yè)建設的定位還有待于完善，學科專業(yè)建設是一種實體和制度建設，這是共識，同時也應是一種精神和文化建設，二者相輔相成，缺一不可；二是對學科專業(yè)理論水平的認定有失偏頗，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到較高的比例，理論上講，這樣的學歷結構使得學科專業(yè)理論水平已經(jīng)不低，所謂“低”，只是理論的應用水平偏低，表現(xiàn)在與裝備保障結合密切的創(chuàng)新性、前沿性理論匱乏，標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、學科專業(yè)理論與工程實踐的銜接度是制約加速學科專業(yè)建設的瓶頸
學科專業(yè)建設是一個長期的過程，學科專業(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等了解不多，尤其是近幾年新進的博士和碩士教員，由于工作時間較短，雖然有著較深厚的學科專業(yè)理論功底，了解或掌握本學科領域前沿，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”，為課堂教學提供了素材，為基本的科研工作奠定了基礎，但是，“三熟悉”與學科專業(yè)理論水平，尤其是運用學科專業(yè)理論去解決裝備保障中的重大問題是兩個層面的問題。
由于設備型號多，要做到深層次熟悉設備還需要一個過程。以故障分析任務為例，教員要分析好一個故障，不但要對設備操作使用熟練，對故障現(xiàn)象清楚，還要對設備內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，才能夠將學科專業(yè)理論嫻熟的運用到分析設備工作原理中去，根據(jù)故障現(xiàn)象，結合理論逐步摸索，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)實情況是設備更新和換代快，功能越來越完善，電路結構越來越復雜，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備特點和工作機理，才能逐步適應新裝備保障工作。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。
加速提升學科專業(yè)理論水平，應與院校的使命任務密切相關，那就是在裝備保障中體現(xiàn)學科專業(yè)理論的深度和難度，一方面，校區(qū)有較高學歷的教員隊伍，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合起來，并達到加速提升學科專業(yè)理論水平的效果。
二、研究性實（試）驗是學科專業(yè)理論與工程實踐相結合的橋梁
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)相關理論推導出理論數(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的工程實踐。研究性實（試）驗可以分為三個類型：即基礎性研究實（試）驗、應用基礎性實研究（試）驗和和應用性研究實（試）驗?；A性研究實（試）驗是指擬以認識自然現(xiàn)象，探索自然規(guī)律為目的，不直接考慮應用目標的研究性實（試）驗；應用基礎型研究實（試）驗是指以獲取新原理、新技術、新方法為目的的研究成果，有廣泛的應用前景的研究性實（試）驗；應用性研究實（試）驗則指為某種具體的實用目標提供技術管理、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，以開展應用性研究實（試）驗的方法開展工程實踐。將教學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；將有關部門反饋過來的設備故障等各種疑難問題，以實（試）驗的方法進行情景再現(xiàn)，運用理論知識進行科學分析研究，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，能夠架設起學科專業(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、不斷改進工程實踐的方式和方法。理論更新和工程實踐改進相輔相成，互相促進。
工程實踐需要學專業(yè)理論的指導，同時工程實踐也能夠促進理論成果的產(chǎn)生和轉化，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，跟蹤學科專業(yè)理論前沿，而將最新學科專業(yè)理論與工程實踐相結合的過程進行歸納和整理，便產(chǎn)生了學術成果。
三、開展與裝備保障結合密切的研究性實（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，只能是通過開展應用性研究實（試）驗來逐步掌握。
（一）建設研究性實驗室或在已有裝備實驗室基礎上增加研究功能
開展與裝備保障密切結合的研究性實（試）驗，前提必須要有研究性實驗室。研究性實驗室建設或改造是以本專業(yè)相關理論為基礎，以裝備所采用的新技術為依托，以能夠為新裝備保障服務為目標。
新建的研究性實驗室應具有完善的實驗原理、仿真功能、復雜電磁環(huán)境模擬仿真功能，并有一定的實裝和物理模擬器，既能滿足當前教學科研之用，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的研究性實（試）驗
開展研究性實（試）驗必須密切結合本專業(yè)理論，并以裝備保障重大理論問題為牽引，進行系統(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。基層同志描述故障現(xiàn)象是：通電檢查時，在“羅盤”位置不能自動定向，耳機無聲音；在“收訊”狀態(tài)，耳機無聲音；在“環(huán)”狀態(tài)，耳機無聲音，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位于三種工作狀態(tài)的公共電路——超外差接收機電路。進一步分析可知，故障只有位于超外差接收機電路中低放之前部分，才會導致檢波器輸出的可變相位信號不正常，進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，在相應的電路模塊中設置故障，并在測試點采用故障樹法逐個測試，故障樹如下圖1所示。最后將仿真結果反饋到相應部門，根據(jù)該仿真結果對照故障羅盤接收機測試數(shù)據(jù)，最終得出結論是4BG4三極管損壞。
圖1某型無線電羅盤超外差接收機測試故障圖
1.1水文地質學科涵義與研究對象
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、災害因子、地質營力與信息載體。地下水及賦存地下水的介質還具有一些另外的功能。水文地質學在國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用是與地下水及其賦存介質的功能相聯(lián)系的。
1.2水文地質學的定義
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。
水文地質學（hydrogeology）是研究地下水的數(shù)量和質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水文地質學研究的范疇及任務
水文地質學是研究地下水的科學，主要研究地下水的分布、運動和形成規(guī)律，地下水的物理性質和化學成分，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，可為科學地利用或防治地下水提供根據(jù)。水文地質學對地下水的研究，著重自然歷史和地質環(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關系密切，只是研究的側重點稍有不同。
1.4水文地質學及分支
隨著科學的發(fā)展和生產(chǎn)建設的需要，水文地質學又分為區(qū)域水文地質學、地下水動力學、水文地球化學、供水水文地質學、礦床水文地質學、土壤改良水文地質學等分支學科。近年來，水文地質學與地熱、地震、環(huán)境地質等方面的研究相互滲透，又形成了若干新領域，如環(huán)境水文地質學、地下水資源管理、同位素水文地質學等。隨著生產(chǎn)力和科學技術的高速發(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)有關的水文地質問題迅速增長。
水文地質學是從尋找和利用地下水源開始發(fā)展的，圍繞實際應用，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
地下水動力學是研究地下水的運動規(guī)律，探討地下水量、水質和溫度傳輸?shù)挠嬎惴椒?，進行水文地質定量模擬。這是水文地質學的重要基礎。
1.4.2水文地球化學
水文地球化學是水文地質學的另一個重要基礎。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供水水文地質學
供水水文地質學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，進行水質與水量評價。合理開發(fā)利用并保護地下水資源，按含水系統(tǒng)進行科學管理。
1.4.4礦床水文地質學
礦床水文地質學是研究采礦時地下水涌入礦坑的條件，預測礦坑涌水量以及其它與采礦有關的水文地質問題。
1.4.5農(nóng)業(yè)水文地質學
農(nóng)業(yè)水文地質學的內容主要包括兩方面，一是為農(nóng)田提供灌溉水源進行水文地質研究；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行水文地質論證。
1.4.6水文地熱學
地熱是一種新的能源，如何利用由地下熱水或熱蒸汽攜至地表的地熱能，用來取暖、溫室栽培或地熱發(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，是水文地熱學的研究內容。
1.4.7區(qū)域水文地質學
區(qū)域水文地質學是研究地下水區(qū)域性分布和形成規(guī)律，以指導進一步水文地質勘察研究，為各種目的的經(jīng)濟區(qū)劃提供水文地質依據(jù)。
1.4.8古水文地質學
古水文地質學是研究地質歷史時期地下水的形成、埋藏分布、循環(huán)和化學成分的變化等。據(jù)此，可以分析古代地下水的起源與形成機制，闡明與地下水有關的各種礦產(chǎn)的形成、保存與破壞條件。
地下水的形成和分布與地質環(huán)境有密切聯(lián)系。水文地質學以地質學為基礎，同時又與巖石學、構造地質學、地史學、地貌學、第四紀地質學、地球化學等學科關系密切。工程地質學是與水文地質學是同時相應發(fā)展起來的，因此兩者有不少內容相互交叉。
地下水積極參與水文循環(huán)，一個地區(qū)水循環(huán)的強度與頻率，往往決定著地下水的補給狀況。因此，水文地質學與水文學、氣象學、氣候學有密切關系，水文學的許多方法也可應用于水文地質學。地下水運動的研究，是以水力學、流體力學理論為基礎的，并應用各種數(shù)學方法和計算技術。
2 水文地質學演化歷史與發(fā)展現(xiàn)狀
2.1水文地質學發(fā)展簡史
人們早在遠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26公里，最深達150米。約公元前250年，在中國四川，為采地下鹵水開鑿了深達百米以上的自流井。中國漢代鑿龍首渠，是一種井、渠結合的取水建筑物。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，法國水力工程師達西，進行了水通過砂的滲透試驗，得出線性滲透定律，即著名的達西定律，奠定了水文地質學的基礎。1863年，法國裘布依以達西定律為基礎，提出計算潛水流的假設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)的地質條件。奧地利福希海默在1885年制出了流網(wǎng)圖并開始應用映射法。
19世紀末20世紀初，對地下水起源又提出了一些新的學說。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|學的形成作出了重要貢獻。
泰斯于1935年利用地下水非穩(wěn)定流與熱傳導的相似性，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到了一個新階段。20世紀中葉，蘇聯(lián)奧弗琴尼科夫和美國的懷特在水文地球化學方面作出了許多貢獻。到第二次世界大戰(zhàn)結束時，在地下水的賦存、運動、補給、排泄、起源以至化學成分變化、水量評價等方面，均有了較為系統(tǒng)的理論和研究方法。水文地質學已經(jīng)發(fā)展成為一門成熟的學科。
20世紀中葉以來，合理開發(fā)、科學管理與保護地下水資源的迫切性和有關的環(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出了潛水完整井非穩(wěn)定流方程。
由于預測地下水運動過程的需要，促進了水文地質模擬技術的發(fā)展，20世紀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)絡模擬，到50—60年代在解決水文地質問題中得到應用。
由于電子計算機技術的發(fā)展，70～80年代，地下水數(shù)學模擬成為處理復雜水文地質問題的主要手段。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用。遙感技術及數(shù)學地質方法也被引進，用以解決水文地質問題。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，為水文地質學的發(fā)展開拓了新的發(fā)展前景。
2.2國外水文地質學發(fā)展現(xiàn)狀
水文地質學是一門年輕的學科，它是基于地下水在地質單元內運移時所發(fā)生的物理和化學變化而發(fā)展起來的，水文地質學是研究地下水的數(shù)量和質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科。水文地質學誕生于19世紀中期，在20世紀初，依據(jù)法國水文地質學理論原則（A.Hazen，C.Slichter，F(xiàn).King，O.Mainzer等），美國水文地質科學家發(fā)展了實用水文地質學的應用。與此同時，德國和奧地利的水文地質學家（F.Forchheimer，A.Thiem，O.Smreker，J.Kozeny等）詳細解釋了水文地質，尤其是關于地下水流域和水力工程方面調查的方法。俄國人對水文地質學發(fā)展有著重大的貢獻（W.Dokutchaev，A.F.Lebedev等）。水文地質學成為地質科學中一門比較完整、系統(tǒng)的獨立學科，是在20世紀30—40年代。水文地質學已被公認為是地球科學的一個分支，是跨越于地質科學和水文學之問的一門獨立科學。水文地質學在二戰(zhàn)以后有了深入的發(fā)展，特別是在地下水動力學、水文地質編圖、水文地質采礦、模型和同位素方法、水文地球化學和地下水監(jiān)控這些領域。人類活動對包括地下水在內的自然環(huán)境的改造異常強烈，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題，當代水文地質學進入了生態(tài)環(huán)境水文地質學的新階段。
在過去的幾十年中，國際水文地質學發(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)刊的歐美主流學術期刊有：1976年，《水資源進展》（Advances in Water Resources）和《污染水文學雜志》（Joumalof Contaminant Hydrology）；1986年，《水文過程》（Hydrologic Processes）；1993年，《水文地質學雜志》；1995年，《水文工程學雜志》（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)量和內容也顯著增加。
國際水文地質大會是公認的比較權威的世界級水文地質會議，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屆國際水文地質大會是繼1988年在廣西桂林舉辦的第21屆國際水文地質大會之后，再次在中國舉辦。此次大會又恰逢國際水文地質學家協(xié)會成立50周年慶典，是國際水文地質發(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成果及新一輪國土資源大調查的水文地質工作進展。
在國際上，美國水文地質調查研究經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，在該領域長期居于國際領先地位，影響和引導了國際水文地質學的發(fā)展方向。從20世紀80年代開始，美國地質調查局啟動了多個項目，開始對有害物質水文過程和地質隔離技術進行深入研究。其水文地質資料有90%向普通大眾公布，實現(xiàn)了水文地質調查成果全國共享；在法國，各種公共管理部門、盆地基金機構和地質調查部門，通過各種媒介向公眾宣傳有關水資源的重要情況，回答提出的特殊技術問題。目的是讓大家了解各種生產(chǎn)活動給自然資源帶來的嚴重影響，提高對地下水和當前共同利益的認識，解釋那些按公眾意愿制定的政策和收費規(guī)定。在總體研究結果基礎上對地下水變化情況進行監(jiān)測和計算，以有利于管理機構的決策。日本的東京灣將地下溫度場應用于研究地下水循環(huán)，而這是我國學者地下水循環(huán)研究中一直忽視的一個主要因素。在歐洲，生態(tài)水文學的研究已經(jīng)形成一個網(wǎng)絡，各國之間的聯(lián)系及對比研究較多。冰島是世界上地熱資源開發(fā)利用率較高的國家之一，地熱發(fā)電站裝機容量總計200 MWe，排名世界第8位，87%的家庭使用地熱取暖。由于經(jīng)濟發(fā)展所處的階段不同，國外目前研究礦山水文地質工作的比較少。
總之，目前水文地質在各個不同的領域都有發(fā)展，例如地下水文學、土壤力學、經(jīng)濟地質、石油采鉆工程、構造地質學、地球化學、地球物理學、海洋地質學和生態(tài)學。這個領域由于以上所有領域研究人員的杰出貢獻而豐富起來。目前，水文地質處于轉折時期，由發(fā)現(xiàn)并最大程度的開發(fā)利用新資源轉變?yōu)楹侠淼毓芾硭鼈?，這對于人類和其它生物來說是至關重要的。
2.3國內水文地質學發(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，從事水文地質工作的人員極少，幾乎沒有設備，只零星地進行一些地下水調查工作。直到建國后，水文地質事業(yè)才得到了較大發(fā)展。
我國水文地質事業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了坎坷曲折的道路。20世紀50年代，是我國水文地質事業(yè)創(chuàng)建、發(fā)展的重要年代，而后的“”，曾使正處在興旺發(fā)達的水文地質工程地質事業(yè)受到挫折。60年代前期，經(jīng)過重新調整，水文地質工程地質戰(zhàn)線再次出現(xiàn)大好形勢?？?966年開始的10年動亂再次使水文地質工作受到了損害，到70年代前期，水文地質工程地質工作逐步有了好轉，并組建了基建工程兵水文地質部隊，加強了水文地質普查工作。直到1978年12月黨的以后，水文地質工程地質事業(yè)才走向了健康發(fā)展的道路，進入了振興開拓的新時期。
解放前，在水文地質方面，地質人員最先介入的是城市供水水文地質勘查。上海、北京、天津等大城市由于需要開鑿深井取用地下水。地質學家謝家榮，曾在《地理雜志》第二卷第一期上發(fā)表過《鐘山地質與南京井水供給的關系》一文，這是我國早期的重要水文地質文獻之一。同時。西安、蘭州等城市也相繼完成了部分水文地質調查報告。濟南、福建等地完成了泉水水文地質調查等工作。
解放后，中華人民共和國的成立，為水文地質工程地質事業(yè)開辟了廣闊的前景。1956年3月，地質部召開了第一屆全國水文地質工程地質協(xié)作會議。50年代的中后期，地質部已在各地區(qū)建立了23個水文地質工程地質隊，職工已達11000人，包括地質、鉆探、化驗等各個兵種，并開始應用物探手段。在此期間基本完成了我國主要平原地區(qū)1：20萬水文地質普查近100×104km2；編制了一些全國性水文地質圖件；進行了30多個城市和工業(yè)基地的供水水文地質勘探；建立了40多個地下長期觀測站；在近1000個礦區(qū)開展了水文地質工作，并在北京、山東、河北、福建等省市進行了礦泉水勘察。20世紀60年代前期，由于自然災害和“”所造成的后果，使我國國民經(jīng)濟陷入嚴重困難境地，整個地質工作的發(fā)展，也同樣受到嚴重影響。地質部門專業(yè)隊伍經(jīng)過調整，重新組建了個直屬大隊，分別承擔北京市城市建設、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。但1966年編制出版了黃淮海平原和松遼平原的水文地質圖系，是我國第一批正式出版的跨省圖系，在編圖技術和編圖方法等方面，都有所創(chuàng)新。20世紀70年代，我國水文地質在地熱、農(nóng)業(yè)水文地質等方面都取得了較大進展。70年代后期，在一些重要城市開展了環(huán)境水文地質工作。各省廣泛開展區(qū)域地下水資源的評價，比較普遍地應用了電子計算機，并推廣數(shù)值法建立數(shù)學模型。工程地質向定量評價方向發(fā)展，逐步采用先進的測試技術，在巖、土體特性，區(qū)域穩(wěn)定性的巖體力學研究等方面，初步形成了自己的理論體系和技術系統(tǒng)。物探、遙感及同位素技術在水文地質工程地質工作中得到了初步應用，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，中國地質學會、中國建筑學會、中國水利學會、中國地理學會等部門，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術會議”、“西北干旱地區(qū)地下水資源學術討論會”、“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問題，并出版了相應的學術會議論文集。基巖山區(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術會議上，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制及其評價方法。在環(huán)境地質方面，召開了全國性的環(huán)境水文地質經(jīng)驗交流會、水文地球化學學術討論會、地質災害研究與防治學術討論會等。探討了我國不同地區(qū)地下水污染現(xiàn)狀、評價方法，地質災害的成因、特征及防治措施，出版了相應的學術會議論文集。此外，還召開了地下水人工補給、地面沉降學術研討會。所有這些不僅反映了我國水文地質研究的新方向，同時也可看出水文地質研究已進入一個新的發(fā)展階段。
2.4福建省水文地質學發(fā)展現(xiàn)狀
福建省的水文地質基礎調查資料雖然較全面，但局限于當時的技術方法和條件，調查深度及廣度有限，而且隨著國民經(jīng)濟與社會發(fā)展及人類經(jīng)濟工程活動的不斷加強，水文地質條件已發(fā)生了較大的變化，新的情況未能及時查清。
環(huán)境地質調查資料相當欠缺。環(huán)境地質調查評價工作，滯后于國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的需要。如在生態(tài)環(huán)境保護、城市規(guī)劃、土地綜合利用、土壤改良、地質環(huán)境的合理開發(fā)利用、地質災害防治等方面，有的已開展工作、但還很不全面，有的則剛剛起步。
水文地質環(huán)境地質調查的技術與思路，基本上仍依托傳統(tǒng)思路和技術為主，在跨學科聚集、綜合和開發(fā)研究，在應用高新技術于調查上，同先進省區(qū)相比，存在一些差距。如以往水文地質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)水文地質調查工作的重要性。
水文地質環(huán)境地質調查成果的信息化、網(wǎng)絡化、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，改變成果表達形式，改革服務方式并提供社會化服務已是一個重要問題。
3 福建省水文地質學為國民經(jīng)濟發(fā)展服務的內容及主要成果
3.1背景材料
3.1.1上世紀60年代及以前完成的全省性水文地質方面的工作主要成果
（1）提交1/20萬區(qū)域性地質—水文地質綜合測量中間報告及普查報告和農(nóng)田供水水文地質勘察中間報告；
（2）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質地質勘查報告（上世紀60年代及以前具體項目的工作）：1960年1月，福建省地質局水文地質工程地質隊童永福、程登科《福建省永安寧洋舊城幅綜合水文地質測量普查報告書》等10余份城市水文地質測量普查報告。
3.1.2上世紀70年代
（1）1970年～1979年提交《福建省沿海地區(qū)1/20萬水文地質工程地質調查報告》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)域水文地質普查報告；
（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質地質勘查報告（上世紀70年代具體項目的工作）：1974年1月，福建省地質局水文工程地質隊《漳州幅、東山幅1/20萬區(qū)域地質報告：地貌、第四系地質、水文地質部分》等10余份城市1/20萬區(qū)域地質報告（包括水文地質調查部分）。
3.1.3上世紀80年代
（1）1980年一1989年，完成1/50萬福建省水文地質圖、福建省1/50萬農(nóng)業(yè)水文地質區(qū)劃圖說明書島嶼水文地質調查項目；
（2）分別完成了福建省多幅1/20萬和1/5萬區(qū)域水文地質工程地質調查報告；
（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質地質勘查報告：1980年10月，福建省水文工程地質隊童永福《福建省水文地質圖1/50萬》；1980年8月，江西省地質局水文地質大隊萬益民、鄧健如、趙維良等《廣昌幅G-50-9 1/20萬區(qū)域水文地質普查報告》；福建省水文地質工程地質隊完成《連城盆地水文地質勘探報告》；福建省第一水文隊完成《漳州盆地水文地質勘探報告》；1985年9月，福建省第二水文工程地質隊福州綜合地質組李文曲、黃宏灃、趙欽銘等完成《福建省福州市福州盆地水文地質勘探報告》等20余份1/20萬區(qū)域水文地質普查報告，尚有單點供水簡報672份。
3.1.4上世紀90年代
（1）1990年一1999年，提交了閩東、閩南沿海缺水地區(qū)供水水文地質調查報告；
（2）提交1/2.5萬同安縣新店埔園—劉五店規(guī)劃區(qū)水文地質工程地質調查報告；
（3）各地市城鎮(zhèn)供水、水文地質地質勘查報告：1990年8月，福建省廈門水文地質工程地質公司林恢亮、陳強、鄭英才等《福建省同安縣新店埔園—劉五店規(guī)劃區(qū)水文地質工程地質調查報告1/2.5萬》等近30份水文地質調查報告，尚有單點供水簡報495份。
3.1.5 2000年以來地市城鎮(zhèn)供水、水文地質地質勘查
三明地區(qū)：2000年3月，閩西地質礦產(chǎn)開發(fā)公司林昌威、林昭麗、吳開化等《福建省大田縣區(qū)域水文地質調查報告》；
龍巖地區(qū)：2000年8月，福建省水文地質工程地質勘察研究院李文祥、鄭藝貞、白振炎《福建省長汀縣區(qū)域水文地質調查報告》等各地區(qū)均有展開；
廈門地質工程勘察院進行廈門地下熱水調查。
3.2已進行和正在進行為社會服務方面的專門水文地質工作
福建省主要對地熱、礦泉水等資源進行了專項保護和為社會服務工作，并專門發(fā)文。如：閩地發(fā)[1999]85號《關于委托地（市）、縣地礦主管部門對部分地熱、礦泉水采礦權進行審批、發(fā)證的通知》等。
3.2.1福建省礦泉水水源保護
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福建省地熱水資源保護
地熱是一種寶貴的能源礦產(chǎn)，開發(fā)利用地熱資源首先是從開發(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，進入20世紀70年代以后，福建省開始進入有計劃的勘查開發(fā)。在此之前僅對溫泉點進行零星記載和研究。1971年，福建省水文地質工程地質隊開展了南靖湯坑的地熱勘探工作。1982年，童永福等編制1：50萬福建省地熱區(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，近些年地熱工作調查和水源地的勘查有了長足的開展，但進行系統(tǒng)研究的極少。
已在多個領域運用地熱資源，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)水文地質調查工作
礦區(qū)水文地質工作始于上世紀50年代，主要是為礦山開采設計提供水文工程地質依據(jù)。如：1960年4月，福建省地質局第一地質大隊郭樹春完成《福建邵武楓林硫鐵礦區(qū)水文地質初步普查報告》；1959年3月。1962年3月，福建省地質局第五地質大隊五〇七分隊提交了《福建省龍巖馬坑鐵礦地質勘探中間報告》；1971年1月～1976年3月，福建省地質一團三中隊提交了《福建省龍巖馬坑鐵礦詳細勘探報告》；1979年12月，冶金工業(yè)部冶金地質會戰(zhàn)指揮部第五地質勘探桂世芳完成《福建省德化縣陽山鐵礦西礦段礦床水文地質勘探報告》等，礦山多數(shù)已經(jīng)或正在進行水文地質調查工作。
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 水文地質學發(fā)展趨勢及預測
對于地下水的區(qū)域研究，可以擴展到整個流域或完整水文地質單元來研究。進一步研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動力學特征，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上，做好對資料的二次開發(fā)，編制相應成果，以供生產(chǎn)部門應用。在我國，由于地域面積較大，生態(tài)水文學研究也必需實行區(qū)際間的配合與協(xié)作，同時也必須與國際研究相同步，謀求更大范圍內的合作。我國應加強地下水的監(jiān)測，掌握地下水的動態(tài)，在已有監(jiān)測站網(wǎng)監(jiān)測的基礎上，逐步完善地下水監(jiān)測技術、方法和新的監(jiān)測網(wǎng)站的建設，提高全國地下水動態(tài)變化監(jiān)測水平和預測能力。
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)進行評價。
地下水動力學與計算技術方面，要加強基本理論的研究，研究建立在各種復雜條件下的水文地質模型及其相對應的數(shù)學模型，研究建立水文地質數(shù)據(jù)庫及相應的儲存系統(tǒng)，運用計算機技術進行地下水評價、預測、預報等。
對裂隙介質、巖溶介質中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關鍵技術尚未解決，地下水水質模擬的可靠性問題有待深入分析，地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結合應用具有更大的價值。
對環(huán)境水文地質問題的研究、人工補給的理論和方法的研究、遙感技術、同位素技術的應用、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、水質污染等各種復雜的水文地質問題都是水文地質工作者當前或將來所面臨的重要研究課題。
我國礦山研究得較多，油田的水文地質問題僅是泛泛而談，未深入討論，還涉及一些關于隧道、高速公路等的工程地質問題；且國內對工程中的水文地質問題和水巖相互作用造成的地質災害問題研究較少。今后要加強礦山環(huán)境問題的研究工作，水文地質專業(yè)學者要與采礦人員合作。進行多學科多方法研究；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)、保護地下水資源方面，需要加強與生態(tài)建設相協(xié)調的應用基礎研究，挖掘潛力，節(jié)約用水、探索深層承壓地下水如何科學利用，有關地下水形成、運動等基礎性問題的科學研究也應成為重要的戰(zhàn)略措施。
人類活動對地下水資源的影響亦需要進一步深入探索。土壤水研究理論及檢測技術尚需發(fā)展，尤其在溶質運移方面的研究欠缺很多。地熱的研究基本上都屬于區(qū)域現(xiàn)狀的評價，目前基本無實際創(chuàng)新性成果，如地熱棄水回灌技術、沉積盆地地熱資源勘探技術、地熱資源綜合利用技術、熱儲工程等的研究。其它特殊類型水，如礦泉水、凝結水、微咸水、咸水、鹵水等亦需進一步研究。
縱觀水文地質學的發(fā)展，初期實質上是找水水文地質學，到本世紀70年代，資源成為水文地質學的主要課題，現(xiàn)在與環(huán)境生態(tài)有關的水文地質問題迅速增多。從某種意義上講，環(huán)境水文地質已成為水文地質學研究的核心課題。
5 福建省水文地質學科發(fā)展中存在的問題及研究對策
5.1福建省水文地質學科發(fā)展中存在的一些問題
歷史的原因，福建省在上世紀90年代后，水文地質學科的發(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，使得水文地質學科的發(fā)展研究也沒有大的進展。2010年后，國家已經(jīng)開始重視水文地質學科的發(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)性特大雨造成地質災害，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，國家也開始進行水文地質學科與相關學科結合的發(fā)展。
5.2水文地質學的發(fā)展趨勢
由主要研究天然狀態(tài)下的地下水，轉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，擴展到包氣帶及“隔水層”；由只研究地殼表層地下水，擴展到地球深層的水。
預計今后的水文地質研究，在下列方面將有突破：裂隙水與巖溶水運動機制和計算方法；地下水中污染物和溫度運移機制和計算方法；粘性土的滲透機制；包氣帶水鹽運移機制；水文地球化學和同位素水文地質學，地下水數(shù)學模型；地球深層水文地質。
5.3福建省水文地質學科發(fā)展趨勢
近年來，水文地質學科迎來了發(fā)展契機。2011年6月1日，中華人民共和國國家環(huán)境保護標準《環(huán)境影響評價技術導則地下水環(huán)境》（HJ610-2011）在全國范圍內實施。導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，社會開始關注和參與地熱開發(fā)租研究工作。一方面，民間投資者的熱情，使得原有地熱資源開發(fā)利用不斷提升；另一方面，當前我國正在努力實現(xiàn)節(jié)能減排的工作目標，發(fā)展低碳經(jīng)濟。福建省在地熱利用、開發(fā)已有逾百年的歷史，開發(fā)利用地熱特別是淺層地熱資源不僅對于緩解我省能源緊張的形勢，對實現(xiàn)節(jié)能減排的工作目標將起到積極的推進作用，依靠科技進步，提高地熱資源勘查開發(fā)利用水平；加強地熱資源特別是淺層地熱資源的規(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福建省水文地質學科發(fā)展的對策建設
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，造成地下水水質惡化，地下水資源開發(fā)利用中存在的諸多問題已嚴重危及水資源的可持續(xù)利用，對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全構成威脅，加強對地下水資源的管理和保護刻不容緩。
水資源屬國家所有，加強水資源的合理分配、管理和保護事關國家經(jīng)濟安全與公共安全。根據(jù)地下水的資源與環(huán)境屬性，經(jīng)濟社會發(fā)展以及生態(tài)與環(huán)境保護對地下水的要求，統(tǒng)籌考慮水資源的合理配置和公共資源的使用和保護準則，合理劃分地下水功能區(qū)，協(xié)調地下水不同使用功能之間的關系，是政府加強公共管理和社會服務的重要體現(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的客觀要求。
地下水賦存于地質介質中，具有運動緩慢、補給周期長、循環(huán)更新慢、自我修復能力差、地下水系統(tǒng)遭到破壞后難以治理和修復等特點，必須采取嚴格的措施加以有效保護。以水文地質單元為基礎、結合區(qū)域地下水主導功能劃分地下水功能區(qū)，制訂開發(fā)利用和保護目標及標準，為地下水合理開發(fā)、保護、治理與管理提供科學依據(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)，進行多手段、全方位地下水找水的工作；同時應對地下水水源地進行劃分，利于不同層級的保護；將地下水作為福建省水源地的應急水源和儲備資源。
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。這就需要福建省應對沿海半島、島嶼缺水地區(qū)進行多手段、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。這就要求按流域進行系統(tǒng)性水文地質、環(huán)境污染等綜合調查與研究。同時城市周邊1/5萬區(qū)域水文地質調查較欠缺，應盡快完善該部分的工作。
加強地熱資源勘查評價，同時勘查新的地熱水源區(qū)、評價不同地區(qū)地熱資源開發(fā)利用的適宜性、科學統(tǒng)一管理全省地下熱水資源、研究開發(fā)新的地熱資源形式等，提供一個成熟的技術流程、堅實的科學基礎和可靠的工作示范。
5.5今后工作建議
（1）開展縣市范圍內的主要地下水供水地域調查，以應對極端氣象條件下的工程取水目標。
（2）開展地下水分散供水的水文地質條件研究，解決廣大分散居住生活工作人員的地下水水源地。
