信息化融合物理实验（共11篇）
信息化融合物理实验 篇1
通过人教版普通高中课程标准实验物理课程和通用技术课程, 学生可以学习、掌握科学知识和技术思想与方法。其总目标如下:
(1) 学习终身发展必备的物理基础知识和技能, 了解这些知识与技能在生活、生产中的应用, 关注科学技术的现状及发展趋势。
(2) 学习科学探究方法 , 发展自主学习能力 , 养成良好的思维习惯, 能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。
(3) 了解科学与技术、经济和社会的互动作用 , 认识人与自然、社会的关系, 有可持续发展意识和全球观念。
由于受空间、时间等条件的限制, 教科书中的有些实验在教室里难以实施, 也没有安排课时完成。书中对这类实验没有具体统一的要求, 因此在实验设计上具有开放性, 而且这类实验趣味性强, 本着学生学习活动的空间不能仅仅局限于课堂和教室的原则, 教师应引导学生将这类实验延伸到课外, 结合技术设计和实践方法, 让学生用已有的知识探究实验、设计实验方法并实际操作、得出结论。针对电磁波与技术及电磁技术与社会发展, 笔者引导学生尝试用兴趣实验的形式, 结合通用技术思想与方法, 在课余时间完成这一实验。
一、电磁波与技术
1.课程内容标准
(1) 了解电磁波及其发射、传播和接收原理。知道光的电磁本性和电磁波谱。举例说明电磁波在社会生活中的应用。 例:比较无线电波中的长中短波、微波的不同传播特点。
(2) 收集资料 , 了解移动通信的工作模式、常用术语和移动电话的常用功能, 如了解移动电话的工作原理。
(3) 通过实验或实例了解常见传感器的工作原理, 了解传感器在生产、生活中的应用, 体会传感器的应用给人们带来的方便。例:以话筒、电子秤、汽车尾气检测器等为例, 了解传感器的作用。认识传感器是将非电学量转换为电学量的器件;利用与计算机相连的传感器进行实时测量, 做物理实验。
(4) 了解集成电路的发展及微电子技术对日常生活、经济、社会所产生的重大影响。
(5) 初步了解电视、广播和电视机的工作模式 , 知道电视机的主要结构, 了解电视、广播技术的新进展。
2.实验活动建议
(1) 用分立元件或集成电路制作收音机。
(2) 制作无线话筒。
(3) 利用传感器制作简单的自控装置。
(4) 观察家用电脑的内部结构。
(5) 通过查找资料、向人请教等途径 , 了解VCD、DVD、MP3、MPEG等的含义, 了解相关的技术原理和使用方法。
二、电磁技术与社会发展
1.课程内容标准
(1) 收集有关电磁领域重大技术发明的资料。从历史角度认识这些技术发明对人类生活方式、社会发展所起的重要作用。如 阐述我国古代有关磁现象的研究与发明及其对社会发展的影响;简述电话对人们生活方式、社会发展所起的重要作用。
(2) 了解发电机、电动机对能源利用方式、工业发展所起 的作用。如对比热机和电动机的工作原理, 讨论热机到电动机的技术变革对工业发展的作用。
(3) 了解常见传感器及其应用, 体会传感器的应用给人们带来的方便。例:知道温度传感器具有将温度信号转变为电信号的作用。
(4) 列举电磁波在日常生活和生产中的广泛应用。了解电磁波的技术应用对生活方式的影响, 结合日常生活中的实例发表见解。如讨论通信技术的发展对人类生活方式的影响。
2.实验活动建议
(1) 收集资料 , 举办以“科学、技术与社会”为主题的研讨 会或展览。
(2) 调查并讨论手机的使用是否会对人体造成不良影响。
三、兴趣实验活动的意义
用兴趣活动方式开展实验, 学生可以自主增减设计环节、合作探究、体会实验过程, 从而激发学生学习物理的兴趣和热情, 特别在发现、探究和解决问题的过程中融入通用技术的思想和方法, 从中领悟具有稳定态度、一致行为和个性化的价值观念, 对提高学生的科学和技术素养有重要的作用。
摘要：物理学是一门基础自然科学, 随着人类对物质世界认识的深入, 物理学一方面带动了科学和技术的发展, 另一方面推动了文化、经济和社会的发展。学习物理知识要用技术思想和方法研究, 技术的领悟和提升应通过物理教学实践来训练。引导学生在发现、探究和解决问题的过程中融入通用技术思想和方法, 从中领悟到具有稳定态度、一致行为和个性化的价值观念, 对提高学生的科学和技术素养有重要的作用。
关键词：兴趣实验,技术方法,物理教学
参考文献
[1]张大昌等.高中物理新课程标准[M].人民教育出版社, 2003.
[2]顾建军等.普通高中课程标准实验教科书通用技术必修1技术与设计1[M].江苏教育出版社, 2009 (5) 第3版.
信息化融合物理实验 篇2
作者：仇广群 文章来源：盐城市泽夫中学 点击数：2106 更新时间：2010-1-11 11:24:16
摘 要：随着现代教育技术的普及与应用，如何让现代教育技术的各种手段完美地融合到初中物理课堂中，是每个初中物理教师面临的一个重要课题。本文介绍如何应用现代教育技术来改变传统的教学模式，来优化物理学科的教学。
关键词：信息技术
物理教学
融合
随着现代信息技术的迅猛发展，以网络技术和多媒体技术、现代教育理论为核心的现代教育技术已成为提高课堂教学的重要手段。Internet网与校园网的开通为中小学教学提供了丰富的课程资源。使网络教学真正成为现实，同时也为中小学教育开辟了广阔的前景。由于它的迅捷性、多通道等特点，使以前物理教学中难以呈现的现象、过程等在信息技术工具上得以显示和验证，有利于培养学生各方面的能力，进而启迪思维，开拓思路。但同时也应看到，信息技术只是辅助教学工具，不是万能的，对于信息技术对物理教学的影响，应从以下几个方面来认识：
一、信息技术在物理教学中的优越性 1．利用多媒体课件，发挥演示实验作用
物理是一门以实验为基础的学科，实验教学和演示实验是中学物理教学的重要一环。丰富多彩、生动有趣的实验是物理实验教学的特点，利用实验课不仅可以让学生记住某些相关结论、实验步骤，而更为重要的是能够使学生透彻理解并且完全掌握产生实验结论的过程。在普通物理课堂的演示实验中，由于受到常规实验仪器本身的限制，实验效果常不如人意。而通过多媒体技术模拟实验的辅助, 模拟一些重要的，但在现实实验环境下难以完成的一些物理实验，则可弥补常规实验仪器的不足，提高物理实验的演示效果。
如笔者在做凸透镜成像规律实验时，先用常规仪器按传统实验方法进行演示，由于常规实验仪器的限制蜡烛在光屏上所形成的像随着物距的变化而变化的这一现象不是很明显，致使学生对凸透镜成像的特点不甚理解，并产生迷惑。此时我改为采用多媒体技术进行凸透镜成像规律模拟实验，演示物距从无穷远至小于焦距的整个实验过程中物距、像距和像的变化的情况，整个模拟实验过程流畅、直观、明了，从而使学生对该实验有了一个清晰完整的认识。由此可知通过信息技术与物理实验融合，可以突破常规实验仪器的局限性，所以我们应当充分发挥信息技术的特长，对那些难以观察到的、复杂、困难的实验进行模拟和提供帮助，成为常规实验的补充，并把两者结合起来，使实验教学上升到一个新的层次，从而有助于学生发现规律、获得知识，提高学生的科学文化素质和实验技能水平。
2．利用多媒体课件的动态模拟功能，还能帮助学生从相似的物理现象中找到本质的联系，使叙学能够由表及里。
在《电磁感应》一节中，探索产生感应电流的条件是本节的难点，笔者在处理这部分教学内容时，先让学生自己做实验，研究出导体或磁体朝什么方向运动时能产生电流。通过实验，学生找到了产生电流的方法，但大部分学生，对于为什么这样做会产生电流，缺乏对其本质的认识。于是学生实验后，教师进一步提出问题；“为什么无论是导体还是磁体在朝某些特定的方向运动时，导体中均有电流产生”？而解答这个问题所需要的磁场是看不见，摸不着的。同学头脑中很难建立起相应的物理图景。笔者在一个班用画图，打比方的方法，给学生讲这个原因，虽然自己的语言已经足够生动、形象，但从学生面部表情的反映可以看出，仍有相当一部分人还是似懂非懂，只得死记结论。究其原因，我认为还是教师未给学生提供充分的形象思维的条件，也就很难让学生进行抽象思维。而另一个班中，利用课件，演示了在磁场中加画磁感线后，无论是导体还是磁体运动时，磁感线被切割的现象，由于学生亲眼看到了这个现象，所以，无需教师多费口舌，学生就找到了两种运动的本质特征，即：导体在磁场中做了切割磁感线的运动，这正是产生感应电流的根本原因。这样使学生通过直观、形象的动态画面，认清了概念的本质，可见多媒体课件对学生深入理解物理概念起到了不可替代的作用。
3．利用课件帮助分析电路，从根本上改变了人与书对话的形式。
在电学问题中，有一类电路由于有烧毁电源、电表、用电器等危害，因此在实际操作中不允许出现。以前学生只有通过看书，正因如此，很多学生就缺乏感性认识，难以体会到其危害的严重性，也就更谈不上让其动脑筋，设法解除危害了。若利用多媒体课件，就可以把这类实验中应杜绝的现象通过屏幕展示给学生，使他们能亲眼看到这些危害，也就容易促使学生主动寻找解决问题的办法。在《电功率》、一节中，我提出一个问题：“有一只„2.5V，3W‟的小灯泡和一个电压为4V的电源，若要使小灯泡正常发光，应怎么办？”解答这个问题需利用串联电阻可以分压的知识。为了帮助学生理解串联电阻可分任的特点如果用边画图，边讲解的方法，采用问答方式，让学生知道；当实际电压超过额定电压时，灯会被烧坏。如何解决这一问题？再引导学生考虑串联分压，试图让学生体会到串联分压的应用，效果不会很理想。但如果利用电脑先演示灯直接连在该电源上，由于电压过大，灯泡被烧坏的情景，引起了学生极大的注意和兴趣。接着再利用课件所具有的动态特点，演示在原电路中串联一个电阻，分去了一部分电压，灯可以正常发光的动态画面。这样就会给学生留下了深刻的印象。同时帮助学生理解了“串联分压”的特点。而且利用课件件还能使其更真切地体会到物理知识和实际问题的密切联系，有助于增强学生自觉运用知识解决实际问题的意识。
二、信息技术与物理教学融合中的问题
信息技术与物理教学融合，促进了物理教学改革，在学生素质教育方面有着不可忽视的作用。但同时，由于这种融合仍处于探索阶段，在实施的过程中出现的一些问题，应引起我们的重视。一是信息技术手段喧宾夺主，影响了教学效果。综观眼下各种各样的研究课、评优课，多媒体是必备的教学用具，教学课件的应用使得整节课生动有趣，师生积极参与。但在有些课后对学生的调查却反映，给学生留下深刻印象的是花花绿绿的动感画面，往往是动画播放完毕，学生的注意力不能及时转移到课堂教学中来，影响了教学的进行。还有的老师为了体现课堂教学的“大容量”，例题一题接一题，本该让学生逐步思考、推导、反思的过程被鼠标的快速点击带过，挫伤了学生主动思考的积极性。二是过分依赖模拟实验，忽视传统实验。由于传统实验要有相关的仪器设备，相应的技术手段与技巧，做实验费时且容易失败，这些都导致了一些老师认为传统实验很麻烦，不如教学课件简单明显，成功率高，喜欢用模拟实验代替传统实验，用鼠标敲击的虚拟过程代替本该亲自动手完成的实验，这恰恰是违背素质教育精神的。传统实验在开发学生探究乐趣，培养学生动手能力和团队精神，锻炼学生坚韧不拔的毅力，鼓励学生不怕遭受挫折，从失败中吸取教训总结规律、体验生活等方面，有着模拟实验无法取代的教育功能。
三、把握信息技术的应用，进一步深化教学改革 1．回归信息技术的本位
盲目使用信息技术，会出现教师与学生过分依赖计算机，将物理展示过程变成机械式在现，教学设计缺乏灵活性，教学实施见物不见人，见技术不见精神。随着信息技术与学科教学融合的进一步深化，教师对于信息技术在教学中的应用应有清醒的认识：信息技术只是一种教学工具，要服务于教学，应设法找出信息技术在那些地方能增强学习效果，能使学生完成那些用其他方法做不到的事，或教一些重要的生活技能。这样教师才能够从容地把信息技术用到自己的教学去，合理地选择和组合各种媒体，把它们融入到整个教学过程中，使它们就像以前的粉笔与黑板一样成为教学过程中天然的、不可缺少的一部分。
2．把握信息技术在物理教学应用中的原则
信息技术在教学中应用时必须遵循一定的原则，才能得到良好的效果。(1)目的性原则：信息技术应用的目的指导和支配着教育教学活动，有了明确的目的，才能避免任意性和盲目性，使教育教学活动沿着正确的道路前进。(2)整体性原则：在教育教学中，教师、教育信息、现代教育技术、学习者是一个相互联系、相互依赖、相互制约的整体，必须处理好各要素之间的关系，使教育教学系统的整体功能得到充分的发挥。(3)主体性原则：在教学中，教师和学生都是主体，是双主体。只有发挥两个方面的积极性，双方都积极参与活动，才能取得良好的效果。(4)视听与思考结合的原则：在信息技术应用于物理教学时，视听与思考紧密相连，不可分割。在教学中不能使学生的认识仅仅停留在感性阶段，必须上升到理论阶段，由形象思维向抽象思维转化。(5)及时、准确的反馈原则：学生对教师的教学做出反应是反馈，教师对学生的反馈做出评价也是反馈。不论是学生的反馈还是教师的反馈，都要及时、准确，才能起到调控教学过程的作用。
3．教师应有先进的教学理念 对计算机辅助教学的研究发现，尽管计算机在教学中有很大的应用潜力，但它决不是万能的，它只是一个工具，一种技术，计算机能否在教学中发挥作用，作用发挥的程度怎样，取决于教师怎样使用它，而其中的关键环节在于教师如何设计自己的教学，从而以适当的方式把计算机用到教学中适当的环节。而教师的教学设计思想来源于教师的教学理念，教师只有通过不断的学习总结，发现自己的不足，摒弃自身已有的落后理念，有意识地尝试和实践科学的、先进的理念，才能避免形式上的融合，避免低效甚至无效的融合。(1)教学不仅仅是呈现新知识，而且要探发学生已有的知识经验，让学生运用现有的经验理解新知识，帮助学生在新旧经验之间建立联系，从而把新知识同化到经验体系中去，成为自己的经验。(2)学习意味着灵活运用已有的知识来解决问题，特别是实际生活中具有一定复杂性的真实具体问题，而不只是编造出来的书本题目。学生需要学习各种科学原理，但又不能停留在抽象的概括水平上，而要与具体的现实问题联系起来，看到它在具体情况下的变式，并综合运用各方面的知识经验来解决实际问题。教师要针对教学内容，寻找和创设问题情景，引导学生的探索。(3)教学要增强学生之间的讨论、交流，使学生看到同伴解决问题的方法，对各种现象的理解，在相互讨论中增进对知识的理解和对学习过程的自我监控。(4)教学还意味着使学生学会学习，使学生明确自己想学什么，不断地反思自己学习的如何，效果怎样，是否有更好的学习方法等，增强对学习过程的监控，学习和灵活运用学习策略。总之，现代教育技术应用于初中物理教学，对传统教育理念和课堂教学模式的冲击是非常之大的，但它并不排斥传统的理论、实验教学模式，实际运用中应把它们两者辩证统一起来，最终实现现代教育技术与初中物理学科课程教学的科学融合。通过融合激发学生对物理学科学习的兴趣，课堂内外参与意识会增强，对知识的理解掌握程度会加深，尤其是实验教学，学生的实验理解能力、动手能力。创新能力均会取得长足的进步。同时，现代教育技术与初中物理学科课堂教学的融合也能鞭策物理教师进一步构建新的教学模式，完善课堂教学，使教学过程更具有科学性，帮助教师在课堂上更合理地掌握和利用时间，吸引学生的注意力，使学生在课堂上接受和掌握更多的知识，发展更多的能力。
参考文献：
1．黄河明主编：《现代教育技术》
四川教育出版社1999年 2．初中物理新课程标准解读
初中物理与信息技术融合探析 篇3
关键词 信息技术；物理教学；MOOC
中图分类号：G633.7 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）15-0040-02
1 引言
在教学领域，教师不再依赖传统的说讲方式，而是拓展到用多媒体技术来辅助教学，甚至是上传网上微视频课程和MOOC课，此种课程改革方式的实施虽然提高了学习效率，增强了教学效果，但是由于经验不足，还是存在一些问题，因此进行信息技术与学科教学的融合性探究是有必要的。
2 信息技术与物理教学融合发展前景
贯彻课程改革新概念 初中物理是高中物理和大学物理学习的基础，是对学生进入物理世界的启蒙，一个好的开端能够激发学生的物理学习兴趣。为实现教学的与时俱进，在教学中借助信息技术这一宽阔的平台，使得学生在学习极具抽象性的物理知识时，能够通过网络技术将其具象化。与此同时，教学平台如MOOC的建设使授课不再仅仅局限于课堂和课上时间，并且能实现互动，从而突破时间、空间的限制，方便师生之间的交流，使学生的学习时间更加自由。信息技术在物理教学中的加盟彻底贯彻了课程改革的新概念，对教学模式的创新具有模范作用[1]。
开创物理教学新模式 多媒体教学与网络平台的综合应用开创了新的物理教学模式，即“情境—探究—演示—讨论”教学模式。主要是通过借用多媒体来讲述相关的知识，创造合理的情境，然后提出问题或者让学生自行提出问题来引发其思考并鼓励其自行寻找答案，即建立学生自我探究过程；再者是以虚拟实验或者是实验课堂为平台来帮助其演示或模拟实验来验证想法，最后在教学论坛上各抒己见，开动他们的想象力，以加深对知识理解的广度和深度。
3 信息技术与初中物理整合问题
应用普及力度差 我国当前贫富差距、城乡差距比较悬殊，这就造成信息技术应用普及力度差。信息技术的应用是以互联网为平台的，尤其是微视频课程和慕课，经济落后地区教学设施配备落后，无法为进行教学模式改革提供支持。另外，基于信息技术融合物理教学模式刚刚起步，效果不是很显著，因此吸引力较小。
信息技术物理教学不凸显 信息技术物理教学不凸显主要表现在两个方面：一是制作的有关物理问题的课件并没有抓住物理学习的本质，大多数是依靠纯文本的文字叙述与大量的配图；二是多媒体在物理教学中作用单一，仅仅起辅助作用，忽略了双向交流即教学平台的作用，且授课模式没做大的改动，仍然是单纯的“听—讲”模式。此种教学方式的改进收效甚微，只能说是教学改革的雏形，因此。教学改革这项任务任重而道远[2]。
网络课程质量不达标 教学改革带给教师和学生一个全新的世界，新奇的事物总是能勾起人们的兴趣，网络课程同样如此。但是由于是首次尝试且标准模糊，这就造成很多网络课程不达标问题的出现，主要表现有画面不清晰，授课声音中包含众多杂音，课程水平一般般，个别视频字幕与声音不符也就是时间轴制作的问题，等等，这些问题的存在严重影响了观看者的听课质量，降低了学习效率。
4 信息技术在物理课程中的实践效果
激发学生学习兴趣 多媒体教学方式能够有效带动学生的学习热情，激发学生的学习兴趣。在初中物理教学课堂中，将事先做好的课件通过多媒体教学展示出来，课件中为便于学生更形象地了解所学知识，需要从网站上下载一些与之相关的图片或是视频。在上课时，通过语言讲解、图片视频了解、动画仿真等方式进行课堂内容的展示，能够使学生更全面地了解相关知识，不仅扩大了学生的知识面，还活跃了课堂气氛[3]。例如：在讲解能量转化率的知识时，可以用简单动画模拟热机工作时能量转化的过程；在讲解能量转化的知识时，举例三峡水力发电站的能量转化是由水的机械能和动能驱动发电机组转动，从而由发电机组运动的动能转化为电能的原理时，在课件里配以发电机组工作的图片或视频来帮助学生理解，不仅将本节知识讲解全面，更拓展了学生的课外知识，激发其学习兴趣。
突破教学难点，增进课堂效果 信息技术与初中物理教学融合的教学方式在突破教学难点、增进课堂效果方面效果显著。下面以改革前与改革后的对比来说明。如在讲解导线中电荷的运动时，由于现实的限制，无法将这一现象具象出来，因此改革前只能靠教师引导学生来想象，个人想象的差距可能会导致理解错误。但是现在这一运动模型完全可以依靠简单动画展现出来，从而突破现实的限制，避免了理解错误的出现，便于学生有效地学习，增强课堂教学效果。在讲解分子热运动时，同样在课堂上无法做到用电子显微镜来观测分子的无规则热运动，但是信息技术的运用解决了这一难题，教师可以播放实验室中用显微镜观测分子热运动的视频来帮助学生理解，从而提高课堂效率，节约时间。
增强学生自主学习能力 大量调查指出，信息技术与初中物理的融合增强了学生的自主学习能力。以前学生的自主学习意识差，遇到不懂的问题，只能通过教师来答疑解惑，并且传统的授课无法实现课程录制，讲授的课程只能听一遍，错过后就无法再听到此堂课，从而使学生必须做到认真听讲，不利于学生自由安排时间。如今信息技术特别是互联网的运用有效地解决了这一问题，其信息的丰富性以及获取信息的高速性乃至权威网站的信息可靠性都促使学生自主去获取相关信息。另外，MOOC平台以及微视频的制作上传使得学生可以重复听课程知识并能在教学平台上交流问题，此时往往一种问题可以有不同角度的答案，培养其独立思考能力，增强其自主学习能力，提高学习效率[4]。
提高物理实验效率 在物理实验方面，现实中往往面临一些诸如实验安全、实验指导以及实验时间等问题的限制。然而在课程改革后，借用计算机多媒体技术，教师能够通过视频的方式将完整的实验过程录制下来并在课堂上播放，從而减少实验演示时间并能及时发现问题改正过来，借用互联网技术，教师可以将学生的实验资料如资料参考、实验全程视频、问题讨论放在物理教学平台上，方便学生学习参考，从而提高物理实验的实验效率。
5 结语
综上所述，不难看出，在初中物理教学中融合信息技术有着划时代的意义，此种教学方式必将得到广泛应用。因此，推广和改进信息技术与初中物理教学甚至是其他学科教学的整合，是目前教学改革的重中之重。只有将方便的信息技术运用到课堂教学甚至是学习中，才能最大限度地提高教学质量和学习效率，才能有效贯彻教学理念，新时代才会人才辈出，社会才能发展得更快速，在困难面前才能更有信心和把握去克服它。
参考文献
[1]刘向永，徐万胥.信息技术与课程整合的内涵[J].中国远程教育，2003（5）.
[2]李建康.浅谈信息技术与初中物理课程的有效整合[J].教学探新，2012（5）.
[3]王建忠.在初中物理教学中发挥现代信息技术优势的探索[J].新校园，2013（3）.
[4]孙宏志，解月光.信息技术应用有效性的评价指标体系研究：以初中物理课堂教学为例[J].现代教育技术，2013（2）：31-36.
现代信息技术与物理教学的融合 篇4
一、电脑模拟, 发挥物理演示实验功能。
物理是一门以实验为基础的学科, 实验教学和演示是中学物理必不可少的一个环节。但在普通物理课堂的演示实验中, 由于受到常规实验仪器本身和实验室条件的限制, 实验效果往往不尽如人意。如由于实验器材和教师实验水平的局限, 有一些实验 (如光的衍射实验、静电实验等) 难以成功;有一些实验 (如布朗运动) 的可见度低;一些实验时间短, 难以观察或者无法测量;还有一些实验的数据处理相当繁杂, 难以找以简明的物理规律。通过现代化多媒体技术辅助手段, 可以弥补常规实验仪器的不足, 增强物理实验的演示效果。
如“力可以使物体发生微小变形”是难以用具体语言描述清楚的, 也难以让学生信服, 通过演示实验可以达到一定的效果, 但效果总不太理想, 而利用多媒体的三维动画功能能轻松解决此类问题。在讲解过程, 教师可以预先制作一个Flash动画, 给学生展示:在装满水的玻璃瓶上, 塞上带细玻璃管的橡胶塞, 当用外力挤压玻璃瓶时, 细玻璃管中水面上升, 既直观又形象, 能激发学生的兴趣, 达到令人满意的课堂效果。
再如, “卡文迪许的扭秤实验”实验原理较为抽象, 学生不易理解, 而通过Flash动画进行模拟能达到非常好的教学效果。学生看了之后既能很好地接受这个知识, 又能体会到科学家们的过人之处。由抽象难理解, 转变为生动形象易接收, 教学效果事半功倍。
二、利用多媒体技术, 强化学生的自主性。
在物理教学中实施素质教育, 就要使每一个学生的素质都能得到尽可能的发展, 充分发挥学生的自主性, 使教学取得实效, 就必须注重学生个体差异。在现代化信息时代, 网络环境下的教学, 学生可以通过教师设定的教学情境, 以任务为导向进行自主探索。
现代信息技术在物理教学中的使用直接影响学生的学习方式, 传统的学习场所是课堂, 新课程理念下现代信息技术的应用, 倡导让学生走出狭窄的课堂, 投身到社会生活当中, 通过合作学习, 从社会生活的各个方面吸取新鲜信息, 从社会这个大课堂中获取更多的知识和能力。例如, 在学生了解电磁波的产生和传播方式之后, 鼓励学生自己提出有关电磁波的问题, 通过上网查询, 从信息的海洋中汲取所需的信息, 并能够对信息进行分析, 甄别信息, 先小组内交换成果, 统一意见, 再在大组内交换意见, 共同编写制作课题成果, 然后进行不同的交流会或辩论会。学生们由被动学习转变为主动学习, 学习效果显著。
三、充分利用网络资源, 增强教学效果。
在网络时代, 网络环境为学生提供了丰富的知识库、资源库, 网上资源具有信息量大、更新快等特点, 为教师提供了优秀课件、参考资料等多种资源, 且处于实时更新中。下载网络课件及优秀的参考资料, 教师经过进一步加工、组织, 可以设计出适合自己教学风格的优秀课件来。同时, 教师也可丰富知识, 增加阅历, 使教学内容不单单来源于教科书、教参, 既提升自我的教学素质, 又增加教学的容量和深度, 做到有的放矢。
比如, 在以往进行物理史教学时, 教师照本宣科, 唱独角戏, 学生只是听众, 教师的教学内容也只是来源于课本的有限知识, 很难拓展。利用网络环境教学, 可以把著名物理学家如牛顿、伽利略、爱因斯坦等人的生平事迹、照片、动画、影片, 以及重要贡献和成就做成幻灯片, 同时让学生通过互联网自己收集、整理相关资源。这样可充分调动学生积极性, 增强学习的兴趣, 拓宽知识面, 而动画、直观的图形又能快速有效地激发学生的学习兴趣, 起到良好的教学效果, 学生很轻易就能功克这一难点, 而这一切都是传统教学很难做得到的。总之, 让学生在生动、形象的环境中进行学习, 由此起到事半功倍的作用, 也就能很好地增强课堂教学效果。
四、运用信息技术, 改善物理课堂教学。
传统的物理教学重视学生对基本物理知识的记忆, 忽视了学生创新思维和事件能力的培养, 而且有些知识仅靠教师的讲解学生很难领会。利用信息技术可以弥补这些不足, 教师可以利用多媒体设计软件, 参与或自建建立物理模型。这既能增强教学的形象性, 又有利于培养学生的创新能力。运用信息技术还可以提高课堂教学的密度。使用计算机将教师的板书、板画、抄写例题的时间节省下来, 留出更多的时间让学生讨论和思考。同时通过网络可为学生提供更多的相关信息和资料, 扩展学生的知识面, 这样能扩大课堂的容量, 为提高学生素质打下基础。
信息化融合物理实验 篇5
[关键词]信息技术；物理课堂教学；融合
随着“三通两平台”工作的扎实推进，信息网络已切实走进了校园，走进了课堂。近日，教育部副部长杜占元强调：要以教育信息化全面推动教育现代化。可以看出，进入21世纪，现代信息技术的迅猛发展已打破传统的课堂教学模式，二者成为不可分割的整体，以促进高效课堂的生成。
作为一名耕耘20多年的一线物理教师，多年来一直在努力将多媒体信息技术与课堂教学有机融合，并取得了不错的教学效果，下面结合教学实际谈谈我的体会。
一、师生角色的转换，教学方式的转变
在信息化的社会，学生获取知识不再是一件难事，教师再也不能单纯依靠知识的优势来维持自己的主导地位。教师担任的角色需要转变，不仅是知识的传授者，更是学生在信息世界中的指导者和组织者。学生的角色也不再是被动的知识接受者，而要成为课堂教学的主体。
教学民主、师生平等是新课标的基本理念，也是我们的追求。但在传统教学中，教师是知识的拥有者、权威者，教师站在了居高临下的位置，学生没有资格与教师站在平等的位置上。然而在信息技术与物理教学整合的环境下，打破了知识权威的神话，谁也无法对知识进行垄断，从知识占有量上来看，教师与学生的差距正在缩小，在一些最新信息的获取方面教师可能还不如学生。例如：我在讲授《新材料及其应用》一课时，完全摆脱了传统的教师讲授方式，而是以小组为单位，由学生通过网络查找新材料的相关知识，然后小组内进行分类整理，最后在课堂上分组进行展示，学生展示的内容不仅比教材上列举的种类多，不少是老师不知道的，而且配以插图、视频说明更加详细直观，拓展学生知识视野的同时也把老师从繁重的讲授中解放出来。
二、能做实验的补充，难做实验的模拟
物理学是一门实验科学，离开了物理实验，物理学就不可能产生，更谈不上发展。因此，要特别重视物理实验，在信息时代也不例外，凡大纲要求做的实验都要做，不能做的实验想法设法创造条件也要做。即使如此，许多实验可能看不清，可能过于复杂，可能无法长期提供器材让学生动手，可能在教室中无法实验等原因，利用信息技术进行补充，进行模拟，就非常必要。例如：在教育部2014年度“一师一优课、一课一名师”活动中，我讲授的《升华和凝华》一课获得了部级优课。这节课中，在讲到干冰的升华时，由于受到客观条件的限制，无法现场演示干冰升华的实验，学生也无法真实体验升华的效果，再多的语言讲授都显得苍白无力。所以，我在网上下载了一个干冰升华的视频进行展示，让学生亲眼看到升华的场景，远胜过教师的语言描述，使课堂的教学效果也得到了升华。
三、微观世界的放大，庞然大物的缩小
微观世界看不见，摸不着，宠然大物又说不清道不明，过去教学中只能让学生看看图片或用语言、文字加以描述，学生很难得到正确完整的认识与印象。现在借助信息技术，我们可以把宏观的天体微观化，在多媒体计算机上模拟其运行过程，也可以将微观的原子、电子宏观化，在多媒体计算机上模拟其运动过程，从而增强学生的感知能力，促进理解。例如，“人造卫星从地球的远地点向近地点运动时，其动能和势能的变化如何？”，学生对于这个情境没有生活的体验，如果通过计算机播放多媒体课件，学生就能直观地看到人造卫星在运行时速度的快慢变化，从而准确地做出判断。增强了直观性，降低了学生理解的难度 。
四、知识容量的扩充，探究视野的延伸
互联网不仅为教师和学生提供了百科全书式的信息资源，并且综合运用语言、文字、声音、图形、动画和视频等多种信息呈现方式，创设了一个图文并茂、有声有色的数字化环境。学生利用互联网搜索下载有关实验探究所得物理规律的应用事例，相互交流协作学习，拓展了探究视野，加深了对物理规律的深刻认识和理解，也深切地体会到物理学与人类社会之间的密切关系。
随着国家对教育信息化工程的大力投入，教学设备的进一步更新和升级，信息技术与物理课堂教学的融合环境日趋成熟，将极大的促进课堂教学效率和质量的提高。当然，在物理探究教学中，既要充分体现信息技术的优势，又要充分发挥传统实验手段的功用，使二者优势互补、相得益彰，而不能为了使用而使用信息技术。作为教师，也要不断加强学习，提升信息技术应用水平，这样，教育信息化和教育现代化才不至于成为一句空话！
参考文献：
[1]中央电化教育馆·素质教育实验优秀课例精粹（中学版）.
[2]何克抗.信息技术与课程深层次整合的理论与方法.中国大学教学，2005（5）.
信息化融合物理实验 篇6
一、信息技术与高中物理教学融合的内在价值
1. 信息技术与高中物理教学融合符合物理学科特点, 能有效展现物理思维活动的过程
物理学是一门以实验为基础的自然学科, 教材中许多物理概念和规律是非常抽象难懂的, 有不少物理实验, 在现有的学校实验室里很难完成。如果合理利用现代信息技术模拟课堂上不能做的物理实验, 可以将抽象为化直观、形象, 让学生在模拟实验中把握物理概念和规律的形成。比如, 在讲解粒子散射实验时, 如果教师仅停留在教材实验的讲解上, 那么学生就很难想象, 更不能理解其中的奥秘。若利用多媒体技术模拟教材中的实验, 将原子物理部分链式反应内容通过课件来模拟展示, 学生对原子模型的理解会更容易些。再如, 在讲解布朗运动实验时, 用投影仪将布朗运动投影到大屏幕上, 让学生观察分析放大后的现象, 这样教学效果会更佳。其实, 电场、磁场、分子运动、原子核衰变、链式反应等知识点都可以运用信息技术, 将抽象难懂的概念和规律, 形象直观地展示出来, 让学生更容易理解。
2. 扩大信息来源渠道, 提高课堂教学效率
通过信息技术与物理教学的融合, 将网络上很多与课堂教学有关的资料补充给学生, 开阔学生的眼界, 丰富学生的知识面。在教学中, 可以通过网络搜索最新的备课资料, 寻找难度适合学生的, 突出教学目标的物理习题。同时, 教师还可以通过教育论坛与同行探讨物理教学中遇到的问题, 交流教学方法和经验, 扩大教学信息的来源渠道, 提升教学质量。
3. 激发学生的学习兴趣, 提高学生的学习效率
物理学是一门逻辑性比较强而又比较抽象深奥的学科, 对很多学生来说比较难学, 学生的学习兴趣不高、学习热情不足。因此, 不少学生对物理望而生畏。如果能创设出相应的物理情景, 把抽象的物理概念和规律变得形象生动, 将图画、音频、视频技术等运用于课堂教学中, 那么就会激发学生的学习兴趣, 增强学生的学习热情, 提高课堂教学质量。比如, 在讲摩擦力时, 学生容易将“滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反”, 误认为“滑动摩擦力的方向总是与物体运动方向相反”, 教师可以通过多媒体课件展示几种不同情况下, 物体相对滑动的动画或视频, 并在动画或视频中显示滑动摩擦力的方向、两物体相对滑动的方向和各物体相对地面运动方向, 把抽象的摩擦力方向问题形象具体化, 可加深学生对“相对运动”概念的理解。
二、信息技术与高中物理教学融合应注意的问题
1. 切勿将信息技术的使用代替教师的指导
现代信息技术和多媒体的广泛使用, 在提高课堂教学效率的同时, 也造成使用泛滥, 使某些课堂教学演变成视频播放课, 忽视教师的作用, 更谈不上师生之间的交流, 这样的教学很难达到预期的教学效果。教师是教学过程的设计者、调控者, 是学生学习的引导者、指导者, 现代信息技术的运用决不能替代教师的作用。
2. 切勿本末倒置, 产生教学负效应
多媒体技术能提供文字、图片、动画、视频以及音频等给学生展示丰富的画面, 吸引学生的眼球, 激发学生的学习热情。但所有的教学手段都是为教学目标和教学内容服务的。多媒体课件的展示应该从培养学生逻辑思维、让学生掌握物理方法等角度出发, 突出教学内容和目标。因此, 在使用现代信息技术时, 应该根据教学的具体内容, 突出学生的主体地位, 较好地为课堂教学服务。
3. 切勿用多媒体模拟, 完全代替真实的实验
物理学科是以实验为基础的, 许多物理学规律都是在实验的基础上总结得到的。所以实验教学在物理教学中具有举足轻重的作用。在学校条件许可的情况下课堂演示实验和学生分组实验, 应让师生亲自实践。多媒体模拟实验, 只是那些在现实教学中无法完成的实验。
总之, 多媒体技术将图、声、色等融为一体, 将物理学中的抽象知识具体、形象、生动化, 以便学生理解相关知识, 从而有效调动学生自主学习的积极性, 提高课堂教学效率。在物理教学中, 教师要转变观念, 充分认识信息技术在高中物理教学中的重要作用, 不断提高计算机运用能力和课件制作水平, 在教学中将信息技术与物理学科特点和学生实际结合起来, 有效提高高中物理教学质量。
参考文献
[1]刘龙.浅议物理课程与信息技术的有效整合[J].中国教育技术装备, 2012 (19) :43-44.
信息化融合物理实验 篇7
提升建筑环境中资源调度的合理性与稳定性是做好水资源最优分配的基础工作, 目前可应用于资源调度的方法与手段有很多, 诚如跨区域水电站群优化调度初步研究[1], 区域洪水资源的供水补偿作用及优化配置研究[2], 多目标随机规划分配模型[3]等。考虑智能决策在资源分配中可起到最优化这一目的, 采用基于信息物理融合系统CPS[4,5]的模型来解决由复杂系统所形成的异构性难点。CPS在环境感知的基础上, 融合了深度计算、通信和控制能力, 通过计算进程和物理进程实时交互来增加或扩展新的功能。本文将CPS与多智能体融合起来, 利用语义服务与粒子群算法的提取与处理功能将信息重新整合, 得到智能体可识别的优化策略, 实现水资源的合理调度。
目前基于语义服务配合多智能体的CPS模型系统已正在研究中, 文献[6]提出了基于CPS异构环境的分布式实时任务系统, 并引出两种容错算法;文献[7]研究了将差分进化与多智能体相结合的算法, 提出利用局部寻优来提高精度的方法;文献[8]介绍了在工业环境中如何将多智能体与“分解—综合”思想相结合, 为过程控制系统提供解决方案;文献[9]探讨了在井下引入CPS系统的设计方案, 以井下环境作为监控对象, 建立矿井作业环境的CPS模型。综上所述本文提出将语义服务和多智能体融合于CPS系统的思想, 充分发挥这三方面间的优势, 将水资源分配网WAS (Water Allocation Systems) 进行优化性能分析。
1 建筑环境CPS的水资源分配模型描述
在水资源分配结构中, 我们基于语义转换服务和多智能体的交互作用来构建模型, 并将模型应用于建筑环境CPS系统之下, 其目的在于为公众提供一个智能优化的水资源分配方案。根据构建的WAS结构模型可知, 不同层次结构处理不同的信息, 将信息处理结果汇总到智能体之中, 建筑环境CPS系统予智能体感知环境、执行感知、同其他智能体通信、动作展示以及服务于目标的能力。WAS的结构展示如图1所示。
由图1可知, 物理采集节点由大量传感器构成, 负责对水资源环境进行数据采集。在智能处理过程中首先将传感器采集的环境数据进行语义转换, 提取出可利用的目标信息, 再使用粒子群算法对转换结果进行最优化处理, 多智能体根据处理结果来控制物理设施实体实现水资源的分配, 完成建筑环境智能化的需求。
2 水资源分配模型的构件组成
2.1 语义转换服务
在WAS模型结构中, 利用语义服务处理传感器采集的数据, 进而提取可利用的目标信息来服务智能算法。因UML建模语言具有丰富的图形种类并可从不同角度支持系统设计, 所以在语义服务中利用UML来进行设计分析[10]。图2显示的是故障检测中语义服务过程的信息分层。
故障诊断语义服务处理过程的伪代码如下:
WAS中如未发现故障问题, 即语义转换得到的结果为正常条件。我们将基于算法来采取决策, 通过CPS节点 (即多智能体) 定量对各个水体分支进行水量的合理调度。图3所示为WAS分配流程图。
2.2 改进的粒子群算法
WAS结构将改进的粒子群算法融入智能处理过程, 利用语义服务的结果为改进的粒子群算法提供实时信息支持, 将目标最优解提供给多智能体, 进而实现水资源的合理调度。粒子群算法PSO (Particle Swarm Optimization) 作为全局搜索策略, 采用速度-位移模型, 易于实现[11], 因此模型可基于PSO算法实施方案决策, 将语义服务后的提取信息当作局部粒子, 根据粒子对建筑环境的适应程度进行小范围区域移动, PSO算法的基本方程如下:
PSO算法在进化初期收敛速度快, 运算简单, 易于实现, 但在进化后期收敛速度变慢, 同时收敛精度不高, 在此可通过改变基本粒子群进化方程这一策略来实现对PSO算法简化与优化[12]。考虑每维的更新相互独立, 公式可简化到一维进行, 下标d可省略, 令将式 (1) 、式 (2) 中变量上标移到变量后括号中, 可变换得:
将式 (3) 和式 (4) 迭代可以得到式 (5) :
式 (5) 是不含速度项的经典二阶微分方程 (假设粒子的位置移动为连续过程) 。此方法可以没有粒子速度的概念, 进而可避免设定参数所产生的误差。
由上可得不含速度项的粒子群简化方程为:
式 (6) 右边第1项为“历史”部分, 表示过去对现在的影响, 来调节影响程度;第2项为“认知”部分, 对其自身调整;第3项为“社会”部分, 表示与邻近粒子的比较。采用式 (6) 可变为一阶微分方程:
由式 (5) 与式 (7) 比较可知, 改进的PSO方程在去掉速度参数的情况下, 自身公式也进行了降阶处理。简化了对语义服务数据操作的分析与控制过程。图4为改进的PSO简略流程图。
2.3 多智能体系统的实现
在建筑环境CPS下的WAS模型中, 粒子群算法的最优结果将被智能体所利用来进行基础设施的控制, 从而实现调度方案的优化。智能体本身具有自主控制和决策的功能, 可压缩多种属性于其自身之中, 并能够捕获其自治性和异构性间的作用[13], 而多智能体是由多个具有自主性的智能体构成的, 在复杂系统设计中将复杂问题分解成为多个子问题, 各个子问题通过智能体间的协作来完成任务[14]。UML的图形化语言在进行多智能体系统设计方面具有很大的优势, 它可以验证各个模块之间的交互、通信和依赖、继承等关系[15], 并直观地进行各种关系间的表示。
本文使用UML的用例图来描述WAS中的多智能体架构。用例图可捕捉外部大量参与者的相互作用, 服务于既定目标 (这里特指水资源的分配) 的完成。图5显示了在WAS中的参与者与用例。
在用例图中具有CPS节点的智能体作为角色参与者存在, 利用改进的PSO算法来实现对实体设备的管理, 算法即可以利用那些完整性经过检验的合理数据 (经过证实的) , 也可以采用历史数据来进行计算的调整。与此同时, 局部智能体同其他智能体间通过CPS来进行实时的信息分享, 为系统提供了资源的全局性视角。图6描绘了在CPS系统下WAS的数据状态转换, 即数据由传感器网络经语义服务后送入多智能体这一过程的状态变化。
3 水资源分配的模型设计
图7描述了CPS系统下的WAS模型整体结构, 传感器网络采集环境信息 (水量、水压、水体质量等) , 上层的语义服务对环境信息进行转换与提取, 并输送给粒子群决策算法, 改进的PSO算法可将提取的语义信息进行目标最优解搜寻, 方便多智能体进行稳定快捷调度操作。
在模型结构中语义服务作为中间机构为改进的PSO算法提供支持, 过滤了外界的无用信息, 简化了上层的处理对象, 提高决策准确性。改进的PSO算法进行数据计算, 通过实时的数据变化来得到建筑环境中供水需求的最优化数据, 以此为水资源分配提供可行性策略。多智能体对算法结果进行操作, 直接控制管网设施来进行调度, 将智能控制方案直接实施到既定目标实现之中, 与此同时自身也可作为CPS建筑模型下的节点, 通过CPS系统进行多领域间的需求调度。
4 水资源分配模型的性能分析
在CPS系统下的WAS模型中, 语义服务与智能体可根据其自身特性, 灵活融合到一起, 而改进的PSO算法在智能体与语义服务间搭建了一个处理机构, 可以对系统优化起到良好的调度作用。PSO算法与蚁群算法同为搜索算法, 其搜索方式却有所不同, 蚁群算法作为一种智能算法主要是模仿蚂蚁觅食机理, 通过人工蚂蚁间的信息交互完成最优搜索。PSO算法则源自模拟鸟群的捕食行为, 通过个体间的协作与竞争来寻找最优解, 在每次迭代过程中根据全体粒子和自身粒子的搜索经验向着最优解的方向发展。如图8所示将改进后的PSO算法与蚁群算法进行调度方面的性能比较。
语义服务作为信息处理的中间构件为智能算法提供有效的信息支持, 智能体利用算法的结果来实施方案调度。从图8中可以看出, 作为随机搜索算法的蚁群算法, 其搜索结果不够稳定, 不能保证进化结果为目标最优解。而改进的PSO算法通过迭代次数的增加对于水资源的调度利用率逐渐升高并趋于稳定, 从而得到WAS模型中的算法最优解, 保证了建筑环境CPS系统下资源调度的稳定性, 使得系统模型可以直接进行决策调度, 加速了调度作用的速率, 并且提升调度过程的准确性。
5 结语
信息化融合物理实验 篇8
由于信息物理系统具有独特的物理特性, 系统的计算和通信行为都需要满足实时性的约束。此外, 互联网研究关注的是可扩展性或吞吐量, 而嵌入式网络研究领域则往往关注时延, 却没有太多考虑吞吐量和可扩展性方面的要求。这些不同的研究领域各自为战, 几乎没有交叉。因此, 本文根据可扩展性和实时通信的需求提出一种在CPS进行实时调度时, 最大化网络并发度与资源利用率, 减少时间开销, 改善实时性能。
2 国内外相关技术
国外针对信息物理融合系统的研究正在迅速展开, 其中就基础理论方面, 应用方面、性能方面和安全性方面开展了全面的研究。与此同时, 信息物理融合系统已多次被美国自然基金选举为研究的热点, 这些都极大地促进了信息物理融合系统应用的进步[1,2,3]。
国内对信息物理融合系统的研究也已经发展起来, 其中在2009年举办的关于网络控制与信息技术的学术会议中, 特别提到了信息物理融合系统在各领域的发展。在2010年, 我国863计划专家组举办了CPS发展论坛, 代表了国家对信息物理融合系统的重视。
许多学者针对信息物理融结系统进行了大量的、有意义的研究, 并取得了一定的研究成果。其中很多研究成果结合了物联网与云计算的技术, 武汉大学的研究人员提出了将云计算与下一代互联网与信息物理融合系统结合的中间件语义设计, 主要研究内容为信息物理融合系统与网络的互联性与智联性。文献[4,5,6]则从自动控制的方面进行研究, 研究了可靠的无线通信协议, 这种研究在复杂的信息物理融合系统的应用环境下, 有着重要的意义。具体应用在医疗领域的控制与互联上。此外, 国内知名大学, 如清华大学、北京大学以及同济大学等的研究机构对信息物理融合系统也有着深入的研究。
3 方法探讨
本文研究合理、有效的基于CPS分布式网络环境的多节点实时任务调度框架和可调度性分析方法的数学描述。从CPS的时延特性出发, 建立CPS的时延任务图模型。对时延任务图进行空间并行与时间并行优化设计。通过改进常量利用率服务器算法, 设计基于时限驱动的全局预留实时调度算法。构建软件实验平台, 为上述方法进行仿真与测试。
在以上研究内容中, 本文拟解决的关键问题是:对时延任务图的空间并行与时间并行优化设计, 保证了网络并发与资源利用率的最大化, 减少了时间开销, 为CPS的实时调度提供了重要保障。主要技术指标有平均加速比、平均响应时间、可调度率。
4 总结
本文从CPS的时延特性出发;以降低节点间的通信与同步开销为目的, 研究基于时延的任务图调度模型以及任务图分割与优化策略;基于复杂应用的实时性能的保障, 研究时限驱动的全局预留调度方法;构建软件实验平台, 使用混合实时任务程序集进行验证。本文将为CPS的实时任务调度方法提供新思路, 为复杂实时应用在CPS环境的可靠、高效运行提供有效的理论与技术支撑。
参考文献
[1]Ragunathan Rajkumar, Insup Lee, Lui Sha, and John Stankovic, “Cyber-Physical Systems:The Next Computing Revolusion[C]”.In:Proceedings of Design Automation Conference, USA:IEEE, 2010, pp:731-736.
[2]Edward A.Lee, “CPS Fouldations”, In:Proceedings of Design Automation Conference, USA:IEEE, 2010, pp:737-742.
[3]Kremer U.Cyber-Physical Systems:A Case for Soft RealTime[EB/OL].New Jersey:Department or Computer, Science, Rutgers University, 2011.http://www.research.rutgers.edu/uli/Sarana/doucument/CPS-Uli.pdf.
[4]Zhang Y, Jill C.“ReconfigurabLe real-time middleware for distributed cyber-physical systems with Aperiodic events[C]”, In:Proceedings of ICDCS.Piscataway:IEEE, 2008, pp:581-588.
[5]FaggioLi D, Bertogna M and Checconi F.“Sporadic server revisited[C]”In:Proceedings of SAC.New York:ACM, 2010, pp:340-345.
信息化融合物理实验 篇9
近年来,在世界范围内的节能减排浪潮和信息技术快速发展的推动下,电力系统正在发生深刻的变革。智能电网的研发已成为电力工业界和学术界关注的焦点,并已在部分国家进入前期发展或工程示范阶段。推动智能电网发展的主要动力在于促进间歇式可再生能源、电动汽车等新型负荷和各种储能设备的并网与优化调度,以及用户侧更广泛和深入的参与。此外,与传统电力系统相比,智能电网还应该具有高效、可自愈、高可靠性和高安全性等主要特征[1]。要实现上述目标,就必须首先实现信息在电力系统内的双向流动和有效利用,并在此基础上提高对系统的感知和控制能力。将前沿信息技术引入电力系统对实现智能电网尤为关键[2,3]。
需要指出,要实现智能电网,仅仅简单地引入前沿信息技术是不够的。这是因为现有电力系统建模、分析与控制方法是针对传统电力系统所发展起来的,其中并没有充分考虑和系统计及电力信息系统的影响。由于智能电网中将嵌入大量的传感设备,并高度依赖通信网络实现信息汇总进而系统运行优化与控制,因此作为智能电网的重要组成部分,电力信息系统对于电力系统本身的运行行为会有显著影响。由于传统的电力系统建模、分析、优化与控制方法体系将电力一次系统和电力信息系统基本上相互割裂,这无法适应智能电网发展的要求。
信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)的提出与发展为促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合,并最终实现电网智能化的目标提供了新的思路和实现途径。CPS是将计算资源与物理系统深度融合所构成的新型系统[4,5,6,7,8]。与传统控制系统或嵌入式系统相比,CPS有下述主要特点[4,5,6,7,8]:①CPS中的物理实体均嵌入传感设备,以实现对大系统的信息采集和行为感知;②CPS通过通信网络将系统中所有物理实体和嵌入式信息设备相互连接,以实现信息在系统内的流动和共享;③CPS利用物理实体内嵌入的控制设备和大规模分布式计算技术控制所有系统组件,进而控制系统的整体行为;④在CPS中物理设备与信息设备相互协同和相互影响,共同决定整个系统的功能和行为特征;⑤CPS可以实现系统组件的动态重组和软件的在线更新。上述特征将使CPS具有明显强于现有工业系统的适应性、灵活性、安全性和可靠性。从长远来看,所有物理系统均可以联网成为CPS的一部分。由于CPS对于经济和技术发展具有重要意义,美国等主要发达国家都将其列为优先开展的研究领域。在中国,国家自然科学基金、科技部“973”计划和“863”计划均已将CPS列为重点资助领域。
从上文对CPS的介绍中可以看出,CPS与智能电网在概念上有相通之处,即都强调利用前沿信息技术以增强对大系统的感知和控制能力。基于这样的考虑,文献[8]提出可以建立电力CPS并作为未来智能电网的基本架构。本文在CPS概念和现有研究成果的基础上,力图进一步构建电力CPS的基本理论和方法研究框架。首先发展电力CPS的综合建模理论,然后在此基础上进一步探讨电力CPS的分析与控制问题。本文所发展的电力CPS的基础理论与方法有助于促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合与协作,并从理论上支持智能电网的发展。
电力系统是CPS应用的重要领域之一,近年来一些学者针对CPS与电力系统的结合作了初步的研究工作。文献[9]中首先提出了电力CPS的概念。文献[2,9,10]对电力CPS的建模作了初步尝试。文献[11,12,13]则初步研究了电力CPS的安全性与可靠性问题。通过对现有相关文献的整理和总结可以发现:①尚不存在能够全面而准确地计及信息系统与电力系统交互过程的CPS建模理论与方法。②针对电力CPS的理论、模型、方法、算法和计算与实现工具等方面的研究仍处于刚刚起步甚至是空白状态。因此,电力CPS的研究有待进一步开拓和深入。特别地,考虑到智能电网的建设正在快速推进,提出能与下一代电力系统“智能化”特点相适应的电力一次系统与电力信息系统集成的新理论与新方法就显得尤为重要。
1 电力CPS的建模理论
1.1 智能电网环境下信息系统的影响
传统的电力系统分析和控制方法中并未明确计及电力信息系统的影响,一般假定所获得的系统信息是及时、准确和可靠的。在目前的电力系统中,控制对象主要是大型水火电机组、保护装置、无功补偿装置等;需要控制的设备数量不大,且大部分控制功能主要是基于本地信息实现的。因此,目前电力通信网络的数据传输负担较轻。另外,由于现有的电力通信网络是相对独立的专用网络,面对外部网络的接口数量少,因此其可靠性与安全性都有较好的保证。现有电力系统的这些特点决定了不考虑信息系统对于电力系统分析和控制的影响不会导致明显的误差。
由于智能电网中存在相量测量装置(PMU)、智能电表等大量传感装置,且传感装置的采样频率也会明显增大,因此智能电网需要传输和处理的信息量将远大于目前的电力系统。这决定了智能电网对计算系统和通信网络的依赖程度将明显增大。出于成本考虑,对于数量庞大的智能电表、智能家电等终端,一个可行办法是借助公用通信网络如有线电话网络和Internet实现通信。这将使通信延迟、通信系统可靠性、信息系统安全性等问题变成影响智能电网整体性能的重要因素。此外,由于信息传输和处理能力的不足,现在的电力系统调度机构对系统中的大量设备,如小容量分布式电源、保护装置等只能依靠其自身的控制器进行分散本地控制,这使得系统因为无法协调全部可用资源而导致整体运行效率较低。要实现智能电网对于自愈性、高可靠性、高安全性的要求,就必须对上述设备进行网络化集中控制;这又将进一步增强电力系统对于信息系统的依赖性。
从上述讨论可以看出,信息系统的性能对于智能电网有着至关重要的影响。因此,建立能够深度融合信息系统和电力系统的电力CPS,并研究与之相适应的建模、分析与控制方法对于实现智能电网具有重要作用。
1.2 电力系统与电力信息系统的统一建模方法
一般而言,可以将电力信息系统分为计算、通信、传感3个部分,分别用于完成信息的处理、传输与采集等功能。这3个部分共同决定电力信息系统的整体性能。这里将基于有穷自动机(finite automation)、随机过程、微分代数方程等理论首先为计算、通信与传感系统分别建立适当的数学模型,再将其与现有的电力系统数学模型联立起来以构成比较完整的电力CPS数学模型。
与电力系统类似,从整体上讲电力信息系统模型也可以分为稳态模型和动态模型2类,并分别用代数方程组和微分方程组描述。信息系统建模与电力系统建模的不同之处在于信息系统通常存在若干种离散工作状态,因此需要引入有穷自动机等数学工具处理离散工作状态之间的相互转换。联合采用微分代数方程组、有穷自动机和随机过程理论,就可以构成电力信息系统模型。由于信息系统模型和电力系统模型均以微分代数方程组为基础,因此可以方便地将两者联立,形成电力CPS的统一模型。
1.3 电力信息系统的稳态模型
与电力一次系统类似,电力信息系统也是一个网络化系统,因此其稳态模型可表示为网络流量模型。在电力信息系统中,传感设备和部分计算设备是信息流的起点,其作用是产生信息流并将其注入通信网络中。而另一部分计算设备的作用则是接收信息流并进行相应的分析处理,因而是信息流的终点。通信网络是传输信息的媒介,其中路由器等信息交换设备的主要作用是决定每一个到达交换设备的数据包(packet)下一步应该被交换到哪一个节点。换句话说,路由器的作用就是决定信息在网络中的流向。
基于上述考虑,这里构建电力信息系统的稳态模型。考虑一个有向带权多重图G=(V,E),其中V为图中节点的集合,其元素可以是计算单元、传感单元、信息交换单元或三者的组合;而E表示图中边(通信线路)的集合。对于任意一个信息交换单元v∈V,用Cv表示其信息交换能力(即单位时间内能够处理并送出的信息量)的上限,其单位一般为bit/s或Mbit/s;用Dv表示数据包在信息交换单元中的延时。对于任意一个通信线路l=(i,j)∈E,用Bl或Bi,j代表线路的带宽(band width),其单位一般也为bit/s或Mbit/s。需要指出,由于电力信息系统是用有向图表示的,因此Bi,j和Bj,i不一定相等。此外,采用Dl或Di,j表示数据包在线路中的延时。假定系统中共有N组信息源,以Si,j(k)表示第k组信息源注入系统的信息流量,其中i,j分别表示信息流的起点和目的地;注意这里不要求i,j直接相连。这样,电力信息系统的稳态模型可由下列代数方程和约束条件组成。
1)节点信息流量平衡方程
对于任意节点v∈V,其流入与流出的信息流量相等:
式中:(i,v)∈E,(v,j)∈E分别表示节点i,j和节点v直接相连;Si,v和Sv,j分别为由节点i流入节点v和由节点v流入节点j的信息流量;Nv为位于节点v的信息源数量;Sv(k)为位于节点v的第k组信息源注入系统的信息流量;Mv为在节点v终止的信息流数量;Ov(k)为在节点v终止的第k组信息流的流量。
2)节点最大信息流量约束
对于任意节点v∈V,其流入的信息流量不能大于其信息交换能力的上限:
3)线路最大信息流量约束
对于任意线路(i,j)∈E,其流量不应大于其带宽:
0≤Si,j≤Bi,j (3)
可以采用上述模型对信息系统作稳态分析,求取其稳态运行点。下文还将对此作进一步讨论。
1.4 电力信息系统的动态模型
上面介绍的稳态模型主要用于解决信息流在通信网络中的路径分配问题。在理想情况下,所有线路和路由器上的信息流量均应不大于其带宽和交换能力上限,此时信息系统处于稳定运行状态。然而,在实际运行中,由于信息源注入信息的速率过快,部分线路和路由器上注入的信息流量常常会超过其带宽或处理能力,其结果是可能造成信息传输的显著延迟和部分数据包的丢失。这就是所谓的通信网络阻塞(congestion)问题。阻塞发生后,信息系统会从稳态进入到一个动态过程,并在通信网络控制系统的作用下,过渡到新的稳态。然而,不当的控制措施可能导致通信网络的阻塞崩溃(congestive collapse)。在通信网络的实际运行中,网络阻塞是经常发生的,因此为信息系统建立准确的动态模型对于评估其性能是非常必要的。
通信网络的动态模型是信息系统动态模型的核心。根据国际标准组织(ISO)所制定的通信网络的开放系统互联(open system interconnection,OSI)模型[14],通信网络按照功能可以划分为7层。由于在电力系统分析和控制中所感兴趣的问题是通信网络造成的数据延迟和丢失现象,因此下面主要针对OSI模型中的网络层(network layer)和传输层(transport layer)建立其动态模型。
在网络层和传输层中,主要的建模对象是路由器、通信线路,以及用于防止网络阻塞的核心控制措施——阻塞控制(congestion control)协议。路由器和通信线路一般都自带内存缓冲(memory buffer),进入路由器和通信线路的数据包将首先存储于内存缓冲里,等待进一步处理和传输。在数学上,可以将内存缓冲用排队论中的队列(queue)表示,缓冲的大小称为队列的最大尺寸,而当前缓冲中存储的数据量被称为队列的尺寸。以最常见的TCP/IP网络为例,当网络中出现阻塞现象时,阻塞控制协议可以采取2种措施以缓解阻塞:一是降低数据源注入网络的数据量,这可以通过减小数据源所在节点上的阻塞窗口(congestion window)的尺寸来实现;二是在各路由器上主动删除一部分重要性较低的数据包,避免出现因为队列溢出而被动丢失数据的情况。当出现网络阻塞时,各节点的阻塞窗口尺寸和各队列的尺寸将发生动态变化,因此可以选择它们作为动态模型的状态变量;而系统的输出一般可以取为各数据流的传输延迟和数据丢失率。与一般控制系统类似,若以X(t)表示系统的状态变量,以Y(t)表示系统的输出,以u(t)表示控制信号,则通信网络的动态模型可以表示为:
当系统处于不同状态时,阻塞控制协议的工作机理是不同的。这里仍以TCP/IP网络为例,一个队列可能在空、满和非空非满3种状态中不断转换,而3种状态对应的队列尺寸的微分方程组是不同的。类似地,对应不同的系统阻塞情况,TCP协议存在慢启动(slow start)、阻塞避免(congestion avoidance)、快速恢复(fast recovery)等工作状态;不同状态下阻塞窗口尺寸的微分方程也不同。因此,为了处理信息系统在各种离散工作状态间的转换,可以引入有穷自动机作为数学工具,与微分方程组共同构成通信网络的数学模型。有穷自动机是用来描述一个系统根据若干条件在不同状态间相互转换的离散数学工具。如图1所示,利用有穷自动机可以模拟系统的离散状态转换,而对应有穷自动机的每一个离散状态,系统的动态行为由相应的微分方程组进行模拟。这样的建模方法被称为通信网络的混合系统建模(hybrid system modelling)[15]。需要指出,不同通信网络所采取的网络协议不同,其阻塞控制机制也就不同。因此,在建立通信网络的动态模型时,必须仔细考虑阻塞控制协议本身的特点。
对于计算单元,可以基于排队论和随机过程进行建模。一个计算单元一般由处理器和内存缓冲组成。一个计算任务到达计算单元后,将首先在内存中排队等待。处理器则按照先到先处理的原则逐个处理内存中的任务。因此,可以选择排队论中的D/G/c/∞或M/G/c/∞队列作为计算单元的模型。队列名称中的第1个字母表示计算任务到达计算设备的频率(或间隔时间)的概率分布:其中D表示计算任务将按照确定的频率到达计算设备;M表示计算任务到达的频率服从Markov过程(Poisson过程或Binomial过程)。队列名称的第2个字母G表示计算设备处理一个计算任务的时间服从一个非Markov随机过程,如Gaussian过程。队列名称中的第3个字母c表示该计算单元可以并行处理最多c个任务。这里所谓的并行包括硬件并行和利用软件实现的虚拟并行。队列名称中的∞表示缓存中等待的任务数无上限。由于存储设备成本很低,目前计算设备的存储空间一般很大,因此可以近似认为计算设备中等待的任务数没有上限,即不会发生因为缓存不足而丢失任务的情况。对于电力信息系统而言,计算任务包括各种电力系统分析任务(如潮流计算、在线安全分析等)和控制策略计算任务(如电动汽车或分布式电源的最优控制策略等)。应针对不同计算任务的特点选择适合的到达频率和处理时间的概率分布。基于上述考虑和概率分布,可以求出计算单元的性能指标(如各种任务的平均处理时间)。在此基础上,可以进一步求出计算单元向网络注入数据的速率(如向网络中发送控制信号的速率)。
对于传感单元的建模,需要考虑的重点问题在于传感单元数据产生速率所服从的随机过程。可考虑采用的模型包括连续时域随机过程如Wiener过程,Markov过程如Poisson过程,以及厚尾过程如Pareto过程等。
综上所述,利用微分代数方程组、有穷自动机、随机过程、排队论等工具,可以建立电力信息系统的动态模型。将信息系统的动态模型与电力系统的动态模型联立即可得到电力CPS的动态模型。
2 电力CPS的分析方法
2.1 电力信息系统的稳态分析
前已述及,当通信网络各节点和线路上注入的信息流量小于其交换能力和传输能力上限,且系统未发生故障时,信息系统处于稳态。根据通信网络的线路负载情况,一个数据包可以选择多条不同的传输路径;因此一般情况下,信息系统可能存在多个稳态运行点。稳态分析的主要目的就是基于稳态模型寻求最优稳态运行点。信息系统的稳态分析可以通过求解通信网络的最优路由问题实现,是一个以式(1)～式(3)为约束的优化问题。最优路由问题的优化目标可以给定为平均传输路径最短、平均延时最短、数据丢失率最低等。通过求解最优路由问题,可以得到每条通信线路上的信息流量,并获得稳态情况下每组数据流在网络中的传输延迟。
最优路由问题在通信领域已得到了比较充分的研究,且研究重点在于发展有效的求解算法和如何对注入网络和流出网络的数据流量相关的不确定性进行适当处理等。常用的优化方法包括传统的图论方法,如Bellman-Ford算法和Dijkstra算法[16],以及数学规划方法,如线性规划和整数规划等[17]。这些方法可以直接应用于电力CPS的分析之中。
2.2 电力信息系统的动态分析
信息系统动态分析着重求解在通信网络因存在阻塞或发生故障而处于暂态时信息系统的关键性能指标,如传输延时和数据丢失率等变量的时变路径,以及判断系统是否会发生阻塞崩溃现象。信息系统动态分析一般通过信息系统仿真来实现。
信息系统仿真是通信领域的一个重点研究方向,常用方法包括数据包级仿真[15]和流仿真[15,18]2类。数据包级仿真通过仿真所有单个数据包在网络中的行为,进而获得整个网络的行为特征,如实际带宽、延迟时间、是否发生阻塞、数据丢失率等。通过模拟单个数据包的行为,数据包级仿真可以达到很高的精度。计算速度慢是数据包级仿真的主要缺点。可以首先利用数据包级仿真对系统进行离线分析,进而确定电力信息系统的运行状态。此外,数据包级仿真的结果可以用于估计信息系统模型的有关参数。
另外一种信息系统仿真方法则是基于2.4节介绍的动态模型,来直接求解系统状态变量(如队列尺寸、阻塞窗口尺寸、线路流量等)的时域解。这种方法被称为电力信息系统的流仿真。流仿真的计算速度比数据包级仿真快得多,可以用于对信息系统进行在线评估。
要进行信息系统的流仿真,就需要求取作为信息系统动态模型的微分代数方程组的时域解。在假定信息系统内不存在不确定性因素的前提下,一些经典的常微分方程求解方法,如Runge-Kutta法[18]已经被应用于流仿真之中。然而,如上文所述,在信息系统中,计算单元和传感单元的行为都是不确定的,需要用随机过程进行建模;此时系统的动态模型将由常微分方程变为随机微分方程。因此,就有必要深入研究针对随机微分方程的有效求解算法,如随机Euler法和随机Milstein法等。
2.3 电力CPS的可靠性分析
由于信息系统对电力系统运行具有显著影响,因此在电力CPS的可靠性分析中,除了发电机组和输电线路等电力系统元件之外,还必须计及信息系统元件故障对于电力系统可靠性的影响。因此,评估电力信息系统的可靠性是评估电力CPS可靠性的重要一环。
与电力系统可靠性分析类似,可以将电力信息系统的可靠性分析分为确定性和随机性两大类。在确定性、可靠性分析中,可以基于“N-1”原则,任意移除系统中的1台路由器、计算设备、传感设备或1条通信线路,然后评估移除该设备对信息系统的影响。评估方法则可利用上文介绍的信息系统稳态分析方法,判断通信网络中是否会出现阻塞,并进一步计算每一组信息流在网络中的延时和数据丢失率。在得到延时和数据丢失率后,则可针对电力CPS控制系统的特点,为发电机组、电动汽车、储能设备、负荷、输电设备等设定延时和数据丢失率的阈值。若控制信号从控制系统发出到达任意设备的延时,或者任意设备的状态信息到达控制系统的延时超过给定的延时阈值,即可认为系统对于该设备失去控制能力。类似地,若控制信号或者状态信息在传输过程中的丢失率超过给定的允许比例,也可以认为系统对该设备失去了控制能力。在确定失去控制的电力系统设备后,即可应用传统的电力系统可靠性评估方法分析信息系统故障对于电力系统可靠性的影响。与电力系统可靠性分析类似,电力CPS可靠性的最终评估指标也可以采用期望不满足电量(expected unserved energy)等。
另一方面,对于电力CPS的随机可靠性分析,首先可以基于历史数据获得信息系统设备的故障概率模型。引起信息系统设备故障的原因一般包括机械故障、人为操作失误、网络攻击3种。可以先分别建立这3种情况的概率模型,再汇总得到各设备的故障概率模型。之后,基于设备的故障模型,可以利用Monte Carlo仿真随机产生信息设备故障,然后采用与确定性、可靠性分析类似的办法计算期望不满足电量等指标。
2.4 电力CPS的安全性分析
电力信息系统发生故障会威胁电力系统的安全。因此,有必要发展有效的电力CPS安全性分析方法。由于信息系统故障的结果通常是控制中心失去对相关电力设备的控制能力,因此信息系统故障对于电力系统造成的影响一般应作为大扰动。所以,在电力CPS的安全性分析中,应该着重考虑信息系统故障对电力系统暂态稳定性的影响。
电力CPS安全性分析的一般步骤为:①首先建立电力信息系统的预想事故集;②针对每一个预想事故,利用上文介绍的电力信息系统动态模型评估通信网络中是否会发生阻塞,并计算之后一个较短时段内信息系统的性能指标(传输延时、数据丢失率)的时变路径;③基于传输延迟和数据丢失率等指标,判断可能失去控制的电力设备;④假定从系统中同时移除这些失去控制的设备,然后应用现有的暂态稳定分析方法,如时域仿真或扩展等面积准则(EEAC)法,评估电力系统是否能够暂态稳定。
2.5 电力CPS的综合仿真
构建电力CPS的主要目的之一就是在更大范围内全面采集和利用与电力系统相关的各种信息,并在此基础上实现系统综合仿真,以便于调度人员和其他市场参与者全面掌握电力系统运行状态并在此基础上作出决策。从总体上讲,电力CPS综合仿真主要包括信息、物理和经济3个层面。在信息层面上,仿真的目的就是利用电力信息系统分析方法评估信息系统运行状态以及其对电力系统的影响;在物理层面上,仿真的目的是评估电力系统自身运行状况,以判断系统是否能够安全稳定运行;在经济层面上,仿真的目的则是根据电力系统运行状态和一些关键市场信息的预测结果,预测市场运行状态 (如电价和机组调度结果)。除了上述3个主要方面外,在电力CPS的综合仿真中还可以进一步计及能耗和碳排放等因素,从而形成智能电网的“信息—物理—经济—能耗—排放”综合仿真。
由前面的讨论可以看出,智能电网与相关的电力市场、碳排放市场等共同构成了一个非常复杂的系统。对这样一个复杂系统的仿真涉及到海量信息的存储和分析,以及性质各异的多种计算任务。电力系统传统的集中式计算平台难以满足对这种复杂系统综合仿真的需要。因此,必须考虑引入云计算[19]等大规模分布式计算技术来解决计算和存储能力不足的问题。云计算通过整合广域环境下的异构计算资源以获得强大的计算和存储能力。另外,在云计算体系下,对于一些较为复杂的计算任务,如电力系统安全分析,可以将其按照区域分解为若干子问题,并利用各区域内的计算资源尽可能就地解决,以减轻海量信息传输给通信网络带来的负担。
3 电力CPS的混合控制方法
未来的智能电网必须依赖通信网络在调度机构和智能负荷、分布式电源、电动汽车等设备之间传递信息与控制信号。因此,未来的智能电网将是一个典型的网络化控制系统。而另一方面,考虑到通信网络在实际运行中存在由于故障或网络攻击而暂时失灵的可能,完全依赖网络化控制有可能会降低系统运行可靠性。因此,在智能电网环境下较为理想的控制方式应该是网络化控制与本地控制相结合的混合控制。
网络化控制系统(networked control system,NCS)是指传感器、控制器和执行器(actuator)分布在不同网络节点上,且必须通过通信网络交换信息的控制系统[20]。网络化控制系统是近年来控制领域的研究热点。控制领域的大量研究表明,通信网络阻塞造成的传输延迟和数据丢失对于控制系统的性能具有很大的影响,严重时可能造成控制系统失稳和崩溃[20,21,22]。解决传输延迟和数据丢失的常用方法主要有以下2种。
第1种方法是在控制系统模型中显式计及传输延时和数据丢失的影响,然后利用解析方法评估控制系统在一定的传输延迟和数据丢失率下是否能够稳定工作。
第2种处理传输延迟和数据丢失的方法被称为延迟和丢失补偿[21,22]。其核心思想是在任意一个时间点上,控制系统不仅要计算当前的控制信号,还要根据系统状态变量的模型预测值计算未来几个时间点的控制信号,并一起发送到执行器。一旦当前时间点的控制信号因为传输延迟或丢失而没有到达执行器,则执行器将根据之前收到的预测控制信号发出执行指令。如图2所示,含有延迟与丢失补偿环节的执行器有“同步”和“中断”2种工作状态。在正常情况下,执行器处于“同步”状态。一旦执行器没有收到当前时间点的控制信号,则转入“中断”状态,根据预测控制信号发布执行命令,直到其收到新的控制信号为止。将延时与丢失补偿法应用于电力系统的关键在于如何建立准确的系统信息(常规发电机组出力、负荷水平、风机出力、太阳能光伏系统出力、电动汽车电池电量水平等)预测模型,并发展高效的优化算法,以有效地产生高质量的预测控制信号。
控制方法和控制系统的性能受到电力信息系统性能的制约。一方面,计算系统的性能决定了某种控制算法的最高时间复杂度。若控制算法过于复杂,则计算系统可能无法及时完成控制指令计算。另一方面,通信网络的性能决定了某种控制方法可以利用的最大信息量。一般而言,利用的系统信息越多,越有可能得到更好的控制策略。然而,通信网络的性能决定了能够从传感装置流动到调度中心或变电站的信息量的上限。由于智能电网不可能从头建立,其必然是从现有电力系统逐步演变而来,这样从降低成本的角度出发,智能电网的通信,尤其是从地调到分布式电源和终端用户的通信,将很可能利用现有的通用通信网络(如Internet)来实现。这样,在实际系统运行中,电力信息系统的性能未必能够满足控制系统的要求。这就对控制方法和控制系统的灵活性提出了很高的要求。从这个角度考虑,电力CPS的控制应该可以在多种控制方法之间灵活切换。在信息系统性能允许的情况下,应该选择从整体上最优的控制方法,例如由调度中心进行全局最优控制。一旦信息系统的性能因故障或外部攻击有所降低,系统将基于前面提出的稳态和动态分析方法,来自动选择次优控制方法(如分层分区控制);信息系统当前所具备的性能应该能够保证该方法的稳定运行。在严重情况下,如通信网络大部分失灵或失去调度中心主服务器的情况下,各种设备将依据本地信息实施本地控制。利用上述多种控制方法相结合的混合控制策略,可以提高电力系统运行的安全与可靠性水平以及运营效率,并减弱信息系统失灵对电力系统的负面影响。
4 结语
到目前为止,电力系统与电力信息系统的研究基本上是相互割裂的。现有的电力系统分析与控制方法不能适当容纳电力信息系统的模型,这是阻碍电力信息系统与电力系统深度融合并最终实现智能电网的主要障碍之一。在此背景下,本文提出了电力CPS的基本理论和方法,较为系统地讨论了电力CPS的建模、分析和控制等问题,为电力CPS的研究建立了一种基本框架。
电力CPS研究的核心内涵是如何有效地实现信息系统与电力系统的相互融合与协作。本文首先基于微分代数方程组、有穷自动机、随机过程、排队论等数学工具,建立了电力CPS的稳态和动态模型。之后,系统讨论了信息系统稳态分析和动态分析问题。在此基础上,提出了电力CPS的可靠性分析与安全性分析的基本思路与方法。最后,论述了通信网络的传输延迟和数据丢失对于电力系统运行控制的影响,提出了延时与丢失补偿机制,以及基于多种控制方法相结合的控制策略。
信息化融合物理实验 篇10
一、研究信息技术与生物实验融合的意义
1.信息技术与生物实验教学融合，是新课程发展的需要
新课程改革的目标之一是培养学生的创新精神和实践能力，利用信息技术手段创设适宜的学习情境，充分激发学生的创新能力，在信息技术环境下，探索实验教学可以充分发挥学生的主体地位，培养学生的创新能力。
2.信息技术与生物实验教学融合，可以改变传统的学习方式
许多生物实验比较抽象和复杂，受到实验条件的限制，不能通过传统实验来理解和观察，而运用信息技术手段可以充分展示实验过程，使一些无法观察又难以理解的生命现象、生理过程等变得既生动形象又直观易懂。多媒体课件内含丰富的信息，不仅能改变学生枯燥的学习方式，还能充分调动学生学习的主动性，有效培养学生的学习兴趣和认知能力。
3.信息技术与生物实验教学融合，可以改变传统的教学理念
3D打印、4G网络等现代信息技术飞速发展，信息技术在学科教学中的作用越来越大，被越来越广泛地运用到课堂教学中。恰当地运用现代多媒体技术，创设与教学内容相适应的教学情境，可以使学生迅速融入实验教学情境中，充分激发学生的学习兴趣和求知欲望，有利于突破实验教学中的难点和重点。
4.信息技术与生物实验教学融合，是现代化实验教学的需要
在生物实验教学中有效運用信息技术手段，可以为学生提供宽松的实验空间，减少实验时间。很多生物实验需要花费较长的时间，随着课程进度的发展，学生对该实验的兴趣和认知也会逐渐淡化，如果采用多媒体教学，根据实际教学需求调整实验时间则会起到事半功倍的效果。
二、信息技术与生物实验教学有效融合的方法
1.运用信息技术创设实验环境、可以激发学生的实验兴趣
生物实验主要以观察实验现象为主，教师可应用多媒体技术创设实验环境，引导学生积极主动地学习。在生物实验教学中，如果恰当地利用多媒体、电子白板、触控一体机等电教手段，创设与教学内容相适应的教学环境，使学生身临其境，受到感染和启示，可以充分地激发学生的学习兴趣和求知欲望。在教学过程中，教师也可以通过多媒体课件中内含的动画效果、图片解说词、适合的背景声音创设出一个独特的、恰如其分的情境课堂，学生置身其中，思维也会异常活跃。
2.利用多媒体教学，引导学生观察，培养和提高学生的观察能力
良好的观察能力是学生学习的基本功。利用多媒体在引导学生观察、培养其良好的观察能力方面具有显著的优势。多媒体教学可以通过鲜艳明亮的图像刺激学生感官，引导学生按照由局部到整体或由整体到局部、由局部到细节的顺序进行观察，让学生掌握认真细致地观察事物、分析事物的方法，提高学生的观察能力。同时，由于多媒体可以在很短时间里显示一个对象的不同方面，这样就可以使学生从不同角度进行观察和分析，从而提出自己的看法，并在互动式探讨过程中加以完善和提高。
3.设计PPT课件、Flash课件或搜集相关视频，可以突出重点，突破难点，引导学生思考，提高其分析问题和解决问题的能力
在生物教学中，欲使学生学习生物学知识乐此不疲、乐以忘忧，教师应广开渠道，想方设法把繁杂深奥的知识变得简单易懂，变抽象为具体，突出教材的重点，突破教学的难点，使学生便于理解和记忆。例如在“认识生物多样性”一章中，我从网络中搜集到一些关于沙尘暴的视频，通过视频使学生认识到沙尘暴是沙暴和尘暴两者兼有的总称，是强风把地面大量沙尘物质吹起卷入空中，使空气变得混浊，水平能见度小于1km的严重风沙天气现象。其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地层所形成的挟沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其他细粒物质卷入高空所形成的风暴。通过一些学生感兴趣的课件或视频，充分调动学生认知的积极性，相对枯燥的讲授起到了事半功倍的作用。
信息技术与生物教学的有效融合是现代教学改革的要求，也是推进素质教育发展的需要，只有将信息技术合理地应用到生物实验教学中，同时掌握现代化媒体应用理论，才能真正实现多媒体技术与生物实验教学的有效融合，才能更好地提高学生的理论与实验水平，才能使学生的创新思维和实验操作能力得到充分的发展。
信息化融合物理实验 篇11
电力系统的安全和稳定运行关乎百姓生活、社会稳定和经济发展。随着电网建设的不断发展,少数元件失效而导致电网发生连锁性故障的概率逐步升高,近年来世界各地发生的大停电事故屡见不鲜[1,2,3,4]。电网元件的失效是概率事件,其原因包括很多种,比如自然灾害(冰灾、火灾、台风等极端天气条件)、运行人员误操作、元件故障(老化、拒动、误动)等,这些因素的特点是具有较强的随机性和不可预见性。另一种威胁现代电网安全的因素最近几年逐渐显现:即人为对电网的蓄意破坏行为,包括对电网一次系统以及二次系统的破坏[5,6]。
针对电网一次系统的蓄意攻击将可能导致电网元件被破坏从而引发电网的故障和瘫痪。在中国,时有电缆被偷盗而导致电网发生故障的事件发生,也有纯粹针对电网的破坏事件,比如在2010年12月29日就有一男子试图破坏湖北省龙泉换流站[5],庆幸的是这一举动被及时发现并被制止,否则将引起严重的后果。当战争发生时,作为一个国家最重要的基础设施之一,电网也很可能面临石墨炸弹攻击等的威胁。
针对电网二次系统的网络攻击事件正在不断引起人们的关注。当地时间2015年12月23日,乌克兰至少有三个区域的电力系统遭到黑客恶意代码的攻击,结果导致当日大约15点开始的持续了数小时的停电事故[6];当地时间2016年3月25日,黑客通过分布式拒绝服务(distributed denial of service,DDoS)的攻击方式,入侵了美国位于纽约的鲍曼水电站的计算机控制系统[7];一家位于韩国的核电站运营商在2015年也曾遭受黑客的网络攻击[8]。与针对电网一次系统的物理攻击相比,网络攻击具有成本低、隐蔽性高、涉及范围大等特点,一旦成功其导致的后果相当严重。
现代电网正逐步演化成一个将通信网络和电力系统融为一体的电力信息物理融合系统(cyber physical power system,CPS)。当该系统面对蓄意的人为因素的攻击时,如何有效、深入地评估整个系统的脆弱性具有重要的现实意义。文献[9,10,11,12,13,14,15,16]运用双层规划模型,分析电网在完全信息动态博弈情形下遭受物理攻击的情景,得出攻防双方各自的最优策略。文献[17]和文献[18]将双层规划模型扩展至三层规划模型。文献[19]和文献[20]研究一类电网遭受网络攻击的情形:攻击者向电力系统注入错误的量测数据,影响电网的状态估计结果,从而导致电网进行错误的调度和控制,引起电网的损失。文献[21]从实例分析、定义和分类以及典型场景对电力CPS遭受网络攻击时进行了讨论。文献[22]基于一种专门针对电力数据采集与监控(SCADA)系统的网络攻击形式,对其原理、所造成的影响及相应的防范措施进行了讨论。文献[23]通过对乌克兰停电事件的回顾与分析,对信息能源系统遭受恶意信息网络攻击下的薄弱环节评估问题进行了讨论,指出开展考虑信息能量相互作用机理的信息能源系统综合安全评估的重要性。文献[24]对一种针对电力系统的信息、物理协同攻击的情景进行了分析,并将其建模成一个双层混合整数规划问题,提出采用一种严格的两阶段求解方法以识别因攻击所造成的最大损失。文献[25]针对分层控制CPS系统,提出了CPS建模和信息网络故障评估的方法。其中,信息网络采用有向图进行描述,并提出一种基于模型的方法研究信息网络故障对电力物理系统的影响。此外,有学者专门针对电力控制系统的通信网络开展相关风险评估研究工作[26,27],包括提出了对电力控制系统中通信网络的安全性、安全程度进行安全评估的方法以及用于信息安全风险评估的资产分析方法。在目前大多数文献研究中,针对电网的蓄意攻击,有些是针对物理系统,有些是针对信息系统。虽然有学者对电力系统信息-物理耦合机理与故障分析进行了相关研究,但此方面的研究则刚刚起步,很多方面需要进一步探讨。
本文针对电力CPS,基于博弈论的相关知识,提出一种电力物理网络和电力信息网络同时受到攻击的电网攻防动态博弈模型。其中,电网攻击者运用物理攻击并配合网络攻击,可以通过较低的成本造成较大的电网损失;而电网防御者则通过采用最优的防御资源分配策略对电网元件进行防御。通过对一个简单算例系统的研究和分析,得出了一些初步的有意义的结论。
1 电力CPS脆弱性评估框架
1.1 兰德公司风险评估模型
兰德公司于2004年提出了针对恐怖袭击的风险评估模型:
式中:T为一个目标被袭击的概率;V为如果一个目标遭受袭击,其最终被摧毁的概率;C为如果一个目标遭受袭击并最终被摧毁,其带来的损失的大小,代表后果;RT为目标最终损失的期望值,代表风险。
式(1)所示的风险评估模型由于引入了威胁性和脆弱性两个概率值,使得评估结果更贴近实际。此外,该模型包括了“威胁性”、“脆弱性”和“后果”三个成分,这也为本文建立电网攻防脆弱性评估框架提供了依据。
1.2 电力CPS脆弱性评估框架
基于模型(1)和博弈论的相关理论,并基于一定的假设条件,论文针对电力CPS遭受攻击的具体场景,对式(1)中的“后果”C、“脆弱性”V及“威胁性”T进行量化,以建立电力CPS脆弱性评估框架。
电网中因元件失效所引发的事故后果包括:失负荷量、停电范围、停电时长、经济损失等。这里,本文以电力CPS遭受攻击后的负荷切除量(或失负荷量)来衡量系统损失的大小,并将其作为式(1)中的C。考虑到电网攻击者的目的是造成电网最大的有功负荷损失量,而电网防御者的目的则刚好相反,两者之间构成零和博弈。文中假设电网线路i遭受攻击并被摧毁后导致的电网有功负荷损失量记为Ci。
考虑到实际情况中电网攻防双方所具有的资源通常都是有限的,而且攻防双方会根据自己的策略将各自的资源分配到电网的元件上去,一个元件上攻防资源的分配将会影响该元件的脆弱性,即遭受攻击后失效的概率。电网攻击者在一个元件上投入的资源越多,会提高该元件被攻击后失效的概率;相反电网防御者在一个元件上投入的资源越多,会降低该元件被攻击后失效的概率。如何量化电网攻防双方的资源分配对式(1)中V的影响,需要根据不同的情形具体分析,但有一点可以明确:即无论是攻击者还是防御者,他们在单一元件上资源的投入当达到某一程度后,其边际效益将会递减。为简化及计算方便起见,本文对V的量化主要从电网防御者的角度进行考虑。假定电网防御者具有一定总量的防御资源,这些资源包括人力、物力、财力等,电网防御者将防御资源分配到电网各线路上,降低线路遭受袭击后被摧毁的概率,并将其作为式(1)中的V。考虑电网中有N条线路需要防御,设向量d=(d1,d2,…,dN),表示电网防御者的资源分配策略,则有:
式中:D为防御资源的总量;di为需要防御的线路i上分配到的防御资源。
线路i上分配的防御资源di越多,线路i遭受袭击后被摧毁的概率越低,考虑到边际效益递减性,同时为简明起见,本文假设该线路失效概率与所分配到防御资源有如下关系:
式中:Vi为线路i遭受袭击后被摧毁的概率。
以上分别讨论了如何量化“后果”C和“脆弱性”V。对于“威胁性”T,本文将线路被攻击的概率作为式(1)中的T。关于T的取值我们将从该线路所分配的防御资源角度进行分析。假设电网有l条线路,将线路i被攻击的概率记为Ti,Ti将随着防御资源分配情况的不同而变化。利用本文给出的一种最优资源分配策略(详见3.2节)可以得到每条线路对应的VC值,并记其中最大的为VCmax:
如果对应于VCmax值的线路有m条,即
式中:B为由该m条线路编号构成的集合。
则本文定义:
2 电力CPS的动态攻防博弈模型
在研究电力系统的动态攻防博弈问题时,通常将问题建成一个多层规划模型。本文中所考虑的电力CPS攻防场景为:第一步是防御者事先制定防御资源的分配策略;第二步是攻击者在知晓防御者的策略之后,制定攻击资源的分配策略;第三步是防御者针对电网的受损情况,通过潮流分配的方法使电网损失降到最低。其中,本文假设攻击者在对线路进行物理攻击的同时,会选择一个变电站(节点)进行网络攻击。此时,防御者会对电网遭受物理和网络攻击所造成的损失采取相应的补救措施。鉴于此,本文针对电力CPS受人为蓄意攻击情况下的动态攻防博弈问题,提出并建立了如下简化的三层数学规划模型:
满足
满足
满足
式中:向量d为电网防御者的资源分配策略,是上层规划模型的决策变量;向量att为电网攻击者的攻击策略,是中层规划模型的决策变量,包括物理攻击的线路以及网络攻击的节点;向量fl为电网防御者对电网发生故障后采取的措施,是下层规划模型的决策变量,包括线路的开断操作、潮流的重新分配和负荷的切除等;函数g是一个关于d,att和fl的函数,函数g的值是电网最终损失的期望值;函数hu、函数hm和函数hl分别表示上层规划模型、中层规划模型和下层规划模型的约束条件。电力CPS动态博弈三层模型攻防场景的具体攻防步骤如下。
步骤1:防御者制定防御资源分配策略,将一定总量的防御资源分配到电网各线路上去,从而影响线路受攻击后被摧毁的概率,如式(2)和式(3)所示。这一步对应于三层规划模型的上层规划模型,如式(7)和式(8)所示。
步骤2:攻击者选取1条线路进行物理攻击,攻击成功的概率如式(3)所示。同时,攻击者选取1个节点进行网络攻击,被攻击的节点切负荷拒动,此举将干扰防御者在步骤3中的动作,使得仍有可能存在线路潮流越限。这一步对应于三层规划模型的中层规划模型,如式(9)和式(10)所示。
步骤3:如果步骤2中被攻击的线路失效,防御者计算电网潮流,如果有线路潮流越限,则对潮流越限最严重的线路实施开断操作;如果电网因为线路断开被分为多个区域,则对于没有平衡节点的区域,选取发电机容量最大的节点作为该区域新的平衡节点;在此基础上,通过切负荷使其他线路的潮流不越限。切负荷的方式是节点负荷的有功和无功等比例切除,切负荷的原则是使电网的有功负荷损失量最小。其中,实现方法采用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)[28]。由于有节点在步骤2中被攻击导致切负荷拒动,防御者需要再次计算电网潮流,如果仍存在线路潮流越限,则重复上述步骤3中的断线和切负荷的动作。这一步对应于三层规划模型的下层规划模型,如式(11)和式(12)所示。
在上层规划模型中电网防御者通过制定最优的防御资源分配策略,使电网损失的期望值尽可能小;在中层规划模型中,电网攻击者在已制定好的防御资源分配策略的基础上,制定攻击策略,使电网损失的期望值尽可能大;在下层规划模型中,电网防御者在电网攻击者采取攻击行为后,通过断开线路、重新分配潮流、切除负荷等方式使电网在不发生连锁故障的前提下,电网损失的期望值尽可能小。从式(7)—式(12)可以看出,相邻两层规划模型的决策变量之间的关系是:下一层规划的决策变量会随着上一层规划的决策变量而变,故可以说上一层规划的决策变量决定了下一层规划的决策变量;另一方面,下一层规划的决策变量如何随上一层规划的决策变量而变,会反馈到上一层规划模型中,从而影响上一层规划的决策变量的确定。
对于上述所提出的动态攻防博弈模型纳什均衡解存在性问题,笔者认为:攻击者采取的攻击策略是有限的,而因为防御者针对一种攻击情形存在最优的调控策略,所以每种攻击策略下攻击者的收益是可以得到的。由于攻击者和防御者构成零和博弈,所以防御者的目的是通过防御资源的分配使攻击者可能得到的最大收益降到最低,根据本文中给出的资源分配方法,最终的资源分配策略也是确定的。因此,动态博弈在双方理性人的假设下,存在唯一的博弈情形。
3 求解策略
对于所提出的如式(7)—(12)所示的三层数学规划模型,本文提出基于遍历方法的求解策略,具体步骤如下。
3.1 求解步骤
任选一条线路和一个节点作为攻击对象,构成一种攻击方案。考虑所有攻击方案,计算出每种攻击方案下电网的预期损失,然后根据每个攻击方案造成的预期损失,分配防御资源到系统的线路上。求解步骤的流程图如图1所示。
图1中给出的方法适合于小规模的算例系统,对于稍大规模的电网,可考虑采用基于计算智能方法,如遗传算法、粒子群算法等求解策略。
3.2 最优防御资源分配策略
在3.1节所述的求解步骤中,防御者制定防御资源的分配策略是第一个步骤,也就是第2节所述的三层规划模型的上层规划模型。根据三层规划模型的特点,可以先求出每一条线路失效最终导致的电网有功负荷损失,然后制定出最优防御资源分配策略。防御资源分配的目标,是使得电网可能遭受到的最大的预期损失值降到最低。基于文献[29]中的防御资源分配策略的思想,本文给出如下具体的分配策略。
步骤1:根据精度要求,将防御资源总量D均分成K份。
步骤2:计算所有线路在当前防御资源分配(初始防御资源为0)下的VC。
步骤3:取VC最大的线路p,将一份防御资源D/K分配到线路p上:
步骤4:如果防御资源未分配完,返回步骤2;如果防御资源已分配完,输出结果。
4 算例研究
4.1 算例系统介绍
本文研究的算例系统基于IEEE的5机14节点系统,如图2所示。
假定该算例系统配备了较为完善的信息通信网络,并且图中每个变电站的SCADA系统负责控制每条线路的开断,以及每个节点负荷的切除。每条线路的有功潮流的最大值设为正常运行情形下的1.3倍,有功潮流超过最大值的20%则视为越限。电网防御者持有的防御资源总量D为6,资源分配精度K=10 000。
首先,电网防御者将防御资源分配到各条线路上,降低线路遭受攻击后失效的概率;之后,电网攻击者选取1条线路进行物理攻击(例如图2中从节点13到节点14的线路),同时电网攻击者选取1个变电站进行网络攻击(例如图2中的节点14),被攻击的节点在接下来电网防御者的防御行为中将会发生切负荷拒动;最后,电网防御者通过使线路开路,以及节点切负荷的方式,避免连锁故障的发生。在动态博弈中,电网攻击者的目的是使电网有功负荷的损失最大,而电网防御者的目的是使电网有功负荷的损失最小,两者之间构成一个零和博弈。
4.2 攻防博弈结果分析
根据3.1节中所述的求解步骤,首先不考虑防御资源分配策略制定;该算例系统中20条线路分别遭到人为攻击导致失效后,接下来电网攻防双方相应的动作以及最终导致的电网有功负荷的损失量如表1所示。
基于表1得到的结果,应用第3节中所述的最优防御资源分配策略,则可得到防御者的防御资源分配量,以及电网攻击者选取每条线路进行物理攻击所导致的电网有功负荷损失的期望值,即公式(1)中的VC,如表2所示。
4.3 线路脆弱性评估
表2中,导致有功负荷损失期望值最大的7条线路有遭受攻击的可能。根据表2,在所研究的算例系统以及攻防情景的假设下,可能遭受攻击的线路、线路上分配的防御资源、线路遭受攻击的概率和线路遭受攻击导致电网有功负荷损失的期望值如表3所示。其中,按分配的防御资源由多到少从上往下排列,第5列的风险值即式(1)中的RT。
如果一条线路上分配的防御资源的量越多,说明该线路对于电网防御者来说越重要且越需要防御,该线路的脆弱性就越高。由表3可知,在防御资源总量为6的情形下,脆弱性由高到低排名前7的线路分别为:线路1-5、线路2-4、线路4-5、线路7-9、线路1-2、线路5-6、线路4-7。其他13条线路既不需要防御,也不会遭受攻击。此外,在防御资源总量为6的情形下,算例系统中共有7条线路受到攻击的威胁,且这7条线路每条遭受攻击的概率均为14.29%(即式(1)中的T)、遭受攻击后导致电网有功负荷损失的期望值都一样,这是防御资源分配导致的结果。如果防御资源总量发生变化,则表3中各列的数据均会发生变化。比如当防御资源总量为3时,结果如表4所示。
从表4中可以看出,当防御资源总量为3时,只有线路1-5、线路2-4和线路4-5受到攻击威胁,说明线路脆弱性评估的结果受线路所分配的防御资源总量影响。
5 结语
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