传统建模方法篇（1）

1无线通信建模的方法

电磁波通过漫射、散射、反射以及直射等方式在空间进行传播，这些方式使得接收到的信号与实际发出的信号之间存在一定差异，由此引发了无线通信系统的性能受到了影响和制约，因此，进一步完善无线通信系统，需要首先对无线信道传播的方式、特点等进行分析探讨。在建立无线信道模型时，统计测量法和电磁场预测法是比较常用的两种方法。前者应用更加广泛和普遍，基于屋里传播建模和参数化统计建模是统计测量法的细分建模方式。其主要工作方式是在差异化的传播环境中实现信道测量，并由此对数据进行收集、整理和分析，由此得到相应的公式，而这些公式往往与信道环境参数和信道系统参数有关。这种方式运算量比较小，且容易对信道特征进行刻画，并且容易仿真，这也是其主要优点。但缺点是对测试条件要求较高，天线的配置与架设情况、测试的环境、设备的精度等都会影响信道测试结果的精准度。相比较统计测量法，时域有限差分法和射线法是电磁场预测法主要方法，其工作方式是以电磁传播理论和光学射线理论为基础，得出无线信道确定性模型。其优点是对于数据的依赖性比较小，在对环境的细节性信息进行把握后就可以非常精准的预测信号传播。但是这种方式不适合用于空间范围比较大的信道建模中，室内等空间范围相对较小的信道建模更适合此种方法。

1.1统计测量法

无线信道会接收到许多不同的信号，参数化统计测量法正式将这些信号进行描述，即为电磁波叠加，然后得出无线信道衰落的特点。信号在传播过程中会产生主波，如散射射线、视距传播射线等都属于主波。在参数化统计建模时，会通过建立一个包括时间、空间和幅度的三维立体坐标对这些主波进行表示。这种建模方式对多普勒扩展、延时扩展以及角度扩展来建模，不对散射体进行考虑。在对无线信道进行研究时，离不开基础理论模型，而广义的平稳非相关散射模型正是这一基础。对无线信道小尺度衰落时延扩展、多普勒扩展的描述主要是通过广义平稳非相关散射进行的。当前，学术界在对信道小尺度衰落进行建模时，更多的是以随机信道模型（即电磁波线性叠加）为基础的。假设各向同性，且接收天线为全向天线两个条件同时满足，则接收信号包络服从Rayleigh分布结论成立。信号在传播时会存在一些散射物体，对其的分布情况进行统计和分析，然后结合电磁波在散射、反射以及绕射等方式下形成的规律对衰落信道模型进行建模，是基于物理传播特征建模方法的主要方式。不同传播环境下产生的散射体不同，且发射体所处的位置等都会影响此模型的特征描述。以Okumura模型为例，这种模型的主要参考对象是平坦地形大城市过程中所产生的传播损耗，同时以地形因素、其他传播环境等作为校正因子，两者相结合对此模型加以修正。差异化的传播环境下，假设散体的几何分布情况是不同的。椭圆、扇形、单环和双环等模型是应用比较广泛的几何分布模型，其他的几何分布模型通常只是对信号经过散体时发生了单反射过程进行了假设。

1.2电磁场预测法

确定性传播预测法有许多类型，但是最常用的方法是射线法建模，这一方法的理论基础是光学射线理论，同时与其他理论，如几何绕射理论以及一致绕射理论进行结合，利用几何体实现建模，然后通过对电磁参数进行确定，进而预测信号在传播过程中的损耗。地理环境模型以及表面电磁参数的精准程度等因素都会对预测结果的准确程度产生影响。如果无线电信号波长足够小，则发射和散射就可以作为电磁波的传播机制，则电磁波传播也就可以视为光学射线传播。相比较统计测量模型而言，这种方式更具准确性。利用射线法对信道模型进行建立的方式，无法对电磁波的绕射传播进行准确的包含，在这种背景下，时域有限差分法的建模方式应运而生，这种方式的预测结果更具精准性，因为其通过对大尺度传播功率损耗进行计算，对于其他不同类型的传播方法都进行整体的考虑，不同的场分布、区域信号信息等都可以由其进行提供。这种方式虽然精准度高，但是计算量较大，且对于传播环境的依赖性较高。

2无线通信传播模型的建立

信道是通信系统最基础的组成部分，其对于无线通信系统有很大的影响。相比较有限信道而言，无线信道的预测更具不确定性，且难度增加，主要是由于不同的传播方式、信号传输宽带、随机性较强、分析难度较大等因素而导致，也正因为此，才导致无线信道的建模具有很大的难度。但同时其在规划网络方面发挥着很大的作用。所以，接下来对于信道传播模型再简单介绍一下。环境类型、地形以及环境材料等都会对传播模型产生影响，在对电波传输路径的损耗进行计算和预估时，需要对地形地貌、建筑物、树木等环境的影响加以考虑，由此产生了电波传播损耗预测模型，这一模型也在进行无线通信工程设计的过程中得到了广泛使用，通过计算损耗来确定信号可以服务的区域范围。LEE传播模型、Okumura-Hata传播模型、Wal-fish-Ike2gami模型和COST231-Hata模型较为常用，这其中，Okumura-Hata模型应用最为广泛。

参考文献

传统建模方法篇（2）

中图分类号：TP27文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）02（c）-0000-00

1 引言

复杂科学这一概念在20世纪80年代就被提出，但是到目前为止，它还没有一个统一确切的定义。如美国学者霍兰认为，“适应性造就了复杂性”；国内如钱学森院士引领的“开发的复杂巨系统”的研究。虽然不同学科的学者对它的理解不同，但无可厚非的是已经有很多科学家把它誉为“21世纪的科学”。又因为复杂系统的建模方法是研究复杂系统的基础，所以研究复杂系统的建模方法就显得尤为重要了。

2 复杂系统的本质及其特点

复杂系统最本质的特征是其组成具有某种程度的智能，即具有了解其所处的环境，预测其变化，并按照预定的目标采取行动的能力。

复杂系统具有以下主要的几个特点：（1）自适应性/自组织性。系统是有时空交叠或分布的组件构成的。（2）不确定性。因为不确定性与随机性相关，与混沌相关，复杂系统是不确定的系统，通常不可能对复杂系统进行形式化的分析。复杂系统的行为表现为不可重复性，不能再现复杂系统的行为。（3）涌现性。涌现是有层次的，同时也体现了一种质变。它强调个体之间的相互关系。（4）系统规模大。系统规模是复杂系统的前提。（5）系统结构具有多样性和层次性。复杂系统的各个组成部分的多样性和差异性造成了组成部分之间相互关系的多样性和差异性。（6）预决性。复杂系统的发展趋向取决于系统的预决性，预决性是系统对未来状态的预期和实际状态限制的统一。（7）演化。其演化是从低级到高级，从简单到复杂的不断过程。（8）主动性。系统与外部环境以及子系统之间存在能量、信息或者物质的转换。

根据复杂系统的这些特点，我们可以很容易的发现，采用传统的理论方法和完全使用单一的数学动力学模型很难描述复杂系统。那么我们要解决复杂系统问题，则必须要发展和寻找与之相适应的复杂系统理论。因此，研究复杂系统的建模方法就具有重大的现实意义了。

3 复杂系统的建模方法

许多学者致力于复杂系统建模的研究，并且已经取得了许多研究成果。这些成果主要有：

神经网络有强大的学习能力与非线性表达能力。王书舟等[1]提出一种基于混沌变量的并行变尺度优化算法，根据混沌优化方法的优点，可以很容易的跳出局部极小点。黎明等[2]提出一种基于粗糙集的神经网络模型，它对数据分析采用粗糙集理论，并从数据中提取规则，从而将输入映射到输出的子空间上，用用神经网络对其进行逼近。该方法具有处理连续数据能力、神经网络训练速度提高、对系统本身有一定的认识等特点，但是它还存在各参数物理意义不明确、在数据离散化时可能产生矛盾规则等不足。李艳君等提出的一种将遗传算法和正交优化相结合来训练径向基函数（RBF）神经网络的新方法，称为GRBF算法。

模糊模型具有结构简单、参数较少、运算量低、泛化能力强等特点，其较高的结构解释性使模型就有较少的模糊规则和输入的变量个数，且模糊规则不存在容冗余和矛盾等优势。邬沛雄等[3]提出了一种改进遗传算法的模糊建模方法，该方法是在标准的T-S模糊模型基础上，通过改进的遗传算法来优化扩展的T-S模糊模型的结构和参数。该方法具有模型复杂度低、计算时速快等特点。马广福等[4]提出了基于模糊聚类和模糊神经网络的模糊建模方法。该方法先利用模糊聚类技术确定系统的模糊空间和模糊规则数，然后通过模糊神经网络来调整模型的前后件参数，给出详细的算法。李波[5]提出的基于模糊模型同径向基函数相结合的复杂系统建模方法。在确定后件结构的MTS模糊模型和径向基函数网络之间有直接对应关系，因此我们可以把前件结构确定和后件辨识分开。该方法具有精度较高、简单的特点。

毛媛等[6]提出基于元模型建模方法，把元模型技术应用到复杂系统仿真平台中进行建模，可以加速复杂系统仿真的设计、开发和实现，且获得的静态数据结果跟实现情况相差不大，即其信用度高。

李柠等[7]提出基于LPF算法的多模型建模方法。从理想建模思想出发，在大量输入输出数据中找与系统当前状态相关的数据，并用LPF算法建立一个系统局部模型，根据系统状态的变化建立多个这样的局部模型，从而实现准确的全局建模。该方法获得的具有可靠性、更强的适应性、为距离意义上的概念、算法性能强等优点，其不足之处为工作点领域和模型切换准则将直接影响模型的精度。

粗糙集理论可以有效的分析和处理各种不完备信息，李文等[8]提出的基于粗糙集理论建立模糊模型的方法，并针对模糊模型的完备化问题，提出了扩充和整定的概念，从而建立了脉冲TIG焊动态过程模型。该方法能在数据不完整，精确度不高的情况下进行比较客观和有效的提取复杂过程的模糊模型。

此外，还有肖人彬提出了基于结构建模的方法；康立山等提出一种常微分方程组的演化建模方法；马旭等提出了基于现象的复杂系统建模方法等等，在这里就不一一列举了。

4 结语

虽然复杂系统建模还处于萌芽阶段，但是我们已经取得了令人瞩目的成绩。可以发现，在未来采用两种和两种以上的方法相结合建模将成为未来发展和讲究的方向。主要是将神经网络、粗糙集理论、模糊逻辑、遗传算法、小波等其它一些兴起的方法相互渗透和结合。虽然由于目前的建模方法不成熟，使得理论和现实还存在一定的差距，对于如何建立一个精度高、准确性好、算法简单、适用性强的模型，还需要进行进一步的研究。

参考文献

[1]王书舟，伞冶.基于混沌神经网络的复杂系统建模方法研究，全球化制造高级论坛暨21世纪仿真技术研讨会论文集

[2]黎明，张化光.基于粗糙集的神经网络建模方法的研究，自动化学报，2002

[3]邬沛雄，杨善水.一种基于改进遗传算法的模糊建模方法，南京航空航天大学学报，2004

[4]马广富，王宏伟，王司.基于模糊神经网络的系统模糊建模方法，哈尔滨工业大学学报，1999

[5]李波，张世英.基于神经模糊方法的房子系统建模，信息与控制，2001

传统建模方法篇（3）

【分 类 号】g1【分 类 名】教育学【复印期号】XX11

【 标 题 】中华民族传统美德教育研究报告【 作 者 】栾传大

【作者简介】作者系吉林省教育科学院副院长、 课题负责人、 研究员。长春130021

【 正 文 】

“中华民族传统美德教育实验研究”作为教育部重点课题于1990年提出，并展开研究，至今已整整十个年头了。十年来，在各级党政和有关部门领导的重视与支持下，在广大实验研究人员的潜心研究与共同努力下，取得了丰厚成果，为学校德育内容系统化、民族化、科学化，为丰富有中国特色社会主义伦理道德观、价值观和行为规范体系作出了努力，为推进社会主义精神文明建设作出了贡献。

中华民族传统美德教育实验研究对学校德育内容是一项重大改革，是探索性、创新性的实验研究。十年来，课题组根据实验研究方案设计的基本思路，确定实验研究内容与目标，组织实验区点对中华民族传统美德教育的系列概念、重要意义、实验原则、德目内容、实验方法、运行模式、保障机制等进行了系统研究。

一、中华民族传统美德教育实验研究方案

1.中华民族传统美德教育的基本概念

什么叫中华民族传统美德？什么叫中华民族传统美德教育？什么叫区域传统美德教育？本课题在研究中对这三个新概念界定如下。

所谓中华民族传统美德，就是指中国历史流传下来，具有影响，可以继承，有益于后代的优秀道德遗产。她是一种特殊的社会意识形态，其内涵包罗极为广泛。从内容上来概括，中华民族传统美德是中华优秀民族品质、优良民族精神、崇高民族气节、高尚民族情感、良好民族礼仪的总和。从历史长河流淌轨迹来看，她不仅包含古代传统美德，亦包含近代革命传统美德和当代英模美德。

所谓中华民族传统美德教育，就是以中华民族传统美德为内容，对广大青少年，特别是对中小学生有组织、有目的、有计划地施加系统影响的活动。中华民族传统美德教育是“中华根”、“中华魂”的教育，是“血统”与“传统”的整合。它不仅是学校德育内容的基础，而且也是我国现代学校德育的源流。从现行学校德育内容与中华民族传统美德教育内容对照看，现行学校德育内容及中小学生守则、日常行为规范的要求，在中华民族传统美德中都能找到渊源。所以，中华民族传统美德教育在现行学校德育中居于基础地位，是有中国特色社会主义精神文明建设的核心内容。

所谓区域传统美德教育，就是在一个区域内实施中华民族传统美德教育。其宗旨是发挥学校主阵地、主渠道的作用，实行学校、家庭、社区三结合的综合运行模式与机制，通过大面积的传统美德教育活动，提高学校德育整体效益，拉动社区精神文明建设。

2.中华民族传统美德教育实验研究的原则体系

本实验以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论为指导，以批判与继承、发展与创新为原则，以现代教育学、发展心理学和中华民族传统美德教育的最新研究成果为基础，以中华民族传统美德德目体系为实验内容，综合运用系统科学方法，结合实际，从整体上研究探索中华民族传统美德教育的规律，为建设具有中国特色社会主义道德观、价值观和行为规范体系，促进社会主义精神文明建设作贡献。

二、中华民族传统美德教育内容体系构建

中华民族传统美德教育的内容，是进行中华民族传统美德教育的核心问题。根据新的历史时期有中国特色社会主义精神文明建设的需要，本着“历史存在，现实需要”的原则，课题组系统挖掘传统道德资源，并依据传统美德教育实验研究的原则，对传统道德德目进行了筛选、概括、凝炼、重释，构建了中华民族传统美德教育德目内容体系并根据伦理学的理论和分类，依据青少年在社会化过程中所接触的社会关系的顺序，由浅入深、由近及远、由低到高，按学段、分层次，把18个相互联系的德目归纳系列，构成整体，使之具有系统性、结构性、简约性。

为使这些德目与现行德育内容对接，渗透现代意识，建立有中国特色的社会主义道德观、价值观和行为规范体系，我们采用表格方式，将18个德目、德目的隐含与现行德育内容对接，渗透现代意识，编制成《中华民族传统美德教育德目体系构建纵横》，如下表。

中华民族传统美德教育德目体系构建纵横

德目 隐含儒家 与现行 渗透现代意识

伦理道德 德育对接

孝敬父母 孝、慈、敬、恭 伦理道德教育 人伦意识

尊师重道 礼、天地君亲师、忠 尊师爱生教育 重教意识

团结友爱 仁、协作、和谐、 团结友爱教育 平等、博爱意

信、义、和、平 识

立志勤学 智、毅、敏、学、思 前途理想教育 科学意识

自强不息 拼搏、进取、砺志 挫折(吃苦)教 拼搏意识

育

谦虚礼貌 礼仪、温、良、恭 文明礼貌教育 民主意识

让

诚实守信 诚、信、守诺 诚信教育 信誉、承诺意

识

严己宽人 宽恕、公正、克己 修养教育 自责自律意识

、容忍、豁达

人贵有耻 行己有耻、知耻近乎 知耻教育 荣辱意识

勇

见义勇为 义、勇、无畏 情感教育 惩恶、扬善意

识

整洁健身 正心、修己、养生、 健身教育 生态、环保意

贵己 识

求索创新 勇毅、求索 创新教育 创造、竞争意

识

勤劳节俭 节约、勤劳、戒奢、 艰苦奋斗教育 效率、效益意

朴素 识

见利思义 利益、义然后利、义 义利教育 法制、道义意

利并重 识

敬业尽责 鞠躬尽瘁、一饭三吐 敬业教育 事业、现任意

哺 识

清正廉洁 廉、忘私、正直 反腐教育 廉洁意识

爱国爱民 仁、忠、爱人、保民 爱国主义教育 卫国、为民意

、利国、治国 识

天下为公 义、公、老吾老、幼 共生(为公)教育 全球、整体意

吾幼、平天下 识

三、实施中华民族传统美德教育的基本途径

1.学校传统美德教育

以学校为主阵地，开展传统美德教育的途径主要有：（1 ）开设传统美德教育课，纳入教学计划。（2）利用各学科教学渗透。即要求语文、历史、地理、数理化、体音美各科针对本学科特点，结合传统美德因素进行传统美德教育。（3）利用各种活动进行传统美德教育。如班团队可根据18个德目教育需要，以主题班团队会、故事会、讲演会、知识竞赛会、讨论会等形式进行传统美德教育；还可结合有关重大节日、纪念日向学生进行相关美德教育。

2.家庭传统美德教育

家庭中的传统美德教育，在整个中华民族传统美德教育中具有不容忽视和无可替代的重要地位与作用。在新的历史时期，家庭传统美德教育，一是应培养孩子具有孝敬父母、尊敬长辈的基本道德，打下热爱集体、热爱祖国的思想基础；二是对孩子从小进行归属教育，使孩子在懂事时便知道自己是中国人，属于中华民族子孙，长大为振兴中华作贡献；三是培养孩子勤劳节俭、自强自立的道德品质和行为习惯；四是培养孩子礼貌待人、诚实守信、和睦邻里、友爱兄弟的道德品质，做一个合格的中国人。

在家庭传统美德教育中，注意引导家长注重全面性、针对性、一致性、表率性和科学性，积极地配合学校传统美德教育。

3.社会传统美德教育

社会传统美德教育，是指一定的社会教育机构，通过社会宣传、社会榜样、社会交往等活动，对广大社会成员（尤其是年轻一代）进行中华民族优良道德乃至优秀文化的宣传与影响，从而促进社会成员良好道德品质的养成，形成良好的社会风尚。

进行社会传统美德教育主要途径：一是发挥大众媒介的宣传功能；二是运用榜样的示范作用；三是发动各行业、各企业、各系统，协调有关部门和社会各方面的力量，齐抓共管，为中小学传统美德教育实践活动创设一个良好的社会环境；四是建立市（乡）规民约，奖善抑丑等规章制度，提高人们遵纪守法、维护公德的自觉性。

对学生进行传统美德教育，不仅是中小学的基础性工作，也是社会主义精神文明建设的核心内容。文明道德的大的环境，既是中小学的传统美德教育的目标，也是开展好中小学传统美德教育的条件和保证，需要全社会共同努力来营造。

四、中华民族传统美德教育的运行模式

所谓传统美德教育运行模式，就是在一定范围内及一定条件下，关于传统美德教育如何组织、实施、运作的一种程序和方式，体现了传统美德教育规律，反映了传统美德教育的特点，即稳定性、规范性、操作性及有效性。

在前期研究中，总课题组总结各地传统美德教育教学有十法：系统讲授法、学科渗透法、情感激发法、意志锻炼法、榜样示范法、行为训练法、评价反馈法、环境陶冶法、情境感化法、慎独教育法等等，在此基础上各地经过研究、探索、创新、总结，又提出八种传统美德教育运行模式。

1.系统讲授模式就是通过开设传统美德课向受教育者系统地传授传统美德知识。系统讲授模式，一般是“四段型”结构。

引题 入境 明理 导行

低年级：──────── ──────────

讲故事指导观图 答问题指导行动

学知 激情 明理 导行

中年级：──────── ──────────

知善德 学美德 懂美德 行善德

说说 讲讲 议议 做做

高年级：──────── ──────────

说指导语 讲故事 挖掘内涵 导向践行

这是不同年段教师按着知、情、意、行的逻辑线索探索学知——明理——激情——导行的基本运行模式。

2.学科渗透模式即要求各学科教学渗透传统美德教育。具体操作模式有：（1）直接渗透。如语文、历史、思想品德等学科，有许多内容本身就是进行传统美德教育的好教材。（2）间接渗透。如数理化等学科中，由于教材本身大都是介绍科学家的研究成果，教育者可通过背景介绍等方式间接向受教育者渗透传统美德教育。（3）随机渗透。即根据学科的不同特点、不同内容，随机进行传统美德教育。（4 ）重点渗透。即是根据学生实际和形势需要，有针对性地对某些学生或某些问题进行专题教育，引导学生树立传统美德意识。

这类渗透课的教育模式可采取“选择渗透点（块）——把握渗透点（块）——开掘渗透点（块）”三个环节。

还可以采用“备课挖掘——讲读渗透——讨论激情——总结导行”四步教学法。学科渗透必须保持本学科的完整性、独立性。

3.主题活动模式即要求传统美德教育活动要有主题。将传统美德德目作为专题，要求有方案、有内容、有地点、有教师、有总结。其形式主要有主题班会、中队会、故事会、升旗仪式、重大节日活动、各种文艺演出等。运用这种方法，应做好充分的准备和组织工作，注意内容与形式的统一，思想与方法的结合。

运用主题活动方法要注重主题实践训练方法的应用。对学生行为训练渠道很多，可通过教学形式，也可通过其他渠道进行。如各实验学校采用的贯彻学生行为规范、开展手拉手献爱心活动、参与社会自愿者行动、学习雷锋活动、参加公益劳动等等。这些活动都有多次性，可使学生逐渐形成美德行为习惯。使用这种方法不仅应注意反复、长期训练，而且还应注意要求适当。对行为表现好的学生可以提出更高的要求，对行为表现较差的学生则应该提出基本要求。经过一定训练之后，再根据不同情况提出高一层次的要求，避免一锅煮、低层次地循环往复。

4.内容结合模式即将传统美德教育与其他德育内容结合进行。如，吉林市实施“3个三”的结合模式，即在教育内容上，坚持爱国主义、传美教育、养成教育三结合；在教育途径上坚持学校、家庭、社区三渠道结合；在研究队伍上坚持学校教师、家长及社区教育人员三结合。

5.工程系列模式就是将传统美德教育活动作为建设工程项目，进行整体设计，系列运作。如，内蒙古自治区包头市第三十五中学提出一二三四五系列工程：一是指制订总体育人目标；二是指两条主线，即学科渗透、活动贯穿；三是指三个原则，管理育人、教书育人、服务育人；四是四化，即职责制度化、管理规范化、措施系列化、综合网络化；五是指五个结合，课堂内外结合，更正管理与灌输诱导结合，教师管理与学生自我管理结合，常规管理与思想教育结合，不懈抓与全员抓结合。

另外，还有辽宁公主岭市站前小学传统美德教育的“一二三四”模式，哈尔滨南岗区分部小学提出的“四体系”等。

6.环节合取模式即按一定逻辑将传统美德教育的依据、内容、做法、管理等环节合取的方式。其特点是新颖好记、简便明了。

如，吉林丰满区将“4 个以”的传统美德教育的做法合取为“四以”：以课堂教学为主渠道，直接进行传统美德教育；以活动为主体，灵活进行传统美德教育；以德育基地为主阵地，践行传统美德教育；以三结合为网络，全方位进行传统美德教育。

7.环境陶冶模式就是利用环境对受教育者进行隐性教育的方法。其形式有：（1）自然环境陶冶法的形式，如游览祖国名胜古迹、名山大川和爱国主义教育基地，增添热爱祖国、热爱大自然的美好情感；如创设美好的校园自然环境，用整洁、优美的校园环境陶冶学生情操；又如净化家庭环境，使学校与家庭的环境与育人衔接起来。（2 ）人文环境陶冶法的形式，即利用良好家风、校风、社风来直接影响感染学生美德形成的形式。

环境陶冶具有不确定性和隐蔽性，运用这种模式，应注意对环境的设计、优化、营建，创造优良的德育环境，建立和谐的人际关系。

8.综合运行模式所谓综合运行模式，就是综合运用传统美德教育各种方式方法，其特点是区域性、整体性、综合性、宏观性比较强。如，吉林省开展中华民族传统美德教育的运行模式是总体规划，以点带面，科研先导，政府推广。

以上这些运行模式，有综合性的、有专项性的，有的从管理方面构建、有的从内容方面构建、有的从方法方面构建。提出什么样的模式，关键是要做到结合实际，突出特点，明确好记。

实验研究认为，构建传统美德教育运行模式，应注重三个问题：

一是对模式要有正确认识。没有模式不行，但有了模式，不要模式化。模式化就要僵化，僵化就要流于形式，流于形式，就不会有好的效果。

二是构建传统美德教育运行模式，要从当前、当地的实际情况出发，坚持有效、高效、长效的原则。要结合实际去研究、探索，不要照抄照搬。教无定法，关键得法，对模式来说也是这样。

三是构建模式运用语言缩略、逻辑合取，一定要注重明确、简便、规范、通用。

五、区域传统美德教育的保障机制

区域传统美德教育保障机制主要是指根据区域传统美德教育的结构组成及其与其它德育和整体教育相互联系的内在需要，建立的一种传统美德教育功能有效发挥和运行的保证制度。构建传统美德教育保障机制，主要包括有效的目标导向机制、内容架构机制、组织网络机制、制约完善机制、队伍建设机制、主题活动机制和社会参与机制。

1.目标导向机制目标是传统美德教育的方向，具有凝聚、团结的力量。建构区域传统美德教育保障机制，首先应建构目标导向机制。为此，课题组制定区域传统美德教育的总目标是：发挥学校主阵地、主渠道的作用，实行学校、家庭、社区三结合的综合运行模式与机制，通过大面积的传统美德教育活动，提高学校德育整体效益，拉动社区精神文明建设，为实现两个“高度文明”建设做出新的贡献。

建构目标导向机制，应符合、体现社会主义初级阶段的基本理论、基本路线、基本方针政策。目标不仅应具有导向性，还应从实际出发，具有可操作性。

2.内容架构机制即中华民族传统美德教育主要内容体系的构建。这是区域传统美德教育的基本机制，具有指导、规范、长效的依据作用。课题组主要用构建德目体系与编写实验用书去保证传统美德教育健康、规范、有效地运作。有的地区结合本民族的实际编写参考资料，丰富了传统美德教育内容。

3.组织网络机制这既是实施区域传统美德教育的保证，也是开展好区域传统美德教育实验的关键。建立组织网络机制应包括：

一是成立县（区）传统美德教育的领导机构，即由县（区）主管领导挂帅，由宣传部、精神文明办、教育局、共青团、妇联等有关部门领导组成的县（区）中华民族传统美德教育领导小组。其主要职能是负责全县（区）传统美德教育工作的规划与领导、组织与管理；制订、颁布传统美德教育规划方案，制订相关管理条例和制度；协调、统筹各方面的执行情况；组织、交流典型经验，表彰先进。

二是成立县（区）传统美德教育研究指导组织。指导组可由县教育科研所、教育学会、进修学校、县教育局相关科室及同级共青团、妇联等有关部门的主管业务人员组成，主要职责是负责本县（区）传统美德教育的理论与实践研究，对本地学校、家庭、社区传统美德教育与研究进行宏观指导、组织与管理；对实验骨干教师及指导人员进行理论培训；组织、指导本地开展传统美德教育活动；组织本地传统美德教育经验交流；组织、指导本地传统美德教育教材的征订与发放工作，等等。

三是成立学校传统美德教育工作组织。学校是区域传统美德教育的主渠道、主阵地，有着先导与示范作用。学校传统美德教育工作组应由学校校长或书记任组长，成员由党、政、工、青及教师、家长、社区代表组成。主要负责全校的传统美德教育，指导家庭传统美德教育。具体是制定计划，统一布署，协调行动，指导家长，总结经验，表彰先进。

4.制约完善机制这是传统美德教育运行机制的具体内容，也是具体保证措施。一是建立管理制度。即对规划、组织、评比、总结各环节作好明确规定，便于参与，便于检查。二是建立责任制度。即对各层级、各岗位的人员要明确责任，以便各尽其职，各负其责，密切配合，团结协作。三是建立评价制度。评价具有判断、激励、促进传统美德教育等多元功能。为提高传统美德教育的实效性，应搞好评价制度的建立与实施。

5.主题活动机制活动是传统美德教育的有效载体。开展主题活动，就是以课题组提出的孝敬父母、立志勤学、 勤劳节俭、爱国爱民等18个德目为主题，开展系列活动。 开展主题活动应注意以下问题：（1）活动要有鲜明性，有吸引力、感染力；（2）选材要有针对性，贴近生活、贴近实际；（3）形式要新颖创新，可参与、可收获；（4）组织要有实效性，在过程中育人。

6.队伍建设机制搞好区域中华民族传统美德教育，关键在于建设一支高素质的教师队伍。教师队伍在弘扬、继承中华民族传统美德中具有骨干、主导与示范作用。这是传统美德教育重要的保障机制。区域传统美德教育队伍包括专门教师、各科教师、班主任、团队干部、家长及研究、指导的专门人员等等。由于传统美德教育是90年代以来新兴的一项教育内容，师资队伍建设无论从数量上，还是质量上看都显得不足，因此加强队伍建设是十分必要的。

7.社会参与机制即建设良好的区域环境，调动、激励社会各界人士参与传统美德教育。就一个县（区）的区域来看，社会参与的机制建设起码要包括以下几方面。

（1）协调相关部门齐抓共管，营建良好的社会大环境。

（2）加强德育基地建设。社会上各公共娱乐场所，各纪念馆、博物馆、科技馆等公共活动场所，应有组织、有计划、有内容地开展中华民族传统美德与优良传统文化教育；宣传部门和教育部门开辟的各类德育基地，应结合实际充实此方面的内容，搞好建设。

（3）指导办好家长学校。通过召开各类学习会、交流会、研讨会等活动，促进家长素质的提高。用家长素质的提高去带动影响子女传统美德的形成。

（4）加强社区文明建设。一是建立社区教育委员会，将传美教育纳入总体工作之中；二是坚持以政府为龙头，齐抓共管，充分调动社区居民的积极性；三是建立《社区文明公约》、《居民守则》、《社会公德》等规程。

以上机制是一个保障体系，每个机制在整体中都有各自的重要地位及作用，建立与发挥每一机制的作用，应当统筹运作，综合使用，只有这样，才能提高中华民族传统美德教育的整体效益。

十年来，中华民族传统美德教育实验研究，取得了丰富成果，主要体现在以下几个方面。

1.完善、构建了中华民族传统美德教育的综合运行模式与保障机制，丰富和发展了有中国特色社会主义德育理论。

2.提高了学校德育整体水平，实验学校的师生思想道德素质显著提高。

传统建模方法篇（4）

关键词： 传动轴；动力学模型；多柔体动力学模型；结构优化

Key words: transmission shaft；dynamic model；multi-flexible body model；construct optimization

中图分类号：U46文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）17-0024-02

0引言

车辆传动系统的振动、噪音问题一直是车辆研发过程中最关心的问题之一，长期以来车辆传动系统的研制一直采用古典动力学法，利用替换质量，传动比和传动效率等概念来对机构进行动力学分析配合大量反复的实验，测量来完成。这是一种简单，直观的分析方法，但是，随着市场经济的深入，中国加入WTO，汽车行业竞争日趋激烈，对汽车乘坐舒适性等提出了更高的要求。这样缩短汽车的研制开发周期，降低成本，提高效率显得尤为重要。因此改变传统的设计模式，将虚拟样机技术引入汽车传动系统设计及研制领域是很必要的[1,2]。动力传动系弯曲振动在很大的频段内对车辆振动和噪声有重要影响，动力传动系低频段内的刚体振动直接影响车辆的乘坐舒适性，而较高频段内的弹性振动将会引起车辆的结构共振和声学共振。

1传动轴模态分析概述

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。这里对单个传动轴轴管进行模态分析。其中考虑了两端万向节叉的质量以及转动惯量对固有频率的影响。用控制变量法分析总结了传动轴长度以及轴管厚度对固有频率的影响规律[3-5]。

1.1 传动轴模态分析三维模型的建立考虑到建模效率问题，本文在UG软件中建立传动轴模态分析的三维模型，然后导入到ANSYS软件中。建立模型时，应该注意以下几个方面的问题：

①用曲面来建立轴管的模型。②轴管两端用圆平面封闭，然后切割成两个半圆平面，便于后续有限元模型单元的加载。建立后的单根传动轴轴管三维模型。

1.2 传动轴模态分析有限元模型的建立在ANSYS软件中建立传动轴有限元分析模型，其要点如下：①主要考虑轴管变形，只对轴管进行离散；②需考虑轴管两侧万向节叉的惯性对固有频率的影响；③传动轴轴管采用壳单元离散；④轴管两侧平面采用壳单元，并设材料密度接近为零。⑤轴管两侧中心处采用质量单元，模拟两侧万向节叉的质量和转动惯量。

利用UG软件建立传动轴轴管三维模型，然后导入到ANSYS软件中建立有限元模型，计算分析了各种尺寸传动轴轴管的固有频率。为相关人员进行传动轴轴管设计和选型提供理论依据。分析总结出以下几点：①传动轴轴管的固有频率随着厚度的增加而增加，固有频率与厚度的关系基本上符合二次曲线关系，同时用最小二乘法给出拟合函数，通过比较，可以达到很高的拟合度。②传动轴的固有频率随着长度的增加而减小，固有频率与长度的关系基本上符合线性关系，同时，用最小二乘法计算出拟合函数，通过比较，发现拟合度较高。③在建立有限元模型时，应当注意几个问题：①与两端万向节叉相连的十字轴对于传动轴轴管固有频率的影响比较大，在分析中，应当考虑进去。②两端面的单元厚度取值大于25mm时，计算出来的传动轴轴管的固有频率趋于稳定。所以端面单元厚度取值应为25mm以上。

2传动轴虚拟样机模型关键技术分析

要对传动轴进行动力学仿真，首要的工作便是建立虚拟样机模型，施加各种运动副和载荷，建立一个与实际系统相符合的虚拟样机模型，然后就可以对虚拟样机模型进行仿真分析 [6-8] 。本文是在ADAMS中构建的仿真模型，它是由机械零部件的几何模型以及它们之间的载荷，运动以及约束关系构成的。创建机械零部件的几何模型的目的，一是为了获取其转动惯量，质量和质心位置等物理信息；一是为了给刚体之间的接触碰撞判断提供几何属性；三是为了更加形象的再现零部件的运动过程，增强仿真的可视化效果。

由于ADAMS的建模能力相对专业建模软件来说比较弱，ADAMS与建模软件之间的协作成为当今仿真分析领域的一个主导模式。因此本文所采用的三维实体模型是通过CATIA实体设计软件建立，然后通过ADAMS接口模块，将模型导入ADAMS，建立仿真模型。本文用到的传动轴模型零件是用CATIA软件建模的，主要零件包括：三个十字轴，四个万向节叉、一个主传动轴（一轴）、一个中间传动轴（二轴）、中间支撑和花键若干。然后按照实际的传动轴位置，对传动轴进行装配。

经过以上步骤，传动系统的虚拟样机基本建立完毕。在开始仿真分析之前，还应该对样机模型进行必要的检验，排除建模过程中隐含的错误，以保证仿真分析的顺利进行。本节主要从以下两个方面对样机模型进行了初步验证，以确保所建立的虚拟样机与实际模型的一致性。①样机模型参数的检验：主要包括对样机各零部件的质量，质心，参数单位以及基本装配位置进行检验，并修正与实际模型不相符合的部分。②用ADAMS自检工具检验：ADAMS提供了一个强大的样机模型自检工具“Model Verify”，可以检查样机是否存在没有约束或过约束的构件以及检查样机的自由度等，利用该命令进行模型自检。

需要注意的几点为：①在CAD软件中建立三维模型，导入ADAMS软件中后，不但需要观察导入的模型是否完整，同时确保每个导入部件都是一个完整的体，因为在建模过程，或通过格式转化的过程中很可能会造成曲面等信息的丢失，导致导入的某个部件只是一个未封闭的曲面集合体，而未能形成一个完整的体，最终造成计算错误，对于传动轴可以通过部件导航器，查看部件信息来确定部件的完整性。同时需要检查每个部件的密度等信息是否跟实际情况一致。②在建立约束副时，尽量用少的约束来表达传动系统的运动情况，同时，尽量用较简单的副，如固定副等，少用接触副等。为后续的计算带来便利。③在建立好完整的仿真模型后，需要通过一个工况进行试运算，同时对照实验数据，检验模型的合理性。

3动轴中间支撑的改进和建议

3.1 等效质量计算中间支撑的刚度及阻尼等参数对整个传动轴的振动有重要的影响。为了讨论中间支撑隔振性能，把整个传动轴等效成一个单自由度振动系统。单自由度振动系统是指在振动的过程中任一瞬间的振动形态只需要一个独立坐标就可以完全描述的系统。

单自由度振动系统对振动分析有重要意义：①工程意义：许多实际工程问题可以简化为单自由度系统进行研究并具有满意的工程效果（精度符合工程要求+简单方便）；②理论意义：任何线性多自由度振动系统在特殊的坐标下（模态坐标）表现出与单自由度系统类似的性态。

对于传动系统是否可以等效成一个单自由度系统，主要考察其在不同刚度和对应固有频率时，计算出的等效质量是否一致，为此，下面利用上面仿真的结果数据，计算了在不同刚度，固有频率情况下的等效质量，表1是计算结果。

由表1可以看出，在不同的刚度和固有频率下，计算出的等效质量基本保持不变，把中间支撑对传动轴组成的系统看作一个单自由度系统是合理的。这里取计算量的平均值m=13.09358kg作为等效质量应用。

3.2 隔振的计算系统的隔振能力可以通过位移的传递率来衡量。位移的传递率是振幅的比值，反应了单自由度系统削弱激励振幅的能力。传递率在70％以下有隔振效果，不同场合下对隔振性能要求不同，很多情况下要求传递率达到30％以下。将传动轴系统等效成单自由度模型。

对该模型进行分析，有：

对中间支撑的隔振性能进行了分析，把传动轴系统等效成单自由度系统。计算出相应的隔振率，并与中间支撑振幅曲线比较，总结出：①传递率随着刚度的增加而增加。②本例中，中间支撑刚度小于180N/mm时，传递率小于70％，满足隔振要求。同时，比较中间支撑振幅曲线，可知，刚度在180N/mm左右时振幅较小。所以，综合传递率和振幅，建议中间支撑刚度适当小于180N/mm。

4结语

虚拟样机技术作为一门新兴技术，已越来越广泛地应用于各个领域，它改变了传统的设计模式，大大提高了设计效率和产品质量。本文以某款商务车的传动轴系统作为研究对象，进行了动力学仿真分析。对传动系统的隔振性能进行了分析，总结出中间支撑的刚度对整个转动系的隔振性能的影响规律。通过分析的结果，对传动系统中间支撑提出了改进方案，期望改善传动轴系统的振动问题，也为相关行业处理类似问题提供一定借鉴。

参考文献：

[1]严骏，王建新，周朝霞等.小波消噪和AR谱技术在汽车传动轴故障诊断中的应用[J].理工大学学报（自然科学版），2005，6（3）.

[2]韩素芹.汽车传动轴振动和异响的原因[J].天津汽车，2007，（4）.

[3]Ping Lee，Electrometric Engine Mount With Hydraulic Damping，US Patent，No．4915365.

[4]Richard A，Muzechuk，Hydraulic Mounts-Improved Engine Isolation，SAE Paper 840410，1984.

[5]孙世基，黄承绪编著．机械系统刚柔耦合动力分析及仿真．人民交通出版社．2000，5.

传统建模方法篇（5）

上述科学技术的高速发展对建筑设计行业的影响其实可以看做是一柄双刃剑。一方面，建筑师可以借助电脑进行模拟和思考得到传统方法无法得到的成果，能够最大限度的发散性思维，极大地拓展设计的可能。同时由于数字加工技术与数字设计技术的对接极大地提高了生产复杂异型构件的可能。在建筑设计过程中运用前沿科学技术可以极大的提高工作效率，缩短设计周期，节约时间。采用多种多样的绘图建模软件也可以得到手工绘图和制作模型较难达到的精确度。三维立体模型的制作和利用BIM技术碰撞检查等可以对设计方案进行全面的把控，在建造前期及过程中掌握预测的主动权，提前发现和解决问题，减少损失。另一方面，高度依赖计算机和数字技术也使得传统手工绘图、制作模型的工艺受到影响，最为典型的例子就是现在很多建筑学专业的学生可以利用软件顺利的做出设计方案，但却未必能够将自己的设计理念通过手工绘图很好的表达出来。

传统建模方法篇（6）

中图分类号：G511 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2015）018-000-02

建构主义教学是在现代西方教育界影响很大的一个教学方法与模式。它提出了很多与传统教学方法相区别，具有革命性的新观念。并在教学实践中积累了丰富的经验。对这种教育模式的研究和借鉴，有助于提高我国的教育水平。

一、建构主义教学方法的基本理论

1.基本理念

建构主义认为知识的客观性是值得怀疑的，很多知识是主体建构的结果。这在社会科学领域表现得比较明显。在社会科学领域，知识总是体现出大数规律，并且可以为研究者的偏好与态度而发生改变。这说明知识的客观性并不像传统教学观念所认为的那么牢固可靠。同样的，学习过程也不像是传统教育观念所认为的那样，是客观的知识在学生主观上的反映。建构主义认为知识是主体建构的结果。只有人才能够赋予知识以意义和价值，这比知识本身更为重要。因此，在建构主义教学中，特别强调要发挥学生的主体功能。学生不再是知识的被动接受者，而是知识主动的创造者和运用者。

由于在知识的客观性问题上，建构主义与传统教育观念有所区别，因此在知识的运用上，建构主义也特别强调能力的培养。传统的一些教育方法更加注重知识的传播与灌输，而对知识的运用较为忽视。而在建构主义看来，既然知识是主体相互建构的结果，那么主体对知识的运用才能赋予知识新的意义和价值。学生对知识的了解本身并不是最重要的，最重要的是运用知识。这种对知识的功能性的强调。促使建构主义特别关注学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

在传统教育模式中，特别强调知识的传授要由浅入深、系统全面的为学生所掌握。这种教学模式比较符合一般的认识规律以及有助于学生掌握知识领域的全貌。但是忽略了一个关键点，就是学生出现在课堂上时，就已经有了固有的知识结构和认知模式。这就决定了学生在学习中不可能像教学设计中那样从单一的路径理解知识。更重要的是同样的知识对于不同的学生有着截然不同的意义与价值。如果在教学设计与教学过程当中不注意这一点，就很难发挥建构主义教学的特点和优势。

2.教学模式

上述几点建构主义的教学理念绝不会自然的体现在实际教学当中。因而，必须要通过特殊的教学设计才能在教学中实现上述理念。这里我们通过三点来粗略介绍建构主义教学模式的一些内容。

第一，建构主义的教学前设计。在教学之前，与传统教学模式一样，要先界定教学目标。一切教学设计都必须以达到教学目标为基本依归。除了要对教学目标进行分析之外，还要对学生的特征进行分析。学生在学习中的知识结构、认知模式和兴趣偏好等等，都在影响着教学设计的进路和效果。第二，建构主义的教学过程。建构主义强调学习中的问题意识和解决问题的能力。有学者指出“建构主义所阐述的学习就是基于真实问题情境下的探索、学习的过程。就是解决实际问题的过程，问题构成了建构主义学习的核心”。因此在建构主义学习的教学过程中，问题引导式的教学就成了关键性问题。在这个过程当中，教师要成为解决问题的指引者，示范和启发学生的分析能力。当然，在这个过程中，教师本身不能代替学生赋予知识以意义，学生才是学习的主体。第三，建构主义教学的总结与评价。同其他科学合理的教学模式一样，建构主义同样不认为教学过程的结束时教学的终点，合理的教学总结和评价是极其重要的。学生在教学过程中是否已经达到了教学目标的设计；教师在教学当中是否科学高效的对学生进行了启发与指导；教学资源是否有针对性的帮助了教学过程；教学情境是否真实有效；学习策略的选择是否科学合理等等，这些都需要在教学总结与评价当中得到估算。只有经历这一环节，才有可能在未来的教学当中进行改进和反馈。根据具体的学习特点进行教学过程的调整，更具实效和针对性。

二、西方政治文化传统的教学内容与特点

上文我们讨论了建构主义学习模式的基本观念和教学模式。建构主义教学高度重视针对教学内容的特点进行教学设计。因此在这里我们必须结合西方政治文化传统这门课程的具体内容进行讨论，这一部分就开始阐述这门课程的一些具体特点。

1.教学内容

西方政治文化传统的教学内容是西方自古希腊至启蒙时代，绵延两千年的政治文化传统。集结了西方政治思想领域的精华和洞见。它包含西方政治思想的理性传统、法治传统、民主传统、基督教传统、自然法传统、权利传统等等内容。其内容涉及到国家、权力、社会契约、神权与王权、政体、自然状态等等政治学方面的议题。涉及到自由主义、共和主义、保守主义、宗教神学等多个当代主要的意识形态。

2.教学定位

从课程设置上来说，西方政治文化传统一般属于非政治学专业设置的专业选修课。在课程设置的难度上，以及内容的范围上，应该比政治学专业的西方政治思想史课程要容易一些。特别是要考虑到非政治学专业的同学，政治学专业知识基础较为薄弱的情况。从课程分类来说。这样一门课程属于研究型课程，比较适合建构主义教学模式。因此在教学中就可以激发学生的学术兴趣、锤炼学术能力、养成学术规范。

3.课程特点

西方政治文化传统课程是一门研究型课程，注重学生问题意识的养成。特别是需要引导学生思考政治思想家们提出各种理论的学术动机是什么？是要解决什么样的问题？尤其是不同学派不同时期的学者们在思考同样一个问题时，为何会有不同的思路和解答。对这种比较方法的运用，对学生能力的锤炼是非常有效的。西方政治文化传统课程的另外一个特点就是文化熏陶。政治文化是整体文化的一个组成部分。这意味着在课程教学的过程中，一定要注意教学材料中所体现出来的文化之间的联系。特别是要学生能够一窥西方文化的全貌。通过文学作品、音乐美术等艺术形式、甚至电影电视等视频资料，让学生接触活生生的文化样本，直观感受文化的浸润。这是帮助学生理解西方政治文化的一个有效方法。

三、建构主义教学的具体设计

建构主义教学模式非常强调学习过程的实践性和学生能力的提高。因此在教学设计中注重以问题为核心的过程。以问题为核心首先意味着在介绍每一种西方政治文化传统时，在介绍每一个思想家的相应观点时，加强对问题意识的强调，能够帮助学生理解相关理论和思想的价值与意义所在。特别是西方政治传统中的一些理论问题具有永恒的讨论价值。以问题为核心的教学还有着相应的方法论要求。在介绍每一种理论和哲学观念时，都可以从问题、答案、论据、意蕴这四个方面来进行分析。问题即该理论和观念是为了解决什么样的理论和现实问题；答案是指对前述问题的解答是怎样的；论据是支撑上述答案的理据是什么；意蕴是这种问答和理据有着什么样的理论意义和启示。通过这几个方面的分析，我们就能够更好的引导学生在理论史的角度来理解相应观点。

建构主义学习模式第二个值得注意的是对小组合作式学习的强调。建构主义特别重视学生自发主动的进行学习。要在自主学习能力不强的情况下锻炼学生的主动学习能力，采取小组合作式学习是一个好的方法。在学习小组中，学生更容易避免独立学习中经常会遇到的缺乏自信的情况。成员之间可以互相完善和补充对方的知识差距和能力差距，一般都能获得更好的表现。特别要重视的是，在小组学习别适合采取支架式教学的方法。在学习任务的建构中，问题难度的设置稍微超出小组的能力水平，这样才能在教师的指导下提高，并逐渐形成独立解决问题的能力。

建构主义学习模式第三个具体的教学方法是抛锚式教学方法。这种方法的“主要目的是使学生在一个真实、完整的问题情境中产生学习的需要，并通过镶嵌式教学以及学习共同体中成员间的互动、交流，即合作学习，凭借自己的主动学习、生成学习、亲身体验完成从识别目标到提出和达到目标的全过程。它是使适应日常生活、学会独立识别问题、提出问题、解决真实问题的一个十分重要途径”。抛锚式教学模式的一个常用方法就是案例教学。西方文化传统与西方历史的发展联系密切，因此能够提供大量的历史事件作为案例，能充分吸引学生的研究兴趣带入逼真准确的问题情境。这种案例教学也特别适合小组合作式学习。学生能够在问题情境的合作中分享知识及其意义。

参考文献：

[1]余胜泉，杨晓娟，何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究，2000（12）：9.

[2]希尔贝克.西方哲学史――从古希腊到20世纪[M].上海译文出版社，2012（6）：5-9.

传统建模方法篇（7）

 

一、概述各移动运营商及移动通信相关技术咨询单位在进行规划方案验证时，传统的方法是通过规划仿真软件使用宏蜂窝传播模型及20米精度三维电子地图对规划方案进行仿真验证；然而，宏蜂窝传播模型的应用范围和自身局限性限制了规划方案仿真验证的精度：首先，宏蜂窝传播模型的应用范围一般在500米以上，而CBD区域基站的覆盖半径一般在500米以下。其次，宏蜂窝传播模型只能从宏观上反映方案覆盖效果，无法根据建筑物的高度从微观上反映局部的覆盖情况。因此，需要采用更合适的传播模型配合高精度的三维电子地图对CBD区域的规划方案进行仿真验证，以确保该重点区域无线网络建成后的网络性能。

目前射线跟踪模型作为一种高精度的规划仿真传播模型在大中型城市覆盖重点区域的规划方案仿真验证中得到广泛应用。本文首先对射线跟踪模型的原理进行探讨，然后以WaveCall公司的WaveSight模型为例说明射线跟踪模型的应用方法。其结果有助于应用射线跟踪模型对规划方案进行精确验证，对规划工作有积极的参考和指导作用。

二、射线跟踪模型简介2.1 微蜂窝传播模型介绍 当前传播模型根据应用范围可分为宏蜂窝传播模型和微蜂窝传播模型，宏蜂窝传播模型应用范围为1km至几十km；而微蜂窝传播模型应用范围仅为几百米，一般只适用于基站附近区域。免费论文。由于CBD区域基站的覆盖一般在500米以内，因此应用微蜂窝传播模型对该区域规划方案的效果进行仿真验证更为合适。

微蜂窝传播模型根据模型建立方法，可分为经验模型，确定性模型以及混合模型；

l经验模型

经验模型是在大量测量的基础上产生的，该模型与室外传统宏蜂窝传播模型类似，不考虑理论计算，对基站附近测量大量数据后统计归纳出经验模型。

l确定性模型

确定性模型是依据电波传播理论计算出接收点与发射点之间的传播损耗。射线跟踪模型是一种典型的确定性模型，确定性模型不考虑测量，仅在确定计算公式中的个别参数时需要测量验证。

l混合模型

混合模型结合了经验模型和确定性模型，一方面混合模型以电波传播理论为依据得出电波的传播模型，同时需要对基站附近测量大量数据以统计确定传播模型中的参数值。

2.2 射线跟踪模型介绍 射线跟踪模型是一种确定性模型，其基本原理为标准衍射理论（Uniform Theory ofDiffraction，简称UTD）。根据标准衍射理论，高频率的电磁波远场传播特性可简化为射线（Ray）模型。因此射线跟踪模型实际上是采用光学方法，考虑电波的反射、衍射和散射，结合高精度的三维电子地图（包括建筑物矢量及建筑物高度），对传播损耗进行准确预测。

由于在电波传播过程中影响的因素过多，在实际计算预测中无法把所有的影响因素都考虑进去，因此需要简化传播因素；射线跟踪算法把建筑物的反射简化为光滑平面反射、建筑物边缘散射以及建筑物边缘衍射。

根据考虑路径的种类不同，射线跟踪模型可分为三种：

l2D射线跟踪模型

只考虑水平切面的传播路径，即第一类路径。

l3D射线跟踪模型

只考虑水平切面以及垂直切面的传播路径，即第一类及第三类路径。

l全3D射线跟踪模型

考虑所有传播路径，即考虑所有第一、二、三类路径。

三、射线跟踪模型基本原理射线跟踪模型的基本原理是简化传播因素，采用光学方法定位传播路径并计算各接收点与发射点之间的路径损耗；因此，射线跟踪模型的关键在于如何定位接收点与发射点之间的传播路径并计算路径损耗。免费论文。

3.1 水平切面的传播损耗从发射源在接收点之间可能存在很多传播路径，但是一般只有一到两条强度最强，在传播中起主导作用的主导传播路径。路径损耗计算时只需计算主导传播路径的损耗即可。免费论文。

3.2 垂直切面的传播损耗 相对于水平切面的传播损耗，垂直切面的传播损耗计算要简单一些，计算垂直切面的传播损耗时，需要首先确定发射源与接收点之间的垂直传播路径，然后计算其中各个刀锋衍射损耗，其路径损耗为各刀锋衍射损耗之和。

3.3 射线跟踪模型简要结论 根据射线跟踪模型的理论以及相关资料，可以得到射线跟踪模型的简要结论如下：

1.对近距离的场强预测， 水平切面算法（2D射线跟踪算法）起主导作用。

2.全3D方向算法中全3D路径（即第三类路径）对远距离的场强预测准确性影响很大。

3.在整齐规划的建筑群中，对远距离的场强预测，垂直切面算法可取代全3D方向算法。

四、射线跟踪模型的应用 本节主要以WaveCall公司的WaveSight射线跟踪模型为例，对射线跟踪模型的应用进行说明。

WaveCall公司的WaveSight射线跟踪模型作为AIRCOM公司的规划软件Enterprise的插件，可用于高精度的规划方案仿真验证。该模型基于标准衍射理论及射线跟踪算法，综合考虑电波传播范围内建筑物的轮廓、高度、地形剖面图，对电波的传播特性进行准确预测。

WaveSight模型是一种3D射线跟踪模型，该模型包括两种类型路径：水平切面路径以及垂直切面路径。

对比传统射线跟踪模型，WaveSight 具有优点十分明显：首先，WaveSight射线跟踪模型采用了不同于传统射线跟踪模型的算法，空前地提高了计算效率：该模型完成一个基站的覆盖预测所需时间仅是传统射线跟踪模型所需时间的1/3左右，不仅保证了覆盖预测的精度，同时还保证了覆盖预测的速度。此外，WaveSight 模型使用简单，该模型不需要使用测试数据对其进行调校，仅需要输入两个参数：使用频率及接收端高度。

WaveSight 射线跟踪模型的缺点是：仅适用于市区环境，对电子地图精度要求较高，不仅要求地图精度必须达到5m 以上，而且要求提供建筑物矢量信息以及高度信息。

五、结论及后续工作 本文首先对射线跟踪模型的原理进行探讨，然后给出射线跟踪模型的简要结论，最后以WaveCall公司的WaveSight模型为例说明射线跟踪模型的应用方法。其结果有助于应用射线跟踪模型对规划方案进行精确验证，对规划工作有积极的参考和指导作用。

今后研究工作可以再上述研究基础上进一步展开，对全3D射线跟踪算法进行进一步的探讨，同时也可以对其它射线跟踪模型如WinProp模型等进行研究，

进一步研究射线跟踪传播模型算法，更精确地城市CBD区域进行预测，指导网络的规划及优化工作。

【参考文献】

1．WaveCall公司；《WaveCallPropagationWhitePaper》；2001

传统建模方法篇（8）

引言

建筑物的数量和高度的日益增加，其安全性也日益受到关注。建筑物通常受到地质变化、天气状况、建造技术等因素的影响发生变形，具体形式有整体或部分沉降，轻微振动，楼体倾斜等形变现象。目前发展较成熟的监测技术有液体静力水准测量法、三角高程测量法等，文献对建筑物变形原因、测量方法进行阐述，文献介绍了一种建筑物倾斜变形测量的新方法。无线网络技术可实现建筑物实时监测，对安全预警、健康诊断等工作具有积极意义。

1 建筑物安全监测系统

大型建筑物的健康检测，即是通过在建筑物上固定一些测量传感器，如位移、应力、裂缝宽度测量等传感器，来监测建筑物沉降、倾斜变形、偏移等形变量，将采集信号转化成数字信号，通过对信号对处理，来实时评估建筑物安全状况、稳定性、载荷能力等性能，有些监测系统还能实现提前预警。健康评估主要包括机构寿命、强度、经济性等，主要通过检测值与标准值对比。评估安全状态主要通过预测测量值，常见的预测模型有灰色系统 模型、 回归预测、多项式回归预测、组合模型等，预测效果与预测精度有所不同，各有优点。

建筑物监控的项目主要以下几个方面，主要是物理状态：

（1）建筑物在地质变化、天气变化时，受到挤压和结构的受力状态；

（2）建筑物在灾难如地震、地陷、大风之后，结构和受力的变化及状态；

（3）建筑物在发生形变时间，微小的振动等；

（4）建筑物的生存环境，温度、风速、地质等。

传统的监测不可能监测到这些物理参数，受测量和读数误差约束，灵敏度不高。且人力、物力有限，沉降、倾斜变形等监测工作也是定期安排，无法实现实时监测与动态显示。所以安全监测系统的建立尤为必要。

2 系统设计

2.1 传感器选择与配置

大型建筑物监测系统及监测的内容以及所对应的传感器、传感器的功能主要有以下几方面：

（1）加速度传感器，主要监测建筑物结构倾斜。建筑物受风力等影响发生一定的倾斜，在倾斜瞬间，建筑物产生一个加速度，加速度传感器记录反应的加速度大小及方向。将记录数据传输到数据处理模块，可得到倾斜程度。

（2）应力传感器，主要监测结构表面所受挤压、拉伸、扭转力或力矩大小。具体的应力传感器有应变仪、测力计等。应变仪记录建筑物应变应力，测力计记录钢筋等结构的拉伸数据。监测应力及拉伸数据通过数据处理，可得建筑物受力状态。

（3）位移传感器，主要监测结构相对位移。建筑物发生的位移主要有沉降、倾斜、表面形变等。沉降是竖直位置变动，倾斜有水平变动分量，位移传感器监测的水平和竖直变动量可确定建筑物在一个平面的位置。采集的数据通过数据处理，可得建筑物的偏移量。

2.2 系统总体设计

建筑物监测系统主要包括两个过程，第一是通过各种传感器对数据采集，将采集的物理信号转化成电信号，通过无线网络发射到上一级进行处理；第二是接受和处理监测数据，与监测主机实现通讯。实现这两个过程的系统组成有两部分，一是网络协调器 ，主要完成组件网络、接收和处理终端节点传输的数据、与主机之间实现相互通讯这三项工作。二是检测终端节点 ，它主要包括测量传感器和各种处理器，可以实现建筑物形变、位移、倾斜等量的测量，并把采集的数据通过无线网络发射到网络协调器，进一步发送到电脑主机处理与显示。

2.3 系统硬件设计

根据系统的总体设计，监测目的等，确定系统硬件的硬件组成。数据采集模块包括各类传感器，具体包括位移传感器三个、应力传感器三个、加速度传感器一个。数据传输模块包括主要是网络终端节点。数据接收和传输模块主要是网络协调器。

系统硬件最核心的部分是处理器。处理器在处理速度和数据处理精度上有区别，处理器实现了与玩味电路的相互联系。在实验室中，搭建的监测系统，短距离的网络传输，考虑性价比和系统实现功能等，选择处理器择 ，它包含8051内核，前端设有RF无线收发功能，8KBRAM，64KB FLASH，12位ADC，21个通用GPIO，在此基础上配置串行通信接口就可以构成一个Zigbee网络的协调器。在CC2530F64配置各类传感器接口电路、传感器就可以形成一个终端节点。

2.4 系统软件设计

系统软件实现的功能及内容也可分为两步。第一是通过CC2530平台，协调器监控程序主要完成通道的扫描、初始化、建立网络、节点加入记检测数据的接收、验证、上传。第二是终端节点的软件程序主要完成接口初始化、申请入网、传感器控制、数据采集等编写。整个软件程序实现网络的建立、数据传输，在各方面协调一致。

3 系统模拟与实验

实验室搭建模型模拟建筑物健康检测，检验系统的可行性与实用性。实验主要通过加速度传感器陀螺仪检测加速力，根据之前的监测系统经验，优化各部分结构组成。系统监测原理图如下图所示：

监测系统的监测流程大致包括数据的采集、数据处理与评估预测。在实验室监测健康状况，利用传感器监测位移、应力等物理信号通过传感器外接电路转化成电信号，通过CC2530处理器处理，在串行口转换电路之间通信，在PC机上动态显示。在实验室模拟的小型建筑物上固定陀螺仪，没晃动一次陀螺仪，PC机上的显示界面均会发生变化。显示界面上有指针盘和数据框组成，指针随着陀螺仪的晃动而变化，反应较为灵敏。对应的动态数据在数据框中给出，包括反应力与倾角等。

检测系统的令一个任务是对建筑物的安全进行评估和预测。系统也提供了许多评估的方法，主要包括建筑物应力在结构承受应力范围内、建筑物倾角范围在安全范围内等。通过程序控制这些变量，当这些变量超出范围时，报警系统启动，实现报警。

4 总结

本文主要介绍了实验室开发的一种建筑物健康安全监测系统，通过模拟大型建筑物实现数据的采集、处理和健康评估预测。系统利用多种传感器，并基于无线网络技术，实现传感器数据的传输。无线网络技术应用广泛，通过组网、入网申请等环节，实现的网络的开发与利用。整个系统运行稳定，效果较好。

参考文献

[1]郑志勇，张光华.高大型建筑物沉降监测的方法及精度分析[J].地矿测绘，2005，21（3）：20-21.

[2]宋发良.建筑物变形测量方法探讨[J]，中国高新技术企业，2009，3：108-109.

[3]夏阿梅，王全海.建筑物倾斜变形测量的一种新方法[J].山东冶金，2008，5（30）：77-78.

[4]邬晓光，徐组恩.大型桥梁健康监测动态及发展趋势[J].长安大学学报（自然科学版），2003，1（23）：39-42.

[5]吕丽娟，王莹.基于无线网络的振动监测系统的设计与实现[J].青岛远洋船员学院学报，2006（04）：36-39.

作者简介

姜涛（1994-）男，江苏省人。现为徐州工程学院学生。Pro/E高级工程师。大学本科在读。研究方向机械设计制造及其自动化方向。

传统建模方法篇（9）

作者简介：卢森幸（1977-），男，壮族，广西河池人，河池学院物理与电子工程系，讲师；邹清平（1980-），男，湖南新化人，河池学院物理与电子工程系，助教。（广西 宜州 546300）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）01-0108-02

21世纪是信息化时代，现代科学技术的三大支柱是信息的采集、传输与处理技术，即传感器技术、通信技术和计算机技术。传感器是信息采集系统的首要部件，它既是现代信息技术系统的“感官”，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。[1]因此，在本科教学过程中，为了适应社会人才需求，“传感器原理与检测技术”教学是重要环节。

一、“传感器原理与检测技术”教学现状

1.学科知识多元化，学生方向难定

“传感器原理与检测技术”是一门交叉学科，涉及支撑现代文明的几乎所有学科，这使得知识应用多元化，并且实践性强，相关知识更新快。学生在这个学科学习过程中，多元化使得学生抓不住重点；由于时间、实践设备、精力等因素限制，实践无法做到面面兼顾；面对学科知识更新较快的状况，学生无法及时更新自己的知识储备。这样，学生中往往出现努力学习，但是效果不甚理想的局面，学习是在郁闷的状态下学习，学习兴趣自然很低，甚至给磨灭了。

2.教材编写知识点分立化，关联性差

在教材编写上，为了说明清楚，节省版面，教材编写一般分为传感器原理、结构、性能（参数）、测量电路、补偿电路和应用模块，并且分模块单独列举、说明，对它们的关联性没有针对性的说明。学生在学习过程中，由于知识面狭窄，大局观受到限制，自然把这些知识都分立开来，当然感觉所学的知识杂、多，难以掌握。

3.传统教学模式缺乏综合性和实践性

在传统的教学模式中，教师往往依照教材内容，应用教材课件完成教授任务，享受教材知识模块分立说明，忽略教材知识模块之间的关联性的重组。同时，教师过于注重单独模块定义的解释、公式的推导、原理的分析等内容，缺乏对传感器技术的应用和分析具体问题的讲述，无法很好涉及综合应用，更多采用口号式说明“综合性和实践性强”。

简而言之，在教学过程中，简单强调“传感器原理与检测技术”是一门多学科交叉、综合性强、实践性强、难以消化的学科。这样，学生就会有抵触情绪，教学效果也不会很理想。

二、以应用为导向开展“建模+模块化”教学模式

1.“建模+模块化”教学模式是“温故知新”学习模式

“传感器原理与检测技术”所涉及的知识多元化，涉及支撑现代文明的几乎所有学科，其中，传感器类型很多、各种传感器又有自己的工作原理、性能特性。学生如果什么都当成“新知识”，那么，自己脑子的“内存空间”就会不够用了，学习当然就没有兴趣。“建模+模块化”教学模式是“温故知新”教学模式。教学过程中，不要让多元化知识把学生“吓”到，要积极培养学生学习兴趣，鼓励学生认识到已学知识已经够用，树立学生学习信心。具体做法是：在教学过程中，给学生贯注“传感器原理与检测技术”是一门依赖原有知识的学科的思想，即应用已学的知识、技能去“感知”待测量的学习过程。具体点，“传感器原理与检测技术”需要的主要先修学科有“电子技术”、“电路分析基础”、“单片机技术”、“高等数学”、“物理”、“化学”、“生物”等。这些学科学生大部分已经学习，但是，不懂得如何去应用，特别是综合应用。在学科教学过程中，教师理出“建模+模块化”教学模式，帮助学生弄清楚学习方法、线索，引导学生进行“入门学习”，指导学生应用已学知识去解析新知识，找到各个知识点之间的联系（即学习线索）；以应用为导向和开发思维式进行教学，自然能提高学生综合能力、实践能力。

2.“建模+模块化”教学模式建立与实施方法

教师应根据传感器检测系统待测量特点、系统结构和性能要求、系统设计目标等进行模型建立。“建模+模块化”教学模式模型建立过程有4个步骤，即原始模型（建立）、模型分析、模型假设和模型应用，如图1所示。

“建模+模块化”教学模式模型各个步骤的具体内容如表1所示，在实施过程中，教师按照各个步骤内容进行，注意各个步骤具有独立性，同时，注重关联性引导教学。

3.“建模+模块化”教学模式实施实例

笔者现以金属电阻应变式传感器为例简单讲解“建模+模块化”教学模式实施方法（篇章限制，仅做简单列举说明）。

传感器检测系统的设计目标：利用物理效应中的“电阻-应变效应”来检测待测量力。金属导体的“电阻-应变效应”用应变灵敏度描述，金属材料的电阻的相对变化与应变成正比。基本测量原理是将被测非电量力转换成与之有确定关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量力的目的。

当然根据力的相关性质，可以变形检测其他待测量，如可以用来测量位移、应变、扭矩、加速度等。教师在指导学生进行传感器检测系统目标设计过程中，注意指出它们与力的关联性，变形方法、设计的思路、重点和难点。

（1）原始模型。对于特定的金属导体，金属电阻等于金属电阻率乘以长度除以横截面，这就是金属电阻应变式传感器原始模型。在教学过程中，给学生指出：这个模型的核心内容在中学物理中就已经学习过，现在仅就传感器检测系统需要进行一些变形，变形过程用到大学知识点——全微分。这样在整个教学过程中，学生懂得处理问题用什么知识，如何用。学生用自己熟悉的知识去处理问题，就会产生成就感，底气自然足了，学习兴趣自然浓厚了。

（2）模型分析。教师对金属电阻公式进行分析：假设在待测力作用下，金属电阻相关的金属电阻率、长度和横截面都发生变化，采用全微分进行分析。根据分析结果，依照本科阶段系统一般为线性系统这个特性构建线性传感器检测系统，略去电阻率变化对应变灵敏度系数的影响，要求金属材料在弹性变形范围内，泊松比在0.2～0.4范围内。这样，就可以得出金属电阻应变式传感器检测系统的核心理论，即：在金属应变极限内，力等于金属材料弹性模量乘以金属应变，其中，金属材料电阻的相对变化与应变成正比。从而也完成力的理论测量，即构建理论上的线性系统。在教学过程中，教师应当指出，整个分析过程都是大学里“高等数学”的应用，通过分析、演示、应用，让学生了解应用已学知识解决新知识中的疑惑的方法。学生了解新知识的来龙去脉，自然能够深刻掌握新知识了。

同时，根据金属电阻应变式传感器检测系统的核心理论，教师引导出金属电阻应变片基本结构，指出基本结构中的敏感栅、基底、盖片、引线、黏结剂在系统设计结构中的作用，从而让学生形成传感器检测系统的初步结构的认识，

（3）模型假设。为了做成线性系统，达到传感器检测系统设计要求，假设金属电阻率变化无穷小而略去，即略去电阻率变化对应变灵敏度系数的影响；假设、分析机械滞后和温度对系统没有影响；要求金属材料在弹性变形范围内，泊松比在0.2至0.4范围内（还有许多相关假设，篇章有限，不展开说明）。并对金属电阻应变片工作特性进行分析，从而得出传感器检测系统的性能参数，构建相应的补偿电路。例如，针对“假设温度对系统没有影响”这一假设，事实是：环境温度变化，由于敏感栅材料的电阻温度系数的存在，引起应变片电阻的相对变化，同时，敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同，应变片产生附加的拉伸（或压缩）变形，引起电阻的相对变化。这样，系统就会引入温度误差，分析这些温度误差的产生工作特点，设计相应的温度补偿电路，即引出应变片温度自补偿法和电路补偿法。在教学过程中，教师教授学生应用“高等数学”知识进行温度误差产生原因分析，应用“电子技术”和“电路分析基础”知识设计温度补偿电路。

这样，在教学过程中，教师引导学生应用已学知识分析对应现象，根据系统设计要求，应用相关知识设计功能电路，学生在反复的学习、设计和应用过程中，掌握已学知识应用方法，渐渐形成系统设计思维，综合能力自然提高。

（4）模型应用。传感器检测系统将待测量转化为已知量输出，构建相应的测量电路，形成待测量检测系统，例如：压力应变计，利用金属电阻应变式传感器进行压力测量。待测量力利用金属电阻应变式传感器感知，将被测试件的应变转换成电阻相对变化，为了能够应用计算机进行数据采集实现自动测量，采用全桥电路作为测量电路，为了获取更大的信号，紧接着是串联差动放大电路进行信号放大，同时，辅以调零电路和相关补偿电路，最后从屏幕输出。整个设计过程，应用到“电子技术”、“单片机技术”等知识，在教学过程中，教师教授学生应用相关知识完成功能电路设计的方法。通过举一反三，引导学生综合应用已学知识完成对新知识的学习、应用。

可见，在整个教学模型实施过程中，学生将面对模型中存在的诸多现象及现象的解释，需要教师有方法、有策略地进行引导学生用已学知识进行解答，同时，学生将面对模型对应的许多模块经典功能电路，教师引导学生按功能规律进行学习、收集、分类，指导学生相关应用。学生能够应用已学知识解决问题，自然就有成就感，学习兴趣当然浓厚了，这也使学生在后继的学习，甚至将来工作过程中面对系统设计时都能做到胸有成竹。

三、结束语

传统建模方法篇（10）

Comparative Study on Modeling Method of Book lending

CHEN Ying

（Henan Agricultural University，Zhengzhou Henan 450002，China）

【Abstract】This paper studies the predictive modeling principles and steps of multi variable regression， grey system theory， neural network and genetic algorithm， predict to law school of Henan Agricultural University library books borrowing model construction as an example， and the modeling process of four kinds of modeling methods were optimized and simplified analysis. With year lending books as sample data， forecast the loan amounts of two books in 2013， and compared with the recorded values， show that predictive genetic algorithm is more suitable for the library lending.

【Key words】Variable regression；Grey theory；Neural network；Genetic algorithm

0 前言

在信息社会，纸质图书的流通频率对构建学习型社会非常重要，一定周期内的不同类型的图书借阅量反映了该社会公民的整体素养。借阅趋势分析是图书管理员的日常工作之一，通过对借阅规律分析，管理员能够掌握师生的借阅兴趣和研究状况，各类图书和期刊的采购数量和质量，达到更好的为师生服务的目的。建立恰当的数学模型能够预测未来一定时间段内图书的借阅规律，常见的借阅规律预测模型建模方法有以下几种：多变量回归分析法、神经网络、灰色系统理论和遗传算法等[1]。在上述方法中，多变量回归分析方法是基础，其它几种方法都是基于该方法演变而来，是最通用的方法[2]。神经网络算法也是数学建模中常用算法，该算法有很强的非线性拟合能力，可映射任意复杂的非线性关系，学习规则简单，鲁棒性、记忆能力、能力和自学习能力强大，但该算法没能力来解释自己的推理过程和推理依据，训练模型的数据量庞大，计算过程容易造成信息的丢失；与神经网络建模方法相比，灰色系统理论建模过程清晰简单，模型稳定性比较好，但预测精度有待提高。遗传算法属于全局搜索算法，采用仿生学原理模拟自然进化过程择优搜索，该方法适用范围广，在一定域内总能找到目标解，但模型容易“早熟”，难以到达最优解，属于随机算法[3-4]。本文对上述四种建模方法的建模过程进行分析，对数学模型的优缺点进行评价，为图书管理员和图书管理科研工作者提供一定的参考。

1 多变量回归建模预测图书借阅量

1.1 建模原理

回归分析是一种分析变量之间关系的数理统计方法。对于待分析的数据和变量，虽然变量之间没有确定的数学关系，但可以找出最能代表它们之间关系的数学表达式：数学模型。在图书借阅规律研究方面，有两方面的应用，一是根据师生以往和现在的借阅状况，预测图书将来的借阅状况；二是对影响借阅状况的原因进行分析， 找出哪些是重要因素， 哪些是次要因素， 这些因素之间又有什么关系等等。

1.2 建模过程

使用多变量回归分析方法得到的图书预测模型通常表示为时间变量的多项式，并利用最小二乘原理求得多项式的系数，主要求解步骤如下：

（4）计算拟合残差，评估预测结果的可靠性。

2 神经网络建模预测图书借阅量

2.1 神经网络建模原理

神经网络建模的基本原理是：各种图书历年的借阅样本数据通过模型的中间层作用于输出层，经过非线形变换，产生输出的模拟值，模型训练的数据包括输入矩阵和期望矩阵。模型输出值和期望值之间的偏差量，通过调整输入层与隐层之间的加权值、隐层与输出层之间的加权值及阈值，使误差沿梯度方向下降，经过反复学习训练，确定与最小误差相对应的网络参数（加权值和阈值），训练即告停止。此时经过训练的神经网络即能对类似样本的输入数据，自行处理输出误差最小的经过非线形转换的信息。神经网络模型结果如图1所示。

图1 神经网络模型结构

Fig.1 The structure of a neural network model

2.2 神经网络建模过程

（1）模型初始化。给各节点间赋予一个初始权值，一般可以设为（-1，1），设定节点间误差函数e和计算精度ε，规定最大学习次数M。

（2）输入样本数据，计算各隐层神经节点的输入和输出数据值。

（3）利用模型的输出期望和实际输出，计算误差函数对模型节点的偏导数δm（k）；计算隐层和输出层对神经节点的偏导数δn（k）。

（4）利用神经节点的计算值修正节点间的连接权值。

（5）计算综合精度，并判断预测值是否符合要求。

3 灰色系统理论模型预测图书借阅量

3.1 灰色系统建模原理

灰色系统模型预测，是指对系统行为特征的发展变化进行预测，对既含有白信息又含有灰色信息的系统进行预测。很多情况下，样本数据中所显示的信息具有随机性，但随机的信息中也包含了时序的特征，灰色模型预测就是利用这种规律来进行预测。当前使用比较多的灰色预测模型是一阶微分的GM（1，1）模型。它是基于随机的原始时序，经累加后所形成的新的时序，该时序的规律用一阶线性微分方程的解来逼近。

3.2 预测模型建模过程

（3）预测方程精度评估。精度评估主要是对模型方程的预测值和样本数据进行比较，计算预测残差和数据间的相对误差。

（4）预测实现。

4 遗传算法预测图书借阅量

4.1 遗传算法建模原理

遗传算法是本质上是一种寻优方法，该方法借鉴生命学上的生物优胜劣汰原则，不断的择优搜索系统解。该方法直接对待优化的系统进行求解，不需要对系统进行连续性限定和对系统求偏导数，因此在应用上更加灵活，并且有较强的全局搜索能力。能对所有的样本数据进行优化处理，并且自适应的调整搜索的方向，在样本数据的渐次迭代中找到最优预测解，而且得到的这个解象生物界的生命体进化那样，有更强的适应性。

4.2 遗传算法用于图书预测建模过程

建模的过程参看流程图2。

图2 遗传算法预测模型基本建模过程

Fig.2 Prediction model of genetic algorithm

5 实例分析和预测结果比较

5.1 借阅样本数据

表1显示的是河南农业大学文法学院图书室2005～2012年间两种图书的借阅量。

表1 2005～2012年 两种图书借阅量

Tab.1 Lending condition among 2005-2012 years

5.2 不同建模方法预测结果比较

（1）表2显示的是2013年的两种图书预测结果

表2 回归分析法年借阅趋势预测结果

Tab.2 Forecast results of year of variable regression

（2）表3显示的两种图书的灰色模型预测结果

表3 灰色模型借阅趋势预测结果

Tab.3 Forecast results of year of grey system theory

（3）表4显示的两种图书的神经网络模型预测结果

表4 神经网络借阅趋势预测结果

Tab.4 Forecast results of year of neural network

（4）表5显示的两种图书的遗传模型预测结果

表5 遗传模型借阅趋势预测结果

Tab.5 Forecast results of year of genetic algorithm

5.3 预测结果分析比较

从预测结果可以看出，遗传算法模型的预测结果比较精确，绝对误差和相对误差都比较小，灰色系统理论模型的预测结果相对比较弱，神经网络模型和回归模型的预测结果介于二者之间。灰色系统理论是对数据进行逐次累加，找到数据间的线性规律，当原始数据间跳跃比较大时，这种叠加出的规律线性度并不明显，所以预测结果比较弱。遗传算法在每一步计算时，都要进行智能择优搜索，而且对数据间的跳跃不敏感，所以在对这类数据进行处理和预测时，结果相对精确。神经网络模型的精度和中间层的数量有很大的关系，对原始样本数据量的要求也比较大，在不满足上述条件时，预测精度比较弱，而回归分析对数据的间的线性度要求比较高。

6 结语

本文分析了多变量回归、灰色系统理论、神经网络和遗传算法在河南农业大学文法学院图书室图书借阅量预测模型构建方面的问题，对四种建模方法的建模过程和建模结果进行了分析。用部分图书的年借阅量作为样本数据，预测了2013年这两种图书的借阅量，并与记录值进行了比较。比较得出了遗传算法更适合于图书室借阅量预测的重要结论。

【参考文献】

[1]刘思峰，等.灰色系统理论及其应用[M].3版.科学出版社，2007.