机电一体化基本概念大全11篇

机电一体化基本概念篇（1）

中图分类号：T9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0047-01

机电一体化技术是以其产品为载体而体现出来，是机电一体化技术发展至今的技术水平体现。机电一体化产品设计人员，要使产品设计符合机电一体化技术要求，并富于时代感，就要对于产品设计技术以掌握，并具备多种技术融合的技术能力。面对机电一体化产品的技术先进性和复杂性，就要将符合当代机电一体化技术发展的产品设计理论建立起来。

一、机电一体化产品概念设计理论构建的意义

在机电一体化产品设计中，概念设计对于产品质量起到至关重要的作用。作为产品设计中的重要阶段，对于产品质量的决定程度可以达到70%以上。要获得性能优异的机电一体化产品，就要将机电一体化产品概念确定下来，制定出相应的设计方案和设计技术方法。概念设计理论首先是基于概念设计思想而建立起来的，在其基础上还先后出现了多种阶段性设计理论，如TRIZ设计、公理化设计QFD设计理论等等，对于机电一体化技术发展进程中所获得的创新设计成果发挥了重要的推动作用。

在机械工程研究领域中，这些理论被运用于其中，进行组合设计而形成了技术综合性较强的设计产品，由此而促进了机电一体化系统的多种学科交叉。系统的继承性决定了其设计的复杂性，多门科学技术的融合，使得原有的单一化设计理论不再适应目前的科技发展需求。那么，在机电一体化产品概念设计理论研究中，就要从机电一体化系统自身的性能出发，结合设计目标而建立起完整的概念设计理论，以对创新设计的机电一体化产品以指导。与此同时，还要在机电一体化产品设计概念理论建立起来之后，结合相关学科，以使理论研究逐渐扩展。

二、机电一体化产品概念设计理论研究现状

按照现代机构角度对机电一体化系统进行分类，可以划分为三个子系统，即广义执行机构、信息处理及控制系统和传感检测系统。将三个子系统相衔接，建立起框架体系，不仅有效实现机电一体化运动功能，而且还促进了产品创新设计。在机电一体化产品设计系统中，广义执行机构子系统是核心部分，其概念设计理论研究关乎到机构运动的总功能。特别是在基本工艺动作设计过程中，要基于广义执行机构的概念设计理论对基本的工艺动作进行构思，以使其具有动作的独立执行能力。当执行动作的创新技术确定下来之后，就可以结合机构系统建立框架模型，以使系统设计更具有可操作性，而且采用这种方式更能够结合计算机辅助进行产概念设计。

对于机电一体化产品的框架模型而言，仿真问题是最为重要的。作为设计结构复杂的动态系统，机电一体化产品实现动态性能的同时，更要注重系统仿真性嫩的验证。那么，在机电一体化产品概念设计阶段，就要确立功能实现的约束条件，将各种相关的仿真软件技术纳入到框架模型当中，运用各种通用建模技术，使用仿真软件将诸如原理图、键合图、信号流图以及方框图等等参数化。运用Simulink仿真软件将系统仿真平台建立起来，以为机电一体化产品概念设计的实现奠定基础。

三、机电一体化产品概念设计理论的发展展望

对于机电一体化产品设计人员而言，产品概念设计理论具有重要的指导作用。国外研究机电一体化产品概念设计理论所获得的成果，是建立在研究电子控制理论的基础上的。国内的研究学者则着重于机电一体化产品的运动结构研究。机电一体化系统是基于多种学科而建立起来的，这就需要产品设计者对于产品从多种学科角度进行研究，并趋向于产品概念理论的使用操作性。虽然国内外对于机电一体化产品设计理论的研究方向有所不同，但研究目标是相同的，且对于新技术、新产品的开发具有重要的指导意义。

关于机电一体化产品概念设计理论，从研究趋势上来看，还要面临诸多问题有待解决。比如，在进行机电一体化产品概念设计理论时，还要将推理方法建立起来；对于机电一体化产品的运动机构进行分类，为了对驱动元件以及传动机构等等进行选择，还要将驱动元件库以及机构执行库建立起来；对于传感器的选择，有赖于测物理量的参数定量化，以确定传感器类型。此外，还要将信息处理、控制方法库建立起来，以提高系统软件和硬件的可控性。机电一体化产品在不同的设计阶段，都会产生不同的概念设计理论，将产品概念设计评价体系建立起来，以利于产品不同阶段设计有效衔接。

总结

综上所述，对于机电一体化产品设计人员而言，概念理论设计所发挥的指导作用是不容忽视的。中国目前对于机电一体化产品设计的研究主要是基于运动功能为主产品结构设计。作为多种学科集合的机电一体化技术，其复杂性决定了机电一体化产品概念设计理论的重要性。

机电一体化基本概念篇（2）

机电的一体化系统并未形成具体的标准和统一的定义，从机械的角度上认为机电一体化系统的本质特征就是机械，是在机械的系统的主功能和相应的信息以及控制功能的实现上引进了相应的电子技术，使相应的机电系统实现与软件的有机结合，是一种特殊的机械系统。从机电系统的设计功能上考虑，完成了机械类、运动和信息等多任务的机械和相应部件联系起来，形成了机电系统的一体化模式以及形成了完整的机电系统，强调各种技术和功能的协调和良好结合，从而形成相应的机电的自动化系统。

一、机电系统的概念设计中的信息一体化

随着经济的发展和相应的技术革命，各学科的基础理论由于研究基础的发展和技术的相互渗透实现了产品设计的不断发展和完善，相应的机械设计逐步走向自动化和智能化的发展趋势从而实现机械设计指导的自动化和科学化、知识化。通过相应的计算公式和模型设计和比对实现了最优化的方案设计模式，机械概念设计的发展也逐步向现代化的设计模式靠近。通过计算设计的分析和综合，实现了更大范围内的机电系统的信息流动和管理控制，从而使相应的信息流更好地为机电系统的一体化设计服务。计算机与机电系统设计的相结合实现了信息载体的转换，通过更为新颖和快捷的设计方式和信息交流实现了信息的极大交流，从而使相应的机电系统设计方案的设计和选择达到最优状态。

二、机电系统概念设计中的功能结构一体化

功能结构的设计是机电系统设计的重点和关键，一般说来机电系统的功能结构设计分为功能设计和功能映射两个模块，然而这样分块的设计模式使机电系统的设计过程建立在抽象的概念基础之上，难以实现形象化和具体化的特点，设计过程中易出现信息的模糊和残缺，致使这样的设计模式难以形成形象而直观的感受，并从相应的机械制造的理论层面进行推理控制，这样的设计方式不利于机电系统概念设计的一体化模式的形成和协调。在相应的机电系统概念设计过程中应在建立了信息交流模式的基础之上增强概念系统设计的可行性和可操作性。在建立相应的信息交流模式基础之上实现机电系统的一体化优化设计。

三、机电系统概念设计的机电技术一体化

传统的机电系统的概念设计将机械与电子技术结合起来，从而通过机械、电子技术的系统结合实现相应的机械系统的功能特点，同时改变了人工的操作和判断，形成机电系统的自动化模式，并通过相应的程序协调机电系统的任务模式。然而传统的机电系统的设计难以满足现代机电系统设计的创新性要求，从而要实现一体化和自动化、智能化的发展模式。实现机械系统和电子技术的良好结合，从整体的系统功能上进行协调，从而实现机械技术和电子技术的协调组合，共同构成机电系统的功能结构。

四、机电系统概念设计的人机交互系统一体化

机电系统的一体化和信息化设计的最终目的是形成人机一体化的交互模式，形成智能化和科学化的机电系统的设计方式，随着计算机技术和相应技术的发展和创新，机械设计和应用的智能化模式逐步成为机械设计和应用的发展模式，人机交互系统的设计实际上实现了更为方便快捷的系统操作和应用模式，同时也提高了相应的生产的效率，提高了设计的科学化程度。在机电系统概念设计过程中，应以人为本建立机电系统的协同发展决策，从而使相应的机电系统充分使用于相应的设计人员。

机电一体化基本概念篇（3）

化学学科是融合化学概念、原理、技能为一体的，具有独特知识体系的学科。然而在实际的化学教学中却发现学生在面对综合性练习或实际问题时感到束手无策，这是由于学生没有将化学概念、原理、物质性质等方面的知识联系起来学习，头脑中的化学知识是零散的、孤立的。“学案导学”可帮助学生形成完整的化学知识网络，提高学生的化学思维能力。

概念图是一种有效的工具，在学案设计过程中运用概念图能够有效地帮助学生建立知识的联系，加强对概念的理解。

一、 概念图的含义

著名教育心理学家诺瓦克认为，概念图是用来组织和表征知识的工具。它通常是将有关某一主题不同级别的概念或命题置于方框或圆圈中，再用各种连线将相关的概念和命题连接，形成关于该主题的概念或命题网络，以此形象化的方式表征学习者的知识结构及对某一主题的理解。

概念图的研究基于奥苏贝尔的有意义的学习理论，强调学习者在原有知识的基础上进行有意义的学习。而直接控制学生有意义学习的是教师，这就要求教师激发学生努力把新的意义并入已有知识中。从学案设计的角度来说，要求教师从选定的知识领域（某一章节）挑出关键概念以及其他相关概念，并把这些概念从一般到具体进行排序，对于相关概念的连线连接可以用某一概念实现超链接，最终拟出概念在学案中的呈现方式。

二、 学案设计中概念图的运用及意义

概念图能够把知识高度浓缩，将各种概念及其关系类似脑对知识储存的层级结构形式那样进行排列，清晰地揭示意义建构的实质。在化学学案设计中运用概念图，是一种提高教学效果的有效手段。

1. 用概念图能够帮助学生理解概念，培养逻辑思维能力

在化学教学中，概念之间有严密的逻辑关系，包括从一般到具体的序列关系及渗透式的网状关系。然而，在具体的化学学习中，学生往往因为不能较好地辨别和建构概念和命题框架，只好死记硬背大量的公式和事实。教师在引导学生进行有意义的学习时，不仅要建立宏观的整体概念图，还要建立某一教学环节的小概念图，让学生从概念图的某一节点链接到小概念图中，以便形成对概念的完整认识。

例如，在进行电解质概念的教学时，可设计以“物质”为起点，“电解质”为中心概念的概念图（图1），用于高一化学《离子反应》的新授课教学。

在设计和应用该概念图时主要从以下几方面考虑：

（1）以学生已有知识为基础，找出知识的增长点，展示基本概念的逻辑关系。

学生已经掌握的物质分类有两种方法：按组成分类和按性质分类。而新学知识，则是物质的第三种分类方法――按电离程度分类。学生在学习过程中，容易混乱的是三种分类方式的从属关系和逻辑关系。在概念图设计中，抓住“化合物”这一新旧知识的生长点，既表明了各类物质之间的从属关系，又区分了“电解质”与“非电解质”的逻辑关系。

（2）引导学生阅读和思考，揭示物质发生化学反应的本质。

学习电解质的重点和难点在于，通过对溶液导电性实验的观察，讨论电解质溶液导电的本质和电离过程，理解离子反应的本质。课本中采用典型物质如氯化钠、蔗糖、醋酸等具体化合物溶液的导电实验，让学生通过观察到的实验现象，直观地认识到在水溶液中能导电的化合物是电解质。但学生在预习或课堂学习中，往往只注意到了实验的表面现象，而忽视了对现象背后的电解质导电本质的理解，造成“强弱电解质”与“导电能力强弱”关系的认识，以及对“强弱电解质”与具体代表物之间的从属关系认识不清。因此，在设计概念图时，突出电解质的“电离程度”（即水溶液能否电离）这个连接词，一方面比较了强弱电解质的实质，另一方面揭示了溶液导电能力与离子的浓度有关。

学案把认识概念的过程在图中直观地表示出来，起到了导读和导学的作用，有助于克服学生在阅读教材和观察实验过程中的盲目性和片面性。这比靠死记硬背来学习概念更能激发学生的学习兴趣，更能使学生体会成功的喜悦，降低遗忘率，提高知识提取和运用的正确率。

（3）帮助学生联系知识应用，提升化学语言使用能力。

导电实验和电解质概念的理解都是学习离子反应和离子方程式的基础。能正确书写离子反应方程式是化学语言能力的一种具体表现。学生在离子反应练习中遇到的障碍主要为：①书写当中“拆”与“不拆”问题；②溶液当中离子共存的条件。因此，在设计概念图时把解决这两个问题作为知识应用的一部分：①把书写规则与强弱电解质的典型物质联系起来。②揭示离子反应的本质和条件，让学生通过填写概念图，一目了然地从知识应用的角度，掌握“离子反应”这一化学语言。

2. 用概念图帮助学生形成知识体系，培养整体思维和发散思维

学生在化学学习过程中普遍存在的问题是对知识理解不深，记忆凌乱，不能把握规律，尤其是在有机化学的学习中，不能掌握有机物之间的性质和衍变规律，从而不能准确地应用知识解决有机物的合成与推断等问题。使用概念图（图2）可以帮助进行有机物的复习。

（1）突出某一类有机物质的性质，同时突出有机物之间的横向联系，形成认识有机物的整体思维。在使用学案导学时，不仅呈现出有机物官能团演变关系的概念图，还通过具体的问题来帮助学生形成认识有机物衍变途径的思路。

①“如何引入碳碳双键（乙烯如何制备）？”这个问题的目的在于帮助复习炔烃的性质、醇类和卤代烃的消去反应及其规律，同时建立“C=C”、“-OH”、“-X”等官能团的相互关系。

②“获取卤代烃的方式有几种？”“醇的衍生方式有哪些？苯酚如何制备？”这两个问题帮助认识概念图的核心物质――“烯烃”、“卤代烃”、“醇”之间的相互关系，并迁移拓展到炔烃苯氯苯苯酚的衍生线路。

③“醇、醛、酸是如何衍变的？”这个问题旨在帮助学生整理醇、醛、酸的连续氧化关系，理解醇“去氢氧化”，醛“得氧氧化”的本质。

通过这几个问题引导学生从具体的物质出发，由典型代表物到抽象的一类有机物，由个别到一般，形成对有机物的整体认识。

（2）为学生提供有机推断的基本思路，提升学生的发散思维能力。

有机物推断是学习难点，学生往往面对有机推断题感到无从下手。实际上，对推断题的考查就是对学生认知概念图中有机物衍变关系的考查，它对学生的整体思维和发散思维有较高的要求。在课堂中可有意识地从反应类型的角度帮助学生建立有机推断的基本“模型”。例如，“烯烃”制备“醛”可以通过：①烯烃直接氧化；②烯烃卤代烃醇醛；③烯烃醇醛等途径。又如，“酯”制备“卤代烃”可以通过：①酯醇卤代烃；②酯醇烯烃卤代烃等途径。

学生理解烃及其衍生物转化关系的概念图，实际上就是要掌握一道包含多条途径的有机推断题。它要求学生从不同的途径来掌握知识，从不同的角度来思考推断合成对象，学会转变思维。

3. 用概念图帮助学生养成自我反思的习惯，形成批判性思维

引导学生不断修正和发展自己的知识结构，让化学课堂成为学生高效学习的课堂是进行“学案导学”的最终目的。因此可以根据授课内容和学生的实际情况，选择概念节点，设置连线，寻找命题，在学案中给学生呈现出概念图的“半成品”。在教学过程中教师的作用主要是引导学生合理地完成概念图，准确寻找出知识点之间的联系。

机电一体化基本概念篇（4）

学生学习知识是学习前人在实践中总结出来的经验，没有必要（也不可能）完全重复他们所经历的认识过程，但能具备一些感性认识，无疑是十分有利的.曾记得伟大的物理学家牛顿说过：“我的成功是站在巨人的肩膀上”，这句话就是最好的写照.例如；讲力的概念时，可以先举一些很平常的实例：人推车、手提箱子、摩擦阻碍了木块运动、地球吸引苹果等，这是一些很平常的现象，学生不会注意；若要对它们进行分析对比，就会发现它们有共同之处，即每个现象最少有两个物体：人和车、手和箱子、压路机与路面、木块与地面、地球与苹果.而且两个物体都在相互作用着，推、提、压、拉、吸引的效果才能显示出来，我们把产生这些效果的作用分别称为推力、提力、压力、拉力、吸引力.所以“力是物体间的相互作用”，且“不能离开物体而独立存在”的，即有施力物体就有受力物体.这样，力的性质和就被揭示出来了，学生头脑中不仅形成了较为深刻的力的概念，而且为今后学习打下了基础.

二、应用生动的比喻，帮助学生理解概念

物理概念是从实践中抽象出来的理性认识，如果教师不讲究教学方法而平铺直叙、照本宣科，往往会事倍功半，反而给学生一个模糊的概念，如果选择通俗易懂，具有生动的比喻则可迎刃而解，同时也可收到激发学生兴趣和活跃课堂气氛的效果.

例如，在讲“电流”时，课本是用“物理学中用每秒通过某一横截面的电荷量多少”来表示电流，学生感到难以接受，因为“电荷量”是一个新名词，这时可采用如下比喻，把导体比喻为“水管”，那么“水流”就是“电荷量”了.这是学生容易接受的，通过这个比喻，使“电流”更加形象化.学生获得的概念也更加具体和生动.

又如，在讲“电阻”时，是自由电子在金属导体中的定向移动，跟水在塞满石头的水管在流动类似，会受到阻力.这个“水管――石头模型”够形象、生动了.

三、挖掘概念内部的联系，深刻理解物理意义

例如，在讲“焦耳定律”时，其数学表达式：Q=I2Rt和电功W=UIt两个公式，有的学生只死记公式，硬背条文，不去弄清各符号所代表的物理量及它们间的关系.在解题时，学生往往会闹出张冠李戴的笑话，这不能全怪学生，也与教师讲课时分析问题不深不细有关.为了避免和澄清学生在这方面的模糊认识，在讲解公式时，教师不能用纯数学观点或走过场，将电流所做的电功与电热混为一谈，此时应该认识清楚只有纯电阻电路中电流所做的电功等于电阻产生的电热，即电热是电能转化为内能的那部分.如，电动汽车成为未来汽车发展的方向.若汽车所用电动机两端的电压为380V，电动机线圈的电阻为2Ω，通过电动机的电流为10A，则电动机工作10min消耗的电能为多少焦？产生的热量是多少焦？解：（1）电动机工作10min消耗的电能：W=UIt=380V×10A×10×60s=2.28×105 J.（2）产生的热量错解：Q=W=UIt= 380V×10A×10×60s=2.28×105 J.正确的解：Q=I2Rt=102×2×10×60=1.2×103J.这道题就是考查学生是否对电功和电热两个概念有深刻理解.所以，学生要挖掘概念内部的联系，才能深刻理解其物理意义.

四、分析身边的自然现象，理解重要物理规律

机电一体化基本概念篇（5）

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象。如何使学生形成、理解和掌握物理概念，进而掌握规律，并使他们的认识能力在这个过程中得到发展是初中物理教学中的核心问题。下面笔者就近几年的教学体会谈一谈对物理概念教学的认识。

一、物理概念教学的重要性

首先，物理概念是物理学最重要的基石。任何一门学科，如果没有一些概念作为分析、综合、判断、推理等逻辑思维的出发点，就不可能揭示这门学科的内容，形成学科的体系与结构，也就失去了这门学科的价值。其次，让学生掌握好物理概念是物理教学的关键。如果学生只是注意背定义、记公式、做习题，而忽视了对物理概念的理解。其结果是丰富的物理含义被形形的数学符号所淹没，概念不清就会越学越困难，怎么还谈得上知识的灵活运用呢？第三，物理概念教学是培养能力，开发智力的重要途径。学生形成、理解和掌握物理概念，是一个十分复杂的认识过程。在此过程中，学生要在物理环境中通过观察、实验获取必要的感性知识，或用实验对结论进行检验；要运用物理学方法，通过复杂的思维过程把新事物与自己认知结构中原有的概念联系起来，通过同化或顺应来认识和理解新事物。所以引导学生形成物理概念和发展对概念的理解，是学习物理学方法、培养学生多种能力、开发学生智力的重要过程和途径。

二、析初中物理概念教学的基本内容

1．关于物质基本属性的概念初中物理给学生介绍了很多有关物质基本属性的概念。如质量、密度、熔点、沸点、比热、电阻等。通过这一类概念的教学，要使学生学会认识事物的基本方法，这就是抓住事物的本质属性，以此来认识事物，区别事物。

2．关于物体间相互作用及变化规律的概念。速度、力、功、功率、机械能、电流、电压等这一类概念的教学，使学生初步建立起一个相对的概念。即自然界中的一切物体都在不停的变化之中，而这种变化都是按一定的物理规律进行的。如在能量的转化过程中，在一定条件下，电能、热能、机械能间都可以相互转化，但在转化过程中都遵循能量的转化和守恒定律。

三、初中物理概念教学的方法应用

1．重视从实践中引入概念

从学生熟悉的生活现象引入概念，因为生活实践留在记忆中的形象容易为学生理解。尤其对于初中学生，从生产生活中感知到的大量的、丰富的物理现象是他们认识物理概念的必要的感性材料。这些感性材料为他们创造了一个良好的物理环境。教师利用好这些生活素材布置学生观察或动手实验往往能起到事半功倍的效果。如在简单机械的学习中，课前布置学生找找生活中杠杆、轮轴的实例以及它们的作用。再如在压强的教学中，课前布置学生完成两个实验：①一个较胖的同学和一个较瘦的同学同时站在沙坑中，观察脚陷入的情况如何？②同一个人穿平底鞋和穿细高跟鞋站入沙坑中，脚陷入的情况又怎样？这样，使学生对压强大小的决定因素先有一个初步的，感性的认识。这样能为压强概念的学习打下较好的基础。

2．通过应用，对物理概念加深认识

学生对物理概念的理解往往停留在表面的认识上，深入不下去。教师的任务就在于从正面、反面、侧面全方位地启发学生的思维活动，使他们深入理解概念的本质属性。对于物理实验中的各种物理现象，初中学生往往是出于好奇心，而不是有目的地去观察，只停留在物理现象的个别特征上。这样不利于物理概念的形成。因此教师应把学生的好奇心引导到善于观察物理事实方面，不仅要发现物理现象的个别特征，而且要发现特征间的联系，从而培养学生的观察能力。

3．合理运用概念，分析概念间的相互联系

运用物理概念进行分析，解决实际问题，既是深化认识的过程，也是检验学生对概念认识是否正确的主要标志。必须对概念规律的内在联系加以挖掘。有些同学对每节课的单个概念予以理解，却不善于把这些概念有机地联系起来。物理概念之所以有用，不仅在于它是具体的物理现象的概括和抽象，而且在于它与其他概念的联系。学生不能把相关概念综合成一个相连相容的概念网络，也就不能把它们应用于各种物理场合。事实上，初中物理的许多概念前后都有联系，只要教师精心设计，即可收到一石数鸟之效。如复习“电功电功率”这一章时，学生比较电功和电热计算公式时，发现有时公式形式是相同的，这时就应引导学生分析：电流做功的实质是什么？两个物理量形式上达到统一蕴藏着一条什么规律？使学生联想到能的转化和守恒定律，并由此进一步分析，何时Q＝W，何时Q≠W。这样，使学生的知识形成系统化。

4．在物理概念教学中，注意教法的多样化

⑴从错误中强化概念的认识

物理概念的学习重在理解。以这样一个力学中典型问题为例：一木块沿斜面下滑，问下滑中木块受几个力作用？很多学生会回答为重力、支持力、磨擦力、下滑力。无形中多出了一个下滑力。分析错误产生原因，就是因为死记概念，没有理解力产生的条件必须是两个物体相互作用，既要有受力者又要有施力者。可见，概念的记忆必须建立在理解的基础上，这样才能有助于物理概念的深化。通过错误从而能够加深学生的映象，丰富学生对概念内涵的认识，也有利于对思维能力的培养。

⑵应用＂类比法＂帮助理解物理概念

初中物理的许多概念如速度、功率、密度、电阻等等，在定义的时候思路上是完全相同的：通过两个物理量的比值反映物体本身的某种属性。对这些概念，通过类比，使学生能够达到融会贯通。例如把电流做功比做水流做功、把电压比做水压从而可使学生把看不见摸不着的电类比成实实在在的水，从而理解了电流和电压的实质。

机电一体化基本概念篇（6）

[分类号]G252

电子政务经历了基于数据管理的第一代与基于信息管理的第二代后，正迈向崭新的第三代知识管理型。政府信息资源的有效合理化管理和充分共享是知识管理型电子政务建设的重要环节之一，借鉴知识组织的理论与方法，充分挖掘政府信息资源的内在联系，探索政府信息资源管理的更优途径，可以使政府信息资源的组织更加科学、有序，便于政府决策与公共服务，为实现政府信息资源的全面共享奠定基础。

1　运用本体思想进行电子政务信息资源管理

1.1　基于主题词表构建领域本体的方法

本体作为知识组织的思想之一被越来越多地应用到各种知识组织中，许多学术机构都研究建立了各具特色的本体，如领域本体、通用或常识本体、方法本体、元数据本体等。目前，大多数本体是以领域为基础的，以下是几种常用的领域本体构建方法：IDEF5方法、骨架法(skeletal Methodology)、企业建模法(又称TOVE)、MEZHONTOLOGY方法、循环获取法(Cyclic Acquisition Process)、构建领域本体的知识工程方法等。

主题词作为政务信息资源库库内信息资源组织与管理以及库际信息资源管理与交换的基础，是指导各类政务信息采集、加工、整合和有效利用的核心。通过主题词严格的语义内涵和位属关联，建立所有信息资源在主题层的映射关系，以实现全库信息资源的加工规范化、标识有序化以及信息共享化。基于主题词表构建领域本体主要有以下优越性：①两者有许多相似点，如两者都包含词(概念、类)及词间关系；两者都具有等级结构、并通过等级关系及词间关系将词组织起来；两者都用来描述特定学科领域知识；两者都可以用作领域信息的组织工具。②某学科领域的主题词表包括本领域中相对比较完整的术语，这些术语都经过本领域专家多年的有序组织，可以为该领域本体的创建提供指导，主题词表中的限义词、涵义注释、等级关系、词间关系等为领域本体中概念的属性、实例以及关系的创建提供了线索及指导。

1.2　基于本体思想对政府信息资源进行管理

・对于电子政务知识管理系统来说，政府信息资源本体就是一个正式的词汇表。本体可以将对象知识的概念和相互间的关系进行较为精确的定义。在这样一系列概念的支持下进行知识积累、搜索、共享的效率将大大提高，真正意义上的政府知识重用和政府知识共享将成为现实。

・本体可以为政务知识库构建提供一个基本结构。以描述对象的类型而言，有简单事实及抽象概念，本体可以描述静态实体部分，它们主要描述政府事件或概念的各组成部分以及它们之间的静态联系，本体也可以描述政府时间或概念的运动和变化。应用了本体，政务知识库就可以运用这类结构去表达大量无组织的政府知识和常识。

・利用本体思想构建的电子政务本体与政务数据库虽然有些相似，但本体比数据库表达的知识丰富得多。定义本体的语言，在词法和语义上都比数据库所能表示的信息丰富得多。最重要的是，本体提供的是一个严谨且内容丰富的理论，而不单单是一个存放数据的结构。

・电子政务本体可以按照领域建立不同的政务领域本体，描述领域内重要实体、属性、过程及其相互关系。这些本体可以在不同的建模方法、范式、语言和软件工具之间进行翻译和映射，以实现不同政务系统之间的互操作和继承，成为政务系统中可重用和共享的组件。

2　基于本体思想的电子政务信息资源管理案例――美国印第安纳州电子政府FSSA本体

美国印第安纳州电子政府建设是很多文献介绍的典范，其成功之处在于利用本体方法建设电子政府数据库。美国印第安纳州电子政府indiana FamiIy and Social Services Adminislra-tion(FSSA)本体，属于最上层的域本体设计，它在“家庭与社会服务”这一本体下定义了9个本体(即低收入、处于危险的儿童、精神病与吸毒、弱智、区域健康与人性化服务、医疗补助、政府机构、法律实施及财政)，建立了最上层的概念关系，并用图形和箭头形式标示出了各下层本体之间的关系以及在一个专业本体里所包括的术语，如图1所示。

按照主题词表的编制规则，我们把这个本体图转换成FSSA主题词表。01―06为一级概念，其下按照英文字母顺序编制的为二级概念，或称为下位类。

01Mental Retardation Disability Ontology精神不健全人一一参03

01A Residential suppoa住房支持

01B Vocational rehabilitation再就业

01C Supported employment就业服务

02Medicaid(美国由各级政府资助、以助穷人和伤残这类对象的)医疗补助――参04

02AFood stamps食物券(粮票)――同04F

02B Medicated system医疗补助系统

02CWoman，infants，andchildren妇女、婴儿、儿童

03Local Health and Human Services Onlogy地区健康与公共事业――参06

03A Indiana Client Eligibility Systems印第安纳居民身份识别体系

03B Indiana SuppoEnforcement Trading Systems强制执行贸易体系

03C National Directory of New Hires国立出租名录

03D Temporary Assistance for Needy Families贫困家庭临时协助(人员)

04 Low income ontology低收入――参03、02、0l

04AEnergy能力

04B Job training／placement职业培训／安置

04C Woman Infants and Children妇女、婴儿与儿童

04DChildCare儿童保育

04EChild Support儿童抚养

04FFood Stamps食物券(粮票)――同02A

05 At-Risk Children Ontology濒危儿童――参02、04

05AAdoption收养

05B Fostercare看护

05C Early Intervention for disabled残疾早期干涉

05DFamily reservation／support家庭抚养

06 Mental Illness and Addiction Ontology精神病与吸毒一一参02、03

06A Mental illness treatment for adults成人精神病治疗

06B Addiction treatment戒毒治疗

06CPrevention预防

从该案例可以看出：①应该面向某一个或一类具体问题构建本体。从印地安纳州的家庭与社会服务机构的本体图中可以看出，该本体的特定领域是以家庭为主，围绕着家庭展开一系列的本体，囊括了家庭成员的衣食住行，并着重定义了面向弱势群体的各种服务本体，最终形成了6个主要本体。②本体间具有单向或双向联系，且这些联系的建立是有条件的。如低收入本体指向地区健康公共事业本体，是一种单向联系，凡是涉及低收入本体下的概念一律指向公共事业本体，即低收入群体中的问题直接由公共事业服务来解决，如04D儿童保育问题就由03D贫困家庭临时协助(人员)来解决问题，而医疗补助本体与低收入本体是双向联系的。③将该本体图转化成类主题词表可以看出，本体可以表示出更清晰的关系，甚至是复杂关系。而将一个本体转化成主题词表的话，关系表示很乱，起不到概念梳理作用。

3　电子政务领域本体的局部模拟

3.1　构建电子政务领域本体的步骤

鉴于基于主题词表构建领域本体的优越性，结合我国电子政务实际，确定以下电子政务领域本体的构建步骤：

3.1.1　需求分析确定电子政务领域本体应用的目的、范围、表示方法和用途等。电子政务领域本体建设要以应用需求为牵引，要对人类在认识世界过程中形成的不同“本体”(知识体系)进行认真分析，最终达到需求分析的定位准确、涵盖得当。

3.1.2　概念化通过各种渠道获得电子政务领域本体的主要概念，确立概念间等级关系，并用精确无歧义的语言加以描述，形成该领域本体的核心语义内容。获得领域信息最根本方法应该是考虑复用已有本体的可能性。通常的也是最行之有效的方法是复用已经广泛使用于各个学科领域的主题词表和分类表。

3.1.3　概念间联系　确定电子政务领域本体概念间联系，如属性、种属关系、总体与部分关系、领域中的特有关系；对所收集的名词术语进行规范，罗列重要的词和短语，并将其归类。还要确定概念间结构，定义类别和等级结构。

3.1.4　编码利用形式化描述语言对“概念化”的电子政务领域本体进行编码，使机器易于处理，尽量将相关领域已存在的本体集成到要构建的政务领域本体中，既避免重复建设，又可以形成领域内共享的本体。在众多本体构建工具中，斯坦福大学为语义网信息资源组织设计的软件prot6g6 3.1的界面友好、功能齐全，因此本文将其作为电子政务领域本体的建设工具。

3.1.5　确认、维护与评价对电子政务领域本体按照一定的标准进行确认和评价，包括本体的清晰性、一致性、可扩展性等；随着电子政务领域知识的增加，本体要不断更新、不断进化，增加本体概念，完善本体概念间的语义关系。

3.2　电子政务领域本体模拟一国土资源、能源本体

依照《综合电子政务主题词表(范畴表)》主题分类类目表，笔者选定“国土资源、能源”类模拟电子政务领域本体，见表1。

3.2.1　根据概念之问的联系，编辑上位类与下位类　笔者依照《综合电子政务主题词表(范畴表)》主题分类类目表在prot6g6 3.1软件中编辑，见图2。

图2 Prot696编辑下的国土资源能源分类示例

3.2.2　利用prot6g63.1中OWLViz工具显示概念间的关系prot6g6 3.1软件可以自动生成概念间的分类关系，从图3可以看出国土资源能源本体中的部分分类体系以及笔者将要研究的土地分类体系。

3.2.3　列举概念间的属性分析土地的4个下位类，它们四者可以有以下简单的关系：土地管理部门与机构“依照”土地管理制度与法规；土地管理部门与机构“具有的功能”为土地资源规划及土地资源管理，所以笔者从中总结出is_according_as，is function_of,has_function_of三种关系(因为该软件目前不支持中文，所以用英文形式)，其中is_function_of和has_function_of是一对互逆的概念，见图4。

3.2.4　为概念添加实例　经过分析，我们可以初步设计土地管理部门与机构下有国土资源部这一实例，土地管理制度与法规下具有《中华人民共和国土地管理法》(Land Law)与土地管理法规(Land Regulations)，见图5、图6。

3.2.5　实现查询功能在对概念、实例及概念关系进行定义后，可以实现对其中概念或者实例的查询，见图7。

3.2.6　总结通过以上5个步骤，利用prot6g63.1软件编辑了简单的国土资源能源本体，并且实现了一些查询功能。可以看出，由一个个简单的电子政务本体逐步建设起来就可以发展成为一个大型的复杂本体，建立起概念间更加复杂的联系，这些电子政务本体既可以转换成数据库，又可以帮助数据库推理概念之间的关系，实现政务查询和检索功能。由此可见，编辑大型的电子政务领域本体具有实践意义。

4　展　望

4.1　电子政务各个领域本体联合形成电子政府的知识地图

我国电子政务信息资源的建设正如火如荼般发展，它所涉及的内容多、范围广，需要众多领域专家的参与和建设。在不久的将来，电子政务信息资源充分建设后，各种电子政务底层的领域本体建设成功后，如综合政务本体、经济管理本体、信息产业本体等等，在电子政务这个大的蓝图之下，将各个本体按照其内部关系联系起来，构成布鲁克斯笔下的知识地图，形成真正的电子政府知识地图，使政府信息道路变得通畅而快捷。

4.2　形成专业化的电子政务门户网站

自从“三网一库”政务建设以来，我国的电子政务就是先从专业化的网站开始发展并逐渐强大的。这种发展方式比起各省市地区自己独立建设更加有效，避免了重复建设和通信障碍。基于领域本体建设的电子政务必然会形成各领域专业化的政府功能门户网站，而且基于本体思想可以从语义层面上组织某领域的电子政务信息资源，使之与因特网信息资源组织发展同步。

4.3　本体有助于发现新的知识增长点，发现新的政府功能结合点，优化电子政务流程

机电一体化基本概念篇（7）

1　引言

建构主义学习理论中，学习者原有的知识经验对学习新知识的重要性获得了普遍的认可。学习者的头脑并非空的容器，他们带着已有的概念走进课堂。这些概念往往与公认的科学概念相悖，并具顽固性，不易通过传统的教学方式消除，因而又被称为“前科学概念”(preconception)、“相异概念”(alternative conception)或“相异构想”(alternativeframework)。上世纪80年代随着建构主义思潮的兴起，心理与教育领域掀起了儿童相异概念研究的热潮。在明了儿童相异概念的状况后，研究者开始关注儿童相异概念向科学概念的转变，概念转变(conceptual change)研究起源于这一热潮。概念转变研究旨在揭示儿童错误概念及其转变的规律，是科学学习中的核心问题，也是国际研究的热点。20多年来，研究者从不同的背景和视角出发研究概念转变，形成各具特色的理论，出现多个理论争鸣的局面，使研究不断得以深化。本文拟对当前国际上主流的概念转变理论及其发展加以评介，并提出构建更具普适性的概念转变理论框架的设想。

2　主流的概念转变理论

2.1　基于认识论的概念转变模型

Posner等人借鉴了库恩、拉卡托斯等当代科学哲学家的思想，将学习者的概念转变与科学的发展相类比，包含“学习是探究”、“学生是科学家”的隐喻，提出了著名的基于认识论的概念转变模型(conceptual change model)。该模型对概念转变的界定是，核心、组织化的概念由一套概念系统转变为另一套不兼容概念系统的过程。概念转变有两种类型：一是“同化”(assimilation)，运用已有概念解释新现象；二是“顺应”(accommodation)，为成功地理解新现象进行核心概念的重构，是根本性的转变。实现顺应需要满足四个条件：首先，学习者对原有概念产生不满(dissatisfaction)；其次，新概念具有可理解性(intelligibilit)，学习者对新概念形成统一和谐的内部表征；再者，新概念具有合理性(plausibility)，学习者的其他知识或信念与新概念一致；最后，新概念具有有效性(fruitfulness)，学习者可运用新概念解释反例或引申新的探究方向。

同时，Posner等人认为概念并不是孤立的，而是有组织的系统，概念转变与概念所处的“环境”有关。他们将影响概念转变的因素形象地描述为“概念生态圈”(conceptual ecology)，具体包含五个方面：(1)反例，实验或观察的异常现象、异常结果；(2)类比和隐喻，使新概念变得可理解；(3)认识论信念，学生对知识性质、获得过程的认识，比如成功知识具有“经济、优雅、暂无反例”的标准；(4)形而上学的信念和观点，包括学生对科学本质的理解和学生对概念的元认识，比如相对时空观是学生理解狭义相对论时间概念的元认识；(5)其他知识，比如竞争的概念。

基于认识论的模型创造性地以学习者对两套竞争概念的认识与评判来描述概念转变的过程，为研究者提供了有益的研究思路，成为后续众多研究者概念转变研究的理论框架。但该模型也遭到了一定的批评，如Dreyfus的研究发现，学生态度积极、有较高责任感很重要，漠不关心的学生很难产生认知冲突。1992年，Posner等人针对批评对原模型做了修订，承认学习环境中社会与动机因素的积极作用，拓宽了“概念生态圈”的内容。概念转变模型所需满足的第一个条件“对原有概念产生不满”也引出激发认知冲突(cognitive conflict)的策略，成为研究者和教育者广泛采用的概念转变策略之一。Lim6n对认知冲突作为教学策略的研究进行了批判性评介，提出“有意义认知冲突”(meaningfulcognitive conflict)的概念并探讨了学习动机、态度、策略等因素的影响。Lee等人开发了包含“识别异常”、“兴趣”、“焦虑”及“对认知冲突情境再评估”四个维度的认知冲突评价量表。Anat等人探查了认知冲突与直接教学对不同学术能力学生所产生的影响，该研究发现学生学术能力与教学策略具有显著的交互作用，学术能力高的学生更适应认知冲突方式，而学术能力低的学生则更倾向于从直接教学中获益。这些研究为认知冲突作为概念转变策略提供了有益的启示。

2.2　基于本体论的概念转变理论

Chi等人提出了基于本体论的概念转变理论。该理论认为：在认识论层面，世界上的实体可归属为三个基本的本体论类别“物质”(matter)、“过程”(processes)和“心理状态”(mental states)，每一个基本类别下又有若干的子类别，层层散开，构成三颗“本体论树”(ontological categories trees，见图1)；在形而上学层面，许多科学概念属于“过程”类别下“基于条件的相互作用”的子类别；在心理层面，学习者倾向于将这些科学概念归为“物质”类别。正是在不同层面上本体论类别的差异，尤其是形而上学层面与心理层面分类的不一致，导致学习者概念的错误。当学习者将概念正确地归入其所应从属的类别时，概念转变即可实现。基于本体论的概念转变也有两类：同一本体论类别下子类别之间的转换，称为“枝节转移”(branch jumping)；不同本体论类别之间的转换，比如从“物质”类别转移到“过程”类别，称为“主干变换”(tree switching)，前者较易实现，后者较难达成”。

形而上学层面与心理层面分类的不一致将导致错误概念，这是因为当学习者在心理层面将原本属于“过程”类别的概念划分到“物质”类别时，会把“物质”类别的特征附加其上，比如，科学的电流概念指自由电子在电场力作用下定向移动，属于“过程”类别，但学习者在心理层面将它归为“流体”类别，就会把水流的特征附加到电流上――能够被储藏“电池中含有电流”、具有流动性“从电池流向灯泡”、被消耗“点亮灯泡电流被消耗”，形成错误的理解。研究者可以通过学习者的言语表达判断他们对概念本体论类别的划分，比如“物质”类别主要包括“阻碍”、“包含”、“消耗”、“吸收”、

“提供”等言语特征，而“过程”类别主要包括“转移”、“激发”、“作用”、“平衡”等言语特征。为检验基于本体论的概念转变理论，Sollta和Chi还开展了实验研究，该研究发现在经历了包含本体论信息的计算机模块学习后，无论是面对言语解释还是定性的问题解决，实验组对电流概念的理解均比控制组更深入。

基于本体论的概念转变理论对概念转变的促进包含两方面的启示。首先，课程、教材和教师应关注学生的本体论信念，比如，教材应明确提出“过程”类别，让学生清晰地意识到许多科学概念属于“过程”类别下“基于条件的相互作用”子类别；其次，教师应注意教学语言，避免使教学语言强化了学生错误的概念分类，比如，教师在电流概念教学中常常用水流比喻电流，虽然这样的类比能使电流形象化，但很可能会促使学生用流体的特征理解电流，因此在教学中教师用水流比喻电流应谨慎。

2.3　基于朴素理论的概念转变理论

Vosniadou基于发展心理学对婴儿朴素理论研究的成果，从框架理论的角度对概念转变加以阐释。该理论认为，概念根植于对它们起约束作用的更大的理论结构中，理论结构包括框架理论(Fameworktheory)和具体理论(specific theory)。框架理论包含本体论和认识论的前提，从婴儿期的朴素理论发展而来；具体理论包含信念(beliefs)与心理模型(mental models)，受框架理论的约束在特定的问题情境中生成，具有动态性。当学习者在包含错误的本体论和认识论前提的框架理论下吸收新的信息，将会导致错误的概念。因此，概念转变与理论结构的拓展和变化有关，分为两类：一是“丰富”(enrichment)，在原有的理论结构下吸收新信息；二是“修正”(revision)，理论结构的转变。具体理论较易改变，框架理论则较难改变。

Vosniadou等人深入研究幼儿园到初中三年级的学生如何理解物理学中力的概念，发现：学生对力的理解包含两种本体论和认识论信念，即“力是物体内部固有的属性”和“力是运动物体获得的属性”。学生在框架理论的约束下会生成具体理论用于解决特定的问题，比如，学生在“力是物体固有属性”这一框架理论的影响下，吸收了包括观察和社会学习在内的外来信息“物体有大小轻重”、“某些物体能推拉或阻碍其他物体”，调和成“力是大的或重的物体具有的属性”的心理模型，用于解释访谈中面临的问题情景(理论结构见图2)。Vosniadou等人还对学生如何理解天文学中的地球概念进行了研究，该研究发现：学生通常具有“空间有上下之分”、“没有支撑的物体会下落”的本体论和认识论信念，在这一框架理论的影响下，学生形成了“圆盘地球”、“中空地球”等关于地球形状的心理模型，而且这一现象存在跨文化的相似性。

基于框架理论的概念转变理论认为，学生错误的心理模型可以被放弃，但背后的本体论和认识论信念却很难被抛弃，因为它一般不为学习者所意识和检验。因此，概念转变需要促进学生的元概念意识(metaconceptual awareness)，需要促进学习者对理论结构尤其是框架理论的意识和反思。同时，该理论认为仅仅挑战学生的错误概念或错误心理模型并不能达到完满的概念转变，因为错误的根源在于概念背后起约束作用的框架理论，它从婴儿朴素理论发展而来具有一定的牢固性，所以挑战这些认识论和本体论前提才能引发根本的概念转变。

3　概念转变理论的发展

3.1　基于认识论概念转变模型的发展

Hewson等人在Posner基于认识论概念转变模型的基础上，提出了“概念状态”的概念，采用外祁、可观测的“概念状态”作为标识描述学习者内部“看不见”的概念转变过程。他们以“可理解性”、“合理性”和“有效性”作为概念状态的标识，认为概念的可理解性是低状态，合理性处于中间状态，有效性是最高状态，概念转变的过程就是新概念状态不断提升、原有概念状态不断下降的过程。Thorley给出了判断概念状态的操作性指标，形成了一套诊断学习者概念状态的工具，为概念转变研究引入了新的方法和思路。研究者可以通过观察、访谈或问卷调查的形式获取有关信息，诊断学生概念所处的状态，以学习者学习生物学的基因概念为例：新概念处于可理解性状态，指能够运用“类比或比喻”、“图画”、“举例”或“言语符号”等多种形式和谐地表征新概念，比如，学习者采用文字或图画的形式表征基因概念；合理性状态，指能够将新概念纳入了自己的认知结构，新概念是“似是而非”、“使人信服”的，与实验观察的数据、过去经验、自身的本体论和认识论以及其他知识具有良好的一致性，比如，学习者将基因概念与过去经验相联系“以前我并不明白这是怎么回事，但现在我懂得人能否卷起舌头与遗传基因有关”、将基因划分到“过程”类别同时能理解基因具有蛋白质合成的特征；有效性状态，指能够知晓新概念的适用性、预期新概念未来应用的前景、明确评价两个竞争的概念，是概念所处的最高状态，比如，学习者知道什么是转基因食品、能预期未来基因研究将有助于人类疾病的治疗。当新概念从“可理解性”至“有效性”状态不断上升、原有概念从“有效性”至“可理解性”状态逐步下降时，学习者的概念就发生了转变。

3.2　超越“冷”的概念转变

Pintrich等人认为，过于强调认知因素而忽略学习者动机、情感的‘冷’的概念转变理论只能解释来自实验室的研究结论，不足以阐释真实课堂中发生的概念转变。在科学课堂上，学生的学习与科学家的探究是有差别的，科学家的探究以目标为导向，而学生的学习可能是盲目的，当学生不具有掌握取向的动机时，很难对原有概念产生不满并看到新概念的可理解性和合理性。由此，Pintrich提出要超越“冷”的概念转变，将学习者的动机与课堂情境因素纳入概念转变的研究中，动机因素包含目标、价值、自我效能感和控制信念，在概念转变中是潜在的中介变量，课堂情境因素包含任务结构、课堂权威和评价方式，在动机与概念转变之间起调节作用。2003年，Pintrich等人进而提出“有目标的概念转变”(intentional conceptual change)，其特征为：以概念转变为导向、包含学习者的元认知意识与监控、内部动机、意志控制和自我调节等非智力因素的参与。Chambers等人的研究发现，学生最初的兴趣水平、知识经验对电流概念转变中的性别差异具有调节作用。Beeth、Vosniadou等人对课堂情境影响概念转变加以研究，发现：课堂中，认知任务以问题为导向、教师鼓励学生主动控制学习积极做出预测并检验假设、师生交流民主平等、学生敢于表达和争辩、提倡小组合作、评价以促进和发展为宗旨，概念转变就有可能发生。

3.3　多维课堂概念转变框架

Treagust等人提出“多维课堂概念转变框架”(multidimensional framework for conceptual changein classroom)，试图对主流的概念转变理论加以整合。多维课堂概念转变框架包含认识论、本体论和社会／情感三个维度，每个维度构成三角形的一条边，三个维度相互交叉(如图3所示)。为了检验该概念转变理论框架，Treagust等人对澳大利亚的高一学生在生物课堂中学习基因概念的过程加以研究，收集了课堂教学实录、教学中学生的工作单、教学前后考查学生概念理解的开放问卷以及教学后部分学生的访谈录音等多项数据，发现：无论是认识论、本体论还是社会／情感因素，单维度的理论均无法完满地解释课堂中发生的概念转变，它们从不同角度部分地解释了课堂中的概念转变：从本体论的角度，教学前学生倾向于将基因归入“物质”类别，教学后学生将基因归入“物质”类别的比例从70％下降到44％、归入“过程”类别的比例从11％增加到47％；从认识论的角度，教学后不同的学生基因概念达到不同的状态，少部分学生能运用基因概念解决问题达到了有效性状态，另一些学生则只能达到合理性状态；从社会情感的角度，由于与自身密切相关，学生对基因概念的学习具有积极的态度，但教师布置的认知任务没能促进学生的基因概念达到有效性状态，这为多维课堂概念转变框架提供了实证依据。

4　现有理论评价

研究者从不同的背景和视角提出的概念转变理论具有各自的优势与局限，对现有理论加以评析有助于今后概念转变理论的深化与发展。基于认识论的概念转变模型优势在于：包含“学习是探究”、“学生是科学家”的隐喻并以“概念生态圈”形象地描述概念转变的环境，这对学生科学素养的培养与现代课程改革所倡导的科学探究式学习具有重要意义；模型提出顺应需满足的四个条件以及后来Hewson等人发展的概念状态操作性指标，都是研究者可以直接采用的诊断工具。然而，基于认识论的模型其局限也很明显：模型描述的是两套不相容的概念系统相互竞争的过程而非转变的因果机制，虽然Posner等人提出了包括反例、认识论信念、形而上学观念等因素在内的“概念生态圈”以描述概念转变过程可能受到的影响，但“概念生态圈”内容不断扩大，没有指出核心的影响因素，也没有阐明各影响因素之间的相互关系。

基于本体论的概念转变理论其优势在于：指出了学习者错误概念的成因、对一些基本的如力、热、电、声、基因等科学概念的转变具有一定的解释力，与科学概念的发展具有某种程度的相似性。其局限在于：某些跨类别的概念，比如光具有“波粒二像性”使其既可划分为“物质”类别，又可纳入“过程”类别，运用本体论很难解释；同时，有研究发现，即使学习者对概念进行正确归类也无法达到完满的转变，概念转变更可能是一个缓慢的、多层次的变化过程，并非学习者把概念正确归入其所属的本体论类别即可达成。

基于朴素理论的概念转变理论也指出了学习者形成错误概念的原因以及转变的困难何在，它与发展心理学研究成果紧密结合，体现了生成性学习双向建构的机制，对相同的外部信息输入不同的学习者获得不同的建构结果这一普遍的现象具有解释力。其局限在于：学习者内部的框架理论是研究者通过学习者的心理模型做出的一种推测，不同的研究者可能推测出有差异的结果，而这些结果之间很难进行比较。

多维课堂概念转变框架旨在把不同的概念转变理论加以整合，具有基于真实课堂概念转变过程的实证依据，但目前整合的框架过于简单粗略，三个维度之间的具体关系也有待确定。

机电一体化基本概念篇（8）

中图分类号:F49文献标识码:A

随着计算机及网络技术的迅速普及,电子商务走进人们的生产生活中。在电子商务时代,新的产品形式层出不穷。“数字化产品”和“数字产品”,这两个概念被广泛地使用。什么是数字化产品,什么是数字产品,它们是指同一产品还是不同产品?厘清这两个概念,能为数字化产品和数字产品的进一步研究打下基础,也能为实践中正确使用这两个概念提供依据。

一、概念的使用情况

在中国知网中国学术文献总库中搜索,截至2010年4月16日,使用了“数字产品”这一概念的文献共有17,338篇,方宗义教授于1979年在《国外气象卫星资料分析使用情况》中第一次使用这一概念;使用“数字化产品”这一概念的文献共有12,400篇,薛顺贵先生于1982年在《近年来国际摄影测量自动化的发展概况》中第一次使用此概念。方宗义教授所说的“数字产品”,是指气象卫星拍摄的图片等资料,经过计算机加工处理后,以数码形式呈现的气象信息。薛顺贵先生所说的“数字化产品”,是指摄影测绘自动化过程中,利用计算机对测绘资料进行编辑处理,形成的以计算机数据表达的测绘信息。两位先生分别用数字产品和数字化产品表达了同一个概念,即利用计算机加工处理的,以数字编码的信息产品。也就是说,数字产品和数字化产品两个概念在中国诞生的时候具有相同的内涵。

二、概念的内涵表达

随着研究的深入发展,许多学者和机构根据各自的理解定义数字化产品和数字产品。联合国贸易发展会议(2001)研究报告认为,数字化产品是既可以通过载体以物理方式运送,也可以通过Internet以电子方式运送的产品。宁振波(2003)认为,数字化产品是指采用计算机软、硬件技术,以网络为基础,以数据库为平台,在产品采办―研制―设计―制造―交付―培训―维护―报废的全寿命周期中,以三维CAD设计为核心,全面应用CAE/CAT/CAPP/CAM/CALS/PDM等技术所形成的用户需要的产品。王晓晶(2008)认为,数字化产品是指信息、计算机软件、视听娱乐产品等可数字化表示,并可用计算机网络转输的产品或劳务。

郭玉军、张函(2007)认为,数字产品指数字编码的计算机软件、文本、录像、镜像及声音和其他产品,无论它们是附着于固定介质还是电子传输。包含了计算机软件、电影、音乐、有声读物和游戏等,既可以基于诸如光盘、磁带或是书本等有形介质来进行贸易,也能通过国际互联网的电子传输进行贸易。

解梅娟(2009)认为,狭义的数字产品是指生产、销售和使用均表现为“比特”流的产品即直接在网上传送的产品,如网上软件、电子期刊、各种网上音频视频产品。广义的数字产品是指可以被数字化并可以通过网络来传播的产品。它所指的是任何能够被数字化的产品,并不要求实际上已经被数字化,如以磁盘形式销售的软件、书籍、电影、录音等。

芮廷先(2002)定义数字产品的范围广一些,认为凡是Internet上收发的东西都可成为数字产品,同时一些没有相应实物形式的产品或服务以知识和过程的形式存在也可成为数字产品,数字化产品可能是数字产品,也可能不是数字产品,如软件和CD既是数字化产品也是数字产品,而数字化武器或数字化家电是数字化产品但不是数字产品。

杜江萍、薛智韵(2005)认为,数字产品是电子商务中的核心产品概念。数字产品可以分为有形数字产品和无形数字产品。有形数字产品是指基于数字技术的电子产品,如数码相机、数字电视机、数码摄像机等。无形数字产品,又称数字化产品,是指可以经过数字化并能够通过如因特网这样的数字网络传输的产品。凡计算机能够数字化、处理和存储的信息都可以归类为数字产品。

袁红、陈伟哲(2007)认为,数字产品又称数字化产品,可以分为有形数字产品和无形数字产品。有形数字产品是指基于数字化技术的电子产品,如MP3播放器、数码相机、数字化电视机、数码摄像机等。无形数字产品指的是能够被数字化的一切事物,并能够通过如因特网这样的数字化网络传输的产品,比如网络游戏、计算机软件、音乐等。

以上资料显示,学者们对两个概论的认识,分歧较大,在概念的使用上比较混乱。在这些定义中描述了这样三种产品:一是内容基于数字格式、比特流,通过因特网运送的产品;二是可以经过数字化并能够通过如因特网等数字网络传输的产品,无论这种产品是否已经数字化;三是基于数字技术的电子产品。

对概念认识的模糊混乱表现在三个方面:一是对概念的内涵认识不一。同为数字产品,有的认为仅指第一种产品,有的认为既指第一种产品,也指第二种产品,还有的认为既包括第二种产品,也包括第三种产品。二是对概念使用混乱。同指“可以经过数字化并能够通过如因特网这样的数字网络传输的产品”,有的称其为“数字产品”,如王晓晶;有的称其为“数字化产品”,如曹庆华。三是对概念的关系认识不一。有的认为数字化产品即数字产品,如袁红;有的认为数字化产品不同于数字产品,如芮廷先;有的认为数字化产品是数字产品的一部分,如杜江萍;有的认为数字产品是数字化产品的一部分。

三、概念内涵辨析

电子商务时代,两个概念的使用越来越多,不及早厘清两个概念的内涵和相互关系,会让人们越来越迷糊,相关研究也不具备科学基础。概念是反映事物本质属性的思维产物。概念表达的是客观事物的一般的、本质的特征。概念的正确与否是指概念能否反映客观事物的本质特征。现有文献中使用的数字产品和数字化产品概念对应的三种客观事物。正确使用两个概念,需要在分析三种事物本质属性的基础上,判定哪个概念表达更为合适。

1、数字产品。这是一个由两个名词构成的偏正词组。“数字”是修饰“产品”的,反映产品的本质特征,即这个产品是数字的、数字形式的、Digital。数字是计算机存储、加工信息的方式。称一个产品是数字产品,意味着这个产品必然是利用计算机生产加工的。在现有技术条件下,利用计算机生产加工的、以数字方式存在的产品,既可以通过计算机网络传输,也可以贮存在光盘等存储介质中传输。

计算机以数字方式生产加工展现出来的产品,没有实物形式,是无形产品。从功能来看,它是以传递信息为目的的,是信息产品。也就是说,数字产品既是无形产品,又是信息产品。互联网上的各种产品,均符合以上特征,是数字产品。虽然不通过互联网传输,但以数字编码形式存在于光盘等存储介质中的软件也是数字产品。

存储于光盘等介质中的软件,属于数字产品的范畴。光盘具有实物形式,存在于光盘中的软件,从表象来看是有形的,是软硬件的结合体。学者们一致认为存储于光盘中的软件是数字产品,是因为从功能角度看,光盘中软件是主体,光盘仅作为软件的载体,满足客户需求的是软件,而非光盘;从价值角度看,光盘中的软件价值才是软件光盘价值的主体,空白光盘价值相对软件而言,可以忽略不计。

随着信息技术的发展,许多产品中都应用了软件,形成一种软硬件结合体。但大多数软硬件结合体,都不能称为数字产品,如数码相机。数码相机中影像信息的转换、存储和传输等部件,具有数字化存取模式,具有数字产品的部分特征,但不能因此称数码相机为数字产品。因为从本质来看,数码相机是用于摄影的光学器械,“数字”不是它的本质特征,只是它与一般相机的区别。硬件与软件结合构成的数码相机,其中的软件是数字形式存在的,硬件是以实物形式存在的,只有其中的软件才是数字产品。但数码相机中的软件,只有与硬件结合在一起,才能发挥作用,不能独立存在,不是主体。因为部件中有软件,就将其称为数字产品,是以偏概全,是不科学的。

与数字产品相对的是非数字产品,即不以数字形式存在,而以有形实物、模拟的音频视频等形式存在的产品,如书籍、服装等。以产品是否具有信息传递功能分类,非数字产品可分为信息产品和非信息产品。信息产品是指在信息化社会中产生的以传播信息为目的的服务性产品,如书籍、报纸、电视节目等;非信息产品则是指满足人们信息需求以外的其他需求的产品,如服装、交通工具、机器设备等。

2、数字化产品。“化”作为后缀,加在名词或形容词之后构成动词,表示转成某种性质或状态。数字化是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据,再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型,把它们转变为一系列二进制代码,引入计算机内部,进行统一处理。从词性上看,数字化是动词,对应的是Digitize。数字化产品是动宾词组,表示将产品转化为数字状态。数字化产品的过程就是利用计算机技术,以数据编码的形式建立产品模型的过程,它是一个虚拟生产的过程,它的结果是得到一个数字产品,即以数字形式存在于计算机系统中的无形产品。

在现代信息技术条件下,任何非数字产品均可数字化。非数字产品经过数字化后形成的数字产品,首先在形式上发生了变化,其次功能也可能发生变化。一般信息产品如书籍报刊等,数字化后形成的数字书籍、数字报刊等数字产品,其形式变化了但功能没有变化,在满足消费者的需求上没有发生根本变化。从本质上说,这种数字产品与原产品是同一种产品。

非信息产品,经过数字化后形成的数字产品在形式和功能上都发生了变化,不再与原产品是同一种产品。如飞机,经过数字化后形成的数字飞机,不再具备运输功能,而仅是飞机的一个数字模型。这个模型从根本上改变了飞机传统的设计与制造方式,大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。这种数字产品,从本质上讲是实物产品设计制造过程中采用的一种技术,是一个与原产品形式功能完全不同的新产品。

四、结论

数字产品和数字化产品都是计算机技术高度发展的产物。数字产品是以计算机加工生产的,以数字形式存在的无形信息产品。数字化产品是利用计算机技术将产品转化为数字形态的生产过程。数字化产品与数字产品是过程与结果的关系,而不是包含与被包含关系。

在现代技术条件下,任何产品均可数字化,因此将可数字化并经过因特网传输的产品定义为数字产品,没有任何科学意义。即使如报刊书籍等信息产品,数字化后功能没有发生变化,产品本质没有变化,也不能将其称为数字产品,只能说其具有可数字化的特征。

(作者单位:黄冈职业技术学院)

主要参考文献:

[1]袁红,陈伟哲.数字产品成本结构的特殊性及其应用.情报杂志,2007.10.

[2]俞明南,鲍琳琳.数字产品的经济特征分析.情报研究,2008.7.

机电一体化基本概念篇（9）

目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，虚拟现实技术的应用，使设计思路和设计表达如虎添翼。让人多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，大大减少了投放市场的风险性，也为 企业 决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。

一、虚拟现实与虚拟现实技术

（一）虚拟现实（virtual reality，vr）及虚拟设计（virtual design，vd）

虚拟现实（virtual reality，vr）是利用 计算 机省城一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进 自然 交互的技术。这里所谓模拟环境就是计算机生成的具有色彩的立体图形，它可以是某特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣服等穿戴于用户身上的装置和设置现实环境中的传感装置。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的武体进行操作并得到实时立体反馈。虚拟现实是一种全新的人机交互系统，它能对介入者产生各种感官刺激，如听觉、视觉、嗅觉、触觉，给人身临其境的感觉，人能以自然的方式与计算机生成的环境进行交互操作。

虚拟设计是以“虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段”，借助这样的设计手段，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。

（二）虚拟现实技术

虚拟现实技术是人的想象力和 电子 学等相结合而产生的一项综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然的交互，从而体验比现实世界更加丰富的感受。

二、概念设计的定义及内涵

pahl和beitz在《engineering design》一书中提出“概念设计”这一名词以来，人们对概念设计进行了十几年的研究。他们将其定义为：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理极其组合等，确定出基本求解途径，得到求解方案，这部分设计工作叫做概念设计。

国内的学者也对概念设计进行了大量的研究，其中邓家褆在《产品概念设计》一书中将“产品概念设计”定义为“由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的，可组织的，有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。”

在几十年的时间里，人们对概念设计的研究日益增加、不断深入，使概念设计的内涵更加广泛和深刻。主要体现在:根据产品生命周期各个阶段的要求进行市场需求分析、功能分析、功能的工作原理、动作行为的构思、行为载体的选择和方案的组成的等。可见，确定方案是概念设计的最终结果，产品生命周期全过程的满足才是概念设计的关键。设计方法上更加全面融合各种方法，寻求综合最优方案，同时使设计更具创造性。

概念设计是对产品或部件的构思，目的是捕捉产品的基本形状。这个阶段，产品的形状和精确尺寸尚未确定，设计人员有一定变更自由，所以尽可能考察设计方案，以便选出生产成本最低、创意良好的方案。利用传统的计算机辅助设计，往往多是二维交互工具，缺乏三维或者多维的功能，但是产品却是三维的部件，这样必然导致人机交互效率低。现行的计算机辅助设计系统要求定义零件的尺寸，而在产品的概念设计阶段这样的尺寸可能无法精确得到或者根本没必要精确定义，这样必然影响设计效率和周期。传统的计算机辅助设计需要两类人员配合，即产品的设计人员和电脑绘图员，产品设计人员有关产品的概念信息通过草图或者口述的方法传达给电脑人员，这样导致信息的丢失或者绘图者的曲解，而如果设计者本人直接参与电脑辅助设计建模的话，由于现行的电脑辅助设计系统的操作复杂和交互能力若，大大分散了设计者的精力，限制了思路。为了克服这样的限制，充分发挥设计人员的创造性，人们开始把虚拟现实技术引入计算机辅助设计系统进行概念设计，将虚拟现实技术和概念设计有效结合，利用丰富直观的交互手段，在虚拟环境中进行概念设计，从而节省产品精确描绘和尺寸定义的时间，这就是基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计，即虚拟概念设计。

三、虚拟概念设计的研究方向和应用前景

（一）概念设计中应注意的两个问题

1.  虚拟现实环境下的概念可视化。概念可视化是指设计师透过画面或者模型，将市场的需求转换成可视化的具体形态。概念设计是否能符合目标用户的要求，“眼见为实”的图面或者模型是最具有说服力的。

2.  虚拟现实环境下的人机交互界面。想实现人机互动，必须解决一系列技术问题，形成和谐的人机环境。虚拟现实就是一种基于可 计算 信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用计算机技术为核心的 现代 高科技省城逼真的视听触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以 自然 的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、互相影响，从而产生“沉浸”于等同真环境的感受和体验。

（二）虚拟现实技术在概念设计中的前景

在虚拟现实环境下，进行产品的概念设计是虚拟现实技术的基本内容。在电脑虚拟现实提供的良好的可视化条件下，对电脑辅助设计建立的三维模型在几何、功能、加工与装配等方面进行交互性的修改，利用虚拟现实给用户提供诸如视听触觉等各种感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。相关人员可以对原型的各方面包括视觉效果、部件间比率进行评价。针对不同用户的爱好要求，在不同的虚拟环境中，亲自体验修改模型；选择产品的可选部件，观察设计和修改过程。

概念设计是设计过程的初步阶段，它的目的是获得做够多的有关产品式样和形状的信息，同时它又是设计过程中的重要阶段，因为产品成本的60%～70%是由这个阶段决定的。面对日益加剧的产品市场竞争的挑战，可以预见，基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计必有长足 发展 ，最终将与现有计算机辅助设计系统实现无缝集成。激烈的全球市场竞争，各国投入大量的资金对虚拟现实技术及其在 工业 设计领域中的应用进行深入研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。 

参考 文献

[1]周洪玉，王慧君，周岩．虚拟现实及应用的研究[j]．哈尔滨理工大学学报，2005，(5)．

机电一体化基本概念篇（10）

中图分类号：U662.3 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0114-02

目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景分析，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，虚拟现实技术的应用，使设计思路和设计表达如虎添翼。让人多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。

一、虚拟现实与虚拟现实技术

（一）虚拟现实（Virtual Reality，VR）及虚拟设计（Virtual Design，VD）

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是利用计算机省城一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进自然交互的技术。这里所谓模拟环境就是计算机生成的具有色彩的立体图形，它可以是某特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界。传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣服等穿戴于用户身上的装置和设置现实环境中的传感装置。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的武体进行操作并得到实时立体反馈。虚拟现实是一种全新的人机交互系统，它能对介入者产生各种感官刺激，如听觉、视觉、嗅觉、触觉，给人身临其境的感觉，人能以自然的方式与计算机生成的环境进行交互操作。

虚拟设计是以“虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段”，借助这样的设计手段，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。

（二）虚拟现实技术

虚拟现实技术是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然的交互，从而体验比现实世界更加丰富的感受。

二、概念设计的定义及内涵

Pahl和Beitz在《Engineering Design》一书中提出“概念设计”这一名词以来，人们对概念设计进行了十几年的研究。他们将其定义为：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理极其组合等，确定出基本求解途径，得到求解方案，这部分设计工作叫做概念设计。

国内的学者也对概念设计进行了大量的研究，其中邓家|在《产品概念设计》一书中将“产品概念设计”定义为“由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的，可组织的，有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。”

在几十年的时间里，人们对概念设计的研究日益增加、不断深入，使概念设计的内涵更加广泛和深刻。主要体现在:根据产品生命周期各个阶段的要求进行市场需求分析、功能分析、功能的工作原理、动作行为的构思、行为载体的选择和方案的组成的等。可见，确定方案是概念设计的最终结果，产品生命周期全过程的满足才是概念设计的关键。设计方法上更加全面融合各种方法，寻求综合最优方案，同时使设计更具创造性。

概念设计是对产品或部件的构思，目的是捕捉产品的基本形状。这个阶段，产品的形状和精确尺寸尚未确定，设计人员有一定变更自由，所以尽可能考察设计方案，以便选出生产成本最低、创意良好的方案。利用传统的计算机辅助设计，往往多是二维交互工具，缺乏三维或者多维的功能，但是产品却是三维的部件，这样必然导致人机交互效率低。现行的计算机辅助设计系统要求定义零件的尺寸，而在产品的概念设计阶段这样的尺寸可能无法精确得到或者根本没必要精确定义，这样必然影响设计效率和周期。传统的计算机辅助设计需要两类人员配合，即产品的设计人员和电脑绘图员，产品设计人员有关产品的概念信息通过草图或者口述的方法传达给电脑人员，这样导致信息的丢失或者绘图者的曲解，而如果设计者本人直接参与电脑辅助设计建模的话，由于现行的电脑辅助设计系统的操作复杂和交互能力若，大大分散了设计者的精力，限制了思路。为了克服这样的限制，充分发挥设计人员的创造性，人们开始把虚拟现实技术引入计算机辅助设计系统进行概念设计，将虚拟现实技术和概念设计有效结合，利用丰富直观的交互手段，在虚拟环境中进行概念设计，从而节省产品精确描绘和尺寸定义的时间，这就是基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计，即虚拟概念设计。

三、虚拟概念设计的研究方向和应用前景

（一）概念设计中应注意的两个问题

1.虚拟现实环境下的概念可视化。概念可视化是指设计师透过画面或者模型，将市场的需求转换成可视化的具体形态。概念设计是否能符合目标用户的要求，“眼见为实”的图面或者模型是最具有说服力的。

2.虚拟现实环境下的人机交互界面。想实现人机互动，必须解决一系列技术问题，形成和谐的人机环境。虚拟现实就是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用计算机技术为核心的现代高科技省城逼真的视听触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、互相影响，从而产生“沉浸”于等同真环境的感受和体验。

（二）虚拟现实技术在概念设计中的前景

在虚拟现实环境下，进行产品的概念设计是虚拟现实技术的基本内容。在电脑虚拟现实提供的良好的可视化条件下，对电脑辅助设计建立的三维模型在几何、功能、加工与装配等方面进行交互性的修改，利用虚拟现实给用户提供诸如视听触觉等各种感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。相关人员可以对原型的各方面包括视觉效果、部件间比率进行评价。针对不同用户的爱好要求，在不同的虚拟环境中，亲自体验修改模型；选择产品的可选部件，观察设计和修改过程。

概念设计是设计过程的初步阶段，它的目的是获得做够多的有关产品式样和形状的信息，同时它又是设计过程中的重要阶段，因为产品成本的60%～70%是由这个阶段决定的。面对日益加剧的产品市场竞争的挑战，可以预见，基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计必有长足发展，最终将与现有计算机辅助设计系统实现无缝集成。激烈的全球市场竞争，各国投入大量的资金对虚拟现实技术及其在工业设计领域中的应用进行深入研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。

参考文献

[1]周洪玉，王慧君，周岩．虚拟现实及应用的研究[J]．哈尔滨理工大学学报，2005，(5)．

机电一体化基本概念篇（11）

    二、影响高中物理概念学习的主要因素 

    1、教材因素

    初中物理教材与高中教材相比较，对知识和思维能力的要求都有一个较大的跨越，存在一个较大的台阶。高中物理教材所讲述的知识不仅要求采用观察、实验，更多的要求具备分析归纳和综合等抽象思维能力，要求能熟练的应用数学知识解决物理问题。对于多个研究对象、多个状态、多个过程的复杂的问题，从物理现象到构建物理模型，从物理模型到数学化的描述，建立一系列的方程，学生接受难度大。初中、高中物理教材对知识的表述也有很大差别。初中物理教材文字叙述比较浅显通俗，学生容易看懂和理解，而高中物理教材对物理概念和规律的表述严谨简捷。对物理问题的分析、推理、论述科学严密，学生不易读懂、阅读难度大。另外，高中教材与所需数学知识的衔接不当，也对学生的物理学习造成了困难。如学生尚未学到极限的概念，在学习瞬时速度时就难以理解；高一新生没有三角函数知识，就不能灵活处理力的合成与分解；没有函数图像的知识，用图像法研究各种问题就会比较困难。由于学科之间的横向联系的失调，也加大了高一物理学习难度，使高一学生成绩分化。

    2、学生因素

    高中物理概念有些是从直观的实验直接得出的，有些概念则需要学生从已有的物理概念出发，或从建立的理想模型出发，通过观察、分析、归纳和推理建立起来。虽然高中学生具有一定的认知能力及逻辑思维能力，但由于他们物理基础知识有限，物理思维方法不足，个别高中学生由于在以往的学习过程中形成了被动接受知识的习惯，积极主动思考问题的能力较差，不善于将陌生、复杂、困难的问题转化为熟悉、简单、容易的问题，不善于将实际问题转化为物理问题，不善于根据具体问题灵活选择方法，学习物理概念时习惯于机械记忆，盲目练习，往往被个别表面现象所迷惑，形成一些片面的、肤浅的概念。主要表现在解决物理问题时对于隐含条件的分析，临界状的把握，多过程的衔接等分析不完整，顾此失彼，答案不全面，条理不清楚。如个别学生不理解加速度及电阻率的概念，造成“加速度大速度就大；电阻率大电阻一定大”的错误认识。

    3、教师因素

    教师在教学过程中，往往将大量的时间用于备课做题，缺乏分析研究学生的现有知识状况、接受知识的能力，对于学生的知识能力有时估计过高，自己常常觉得有些物理概念很简单，学生自己一看就懂，没有必要花费时间去探讨、挖掘物理概念的内涵和外延，造成学生在最初就没有真正理解有些概念，致使学生不易建立各个物理概念之间的联系。为了更有效的搞好概念教学，需关注以下几个环节。

    三、引入物理概念的常用方法

    （1）实验法

    物理学是一门实验学科，大多数物理概念是通过实验演示，让学生透过现象剖析揭示其本质而引入的，学生通过直观观察形成深刻印象，强化了对概念的理解和记忆。例如在引入弹力的概念时，通过演示实验：小车受拉伸或压缩弹簧的作用而运动；再演示：弯曲的弹性钢片能将粉笔头推出去。引导学生观察在这些实验过程中，弹簧及弹性钢片发生了什么形变，弹簧在恢复原状时要对与它接触的物体产生力的作用，让学生自己总结弹力产生的条件及弹力的概念。

    （2）类比法

    类比法是在科学研究中常用的方法，在物理学中不少的概念是用类比推理方法得出的，让学生借类比事物为“桥”，从形象思维顺利过渡到抽象思维，有助于接受理解新概念。例如：与重力势能类比，引入电势能的概念；与电场强度概念的建立类比，建立磁感应强度；将电流类比水流，建立电流概念；将电压类比水压，建立电压概念；把电磁振荡类比于弹簧振子或单摆，把电谐振类比于机械振动中的共振，建立电磁振荡概念。

    （3）逻辑推理法

    物理概念大多数是在已有认知结构的基础上建立起来的，新概念的建立主要依赖于认知结构中相关的概念，要充分发挥已有的旧知识的作用，通过新旧概念之间的逻辑关系引入新概念。例如引导学生复习初中学过的功的概念，指出物体能够对外做功，则物体具有能量。在此基础上，讨论运动物体能够对外做功，则运动物体就具有能量，这种能量叫动能，进一步用做功的多少来确定动能与那些量有关系，使学生真正理解动能的表达式。

    总之，物理概念引入的方法很多，无论采用什么方法一定要注意：使学生明确一个概念的物理意义，知道这个概念到底有什么作用；根据学生认知结构中相应知识状况和新概念的不同特点，选择的感性材料要典型全面，要突出与概念有关的本质特征，尽量减少非本质特征的干扰，避免先入为主和消极的思维定势的影响；能起承前启后，建立知识联系的作用，选择的旧知识一定要与新知识有实质性联系，否则容易形成模糊或错误的概念，或在认知结构中形成不正确的联系，有碍于培养学生抽象与概括能力；引入概念时，要尽量能激发学生学习的兴趣，使其积极活动，充分体现学生的主体作用。

    四、引导学生理解、深化物理概念的方法

    1、细化物理概念对应的知识点

     一般情况下，可以从以下几点细化一个概念(1)名称:记住物理量的名称是了解一个物理量的第一步，就像了解一个人就要先记住这个人的名字一样，教材上物理概念的名称，是用黑体字印刷的，这正是要引起同学们注意和重视。(2)定义及物理意义  物理概念的定义是用科学严谨的叙述给出的，教材中常用加点字来表示，定义要熟练准确记忆，不能有半点差错。物理量所表示的物理意义不同于定义，如速度的物理意义是表示物体运动的快慢，其定义是位移跟发生这段位移所用时间的比值。(3)符号  物理量的符号大多采用英语的第一个字母，一般情况，每个物理量都有特定的字母，要求学生记准物理量的符号，这样，有利于规范运算过程。 (4)表达式  一个物理概念的定义用数学语言来描述，就写出了对应的定义式，因为任何一个物理量往往会和其他量建立联系，它们之间的关系又会写出不同的表达式，这时就要弄清哪个是决定式，哪个是定义式。(5)单位  物理量的定义式，既给出了物理量之间的数量关系，又决定了它们之间的单位关系，要分清国际单位和常用单位，并记准其单位符号及不同单位制之间的换算关系。在做题时要求同学们统一单位。(6)矢量和标量  每讲一个物理概念，要求弄清它是失量还是标量。只有明确其特性，才能按相关规则进行运算。 (7)状态量和过程量  每讲一个物理概念，要求弄清它是状态量还是过程量，如何通过状态量的变化把状态量和过程量建立起联系。(8)最后还要提醒学生弄清物理表达式的适用范围。

    2、突破难点

    课本中的物理概念，文字叙述严谨、简洁，多数同学能够读懂字面意义，但不能把握准确深刻的含义，运用概念解决问题时就容易出现错误。如讲述超重与失重时，个别学生认为超重时物体重力增大，失重时物体重力减少，完全失重时物体重力为零。如果在学习这一概念时指导学生做下列实验：在弹簧秤下挂上钩码，静止时记下示数，然后提着弹簧加速上升，观察指针位置，记下示数，此时发现弹簧秤示数增大了，最后观察物体加速下降时弹簧秤指针位置，记下示数减小，此时发现弹簧秤示数减小了，分析实验结果，引导学生总结出超重和失重概念，这样既留下深刻的印象，又可以轻松地突破难点。再如，惯性这一概念，部分同学难以理解，老师必须通过举例说清，惯性与速度无关，与力无关。我是这样处理的……     又如，磁通量这一概念，教材中的定义是这样叙述的：设在匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁感应强度为B，平面的面积为S，我们定义磁感应强度B与面积S的乘积叫穿过这个面积的磁通量，简称磁通。粗看这段话就是磁通量等于磁感应强度与面积的乘积，即Φ=BS，深入分析概念，应强调计算磁通量的两个重要条件:一是B与S垂直,不垂直要用投影面积；二是面积S必须是在磁场中的有效面积；三是若平面内有两个或多个磁场且方向不同，则必须用合磁感应强度；四是磁通量的物理意义直观形象地说是指穿过某面积的磁感线条数,故对于穿过线圈截面的磁通量，B越大,截面积S越大,穿过这个线圈截面的磁感线条数就越多,磁通量就越大,与缠绕线圈的匝数无关；五是磁通量是标量，但磁感线穿入同一面积时，却有不同的穿入方向，尤其在讨论磁场不变，平面反转时磁通量变化这一问题，必须弄清磁感线的穿入的方向，有的学生容易把磁通量当成矢量，这时，可以用水流、电流的概念去类比。

    只有搞清物理概念的定义，才能有效建立不同量之间的联系。如热学中理解了温度是物体分子平均动能的量度，内能是物体内所有分子动能和势能的总和这两个概念及理想气体模型，知道做功和热传递是改变内能的两种方式，就能掌握一定量的理想气体内能只与温度有关，内能是温度的单值函数，与体积及压强无关，温度升高，内能增加，若体积也增大，则这个过程气体对外做功，必然吸收热量，但气体压强不一定改变；若温度不变，内能一定不变，此时体积增大，仍然是气体对外做功，必然吸收热量，气体压强减小；可见只要把体积与功、温度与内能联系起来，就能顺利解决热力学第一定律的有关问题。

    3、矫正错误点

    物理概念理解不清，在做题时很容易出现错误，只有深入挖掘其内涵，通过各种题型的反复强化，搞清楚一个物理量的特征，才能避免错误，提高做题准确率。例如,研究电源的电动势及内电阻实验中，对实验数据的处理常采用图像法，用纵轴表示外电压，横轴表示闭合电路的电流，画出了一条倾斜的直线，直线的斜率等于电源的内电阻，有的同学认为斜率是图线与横轴夹角的正切值，造成这种错误的原因是把数学中求直线斜率的方法照搬过来，没有考虑物理问题中纵横坐标的标度不同，纵横坐标交点也不一定是（0、0)等因素。再如，原子核物理中质能方程E=mc2 ,在计算核反应中释放的能量时，有的学生错误地认为质量亏损是质量消失了，消失的质量变成了能量，这时，要通过练习使学生明确核反应过程中不仅质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒、而且质量也守恒。又如用功的表达式W=FS计算功时，有的同学把力的作用点的位移与物体的位移混到一块儿，出现如：人走路时摩擦力做了正功，上楼梯时楼梯做了正功等错误结论。

    另外，洛仑兹力是带电粒子在磁场中受到的作用力，它的表达式是通过安培力的公式推导出来的, 洛仑兹力是安培力的微观反映,安培力是洛仑兹力的宏观表现。带电粒子在磁场中运动时洛仑兹力对运动电荷始终不做功，有些学生就不清楚既然安培力是洛仑兹力的宏观表现，为什么通电导体在磁场中运动时，安培力做功？出现这个问题的原因是学生不明白，只有通电导体静止时，安培力才是导体内所有粒子所受洛仑兹力的合力；当通电导体在磁场中运动时，洛仑兹力分力的合力才与安培力等效。洛仑兹力不做功，但洛仑兹力的分力都做功，所以安培力做功。

    4、辨析易混点

    物理上有许多相近的概念，它们既相互联系又有区别，学生学习时容易理不清其关系，混到一块。因此在进行物理概念教学时，要从不同的角度进行比较、辨析，突出概念的差异，明确概念的内涵和外延，加深理解，避免混淆。如物理量的变化量与变化率，一字之差，含义不同，要讲清变化率和时间建立了联系，是变化量与时间的比值，体现了这个物理量的变化快慢，这个比值常常定义了一个新的物理量。位置的变化率是速度；速度的变化率是加速度；动量的变化率是物体所受的合外力；磁通量的变化率反应了电动势。                                                                                                        再如电阻和电阻率、自感和自感系数、冲量与动量、动能与动量及热学中热量与温度、分子力随分子间距离变化的图像与分子势能随距离变化的图象等都容易分不清。电学中表征交流电的几个物理量电流、电压、电动势，它们的最大值、瞬时值、有效值、平均值，只有弄清其定义、决定因素及表达式，才能理解为什么计算电热、热功率、电功、电功率及电表示数时用有效值，计算某段时间内流过导体的电量时用平均值。学习时要深入比较这些相近物理量的异同点及联系，避免死记硬背公式，做题时乱套公式，不能快速有效选择公式，解题效率低下。另外不清楚物理量正负号的含义，易造成矢量和标量的混淆。实际上研究同一直线上矢量问题时，在规定正方向之后，正值表示该量方向与正方向相同，负号表示其方向与正方向相反，若多个矢量不在同一条直线上，取正负号就没有意义；对于势能这种标量正负号不仅可以表示大小，也反应了这个位置比零势能面的势能高还是低。

    五、设计思考题是应用概念建立知识网络的有效途径

    学习物理概念是为了能运用概念进行思维，运用概念解决问题。通过练习巩固概念，形成良好的思维品质，提高学生分析问题、解决问题的能力。如何在课堂教学中，指导学生快速准确地把概念、定律用于解答具体的物理习题，教师的分析示范和归纳总结很重要，选择典型习题，引导学生对问题的分析主要集中于“已知信息是什么？”“要达到的目的是什么？即求什么物理量？”在解决问题的过程中，概念和原理就是建立未知量与已知量联系的桥梁。教师先带着学生分析问题，深入挖掘题目的隐含条件、临界条件、多过程结合点等，再引导学生分析、领会、思维过程，然后和学生一起分析问题，最后让学生独立分析问题，并且自己独立总结出解决这一类问题的思路和方法，提高解决问题的能力，避免陷入题海，浪费时间精力。

    如讲摩擦力概念时，为了使学生对摩擦力有正确的理解，能对各种情况下物体所受的摩擦力作出准确的分析，在课堂上提出了十个问题让学生讨论判断：

    ①静止的物体只能受静摩擦力，运动的物体只能受滑动摩擦力，对吗？

    ②摩擦力的方向是否总是与物体运动的方向相反，对吗？

    ③在粗糙水平面上滑动的物体一定受摩擦力作用，对吗？

    ④摩擦力的方向总是与物体运动的方向在同一直线上，对吗？

    ⑤摩擦力总是阻力或者总是阻碍物体运动的吗？

    ⑥压力越大，摩擦力一定越大吗？

    ⑦计算滑动摩擦力公式F=μ 中的等于物体重力，对吗？ 能否与重力无关？

    ⑧物体间接触面积越大，滑动摩擦力也越大？

    ⑨滑动摩擦力与物体运动的速度大小有关吗？

    ⑩最大静摩擦力与滑动摩擦力有什么关系呢？

    每个概念讲完以后，引导学生仿照上面列出问题的模式，提出与这个概念相联系的各种问题，讨论解答的过程中进一步巩固概念，加深理解。

    在复习课上，为了使各个概念建立联系，形成知识“网络”，把相关的知识编成一个知识集成块，以题目的形式展现出来（用多媒体展示），让学生在解题时，大脑高度集中反复回忆、搜索头脑中储存的知识、概念，通过发散思维与聚合思维，达到重温概念，重组知识，形成更科学有用的知识模块。

    如矩形线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动的交流发电机模型，可以把力、热、电磁、光学和原子物理学方面的知识贯穿其中，编织成知识“网络”。如图所示：在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，匝数为N的矩形线圈，ab、ad边长为L1 、L2，线圈绕垂直于磁场的中心轴   匀速转动，角速度为ω，线圈通过滑环与阻值为R的外电路相连，若线圈电阻忽略不计，则：

    1、ad边、bc边匀速圆周运动的线速度为多少？

    2、线圈转动过程中，磁通量最大，磁通量变化率最大的位置分别在哪里？

    3、线圈转动过程中，ad边、bc边产生的感应电动势的瞬间表达式怎样？

    4、线圈转动时，为什么会产生按正弦规律变化的交变电流？线圈在如图所示的位置开始计时，试写出其感应电动势的瞬时表达式？画出感应电动势的瞬时值随时间变化的图象。

    5、写出流过电阻R的交变电流的瞬时值的表达式。

    6、线圈转动过程中，通过电阻R的交变电流的周期、频率、最大值和有效值各是多少？

    7、电阻R在t秒钟内放出了多少热量？

    8、线圈从图中位置转过 角的过程中，流过电阻的电量有多少？流过电阻R的电流每秒钟变化几次？

    9、从线圈位于图中位置开始计时，t= 时刻，线圈所受的磁力矩为多大？

    10、线圈匀速转动过程中，发电机的输出功率是多少？

    11、线圈匀速转动过程中，跟电阻R并联的伏特表的示数是多少？

    12、线圈匀速转动一周的过程中，外力对发电机做功消耗的能量为多少？

    13、若该发电机用柴油机来带动，已知柴油的燃烧值为q,柴油机及发电机的效率为η1和η2 ,则t秒内柴油机消耗了多少柴油?

    14若该交流发电机用核动力来驱动,使用的核燃料为铀U235,其核反应式为 +6    +10  ,设中子（ ）质量为mn ,  原子质量为mu， 原子质量为mx ， 原子质量为ms ，设核发电机析效率为η，求t秒内消耗的核燃料的质量是多少？

    15、若用水轮机带动该发电机，设水轮机的效率为η1发电机的效率为η2，则水轮机的输入功率为多少？

    16、若上题中的水轮靠从h高处由静止流下的水来驱动，则水轮机的输入功率为多少？

    17、在保持发电机转速不变的条件下，用该交流发电机对某学校直接供电，已知该发电机的输出电压大于u0,要使电灯正常发光,应选用横截面积为多大的铜导线（铜的电阻率为ρ0 ）输电？这时发电机的输出功率是多少？

    18、若学校与发电机间的距离L较大，需要采用高压输电，现设计的升压变压器和降压变压器的匝数分别为1：nB和nB:1，则要使学校的n0盏白炽灯全部发光，应选用面积 为多大的铜导线输电？这时发电机的输出功率是多少？

    19、若上面的白炽灯正常发光时，发出波长为λ的光，电灯的发光效率为η，则每盏灯在t秒钟内辐射出多少个光子？

    20、发电机从发电到输电至用户的整个过程中，能量是怎样转化的？