時間：2022-02-02 02:12:28
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[關鍵詞]：物理實驗；模擬法；對象模擬；相似模擬；過程模擬；模擬放大
模擬法是通過設計與原型（自然現象或過程）相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規律的方法。它隨著生產和科學技術的發展而發展，是人類認識世界和改造世界最基礎的方法之一。此法應用于物理教學可使事過境遷或稍縱即逝的自然現象或過程在實驗室重現，可將現象簡化或進行時空的放大、縮小，可對那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內部狀態的系統進行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實驗，模擬法則成了一種重要的輔助手段。
物理實驗中的模擬法，根據其特點及主要功能，并結合本人教學實踐，分為以下四類。
一、對象模擬
就是用放大或縮小了的、相似的，而又能反映事物某方面規律的客觀實體來代替研究對象的方法叫對象模擬。
對象模擬的設計思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實體的主要矛盾和本質特征，摒棄次要的非本質因素，使研究對象從客觀實體中直接抽象出來。如質點、剛體、理想氣體、彈簧振子、點電荷、純電阻、理想變壓器等理想模型，以及天體運動模型，微觀結構等幾何相似模型。在研究二極管的單向導電性時，在實驗基礎上，運用對象模擬法，用自行車氣門和進水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對“單向性”的認識，而且激發了興趣，開闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模擬。如地球因自轉而產生的科里奧利力比較抽象，在地理課中亦有提及。我們不妨取一只舊的橡皮藍球（或地球儀）來模擬地球自轉，然后將紅墨水從上往下滴落在轉動的“地球”表面。此時即可明顯看到水痕西邊呈擴散狀，從而令人信服的說明北半球南流沖刷西岸這一自然現象。
二、物理相似模擬
在科學研究和工程技術的許多領域中，人們常常希望利用模擬試驗來代替對實際現象的研究，以便使我們可能在一定程度上預言某些在目前尚無法達到的條件下出現的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動，把設計好的收音機縮小成模型放在風洞中試驗其特性等。其特點即模擬與原型遵循同樣的物理規律，故稱為物理相似模擬。
巷理實驗教學中的“失重和超重模擬實驗”，“蘿卜”馬德堡半球，帕斯卡裂桶，用帶電的肥皂泡在豎直電場中的平衡進行“密立根油滴實驗”的模擬，以及十分壯觀的“可樂瓶水火箭”等，均是物理相似模擬的范例。
電場線是用來形象地描述電場的假想的曲線。做好“電場線”的演示實驗模擬，對實現教學目標十分重要。因此我們可利用感應起電機、清潔過的彩色絲線（可從舊的錦旗上取得）、金屬鋁板（即老式平行板電容器）等器材對“電場線”加以形象模擬。制作時只需將鋁板按自己需要劃出小方格，約1cm2間隔打一細孔（能穿過絲線即可），然后每孔穿上絲線背面打結，穿好后，將絲線剪成1寸多長左右，（力求整齊一致），過長，易互交結，不便演示。將兩金屬板平行豎直放置，固定在絕緣支柱上。兩板用導線連接至起電機上。搖起起電機，立即可見絲線飛起指向另一板，模擬勻強電場的電場線，十分直觀，且全班學生均可見。如果供電充足，將在兩板邊緣產生放電，每放一次電，絲線產生振動跳躍，確是課堂一大“景觀”。
三、過程模擬
把具體物理過程純粹化、理想化，并根據其本質特征而設計的一種模擬叫過程模擬。其特點是過程簡化，易于控制。
氣體壓強的分子運動論觀點，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子對器壁連續碰撞的過程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣著的托盤底上的現象來模擬，就顯得直觀生動了。布朗運動的模擬，裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過程模擬的成功例子。
電子技術中半導體的導電機理，電子運動易理解，空穴導電則抽象，課堂教學中如用“空位置”的運動來作一現場過程模擬，無疑會使學生茅塞頓開。分析曲線運動的思想方法——運動的分解和合成是個難點，可以平拋運動為突破口，在演示有關實驗后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走（模擬水平勻速直線運動）邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運動，既簡單明了，又便于分析。理解機械波的形成過程是本章教學的一個重點和難點，運用模擬器材，以紐扣狀的物體來表示振動的質點，通過搖轉，使質點繞平衡位置上下振動，而整體波形向外傳遞，邊演示邊分析，效果很好。
熱學中的統計方法和光本性的幾率概念，由于受課堂教學時間的限制，怎樣從個別事件的無規律過渡到大量事件的有規律，成了模擬實驗的設計難點，在教學中采用全同等可能過程，在不同時刻的空間比較可以等效變換成同一時刻不同狀態的比較的方法，讓全班同學同時擲幣若干次，然后統計比較下列情況“國徽”朝上的次數：（1）某同學；（2）某小組同學；（3）全班同學。從而使學生既突破了難點又受到一次生動的方法論教育。
四、模擬放大
在物理概念和規律教學中，學生往往對那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內部狀態的規律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模擬放大正是采用空間放大和時間放大的方式，抓住本質特征，展現其生動直觀形象，從而促進思維順利進行。
液體壓強與流速的關系學生比較陌生，可以通過模擬放大的方法加以演示，讓學生加深印象。具體方法是：把灌足有色水的氣球跟各部分粗細不同，且在粗細不同的地方有豎直小側管的水平玻璃管連接，讓豎直小側管管口向上。由于氣球膜的收縮力對水產生的水壓使氣球內的水通過玻璃管流出，這時我們看到，水在各個側管中上升的高度不同，接玻璃管粗處側管的水面升得較高，接玻璃管細處側管的水面升得較低，這說明流動液體的壓強在管道細的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道細的地方液體流速大，管道粗的地方液體流速小，故實驗表明：液體流速大處壓強小，液體的流速小處壓強大。
如果我們用手擠壓氣球，這時看到玻璃管中水的流速加大，同時所有小側管中的水面下降；松手停止擠壓氣球，可看到玻璃管中水的流速變小，同時所有小側管中的水面上升。用這個方法，我們可以演示，液體流速大時壓強小，流速小時壓強大。
液體表面張力實驗中的“水面浮針”，學生感到新奇，但在分析受力時往往錯誤認為表面張力與重力平衡，經指出后又不理解沿液體表面作用的力并沒有作用在針上。究其原因是學生在形成概念過程中缺乏直觀材料。為此，用一只較大的氣球，充入少量氣體，然后在上面放一根小鐵棒，以此來模擬放大液面浮針，并指出液體表面張力同橡皮膜的張力，只作用在它們的表面，并沒有作用在針（或棒）上，作用在針上的是因液體表面張力而產生的液面對針的支持力。通過令人信服的實驗還使學生進一步明確：表面張力的作用是保持液面不分裂。
力的分解，關鍵是根據力產生的效果來確定分力的方向。其中三角支架是典型的問題，在教學中教師由兩個同學配合，一個同學用手撐著腰，另一個同學在手的肘部用力豎直往下拉，讓他感受力的作用效果。在講摩擦力的方向時，用長毛板刷來模擬放大物體的運動趨勢，一目了然。
筆者在利用中教暢享（ITMC）物流管理沙盤模擬系統進行實踐教學的過程中，不斷地探索教學方式、方法以及學生考核辦法，取得了一定的效果。
（一）運用“階梯式”的培養模式，拓展不同年級學生的能力為了鼓勵學生參加物流沙盤模擬訓練，成立物流沙盤協會，采取團隊的方式參與。具體組隊的方法采用的是“階梯式”，即由不同年級的學生參與進來。在專業教師的指導下，通過“階梯式”的組隊方式，高年級的學生由于很早就接觸，有豐富的經驗和專業知識，幫助低年級的學生，其組織協調能力、領導能力和表達能力都能得到鍛煉，而低年級的學生能夠很早就接觸到專業知識，大大提高了學習的興趣。
（二）通過沙盤模擬系統學習專業知識并拓展學生的知識體系物流系統是一個龐大而復雜的系統，學生在學習的過程中理解起來比較抽象，怎樣能夠讓枯燥的專業知識更加生動地深入到每個學生的心里，是每一位專業教師在教學的過程中需要不斷摸索的。通過物流沙盤的模擬，教師在指導的過程中結合物流沙盤中的角色和各環節闡述相應的理論知識，能夠讓物流系統的專業知識連貫的串通起來，深刻理解物流管理中的各個角色，涉及的各個環節。不僅如此，傳統教育將知識體系劃分成不同的專業方向，學生只能擇其一而修，產生的專業壁壘嚴重地禁錮了學生的思維方式和發展空間，而沙盤模擬是對企業經營與運作管理的全方位重現，通過模擬實戰，可以使學生在戰略管理、財務管理、營銷管理、生產與運作管理、物流管理、人力資源管理以及信息管理等方面的管理知識體系得到一次全面的、系統的梳理與總結。
（三）通過小組間對抗，調動學生積極性，提高學習的趣味性物流沙盤模擬跟現實世界是一樣的，同樣存在企業間的激烈競爭。通常將學生分為6~12個組代表不同的企業，每個企業5~6個人擔任企業運營過程中的各個角色。整個物流市場上的業務量是一定的，每個企業怎樣運作來盡可能地爭取市場份額，使得本企業的利潤最大化是每個企業運營的目標。為了達成這一目標，每個企業相互對抗和競爭，通過物流網點的設施、運輸路線的選擇進行科學的決策，充分調動學習的積極性，即使企業在運營的過程中遇到瓶頸也不輕易放棄，而是積極尋求解決的辦法。
（四）培養團隊合作精神沙盤模擬涉及到企業運營過程中的各個環節，不同環節間需要密切地配合。比如，對市場上業務需求量的預測，關系到怎樣規劃物流的設施設備以及提供服務的價格等。另外，由于物流系統在運作的過程中存在效益背反現象，當不同環節的利益發生沖突時，企業的管理者要站在戰略的角度統籌規劃，使物流系統的整體達到最優。因此，在模擬實訓的過程中能夠培養學生的團隊合作精神，在團隊中各司其職，相互溝通協調解決問題。
（五）提高了學生自我認識和自我定位的能力絕大多數學生在學校期間缺乏對自己的正確認識，不能進行正確地職業生涯規劃。看似不起眼的沙盤模擬對抗賽，不僅展示出每個學生的專業技能，而且使每個學生的性格真實地呈現出來。從組建團隊，到人員分工，是根據每個人能力的不同采取學生自愿自發競聘上崗的形式。在經營的過程中，如果發現某個成員不稱職或者不適合某一崗位，團隊可以民主地進行重新調整和定位，使得每個人都能夠找到最合適自己的崗位。通過沙盤模擬對抗，在老師的指導下，學生們學會了如何自我定位，對自己的性格和能力都有了正確的認識，可以少走彎路，制定出適合自己的職業生涯規劃。
二、沙盤模擬的實訓課程的教學創新
（一）教學方法創新沙盤模擬實訓課程真正體現了體驗式創新教學法，即在老師的幫助和指導下，學生自主地進行體驗式和研究式的學習，進而提高自身的創新能力，最終形成創新人才的教學方法。其特點包括：第一，相互支持的學習環境。實訓課程所創造的學習環境能夠讓學生互相幫助，相互信任。學生不僅能在過程中正確地認識自己，同時也同他人建立了彼此支持和幫助的良性互動關系；第二，以學生為中心，自主學習，并使之內化成為一種習慣，帶到以后的生活和工作中去；第三，快速學習。在實訓的過程中在快樂中學習，在錯誤中反思，不斷強化記憶并且記憶深刻；第四，自我認識和肯定，在實訓的過程中遇到困難的時候，學生們自己想辦法克服和解決，在自己的崗位上盡最大的努力去完成任務。學生們會體會到前所未有的成就感和自我肯定，同時也學會了如何自我定位，對自己的性格和能力都有了正確的認識，迎接未來真正的挑戰。
（二）教學手段創新沙盤模擬實訓課程采用傳統教學手段和現代教學手段相結合，形成一套融角色實訓、情景式教學、自主學習和互動學習為一體的教學體系。例如，市場競單時，每個企業為了以盡可能少的廣告投入獲得大批量的市場訂單，搶占市場份額，市場營銷總監必須準確地預測市場發展趨勢，并利用商業間諜想辦法了解競爭對手的動向，制定本企業的市場開拓和產品研發計劃，確立并維護企業的市場地位，在必要時可能還會做退出某個市場的決策。
（三）教學內容創新首先，教學活動從以“教”為主體轉變成以“學”為主體；其次，學生獲取知識的內容從僅僅來自課堂和教師轉變成既來自課堂和教師，同時也來自于課外和其他學生；最后，沙盤模擬實訓的教學內容在非常注重對學生理論知識的傳授同時還注重其與實踐能力的緊密結合。
三、結束語
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，以發現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生的效果，對提升論文價值，突出研究成果的創新性有重要意義。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象與過程本身，而是設計一個和該現象與過程相似的模型，并通過該模型間接地呈現出該現象與過程。模擬實驗的目的主要是便于經濟地檢驗、驗證、再現、發現或揭示該現象與過程的特征、演變規律與內在機制。
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象與過程相似的物理模型，并對該模型研究，獲取該現象與過程的特征。
計算機模擬是利用計算機對某現象與過程進行求解、分析、判斷以及圖像顯示等，得出該現象與過程的特征。計算機模擬有模型模擬和統計模擬兩種基本方法。
2.模擬實驗方法的進展特征
科學技術的發展，對許多航空航天系統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，科學技術研究已經從靜態發展到動態、從線性發展到非線性、從確定性參數發展到不確定性參數、從不變性函數發展到多變性函數。面對這些新問題，現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，經研究發現，模擬實驗方法的最新進展以依賴問題的屬性信息和現場信息為特征，旨在求解動態、非線性、不確定性與多變性等復雜問題，根據對問題信息的依賴特征，將現有的模擬實驗方法歸納為屬性依賴法與現場依賴法。
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]綜合現有方法的優點，提出一種振動耦合動力學模型，計算出系統非線性響應，并在兩個航空發動機轉子模擬裝置上進行模態實驗，發現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。可以看出，解決這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，經過對2種模擬結果的對比檢驗，最終推斷出航空發動機非線性響應的某些特征，為探索航空發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子屬性，則可以根據各子屬性的特征，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，航空發動機的故障診斷技術對發動機性能的可靠性、維護性和保障性有重要影響。但是，現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性能。這里的問題是如何定量評價故障診斷系統性能?
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，發動機故障診斷系統和故障診斷實驗等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，為發動機故障診斷系統奠定理論模型基礎;(2)基于理論模型，針對民用渦扇發動機常見的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發動機故障診斷系統，為故障診斷實驗奠定基礎;(3)基于故障診斷系統，用統計模擬法評價出發動機故障診斷系統性能的定量指標值。
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、物理模型模擬和統計模擬，最終目標是實現故障診斷系統性能的定量評價，為工程實踐提供了重要依據。
三、現場依賴法
現場依賴法是基于時間序列和參數序列的模擬實驗方法，時間序列和參數序列統稱為序列。時間序列是將某現象的某一個指標在不同時間上的各個數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。參數序列是由某現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。
現場依賴法是指依賴于問題真實現場信息的一種模擬實驗方法，其特點是，在模擬實驗中有現場的實時信息輸入、輸出與交流，可以及時矯正評估與預測結果。按照現場實時信息特征，現場依賴法可以細分為時間序列依賴法與參數序列依賴法。
1.時間序列依賴法
時間序列依賴法是根據現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，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的可靠運行奠定基礎。
例如，為揭示大氣阻力導致衛星軌道衰減的機制，文獻[1]構建了模擬實驗系統，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變化，獲取衛星軌道高度衰減結果即輸出時間序列。其中，依賴的現場實時信息是經模擬改進的用某衛星高精度加速度儀測量得到的大氣密度數據。盡管熱層大氣密度數據呈現出明顯的動態、非線性、不確定性與多變性時序特征，模擬軌道序列與衛星實際軌道序列仍然保持一致，發現了衛星運行軌跡演變的新特性，研究成果具有創新性。
2.參數序列依賴法
參數序列依賴法是根據現場實時信息的輸入參數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。
常見參數有剛度、阻尼、固有頻率、壓力、流量與溫度等，多種參數的組合構成參數序列。模擬實驗系統的參數序列取值應該與真實系統的參數序列保持一致，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]的衛星在軌微振動環境模擬實驗，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星動力學特征的影響機制，為提高衛星在軌微振動地面模擬實驗精度奠定了基礎。其中，依賴的現場實時信息是微振動擾振，輸入參數序列為激振力參數，輸出序列為模擬衛星彈性體的模態相應。
四、結 語
基于科學技術問題的屬性信息和現場信息特征，提出模擬實驗的屬性依賴法與現場依賴法，可以解決動態、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實驗方法的發展提供新思路。
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場依賴法可以有效地驗證或再現研究對象的表現，揭示其演變規律，發現某些未知特性。
在科技論文中，將屬性依賴法與現場依賴法產生的效果充分展示出來，能更好地突出研究成果的創新性。
[論文摘要]：目前，微生物采油技術引起了微生物學界、石油工業界、石油地質界和地球化學界等相關學科的廣泛興趣和關注。詳細介紹微生物采油技術概況，明確分析微生物采油技術概況機理，并探討其發展方向。
微生物原油采收率技術(microbialenhanancedoilrecovery，MEOR)
是利用微生物在油藏中的有益活動，微生物代謝作用及代謝產物作用于油藏殘余油，并對原油/巖石／水界面性質的作用，改善原油的流動性，增加低滲透帶的滲透率，提高采收率的一項高新生物技術。該項技術的關鍵是注入的微生物菌種能否在地層條件下生長繁殖和代謝產物能否有效地改善原油的流動性質及液固界面性質。與其它提高采收率技術相比，該技術具有適用范圍廣、操作簡便、投資少、見效快、無污染地層和環境等優點。
一、微生物采油技術概況
1926年，美國科學家Mr.Beckman提出了細菌采油的設想。1946年Zobeu研究了厭氧的硫酸鹽還原菌從砂體中釋放原油的機理，獲得微生物采油第一專利。I．D．shtum(前蘇聯)及其它國家等學者也分別作了大量的創新性工作，奠定了微生物采油的基礎。美國的Coty等人首次進行了微生物采油的礦物試驗。馬來西亞應用微生物采油技術在Bokor油田做先導性礦物試驗，采油量增加了47%。2002年至2003年，我國張衛艷等在文明寨油田進行了微生物礦場應用，累計增產原油1695t，累計少產水1943t，有效期達10個月。
美國和俄羅斯在微生物驅油研究和應用方面，處于世界領先地位。美國有1000多口井正在利用微生物采油技術增加油田產量，微生物采油項目在降低產水量和增加采油量方面取得了成功。1985年至1994年，俄羅斯在韃靼、西西伯利亞、阿塞拜疆油田激活本源微生物，共增產原油13.49x10t，產量增加了10～46％。1988年至1996年，俄羅斯在11個油田44
個注水井組應用本源微生物驅油技術，共增產21x10t。
20世紀60年代我國開始對微生物采油技術進行研究，但發展緩慢。80年代末，大慶油田率先進行了兩口井的微生物地下發酵試驗(30℃)。大港、勝利、長慶、遼河、新疆等油田與美國Micro～Bac公司合作，分別進行了單井吞吐試驗。1994年開始，大港油田與南開大學合作，成功培育了一系列采油微生物，該微生物以原油和無機鹽為營養，具有降低蠟質和膠質含量功能，并在菌種選育與評價、菌劑產品的生產、礦場應用設計施工與檢測等諸方面取得了成績。1996年以來，吉林油田與13本石油公司合作，探究了微生物采油技術在扶余油田東189站的29口井進行的吞吐試驗，21口井見效，見效率達70%。2000年底，大慶油田采油廠引進了美國NPC公司的耐高溫菌種，在Y一16井組進行了耐高溫微生物驅油提高采收率研究和現場試驗，結果表明，采收率達43.41%，增加可采儲量1.81×10t，施工后當年增油615.5t。勝利油田羅801區塊外源微生物驅油技術現場試驗提高采收率2.66%。
二、微生物采油技術機理
（一）微生物采油技術與油田化學劑
在大慶油田開發的各個階段都會使用不同性質的化學劑，現以大慶油田為例。當大量化學劑進入油藏后，將發生物理變化和化學變化，對微生物采油過程可能產生不同的影響。化學劑既可引起微生物生存環境（滲透壓、氧化還原電位、pH值）的改變，又可直接改變生物的生理（呼吸作用、蛋白質、核酸及影響微生物生長的大分子物質的合成）以及影響微生物細胞壁的功能，從而影響微生物的生長，降低采收率。
（二）微生物驅油機理
因為，微生物提高原油采收率作用涉及到復雜的生物、化學和物理過程，除了具有化學驅提高原油采收率的機理外，微生物生命活動本身也具有提高采收率機理。雖然目前的研究不斷深入，但仍然無法對微生物采油技術各個細節進行量化描述，據分析，主要包括以下幾個方面：
1.原油乳化機理。微生物的代謝產物表面活性劑、有機酸及其它有機溶劑，能降低巖石一油一水系統的界面張力，形成油一水乳狀液（水包油），并可以改變巖石表面潤濕性、降低原油相對滲透率和粘度，使不可動原油隨注入水一起流動[1引。有機酸能溶解巖石基質，提高孔隙度和滲透率，增加原油的流動性，并與鈣質巖石產生二氧化碳，提高滲透率。其它溶劑能溶解孔隙中的原油，降低原油粘度。
2.微生物調剖增油機理。微生物代謝生成的生物聚合物與菌體一起形成微生物堵塞，堵塞高滲透層，調整吸水剖面，增大水驅掃油效率，降低水油比，起到宏觀和微觀的調剖作用，可以有選擇地進行封堵，改變水的流向，達到提高采收率的效果。在較大多孔隙中，微生物易增殖，生長繁殖的菌體和代謝物與重金屬形成沉淀物，具有高效堵塞作用。
3.生物氣增油機理。代謝產生的CO、CO2、Nz、H、CH和C3H等氣體，可以提高地層壓力，并有效地融入原油中，形成氣泡膜，降低原油粘度，并使原油膨脹，帶動原油流動，還可以溶解巖石，擠出原油，提高滲透率。
4.中間代謝產物的作用。微生物及中間代謝產物如酶等，可以將石油中長鏈飽和烴分解為短鏈烴，降低原油的粘度，并可裂解石蠟，減少石蠟沉積，增加原油的流動性。脫硫脫氮細菌使原油中的硫、氮脫出，降低油水界面張力，改善原油的流動性。
5.界面效應。微生物粘附到巖石表面上而生成沉積膜，改善巖石孔隙壁面的表面性質，使巖石表面附著的油膜更容易脫落，并有利于細菌在孔隙中成活與延伸，擴大驅油面積，提高采收率。
（三）理論研究
1.國內外的數學模型。20世界80年代末，國外的Islam、Zhang和Chang等建立了微生物采油的數學模型并開展了相應的數值模擬研究。Zhang模型優于Islam模型在于可描述微生物在地層中的活動，卻難于現場模擬。Chang模型是三維三相五組分，能描述微生物在地層中的行為，不能描述在油藏中的增產機理。
2.物理模擬。物理模擬研究基本上是應用化學驅的物理模型試驗裝置及試驗過程。微生物驅油模型的核心是巖心管部分，其長度影響微生物的生長繁殖。應建立大型巖心模型，使微生物充分繁殖，便于分析研究微生物的驅油效果。通過物理模擬研究微生物驅油法，可獲得微生物在巖心中的推進速度及濃度變化，對巖心滲透率的影響等信息。
（四）源微生物的采油工藝
國內油田（大慶等）已進人高含水開發期，是采用內源微生物驅油還是采用外源微生物驅油，要根據具體油藏內的微生物群落進行分析。若具體油藏中內存在有益微生物驅油的微生物群落，宜采用內源微生物驅油工藝，這是目前國內致力于運用最新微生物采油技術。
三、結語
綜上所述，在我國油田中，特別是大慶油田，在微生物采油技術具有提高采收率的效果，對大多數的油藏都能充分發揮微生物采油的優勢。制約微生物采油技術的主要因素在于油藏中微生物群落結構、現場試驗工藝及物理模擬實驗的局限性。外源菌種的選育和評價指標、特性，微生物的研究、菌液的生產和礦場試驗等方面還需深化。
參考文獻：
關鍵詞：準噶爾盆地南緣 多排斷褶帶 物理模擬 因子分析 相關矩陣
中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（c）-0000-00
0. 引言
近年來，構造物理模擬實驗在油氣盆地構造研究方面取得了顯著成效。構造物理模擬實驗為油氣盆地構造的形成過程和成因機制研究提供了基礎依據，在區域構造和局部構造分析基礎上，通過物理模擬方法再現構造形成過程，建立合理的構造解釋模型已經成為一種有效的研究思路。前人對準噶爾盆地南緣構造變形特點及變形的主控因素開展了深入研究，但對于該地區的研究還處于定性解釋和物理模擬驗證階段，在一定程度上對構造解釋模型的建立缺乏準確性。因子分析方法在地質學中的應用主要集中在地球化學、沉積相研究和礦物巖石學等方面。筆者將其應用到構造地質學中，首先通過設計物理模擬實驗再現了準噶爾盆地南緣多排斷褶帶的發育情況，再試圖通過實驗數據分析、定量的探討控制該區構造帶發育的因素。
1. 準噶爾盆地南緣構造概況
準噶爾盆地南緣東西長約500 km，南北寬約100 km，是地層發育齊全、構造變形獨具特色的地區。由于邊界條件和各期構造作用的方式、應力方向不盡相同，在南緣地區的不同地段構造變形特點具有顯著差異，大致以烏魯木齊為界分為東、西兩個構造帶。其中，南緣西部構造帶發育多排褶皺-斷裂帶組合，平面上呈斜向“瓦垅”狀構造 （圖1） [1]。這種斜列的瓦垅構造帶主干斷裂為天山北緣斷裂，分支構造為壓扭性斷層和褶皺。剖面上為隔擋式褶皺，即背斜緊閉、向斜開闊。燕山期以來，特別是喜山期右行壓扭應力作用下，中、新生代地層沿侏羅系煤層和古近系高塑性泥巖層發生滑脫并彎曲形成了5個斷裂背斜構造帶。綜合前人研究成果，我們認為準噶爾盆地南緣西部構造模式屬于后緣擠壓、前緣雙層滑脫模型（圖2）。
圖1 準噶爾盆地南緣褶皺-沖斷帶綱要圖（據于福生等，2009）[2]
（1）-逆斷層； （2）-平移斷層； （3）-褶皺及編號； （4）-剖面位置及編號； （5）-分帶界線； （6）-分帶編號：Ⅰ—第一排背斜—沖斷帶； Ⅱ—第二排背斜—沖斷帶； Ⅲ—第三排背斜—沖斷帶； Ⅳ—第四排背斜—沖斷帶
圖2 準噶爾盆地南緣西部后緣擠壓、前緣雙層滑脫變形模式
2. 物理模擬實驗
前人對準噶爾盆地南緣的野外考察認為，沉積蓋層中的兩個滑脫層分別為：侏羅系的煤層和白堊系-古近系的泥巖層。地層下部，侏羅系煤層影響著較深部位地層的構造發育，而地層上部的泥巖層影響著較淺部位地層的構造發育。本實驗以后緣擠壓、前緣雙層滑脫模式為理論依據，設計了四組擠壓變形模擬實驗。
2.1 實驗設備與材料
模型設計：砂箱規格為78cm（長） 30cm（寬），模型砂層高度因不同組實驗所設計的滑脫層厚度和蓋層厚度不同而異，模型的橫向比例尺約為1：8.4萬。實驗底部為剛性基底，單側馬達驅動擠壓，設定擠壓速率為3mm/min（圖3），實驗沒有設定固定的擠壓量，砂層收縮至產生6-7條前展式逆沖斷層時停止。
實驗選用模擬地層的材料為干燥松散的黃色石英砂（粒徑0.2～0.5mm），從力學性質上講，它是國內外通用的模擬地殼淺層次脆性構造變形的材料。滑脫層則選取玻璃粉、食鹽等物理形態上與石英砂差距不大的材料。設計了四組實驗，其中第一組實驗為砂層與玻璃粉互層，單砂層厚度為0.6cm，玻璃粉單層厚度為0.3cm，從下至上依次為石英砂（2層）—玻璃粉（1層）—石英砂（3層）—玻璃粉（1層）—石英砂（2層）；第二組實驗為為砂層與玻璃粉互層，單砂層厚度為0.6cm，玻璃粉單層厚度為0.5cm，從下至上依次為玻璃粉（1層）—石英砂（2層）—玻璃粉（1層）—石英砂（3層）—玻璃粉（1層）—石英砂（2層）；第三組實驗為食鹽與砂層互層，單砂層厚度為0.6cm，食鹽層單層厚度為0.5cm，從下至上依次為食鹽（1層）—石英砂（2層）—食鹽（1層）—石英砂（3層）—食鹽（1層）—石英砂（2層）；第四組實驗為食鹽與砂層互層，單砂層厚度為0.6cm，食鹽層單層厚度為0.5cm，從下至上依次為石英砂（2層）—食鹽（1層）—石英砂（3層）—食鹽（1層）—石英砂（2層）。
圖3 擠壓變形砂箱剖面物理模擬實驗設計示意圖
2.2 實驗過程與結果
各組實驗在以上設計條件下都具有可重復性，能得到相同的實驗數據。在此，筆者僅對第四組實驗結果進行對比闡述。
馬達啟動后砂層首先彎曲形成褶皺，當收縮率（SR）為1.3%時，開始形成第一條逆沖斷層F1，由于離推覆體近、應力集中而且大，斷層F1切穿整個模型（圖4A）。當收縮率（SR）為5.1%時在F1前方形成逆沖斷層F2，同時在F1上盤形成與F1傾向相反的斷層F3，上盤構成一楔狀體（圖4B）。當收縮率（SR）為6.7%時，在F2前方形成逆沖斷層F4（圖4C），該斷層傾角比F1小并收斂于F1。可見兩滑脫層已斷開，力從下部滑脫層往上傳遞，而下部滑脫層以下地層平直。繼續擠壓，當收縮率（SR）為11.5%時，可見上下兩滑脫層均有滑脫形成逆沖斷層F5和F6的現象，而滑脫層之間的砂層僅出現彎曲而未錯斷（圖4D）。再進一步，當收縮率（SR）為20%時，之前形成的斷層F5和F6已經合二為一，并在更遠的前端形成滑脫斷層F7和F8（圖4E），F7 的斷距大于F8，F8之下砂層平直說明應力在兩滑脫層傳播。持續的擠壓至收縮率（SR）為24.1%時，F7和F8逆沖于同一斷層面之上，在大斷層上盤形成了一個反向的沖斷層F9（圖4F）。
圖4 擠壓變形模擬實驗過程
3 實驗結果數據分析
不同的模型設計控制因素不同，其實驗結果也有所差異，但是在相似模型條件下產生的實驗數據存在一定相關性[3]。將這些蘊含信息的數據進行分析，能得到這些控制變量與實驗結果之間定量或半定量的關系。
3.1 理論準備
因子分析法是指從研究指標相關矩陣內部的依賴關系出發，把一些信息重疊、具有錯綜復雜關系的變量歸結為少數幾個不相關的綜合因子的一種多元統計分析方法[3]。筆者將其應用到構造地質學中，探討控制斷層發育的各種因素之間的關系，試圖將這些因素歸類，為構造物理模擬實驗設計定量分析研究提供理論依據。
因子分析的理論依據讀者可以查閱相關文獻[3，4]，在此主要涉及以下幾個主要公式：
① 各變量之間的相關矩陣R= 及其特征值；
② 正交變換矩陣T，因子載荷矩陣；
③ 因子得分矩陣；
3.2 因子分析
由于四組實驗設計的蓋層（滑脫層之上地層）厚度、滑脫層厚度、滑脫層性質（兩種不同屬性的滑脫層材料）以及模型底部是否存在滑脫基底等控制因素不同，將蓋層厚度、滑脫層厚度、滑脫層性質和先存基底作為變量。實驗1—以滑脫層厚度與上覆蓋層厚度的比例與其他實驗相區別，設上覆蓋層厚度為實驗變量x1；實驗2—其滑脫層厚度與實驗1相區別，以滑脫層的厚度為實驗變量x2；實驗3—模型下部設計有基底與實驗1和實驗4相區別，以基底的存在作為實驗變量x3；實驗4—滑脫層所用的材料屬性與實驗1、實驗2相區別，并以材料屬性（或滑脫層的性質）作為實驗變量x4。實驗中從推覆方向起，由近及遠產生的前展式斷層（表1中的，相當于圖4中朝擠壓方向逆沖的斷層）作為樣品斷層，以斷層發育時的實驗收縮率和實驗解釋剖面與地震解釋剖面相似度最高時的實驗收縮率作為觀察數據點，將四組實驗數據建立一個數據表（表1）。從數據表趨勢線（表1右）不難發現，數據點與變量之間存在著一些關系。筆者是希望通過因子分析根據相關性大小將變量分組，每組變量就共同代表了對相關數據的影響。
表1 擠壓變形模擬實驗數據表及數據趨勢線
x1
x2
x3
x4
f1
4.5
1.7
1.2
1.3
f2
7.8
5.2
4.6
5.1
f3
11.9
9.6
5.4
6.7
f4
20.9
16.3
9.4
11.5
f5
26.8
24.5
21.4
20.0
f6
39.7
30.7
27.5
24.1
將表1中的數據整理建立變量與樣品的原始矩陣X：；
矩陣X標準化得到矩陣X1：；
從而依據相關矩陣公式①得出矩陣X1的相關矩陣R，相關矩陣R的特征向量矩陣A及其特征值向量b。
，，
，；
令，，A*即為因子載荷矩陣。A*的列對應于四個變量（x1，x2 ，x3 ，x4），行對應于四個公因子（Y1 ，Y2 ，Y3 ，Y4）。矩陣A*中的每一列分別與b中的元素對應。將A*按照特征值從大到小排列得到矩陣A**，矩陣A**中變量x在因子Y上的得分集中在x1處，因此需要對矩陣A**進行旋轉。
將因子載荷矩陣A**正交變換后得到旋轉后的因子載荷矩陣B0（其中正交變換矩陣T是通過矩陣分析軟件得到）。又有，根據公式③得到因子得分矩陣F，將F歸一化得到新的因子得分矩陣E，這樣我們就可以結合物理實驗和實際地質情況對矩陣ET進行分析。
， ；
旋轉后的因子載荷矩陣B0中，變量x1和x2在因子Y1上的得分較高（），變量x3和x4在因子Y2上得分較高（），因此研究區控制斷層發育的因素分為兩大類（即Y1和Y2）。第一大類：斷層發育受蓋層厚度和滑脫層厚度的綜合控制；第二大類：斷層發育受軟弱基底的存在和滑脫層性質的綜合控制。矩陣ET的列對應于公因子Y1 、Y2 、Y3 、Y4，行對應于表1中的f1、f2、f3、f4、f5、f6，矩陣中的數值即斷層f在公因子Y上的得分。因為研究區控制斷層發育的因素已經分為Y1和Y2兩類，所以我們只需要對矩陣ET的前兩列進行分析。
4 物理模擬與數值分析結果討論
將實驗結果與構造變形模式圖對比，斷層F1、F2（表1中的f1、f2）大至與第一排背斜帶（NO.1）對應，斷層F4（表1中的f3）大至與第二排背斜帶（NO.2）對應，斷層F5、F6（表1中的f4）大至與第三排背斜帶（NO. 3）對應，斷層F7、F8（表1中的f5）大至與第四排背斜帶（NO.4）對應（圖5）。
實驗數據分析得到的矩陣ET中，Y1和Y2列是控制斷層發育的公因子，在行方向斷層f1、f2、f3、f4在Y1上的得分較高（>0.5），斷層f4、f5、f6在Y2上的得分較高（>0.5）。由此可見，第一、二、三排背斜帶主要受第一類因素控制，即斷層發育樣式受蓋層厚度和滑脫層厚度控制；第四排背斜帶主要受第二類因素控制，即斷層發育主要受上部滑脫層控制。第三排背斜帶在兩個因素上的得分相當，說明第三排背斜帶在兩種控制因素下處于過渡帶，在局部地區受到了上部滑脫層的控制。
以上分析結合主波長理論證明了滑脫層越厚越容易滑脫，即褶皺發育及斷層的產生所需要的收縮量就越小；滑脫層以上的地層越厚，滑脫層越顯塑性，越容易滑脫。侏羅系煤層的存在為上覆地層提供了滑脫基底。侏羅系以上地層內部存在的滑脫層為離盆地邊界較遠的第四、五排背斜帶的形成創造了條件。
圖5 擠壓變形模擬實驗結果
5 結論
（1）準噶爾盆地南緣西部多排斷褶帶發育主要受兩類因素控制：第一類：蓋層厚度和滑脫層厚度，第二類：軟弱基底的存在和滑脫層性質；（2）滑脫層以上的地層越厚，滑脫層越顯塑性越容易滑脫，滑脫層越厚越容易滑脫；（3）第一、二排背斜帶發育受第一類因素控制，第三排背斜帶處于兩類因素控制的過渡帶，第四排背斜帶發育受第二類因素控制；（4）侏羅系煤層的存在為第四、第五排背斜的形成創造了條件。
參考文獻
[1] 王偉鋒，，陸詩闊， 等. 準噶爾盆地構造分區和變形樣式[J]. 地震地質， 1999， 21（4）：
[2] 于福生，李國志， 等. 準噶爾盆地南緣褶皺-沖斷帶變形特征及成因機制模擬[J]. 大地構造與成礦學. 2009， 33（3）： 386～395.
【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展規劃綱要（2010-2020年）》中強調提高學生勇于探索的創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的發展
1. 國外發展
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，鼓勵學生發揮創造力，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據庫、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據計算過程，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據的學習工具。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。淮陰師范學院的陳樂老師利用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、數學擺線、彈簧運動等物理實驗模擬和數據分析。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象，有助于學習由感性認識上升到理性認識，實現知識的遷移；能夠創建各種物理元件，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，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，使數據分析動態可視化。
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，如可以呈現光通過界面發生的反射、折射等物理現象，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（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提供的數據分析功能，引導學生討論天體運行的規律。最后，教師對實驗過程進行總結，結合實驗現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）最后進行模型的優化改進，從中總結拱橋受力原理。
在傳統教學中，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現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，使學生探究并發現平拋運動的規律。
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學、平面幾何、物理的矢量分析、作圖的動態幾何工具。總體來說，幾何畫板在我國的使用范圍要比Algodoo廣，經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，需要設置才能夠實現模擬實驗，而Scratch元件設置簡單，重在培養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有趣的效果。
小 結
1. Algodoo的優勢
第一，實驗模擬促進高效教學。 Algodoo可以對物理、數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，動手搭建培養學生探索能力。Algodoo中的虛擬實驗環境可以由學生自己來搭建、改進，有利于培養學生的動手能力和探索能力。
第三，能夠激發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，都能夠激發學生對實驗操作和持續進行知識的興趣，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、網絡等因素，無法充分利用國外這一社區平臺，同時又缺乏國內的社區平臺。
全國正在規劃建設的13處大型煤炭基地,其中西部地區占7個,西北地區占5個。目前西部地區礦業工程專業的畢業生需求量較大,從近3a采礦工程等專業畢業生就業率高達90%以上就能說明這一點。所以必須針對西部地區經濟特點等實際情況,提高西部礦業工程大學生的綜合素質、科研及創新能力等綜合素質。在這種意義上稱之為“基于西部情結的綜合素質”,也就是說西部的人才培養體系主要依靠西部人來支撐與建設。
1特色及優勢分析
根據調研資料分析[4~6],結合我校西部礦業這一特色與優勢學科的實際情況,對國內外目前礦業工程力學課程體系與實驗示范(基地)構建的模式及特色進行全面分析,其主要包括以下幾大優勢。
1)國際優勢及特色。在國外,采礦專業,目前只有美國的西弗吉尼亞大學、哥倫比亞大學、賓尼法尼亞州立大學、印度礦業學院、英國諾丁漢大學、澳大利亞的新南威爾士大學等還保留有采礦專業,波蘭的礦業領域人才培養也已經萎縮。在國內,只有我校擁有西部惟一的礦業工程一級學科,而中國礦業大學、太原理工大學、山東科技大學、重慶大學雖然還開設有礦業類基礎工程專業的課程,但畢業生所服務的地區很少涉及西部礦區。
2)項目構建優勢。2000年山東科技大學獲得的教育部教改項目“礦業類專業課程體系整體優化與實踐”屬于“世行”貸款21世紀初高等教育教學改革項目,并于2002-12-17在西安交通大學由教育部召開的高等理工科教育教學改革交流會上進行了經驗交流交流,獲得好評與認可。但是針對力學實驗教學與示范建設,涉及西部礦山工程力學實驗教學改革卻是鳳毛麟角。
3)地域優勢。若僅從工程力學的角度進行教改項目申請,在西安乃至全國,我校均不占優勢,如果站在西部礦業工程人才培養的角度來進行礦山工程力學實驗教學與示范構建,我校有獨特的優勢。西部地區經濟相對東部地區落后,這是不爭的事實。西部的教育更需要加強,貧困地區必須立足自己的實際,培養自己的高素質精英人才。作為西部地區的高等教育,尤其是工程基礎類專業的教育,對西部經濟發展有重要奠基性作用,其教育內涵必須拓寬與拓深。隨著國家對西部大開發的力度逐漸加大加強,西部礦山能源的戰略地位已經凸顯,采礦類優秀能源科技人才的培養、質量提高、需求模式等問題更是亟待研究的重大問題之一。
4)學科特色優勢。我校在礦業工程領域雖然已形成特色和優勢,但還需借鑒國內外著名大學相關課程設置與教學改革的成就和做法,結合我校礦業工程類專業課程與教學體系的建設以及畢業生綜合素質拓展進行綜合建設,以教學研究型大學的定位,爭取建成西部礦山工程力學教學與示范基地或平臺,為鞏固我校西部礦業特色以及夯實內涵奠定基礎。從傳統的基礎力學與礦業工程專業的課程設置方面分析,采礦工程專業學生的數學、力學知識學習較多,但有關礦山工程力學(包括巖石力學、巖層控制學、井巷工程、瓦斯動力學以及工程流體力學等)的教學與示范建設還比較薄弱,這一矛盾在近2a從采礦工程與安全工程專業的研究生招生與教育過程中也凸顯出來。
5)人才需求優勢。礦業工程學科中涉及到的采礦工程等專業屬于礦業工程類基礎性專業,畢業生在礦山主要從事礦山生產(安全開采與災害防治)技術管理與科學研究方面的工作,要求基礎知識扎實,綜合性強。從現場反饋的信息亦如此。在教學改革中拓寬專業后需要夯實工程力學(礦山巖石力學與巖層控制)知識及實際應用能力,尤其是工程現場所需要的工程力學監測方面的儀器儀表相關配套課程與知識體系。這樣畢業生到現場后能立即找到自己的定位,為后期發展奠定基礎。
2理論教學平臺內涵構建
2.1內涵構建目標與關鍵
隨著現代科學技術與生產組織模式對高等教育要求的不斷提高,人們更多地傾向采用項目(case)教學法來培養學生的實踐能力、社會能力以及其他關鍵能力。根據國家教育部門有關的方針和政策,結合我校的優勢學科和已經取得的一系列優秀教學科研成果情況,要實現西部礦業工程力學理論與工程實踐的滲透,完成教學內涵的拓展,“基礎厚、專業寬、能力強、素質高”的目標是理論教學平臺構建的關鍵。
1)基礎厚:系統學習理論力學、材料力學、彈性力學、結構力學等基礎理論與礦山工程力學(主要包括礦山巖體力學、巖層控制學、井巷工程、礦山工程流體力學等)實驗課程;
2)專業寬:在系統掌握礦山工程力學基礎與實驗(實踐)理論的前提下,拓展對實驗數據的深入分析與問題解決;
3)能力強:能對所遇到的工程問題形成正確判斷,提高研究與創新能力;
4)素質高:能綜合提出(或解決)現場工程問題的技術方案和具體運作程序,為決策者提供依據。
2.2關鍵教學手段
根據目前我校的教學軟硬件建設環境,該課程開設的前提條件是學生建立在已經參加過認識實習和已經建立現場工程感性認識的基礎上。教學方法主要采用4種:①理論教學;②實驗室觀摩與體驗(有條件的情況下,自己親自動手開展實驗);③進行野外巖(土)石的參觀與實踐;④采用論文(大作業)和考試相結合的方式進行考核。
要有效實現以上過程,概括地講,Case教學法是最有效的教學方法。該方法是由美國著名教育家、伊利諾易大學教授凱茲博士和加拿大教育家、阿爾伯特大學教授查理博士共同推創的一種以學生為本的教學法。該教學法在北美高校廣為使用,因效果良好頗受歡迎,是符合構建教學理論、促進學生全面發展的科學的教學方法。清華大學等著名高校的教學研究人員,在構建性教學理論的指導下,結合我國高校的教學改革,進行了深入研究,取得了重大進展。由于礦業工程力學專業及課程的特點和學生畢業后所從事工作環境的特殊性,在力學課程教學與實踐中采用Case教學法是非常有必要的。
2.3網絡輔助教學
為了更好地實現以上教學手段,需要利用校園網、數字化和視頻資料輔助進行Case教學,其中數字化格式主要為下列3種(正在進行修改素材):①MSWord文檔,主要是教案和本書的主要教學與授課的關鍵點;②MSPowerPoint文檔,主要授課講義;③AdobePDF文檔,為網絡教學提供圖片等素材。另外,為了及時更新教學內容,反映本課程或學科的當前狀況,摒棄教學內容陳舊等缺陷,采用(最新)科研成果進課堂和教學名師上講臺等模式,對豐富課程內涵和提高教學質量大有裨益。
3實驗示范教學平臺構建
創建一流大學離不開實驗室,建設教學研究型大學要有完善的本科教學體系的實驗室條件保障、研究生培養的實驗室條件保障[7,8]。為此,結合我校的礦業工程的西部特色,提出整合資源、組建礦山工程力學實驗示范教學的平臺。
3.1實驗教學平臺建設
1)構建以巖石力學性質伺服試驗系統(MTS)為中心的基礎實驗平臺。以巖石力學伺服試驗系統(MTS)為中心,對已建巖石力學實驗室進行改造,構建巖石(土)力學行為基礎實驗平臺,進行巖層控制和巖土工程領域的基礎教學與實驗研究。
2)建設以三維可加載相似模擬系統為中心的物理模擬實驗教學平臺。圍繞“大比例可加載三維實驗模型系統”“固-液-氣三相模擬實驗系統”“可變角塊體模擬架”,構建物理模擬實驗平臺,以提高試驗測試水平和精度為目標,使物理模擬向定量化和可重復性發展,進行巖層運移和圍巖災變控制理論教學和實驗技術教學與研究。
3)以三維相似模擬實驗平臺、固液氣三相模擬實驗臺和數值模擬實驗系統為中心,結合數值模擬試驗系統和邊坡穩定性物理實驗系統,建設礦區地表移動與環境災變預測實驗平臺,對西部特殊賦存條件下礦山開采引發的邊坡穩定基礎理論和控制技術、采動損害主導因素與控制機理的基礎理論和方法以及礦區地質環境承載能力的基礎理論和技術體系進行教學與研究。
窯爐設計與實際生產過程結合緊密，課堂上難以深入講解窯爐工程設計過程。本文介紹了借助大學生創新平臺，運用計算機繪制了窯爐立體結構和流體動畫，制作了窯爐實物模型并進行了新型流體模擬液試驗。學生們在此實踐過程中，培養了工程觀念、提升了實踐能力和創新能力。
【關鍵詞】窯爐設計計算機制圖模型制作流體模擬創新平臺卓越能力
“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》和《國家中長期人才發展綱要（2010-2020）》的重點改革項目，是建設創新型國家、促進工程教育的重大舉措。目的在于培養造就一大批具有理論緊密結合實際、創新能力強、適應經濟發展需要的高質量各類型工程技術人才。本科生的工程能力培養是工科類大學高等教育的重要教改內容，也是難點之一。窯爐設計是無機非金屬材料與工程專業本科生核心工程能力之一，與畢業課程設計和畢業設計密切相關，有助于培養學生樹立工程觀點、實踐能力和創新能力。“大學生創新實驗”項目是我校培養本科生卓越能力的重要實踐平臺。做該類項目的學生可以來自不同專業，如材料科學與工程專業同計算機科學與工程專業的學生等，他們可以發揮各自的特長，組成一個高效的研究團隊。另外還有一年半的研究時間、經費和實驗設備以改進和完成工程項目的全過程實驗內容，同時師生間、團隊組員間也有了更多的討論交流時間。圍繞提升學生卓越能力，借助大學生創新平臺，我們開展了窯爐設計、模型制作與流體模擬的全工程過程探索性實驗。
1.窯爐模型的三維設計與動畫制作
由于高溫窯爐結構的復雜性，僅靠課堂PPT講解和公式計算，加之學生缺乏實際經驗，即使有限時間內去企業生產現場參觀，實際的高溫生產線導致學生僅能從窯爐外部結構進行觀察，不能深入理解窯爐內部結構和窯內流體流動的全過程，難以提高教學效果，學生的學習興趣和主動性也就激發不起來，更難培養創造性和工程能力。
指導教師首先向學生介紹相關項目的國內外研究背景、目前本行業的需求和設計的主要專業知識等，啟發學生從環保和產品質量等方面考慮課題內容的出發點。學生們利用已學的文獻檢索知識和專業知識，查閱了多篇國內外專業文獻并去企業現場調研，了解到許多高性能光學玻璃和水晶玻璃會用到鉛玻璃和硼硅酸鹽玻璃。由于這類玻璃所用原料有高揮發的缺點，現有的傳統火焰窯爐用于生產這種玻璃會產生嚴重的空氣污染，產品質量也不穩定。全電熔窯是解決這種污染主要窯型的窯爐，但無論在理論研究和生產實際使用上同國外相比，國內目前還有不小的差距。以此為課題進行研究，學生們先以玻璃生產實際窯爐為參考，找出體積熔化率、電極材料和布置方式、電源功率等關鍵參數，簡化后進行結構設計計算。考慮到窯爐結構較復雜，利用計算結果先運用AutoCAD和3dxsMAX等軟件，繪成二維平面圖。然后根據平面圖再繪制了其結構的三維彩色立體結構圖，如圖1所示。最后以實際生產流體流動的過程為依據，設計了流體流動的動畫，如圖2所示（黑點表示粉料固體，白點表示粉料分解出的氣體上升成氣泡，白色細短線表示粉料熔融為液體）。學生們在設計和制作窯爐三維立體結構圖過程中，對工程課程學習的主動性、積極性和興趣明顯提高，對窯爐整體結構有了很深的印象，在工程設計中必須的運用計算機設計和制圖能力也有了很大提升，有效地培養了學生工程學習的綜合能力，拓展和活躍了工程過程思維。
圖1窯爐彩色立體結構圖
圖2窯爐內粉體到熔融體流動過程圖
2.物理模型制作
物理模型模擬研究是高溫窯爐研究的重要方法之一。 在窯爐立體結構和動畫顯示的基礎上選出重點結構，學生們再對設計的模型進行物理實物模型制作，其過程中并不能全部照搬 計算機設計的結果，如模型材料需考慮力學強度和熱學性能等；設計尺寸與加工尺寸的公差及實際加工精度、難度；配套的控制設備功率以及測量儀器精量與量程的選擇等。在制作過程中學生們主動發現問題，動手動腦解決問題。如模型出現了液體滲漏的問題，經過師生多次研討，對窯爐結構細節和密封材料進行反復改進，最后完成了仿真物理實物模型的制作，如圖3所示。
圖3具有固液轉變模擬液的全電熔窯模擬物理模型
在此過程中學生們對窯爐的內在結構和細節間連接關系有了深刻的印象和理解，也體會到結構細節決定工程過程成敗的含義。每一個結構細節來不得半點馬虎，都要學生全身心投入，實驗結果是在不足與完善的多次改進過程取得的。對培養學生獨立思考能力、歸納分析能力、理論聯系實際的工程能力都起著不可替代的作用。看到自己完成的實驗成果，學生的成功快樂感油然而生，也提高了學生對工程研究的實踐能力。
3.流體動態模擬
在靜態的物理模型構成后，需模擬實際高溫流體在窯爐中的液流過程，其中合適模擬液的選擇是重要的前提。傳統的窯爐流體全過程模擬液只用甘油與淀粉糖漿混合物這一種液態，與實際玻璃熔制過程不同：即從固態粉體熔融為液態，再由液態凝固成型為固態。指導教師啟發學生去尋找熔點在40℃～80℃的不揮發的有機物，且在室溫固態的無毒混合物。學生們分工協作，查找了十余種相關有機物的理化性能，經過多次熔融和凝固實驗，比較了它們熔點、凝固點和凝固速度快慢，終于從中挑選出較理想混合物。然后采用正交設計法，研究混合物各物質含量因子對其熔融溫度、電導率和粘度這些指標的影響以尋找最佳配方。經過反復試驗測試，得到了符合相似條件、具有液固轉換的新型物理仿真用模擬液。另外為了加快這種新型模擬液的凝固速度，縮短實驗時間提高效率，學生們還自創了成型用冰塊冷凍快速降溫新方法。在尋找合適模擬液的過程中，不少想法超出原有課堂講授的專業知識范圍，學生們的創造力被大大激發起來，也增強了團隊協作能力。同時他們可以直觀地看到窯爐物理模型內液體的流動全過程，從而更易理解高溫熔體的流動規律。
借助大學生創新平臺，學生們通過對窯爐工程實驗全過程的研究，對抽象復雜的窯爐結構和設計的理解有了顯著地加深，有效地激發了學生學習興趣和主動性，增強了團隊合作攻關的精神，培養了實踐能力、創新能力和工程能力。將學生們的研究成果反哺教學，活躍了課堂學習氣氛，教學效果受到學生的好評。學生在實習現場也能更快理解企業指導人員講解的內容和熟悉生產流程，為畢業設計和在相關企業從事生產和設計研究工作打下了良好基礎。
參考文獻
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[3]王洪淼. 3ds Max 9中文版實例教程[M]. 上海：上海科學普及出版社，2010
關鍵詞：數字化信息系統；中學物理實驗；創新實驗
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”數據的實驗方式，不僅迫切而且有實施的可能。由上海市中小學數字化實驗系統研發中心按照《課程標準》和教材要求研發設計的DISLab是一種將傳感器、數據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、數據記錄、數據分析和結果顯示于一體的綜合性實驗平臺[1]；該系統能實時測量和動態顯示實驗數據，具有小型、簡便、快捷等特點；該系統通過計算機處理實驗數據，借助圖表、圖線等的具體分析，解決了數據分析和處理的難題。此外，該系統又填補了實驗過程的空缺，具有很大的發展前景。DISLab實驗系統本身作為新生的實驗平臺，具有很大的應用和發展前景，也是物理實驗創新的首選。
DISLab是信息技術與傳統實驗課程整合的重要載體。基于傳感器的計算機實時數據采集和基于計算機數據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，即數據采集“智能化”、數據處理“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“是在學習物理規律之后進行的，其目的在于驗證物理規律的正確性，鞏固和加深對物理規律的理解”。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，從測量數據的分析中驗證結論，認識物理規律。
在物理教學中，驗證性實驗對學生認識物理規律、理解物理知識起到了重要的作用。但是，很多傳統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能在計算機上呈現出各種信號，便于學生理解。
本文利用DISLab系統，為“惠斯通電橋平衡條件”實驗提供了創新實驗思路。惠斯通電橋又稱單臂電橋（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律進行的，以發現和解決問題為核心，其目的在于建立物理概念及規律，理解和掌握物理知識，并培養學生的能力和學習方法”。在探索性實驗過程中，思維比較發散，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，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，能夠快速呈現物理過程，以其強大的數據處理功能，使得中學物理課堂可以更容易實現實驗探究。
在DISLab的基礎上，更多的實驗可以實現數字化定量研究，即數字化應用。
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，也停留在定態的思維中。同時，關于力矩平衡時剛體不同處支持力會發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，增添了物理現象的趣味性，加深了對物理知識的理解及物理規律的掌握；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，抽象模型和測量數據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用于數據測量，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據，通過對多組數據的分析處理，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療手段，與我們的生活息息相關。除卻專業的醫療知識外，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，也有這樣一個聯系生活的實際問題，即雙瓶連續輸液問題：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，數據采集器，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據采集器，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。
（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”，傳感器開始采集數據。
（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據圖線。
[數據分析]
（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“物理轉化原理”的設計思想――電橋狀態的改變，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。
（2）改進實驗電路的設計創新――在傳統實驗電路基礎上，將部分橋臂以滑動變阻器代替，實現電橋從不平衡到平衡之間的動態過程。
（3）結合DISLab實驗系統的技術創新――電橋從不平衡到平衡之間的動態變化過程，因DISLab實驗系統的引入，實現了數字化的實時動態顯示及測量。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時，其支持力也會發生變化。現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，數據采集器，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）將力傳感器接入數據采集器，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。
（4）點擊“開始”，兩個力傳感器采集所受木塊的壓力值；仔細調節木塊的位置，使圖中左右兩力傳感器的壓力F1和F2的示數盡可能相等，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變化，停止程序運行，同時保存拉力、壓力-時間圖線。
[數據分析]
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，F2=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F1逐漸減小，而右側力傳感器的示數F2逐漸增大，如圖7。且任一時刻兩個力傳感器壓力示數之和為定值，如圖7。
（3）實驗過程中木塊始終處于力矩平衡狀態，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實驗系統的技術創新――力傳感器的使用，可以及時測量得到兩支持力隨拉力發生變化，準確地揭示不同處彈力的變化規律，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）提供創新多元化的設計思路――在這一類實驗設計中，創新主要體現在實驗設計上，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，數據采集器，計算機，自制模擬連續輸液裝置等。
[實驗裝置]
本裝置可以分別模擬單瓶輸液與雙瓶連續輸液，如圖9所示。自制模擬雙瓶連續輸液裝置如圖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據采集器，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。
（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，同時記錄瓶內藥液上方氣體壓強的變化。
⑥一段時間后，停止數據采集，并保存“壓強-時間”圖線；見圖11。
（5）模擬雙瓶連續輸液實驗：
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，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，停止數據采集，并保存“壓強-時間”圖線；見圖12。
[數據分析]
（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，氣體壓強變小；一段時間后，系統平衡，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、壓強變小；在外界空氣尚未經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變小，壓強繼續變大。
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小；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。雙瓶連續輸液的優點在于能自動補充藥液，減輕醫務人員的工作量，提高輸液效率。
[實驗小結]
（1）體現“物理模擬原理”的設計思想――通過自制模擬連續輸液裝置，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。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實驗系統的技術創新――首次用DISLab結合自制模擬連續輸液裝置，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的物理實驗創新，作為數字化技術與傳統實驗的整合，其本身就是一種創新。馮容士先生指出：“實驗教學承載著創新性教育的重任，將實驗教學中的創新予以歸納，上升到理論和技法的高度，反過來再用以指導實驗的創新，其本質是學生思維品質的提升和科研素養的積累。而這正是培養創造型人才的必需[7]”。這正是其主要特點，即對學生創新能力的培養以及創新思維的激發。
參考文獻：
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