DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 摘要 运用统计对事物发展规律进行分析以及总结是现代信息技术的重要手段之一，也是数学分支里的一门重要学科，如今在生活中的应用也十分普遍，例如人口增长状况、交通状况、粮食产量情况的研究等等。高中数学将统计这部分内容放在必修三进行了详细的讲解。那么不同教材对这部分的知识编写有什么不同，本文将通过人教版与北师大版的必修三统计部分的框架结构与内容进行比较，对比其不同的风格。
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user: 1. 引言 对于统计知识的教学可以延伸到小学阶段，从教学方面来说是培养学生对数据的敏感度，是用数学的方法对大量的数据进行分析处理，并做出科学的判断和决策。它的研究对象通常是随机的，问题的结果也是不确定的，但它的解决方法却离不开具有确定性的数学，对于二十一世纪的中学生来说，掌握一定的统计知识是每一个人所必须的能力 [ 1 ]。高中数学作为义务教育阶段与高等教育的衔接点，该部分知识内容尤为重要。在一般教学中，教师通常以教材作为参考，那么不同教材又如何体现这一部分的知识，各自有什么侧重。本文将以人教版和北师大版必修三统计部分教材为研究对象，对其框架结构及其栏目内容进行比较，对比不同版本之间的编写风格 [ 2 ]。
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user: 2. 分析比较 2.1. 关于框架结构的比较 北师大版与人教版的统计部分均安排在了必修三，具体见以表1。 Table 1 Comparison of the knowledge structure between Beijing Normal University Edition and People’s Education Editio 北师大版 人教版 第一章统计 第二章统计 1.从普查到抽样 习题1-1 阅读材料选举的预测 2.1随机抽样 阅读与思考一个著名的案例 阅读与思考广告中数据的可靠性 阅读与思考如何得到敏感性问题的诚实反应 2.抽样方法 2.1简单随机抽样 2.2分层抽样与系统抽样 习题1-2 2.2用样本估计总体 阅读与思考生产过程中的质量控制图 3.统计图表 习题1-3 2.3变量间的相关关系 阅读与思考相关关系的强与弱 4.数据的数字特征 4.1平均数、中位数、众数、极差、方差 4.2标准差 习题1-4 实习作业 小结 复习参考题 5.用样本估计总体 5.1估计总体的分布 5.2估计总体的数字特征 习题1-5 阅读材料标准差的用途 无 6.统计活动：结婚年龄的变化 习题1-6 无 7.相关性 习题1-7 无 8.最小二乘估计 习题1-8 阅读材料统计小史 无 课题学习调查通俗歌曲的流行趋势 本章小结 复习题一 无 表1. 北师大版与人教版教材的知识结构框架比较 从内容的结构框架上来看，北师大版将这一章分为了八节，而人教版仅分为了三节，同样多的内容，显然人教版在目录上更为粗略，内容安排也更紧凑，有助于学生对于前后知识点关联性更强，也更有利于学生自主预习和学习，知识点间的关联性不需要太多的补充；北师大版的知识脉络更清晰，对于统计部分知识点更清晰的展示出来，有利于让学生对学习内容在一开始有整体的把握，将各个部分分得较为详细，则需要教师或学生更多的对知识之间进行联系。在统计活动和阅读材料的命名上来看，北师大版更侧重于说明数据的用途，进行的多为直白的叙述；而人教版则采用案例和提问的方式进行目录的索引，更能激发学生的阅读兴趣。 2.2. 关于教材栏目内容的比较 栏目的分布在一定程度上反应了编者对于学习策略的不同理解。北师大版与人教版在引入、例题、习题、补充知识的设计上各有不同。具体见表2北师大版与人教版教材范例(以用样本估计总体为例)栏目内容的比较。 Table 2 Comparison of column contents of textbooks of Beijing Normal University Edition and People’s Education Editio 栏目 栏目内容 北师大版 主要栏目1.问题提出 2.引入 3.例题及讲解 4.思考交流 5.抽象概括 1.在正文前回忆前面所学，激发学生思考 2.介绍本节所学，引出如何通过样本估计总体 3.通过事例，对本节主要学习内容进行理解 4.以问句来加深学生对知识的理解 5.结合以上抽象出专有名词进行概括 拓展栏目1.练习 2.习题 3.阅读材料 4.注解 1.每一小节后均附有对应练习 2.对应每一大节后 3.拓展数学知识面的拓展材料 4.对分组的惯例进行说明 人教版 主要栏目1.引入 2.探究 3.例题及讲解 1.在正文前回忆前面所学，激发学生思考 2.通过生活实例，引出学习内容 3.通过事例，对本节主要学习内容进行理解 拓展栏目1.注解 2.探究 3.思考 4.练习 5.习题 6.阅读与思考 1.介绍统计图、计算机、计算器的相关使用. 2.引出主题，加深印象，拓展知识面 3.拓展知识深度 4.每个知识点对应一个练习 5.对应每一大节后，且分A.B两组 6.拓展大学统计方面的内容 表2. 北师大版与人教版教材栏目内容的比较 从栏目的设置上看，两套栏目的编排都十分丰富，有相似之处，又各有侧重。 在主要栏目中在原有的引入、探究、例题及讲解的基础上，北师大版教材比人教版多了问题提出、抽象概括两个部分，显现出北师大版在对于主要知识的引入中更重视学生兴趣的激发，以及对于概念解释的重视；在拓展栏目中在原来共有的练习、习题、阅读材料和注解的基础上，人教版比北师大版增加了探究和思考部分，表现出其更重视学生在学习过程中的自我思考的过程。
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user: 3. 结论与建议 3.1. 结论 总体上看，针对两套教材的内容设置有很多相似之处，都设置有练习及课后习题，都在习题后有一道社会实践类的问题，都对信息技术的应用进行了相关的补充等等。 但从具体编排方式上看又有很多的不同之处，选取的表现形式和事例也各有其不同的特点，主要体现在： 1) 在引出本节内容方面：人教版直接将引入的问题作为例题讲解，有利于学生知识的系统性；而北师大版则采用与之类似的例题引入知识，虽然系统性减弱，但在一定程度上拓展了学生应用的范围。 2) 在正文讲解方面：北师大版选用例题更具有综合性；而人教版讲解更细致，偏重基础，面面俱到反而容易造成学生的疲乏，且对于整个知识体系来说，知识的相关性衔接较少，连续性不强。 3) 在补充方面：人教版比北师大版多了探究和思考的部分，在知识的补充上比北师大版更全面，在补充难度上更高；北师大版补充部分则更贴近生活。但两者总的来说都缺乏与学生实际联系更紧密的例题引入。 4) 在练习题方面：人教版在每个知识点后有对应练习，更重视知识的及时练习，且习题数量更多；北师大版在每一小节讲完后配置一道习题，习题量小但内容综合性更强，难度更高。因此，北师大版在课后题上的编排上较为全面。 5) 人教版将现代信息技术的拓展作为注解标注在知识点的留白处；而北师大版则将其作为一个单独的板块附在个别小节后。 3.2. 建议 1) 应与现实生活相联系 两版教材中的内容都与学生生活有一定联系，但这种联系过于久远，与当代的高中生生活联系不够紧密，不利于激发学生的学习兴趣，这是我国多年应试教育的弊端。在高考越来越生活化的大背景下，教材的编写也应当更多的以学生为中心，以贴近学生生活的角度出题和作为导入。例如：现今学生对网络的依赖程度日益加大，对于网络发展以及当今社交网络方面的统计案例，与学生的兴趣爱好联系更紧密，且作为热点持续时间较长，更能引起学生的学习兴趣，也比较适合编入教材。 2) 应与当今社会文化相联系 依据赫尔巴特的教育性教学原则，教学应当是教学的基本途径，而教材作为课程的核心教学材料和国家课程标准的具体化，应当贯穿这一思想，对学生进行品德的教育，而这一方面两版教材中体现较少。例如：在网络发展及社交网络作为引入材料的前提下，将网络安全的基本常识以及网络发展中的统计数据的相关知识作为了解框，也可进一步的涉及一些当今大数据的内容，让学生通过自学也可以了解到现今的科技发展趋势。 3) 应当更加注重知识体系的系统性 概率与统计不是分割孤立而存在的，且统计部分也与其他数学知识有着千丝万缕的联系，数学知识的各个分支都是数学体系下一个个不可分割的部分，犹如一颗树上的各个枝条，这些知识有着相同的逻辑方式且在概念中存在着不可分割的亲缘关系。从心理学的角度来说，有规律和联系的知识也更有利于学生学得快，记得牢。然而我国现今常常将数学学科分支作为编辑教材和日常教学的分割依据，忽视了知识的连接，使统计作为独立的一章节内容。 4) 应当与最新科技发展相联系 根据对北师大版及人教版的教材比对中发现，对于计算机和编程的涉及较少，仅有用科学计算器计算介绍了一些描述性的统计量和如何利用计算机来求解线性回归方程外，并未提及计算机在其他数学方面的应用。 事实上，在当今编程教学越来越火热的趋势下，可以适当增加计算机的使用，除了数据的处理外，更应增加一些可视化和具有可操作性模拟实验活动探究，来促进学生对于概念的理解以及对计算机使用知识的熟悉。以数据收集和投针试验为例，在问卷调查中：可以让学生利用网络进行分发问卷，处理问题，而不是把大量的时间花在印刷问卷、分发问卷、回收问卷这些繁杂的工作以及数据处理中的大量计算中；在投针试验中：可以采取完全运用电脑模拟的方式来代替学生分组后的大量观测重复试验，从而让学生能够更了解如何利用计算机进行高效的研究。
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user: 摘要 《画法几何及机械制图》课程是培养工程技术人才的一门重要技术基础课，传统的教学方法和手段已经不能满足企业对技术人才的要求。本文首先分析了目前课程教学中存在的问题，然后给出课程改革的内容、方法和手段，提出通过校企合作增强学生的应用能力，参加全国大学生先进成图大赛以提高学生的创新能力。最后，给出完善的教学评价体系。
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user: 1. 引言 制造业的快速发展，企业对技术领域人才要求越来越高，各高等院校提出了新的人才培养目标，机械类课程体系教学的改革工作也面临着新的机遇和挑战。《画法几何及机械制图》课程是培养工程技术人才的一门重要技术基础课，主要目标是以投影理论为基础并结合现代工具，解决机械工程领域内涉及图样表达与识读能力培养。我们经常会告诉学生“图样即是企业文件，稍有差错，轻则不能进行正确装配，重则会导致严重的安全事故”，让学生在学习之初就意识到这门课程的重要性并建立起严谨的工作作风，安全、责任与担当的优良品质。随着时代的进步，传统的教学模式和方法已经不能满足人才的需求，学生的技术水平、创新能力和应用能力都有待提高。因此，为了与时俱进，《画法几何及机械制图》课程的教学改革势在必行 [ 1 ]。
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user: 2. 《画法几何及机械制图》课程的现状分析 随着科技发展，信息化程度不断提高，当代大学生获取信息的途径、速度和数量都远远超过了以前。如果再按照传统板书模式教学，不仅是枯燥乏味，学生没有学习积极性的问题，更会使学生的知识、能力与时代相脱节。因此，我们要改革，要创新，而改革创新的内容要弥补现状的不足。下面我们来分析一下目前课程教学的现状。 2.1. 传统的完全“板书式”教学模式，缺乏互动，枯燥乏味 传统的制图课程主要以教师在课堂上讲授为主，采用尺规绘图，再辅之以挂图、实物模型等来辅助学生理解。该方法经长期实践表明，其对培养学生空间思维、分析和作图能力有一定帮助，但往往因内容过于理论化而导致枯燥乏味。学生并不能保证课堂上全程按教师的期望进行思考，如此课堂知识未能有效掌握，课后习题又不能独立完成，教师的解答如果不够及时，最终就会导致学生对制图原理掌握不牢靠 [ 2 ]。 2.2. 学校教学与企业需求之间存在较大差距 由于目前的课程结构是以知识传授为核心，在教学过程中无法体现实践性，或只是单纯增加实践教学课时，没有完成课程的合理编排与重组，培养的毕业生无法实现与企业岗位要求对接，需要企业再培训，且课程设置不够灵活，无法做到与不同阶段企业用人需要的衔接，调整学生知识结构，增加学生专业应用技能的培养，针对行业企业的需求，制定出有效的培养体系和知识结构，培养适合社会需求的航空制造人才。例如，沈飞、黎明等单位在设计过程中早已采用了三维设计软件，但是我们的课程还没有跟上企业的需求。 2.3. 应用型大学的转变，迫使我们要培养应用型的创新人才 目前，我校的办学定位是“培养高级应用型人才”。这一办学定位即区别于一般的学术型大学，也区别于高等职业技术院校。如何让我们培养的人才更加适合全方位的社会需求是我们目前面临的主要问题。在我院机械制造及其自动化专业通过工程认证之后，我们更加意识到以学生发展为中心，以学生学习效果为中心的重要性。结合国家社会需求、行业产业发展需要、学校的办学定位及发展目标，我们对课程体系和教学内容进行了一系列调整，并落到实处。
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user: 3. 课程改革与实践 针对目前的现状，我们需要解决以下三方面的问题：1) 通过教学方式的改变与教学内容的调整，要使学生的学习内容与企业要求接轨；2) 给学生更多的机会走进企业，了解目前主流技术，从而提高自己的应用能力；3) 为了更好地适应将来的技术发展，必须提高学生的创新能力。因此，我们将从以下几个方面对《画法几何及机械制图》课程进行改革。 3.1. 教学方法和手段上，采用线上线下混合式教学模式 教学方式由原来的传统式教学方式向“线上线下混合式教学模式”转变，课内与课外、线上与线下融合。线上，借助于中国大学MOOC平台 + 雨课堂的方式，通过创设学习活动，如网上思考题、讨论题、自测题、作业互评等，让学习者积极主动地参与和沉浸于学习，掌握学习的主动权，进而发展他们的自主学习意识和能力。例如，原有的减速机拆装只能看挂图，现在通过三维软件实现了动态拆装，丰富了传统教学手段；线下针对《画法几何及机械制图》课程第四次大作业“零件图表达方案确定”开展分组讨论，让学生自由“启疑”，从被“教课”到主动“学课”，充分发挥学生的主观能动性 [ 3 ]。 3.2. 教学内容上，加强学生对三维建模能力的提升 秉承着OBE产出导向的理念，并结合企业需求，精心设计了教学内容，将原有图解法内容弱化，加强学生对三维建模能力的提升。从18级学生开始，我们开展了1.5周的三维建模实训，效果良好；在此基础上针对20级学生，我们进一步将三维建模技术融入到课程中，结合具体案例进行教学，强化学生对国家标准的认识。三维模型不仅能表达产品的几何造型，还对产品性能进行分析和优化，对设计结果进行模拟和验证，并能与其他CAD/CAM/CAE软件达到集成，三维造型技术在航空、航天、航海等设计领域已成为主要设计工具 [ 4 ] [ 5 ]。 3.3. 加强校企交流与合作，提高学生对知识的应用能力 进入企业实习是我们对学生培养的一个重要环节，每名学生都有进入企业的机会。在实习期间，学生能够接触到企业的先进设备，接触到高级工程师的先进技术和理念。一些优秀的毕业生会在实习单位就业，成为我们与企业联系的纽带。我校的毕业生遍布于沈飞、黎明、哈飞、成飞、西飞、南方航空、贵州红林等航空企业，而且有些已经成为企业骨干。根据实习生和毕业生的反馈，我们会及时调整培养方案，改进我们的教学内容。例如，针对学生的反馈，我们将《画法几何及机械制图》课程中图解法的内容进行了弱化，增强了三维建模的内容。经过长期的实践，收到了良好的效果。 下一步，我们将在前期工作的基础上加强校企合作。合作的内容不能只停留在培养学生层面，更要充分发挥专业教师的科研能力，为企业解决实际问题。教师与企业开展横向课题合作后，鼓励优秀学生参与课题研究，培养学生的科研创新能力，也为企业后续人才的选拔和学生后期的发展奠定基础。长期坚持下去，不仅仅能培养出优秀的应用型人才，更能促进教师科研成果的形成，完成成果转化。 3.4. 通过参加成图大赛，提高学生的创新能力 鼓励学生参加全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛。首先通过参加学院举办的成图大赛，能使学生的应用能力得到提升，创新能力得到增强，并且使优秀学生脱颖而出，获得荣誉的同时，为以后参加工作乃至于考研打下坚实的基础。通过参加比赛，让学生直接应用所学的知识解决实际问题，不仅能够提高学生的学习兴趣，更能使学生加深对课上知识的理解，达到以“赛”促“学”的目的。另外，比赛虽为学生设定，但是要有教师指导。因此，比赛过程中，师生互动，增进师生感情的同时，能使指导教师走入学生，了解学生的优势和弱势，从而反思自己的教学内容和方法，达到以“学”促“教”的目的 [ 6 ]。
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user: 4. 建立完善的教学促进的评价体系 完善的教学评价体系的建立能使得我们的教学进入到良性循环状态。通过校企交流和合作，使得我们不断的发现教学内容的短板，促使我们在教学内容上的改革。通过参加成图大赛，能让我们意识到学生在学习能力上的欠缺，使得我们调节教学手段和方法，因材施教，培养出具有创新能力的人才(图1)。 图1. 教学评价体系
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user: 5. 结束语 为了应用型大学的培养目标和适应新时代对人才的要求，我们要积极组织学生参加制图类学科竞赛以及机械产品数字化设计竞赛、创新大赛等，以赛促学，以赛促教，持续改进；加强跨校合作，充分利用各种教育教学资源。建立多层次、广泛的合作关系，使得教育教学资源得到了更大程度的利用；加强校企合作和科教融合，为学生提供更多实践机会。开展产学研合作培养人才，已经成为全球高等工程教育的基本范式。
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user: 摘要 利用特征矩阵方法，研究基于Fabry-Peror腔共振原理设计膜系的吸收增强效应。研究发现这种结构可以实现特定波段激光的吸收增强，通过调整膜系结构、吸收介质的位置等因素实现较宽光谱的高吸收率，结果表明吸收介质对应波长的吸收率提高了一个数量级。
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user: 1. 引言 吸收介质薄膜在太阳能电池 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]、表面等离子体 [ 5 ] [ 6 ]、非线性超快激光等领域具有十分重要的应用，由于吸收介质的总体厚度很薄，因此如何提高薄膜的吸收系数，增强光与薄膜介质的相互作用是研究重点之一。目前吸收薄膜的常用方案为刻蚀周期性微纳米结构 [ 2 ]，利用金属纳米颗粒形成表面等离子体 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]，或者基于几何光学设计散射表面 [ 10 ] [ 11 ] 来增加光程。以上的解决方案中，几何光学的方法弊端在于很难应用于薄膜尺度，而纳米结构工艺目前来说加工精度及适用范围仍存在限制。 本文利用介质镀膜工艺，基于Fabry-Peror腔共振效应设计的特殊膜系使吸收介质在特定波段实现较高的吸收率，从而达到提高半导体激光器增益和效率的目的。分析了不同膜系结构中场强的分布特点与膜系整体吸收系数之间的关系，同时模拟设计了扩展吸收率的半高宽的初步方案，结果表明通过膜系的优化设计可以有效提高特定激光波段的吸收率。
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user: 2. 吸收介质高反膜系基本理论 薄膜光学的理论基础是经典电磁场理论，研究薄膜的光学性质，从本质上来说就是研究平面电磁波在多层介质中的传输过程。影响特定波长光束反射率的因素有介质厚度、介质折射率以及入射角等，所以最终方程的形式往往非常复杂，缺乏直观性和普适性。用特征矩阵方法解决多层介质薄膜问题方便简洁，利于仿真计算，因此本文的研究基于特征矩阵理论。理论推导如下，在图1中假设光波沿z轴传输，并且振幅与x，y轴无关。 图1. 传输方向相反的光的振动方程 介质中存在传输方向相反的光，U 0 、U 1 是z = 0的边界处不同传输方向的光束的电场强度，所以介质边界处满足的方程为 [ 12 ]： E x ( l ) = U 0 exp ( − i k l ) + U 1 exp ( i k l ) (1) E x ( 0 ) = U 0 + U 1 (2) H y ( l ) = ( U 0 / Z ) exp ( − i k l ) − ( U 1 / Z ) exp ( i k l ) (3) H y ( 0 ) = U 0 z + U 1 z (4) Z为介质阻抗，且与折射率的关系为 n = z 0 z ，消去上式中的U 0 、U 1 得到两边界之间场强存在如下关系： E x ( 0 ) = cos ( k l ) E x ( 1 ) + ( i / n ) sin ( k l ) Z 0 H y ( 1 ) (5) Z 0 H y ( 0 ) = ( i n ) sin ( k l ) E x ( l ) + cos ( k l ) Z 0 H y ( l ) (6) 写成矩阵形式为 [ 13 ]： [ E x ( 0 ) Z 0 H y ( 0 ) ] = [ A B C D ] [ E x ( l ) Z 0 H y ( l ) ] = [ cos ( k l ) ( i / n ) sin ( k l ) ( i n ) sin ( k l ) cos ( k l ) ] [ E x ( l ) Z 0 H y ( l ) ] (7) 介质内部任意位置p点处的电场强度可以表示为： E p = E i k exp [ i k ( z − h ) ] + E r k exp [ − i k ( z − h ) ] (8) 上式中的 E i k 和 E r k 是第i界面上的入射光和反射光，可以用 E x 表示，l界面上的电场强度可写为： E x ( l ) = E i l + E r l (9) E p ( z ) = E ( l ) exp ( i k l ) − E 0 2 i sin ( i k l ) exp [ i k ( z − l ) ] − E ( l ) exp ( − i k l ) − E 0 2 i sin ( i k l ) exp [ − i k ( z − l ) ] (10) 联立(7)~(10)式，可以得到介质内任一位置处的电场 E p 。一般特征矩阵方法折射率通常为实数，在计算吸收介质时，将折射率替换为复数即可，虚部的值可以与吸收系数的关系可以通过以下的推导确定。 设 ν 1 为 N cos θ 的虚部，表征沿z轴方向光强的衰减，因此在某一吸收介质中复振幅的变化可以表示为： E 1 = E 0 exp { i [ ω t − 2 π N λ ( x sin θ + z cos θ ) ] } = E 0 exp ( 2 π λ z ν 1 ) exp { i [ ω t − 2 π N λ ( x sin θ + z u 1 ) ] } (11) 其中 N cos θ = u 1 + i v 1 ，光场单次通过吸收介质中的变化为： a = E E 0 = exp ( − α d ) exp ( i δ ) (12) 联立以上两式可得： ν 1 = α λ 4 π (13) a为光场以一定角度通过薄膜介质的吸收系数。由于复折射率 N = n 1 − i k 1 ，结合式(11)~(13)可得虚部k 1 与 ν 1 的关系为： k 1 2 = n 1 2 + ν 1 2 − n 0 2 sin θ 0 2 1 + n 1 2 / ν 1 2 (14) 通过以上推导，可以得出复折射率N的虚部k 1 与介质的吸收系数 α 之间的关系，方便我们在已知吸收系数的情况下，利用特征矩阵方法进行膜系吸收率的计算。
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user: 3. 吸收介质高反膜系优化设计 3.1. 膜系设计基本思路 Matlab是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，广泛应用于数学运算、仿真建模和信号分析等领域。本文使用Matlab进行数值运算和结果分析，通过合理的膜系设计提高薄膜吸收率，最终达到增加吸收薄膜中场强以及光束的有效传输距离的目的。实践中，FP腔是一种能够实现特定波段的光在腔内实现多次反射的特殊结构，由于腔共振效应，腔内有效传输距离增加，场强增强，如图2所示，若腔内存在吸收介质，那么此波段的吸收率会得到增强。 图2. FP腔结构示意图 图2中，膜系1和膜系2的反射率分别为R 1 ，R 2 ，透射率为t 1 、t 2 ，α为吸收介质本身性质决定的吸收系数，d为吸收介质的总厚度。若采用FP腔结构，图中膜系1和膜系2为高反膜系，根据多光束干涉原理，最终透射率、反射率和吸收率为： T = I 0 t 1 t 2 a 1 − R 1 R 2 a 2 exp ( i δ ) (15) R = I 0 R 1 + I 0 R 2 a 2 t 1 2 exp ( i δ ) 1 − R 1 R 2 a 2 exp ( i δ ) (16) A = 1 − T − R (17) δ = 2 k d cos θ (18) 选取Yb:YAG薄膜作为吸收介质，厚度 d = 20   μ m ，吸收系数为20.79 (940 nm 15 at%)，薄膜的本征吸收约为4.2 × 10 −4 ，而采用FP膜系设计的结果如图3所示。 本模型中，膜系1和膜系2的反射率为 R 1 = R 2 = 0. 9 ，入射角 θ = 45 ∘ ，不考虑镀膜过程中产生的误差，入射光在940 nm附近的吸收率最大值为7.8 × 10 −3 ，比本征吸收提高了一个量级。然而这种情形下，吸收率半高宽仅为2 nm左右，当采用宽谱光源时，光谱利用率很低，因此需要进一步的优化设计，扩展膜系的吸收光谱范围。 根据多层介质膜理论，典型高反膜系的结构为 A | ( H L ) m H | G ，此外还有 A | L ( H L ) m | G 、 A | ( L H ) m L | G 等，在m取值相同时，不同的膜系结构，反射率及膜系内部场强分布各不相同，因此选取合适的膜系将有利于实现我们需要的膜内场强分布。 图3. FP膜系设计的吸收系数 典型 A | ( H L ) m H | G 膜内场强分布如图4所示， m = 2 ， n H = 2.4 ， n L = 1.45 ， n g = 1.47 ，A代表空气层，入射光波长940 nm附近。 图4. m = 2时 A | ( H L ) m H | G 膜系结构的场强分布(左图)；m = 2时不同波长时的反射率分布(右图) 图4中，0-1界面之间是空气层，6-7界面之间是基底，在m = 2时，膜系反射率R > 80%。高反膜系中场强的分布特点是在每层介质的交界处场强出现极值，并且越靠近基底，场强越弱。 图5. (a) A | ( H L ) m H | G 结构场强分布(b) A | ( H L ) m H | G 结构反射率(c) A | L ( H L ) m H | G 结构场强分布(d) A | L ( H L ) m H | G 结构反射率 图5(a)、5(b)是m = 5时场强和反射率分布，随着膜层数的增加，高反射带宽进一步增大，这有利于吸收增强膜系的设计，但是膜层内部的场强分布并没有增强。图5(c)、5(d)是 A | L ( H L ) m H | G 结构的场强和反射率分布，这种结构的反射率虽然有所降低，但是膜系内部的场强得到了加强，因此在整个吸收增强膜系结构的设计中，膜系1的最外层应设计为低折射率介质层。 3.2. 吸收增强型膜系结构 通过以上的分析，我们将膜系初始结构设为 A | L ( H L ) m H N ( H L ) m H | G ，N代表吸收介质层，m = 5，参考波长设为900 nm，整个膜系的吸收率曲线如图6所示。 图6. A | L ( H L ) m H N L ( H L ) m H | G 膜系吸收率曲线 如图6所示，在我们感兴趣的波段940 nm附近，整个膜系的吸收率约为0.03，优化效果更好。整个膜系的场强分布如图7所示。 图7. A | L ( H L ) m H N L ( H L ) m H | G 膜系场强分布 在吸收介质中，光场的强度由干涉作用和介质本身的吸收共同决定，相比于一般方法，通过分析图7来判断光场在吸收介质中的吸收率大小要简单的多：在吸收介质处，如果场强增强，那么吸收介质的吸收得到了增强，反之光场在吸收介质中受到的吸收较弱。图7中800 nm的光场在吸收介质处的场强很弱，而940 nm的光场在吸收介质处的光场得到了增强，由此我们可以判断，此膜系在940 nm处的吸收率大于800 nm处的吸收率，以上分析在图6中可以得到验证。 图6中940 nm的吸收带宽仅在1 nm左右，参考窄带滤光片的相关理论，膜系1和膜系2的反射率R越大，吸收半宽度越小，因此适当减小m值可以减小反射率，从而增大吸收带宽，但m值减小同时会导致吸收增强的效果减弱。采取多个吸收介质层的结构，每个介质层两侧分布有较小m值的膜系，如图8所示，可以在增强吸收率的情况下扩大吸收带宽。 图8. 多层吸收介质膜系 图8中，吸收介质折射率实部 n 1 = 1.81 ，每层厚度5 μm，总厚度有 5 × 4 = 20   μ m ，入射角 θ = π / 5 ，每个吸收膜层两侧有 m = 3 × 4 的规整膜系，整个膜系的吸收率和膜系内场强分布如图9所示。 图9. (a) 多层吸收介质吸收率 (b) 多层吸收介质场强分布 图9(a)中940 nm附近的吸收率半高宽 Δ λ ≈ 10   nm ，较图6有了很大提高，但是吸收率比图6中相应波长的吸收率小，主要原因是整体来看，总的m值较大，造成系统的整体反射率较高，通过膜系的能量也相应减少，从而使膜系吸收率降低。图9(b)中，在第 10、20、30、40层吸收介质处940 nm和950 nm光强较其他位置均有所增强，由此也可以验证图9(a)中吸收率带宽的扩展。
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user: 4. 结论 利用特征矩阵方法，模拟了基于FP腔共振原理的吸收增强膜系的光吸收增强效果。研究了光场强度在各个膜层中的分布规律及其与膜系吸收率之间的关系，发现吸收介质层相对于其它膜层的光场有所增强时，吸收增强效果更好。相较于其他方案，通过膜系结构优化设计，实现了波长在940 nm附近的激光的吸收，峰值吸收率相比优化之前提升了一个量级，半高宽提高到10 nm左右，这对于稀土掺杂介质薄膜的研究十分有利。然而吸收波形并不十分规整，仍需要进一步的优化设计。
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user: 摘要 非小细胞肺癌(NSCLC)是一种最常见的肺部癌症，临床上主要通过分子靶向药物进行治疗。随着时间的推移，NSCLC患者很容易对药物产生不同类型的耐药性，增加了临床治疗的难度。为了捕捉肿瘤不同时间点的生物学特性来预测患者的耐药性类型，本文提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和循环神经网络(RNN)的深度学习模型，CNN用于提取不同时间点的肿瘤图像特征，并将这些特征输入到RNN中做进一步的纵向分析。168例NSCLC患者数据按3:1的比例划分为训练组和测试组，结合迁移学习完成模型构建。经检验，模型在测试集上的预测精度为79.16%，表明了将本方法用于预测NSCLC患者的耐药性类型具有一定的可行性。
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user: 1. 引言 肺癌是一种常见的恶性肿瘤，2015年中国肺癌新发病例73.3万，死亡病例61.0万，发病率和死亡率均居恶性肿瘤首位 [ 1 ]。其中，约85%的肺癌是非小细胞肺癌(Non-small cell lung cancer， NSCLC)，大部分NSCLC患者确诊时即为晚期。在临床上NSCLC多使用分子靶向药物进行治疗，EGFR-TKI作为一种分子靶向药物，具有疗效显著且安全性良好等优点，因而常被用作为晚期NSCLS患者的标准治疗方案 [ 2 ]。大部分患者在接受药物治疗后会出现肿瘤消退的现象，且其中绝大多数会在一年时间左右对EGFR-TKI产生获得性耐药 [ 3 ] [ 4 ]。2010年美国的Jackman等 [ 5 ] 提出了EGFR-TKI获得性耐药的临床定义，该定义的核心是患者使用EGFR-TKI取得完全缓解或部分缓解后出现耐药进展的患者，我国的Yang等 [ 6 ] 根据不同的耐药发生情况进一步将耐药类别分为三类：缓慢进展、局部进展和爆发进展。临床上通常采用不同的治疗策略来应对不同的耐药情况，例如，如果一个患者的耐药进展是爆发性的，则必须更换治疗药物，相反，则可以继续延用原来的治疗方案。因此，为帮助医生制定合理的治疗方案，提高临床治疗的精准性和有效性，NSCLC患者耐药性类型的预测研究受到很多学者的关注。 近年来，人工智能(Artificial intelligence， AI)在医学图像中的应用引起了学术界的广泛关注，深度学习(Deep Learning)作为一种新兴的人工智能技术，已经在自动驾驶、人脸识别、医疗卫生等多个领域得到了成功的应用。传统的机器学习算法需要人为地设计特征提取这一过程，这一过程往往会耗费大量的时间成本，而深度学习能够自动地提取图像的特征 [ 7 ]，并且在图像识别、目标检测等领域的表现已经超过了许多传统的机器学习算法。卷积神经网络(Convolutional Neural Network， CNN)是一种在计算机视觉领域使用得最广泛的深度学习模型，它能够自动提取图像的不同层次特征并学习到大量复杂数据中的非线性关系。许多研究表明，经过大量自然图像训练的CNN可以通过迁移学习的方式应用于医学图像识别任务中，并能取得良好的效果 [ 8 ]。 在医学图像分析领域，多数研究都集中在单个时间点上 [ 9 ]，即只考虑了数据的横向关系，而没有考虑数据的纵向关系。然而，肿瘤是一种动态生物学系统，意味着它会随着时间而变化，可能无法在单个时间点上完全捕获肿瘤的特征。为了更好地区分不同的耐药性类型，应分析患者在离散时间序列上的CT数据，从而捕捉到不同耐药类型患者肿瘤的变化规律。循环神经网络(Recurrent neural networks， RNN)是在自然语言处理(Natural Language Processing， NLP)任务中使用得最多的深度学习模型，主要用于分析诸如文本、语音和视频之类的纵向数据，它可以处理多个时间点的输入数据并计算得出一个结果，因此，在分析离散时间序列的相关问题上，RNN具备一定的优势。 本文提出了一种基于CNN和RNN的预测方案，考虑到数据集相对较小，使用了数据增强和迁移学习技术来构建网络模型，通过分析NSCLC患者的时序CT图像来提前预测他们的耐药性类型，实验结果表明该模型在预测NSCLC患者的耐药性类型任务上取得了初步的成效。
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user: 3. 实验结果及分析 3.1. 模型训练 训练过程在广西大学高性能计算平台上进行，其搭载AMD Opteron 8431 2.4 Ghz六核计算处理器以及Nvidia Tesla V100图形处理器(显存32GB，计算能力7.0)，训练时可以根据具体情况调用多个GPU节点提高训练效率。为了使训练后模型具有更好的鲁棒性，使用了交叉训练的方法构建模型。即对于每个epoch，训练样本都会被分为训练部分和验证部分，模型会分别在这两个部分进行训练和验证。采用自适应梯度矩估计(Adaptive moment estimation， Adam)算法自适应调整学习率，并以式(3) softmax交叉熵损失函数作为目标函数， L = − log e z y ∑ i = 1 n e z i (3) 式中，n为模型预测的类别数， z i 为模型预测每个类别的概率， z y 为样本的标签。 图6. 训练结果 模型训练过程的平均准确率为98.76%，验证过程的平均准确率为95.16%，训练和验证过程中准确率的变化如图6(a)~(b)中蓝色曲线所示，损失率的变化也如图6(c)~(d)蓝色曲线所呈现，在迁移学习的基础上，模型迅速收敛，在60个epoch后loss值趋于稳定。为了进一步验证迁移学习的实际应用效果，实验对比了使用预训练模型前后对训练结果的影响，图6(c)~(d)中的黄色曲线为使用随机初始化参数模型的训练过程，模型基本无法收敛，证明了迁移学习对该模型训练的有效性。 3.2. 评价指标 本次研究的目的是预测非小细胞肺癌患者对分子靶向药物产生的耐药性类型，本质上是一个深度学习的分类任务，因此使用分类任务中的评估参数来作为模型性能的评价指标，如准确率(Accuracy， ACC)、精确率(precision)、召回率(Recall)以及F1score等参数。这些参数可以通过表1中的具体数值进行计算，其中，TP表示将正例预测为正的个数，FP表示将负例预测为正的个数，FN表示将正例预测为负的个数，TN表示将负例预测为负的个数，通过这4个值可以计算出上述评估参数的值，公式如下： A c c u r a c y = ( T P + T N ) / ( T P + T N + F P + F N ) (4) Precision = T P / ( T P + F P ) (5) Recall = T P / ( T P + F N ) (6) F 1   s c o r e = 2 T P / ( 2 T P + F P + F N ) (7) 这些评估参数常作为二分类任务的评估指标，多分类任务的评估参数的计算主要有两种方法：第一种方法是微平均法(Micro Average)，对于某个类别，除它之外的其他类别都当作负例，通过这种方式计算出每个类别的混淆矩阵，然后对每个混淆矩阵对应位置处的TP，FP，TN，FN求平均来得到一个平均混淆矩阵，再使用上述公式计算出APRF (Accuracy， Precision， Recall和F1 score)的值。第二种方法是宏平均法(Macro Average)，该方法同样先求出每个类别的混淆矩阵，不同的是它先计算出每个混淆矩阵的APRF的值，然后再对这些值求算数平均来得到最后的多分类评估参数的值。 Table 1 Confusion matri 混淆矩阵 预测 真(正) 假(负) 实际 真(正) TP FN 假(负) FP TN 表1. 混淆矩阵 另外，本文还使用ROC (Receiver Operating Characteristics)曲线作为分类任务的评价指标。曲线的横坐标和纵坐标分别为假阳性率(False Positive Rate， FPR)和真阳性率(True Positive Rate， TPR)，曲线下的面积大小(Area Under Curve)用来衡量模型分类结果的好坏，通常，AUC值在0.5~0.7之间时，模型的分类性能可能较低；在0.7~0.9之间时，分类性能可以认为是较好的；AUC值大于0.9时，则表示模型的分类性能非常好。 3.3. 测试结果 测试集包含44例NSCLC患者的病灶体图像，用来测试构建模型的分类性能。使用宏平均法计算上述4个评估指标，结果如表2所示，模型在测试集上的准确率适中，表明总的分类结果是良好的，而精确率(precision)、召回率(Recall)以及F1score的值都在70%以上，意味着模型对于每个类别的分类也取得了较好的结果。 Table 2 Evaluation result Accuracy precision recall F1 score 79.16% 70.92% 73.74% 71.87% 表2. 评估结果 为更直观的观察模型的分类性能，为每个类别单独绘制了ROC曲线，如图7(a)所示，以及它们的平均ROC曲线，如图7(b)所示，平均ROC曲线通过微平均法和宏平均法两种方法计算得到。从图7中可以看出，每一个类别的AUC值都在0.7以上，平均AUC的值也达到了0.8左右。尽管测试集的病例较少，可能无法体现模型的泛化性能，但是这些结果仍然说明了该方法在预测NSCLC患者耐药性类型的任务上的有效性。 图7. 分类结果的ROC曲线
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user: 4. 结论 NSCLC患者容易对EGFR-TKI产生获得性耐药，耐药发生情况的多样性，使临床的治疗变得十分困难。针对这个问题，本文提出了一种基于CNN和RNN的NSCLC患者耐药性预测模型，从纵向角度分析了肺癌肿瘤变化对于患者耐药性的影响。由于数据集大小的限制，仅用三个时期的病灶体图像作为输入数据，尽管这可能很难完全反映出肿瘤变化的过程，但实验结果同样证明了使用该方法来预测患者耐药性类型是可行的。从理论上讲，随着输入数据量以及时间步的增加，模型能够取得更好的表现。
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user: 摘要 随着城镇化的不断推进，以城市规模扩大和人口扩张为特征的城市蔓延带来了诸多无法回避的问题，环境污染就是其中之一。文章基于2009~2017年中国35个大中城市面板数据，采用门槛模型研究了城市蔓延影响城市环境污染的效应及其内在机理。研究结果表明，城市蔓延对环境污染的影响显著为正，城市空间低密度的快速扩张加剧了城市环境污染，并通过交通污染增加、城市生态系统自净能力减弱和城市工业化加深进行传导。本文对探讨城市经济和生态环境的协同发展路径具有一定理论与现实意义。
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user: 1. 引言和文献综述 经济增长伴随资源消耗和污染增加，而城市化的推进、城市的扩张和蔓延也对环境污染具有相当重要的影响。城市的蔓延和发展一直以来广受学者们关注。城市蔓延是“城镇化进程中城市无序扩张与蔓延的现象，使原本主要集中在城市核心区的活动扩展到城市外围区，城市形态总体呈现出分散、低密度和区域功能单一的特征” [ 1 ]。城镇化加快推进、城市的扩张蔓延有助于经济增长和提高居民生活质量，但过程中造成的环境污染问题也成为亟待解决的难题。随着中国经济增长进入新常态，生态文明建设被摆在尤为突出的位置，环境水平成为衡量发展质量的重要标准。已有研究发现城镇化过程中环境污染问题严重：城市居民人均能源消费是农村居民的3.5到4倍 [ 2 ]，城镇化中工业化能耗 [ 3 ]、城市交通能耗 [ 4 ] 加快了碳排放和环境污染；而城市蔓延也对生态环境产生深远影响。城市蔓延是比城镇化更普遍发生的现象。目前中国城市蔓延的重要特征是“土地城镇化快于人口城镇化”，城市空间快速且低密度的扩张造成大量土地资源浪费、失地农民不断增多、城市居民出行拥堵、生态环境持续恶化，大城市病问题日益严重。研究城市蔓延进程中的环境污染问题具有一定现实基础。 国内外学者对于城市蔓延的研究较为丰富且日益深入，主要集中于以下几个方面：一是对城市蔓延的测度，包括城市建成区面积 [ 5 ] 和人口密度指标 [ 6 ]，以及城市区资本密度指标(以单位土地面积的房间数量作为代理变量)，但这些单一指标测量难以全面反映城市蔓延的实质；王家庭等 [ 7 ] 用城市面积增长率和城市人口增长率的差作为蔓延指标，仍较为粗糙；Sutton [ 8 ] 则借助遥感技术，利用DMSP/OLS夜间灯光数据构造城市蔓延指标，显得更为合理。除此之外，对城市蔓延的多维指标测算研究也日趋丰富，如Galster [ 9 ]，涉及城市蔓延的各个维度和多重特征，更具有说服力 [ 10 ]。 二是对城市蔓延的经济、社会和环境等效应研究，此类研究越来越成为近年来的热点问题。例如城市蔓延对全要素生产率的影响：秦蒙、刘修岩 [ 11 ] [ 12 ] 认为城市蔓延对中国生产率具有负面影响，并且随着城市化率的提高，城市蔓延对生产率的负面影响在减弱；而Brulhart et al. [ 13 ] 则认为城市蔓延对生产率的影响并不明显；范剑勇 [ 14 ] 得出城市蔓延和高密度产业空间集聚则对人均产出和生产效率有正面影响的结论。此外，Burchfield et al. [ 15 ] 将城市蔓延的不良影响归纳为土地资源过度消耗、市政基础设施成本提高、市内通勤成本提高、土地利用模式恶化和劳动者工作地与居住地空间分离。 已有研究对城市蔓延的各种经济绩效的关注较多，但对城市蔓延的环境效应关注较少(仅有李强、高楠 [ 1 ]；王家庭等 [ 16 ]；Fujiwara [ 17 ] )，运用实证方法对城市蔓延的环境污染效应进行分析验证以及对该效应的更深入研究更是少之又少。王家庭等 [ 14 ] 从规范分析角度描述了城市蔓延对生态环境的影响，李强、高楠 [ 1 ] 则从实证角度分析城市蔓延影响生态环境的效应和机理，但未考虑城市蔓延对环境污染的非线性效应。环境污染的实证常用指标则是碳排放 [ 18 ]、工业二氧化硫排放量 [ 1 ] 及各种复合指标体系。 综合上述背景和文献，本文将对中国35个大中城市经济增长背景下的城市蔓延和环境污染情况做初步分析，基于2009~2017年中国大中城市面板数据，运用门槛模型的实证方法研究城市蔓延和环境污染的非线性关系，探究其内在形成机制，进而为中国生态文明和城镇化建设提供参考。
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user: 2. 理论分析 在经济增长的过程中，农村农民单纯依靠土地的收入不能满足自身需求，而城市工业化现代化水平提高，需要大量劳动力，且工资高于农村收入，因此造成农村剩余劳动力向城市迁移、城镇化水平不断提高。与此同时，城市化进程中城市规模和人口的扩张带来的城市蔓延，大量消耗各种资源，并排放大量废水、废气等污染物，造成生态环境恶化，“大城市病”就是城市蔓延的一个突出后果。一方面，大量人口向城市集中，各类生活活动势必会消耗水、电、能源和自然资源等，居民出行对城市交通系统带来巨大考验的同时，越来越多的私家车带来的尾气排放也严重污染了环境 [ 1 ]；另一方面，城市自身的特征决定了其比农村更多地进行工业活动，其中不乏重资产、高污染的工业企业，造成了城市蔓延的污染效应。 本文认为城市蔓延主要通过以下传导途径作用至环境污染：一是城市蔓延增加了交通污染。交通污染是我国增长最快的重要污染源，其作用在城市污染中更是不容忽视。低密度的城市蔓延使居民工作地点和居住地点分离，造成居民通勤成本(包括通勤时间和通勤距离)增加 [ 19 ]。居民更多选择私家车进行长距离通勤，私家车数量增加，燃油消耗增加，从而加剧城市环境污染。二是城市蔓延弱化了生态系统的自净能力。城市低密度蔓延往往侵占农田耕地、绿化空间用于建设城市用地，损坏了生态系统的空间和多样性，从而弱化了生态环境本身的自我净化和调节能力，城市生态系统更加脆弱，造成环境污染更严重。三是城市蔓延加快了工业、建筑业的扩张。城市工业企业的建设带来大量废水废气和烟粉尘的排放；建筑业住宅增加但多数配套设施发展落后，对人口吸引力不足，“鬼城”、“空城”在各城市屡见不鲜 [ 20 ]。加上城市大气环流引发的城市热岛效应，城市环境污染持续恶化。 具体到城市蔓延的过程，城市规模扩张对环境污染的影响效果可能并非线性。城市蔓延初期，城市规模和人口快速扩大，生活和生产活动爆炸式增加，造成污染排放急速增长，环境污染效果明显；城市蔓延中期，受“大城市病”等因素影响，到一定程度城市规模不再盲目扩张，城市环境污染可能不会显著增长或不增长；而当突破某个门槛值、到达城市蔓延后期，城市规模变化不大，但“大城市病”得到缓解和治理，城市建设中各方的矛盾得以缓和，资源利用更高效、污染治理水平更先进，城市环境污染水平可能降低。 从现有文献的经验研究结论来看，目前中国大中城市的城市蔓延现状较为严重 [ 21 ]，相关问题也是学者们研究的热点和焦点，因此本文以全国35个大中城市 1 为研究对象进行分析。实践中对于城市蔓延的测度主要有两大类，一是利用DMSP全球夜间灯光数据和Landscan人口统计分析数据测度的城市蔓延指数相对最为合理，但由于数据本身的限制(如数据可得性和滞后性)，夜间灯光数据仅能获取到2013年，对现阶段城市蔓延进程的研究缺乏最新证据；二是利用城市面积和人口的指标，虽较为粗糙、不能反映城市蔓延的内在差异，但数据齐全、口径统一且时效性强，直观可比。因此本文选择后者，参考王家庭 [ 22 ] 构建经典的城市蔓延单指标指数sprawl i 。“该测度方式为对基期而言城市建成区面积增长比与市辖区人口增长比的比值，反映了建成区扩张和人口增长的不协调”，公式为： s p r a w l i = ( s − s 0 ) / s 0 ( p − p 0 ) / p 0 式中，sprawl i 为第i期城市蔓延指数，s为当期城市建成区面积，p为当期期末市辖区人口数；s 0 为基期建成区面积，p 0 为基期期末市辖区人口数。 2009年~2017年中国35个大中城市的城市蔓延情况如下表1，取城市蔓延指数的平均数。将期间内建成区面积和市辖区人口数在某连续两年内未发生变化的个别城市的城市蔓延指数取值为零。 Table 1 Spread of 35 large and medium citie 城市蔓延sprawl 城市 <0 济南 海口 呼和浩特 哈尔滨 兰州 0~5 北京 石家庄 沈阳 上海 南京 杭州 宁波 厦门 广州 深圳 太原 合肥 南昌 郑州 长沙 南宁 成都 昆明 西安 西宁 银川 乌鲁木齐 >5 天津 福州 青岛 大连 长春 武汉 重庆 贵阳 表1. 35个大中城市蔓延情况 由表1，可以得出近十年来中国大中城市蔓延程度普遍较高，其中重庆、贵阳、福州等城市的蔓延更甚，而呼和浩特、兰州、哈尔滨等城市相对来说处于收缩状态。
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user: 3. 实证分析 (一) 模型设定 由理论分析考虑到“门槛效应”可能存在，建立如下门槛模型： y i t = μ i t + θ x i t + α 1 q i t I ( q i t ≤ γ 1 ) + α 2 q i t I ( γ 1 < q i t ≤ γ 2 ) + α 3 q i t I ( γ 2 < q i t ≤ γ 3 ) + ⋯ + ϵ i t 其中，y it ：被解释变量，x it ：解释变量， ：相应的系数向量，q it ：门槛变量，α i ：门槛效应的系数，I：指标函数，当存在该门槛时取值为1，否则取值为0，γ 1 ：特定的门槛值(i = 1，2，3…)。门槛变量为城市蔓延。 (二) 变量描述 被解释变量。环境污染用城市工业二氧化硫的排放量表示。 解释变量。城市蔓延为主要解释变量，用前文所述的sprawl指标表示；经济增长用人均生产总值表示；其余纳入环境污染模型的控制变量包括产业结构(用该城市第二产业增加值占GDP的比重表示)；对外开放(用各市外商直接投资额表示)；基础设施建设情况(用城市公路里程数表示)；另外，考虑到城市首位因素，即城市发展要素会在城镇体系中的最大城市集中，而该城市一般是该省(或自治区)的省会城市，因此为了表征该特征，设置省会城市的虚拟变量capital，若该城市为省会城市赋值为1，否则为0。 本文实证分析所使用的数据主要取自《中国城市统计年鉴》《中国区域经济统计年鉴》，各大中城市历年的城市统计年鉴，以及一些城市的《经济与社会发展统计公报》。时间跨度为2009~2017年。城市蔓延探讨的是城区边界扩张问题，故选择市辖区的统计口径。35个大中城市的相关数据较为齐全，样本无缺失值，样本容量为315。运用LLC法(用于相同单位根的情形)和IPS法(用于不同单位根的情形)对面板数据进行单位根检验，发现各个变量均通过平稳性检验。各个变量的描述性统计见下表2： Table 2 Descriptive statistics of variable 指标 n mean Std. min max So2 工业二氧化硫排放量 315 3，434，914 5.96e+07 91.66 1.06e+09 sprawl 城市蔓延指数 315 −3.017569 94.5480 −1616.947 238.7274 pgdp 人均GDP 315 72，702.97 29，914.04 18，671 183127 industry 第二产业比重 315 0.43680 0.082476 0.004809 0.589505 Fdi 外商直接投资 315 368，398 40，9320.5 751 2，433，000 gllc 公路里程 315 15，169.09 20，202.34 867.69 147，881 capital 是否为省会城市 315 0.8571429 0.3504839 0 1 表2. 变量描述性统计 (三) 基础回归结果 对35个大中城市数据进行最小二乘回归，结果如下： Table 3 Basic regression result 变量 Lnso2 sprawl 0.0022487 *** (0.0007) pgdp −7.75e−06 ** (3.06e−06) industry 2.536827 *** (0.8748) fdi 4.79e−07 ** (2.02e−07) gllc 0.000015 *** (3.50e−06) capital 0.3255703 (0.2222) _cons 9.61166 *** (0.5799) n 315 R 2 0.1715 表3. 基础回归结果 注：括号内数据为标准误， * 、 ** 、 *** 分别表示在10%、5%、1%水平上显著，下同。 表3的结果显示，城市蔓延对环境污染的影响显著为正，表明当前中国大中城市的蔓延现象实际加重了环境污染；而城市经济增长则能显著改善环境污染，说明目前处于环境库兹涅兹倒U型曲线的右边，即环境污染随经济增长不断下降的趋势中。城市工业化则显著增加了环境污染，需要对产业进行升级和合理化；城市开放度同样显著恶化了环境质量，城市基础设施建设(以城市公路里程为代表)则能改善环境质量。本文设定的是否为省会城市的虚拟变量则在基础回归中不显著，说明省会城市与非省会城市的环境污染差异不大，但也可能与样本中选取的35个大中型城市基本都为省会城市有关。 (四) 门槛模型回归结果 首先检验是否存在门槛效应以及存在几重门槛，因此依次进行单门槛、双门槛、三门槛检验，下表列出了三个门槛变量效应的检验结果。为防止过多增加门槛值导致各个分段模型样本量过多损失，本文仅检验了三个门槛。 Table 4 Threshold number tes 门槛变量 门槛检验类型 F统计量 P值 BS次数 1% 5% 10% 城市蔓延sprawl 单一门槛 2.150 0.115 200 7.510 4.081 2.288 双重门槛 5.714** 0.040 200 7.910 5.161 4.080 三重门槛 3.378* 0.055 200 7.432 3.881 2.359 表4. 门槛数检验 注：检验结果均采用“bootstrap法”模拟后得到结果。 Table 5 Threshold value tes 门槛变量 门槛类型 估计值 95%置信区间 城市蔓延sprawl 双重门槛 0.372 [−16.446， 26.241] 0.851 [0.481， 1.258] 表5. 门槛值检验 由以上表4、表5可以得出，在以城市蔓延为门槛变量回归时，在5%的显著性水平下存在双重门槛效应，说明城市蔓延对环境污染的非线性效应。对门槛变量的门槛值进行估计和检验得到，城市蔓延的两个门槛值分别为0.372和0.851，置信区间见表5。由于存在两个门槛，因此样本数据被门槛值划分为3段。由表6，以经济增长为核心解释变量的各分段回归结果均通过显著性检验。门槛效应图见图1。 Table 6 Segmented regression of threshol Lnso2 Coef. Std.err t p pgdp_1 −0.0000269 *** 2.81e−06 −9.59 0.000 pgdp_1 −0.0000226 *** 2.77e−06 −8.16 0.000 pgdp_1 −0.0000275 *** 2.65e−06 −10.35 0.000 _cons 12.77666 *** 0.1915027 66.72 0.000 n 315 R 2 0.2835 表6. 门槛分段回归 根据门槛模型回归结果，城市蔓延对环境污染的作用表现为双重门槛效应。当城市蔓延跨过第一个门槛值后，城市规模和人口扩张带来的环境污染效应有所减小，而跨过第二个门槛值后，城市蔓延带来的环境污染略有上升。说明城市蔓延早期是城市规模和人口的快速扩张，具有一定的盲目性，对生态环境的损害比较大；而越过某一门槛值(本文检验为0.372)后，城市内部关于发展和环境之间的矛盾通过各种方式得以缓和，城市蔓延对环境的污染有所减小；但若不对城市蔓延模式的进行合理引导，城市发展还是会受到环境的制约。 图1. 门槛效应图