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1.1高壓直流輸變電技術在變電工程中的應用高壓直流輸變電技術具有高穩定性、高容量的特點,能滿足遠距離輸電的同時也對異步聯網做出卓越貢獻,它是計算機技術和光纖技術在輸變電工程中的應用與快速發展。高壓直流輸變電技術具有兩個“不需要”新興技術特點,一種是不需要輸送電能和距離一起進行,另一種是不需要在兩個交流系統之間同時進行的技術。鑒于兩個不需要特點,人們通常使用高壓直流輸變電技術進行區域化管理,這樣的優點是用電系統發生故障時,高壓直流輸變電技術能迅速、準確找到事故發生位置和發生原因,同時,能在最短的時間內啟用交流系統,能在最快的反應時間內控制用電事態的發展,有效地避免更大的損失,保證群眾的正常生活、生產用電。
1.2基礎移位技術方法在變電工程中的應用輸變電基礎移位技術是在不改變原有建筑基礎的前提下,將原有的建筑鋼架結構進行平移尺度、平移方法的新型技術方法。使用基礎移位技術一般是在輸變電施工過程中,由于地基塌陷、混凝土基礎坍塌、舊線改造等原因造成鋼架結構基礎移位的產生,需要在原有的地基不遠處重新搭建鋼架結構塔,使用基礎移位技術,不需要進行重新建筑安裝,采用千斤頂緩慢移動地基,使其達到預定的位置、高度,最后,對平移之后的建筑物進行固定。基礎移位技術方法的優點是節約了重新安裝建筑結構所造成的經濟損失,同時還保證了施工質量。
2輸變電工程技術向智能化的發展趨勢
2.1智能化工程管理系統在輸變電工程中的應用智能化工程管理信息系統是實現輸變電工程管理的智能化、系統化、實時化、統一化管理,它對輸變電工程施工的安全性、可靠性,提高工程效率,降低施工成本方面具有重要意義,智能化工程技術管理信息系統能準確計算工程各個環節數據的計算,還能對工程進行智能化管理,比如工器具管理、工程流程管理、工程安全管理、工程進度管理等,可使輸變電工程管理高效化、科學化,有利于縮短施工周期,降低造價成本,提高工程安全,保證施工企業綜合效益。
2.2智能化工程技術在輸變電架線中的應用智能化工程技術是輸變電工程今后發展的必然趨勢,由于傳統的工程技術管理的方式和方法已經不能適應現代化輸變電工程建設,時代的發展,要求輸變電工程向智能化、集成化和軟件化方向發展,這樣,很大程度上提高作業效率和施工安全性,實現工程機械智能化,將工程施工作業調整為智能化施工系統,實現智能化作業,開啟智能化輸變電工程新技能。
2.3智能化工程技術在輸變電工程后檢測維修中的應用飽和鹽密技術是一種智能化工程技術,它利用光傳感器對輸變電設備絕緣子進行鹽密在線實時監測的一種技術,這種監測系統是由傳感器對線路的絕緣子污穢現象進行數據采集并傳送到控制中心進行數據處理分析,并準確檢測繪制污穢區分布圖,由維修人員進行現場維護。飽和鹽密技術由數據監測終端和數據監測中心兩部分組成,是一種智能化大范圍遠程分布式嚴密實施監測系統。智能化工程技術節約了大量的人力物力,有效地防止污閃事故的發生,目前該技術已經被各大電力公司廣泛采用。
3結語
1.1原方案分析
掛網噴播防護和框架錨桿防護(錨桿混凝土框架+混凝土空心塊+噴播植草)為兩邊坡處的原方案。
1.1.1掛網噴播防護
掛網噴播主要應用于土質邊坡及沙石土混合型邊坡,特別是土質貧瘠的較矮路塹邊坡和土石混填的路基邊坡,一般不超過1:1.25,常用坡度1:1.5,試驗證明:當坡面角為45°時,如果并且在草皮形成之前,對于掛網噴播(平面網)防護來說,一般的掛網植草墊的同土阻滯率約為74%;而掛網植草墊固土阻滯率在坡面角為60°的情況下一般都為0%,這樣的情況下,同土作用就已經失去了。所以當邊坡坡面角較大時,不宜使用掛網噴播防護。
1.1.2框架錨桿防護
對于錨桿混凝土框架植草防護來說,一般的適用情況如下,包括巖石路塹邊坡、以及邊坡高度較大、穩定性較差的土質邊坡。這樣的情況下,非預應力的系統錨桿往往采用于風化破碎的巖石路塹邊坡,以及坡體中無不良結構面的情況下;預應力錨索則往往采用于滑動面(或者破壞面)的土質邊坡和巖石路塹邊坡,以及邊坡中存在不良結構面的情況下。
1.2改善方案
1.2.1K58+500邊坡
這里考慮到K58+500處風化土質邊坡的情況,表1為兩種組合防護方案(,這些都是在工程實際情況的實地考察分析的基礎上得到的,唯一目的就是要在保證邊坡穩定性基礎上,還能滿足景觀觀察的需要。
1K58+500和K62+500處邊坡防護
1.1原方案分析
掛網噴播防護和框架錨桿防護(錨桿混凝土框架+混凝土空心塊+噴播植草)為兩邊坡處的原方案。
1.1.1掛網噴播防護
掛網噴播主要應用于土質邊坡及沙石土混合型邊坡,特別是土質貧瘠的較矮路塹邊坡和土石混填的路基邊坡,一般不超過1:1.25,常用坡度1:1.5,試驗證明:當坡面角為45°時,如果并且在草皮形成之前,對于掛網噴播(平面網)防護來說,一般的掛網植草墊的同土阻滯率約為74%;而掛網植草墊固土阻滯率在坡面角為60°的情況下一般都為0%,這樣的情況下,同土作用就已經失去了。所以當邊坡坡面角較大時,不宜使用掛網噴播防護。
1.1.2框架錨桿防護
對于錨桿混凝土框架植草防護來說,一般的適用情況如下,包括巖石路塹邊坡、以及邊坡高度較大、穩定性較差的土質邊坡。這樣的情況下,非預應力的系統錨桿往往采用于風化破碎的巖石路塹邊坡,以及坡體中無不良結構面的情況下;預應力錨索則往往采用于滑動面(或者破壞面)的土質邊坡和巖石路塹邊坡,以及邊坡中存在不良結構面的情況下。
1.2改善方案
1.2.1K58+500邊坡
這里考慮到K58+500處風化土質邊坡的情況,表1為兩種組合防護方案(,這些都是在工程實際情況的實地考察分析的基礎上得到的,唯一目的就是要在保證邊坡穩定性基礎上,還能滿足景觀觀察的需要。
對于一級碎落臺自然式栽植觀賞性來說,這包括有灌木及地被植物黑心菊等;而對于二級碎落臺以上自然式來說,則一般應該栽植適應性較強的灌木以及種植迎春、薔薇等垂枝植物,還有就是,應該對于在碎落臺上下部栽植地錦問題進行注意。刺槐、山楊、旱柳、沙棘、杏、云杉彈子松、榆樹、刺槐一般往往是擋墻端頭進行遮擋裁植的樹種。
2其他土質邊坡防護分析及改善方案
關于植物防護和工程防護相結合的綜合方式,可以根據邊坡的具體情況,選用土質邊坡的防護形式。
2.1植草防護
為了達到減少坡面土體沖刷,降低雨水,從而保證公路綠化效果的目的,在實際調查基礎上,采用的植草防護措施主要是利用配合混凝土預制塊或塊片石的綜合防護技術。對于觀賞性要求較高的路段,包括服務區站點附近的公路邊坡或者立交區匝道高邊坡等特殊要求的邊坡,這種植草綜合防護尤其適用。
2.2骨架植物防護
作為一種常用的一種綜臺防護方法的骨架植物防護,主要是利用在框內進行種草、鋪草皮的防護,并且一般來說框格是由混凝土、漿砌塊(片)石等骨架做成的。
對于護坡植物來說,主要有以下幾種:草地早熟禾、紫羊茅、紫花苜蓿、無芒雀麥、冰草、小冠花等等,而花卉為地被菊或當地的野花。花灌本為丁香、連翹等。
對于植生帶來說,一般具有、種子肥料不易移動以及播種施肥均勻特點,也就是說種子、肥料、無紡布綜合為一體,這樣對于運輸和現場施工情況,采用捆卷包裝更為方便。
3疊拱及窗式防護方案分析及改善方案
3.1疊拱防護
這里采用K107+000~K128+120為例子進行說明,其中,草灌結合普通噴播對于疊拱邊坡二層以下(含兩層)是原來方案的設計,普通噴播主要對象為灌木為主。但是在實際過程中,疊拱防護則是由于某些地方的地下水過大而沖毀。所以,改善方案則為利用疊拱防護方式而進行的二次修補,這樣就可以進行相關的綠化防護工作,達到,穩同邊坡、上側排水功能;同時,爬藤植物應該在疊拱邊緣種植,還應該遮擋圬工材料。
3.2窗式防護
植生袋綠化方案原來為窗式護面墻,這里,一根錨桿固定每個植生袋,同時直徑為8mm的錨桿的深度為20~30cm,地錦一般在沿窗式護面墻內側栽植。存在的問題則是視覺效果得到影響,主要是因為窗式護面墻圬工面太大,同時也說明了窗室內填土不夠。改善方案則是應該在栽種攀爬植物以遮蓋墻體圬工的同時,當然范圍是在在修建的窗式護面墻窗室內,還應該對于未施工的窗式護面墻邊坡高度不大的情況下,修改成拱式或其他少圬工護面形式。
4其他石質邊坡防護分析及改善方案
可以對于穩定的石質邊坡不改變原貌,不進行人為防護。另外,最好采用光面爆破技術對于邊坡進行開挖施工,這樣就能夠充分展示巖體的結構、紋理、質感等,個性的自然美也就相應的被展現出來。
1.1材料的選擇、防護與環境因素
電力工程的施工設計的方面非常的多,這樣對于各方面的要求也是非常的多,我們是知道的材料的性能是關系著工程的總體的質量,在我們建設之初再到我們工程的施工、竣工各個方面都有著直接的關系,做一我們必須加以關注。第一,加強檢驗的力度。在材料的采購過程中嚴格按照檢驗的標準進行檢驗,對于不合格的產品堅決不采用,在材料選取的過程中到要做相應的實驗,這樣能夠更好的判斷其性能;第二,加強團隊建設。對于采購的以及檢驗的團隊一定要認清自己的責任,對于自身的業務能力進行提升,加強部門之間的合作能力。這樣才能更好的推動行業的發展;第三,建立嚴格的獎懲制度。對于不法的企業進行嚴格的處罰絕不姑息,這樣才能更好的構建一個良好的市場秩序;第四,在選擇材料的過程充分的考慮到環境問題。環境問題已經成為當代我們進行討論的一個重點,長期以來環境在各個方向都在不斷地被破壞,能源的危機變得越來越嚴重,所以我們在材料的選擇要無污染的以及能源的節約的角度進行考慮,從而提升我們的選擇的角度促進可持續發展的步伐;第五,充分的考慮實際的情況。我們的材料不能進行硬性的規定,在不同的環境下其物理特性以及化學特性都可能會發生改變,一旦發生了改變就會影響工程的整體的質量,這類問題是我們不能接受的。還有很多的角度需要我們進行考慮的,只有這些得到了滿足我們工程才會質量更加的可靠。
1.2做好施工前的準備
施工前的準備,這項工作是非常復雜的,主要有以下的幾個方面進行準備:第一,明確分工。對于不同的部門進行分工,明確之間的職責,以免后續出現問題;第二,進行專業性的培訓。每項工程都會有自己的技術文件,我們對于員工要求必須進行嚴格的學習,以便滿足人們的需求,對于后續的順利施工是非常的有必要的;第三,施工方案的審核。施工設計者的最終的目的就是滿足設計者的方案,這樣我們的審核工作就是非常有必要的,以免后續發生事故;第四,實地的考察。這樣做能夠更好的了解實際的情況,對于后續的工作能夠進行很好的預見性預防,這方面的工作是非常有必要的。
2.電力工程中變電站施工技術的應用
2.1變電站高壓試驗
變電站的高壓試驗是變電站建設工作中的重要一環,所涉及的方面非常的多,對于很多的方面都會造成極大的影響,正是因為其重要,所以我們在實驗的過程中必須要加以注意,下面針對于這些做一下的總結:第一,為了減少我們實驗過程中帶來的安全事故,我們在實驗的過程中要加強防范的意識,一般的情況下我們會進行絕緣油的使用,在周一圍涂抹;第二,進一步的加強安全防范,對于變壓器進行真空處理,在真空的情況下進行注入油的處理;第三,開始試驗,一般的情況下針對于具體的情況進行具體的分析,正常情況下會采用局部放電的方式進行試驗;第四,結果的核算,并且確定相關的數據是否在標況下進行的試驗。試驗就是在模擬正常狀態下開展的,所以我們要在各個關鍵的環節進行注意,這樣的試驗才是最成功的試驗。
2.2安裝隔離開關裝置
在以往的變電站建設過程中施工者一般都不大注意安裝隔離開關裝置工作,一般來講其對短路器的重視程度遠遠高于對隔離開關的重視程度,這種疏忽意識表現在國內變壓器的高壓隔離開關大多數都沒有安裝消弧裝置,以至于在電壓外泄時變電所內有沒有良好的斷電裝置。一般來講隔離開關一般安裝在架空線架和輸電電纜的連接之處,斷路裝置開關的電源傍,分支線纜的T型接處,架空線與跌落開關中間等等。在安裝隔離開關的過程里,用力過大就會產生不吻合內部齒輪并且發生三相電流不同期的情形,一定要在調整觸點的安裝時對于動靜觸頭的接觸比如插入不深等現象進行特別留意,還要對于同期調整接地刀引起重視。針對于卡澀現象來說,我們也是采取了一些應對的辦法的,可以在觸頭的位置進行,這樣就會減少很大的阻力。清潔問題是我們必須要做的,這樣可以避免因為雜質在表面產生磨損的現象,延長使用的壽命。我們進行安裝的過程中要充分的考慮是否符合當地的現實的情況,使之變得有特性,這樣能夠相符的促進,并且取得良好的效果,提升效率。
2.3接地裝置的施工技術分析
(1)接地裝置要滿足工程設計標準與要求,不允許私自的進行標準的篡改,只有在標況下才能更好的符合要求。
(2)接地體之間的距離需要在5m以上,接地體與建筑物的距離要大于1.5m、與避雷針的距離大于3m,這樣才能做到安全保障。
(3)接地裝置與連接設備之間采用焊接連接,在我們進行焊接的過程中要進行先期的處理,清理干凈,在焊接的過程擺放一定要按照要求進行擺放,對于我們焊接之后一定要做好防銹的工作,以及絕緣的保護工作。
(4)接地干線與引線之間的長度要大于100mm,用管箍連接接地極與接地干線。
(5)焊接時,要確保管箍與扁鋼處于45°角的位置,這個時候要求我們一定要保證良好的工作的精度,尤其在焊接的高度以及扁鋼的厚度方面,盡最大的努力減少偏差,這樣我們進行焊接的部位才會更加的牢靠不容易出現開焊的狀況。
3.結語
教學與科研相結合是培養高素質研究生的有效途徑。高水平的人才培養是通過研究生高水平的學術成果來反映的,高水平的學術成果主要源于大量的高水平的科學研究,而嚴格的教學環節在培養研究生扎實的學術功底、嚴肅的科學態度、創新性的思維,以及在產生高質量學術成果方面起到了一個關鍵的基奠作用。本文從研究生網絡課程教材體系建設中需要注意解決好的四個問題出發,討論計算機及相關專業碩士研究生網絡課程教學與教材體系建設思路、教材體系建設與教學方法改革問題。
1研究生“計算機網絡”課程教學與教材體系建設的指導思想
在研究生網絡課程教材體系建設中需要注意解決好四個問題。一是課程內容的先進性與前瞻性問題;二是研究生與本科課程內容的銜接問題;三是理論教學與能力培養的并重問題;四是自主學習和因材施教問題。
1.1課程內容的先進性與前瞻性問題
研究生的教育必須突出“研究”,教材要能夠反映學科前沿的研究成果與發展趨勢。一本好的研究生網絡教材或教學參考書應該是:在保持網絡理論體系的基礎上,跟蹤當前技術的發展,綜述最新研究的領域、課題、方法、成果與趨勢,讓讀者能夠直接了解當前研究的前沿問題、方法、進展與趨勢。
與傳統的數學、物理、化學學科相比,計算機學科應用性人才培養的要求更高,技術發展速度更快。而在計算機學科中網絡技術的發展與知識更新的速度尤為突出。因此,保持計算機網絡課程內容的先進性與前瞻性更為重要,也更加困難。因此要很好地解決這個問題,必須將教學與科研工作緊密地結合在一起,發揮科研教學團隊的作用,以高水平的科學研究支持高質量的課程與教學體系的建設。南開大學網絡實驗室在多年來一直注意開展以下幾個方面的工作:
(1)通過科研預研工作實踐,了解當前熱點問題的研究現狀與進展。
(2)跟蹤美國ACM和IEEE/CS最新制定的計算機學科課程體系,重視學術交流。
(3)跟蹤和瀏覽國外知名大學教學網站,研究和了解網絡課程教學內容、教材與主要參考書,以及作業與實驗、教學方法與教學過程控制方法改革的動向。
(4)選擇國際流行教材,分析如何處理新的技術發展與教學內容的關系,梳理技術的內在關系與發展主線。
(5)跟蹤國際知名網絡設備制造商與網絡軟件公司的研究工作,以及技術認證與考試內容的變化,了解產業界對技術與人才需求的變化。
(6)參與信息化規劃與建設工作,通過與產業界、政府各級管理人員的合作,了解我國信息化發展的現狀與社會對網絡人才的需求。
以上工作在我們把握研究生教材內容的先進性與前瞻性方面起到了重要的指導作用。
1.2本科與研究生課程內容銜接問題
計算機及相關專業的碩士研究生一般在本科階段都修過計算機網絡課程。同時,由于學生不是來自一個學校或同一個本科專業,所以學生在網絡技術方面的基礎差異很大。這個問題在研究生招生規模擴大后更為突出。教師很難在某個起點上安排教學內容。任課教師比較為難,照顧到基礎比較差的學生,基礎好的學生認為“吃不飽”;考慮到基礎比較好的學生,基礎差的學生反映“跟不上”。無論老師想什么辦法,都無法解決好這對矛盾。這是在很多大學都很普遍的問題。經過多年的實踐我們逐漸認識到:要保證教學質量,必須根據研究生培養目標,改變教學方法,強調“自主學習”和“因材施教”。要為實現學生的“研究”、“自主”學習和教師的“因材施教”創造條件,就必須從課程教學目標定位入手,研究本科與研究生教學一體化、理論教學與能力培養一體化的網絡教材體系。
1.3理論教學與能力培養并重問題
團隊成員通過總結多年指導研究生學位論文的體會認識到,學生的實際工作能力需要他們在參加科研項目和完成開發任務的過程中提高。在多年指導和審閱相關學科碩士與博士學位論文的過程中,導師們深刻地感覺到:有相當比例的研究生在本學科領域眼界不寬,網絡應用系統設計與編程能力亟待提高。如果能夠在他們準備學位論文之前認真地訓練這一方面的能力,那么他們的論文的研究深度與論文水平還能夠有較大幅度的提高。研究生能力培養可以通過網絡環境中的課題、大編程量的訓練來實現。提高網絡軟件編程的實際工作能力對于研究生今后的研究工作與就業將會有很大的幫助。而這些編程課題應該是由教學科研團隊從研究工作與開發的課題成果中提煉出來,將科研成果有選擇的轉化為“近似實戰”的研究生訓練課題。這種訓練對學生深入理解網絡原理與實現方法會有很大的幫助,對于日后的科研工作和提高學位論文質量也是很有益的。
1.4自主學習和因材施教問題
從研究生自身學習的角度應該強調“研究性”與“自主性”,學生應該變被動的“聽課、做筆記”轉向主動的、研究地學習和提高。從任課教師與導師角度應該強調“因材施教”。
從我們多年的教學經驗看,同一屆的研究生實際能力差異都很大。研究生教學更多的應該是根據不同的學生、不同的研究重點、不同的起點,有不同的訓練方案,不能沒有區別。導師的因材施教應該體現在:指導學生根據自己的基礎、研究方向,選擇不同類型、不同編程量,或不同的難度級的課題自主的完成訓練,循序漸進地提高實際能力。教師要做到這一點,需要做很多艱苦細致的工作和積累很多教學資料。經過10多年的積累與團隊成員的集體努力,我們初步完成了一些基礎性的工作。
研究生教材不應該僅是一本一學期使用的教科書,更應該是一本技術參考書,甚至是一本手冊。導師可以根據需要選擇教材中部分內容,作為基本的學習要求。學生學習的過程應該在導師的指導下有選擇地自學和閱讀,完成編程訓練。有些內容可能第一次僅僅是讀過和了解,如果今后科研、開發工作需要,可以再回過頭來繼續閱讀和參考。
為了適應研究生“研究性”與“自主性”學習的要求,我們設計的《計算機網絡高級教程》內容的覆蓋范圍寬,涉及當前網絡研究的多個領域;《計算機網絡高級編程技術》總的編程訓練量大,問題近似實戰,難度差異也比較明顯。為了有利于學生自主學習,我們對每個課題都提供了入門所需要的資料、工具與實現方法的范例,學生可以通過自學的方式完成訓練要求。
2 《計算機網絡高級教程》教材的編寫
研究生教材體系由《計算機網絡高級教程》與《計算機網絡高級軟件編程技術》兩部相互配套的教材組成。主教材《計算機網絡高級教程》重點討論了網絡研究的最新發展與研究的熱點問題,力求達到“反映計算機網絡前沿研究成果與發展趨勢”的要求。
《計算機網絡高級教程》分12章按網絡技術發展的三條主線討論了技術的演變與發展。其中:
第1章對網絡技術研究與發展的階段、重點問題和基本概念,以及各個階段的標志性技術作了一個概要的總結。
第2章討論了廣域網(WAN)技術的演變與發展趨勢。
第3章討論了局域網技術,尤其是對高速局域網(Gigabit Ethernet與10 Gigabit Ethernet)和無線局域網(WLAN)技術作了較為系統地討論。
第4章討論了城域網(MAN)概念的演變,以及寬帶城域網組建技術與接入網技術。
第5章對IPv4協議近年來的發展與演變過程作了較為全面地總結和討論。
第6章對IPv6的基本內容與應用方法進行了較為系統地介紹。
第7章對移動IP的基本概念與關鍵技術作了系統地介紹。
第8章對傳輸層分布式進程通信的概念,以及TCP、UDP協議進行了系統地討論。
第9章對應用層協議與Internet應用系統設計技術進行了系統地討論。
第10章對無線自組網絡(Ad hoc Network)與無線傳感器網絡(WSN)、無線網格網(WMN)的概念、特點、體系結構,以及關鍵技術的研究與進展作了比較全面地總結和介紹。
第11章討論了網絡安全與網絡管理技術。
第12章對國外大學與產業界在評價研究成果時常用的網絡性能分析開源工具、網絡模擬開源工具及其應用進行了系統地介紹。
在準備這本書的資料和寫作的過程中,作者有兩點體會最為深刻。一是盡管Internet技術與Ad hoc網、WSN、WMN在設計目的、應用的領域與技術特點上差異很大,但是在研究方法上基本上是相通的,并且在高層又都匯集到Internet之中。二是盡管作者認真地在這個領域已經工作了20多年,但是網絡技術發展得實在是太快了,個人的研究工作與閱歷不可能涉及到各個領域。個人與團隊的研究工作也只能是限制在網絡技術中的幾個比較窄的方面,深度也十分有限。因此在系統地總結網絡技術領域的研究與進展時感到難度很大。盡管也經常與同行交流和請教,仍然是力不從心。但是本著對學生學習負責的態度,還是堅持完成了寫作任務。這部教材應該說是匯聚了很多人的研究心血,作者只能是將個人能夠理解的部分按照自己的思路整理出來,以便讀者學習和研究。作者試圖在相關章節的后面注明某些研究工作總結與論文的出處,以及相關的參考文獻、文檔與標準,請有興趣的讀者自己去閱讀相關的文獻與標準。
3 《計算機網絡高級軟件編程技術》教材的編寫
高素質創新性計算機人才應具有較強的實踐能力。社會對網絡人才的需求十分強烈。但是真正懂網絡技術,能夠具備深入到網絡協議內部的高層次網絡應用系統設計和網絡軟件編程能力的軟件人才是非常缺乏的,也是社會急需的高級人才。研究生要能夠做出有自主知識產權、創新性的成果,就必須踏踏實實地苦練內功。編著《計算機網絡高級軟件編程技術》一書,是希望對高級網絡軟件人才的培養貢獻一點力量。
《計算機網絡高級軟件編程技術》的特點可以總結為以下幾點。
(1) 在總結了20多年科研工作經驗與研究生教學工作實踐經驗的基礎上,構思了教材的寫作思路與全書的內容結構。
(2) 參考了國內外知名大學網絡課程訓練與著名信息技術企業在員工網絡軟件編程訓練中的相關資料與文獻。
(3) 結合了網絡技術在Internet、無線網絡與信息安全等3條發展主線,總結提煉出22個網絡軟件編程題目。
論文摘要:在建構式教育理論的指導下,以就業需求為目標,針對數據結構教學中教與學目標不明、學習信心和動力不足、編程基礎薄弱等問題,提出建構式的數據結構教學方法,在實際教學中取得較好的教學效果,這些措施也可作為其他計算機專業課程教學的參考。
近年來,在產業界急需大量軟件開發人員的情況下,普通本科院校計算機專業學生的就業率持續走低。網絡、報紙等媒體對計算機本科教育現狀多有批評,甚至出現了大學不如培訓公司的極端觀點,嚴重影響了學生對專業課程的學習興趣、動力和信心。數據結構是計算機專業的核心基礎課程,上承程序設計語言、離散數學,下啟操作系統、編譯原理等課程,其重要性不言而喻。一方面,數據結構學科具有難度大、抽象層次高、概念繁雜等特點,學生很難掌握,更不要說將抽象理論與就業實踐需求相結合。另一方面,國內主流數據結構教材和相應的傳統教學模式側重于培養學生的計算機學科基礎理論素養,而將如何通過組織數據結構教學活動積極推動就業的問題留給了任課教師[1]。這造成了學生學習數據結構的目標不明、信心和動力不足。筆者面向就業需要明確了數據結構的兩大主要教學目標,并在實際教學過程中實踐建構式教育理論,嘗試解決學生對專業認識不清、學習興趣不足、編程基礎薄弱等問題。一些做法得到了學生的認可和配合,成功地激發了學生的學習主動性、在一定程度上培育了學生的創新精神。
1面向就業需求的數據結構教學目標
教育要服務于社會生產需求。數據結構教學也必須緊扣這一根本目標。本節從滿足就業需要的角度闡明了數據結構教學的兩個主要目標:
1) 培養超越具體程序設計語言技巧的編程技術。
現階段是一個傳統的生產生活方式迅速向電子化、信息化轉變的時期。人們需要開發和維護更多、規模更大的計算機系統來滿足生產和生活的需要[2]。這就決定了具有熟練編程技術的程序員在很長時期內都將受到產業界的青睞。大學對學生編程技術的培養始于程序設計語言的教學,如c語言,java語言等。但是現今編程語言繁多,各種新概念層出不窮,常常出現學生無所適從或者質疑某門語言課程已經過時無用的現象。甚至很多教師也在爭論講授何種編程語言。筆者看來掌握編程技術(而不僅僅是語言),回歸編程的本質問題更加重要,無謂地追趕時髦不可取。作為編程語言課程的后續,數據結構教學的重要目標就是幫助學生理解編程的本質、鍛煉編程技術以及學習提高編程技術的方法。
2) 培養圍繞復用的軟件開發方式。
隨著軟件規模的日益增大,軟件開發模式逐漸從“從無到有”的模式過渡到“從有到有”的模式,即復用現有的豐富的軟件資產,開發新的應用系統。事實上,復用的思想已經被廣泛的用于軟件開發實踐之中,從各種各樣的程序庫、軟件開發包、軟件構件、web服務等各種可復用資產已經簡化了軟件開發的難度、提高了軟件開發的效率也極大地改變了軟件開發的模式。數據結構學科本身就是對軟件復用思想的一種實踐,它通過總結大量軟件系統中反復出現的數據結構(如表、樹、圖、集合等),定義和實現處理這些數據結構的基本操作,最終達到能夠在不同項目開發中反復應用的目的。這些基本數據結構和算法已經被實現為可復用的產品隨著程序設計語言,如c++ stl、c# collections, java collections等,并得到了廣泛的使用。因此,數據結構教學的另一個重要目標就是引導學生習慣圍繞復用的軟件開發方式,能夠使用和定制已有的數據結構和算法庫。
其他傳統的數據結構教學目標,如培養學生面向實際問題進行算法設計和分析的能力,培養學生計算機學科的基本理論素養和思維方式等也非常重要。但普通本科院校學生對理論內容的接受能力以及將理論和現實就業需求相聯系的能力相對較弱且教學時間有限[3],筆者認為重點突破本節給出的兩個更具體、更可達的教學目標,并在實現這種具體教學目標的過程中潛移默化地培育學生的計算思維和理論素質,將會取得更佳的效果。
2建構式數據結構教學
教學理論研究以及教學實踐反饋均表明,學生主動學習的效果遠較被動地接受老師灌輸的效果好的多。因此,為實現上述教學目標,在建構式教育理論的指導下,筆者探索并采用了一系列建構式教學措施,激發學生的主動性和興趣,取得了較好效果。
建構主義認為,學習并非學習者對教師所授知識的被動接受,而是學習者以自身已有知識和經驗為基礎的主動建構過程[4]。知識不僅是通過教師傳授而得到,更是學習者在一定的情境中,利用必要的學習資料,通過同化新知識、順化自身知識結構的方式而獲得。建構主義提倡在教師指導下的、以學習者為中心的學習,也就是說,既強調學習者的認知主體作用,又不忽視教師的指導作用,教師是意義建構的幫助者、促進者,而不僅僅是知識的傳授者與灌輸者。學生是信息加工的主體、是意義的主動建構者,而不僅僅是外部刺激的被動接受者和被灌輸的對象。下面從理論教學和實踐教學兩個方面介紹我們采用的一些教學措施。
2.1理論教學措施
課堂教學是數據結構教學活動的主要部分,充分利用課堂教學時間,激發學生學習數據結構的興趣和信心,幫助學生建立學習數據結構的環節非常重要。我們采用了如下措施:
1) 組織小型討論。
好的開始是成功的一半,好的課堂教學須在上課之初就抓住學生的注意力,讓學生帶著輕松、愉快的心情聽課。我的做法是在課堂的前5分鐘,提出一個學生感興趣的話題,組織若干個有3~5位同學參與的小型討論。到一個學期結束時,每位同學都有至少一次的發言機會。討論的主題可以靈活設置,如時事、技術、社會熱點等。有時,課堂中間學生比較疲憊、注意力下降的時候,也可以穿插一點討論,改善課堂環境。大多數學生非常喜歡這種討論活動,積極參與其中,成為課堂的一部分,從被動上課轉變為喜歡上課。
2) 重建理論知識所針對的問題。
國內的經典數據結構教材側重嚴謹的理論,較少討論各種概念、算法出現的背景以及探討的問題是否仍然具有現實價值。而回答這些問題能夠幫助學生重建理論知識所針對的問題原型,重現解決方案的提出、發展乃至最終成熟的整個過程,更有助于培養學生解決實際問題的能力,養成批判性、創新性思考的習慣。眾所周知,關于樹的存儲方法很多,有雙親表示法,孩子表示法和二叉鏈表表示法[5],其中以樹的二叉鏈表表示法使用最廣,但其他存儲方法也有其適合的應用。例如,在利用樹表示各個集合,求集合中的等價類時,雙親表示法更為合適。每一個集合都用樹的雙親表示法存儲時,并設樹的根結點的值為集合名,集合中的每個成員都對應一個結點,這樣很容易找到一個元素所屬的子集(順著雙親指針找樹的根結點)。
3) 組織“我來講”活動。
數據結構涉及很多抽象的概念和算法,初學者很難理解。而教師則對理論內容比較精熟,常常傾向于從理論的角度逐步遞進、展開講解,這就增加了學生的學習難度。教師和學生在教學語言上的鴻溝是影響教學效果的一個重要障礙。教師當然可將抽象的理論概念與生活中更形象的概念進行類比,幫助學生理解,也可以將復雜的算法過程用多媒體動畫模擬出來,直觀地展示給學生,幫助學生掌握。但一方面,根據建構主義理論,教師和學生的知識背景不同,由教師設計概念類比語境和算法模擬動畫實際上仍然是基于教師的知識結構對知識點進行的同化和順化,而不是對學生知識體系的直接建構。另一方面,教師的經驗和智慧有其局限性,未必總能夠找到最適合的類比語境和動畫模擬。為此,筆者采用了充分發揮學生智慧的方法,組織“我來講”活動,要求學生通過設計算法的動畫模擬,創建概念的類比語境等方式進行學習,并隨機選擇學生走上講臺對抽象理論概念和復雜算法進行說明。這樣不但能夠調動學生思考問題,還能幫助那些無法完成自我知識體系建構的同學從學生的視角去理解同一個問題。例如,對于n維數組是元素為n-1維數組構成的線性表這一遞歸的類型定義,可采用符號推理的方式,培養學生的理論素養,而同時可鼓勵學生根據自己的理解將抽象理論具體化,建立幫助理解和記憶的現實語境。
2.2實踐教學措施
數據結構是幫助具有基本編程語言基礎的學生錘煉編程技術的關鍵課程。它揭示了程序設計的基本面,即如何處理相互之間存在一種或多種數據關系的數據元素所構成的集合、如何設計算法并分析算法的優劣。若沒有相應的配套實驗指導學生如何將理論應用于實際問題,只是泛泛而談、紙上談兵,學生容易迷失在數據結構的一連串復雜概念和算法之中,而不知道學習數據結構的意義何在。為實現教學目標,筆者鎖定實驗內容設置和實驗考核等兩個關鍵環節,實踐了如下措施,取得了較好效果。
2.2.1實驗內容設置
實驗內容設置是進行實踐教學的最重要部分。從覆蓋知識點的角度看,實驗內容須面向數據結構教學目標,即實驗內容須能夠鍛煉學生的編程技巧,如算法設計、調試、測試以及調優等能力,還能夠讓學生體會到圍繞復用開展軟件開發的威力以及思路。從覆蓋教育對象的角度來看,實驗內容須面向大多數同學并充分考慮優秀同學,即實驗內容須劃分不同的層次,讓大多數學生能夠很容易入手,并讓有能力、有余力的學生能夠不斷地深入,直至形成綜合型課程設計。
基于以上考慮,并借鑒同行經驗,筆者開展三個層次的實驗教學活動,一是要求所有學生都完成的實驗內容,要求學生采用不同的數據結構實現同一個問題并進行對比分析,例如,分別使用靜態數組和動態分配的連續內存區實現順序表,使用整型、字符型數組或者鏈表實現長整數的乘法,使用帶頭結點或不帶頭結點的循環鏈表模擬約瑟夫環等;二是組織程序設計競賽,讓部分學有余力的同學能夠在算法設計、程序實現和調試、優化等方面得到鍛煉和提高;三是設計綜合型課程設計鍛煉學生解決問題的綜合能力,并通過適當分組,培養學生團隊協作精神和能力,鍛煉學生解決問題的綜合能力的目標,最終達到以點帶面全面提高學生能力的目的。
2.2.2實驗考核手段
考核手段在教學環節中至關重要。考核手段是學生學習和鍛煉自身能力的風向標。為保證每位同學都能積極完成實驗并有所收獲,避免抄襲和敷衍的現象,筆者采取了綜合型的考核手段。其一,提交實驗成果,即程序及其運行結果;其二,記錄實驗過程、分析實驗結果以及總結實驗得失的實驗報告,對實驗報告進行選優講評,培養學生撰寫科學實驗報告的能力;其三,每位同學必須面向教師講解自己編寫的程序,包括主要思路和細節性語法,優秀的同學可走上講臺宣講自己的實驗方案和程序設計技巧。這就基本杜絕了學生相互之間抄襲程序和實驗報告的現象,使得學生真正能夠思考問題,并盡力動手完成實驗。綜合上述三種手段的綜合型考核方法既能夠達到督促大部分同學完成實驗、鍛煉動手能力目的,又能夠達到培養優秀同學的目的。特別地,優秀同學宣講活動能夠使學生觀摩到如何從學生的視角從無到有的解決問題的過程,這能夠培養學生解決實際問題的信心并激發其學習積極性。
3應用中遇到的問題
建構式教學模式在應用和推廣過程中遇到的主要問題來自三個方面。其一,目前學生的課業負擔較重,習慣于被動“填鴨”而不習慣于主動“求索”,這是推動和開展建構式教學模式的主要障礙。其二,建構式教學活動,需要師生的密切交流,但現有師資不足難以滿足實際需求。一個可能的解決方法是綜合多門課程和多個老師,建構整體的知識框架和學習體系,避免課程教學中的重復勞動,提高師資的利用率。另一個可能的解決方法是利用互聯網技術,建立在線教學園地。其三,建構式教學模式仍然處于探索階段,各學科缺乏建構式教學素材。從筆者在實踐教學的體驗來看,應盡量從學生的學習背景和能力成長規律出發而不僅僅是從學科背景出發,為學生建構知識體系設計更平滑的路線。
4結語
筆者提出將“培養超越具體程序設計語言技巧的編程技術”和“培養圍繞復用的軟件開發方式”作為普通本科院校的數據結構教學目標,在建構式教育理論的指導下,設計并實踐了一系列建構式教學措施,分析了應用建構式教學模式所遇到的一些問題。
未來將開展兩個方面的工作。一是通過問卷調查、統計分析等手段定量地分析建構式教學方法的實際效果;二是創造和積累建構式教學素材,如研究數據結構課程設計過程中不同類型學生的知識建構路線,挖掘并推廣其中優秀的知識建構方法。
參考文獻:
[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會. 高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)[m]. 北京:高等教育出版社,2006:8-101.
[2] 蔡敏,鄭尚志,梁寶華.“數據結構”課程教學改革之我見[j]. 計算機教育,2009(4):50-51.
[3] 揭安全,李云清,楊慶紅,等. 項目教學模式指導的“數據結構與算法”教學改革[j]. 計算機教育,2008(22):21-23.