数学建模任务分配范文

导语：如何才能写好一篇数学建模任务分配，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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在计算机系统设计过程中，决定使用何种调度策略、运行服务器数量以及每个服务器的运行速度等，往往是基于直觉，而非数学公式推导。更加科学地设计计算机系统，应首先为系统设计一个合理的模型，以确保系统满足性能目标，然后进行计算机仿真与测试。本书基于目前已有的制造系统中的性能建模与设计方法，从排队论及运筹学角度进行计算机系统的设计与建模。通过系统的理论与实例讲解，加之300多个课后练习，力图引发读者关于计算机系统性能建模与设计的思考，并着手对现有的计算机系统进行分析，使读者最终能够创造自己的计算机系统。

全书共7部分，33章。第1部分 排队论导论，包含第1-2章：1.分析建模能力中的激励例子；2.排队论术语。第2部分 必要的概率论背景知识，包含第3-5章：3.概率论综述；4.产生随机变量；5.样本路径、收敛性及平均。第3部分 简单运算法则预测能力：假设一分析法（‘what If’），问题与解答，包含第6-7章：6.Little法则与其他运算法则；7.修正分析：封闭系统中的假设一分析法（‘what If’），问题。第4部分 从马尔可夫链到简单队列，包含第8-13章：8.离散时间马尔可夫链；9.遍历理论；10.现实世界实例：Google、Aloha和Harder链；11.指数分布与泊松过程；12.向连续时间马尔可夫链过渡；13.M/M/1排队模型与泊松分布到达观察平均时间。第5部分 服务器集群与网络：多服务器多队列系统，包含第14-19章：14.服务器集群模型：M/M/k与M/M/k/k服务器模型；15.服务器性能配置；16.时间可逆性与Burke定理；17.队列网络Jackson乘积形式；18.分类队列网络；19.封闭队列网络。第6部分 现实世界中的工作负载：多变性与大数据尾部，包含第20-27章：20.数据尾部引言：真实世界案例研究；21.阶段型工作负载与矩阵分析方法；22.分时服务器网络；23.M/G/1队列与检验悖论；24.服务器集群任务分配策略；25.变换分析；26.M/G/1变换分析；27.服务器功耗优化分析。第7部分 M/G/1队列智能调度，包含第28-33章：28.性能指标；29.调度：非抢占式与不基于尺寸的策略；30.调度：抢占式与不基于尺寸的策略；31.调度：非抢占式与基于尺寸的策略；32.调度：抢占式与基于尺寸的策略；33.调度：最短剩余处理时间与公平性分析。

本书作者采用的是“问答式”写作风格，对于专业术语详尽地加以阐释，并给出了诸多详细解答的案例，提供了自成体系的阐述，使不同学科的非专家和研究人员易于阅读、理解与接受。本书适合从事计算机科学、计算机工程、运筹学和应用数学等专业的高年级本科生和一年级研究生阅读和参考。对于在排队论、应用数学、运筹学及计算机科学领域的研究人员和专业人士，本书也将提供很有用的帮助。

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关键词:数据链;建模与仿真;网格;框架

中图分类号:N945.13 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-009-04

Research of Military Data Link Modeling and Simulated Framework Based on Grid

XU Sheng,WANG Wenzheng,ZHOU Jinglun,LUO Pengcheng

(College of Information Systems and Management,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)

Abstract:By analyzing the complexity of data link modeling and simulation,a three-dimension flexible data link modeling and simulation mechanism is provided which includes application,system and technology,at the same time,the thought of data link modeling and simulation is established.The framework of data link modeling and simulation based on grid is provided,which implements the HLA functions with grid technologies and meets the need of data link modeling and simulation preferably.The operation flow of modeling and simulation in the framework are proposed.

Keywords:data link;modeling and simulation;grid;framework

0 引 言

军事数据链(以下简称数据链)作为一种特殊的战场通信系统,可以将战场上的各种作战单元链接在一起,构成陆、海、空、天一体化的数字信息网络,实现信息资源共享,最大限度地提高武器平台的作战效能。战争实践表明[1],数据链已经成为现代战争中实现联合作战的有力保障、提高体系对抗作战能力的重要因素。

从检索的文献来看,国内现有的对数据链系统的仿真研究[2-6]大都是利用成熟的商品化软件,如SystemView,Matlab,OPNET等,针对国外先进数据链开展的波形级仿真,其目的是基于一定的数学方程或统计计算得到所需的部分性能参数。但是,作为一种复杂的武器装备,数据链系统的整体性能不仅仅取决于部分性能参数,更多的是要从系统的角度来研究其综合性能。例如,在一定的战场环境(不同的地形条件、不同的组网方式)下,仿真评估数据链系统的作战效能;对于不同数据链系统之间的协同互联及其作战效能开展研究,诸如此类问题,现有的仿真是无法解决的,需要开展数据链系统级、网络级的建模与仿真。为此,首要的是在分析数据链建模与仿真需求的基础上,开展数据链建模与仿真框架研究,对数据链建模与仿真进行统一规划和整体设计,这正是本文的目的所在。

1 数据链建模与仿真总体设想

1.1 复杂性分析

为满足战场需求,数据链系统一般都采用了各种先进的通信技术以保证通信的实时性、安全性、可靠性和有效性。同时,为合理搭配使用资源,提高整体作战效能,现代战争越来越要求各种数据链系统的互联互通,实现一体化、网络化。因此,数据链系统建模与仿真中必然包含各种异构多样的诸多底层模型以及由这些底层模型经过复杂的耦合关系组成的不同分辨率的高层模型。

数据链系统建模与仿真的目的不但要检验数据链系统的通信质量(如传输时延、误码率、数据业务的成功发送率等)是否能满足各军兵种的通信需求,研究各数据链系统内部以及系统之间的互连、互通、互操作性能,为数据链系统的设计开发提供技术支持。而且,还涉及到在一定作战背景下,对战场数据链网络的作战效能评估以及开展相关模拟训练等问题。

因此,数据链系统建模与仿真是一个多学科多目标的问题求解任务,其整体建模及仿真环境的设计也必然是一项艰巨的任务。一方面,系统整体建模以及各种底层模型的建立,必然需要诸多部门的多学科人员的协作;另一方面,一次性建立包容所有模型类型、具有完备功能的仿真系统并不现实,系统的研发必然是从简单到复杂的不断扩展和完善的过程。因此,理想的建模与仿真方法应该采用先进的建模与仿真技术,使仿真系统能够最大限度地适应今后技术发展变化的需要,同时具有体系结构的开放性,系统的可靠性、可扩展性、互操作性,仿真组件的重用性、集成性以及可维护性等,也就是要寻求能够支持多技术综合、多系统集成、多层次应用的柔性建模与仿真机制。

1.2 总体设想

所谓柔性建模与仿真机制[7],就是采用统一的体系结构和一致的描述规范,通过数据链系统全寿命周期的数据、工具和技术共享,增强建模与仿真面向多领域应用的可扩展性、可重用性和互操作性。一个数据链系统柔性建模与仿真机制可以定义为一个三维结构,如图1所示。它包含应用体系、系统体系和技术体系。在这三者之中,从实际需求出发,通过分析与综合,可以得出应用体系;根据应用体系的要求和准则,通过分析与综合,得到系统体系;根据系统体系的要求和准则,通过分析与综合,得到技术体系。实际需求是对应用、系统和技术体系进行分析和评价的基础;技术体系为应用和系统体系提供技术支持;系统体系直接服务于应用体系。因此,最终目的是在技术体系的支持下,建立一个能满足应用体系需求的系统体系。

1.2.1 技术体系

从技术的角度,数据链系统建模与仿真的柔性可以概括为三个方面的问题:

建模方法 即如何采用多种建模方法、综合利用各种建模工具建立包括从底层模型到系统模型的不同分辨率模型,以适应多种仿真用途的需要。

模型框架 即明确诸多模型之间的逻辑关系,使所建立的模型可以分层组合使用,实现其重用性。针对不同的应用,重点解决不同分辨率模型之间的聚合和解聚等问题,并且新建模型可以作为一种构件插入到已有的模型框架中去。

仿真框架 即建立仿真环境的体系结构以及规范化描述,如何支持多种类型仿真系统的分布互连及其互操作和重用。

1.2.2 系统体系

系统体系主要是实现数据链系统仿真环境的柔性,使之具有可扩展性、集成性与互操作性等。系统体系包括数据流的分析、仿真接口的设计以及仿真平台的实现。仿真平台要求采用统一的数据表示、接口规范,具有并行开发、动态执行、分布操作、无缝集成等特点。

1.2.3 应用体系

数据链系统建模与仿真是一个全寿命周期支持、多层次、多领域需求的应用体系。从层次上讲,可以大致分为链路层、网络层和应用层。

链路层仿真主要对不同信道条件下的链路以及链路中的各种终端设备进行仿真。例如数据链报文仿真、协议仿真、以及各种服务质量(端对端时延、误码率、吞吐量等)的仿真等。

网络层仿真主要根据实际的网络应用或网络应用想定,建立网络拓扑结构,实现网络路由选择、流量控制及动态组网的功能,分析并输出网络的外在表现性能。

应用层仿真主要是实现任务为中心的通信作业仿真,包括多数据链系统互联互通测试,作战效能评估以及仿真支持的模拟训练等。针对网间互连互通协议、网络组网方案优化、网络的安全性、可靠性、电磁兼容性以及数据链网络对具体作战行动的影响等开展研究。

2 数据链建模与仿真框架

开展数据链系统的建模与仿真工作,不但涉及到高精度的协议仿真、数据链系统底层仿真以及战术移动性,而且还包括各种以任务为中心的通信作业仿真等。因此,当处理的节点非常多时,实体移动性、任务分配以及实时场景计算等需要的计算量非常大,单个计算机系统不能满足需求,需要采用并行分布处理系统。

由美国国防部国防建模仿真办公室(DMSO)提出的仿真“高层体系结构”(High Level Architecture,HLA)是目前应用比较广泛的多系统分布仿真体系规范,现已被接纳为IEEE 和OMG的分布仿真标准。HLA具有将仿真功能与通用的支撑系统相分离的体系结构,具有开放性、灵活性和适应性,为解决数据链仿真的互操作性和可重用性提供了通用仿真技术框架,支持用户分布、协同地开发复杂仿真应用系统,并最终降低新应用系统的开发成本和时间。

但是,HLA也存在一些局限[8],不能很好地满足数据链系统仿真的需要,主要体现在:

(1) 没有统一的仿真数据表示。定义联邦成员共同理解的仿真数据类型是仿真系统正确运行的前提条件,但HLA 规范并没有给出数据类型的规定。

(2) 仿真资源是静态分配。设计仿真应用时就确定了联邦成员和仿真计算、存储等资源的对应关系。两者被静态地绑定在一起。在仿真执行过程中,无论仿真资源的负载轻重,这种绑定关系都不会发生改变。静态绑定方式容易造成某些仿真资源成为整个仿真系统运行的瓶颈。

(3) 缺乏对仿真全生命周期的支持。仿真系统的设计、开发、分析和结果评估等部分都是离线完成的。离线方式对于协作性很强的仿真设计等操作非常不利,往往造成成本的提高。

(4) 缺乏对大型并行仿真应用的支持。现有仿真系统中的仿真应用通常采用串行仿真程序,但数据链仿真中某些仿真应用的计算量非常巨大,采用串行程序处理方式不能满足计算要求。使用高性能计算机做并行计算,是解决大型仿真应用计算需求的有效手段。

(5) 仿真系统的安全性不强。现有仿真系统对安全性考虑较少。分布式仿真系统往往被限制在独立的局域网内运行,以防在广域网上造成泄密。分布式仿真系统的规模受到了严重的限制。

(6) 仿真系统的容错性较差。由于传统仿真系统的资源是被静态分配的,当系统出现严重问题时,往往造成整个仿真系统的失效。

近年来,网格技术[9,10]成为关注焦点。网格是一种分布的高性能计算与数据处理的底层支持框架,能够管理众多地理上、组织上分布的异构资源,包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、知识资源、各种设备资源,甚至合作者等。通过提供访问远程资源的可扩展的,安全的,高性能的机制以及相应的协议、服务和软件开发工具,网格技术能使地理上分散的工作团体充分共享资源,协同工作。使用网格技术来支持仿真系统将大大改善HLA在上述方面的不足,使仿真系统能够动态分配资源,极大地提高系统的运行效率。

为此,本文构建了网格技术与HLA相结合的数据链建模仿真框架,如图2所示。它建立在网格体系结构之上,其核心是基于网格的HLA实现。

网络资源是指各种仿真资源,如模型资源(包括各种分辨率的异构模型)、工具资源(如各种建模工具、可视化工具等)、数据资源(如地形数据链等)、存储资源以及设备资源等。各种资源需要通过网络提供的服务接口才能供网格用户共享。所以,需要为每一种资源量身定做合适的资源管理接口。

网格服务是指具有普适性的网格服务,包括资源索引服务、资源分配管理服务、协同调度服务、信息服务、安全服务等。网格通用中间件负责分布式交互仿真中各节点的资源发现和动态分配,以解决传统HLA中资源静态分配的局限。网格通用中间件的实现可以借鉴现有的成熟技术。

仿真网格中间件主要是仿真运行环境RTI,它将继续提供传统HLA中的联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理以及数据分发管理等服务。在仿真网格中实现协同建模与协同仿真一体化设计,建模资源与仿真资源的一体化管理与共享;实现仿真网格组件的组装与运行;实现不同粒度模型、不同实时性仿真的需求。

仿真应用主要是各种联邦成员的实现。战场态势联邦主要负责态势生成与控制;测试评估联邦成员负责与网络测试相关的仿真执行;模拟训练联邦成员实现系统与受训人员的动态交互仿真等。其中,仿真客户端包括用户使用界面,仿真对象状态维护,以及与RTI支撑环境的接口等。仿真客户端的作用是作为HLA的仿真应用,与RTI支撑环境打交道,并与其他仿真应用共同完成整个仿真任务。

3 建模与仿真操作流程

从建模的过程来看,主要包括协议模型、设备模型以及系统模型三个层次。数据链协议模型的建立是构建系统设备模型和进行网络仿真的基础;数据链设备模型基于各个层次上的协议仿真模型构造,也即由各个层次上的协议模型叠加产生,所以数据链设备模型的实质是多层次协议模型的集成建模(可以利用多分辨率建模,聚合模型等相关理论);数据链系统模型的基础是协议模型和设备模型,关键是网络拓扑结构和网络业务流量模型的建模。

从仿真的过程来看,仿真操作过程分为启动、执行和结束三个阶段,如图3所示。在启动阶段主要完成网格支撑平台启动、联盟的创建、盟员加盟、初始化数据、盟员能够公布的信息以及盟员需要定购的信息等工作。在这个过程中,战场态势联邦成员通过调用所需的各种模型以及组网方案等形成初始战场态势。启动阶段完成之后,进入仿真执行阶段,在这一阶段,首先联邦成员向RTI服务器请求时间推进,获得许可后,推进到相应的时间,然后通过相应的网格服务,申请使用网格服务,完成所需要的本地计算后释放实例。然后根据计算结果更新对象的属性值。当执行阶段完成后,进入结束阶段,联邦成员退出联邦,当所有联邦都退出后,RTI服务器删除联邦执行。结束阶段输出相应的分析评估结果。

4 结 语

数据链建模与仿真是一项复杂的系统工程,基于网格的数据链建模与仿真,在HLA的基础上,采用统一的数据表示,具有良好的容错性和安全性,能够很好地支持数据链系统全寿命周期的仿真研究,可以较好地满足数据链建模与仿真柔性机制的需求。

参考文献

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[2]汪波,王可人,郭建蓬.JTIDS抗干扰性能仿真与分析[J].电子对抗技术,2005,20(6):33-36.

[3]武楠,王华,匡镜明.JTIDS相对导航性能分析和仿真[J].系统工程与电子技术,2005,27(3):464-466.

[4]邢智,戴浩.基于OPNET的Link 16数据链建模与仿真[J].军事运筹与系统工程,2005,19(1):62-66.

[5]甘颖新,毕志明,王华.Link 22特点及其在高斯信道条件下的链路性能仿真[J].通信工程,2006(2):6-9.

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[7]王维平,李群,朱一凡,等.柔性仿真原理与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2003.

[8]朱子玉,李三立,都志辉,等.基于网格的先进分布式仿真系统ADS-G[J].清华大学学报:自然科学版,2006,46(1):82-85.

[9]FosterI,Kesselman C,Tuecke S.The Anatomy of the Grid [J].Internatioal Journal of High Performance Computing Applications,2001,15(3): 200-222.

[10]Foster L,Kesselman C,Nick J M,Tuecke S.The Physiology of the Grid[EB/OL]./research/papers/ogsa.pdf,2002.

作者简介 徐 盛 男,1979年出生,湖北人,硕士研究生。研究方向为风险管理与决策支持技术。

王文政 男,1980年出生,河南人,博士研究生。研究方向为军事无线网络建模与仿真。

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基于Petri网的工作流网过程模型

Petri网是一个状态变迁模型，可用来描述系统中异步成分之间的关系，同时允许发生多个状态变迁，也是一个并发模型，用Petri网描述的系统有一个共同的特性就是系统的动态行为表现为资源(物质资源和信息资源)的流动，Petri网被认为是系统建模最重要的方法之一。Petri网的特点归纳起来具有以下特点:

①模拟性从组织机构的角度和模拟系统的控制和管理，不涉及实现所依赖的物理和化学原理。②客观性精确描述时间(变迁)间的依赖关系和非依赖关系。

③流特征适合描述以有规则的流动卫星为特征的系统，包括能量流、物质流和信息流。

④描述性用同一的语言或者图形描述系统结构和系统行为。

⑤异步并发性对于局部环境不相交的变迁可以实现完全独立(并发地)地发生。随着研究的深入，Petri网理论也在不断完善和发展，从基本条件网、库所变迁网(P/T)到着色网在各个领域都有了深入的应用。本文提出的工作流网就是Petri网的一种扩展。

工作流管理系统作为过程控制的重要工具广泛地应用于PDM、PLM等系统中，而Petri网作为一种适应于多系统的图形化、数学化建模工具，为描述研究并行、异步、分布式和随机性等特征的复杂性系统提供了强有力的手段。在Petri网的基础上工作流网的概念被提出，用来准确、清晰地定义复杂过程的逻辑。Petri网建立在严格的数学基础上，拥有成熟的分析方法和工具。基本的Petri网是一个带双节点类型，我们称之为库所的双向曲线图和变迁，为了引进工作流网的概念和定义，扩展基本Petri网增加带有弧权重函数，它代表了一定的库所和变迁之间连接的数量关系。定义2带有弧权重的Petri网是一个4元组:(P，T，F，W)。其中，P是库所的有限集合;T是变迁的有限集合，且P∩T=Φ;F∈(P×T)∪(T×P)是一组弧;W:FN+，是设定权重到弧的函数。

当且仅当存在一个直接由P到T的弧连接时，P称作一个变迁的输入库所，当且仅当存在一个由T到P的直接弧连接时，P称作一个变迁的输出库所，我们用•t定义一个变迁的输入库所。T•定义一个变迁的输出库所，P•和•P有相类似的意义，即P•是作为输入共享库所P的一组变迁。在任何时候，一个库所包含有0个或者多个令牌，状态M用来表示令牌在各个库所的分配情况，可以用以下方式表示一个状态:1p1+2p2+1p3+0p4。代表了在一个令牌在库所1，2个令牌在库所2，一个令牌在库所3，在库所4没有令牌，也可以表示为:1p1+2p2+p3。要比较2个状态，可以定义并行指令，例如可以对于任何2个状态M1和M2，M1≤M2成立的条件是所有的p∈P:M1(p)≤M2(p)。

在过程执行期间令牌的数量可能改变，变迁在Petri网中是活动的单元，根据以下的规则变迁改变网的状态。①当且仅当每一个变迁的输入库所包含至W(p，t)函数所要求的令牌时，这个变迁被称为是使能的。②一个使能的变迁能够激活，如果一个变迁激活，那么t从每一个t的输入库所p中消耗W(p，t)的令牌，并且对于每一个T的输出库所p产生W(t，p)的令牌。定义3Petri网成为工作流网(WF-net)的条件是当且仅当满足以下条件:①Petri网有2个特殊的库所:i和o。库所i是一个源库所:•i=o;库所o是一个接收库所:o•=o。②如果我们增加一个变迁t*到Petri网中，这个Petri网用i连接o，即:•t*={o}及其t*•={i})，则这个Petri网是强连接的。工作流网中有一个输入库所(i)和一个输出库所(o)。如果一个实例进入到工作流系统完全处理时，则系统就会产生过程处理的工作流网实例，工作流网定义了一个实例的全部生命周期，带有上述扩展特性的Petri网允许任意弧权重存在，这些为任务结构到工作流网的映射奠定了基础。

任务结构到工作流网的映射

在设计开发过程中，结合产品功能对开发过程进行任务分解成为一种广泛应用的方法，但是基于任务模型的过程模型在分析时具有局限性。而Petri网作为成熟的分析理论，提供了有利的工具和方法，因此提出将任务结构模型映射成工作流网过程模型的方法，能够对系统进行更加准确地分析和仿真。在转换过程中增加了一个隐含库所S，它用于时刻反映在任何点的一段时间内的并行处理信息流的数量，另外带有n个输出弧的任何一个变迁Ct有一个权重为n－1的来自于S的输入弧。同步器对应为Hs的变迁，它有m个输入弧和p个输出弧到S。弧的权重如果m＞p则为m-p;如果m＜p，将会有一个由S到Hs的弧。而对于没有输出弧的变迁以Fd表示。转换时会有一个到S的弧，这样的变迁表示信息流的终止。弧权重函数WWN设定为1到以下表达式的每一个弧:这里C是一个并行信息流的最大数量，在初始化状态下的库所i有一个令牌而其他的库所没有令牌。在任务结构映射到工作流网的过程中，为了保证并行操作的路径而增加的隐含库所S对于决定一个任务结构是否中止是至关重要的，但是它并不是语法中的一部分，因此它并不改变行为的特征。

实例分析

金融机具产品具有机构复杂、多专业、设计精度高的特点。以高档金融机具纸币清分机为例，是对各个国家纸币进行高速处理自动清分的高端智能化产品，面对不同国家的纸币特点，产品的性能指标不同，产品的技术参数多、性能指标要求高，尤其是机械结构复杂，对传感器测控、控制技术等有很高的要求，产品开发的需求复杂，以某公司的纸币清分机产品开发过程描述如下:

①市场需求提出(Request)由客户需求部门提出新产品需求，具体内容包括产品功能(清分、计数、鉴伪)、参数(处理速度、处理纸币种类、进钞口和出钞口数量)、产品需求时间和价格等信息。

②需求分析(Analyse)新产品设计部门针对现有产品系列和技术基础进行分析，内容包括:待处理纸币尺寸、机读防伪特征、纸币清分机标准、其他标准、现有技术和进一步实施的可能性。

③提出不同的解决方案(Propose)方案包括(a)现有产品完全满足要求;(b)需求进行机械结构和鉴伪识别技术的变形开发才能满足要求;(c)完全没有满足要求的产品，需要全新设计新的产品3个部分。

④任务分配(Distribute)如果属于新产品的变形开发如一个新的国家纸币清分机开发确定为派生产品，全新结构如出钞口不同的开发为正式产品的设计开发，两类产品的开发过程、要求和任务分工均不同。

⑤并行设计(Design)机械机构设计、电气部分的设计，在这两个部分进行设计时都要进行测试。

⑥文档(Release)当机械和电气部分样机设计完成后，进行样机文档的下发。⑦测试(Test)在进行各个部分进行设计的同时，同时又有测试。确定是否满足需求，如果满足，则进行测试。以上过程应用任务结构图表示，如图3所示。根据任务结构到WF-NET的映射规则，可以得到纸币清分机基于工作流网的设计开发流程，如图4所示。在图4中的最大并行任务数是3，所以我们将C设定为3。

对照两种设计开发过程的描述可以看出，对于纸币清分机产品的样机开发过程只能实现产品开发过程的简单描述，不能对设计开发过程进行定量研究。经过对并行设计开发过程的任务模型应设成WF-NET，根据工作流网的特点，可以对工作流网分析工具进行各种分析，其中可以对库所数量、变迁的数量、弧连接和状态变化的数量进行统计，也能够实现对设计开发过程的活性、有界性和合理性进行确认，经过对转换后的工作流网的分析。

针对金融机具纸币清分机的开发过程基于WF-NET的设计过程验证，我们可以应用Petri网的分析工具对纸币清分机产品并行产品设计开发过程的任务分配、性能评估、产品开发周期进行更量化、更精确的分析，其结果经过验证是安全、正确和有界的。

结语

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【关键词】数字化工厂；仿真；虚拟制造

1.引言

在市场竞争日趋激烈，新产品上市周期越来越短，生产设备和制造系统日趋复杂、昂贵的情况下，为了获取最佳利润和保持市场占有率，制造企业必须从传统制造模式向数字化制造模式转变，实现产品的多元化，缩短产品上市时间，缩短生产准备时间，并进一步提高产品的质量。由此，数字化工厂作为优化生产过程的解决方案也越来越成为研究的热点。

2.数字化工厂含义

数字化工厂（Digital Factory，简称DF）是基于仿真技术和虚拟现实技术的发展而产生的，是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式，通过对生产过程进行分析和优化，保证产品在可制造的前提下，实现快速、低成本和高质量的制造，从而实现柔性制造和并行工程[1]。

3.数字化工厂平台架构

数字化工厂软件是虚拟制造平台，对于缩短新产品的开发周期、提高产品质量、减少制造成本和降低项目决策风险都具有重大意义。

数字化工厂软件还是实现并行工程的工具。产品设计部门和制造工艺部门可以在产品的制造特征（焊点、定位点、装配位置等）领域紧密协作，在产品设计的早期阶段进行工程制造的仿真，在新产品的制造中尽量对标准化的工艺和工装卡具重复利用，从而实现产品设计和产品制造的并行互动的工作方式，缩短新产品的开发周期、降低制造成本和加快新产品投放市场[2]。

数字化工厂在工艺层面的主要应用包括工厂布局仿真优化、工艺流程规划及仿真验证、虚拟装配设计与验证、物流仿真。工厂布局仿真优化是建立车间厂房、物流通道、制造资源等的三维数字模型，为工艺、装配、物流仿真建立基础。是工艺流程规划及仿真验证在三维数字环境下对产品的工艺进行规划，制定工艺路线，如NC编程、流程排序、资源分配、工时定额，成本核算等，并对加工工艺过程进行三维仿真，仿真工艺路线，刀具切换，装夹过程等。虚拟装配设计与验证是提供一个虚拟制造环境来规划验证和评价产品的装配制造过程和装配制造方法，检验装配过程是否存在错误，零件装配时是否存在碰撞。它把产品、资源和工艺操作结合起来来分析产品装配的顺序和工序的流程，并且在装配制造模型下进行装配工装的验证、仿真夹具的动作、仿真产品的装配流程，验证产品装配的工艺性，达到尽早发现问题、解决问题的目的。物流仿真是工厂布局规划与仿真的辅助工具之一，在三维环境下对物流仿真逻辑进行建模，主要分析工位装配任务分配的合理性，物流路径规划的合理性，物流设备的分配以及利用率等，从而评价和优化物流规划方案；基于建立的物流仿真模型，可以调整参数和物流方案，实时获得仿真结果。

数字化工厂平台在制造层面的主要应用为MES系统，包括制造数据管理、计划排程、生产调度执行、现场数据采集及归档、产品跟踪等功能。

4.数字化工厂收益

一个制造企业完善的企业信息平台应由三大块构成，即：PDM/CAD系统，为企业提品数据结构和数学模型，进行产品数据管理；ERP系统，为企业提供物质资源、资金资源和信息资源集成信息，进行企业资源管理；数字化工厂平台，即制造过程管理系统，为企业提供数字化的制造信息平台，进行制造工艺规划设计，工程仿真和生产过程管理。成为数字化工厂，首先要做到柔性制造，即通过自动化的理念把产品的工艺设计与自动化设计集成到一个平台上。系统能够根据加工对象的变化或原材料的变化而确定相应的工艺流程。第二点，也是比较关键的部分，即虚拟投产，即借助虚拟化过程来检验整个生产过程，验证产品。

国内制造企业通过利用数字化工厂技术能够带来的收益包括：

（1）在3D的环境下进行制造工艺过程的设计，提高工艺设计、现场工人、数控测量的效率；

（2）用数字化的手段验证产品的制造工艺可行性，避免工艺制造与设计脱节，提高工艺设计质量；

（3）现场的工艺问题在数字化仿真环境下提前得到分析，避免在后期对产品和流程进行改变返工，避免规划的失误，对风险可进行精确掌控；

（4）掌握产品和流程的复杂性，提高产品的变种及对流程影响的透明度，建立典型工艺，经验库，减少重复工作；

（5）缩短产品工艺准备周期，缩短新产品投放市场时间（6）结合MES现场数据的及时采集、反馈，实现成本的及时统计、工艺的持续改进，支持产品的后期维修。

5.实施关键因素

数字化工厂平台涉及多层仿真层次，不同仿真目的，需要对物流，装配，加工等进行独立仿真，并在统一的可视化环境下进行结果分析。数字化工厂贯穿整个工艺设计、规划、验证、直至车间生产工艺整个制造过程，不是一个独立的系统，需要与设计部门的CAD/PDM系统进行数据交换，并对设计产品进行可制造性验证（工艺评审），同时，所有规划还需要考虑工厂资源情况数字化工厂与设计系统CAD/PDM和企业资源管理系统ERP的集成是必须的。同时，数字化工厂还有必要把企业已有的规划知识（如工时卡、焊接规范等）集成起来，整个集成的底部是PLM构架。所以，需要与其他部门的信息系统进行数据交换，并在PLM体系框架的指引下开展实施工作。

6.小结

数字化工厂涉及生产，设计，工艺、物流，管理，IT部门等业务单位以及多领域的技术人员，需要相关专业部门的全力配合，需要对整个生产链的数据进行整理和整合（包括产品，工艺，车间等）。对企业各方面的影响巨大，可能需要流程重组。因此，企业在具体的实施过程中，需根据自己的生产制造的实际过程和企业资源条件来决定，即需要在设计、工艺规划、加工、装配、物流的哪一部分加强，进而采取先点后面、循序渐进的实施策略，不要一下铺得太大。

参考文献

[1]张浩，樊留群，马玉敏，等.数字化工厂技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2003：5-12.

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【关键词】培养兴趣;实验操作;实际应用;课外实践

数学知识的应用是广泛的，大至宏观的天体运动，小至微观的质子、中子的研究，都离不开数学知识，甚至某些学科的生命力也取决于对数学知识的应用程度。马克思曾指出：“一门科学只有成功地应用了数学时，才算真正达到了完善的地步。”生活中充满着数学，人们的吃、穿、住、行都与数学有关.如通过人们吃的糕点可认识到丰富的几何图形;在商场买衣买鞋时经常会遇到打折（百分数）的问题;日常生活中水电费的支出;数学教师要善于从学生的生活中抽象出数学问题，使学生感到数学就在自己身边，让学生感受到生活中处处有数学，培养学生数学应用意识。

一、用实际问题调动学生的学习兴趣

心理学研究表明：“学习内容和学生熟悉的生活背景越贴近，学生自觉接纳知识的程度就越高”。因此，在课堂教学中，要尽可能地将教学内容与学生的生活背景结合起来，从贴近学生生活的实际问题引入新课，调动学生的学习兴趣。

1.概念从实际引入

学习“垂直”的概念时，可结合实际提出这样的问题：马路的十字路口的两条道路位置上有何关系？再比如电线杆与它上面架的电线位置上有什么关系？这些都是数学在实际生活中具体涉及到的例子，能激发学生的求知欲望，使学生产生“生活中处处有数学”的意识，而且能直观地理解垂线的意义，并意识到学习这个内容的重要性。

2.公式、法则结合实例抽象提出

结合实例抽象提出，既容易对其作出通俗易懂的解释，又容易对其自身作出本质的揭示。例如在学习“长方体表面积的计算方法”时，可以这样引入新课：“提供给学生一个长方体实物和一张长方形硬纸板，要求学生把实物用纸板包装起来的实践操作，再让学生通过观察、讨论交流中，体会计算长方体表面积的用途，归纳出长方体表面积的计算方法。”这样不仅能激发学生学数学的兴趣，而且能激发学生爱数学、学数学、用数学的情感。

3.性质从实际需要提出

例如：在学习“点到直线的距离”时，可以从走路时往往喜欢抄直路直奔目的地，这样做究竟是为了什么，让学生思考，通过这样的实例，能调动学生的学习热情，让学生易于接受，同时还能领悟到数学在现实生活中无所不用。当然在教学中还要注意充分利用现代化教育技术辅助教学，采用模型、幻灯、录像、计算机等现代教学手段，增加师生互动、形象化表示数学的内容，同时将抽象的知识直观化。这样能吸引学生的注意力，调动学生积极学习知识的兴趣，又能加深对知识的理解，提高学习效率。

二、教学联系实际，从生活中发现问题、提出问题

从知识的掌握到知识的应用不是一件一蹴而就的事，没有充分的、有意识的培养，学生的应用意识是不会形成的。教学中应该注重从具体的事物提炼数学问题，引导学生联系日常生活中的一些问题用数学知识来解决，这有助于学生数学应用意识的形成。比如在学习“正比例”时，利用这样一个生活中常遇到的问题：甲乙两地有三条公路相通，但在通常情况下，由甲地去乙地我们选择最短的一条路（省时，省路）;特殊情况下，如果最短的那条路太拥挤，在一定时间内由甲地赶到乙地我们就选择另外的一条路，宁肯多走路，加快步伐（速度），来保证时间（时间一定，路程与速度成正比）。从数学角度给学生分析这个问题用于“行程应用题”，是路程、时间、速度三者关系的实际应用。这一问题的提出可以使学生感到具体的实际问题就在自己身边等待解决，增强了主动意识，激发了兴趣。

三、精心编制问题，培养学生的应用能力

当前我国数学教材中的问题和考题多半是脱离了实际背景的纯数学问题，或者是看不见背景的应用数学问题。这样的训练，久而久之，使学生解现成数学题的能力很强，而把实际问题抽象化为数学问题的能力却很弱。而数学是以现实世界的空间形式和数量关系作为研究对象的，它的许多概念、性质和方法都从现实中来。但它有更多结论去为生产和社会各行各业服务。因此，教师可在遵循教学要求的前提下，精心编制一些与生活有关的问题，可以使学生感到自己的周围处处有数学，从而使其萌发学好数学去解决实际问题的愿望，把学和用结合起来，达到提高学生应用能力的效果。如在学习“最小公倍数”时，可编制实际生活中有关生产中的任务分配的问题，如“某服装厂的工人每人每天可生产3件上衣或7条裤子，一件上衣和一条裤子为一套服装，现有60名工人生产，每天最多能生产多少套服装？”根据题意，需先求3和7的最小公倍数（21）才能使每天生产的服装最多，再进行对工人进行分工（42人生产上衣，18人生产裤子）。这样根据教学目的编制这类与生活相关的问题，在教学时学生不仅容易接受，而且能体会到数学知识在生活中的实用价值，让学生知道了数学来源于生活，并服务于生活。在教学中，可逐步引导学生根据所学知识并结合实际编制问题并解决问题，逐步增强学生学数学、用数学的能力。

四、加强课外实践，带着数学知识走进生活

著名的数学华罗庚先生曾说过：“宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之变，日用之繁，无处不用数学。”精辟地阐述了数学在现实生活中的广泛应用。可以说数学为很多生活问题建模。例如举行一次野炊活动。一方面要引导学生收集大量信息，深化统计的学习，另一方面也让学生参与活动的全过程，调查市场行情，让学生亲自到商场买米、买菜和其他必需品，在整个活动过程中学生可能会遇到许多困难，如买菜中的估算，人民币的支付，菜的搭配和选择等策略活动，引导学生有序地思考，提高解决实际问题的能力，渗透应用数学的意识。“野炊”活动将学生学习数学与生活紧密相连，让孩子们津津有味地评论着自己所买的菜，交流着买菜的体验，充分展示了每个人的个人爱好，生活经验、情趣，也学习和交流着学习数学所包融的价值观，实用观，享受着学习数学的快乐。这是融数学、社交知识于一体的综合练习，这样的作业设计从孩子们身边的现实问题入手，给学生提供了一次运用各种知识进行实践活动的锻炼机会。在这一过程中学生学会获取知识、掌握研究问题的方法，培养实际运用能力，使自己成为学习的主人。

总之，教师在平时的教学过程中，应有意识地收集、整理一些适应本地生活、生产需要的实际应用性问题，注意收集与教学内容相关的实际素材组织教学活动，增加实习作业和探究性活动，找到向实际问题过渡的渗透点，使学生领悟数学的应用价值，达到潜移默化地培养学生应用数学的能力。

参考文献：

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1.1团队人力资本测量的研究从“投入说”、“产出说”到“内容说”，人力资本的内涵与外延不断发展。学术界和产业界普遍赞成知识、技术、技能、素养等是人力资本本质要素的观点。但由于其难以测量，常用简单、客观、便于操作的显性指标作为替代，学历、职称、年龄、性别等的百分比便成为测量团队人力资本结构的选择。但这种方式对团队人力资本的反映是表象的而非实质的，对具有相同人力资本结构的团队价值创造不同的现象缺乏有力的解释。

1.2团队匹配内容及机理的研究在人员匹配内容及机理方面，按照匹配对象主要分为人－岗匹配、人－团队匹配、人－组织匹配三类。人－岗匹配是从岗位分析出发，员工的技术、知识、能力与岗位需要之间的匹配［16］;人－团队匹配是个人和团队其他成员在目标、价值观、特质等方面的匹配;人－组织匹配是指个人的人格、价值观、目标、态度与组织的文化/气氛、价值观、目标、规范的匹配，以及组织提供的资源、财政、物质、心理、机遇、任务、人际等与个人供给的资源、时间、努力、承诺、经验、人际等的匹配［。现有人员匹配主要围绕个人匹配展开，但对于把团队视为整体与工作对象匹配问题的研究也有所涉及，例如:孙锐等(2007)分析了知识型团队与知识工作任务的匹配关系，探讨了知识型团队的动态能力构建机制［25］。马卫华等(2012)通过实证研究表明学术团队的研究偏好与产学研合作项目越匹配，产学研合作将有助于提升团队的学习能力［。现有将团队作为整体与作业对象匹配的研究已初见端倪，主要是针对某一背景，研究团队匹配对组织关注内容的作用关系，对如何实现匹配的方法类研究还有待深入，因此，将扬长避短的分工思想引入团队管理，考虑不同团队与不同作业对象之间优势供需一致的工作安排，以期尽可能地发挥团队优势。

1.3双边匹配模型及算法的研究这部分研究主要分为两类，一类是一般性的双边匹配模型算法的研究，双边匹配思想起源于指派问题，通过多目标多指标决策、数学建模与优化等方法对以满意度、稳定性为目标的方法及决策支持系统等双边匹配问题开展研究。从GordenforsP(1975)提出偏好匹配以来，人们从序值信息的双边匹配决策模型及其稳定性判断方法、随机分布序值偏好的Gale-Shapley匹配算法等，构建了基于偏好的匹配模型。基于优势结构的匹配是一种特殊的偏好匹配，但更加具体深入，因为它定量地刻度了优势与劣势。一类是具有实际背景的双边匹配决策研究，例如:“人－设备”匹配主要是通过生理学、医学、人体测量学、美学等，研究负荷与职业健康、作业方法等内容，刘建刚等(2009)基于“任务－团队匹配矩阵”及“任务－团队效率矩阵”提出了任务智能化分配法［41］。但缺少将优势与劣势嵌入到匹配决策的思想。已有研究推动了人力资本理论和匹配决策理论的发展，丰富了双边匹配决策模型和方法。然而，需要指出的是:现有对团队人力资本结构的测量主要是面向显性结构，该种方式对团队整体人力资本缺少实质性表述，与人力资本的价值创造本质脱节，难以反映团队的优势与劣势，对扬长避短的团队任务指派缺少决策支持，也不利于团队人力资本效用的充分发挥。基于此，本文开展以下研究:(1)提炼面向隐性结构的团队人力资本竞优结构的概念及构建其测量方法;(2)鉴于现有团队任务分配较少考虑团队优势，提出基于团队人力资本竞优结构的“团队－工作对象”匹配模型，以期实现多团队多作业对象之间的科学分工，实现团队价值的优化，通过算例验证方法的可行性和有效性。

2基于人力资本竞优结构的“团队－作业对象”匹配模型

2.1团队人力资本竞优结构概念本文把团队人力资本结构分为显性结构和隐性结构，显性结构是基于对团队个体的累计百分比，可直接观测、计量，以年龄、性别、职称、教育程度、级别的比例关系结构。隐性结构是把团队作为一个整体，基于人力资本的内质指标集，团队的各项知识、素质、能力、技能、观念等指标实际值强弱相对比较结构。显性结构能反映团队基本的胜任素质，可以作为能否参与多个团队与多个作业对象匹配的基础，需要说明的是，在组织的管理实践中，常常基于平衡性考虑，使得各个团队的显性人力资本结构差异不大，这也导致通过显性结构无法实现团队与作业对象之间的最佳指派，也就是团队尽其才、物尽其用的指派。而隐性结构由于其刻画了自身优势与劣势，弥补了显性结构的不足，考虑到作业对象对团队人力资本优势与劣势的偏好差异，在对团队与作业对象匹配的决策过程中，显性结构和隐性结构要结合起来，首先通过显性结构作为是否可以参与匹配决策的依据，也就是通过显性结构达标程度，保证团队人力资本满足工作对象的基本要求。然后把隐性结构作为如何配对的根据，实现有利于团队发挥最佳效能的指派工作。团队人力资本隐性结构是在以团队作为整体的条件下，在成员个体人力资本及团队成员之间的相互作用关系及知能交叉影响下，以团队为整体的人力资本各项指标值之间相互比较的强弱结构。以挖掘和充分利用团队人力资本价值为手段和目标，从而提高团队价值创造力的方式即“竞优”，团队人力资本竞优结构是从最有利于认可团队价值的角度识别的一种隐性结构。通过识别团队人力资本隐性结构，尤其是竞优结构，能够了解团队的优势与劣势，为团队人力资本提升、作业对象匹配等决策提供支持。团队人力资本竞优结构的内涵与相关概念区别如图1所示。

2.2团队人力资本竞优结构的测量方法源于人本心理学的需求层次理论，被最大程度认可是人们的永恒追求。竞优结构是能最大程度反映团队价值的参数结构。团队人力资本竞优结构识别方法是基于效用函数，依据团队各项人力资本指标信息，以优化技术为依托，实现团队人力资本价值最大化的指标价值参数确定方法，它能够对各项人力资本指标相对优劣程度刻画、分析、判断并给出推断结论。本文选取具有目标引导作用的距离效用函数，以优化模型的价值参数为决策变量，以效用最大化为目标，模型的价值参数最优解即团队人力资本竞优结构的数学表达式。具体而言，就是在团队人力资本内质指标体系(x1，x2，…，xm)的基础上;根据团队各指标实际值，以指标价值参数(w1，w2，…，wm)为决策变量;通过优化表现团队人力资本价值的效用函数Yi=f(wi，xi)，i=1，2，…，m，竞优结构的数学表现形式是实现MAX(Yi)的(w*1，w*2，…，w*m)，w*j为指标j的团队人力资本优势度。鉴于人力资本内质指标需要通过专家评分法获得，模糊数形式较能反映专家评分思维模式，用模糊距离函数表示团队人力资本价值，则团队人力资本竞优结构的测量模型。

2.3“团队－作业对象”竞优结构相似度测量方法“团队－作业对象”竞优结构供需匹配度越大，团队人力资本发挥的空间越大。用相似度大小表示二者匹配程度，优势结构相似度按公式(3)计算。

2.4基于竞优结构匹配度的益损值团队与作业对象的人力资本竞优结构匹配度越大，越有利于人力资本创造价值，把团队指派给该作业对象的人力资本效能收益为。

2.5“团队－作业对象”匹配指派模型设yij表示0－1决策变量，yij=0表示不将团队pi指派给工作对象gi，yij=1表示将团队pi指派给工作对象gi，建立如下指派决策模型。其中，zA为团队人力资本损失，zB为工作对象的损失。FA为团队成本矩阵，FB为工作对象成本矩阵。通过上述分析，可得基于人力资本优势结构的“团队－工作对象”匹配流程为图2所示。

3算例

随着科学技术的发展，钢铁企业设备组成与功能越来越复杂，个体由于认知能力的限制，在设备安全运行上常常需要团队去完成单个个体难以解决的问题。在企业管理过程中，如何实现团队与重大关键设备这一作业对象的匹配优化是提高生产效率、增强安全水平、提升员工满意度的重要途径之一。当团队的人力资本优势与劣势与所作业的设备优势与劣势偏好一致时，团队的工作效率就更高，团队绩效就更好，事半功倍。否则就会事倍功半、带来人力资本浪费。因此，实现钢铁企业生产一线团队与设备之间的匹配具有一定的现实意义。RZ生产线是AG集团的生产重地，分为加热炉区域、粗轧区域、精轧区域、卷曲区域四个区域，每个区域有完成相应功能的重大关键设备群，每一个设备群可以视为一个作业对象。该厂主要有四大团队，团队由生产人员、点检人员、协力人员组成，主要包括机械专业人员、冶金专业人员、轧钢技工生产协力，钳工、电工、配管、电焊、气焊等专业的设备协力组成，年龄结构主要分布在28岁到45岁，性别多为男性，职称按照高级、初级、中级的比例为10%，60%，30%;学历结构为研究生10%，本科生60%，专科生30%。根据各个团队的显性人力资本结构以及各个设备群对于工作团队的基本要求，通过专家讨论，认为团队2无法胜任设备群2的作业需求，团队3无法胜任设备群4的作业需求，故在匹配成本矩阵中通过匹配成本为无穷大来体现，以保障排出将团队2匹配给设备群2的可能性，团队3匹配给设备群4的可能性。基于对钢铁企业的实地调研，发现6类团队人力资本质量指标对于设备安全运行尤为重要，团队及设备在各指标的指标值是以访谈方式获得，以区间数形式给出。团队的人力资本指标值如表1所示，设备群的人力资本需求指标值如表2所示。依据模型(1)、(2)、(3)得到团队人力资本实际竞优结构合设备群人力资本理想竞优结构，如表5和表6所示。根据公式(4)、(5)、(6)，设团队与设备匹配损失具有对称关系，“团队－设备群”匹配的人力资本效用损失值为表7所示。根据公式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)，基EXCEL于目标规划的匹配模型求解，得到“团队－设备”匹配方案。将团队1匹配给设备4，将团队2匹配给设备，1，将团队3匹配给设备2，团队4匹配给设备3。

4结论

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首先，大学生深受应试教育影响，习惯于传统教育的思维和行为模式，创新的积极性不高，表达交流能力匮乏，更不善于协同工作。在传统的人才培养过程中，对考试选拔的过度依赖，导致学生的创造力下降，抑制了青少年的灵感与个性的发展，从某种意义上阻碍了学生心智的成长。在传统的教学过程中，知识以老师单方向向学生灌输为主，学生仅作少量的变通和应用，久而久之，学生不仅习惯了被给予的单纯接受知识的形式，而且对事物的认知建立起已有的经验和规律，极易陷入思维定势。另一方面，以考试为学业考核的单一评估形式使学生习惯于寻求对既定问题的“唯一”答案，自觉或不自觉地诉求一种统一思维，这一习惯导致了思想的僵化。追求考试高分更加剧了这种思维的禁锢，因为学生从未被给予机会对书本成文的内容进行质疑，学生绝对相信所学知识，毫无批判意识，养成思维惰性。步入大学以后，由于思维、行为模式长期受传统教育的影响，学生很容易接受本科教学中与过去学习经历相匹配的课堂教学环节，当这一学习方式仍然有效时，他们则懒于寻求新的方式，加之大学课余时间多，娱乐活动丰富，学生更无暇顾及本不擅长的创新。因此，尽管当代大学生已意识到创新的重要性和迫切性，却无从下手，作出实质的行为改变。

其次，大学生缺乏观察能力、自学能力、动手能力以及知识的整合能力，他们不善于利用和创造条件。学生通常有创新的灵感，但缺乏创新所需的观察力。在观察的深度和广度、观察的敏锐性和灵活性等方面都存在先天的不足，即使有灵感，也是短暂的。学生的自学能力弱进一步抑制了创新，学生习惯止步于书本，而创新所需要的知识往往需要主动地获取，而不是按部就班地照着操作规程执行。动手能力差挫败了学生创新的积极性，学生大多数限于理论学习，对专业的感性认识不够。部分专业教学枯燥乏味，内容陈旧，脱离了实践。另外，由于学生自身缺乏积极性来充分利用学校有利条件，因此不能把握本专业最新的发展动态，缺少向知识或经验丰富的教师或同学请教的主动性，对相关学科的前沿知识掌握很少，学科之间更缺乏合理的整合，这些都限制了学生创新能力的进一步发展。

第三，大学生有创新的热情，但缺乏创新的毅力，使得创新没有可持续性，易以失败告终。许多大学生虽然不满足于现状，但只是牢骚满腹，未能有切实行动。即使大学生通过教师的引导有了一定的创新热情，但在实际工作中往往虎头蛇尾。人在社会中需要承受来自方方面面的压力，而创新比常规解决问题的过程有着更大更多的艰难险阻，在排难除险的过程中，需要个体充满热情，坚持主张。这些包含积极情感体验和意志表现的非智力品质，对大学生创新精神的培养大有裨益。

第四，长期的课堂教学也成为大学生协作能力差的重要原因。在传统教育以课堂为主和以考试为考核主要方式的教学中，皆强调学生的独立思考能力。学生在课堂上很少与其他学生交流并共同解决某一难题，与此相关的一些教学改进也往往浮于形式，很难从根本上提高学生团队合作的能力。学生长久以来以自我为中心，不善与人沟通合作，用语言表达见解的能力较差，更进一步成为大学生协作能力缺失的原因。而创新不仅是个人主观能动性的充分发挥，往往也是团队精神的集中展现。当代科学技术的许多前沿领域学科间交叉渗透，单靠一个人的能力无法胜任，需要具有自主创新能力的团队合作去攻克技术难关。所以团队协作能力的培养也成为提高大学生创新素质的关键环节。

二、加强大学生创新和协作能力的培养途径

针对上述各方面的问题及其原因分析可知，应进一步改革陈旧的教育模式，实现教育观念的转变，树立创新教学理念，改变教育管理模式，我们建议从以下几个方面入手：

2.1深化课堂教学创新，培养学生科研兴趣和创新意识

在这一点上，教师首先应转变教育观念，改革教育方式。在课堂教学中，教师应从知识的传授者变为学生学习和科技创新活动的引导者，重视以启发式、问题式、研讨式为主的开放式教学，使学生由被动的接受者转变为学习的主人。鼓励学生勇于提问，形成宽松、活跃的气氛，创造一个互动的、以学生为中心的课堂，尊重学生合理的个人见解和个性选择。比如，笔者在教授“计算机导论”课程的二进制这一章节时，结合与二进制相关的智力题和企业面试过程中的测试题，如将苹果装箱、切金条发工资等问题融入到教学中，让学生将抽象的理论与实际生活结合起来，了解计算机理论的用途。这样做激起了学生的兴趣，学生开始积极思考，踊跃发言，课堂气氛非常活跃。具体到教学内容上，可适当引入以学生为主导的研究型设计创新环节，该设计应不局限于唯一正确的解答，从而鼓励学生优化设计方案并自行搜索课堂传授内容以外的任何有帮助的信息。其次，课堂教学要吸引学生，培养学生对专业的兴趣、对新鲜事物的好奇心和敏锐的观察力，应使用理论联系实际的教学方式，力求拓宽学生的视野和知识面。在教学中，教师应注意参考学科前沿的研究进展及成果，从中挑选出吸引人的、有实际意义的部分有机地融入课堂，促进学生对本学科前沿科学研究成果的了解，调动学生的好奇心，培养学生学习兴趣和研究热情，引导学生自主学习。在“多媒体技术与图像处理”课程的教学过程中，笔者将国际上多媒体和图像处理方面最前沿的发展穿插到课堂教学中，把ACMMultimedia、CVPR等顶级国际会议论文中的最新研究成果，比如，将基于内容的图像/视频搜索技术、谷歌无人驾驶汽车、微软亚洲研究院基于轮廓搜索的“MindFinder”等技术融入课堂，激发学生的学习兴趣。笔者在讲授上述3个例子时配有非常精彩的视频，令讲授过程生动具体，效果呈现形式多样化，使其易于被理解。学生可以从中了解到如何根据轮廓来进行交互式的图像搜索，如何进行图像的自动修复与去噪，无人驾驶汽车是如何工作的及其背后的技术。另一方面，在课堂教学中，把书本上的抽象问题具体化，枯燥问题趣味化，结合现实的应用实例，使学生了解理论是如何同实际相结合的，利于学生利用所学知识进行创新。更重要的是，深化创新教学应从本质上改变以成绩作为考核目标的单一评价形式，否则所作努力皆为徒劳。当被告知自行设计的方案和自主学习的成果将在很大程度上影响到课程的考核时，学生自然会摒弃单一追求试卷成绩的学习模式，将更多精力投入到创新的实践中来，潜移默化地养成研究兴趣和自学能力。评价学生学到什么及在某一方面有多大进步，应该与该领域的实际发展情况结合起来，而不应该仅考虑教学内容。

2.2丰富课外创新活动，培养协作能力

促进高校创新教育环境的建设，设置从兴趣小组、学术讲座、科技作品展示、各类竞赛到学术研究等不同梯度、不同形式、不同覆盖面的创新活动，使创新意愿强烈、学有余力的学生很容易就能找到适合自己个性施展的舞台。在这一过程中，着力培养学生的交流和协作能力，鼓励学生以小组的形式自由组队加入到团队中。不仅如此，在创新活动的选择上，教师或辅导员的引导尤为关键，应充分尊重学生的意愿和兴趣爱好，尽量鼓励学生选择应用性强的活动。近年来，西南交通大学积极开展了ACM大学生程序设计竞赛、数学建模大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、嵌入式设计大赛以及大学生科研训练计划等创新实践活动，学生表现积极并取得了一些成绩。学校可以开放实验室，并介绍实验室在研项目和最新研究成果，与课堂教学相辅相成，发掘有研究潜质的学生并进一步指导提升其参与兴趣和自觉性。2006年以来，西南交通大学在面向计算机专业的本科生中开展了大学生科研训练计划（SRTP），以培养大学生严谨的科学态度、创新意识、团队合作精神，提高他们的研究能力、创新能力和综合实践能力，实现创新人才培养，学校和实验室对该计划给予了一定的经费和条件上的支持。该计划鼓励学生以小组合作，自主规划完成方案和任务分配，尽量选择应用背景强、和实验室项目相关的创新实践题目，避免抽象的题目，有时也将大型科研项目的一部分独立出来作为选题。实验题目设置了分阶段、分层次的子目标，使参与的学生有明确的计划和阶段成功的成就感。大学生科研训练计划能培养学生的动手能力、创新能力和协作能力。项目大都结合实际应用，比如通过Android和IOS平台在手机上实现图像处理和编辑功能；构建购物搜索引擎并实现部分基于内容的搜索功能。通过团队成员的合作与讨论，最终完成项目。项目完成后，学生能力增强，收获颇多。

2.3加强创新实践中的心理指导

在对大学生进行专业技术和技能创新方面引导的同时，不能忽视对其心理方面的辅导。从大的方面讲，帮助学生树立理想和正确地规划人生，鼓励学生参与交流，培养其乐观开朗的性格，以及不畏艰苦、精益求精的钻研精神。在具体实施过程中，帮助学生克服初始的过度自信和遇到困难时的极度悲观，因为这种波动不利于创新实践活动的开展。教师要及时协调创新小组成员间思想和技术方案上的不同见解，以保证活动的顺利进行。学校可另开设有关思维科学、推理能力、心理学或方法论等课程，促进创新活动的开展，这都会对学生科学精神和创新意识的培养起到重要的作用。

三、结语

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[关键词]CSCL；协作学习；定量分析；定性分析

[中图分类号]G434　[文献标识码]A　[文章编号]1672-0008(2010)03-0093-09

在信息技术时代下，以技术为支撑的学习成为教育技术学领域的一个热点，也将成为未来教育技术学研究的趋势。技术如何支持有意义的学习、需要什么样的手段和途径，更是成为我们探究的中心。这是因为人类历史上每一种关键性技术的突破，每一种新技术的形塑，通常会导致人类生存方式乃至基本社会结构的转型，从而开拓新的生存空间，生成新的生活经验。计算机支持的协作学习正是这样的具有突破性意义的关键技术之一。计算机支持下的协作学习(com－puter Support Collaboration Learning，CSCL)是借助计算机技术与协作学习相结合的方式，探讨如何对学习过程的支持，并在帮助学习者获取知识和技能方面担当起重要的作用，成为教育技术学、学习科学等重要的研究领域之一。

最早与CSCL相关的研究可以追溯到上世纪80年代初，在圣地哥亚1983年举行的一个名为“共同问题解决与微型计算机”(Joillt Problem Solving and Microcomputer)的学术研讨会上。1989年由北大西洋公约组织(NATO)资助，在意大利的Maratea召开的一个关于CSCL专题学术会，被大多数人认为是CSCL诞生的标志。国外经过了近20年的发展，在研究内容和研究方法上取得了一系列成果。这对国内研究CsCL有什么样的启示?国内外研究取得了什么样的成果?还存在什么样的问题?很有必要对国内外CSCL研究现状进行分析。本研究正是基于上述的问题，将从定量和定性分析相结合的方法试图给予解答。

一、研究的基本框架――范畴与方法

(一)研究的基本范畴

CSCL研究是一个非常宽泛的领域，它结合了计算机科学、认知心理学、学习科学、教育学等领域知识，涵盖了从CSCL的理论、策略、脚本设计、学习方法研究，到支持CSCL技术工具、环境、角色、模型、交互、评价研究等一系列研究方向。归纳起来，CSCL研究的范畴主要包括以下四个方面：(I)CSCL的理论研究；(2)CSCL策略与方法应用研究；(3)CSCL开发设计研究：(4)CSCL评价研究。

(二)研究方法的选择

在上述研究范畴框架的基础上，本研究将从定性与定量研究相结合方法，对国内外大量文献进行分析。

1，定量分析的编码方案

把CSCL文献统计分析的一级类目分为：研究内容、研究方法。研究内容包括CSCL理论研究、CSCL策略与研究方式、CSCL开发与设计、CSCL评价研究四个子类，研究方法包括纯理论性研究、应用性研究两个子类。

2，国内文献的检索和抽样

对国内文献的检索方式，本研究通过CNKI(中国期刊全文数据库)，以“CSCL”和“计算机支持的协作学习”为关键词和题名，检索了国内教育技术领域七种核心期刊：《中国电化教育》、《电化教育研究》、《现代教育技术》、《中国远程教育》、《开放教育研究》、《远程教育杂志》、《现代远距离教育》1999年到2009年相关的文章，论文搜索总数为36篇。以上文献检索截至时间为2009年6月8日。

3，国外文献的检索和抽样

本研究对美国教育技术权威杂志EducationaI teehnology和第一份CSCL国际专业杂志ijCSCL(Intemational Joumal ofComputer-Supposed Collaborative Leaming)上发表的有关CSCL的论文进行了检索，以“CSCL”和“computer support col－laboration learning”为关键词和题名进行搜索，时间从1999年到2009年。以上文献检索截至时间为2009年6月8日。论文搜索总数为136篇。图1是2009-1999年国内外CSCL研究比较情况。

二、研究结果的分析――定量与定性

(一)定量分析

依据已经确定的定量分析的编码方案，笔者对国内外有关CSCL研究的样本文献进行了统计分析。

从表1可以看出，国内在以上四方面研究范畴上，论文总量差异性非常显著，分布不均衡。而国外在四个

方面的研究上总量差异不显著，分布比较均衡。与国外相比，国内研究目前存在的问题是：过于注重理论研究、策略和方法探讨，对于CSCL开发与设计和评价研究则很薄弱。这说明了利用计算机来支持协作学习过程，在技术应用方面还存在着问题：如何利用计算机技术来开展学习活动?什么样的计算机技术来支持学习是合理的?技术支持下的学习效果如何评价?是人评，还是机评?为了进一步说明上述的问题，本研究又做了进一步定量统计。具体见表2。

从表2和图1进行视认分析可知，我国在1999年才出现有关CSCL的研究，研究的内容主要是以CSCL的理论研究为主。如，CSCL的理论与方法、CSCL的教学评价、CSCL的原理与基本结构、CSCL研究的几个基本问题述评等，研究一直持续到2005年左右，在此期间的2003年出现研究的小高峰，成为研究的一个拐点，直到2006年则有所下降，但此后却又逐渐上升。可见，国内学者对CSCL的研究是逐年上升的，但与国外相比，上升的幅度太小。

但在2005年以后，我国对CSCL研究的主题方向发生了变化，由倾向基本理论的研究转向了应用研究，如刘黄玲子等研究了CSCL中的交互；章宗标等在基于CSCL的任务型数据上分析了网络教学平台的设计与实现，并以《Visual Ba－sic程序设计》为例；林书兵等研究了基于知识觉知的CSCL交互活动工具设计，等等。为什么在如此短的时间发生这么大的改变?国外在进行CSCL理论研究的进行了约10年之久，而国内倾向理论研究的时间约为7年左右。

究其原因，一个引发转变的关键是2005年在台湾举行CSCL国际大会主题的变革，大会题为“CSCL：未来十年”(CSCL：The Next Ten Years)，强调了技术的应用，更加关注新的信息技术和网络技术来促进有效的协作交互过程。把CSCL工具的设计、开发、应用与心理学结合，更好的服务于教学当中去。我国学者为了与国际研究接轨，很快将研究视线转移，但在研究转型的过程中，基于我国CSCL研究的整体水平并不高，主要从事理论性研究，研究方向转型需要一个缓冲期，所以在2006年数量上有所下降，这也是研究转型过程中出现的必然环节。

从表3可知，国内对理论性研究和应用性研究从总量上来说，还是比较缺乏，但分布比较合理。而国外研究比较重视应用性研究，在应用技术和方法上成熟度都较高。

总的来说，我国的CSCL研究经历了定义与原理、结构与模式、方法与策略、设计与应用、评价等发展过程；按时间顺序来看分为两个阶段：一是倾向理论研究阶段(1999-2005)，二是倾向应用研究阶段(2006-2009)。但理论研究和实践研究的步伐看起来有些脱节。特别在第二个阶段研究上，CSCL的应用研究还处在起步阶段，很多应用研究方法和策略都是借鉴国外的，原创性的研究相对较少。这可能与我们在协作平台和工具开发方面相对较弱有着紧密的联系。原因在于，开展CSCL活动时，若没有良好的协作工具或平台支持，那么参与者的互动水平将会受到很大的影响，活动质量也将随之下降。然而，我国对CSCL的理论研究也并未停止，在第二阶段中研究论文在比例上仍旧占有一定的数量。

(二)定性分析

CSCL是一个涉及多学科交叉的研究，涵盖面比较广。要准确、全面的对当前CSCL研究做定性分析十分困难。但从众多的研究文献来看，包括Gerry Stahl等人从历史的角度对计算机支持的协作学习进行的总结，Pierre Dillenbourg等人从设计到干预的角度，对计算机协作学习研究历程、现状与发展的研究以及历届CSCL国际会议主题和相关的论文报告等文献中，不难看出对当前的CSCL研究，可以从CSCL理论研究、模型研究、平台设计与开发、策略与方法、评价研究等进行定性分析。

1，有关CSCL理论研究

CSCL的理论研究涉及到CSCL的纯理论性研究(CSCL定义、性质、框架等)、理论基础探讨以及理论发展历程研究等。国内外专家学者对此都开展过有意义地探索。

对于CSCL的定义，不同的专家有着不同的界定。其中，Koschmann在2002年的CSCL大会上所提出的CSCL定义，是现今最具有典型代表的一个定义。他认为CSCL是一个这样的领域：它主要关注了在共同的活动情景中意义与意义建构(meaning making)的实践，以及通过设计人工制品作为中介而实现这种实践的途径。他把CSCL看作“意义形成的中介”，而“意义和意义建构的实践是公共的、可观察的社会共有现象。”此后，CSCL研究者有了更加明确的研究方向。依据这一定义，Stahl提出了CSCL研究的理论框架：①协作知识建构，②小组和个人的观点。③以人工制品为中介，④交互分析。他认为这四个主题内容将成为CSCL发展研究的新范式。

至今为止，CSCL发展在国外经历了三个阶段：1990－1995年为CSCL初始阶段。强调协作学习结果是共同理解的分享；CSCL环境的构建来自于多样性的社会交互。1995-2005年为CSCL成长期。这一阶段通过整合多学科领域的专家、理论来促进自身的发展，如，形成专门的学术机构，学术期刊(ijCSCL)发行，国际CSCL会议的规范化等等。2005年至今，是成熟与演变期。强调把协作学习整合到综合环境之中，是实现非协作活动的延伸；把数字技术镶嵌于本地环境之中，使CSCL成为一种“背景”，让计算机从有形到无形，即“消失的计算机”。而学习将“无处不在”。

国内研究者对CSCL理论方面研究也有相当多的成果，如，黄荣怀出了CSCL的理论和方法；赵建华在对Web环境下协作学习的研究中，提出了一个CSCL的基础理论框架；任剑锋述评了CSCL研究的几个基本问题，主要讨论了CSCL的性质、基本概念、其与相关概念的关系、CSCL的主要特点和CSCL的功效等基本问题；裴新宁通过访问国际学习科学协会前主席Heine Dillenbourg，对CSCL研究与发展的十个主题进行了阐述。

总的来说，国内近几年的理论研究，多以Koschmann的CSCL定义作为理论依据，把Stahl提出的CSCL研究新范式作为发展研究框架，更加关注应用性理论探讨，尤其是基于Web的CSCL应用，这将会成为未来理论研究的重要话题。

2，CSCL模型研究

模型是反映事物本质的概念抽象，是体现了人们对事物的再认知过程。这一过程不仅可以支持检验假设、推理以及认知技能，还可以支持有意义的学习和心智模型构建。所以，我们有必要进一步了解学习者群体内部成员间的交互协作模型，用于指导协作学习策略与方法的研究。CSCL模型研究是CSCL研究的焦点之一，特别是交互模型的探讨。CSCL模型有多种多样的，按协作成员关系，可分为星状、环状、树状、网状等；按协作过程的时间特征，可分为同步式和异步式。下面，我们将介绍在CSCL领域中出现的几种典型的小组协作模型，包括会话模型、协作知识构建模型、管理模型等。

(1)会话模型。会话模型是CSCL一种最基本的交互协作方式。成员间的协作主要是通过会话的形式实现，会话是协作活动的基本要素之一。Searle(1986)在会话――操作理论(Speech-Act Theory)基础上，通过研究协作活动的内部交互过程，认为协作可以通过语言／动作(Language／Actions)来完成，以五个基本“非语法含义”特征来描述语言／动作：断言、指令、承诺、宣布、表达。图2就是Searle提出基于语言动作的基本会话交互模型。

(2)协作知识构建模型。CSCL研究目标之一是在社会文化背景下，提高成员之间的协调能力，同时在与他人交互协作过程中，主动建构自己的认识与知识。Stahl从认知心理学、协作学习理论以及社会实践理论为理论基础，提出了一个个人知识与社会知识构建的相互结合作为CSCL协作学习过程的学习模型，即协作知识构建模型。它明确指出了与个人心理相关的历程和被认为是社会化历程之间的关系。

(3)协作过程管理模型。西班牙Ciudad大学的Barros和Verdejo从本体的角度出发，提出一个CSCL互动协作过程的管理模型框架，区分了不同的交互协作分析的层次。便于协作过程管理；定义了一系列代表交互协作的属性。其中，在该模型中包括了几个基本本体：学习目标本体(learning goal ontology)、辅导学习行为，活动本体(Tutoring action ontology)、OGF目标本体(OGF goal ontology)和OGF角色本体(OGF role ontology)。

国内学者对CSCL交互模型分析也进行了深入的研究，如刘黄玲子等人基于活动理论对活动系统的解析出发，提出了CSCL交互研究的理论框架――TAP2模型，认为话题转换、情感变迁和过程模式是CLCL交互研究的三个重要维度；赵建华设计了一个基于Web的CSCL系统模型――WIN－COL模型，其中包括“个人责任－社会协作－知识建构”三个维度；程向荣等采用了AHP(Analytic Hierarchy Process，层

次分析法)方法来确定选择伙伴的因素，构建了计算机支持的协作学习的伙伴模型。

CSCL关于群体协作模型的研究还有待深入去探讨，才能准确的描述群体协作过程，群体认知特征以及模型结构与关系的变换条件等等，这些关键在于我们如何把协作交互模型与所需的技术支持结合起来，把社会科学与CSCL结合起来进行跨学科研究。

3，CSCL平台系统研究

许多CSCL的平台系统根据自身的分析功能不同可以进行分类。我们从平台的分析功能：过程分析(分为对话过程、问题解决行为)、解决策略分析(策略单元分析、策略整体分析)，过程――策略分析三个维度进行简单的归纳。具体见表4。不难看出，目前的CSCL平台功能越来越强大，其应用研究呈现一种多元化的趋势，这种趋势表现在以下几个方面：随着开源软件的发展与Web 2.0中所隐喻的新理念的融入，进一步对平台或工具进行技术改造，功能进行整合和完善，以实现资源聚合和重用；通过信息技术与认知科学的研究相结合，对揭示人的感知、学习、注意、意识等心智活动过程和人脑信息加工过程的研究来开展对个体和群体在线认知方面的研究；以知识建构和意义生成作为研究目标，利用技术手段(网络技术、软件设计技术和协同技术等)来支持群体协作交互和思维建模。这些趋势将成为CSCL平台系统在未来开展研究的热点。

4，CSCL研究方式

在CSCL领域中，其研究方式按实验类型有三类：实验性研究、描述性研究和基于设计研究。实验性研究方法主要是在控制变量条件下，通过人为的控制与创造一些条件，使研究现象产生，并对控制变量加以操纵来确定实验条件与结果之间的“函数”关系。如，Soller＆Lesgold利用隐马尔可夫计算方法的EPSILON工具、Avouvis等人间采用OCAF(面向对象协作分析框架法)方法以及Baker和Lund利用C-CHENE工具在解决特殊问题的交互过程中，利用自动编码的方式，对学习者交互内容或日志进行分类和计数。通过统计方法分析控制变量与学习小组和学习者的学习绩效的函数关系，并在此基础上得出控制变量如何影响学习行为或结果的结论。这类实验方法对实验环境要求较高，需花费大量的人力、物力和时间去控制对象和环境，对实验过程进行有效的控制相当不易。

描述性研究，主要是以研究者本人作为研究工具，在真实的情景下，使用归纳法分析资料和形成理论，通过与研究对象交流、互动对其行为和意义建构获得解释性的一种活动。刚其理论基础是扎根理论，更多的关注丰富多彩的“人类活动的世界”。如，Andersson利用描述性话轮分析法来分析视频观察材料。这些材料主要记录了多个小组(2～3人／组)在使用软件来解决数学问题的交互过程，其目的是分析学生在会话过程中的交互角色及分析交互过程来获知学生如何架构学习情景。还有Milhlenbrock和Hoppe提出CARD－BOARD分析方法以及Constantino-Gonzelez等人提出的COLER方法都属于描述性研究方法。描述性研究方法在分析问题时，有收集的数据量大，分析过程相当的耗时，描述语言不够准确、有歧义产生的可能等缺陷。

还有一种研究范式称为基于设计研究(Design-based Re－search，简称DBR)，由Collins和Brown提出，DBR结合了实验研究方法和描述性研究方法特点，强调在实际CSCL的协作学习情景中，通过设计的变量来不断优化学习环境和学习干预手段，以更好的理解和促进学习者的学习和教育。所以，DBR具有“准实验研究法”的特点。基于此，许多学者在实践中开展了基于设计的研究。如，Nelson、Dede等利用多用户虚拟环境(简称MUVEs)在“河流城市”项目中开展基于设计的研究。美国Vanderbilt大学认知与技术小组(CTGV)应用视频光盘来促进小学学生应用数学知识解决问题的能力所开展的设计研究。对于基于设计实验研究方法，我们需要注意的是对结果进行讨论、做出解释和概括以及结论一般化时，必须保持谨慎。

国内学者对上述三种不同的研究方法也分别进行了探讨，并已经取得一定的成果。如庄慧娟以实验方法对CSCL中成员知识共享的需要特征与激励策略进行了实证性研究。谢幼如等人例利用质的研究方法对网络的协作学习活动的基本形式进行了分析。吕林海运用设计研究的方法以对称概念作为探究主题，在真实教育情境中分析学生的对称概念学习及理解的规律。

总之，我们在应用研究方法上，一定要把握住“适度”这把尺子，既不要让思辨的激情燃烧了数字理性，也不要让数字崇拜压抑了我们思想的火花。因此在研究方法采用上，可以有偏好，但不能有偏见，应该以更具包容的心态兼收并蓄，这才是我们所需把握的关键。

5，CSCL评价研究

CSCL评价一直是CSCL领域中倍受关注的话题，因为它涉及到CSCL协作交互过程，学生学习状况，教师的指导情况等多个方面。而且，CSCL评价方法与课堂评价方式有所不同。这主要表现在：(1)评价的环境有所不同。CSCL评价既可以在现实教学环境中进行，也可以在网络虚拟空间中进行；(2)评价的主体不同。CSCL评价主体扩展了课堂评价的主体范围，既可以是教师和学生，也可以是家长和专家、管理人员等；(3)评价方法与内容不同。CSCL评价从方法上既关注结果，又关注过程；从内容上，既关注小组表现，又关注个人的表现，甚至还关注个人在小组中的绩效差异。因此，CSCL评价不仅在于协作技能与知识的评价，还更关注学生和协作共同体成长的过程。

CSCL评价一般包括了CSCL评价处理方法、评价指标体系、评价辅助工具、评价模型设计等等。根据CSCL对结果和过程已有评价的相关文献，我们从评价方法、评价内容和评价工具三个方面进行了整理和汇总，列举一些常见的评价方法，具体见下表5。

其中，对协作交互的评价研究成为不同的学者研究CSCL评价的重点。我们对交互评价分析的重点聚焦在交互分析模型或编码体系的研究方面，通过总结和归纳来了解交互评价情况。有些学者从个体协作交互水平上建立交互分析评价模型或指标编码，如，Henri以认知主义的有关理论与方法为基础，对协作学习中的交互以五个维度进行评价。这五个维度分别是参与性(participative)、社会性(social)、互动性(inter-acdonM)、认知性(cognitive)和元认知性(meta-cognitive)。其中，参与维度分为两个类别：一类仅只包括参与的教师和学生，另一类包括所有参与者(教师、学生、管理者等等)。互动维度细分为五种形式：直接评论、直接响应、间接评论、间接响应、独自陈述。认知维度分为：初级澄清、进一步澄清、推理、判断、策略应用等五个类别。元认知维度包括元认知知识和元认知技能两个部分。这五个维度主要关注了互动的社会性和在小组中个体的交互过程，为我们了解个体在交互过程

中认知与元认知过程提供了一个分析模型。但他没有在小组层次上对于社会知识建构给出有效的分类。

Newman等人在Henri的认知技能分析和Garrison的关键性思维五个阶段的划分基础上，提出了交互内容分析的10个维度：相关性、重要性、新颖性、外部知识、明确性、关联性、判断、关键性评价、实用性、理解的广泛性。这些维度主要强调了关键性思维、社会交互、深度学习之间联系，并对每一个维度设置了一系列能被编码的正，反向指示词。Gunawardena等人对Newman和Henri的模型进行了改进，并提出了一个包含五个阶段的知识建构交互模型：第一阶段是分享和比较信息，包括观察、举例、澄清、问题鉴别、主张；第二阶段是发现与探索有关概念、观点和表达之间的差异和矛盾；第三阶段是意义协商或知识建构，包括了协商、鉴别、提出新的建构方法；第四阶段是对共同建构的结果进行验证或修改；第五阶段涉及到一致性结论和应用方面，包括学习一致性达成、新知识的应用以及它们的元认知状态。在Gunawardena的模型中，视交互作为一种知识建构的工具，并强调了在协商过程中知识建构的整体性。

还有些学者从社会互角度和群体协作交互水平上来分析与评价知识建构过程以及进行编码。比如Weinbcrger和Fischer在CSCL学习环境中，从五个维度来分析在讨论过程中社会性知识获得的交互模型，这五个维度分别是：参与维度、认知维度、辩论维度、社会性维度，其中每个维度都有明确的内容和含义说明。Pena-Shaff和Nicholls从在线讨论的情景下，对交互性知识建构提出了11种认知加工类别，分别是：冲突、解释、澄清、判断、断定、反思、一致性确定、疑问、回答、赞成、其他。其中，前6项认为与社会知识建构更为密切。还有Veldhuis从学习活动的角度来关注协作学习过程，提出了知识建构过程的编码体系，该体系分为以下四个大类：(1)认知活动：如争辩、提问、引用外部资源；(2)元认知活动：有关认知活动的规律，与自我意识、自我控制、自我调整相关的知识和技能。如学习任务的计划、对完成任务的反思和评价；(3)情感活动：在学习过程中发生的情感交流；(4)其他活动：不能划分到以上三类的活动。

国内对协作交互的评价研究也有一定的成果，如学者陈向东等人依据Henri的模型框架，对在线异步交流文本进行分析，提出了一个交互分析类目以及含义的框架。还有刘黄玲子等人基于交互分析的协同知识建构的研究、王晶旧的基于讨论区的协作学习交互文本分析、朱伶俐的网络学习社区交互文本编码体系的设计及应用等，这些研究都从认知存在、社会存在和教学存在三个视角对交互进行分析。其中，认知存在体现在从认知层面上考虑的协同知识建构过程的五类言论上：共享、论证、协商、创作、反思。社会存在体现在社区积极情感、消极情感、提问或求助、解释或提供帮助四类言论上。教学存在体现在组织教学、促进讨论、引导思考三类言论上。但国内的研究多数还是关注个体层面上对交互进行分析以及评价，在群体或小组上对交互进行整体性评价方面，还有所欠缺，特别是个体成员在小组中个人贡献的绩效评价，还需要进一步研究。

三、讨论与启示

从上述的定量与定性分析来看，国内对CSCL研究主要集中在理论、平台开发、实践应用等方面。虽然取得了一些成果，但客观上说，我国在CSCL研究各个方面在处在起步和发展阶段，总体上是在借鉴与探索国外的成果上进行着发展。目前，在CSCL理论研究方面，主要表现是一种“说明性”的，无法充分对实践研究做出指导，需要向“处方性”理论转变。在平台设计开发方面，过多的集中于对学习资源的单向性供给，强调了知识建构，由“单一性学习”向集体知识的“协作建构”实现了“以活动为中心”的学习，但对于以服务为特征的资源自适应设计、多用户交互性操作、与其他平台的“无缝”集成与聚合等方面有着很大的欠缺。在实践应用方面，更多的关注在平台在协作学习中的应用，以探讨协作学习内部机制，学习者通过在平台开展一系列学习活动后，以量化的形式给予协作学习绩效评价，等等，但在协作活动开展中，却忽视了以情感交互为需要认知方式、以需求为特征的激励策略和以觉知(awareness)为前提的协调(coordination)机制等方面运用。因此，根据当前CSCL领域的研究现状及实践情况，还需进一步对如下几个热点领域的发展给予重视。

(一)智能化交互分析的支持

交互分析(interaction analysis)一直是CSCL发展的关键，也是一个瓶颈。它直接影响着协作学习的绩效、情感的投入程度和协作活动开展的效率，并成为CSCL应用与研究的重要标志之一。CSCL交互分析大致经历三个阶段：第一阶段是基于文本对话的交互分析。在协作学习情景下，根据对话理论(Dialog theory)，强调学生知识构建和协商意义的生成。常见的系统有Soller的EPSILON系统和Baker的C-CHENE系统，这类系统着重于交流行为的分析。第二个阶段是基于活动的协作交互行为分析。依据活动理论，强调对问题解决过程的支持，能够描述小组的交互活动情况并给予一定的质性分析。常见的系统与方法有SINERGO系统、OCAF分析方法。这类系统通过对交互行为分析为不同协作情景而提供不同的问题解决方法。第三个阶段是智能化的交互分析。这一阶段利用CSCL的交互分析与ITS(智能授导系统)的智能技术结合，为学习者提供个人导师(智能)以改善学习过程。不仅强调了对学习者和学习小组的交互行为的记录，为其提供觉知因素(如，空间觉知、知识觉知、任务觉知，等等)，而且还强调了对学习者模型的维持和自动的为学习者提供适合学习反馈。这一阶段还在发展，没有达到完全智能化分析交互，但有一些系统可以实现半智能化的交互分析，如COLLECE系统、KERMIT系统、BELVEDERE系统等。这三种交互分析方法在现今的研究中仍并存着。

所以，交互分析的智能化将成为CSCL发展的趋势，主要表现在以下几个具体方面：(1)交互分析算法的改进；(2)交互分析工具的自动化(包括同步分析工具和异步分析工具)；(3)分布式交互计算分析；(4)情感交互分析。

(二)协作学习系统的可视化

无论在网络环境下，还是在课堂面对面的交流中，开展CSCL活动可能会遇到信息、知识、数据传递的障碍，究其原因，可能是活动情景创设不足和文字交互引起工作记忆负荷过大。特别在CSCL中获取交互数据后，利用系统的文本界面来分析，不仅分析工作是相当繁冗，而且还不易发现隐藏在数据中的交互结构和关系。

面对这样的挑战，可视化技术的发展为解决这样的问题提供了可能性。可视化(visualization)技术是指把文本、数据等信息转换为图形、图像等直观视觉化表征形式的一种技术。

有关实验心理学家关于人类获取信息来源的心理实验表明，视觉是人类获得信息的最主要渠道，人类获取外界信息83％来源于视觉。所以，这类技术利用了人类对可视化模式能快速处理的自然能力，将人的大脑和计算机这两大信息处理系统结合起来，以可视化方式来满足人们观察、分析、理解、操作信息的需求，以达到对信息的理解、处理和监控。

可视化技术常见的有信息可视化(Information Visualiza－tion,IV)、数据可视化(Data Visualizative,DV)、知识可视化(Knowledge Visualization,KV)、科学计算可视化(scientific Vi－sualization,SV)。一些研究者采用了可视化技术来解决数据分析和模式解决的问题。如，Suthers&Jones在可视化课程需求环境中利用Belvedere工具实现了解课程参与者的交互情况。France等设计了学习者不同学习阶段的交互性活动图表。李艳燕、黄荣怀等在CSCL学习评价中利用VINCA工具对协作学习交互情况进行可视化评价分析。

在协作学习系统应用可视化的方式，其目的不是在于对转换图形、图像的本身，而是通过转换增强学习者的认知能力和洞察力，帮助学习者能快速的理解协作学习空间的结构和发现所需要信息，有效防止信息迷途和交互迷航等。同时，它也是协作知识发现和数据发掘的新的途径之一。但事实上，CSCL中进行可视化的绝大多数研究工作都还处在发展新技术和构建一些新系统方面，原有的一些网络学习系统，如WebCT、Blackboard等在可视化技术应用方面还是非常有限的。因此，在CSCL开展可视化研究，将学习者特征、任务特征、交互特征、评价过程特征以及其他模式等以可视化的方式呈现给学习者、指导者和管理者，让CSCL系统成为一个真正具有可视化特征的学习系统，是CSCL应用研究值得探索的方向。

(三)对非良构领域的支持

从国内外文献分析我们知道，CSCL对良构领域(Well-define Domains)的支持有着很大的进展，如，WebCT、VTM、EPSILON、COLLECE等系统工具对良构领域中的知识建构起很大的帮助作用。在过去20多年间，CSCL已经在数学、物理、化学、英语以及校际间开展的协作等方面有所应用，并被绝大多数教育技术领域学者通过实证研究，认为在学习与教学领域是有效的学与教工具。但是大多数CSCL平台与工具系统的开发与研究都集中在良构领域。良构领域的问题设计通常是结构良好的、有固定答案的问题，待解决的问题可以表示为一个形式化且清晰的领域模型。在良构领域的教与学过程中，教师通常考察学生学习情况问题可以进行对与错的分辨。在良构领域中一般多采用模式跟踪授导系统，即将领域知识转换为一系列的学习问题，并提供清晰的解决问题的策略和思路，依据对问题回答的对与错来评价学习结果，利用反馈和学生的问题解决步骤与领域模型比较来提供学习帮助。但是我们在现实中所面临的问题大都是非良构性(define Domains)问题，如，历史、法律、文学等领域问题。在特定情景中，由于缺乏明确清晰的模型和形式化描述工具，是无法对生活中的问题进行明确的界定，而且对于问题的解决可能是有多种解决方案、途径或者一个解决方案也没有，没有绝对的问题答案。

所以，CSCL在非良构领域的研究面临着一系列的挑战，主要有：在问题不确定时，如何提供适合的搜索空间和推理策略；对非形式化问题的表述如何转换成机器可识别的形式化问题；在问题不明确的情况下，如何给学习者提供有效的反馈；对于学习经验的归纳采用什么途径，等等。但是，有挑战就有发展。在非良构领域的中对知识表征、推理与搜索策略、学习评价与经验的总结等方面的研究，都是推动CSCL向智能化前进和发展的方向。

(四)面向CSCL的Script设计

CSCL Script研究成为CSCL设计研究的又一个热点。因为Script能够对CSCL过程进行形式化描述，减少协作学习过程的不确定性和风险。Script一词主要来自图式理论(Schema Theory)，是在特定学习情景下，学习者行为和动作序列集合的一种知识结构。Kollar等人认为，CSCL Script是一种方法。能够帮助学习者参与学习并获取结构性知识。Weinbergcr等人认为CSCLSeript是一个学习工具，能在特定的学习情景中为学习者完成任务提供过程性指导。不管它是一种方法，还是一种工具。有一点可以肯定的是，CSCL脚本强调了利用计算机软件技术来支持脚本化的协作学习过程，同时，也鼓励了学习参与者进行交互和协作，促进参与者的认知过程和社会化过程。Hubcr从实践中发现并证实了脚本化方法能直接促进协作学习过程与知识建构。

Script一般由五个部分组成：学习参与者、学习群体、角色、活动和资源，其中，角色、活动和资源三者之间关系在于，角色通过执行活动来开展协作学习，活动通过学习资源提供的学习材料和工具来支持协作学习。这些组成部分通过小组构成、任务分配和序列化三种机制以实现对协作学习进行协调和设计。典型的一个CSCL Script模型――MURDER-scrip，是由O’Donnell和Dansereau提出的，后经过实践修改及完善，用于不同协作学习类型的实证研究。该模型的核心活动序列包括了五个阶段：关注目标、任务理解、学习回忆、效果检查、详细分析、综合评论。这种模式使得学习者通过对回忆和检查等角色的轮流扮演，每一个学习者能够参与到学习活动中，直至学习任务的完成。

CSCL Script设计的提出，使我们可以知道学习者或者学习小组如何扮演角色，各种学习行为如何按照顺序协调工作，行为如何在设定序列的支持下实现协作学习目标，以及通过不同粒度类型(宏观的CSCL Script包括活动学习序列，微观的CSCL Script包括学习素材和学习工具)和不同学习情景如何来实现标准化协作学习过程，等等。同时，CSCL Script也有值得我们进一步关注的地方，如，对活动的连续性描述的支持、Script粒度的处理、Script模式优化与重用、CSCL Script协作平台的开发，等等。这仍需要我们做大量的研究工作。