DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 积分上限函数的引入 通过瑞幸咖啡的一则广告语“人生无解，多喝拿铁，求极限 lim x → 0 ∫ 1 cos x e − t 2 d t x 2 ”，从“人生无解”引发 学生思考此题是否有解，要想知道此题是否有解，需要知道分子 ∫ 1 cos x e − t 2 d t 所表达的含义以及如何求解，从而很自然地引出本节课的主讲知识点，吸引学生的注意力，进而自觉思考，主动学习新知识。 引导学生重建知识点产生的过程，重述定积分 I = ∫ a b f ( x )   d x = lim λ → 0 ∑ i = 1 n f ( ξ i ) Δ x i ，根据该定义式，我们 知道它是一种乘积和式的极限，是一个确定的数值，只与积分区间和被积函数有关，与积分变量用何字母表示无关，也就是 ∫ a b f ( x ) d x = ∫ a b f ( u )   d u = ∫ a b f ( t )   d t 。 现假设 x ∈ [ a ， b ] ，考虑积分 ∫ a x f ( t )   d t ，它的取值仅与积分区间 [ a ， x ] 和被积函数 f ( x ) 有关。一旦给定了x的取值，相应的 ∫ a x f ( t )   d t 的值也随之确定，显然这种关系符合函数的定义，从而将其称为积分上限的函数，记为 Φ ( x ) = ∫ a x f ( t )   d t 。从形式上来看，x的位置位于积分的上限，从而该定义符合表观上的认知。类似地，x处于积分下限时，也就定义了一个积分下限函数 ∫ x b f ( t )   d t 。通常，我们称定义一个积分上限函数 Φ : [ a ， x ] → R ， x ↦ ∫ a x f ( t )   d t ，其中 x ∈ [ a ， b ] ， t ∈ [ a ， x ] ， f ( t ) 是区间 [ a ， b ] 上的连续函数。
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user: 3. 积分上限函数的性质讨论 定理1 [ 3 ] 若 f ( x ) 在 [ a ， b ] 上连续，那么 Φ ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t ，     x ∈ [ a ， b ] 在 [ a ， b ] 上可导，且 Φ ′ ( x ) = d d x ∫ a x f ( t ) d t = f ( x ) ( a ≤ x ≤ b ) . 引导学生通过导数的定义进行证明，用一系列数学问题串联起来，重建知识产生的过程，让学生理解知识点从何而来。欲证积分上限函数的导数等于被积函数本身，根据现有知识，只能从导数的定义出发对其证明，所以可以通过求增量，算比值，求极限的三部曲对其进行证明。 证明 设 x ，   x + Δ x ∈ [ a ， b ] ，那么 Φ ′ ( x ) = lim Δ x → 0 Φ ( x + Δ x ) − Φ ( x ) Δ x = lim Δ x → 0 ∫ a x + Δ x f ( t ) d t − ∫ a x f ( t ) d t Δ x = lim Δ x → 0 ∫ a x + Δ x f ( t ) d t + ∫ x a f ( t ) d t Δ x = lim Δ x → 0 ∫ x x + Δ x f ( t ) d t Δ x = lim Δ x → 0 f ( ξ ) Δ x Δ x ( ξ 介 于 x 与 x + Δ x 之 间 ) = lim ξ → x f ( ξ ) = f ( x ) . 左端点右可导和右端点左可导可用定义类似进行证明。 根据大纲要求，对刚接触到积分上限函数的学生而言，主要的教学目标之一便是要让他们运用该知识点对积分上限函数求导和求极限，并且能够熟练运用复合函数求导的法则，推导积分上限复合函数的求导公式。 1) 对于复合类型，以上限为复合函数来看，巧妙引导学生采取形变意不变的求导方式，先将上限看成整体，再逐步按照一般函数求导类型计算，最后总结出一个通用的式子，引导学生怎样计算的同时也提醒学生如果记不住就按照这种形变意不变的思维，也就形成公式： d d x ∫ a φ ( x ) f ( t ) d t     u = φ ( x ) _ _     d d x ∫ a u f ( t ) d t = d d u ( ∫ a u f ( t ) d t ) ⋅ d u d x = f ( u ) u ′ = f [ φ ( x ) ] φ ′ ( x ) . 同时，提醒学生怎样将变下限的求导类型正确写出来。 2) 如果是上下限均不是固定数的类型，引导学生一起计算，利用中间过度常量，将整体拆分称一个变上限和一个变下限的类型，再将两者分别求导，最后总结出公式： d d x ∫ a ( x ) b ( x ) f ( t ) d t = d d x [ ∫ a b ( x ) f ( t ) d t − ∫ a a ( x ) f ( t ) d t ] = f [ b ( x ) ] b ′ ( x ) − f [ a ( x ) ] a ′ ( x ) . 为了让学生巩固求导公式(1)和(2)，以及主动回应引例中的极限问题是否有解，下面将从简到繁，讲解三个例题，增加课堂教学的互动性。 例1 计算 d d x ∫ 0 x 2 1 + t 2 d t 。 解按照复合求导的第一种类型，先对整体求导，再与上限导数相乘，从而得出： d d x ∫ 0 x 2 1 + t 2 d t = 1 + x 4 ( x 2 ) ′ = 2 x 1 + x 4 . 例2 计算 d d x ∫ c o s x s i n x t 2 d t 。 解 按照复合求导的第二种类型，先引入中间常量拆分原问题，然后分别对每一个整体求导，再与上下限导数相乘，从而得出： d d x ∫ c o s x s i n x t 2 d t = ( cos x ) 2 ( sin x ) ′ − ( sin x ) 2 ( cos x ) ′ = cos 3 x + sin 3 x . 上面已经给出了求导的基本形式，下面就要以实际问题作为加深印象的工具，让学生在活跃的课堂中体会学习与生活融洽的糅合在一起，引导他们正确面对问题，不要以别人的眼光看待自己，更不要人云亦云，全心全意做好各项工作，用努力学习掌握理论知识来武装自己，更好地为国家服务。 例3 计算 lim x → 0 ∫ 1 cos x e − t 2 d t x 2 . 分析通过观察知道，被积函数属于连续型，同时当自变量趋于零时， cos x 趋于1，由此又使用了定理1的证明里边用到的中值定理，得出该式分子部分趋于零，而分母部分直观上可见是趋于零的，因此 该极限属于 0 0 的未定式，故可选择洛必达法则进行求解。于是第一步便是分别对分数线上下的函数求导，利用前面的第一种类型，并结合极限的几个重要公式得出最终结果。 解 通过分析，正确使用每一步，可得 lim x → 0 ∫ 1 cos x e − t 2 d t x 2 = lim x → 0 − sin x ⋅ e − cos 2 x 2 x = − 1 2 lim x → 0 sin x x ⋅ e − cos 2 x = − 1 2 e . 通过例3的讲解，主动回应了引例中极限是有解的，从而引申出“人生无解，此题有解”，陪养学生勇于求真务实，脚踏实地的科研态度和积极探索，大胆创新的科学思想，并能够结合实际加以灵活运用的实践能力，将思想政治教育自然地融入到课程的教学中，润物细无声地引导学生形成积极，向上的核心价值观。同时，正确培养学生在面对问题时能够用于寻找自己的处理方式，不被别人牵着鼻子走，特别是在这个网络十分发达的时代，正确对待网络舆论，敢于攀登追求真理。
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user: 4. 积分上限函数的意义 定理1是在被积函数连续的条件下证明得到的，实际上也就证明了“连续函数的原函数必存在”的结论，故可以得到原函数的存在定理。 定理2 [ 4 ] 若 f ( x ) 在 [ a ， b ] 上连续，则对 x ∈ [ a ， b ] ，积分上限函数 Φ ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t ，就是 f ( x ) 在 [ a ， b ] 上的一个原函数。 该定理表明连续函数 f ( x ) 是另外一个函数的导数，即 Φ ′ ( x ) = f ( x ) ，沟通了导数与积分这两个概念，最终表明积分和微分这两个过程互为逆运算，也就是可以通过不定积分的方法来计算定积分，有利于简化定积分的计算，促进对后续牛顿—莱布尼茨公式的学习。
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user: 5. 教学总结 本节课讲授了积分上限的函数及其导数。通过定积分定义了一个新的函数，增强学生在原有函数概念学习下的知识迁移能力。积分上限函数的导数等于它的被积函数，通过这一性质找到了定积分和导数之间的关系，为后续证明微积分的精髓–牛顿–莱布尼茨公式奠定了坚实的理论基础。通过“真问题、过程性、互动性”三方面的教学设计使学生在课堂学习过程中不仅仅获得知识的提升，而且在分析问题能力，解决问题的能力，以及价值观等方面都有所提升，将课程思政真正融入到高等数学的课堂实际教学中，将数学学习与思想政治学习有机的结合，充分发挥了课堂教学是教书育人主战场的先天优势，增加了学生对“知识、能力、价值”的获得感。
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user: 摘要 本文设计开发了一套基于机械臂和小车的物料分拣搬运的桌面级智能仓储系统，该系统基于AT Mega2560控制芯片，使用dobot机械臂、传送带、AI-Starter小车、传感器、Xbee无线通信器为执行部件，通过鼓励同学们开发机器视觉图像处理算法、机械臂小车同步作业协同控制算法，实现了物料的高效分拣、灵活装载、安全运输和自动入库，本系统为培养高素质复合型“新工科”人才提供了重要的教学实践平台，为学生运用人工智能知识分析解决问题提供了切实可行的实践手段。
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user: 1. 引言 随着人工智能技术在全世界之内受到重点关注及广泛研究，工业开始朝着智能化的方向发展，结合人工智能的工业4.0时代已经悄然来临。物料智能仓储系统是工业4.0中智能工厂、智能生产、智能物流三大主题之一 [ 1 ]，其作为物流系统的枢纽和核心，是保证能够实现高效合理化运行的关键，在企业物流中有着举足轻重的地位。本文针对面向物料分拣搬运的智能仓储系统，首先设计了物料识别定位模块、智能分拣装载模块、自动搬运模块以构建智能仓储系统平台，而后利用机械臂、小车、传感器搭建硬件平台，最后设计软件算法实现物料分拣、装载、搬运、入库功能。该系统融合了人工智能技术、先进机器人控制技术及网络化分布式技术，充分发挥现有物流资源的效率，使得快递需求能够快速获得服务匹配，得到物流支持。
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user: 2. 传统仓储系统主要问题 自动仓储系统包括物料分拣、装载、运输及入库四大环节 [ 2 ]，每一环节都涉及机器人协同控制和搬运方案的优化设计，其对物料搬运效率具有重要影响。传统仓储系统由于没有很好的协同控制算法导致运动路径不当，而不恰当的搬运方案不仅浪费资源，还提高了企业的生产成本 [ 3 ]。因此，急需研发一种能高效协同物料分拣、装载、运输和入库过程的智能仓储系统，优化搬运方案和运输路径，提升时间利用率，节省企业成本。 机器臂是自动仓储系统中重要的组成部分之一，它能完全替代人工手动操作，将物料进行抓取和分拣。目前被大家所熟知的有ABB、Kuka、Fanuc、Yaskwa等国外老牌厂商生产的机械臂，整机存在着体积大、载荷重，价格高昂、不接地气的缺点。现有国产Dobot机器人以其简单易用、灵活部署、高精度、宽范围、快速度、且支持多种不同的控制方式等特点，在面向消费级市场和轻工业级的分拣、封装、搬运等方面逐渐引起了广大研究者的关注。传统自动仓库的搬运部件存在类似问题，其搬运车控制系统通常会私有化了底层操作接口，关键实现部分通常不对外公开，即使有相关接口，平台自身相关的参数设置过于复杂，学习成本较高。现有基于arduino开发板的AI-Starter智能小车，是一款针对教育比赛推出的智能小车，主控板为Arduino Mega2560开发板，易于上手，传感器外设接口丰富，能够使用c语言在单片机上开发避障和路径规划算法 [ 4 ]。在新工科背景下，本研究基于AT Mega2560控制芯片、Dobot机械臂、AI-Starter小车以及传感器搭建的智能仓储系统实现了物料分拣、装载、搬运、入库功能，该系统综合人了工智能理论、机器人控制编程、搬运方案优化、模式识别等知识，为培养新工科高素质人才提供了重要的教学实践平台，为学生适应工业4.0时代的挑战打下了重要基础。
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user: 3. 智能仓储平台的整体设计 如图1所示，智能仓储平台分为三个模块，包括物料识别定位模块、物料分拣装载模块和自动搬运入库模块。首先，物料识别定位模块从图像采集器获取当前的物料堆放图像进行视觉轮廓检测，确定物料块坐标；而后，智能分拣和装载模块依据颜色对物料进行分类，将其装载到指定小车上；最后，智能小车组成的搬运入库模块将物料搬运到指定的仓库中卸载。 图1. 智能仓储平台设计示意图 3.1. 物料识别定位模块 物料识别定位模块主要用于控制图像采集器(摄像头)，实时获取物料块的位置，提取物料块的颜色特征，并将上述信息发送到主控制模块(Arduino Mega2560开发板)。 图2. 物料识别定位模块设计示意图 如图2所示，视觉定位单元通过调整视觉标定板上的三点定位坐标来判断图像采集器(摄像头)是否符合预设的标定位置，若是，则进入视觉标定程序，根据机械臂对应位置的笛卡尔坐标确定执行末端到标定板的空间变换矩阵，若否，则执行预设调整程序，调整摄像头位置，直到摄像头位置符合标定要求。 当视觉标定完成以后，便开始进行物料方块的颜色特征提取，颜色特征提取单元用于获取物块的HSV颜色空间表示。HSV色彩表示空间由色调(Hue)、饱和度(Saturation)、亮度(Value)三个分量构成，HSV从人的视觉系统出发，其表示接近人眼的主观感受，识别准确率较高。颜色特征提取单元首先使用摄像头获取物料的BGR像素图，而后对BGR像素图像进行中值滤波，降低图像的变化率，消除噪声；随后，对图像进行颜色空间转换，使用转换算法cv2.cvtColor将BGR图像转化为HSV图像；最后，提取图像中特定颜色区域的HSV特征值，比对物料仓库中特定物料的颜色HSV值，确定物料的颜色。 当颜色提取完成后，便开始进行物料方块的轮廓检测。首先，边缘轮廓检测单元获取物料的RGB图像，而后对图像进行灰度化处理，本文中，我们使用著名的心理学映射公式 将物料的RGB图像转化成灰度图像；随后，选取适当的阀值，对灰度图像进行二值化处理，获得反映图像整体和局部特征的二值化图像；最后，对该图像使用canny边缘检测算法提取物料轮廓。Canny是一种高效的边缘检测算法，处理过程包含四步：第一步，使用高斯滤波器去除二值图像的噪声影响。第二步，使用 Sobel 算子计算平滑图像的水平方向和竖直方向的一阶导数(Gx和Gy)，根据这两幅梯度图寻找边界的梯度和方向。第三步，通过非极大值抑制方法排除非边缘像素，仅保留一条边缘。第四步，使用滞后阈值，确定真正的边界。边缘检测单元输出一个Numpy数组，包含边界点(x，y)的坐标以表示物料块的边界。 3.2. 智能分拣装载模块 图3. 智能分拣装载模块设计示意图 如图3所示，智能分拣装载模块由智能机械臂和传送带组成，实时通信模块通过交互物料位置信息和搬运小车的状态控制机械臂的动作，提高分拣装载的效率；机器人视觉模块则通过模式识别算法对将物料块进行分类，将分类结果通信模块传送给arduino控制板；机械臂运动规划模块实时求解机械臂各关节变量以确定执行末端的位置姿态，在指定位置执行抓取、放置动作实现物料的分拣与装载。硬件上，智能分拣装载模块通过设计机械臂的结构参数、电气参数完成运动控制功能。在软件上，通过arduino集成开发环境，在AT mega2560芯片上实现多机械臂最优运动控制规划，预设变量配置机械臂的底层参数，省去大量繁琐的底层代码开发，使用高级接口函数完成机械臂协同控制程序编制。 3.3. 自动搬运入库模块 如图4所示，自动搬运入库模块由智能小车组成，包括小车自动巡线、自动避障、白平衡校准、实时通信、机器视觉和路径规划模块。自动巡线、自动避障和白平衡校准三个模块完成小车在运输过程中的运动控制，通过调整这三个模块的参数，使搬运小车沿着预定的优化路线前进，在小车遇到障碍物时能够做出反应，自主躲避，不影响运输任务；白平衡校准则使得小车的巡线动作更加稳定流畅；机器视觉模块则用于入库环节时对仓库种类的识别，将识别结果和小车运载的物料方块种类进行比对，实现将物料送入对应的仓库的功能。在此四个模块的基础上，执行多小车最优运动规划方案，通过信息传输实现多个智能搬运小车的协同控制，提高物料运输入库效率。 图4. 自动搬运入库模块设计示意图 3.4. 智能仓储平台工作流程 智能仓储平台的工作流程如图5所示，机械臂在原料区抓取物料，放置到传送带上完成物料拾取；机械臂上的摄像头通过识别传送带上的物料，根据颜色分类抓取物料并放置于固定堆放区完成分拣；机械臂与搬运小车协作，将堆放区的物料分类放置于小车上完成物料装载；多辆小车通过相互通信及执行巡线功能将物料运送到目标仓库：如果能正常运输物料，则执行小车巡线运输程序。如果遇到前方故障小车或者在巡线轨迹上有货物方块，则执行自动避障，绕开障碍物以后则恢复巡线功能。如果遇到问题物料，则将问题物料在临时存放区暂存；搬运小车通过翻斗装置将物料倾倒到对应仓库完成卸载。 图5. 智能仓储平台工作流程
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user: 4. 智能仓储平台硬件设计 4.1. 主模块接口及传感器 本系统采用Arduino控制板为控制模块，该模块基于AT Mega2560芯片，拥有16MHz晶振，有54路数字输入/输出端口(其中15个可以作为PWM输出)，16路模拟输入端口，4路UART串口，电池接口，ICSP头和复位按钮等。在仓储系统的设计中，它集成了电机驱动模块，还集成了红外巡线信号接口、超声波模块信号接口、USB、Xbee、蓝牙、串口通信连接机械臂等接口，另外，还具备两个舵机信号接口控制智能小车的翻斗运行。 如图6所示所示，Arduino控制盒是整个机械臂的主控系统，也是小车的主控板，在整套智能仓储系统中起核心作用。我们根据智能仓储系统所涉及的实际功能来定义Arduino的接口，并以此为依据来设计整个电路控制系统。1、4：编码器接口，与小车底盘上的右侧电机相连；2、3：小车驱动电机接口，与小车底盘上的左右侧电机相连；5：红外巡线传感器接口，与小车的红外巡线传感器相连；6、7：颜色传感器接口，与小车底盘左右侧的颜色传感器相连；8、9、10：超声波传感器接口，与小车左侧、右侧、前方的超声波传感器相连；11：Xbee通信接口，用以实现小车和主控板之间的通信，采用UART协议；12、14：舵机接口，用以控制小车翻斗的卸载动作；13、16：蓝牙接口，采用UART协议；15：串口通信接口，4pin-10pin用以通信控制机械臂运动；17：USB接口，采用标准的Micro-USB接口，用以下载运行在主板上的程序；18：电源接口，与小车地盘上的电池相连。 图6. Arduino主控模块及功能接口示意图 4.2. 机械臂 4.2.1. 机械结构 Dobot Magician 机械臂是高精度4轴关节型机器人，由回转主体、大臂、小臂、臂头、底座等部分组成，可完成分拣、搬运等工作，是一种典型的操作型机器人。 图7. Dobot机械臂关节坐标示意图 如图7所示，dobot Magician机器人的本体中心线与底座的正前方中心对应，关节1处于其原点位置，旋转正方向为俯视本体时的关节1的逆时针旋转方向；大臂垂直竖立时，关节2处于其原点位置，旋转正方向为使大臂朝前朝下运动的方向；小臂处于平行于底座平面时，关节3处于其原点位置，旋转正方向为使小臂朝下运动的方向；关节4的旋转正方向是俯视本体时关节4的逆时针旋转方向。 4.2.2. 运动学参数 图8. 连杆坐标系示意图 Table 1 D-H parameter list of Dobot mechanic ar L θi i di ai 1 θ1 − π 2 8 0 2 θ2 0 0 135 3 θ3 0 0 147 4 θ4 − π 2 0 59.7 表1. Dobot机械臂D-H参数表 如图8所示，根据Dobot机械臂各连杆的连杆长度、连杆扭转角、各关节的连杆偏距和关节角 [ 5 ]，我们得出D-H参数表，如表1所示，依据此参数表计算出连杆坐标系 T i − 1 i 的齐次变换矩阵。 0 1 T = [ c 1 0 − s 1 0 s 1 0 c 1 0 0 − 1 0 d 1 0 0 0 1 ]       1 2 T = [ c 2 − s 2 0 a 2 c 2 s 2 c 2 0 a 2 s 2 0 0 1 0 0 0 0 1 ] 2 3 T = [ c 3 − s 3 0 a 3 c 3 s 3 c 3 0 a 3 s 3 0 0 1 0 0 0 0 1 ]       3 4 T = [ c 23 − s 23 0 0 − s 23 c 23 0 0 0 0 − 1 0 0 0 0 1 ] 从{0}系到{4}系的齐次变换矩阵记为 0 4 T ，它表示{4}号坐标系相对于{0}号坐标系的位姿，令C1 = cosθ1，C2 = cosθ2，C1 = cosθ3，S1 = sinθ1，S2 = sinθ2，S2 = sinθ3，S23 = sin(θ2 + θ3)，C23 =cos(θ2 + θ3)，得到最终坐标变换矩阵如下： T 0 4 = T 0 1 T 1 2 T 2 3 T 3 4 = [ c 1 0 − s 1 c 1 ( a 3 c 23 + a 2 c 2 ) s 1 0 c 1 s 1 ( a 3 c 23 + a 2 c 2 ) 0 − 1 0 d 1 − a 2 s 2 − a 3 s 23 0 0 0 1 ] = [ n x o x a x p x n y o y a y p y n z o z a z p z 0 0 0 1 ] 4.3. 搬运小车 如图9所示，搬运小车是由车体，翻斗，主控板，传感器，通信模块，驱动电机五个部分所组成。 图9. 搬运小车结构 4.3.1. 小车主体结构 小车主体结构包括1、前方、侧方和正下方开口的铁质框架，预留了超声波传感器和红外传感器的探测位置；2、后轮以及前方的万向轮，实现车体的移动和转向；3、顶部的翻斗，实现了物料的运输和卸载。 4.3.2 . 超声波传感器 超声波传感器利用超声波的传播特性研制而成。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，具有频率高、波长短、绕射现象小，方向性好、定向传播等特点。本文中，传感器通过计算超声波发出和接收的时间差来计算前方障碍物的距离，如图9所示，小车在头部装有三个超声波传感器，通过超声波反射测量前方3mm~500mm范围内障碍物，可有效规避巡线路径上的其他小车或物料。 4.3.3 . 颜色传感器 颜色传感器利用颜色滤波器根据波长对光线进行滤波，滤波器只允许特定波长的光通过，从而能识别出特定的颜色。本文中的小车在底部有两个颜色传感器，使用RGB滤波器对特定的颜色进行响应，分辨出颜色以后，小车就能了解是处于巡线任务中还是卸载任务中，并识别不同物料种类的仓库。 4.3.4. 红外巡线传感器 红外巡线传感器不断地向地面发射红外线，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，接收管接收不到红外光。本文中的红外传感器通过是否接收到反射的红外光判断小车是否处于巡线路径中，其内置6路高精度红外对管，配合6个可调电位器调节红外对管检测距离的远近，可精确检测到黑线，实现自动巡线行驶。 4.3.5. 通信模块 图10. Xbee通信模块 如图10所示，智能仓储系统使用Xbee作为通信模块，用于小车和控制主板之间的无线数据通信。该模块是Digi公司生产的一款采用ZigBee技术的无线模块，它传输距离远，功耗低，内置协议栈，可通过XCTU以及ZigBee Operator两款软件进行调试，即插即用，使用非常方便。 4.3.6. 视觉识别模块 图11. Pixy2视觉识别模块 如图11所示，智能仓储系统使用pixy2视觉识别模块，将其搭载在机械臂的执行末端上，实现物料定位和智能分拣功能。Pixy系列是联合 Charmed 实验室和卡内基-梅隆大学共同推出的图像识别系统，pixy2视觉识别模块支持多物体识别，有多色彩颜色识别及色彩追踪能力，pixy2自带处理器，并搭载着一个图像传感器 CMUcam5，它通过其处理器内部的算法，以颜色为中心来处理图像数据，选择性地过滤无用信息，Pixy2只需将已经处理过的特定颜色物体的数据发送给arduino微控制器即可，处理后得到的数据更精确有效。
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user: 5. 智能仓储系统软件设计 本系统通过arduino 集成开发环境和C语言进行工程开发，也可以使用mixly软件进行模块化的开发。为了实现智能仓储系统的所有功能，必须实现(1)视觉轮廓检测算法(包括Canny边缘检测 [ 6 ]、Prewitt边缘检测 [ 7 ] 等)、颜色特征提取算法；(2)自动巡线算法、自动避障算法；(3)多机械臂协作物料分拣装载算法、多小车协作物料运输入库算法，在新工科背景下，这部分工作将由学生们通过编程实现。
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user: 6. 智能仓储系统场景搭建 图12. 智能仓储平台功能区示意图 本研究搭建了桌面级别因此对各个功能区进行了划分，以供同学们进行充分实践，如图12所示。 1) 装载物料区：此区域中机械臂抓取物料成功识别颜色并放置在分类堆放栏位里 2) 小车起始区：此区域是智能小车准备出发的地方 3) 物料卸载区：此区域是小车物料卸载的仓库(使用不同颜色区分不同物料) 4) 行驶区：此区域为小车正常行驶的路线 5) 问题物料区：此区域为问题物料卸载的地方 6) 自由区：灰色区域为自由区，小车在自由区内自由行驶，不要求必须巡线行驶
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user: 7. 结语 本研究提供了一套桌面级的物料分拣搬运的仓储平台，它综合了dobot分拣机器人、arduino搬运小车以及基于传感器的自定位系统，是非常好的教学实践平台。学生不仅能对机器人运动学原理进行验证，还能通过机械臂编程接口进行基于路径规划的高级运动控制，测试机器学习算法对机器人分拣识别准确率和效率的影响。此外，还能针对小车编写基于传感器的巡线算法，避障算法，实现现代智能仓储工厂中物料分拣、搬运、入库功能。该系统让学生参与编程、协调仓储平台各部件之间的运行，使得他们在“新工科”的背景下提早了解智能工厂运作模式，增强了独立思考能力和动手能力，为迎接工业4.0的挑战打下了坚实的基础。
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user: 摘要 全球气候变暖改变了水循环过程，影响了水利工程的设计、运行和管理。我国现有的水利类专业课程体系对全球变化、大数据、云计算、人工智能等新兴技术知识的渗透较少，当前亟需转变育人思路、推进课程改革等手段，培养具有国际视野和创新能力的全球气候治理人才。本文分析了全球气候变暖对水利工程的影响，阐述了水利工程专业的育人特点，提出了我国水利类专业课程改革的发展路径，以期为新工科建设提供思路。
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user: 1. 引言 自第二次工业革命以来，大气中二氧化碳等温室气体含量增加，气候系统的能量收支平衡与物质循环过程发生改变，造成全球水资源在不同时空尺度上的再分配，改变了环境和生态系统的物理演化过程，水旱灾害频发，对社会经济系统和生态环境的可持续发展构成严峻挑战 [ 1 ] [ 2 ]。我国也是最易受全球气候变化影响的地区之一，增温速率远高于全球平均水平，到本世纪末气温或将上升4℃ [ 3 ]，严重威胁我国的供水安全、粮食安全、防洪安全、能源安全和生态环境安全。为应对全球气候变化，世界各国纷纷制定政策，期望通过优化产业结构、发展清洁能源、增加森林碳汇等方式降低碳排放量，推动经济社会向绿色低碳转型。 在当前全球气候变暖的严峻背景下，影响了水利工程的设计、运行和管理，但是我国水利工程专业的课程体系仍然对全球气候变化议题渗透较少，培养的毕业生对全球气候治理的能力较为欠缺，亟需通过转变育人思路、推进课程改革等手段，培养全球气候治理人才。
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user: 2. 全球气候变暖对水利工程的影响 降水作为水文循环的关键因子，是水文过程模拟最重要的输入变量，关系到全球水资源分布格局及洪涝灾害情势 [ 4 ] [ 5 ]。过去几十年来全球极端降水强度和频率显著上升，直接导致世界大多数地区的洪涝灾害情势急剧恶化。洪水作为全球造成损失最大、危害最深、影响最广的自然灾害之一 [ 6 ] [ 7 ]，近10年来造成的财产损失超过每年300亿美元。我国也是受洪涝灾害影响最严重的地区之一，2019年6月江南、华南北部等地发生的洪涝灾害造成600多万人受灾和231.8亿元直接经济损失。近年来，国内外学者通过描述气候系统的热力和动力环境变化研究水文响应过程，认为全球增温的热力效应引起大气边界层水汽含量上升是引发暴雨增多的关键因素 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]。全球气候变暖和强人类活动对水利工程有较大影响 [ 9 ] [ 10 ]，例如我国长江流域的水资源管理和水利工程运行方式均产生了显著变化。长江流域是我国第一大流域，工农业发达、经济集约化高度发展，也是我国重要的水电能源基地和战略水源地，兴建了世界上规模最大的水库群以及南水北调中线工程等多项重大水利工程，在保障国家水资源安全、生态安全和经济社会可持续发展等方面具有十分突出的地位。然而，在全球气候变化背景下，长江流域气候与水资源系统呈现显著的动态变化特征，洪涝灾害频发，不仅威胁人民的生命财产安全，还制约了流域以及全国经济社会稳步发展。全球变化和人类活动不仅对大型流域有影响，对一般的流域也有较大影响，例如清江上游水库调蓄改变了河川径流规律，影响了下游水库的设计洪水过程，迫切需要耦合水库调度函数和水动力学模型模拟洪水演进过程；例如人类活动和气候变化对汉江流域的生态、农业、环境和水资源系统都造成较大影响，如何评估未来洪水风险成为难题。总体而言，全球气候变化可能进一步改变水文情势，洪涝灾害更趋复杂，研究流域洪水对气候变化的响应机理，是保障社会经济可持续发展并解决国家层面上水资源战略需求的关键性应用问题。
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user: 3. 水利工程专业的特点分析 水利工程学科是一门与工程实际联系紧密的科学，主要开展自然和人工作用下不同尺度的力学和物理学过程研究与相关技术研发和工程应用，也包括力学和物理过程向化学和生物学过程的延伸和耦合研究。水是生命之源、生产之要和生态之基，水利学科关系着社会发展、国民经济和人类健康，是联系自然界与人类社会的桥梁之一。近代自然科学迅速发展赋予了水利工程学科全新的科学与技术意义，新时期以重大工程为牵引，推动理论和实践相结合，与相关学科交叉融合，充分应用新兴科学技术，更好地服务经济社会高质量和持续健康发展。如今，我国水利科学基础研究产出规模和影响力持续增强，岩土工程和水电工程数量和规模庞大，工程规划、设计、建设和管理处于世界领先水平。但是，我国水利工程原创性新发现和解决“卡脖子”技术还有很大发展空间；参与制定国际大科学计划、国际准则和标准的程度尚可提升；基础研究支撑工程实践力度尚需增强。在新的历史时期，国家推出“粤港澳”大湾区建设、长江经济带开发与保护、黄河流域生态保护和高质量发展等一系列涉水战略，并提出了“一带一路”伟大倡议，给水利工程学科赋予新使命。水利工程专业对经济社会发展具有重要的支撑作用，是一门解决新老水问题的重要学科。
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user: 4. 全球气候治理人才的基本要求 水利工程学科对支撑全球气候治理有关键意义，水利工程学科以认识自然规律为基础，以重大工程为牵引，并与相关学科交叉融合，充分应用新兴科学技术，支撑经济社会持续健康发展。我国水资源保障程度低，国民健康、粮食安全、环境治理和生态保护的需求和水资源、水能不平衡的矛盾尖锐。随着全球气候变化、人口增长、城镇化和经济快速发展，新老水问题更加突出 [ 11 ] [ 12 ]。在新的历史时期，水利学科含义更加广泛，研究对象从流域水循环向流域水系统延伸，卫星遥感、物联网、人工智能、大数据等新兴科学技术大量应用，跨学科研究形成水–能源–粮食–生态协同、农田多尺度多过程水与物质转化及调控、河湖–地下水–河口海岸相互作用和流域生态系统健康理论等系列学科增长点；气候变化和人类活动受到广泛关注，对河流海岸开发保护、水环境生态综合治理、工程安全保障与风险防控等的影响日益受到重视。当前，水利工程的学科交叉更加突出，主要集中在变化环境下水循环的再认识与水安全保障、水资源和水能开发与高效利用、水系统保护与修复、环境生态水利、信息化与智能化管理基础理论与应用、水与生态、环境、社会、农业生产和经济发展的相互作用。全球气候治理人才不仅要掌握新一轮科技革命的新兴技术，还要具有国际视野和跨文化沟通能力，具有跨学科研究的基本素养。
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user: 5. 培养全球气候治理人才的实施路径 为了培养新时期的全球气候治理人才，迫切需要顺应当前学科发展方向，推进课程改革和教育教学体系改革。为了应对全球气候变化，需要加强雷达技术、卫星遥感影像等在雨量、地表水体、洪水演进、洪水淹没区、土壤墒情等水文监测中的应用，充分利用先进声、光、电技术及自动化监测手段，实现水文要素的全量程、全天候实时动态监测，形成空天地一体、动静结合、点线面融合的“全方位、高灵敏、高智能”的全域感知监测体系，破解水利信息化建设中的“卡脖子”难题。信息化技术是应对全球气候变暖的重要支撑，需要大力提高水利专业学生对信息化的运用能力和理解水平。 全球气候变暖涉及到大气圈、水圈、陆地圈、岩石圈和生物圈等各圈层的能量收支和物质循环过程，不仅需要使用地面站点观测数据，还需要使用大气再分析数据和卫星遥测数据，需要通过课程改革和课外实践活动提高学生的大数据处理分析能力，要在课堂教学和毕业设计中融入大数据和云计算相关技能锻炼，切实提高水利工程专业与计算机专业的交叉式创新。 在水利工程专业育人和教学过程中，要重视培养学生解决实际问题的能力，厘清国际科学前沿，通过科学考察、科普讲座、创新创业比赛等多种方式，引导水利工程专业学生寻找科学问题，并培养学生解决科学问题的能力和素养。全球气候变暖对社会和自然的各个环节、各个部门均产生了重要影响，需要培养水利工程专业学生解决实际问题的能力，要加强人工智能、卫星遥感、大数据、云计算、大气科学等相关知识的渗透，培养具有国际化视野的拔尖创新型治水人才，为水利专业学生应对全球气候变暖做出更大贡献。
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user: 摘要 湘中地区黑色岩系中的矿产资源丰富，尤以铀、钒为代表，且钒、铀紧密共生。本文通过典型钒–铀矿床的地质特征研究，探讨钒–铀矿资源综合利用的有利途径。
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user: 1. 引言 湘中石牛矿区钒铀矿位于涟源盆地南东缘与紫云山隆起的接合部位 [ 1 ]。矿区内黑色岩系有机质富集，黑色岩系的岩石颜色呈黑色主要原因在于有机碳、细分散硫化物及颗粒的超微粒度高含量所致，黑色岩系不同岩类组合代表不同的沉积环境和背景 [ 2 ]，赋存有不同种类的矿床，以钒、铀共生矿床为主要代表，见图1。 图1. 石牛铀矿区地质简图
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user: 2. 矿区地质背景 2.1. 地层 矿区出露有震旦系、寒武系、奥陶系、白垩系及第四系地层，其中寒武系地层发育较完整，震旦系次之，奥陶系、白垩系、第四系地层仅零星分布。钒、铀矿主要产于寒武系牛蹄塘组。 牛蹄塘组( ∈ n)：分布于研究区中部，可划分为两个岩性段。下段为浅灰色、灰色、深灰色板岩、薄至中层状砂质板岩、含黄铁矿板岩、局部夹少量硅质板岩及透镜状菱铁矿质粘土岩。与下伏留茶坡组(ZL)呈整合接触。上段顶部为黑色炭质板岩、含炭板岩、含硅质炭质板岩夹钙质板岩。钙质板岩地表风化后，因钙质流失板理面粗糙，可作为地表识别牛蹄塘组与污泥塘组的界线，该段为矿区铀钒矿含矿层位，其中钒矿化厚度较大，分布较广泛，达工业品位钒矿层位可分为四层，分布范围较铀矿化更广，且局部可见透镜状石煤层和块状磷质粘土岩。 2.2. 构造 矿区位于江南古陆东南缘，紫云山窿起西侧，褶皱、断裂构造发育。 褶皱构造：区内总体表现为一复式背斜，次级背、向斜和挠曲构造也常见。高家冲复式背斜，北起温水大山，南至洪家而延伸至工作区外，轴向北北东向，纵贯全区，轴长大于10公里，背斜核部主要由震旦系南砣组组成，局部分布有寒武系，背斜两翼，主要由寒武纪地层组成，有时还以寒武系为中心，而对称性分布着震旦系。次一级褶皱发育有老虫崖–马鞍向斜，洗马倾伏向斜，石板冲–石牛山倒背斜等。 断裂构造：矿区断裂主要受紫云山岩体侵位影响产生，以北东向组发育。断裂派生的次级背、向斜及断裂发育。背、向斜多呈形态不规则的倒转构造，影响幅度数千米。区内已发现规模较大的断裂30条，按展布方向可分为NE、NW、EW及SN向四组，以NE及SN向组规模最大。 2.3. 岩浆岩 区内见细晶岩脉、煌斑岩脉及花岗岩脉，均呈零星细脉状分布。
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user: 3. 矿体特征 矿床为以钒为主，铀作为共生元素炭硅泥岩型钒铀矿床，钒铀主要赋矿层位为寒武纪牛蹄塘组上段。 3.1. 钒矿体特征 矿区内钒矿赋存于牛蹄塘组上段灰黑至黑色炭质板岩、硅质板岩夹薄层状含炭硅质岩，含钒矿层四层呈层状、透镜状产出，钒矿层稳定性及其矿化特征与沉积环境、古地理、古气候关系密切，受沉积环境及生物化学等多重因素制约。 1) 沉积环境的控制作用 处于特定的还原条件下闭塞海湾环境，为一套灰黑色硅质岩、炭质板岩沉积建造。 2) 古气候和地壳振荡及物化条件的控制作用 矿层中岩层基本为薄层和微层，富含有机质(炭质)，具水平层理，炭质板岩中含磷结核，反映海水相对比较平静。矿石中含白云质，反映气候较干旱。不同岩性呈不等厚互层或互为夹层反映地壳振荡周期变化特征。 3) 沉降盆地的控制作用 矿层的稳定性与其沉积盆地中的相对位置有关，主矿层受盆地相及盆地边缘相控制。相对隆起地段，含矿岩系厚度变薄，钒矿化变弱或矿体尖灭。 3.2. 铀矿体特征 矿区铀矿化主要分布在寒武系牛蹄塘组下段，产于炭质板岩、含炭硅质板岩、含硅炭质板岩、含黄铁矿板岩、含炭硅质岩等。铀矿化严格受地层控制，含矿层具有明显富炭岩石特征，且后期构造改造作用可使含矿层铀元素进一步富集，揉褶、片理、层间剥离、顺层裂隙以及富炭岩石对铀富集有一定影响，易富集工业铀矿化。
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user: 4. 钒、铀共生关系 4.1. 赋矿层位相同 钒、铀矿体主要赋矿层位均为寒武系牛蹄塘组下段炭质板岩、含炭硅质板岩、含硅炭质板岩等中，且赋矿岩层中产出磷结核、石煤，钒铀均富集程度更高。 4.2. 矿层顶底板特征相同 钒、铀矿体顶底板围岩均与赋矿岩层相同，为炭质板岩、含硅炭质板岩、硅质板岩等。 4.3. 矿层空间分布特征对比 钒、铀矿体紧密共(伴)生关系，钒、铀矿体主要富集在寒武系牛蹄塘组下段，呈似层状、层状、局部呈透镜状。总体上钒矿体较铀矿体沿走向、倾向延伸连续性更好，厚度变化较铀矿体稳定。但铀放射性异常层分布范围、厚度较钒矿更广。铀、钒矿体主要富集标高均近地表，在50~200 m之间。钒矿体一共分为四个(I~IV)矿层，其中IV矿层为主矿层，主矿层(IV)均显示放射性异常(见图2)，在钒主矿层(IV)层间破碎处铀通常富集达工业品位。 图2. 湘中石牛矿区铀钒矿体空间关系示意图
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user: 5. 综合利用 我国的钒、铀资源非常丰富，尤其是湘中地区黑色岩系中钒铀矿储量相当大，但因其品位低，开发利用难度大。近几十年来我国的含钒铀矿提钒技术已有很大的进步，在世界上也处于领先地位，但依然存在提取率低、产业化程度不高、环境污染严重等问题 [ 3 ]。随着越来越严格的环保限制，为了避免焙烧过程产生的有害气体，采用全湿法冶金的方法来处理钒铀矿，取得了较好的成果 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。 5.1. 生态环境要求 钒铀是国家战略紧缺资源，钒铀矿床综合开发利用对国家有利。但矿区铀、钒紧密共生，铀矿开采要考虑环保要求，提取钒矿带来的环保问题也必须考虑。为此，本次研究采用传统提铀工艺融合湿法制钒新工艺的新方法，对矿区铀–钒矿开展半工业连续试验，以评价黑色岩系中铀–钒矿开发利用的经济可行性 [ 7 ] [ 8 ]。 5.2. 钒铀提取新工艺流程 采用的工艺流程如下图(见图3)： 图3. 钒铀提取新工艺试验流程图 5.3. 钒铀提取新工艺在矿区的试验效果 1) 矿区的含铀钒矿化学成分稳定，V 2 O 5 平均含量为1.00%左右，已达到工业开采品位。原矿中的主要物相为石英、硅铝酸盐矿物以及黄铁矿。钒主要以类质同象形式存在于硅铝酸盐矿物晶格中，部分存在于碳酸盐相中、铁锰氧化物中，少量以吸附态形式存在。 2) 采用新工艺钒浸出率可达80%以上，钒萃取率达90%以上，反萃率达95%以上，钒总收率可达80%以上。 3) 新工艺铀钒矿提取五氧化二钒废水经处理后，可进行废水的循环利用，废水回用后钒铀仍可保持较高浸出率，且工艺运行稳定，废水回用效果较好。不仅实现了清洁冶炼的目的，同时降低了冶炼过程水的消耗 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]。 4) 对矿区内钒铀提取主要技术经济指标分析，得出冶炼成本为5万元/吨左右。 提出了矿区含钒铀矿低酸直接浸出—溶剂萃取提取五氧化二钒的建议性原则工艺流程图，进行了各工序的主要技术经济指标分析 [ 9 ] [ 13 ]。 5) 采用低酸直接浸出溶剂萃取提取五氧化二钒新技术，对石牛矿区的钒铀矿石进行处理，具有技术先进，工艺通畅，金属回收率高，保护环境，节水节能显著，容易实现大工业规模生产等优点。较好的提高了钒铀矿产利用率 [ 10 ] [ 14 ]。
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user: 6. 结论 本文通过对研究区黑色岩系铀、钒矿产出地质特征进行研究，认为本区内牛蹄塘组是主要赋矿层位。黑色岩系中钒、铀资源丰富，钒、铀紧密共生，铀矿是国家战略紧缺资源，铀矿床开发环保要求高。全湿法提取钒铀矿的新工艺，从较大程度上避免了传统工艺焙烧过程中产生的有害气体对环境的污染 [ 12 ] [ 14 ] [ 15 ]，具有保护环境、钒铀金属回收率高等特点，为处理钒铀矿开辟了一条新途径，对进一步综合利用湘中地区钒铀矿的资源具有重要的指导意义。
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user: 摘要 “地球物理特殊方程”是中南大学专门针对地球物理学专业开设的学科基础课，研究对象为具有地球物理应用背景的偏微分方程定解问题，其特点是有机地结合了数学理论、地球物理方法与实际应用。本文以“地球物理特殊方程”课程教学为例，根据课程的专业目标和育人目标来探索与挖掘思政素材，将思政教育与专业知识教育相融合，实现教学与育人相统一，为推动地球物理课程思政教学改革提供借鉴。
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user: 1. “地球物理特殊方程”融入课程思政的重要意义 2016年9月，习近平总书记在全国思想政治工作会议的重要讲话中强调：“高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面” [ 1 ]。2018年10月，教育部印发的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》明确提出了把立德树人内化到大学建设和管理各领域、各方面、各环节，坚持以文化人、以德育人，不断提高学生思想水平、政治觉悟、道德品质、文化素养，教育学生明大德、守公德、严私德 [ 2 ]。传统的专业课程教学往往注重理论知识和实践技能的培养，未能有效地将思想政治教育贯穿于教学教学过程，致使部分学生主动性受到限制，缺乏兴趣和目标，自主学习能力下降，影响课程学习效果和培养质量 [ 3 ] [ 4 ]。课程思政作为高等教育课程教学的关键内容，亟需挖掘和充实专业课程中所蕴含的思政教育元素及其所承载的思想教育功能，将思政教育素材自然融入课堂教学的各个环节，真正做到思想政治教育与知识体系教育的有机融合。 “地球物理特殊方程”是中南大学专门针对地球物理学专业开设的学科基础课，是数学基础课与地球物理专业课程的桥梁，其特点是有机地结合了数学物理方程求解方法与地球物理实际应用 [ 5 ]。该课程的专业目标是帮助学生掌握偏微分方程定解问题求解的数学知识和工具，以及训练学生的数学思想和运用数学工具解决地球物理实际问题的能力，为后续专业基础课和专业课学习做准备 [ 6 ] [ 7 ]。通过本课程的学习，使学生的基本运算能力、分析问题与解决问题的能力有所提高，使得学生得到知识的积累和启发，学习数学的严密性，从更高的起点和不同的角度看待地球物理工程问题。 “地球物理特殊方程”在过去的教学模式中，教师主要以向学生传授偏微分方程定解问题的求解方法，往往忽略了思想政治教育，不利于全方位培养人才。因此，有必要在课程教学过程中设置相应的育人目标：培养学生辩证唯物主义世界观、科学素质和科学思维方法，帮助学生增强爱国主义观念；提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力，培养一批具有扎实专业功底，又具备强烈国家意识、广阔国际视野的地球物理专业人才。同时，在课程教学过程中，将思政素材整合到课程中，潜移默化地培养学生的爱国主义和科学精神，心怀家国情怀、践行社会主义核心价值观，也可让教师从一名授课老师转变为真正的教育工作者。 Table 1 The ideological and political elements for the course of geophysical special equation 教学章节 授课要点 思政映射与融入点 授课形式与教学方法 预期成效 地球物理典型 方程与定解 问题(绪论) 地球物理典型方程的导出，定解条件，定解问题的提出，线性偏微分方程的分类与叠加原理，二阶常系数微分方程的解法。 以“提出问题、探究问题”的形式，对教学重点“弦的横振动问题导出”进行教学时，结合学生回答问题以及发表的自我观点中的创新程度，引入地球物理专业学生学科竞赛屡获佳绩的情况，鼓励学生勇于创新，同时培养学生实事求是、踏实严谨、独立思考的优良科学素养。 通过典型方程的讲解引出地球物理特殊方程的重要意义和研究内容；教师讲授相关知识，并利用动画、案例演示。 通过本章节课程内容的学习和归纳，深化学生对知识的理解，使知识系统化，培养学生逻辑思维能力，以及养成及时对所学知识进行总结梳理的良好学习习惯。 定解问题的 解析方法 二阶偏微分方程定解问题求解的经典解析方法：分离变量法、行波法、Green函数法与积分变换法。 融入点1：通过解析方法学习，培养学生辩证唯物主义世界观和科学思维方法，穿插思政案列宣扬社会主义核心价值观； 融入点2：重温达朗贝尔、傅里叶、拉普拉斯等人的科学故事，呈现科学素养，培养扎实好学力行治学精神。 通过现场教学掌握分离变量法、行波法、Green函数法与积分变换法的基本思想和解题思路；课前导学、课堂讲授、现场观摩、文献查阅，课中提问抢答。 培养学生独立思路、分析问题、解决问题的能力；提高学生的语言组织能力和敢于表达、沟通交流的能力；鼓励学生养成勇于创新、独立思考、实事求是的科学素养。 定解问题的 数值方法 二阶偏微分方程定解问题求解的有限差分法数值方法。 引入地质灾害模型的数值计算，强化专业素养的同时，培养学生的社会责任感和家国情怀。 通过现场教学掌握有限差分法与有限单元法；课前导学、课堂讲授、文献查阅，课中提问抢答。 提升科学素养，建立系统思维；传授基础知识，关注学科前沿。 地球物理 特殊函数 贝塞尔函数与勒让德函数。 融合点1：给学生介绍特殊函数领域的学者，如勒让德、贝塞尔，以他们的突出成就引导学生用心学习数学基础理论。 融合点2：通过特殊函数的学习，培养学生辩证唯物主义世界观和科学思维方法，穿插思政案列宣扬社会主义核心价值观。 通过现场教学了解贝塞尔方程、勒让德方程以及贝塞尔函数与勒让德函数的递推公式；课前导学、课堂讲授、现场观摩、文献查阅，课中提问抢答。 实现地球物理特殊函数与思政融合，建立寓道于教、寓德于教、寓教于乐的教育理念。 地球物理场 正演举例 地震波动方程，地温场热传导方程和大地电磁亥姆霍兹方程的正演计算实例。 分享何继善、徐世浙等地球物理学家的科学故事，呈现地球物理精神，培养扎实好学力行治学精神；以他们的突出成就引导学生秉承工匠精神，用心学习基础理论，将来成为具有社会责任的地球物理工程师。 以案例分析的方式介绍地球物理特殊方程的应用；课外文献资料、课堂讲授。 培养和鼓励学生的创新意思和家国情怀，更大程度上激发学生的制度自信、理论自信以及文化自信，培养学生爱党爱国，敢于技术创新。 计算机仿真 实验 1) 利用有限差分法求解稳定场方程的边值问题； 2) 利用有限差分法求解热传导方程的定解问题； 3) 利用有限差分法求解波动方程的定解问题。 通过计算机仿真实验，让学生自主动起手来，打磨急躁性子，磨合团队协作，尤其是课堂学习不够的学生，经过上机实验提高学习兴趣。 实验要求：任选Matlab、C++、Fortran或Python，编写数值计算程序；图示计算结果； 教学模式：课堂讲授、现场指导。 培育学生一丝不苟的作风，体验扎扎实实的工匠精神，在动手中爱上学习。 表1. “地球物理特殊方程”课程思政元素切入点
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user: 2. “地球物理特殊方程”思政素材挖掘 根据“地球物理特殊方程”课程的专业目标和育人目标，设置课程思政与专业知识的切入点，如表1所示。采用不同的授课形式和教学方法，将思政元素融入到教学活动，以期达到如下成效： 1) 培养学生独立思路、分析问题、解决问题的能力，提高学生的语言组织能力和敢于表达、沟通交流的能力；2) 鼓励学生养成勇于创新、独立思考、实事求是的科学素养，建立系统思维，关注学科前沿；3) 实现地球物理特殊方程与思政融合，建立寓道于教、寓德于教、寓教于乐的教育理念；4) 培养和鼓励学生的创新意思和家国情怀，更大程度上激发学生的制度自信、理论自信以及文化自信，培养学生爱党爱国，敢于技术创新。 通过开展教学成效评定，根据学生课堂表现、课下学习情况和学生对思政内容的反馈信息来建立课堂教学长效机制。
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user: 3. “地球物理特殊方程”思政案例设计 课程教学过程中以问题为中心，采取引导发现和归纳概况相结合的教学方法，通过“提出问题、思考问题、解决问题”的教学过程，借助MATLAB或Python软件、多媒体课件、板书等引导学生进行学习，激发学生的学习兴趣，调动学生的学习主体能动性。遵循课程自身的运行规律，结合定解问题的求解方法，围绕知识传授、能力培养、价值塑造三位一体的课程建设目标，挖掘与家国情怀、社会责任、文化自信、工匠精神等社会主义核心价值观相关德育元素的融入。通过教学素材的运用，课堂上的问答互动，以及课后相应的成效评价，将这些德育元素贯穿到课程的教学实施中，以润物无声的方式将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生。在知识传授的同时实现立德树人的教育功能，将教书育人的使命落实在课堂教学的主渠道之中。思政案例设计如下： 案列1：借助我国地球物理人物故事，呈现科学素养，增强文化自信。比如在讲解有限单元法的偏微分方程定解问题求解时，引入徐世浙院士的科学故事。徐院士致力于地球物理波场数值计算方法的研究，是国内最早将有限元法用于地球物理勘探中的人之一，也是国际上最早将力学中的边界单元法应用于地球物理勘探中的人之一。比如在讲解偏微分方程定解问题求解的格林函数法时，重点介绍何继善院士关于海洋地球物理场的格林函数方法应用，增强学生的文化自信。何院士几十年始终不渝，艰苦探索，勇于实践，不断创新，研制、开发出一系列独具特色的地球物理勘探仪器设备，应用于生产，获得巨大成功，使中国在频率域电磁法领域独树一帜，远居世界领先地位。 案列2：融入地震灾害的热传导方程模拟，拉进课程学习与地质灾害的距离，增强学生专业学习的责任意识。热传导问题主要应用于地球物理中的动力学研究，如地震灾害的预警与预报。大家都比较清楚，震级较大的地震一般都是俯冲型地震，其俯冲带的温度变化是发生地震的重要标志，因此我们可以通过有限差分法的数值计算，实时监测温度场的变化，可以实现地震地质灾害的预警预报(见图1)。对于地质灾害的预警预报，分析和讨论地球物理特殊方程模拟的作用，突显地球物理专业学生的技术担当，将好学力行的治学精神贯彻落实到学生的心里，为学习和掌握好地球物理基础理论和方法技术找到源动力。 案列3：建立地球物理特殊方程的仿真实验，检验理论与实践结合能力，培育团队协作能力。地球物理波场计算的仿真实验(见图2)，是一个较好的检验学生学习能力和动手能力的方案，同时也是学生喜爱的环节。通过计算机仿真实验，让学生自主动起手来，打磨急躁性子，磨合团队协作，尤其是课堂学习不够的学生，经过上机实验提高学习兴趣；实现团结协作，规范团队成员各自任务。这必然有助于培育学生一丝不苟的作风，体验扎扎实实的工匠精神，在动手中爱上学习。 图1. 热传导方程模拟结果的地质灾害预警预报 图2. 地球物理波场计算的Matlab仿真实验效果图 “地球物理特殊方程”课程不仅是使学生获取一定的偏微分方程定解问题的基础理论和运算能力，而更重要的是培养他们的地球物理科学素质、发展创新能力和创新精神。同时，本课程对后续专业课程(如地球物理场论、计算地球物理)的学习起到非常重要的作用，且教学质量直接关系到研究生阶段教育。因此，紧紧围绕教学效果和课程建设，在教学内容设计、教学思路的建立以及教学方法和课程思政融入方面开展探索与实践，具有重要的现实意义。教学团队编写出版了课程教材《数学物理方程与特殊函数(地球物理类)》和《数学物理方程与特殊函数学习辅导与习题解答》，同时发表了课程相关的教改论文《“地球物理特殊方程”课程的教学模式探索与实践》。课程教学过程中可以采取课前导学、课外研讨、专题设计等方法，以及师生互动、生生互动、小组交流研讨、课外研学等多种方式，引导学生自主学习和研究性学习，激发学生学习的主动性、积极性、创造性；完善课程评价体系，增加价值引领的考核指标，全面落实能力提升，实现育德育人；课程思政建设过程中，要充分体现于课程教学目标、教学内容、教学方法、课程考核等各个环节之中，全方位体现课程思政教育的教学目标。
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user: 4. 结束语 “地球物理特殊方程”作为地球物理学专业的一门学科基础课，虽然从知识体系上离思政课内容较远，但仍然有很多思政元素和思政案列值得去深入挖掘，这需要不断探索和实践。“地球物理特殊方程”课程教学把知识、能力与素质教育相结合，寓德育于智育之中，能提高学生的学习兴趣，激发学生“突破传统、勇于创新”的动力和活力，以增强地球物理专业的认知度和认同感，引导学生树立正确的人生观、价值观和世界观。在2020年和2021年中南大学地球物理学专业本科生教学过程中，通过融入课程思政的教学设计，学生仅关注“考试成绩”发展到了关注“我要立志做优秀的地球物理工程师”的更高目标。
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user: 摘要 近年来，移动机器人在各个领域的应用日益广泛，与之相关的技术已在国内外机器人领域掀起一股研究热。对环境的认识和定位从而实现自主导航是移动机器人智能化的重要标志和特征。在完全未知环境下的即时定位与地图构建(SLAM)也一直是移动机器人领域的研究重点。由于激光SLAM具有不易受环境影响、测量距离远且测量精度高、成本低的优点，因此本文采用改进的Hector_SLAM算法来完成室内环境下地图的创建。本文中所用系统主要包括由硬件系统和软件系统两部分。首先通过硬件系统对环境进行感知，然后提取周围环境特征信息，最后通过软件系统完成二维环境地图的实时创建。在得到环境地图的基础上，采用改进的卡尔曼滤波法对初始数据进行优化处理，以获得更为精确的环境地图。实验结果表明，本文所用系统成本低但性能好，能较准确的构建二维环境地图，并能成功使用在小型室内移动机器人的视觉导航中。