DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 轮轨摩擦曲线下降形成机理及预测研究 2.1. 轮轨摩擦曲线下降形成机理 车辆通过曲线线路时，由于外侧前车轮和钢轨之间会形成较大冲角(轮对相对于钢轨的摇头角)，如图1所示，外侧前车轮会试图向前呈直线滚动，但实际上反而被轮缘限制在曲线上滚动，这将造成车轮与钢轨间出现横向相对速度，从而形成轮轨间横向蠕滑。轮轨摩擦曲线下降形成机理中认为：轮轨间横向蠕滑的不稳定性与轮轨间摩擦系数的下降特性密切相关。通常认为“动态”或“滑动”的摩擦系数比“静态”时的摩擦系数小(m k < m s )，且摩擦系数一般与滑动速度有关，其随着滑动速度的增加，摩擦系数逐渐减小。因此一旦蠕滑增加到超出饱和点后，蠕滑力的幅值就会开始降低，如图2所示 [ 2 ]。轮轨蠕滑力与滑动速度之间关系的斜率与阻尼器的特点类似(阻尼器所产生的力与相对速度成比例)，即蠕滑率超过饱和点后，随着轮轨滑动速度增加而轮轨蠕滑力幅值随之降低这一特性类似于负阻尼器 [ 3 ] [ 4 ]。如果轮轨间摩擦特性等效的负阻尼较轮轨系统结构本身固有的阻尼更大，则轮轨系统发生不稳定的自激振动，产生啸叫噪声。 2.2. 预测研究 基于轮轨摩擦曲线下降形成机理，曲线啸叫的建模方法主要有两种。第一种方法是基于时域的方法，在时域直接求解非线性方程，以确定轮轨系统响应的演变过程，全面考虑系统的非线性可以得到极限循环幅值。第二种方法是基于频域的方法，该方法将轮轨系统进行线性化，认为轮轨摩擦力是相对于稳态值进行波动的，并根据Nyquist准则研究该线性系统的稳定性以确定潜在不稳定的频率。 图1. 曲线线路轮轨横向滑动速度 [ 2 ] 图2. 蠕滑力–蠕滑率曲线示意图 [ 2 ] 在时域建模分析中，RUDD提出了一个轮轨曲线啸叫噪声的早期模型 [ 3 ]，该模型中轮轨黏滑振动是由摩擦曲线下降特性引入的等效负阻尼系数引起的，轮轨横向黏滑振动导致车轮振动增加直到达到稳定的振幅，发生啸叫噪声。随后RUDD的模型被VAN RUITEN [ 5 ] 采用预测有轨电车啸叫噪声，其预测分析结果验证了RUDD啸叫噪声模型的有效性，但由于模型未考虑钢轨动力学特性等因素的影响，该模型并不完整。REMINGTON [ 6 ] 对1985年前曲线啸叫的理论预测研究与相关试验研究的进展进行了综述。他指出为了更好地解决曲线啸叫问题，建立更为复杂的曲线啸叫理论分析模型是非常有必要的。模型中应包含描述车轮动力学特性的有限元模型、曲线运行时转向架动力学特性分析模型、描述摩擦系数和蠕滑特性的模型。此后出现了越来越多的包含多个子模型的复杂曲线啸叫理论分析模型。SCHNEIDER等 [ 7 ] 基于有限元方法将车轮解析地模拟成一个圆盘，建立了车轮(圆盘)模态的计算模型，但钢轨仍被假设为刚性，轮轨接触假设为点接触。通过引入KRAFT公式 [ 8 ] 模拟滑动区域摩擦系数的下降特性，在时域中求解车轮(圆盘)的非线性运动方程，计算其自激振动响应，并且基于反射声源的瑞利积分计算车轮(圆盘)的声辐射。在SCHNEIDER等模型的基础上，FINGBERG [ 9 ] 进行了扩展，建立的曲线啸叫预测模型包含轮对的有限元计算模型和轨道模态的等效计算模型，在时域耦合车轮和轨道的振动进行求解，并且基于边界元方法预测车轮辐射噪声特性。基于FINGBERG的曲线啸叫预测模型，PERIARD [ 10 ] 针对单节有轨电车建立曲线啸叫噪声仿真预测模型，进一步考虑了更为复杂的时域车辆动力学预测模型，采用啸叫预测模型中相同的时间步长来计算车辆通过曲线的动力学行为。但是，上述模型均忽略了轮轨接触垂向动力学特性，仅考虑了轮轨接触切向动力学特性。 为进一步考虑轮轨接触垂向动力学特性，CHIELLO等 [ 11 ] 提出了一个较详细的曲线啸叫预测模型。该模型中车轮动力学特性由车轮模态计算结果获取，饱和点后的轮轨摩擦曲线下降部分近似地表示为摩擦力随滑动速度线性减小。数值仿真预测结果与参考文献 [ 12 ] 中给出的试验结果吻合较好，啸叫噪声主要出现在约1.1 kHz处，由车轮(3，0)阶轴向振动模态主导。但是仿真结果也发现如果考虑不同的初始条件，啸叫噪声的主导模态可能不同，并且如果存在谐波相关的模态，则它们可以在极限循环中共存。在CHIELLO预测模型的基础上，HUANG [ 13 ] 进一步考虑了钢轨动力学特性及轮轨接触中所有可能的自由度，即纵向、横向、垂向及自旋方向，提出了一个考虑轮轨系统整体自由度的曲线啸叫仿真预测模型。模型中引入了大蠕滑率下的摩擦曲线下降公式，并结合FASTSIM算法以模拟轮轨接触条件下的摩擦下降曲线。基于HUANG的模型，赵悦 [ 14 ] 建立了有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声仿真预测模型，对曲线啸叫噪声的形成机理及关键影响因素进行分析。上述预测模型在轮轨接触状态中仅考虑轮轨单点接触，SQUICCIARINI等 [ 15 ] 基于HUANG预测模型进一步考虑轮轨发生两点接触对啸叫噪声特性的影响，并运用一种统计方法对服从大量统计分布的各种影响参数组合下的各个工况进行啸叫噪声特性模拟。 在频域建模分析中，与HECKL时域圆盘模型类似，HECKL [ 16 ] [ 17 ] 还提出了相同圆盘的频域模型，用车轮模态参数，即模态参数的增长率来评估啸叫的增长率和啸叫频率，并且可以确定圆盘的阻尼损耗因子对啸叫出现的影响。 DEBEER等 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 提出了一个频域的曲线啸叫预测模型，模型考虑了车轮动力学特性、钢轨动力学特性及切向、垂向的轮轨接触动力学特性。该频域模型中，轮轨动态接触力与轮轨动态特性之间的相互关系可以描述为一个反馈回路，并应用Nyquist准则来评估正反馈系统的稳定性，并确定啸叫噪声产生的频率。模型预测结果显示车轮横向接触点位置对啸叫噪声的产生有重要影响。 基于DEBEER的模型，MONK-STEEL和THOMPSON进行了扩展 [ 21 ]，进一步考虑了轮缘接触的情况，轮缘接触通常出现在小半径曲线通过时的外侧主导轮，内侧从动轮也可能发生轮缘接触。该模型更适用于一般情况，因为它可以考虑任意的接触角，以及轮轨横向、纵向和自旋方向的蠕滑。与DEBEER模型不同的是，考虑横向、纵向和自旋方向蠕滑的反馈循环涉及矩阵，因此采用广义Nyquist准则，基于开环传递函数矩阵的特征值来评估反馈系统的稳定性 [ 22 ]。HUANG [ 13 ] 进一步考虑了钢轨动力学特性及轮轨接触中所有可能的自由度，与HUANG的时域分析模型类似，他提出了一个考虑轮轨系统整体自由度的频域曲线啸叫仿真预测模型，并对其频域稳定性分析结果与时域分析结果进行了比较。DING [ 23 ] 采用HUANG的曲线啸叫分析模型，在时域及频域分析了考虑或不考虑轨道动力学特性、摩擦曲线的下降特性对曲线啸叫仿真预测结果的影响。预测结果表明，虽然轨道不是啸叫噪声的主要来源，但轨道动力学特性对啸叫噪声仿真预测结果非常重要；虽然在考虑摩擦曲线下降特性时，更多的车轮模态变得不稳定，但是不考虑摩擦曲线下降特性时，仍然存在不稳定的车轮模态，这意味着摩擦曲线的下降特性并不是HUANG模型中啸叫产生的唯一原因，某些模态下可能也存在模态耦合引起的啸叫。
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user: 3. 模态耦合机理及预测研究 3.1. 模态耦合机理 模态耦合机理是另一种类型的由摩擦引起的振动，有时也将其视为扰动，在没有摩擦下降特性的情况下也会发生。在外部非保守力的作用下，系统的两个模态合并为单个不稳定模态。在文献 [ 24 ] [ 25 ] 中，HOFFMANN等人开发了一个两自由度的质量带模型(如图3(a)所示)来解释这种现象。模型中质量有两个自由度和两个弹簧。当质量振动时，法向载荷发生变化，导致摩擦力的变化。这也等同于图3(b)所示的系统，其中车轮的模态可以具有垂直和侧向分量，并且车轮与轨道的接触角可能发生变化。研究发现模态耦合具有两个基本特征 [ 24 ]，第一个特征是发生不稳定振动的频率与两个模态的固有频率之间存在频率偏移；第二个特征是垂向和横向振动之间存在相位滞后。 图3. 两自由度的质量–移动带模型 3.2. 预测研究 模态耦合机理首先在制动啸叫分析中被更广泛地采用 [ 26 ]。模态耦合机理近年来也被应用于曲线啸叫噪声的研究。基于模态耦合机理的曲线啸叫噪声预测研究通常采用时域方法，通过直接求解非线性方程确定轮轨系统响应的演变过程，获取自激振动响应的极限循环幅值，或采用复特征值分析对系统稳定性进行分析，即计算系统的特征值，当至少一个特征值的实部为正时，则系统不稳定。 BRUNEL等 [ 27 ] 使用轴谐波有限元模型对车轮进行了瞬态分析。根据KOOIJMAN等人的测量，考虑了两种轮轨摩擦特性 [ 19 ]，一种是具有下降特性的轮轨摩擦，一种具有增大特性的轮轨摩擦。研究发现，即使是增大轮轨摩擦特性也可以导致系统振动的极限循环，且是由车轮法向和横向动力学发生耦合引起的 [ 28 ] )。但是，研究发现具有下降特性的轮轨摩擦引起啸叫噪声比具有增大特性的轮轨摩擦引起的啸叫噪声显著更大。CHIELLO等人开发的啸叫噪声模型 [ 11 ] [ 12 ] 中考虑的轮轨摩擦特性是在轮轨大蠕滑下具有线性下降特性的。但是作者认为轮轨系统存在两种可能的不稳定性：一种是摩擦下降特性产生的负阻尼效应，另一种是系统刚度矩阵的不对称性。综合地铁车轮的频域和时域分析发现，当分析模型考虑垂向动力学时，轮轨接触点发生较大横向偏移时模态耦合比较显著。 COLLETTE [ 29 ] 研究了垂向动力学的影响，结果表明，即使摩擦系数恒定，也可能导致不稳定的振动。GLOCKER等 [ 30 ] 应用模态耦合机理提出了基于恒定摩擦系数的轮轨自激振动预测模型。预测结果表明曲线啸叫现象在恒定摩擦系数模型中也会出现，且与试验测试结果相近。预测结果中在4.1 kHz频率附近存在三个密集的车轮模态，即车轮(6，0)阶轴向振动模态、(4，r)阶径向振动模态、(2，2)阶轴向振动模态，这三个模态的相互耦合作用对4.1 kHz曲线啸叫响应的产生非常必要。PIERINGER [ 31 ] [ 32 ] 也建立了具有恒定摩擦系数的自激振动仿真预测模型，该模型以预先计算的车轮和钢轨的冲击响应函数描述轮轨系统切向和垂直方向的动力学特性。仿真预测结果表明在曲线啸叫相关频率处出现了自激振动响应，且轮轨横向蠕滑、摩擦系数和车轮踏面上轮轨接触点横向位置对自激振动的发生及振幅存在很大的影响。 陈光雄等 [ 33 ] 使用商业软件建立单个车轮与钢轨接触的有限元模型，引入复特征值分析方法对曲线通过时轮轨系统的稳定性进行分析。该分析模型中钢轨长5 m，轨下垫板用弹簧单元来模拟，假设轮轨横向蠕滑力达到饱和点后轮轨间摩擦曲线为恒定的库仑摩擦。由于模态耦合的作用，仍在几个车轮模态出现不稳定。基于陈光雄的模型，何宏高 [ 34 ] 建立了更详细的轨道结构模型，王国新 [ 35 ] 将模型扩展为考虑轮对及轨道结构的有限元模型，分析了摩擦系数、轨道支撑刚度、轴重对轮轨系统稳定性的影响，分析结果表明摩擦系数对曲线啸叫的产生有重要影响，摩擦系数越大越容易发生啸叫；轨道结构支撑刚度对啸叫噪声的发生及其特性存在一定影响，选择合理的轨道结构参数可以在一定程度上控制啸叫噪声。类似地，通过使用商业有限元分析软件，FOURIE等 [ 36 ] 开发了车轮和轨道的有限元模型，然后对系统进行复特征值分析。模型不考虑横向蠕滑，且考虑饱和的纵向蠕滑，曲线半径为1000 m。研究分析表明车轮旋转会导致车轮固有频率成对散布，其对曲线啸叫影响显著，由于车轮旋转形成的两个节径的车轮圆周模态的成对模态可以相互耦合，引起系统的不稳定。 对上述基于模态耦合机理的曲线啸叫噪声预测研究进行总结，如表1所示。在轮轨摩擦系数恒定、甚至轮轨摩擦增大时，即曲线啸叫噪声的轮轨摩擦曲线下降形成机理不成立时，仍然出现轮轨系统不稳定振动及曲线啸叫噪声，证实了曲线啸叫噪声模态耦合形成机理的合理性。但是，与轮轨摩擦具有增大特性相比，轮轨摩擦具有下降特性时产生的曲线啸叫噪声更显著，曲线啸叫噪声轮轨摩擦曲线下降特性形成机理、模态耦合形成机理可能共同作用导致曲线啸叫噪声产生。 Table 1 Research summary of curve squeal noise prediction based on modal coupling mechanis 研究学者 轮轨摩擦特性 主要研究结论 BRUNEL [ 27 ] 下降、增大 轮轨摩擦具有增大特性可以引起不稳定自激振动；但是轮轨摩擦具有下降特性时啸叫更显著； CHIELLO [ 11 ] [ 12 ] 下降 啸叫噪声产生机理来源于摩擦下降特性产生的负阻尼效应和系统刚度矩阵的不对称性； COLLETTE [ 29 ] GLOCKER [ 30 ] PIERINGER [ 31 ] [ 32 ] 恒定 轮轨摩擦系数恒定也可能导致不稳定自激振动和啸叫噪声； 陈光雄 [ 33 ] 何宏高 [ 34 ] 王国新 [ 35 ] 恒定 轮轨摩擦系数恒定也能引起车轮模态出现不稳定，且摩擦系数越大越容易发生不稳定振动及啸叫； FOURIE [ 36 ] 恒定 车轮旋转形成的两个节径的车轮圆周模态的成对模态可以相互耦合，引起系统的不稳定； 表1. 基于模态耦合机理的曲线啸叫噪声预测研究总结
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user: 4. 结论及展望 曲线啸叫噪声产生具有一定的不确定性，曲线啸叫噪声的形成机理及预测研究比较困难，但是仍然取得了一定的研究成果。本文针对曲线啸叫噪声轮轨摩擦曲线下降形成机理、模态耦合形成机理及其预测研究进行综述，得到以下结论： 1) 在曲线啸叫噪声研究之初的较长时间里，轮轨摩擦曲线下降形成机理受到更多学者认可，认为轮轨摩擦下降特性引入负阻尼较轮轨系统结构本身固有的阻尼更大，导致轮轨系统发生不稳定的自激振动，产生啸叫噪声。 2) 部分曲线啸叫噪声研究中，在轮轨摩擦系数恒定、甚至轮轨摩擦增大时仍然会出现曲线啸叫噪声，证实了曲线啸叫噪声模态耦合形成机理的合理性。 3) 曲线啸叫噪声轮轨摩擦曲线下降特性形成机理、模态耦合形成机理可以共同作用导致曲线啸叫噪声产生，即轮轨摩擦具有下降特性时产生的曲线啸叫噪声，比轮轨摩擦具有增大特性时产生的曲线啸叫噪声更大。 目前曲线啸叫噪声的形成机理及预测研究大多基于轮轨摩擦曲线下降形成机理或模态耦合形成机理展开，但已有研究表明两种机理可能共同作用导致曲线啸叫噪声产生，两种形成机理对曲线啸叫噪声产生的重要性将是未来曲线啸叫噪声形成机理研究中的一个重点。此外，曲线啸叫噪声预测模型还可以进一步细化，如在车辆动力学模型中考虑轮轨柔性，以更实际地反映车辆曲线通过动力学特性；优化轮轨摩擦模型及轮轨接触模型，以更实际地反映轮轨接触中的摩擦特性及轮轨接触状态等。
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user: 摘要 创新创业教育是大学教学改革和提升教育质量的突破口，数学建模作为一门强调实践与创新能力的综合类数学课程，为人才培养模式的探索打开了新思路。双创教育背景下，以培养学生创新创业能力为导向，采用探究式教学，从教材建设、模式设置、平台搭建及项目孵化几方面，实现数学建模课程与双创教育的深度融合，对数学建模的课程体系进行了一些探索，并提出可行性的对策与建议。
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user: 1. 引言 将创新精神和实践能力的培养融入人才培养过程中，是时代赋予高校的一个使命，是学科发展的需要，大学发展的需要。数学建模课程极大地培养了学生的分析问题、解决问题的能力，提高了学生的想象力，是培养个性发展的多元化应用型创新人才的重要措施，在应用型本科院校教学改革中具有十分重要的意义。本着双创教育的人才培养目标，结合我校数学建模团队的实践经历，探讨数学建模的课程体系的构建与改革，在数学建模课程建设过程中把双创教育理念贯穿始终，切实提升学生的创新创业能力。
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user: 2. 融入创新创业理念的教材建设 教材是教学的基础，是人才培养的依据。只有加强教材的创新，才能满足应用型人才培养的要求。目前的数学建模教材要么以传授数学建模方法为主，缺乏案例分析和应用背景；要么侧重于建模竞赛，对基础理论和方法介绍太少 [ 1 ]。基于创新能力和实践能力培养的导向，对数学建模教材内容整合势在必行。教材编写按照“实用、实践”的原则，重组课程结构，突出创新能力培养的核心作用。 教学题材选取体现层次性。初级阶段，选用单一简单模型，从问题的分析，描述，以及模型的建立层层展示案例，激发学生兴趣，培养学生发散思维；第二阶段，梳理问题，引发思考；第三阶段，回归问题，引入方法，培养学生的收敛思维；高级阶段，选用实践题材，选择不同专业与数学专业融合的模型，让学生触类旁通，同时在教材后，附上模型的软件求解过程，提升学生的软件操作等实践能力。 教材的内容注重实用性。积累历年的案例，通过反复的教学研讨，对历年的竞赛真题进行研究论证，根据所在高校的学生基础，实际应用能力，编写出适用于数学建模课程教学和竞赛辅导的教材。我院数学建模团队，推陈出新，打破传统的教材编写模式，以知识为主导，能力驱动为思路，实际案例为切入点，帮助学生梳理案例背后的建模方法、思路以及知识点。 《数学建模》课程改革获校教学成果二等奖；“基于目标导向的一心一群多模块分层次课程体系”获校教学成果一等奖；《数学建模》课程被江苏省推荐参加国家一流线下课程的评审。在教材建设，课程改革方面已经取得了初步的成效。
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user: 3. 基于双创能力的课程模式设置 由于数学建模课程的特点，教师给学生讲授理论知识之余，还要进行建模能力的实训。需要投入大量的时间和精力，课堂内的时间远远不够。基于此，我们迫切需要改革现有的教学模式。首先，改变单一的课堂授课的教学模式，在教学模式中通过翻转课堂、微课教学、混合学习等方式将在线学习和课堂教学相结合 [ 2 ]。利用已有的服务平台，根据自己学校学生的基础和特点，录制微课视频。课堂教学采取翻转课堂，将课堂与课上的角色进行翻转。课前让学生先自行观看平台上的视频。课堂上带着问题与教师进行交流，教师针对重点和难点进行讲解。通过这种混合式教学，将数学建模教学中模型的理论讲解和具体问题的实际应用相结合，从而提高教学效果。其次，将教学内容进行模块化设置。数学建模课程内容丰富，涉及许多的数学分支，如数学分析、概率论与数理统计、微分方程、计算方法、运筹学、数学软件等多种课程。根据数学建模课程内容的特点，结合各个老师特长和专攻的方向，构建出以能力为核心的模块化教学。将课程分成一个一个小单元，分别录制视频。例如，线性规划单元、非线性规划单元、微分方程单元、数值方法单元、图论优化单元、统计分析单元等，让学生分块学习及练习。最后，形成“课堂教授 + 学生报告 + 小组探讨”的互动式教学模式。 第一步，教师进行理论知识的讲授，让学生对模型建立的一般规律形成深刻的把握；第二步引导学生关注问题提出的背景、角度或思路、运用的研究方法 [ 3 ]，对某些方法和思路进行模仿、训练，最后到独立、全程建立模型，同时鼓励学生将自己的探索发现整理成学习报告；最后，教师组织学生分组对报告中的共性问题和难点进行探讨，然后进行点拨。这种探究式的教学模式，有利于培养学生的创新意识和实践能力。真正体现以学生为中心，促使他们的学习热情高涨。
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user: 4. 培养双创能力的教育平台搭建 4.1. 构建服务数学建模教学和竞赛的网络平台 在数学建模的教学实践中，会遇到许多的问题，如问题背景的探究，解决方案的研究，算法及编程技术的应用等等，这些问题通过单纯的课堂教学是无法解决好的。所以需要将数学建模课堂和竞赛管理融合，构建服务数学建模教学和竞赛的网络平台 [ 4 ]。首先，可以集结现有的师资力量，分工合作，根据各自专业特长，录制模块化的课程视频，建立丰富的案例库。同时可以考虑与别的高校合作开设数学建模网络课程，协同创新，以满足不同的教学需求和学习需求。其次，研究设计各类练习及训练题目，建设数学建模问题库，指导教师定期在平台进行在线答疑和算法演示，确保网络平台创新人才培养的有效实施。 4.2. 创建提供实训服务的数学建模实验平台 数学建模实验室由数学建模协会和数学建模教练组两大机构组成。数学建模协会在全校范围内开展数学建模大赛的宣传，强化高校学生的数学建模意识，激发其对该课程的关注。每年新生入学的9月份，开展数学建模的招新活动，每年的3~6月，开设数学建模公选课，开展数学建模知识的宣传。数学建模协会的前期工作缩短了赛前培训中基础知识的培训，增加了实际建模训练时间。数学建模教练组组织建模知识模块化教学，组织开展常态化模拟比赛和科学化的指导工作；负责本科生、研究生数学建模竞赛的组织、管理、培训和竞赛工作。 数学建模实验室长期创新开展建模思想融入学生课堂、主办建模思维训练营、Matlab等软件编程比赛等系列活动，吸引更多学生参与到数学建模竞赛中来，使数学建模在激发学生学习能力和创新潜力、提高团队意识和综合素质，促进职业生涯更好发展上发挥引领作用 [ 5 ]。 近几年数学建模活动的大力推广以及学校各方面的重视，成绩斐然。几年来，我校累计获得本科生数学建模竞赛全国一等奖2项，二等奖4项，江苏省一等奖8项，二等奖12项，三等奖15项；研究生数学建模竞赛全国一等奖1项，二等奖2项，三等奖8项。 4.3. 成立引领创业的数学建模工作室 模拟创业空间，建立数学建模工作室 [ 6 ]。为在建模竞赛中有创业想法的学生付诸实践提供一个前期准备 [ 7 ]。根据专业成立相应的工作室，为学生提供基于专业、结合专业的创新创业项目，帮助学生成立双创工坊。比如，我校数学建模组来自生科学院园艺专业和农学专业的本科生邢惠芳在做关于大田实验的模拟赛题时，通过收集数据发现淮安当地农户秧苗素质差、浪费大。萌生了基于废弃物基质化开发水稻绿色高质技术的想法。建模团队老师联合生科专业的老师，在之前育秧基质的相关课题基础上，成立了生科研创工作小组，进行了技术研发，以农业废弃物为主要原料，与农业推广单位协同推广育秧基质及育秧技术，涉及江苏，安徽，江西，黑龙江等多个省份，同时为农户长期提供公益技术指导，广受好评。
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user: 5. 基于赛题的创新创业项目孵化 赛题的进一步研究是竞赛的一个重要阶段。赛题的实用性也引起了一些相关企业的关注，通过对赛题的进一步研究，有些成果已经在生产和管理实践中得到了直接应用。我校赛后把赛题的延续研究申报成大学生创新创业训练计划项目，取得了意外的成效。例如建模教练组姜博士，针对曾经的赛题，组织学生申报了题为“基于logistic混合效应模型的奶牛乳房炎诊断及病因分析”的大创项目；数理学院陈化松博士带领应用物理专业张琦、张亚松、戚云西三个大一新生结合赛题中的稀疏统计原理，基于新型雨探测模型，研制一款能广泛应用于雨天环境的监控系统清晰成像图像处理软件，凭借监控视频成像系统去雨技术，获得了多项省市级创新创业大赛及学科知识竞赛奖项。并与淮安市致远信息有限公司达成合作，成功迈向从数学建模赛题到科技项目研发最后到成果转化的步伐。
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user: 6. 总结 总而言之，数学建模课程和双创教育深度融合，能够促进学生的创新和实践能力的提升，为学生未来发展奠定基础。我校数学建模和双创教育的互促互进仍处于学习、探索和试验阶段。更多的工作还有待深入讨论。
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user: 摘要 针对整个物流链条中成本最高、效率最低、污染最严重的末端配送环节，面向无人机配送设计了一种智能化的机巢中枢，分析了机巢中枢系统的工作原理，构建了“田”字型结构的自动分流系统、电池更换系统及无人机停放系统，基于判决控制系统建立了机巢与无人机的数据链。系统有效提高了包裹信息识别的效率和准确率，既为实现无人机配送装配端不间断无人化、自动化运行提供了解决方案，又有效化解了巨额订单量与人工装配的矛盾，使得无人机送快递变得更加高效、便捷。
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user: 1. 引言 目前，基于无人机的包裹投递过程主要包括：装载、起飞、巡航、着陆、卸货、配送、返航等七个环节。其中装载环节采用传统人工装配的方式，包裹装配过程需要大量人工操作，使得无人机在物流行业的应用中面临发展瓶颈，无法满足物流行业降本增效的需求 [ 1 ]。同时，人工装配包裹的方式存在着智能化程度低、单机地面服务耗时长、低效运作且难以实现规模化等弊端。因此，基于无人机实现快速配送具有重要的研究价值。文章提出了一种基于无人机的智能化机巢中枢系统，有效解决了传统人工装配模式制约无人机配送规模化高效应用的问题，为物流行业大规模使用无人机进行包裹投递提供了新思路。
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user: 2. 系统结构及工作原理 2.1. 系统工作流程 机巢中枢是一种能够实现物流包裹自动化分拣与装配、无人机停放与调配、无人机接收与释放及无人机电能快速补充的自动化、智能化系统。该系统集合多功能为一体，可以实现无人机包裹投递装配端(发货端) 7 × 24小时不间断自动运行的效果。其工作流程如图1所示。 图1. 机巢中枢运行流程图 2.2. 系统结构设计 机巢中枢系统采用立体式三层结构设计，其核心模块主要包括：包裹分流及装配模块、电池快速更换模块和无人机停放模块(含AGV小车)。该系统与快递运输行业的智慧化分拨中心对接，包裹在分拨中心进行分拨后经外部传输带运送至机巢中枢，机巢中枢内的装配装置通过机械结构将包裹装载到多舱室无人机载具上，在完成装配环节后无人机即可升空前往目的地进行包裹投递。当处于机巢内时，无人机可以被AGV托运到停放模块进行暂存，也可以从停放模块运动出来执行投递任务。更为重要的是，电池快速更换模块的设计使无人机能够在进行货物装载的同时以更换电池的方式实现电能的快速补充。机巢中枢内部结构设计如图2所示。 图2. 机巢中枢内部结构设计图 2.3. 系统工作原理 当非任务状态停放在机巢内部的无人机接收到工作任务指令后，AGV小车通过停放模块的对接装置到达升降平台。无人机在升降台的载物台停妥后，由第二层高度降至第一层高度，该高度对应能够装配包裹的位置，等待快递包裹的装配上机。在货物装配的同时，可以更换电池的方式快速补充无人机的电能，提高无人机单机的流转效率。无人机在完成包裹装配后，升降台便搭载无人机从第一层高度升至第三层高度(机巢的外部空间)，此时无人机即可起飞前往目的地执行配送任务。 当无人机返回机巢中枢并准备执行新的投递任务时，升降台将会从第一层高度升到第三层高度的顶部开口处，使得载物台的上表面与顶部表面平行。无人机使用RTK定位及引导技术将其停放在机巢顶部上后，安装在顶部的修正装置可以克服一定的停放位置误差，从而将无人机精准地停放在升降台的载物台 [ 2 ]。完成无人机在载物台上的位置精准化后，升降台将搭载无人机由第三层高度降至第一层高度。该无人机在外部完成投递任务返回后，其货舱的底部挡板向下打开，因此，当无人机到达第一层高度时，支线传输带底部的推杆装置将辅助无人机完成对货舱底部挡板的关闭过程。当无人机关好所有货舱底部挡板后，即可进行再次装载。
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user: 3. 核心模块设计 3.1. 包裹分流模块设计 包裹装配模块以升降台为中心，升降台的四周设置有4组支线传输带，每组支线传输带均由上行支线传输带和下行支线传输带构成，故整个模块共有8条支线传输带，与多舱室无人机的8个舱室相匹配。将支线传输带连接起来的是主线传输带，其以“口”字形状分布在支线传输带的外围，支线传输带和主线传输带的所在位置形成“田”字型，如图3所示。 图3. “田”字形包裹分流系统示意图 主线传输带设置有包裹入口和包裹出口，能够由此接入物流分拨中心的传输带。入口处设置有RFID识别器，用于读取包裹信息并分配对应的无人机货舱。位于物流分拨中心传输带上的包裹经过包裹入口后，即可进入无人机装配环节，也可以过境本模块，从包裹出口退出，前往目的地。主线传输带之间的连接处、主线传输带与支线传输带的连接处，或通过错位的方式连接传输路径，也可通过高速摆轮分拣机实现包裹运输方向的变换。 3.2. 电池快速更换模块设计 当升降台将无人机垂直运送到第一层高度时，货物进行自动化装配，同时无人机完成模块化电池的快速更换。具体过程为：无人机在第一层高度停妥后，位于两侧的电池更换架在各自丝杠滑台模块组的运动下，由远离升降台的一端运动至靠近升降台的一端。其接收与投放口的形状与无人机电池仓外壳的形状互补，当两侧的电池更换架同时靠近时，该结构将牢牢固定住无人机的电池仓外壳。此外，推杆装置末端的推板为长方形电磁铁。可旋转模块化电池存储仓通过转动的方式选择电量充足的模块化电池到达接收与投放口的位置，随之推杆电机将驱动推杆将模块化电池从电池充电仓推出去，安装到无人机电池仓中。电池快速更换模块细节部分如图4所示。 3.3. 无人机停放模块设计 当升降台将无人机抬升至第二层高度时，可与停放模块的对接装置对接，然后由AGV小车运输无人机并停放在空闲的停机位。无人机从载物台到停放模块的过程如图5所示。具体流程如下：AGV小车驶上对接装置后，对接装置由靠近停机位的一端，在4组丝杠滑台的作用下移动至靠近升降台的一端，接着载物台上的输送带开始运动，使得无人机从载物台上转移到对接装置的载物台上，完成转移后升降台即可归位至第一层高度，而对接装置则携带AGV小车和无人机移动至靠近无人机停放区的一端，移动完成后AGV小车的推杆向上抬升，由推板托起无人机使其离地，接着AGV小车驶出对接装置而驶上主线轨道，前往空闲的停机位停放无人机。当托顶无人机的AGV小车抵达目标停机位后，AGV小车的推杆向下归位，此时无人机将稳稳地落在停机位表面，完成安置过程后AGV小车即可返回固定位置进行充电，等待下次调度任务。对于无人机从停机位移动到升降台执行投递任务的流程则遵循上述相反的步骤。 图4. 电池快速更换模块示意图 图5. AGV小车顶起无人机过程示意图
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user: 4. 控制系统设计与仿真 4.1. 分拣控制系统设计 机巢中枢根据包裹重量及体积进行综合筛选，并分拣到不同的传送通道 [ 3 ]。论文基于PLC与RFID技术建立了自动分拣系统，该系统对包裹进行成组处理，将识别到的信息输入到计算机控制系统中，进行数据分析处理，再通过均衡评估的判断条件将包裹正确分流到不同方向的传送通道上，这样即可较为精确的处理不同重量的快递包裹，并将包裹合理地分配到物流无人机的货舱中。分拣控制系统工作原理如图6所示。 RFID由射频标签、天线及读写器组成。在需要分拣点前安装RFID读写器以及传感器，当贴有电子标签的包裹过来时，传感器识别到有货物过来，即给RFID读写器下达读卡信号，RFID读取电子标签信息并将信息通过TCP/IP接口传递到PC机，PC机管理软件将处理后的指令信息传送到PLC，PLC获取信息后运算出该包裹应由哪一个道口分流出来。基于上述运动过程，自动分拣控制系统能够连续、大批量地分拣货物，且分拣误差率极低。 图6. 控制系统信息识别原理图 4.2. 判决控制系统设计 无人机在快递包裹装配完成后，需要接受到信号决定是否起飞外出执行投递任务。因此，基于无线传感器网络的判决系统来实现无人机的判断和决策已成为可能。作为新兴技术，无线传感器提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。由于WSN是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点的损坏而导致整个判定系统崩溃 [ 4 ]。我们采用的无线传感器网络结构由3层构成，其中包括传感器感知层，簇头信号融合层以及判决中心联合判决层。在无人机载具的各个货舱中均布置有传感器节点，假设初始状态为H0，当有快递包裹进入货舱时，传感器状态由H0置H1。在无线传感器模型中，每个传感器节点将各自处理的判断结果经由瑞利衰落信道发送给判决中心，在判决中心处经非相干检测和最大联合判决法获得最终判决，决策无人机是否外出配送。判决系统工作流程如图7所示。 图7. 判决系统流程图 4.3. 系统验证结果分析 针对当前激光读码器易出现无法检测物流标签或经常出现漏扫、错扫的情况，且漏扫面大多为物流标签朝下的所在面，我们基于RFID方案和传统方案进行了对比分析，测试效果如表1所示。 Table 1 Comparison of test results of sorting scheme 序号 方案 情形 准确率 1 传统方案 单独分拣、标签不连续 97% 连续分拣、标签不连续 94.5% 2 RFID方案 单独分拣、标签不连续 100% 连续分拣、标签不连续 99.5% 表1. 分拣方案测试效果对比
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user: 5. 结论 论文研究了无人机智能化配送的重要组成部分——机巢中枢，并以此为装配端配合接驳柜使用，共同形成了完整的无人机配送全程自动化运作的闭环。系统大大提高了无人机配送装配端(发货端) 7 × 24小时不间断无人化、自动化运行的效率，不但能够有效应对订单量的巨额增长，消除快递“爆仓”的危险，提升快递行业的服务质量，降低快件的延误率、损毁率、丢失率以及快递投诉率，而且还能降低运营成本、仓库成本、人力成本等，提升行业竞争力，使物流行业智能化配送过程更加安全、可靠、快捷，也为未来物流行业规模化、高效化利用无人机进行包裹末端投递提供了新的解决思路，具有重要的理论意义和指导价值。
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user: 摘要 二叠纪–三叠纪之交生物大灭绝事件促使海洋底栖生态系的主导者由腕足类转变为了双壳类等软体动物，了解大灭绝前双壳类的生态分布有助于加深对双壳类的灭绝过程的认识。本研究统计了华南地区已发表文献中的双壳类化石属种名单，对其生活环境、生活方式和摄食方式进行了统计分析，将生活环境划分为浅海相区(包括滨岸和浅海)和深海相区，共统计了54个属，其中浅海相区40属，深海相区24属，浅海相区明显具有较高的生物多样性；共识别出6种生活方式，包括内栖浅掘穴类、内栖深掘穴类、表栖足丝固着类、半内栖类等，浅海相区生活方式种类齐全，而深海相区的生活方式种类较少。从生态功能群的角度来看，深海相区的功能群数量明显低于浅海相区。因此，晚二叠世长兴期双壳类的生物多样性、生态功能多样性与水深有密切的关系，浅海相区较高。
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user: 1. 引言 古–中生代之交(即二叠纪–三叠纪之交)的生物灭绝事件，是显生宙最大规模的一次生物灭绝 [ 1 ]，灭绝前的浅海底栖生物的优势分子腕足类遭受了极大程度的损失，灾后取而代之的是双壳类、腹足类等软体动物，这可能与软体动物的较优势的生理特征有关 [ 2 ] [ 3 ]。双壳类在大灭绝之前的晚二叠世长兴期已较为繁盛，华南地区已有较多的报道 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]，在二叠纪末的第一幕灭绝中遭受了中等程度的灭绝 [ 7 ]，随后广泛分布于华南各个相区 [ 8 ] [ 9 ]。然而，当前对双壳类灭绝和复苏过程的认识多依据于生物物种多样性，缺乏对生态特征及生态功能群的综合分析，也未开展海水水深梯度的对比研究。本研究以晚二叠世长兴期为例，初步探讨了双壳类的生态特征与水深的关系，以期为探讨双壳类的灭绝与复苏过程提供更多证据。
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user: 2. 地质背景与研究数据 晚二叠世长兴期，华南地区的岩相古地理格局继承了龙潭期的岩相古地理格局，同时延伸至早三叠世。华南地区西部的康滇古陆和东部的华夏古陆为主要的隆起剥蚀区，周缘为陆相及海陆过渡相沉积 [ 10 ]，华南主体为大范围的海洋，碎屑岩台地–碳酸盐岩台地–斜坡–深海盆地的沉积体系显著。为了研究的可对比性，本研究将滨岸相、浅水碳酸盐台地相、浅水碎屑岩台地相等相区划分为浅海相区，将台地前缘斜坡相、深海盆地相等划分为深海相区。 本研究统计了华南地区已报到的双壳类属种名单 [ 11 ] - [ 22 ]，共54属，其中浅海40属、深海24属，浅海相区明显具有较高的生物多样性。此外，部分双壳类为广适性分子，浅海和深海都有，包括Nuculopsis，Palaeoneilo，Pernopecten，Palaeolima，Guizhoupecten，Tambanella，Euchondria，Girtypecten，Parallelodon，Etheripecten等10个属(表1)。本研究统计的双壳类化石来源于以下剖面：四川南部筠连金鸡塝、贵州紫云猴场大营、贵州紫云四大寨、贵州紫云甘桥、江苏南京湖山、浙江长兴煤山、湖南郴县华塘、广西扶绥董攀、广西扶绥东罗、广东连州、福建漳平岬顶、福建永安等。本研究将双壳类的生活方式划分为表栖游泳型、表栖足丝固着型、半内栖型、内栖浅掘穴型和内栖深掘穴型；将摄食方式划分为食悬浮物质者、食沉积物质者和兼食类。生活方式和摄食方式组合即可构成多类生态功能群，代表着双壳类对生态空间的占据和利用情况。 Table 1 Late Permian bivalve genera and their ecological feature in South Chin 属名 水深 摄食方式 生活方式 属名 水深 摄食方式 生活方式 内栖型 表栖型 半 内 栖 型 内栖型 表栖型 半 内 栖 型 深 水 浅 水 食 沉 积 物 质 食 悬 浮 物 质 浅 掘 穴 类 深 掘 穴 类 足 丝 固 着 类 游 泳 类 深 水 浅 水 食 沉 积 物 质 食 悬 浮 物 质 浅 掘 穴 类 深 掘 穴 类 足 丝 固 着 类 游 泳 类 Pernopecten √ √ √ Claraia √ √ √ Palaeolima √ √ √ Hunanopecten √ √ √ Guizhoupecten √ √ √ Paradoxipecten √ √ √ Actinopteria √ √ √ Palaeonucula √ √ √ √ Aviculopecten √ √ √ Schizdus √ √ √ Palaeoneilo √ √ √ Crenipecten √ √ √ Taimyria √ √ √ Entolium √ √ √ Phestia √ √ √ √ Leptochondria √ √ √ Astartella √ √ √ Streblopteria √ √ √ √ Schizodus √ √ √ Solemya √ √ √ Nuculopsis √ √ √ √ Myonia √ √ √ Opisthocoelus √ √ √ fasciculiconcha √ √ √ Wilkingia √ √ √ Hayasakapecten √ √ √ Neoschizodus √ √ √ Pseudomonotis √ √ √ Eumorphotis √ √ √ Pernopecten √ √ √ Modiolus √ √ √ Palaeolima √ √ √ Liebea √ √ √ Guizhoupecten √ √ √ Promyalina √ √ √ Palaeoneilo √ √ √ Leptodesma √ √ √ Nuculopsis √ √ √ √ Ensipteria √ √ √ Tambanella √ √ √ Bakevellia √ √ √ Euchondria √ √ √ Tambanella √ √ √ Girtypecten √ √ √ Heteropecten √ √ √ Parallelodon √ √ √ Orientopecten √ √ √ Etheripecten √ √ √ Euchondria √ √ √ Permophorus √ √ √ Stutchburia √ √ √ Girtypecten √ √ √ Edmondia √ √ √ Parallelodon √ √ √ Vacunella √ √ √ Etheripecten √ √ √ Promytilus √ √ √ Eocamptonectes √ √ √ Towapteria √ √ √ Acanthopecten √ √ √ Streblochondria √ √ √ Gallowayinella √ √ √ √ Myalina √ √ √ Nanlingella √ √ √ √ 表1. 华南地区晚二叠世双壳类属及其生态特征
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user: 3. 晚二叠世双壳类生态特征的浅海、深海对比 晚二叠世华南地区沉积序列完整，且古地理分异较为明显，伴随着古地理分异的是双壳类生物种属及其生活方式的巨大差异。 3.1. 摄食方式 在浅海相区的40个属中，35属为食悬浮物质类，占87.5%，4属为兼食性类，占比10%，食沉积物质类仅有1属，为Palaeoneilo (图1)。深海相区24属中，19属为食悬浮物质者，占比79%，3属为食沉积物质者，占比8%，兼食性则仅有2属(图2)。深海相区与浅海相区相似，但是食悬浮物质类比例更大，食沉积物质者则占比较小。此外，广适性的双壳类属的摄食方式多样化，食悬浮物质者占比80%。 图1. 浅海地区双壳类生物的摄食方式 3.2. 生活方式 在浅海相区的40个属中，表栖足丝固着类有30属，数量最多，占比达75%，内栖浅掘穴类5属，占比13%，内栖深掘穴类2属，分别是Wilkingia和Vacunella，仅占5%，未见有表栖游泳类。剩余3属为半内栖型，占比7% (图3)。24个深水相双壳类属中，没有内栖浅掘穴类和半内栖型，表栖足丝固着类有22属，占92%；内栖深掘穴类有2属，分别是Solemya和Myonia，占8%，也未见有表栖游泳类(图4)。因此，浅海相区和深海相区双壳类的生活方式具有较为显著的差异，浅海相区的生活方式种类更多。此外，广适性的双壳类属的生活方式单一化，都是表栖足丝固着类。 图2. 深海地区双壳类生物的摄食方式 图3. 浅海地区双壳类生物的生活方式 图4. 深海地区双壳类生物的生活方式 3.3. 生态功能群 双壳类生物来自不同沉积环境和不同水深，因此在摄食方式与生活方式上有着各种各样的组合形式，即生态功能群。本研究共识别出6种生态功能群，以食悬浮物质表栖足丝固着类数量最多，一共34属，其中仅生活在深海环境中的有9属，仅生活在浅海环境中的有17属，另有8属为广适性分子。食悬浮物质半内栖类共计3属，食悬浮物质内栖浅掘穴类共计5属，仅分布于浅海环境中。食悬浮物质内栖深掘穴类分布于深海环境有2属，分布于浅海环境中的也是2属，没有广适性分子。兼食型表栖足丝固着类这生态功能群共6属，深海环境2属，浅海环境3属，广适性分子1属。食沉积物质表栖足丝固着类只有2属，1属仅分布于深海环境，1属为广适性分子(表2)。 Table 2 Comparison of functional group of late permian bivalves from South Chin 生态功能群 仅深海 仅浅海 广适性 共计 食沉积物质表栖足丝固着类 1属 0属 1属 2属 食悬浮物质内栖浅掘穴类 0属 5属 0属 5属 食悬浮物质内栖深掘穴类 2属 2属 0属 4属 食悬浮物质表栖足丝固着类 9属 17属 8属 34属 食悬浮物质半内栖类 0属 3属 0属 3属 兼食型表栖足丝固着类 2属 3属 1属 6属 表2. 华南晚二叠世浅海与深海双壳类生态功能群对比
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user: 4. 结论 通过对华南地区晚二叠世长兴期双壳类的统计和分析，得出以下结论： 1) 浅海相区的双壳类约40属，深海相区只有24属，从属的数量上来看，浅海相区明显具有较高的生物多样性。 2) 深海环境中的双壳类生物缺乏食悬浮物质足丝内栖类和食悬浮物质浅掘穴类两种生态功能群，生态功能群数量上与浅海环境存在明显差异。 3) 生态功能群中的食悬浮物质足丝固着类数量最多，占整体的63%，是晚二叠世双壳类生物最主要的生态功能群。 4) 从生态特征上看，浅海比深海具有更高的生物多样性，在晚二叠世末期生物大灭绝中的表现是否相同则需要进一步的探讨。
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user: 摘要 OBE (学习成果导向)要求课程教学聚焦在学生在完成学习过程后能达成的最终学习成果上。因此，在数据结构教学中，从学习成果出发，将学习目标聚焦在这些成果上，进而改进教学内容和教学方法，最终达到学生的毕业要求。具体方法是以问题为驱动，用问题引发学生的学习兴趣，让学生进行创造性的发散思维，在老师的引导下基于数据结构来解决问题，最终达到知识学习和能力培养的目标，实现学生能用数据结构分析、设计及解决复杂工程问题的学习成果。
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user: 1. 引言 OBE (Outcomes-based Education)最早于1981年由美国学者Spady提出，在上世纪80年代到90年代，OBE得到了飞速的推广和发展 [ 1 ] [ 2 ]，美国工程教育认证协会(ABET)全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终。在OBE教育模式中，重要的是学生学到了什么，教师必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后设计合适的培养体系来保证学生达到这些预期目标。 在2016年，我国加入了《华盛顿协议》 [ 3 ]，这意味着我国高校也开始进行工程教育认证，并且通过认证专业的毕业生将得到国际上的认可。这是对学生来说一项很大的优势。也正因为此，各专业的各门课程也需要紧跟国际形势，适应国际需求，进行基于OBE的改革和创新 [ 4 ]。
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user: 2. 基于OBE的数据结构教学改进 在数据结构的教学中，传统的方式是以内容为驱动，一个知识点一个知识点的讲解，让学生掌握知识。而这种方式中没有把学生最终能做什么摆到明确的位置，也就是说，学生掌握了知识后并不清楚能用这些知识去干什么。而OBE的教学模式确能够衡量学生能做什么，学习完成后能有什么样的能力。这就要求在数据结构课程教学要进行改革，将教学设计的重心地聚焦在学生在完成学习过程后能达成的最终学习成果，也就是确定课程教学目标是什么，进一步再改革教学内容和教学方法，从后向前，逐步推进成果驱动教学的教学过程，如图1所示。 图1. 学习成果驱动教学的过程 2.1. 数据结构课程的教学目标 数据结构课程教学目标就是要培养学生能够用数据结构去解决具体的问题。在课程教学中可以具体化为四个目标：1) 能够通过分析问题，将问题中的数据进行抽象，设计有效的数据结构，实现数据在计算机中的存储、传递、运算和转换，具备基本数据结构的学习和使用的能力。2) 能够利用图书、网络等资源进行文献研究，将基本数据结构运用到实际应用问题中，分析问题并设计方案，具备分析和评价设计方案的能力。3) 能够根据特定的软件需求，结合相应的算法，建立合理的软件体系结构和程序结构，实现编码、运行、调试等，具备可重用软件的设计开发能力。4) 能够分析问题特征，综合运用各种数据结构及算法，设计实验方案，具备解决实际问题的能力。 这四个教学目标如图2所示，第一个目标中基本数据结构的抽象、分析、学习、使用是最基础的学习成果，也就是说学生学习数据结构课程后具备的第一层次的能力。其次第二个目标中要能够利用一些资源进行问题分析设计及评价，这是要在解决具体问题时能够具备一定的分析设计能力，是学习数据结构课程后应具备的第二层次的能力。之后三个目标中能根据数据结构的特点去进行软件开发，这是将数据结构落实到计算机中实现的第三层次的能力。最后第四个目标能够综合运用数据结构和算法解决实际问题，这里面也包括了复杂工程问题，此即为学习数据结构最终要达到的学习成果，也就是第四层次的能力。数据结构课程的四个教学目标从不同的角度培养学生的不同的能力，它们相辅相成，层层递进，最终使学生能达到解决复杂工程问题的能力。 图2. 数据结构课程的四个教学目标 2.2. 数据结构课程的教学内容和教学方法改革创新 为了达到的课程的学习成果，那么就要从学习成果出发，逆向来改进课程教学中课程的教学内容和教学方法。 教学内容方面，课程的最终目标是解决复杂工程问题，因此，要把“问题”引入课程教学中，把工程中出现的新的技术引入到课程教学内容里。具体教学内容改革分成以下两个个方面： 1) 课程教学的理论教学部分，在课程基本内容之外，积极引入新知识丰富学习内容，加强学习效果。比如在互联网迅猛发展的今天，网络搜索引擎应用广泛，而搜索引擎是如何实现的呢？这个问题如何解决？把问题抽象到数据结构中就是如何进行搜索，而它正好可以对应到课程内容中的查找部分，因此可以在讲解查找时就会加入搜索引擎的介绍及原理分析，引导学生用所学内容去分析、设计、解决问题。 2) 课程教学的实验教学部分，增加实践环节的权重，侧重学生的用计算机解决问题的效果。在课内实验环节中，在练习基本数据结构如何编程实现的基础上，增加不同类型的问题的设计实现，这些问题会用到一种或者多种数据结构去实现，除了数据结构外还会用到如何解决问题的简单算法实现，如此可以初步培养学生的分析问题的能力以及问题和数据结构知识点结合的综合能力。在单独实验环节中，会开放性的给出一些问题，由学时综合运用多种数据结构及算法，从分析问题开始，设计数据结构及算法，设计整体实验方案，完成编码开发，进行测试，最终解决该复杂工程问题，如图3所示。 图3. 课程内容的改革创新 教学方法上，传统的填鸭式教学方法已经不适合新的OBE的教学要求，因此也需要进行改革创新。OBE强调的是学习成果，因此，教学中要考虑如何达到该成果，也就是说如何让学生能够用数据结构解决复杂问题。因此在教学中不能一味地教，而是要引导型、开放式的进行教与学的结合，让学生能够主动学、自觉学，以能够解决实际问题为目标的学。具体采用问题驱动教学的方法，如图4所示。 图4. 问题驱动教学 在问题驱动教学中，首先提出问题，引起学生的学习兴趣。然后由学生进行发散思维，去试着解决问题，调动学生的学习积极性。当学生对问题提出了各种解决方案后，引导学生用所学的数据结构去解决问题中数据的组织、存储，用学的算法去设计问题解决的步骤和流程。之后学生自行进行设计及实现，自己动手解决这个问题。到此，学生真正学会了解决问题的方法，获得解决问题的能力。比如，以最小生成树这个知识点的教学为例来介绍一下这个过程。如图5所示。 图5. 最小生成树的学习过程 从最小生成树的学习过程可以看出学生通过主动学习和自主思考，在教师合理的引导和评价下，完成了解决问题的全过程，并且能够举一反三，掌握了解决实际问题的能力。
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user: 3. 基于OBE的数据结构多层次考核评价 基于OBE的教学不仅要能够在教学内容和教学方法中体现，在考核评价中也要进行相应的改革。 3.1. 重实践、重能力的考核要求 OBE是以学生为中心的，也就是说学生学到了什么？而对于数据结构课程来说，重要的是让学生学会应用数据结构去解决问题，这就要涉及到在实践中去应用数据结构，最终要将数据结构在计算机中实现，用程序去解决问题。因此在考核中要增加实践、能力方面的考核，要真正能评价学生能不能够解决问题，是不是拥有解决问题的能力。 在数据结构的考核中，采用了多元考核方式，如图6所示。考核内容包括平时作业、上课表现、实验表现、报告撰写、期末考试等多方面考核。其中平时作业考查的是基本数据结构抽象和使用的能力，上课表现考查的是学生对问题的分析理解能力及设计解决方案的能力，实验表现考查的是学生将解决问题并设计实现方案的能力和编码开发能力，报告撰写考查的是学生对实验方案的设计能力和规范化写作的能力，而期末考试考察了多方面的能力，其中客观题占10%~20%，主观题占80%~90%，主要考查学生对数据结构的应用能力和解决简单问题的能力。 3.2. 多层次的实践考核标准 在考核中要侧重实践能力的培养，因此对实践考核采用因学生而不同的层次化考核方法，具体可以将实践考核分为三个层次，如图7所示。 其中基础实践考核为对基本数据结构的设计实现能力的考核；应用实践考核为使用一种或两种数据结构解决简单问题的能力的考核；综合实践考核为使用多种数据结构及算法来解决复杂工程问题能力的考核。这些考核通过学生解决不同层次的问题来实现，其中包括基本数据结构实现问题、基本数据结构应用问题、综合数据结构应用问题。针对这三类问题每类都会给学生提供3~5个问题题目，学生可以根据兴趣和水平选择实现其中某类问题解决，也可以循序渐进、由简到繁的逐步解决各类问题。针对学生所选题目的层次，完成情况以及完成过程中的实验表现综合评价学生的实践能力。 图6. 多元化考核 图7. 实践考核的三个层次
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user: 4. 可持续改进 经过基于OBE的教学改革及创新后，对前几届学生学习效果及学习成绩进行了测算和对比，发现本课程的课程教学目标的达成效果在逐年提高。 为了更直观的进行对比，将表1中数据做成折线图，如图8所示。 Table 1 The comparison of achievement degree for data structure’s objectives in 2016~201 年级 课程教学目标1 课程教学目标2 课程教学目标3 课程教学目标4 2016 0.599 0.771 0.598 0.744 2017 0.810 0.663 0.672 0.811 2018 0.807 0.791 0.729 0.812 2019 0.764 0.818 0.729 0.825 表1. 2016~2019四级学生数据结构课程目标达成度对比 图8. 课程目标达成度对比图 对比2016~2019四级学生的四个课程目标的达成度情况，横向来看，各个课程的目标达成度都有上下波动，但整体上课程目标3 (根据方案实现算法程序能力)达成的不够好，实践能力有所不足。针对这种情况在课程教学中持续改进策略，增加问题及实验部分的比例，用案例引导学生分析设计，用程序示例教给学生怎么去写代码，从基础问题做起，切实提高学生的分析设计及程序编写的能力。 纵向来看，学生历年的课程目标达成度大体上是在逐年提升，但也有个别年份出现了下降，比如2019级课程目标1达成度有少许下滑，说明对基础的抽象、分析及使用部分有些放松，还需引起重视。
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user: 5. 总结 数据结构课程的OBE改革有许多学者也都在研究 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]。本文描述的是经过四年的基于OBE的数据结构课程的改革创新后得到的经验成果。通过分析一系列的数据后发现，基于OBE的教学模式对学生的帮助很大，能让学生获得实实在在的想要的学习成果，学生的学习积极性也有了很大的提升。但在改革过程中也发现，课程教学目标的达成度也有时候会出现波动，这就需要进行不断的可持续的改进，确保学生的获得学习成果的整体情况是向越来越好发展的。
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user: 摘要 积分上限的函数是高等数学中一个重要的基础概念，它表明了积分与微分的关系，其重要性不言而喻。但在教学实践过程中发现学生理解该抽象函数具有一定的困难，本文基于课程思政的背景下，通过“真问题、过程性、互动性”三位一体的教学设计方法，给出一种实践过程中易于学生理解的积分上限函数的教学设计。
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user: 1. 引言 国家一直倡导寻找一种有效的途径，在专业课程教学的过程中融入思想政治教育这一隐形育人的功能，发挥好课堂教学作为教书育人这一主阵地的先天优势。本教学设计正是响应习近平总书记在全国高校思想政治工作会议中强调的以“立德树人”为中心，把践行社会主义核心价值观融入教书育人的全过程这一重要精神 [ 1 ]，结合所讲授的高等数学这门受众面广、逻辑性强、高度抽象的公共基础课的学科特点，提出“真问题、过程性、互动性”三位一体的教学设计方案，力图从现实社会中人们所面临的真实的数学问题出发，本着解决问题的思路，用一系列真实问题串联起来，重建知识产生的全过程，让学生明白知识点从何而来，有何用处，而不是直接呈现书本上给出的最终结果，并在课堂教学过程中注重与学生的互动性，主动回应学生所关心的问题，通过这三方面的教学设计，最终希望学生在课堂学习过程中不仅仅收获书本上的固有知识点，而且可以了解知识点的前世今生和发展趋势，以及知识点所传递的文化内涵和核心价值观等，增加学生的获得感。 积分上限的函数是用形如定积分的形式来定义的一种新函数，在工程技术等方面也比较常见，例如在概率计算等相关问题中常用于表示密度函数，因此积分上限函数作为高等数学必修内容中一种极为抽象的函数 [ 2 ]，常常让基础薄弱的学生晕头转向。对于经管类、农林类的一年级本科生更是如此，由于上课学时较少，加之学生对于抽象类概念内心深处有恐惧心理，导致学生刚接触到该数学概念时，有畏难情绪，不能很好地理解积分上限函数的定义。本教学设计，正是基于课程思政的背景下，从生活中一则求解极限的广告宣传语出发，引出积分上限函数，激发学生的学习兴趣，减少畏难情绪，进而讲解积分上限函数的相关知识点，并将课程思政融入教学的全过程。