信息化融合物理实验

信息化融合物理实验（精选12篇）

信息化融合物理实验 第1篇

一、合理融入生活演示小实验

在初中物理课堂教学中, 演示实验是教师开展知识点教学和实验教学的最为基础和普遍的一种物理实验教学方法, 物理演示实验可以很好地为初中学生展现初中物理知识的奥妙, 激发初中生对于初中物理知识的学习兴趣和好奇心。因此, 教师要想有效地提升初中物理课堂的教学质量, 可以合理地应用生活化的物理演示小实验来辅助教学。初中是初中生系统地接触物理知识的基础阶段, 因此对于刚刚接触物理知识的初中学生来说, 初中物理知识是相对陌生的, 而这一点对于初中生的物理学习兴趣有着一定的影响。初中生很容易因为听不懂或者不能理解课堂教学内容而感到学习压力大, 又羞于问人, 长此以往, 很容易失去对于初中物理知识的学习兴趣。而生活化的物理演示小实验可以很好地帮助初中学生简化物理知识, 将初中物理知识直观地展现到学生面前, 同时还能够有效地增添初中物理课堂教学的趣味性, 缓解学生的物理课堂学习压力和紧张情绪, 帮助学生更好地理解和记忆物理知识, 从而有效地提高初中物理课堂的教学质量。同时, 由于生活演示小实验的主要操作人员是教师, 因此教师需要认真设计好整个生活演示小实验的演示流程, 充分准备好生活演示小实验所需的所有实验器材, 并且针对预测到的课堂演示实验所能发生的突发情况做好相应的准备措施, 从而完美地将生活演示小实验的教学效果发挥出来。

二、合理融入生活简单小实验

学生是课堂教学的主体, 初中物理课堂教学的最终目的就是为了提高学生的物理学习质量, 以及对于初中物理知识的掌握能力和应用能力。因此, 教师要想应用生活小实验来提升初中物理课堂的教学质量, 就应当从初中学生的学习能力入手, 采取有效的教学方法来锻炼学生的自主学习能力和学习意识, 提高初中学生的物理实际操作能力和应用能力, 从而真正地提高初中物理课堂的教学质量。而在初中物理课堂教学中融入生活简单小实验, 可以很好地满足这一需求。

生活简单小实验的教学优势在于它能够给予学生充分的学习自主权, 解放初中学生的双手和学习思维, 从而有效地激发出初中学生的自主学习意识, 锻炼初中学生的自主学习能力, 从而有效地提高初中物理课堂的教学效率。在教学中, 教师可以将生活简单小实验穿插在物理课堂理论知识的教学过程中, 利用生活简单小实验来辅助初中物理理论知识的教学, 可在有效提高学生的物理知识理解和实验操作能力的同时, 还能够活跃物理课堂教学气氛, 缓解学生的课堂学习压力。以苏教版初中一年级物理教科书上册中的《气体的压强》这一知识点的教学为例, 气体的压强在生活中无处不在, 物理教师可以利用生活中的吸管吸水现象设计出一个简单的生活小实验, 然后将吸管能够吸出水来正是气体的压强这一物理原理引出来, 从而有效地帮助初中学生加强对于气体压强这一物理知识点的理解。

三、合理融入生活探究小实验

初中物理是一门探究型自然科学, 探究性是初中物理知识的核心特点, 因此教师在应用生活小实验来辅助初中物理课堂教学的过程中, 还可以通过科学地设计探究性生活小实验的教学方法来辅助初中物理课堂的教学。探究型生活物理小实验能够帮助初中生锻炼自身的探究性思维能力、发散思维, 可让初中学生在自主探究实验操作过程中慢慢地自主理解该生活探究小实验中所蕴含的初中物理知识点, 从而有效地巩固学生对于初中物理知识的掌握能力。以苏教版初中二年级物理教科书中的《光的色彩效应》这一物理知识点的实验教学为例, 初中物理教师可以利用生活中的简单道具来设计出关于这一知识点的生活探究小实验, 以提高学生的实验操作能力和知识点掌握能力。首先, 教师可以让初中学生准备生活化的实验器材:红色光源小手电筒、绿色光源小手电筒、蓝色光源小手电筒。然后为学生提供一个光较暗的实验环境, 让初中学生利用手中的三色实验道具来进行实验:1.用红色光源小手电筒的光与绿色光源小手电筒进行融合, 学生会发现光源融合形成了黄光;2.用红色光源小手电筒的光与蓝色光源小手电筒进行融合, 学生会发现光源融合形成了紫光;3.用绿色光源小手电筒的光与蓝色光源小手电筒进行融合会形成青光;4.将三种灯光全部进行综合可以得到白光。可见, 学生可以通过该生活探究小实验有效地了解和掌握光的色彩效应的知识点, 提高自身的物理学习效率。

信息化融合物理实验 第2篇

安徽省淮南市第一中学 方军

摘要：本文结合教学实例从五个方面谈了信息技术与初中物理探究教学的融合问题。

关键词：信息技术 探究教学 融合

《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确提出，在教学过程中大力推进信息技术的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合。科学探究是初中物理新课标提倡的重要的教学方式之一。在初中物理探究教学中，如何充分发挥信息技术的优势，使之与科学探究过程有效融合？下面，笔者结合教学实例谈谈自己的体会。

一、创设情境，引发探究

利用信息技术所具有的对图、文、声、像等多媒体信息的综合处理能力，通过将多种媒体信息有机地融为一体，实现有声、可视、形象生动的表达效果，进而为物理探究教学创设有助于学生发现问题的良好学习情境，激发学生的探究欲望。例如，在《平面镜成像》的引入环节可设计这样的教学情境：播放一段视频（如图1），展示蜡烛水浇不灭的奇妙情景，出人意料的情景引起学生的认知冲突，从而激发学生的好奇心与学习的积极性。然后，再播放视频（如图2）展示真相，原来烛焰水浇不灭，呈现水火相容景象的奥秘是一块玻璃板。一块普通的玻璃板呈现的奇妙景象，极大地激发了学生的探究欲望。

图1 图2

二、突破难点，促进探究

由于学生认知水平、思维水平有限再加上物理概念的抽象和过程的复杂性，造成学生的认知困难，形成教学难点。信息技术在突破难点方面有着重要作用。信息技术具有的直观、形象的特点，可以化抽象为具体，丰富学生的感知突破难点。信息技术具有的动态性，可以直观动态地展示复杂过程的变化，帮助学生把握物理过程的变化特点和规律实现意义建构，从而有效地突破教学难点。例如，在《探究杠杆的平衡条件》一节中，关于力臂概念，很多学生尽管能正确说出定义而遇到实际问题时仍把支点到动力或阻力作用点的距离作为力臂。针对这一教学难点，利用几何画板软件制作“力臂课件”（如图3）动态演示：力的方向改变时，力臂的大小在变，但是力臂和力的作用线相互垂直的几何关系没有变，同时可以看出力臂应是支点O点到垂足C点的距离，而不是支点O点到作用点A点的距离。通过课件的动态演示可以帮助学生促进对力臂概念的意义建构，在头脑中形成正确的认知结构，进而促进学生对杠杆平衡条件的实验探究以及对杠杆平衡条件规律的正确理解。

图3

三、仿真模拟，辅助探究

仿真在物理教学过程中，是通过模拟手段，特别是信息技术手段，再现真实世界的某些方面，让学生在这样的背景中通过实际操作而学习的方式。在进行实验探究之前，学生借助几何画板或仿真物理实验室等仿真模拟平台，在微机上模拟各种实验情形，对物理现象或过程的规律形成初步的认识，这就减少了实际实验探究的盲目性增加了探究的针对性。利用信息技术的仿真模拟功能，对实验探究可以起到导向辅助作用，提高学生的实验探究能力。例如，在《探究电路中的电流》一节中，让学生利用“新课标实验室-初中电学”仿真模拟软件，从器材室里自选器材模拟连接电路，探究串并联电路的电流规律（如图4）。在本节中通过仿真模拟可以培养学生的电路设计能力及连接电路的实验技能。本软件还有这一特点：退出系统前必须归还所有器材，否则系统拒绝退出。这样还可以有意识地去培养学生完成实验后整理器材的良好习惯。

图4

四、处理数据，规律探究

对实验数据进行科学地处理和分析是一种重要的科学探究能力。表格和图像是处理、分析数据的常用方法，但图像比起表格要更直观形象。在初中物理探究教学中，教材和教师一般要求学生用表格记录和处理数据，用图像处理数据对于初中生来说难度较大。教学中可以充分发挥信息技术在绘制图像处理数据方面的优势。例如，在《探究凸透镜成像规律》分析与论证环节，学生在教师引导下对实验记录表格中数据进行分析，寻求凸透镜成像的规律。大部分学生通过交流讨论可以发现“凸透镜成不同的像时，物距与像距所满足的关系”，但是学生很难发现“凸透镜成不同的像时，物距与焦距的关系”。这一规律是凸透镜成像的基本规律，怎样引导学生发现呢？笔者利用信息技术对数据处理进行了有益的尝试。图5是利用Microsoft Office Excel数据处理软件得到的凸透镜成像数据处理图表。学生根据这个直观的图表，比较容易得出凸透镜成像的基本规律。

图5

五、网络资源，拓展探究

因特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。学生利用因特网（或校园网上教师提供的资源包）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。

总之，以多媒体和网络为核心的信息技术在初中物理探究教学中，不仅作为教师教的工具，而且应该作为促进学生自主学习的认知工具与情感激励工具、丰富教学环境的创设工具。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。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部．基础课程改革纲要(试行)．中国教育报，2001年7月．

[2]中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准(实验稿)．北京：北京师范大学出版社，2001．

[3]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）．

[4]罗星凯等译．科学探究与国家科学教育标准—教与学的指南．北京：科学普及出版社，2004．

信息化融合物理实验 第3篇

关键词： 物理实验  通用技术  融合  案例

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.08.119

高中学生对物理实验有浓厚的兴趣，乐于探索物理世界的奥秘。笔者在教学实践中发现，学生希望自己能够掌握一些实验操作技能。实验教学能使学生在获得物理知识、形成良好科学素养的同时，潜移默化地提升技术能力。物理实验和通用技术课程有着密切的联系，物理学科中的力学、电学、光学等都在通用技术学科中得到了完美的体现。通用技术侧重于在实践活动中进行设计与创新，物理学科在让学生学习系统知识的同时，也注重动手能力的培养。

现在新教材中有不少实验是利用传感器和电脑图表进行精细分析，这虽然有利于数据的采集和分析，得出结论，但缺乏直观定性的实验展示，所以有些情况下最好能用常规或者自制教具，做一些取材容易、贴近生活、简单明了、便于操作的“小实验”，让学生近距离接触实验器材，观察仪器的构造，体会工作原理，分析实验现象，记录实验数据，归纳实验结论，得出物理规律，体验物理世界的奥秘，消除对物理知识的神秘感，使学生想学、善学、易学、乐学。课外科技活动、小实验、小制作更容易让学生接受，拓宽了学生之间交流、学习、讨论问题的平台。这样不仅能使学生变被动学习为主动探索物理知识，使学生加深所学知识的理解，而且能极大地提高学生学习物理的兴趣，锻炼他们的动手能力和创新能力，培养他们严谨的科学态度，从而实现物理实验教学和通用技术的融合，真可谓“一举多得”。下面介绍几个采用物理实验和通用技术课程融合技术而改进的实验案例。

实验一：气体的等温变化。

实验器材：

透明塑料瓶（可乐瓶）、水槽、带玻璃管的橡胶塞。

实验过程：

1.给塑料瓶内灌一定量的水，用带玻璃管的橡胶塞塞住瓶口，然后用力挤压瓶子，观察水的变化。

现象：玻璃管口有水喷出。

分析：挤压瓶子，瓶子内气体体积变小，压强增大，把瓶子内的水向下压，水从管口喷出。

2.把瓶子内的水倒出来，压扁后将玻璃管插入装有水的烧杯中，松手膨胀。

现象：管口有“喷泉”现象出现。分析：压扁瓶子后让其膨胀，瓶子容积增大，有“喷泉”出现，说明瓶子内空气体积增大而压强减小。

实验结论：

温度不变的情况下，一定质量的气体压强P与体积V成反比。

即PV=C（C为常数）——玻意耳定律。

实验二：气体的等容变化。

实验器材：

带胶塞的玻璃瓶、中性笔芯杆（拔掉笔尖，把它穿过胶塞插入瓶子中，笔尖座向上）、烧杯、酒精灯、水槽、易拉罐。

实验过程：

1.给玻璃瓶内装入少量稀释的红墨水（没过笔芯杆下端），用热水浇灌瓶子四壁，观察现象。

现象：笔尖座孔有“喷泉”喷出。分析：玻璃瓶内气体体积可以认为不变，有“喷泉”出现，说明当气体温度升高时，瓶内气体压强增大。

2.将空易拉罐装少量的水在酒精灯上加热至沸腾，然后将易拉罐迅速以开口向下置入冷水的水槽中，观察易拉罐的变化。

现象：易拉罐立刻被压扁。分析：易拉罐内气体没入水中认为体积不变，被压扁说明温度降低，罐内气体压强减小。

实验结论：

体积不变的情况下，一定质量的气体压强P与热力学温度T成正比。

即P=CT（C为常数）——查理定律。

实验三：动量守恒定律反冲运动。

实验器材：

空易拉罐一个、细线。

实验过程：

1.为便于灌水，将空易拉罐上部开口处扩大或去掉上部。用小铁钉（或锥子）在罐下部边缘钻（4～6）个小孔，钻好每个孔后用铁钉向同一个方向压一下。

2.在易拉罐上部钻三个小孔，将细线穿过去，在高处系一结用于悬挂易拉罐。

3.准备一只水桶，把易拉罐装满水后提起在水桶上。现象：水从各个小孔里喷射水来，易拉罐向相反的方向旋转。分析：易拉罐装满水刚开始，整个系统处于静止状态，总动量为零，当水在压力作用下喷射出来，水的动量不为零，易拉罐反向旋转的动量也不为零。

实验结论：

如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′（等式两边均为矢量和）。

拓展：根据动量守恒定律，大炮发射炮弹，炮身会向后运动，炮身的这种运动通常称为反冲运动，这是因为大炮发射前，发射炮弹时，火药在炮筒中爆发，气体膨胀推动炮弹向前运动，同时膨胀的气体也推动了炮身。由于系统没有受到外力的作用，在量值上，炮弹获得向前的动量与炮身获得向后的动量相等。

以上几个用简易自制教具所做的改进实验，不但十分方便地验证了玻意耳定律、查理定律和动量守恒定律，而且把教学与生活问题、间接经验与直接经验结合起来，使学生觉得物理就在他们的生活中，感到学有所得、学有所用，从而保持学习物理的兴趣。同时以上几个实验用的是技术设计方法，体現的是实验创新理念，使物理实验教学与通用技术实践很自然融合，达到了理科实验、技术教育和创新活动统筹教育的目的。如果教师与学生经常开展自制教具、实验改进等实验创新活动，必然会提高学科教学效果，提高学生的科学素养;必然会培养锻炼学生的动手实践能力和创新能力，提升学生的技术素养;而且在促进科学教学、提高学生综合素质的同时，还能推进学校整体教育教学发展。

信息物理融合系统概述 第4篇

1 CPS简介

1.1 CPS定义

CPS中文译为信息物理融合系统, 是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统。其概念最早是由美国国家自然基金委员会与2006年提出的。它将计算进程与物理进程良好的结合到一起, 有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次产业浪潮。它的核心概念是3C (Computation、Communication、Control) , 即通过人机交互接口来实现与物理进程的交互, 使用网络 (往往是传感器网络) 以实时的、可靠的、远程的、安全的方式监控一个物理实体的具体动作行为。

1.2 CPS特点

人们又将CPS称为“人-机-物”融合系统, 其本质是实现人类在时间、空间方面的延伸控制。

1) 与嵌入式系统相比。CPS作为物理设备与计算技术的融合体, 使得计算对象经历了由数字到模拟、由离散到连续、由静态到动态、由分布到统一的转变, 形同网络、控制与嵌入式系统的动态重组与整合。

2) 与物联网相比。CPS在物理实体互联后实现感知的基础上, 更注重对实体设备进行实时、动态的信息控制与信息服务。

3) 与软件系统相比。CPS侧重的是对各个物理进程的实时控制与反馈。强调了信息处理与交互的动态响应。

1.3 国内外研究现状

国外关于信息物理融合系统的研发开始较早, 首先是美国于2006年提出, 并作为重要研究项目之一。时隔一年, 美国总统科学技术顾问委员会, 把CPS放在与软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会生活等并称八大关键信息技术的首位。与此同时, 美国国家自然科学基金委员会 (NSF) , 常年致力于资助针对CPS研发的科研工作组, 已达数十个之多。在欧洲, 欧盟计划投入6年时间54亿欧元成为智能电子系统的世界领先地位。

在我国, 尽管相对于当下呼声较高的物联网而言, CPS还资历尚浅。但是国家已经于“十二.五”计划中将其提出, 作为未来我国信息技术产业发展的重要方向之一。相应的, “973”、“863”与国家自然科学基金也纷纷提出相应科研方案以适应国家未来的战略倾向。

1.4 相关技术与挑战

由于实时系统、传感器网络、普适计算等信息技术的迅猛发展, CPS的领域将愈加拓宽。单个传感设备在CPS中意义很小, 因此网络通信技术必不可少。自组织 (Ad hoc) 网络、Internet和更灵活的IP都需要重新改写。而对于硬件, 无论是传感设备、通信设备、计算设备还是控制设备, 都要求具备低能耗、短延迟、小规模、易装载与低价格的特点。而基于硬件基础上的软件与嵌入式操作系统, 则重点在实时性与安全性的要求上

2 应用领域

信息物理融合系统在诸多工业领域都有着广泛的应用前景, 现仅就智能交通、智能家居、两个方面给出相应介绍。

2.1 智能交通

原油价格持续飙升与温室气体大量排放造成的全球变暖使得智能交通领域的革新迫在眉睫。无论是从用户驾驶还是交通管理的角度, 都可以对目前的交通形式进行优化。

随着用户对汽车操控性及安全性等不断提出的新要求, 越来越多的汽车生产商采用了种类繁多的嵌入式电子设备。如将电子标签装在车前部或底部, 而无线射频收发装置分布于道路上。我们就可以通过CPS系统有效地实现机动车辆违章检测、定位跟踪、人车交互语音导航、ETC电子自助收费、前方路况预报、前方车辆行人预警、交通路口智能化管理、停车无人防盗等诸多智能化管理。

基于上述技术的发展, 智能交通可以大幅度提高道路使用效率, 有效减少交通拥堵情况, 大幅降低汽车能耗, 使温室气体排放量减少25%~30%。同时交通事故不再频繁发生, 可使每年因交通事故造成的死亡人数预期下降30%~70%。

2.2 智能家居

作为新兴行业, 家居智能化代表了社会发展的一种主流趋势, 有望成为新一轮经济增长点。在我国, 已有多家电子数码企业投资发展了单户型智能家居的配套设施。就目前的发展趋势, 未来几年中, 世界将有近上亿家庭拥有智能、高效、舒适的家居生活。智能家居涵盖家庭生活的方方面面, 其中包括:

1) 智能安防系统:可视对讲、指纹 (虹膜、语音等) 门禁、周界入侵报警及连续拍摄、红外摄像视频监控、110联动等。

2) 智能厨房:手感应水龙头、网络微波炉、网络热水器、直接饮水机、垃圾处理器、燃气泄漏报警、火灾报警等。

3) 智能电器控制:智能空调控制、智能窗帘控制、智能电视机、洗衣机、智能机器人佣人、养植物养宠物等。

4) 智能照明系统:随时间灯光调节、随心情颜色改变、自动节能省电等

5) 智能卫生间:人感应开关灯、感应式坐便器、按摩淋浴浴缸等

6) 智能音响设备:定时开关机、随场景变化节奏、配合安防系统制造气氛、分区播放免打扰等。

3 结束语

信息物理融合系统作为全球信息技术与信息产业的新增长点, 对我国诸多传统固有的工业模式具有突破性的重大影响。无论是美国还是欧洲发达国家, 对信息物理融合系统的研究与开发都还处于起步阶段。只要国内意识到它在推动产业改革、技术升级换代、调整经济体制等方面的巨大效益, 大力度扶持相关科学技术部门的研发与创造, 必将对于提升我国总体竞争力具有深远意义。

摘要：信息物理融合系统 (CPS) 作为计算进程与物理过程的结合体, 是集传感、通信、计算与控制于一身的下一代智能系统。该文介绍了CPS的定义、特点及国内外研究现状, 分析了我国发展CPS现今与未来将面临的机遇与挑战。并以CPS在智能交通、智能家居为典型代表的两方面应用为例, 阐明CPS对我国社会经济生活的重大影响。

信息化融合物理实验 第5篇

1在初中阶段物理实验教学中信息技术的应用

1.1初中物理实验教学的特点

在初中阶段，物理课堂教学多以演示实验的形式让学生直观地认识物理概念和规律，并让学生自己动手做实验验证实验规律来加深对知识的理解。对于初中生来说，他们刚接触到物理，这一阶段的学生思维活跃，好奇心求知欲强，爱动，具有一定的抽象思维能力，但是还需要借助具体的事物支持，让学生亲自动手做实验既可激发其学习物理的积极性，又可引导学生形成严谨、实事求是的人生态度与价值观。

1.2信息技术在初中物理实验教学的个例分析——《分子热运动》

《分子热运动》是人教版初中三年级的物理知识，其中包含了分子的扩散现象、分子动理论、分子间的相互作用力等内容[1]。微观世界的分子较为抽象，而初中生的抽象思维能力又比较弱，所以在教学过程中，教师为了让学生更深刻地了解微观世界的分子，尽可能通过教学媒介将微观世界中的分子直观地表达在学生面前。课堂程序如下：

2回顾及拓展

2.1知识回顾

首先，课堂教学的第一个环节回顾物质的构成，那么分子的讲解可以利用多媒体把分子以图片的形式展示在学生面前，构建物理模型，由抽象到具体，微观到宏观，帮助学生清晰的认识到物质是由分子组成。图1为分子模型。

2.2创设情境，引入新课

在分子的扩散现象这一内容的教学时，实验的方式可以让学生更容易理解掌握。但一节课只有有限的45分钟，那么，用多媒体播放实验录像就打破了课堂上对时间的限制，增大了课堂容量，让结论更加清晰易懂。而且运用Flash动画可以让学生全方位的更加清晰的看到整个实验过程，照顾到每位学生，使学生更易理解，且印象深刻，而且节约课堂有限的时间，丰富学生知识，增加课堂容量。例如讲解硫酸铜和水的扩散现象，如图2所示最左边的图中沉在量筒下部的.是密度比水大的硫酸铜溶液，与水有一个非常清晰的界面，放置一段时间就会发现这两种溶液混合均匀，这段时间比较长，若在课堂演示此实验，在宝贵的45分钟课堂时间肯定不能观察出明显的硫酸铜和水的扩散的实验现象。利用多媒体播放记录硫酸铜和水的扩散现象的图片，将物理现象更加直观的展现在学生面前，打破了课堂演示实验时间的局限性。

3在高中阶段物理实验中信息技术的应用

3.1高中物理实验教学的特点

在高中阶段，有许多的实验原理比较抽象，理解起来较为困难，还因为各种客观条件的限制，许多物理实验都无法严格地按照新课标的要求来进行，导致实验效果较差，而且高中阶段学习比较紧张，传统的教学中学生对于一些实验结果的认识，还是通过教师、课本所得，学生对物理知识的认识并不深刻[2]。合理利用信息技术在很大程度上可以满足这一阶段的教学需求，不仅可以节约时间优化教学，还能提高教学效率，提升教学质量。

3.2信息技术在高中物理实验教学中应用的个例分析——多媒体动画模拟

高中物理实验的研究内容范围较广，例如宏观的宇宙天体，微观的基本粒子均有涉及，而这些物理实验都是不能在实验教学中得以实现的，还有一些实验设备只有研究实验室才有。但运用3DSMAX和Flash等软件对难以实现的实验进行多媒体动画模拟，例如地球人造卫星运行的场景模拟(如图3)，核裂变的动画模拟(如图4)，可使学生对这些物理事实有初步的了解，激发学生对宇宙的好奇心和探究宇宙奥妙的积极性。

4在大学阶段物理实验教学中信息技术的应用

4.1大学物理实验教学的特点

本科阶段实验大多为验证性的实验，所以实验数据的处理非常重要，需要细心，耐心，实事求是的精神；学生通过操作一些实验仪器进行实验记录相应的实验数据，并加以处理分析，总结得出结论，巩固和加深对理论知识的理解的同时又培养了观察分析问题、动手操作能力与科研能力[3]。

4.2信息技术在大学物理实验教学中的应用——实验数据测量分析处理

近代大学物理实验中，实验现象的观察分析和数据处理的准确性和科学性是实验是否成功的关键。以密里根油滴实验为例，其采用了反转运动法测量了10个油滴分别上升下降2mm的运动各10次，得出大量的数据，而数据的处理又非常繁琐且易出错[4]。若采用人工计算，耗时又极易出现错误。为解决以上实验数据处理问题，实验中采用VisualBasic6.0编程设计的密里根油滴数据处理系统，通过VB内部程序操纵Excel应用程序，运用ActiveX技术调用Excel，实验效率得到大幅度提高。如图5所示为密里根油滴实验系统数据处理界面。系统通过应用程序快速准确的对录入数据进行处理，减少手工计算的繁琐程序，而且节约时间降低了实验数据处理出错的风险。

5信息技术和物理实验有效结合的过程中需要注意的问题

物理对实验的科学性和严谨性，实验结果的准确性、真实性都有很高的要求，信息技术的应用的前提就是要符合物理学科精确、科学、严谨的特点；虽然多媒体课件演示实验可以节省课堂时间，但是不能代替实验操作，要注重学生的实践能力，尽可能让学生动手操作；信息技术只是用来辅导物理实验教学的工具，使实验进展更加顺利，不能本末倒置[5]。促进学生全面发展是将信息技术应用于物理实验教学中的最终目的，但学生自身存在个体差异性，在课堂上，信息技术的引入要注意学生的年龄与心理特征等；每个学生的接受能力不同，所以还要注意适当的速度并配以讲解，照顾到每位同学。

6总结与展望

近年来，随着社会的进步，我国国力的不断壮大，教育领域得到快速发展，科技的进步使教育趋于信息化发展。在物理实验教学中应用现代信息技术，培养了学生的科学探究精神，使课堂容量得以扩大，现代信息技术丰富了教师的教学模式和信息资源，提高了教师的专业素养，进一步提高了教师课堂教学的质量和学生课堂学习的效率[6]。信息技术在物理实验教学中一定会有更加广阔的发展前景，在不久的未来，物理教学将会全面朝着素质教学方向前进，信息技术将会更加全面先进，将会探索出更多更有效的教学方式，优化教学目标和教学过程，促进学生全面发展，培养科技型人才，为国家的快速发展培养后备力量。

参考文献：

[1]李琪.信息技术在初中物理课堂演示实验教学中的应用研究[D].成都：四川师范大学，2015.

[2]宋国强.信息技术与高中物理教学整合的实践与思考[J].物理教师，2004，25(12)：8-10.

[3]潘琦.浅谈大学物理实验教学的特点[J].科技资讯，2010，7(10)：2-3.

[4]李卓凡.密立根油滴实验数据处理系统设计[J].大学物理实验，2010，23(3)：69-71.

[5]汪基德.从教育信息化到信息化教育[J].电化教育研究，2011(9)：5-10.

信息技术与高中物理教学融合之思考 第6篇

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.

[2]琚华.运用现代信息技术优化物理课堂[J].教学仪器与实验，2011（4）：60-61.

信息技术与物理课程教学融合浅析 第7篇

一、在教师教学方面

1.能降低教师教学的难度,增进课堂教学的效果

首先,网络资源的信息量大、更新的速度快,为教师提供了优秀的同步课件、教案、习题等资源,而且还处于动态的更新之中。教师可以利用这些优秀的资源,作进一步的加工,设计出适合自己的课件、教案、习题等,从而降低教学的难度,也可以达到较好的教学效果。

其次,利用信息技术,可以演示学生在实际生活中难以观察到的现象,也可以利用图像、视频等帮助学生理解一些抽象难懂的物理概念、规律,利于学生对重难点知识的理解和掌握。如:现在的学生基本上没见过抽水机,教师在讲到这部分内容的时候,虽然可以用实物进行演示,但是学生难以理解其中的原理;此时教师可以借助动画来进行分析,通过动画可以让学生认识其中间过程,从而达到理解其原理的目的。

还有,利用多媒体技术模拟实验,可以模拟一些现实课堂中难以完成的物理实验,弥补常规物理实验器材的不足,从而提高物理实验的效果。如:教师在测量滑动摩擦力大小时,很难让物体做匀速直线运动;此时教师可以借助模拟实验来进行分析,通过展示模拟实验,让学生掌握测量滑动摩擦力的方法。

2.有利于增加教师课堂教学的容量,从而提高教学的效率

在物理教学中,教师很多时候也需要以学生的生活感受作为依托,但是不同学生的生活阅历不同,他们对周围事物的感知能力也不同,要让学生在课堂上较短的时间内提取出生活中与教学相关的内容,是比较困难的。此时,教师就可以借助信息技术,在较短的时间给学生展示出大量的感性材料,丰富学生的认识,达到事半功倍的理想效果,从而提高教学的效率。如:广东的学生基本上没见过霜、雾凇和雪,而在“物态变化”一章的学习中又需要学生对它们有一定的认识,此时教师就可以借助图片、视频等来加深学生对它们的认识。

另外,教师在教学过程中,可以直接展示出事先准备好的文字、视频等信息,避免课堂上大量的板书和板画,在提高教学效率的同时,精美的设计也可以给学生带来视觉快感。

3.有利于教师了解学科发展形势、把握教学动态

教师可以在一些官方网站上查看有关物理学发展的动态,及时了解学科发展的形势,把握教学动态,这样教师可以做到紧跟形势,以便在学科教学时及时作出调整。

4.有利于教师间的交流、提高

网络的交互性给物理教师提供了互相学习、交流的机会。教师可以把自己设计的优秀课件发到网上,供其他教师择优使用,或是进行优化组合。教师也可以利用软件记录、管理自己的教学日志,并在网络上发表自己的教学体会,与其他教师交流,还可以通过e-mail等形式与有关专家进行交流,达到提高自己教学水平的目的。

二、在学生学习方面

1.有利于提高学生的学习兴趣

兴趣是学生最好的老师。教师只有在物理课堂教学中充分调动起学生的学习兴趣,重视学生学习主体性,才能真正实现寓教于乐。

现代信息技术具有对文字、声音、图像、动画、视频等多种多媒体信息进行综合处理的能力,并能将它们有机地融为一体,实现声形并茂的表达效果,从而达到充分调动学生的学习兴趣的目的。

如:在上“压强”课时,我曾经用“中国达人秀”中“纸牌切黄瓜”的一段视频来引入。这个视频一放,学生都兴致勃勃的,全部提起精神来了。在讲解“减小压强的方法”时,我给出了一幅有很多轮子的大卡车的图,让学生解释“为什么这辆车需要这么多轮子,若是轮子比较少,会发生什么情况?”这里也极大地提升了学生的学习兴趣。

2.能促进学生自主学习,提高学生各方面的能力

信息技术能够为每位学生提供尽可能多的选择学习的空间,有助于实现自主学习、个性化学习。

学生可以选择学习自己感兴趣的物理知识;也可以利用网络从各个资源库中查找、收集信息,然后利用数据处理技术对物理实验数据进行分析;学生还可以利用信息技术模拟研究现实生活中的物理问题,并提出解决问题的方法等;另外,信息技术支持下的虚拟实验为学生提供了全方位的操作环境,学生可以尽情地体验实验过程。这些都能促进学生自主学习,提高学生各方面的能力。

3.有利于学生间的合作、共同进步

在物理学习中,学生经常要采用“控制变量法”来研究某个物理量的大小与几个因素的关系。为了在有限的课堂教学时间内完成教学任务,教师一般会让学生采用小组合作的方式,每个小组完成其中一项因素的研究,然后运用信息技术在大屏幕上展示每组实验记录的数据和现象,可以让没有动手研究的学生,从实验记录里通过分析、归纳得出结论,加深对该物理知识的理解。

学生也可以通过网络与同伴开展合作学习,发表自己的看法并进行交流。学生还可以建立微博等个人主页,创设个性化的学习平台。

信息技术在教学中存在极大优势的同时,也存在一些弊端。如:在教师教学方面,课件制作耗时比较多;信息技术的使用可能会使很多教师产生依赖思想,减弱教师的创新意识等。在学生学习方面,课件信息量大,一定程度上限制了学生的主体地位;信息技术下的教学材料比较追求视听效果,易分散学生的注意力;虚拟实验替代实物实验,不利于培养学生的动手能力和创造性等。

总之,信息技术与物理课程教学的融合是一个长期而艰巨的任务,需要专家的理论指导,需要教师间进行广泛交流、创新实践。相信通过我们大家的努力探索、研究、实践,能够扬长避短,实现真正意义上的课程整合。

摘要：信息化是当今社会发展的趋势,以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为扩展人类思维的创造性工具。在新的形势下,将信息技术与物理课程教学进行融合,对每一位老师来说,既是机遇,也是挑战,因为它是一把双刃剑,既能促进教学,也可能会起到反作用,下面笔者就结合自己的教学实践,谈谈信息技术与物理课程教学融合的利与弊。

信息化融合物理实验 第8篇

近年来,关于电力信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)的研究在智能电网领域掀起一股热潮。 电力CPS通过3C (computation,communication,control)技术将计算系统、通信网络和电力系统的物理环境融为一体,形成一个实时感知、动态控制与信息服务融合的多维异构复杂系统。与传统电力系统相比,电力CPS的一个重要优势在于其可以借助传感器网络和信息通信网络实时获取电网全面、详细的信息。

电力CPS整体框架如图1所示。

随着电网规模的不断扩大、电力负荷的不断增长以及电力系统自动化程度的不断提高,电力网络与信息网络的交互机理越来越复杂,亟须开展关于电力CPS:① 基本理论及系统建模;② 仿真算法;③通信标准;④网络安全;⑤混合控制技术;⑥测试平台等问题的研究。

由于电力CPS对信息网络的依存度越来越高,网络安全在整个电力系统中扮演的角色也愈加重要。以中国电网三道防线为代表的电力系统安全稳定控制体系已经考虑各种电网故障情况下的控制对策,但值得探讨的是,虽然中国实行“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”原则的电力通信体系在网络架构上安全性较高,但在电力CPS环境下,信息攻击者依然可以通过注入虚假信息(例如新能源预测信息、电力市场信息等外部信息)等方式,达到攻击电网的目的。这一新的攻击形式与传统电网遭受“N-1”或“N-2”故障引发对电网安全稳定运行的影响可能存在机理和控制手段上的差异。因此,本文将重点针对电力CPS环境下的网络攻击问题,从实例分析、定义和分类以及典型场景展开讨论。

2 电力系统网络攻击实例分析

近年来,黑客或其他人员通过网络攻击手段侵入电网并最终实现对电力系统进行破坏的事件频发(详见表1)。各国政府也逐渐开始重视网络攻击对本国电力系统的影响,并通过模拟攻击对网络安全进行自检。针对电力系统的网络攻击一旦生效,将对系统稳定、经济运行,甚至国民生计、社会安定产生严重影响。 美国国防部高级研究计划局(DARPA)近期就启动了一项名为“快速攻击检测、隔离和表征”的计划,目标是发展一套能够应对电网遭受针对信息网络或基础设施的摧毁性攻击后7d内恢复电力供应的自动化系统。

2015年12 月23 日,乌克兰电网受到网络攻击,乌克兰西部地区约70 万户居民家中停电数小时,该事件被认为是第一例网络攻击造成的大停电事件。乌克兰总人口约4 500 万,总装机容量约54GW。在停电的伊万诺弗兰科夫斯克地区,仅有一个较大的发电厂,一个750 kV变电站,少有500kV以上的输电线路,220kV和330kV输电网多为星形双回线网络。这就使得对重要变电站的网络攻击容易引发大规模的停电。

ESET公司的调查人员在乌克兰电网的一些配电单位中发现了BlackEnergy恶意软件系列的一个新变体BlackEnergy Lite,以及KillDisk组件和SSH后门,这些程序被认为是这次攻击的主导。此次BlackEnergy恶意软件网络攻击过程以及KillDisk组件执行流程如图2、图3所示。

3 电力CPS网络攻击定义和分类

3.1 网络安全概念

《美国标准技术研究院(NIST)7628号报告》指出网络安全三要素分别为保密性(confidentiality)、完整性(integrity)、可用性(availability),简称网络“CIA”安全目标。网络攻击广义上是指任何一种破坏网络“CIA”安全目标的恶意攻击行为。本文给出网络攻击在电力CPS领域中的定义:以破坏或降低电力CPS功能为目的,在未经许可情况下对通信系统和控制系统的行为进行追踪,利用电力信息通信网络存在的漏洞或安全缺陷对系统本身或资源进行攻击。

3.2 电力CPS网络攻击分类

对电力CPS网络攻击的分类可以从通信网络覆盖范围和网络攻击目的两方面来阐述。

电力系统主要包括发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节。按照通信网络覆盖范围,将网络攻击分为广域网络(WAN)攻击、邻域网络(NAN)攻击和家庭网络(HAN)攻击。各种攻击类型特点如表2所示。

以破坏所述的网络 “CIA”安全目标为攻击目的,将攻击行为分为以破坏可用性为目的、破坏完整性为目的、破坏保密性为目的的网络攻击,其特点总结如表3所示。

4 电力CPS网络攻击应用场合

电力CPS中涉及网络安全的典型应用场合包括输电操作、配电自动化、高级量测体系、需求响应、用户交互等。本节将结合以上应用场合,按照电力系统发、输、配、用户侧几个环节展开,对可能存在网络攻击的具体场景进行总结归纳,如表4所示。

5 中国电力CPS网络攻击研究分析

在中国,国家电网公司作为全球最大的公用事业单位之一,每个月都遭受着来自世界各地、各方势力的网络攻击尝试。随着能源互联网建设上升到国家战略层面,作为重要一环的电力CPS的推行使得传统电网面临更多潜在的网络攻击威胁。

为加强中国电力通信系统信息安全管理,防范黑客及恶意代码等对电力监控系统的攻击和侵害,保障电力系统的安全稳定运行,2014年8月1日中华人民共和国国家发展和改革委员会颁布第14号令《电力监控系统安全防护规定》,这也意味着电力信息系统的安全已经被提高到国家安全层面。

从网络架构来看,相比欧美发达国家,中国电力信息系统更为坚强。然而这一切需要建立在物理设备可信的基础上。当物理设备本身遭受人为蓄意的破坏、攻击和干扰时,其可靠性的降低将严重影响整个电力信息系统的安全。

随着中国CPS的大力推进,电力信息化进程逐步提速。中央网络安全和信息化领导小组会议指出:“没有网络安全就没有国家安全,没有信息化就没有现代化;网络安全和信息化是一体之两翼、驱动之双轮,必须统一谋划、统一部署、统一推进、统一实施。”当前电网已经不再只根据系统内部信息进行调整和控制,越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统控制决策。此外,中国倡导的全球能源互联网的建设,也需要进一步考虑不同国家电网中电力和通信设备、网架结构的差异性。

结合本国电力信息网络实际,中国学者已在网络攻击领域展开以下研究。

1)国网电力科学研究院薛禹胜院士团队开展的“考虑通信信息系统风险的电网安全稳定防御关键技术研究”,首次从信息物理融合角度,对通信系统、信息网络、一二次设备和电力系统同时进行监控和关联分析,检测各种异常和故障行为,探索通信系统与电力系统交互影响机理,形成通信与电力协调优化的综合防御体系。

2)国内各高校和科研单位已经陆续开展信息安全对电力CPS的影响研究。清华大学研究团队展开了信息网络失效对电力二次系统影响的研究;东南大学研究团队开展了电力系统和信息系统交互影响机理研究;由福建电科院牵头,浙江大学、山东理工大学等多家单位参与的863计划“配电网信息物理系统关键技术研究及示范”针对配电网CPS开放式通信体系和网络安全技术等展开研究;全球能源互联网研究院、中国电力科学研究院等国家电网公司直属科研单位依托国家电网公司信息安全重点实验室开展了深入的技术研究与技术支撑工作。

3)电力CPS是一个电力系统与信息通信系统深度融合的时空多维异构系统,针对其网络安全特性的分析已不再能够通过单一电力或通信仿真工具进行分析和仿真。因此,亟须提出全新的电力信息安全分析联合仿真平台。该平台需要能够对电力信息网相关安全事件(如网络攻击、信息中断)进行准确的仿真,并能够通过多平台交互对此类事件在电力物理系统产生的后果进行精确模拟。由南瑞集团公司牵头,东南大学参与的研究团队已经对此展开初步研究,搭建了基于FASTEST和OPNET(SSFNET)的联合仿真平台,并且针对信息安全对电力系统状态评估系统、自动发电控制系统等的影响进行了分析。

6 展望

中国现有关于电力CPS网络攻击的研究还处于起步阶段,但随着能源互联网建设上升到国家战略层面,电力CPS的进一步推行也将使电网面临更多潜在的威胁,未来关于电力CPS网络攻击这个课题的重点研究方向有以下几点。

1)主动响应配电网环境下的电力CPS网络攻击研究。智能家居、电动汽车等接入使配电网有主动响应功能,实现通信的方式包括ZigBee和Wi-Fi等,需要研究如何在主动响应配电网环境下有效识别并抵御网络攻击,保障电力系统安全稳定运行。

2)考虑网络攻击的电力CPS可靠性评估方法。网络攻击造成的时延、误码和中断等通信故障将有可能导致电力系统非正常运行甚至引发连锁故障,提出合理的电力CPS可靠性评估方法,能够识别系统关键节点,指导CPS网络防御体系建设。

信息技术与高中物理教学融合之我见 第9篇

1 信息技术与物理课程整合的现状

(1) 现代信息技术应用于中学物理课堂教学还没有真正地实现全国普及。根据调查, 现代信息技术就单在一些重点学校或示范学校应用, 且仅限于一些教研课、比武课或是新授课等, 而在平时教学少之又少。甚至有的偏远学校连互联网都没有。出现这样的现象, 一是条件有限, 资金、硬件不齐;二是教师技术问题, 不会上多媒体课, 还有的教师觉得效果不理想, 就干脆不上多媒体课。

(2) 目前中国的信息技术在物理教学中应用的模式, 主要还是以课堂演示型和操作练习型的单一模式为主, 往往忽略双向交流, 交互性差。源于实际的调查认为高中物理课上由教师演示, 学生模仿的情况占50% 以上;而情境模拟、教学测验占15% 左右;游戏、互动问答占8%;多媒体教育的不到7%。由此可见, 信息化的普及应用还需要更进一步的推动。

2 信息技术与物理课程整合的意义, 以及整合思路

2.1 信息技术与物理课程整合的意义

信息技术与物理课程整合主要是为了提高教学质量, 让学生的思维灵动起来, 而且信息技术具有的交互性 , 模拟科学性, 能够更好地激发学生的学习兴趣。运用信息技术教学, 给学生提供了一个生动、切实的学习环境, 使填鸭式的被动学习转变为求知似渴的主动学习方式。由“厌学”变成“爱学”, 信息技术教学能够提供光、声、色地多样的感官刺激 , 可以做到图文并茂 , 克服了传统教育中抽象、死板的缺陷, 有利于激发学生的学习兴趣, 有利于学生对新知识的认识了解。信息技术建立的虚拟环境, 能够构建个别化的学习环境 , 有利于营造协作式学习氛围 , 培养学生的合作精神。这不仅对学生的学习能力有帮助, 而且可以锻炼学生的交往能力、创新能力、和思考能力。

2.2 信息技术与物理课程整合的思路

首先要转变教师的施教理念、方法, 提高教师的施教技术。很多教师固步自封, 不接触信息技术, 传统的施教观念严重制约了信息技术与物理教学的整合。其次, 要因材施教, 尊重科学, 准确理解课程整合的涵义, 学科不同, 整合也就个别对待。

3 信息技术与物理课程整合的措施

(1) 利用信息技术教育设备, 建立形象生动的教学环境 , 调动起学生学习和思维的积极性。由于物理的学科特点, 实验场景的逼真在高中物理课程教学中起着十分重要的作用, 所以教师要充分利用信息技术, 构建有利于学生学习的模拟环境。这样物理课堂就不会呆板乏味, 大大丰富了物理的教学情境, 培养了学生的认知能力, 也更容易调动起学生学习的积极性, 增强学生学习物理的兴趣。例如, 物理学的三大定律, 在书本上只是几张图, 但是如果利用信息技术构建模拟环境, 对三大定律进行真切的实验, 那么学生就可以真正地学到定律的意义和用途。

(2) 在提高教师教学技术水平的同时, 也应该构建学生自主和个性化的学习环境, 以培养学生学习的主动性, 发挥信息技术在物理课堂当中的真正作用。

4 结语

物理学本身是一门比较抽象、乏味的课程, 以前由于技术水平的落后, 在物理课上学生显得很吃力、不懂、茫然。但是随着信息技术的广泛应用, 信息技术教育慢慢地进入到校园, 教师利用信息化的高科技, 构建了绘声绘色的教学环境, 让学生不再模棱两可, 一知半解。今后应该加大力度, 推进信息化与所有课程的整合, 实现现代教育真正的灵动、活力、创新。

摘要：信息技术与课程整合是当前课程改革的一项重要内容, 信息技术与高中物理教学的融合对学校物理课程的改革与发展产生了积极的影响。本文通过分析信息技术与物理课程整合的现状, 探讨了信息技术与物理课程整合的思路及措施。

关键词：信息技术,高中物理课程,融合

参考文献

[1]鲍燕.信息技术与高中物理课程整合的理论思考[J].软件导刊, 2005, 4 (23) .

[2]姜爱梅, 金美芳.信息技术与高中物理课程整合的教学实践[J].新疆大学学报, 2007, 9 (30) .

[3]徐少炜.信息技术与高中物理教学融合之思考[J].中学教学参考, 2013, 11 (10) .

[4]项浚, 洪河条.新课程标准下信息技术与高中物理教学整合的理论与实践[J].信息教育化, 2005, 1 (25) .

信息技术与实验教学改革的融合 第10篇

关键词：信息技术,实验教学,教学改革

高等教育的任务是培养有创新精神和实践能力的高级专门人才, 发展科学技术文化, 促进社会主义现代化建设。加强各种实验教学对于培养学生的实践能力和创新能力尤其重要。近年来, 高等学校实验室针对原有传统实验教学“保守、封闭”、不利于创新性人才培养的弊端, 提出了开放性实验教学的概念。因此, 加强实验室建设, 进行开放性实验教学改革成为高校教学改革中的重要组成部分。而随着网络技术的发展和完善, 信息技术越来越广泛地应用于教育事业, 正在逐渐地改变着我们的学习和教育方式。把信息技术作为工具手段, 与各门教育学科进行整合, 也成为教学改革的主要发展方向。高校实验教学信息化, 作为整合的一个分支, 对改变我国实验教学现状起着极其重要的作用。因此, 信息技术如何与开放性实验教学改革进行融合是值得我们研究的。

开放性实验教学的特点

所谓开放性实验教学是指实验室全天向学生开放, 学生可以随时进入实验室, 进行实验构想、设计和调试, 可以完成教师指定的实验项目, 也可以自己设计实验, 并能及时得到教师的指导。

进行开放性实验教学改革, 有利于激发学生学习的主动性和积极性, 学生根据自己的兴趣和爱好进行选题, 进一步促进了学生学习的积极性;同时还能够培养学生独立分析问题和解决问题的能力;另一方面有利于提高教师水平:教师在开放性实验教学的模式中, 由知识的传授者转变为学习的指导者, 教师需要自觉的更新知识、拓宽知识面, 从而促进了教师水平和能力的提高;进行开放性实验教学, 还有利于实验室资源的充分利用。

而实施开放性实验教学, 也需要解决一些问题: (1) 实验室开放以后, 进入实验室的人数增加了, 使用仪器设备的人也多了, 实验室开放时间也延长了, 这就给实验室管理带来了一系列问题:包括实验设备的管理、开放性实验的时间安排等。 (2) 进行开放性实验教学以后, 学生可以自愿报名参加某个实验, 学生个体水平差异更大;实验时间随意性大, 教师不可能全天候进行指导, 如何加强师生相互交流, 使开放性实验教学达到应有的效果成为亟待解决的问题。 (3) 传统实验教学的评价, 主要依据实验报告, 实验结果的准确与否来评价实验成绩, 而忽视了对实验方法、实验过程以及学生分析解决问题能力的考核, 开放实验教学需要建立一套更加完善的评价体系。

信息技术的应用

目前各种信息技术已经深入应用到教育事业, 我们在实施开放性实验教学时面临的问题, 同样可以通过灵活地利用信息技术加以解决。目前, WEB技术、网络交流技术、多媒体技术和虚拟现实技术等都已应用到实验教学中, 这些技术有力地推动了开放性实验教学改革。

1. WEB技术的应用

由于实验室全天对学生开放, 给实验室管理带来了一定的难度, 如实验设备的管理、实验时间的预约、实验项目的安排等等。要做好这些工作, 单靠手工操作肯定不行, 必须有一套完整的教学管理系统予以支持。我们可以利用WEB技术研究设计一套“基于Web的实验教学管理系统”, 其主要功能可以划分为:实验室管理员模块, 学生模块, 教师模块。其中: (1) 实验室管理员模块可以完成 (1) 设备管理:包括各实验室设备的基本信息管理、设备的完好率等功能; (2) 学生管理:包含学生基本信息的管理, 实验预约信息以及实验出勤情况的管理等功能; (3) 教师管理:包括实验教师基本信息的管理, 教师出勤情况统计等功能。 (2) 教师模块可完成对实验项目以及实验内容的维护, 实验时间的安排、实验预约情况的管理等。 (3) 学生模块可以完成学生注册、实验室信息的查询、实验项目的查询、实验开放时间以及实验预约情况的查询, 并实现实验的预/退约等功能。

因此, 基于WEB技术的实验教学管理系统能较好的解决开放性实验教学中实验室管理的问题。

2. 网络交流技术的应用

(1) BLOG技术

BLOG是继Email、BBS、ICQ之后出现的第四种网络交流方式, 是以超级链接为武器的网络日记, 它代表着新的生活方式和新的工作方式, 更代表着新的学习方式, 被喻为“互联网的第四块里程碑”。Blog自流行以来就引起了国内外教育界人士的关注, 近年来人们也对BLOG如何应用于教学活动进行了很多研究。

在开放性实验教学活动中, BLOG的应用丰富了教学手段, 使开放实验教学的作用得到进一步的增强。

(1) 利用BLOG, 教师可以发布各种信息, 将实验项目介绍、实验任务、实验要求、注意事项以及收集到的相关信息等放在自己的BLOG上, 同时允许学生留言。学生可以围绕教师发布的主题进行活动, 收藏相关网络资源, 发表学习日志, 参与评论交流。教师则可以指导学生的主题交流活动, 解答学生日志中出现的问题, 指导协作学习, 从而帮助不同层次的学生学习, 提高开放性实验的有效性。

(2) 利用BLOG, 学生可以全程记录实验过程, 其中包含实验方案、实验报告、实验心得等信息, 一方面可以总结实验所得, 另一方面也有利于教师通过实施过程评价来克服传统实验教学中仅根据实验报告和实验结果进行实验评价的弊端。

(3) BLOG还能帮助学生形成经常性的表达、思考、交流、反思的良好习惯, 进一步促进开放性实验所倡导的创新能力的培养。

(2) 其他网络交流技术

除了BLOG, Email、BBS、QQ、MSN也是当今网络世界应用最广泛的交流方式。我们可以灵活运用这些交流方式, 加强教师与学生的交流。例如建立QQ群的方式, 可加强教师与学生、学生与学生之间的即时交流, 使得学生能及时得到教师的指导, 而教师也可随时了解学生的学习情况。

3. 多媒体技术

多媒体技术是使用计算机交互式综合技术和数字通信网络技术处理多种表示媒体——文本、图形、图像、视频和声音, 使多种信息建立逻辑连接, 集成为一个交互式系统。

目前, 多媒体技术教学已广泛应用于教学, 由于多媒体教学直观形象、生动有趣, 能充分调动学生的学习积极性, 使之产生浓厚的学习兴趣, 在欢乐的情景中获取知识。因此, 利用多媒体教学手段被公认为是提高教学质量的重要手段。同样, 在开放性实验教学中, 充分运用多媒体技术, 对于优化实验教学, 提高实验效果有着不可忽视的作用。

(1) 利用多媒体技术制作实验指导课件, 例如将实验指导制作成音视频材料, 一方面可应用于学生操作实验前的讲解, 使讲解更生动、形象、直观, 学生也容易领会。另一方面还可上传至服务器, 学生在课后可以随时下载学习。

(2) 利用多媒体技术演示实验, 学生动手操作前可以预览实验过程, 有助于提前了解一些问题和对特定现象的观察。例如:计算机专业的一些操作性的实验, 如果没有多媒体技术, 单凭教师的一张嘴、一支笔是根本无法讲清的。而通过投影仪, 学生可以清楚地看到教师在在计算机上的操作演示, 起到了事半攻倍的效果。

4. 虚拟现实技术

虚拟现实 (Virtual Reality) 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它充分利用计算机硬件与软件资源的集成技术, 提供了一种实时的、三维的虚拟环境 (Virtual Environment) 。

虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境, 学生能够成为虚拟环境的一名参与者, 从而能调动起学生的学习积极性, 突破教学的重点、难点, 对培养学生的技能将起到积极的作用。学生可以通过网络参加实验, 根据实验目的选取适当的虚拟设备, 在网上进行实验操作, 从而达到实验目的。虚拟实验突破了时间和空间的限制, 可以全天24小时开放, 实现真正意义上的开放性。

但是仿真虚拟实验也不能完全替代实物实验, 在真实的、实际的实物实验中, 可能会出现某些异常现象和故障, 这些现象和故障在虚拟实验室中绝对不会出现的。因此仿真虚拟实验不能完全代替动手实物实验, 应根据不同的实验对象, 合理安排仿真虚拟实验与实际实验的比例, 才能使虚拟现实技术在实验教学中起到积极的作用。

结束语

信息技术发展迅速, 种类繁多, 将各种更新更好的技术应用到实验教学活动中, 提高实验效果, 是实验教师的责任。但应注意的是, 虽然信息技术的发展丰富了我们的教学手段, 但在教学中我们也不可盲目使用信息技术, 而应该根据实际情况, 合理、灵活的运用各种信息技术, 并将各种技术手段相结合, 以促进开放性实验教学改革, 提高实验教学质量, 真正达到培养并提高学生实践能力和创新能力的目的。

参考文献

[1]丁革建, 蒋芬君.Blog在开放实验教学中的应用[J].实验技术与管理, 2006 (12) :123～124.

[2]赵志刚.虚拟现实技术对实验教学的影响[J].中国电化教育, 2007 (12) :81～83.

信息化融合物理实验 第11篇

摘要：文章阐述历次工业革命时期英国、美国、亚洲四小龙与中国制造中心演变与金融所扮演的角色，归纳分析制造中心演变与金融角色具有的三大关键特征，并预判信息物理融合下技术与制造中心变革趋势。最后提出技术应用三大阶段、行业服务产业升级与风险构成、区域布局国际国内业务发展等三个层面提出商业银行金融服务策略。

关键词：制造中心转移；金融服务策略；信息物理融合；商业银行

一、 引言

本文首先阐述历次工业革命时期制造中心演变与金融所扮演的角色，并归纳分析主要特征，其次预判信息物理融合下技术与制造中心变革，最后从技术应用、行业服务、区域布局三个层面提出商业银行金融服务策略。

二、 历次工业革命时期制造中心演变与金融角色

1. 工业1.0时期制造中心英国工业特征与金融角色。就对经济影响，工业1.0技术优势较后期三次工业革命更为突出，直接引领制造进入工业时代，该时期世界制造中心英国与金融交互的基本路径表现为：技术优势推动工业发展，国家资本与军事力量增强驱动形成贸易优势地位并完成财富积累，商业银行全面兴起并进一步推动技术与工业发展（详见表1）。金融资本与工业快速发展，直接结果表现为制造业与贸易资本快速增加，在国家经济中地位也快速提高。该时期，信贷投向极度丰富，贸易公司扮演了部分国际金融业务职能，主要信贷产品为长期贷款与中短期贷款，贷款操作便利性与资本可获得性在英国体现尤为明显。

2. 工业2.0时期制造中心美国工业特征与金融角色。在继承欧洲人力、科技人员、商业企业管理制度等基础上，凭借自由而开阔的市场需求，创新得以快速推广与应用，大型海陆运输设备的应用，加速了工业与金融全球布局，工业科技与生产方式螺旋式创新与应用始终为美国工业发展的主要推动力，周期性经济危机也促使政府干预市场化程度加深（详见表2）。美国技术进步与知识密集型产业推动了金融结构变化，高风险投资兴起；创新从非银金融机构开始，资本市场繁荣增加了资金配置效率。科技投入除大型企业融资或自有资金外，风险投资资本市场被视为新兴公司融资的主体。证券、金融公司、基金等各类非银机构（未含保险、养老金）占比稳步提高，1970年升至33.6%。风险容忍度层次化分布的金融结构优化形成的多层次资金配置效率，是美国持续创新的关键动力之一。

3. 工业3.0时期制造中心亚洲四小龙与中国工业特征与金融角色。与前两次工业革命不同，第三次工业革命信息技术与大型交通运输快速发展，制造中心与工业革命技术发源地出现分离，制造中心发展与金融交互的路径表现为：劳动力、土地等生产要素价值洼地以及政策引力，结合FDI资本注入，实现劳动密集型产业承接，资本快速积累，随生产技术提升与制造技术等完善，进一步强化制造中心地位并形成劳动密集型制造向周边扩散，金融服务在导入发达国家金融经营管理经验的基础上逐渐完善（见表3）。

三、 制造中心演变与金融角色关键特征

梳理全球制造中心与工业革命发源地演变历程（表1～表3），其突出特征可总结如下：

1. 工业革命发源地与制造中心逐渐分离。与工业1.0时期的工业革命发源地和制造中心出现于英国、工业2.0时期主要为美国不同，工业3.0时期工业革命发源地与制造中心分离特征显著。

2. 国家层面利润中心与制造中心分化程度逐步加强。与英国、美国制造中心呈现的技术与制造均紧密结合不同，工业3.0时代，亚洲四小龙的制造、尤其是中国制造中心与下一次世界工厂转移呈现明显的制造低利润化。技术壁垒形成技术溢出转移效应与制造转移不同步，造成利润创造与形成工业价值链微笑曲线的偏离程度加强，直接形成利润中心与制造中心分化。

3. 工业革命发源地与制造中心最终均形成全球金融中心。于英国、美国、日本等相继成为世界制造业中心的同步，伦敦、纽约、东京等成为了国际金融中心；地缘原因，德国工业可以借力伦敦金融中心功能，推动本国金融与工业发展。美国多元化金融市场资本供给保证了新型产业发展资金需求，并为后续资产重组、并购等经营风险化解或经营发展提供动力，进而也为金融机构的持续发展提供良好的市场环境。无一例外，制造中心转移后，一国金融机构经营的专业性是其持续竞争力的关键所在。

四、 信息物理融合下制造中心与金融角色预判

前三次工业革命不同，信息与金融相结合在整合制造流程与企业协同生产方面发挥着资源高效配置与智能决策等作用（表4），信息与制造融合的工业4.0将很大程度上促成制造中心与利润中心回归。工业4.0将劳动密集性产业一定程度向资本密集型产业转变，而制造与技术积累，自动化生产体系推动拥有技术优势的国家"再工业化"。可以判断工业4.0世界制造中心将在全球范围呈现低端制造分散化，高端制造集中化。此外，受技术创新所需人才培养、工业技术积累等基础要素在短期内不易形成，劳动密集型产业或低技术性产业承接国最终升级为创新中心的概率降低，同时，制造中心分散化也将进一步弱化各制造中心的市场话语权，价值链微笑曲线张度会进一步收缩。

五、 商业银行金融应对策略

与商业银行通过实施产权改革、享受我国经济快速增长红利不同，目前迎来智慧经营期，在信息物理融合下，商业银行转型策略需从技术应用、行业服务、区域布局三大层面展开：

1. 技术应用策略。信息物理融合下制造业的数字化首先表现金融服务数字化，商业银行金融服务数字化需完成三大阶段：即关注布局数据基础、构造全网络化金融服务、形成大商业金融数字交易平台。

第一阶段关注布局数据基础，表现为商业银行主动式采集商业信息或与外部信息合作支持。目前，商业银行已纷纷自建平台，如平安橙e网打造中小企业云信息系统；工行、建行、民生等搭建电商平台；布局数据阶段需要解决两个问题：一是有价值的数据是什么；二是如何形成数据供应商的粘性。外部信息合作则在高质量数据获取方面具有显著优势，工程机械内植入远程监控管理系统，通过采集工程机械的数据，感知设备运行状况，对大型设备高质量运行数据等的采集很大程度上感知企业运营状况，相对企业财报的时效性，运营数据实时性、真实性、业务关联网络性等更便于做出服务决策、便于监测企业风险。

第一阶段关注布局数据基础，表现为商业银行主动式采集商业信息或与外部信息合作支持。目前，商业银行已纷纷自建平台，如平安橙e网打造中小企业云信息系统；工行、建行、民生等搭建电商平台；布局数据阶段需要解决两个问题：一是有价值的数据是什么；二是如何形成数据供应商的粘性。外部信息合作则在高质量数据获取方面具有显著优势，工程机械内植入远程监控管理系统，通过采集工程机械的数据，感知设备运行状况，对大型设备高质量运行数据等的采集很大程度上感知企业运营状况，相对企业财报的时效性，运营数据实时性、真实性、业务关联网络性等更便于做出服务决策、便于监测企业风险。

第二阶段构造全网络化金融服务，基于采集数据，挖掘数据的资产。目前，工行、建行等线下业务如保理等线上化，形成的在线供应链，工行、民生等基于银行资产的网络信贷，以及平安结合口碑网数据推出的口碑贷，均表现出全网络金融服务的方向。

第三阶段形成大商业金融数字交易平台，数据决策模型将是技术应用的核心。不同与传统财务报表与行业主观判断指标以及单一企业历史违约数据等决策模型，在企业网络视角下的客户数据预处理模型（如筛选关键数据指标等）、客户自动评价模型、客户自动关联授信模型、产品定价模型、客户运营监测模型等。其次，应该强调的是，商业银行传统渠道线下服务依旧具有较大的存在必要性，其职能发生转移，即释放传统内部业务申请、审批等报告撰写等工作，重点关注客户关系维护与产品对接。

2. 行业服务策略。信息物理融合下制造转移首先需要关注原有制造基地的产业转型升级，一方面，工业4.0推动直接关联的新型行业如工业自动化下的工业机器人、机械数字智能产业、物联网等相关网络与数据采集设备等；同时，间接推动的农业机械、运输、环保、家电等智能化产业升级。另一方面，客户结构角度，新型知识密集型产业触及普遍偏少，创新驱动下的经济增长战略，爆发期已经开始，服务谁、谁服务、怎么服务等问题值得研究。招商银行“千鹰展翼”计划，推动商业银行、私募股权投资基金、券商三位一体共同服务合作服务模式；浦发银行“科技小巨人”构建多方合作联盟。总体看来，强调总行专业技术研究支持、总行机构配置前导等服务，形成投、保、贷等联合，基于企业发展生命周期的不同阶段不同机构服务、衔接、退出的联盟式合作将成为主流。

其次，需关注风险构成。一方面，注意创新驱动的投资狂热风险，历次工业革命发展均表现出基于现有工业体系的渐进式创新的稳定性与持续性更优，技术风险相对更低。另一方面，关注因技术创新形成新的产能过剩风险等，如机器人技术逐步成熟放大原有企业厂房空间的产能，将进一步扩大相关行业整体产能。此外，产业生命周期缩短，风险控制向风险感知能力倾斜，竞争的关键将体现为商业银行精准行业战略布局与战术操作的“智力支持”。

3. 区域布局策略。金融区域布局直接体现为国际制造区域转移金融应对策略与国内制造区域转移金融应对策略。

国际制造区域转移方面，长期以来，我国作为制造中心的外向型经济特征形成商业银行对传统进出口贸易的国际信用证（进口、出口、远期）、T/T、内保外贷等国际结算、融资等金融服务较为成熟。随全球技术变革、我国人力资源、土地等生产要素红利释放等影响，制造中心的再次转移如上一章节所述已在行进之中，政府主导为主、企业流动为辅成为制造转移的主导因素。央行先后和新西兰、加拿大等十几个国家签订货币互换协议，人名币国际化、“一带一路”建设、自贸区协定等加速进出口贸易等同时，产能输出、企业“走出去”明显加速，加之资本项下账户逐步放开，摆脱香港金融中转站（各家商业银行的在港机构）成为必然。针对企业“走出去”目的地如东盟、澳洲等，借鉴英国、美国、日本等经验，通过子公司创新型发展专业化、综合化投融资服务将成为布局重点。

国内制造区域转移方面，对业务服务内容，可实施大区化灵活性政策指导，一方面对东部北上广深等技术创新驱动经济发展区域，见行业服务策略部分。另一方面对中西部承接制造转移，发挥当地人力、土地、财税等生产要素优势区域，做好转移制造企业基建周转信贷、设备进出口等金融服务，并以大型企业为切入点，关注上下游及周边配套企业，专注服务企业群。最后对西部资源开发支持制造持续发展现状，专业研究金属、能源等大宗商品供求趋势与价格走势，柔性配置资金、管控行业系统性风险。

此外，积极发挥技术应用的异地服务能力。技术服务中对数据布局、网络化服务以及商业金融数字交易平台直接体现为异地服务，面对工业4.0推动的制造技术创新与企业网络化，加强基于网络技术的业务异地化服务，解决当前属地化管理造成业务区域的人为割裂，形成企业属地与数据采集等风险管理异地服务，形成账户管理、尽职调查、综合产品服务配给、贷后风险监控等高效服务。此外，在业务拓展层面，异地资源整合提供高效综合化服务可操作性更强，除前文提及的传统融资租赁业务中设备使用检测等异地服务价值外，通过商业银行集团化运行与资源共享，便于商业银行信贷、信托等部门基于融资租赁的设备运行数据，做出延伸型信贷、信托、基金等综合服务。

参考文献：

[1] 龚强，张一林，林毅夫.产业结构、风险特性与最优金融结构[J].经济研究，2014，（4）：4-16.

[2] Pollard S.The Growth and Distribution of Capital in Great Britain， c.1770-1870. The Third International Conference of Economic History， Paris，1968：362.

[3] 张为付.世界制造中心形成及变迁机理研究[J].世界经济与政治，2004，（12）：67-73.

[4] Mowery DC.The emergence and growth of industrial research in American manufacturing，1988-1946.Ph.D diss.， Stanford University.

[5] Mills KG， and McCarthy B.The State of Small Business Lending：Credit Access during the Recovery and How Technology May Change the Game[R].Working paper，2014 July， Harvard business school.Available at： http：//ssrn.com/abstract=2470523.

[6] Dutton WH.Putting things to work： social and policy challenges for the Internet of things[J].Info， 2.14，16（3）3：1-21.

基金项目：中国博士后科学基金（项目号：2015M571185，2014M550912）。

作者简介：冯宇坤（1983-），男，汉族，陕西省榆林市人，财政部财政科学研究所博士生，研究方向财政理论与政策；李晓宏（1984-），男，汉族，陕西省榆林市，西安交通大学管理学博士，中国农业银行与清华大学经管学院联合培养博士后，研究方向为供应链金融、工业经济；杨建辉（1961-），男，汉族，四川省西充县人，西安交通大学工程博士，中国机械工业建设集团有限公司书记、高级工程师，研究方向为机械制造与工业变革。

信息化融合物理实验 第12篇

关键词：信息物理系统,网络攻击,信息安全,智能电网,实时感知,电力通信

0 引言

信息物理系统(cyber physical system,CPS)通过3C(computation,communication,control)技术将计算系统、通信网络和物理环境融为一体,形成一个实时感知、动态控制与信息服务融合的多维异构复杂系统[1,2]。近年来,随着智能电网建设的不断发展,电力系统的自动化程度迅速提高,电网传感器数量、信息网络规模和决策单元数量都大大增加[3]。此外,能源互联网的推广使得越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统控制决策,电力网络与信息网络的交互机理日益复杂[4]。现代电力系统已不再是传统意义上的电力设备网络,而是发展成为具备各种CPS典型特征的电力CPS。

电力CPS可以借助更大规模的传感量测系统和更复杂的信息通信网络实时获取电网全面、详细的信息。因此,电力CPS对信息系统的依存度越来越高,网络安全在整个电力系统运行中扮演的角色也愈加重要。针对电力系统的网络攻击具有隐蔽性强、潜伏期长、攻击代价小的特点[5],虽然它不能直接破坏电力一次设备,但可以通过削弱甚至完全破坏二次系统的正常功能,达到类似于物理攻击的效果,对系统稳定、经济运行,社会安定产生严重影响[6]。电网正常运行时,二次设备故障会造成量测丢失或错误,影响调度人员对电网一次系统的准确感知[7];一次系统发生故障时,若由于继电保护装置、数据采集与监控(SCADA)/能量管理系统(EMS)/广域测量系统(WAMS)等二次系统的通信网络发生故障或受到恶意攻击,出现信息中断、延迟、篡改等情况时,极可能导致控制中心下达错误指令、决策单元误动作或退出运行等电力一次系统的故障,从而引发一次系统的振荡和大范围停电事故[8]。乌克兰大停电事故就是一起电力二次系统遭受网络攻击后引发一次系统故障的典型案例。恶意代码攻击部分变电站监控系统,导致发电设备故障,引发乌克兰大范围停电。具体的攻击细节将在本文第2节展开介绍。在此事件后,各国政府也逐渐开始重视网络攻击对本国电力系统的影响,并通过模拟攻击对网络安全进行自检。

在中国,国家电网公司作为全球最大的公用事业单位,每个月都遭受着来自各方势力的网络攻击尝试,仅其中一家企业,其内网每月被攻击2 000次以上,信息内网被攻击20次以上[9]。为加强电力通信系统信息安全管理,防范黑客及恶意代码等对电力监控系统的攻击和侵害,保障电力系统的安全稳定运行,2014年8月1日中华人民共和国国家发展和改革委员会颁布第14号令《电力监控系统安全防护规定》,表明电力信息系统的安全已经被提高到国家安全层面。

虽然以中国电网三道防线为代表的电力系统安全稳定控制体系已经考虑各种电网故障情况下的控制对策,并且实行“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”原则的中国电力通信体系在网络架构上安全性较高,但在电力CPS环境下,信息攻击者可以通过攻击传感装置,并注入虚假信息[10,11](例如新能源预测信息、电力市场信息等外部信息)等方式,达到攻击电网的目的。这一新的攻击形式与传统电网遭受“N-1”或“N-2”预想故障引发对电网安全稳定运行的影响存在机理和控制手段上的差异。因此,本文将重点针对电力CPS环境下的网络攻击问题,从网络攻击内涵、分类以及典型场景展开讨论,并结合中国学者在这方面开展的研究,给出对未来这一研究课题的几点展望。

1 电力CPS概述

电力CPS是一个充分融合电力系统物理网络与信息网络的多维异构系统,通过计算设备、传感设备、通信设备、物理设备等的相互协同,实现电力系统整体运行性能的最优化[2]。电力CPS架构(如图1所示)主要包括多源电力网络、多元信息网络和电力CPS网络3个部分。

1.1 多源电力网络

多源电力网络指含有各种电力设备(如分布式电源、电力电子装置、储能装置、传统负荷、可控负荷、智能电器等)的电力系统物理网络。

随着智能电网建设的推进,电源、电网和负荷间的构成形式、响应范围和交互模式较传统电网更趋复杂[12]。一方面,特高压交直流输电技术的迅速推广以及集中式可再生能源的大规模接入给电网现代运行控制理论带来了很大的挑战;另一方面,电动汽车并网、分布式电源/储能技术以及需求响应技术的发展,使得负荷具有良好的调节和控制性能[13]。此外,柔性交流输电系统(FACT)等设备的使用也增强了电网柔性可控能力。多源电力网络对电网调度控制和安全稳定运行将产生多方面的深远影响,只有实现源—网—荷的全面互动和协调控制才能达到多源电力网络最优化运行的效果。

1.2 多元信息网络

多元信息网络借助信息设备(如传感设备、分布式计算设备、服务器等)获取系统信息。该系统信息不仅包括电力网络中量测信息(如节点电压、电流等)和状态信息(如开关闭合状态、变压器分接头位置等),还包括外部信息(如电价、天气情况等)和主观信息(如用户需求、攻击行为等)。上述信息通过不同类别通信网络(如Internet、光纤专用通信网络、无线通信网络等)传输至系统集中控制中心或分布式控制装置。

电力CPS物理网络的多源化发展以及信息设备的大量接入,使得信息网络需要采集、传输和处理海量多元异构信息,电力数据呈爆发式增长[14]。这一发展趋势对电力时空大数据的高效组织、管理、挖掘与展示提出了迫切的要求。文献[15]提出构建一套“信息驱动的全球能源互联网全景安全防御系统”,实现对海量多源数据采集、可靠存储、高效处理及可视化展示;文献[16]提出大数据积累下的可靠性评估参数获取方法。上述理论与方法都为电力CPS多元信息网络的高效综合利用提供了宝贵思路。

1.3 电力CPS网络

电力CPS网络是整合上述多源电力网络与多元信息网络的一个虚拟网络概念。电力CPS网络中的每个节点由信息网络和电力网络中的对应节点映射得到,节点可同时与多源电力网络、多元信息网络进行实时交互,通过信息设备实时感知并处理能量流/信息流数据。如果以一个多元组表征每个电力CPS网络节点,则该多元组可以是仅含物理量/信息量的元素集合或者是两者的并集,这取决于实际电网中该节点的物理/信息配置以及电力/信息流的具体交互情况。

电力流交互是对物理网络连续过程的描述,信息流交互则是以离散化数据结构为基础的计算机科学[2]。传统电力系统分析与控制方法基本是将两者割裂开的,电力CPS网络理论和控制方法必须能融合电力网络和信息网络,准确反映这种连续性与离散性并存的特点。现有对电力CPS网络基本理论及系统建模方面的研究主要有以下几个思路:①基于网络流量模型以及通信网络阻塞问题建立电力CPS网络稳态模型和动态模型[17];②以控制系统典型应用为研究对象,提出一套基于有向图理论的信息能量融合建模方法与综合评估体系[3,18];③采用有限状态机和混合逻辑动态模型作为电力CPS网络的融合模型[19,20];④将电力系统中的主要元件(如发电厂、负荷)模块化,并以价格因素作为外部信息输入量,对电力CPS网络建模[21,22]。

2 电力CPS网络攻击内涵

2.1 网络攻击定义

2.1.1 网络安全三要素

《美国标准技术研究院(NIST)7628号报告》[23]指出网络安全三要素分别为保密性(confidentiality)、完整性(integrity)、可用性(availability),简称网络“CIA”安全目标。

1)保密性:信息的获取仅限有权限的用户或组织,任何通过非法渠道进行的访问都应被检测并阻止[24]。“保密性”的破坏,将造成电网信息泄露问题,存在重要信息(如用户隐私、产权信息等)被非法分子利用的威胁[25]。

2)完整性:保持并保证数据或信息的精确性和一致性,任何未经授权的组织或数据修改方式都不得对传输数据进行修改(包括改写、删除、添加、替换等操作)和破坏[24,26]。“完整性”的丧失意味着网络中数据被修改或破坏,进而导致错误的电力管理决策[25]。

3)可用性:电网中任何信息在任何时刻都能100%被授权方通过合理方式访问[24]。即使电网中存在突发事件(如电力事故、攻击行为等),用户、电力装置、控制中心等依然可以获取需要的信息[26]。一旦“可用性”被破坏,将导致数据传输中断等问题,严重情况下将对电力传输造成巨大影响[25]。

2.1.2 电力CPS网络攻击定义

网络攻击广义上是指任何一种破坏网络“CIA”安全目标的恶意攻击行为。本文给出网络攻击在电力CPS领域中的定义:以破坏或降低电力CPS功能为目的,在未经许可情况下对通信系统和控制系统行为(各种保证电力系统正常运行的电力自动化控制组件以及对实时数据进行采集、监测、传输的过程控制组件的工作状态[27])进行追踪,利用电力信息通信网络存在的漏洞和安全缺陷(如操作系统漏洞/通信协议漏洞/应用软件漏洞等)对系统本身或资源进行攻击。

下面对定义中“电力CPS功能”进行阐释。电力CPS功能在传统电力系统功能的基础上进行了延伸,具体体现在以下几个方面。

1)实现全系统状态感知

电力CPS融合海量系统运行信息、装置信息以及外部信息,依托通信网络和控制终端,实现量测、感知、计算、通信等模块的深度嵌入,一、二次设备高度融合,使参量的自我状态感知更加全面。

2)满足装置“即插即用”

电力CPS兼容多种通信协议、信息模型,满足装置“即插即用”需求,准确传递、识别信息流,以更高级的控制方式提升系统整体性能,使电网运行更灵活、更协调、更智能、更高效。

3)实现集中控制与局部自治

应用分布式协同控制技术,实现系统集中控制与局部自治的有机结合,就地协调分布式电源出力,用户智能需求响应,故障就地快速自愈等应用功能,形成“源—网—荷”友好互动的“集中式—分布式”协同。

2.2 网络攻击实例分析

近年来,黑客或其他人员通过网络攻击手段侵入电网并最终实现对电力系统进行破坏的事件频发(详见表1)。本节结合乌克兰网络攻击实例,对攻击手段和具体过程进行阐述。

2015年12月23日,乌克兰电网遭受网络攻击,SCADA系统受到重创,乌克兰西部地区约70万户居民家中停电数小时,该事件被认为是第一例网络攻击造成的大停电事件[32]。经调查,本次乌克兰电网攻击事件的主导是部分配电单位出现了BlackEnergy恶意软件系列的新变体BlackEnergy Lite,以及KillDisk清除组件和安全外壳协议(SSH)后门。

本次针对电力网络的攻击属于鱼叉式网络钓鱼(spear phishing)类型,以含有恶意宏的Microsoft Office文件为载体进行攻击,具体攻击流程如图2所示。攻击者向被攻击者发送包含恶意宏文件的邮件;当受攻击者运行了文件中的宏,就会被BlackEnergy木马感染。该木马为KillDisk组件提供后门,而后者会损坏或改写受侵入计算机上储存的文件,并使操作系统无法启动。

本次攻击中的KillDisk组件被设置了延时启动,降低其破坏性操作被发现的可能;同时删除了含有系统应用、安全和设置信息的Windows事件日志,增加了查杀难度[35]。启动后的KillDisk会终止两个分属工业控制系统(ICS)常用软件平台ASEM Ubiquity和ELTIMA连接以太网串口的非标准进程,并用随机数据重写相关的可执行文件,加大系统恢复难度[36]。其入侵后的执行流程如图3所示。

此次攻击还采用了一种新的网络攻击方式,即SSH后门服务器(SSH backdoor)攻击。这个被称为Dropbear SSH的SSH服务器看似合法,却会允许某个特定端口的连接,使攻击者可随时进入系统进行攻击。

3 电力CPS网络攻击分类

由乌克兰网络攻击等实例可知,网络攻击手段多变,种类繁杂,攻击后果严重。本节从通信网络覆盖范围和网络攻击目的这两方面出发,对电力CPS网络攻击手段进行分类。

3.1 基于通信网络覆盖范围的分类方法

电力系统主要包括发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节。按照通信网络覆盖范围,将网络攻击分为广域网络(WAN)攻击、邻域网络(NAN)攻击和家庭网络(HAN)攻击,如表2所示。

3.1.1 WAN攻击

WAN通信覆盖范围广(100km),数据传输频率在10 Mbit/s至1Gbit/s之间,支持电力系统实时监控和保护业务,同时在NAN和控制中心间建立长距离通路,为智能电网骨干网络提供通信路径。SCADA遥测、EMS能量管理功能、WAMS处理相量测量单元(PMU)数据、输配变电站与控制中心之间数据交互[37]等电力应用都基于WAN通信实现。

典型的WAN攻击目标是发电和控制设备。以变电站自动化为例,WAN攻击可能发生在虚拟专用网络、拨号网络、无线网络、远程登录程序或不确定设备的木马程序处。侵入手段包括重复拨号、扫描、通信监听、密码破解。此类攻击可能造成系统信息的丢失或篡改,导致电力二次设备拒动、误动甚至设备损坏,引起线路过载、失负荷、系统失稳等电力故障,严重情况下将发生大规模连锁故障[38],造成严重经济损失。

3.1.2 NAN攻击

NAN支持WAN和HAN之间的信息交互,通信覆盖范围在10 km左右,数据传输速率在100kbit/s至10 Mbit/s之间。NAN支持大量用户端/现场设备与数据集中器/变电站之间的双向数据传输,如计量网络提供的远程读表,使用、控制和检测现场设备等服务都可以通过NAN通信实现。

典型的NAN攻击目标是电力变电站和配电中心,攻击可以直接通过电力变电站或HAN网关完成。由于NAN连接HAN与WAN,其网络安全在整个智能电网中至关重要。NAN网络攻击检测可以借助支持向量机和人工智能方法的入侵检测系统[39];国外还有学者提出采用四次握手机制可以降低NAN网络攻击的危险[40]。

3.1.3 HAN攻击

HAN通信覆盖范围为100 m左右,数据传输速率可达100kbit/s。HAN位于网络架构的用户端,与智能表计、家用显示器、家庭能源管理系统交互。同时,HAN与其他智能电网的参与部分通过智能表计或网关互连,电力企业可以在HAN运行NAN应用。

典型的HAN攻击目标是家用电器和智能表计。攻击者可以采用逆向工程的方式对可轻易入侵的HAN设备(如智能表计和相关的通信硬件)中的固件进行研究,针对薄弱环节进行攻击。为避免针对HAN层的恶意网络攻击所带来的破坏,有学者提出HAN设备权限验证[41],密钥交换[42],数据包贴安全标签[43]等方法保障HAN层可靠安全通信。

3.2 基于攻击目的的分类方法

将以破坏2.1节所述网络“CIA”安全目标为攻击目的的攻击行为分为以破坏可用性为目的、以破坏完整性为目的、以破坏保密性为目的的网络攻击。各种攻击类型特点如表3所示。

3.2.1 以破坏通信可用性为目的的网络攻击

此类网络攻击主要是通过阻碍、延迟通信来中断电力传输,导致数据/信息不可用,主要涉及通信协议的脆弱性,存在数据/信息的中断威胁[44]。典型的攻击方式包括拒绝服务(denial-of-service,DoS)攻击、黑洞攻击[45]、改变网络拓扑引起通信延时[46]等。

1)DoS攻击

DoS攻击是一种资源耗尽型攻击,它利用网络协议/软件存在的缺陷或发送大量无用请求耗尽被攻击对象的资源(如网络带宽[47]),使服务器或通信网络无法正常提供服务[48]。常见DoS攻击[49]有:①利用协议漏洞进行攻击(如SYN Flood攻击);②利用软件缺陷进行攻击(如OOB攻击、Teardrop攻击、Land攻击、IGMP碎片包攻击等);③发送大量无用请求占用资源(如ICMP Flood攻击、Connection Flood攻击等);④阻塞缓冲区的欺骗型攻击(如IP Spoofing DoS攻击)。

2)黑洞攻击

黑洞攻击,也称丢包攻击,常出现在无线传感器网络之类的自组织网络中。攻击时,本应继续传输数据包的路由将数据包丢弃。无线网络中的黑洞攻击可以通过认证、监控和冗余来防御[45]。

3)改变网络拓扑

改变网络拓扑的攻击方式是指通过物理攻击,断开通信线路,使重要通信线路失效,迫使信息经由更远的路径传输,引发关键通信的时延。

3.2.2 以破坏数据完整性为目的的网络攻击

这类网络攻击主要通过注入错误数据(如错误的状态估计信息)或者非法篡改数据(如电网控制指令)来阻碍电网中数据正常交换的可靠性与准确性。典型的注入错误数据攻击方式为错误数据注入攻击(false data injection attack,FDIA),典型的非法篡改数据攻击包括中间人攻击(man-in-the-middle attack,MITM)和重放攻击(replay attack)。

1)错误数据注入攻击

错误数据注入攻击将绕过错误数据检测机制,通过错误数据操纵系统状态评估结果,引起电网误动作。攻击者可通过破坏仪表设备或入侵电网应用程序重要模块(如电价、分布式能源状态、微电网动态分区[50]等)等方式实现其目的。

2)中间人攻击

中间人攻击是一种“间接”攻击,攻击者通过地址解析协议(ARP)欺骗、域名系统(DNS)欺骗等手段入侵并控制一台虚拟计算机,在原本的通信节点间形成新的通信通道[51]。以控制中心与远程终端单元(remote terminal unit,RTU)间的通信为例,发生中间人攻击后,RTU向控制中心发送的电网状态信息也可能被攻击者修改或删除,从而导致控制中心做出错误决策。当电力系统处于紧急状态时,错误信息所造成的错误决策可能导致电力系统局部或整体崩溃。

3)重放攻击

重放攻击与中间人攻击的原理类似,是指攻击者通过窃听或者其他非法途径获取目的主机已接受过的数据信息,并不断恶意重复发送这类信息,以达到欺骗系统、破坏数据完整性的目的。在电力系统中,攻击者可通过网络窃听等其他非法监听途径识别并获取传输信息,如断路器跳闸的控制指令,然后在电网正常运行时重放该指令,造成断路器误动作[37]。

3.2.3 以破坏信息保密性为目的的网络攻击

攻击者通过非法监听等行为访问网络中的保密数据,并利用这些数据对系统或其他参与者造成伤害,从中获利。在电力系统中,这类网络攻击大多发生在用户侧,通过窃听器或流量分析仪等获取单个或多个用户智能表计数据,从而分析出用户与电网状态,便于进一步攻击破坏的实施。具体实现途径有以下几种。

1)密码破解

攻击者通过暴力破解等手段绕过变电站等网络的防火墙和密码保护。成功侵入后使用IP扫描工具,侵入各个用户交互界面获取信息或发出未授权的指令,如控制断路器跳闸[52]。

2)恶意软件和病毒

通过网络或不安全的移动存储设备在电力控制设备上安装恶意软件或传播病毒以窃取信息。

3)内部员工

安全意识薄弱的员工可能将带有病毒的移动设备插入系统,或设置易破解密码;而心怀恶意的员工得到授权可轻易对系统进行操作并规避检查[53]。

值得注意的是,“以破坏信息保密性为目的的网络攻击”主要是被动攻击[54],其特性是对传输进行窃听和监测,攻击者的目标是获得传输的信息(如用户ID,电能使用情况);而“以破坏数据完整性为目的的网络攻击”虽然也会获取数据信息,但是它的最终目的并不是仅仅为了获取信息,而是要进一步通过伪装、重播、消息修改等主动攻击方式对它的最终攻击目标发起破坏性攻击。

4 电力CPS网络攻击应用场景

电力系统中涉及网络安全的场景包括发电控制、输电操作、配电自动化、高级量测体系(advanced metering infrastructure,AMI)、需求响应、用户交互等[23]。本节按照发、输、配、用电侧对电力CPS全场景下的网络攻击模式进行总结,如图4所示。

4.1 发电侧攻击场景

网络攻击可能发生在电力系统发电侧的本地控制和广域控制中。

1)本地控制

发电机自动励磁装置和调速装置的控制模块与控制中心之间通过以太网和Modbus协议进行通信。本地控制数据采集来源于本地,可攻击范围较小,需主要防御侵入变电站LAN的恶意软件以及侵入本地通信网并篡改数字控制逻辑或设置的攻击者。

2)广域控制

自动发电控制(AGC)是二次调频的手段,依赖于SCADA采集的联络线潮流和系统频率测量值。由于SCADA网络覆盖范围相对较大,AGC被攻击的风险较大,常见攻击是通过修改控制环参数实现的[55,56,57]。

4.2 输电侧攻击场景

电力系统输电侧的操作主要利用SCADA/EMS和继电保护设备等对输电网进行监视、评估和控制。

1)基于SCADA/EMS的输电网监视/分析/控制

攻击SCADA系统的方式包括对网络中交换的数据进行非法操作,如通过光纤窃听技术截获并篡改SCADA系统传送至控制中心的数据;攻击EMS的操作包括对状态评估数据、负荷预测值、操作员指令、控制动作等进行非法修改。

2)WAMS

WAMS为电力系统保护、控制或监视提供同步采集和带有时间戳的电压、电流全系统参考值。此系统可靠运行的关键是整个系统的采样时钟需要对同一个时间参考保持同步。常见的攻击有DoS攻击、失去同步攻击(基于时间的攻击)、错误数据注入攻击。

4.3 配电侧攻击场景

电力系统配电网主要负责将电能送至用户。在智能电网环境下,可能出现网络攻击的场景包括AMI系统、配电自动化设备、分布式电源管理等。

1)AMI系统

AMI系统涉及终端用户、控制系统以及第三方机构间的通信,需确保点对点的信息安全。恶意网络攻击将破坏智能表计数据保密性以及远程开关控制命令的整体性与可用性,对电力系统安全、稳定、经济运行造成严重影响。

2)配电自动化

配电自动化控制对于配电网安全稳定运行、用户可靠经济供电十分重要。恶意攻击监控馈线上的设备,可能导致远程开关开合、电容器接入、紧急状况响应等自动化操作的失误;恶意攻击负荷管理中的控制逻辑或继保通信设施可能造成计划外的配电网馈线跳闸,导致供电中断。

3)分布式电源

分布式电源包括发电装置和储能装置,可作为电网中主要或紧急备用电源,提高电能质量和系统运行稳定性。恶意网络攻击会破坏分布式电源的用户信息保密性、电网测量数据的准确性和及时性。

4.4 用户侧攻击场景

需求响应指客户根据当前或未来电价信息调整需求进行响应,主要涉及实时电价、用户访问能源信息、电动汽车接入等功能,是主要用户侧攻击场景。

1)实时电价

对于小型用户,实时电价信号必须通过AMI系统、Internet或其他数据通道传送,增加了定价信息整体性、可用性和可信度被恶意攻击破坏的可能性。

2)用户访问能源相关信息

配有HAN和楼宇能量管理系统的用户可以与电力公共设施或第三方电能供应商进行能源相关信息交互。因此,定价信息的整体性以及用户隐私保密性在该场景中十分重要。

3)接入混合动力电动车

电动汽车作为可转移负荷和移动储能电池,可以利用电价信息确定何时充电,以及分布式能源管理程序,允许电动汽车根据系统状态向电网馈电。此过程涉及的用户信息私密性和电价信息准确性可能会成为网络攻击者的破坏目标。

5 国内电力CPS网络攻击研究分析现状

随着中国对CPS的大力推进,电力信息化进程逐步提速。中央网络安全和信息化领导小组指出:“没有网络安全就没有国家安全,没有信息化就没有现代化;网络安全和信息化是一体之两翼、驱动之双轮,必须统一谋划、统一部署、统一推进、统一实施。”现代电力系统已经不再只根据系统内部信息进行调整和控制,越来越多的外部信息通过各种业务途径直接或间接影响着电力系统控制决策。此外,中国倡导的全球能源互联网的建设,也需要进一步考虑不同国家电网中电力和通信设备、网架结构的差异性。

从电力通信网络架构来看,相比欧美发达国家,中国电力信息系统更为坚强。然而这一切需要建立在物理设备可信的基础上。当物理设备本身遭受人为蓄意的破坏、攻击和干扰时,其可靠性的降低将严重影响整个电力信息系统的安全。

结合中国电力信息网络实际,中国学者已在网络攻击领域展开以下研究。

1)国网电力科学研究院薛禹胜院士团队开展的“考虑通信信息系统风险的电网安全稳定防御关键技术研究”,从信息物理融合角度出发,对通信系统,信息网络,一、二次设备和电力系统同时进行监控和关联分析[58,59],检测各种异常和故障行为,探索通信系统与电力系统交互影响机理,形成通信与电力协调优化的综合防御体系[60]。

2)国内各高校和科研单位已经陆续开展信息安全对电力CPS的影响研究。清华大学研究团队对智能电网信息系统体系结构进行了全面的研究[61];上海交通大学对电力信息物理系统的特性、架构进行了研究[62];浙江大学展开了信息网络失效对电力系统影响的探究[7,63],提出一种软件失效对电力CPS环境下的智能变电站安全风险评估方法;东南大学开展了电力系统和信息系统交互影响机理研究[64,65,66,67];福建电力科学研究院牵头,浙江大学、山东理工大学等多家单位参与的“863计划”“配电网信息物理系统关键技术研究及示范”,针对配电网CPS开放式通信体系和网络安全技术等展开研究;全球能源互联网研究院、中国电力科学研究院等国家电网直属科研单位依托国家电网公司信息安全重点实验室,开展了深入的技术研究与技术支撑工作[15,68,69]。

3)电力CPS是一个电力系统与信息通信系统深度融合的时空多维异构系统,针对其网络安全特性的分析已不再能够通过单一电力或通信仿真工具进行分析和仿真。因此,亟需提出全新的电力信息安全分析联合仿真平台。该平台需要能够对电力信息网相关安全事件(如网络攻击、信息中断)进行准确的仿真,并能够通过多平台交互对此类事件在电力物理系统中产生的后果进行精确模拟。南瑞集团、清华大学、上海交通大学、西南交通大学和浙江大学研究团队分别开展了基于不同仿真工具的电力通信联合仿真平台研究,并针对信息系统对电力系统状态评估系统、自动发电控制系统等的影响,及网络攻击对电网信息混合系统破坏程度进行了研究[70,71,72];东南大学研究团队实现了基于OPNET和RTLAB的电力CPS实时联合仿真平台,目前正在尝试与动模实验室进行互联以便更精确地模拟电力CPS动态响应特性。

6 展望

国内现有关于电力CPS网络攻击的研究还处于起步阶段,但随着能源互联网建设上升到国家战略层面,电力CPS的进一步推行也将使电网面临更多潜在的威胁,未来关于电力CPS网络攻击这个课题的重点研究方向有以下几点。

1)主动响应配电网环境下的电力CPS网络攻击研究。智能家居、电动汽车等接入使配电网有主动响应功能,实现通信的方式包括ZigBee和Wi-Fi等,需要研究如何在主动响应配电网环境下有效识别并抵御网络攻击,保障电力系统安全稳定运行。

2)考虑网络攻击的电力CPS可靠性评估方法。网络攻击造成的时延、误码和中断等通信故障将有可能导致电力系统非正常运行甚至引发连锁故障,提出合理的电力CPS可靠性评估方法,能够识别系统关键节点,指导CPS网络防御体系建设。