时间：2022-02-02 02:12:28
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[关键词]：物理实验；模拟法；对象模拟；相似模拟；过程模拟；模拟放大
模拟法是通过设计与原型（自然现象或过程）相似的模型，并利用该模型来间接地研究原型规律的方法。它随着生产和科学技术的发展而发展，是人类认识世界和改造世界最基础的方法之一。此法应用于物理教学可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验室重现，可将现象简化或进行时空的放大、缩小，可对那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统进行研究。特别是解决那些尚无简单有效的仪器可演示的实验，模拟法则成了一种重要的辅助手段。
物理实验中的模拟法，根据其特点及主要功能，并结合本人教学实践，分为以下四类。
一、对象模拟
就是用放大或缩小了的、相似的，而又能反映事物某方面规律的客观实体来代替研究对象的方法叫对象模拟。
对象模拟的设计思想主要在于下述两种情况：其一是为了突出客观实体的主要矛盾和本质特征，摒弃次要的非本质因素，使研究对象从客观实体中直接抽象出来。如质点、刚体、理想气体、弹簧振子、点电荷、纯电阻、理想变压器等理想模型，以及天体运动模型，微观结构等几何相似模型。在研究二极管的单向导电性时，在实验基础上，运用对象模拟法，用自行车气门和进水阀门来模拟单向门。如此，不但加深对“单向性”的认识，而且激发了兴趣，开阔了思路。其二是为了解释某些行为和特征而建立起来的模拟。如地球因自转而产生的科里奥利力比较抽象，在地理课中亦有提及。我们不妨取一只旧的橡皮蓝球（或地球仪）来模拟地球自转，然后将红墨水从上往下滴落在转动的“地球”表面。此时即可明显看到水痕西边呈扩散状，从而令人信服的说明北半球南流冲刷西岸这一自然现象。
二、物理相似模拟
在科学研究和工程技术的许多领域中，人们常常希望利用模拟试验来代替对实际现象的研究，以便使我们可能在一定程度上预言某些在目前尚无法达到的条件下出现的情况。例如用水代替石油研究其在管道中的运动，把设计好的收音机缩小成模型放在风洞中试验其特性等。其特点即模拟与原型遵循同样的物理规律，故称为物理相似模拟。
巷理实验教学中的“失重和超重模拟实验”，“萝卜”马德堡半球，帕斯卡裂桶，用带电的肥皂泡在竖直电场中的平衡进行“密立根油滴实验”的模拟，以及十分壮观的“可乐瓶水火箭”等，均是物理相似模拟的范例。
电场线是用来形象地描述电场的假想的曲线。做好“电场线”的演示实验模拟，对实现教学目标十分重要。因此我们可利用感应起电机、清洁过的彩色丝线（可从旧的锦旗上取得）、金属铝板（即老式平行板电容器）等器材对“电场线”加以形象模拟。制作时只需将铝板按自己需要划出小方格，约1cm2间隔打一细孔（能穿过丝线即可），然后每孔穿上丝线背面打结，穿好后，将丝线剪成1寸多长左右，（力求整齐一致），过长，易互交结，不便演示。将两金属板平行竖直放置，固定在绝缘支柱上。两板用导线连接至起电机上。摇起起电机，立即可见丝线飞起指向另一板，模拟匀强电场的电场线，十分直观，且全班学生均可见。如果供电充足，将在两板边缘产生放电，每放一次电，丝线产生振动跳跃，确是课堂一大“景观”。
三、过程模拟
把具体物理过程纯粹化、理想化，并根据其本质特征而设计的一种模拟叫过程模拟。其特点是过程简化，易于控制。
气体压强的分子运动论观点，通常采用雨滴打伞等面来类比。这种大量分子对器壁连续碰撞的过程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣着的托盘底上的现象来模拟，就显得直观生动了。布朗运动的模拟，装有铁屑的试管模拟铁棒的磁化和退磁等都是过程模拟的成功例子。
电子技术中半导体的导电机理，电子运动易理解，空穴导电则抽象，课堂教学中如用“空位置”的运动来作一现场过程模拟，无疑会使学生茅塞顿开。分析曲线运动的思想方法——运动的分解和合成是个难点，可以平抛运动为突破口，在演示有关实验后，用“慢镜头”的方法，手持粉笔头边走（模拟水平匀速直线运动）边沿自身前方，从上向下加速下移，以此模拟平抛运动，既简单明了，又便于分析。理解机械波的形成过程是本章教学的一个重点和难点，运用模拟器材，以纽扣状的物体来表示振动的质点，通过摇转，使质点绕平衡位置上下振动，而整体波形向外传递，边演示边分析，效果很好。
热学中的统计方法和光本性的几率概念，由于受课堂教学时间的限制，怎样从个别事件的无规律过渡到大量事件的有规律，成了模拟实验的设计难点，在教学中采用全同等可能过程，在不同时刻的空间比较可以等效变换成同一时刻不同状态的比较的方法，让全班同学同时掷币若干次，然后统计比较下列情况“国徽”朝上的次数：（1）某同学；（2）某小组同学；（3）全班同学。从而使学生既突破了难点又受到一次生动的方法论教育。
四、模拟放大
在物理概念和规律教学中，学生往往对那些不易观察或不能从外部直接观察其内部状态的规律，因缺乏形象的感性材料而引起思维障碍。模拟放大正是采用空间放大和时间放大的方式，抓住本质特征，展现其生动直观形象，从而促进思维顺利进行。
液体压强与流速的关系学生比较陌生，可以通过模拟放大的方法加以演示，让学生加深印象。具体方法是：把灌足有色水的气球跟各部分粗细不同，且在粗细不同的地方有竖直小侧管的水平玻璃管连接，让竖直小侧管管口向上。由于气球膜的收缩力对水产生的水压使气球内的水通过玻璃管流出，这时我们看到，水在各个侧管中上升的高度不同，接玻璃管粗处侧管的水面升得较高，接玻璃管细处侧管的水面升得较低，这说明流动液体的压强在管道细的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道细的地方液体流速大，管道粗的地方液体流速小，故实验表明：液体流速大处压强小，液体的流速小处压强大。
如果我们用手挤压气球，这时看到玻璃管中水的流速加大，同时所有小侧管中的水面下降；松手停止挤压气球，可看到玻璃管中水的流速变小，同时所有小侧管中的水面上升。用这个方法，我们可以演示，液体流速大时压强小，流速小时压强大。
液体表面张力实验中的“水面浮针”，学生感到新奇，但在分析受力时往往错误认为表面张力与重力平衡，经指出后又不理解沿液体表面作用的力并没有作用在针上。究其原因是学生在形成概念过程中缺乏直观材料。为此，用一只较大的气球，充入少量气体，然后在上面放一根小铁棒，以此来模拟放大液面浮针，并指出液体表面张力同橡皮膜的张力，只作用在它们的表面，并没有作用在针（或棒）上，作用在针上的是因液体表面张力而产生的液面对针的支持力。通过令人信服的实验还使学生进一步明确：表面张力的作用是保持液面不分裂。
力的分解，关键是根据力产生的效果来确定分力的方向。其中三角支架是典型的问题，在教学中教师由两个同学配合，一个同学用手撑着腰，另一个同学在手的肘部用力竖直往下拉，让他感受力的作用效果。在讲摩擦力的方向时，用长毛板刷来模拟放大物体的运动趋势，一目了然。
笔者在利用中教畅享（ITMC）物流管理沙盘模拟系统进行实践教学的过程中，不断地探索教学方式、方法以及学生考核办法，取得了一定的效果。
（一）运用“阶梯式”的培养模式，拓展不同年级学生的能力为了鼓励学生参加物流沙盘模拟训练，成立物流沙盘协会，采取团队的方式参与。具体组队的方法采用的是“阶梯式”，即由不同年级的学生参与进来。在专业教师的指导下，通过“阶梯式”的组队方式，高年级的学生由于很早就接触，有丰富的经验和专业知识，帮助低年级的学生，其组织协调能力、领导能力和表达能力都能得到锻炼，而低年级的学生能够很早就接触到专业知识，大大提高了学习的兴趣。
（二）通过沙盘模拟系统学习专业知识并拓展学生的知识体系物流系统是一个庞大而复杂的系统，学生在学习的过程中理解起来比较抽象，怎样能够让枯燥的专业知识更加生动地深入到每个学生的心里，是每一位专业教师在教学的过程中需要不断摸索的。通过物流沙盘的模拟，教师在指导的过程中结合物流沙盘中的角色和各环节阐述相应的理论知识，能够让物流系统的专业知识连贯的串通起来，深刻理解物流管理中的各个角色，涉及的各个环节。不仅如此，传统教育将知识体系划分成不同的专业方向，学生只能择其一而修，产生的专业壁垒严重地禁锢了学生的思维方式和发展空间，而沙盘模拟是对企业经营与运作管理的全方位重现，通过模拟实战，可以使学生在战略管理、财务管理、营销管理、生产与运作管理、物流管理、人力资源管理以及信息管理等方面的管理知识体系得到一次全面的、系统的梳理与总结。
（三）通过小组间对抗，调动学生积极性，提高学习的趣味性物流沙盘模拟跟现实世界是一样的，同样存在企业间的激烈竞争。通常将学生分为6~12个组代表不同的企业，每个企业5~6个人担任企业运营过程中的各个角色。整个物流市场上的业务量是一定的，每个企业怎样运作来尽可能地争取市场份额，使得本企业的利润最大化是每个企业运营的目标。为了达成这一目标，每个企业相互对抗和竞争，通过物流网点的设施、运输路线的选择进行科学的决策，充分调动学习的积极性，即使企业在运营的过程中遇到瓶颈也不轻易放弃，而是积极寻求解决的办法。
（四）培养团队合作精神沙盘模拟涉及到企业运营过程中的各个环节，不同环节间需要密切地配合。比如，对市场上业务需求量的预测，关系到怎样规划物流的设施设备以及提供服务的价格等。另外，由于物流系统在运作的过程中存在效益背反现象，当不同环节的利益发生冲突时，企业的管理者要站在战略的角度统筹规划，使物流系统的整体达到最优。因此，在模拟实训的过程中能够培养学生的团队合作精神，在团队中各司其职，相互沟通协调解决问题。
（五）提高了学生自我认识和自我定位的能力绝大多数学生在学校期间缺乏对自己的正确认识，不能进行正确地职业生涯规划。看似不起眼的沙盘模拟对抗赛，不仅展示出每个学生的专业技能，而且使每个学生的性格真实地呈现出来。从组建团队，到人员分工，是根据每个人能力的不同采取学生自愿自发竞聘上岗的形式。在经营的过程中，如果发现某个成员不称职或者不适合某一岗位，团队可以民主地进行重新调整和定位，使得每个人都能够找到最合适自己的岗位。通过沙盘模拟对抗，在老师的指导下，学生们学会了如何自我定位，对自己的性格和能力都有了正确的认识，可以少走弯路，制定出适合自己的职业生涯规划。
二、沙盘模拟的实训课程的教学创新
（一）教学方法创新沙盘模拟实训课程真正体现了体验式创新教学法，即在老师的帮助和指导下，学生自主地进行体验式和研究式的学习，进而提高自身的创新能力，最终形成创新人才的教学方法。其特点包括：第一，相互支持的学习环境。实训课程所创造的学习环境能够让学生互相帮助，相互信任。学生不仅能在过程中正确地认识自己，同时也同他人建立了彼此支持和帮助的良性互动关系；第二，以学生为中心，自主学习，并使之内化成为一种习惯，带到以后的生活和工作中去；第三，快速学习。在实训的过程中在快乐中学习，在错误中反思，不断强化记忆并且记忆深刻；第四，自我认识和肯定，在实训的过程中遇到困难的时候，学生们自己想办法克服和解决，在自己的岗位上尽最大的努力去完成任务。学生们会体会到前所未有的成就感和自我肯定，同时也学会了如何自我定位，对自己的性格和能力都有了正确的认识，迎接未来真正的挑战。
（二）教学手段创新沙盘模拟实训课程采用传统教学手段和现代教学手段相结合，形成一套融角色实训、情景式教学、自主学习和互动学习为一体的教学体系。例如，市场竞单时，每个企业为了以尽可能少的广告投入获得大批量的市场订单，抢占市场份额，市场营销总监必须准确地预测市场发展趋势，并利用商业间谍想办法了解竞争对手的动向，制定本企业的市场开拓和产品研发计划，确立并维护企业的市场地位，在必要时可能还会做退出某个市场的决策。
（三）教学内容创新首先，教学活动从以“教”为主体转变成以“学”为主体；其次，学生获取知识的内容从仅仅来自课堂和教师转变成既来自课堂和教师，同时也来自于课外和其他学生；最后，沙盘模拟实训的教学内容在非常注重对学生理论知识的传授同时还注重其与实践能力的紧密结合。
三、结束语
模拟实验是一种重要的科学技术研究方法，已广泛应用于许多领域[1-3]。社会发展与人类进步，迫切要求研究者日益关注新模拟实验方法的探讨，以发现越来越复杂的科学技术问题的未知特性，更好地揭示其内在运行机制。同时，研究者在科技论文中如何有效展示其模拟实验方法产生的效果，对提升论文价值，突出研究成果的创新性有重要意义。为此，在论述基本模拟类型的基础上，以近年来航空航天领域的某些中文科技论文为主要案例，探讨模拟实验方法的最新进展特征，提出属性依赖法与现场依赖法，为解决更复杂的科学技术问题提供新思路。
一、模拟的类型
1.模拟的基本类型
模拟是以科学技术理论与实践为基础，在一定环境与条件下，将研究对象用其它手段进行模仿的一种实验方法。该方法不直接涉及研究对象固有的现象与过程本身，而是设计一个和该现象与过程相似的模型，并通过该模型间接地呈现出该现象与过程。模拟实验的目的主要是便于经济地检验、验证、再现、发现或揭示该现象与过程的特征、演变规律与内在机制。
模拟的基本类型有物理模拟与计算机模拟。
物理模拟是制作和某现象与过程相似的物理模型，并对该模型研究，获取该现象与过程的特征。
计算机模拟是利用计算机对某现象与过程进行求解、分析、判断以及图像显示等，得出该现象与过程的特征。计算机模拟有模型模拟和统计模拟两种基本方法。
2.模拟实验方法的进展特征
科学技术的发展，对许多航空航天系统有越来越严格的性能要求[4-7]。为探索性能的未知特性，实时评估与预测性能退化轨迹，科学技术研究已经从静态发展到动态、从线性发展到非线性、从确定性参数发展到不确定性参数、从不变性函数发展到多变性函数。面对这些新问题，现有研究所采用的模拟实验方法取得了许多进展。
以近年来航空航天技术领域的某些中文科技论文为案例，经研究发现，模拟实验方法的最新进展以依赖问题的属性信息和现场信息为特征，旨在求解动态、非线性、不确定性与多变性等复杂问题，根据对问题信息的依赖特征，将现有的模拟实验方法归纳为属性依赖法与现场依赖法。
二、属性依赖法
属性依赖法是基于属性、目标属性与层次属性等3个信息要素的模拟实验方法。
属性是问题的抽象刻画，表示问题的性质与关系。性质表示问题的固有特征，关系表示不同问题之间的性质传承与影响。
目标属性是期望得到的对问题属性的某种解答或认知。
层次属性是目标属性的分解，即将目标属性分解为若干个子属性。若子属性彼此独立，则称为同层次子属性;否则称为非同层次子属性。层次按从低到高的顺序分为多层，目标属性依赖于最高层子属性，最高层子属性依赖于次高层子属性，依次类推，直到最低层子属性。
根据目标属性的不同，属性依赖法又细分为同步进化法与层次进化法。
1.同步进化法
同步进化法是将问题分解成低一层次的多个彼此独立的子问题，用基本模拟方法逐个解决各子问题，最后融合出结果。这是一种化整为零、逐个击破、同步进化的方法。具体做法是，若目标属性是由多个低一层次的独立子属性综合构成，则可以根据各独立子属性的特征，进行子属性模拟，然后推断各子属性的模拟结果，使各子属性由低层次同步进化至高层次，获得目标属性特征。
例如，揭示航空发动机非线性动力学特征是相关领域的一个重要问题。为此，文献[7]综合现有方法的优点，提出一种振动耦合动力学模型，计算出系统非线性响应，并在两个航空发动机转子模拟装置上进行模态实验，发现计算结果与实验结果有很好的吻合性。
在这个案例中，非线性响应特征问题被分解为2个同层次的子问题，即理论建模计算与模态实验，2个子问题解答的融合是将计算结果与实验结果进行对比分析。可以看出，解决这2个子问题的实验模拟方法分别是物理模拟和计算机模型模拟，经过对2种模拟结果的对比检验，最终推断出航空发动机非线性响应的某些特征，为探索航空发动机非线性动力学特征提供了新思路。
2.层次进化法
层次进化法是将问题按属性层次由低到高地分解成多个前后有联系的子问题，用基本模拟方法逐步解决各子问题，最后直接得到结果。该方法的特点是化整为零、逐步击破、依次进化。具体做法是，若目标属性可以分解为多个彼此低一层次的关联子属性，则可以根据各子属性的特征，按照设计好的步骤，依次进行子属性模拟，逐步使属性由低层次向高层次进化，逼近目标属性特征。
例如，航空发动机的故障诊断技术对发动机性能的可靠性、维护性和保障性有重要影响。但是，现有研究主要关注故障诊断算法的有效性，尚未有效验证故障检测率、定位率与虚警率等指标，从而无法定量评价故障诊断系统性能。这里的问题是如何定量评价故障诊断系统性能?
为此，文献[4]将问题分解为混合卡尔曼滤波器组故障诊断理论，发动机故障诊断系统和故障诊断实验等3个不同层次的子问题。这3个层次的进化关系为：(1)用计算机模型模拟方法构建混合卡尔曼滤波器组，为发动机故障诊断系统奠定理论模型基础;(2)基于理论模型，针对民用涡扇发动机常见的4种故障，用物理模型模拟方法搭建发动机故障诊断系统，为故障诊断实验奠定基础;(3)基于故障诊断系统，用统计模拟法评价出发动机故障诊断系统性能的定量指标值。
在该案例中，依次解决3个子问题的实验模拟方法分别是计算机模型模拟、物理模型模拟和统计模拟，最终目标是实现故障诊断系统性能的定量评价，为工程实践提供了重要依据。
三、现场依赖法
现场依赖法是基于时间序列和参数序列的模拟实验方法，时间序列和参数序列统称为序列。时间序列是将某现象的某一个指标在不同时间上的各个数值按时间先后顺序排列而形成的序列，序列中的信息与时间密切相关。参数序列是由某现象的某些特征值构成的序列，序列中的信息与时间没有关系。
现场依赖法是指依赖于问题真实现场信息的一种模拟实验方法，其特点是，在模拟实验中有现场的实时信息输入、输出与交流，可以及时矫正评估与预测结果。按照现场实时信息特征，现场依赖法可以细分为时间序列依赖法与参数序列依赖法。
1.时间序列依赖法
时间序列依赖法是根据现场实时信息的输入时间序列来实施输出序列运行轨迹评估与预测的一种模拟实验方法。
不确定性的输入时间序列干扰会导致输出时间序列运行轨迹发生未知的非线性与多变性演化，通过将外界的真实或模拟真实的时序干扰输入模拟实验系统，获取输出时间序列的演化响应机制，及时预测与矫正其运行轨迹，可以为真实航空航天系统的可靠运行奠定基础。
例如，为揭示大气阻力导致卫星轨道衰减的机制，文献[1]构建了模拟实验系统，将地球扁率与大气阻力摄动影响作为输入时间序列，通过模型模拟输出轨道根数变化，获取卫星轨道高度衰减结果即输出时间序列。其中，依赖的现场实时信息是经模拟改进的用某卫星高精度加速度仪测量得到的大气密度数据。尽管热层大气密度数据呈现出明显的动态、非线性、不确定性与多变性时序特征，模拟轨道序列与卫星实际轨道序列仍然保持一致，发现了卫星运行轨迹演变的新特性，研究成果具有创新性。
2.参数序列依赖法
参数序列依赖法是根据现场实时信息的输入参数序列来实施输出序列运行轨迹评估与预测的一种模拟实验方法。
常见参数有刚度、阻尼、固有频率、压力、流量与温度等，多种参数的组合构成参数序列。模拟实验系统的参数序列取值应该与真实系统的参数序列保持一致，才能可信赖地实施输出序列运行轨迹评估与预测。
例如，文献[8]的卫星在轨微振动环境模拟实验，用物理模拟方法构建出低频弹性支撑装置，揭示出自由边界条件对卫星动力学特征的影响机制，为提高卫星在轨微振动地面模拟实验精度奠定了基础。其中，依赖的现场实时信息是微振动扰振，输入参数序列为激振力参数，输出序列为模拟卫星弹性体的模态相应。
四、结 语
基于科学技术问题的属性信息和现场信息特征，提出模拟实验的属性依赖法与现场依赖法，可以解决动态、非线性、不确定性与多变性问题，为模拟实验方法的发展提供新思路。
模拟实验方法归类为科学技术研究方法论，合理运用属性依赖法与现场依赖法可以有效地验证或再现研究对象的表现，揭示其演变规律，发现某些未知特性。
在科技论文中，将属性依赖法与现场依赖法产生的效果充分展示出来，能更好地突出研究成果的创新性。
[论文摘要]：目前，微生物采油技术引起了微生物学界、石油工业界、石油地质界和地球化学界等相关学科的广泛兴趣和关注。详细介绍微生物采油技术概况，明确分析微生物采油技术概况机理，并探讨其发展方向。
微生物原油采收率技术(microbialenhanancedoilrecovery，MEOR)
是利用微生物在油藏中的有益活动，微生物代谢作用及代谢产物作用于油藏残余油，并对原油/岩石／水界面性质的作用，改善原油的流动性，增加低渗透带的渗透率，提高采收率的一项高新生物技术。该项技术的关键是注入的微生物菌种能否在地层条件下生长繁殖和代谢产物能否有效地改善原油的流动性质及液固界面性质。与其它提高采收率技术相比，该技术具有适用范围广、操作简便、投资少、见效快、无污染地层和环境等优点。
一、微生物采油技术概况
1926年，美国科学家Mr.Beckman提出了细菌采油的设想。1946年Zobeu研究了厌氧的硫酸盐还原菌从砂体中释放原油的机理，获得微生物采油第一专利。I．D．shtum(前苏联)及其它国家等学者也分别作了大量的创新性工作，奠定了微生物采油的基础。美国的Coty等人首次进行了微生物采油的矿物试验。马来西亚应用微生物采油技术在Bokor油田做先导性矿物试验，采油量增加了47%。2002年至2003年，我国张卫艳等在文明寨油田进行了微生物矿场应用，累计增产原油1695t，累计少产水1943t，有效期达10个月。
美国和俄罗斯在微生物驱油研究和应用方面，处于世界领先地位。美国有1000多口井正在利用微生物采油技术增加油田产量，微生物采油项目在降低产水量和增加采油量方面取得了成功。1985年至1994年，俄罗斯在鞑靼、西西伯利亚、阿塞拜疆油田激活本源微生物，共增产原油13.49x10t，产量增加了10～46％。1988年至1996年，俄罗斯在11个油田44
个注水井组应用本源微生物驱油技术，共增产21x10t。
20世纪60年代我国开始对微生物采油技术进行研究，但发展缓慢。80年代末，大庆油田率先进行了两口井的微生物地下发酵试验(30℃)。大港、胜利、长庆、辽河、新疆等油田与美国Micro～Bac公司合作，分别进行了单井吞吐试验。1994年开始，大港油田与南开大学合作，成功培育了一系列采油微生物，该微生物以原油和无机盐为营养，具有降低蜡质和胶质含量功能，并在菌种选育与评价、菌剂产品的生产、矿场应用设计施工与检测等诸方面取得了成绩。1996年以来，吉林油田与13本石油公司合作，探究了微生物采油技术在扶余油田东189站的29口井进行的吞吐试验，21口井见效，见效率达70%。2000年底，大庆油田采油厂引进了美国NPC公司的耐高温菌种，在Y一16井组进行了耐高温微生物驱油提高采收率研究和现场试验，结果表明，采收率达43.41%，增加可采储量1.81×10t，施工后当年增油615.5t。胜利油田罗801区块外源微生物驱油技术现场试验提高采收率2.66%。
二、微生物采油技术机理
（一）微生物采油技术与油田化学剂
在大庆油田开发的各个阶段都会使用不同性质的化学剂，现以大庆油田为例。当大量化学剂进入油藏后，将发生物理变化和化学变化，对微生物采油过程可能产生不同的影响。化学剂既可引起微生物生存环境（渗透压、氧化还原电位、pH值）的改变，又可直接改变生物的生理（呼吸作用、蛋白质、核酸及影响微生物生长的大分子物质的合成）以及影响微生物细胞壁的功能，从而影响微生物的生长，降低采收率。
（二）微生物驱油机理
因为，微生物提高原油采收率作用涉及到复杂的生物、化学和物理过程，除了具有化学驱提高原油采收率的机理外，微生物生命活动本身也具有提高采收率机理。虽然目前的研究不断深入，但仍然无法对微生物采油技术各个细节进行量化描述，据分析，主要包括以下几个方面：
1.原油乳化机理。微生物的代谢产物表面活性剂、有机酸及其它有机溶剂，能降低岩石一油一水系统的界面张力，形成油一水乳状液（水包油），并可以改变岩石表面润湿性、降低原油相对渗透率和粘度，使不可动原油随注入水一起流动[1引。有机酸能溶解岩石基质，提高孔隙度和渗透率，增加原油的流动性，并与钙质岩石产生二氧化碳，提高渗透率。其它溶剂能溶解孔隙中的原油，降低原油粘度。
2.微生物调剖增油机理。微生物代谢生成的生物聚合物与菌体一起形成微生物堵塞，堵塞高渗透层，调整吸水剖面，增大水驱扫油效率，降低水油比，起到宏观和微观的调剖作用，可以有选择地进行封堵，改变水的流向，达到提高采收率的效果。在较大多孔隙中，微生物易增殖，生长繁殖的菌体和代谢物与重金属形成沉淀物，具有高效堵塞作用。
3.生物气增油机理。代谢产生的CO、CO2、Nz、H、CH和C3H等气体，可以提高地层压力，并有效地融入原油中，形成气泡膜，降低原油粘度，并使原油膨胀，带动原油流动，还可以溶解岩石，挤出原油，提高渗透率。
4.中间代谢产物的作用。微生物及中间代谢产物如酶等，可以将石油中长链饱和烃分解为短链烃，降低原油的粘度，并可裂解石蜡，减少石蜡沉积，增加原油的流动性。脱硫脱氮细菌使原油中的硫、氮脱出，降低油水界面张力，改善原油的流动性。
5.界面效应。微生物粘附到岩石表面上而生成沉积膜，改善岩石孔隙壁面的表面性质，使岩石表面附着的油膜更容易脱落，并有利于细菌在孔隙中成活与延伸，扩大驱油面积，提高采收率。
（三）理论研究
1.国内外的数学模型。20世界80年代末，国外的Islam、Zhang和Chang等建立了微生物采油的数学模型并开展了相应的数值模拟研究。Zhang模型优于Islam模型在于可描述微生物在地层中的活动，却难于现场模拟。Chang模型是三维三相五组分，能描述微生物在地层中的行为，不能描述在油藏中的增产机理。
2.物理模拟。物理模拟研究基本上是应用化学驱的物理模型试验装置及试验过程。微生物驱油模型的核心是岩心管部分，其长度影响微生物的生长繁殖。应建立大型岩心模型，使微生物充分繁殖，便于分析研究微生物的驱油效果。通过物理模拟研究微生物驱油法，可获得微生物在岩心中的推进速度及浓度变化，对岩心渗透率的影响等信息。
（四）源微生物的采油工艺
国内油田（大庆等）已进人高含水开发期，是采用内源微生物驱油还是采用外源微生物驱油，要根据具体油藏内的微生物群落进行分析。若具体油藏中内存在有益微生物驱油的微生物群落，宜采用内源微生物驱油工艺，这是目前国内致力于运用最新微生物采油技术。
三、结语
综上所述，在我国油田中，特别是大庆油田，在微生物采油技术具有提高采收率的效果，对大多数的油藏都能充分发挥微生物采油的优势。制约微生物采油技术的主要因素在于油藏中微生物群落结构、现场试验工艺及物理模拟实验的局限性。外源菌种的选育和评价指标、特性，微生物的研究、菌液的生产和矿场试验等方面还需深化。
参考文献：
关键词：准噶尔盆地南缘 多排断褶带 物理模拟 因子分析 相关矩阵
中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0000-00
0. 引言
近年来，构造物理模拟实验在油气盆地构造研究方面取得了显著成效。构造物理模拟实验为油气盆地构造的形成过程和成因机制研究提供了基础依据，在区域构造和局部构造分析基础上，通过物理模拟方法再现构造形成过程，建立合理的构造解释模型已经成为一种有效的研究思路。前人对准噶尔盆地南缘构造变形特点及变形的主控因素开展了深入研究，但对于该地区的研究还处于定性解释和物理模拟验证阶段，在一定程度上对构造解释模型的建立缺乏准确性。因子分析方法在地质学中的应用主要集中在地球化学、沉积相研究和矿物岩石学等方面。笔者将其应用到构造地质学中，首先通过设计物理模拟实验再现了准噶尔盆地南缘多排断褶带的发育情况，再试图通过实验数据分析、定量的探讨控制该区构造带发育的因素。
1. 准噶尔盆地南缘构造概况
准噶尔盆地南缘东西长约500 km，南北宽约100 km，是地层发育齐全、构造变形独具特色的地区。由于边界条件和各期构造作用的方式、应力方向不尽相同，在南缘地区的不同地段构造变形特点具有显著差异，大致以乌鲁木齐为界分为东、西两个构造带。其中，南缘西部构造带发育多排褶皱-断裂带组合，平面上呈斜向“瓦垅”状构造 （图1） [1]。这种斜列的瓦垅构造带主干断裂为天山北缘断裂，分支构造为压扭性断层和褶皱。剖面上为隔挡式褶皱，即背斜紧闭、向斜开阔。燕山期以来，特别是喜山期右行压扭应力作用下，中、新生代地层沿侏罗系煤层和古近系高塑性泥岩层发生滑脱并弯曲形成了5个断裂背斜构造带。综合前人研究成果，我们认为准噶尔盆地南缘西部构造模式属于后缘挤压、前缘双层滑脱模型（图2）。
图1 准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带纲要图（据于福生等，2009）[2]
（1）-逆断层； （2）-平移断层； （3）-褶皱及编号； （4）-剖面位置及编号； （5）-分带界线； （6）-分带编号：Ⅰ—第一排背斜—冲断带； Ⅱ—第二排背斜—冲断带； Ⅲ—第三排背斜—冲断带； Ⅳ—第四排背斜—冲断带
图2 准噶尔盆地南缘西部后缘挤压、前缘双层滑脱变形模式
2. 物理模拟实验
前人对准噶尔盆地南缘的野外考察认为，沉积盖层中的两个滑脱层分别为：侏罗系的煤层和白垩系-古近系的泥岩层。地层下部，侏罗系煤层影响着较深部位地层的构造发育，而地层上部的泥岩层影响着较浅部位地层的构造发育。本实验以后缘挤压、前缘双层滑脱模式为理论依据，设计了四组挤压变形模拟实验。
2.1 实验设备与材料
模型设计：砂箱规格为78cm（长） 30cm（宽），模型砂层高度因不同组实验所设计的滑脱层厚度和盖层厚度不同而异，模型的横向比例尺约为1：8.4万。实验底部为刚性基底，单侧马达驱动挤压，设定挤压速率为3mm/min（图3），实验没有设定固定的挤压量，砂层收缩至产生6-7条前展式逆冲断层时停止。
实验选用模拟地层的材料为干燥松散的黄色石英砂（粒径0.2～0.5mm），从力学性质上讲，它是国内外通用的模拟地壳浅层次脆性构造变形的材料。滑脱层则选取玻璃粉、食盐等物理形态上与石英砂差距不大的材料。设计了四组实验，其中第一组实验为砂层与玻璃粉互层，单砂层厚度为0.6cm，玻璃粉单层厚度为0.3cm，从下至上依次为石英砂（2层）—玻璃粉（1层）—石英砂（3层）—玻璃粉（1层）—石英砂（2层）；第二组实验为为砂层与玻璃粉互层，单砂层厚度为0.6cm，玻璃粉单层厚度为0.5cm，从下至上依次为玻璃粉（1层）—石英砂（2层）—玻璃粉（1层）—石英砂（3层）—玻璃粉（1层）—石英砂（2层）；第三组实验为食盐与砂层互层，单砂层厚度为0.6cm，食盐层单层厚度为0.5cm，从下至上依次为食盐（1层）—石英砂（2层）—食盐（1层）—石英砂（3层）—食盐（1层）—石英砂（2层）；第四组实验为食盐与砂层互层，单砂层厚度为0.6cm，食盐层单层厚度为0.5cm，从下至上依次为石英砂（2层）—食盐（1层）—石英砂（3层）—食盐（1层）—石英砂（2层）。
图3 挤压变形砂箱剖面物理模拟实验设计示意图
2.2 实验过程与结果
各组实验在以上设计条件下都具有可重复性，能得到相同的实验数据。在此，笔者仅对第四组实验结果进行对比阐述。
马达启动后砂层首先弯曲形成褶皱，当收缩率（SR）为1.3%时，开始形成第一条逆冲断层F1，由于离推覆体近、应力集中而且大，断层F1切穿整个模型（图4A）。当收缩率（SR）为5.1%时在F1前方形成逆冲断层F2，同时在F1上盘形成与F1倾向相反的断层F3，上盘构成一楔状体（图4B）。当收缩率（SR）为6.7%时，在F2前方形成逆冲断层F4（图4C），该断层倾角比F1小并收敛于F1。可见两滑脱层已断开，力从下部滑脱层往上传递，而下部滑脱层以下地层平直。继续挤压，当收缩率（SR）为11.5%时，可见上下两滑脱层均有滑脱形成逆冲断层F5和F6的现象，而滑脱层之间的砂层仅出现弯曲而未错断（图4D）。再进一步，当收缩率（SR）为20%时，之前形成的断层F5和F6已经合二为一，并在更远的前端形成滑脱断层F7和F8（图4E），F7 的断距大于F8，F8之下砂层平直说明应力在两滑脱层传播。持续的挤压至收缩率（SR）为24.1%时，F7和F8逆冲于同一断层面之上，在大断层上盘形成了一个反向的冲断层F9（图4F）。
图4 挤压变形模拟实验过程
3 实验结果数据分析
不同的模型设计控制因素不同，其实验结果也有所差异，但是在相似模型条件下产生的实验数据存在一定相关性[3]。将这些蕴含信息的数据进行分析，能得到这些控制变量与实验结果之间定量或半定量的关系。
3.1 理论准备
因子分析法是指从研究指标相关矩阵内部的依赖关系出发，把一些信息重叠、具有错综复杂关系的变量归结为少数几个不相关的综合因子的一种多元统计分析方法[3]。笔者将其应用到构造地质学中，探讨控制断层发育的各种因素之间的关系，试图将这些因素归类，为构造物理模拟实验设计定量分析研究提供理论依据。
因子分析的理论依据读者可以查阅相关文献[3，4]，在此主要涉及以下几个主要公式：
① 各变量之间的相关矩阵R= 及其特征值；
② 正交变换矩阵T，因子载荷矩阵；
③ 因子得分矩阵；
3.2 因子分析
由于四组实验设计的盖层（滑脱层之上地层）厚度、滑脱层厚度、滑脱层性质（两种不同属性的滑脱层材料）以及模型底部是否存在滑脱基底等控制因素不同，将盖层厚度、滑脱层厚度、滑脱层性质和先存基底作为变量。实验1—以滑脱层厚度与上覆盖层厚度的比例与其他实验相区别，设上覆盖层厚度为实验变量x1；实验2—其滑脱层厚度与实验1相区别，以滑脱层的厚度为实验变量x2；实验3—模型下部设计有基底与实验1和实验4相区别，以基底的存在作为实验变量x3；实验4—滑脱层所用的材料属性与实验1、实验2相区别，并以材料属性（或滑脱层的性质）作为实验变量x4。实验中从推覆方向起，由近及远产生的前展式断层（表1中的，相当于图4中朝挤压方向逆冲的断层）作为样品断层，以断层发育时的实验收缩率和实验解释剖面与地震解释剖面相似度最高时的实验收缩率作为观察数据点，将四组实验数据建立一个数据表（表1）。从数据表趋势线（表1右）不难发现，数据点与变量之间存在着一些关系。笔者是希望通过因子分析根据相关性大小将变量分组，每组变量就共同代表了对相关数据的影响。
表1 挤压变形模拟实验数据表及数据趋势线
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
将表1中的数据整理建立变量与样品的原始矩阵X：；
矩阵X标准化得到矩阵X1：；
从而依据相关矩阵公式①得出矩阵X1的相关矩阵R，相关矩阵R的特征向量矩阵A及其特征值向量b。
，，
，；
令，，A*即为因子载荷矩阵。A*的列对应于四个变量（x1，x2 ，x3 ，x4），行对应于四个公因子（Y1 ，Y2 ，Y3 ，Y4）。矩阵A*中的每一列分别与b中的元素对应。将A*按照特征值从大到小排列得到矩阵A**，矩阵A**中变量x在因子Y上的得分集中在x1处，因此需要对矩阵A**进行旋转。
将因子载荷矩阵A**正交变换后得到旋转后的因子载荷矩阵B0（其中正交变换矩阵T是通过矩阵分析软件得到）。又有，根据公式③得到因子得分矩阵F，将F归一化得到新的因子得分矩阵E，这样我们就可以结合物理实验和实际地质情况对矩阵ET进行分析。
， ；
旋转后的因子载荷矩阵B0中，变量x1和x2在因子Y1上的得分较高（），变量x3和x4在因子Y2上得分较高（），因此研究区控制断层发育的因素分为两大类（即Y1和Y2）。第一大类：断层发育受盖层厚度和滑脱层厚度的综合控制；第二大类：断层发育受软弱基底的存在和滑脱层性质的综合控制。矩阵ET的列对应于公因子Y1 、Y2 、Y3 、Y4，行对应于表1中的f1、f2、f3、f4、f5、f6，矩阵中的数值即断层f在公因子Y上的得分。因为研究区控制断层发育的因素已经分为Y1和Y2两类，所以我们只需要对矩阵ET的前两列进行分析。
4 物理模拟与数值分析结果讨论
将实验结果与构造变形模式图对比，断层F1、F2（表1中的f1、f2）大至与第一排背斜带（NO.1）对应，断层F4（表1中的f3）大至与第二排背斜带（NO.2）对应，断层F5、F6（表1中的f4）大至与第三排背斜带（NO. 3）对应，断层F7、F8（表1中的f5）大至与第四排背斜带（NO.4）对应（图5）。
实验数据分析得到的矩阵ET中，Y1和Y2列是控制断层发育的公因子，在行方向断层f1、f2、f3、f4在Y1上的得分较高（>0.5），断层f4、f5、f6在Y2上的得分较高（>0.5）。由此可见，第一、二、三排背斜带主要受第一类因素控制，即断层发育样式受盖层厚度和滑脱层厚度控制；第四排背斜带主要受第二类因素控制，即断层发育主要受上部滑脱层控制。第三排背斜带在两个因素上的得分相当，说明第三排背斜带在两种控制因素下处于过渡带，在局部地区受到了上部滑脱层的控制。
以上分析结合主波长理论证明了滑脱层越厚越容易滑脱，即褶皱发育及断层的产生所需要的收缩量就越小；滑脱层以上的地层越厚，滑脱层越显塑性，越容易滑脱。侏罗系煤层的存在为上覆地层提供了滑脱基底。侏罗系以上地层内部存在的滑脱层为离盆地边界较远的第四、五排背斜带的形成创造了条件。
图5 挤压变形模拟实验结果
5 结论
（1）准噶尔盆地南缘西部多排断褶带发育主要受两类因素控制：第一类：盖层厚度和滑脱层厚度，第二类：软弱基底的存在和滑脱层性质；（2）滑脱层以上的地层越厚，滑脱层越显塑性越容易滑脱，滑脱层越厚越容易滑脱；（3）第一、二排背斜带发育受第一类因素控制，第三排背斜带处于两类因素控制的过渡带，第四排背斜带发育受第二类因素控制；（4）侏罗系煤层的存在为第四、第五排背斜的形成创造了条件。
参考文献
[1] 王伟锋，，陆诗阔， 等. 准噶尔盆地构造分区和变形样式[J]. 地震地质， 1999， 21（4）：
[2] 于福生，李国志， 等. 准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带变形特征及成因机制模拟[J]. 大地构造与成矿学. 2009， 33（3）： 386～395.
【关键词】Algodoo；课堂教学；案例分析；信息技术与课程整合；物理
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2017）01-0070-04
2001年颁布的《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确提出要全面推进素质教育；教育部从2003 年启动了普通高中新课程改革，将技术课程（包括信息技术和通用技术）列为普通高中学生的的必修课；《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中强调提高学生勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力；《2015地平线报告（初等教育版）》提到，未来1～2年运用STEAM教育推行信息技术在教育中的整合，提倡混合式学习。很多学校在推行信息技术与课程整合的过程中，存在教学资源不足、硬件设备不完善等问题，大部分选修模块无法开设。在这样的背景下，Algodoo 这一趣味仿真实验平台走进了我们的视野，为更好地开展通用技术课程提供了有力的技术支持。
Algodoo的发展
1. 国外发展
Algodoo（译名“爱乐多”）是一款2D仿真虚拟物理实验软件，其英文名称是“2D Physics SandboxAlgodoo”，即“二维物理沙盒”，开发目的是使物理教学和研究更直观有效。Algodoo适用范围广，鼓励学生发挥创造力，并能够突破收费和编程知识缺乏等障碍。
以“Algodoo”为关键词在外文文献数据库、谷歌学术等平台检索，得到的文献资料大部分为对Algodoo及其他物理仿真实验软件的新闻报道类资料，仅有少部分是针对Algodoo进行探究的。斯坦福大学的Tamar等人在第12届互动设计与儿童国际会议（International Conference on Interaction Design and Children，2013）的论文中提出，在利用Algodoo等虚拟建模工具进行教学活动时，学生参与建模会提高其元表征能力。巴西维多利亚大学的Samir L. da Silva等人利用Algodoo设计了物理的抛体实验教学活动，教师引导学生通过控制角度和速度来观察小球的运动轨迹，通过模拟实验让学生对平抛有更形象的理解，同时锻炼其分析归纳能力。Samir L. da Silva还介绍了其团队利用Algodoo进行布朗运动实验的模拟和数据计算过程，并提出Algodoo可以作为教师向学生展示物理实验的教学工具，也可以作为高年级学生分析物理实验数据的学习工具。斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的Bor Gregorcic（2015）利用交互式电子白板设计课堂活动，通过让学生在电子白板上用手操作Algodoo来模拟天体运动。
2. 国内发展
目前，Algodoo在中国大学以及中小学物理教学中的应用正在起步。淮阴师范学院的陈乐老师利用Algodoo进行了拱桥受力的物理模拟实验，设计对照实验活动，帮助学生了解拱桥设计原理。北京师范大学的韩蔚、项华老师与北京景山学校的吴俊杰老师将Algodoo软件应用在“数字科学家”课程中，以介绍伽利略斜面实验和天体运动实验，进行了物理、数学、信息技术学科相结合的游戏化学习设计。江苏省海安中学的黄伟老师（2012）利用Algodoo进行小球抛体、数学摆线、弹簧运动等物理实验模拟和数据分析。江苏省南通大学附属中学的沈军老师将Algodoo应用在气体的模拟实验中。湖北省武钢三中的朱广林老师对Algodoo在物理学中的应用进行了示例列举。贵州师范大学的张觉老师（2015）将Algodoo用于抛体运动的课堂教学。山东省章丘一中的王清老师利用Algodoo模拟牛顿第二定律和动量守恒定律的实验，以趣味性的视觉效果展现物理原理。
Algodoo的教学功能
1. 基本功能
Algodoo软件界面如图1所示，主要由场景工具面板、属性面板、工具面板、工具选项面板、模拟仿真控制面板构成。Algodoo可以作为教学演示工具、建模工具、分析解释工具、在线交流和反思工具。
Algodoo具有丰富的场景和仿真实验控制、演示等功能；能够精确形象地模拟实验，可以直观地观察到实验现象，有助于学习由感性认识上升到理性认识，实现知识的迁移；能够创建各种物理元件，如固体、液体、齿轮、弹簧、光线与透镜等；可以设置其材质及相关参数，如质量、密度、摩擦因素、弹性、折射率等；模拟各元件在重力、摩擦力、弹力、浮力、空气阻力的作用下相互影响，实现精度很高的物理仿真实验；Algodoo还可以实时显示物体运行轨迹、受力和速度等物理特征量，使数据分析动态可视化。
2. 应用领域
Algodoo适用于8岁到大学阶段的学生，基于真实的物理模拟以最有效的方式激励学生记住所学的知识，使枯燥的课程变得有趣且易学，增强了学生的学习积极性。它的内置课程以简洁的形式表示抽象概念，方便教师教学，适合专注于STEM的政府机构或教学组织使用。它主要可应用于物理学科几何光学、力学、电磁学、热学等知识的教学，如可以呈现光通过界面发生的反射、折射等物理现象，通过设计来模拟多种受力实验以及模拟液体分子的布朗运动等。
课堂教学应用案例
1. Algodoo作为教学技术与课程整合
将Algodoo应用于课堂教学之中，体现了将信息技术与课程整合的理念，即信息技术主要作为一种工具、媒介和方法融入教学的各个层面中，包括教学准备、课堂教学过程等。目前，各位教师和研究人员都是将Algodoo作为教学技术与课程整合起来。斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学的Bor Gregorcic利用交互式电子白板设计高中物理教学活动，通过让学生在电子白板上动手操作Algodoo来模拟天体运动，从而验证开普勒定律。
首先，教师根据开普勒三大定律进行实验设计，在课前建立太阳系模型并绘制天体运行轨道。在课程的一开始，利用电子白板向学生展示太阳系模型，引起学生们的注意和兴趣。接下来，教师邀请学生在电子白板上绘制天体，并辅助学生设置天体的参数（如天体质量、速度等），引导学生进行天体的操作，使其能够围绕太阳运动。之后，教师绘制多个天体，使其围绕太阳运动，带领学生观察实验，帮助学生利用Algodoo提供的数据分析功能，引导学生讨论天体运行的规律。最后，教师对实验过程进行总结，结合实验现象归纳开普勒三大定律，进行知识点的巩固。
2. 建构主义教学理论下Algodoo的应用
Algodoo在构建情境性学习方面也有较多的应用。陈乐将Algodoo引入主题为“赵州桥”的高中通用技术课堂，创设一定的情境，具体实施过程包含以下几个阶段：（1）提出问题。师生共同讨论后确定研究的切入点。（2）制作模型。学生在教师的指导下设计方案，并制作仿真模型。（3）归纳解释。学生对仿真实验结果做出合理的解释。（4）最后进行模型的优化改进，从中总结拱桥受力原理。
在传统教学中，教师一般在教学之初先讲解所要学习的概念和原理，而后再让学生去做一定的练习，尝试着去解答有关的习题。建构主义认为，学和做、知识的获得和知识的应用是可以合二为一的，学习者可以在“做中学”，“通过问题解决来学习”。探究式学习就是学习者通过发现问题和解决问题而建构知识的过程，以问题为中心进行学习是各种探究式学习活动的核心思路，有利于帮助学生提高灵活应用知识的能力，形成有效的问题解决和推理策略，并发展他们的自主学习技能。
已有不少教师将Algodoo应用于探究式学习。例如，巴西维多利亚大学的Samir L. da Silva等人利用Algodoo设计了高中物理的抛体实验教学活动，引导学生通过控制角度和速度来观察小球的运动轨迹，使学生探究并发现平抛运动的规律。
Algodoo与其他教学软件的对比与借鉴
1. Algodoo与WISE
WISE 是Bell 和Marcia Linn 教授在美国国家教学基金会的资助下主持的“知识整合环境”研究计划的主要成果。WISE的整个平台建设得很完善，按照用户角色的不同而有不同的功能模块。表1是Algodoo与WISE的比较分析。
2. Algodoo与几何画板
几何画板是适用于数学、平面几何、物理的矢量分析、作图的动态几何工具。总体来说，几何画板在我国的使用范围要比Algodoo广，经过分析得出了以下三个可能的原因：（1）教育部门的大力推广，几何画板是全国中小学计算机教育研究中心推广使用的软件之一；（2）几何画板比Algodoo操作更加简单，不会给广大的教育工作者造成较大的负担；（3）在当前应试教育体制下，数学作为一门主要学科，受学校和教师重视的程度较高。表2是Algodoo与几何画板的比较。
3. Algodoo与Scratch
Scratch是由麻省理工学院（MIT） 设计开发的一款面向少年的简易编程工具。如表3所示，Algodoo相比于Scratch在国内尚未广泛流行的原因有以下几点：（1）操作难度高：Algodoo元件有不同的属性和参数，需要设置才能够实现模拟实验，而Scratch元件设置简单，重在培养学生的逻辑思维能力；（2）应用领域窄：Algodoo主要适用于物理领域，而Scratch则因具有丰富的多媒体功能和便利的操作而适用于数学、音乐、艺术等多个领域；（3）教学活动设计难度高：Algodoo应用于教学活动中，需要教师进行大量的准备工作，在设计教学活动尤其是情境创设这类活动时难度较大，而Scratch则可以设计有趣的小故事引导学生进行参与，通过丰富简单的功能实现有趣的效果。
小 结
1. Algodoo的优势
第一，实验模拟促进高效教学。 Algodoo可以对物理、数学等领域进行实验的模拟，在熟悉软件使用后，可以为教师节约实验准备的时间，将更多时间投入到教学活动设计中。
第二，动手搭建培养学生探索能力。Algodoo中的虚拟实验环境可以由学生自己来搭建、改进，有利于培养学生的动手能力和探索能力。
第三，能够激发学生对实验操作和知识探究的兴趣。Algodoo无论是界面还是功能设计，都能够激发学生对实验操作和持续进行知识的兴趣，能够有效地提高课堂效率，同时把课堂延伸到学生的课余时间。
2. Algodoo的局限
一是技能要求较高。Algodoo虽然包含丰富的功能，但对大部分物理教师而言，设计出符合物理实验要求的仿真实验，需要一定的操作能力。
二是教学活动设计难度高。在设计教学活动时，需要综合考虑Algodoo在教学中的应用，不能只把其作为实验演示工具，还应作为合作建模工具，让学生参与实验模型的搭建。
三是国内缺乏讨论和共享的平台。国内受限于语言、网络等因素，无法充分利用国外这一社区平台，同时又缺乏国内的社区平台。
全国正在规划建设的13处大型煤炭基地,其中西部地区占7个,西北地区占5个。目前西部地区矿业工程专业的毕业生需求量较大,从近3a采矿工程等专业毕业生就业率高达90%以上就能说明这一点。所以必须针对西部地区经济特点等实际情况,提高西部矿业工程大学生的综合素质、科研及创新能力等综合素质。在这种意义上称之为“基于西部情结的综合素质”,也就是说西部的人才培养体系主要依靠西部人来支撑与建设。
1特色及优势分析
根据调研资料分析[4~6],结合我校西部矿业这一特色与优势学科的实际情况,对国内外目前矿业工程力学课程体系与实验示范(基地)构建的模式及特色进行全面分析,其主要包括以下几大优势。
1)国际优势及特色。在国外,采矿专业,目前只有美国的西弗吉尼亚大学、哥伦比亚大学、宾尼法尼亚州立大学、印度矿业学院、英国诺丁汉大学、澳大利亚的新南威尔士大学等还保留有采矿专业,波兰的矿业领域人才培养也已经萎缩。在国内,只有我校拥有西部惟一的矿业工程一级学科,而中国矿业大学、太原理工大学、山东科技大学、重庆大学虽然还开设有矿业类基础工程专业的课程,但毕业生所服务的地区很少涉及西部矿区。
2)项目构建优势。2000年山东科技大学获得的教育部教改项目“矿业类专业课程体系整体优化与实践”属于“世行”贷款21世纪初高等教育教学改革项目,并于2002-12-17在西安交通大学由教育部召开的高等理工科教育教学改革交流会上进行了经验交流交流,获得好评与认可。但是针对力学实验教学与示范建设,涉及西部矿山工程力学实验教学改革却是凤毛麟角。
3)地域优势。若仅从工程力学的角度进行教改项目申请,在西安乃至全国,我校均不占优势,如果站在西部矿业工程人才培养的角度来进行矿山工程力学实验教学与示范构建,我校有独特的优势。西部地区经济相对东部地区落后,这是不争的事实。西部的教育更需要加强,贫困地区必须立足自己的实际,培养自己的高素质精英人才。作为西部地区的高等教育,尤其是工程基础类专业的教育,对西部经济发展有重要奠基性作用,其教育内涵必须拓宽与拓深。随着国家对西部大开发的力度逐渐加大加强,西部矿山能源的战略地位已经凸显,采矿类优秀能源科技人才的培养、质量提高、需求模式等问题更是亟待研究的重大问题之一。
4)学科特色优势。我校在矿业工程领域虽然已形成特色和优势,但还需借鉴国内外著名大学相关课程设置与教学改革的成就和做法,结合我校矿业工程类专业课程与教学体系的建设以及毕业生综合素质拓展进行综合建设,以教学研究型大学的定位,争取建成西部矿山工程力学教学与示范基地或平台,为巩固我校西部矿业特色以及夯实内涵奠定基础。从传统的基础力学与矿业工程专业的课程设置方面分析,采矿工程专业学生的数学、力学知识学习较多,但有关矿山工程力学(包括岩石力学、岩层控制学、井巷工程、瓦斯动力学以及工程流体力学等)的教学与示范建设还比较薄弱,这一矛盾在近2a从采矿工程与安全工程专业的研究生招生与教育过程中也凸显出来。
5)人才需求优势。矿业工程学科中涉及到的采矿工程等专业属于矿业工程类基础性专业,毕业生在矿山主要从事矿山生产(安全开采与灾害防治)技术管理与科学研究方面的工作,要求基础知识扎实,综合性强。从现场反馈的信息亦如此。在教学改革中拓宽专业后需要夯实工程力学(矿山岩石力学与岩层控制)知识及实际应用能力,尤其是工程现场所需要的工程力学监测方面的仪器仪表相关配套课程与知识体系。这样毕业生到现场后能立即找到自己的定位,为后期发展奠定基础。
2理论教学平台内涵构建
2.1内涵构建目标与关键
随着现代科学技术与生产组织模式对高等教育要求的不断提高,人们更多地倾向采用项目(case)教学法来培养学生的实践能力、社会能力以及其他关键能力。根据国家教育部门有关的方针和政策,结合我校的优势学科和已经取得的一系列优秀教学科研成果情况,要实现西部矿业工程力学理论与工程实践的渗透,完成教学内涵的拓展,“基础厚、专业宽、能力强、素质高”的目标是理论教学平台构建的关键。
1)基础厚:系统学习理论力学、材料力学、弹性力学、结构力学等基础理论与矿山工程力学(主要包括矿山岩体力学、岩层控制学、井巷工程、矿山工程流体力学等)实验课程;
2)专业宽:在系统掌握矿山工程力学基础与实验(实践)理论的前提下,拓展对实验数据的深入分析与问题解决;
3)能力强:能对所遇到的工程问题形成正确判断,提高研究与创新能力;
4)素质高:能综合提出(或解决)现场工程问题的技术方案和具体运作程序,为决策者提供依据。
2.2关键教学手段
根据目前我校的教学软硬件建设环境,该课程开设的前提条件是学生建立在已经参加过认识实习和已经建立现场工程感性认识的基础上。教学方法主要采用4种:①理论教学;②实验室观摩与体验(有条件的情况下,自己亲自动手开展实验);③进行野外岩(土)石的参观与实践;④采用论文(大作业)和考试相结合的方式进行考核。
要有效实现以上过程,概括地讲,Case教学法是最有效的教学方法。该方法是由美国著名教育家、伊利诺易大学教授凯兹博士和加拿大教育家、阿尔伯特大学教授查理博士共同推创的一种以学生为本的教学法。该教学法在北美高校广为使用,因效果良好颇受欢迎,是符合构建教学理论、促进学生全面发展的科学的教学方法。清华大学等著名高校的教学研究人员,在构建性教学理论的指导下,结合我国高校的教学改革,进行了深入研究,取得了重大进展。由于矿业工程力学专业及课程的特点和学生毕业后所从事工作环境的特殊性,在力学课程教学与实践中采用Case教学法是非常有必要的。
2.3网络辅助教学
为了更好地实现以上教学手段,需要利用校园网、数字化和视频资料辅助进行Case教学,其中数字化格式主要为下列3种(正在进行修改素材):①MSWord文档,主要是教案和本书的主要教学与授课的关键点;②MSPowerPoint文档,主要授课讲义;③AdobePDF文档,为网络教学提供图片等素材。另外,为了及时更新教学内容,反映本课程或学科的当前状况,摒弃教学内容陈旧等缺陷,采用(最新)科研成果进课堂和教学名师上讲台等模式,对丰富课程内涵和提高教学质量大有裨益。
3实验示范教学平台构建
创建一流大学离不开实验室,建设教学研究型大学要有完善的本科教学体系的实验室条件保障、研究生培养的实验室条件保障[7,8]。为此,结合我校的矿业工程的西部特色,提出整合资源、组建矿山工程力学实验示范教学的平台。
3.1实验教学平台建设
1)构建以岩石力学性质伺服试验系统(MTS)为中心的基础实验平台。以岩石力学伺服试验系统(MTS)为中心,对已建岩石力学实验室进行改造,构建岩石(土)力学行为基础实验平台,进行岩层控制和岩土工程领域的基础教学与实验研究。
2)建设以三维可加载相似模拟系统为中心的物理模拟实验教学平台。围绕“大比例可加载三维实验模型系统”“固-液-气三相模拟实验系统”“可变角块体模拟架”,构建物理模拟实验平台,以提高试验测试水平和精度为目标,使物理模拟向定量化和可重复性发展,进行岩层运移和围岩灾变控制理论教学和实验技术教学与研究。
3)以三维相似模拟实验平台、固液气三相模拟实验台和数值模拟实验系统为中心,结合数值模拟试验系统和边坡稳定性物理实验系统,建设矿区地表移动与环境灾变预测实验平台,对西部特殊赋存条件下矿山开采引发的边坡稳定基础理论和控制技术、采动损害主导因素与控制机理的基础理论和方法以及矿区地质环境承载能力的基础理论和技术体系进行教学与研究。
窑炉设计与实际生产过程结合紧密，课堂上难以深入讲解窑炉工程设计过程。本文介绍了借助大学生创新平台，运用计算机绘制了窑炉立体结构和流体动画，制作了窑炉实物模型并进行了新型流体模拟液试验。学生们在此实践过程中，培养了工程观念、提升了实践能力和创新能力。
【关键词】窑炉设计计算机制图模型制作流体模拟创新平台卓越能力
“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》和《国家中长期人才发展纲要（2010-2020）》的重点改革项目，是建设创新型国家、促进工程教育的重大举措。目的在于培养造就一大批具有理论紧密结合实际、创新能力强、适应经济发展需要的高质量各类型工程技术人才。本科生的工程能力培养是工科类大学高等教育的重要教改内容，也是难点之一。窑炉设计是无机非金属材料与工程专业本科生核心工程能力之一，与毕业课程设计和毕业设计密切相关，有助于培养学生树立工程观点、实践能力和创新能力。“大学生创新实验”项目是我校培养本科生卓越能力的重要实践平台。做该类项目的学生可以来自不同专业，如材料科学与工程专业同计算机科学与工程专业的学生等，他们可以发挥各自的特长，组成一个高效的研究团队。另外还有一年半的研究时间、经费和实验设备以改进和完成工程项目的全过程实验内容，同时师生间、团队组员间也有了更多的讨论交流时间。围绕提升学生卓越能力，借助大学生创新平台，我们开展了窑炉设计、模型制作与流体模拟的全工程过程探索性实验。
1.窑炉模型的三维设计与动画制作
由于高温窑炉结构的复杂性，仅靠课堂PPT讲解和公式计算，加之学生缺乏实际经验，即使有限时间内去企业生产现场参观，实际的高温生产线导致学生仅能从窑炉外部结构进行观察，不能深入理解窑炉内部结构和窑内流体流动的全过程，难以提高教学效果，学生的学习兴趣和主动性也就激发不起来，更难培养创造性和工程能力。
指导教师首先向学生介绍相关项目的国内外研究背景、目前本行业的需求和设计的主要专业知识等，启发学生从环保和产品质量等方面考虑课题内容的出发点。学生们利用已学的文献检索知识和专业知识，查阅了多篇国内外专业文献并去企业现场调研，了解到许多高性能光学玻璃和水晶玻璃会用到铅玻璃和硼硅酸盐玻璃。由于这类玻璃所用原料有高挥发的缺点，现有的传统火焰窑炉用于生产这种玻璃会产生严重的空气污染，产品质量也不稳定。全电熔窑是解决这种污染主要窑型的窑炉，但无论在理论研究和生产实际使用上同国外相比，国内目前还有不小的差距。以此为课题进行研究，学生们先以玻璃生产实际窑炉为参考，找出体积熔化率、电极材料和布置方式、电源功率等关键参数，简化后进行结构设计计算。考虑到窑炉结构较复杂，利用计算结果先运用AutoCAD和3dxsMAX等软件，绘成二维平面图。然后根据平面图再绘制了其结构的三维彩色立体结构图，如图1所示。最后以实际生产流体流动的过程为依据，设计了流体流动的动画，如图2所示（黑点表示粉料固体，白点表示粉料分解出的气体上升成气泡，白色细短线表示粉料熔融为液体）。学生们在设计和制作窑炉三维立体结构图过程中，对工程课程学习的主动性、积极性和兴趣明显提高，对窑炉整体结构有了很深的印象，在工程设计中必须的运用计算机设计和制图能力也有了很大提升，有效地培养了学生工程学习的综合能力，拓展和活跃了工程过程思维。
图1窑炉彩色立体结构图
图2窑炉内粉体到熔融体流动过程图
2.物理模型制作
物理模型模拟研究是高温窑炉研究的重要方法之一。 在窑炉立体结构和动画显示的基础上选出重点结构，学生们再对设计的模型进行物理实物模型制作，其过程中并不能全部照搬 计算机设计的结果，如模型材料需考虑力学强度和热学性能等；设计尺寸与加工尺寸的公差及实际加工精度、难度；配套的控制设备功率以及测量仪器精量与量程的选择等。在制作过程中学生们主动发现问题，动手动脑解决问题。如模型出现了液体渗漏的问题，经过师生多次研讨，对窑炉结构细节和密封材料进行反复改进，最后完成了仿真物理实物模型的制作，如图3所示。
图3具有固液转变模拟液的全电熔窑模拟物理模型
在此过程中学生们对窑炉的内在结构和细节间连接关系有了深刻的印象和理解，也体会到结构细节决定工程过程成败的含义。每一个结构细节来不得半点马虎，都要学生全身心投入，实验结果是在不足与完善的多次改进过程取得的。对培养学生独立思考能力、归纳分析能力、理论联系实际的工程能力都起着不可替代的作用。看到自己完成的实验成果，学生的成功快乐感油然而生，也提高了学生对工程研究的实践能力。
3.流体动态模拟
在静态的物理模型构成后，需模拟实际高温流体在窑炉中的液流过程，其中合适模拟液的选择是重要的前提。传统的窑炉流体全过程模拟液只用甘油与淀粉糖浆混合物这一种液态，与实际玻璃熔制过程不同：即从固态粉体熔融为液态，再由液态凝固成型为固态。指导教师启发学生去寻找熔点在40℃～80℃的不挥发的有机物，且在室温固态的无毒混合物。学生们分工协作，查找了十余种相关有机物的理化性能，经过多次熔融和凝固实验，比较了它们熔点、凝固点和凝固速度快慢，终于从中挑选出较理想混合物。然后采用正交设计法，研究混合物各物质含量因子对其熔融温度、电导率和粘度这些指标的影响以寻找最佳配方。经过反复试验测试，得到了符合相似条件、具有液固转换的新型物理仿真用模拟液。另外为了加快这种新型模拟液的凝固速度，缩短实验时间提高效率，学生们还自创了成型用冰块冷冻快速降温新方法。在寻找合适模拟液的过程中，不少想法超出原有课堂讲授的专业知识范围，学生们的创造力被大大激发起来，也增强了团队协作能力。同时他们可以直观地看到窑炉物理模型内液体的流动全过程，从而更易理解高温熔体的流动规律。
借助大学生创新平台，学生们通过对窑炉工程实验全过程的研究，对抽象复杂的窑炉结构和设计的理解有了显著地加深，有效地激发了学生学习兴趣和主动性，增强了团队合作攻关的精神，培养了实践能力、创新能力和工程能力。将学生们的研究成果反哺教学，活跃了课堂学习气氛，教学效果受到学生的好评。学生在实习现场也能更快理解企业指导人员讲解的内容和熟悉生产流程，为毕业设计和在相关企业从事生产和设计研究工作打下了良好基础。
参考文献
[1]黄婕，齐鸣斋，刘田.强化工程观点 培育卓越能力.化工高等教育， 2012， 2： 1-3， 33
[2]万胜男，盛欣，万锋. 运用现代信息技术 提高学生工程能力培养质量.化工高等教育， 2004， 4， 69-71
[3]王洪淼. 3ds Max 9中文版实例教程[M]. 上海：上海科学普及出版社，2010
关键词：数字化信息系统；中学物理实验；创新实验
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）10-0028-7
1 研究背景
近年来，信息技术已渗透到了各个领域，用“传感器采集、计算机处理”数据的实验方式，不仅迫切而且有实施的可能。由上海市中小学数字化实验系统研发中心按照《课程标准》和教材要求研发设计的DISLab是一种将传感器、数据采集器和计算机组合起来，共同完成对物理量测量的装置，集物理测量、自动控制、数据记录、数据分析和结果显示于一体的综合性实验平台[1]；该系统能实时测量和动态显示实验数据，具有小型、简便、快捷等特点；该系统通过计算机处理实验数据，借助图表、图线等的具体分析，解决了数据分析和处理的难题。此外，该系统又填补了实验过程的空缺，具有很大的发展前景。DISLab实验系统本身作为新生的实验平台，具有很大的应用和发展前景，也是物理实验创新的首选。
DISLab是信息技术与传统实验课程整合的重要载体。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是DISLab两大技术支撑，也是实验面向信息化，提升档次的途径之一[2]。笔者查阅文献，结合实践总结了其四大特点，即数据采集“智能化”、数据处理“智能化”、实验设计“重点化”和实验过程“可视化”[3]。
2 实验设计背景
2.1 验证性实验介绍
验证性实验“是在学习物理规律之后进行的，其目的在于验证物理规律的正确性，巩固和加深对物理规律的理解”。在验证性实验过程中，思维比较聚合，实验中需要测量的物理量可以直接从验证的结论中获得，指向性比较清楚。因此，这类实验关键在于物理量的测量，从测量数据的分析中验证结论，认识物理规律。
在物理教学中，验证性实验对学生认识物理规律、理解物理知识起到了重要的作用。但是，很多传统验证性实验存在不足，一些物理信号（如：声音信号、电磁信号）是无法看到的，学生很难在头脑中形成清晰的物理图景。而DISLab能在计算机上呈现出各种信号，便于学生理解。
本文利用DISLab系统，为“惠斯通电桥平衡条件”实验提供了创新实验思路。惠斯通电桥又称单臂电桥（如图1），是一种用比较法测电阻的精密仪器。当电路满足电桥平衡条件，电桥达到平衡时，通过电桥的电流为零。利用惠斯通电桥的平衡条件能方便准确地测量电阻，这是高中物理电学教学中一个很有用的知识点。然而，学生对电桥平衡的理解总停留在理论分析层面，缺乏感性体验。另外，由于传统实验仪器的测量精度不够，也为本平衡条件的验证增添了障碍。
2.2 探索性实验介绍
探索性实验“是为探寻物理性质及规律进行的，以发现和解决问题为核心，其目的在于建立物理概念及规律，理解和掌握物理知识，并培养学生的能力和学习方法”。在探索性实验过程中，思维比较发散，实验设计和实验方案都需要实验者自主进行，突出自主性[4]。这类实验更加注重实验设计和实验过程。
探索性实验是新课改着重提出需要加强的一类实验，却在中学物理课堂极少出现，许多教师认为其探究过程复杂，浪费课堂时间。由于DISLab的引入，能够快速呈现物理过程，以其强大的数据处理功能，使得中学物理课堂可以更容易实现实验探究。
在DISLab的基础上，更多的实验可以实现数字化定量研究，即数字化应用。
力矩平衡以其广泛的实用性，在物理知识体系中占据很大的分量，力矩平衡条件的应用在中学教学中也很重要。然而，学生理解处于力矩平衡的刚体时，多数只能从力的合成与分解入手，简单地理解为力的平衡，例如：二力平衡，三力平衡。而对力矩平衡的理解较难，对力矩平衡条件的理解，也停留在定态的思维中。同时，关于力矩平衡时刚体不同处支持力会发生变化也是一个高中物理拓展教学的内容。由于支持力的变化很难用测力计显示，又因该知识点原本是一教学难点，因此，学生在理解上存在困难。
2.3 趣味性物理介绍
物理来源于生活又高于生活，它是一种从生活中抽象出来的理论，与生活息息相关。从生活中，我们可以找到许多物理知识[5]。从生活这一角度出发，增添了物理现象的趣味性，加深了对物理知识的理解及物理规律的掌握；物理知识存在于我们生活的方方面面，生活化的物理为其自身增添了普适性。
生活中的物理有其自身特点，即物理知识内容大部分比较简单，但物理模型过于生活化，不易应用。因此，抽象模型和测量数据成了这类实验的共同点。采用物理模拟原理抽象模型之后，将DISLab用于数据测量，一方面解决了测量上的难题，同时提高了测量精度；另一方面由于容易获得大量数据，通过对多组数据的分析处理，增加了实验结果的可信程度。
生活知识是物理的基础，同时也是物理实验的来源。静脉输液是常见的医疗手段，与我们的生活息息相关。除却专业的医疗知识外，其中也包含了很多物理知识，例如：大气压强的知识，液体压强的物理原理以及为气体的量化研究和化学分析奠定了基础的波意耳定律。
在高三物理习题中，也有这样一个联系生活的实际问题，即双瓶连续输液问题：思考输液过程中两瓶中的药液如何变化，哪一瓶药液先输完？并说明理由。对此问题的传统教法只停留在定性的理论分析上，学生理解时总存在一定困难。
3 实验设计展示
3.1 物理规律，验证性实验：惠斯通电桥平衡条件
本实验主要结合“物理转化原理”的设计思想[6]，通过测量电桥桥臂部分电压和桥上电流，验证电桥平衡条件。实验在原有实验电路上稍加改动，即将部分桥臂上的电阻以滑动变阻器代替。从验证惠斯通平衡条件入手，帮助学生理解规律。
[实验目的]
利用DISLab验证惠斯通电桥平衡条件，强化对物理规律的认识。
[实验原理]
在图2所示的电桥中，有电桥平衡条件，R1：R2=R3：R4，UCD=0，则C、D电势相等（D为滑片），C、D间无电流通过。
[实验器材]
电压传感器2个，电流传感器1个，数据采集器，计算机，变阻箱2个（定值电阻10 Ω、15 Ω各1个），0～20 Ω滑动变阻器，学生电源（电池组），开关，导线等。
[实验装置]
如图2所示，将两个变阻箱与滑动变阻器连成电桥，调节R1=10 Ω，R2=15 Ω；在C点与滑片D间接入电流传感器，在电阻R1和电阻D、A两端分别接入电压传感器测量UAC和UAD。
[实验过程]
（1）按照实验装置图，连接实物图，如图3。
（2）将电压传感器与电流传感器接入数据采集器，连接至计算机。
（3）启动DISLab，点击“通用软件”，打开实验设置，分别设置电压和电流传感器的采样频率；选择组合图线，横坐标为时间，纵坐标依次显示传感器示数。
（4）传感器调零，打开学生电源，将电压调为6 V；闭合开关，点击“开始”，传感器开始采集数据。
（5）将滑动变阻器滑片D自右向左缓慢移动至左端，同时得到“电压-时间”“电流-时间”图线，停止程序运行并保存实验数据图线。
[数据分析]
（1）如图4，滑片D在右端时，UAC=4.32 V，UAD=4.40 V，I=0.33 A；即UCD=0.08 V，因UC>UD，故桥上有电流0.33 A，且电流从C流向D。
（2）当滑片D缓慢向左移动时，UAC 和UAD均逐渐减小，而UC>UD，但两者逐渐接近，即UCD逐渐变小，桥上电流随之减小，且方向从C流向D。
（3）当滑片D移动至某一位置时，UAC=UAD=2.30 V，I=0.00 A。即UCD=0，此时电桥上电流为零，电桥平衡。
（4）当滑片D再缓慢向左移动时，UAC 和UAD 均逐渐减小，而UC
（5）当滑片D在左端时，UAC=0.40 V，UAD=0.32 V，I=0.30 A；即UCD=-0.08 V，因UC
[理论推导]
当UAC=UAD=2.30 V、I=0时，
由UAC+UCB=6.0 V，UAD+UDB=6.0 V，
得UCB=3.70 V，UDB=3.70 V。
又R1=UAC/IACB，R2=UCB/IACB，R3=UAD/IADB，R4=UDB/IADB，
得R1：R2=UAC：UCB，R3：R4=UAD：UDB，
得电桥电阻平衡条件，
即R1：R2=R3：R4。
[实验结论]
通过实验验证，当电桥平衡时，电桥两端电势相等，桥上电流I=0。即R1：R2=R3：R4为电桥平衡条件。
[实验小结]
（1）体现“物理转化原理”的设计思想――电桥状态的改变，伴随着电压与电流的变化，通过对部分桥臂电压和桥上电流的测量，分析电桥的状态。
（2）改进实验电路的设计创新――在传统实验电路基础上，将部分桥臂以滑动变阻器代替，实现电桥从不平衡到平衡之间的动态过程。
（3）结合DISLab实验系统的技术创新――电桥从不平衡到平衡之间的动态变化过程，因DISLab实验系统的引入，实现了数字化的实时动态显示及测量。外加上简便的理论推导，使学生在感性体验与理性分析两方面均有收获。
3.2 物理教材，探索性实验：平衡刚体的支持力探究
本实验主要结合“物理转换原理”的设计思想[6]，当刚体处于不同的力矩平衡状态时，其支持力也会发生变化。现利用力传感器设计实验来定量显示支持力的大小，探究力矩平衡时刚体不同处支持力的变化，通过实时测量和动态显示，加深对力矩平衡条件的理解，填补教学中的实验空白。
[实验目的]
探究刚体平衡时不同处所受支持力的变化，加深力矩平衡条件的理解。
[实验原理]
刚体平衡时，外力的合力矩为零，即ΣM=0。
[实验器材]
力传感器3个，数据采集器，计算机，方木块，铁架台（铁夹）金属杆。
[实验装置]
如图5所示，在铁架台上用铁夹将金属杆固定在水平位置。将两个力传感器倒置在金属杆上，测力钩竖直向上并在同一水平位置。将长方体木块对称地放在两测力钩上，木块保持竖直，背面轻轻靠近铁架台杆但无挤压。在木块上方套一根细绳，方便力传感器施加水平拉力。
[实验过程]
（1）按照实验装置图，组装实验仪器。
（2）将力传感器接入数据采集器，然后连接至计算机。
（3）启动DISLab，点击“通用软件”，打开实验设置，设置力传感器的采样频率；选择组合图线，横坐标为时间，纵坐标依次显示传感器示数。
（4）点击“开始”，两个力传感器采集所受木块的压力值；仔细调节木块的位置，使图中左右两力传感器的压力F1和F2的示数尽可能相等，完成后停止程序运行。
（5）点击“开始”，让两个力传感器测定支持力约10 s，然后用第三个力传感器测钩钩住木块上的细绳，给木块施加一水平向右的拉力F3；改变拉力的大小，观察两个力传感器的示数变化，停止程序运行，同时保存拉力、压力-时间图线。
[数据分析]
如图6所示。
（1）F3=0，未施加水平拉力时，力传感器测的压力分别为F1=2.61 N，F2=2.69 N。
（2）F3增大，当水平拉力逐渐增大时，左侧力传感器的示数F1逐渐减小，而右侧力传感器的示数F2逐渐增大，如图7。且任一时刻两个力传感器压力示数之和为定值，如图7。
（3）实验过程中木块始终处于力矩平衡状态，即M=M。
其理论推导如下：如图8，设右侧力传感器测力钩与木块接触点为转动轴，两个力传感器测钩间的距离为L，右侧细绳离木块底部的高度为h，则有：
实验结论：对于任一确定的水平拉力F3，在上述理论推导中，通过测量具体的h、L值，由（3）式可以求得F1、F2的对应理论值。当水平拉力变化时，刚体不同处所受弹力是变化的，变化过程则由实验图线得以清晰地实时显示，如图6。
[实验小结]
（1）转换实验测量的操作创新――本实验将刚体用两个传感器支撑，使得刚体所受支持力能被方便测量，从而达到探究刚体平衡条件下不同处所受支持力的目的。同时，将刚体所受外力（摩擦力、重力、桌面的支持力）的力矩关系，合理地转换为刚体的重力和支持力（两个）的力矩关系，因摩擦力力矩为零。
（2）结合DISLab实验系统的技术创新――力传感器的使用，可以及时测量得到两支持力随拉力发生变化，准确地揭示不同处弹力的变化规律，结合理论推导，强化刚体平衡和力矩平衡的概念。同时，本实验为高中力矩平衡时刚体不同处支持力的变化的教学提供了一个全新的实验支持。
（3）提供创新多元化的设计思路――在这一类实验设计中，创新主要体现在实验设计上，对于处于力矩平衡的刚体，除了可以测量支持力，还可以测量拉力、摩擦力、电磁力等。该思路可运用到其他实验中。
3.3 联系生活，趣味性实验：输液中的物理知识解析
本实验主要结合“物理模拟原理”的设计思想，合理模拟静脉输液，利用压强传感器，实时测量和动态显示瓶内气体压强，从而认识其中蕴含的物理知识。
[实验目的]
利用DISLab测量模拟双瓶连续输液装置中两瓶内的气体压强，定量揭示输液中的物理知识。
[实验原理]
当温度一定时，气体的压强与气体体积及气体质量有关，即PV=C（T恒定）。
[实验器材]
压强传感器2个，数据采集器，计算机，自制模拟连续输液装置等。
[实验装置]
本装置可以分别模拟单瓶输液与双瓶连续输液，如图9所示。自制模拟双瓶连续输液装置如图10所示，由上下两端均开一个圆孔的两个塑料瓶组成，塑料瓶固定在铁架台上，右瓶为输液主瓶，左瓶为输液副瓶。瓶上端孔用橡皮塞塞紧，橡皮塞中的胶管与压强传感器相连；瓶下端孔也用橡皮塞塞紧。如图9主瓶下端橡皮塞中插入一根医用输液管a（管中有观察液滴的小窗口及控制输液速度的小压轮），其下端置于相当于人体静脉的烧杯中；两橡皮塞中由一根胶管b将双瓶药液连通，副瓶下端孔橡皮塞中插一细管c（截面略小于b管），c开口向上与大气相通。主、副瓶中装入大半瓶的红色水代表药液。
[实验过程]
（1）按照实验装置图，组装实验仪器。
（2）将两个压强传感器接入数据采集器，然后连接至计算机。
（3）启动DISLab，点击“通用软件”，打开实验设置，设置压强传感器的采样频率；选择组合图线，横坐标为时间，纵坐标依次显示传感器示数。
（4）模拟单瓶输液实验：
①将插在副瓶下端孔橡皮塞中的b管拔出、开口向上置于大气中，由主瓶单独模拟单瓶输液实验。
②将a管用小压轮压住，用夹子K夹住b管；在主瓶中装入模拟药液的红色水，并将主瓶上端孔用连着胶管和压强传感器的橡皮塞塞紧。
③点击“开始”，压强传感器测量输液前瓶内的气体压强。
④旋松a管小压轮，通过a管滴液小窗口观察到主瓶药液快速流出，同时记录瓶内药液上方的气体压强。
⑤当压强变化到一定值时，输液基本停止；松开b管夹子K，使进气管与大气相通，通过a管滴液小窗口观察主瓶输液状态，同时记录瓶内药液上方气体压强的变化。
⑥一段时间后，停止数据采集，并保存“压强-时间”图线；见图11。
（5）模拟双瓶连续输液实验：
①让b管恢复连接主副两瓶，c管开口向上置于大气中，由主副两瓶共同模拟双瓶连续输液实验。
②将a管用小压轮压住，用夹子K1、K2分别将副瓶下端孔橡皮塞中的b管和c管夹住；在主副瓶中装入模拟药液的红色水，并将主副瓶上端孔用连着胶管和压强传感器的橡皮塞塞紧。
③旋松a管小压轮，通过a管滴液小窗口观察主瓶药液，开始较快流出后滴速变慢，最后输液基本停止。
④点击“开始”，压强传感器分别测得两瓶内的气体压强；同时松开b管和c管的夹子K1、K2，通过a管滴液小窗口观察主瓶输液状态，同时观察主副瓶内液面的变化，并记录瓶内药液上方气体压强。
⑤一段时间后，停止数据采集，并保存“压强-时间”图线；见图12。
[数据分析]
（1）模拟单瓶输液实验，由图11可知：
①模拟输液前，主瓶内气体压强P1=101.26 kPa；堵住进气口、旋松小压轮后，由于瓶内药液减少，使气体体积变小，气体压强变小；一段时间后，系统平衡，药液基本停止流出，此时气体压强P2=99.44 kPa；利用玻意耳定律可计算，气体体积相对增加量约为1.83%。
②松开b管夹子K1后，b管与大气相通，瓶外空气迅速进入瓶中，可观察到大量气泡从液体内冒出；气体温度与体积几乎不变时，因气体质量增大使压强瞬间增大，药液重新开始流出；此后以正常速度输液时，气体质量不断缓慢增加，液面缓慢下降，在实验测定短时间内气体压强保持在P3=100.08 kPa不变。
③P1=101.26 kPa，P3=100.08 kPa；P1与P3之差约为1.18 kPa，相当于12.04 cm高水柱产生的压强，实测此时瓶内液面与进气管b处液面高度差约为12.0 cm。
（2）模拟双瓶连续输液实验，由图12可知：
①b管被夹住时，压强传感器1所测主瓶内气体压强为主瓶已停止输液、体积增大时的压强值P1=97.50 kPa；压强传感器2所测气体压强为副瓶未工作时气体压强值P2=101.05 kPa。
②同时松开b管和c管的夹子K1、K2，开始时副瓶气体压强大于主瓶，药液从副瓶流入主瓶，主瓶内气体体积变小、压强变小；在外界空气尚未经c管进入时，副瓶中气体压强变小，最小为99.60 kPa；之后外界空气经c管进入副瓶，副瓶气体压强瞬间增大，而主瓶气体则因体积继续变小，压强继续变大。
③当正常输液时，主瓶内液面位置不变，气体体积不变，压强不变，气体压强为P1'=100.35 kPa；副瓶药液流入主瓶，液面下降，外界空气不断进入，在实验测定时间内，气体压强为P2'=100.25 kPa不变。
④P1'=100.35 kPa，P2'=100.25 kPa；P1'与P2'之差约为0.10 kPa，相当于1.02 cm高水柱产生的压强，实测此时副瓶内液面比主瓶内液面低约1.0 cm左右。
[实验结论]
（1）单瓶输液时，进气管作用十分重要，药液输入人体静脉时，瓶内气体的压强因体积增大而减小；由于外界空气通过进气管及时进入，使瓶内气体质量增加，因而气体压强能在相当一段时间内保持基本不变，从而使输液正常进行。
（2）双瓶连续输液时，主瓶输出的药液由副瓶补充，主瓶内液面位置不变，气体体积与压强均保持不变；副瓶中药液不断流向主瓶，外界空气经进气管进入副瓶，在一定时间内，气体质量增加而保持压强不变；在整个输液过程中，待副瓶内的药液全部输完后主瓶才开始输液。双瓶连续输液的优点在于能自动补充药液，减轻医务人员的工作量，提高输液效率。
[实验小结]
（1）体现“物理模拟原理”的设计思想――通过自制模拟连续输液装置，一方面锻炼学生的设计能力和操作能力，另一方面突显模型在物理学习中的重要地位，而模型化也是物理学习的思想之一。
（2）选取气体压强作为研究――在输液过程中，药液上方气体压强值的变化，能够间接反映装置的输液状态。结合实验观察，也对学生从实例中认识玻意耳定律，有一个更直观的感受。
（3）结合DISLab实验系统的技术创新――首次用DISLab结合自制模拟连续输液装置，通过单瓶与双瓶两次模拟输液实验，借助于压强传感器精确测定输液过程中药液上方气体压强值的变化规律，解决了长期以来的技术难点，取得理想的实验效果。
4 结 语
基于DIS的物理实验创新，作为数字化技术与传统实验的整合，其本身就是一种创新。冯容士先生指出：“实验教学承载着创新性教育的重任，将实验教学中的创新予以归纳，上升到理论和技法的高度，反过来再用以指导实验的创新，其本质是学生思维品质的提升和科研素养的积累。而这正是培养创造型人才的必需[7]”。这正是其主要特点，即对学生创新能力的培养以及创新思维的激发。
参考文献：
[1]朗威数字化信息系统实验室V6.0用户手册[Z].上海：上海市小学数字化实验系统研发中心，2007，1.
[2]张公政.传感器实验与高中生创新能力的培养[D].武汉：华中师范大学硕士学位论文，2008.
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[4]陈灵，彭成红.加强研究性实验教学提高学生的创新能力[J].实验室研究与探索，2010，29（8）：202.
[5]曹志芬.生活中的物理知识――论初中物理教学[J].新课程・中学，2015（6）：66―67.
