神经网络基本知识范文

导语：如何才能写好一篇神经网络基本知识，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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关键词：人工智能；深度学习；教学建议

0 引言

传统的人工智能课程主要包括人工智能导论、模式分析、机器学习、数据挖掘等。这些课程由各个院校根据专业情况不同而选择，课程的内容也有较大差别，但是，基本上都涉及人工神经网络的内容。然而在人工神经网络的教学内容上，一般只讲解经典的多层感知器和反向传播算法，或再加入一些反馈网络的内容，这种教学内容设计的一个不足是忽视了人工智能领域的最新发展——深度学习，它是近几年人工智能领域最具影响力的研究主题，并在大规模语音识别、大规模图像检索等领域取得突破。

北京邮电大学计算机学院开设人工智能科学与技术的本科专业，笔者从事深度学习的研究工作，同时承担了本科生和研究生人工智能类课程的教学工作，因此产生了将深度学习内容引人人工智能类课程的想法。本文先介绍深度学习的背景，说明深度学习在人工智能发展中的地位，之后分析了将深度学习基本内容引入人工智能类课程的必要性和可行性，最后给出了一些实施建议供探讨。

1 深度学习背景

2006年，加拿大多伦多大学的GeoffreyHinton教授与Salakhutdinov博士在美国《科学》杂志发表了题为“Reducing the Dimensionality ofDatawith Neural Networks”的论文，该文提出一种学习多层神经网络的方法，并将这种具有多层结构的学习方法命名为深度学习（Deep Learning），而这成为深度学习研究的一个导火索，从此深度学习的研究与应用蓬勃发展起来。

深度学习在语音识别与生成、计算机视觉等应用领域取得了突出进展。近几年的国际机器学会（International Conference on MachineLearning，ICML）、神经信息处理大会（AnnualConference On Neural Information Processing Systems，NIPS）、计算机视觉大会（InternationalConference on Computer Vision，ICCV）、

声学语音与信号处理大会（International ConferenceOn Acoustics，Speech，and Signal Processing，ICASSP）、计算语言学大会（Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics.ACL）、计算机视觉与模式识别（InternationalConference on Computer Vision and P atternRecognition，CVPR）等都有不少相关的研究论文、会议教程和小组研讨会（Workshop）。美国国防高级研究计划（DARPA）也提出了关于深层学习的研究项目。此外，2013年6月《程序员杂志》的封面故事，采访了周志华、李航、朱军3位国内的机器学习专家对于深度学习的看法，他们一致肯定了深度学习在机器学习领域的贡献。

工业界对深度学习也寄予了很高期望。2012年6月，《纽约时报》报道了斯坦福大学计算机科学家AndrewNg和谷歌公司的系统专家JeffDean共同研究深度神经网络的机器学习模型在语音识别和图像识别等领域获得的巨大成功。2012年11月，微软公司在天津公开演示了一个全自动的同声传译系统，其关键技术也是深度学习。2013年1月，百度公司首席执行官李彦宏先生宣布建立深度学习研究院（Institute of Deep Learning）。2013年3月，谷歌公司收购了由深度学习创始人Geoffrey Hinton创立的公司。

从学术界与工业界的研究态势看，深度学习已经成为机器学习与模式识别，乃至人工智能领域的研究热点。正是在这样一个背景下，人工神经网络重新回到人们的视野。此前人工神经网络的发展大致可以分为两个时期，1943年，McCulloch和Pitts提出了最早的人工神经元，这种神经元具有学习能力，这是人工神经网络的发端，也可以被认为是人工智能的发端（当时还没有人工智能这个术语）。1949年，Hebb提出了Hebbian学习算法。1957年，Rosenblatt提出了感知器的神经网络模型。1969年，Minsky和Papert分析了这种感知器神经网络模型的局限性。然而，很多研究者认为，感知器的这种局限性对于所有的神经网络模型都适用，这使人工神经网络的研究很快暗淡下来。1980年代中期，诺贝尔奖得主John Hopfield提出了Hopfield神经网络模型，这种Recurrent神经网络具有的动态性有可能用于解决复杂的问题。同时，多层前向神经网络的后传算法也被重新发现，这两个工作使人工神经网络得到重生。这时，人工神经网络已经成为人工智能的一个重要组成部分。但是，在随后的研究中，人们发现，当学习多层神经网络包含更多的隐藏层时，后传算法并不能学到有效的网络权值，这使得神经网络的研究再次陷入低潮。此次以深层神经网络为代表的深度学习重新回到研究的舞台，其中一个重要因素是Hinton提出的逐层预训练神经网络方法治愈了多层神经网络的一个致命伤。

2 必要性与可行性

深度学习的发展使得从事教学一线的教师也无法忽视这个颇具影响力的研究主题。为此，我们提出将深度学习这个主题引入到人工智能类课程中，将它作为课题教学的一部分。

2.1 必要性

将深度学习这个主题引入到人工智能类课程中的必要性主要包括如下4点。

1）深度学习是人工智能的前沿。

2006年以来，深度学习的研究席卷了整个人工智能，从机器学习、机器视觉、语音识别到语言处理，都不断涌现出新的研究工作和突破性进展。深度学习不仅在机器学习领域成为研究热点，同时在多个应用领域也成为有力工具，而且，在工业界的系统应用中，深度学习成为其中的关键解决技术。

2）深度学习是人工智能的突破。

深度学习的发端是神经网络。关于神经网络的论述，在人工智能类常见教科书中还停留在多层神经网络，即神经网络的第二阶段，它们大部分描述多层结构无法训练的现象。但是，从深度学习的角度看，深层神经网络不仅可学习，而且有必要，这与第二代神经网络的观点是完全不同的。深度学习突破了原有人工神经网络的认识，超越了人工智能神经网络教科书中的原有内容，因此，有必要将多层神经网络结构的可学习性告知学生，从新的视角纠正原有的观点。

3）深度学习是人工智能的延伸。

深度学习不仅提供了一种可以在深层神经结构下训练网络的方法，也包含了不少新的内容，是人工智能的新发展，为人工智能补充了新的内容。到目前为止，深度学习至少包括：从生物神经网络与人类认知的角度认识深层神经网络的必要性；如何构建和学习深层学习网络；如何将深层结构用于解决视觉、语音、语言的应用问题；如何看待深度学习与原有的机器学习方法，如流形学习、概率图模型、能量模型的直接关系；深度学习与其他学科的关系等。

4）深度学习是学生的潜在兴趣点。

大学生对知识有着强烈的好奇心，加之当前信息技术的发达，部分对智能感兴趣的学生可以从其他途径了解到这个学科发展的前沿。因此，顺势而为，将深度学习这个主题做具体讲解，满足学生的好奇心，培养他们对学科前沿与发展的认识，是十分必要的。对高年级的学生而言，了解深度学习的基本知识，是他们全面认识人工智能与发展前沿的一个途径，而对于研究生，较多地了解和掌握深度学习的基本知识有助于他们研究工作的开展。

基于以上几点，笔者认为，将深度学习这个主题引入到人工智能类课程中非常有必要。深度学习作为人工智能的前沿，既是对人工智能原有理论和技术的一个突破和补充。

2.2 可行性

将深度学习引入到人工智能类课程中的可行性主要包括如下3点。

1）深度学习与现有人工智能联系密切。

深度学习并不像突兀的山峰拔地而起。而是深深植根于原有的人工智能理论与技术。深度学习是以神经网络为出发点，这正是深度学习教与学的切入点。比如，可以通过对多层感知器隐藏层的增加和后传算法的失效来讲解深度学习是如何解决这个问题的。再者，深度学习的一个核心构建“受限波尔兹曼机（Restricted Boltzmann Machine）”，可以被认为是一种能量模型，而这种模型与Hopfield网络都可以从物理学的能量模型角度分析，RBM可以认为是Hopfield网络的随机扩展。总之，深度学习与现有人工智能的联系，使学习深度学习变得容易。

2）深度学习的基本内容并不深。

深度学习有个很好的名字，这个名字恰当地描述了特定的学习结构。比如，深度学习的核心部件受限于波尔兹曼机RBM，其结构非常简单。从神经网络的角度，受限波尔兹曼机是一种随机的双向连接神经网络，信号可以从可见层传递到隐藏层，也可以从隐藏层传递到可见层。网络中每个节点是具有特定结构的神经元，其中的神经元具有典型的包含自身偏置的Logistic函数的随机单元，能够依Logistic函数计算得到的概率输出0状态或1状态。概括地说，深度学习的基本内容在高年级阶段较易掌握。

3）深度学习的资料容易获得。

当前的信息资讯非常发达，有相当多的资料可以通过互联网等多种途径获得，这使学习深度学习成为可能。近期，中国计算机学会主办了多个技术讲座均涉及深度学习的部分；深度学习的创始人Hinton教授的主页也有很多资料；Coursera网站有免费的Hinton教授的神经网络课程；斯坦福大学的Ng教授提供了很多的在线教程；蒙特利尔大学Bengio教授发表的题为“Learning Deep Architectures for AI”的论文也是这领域的优质资料。

3 实施建议

在具体的教学过程中，笔者建议适当安排深度学习的最基本内容，内容不宜过多，也不宜占用过多的学时，可以根据教学对象的不同进行调整。比如，本科生的高年级专业课可以安排1学时的教学量，介绍层次训练的基本算法；也可以在高年级前沿讲座中安排2学时，内容覆盖面尽可能广泛。在研究生的教学中，可以根据教学的课程主题安排内容与学时。比如，神经网络主题的课程可以安排4-6学时的教学内容，包括波尔兹曼机及学习算法、深层信念网络与学习算法、深层波尔兹曼机与学习算法卷、积神经网络、自动编码器等。结合应用，课程还可以包含MNIST数字识别的应用、人脸识别的应用、图像检索的应用、语音识别中的应用等。另外，深度学习是一个实践性很强的研究，随机性：大规模（意味着数据不宜可视化，程序运行时间长）等多种因素混合，使深度学习在学习中不容易理解。为此，可以在条件允许的前提下，增加小规模的实验，辅助理解。最后，课件可以通过对优质资料做修改得到。

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关键词： 网络课程 评价模型 评价方法

网络课程是基于Web的、以超媒体形式表现的、以异步学习为主的课程，它是基于Web传输的为达到某学科或领域的教学目标而设计、组织的相对完整的学习经验体系，它包括围绕特定学习目标而设计组织的学习内容、为实施课程而设计的交互性学习活动、为评价课程效果而进行的测评等，是学习内容与学习活动的复合体[1]。网络课程作为一种重要的数字化学习资源，是当前高等学校开展远程教育、进行信息技术与课程整合的关键。网络课程的质量是制约整个网络教育质量的一个关键环节。

国内外对网络课程的评价十分关注，产生了很多有价值的评价标准。我国教育信息化技术标准委员会有专门的课题组进行网络课程评价标准的研制，最新公布的《网络课程评价规范》从课程内容、教学设计、界面设计和技术四个维度构建了评价网络课程的基本框架。而当前网络课程评价研究的重点之一是网络课程评价方法研究。

一、网络课程典型评价模型

1.总分法及加权平均法

总分法是对评价对象按每一个影响因素给出一个评定分数，然后用所有分数的总和作为评价标准的一种综合评价方法。总分法将每个因素都看成是同等重要的，但是，在许多需要进行综合评价的场合，不仅应该考虑因素的性质和多少，而且应该考虑各因素的重要程度。加权平均法对不同因素的重要程度赋予一定的权重，在对各个因素进行评分的基础上进行加权平均，再用加权平均值作为评价标准的一种综合评价方法。显然比总分法能给出更加合理的评价结果。因此，很多网络课程评价时，经常采用这种方法。

总分法和加权平均法简单易行，但评价方法没有考虑到网络课程评价中许多非量化的因素，很多评语集的语义都含有一定的模糊性，评价者在给某一指标打分时，会有一定的随机性。如果简单地将这些量化值合并，就必然会损失一些信息，导致不准确的评价结果。

2.模糊综合评价法

模糊综合评价法为非量化评价与量化评价的结合提供新的思路。对于网络课程系统来说，其评价指标大多面临“模糊”或“不确定性”，模糊综合评价法正是研究不确定性问题的有效处理方法；评价指标具有多层次、相关性，所以通常将模糊评判法和层次分析法相结合。通过对各评价指标权重及模糊评判矩阵各元素值的分析，可对被评价网络课程存在的问题提出改进的建议，评估模型实用性强、可靠性高。

很多模糊评价模型中常见最大隶属原则，因此会损失部分有用的信息；在网络学习的评价过程中，如使用模糊综合评判方法，对服务器的要求很高；模糊综合评判指标体系必须满足矩阵式，它不能按网络课程与评价指标的具体情况分级。

3.基于云模型的综合评价法

云模型可以统一描述语言值中大量存在的随机性、模糊性，以及两者之间的关联性。云模型利用语言值描述的定性概念与其数值表示之间的不确定性转化模型。教育相关的研究领域中，基于云模型综合评判方法目前被一些学者引入，利用云发生器可以实现评价指标评语的定性定量转换，还可使用云模型的方法处理评价数据。

该评价系统对于评价人数较少时，使用逆向云算法会存在不可信的结论，比如专家评价网络课程时人数肯定不会很多。另外，在相似云的算法中可能会由于权重选择不当而导致相似比较值出现偏差，导致最终的评价结果的准确性不高。[2]

4.基于灰色系统理论的网络课程综合评价方法

网络课程评价是一个多属性的、多层次指标体系构成的综合的评价过程，注重于对内容、资源和寓于内容之中的教学策略和学习策略的评价。在具体评价过程中，评价指标显然决定了评价的内容，是网络课程评价的基础。灰色系统评价方法可以使具有小样本性、不确定性及模糊性的评价结果更加合理，为网络课程的多元化评价提供参考和借鉴。

5.物元评价模型方法

物元分析是系统科学、思维科学和数学科学的交叉边缘学科。利用物元理论可以建立一套识别“既是又非”和可变性事物的方法。该模型为网络课程的评价提供了一个新的视角，不仅能够从定性与定量两个维度使评价结果更准确、更全面，而且能体现出对评价结果的反馈，更好地优化网络课程。该方法是对网络课程评价研究的有益探索，但有待在实践中继续完善。[3]

6.神经网络方法

BP人工神经网是一种多层前馈型神经网络。基于BP神经网络模型能较为精确地模拟专家进网络课程的内容质量评价，并能较好地反映专家结论。这样可以避免专家重复劳动，并减少人为因素导致的错误。可以借助神经网络方法进一步对网络课程其他指标进行评价，也可以将其他指标进行综合后作为输入神经元，最终得到多个输出评价结果。如何设定更加科学全面的评价指标，质量高的样本库，以及如何针对学生进行辅学习方面还需要进一步考虑。

二、关于网络课程评价方法的进一步探讨与思考

1.网络教学与课堂教学的结合

在线学习的出现改变了传统的教学模式，随着信息化的不断发展，逐步从以教师为中心的传授型教学转变为以学生为主的，根据自身知识结构不同进行的索取型教学。通过学生自学和网络教学的方式，积极调动学生参与到教学中，从而在课外完成某些特定内容的教学，保证了在少学时内，学生也能很好地掌握基本知识。

2.重视对学习方案效果的评价

目前对网络化学习方案效果的评价研究较少，通过对网络化学习效果研究的分析，我们认为，应当从教与学的全过程看待网络化学习的效果，充分考虑到网络化学习全过程中各个环节的作用，考虑到各种因素的影响及其相互作用。因此，对网络化学习效果进行综合性的研究是较为符合当前网络化学习评价领域发展现状的研究方向。

3.评价应充分重视学生主体

从网络课程的具体实施来看，学生是进行网络课程学习的主体，可以说对主体的学习质量及效果的评价是进行网络课程的教学质量评价的根本。学生是网络课程最主要的服务对象，而且是最具资格的课程质量评价者。在这种理念支持下，学生个体需求的满足程度已成为网络课程质量的重要评价尺度。

参考文献：

[1]CELTS-22.1，教育信息化技术标准[S].

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关键词：智能控制；双语教学；教学实践

作者简介：陈志楚（1976-），男，湖北仙桃人，湖北汽车工业学院电信学院，讲师。（湖北　十堰　442001）

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）34-0077-02

随着全球经济一体化以及信息处理手段网络化的发展，世界各国高等教育正在经历深刻的变化。中国高等教育的发展也正在经历教育方式国际化和人才培养综合化。而社会对于掌握专项技术同时又可以熟练使用英语进行国际交往和合作的高级复合型人才的需求也使得当前高等院校中的双语教学方兴未艾。

当前随着我国入世和国际贸易交流的发展，全方位发展的高素质工科人才不仅需要面对大量的工程问题，同时也会遇到使用国际通用语言——英语的问题。能够阅读和查找最新说明书和工程资料，与同行沟通交流和解决问题，这些都是高校教育的目标。采用双语教学，引进外文教材，使用英语、汉语来讲授专业内容，让学生可以接触到较先进的内容和理念的同时，增强使用英语阅读交流专业知识的能力；同时可以促进教师的教学方式和学校相关课程设置的发展，是“一举多得”的教学改革。

智能控制作为高校机械工程及自动化专业的一门专业课程，是在人工智能及自动控制等多学科基础上发展起来的新兴交叉学科，是控制理论发展的高级阶段。对于控制理论及控制工程等领域的本科生来说，需要通过该课程掌握智能控制的基本理论并逐步学会智能控制的应用。通过这些内容的学习，使学生了解智能控制的基本结构、各类主要智能控制方法的基本知识，掌握模糊控制与神经控制的基本理论、算法和基本设计方法，并为今后智能控制系统的设计、运行打下一定基础。

湖北汽车工业学院坚持特色兴校、教育创新，注重个性发展，着重培养学生的创新精神和实践能力。在本科教育上紧紧围绕培养创新型应用人才为目标，坚持走产学研道路，积极推进本科教改，全面推进教学改革，提高教学与教研的整体水平，不断提高人才培养质量。湖北汽车工业学院自动控制教研组在省级精品课程“电工电子技术”的基础上，以“智能控制”课程作为教学试点，开展了双语教学的一系列教学实践。

双语教学是使用外语进行的非语言专业类课程教学。双语教学在高校中广泛开展的同时也遇到了相当多的问题。在课堂中由于双语的引入，引起了思维方式的转变，学生的学习内容和教师的备课工作量都大为增加；学生英语水平参差不齐和教师的英语能力有限造成课堂专业课信息量减少，缺乏师生互动，教学效果受到限时。笔者一直任教控制类课程专业课程教学，并从事过英语教学多年，在开展“智能控制”课程双语教学教学实践活动中总结了一些经验。

一、教材的选用

双语教材的选用是关系到双语教学质量的大事。在选择教材时，应以实用、适用和学生的承受能力为主要参照。引进的原版教材一定要是优质的，同时也应是内容比较新的。各个学校和各个院系可以根据自己的需要进行优选。原版教材注重启发学生思考和动手实践，善于由浅入深地叙述和展示理论、原理，并非常注意实验和技术应用。但是原版教材也存在课程体系和大纲与国内不符，同时内容过浅的问题。而国内教材从内容、知识结构和难度上都较符合学生的认知水平和规律，知识体系清楚完整，叙述严谨，擅于概念和理论推导。所以在教材的选择上，不应完全排斥中文教材，教师应在吃透教学内容的前提下充分发挥两者的长处，组合使用。而学生也可以在使用一两本主教材的基础上，同时阅读多本参考教材，以帮助理解，激发求知欲。

考虑到多数高等学校第五或第六学期开设智能控制课程，其前序课程有“自动控制”、“现代控制”和“过程控制”作为基础，所以其内容和前面课程有较强的连贯性。因此，为开展“智能控制”双语教学，笔者将在前面部分回顾控制理论的主要内容作为引入智能控制方法的基础，并向学生推荐课下阅读控制理论的经典教材，比如Dorf的《Modern control System》（国内有影印版）等。“智能控制”课程本身内容非常庞杂，涉及领域也很广，故教材也是风格迥异。模糊控制方面的教材有Kevin M. Passino etc.的《Fuzzy Control》等，神经网络控制方面的教材有Kevin Gurney的《An Introduction to Neural Networks》等，但符合国内“智能控制”大纲的教材非常少，而且国内改编和自编教材基本没有。考虑到课程本身的特点，笔者采用了“原版教材和中文教材结合，主要教材和参考教材结合”的方式。笔者在课程中外文教材主要采用Alexander M. Meystel和James S. Albus等的《Intelligent Systems：Architecture，Design，Control》。该书是智能控制领域的著名教材，它回顾了整个学科的发展，同时从理论和技术两个方面全面讲述了智能控制系统的构造、设计和实用。国内出版社有影印版出版，并同时有原文和中文翻译两个版本方便学生阅读。易继锴的《智能控制技术》作为主要中文参考教材。该书对于各个知识点的讲述比较清晰透彻。除此之外，在课程教学过程的不同阶段，鼓励学生通过图书馆或者网络自由选用、阅读更多的外文教材和中文参考教材。

二、教学内容的选择

不论是否采用双语教学，课程最后的教学效果是关键。由于双语教学在语言理解上花费了学生和老师大量的精力，这样在教学内容的选择上就更显得尤为重要。应在内容上选择符合大纲、重点难点为主的知识，并在这些知识点上增加教学投入时间。“智能控制”是一门国内开展较晚的课程，由于其涵盖模糊系统、神经网络、优化算法和专家系统等诸多智能算法和应用控制方法，所以教学上不可能做到面面俱到，只能是择优而取。参照国外很多著名大学（诸如麻省理工学院、加州理工大学等）的教学课程安排，基本上没有专门的“智能控制”课程，而是各个系会针对学生所学专业需要开展相应的课程，例如“针对模式识别的神经网络算法”或者“机器学习中的模糊控制”等等。依据湖北汽车工业学院和自动化专业的具体情况，“智能控制”主要是对各类控制算法的原理和应用领域进行介绍，让学生对其有总体的了解和认识，使其能在实践中运用。基于此目的，笔者主要讲授的内容为绪论（智能控制的发展历史）、模糊控制理论基础、模糊控制系统、神经网络模型、神经网络控制论和集成智能控制系统。

由于课程学时较少，每个知识点的学时有限。这样，每种智能控制方法以介绍讲述为主，但不作详细的分析和过多的数学推导。比如在讲述模糊控制的模糊推导系统时，推理方法有蕴含积、蕴含最小和Mamdoni方法等各种推理方法，在讲授时以应用最多的Mamdoni方法为主介绍原理，其他方法只需了解。为使得学生能够理论联系实际，特为本课程增加实验环节，并专门开设“智能控制”实验，安排实验学时及老师等资源配置，以保证实验效果。学生需要利用Matlab或者C及其他编程语言分别针对倒立摆和水箱水位控制等多个控制对象使用神经元控制、模糊控制、专家控制等不同的智能控制手段进行仿真分析，以验证课堂内容。比如针对水箱水位控制学习，采用学生分组，每个小组通过讨论确认选择不同算法，可采用神经元控制、模糊控制、模糊控制和专家控制结合等各类方法。最后测试结果，分析原因。通过这样的实践活动可以提高学生对书本内容的直观理解，增加学习热情。

三、教学方法的改进

“智能控制”课程涉及到控制论、人工智能和运筹学等诸多交叉学科，而其中每个学科的内容都十分庞杂。一味介绍讲述容易使学生像听“科普课”，兴趣很大但实际意义不大，无法指导实践；而针对某个知识点讲述过深过难，本身学时不够，会造成学生的畏难情绪且无法让学生形成对课程的整体理解。双语教学既有很多优点，但要教好也存在学生不易理解等诸多难题。为此，笔者和课题组老师针对这些问题展开了一系列教学改革和探索。

1.教学课件使用英语制作，主要使用英语讲述

双语教学要提高学生英语的阅读、沟通和交流能力，教师首先要使用英语教材和英语课件，并使用英语来“教授”课程。但是考虑到英语并非母语，可在重要专业术语初次出现时旁边加注汉语。并在介绍和描述概念时主要使用英语，但不应盲目排斥使用汉语。在需要师生互动的时候，如果学生反映理解有困难，可以使用汉语举例子或者使用比喻、讲故事等方法以帮助学生理解。

2.多使用课堂多媒体演示

智能控制效果单独通过讲述智能控制方法会让学生觉得枯燥，而利用多媒体来对某个控制算法进行软件仿真和演示就可以直接形成“感观”意识，从而加深学生对于课程内容的印象。例如针对智能洗衣机的模糊控制，可以使用Matlab结合Simulink和Labview等软件对分别进行使用不同形状隶属度和不同模糊推理方法的仿真，最后控制的效果可以通过仿真展现在学生面前，激励学生自己通过实验得到真实结果来对比并展开讨论。

3.增加实验教学环节

本课程之前由于学时的限制，仅限于理论教学。为增强教学效果，特增加神经元控制和模糊控制等多个实验，并在实验验收阶段增加小组答辩等环节，以增加学生的实践技能和分析研究问题的能力。

四、课程考核的改进

双语教学不同于普通英语教学、专业英语教学，它以掌握专业知识和技术为主要目的。但是双语教学课程既然以培养学生的全面素质为目的，那么在最终成绩的考核体系上就需要综合各类因素，尽可能全面公平公正地给予学生评价。传统的“智能控制”课程考核方法仅限于试卷考试，主要是概念论述和公式推导演算，无法全面评价学生的能力水平。试卷中无法涵盖学生对于专业基础知识的掌握情况，也无法提供学生在学习探究以及采用双语教学后英语应用能力的测试结论。

本课程现已转变为试卷考试、试验考查和独立报告等多方面结合的课程考核方法。除去卷面考试分数外，学生可以通过以下途径获得加分：阅读相关外文文献并作出阅读报告或完成英语口述演示；学生通过独立或小组实验并根据实验结果作出实验分析报告且完成答辩。这些教学改革意在全面考查学生的理解和实践能力，鼓励学生分析研究和创新。学生不仅要掌握智能控制的控制思想和方法方面的知识，还要能使用英语阅读和表达，并通过试验和独立研究实现自己的控制理念。

五、结束语

笔者通过对“智能控制”进行双语教学提高了学生对于该课程的学习兴趣，并取得了较好的教学效果。多数同学认可教学改革的效果。课程考查通过率达到82%，其中约21.2%的同学通过英语综述和阅读报告获得加分，约1/3的同学通过实验和课程报告获得加分。而随后的问卷调查显示，31.7%的同学在课程结束后对智能控制产生兴趣，51.3%的同学认同在学习后英语水平有提高，并对后期通过大学英语四、六级考试有帮助。

从长远看，在专业课程中开展双语教学是一个大趋势，但是如何使双语教学发挥优势、避免一些可能的问题还需要解决大量细致的问题，在师资培养、教学方法创新和双语教学效果评估方法方面不断思考、研究和探索。

参考文献：

[1]吴平.五年来的双语教学综述[J].中国大学教学，2007，（1）.

[2]莫勇波.关于大学双语教学有效性探索[J].广西教育学院学报，2008，

（5）：48-51.

[3]Richard C.Dorf，Robert H.Bishop.Intelligent Control System（12th Edition）[M].Prentice Hall，2010.

[4]Alexander M.Meystel，James S.Albus.Intelligent Systems：Architecture，Design，Control（First Edition）[M].Wiley-Interscience，2001.

[5]TimonthyJ.Ross.Fuzzy logic with Engineering Applications（Third Edition）[M].Wiley，2010.

[6]Laurene V.Fausett.Fundamentals of Neural Networks：Architectures，Algorithms And Applications（First Edition）[M].Prentice Hall，1993.

[7]Kevin M.Passino，Stephen Yurkovich. Fuzzy Control（First Edition）[M].Addison Wesley Publishing Company，1997.

[8]Kevin Gurney.An Introduction to Neural Networks[M].CRC Press，1997.

[9]易继锴，侯媛彬.智能控制技术[M].第二版.北京：北京工业大学出版社，2007.

[10]刘金琨.智能控制[M].第二版.北京：电子工业出版社，2009.

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关键词：验证码；模板；实现

中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)26-6375-02

验证码是论坛等网站用以阻止自动提交程序恶意行为的人机区分技术，其设计和使用直接涉及到互联网的正常浏览体验。在信息化社会这个背景下，随互联网IT技术的不断发展，验证码的发展是非常迅速的。现在各种论坛、博客、投票等程序都带有验证码功能。

目前，网络流行的验证码有很多种，从人工和机器识别两个角度分析，主要有以下4类：1）人工难以识别、机器容易识别；2）人工容易识别、机器容易识别；3）人工难以识别、机器难以识别；4）人工容易识别、机器难以识别；

验证码识别技术的研究，其目的就是设计并应用IV类验证码。但是国内实际使用的验证码中，尚无特别符合标准IV的实例[1]。

国内对验证码识别的研究较少，文献2将神经网络算法引入验证码识别技术中；文献3提出了简单的基于字符形状的验证码识别技术；文献4探讨了一种基于外部轮廓的数字验证码识别方法；文献5提出了一种加权模板的构造方案。本文以常见的直立、有杂色的验证码为例进行实际的识别实现，这种验证码图片内的字母及数字分布均匀，图片背景一般为纯色，目前在大量论坛及网页游戏、个人网上银行中应用。

1 研究方法

通常验证码的识别需要涉及图像处理和人工智能、模式识别、机器视觉的基本知识。图像处理一般指针对数字图像的某种数学处理，如投影、钝化、锐化、细化、边缘检测、二值化、压缩等等。二值化：一般图片都是彩色的，按照逼真程度可能很多级别。为了降低计算复杂度，方便后续的处理，在不损失关键信息的情况下，能将图片处理成黑白两种颜色；细化：找出图像的骨架，图像线条可能是很宽的，通过细化将宽度将为1，某些地方可能大于1。不同的细化算法，可能有不同的差异，比如是否更靠近线条中间，比如是否保持联通行等；边缘检测：主要是理解边缘的概念。边缘实际上是图像中图像像素属性变化剧烈的地方。可能通过一个固定的门限值来判断，也可能是自适应的。门限可能是图像全局的，也可能是局部的。简单验证码的识别对象如图1所示。

其识别过程包括图像采集、预处理、识别几个方面，具体对应以下4个步骤：1）取出字模；2）二值化；3）计算特征；4）对照样本。

2 技术实现

以VB6.0为开发平台，用WebBrowser控件载入带有简单类型验证码的网页、imagebox控件保存验证码图片。使用doAuen()函数复制验证码图片并保存到本地，调用doClear()、doComp()方法生成验证码，调用doPost()方法提交。

图像采集过程使用for each语句遍历WebBrowser1.Document.All，将tagName转换为大写字母与“IMG”匹配，以其id与验证码图片匹配。Vb提供了createControlRange()方法用于非文本元素选择区域，该方法返回一个controlRange集合，有add()方法用于添加元素，execCommand()方法用来对当前页面或选定区域或指定区域执行命令[6]：

Set ctrl = WebBrowser1.Document.body.createControlRange()

ctrl.Add (Dov)

ctrl.execCommand ("Copy")

Dov元素为验证码图片元素。execCommand 方法需要一个字符串参数指示所要进行的操作，此参数可以是任意能执行的参数关键字，Copy参数将选定区域复制到剪贴板。

SavePicture 语句可以从对象或与其相关的Picture 、Image控件属性中将图形保存到文件中，完成图像的采集，其语法有两个参数，第一个参数为产生图形文件的 PictureBox 控件或Image 控件；第二个参数是文件路径：

SavePicture Clipboard.GetData, App.Path & "\tmp.bmp"

Clipboard 类提供可以方便地与系统剪贴板相互传输数据的静态方法，GetData从剪贴板检索指定格式的数据。

动态装载图片的VB方法是LoadPicture()，参数为图片文件名的全称及路径。对图所示验证码图片进行分析，宽度为80像素，高度为20像素，字符位置基本均匀，所以简单地将图片切割为4部分分别进行预处理。

图片的预处理过程为3次遍历：依像素对图片进行第一次遍历，忽视白色背景，将字符色与干扰色存入数组id，同时将颜色值出现次数存入数组nums，两者一一对应，用一个游标参数flag指示数组长度。VB的Picture.Point(i, j)方法，可以按照像素坐标获取位图的颜色值。对于任一像素，如果颜色值不为16777215（白色），则从nums（0）到nums（flag）遍历数组id进行匹配，如果颜色值不存在则将此颜色项同时添加到数组id和nums并进行相应的游标操作；如果颜色值已经存在，将其nums数组储存的数值加1。

第二次对nums数组进行遍历找出最大值，与其下标相同的id数组项的值即要识别的实际字符颜色；

第三次遍历对像素采样并进行二值化，将目标色置1，其它颜色统一置0，生成二值化数组。

遍历预处理数组生成二值化字符串，计算特征串，最简单的方法是去掉串头尾的字符0。将特征串存入本地文件，每个特征串一行，并将特征串对应的字符附加到串末尾。

Vb的open语句可以操作顺序、随机以及二进制文件。打开顺序文件的语法是open pathname for [Input|Output|Append] as [#]filenumber [len=buffersize]，参数表示文件名，可以包含驱动器和目录；参数Input表示从打开的文件中读取数据，以这种方式打开文件时，文件必须存在，否则会产生错误；参数As[#]filenumber 子句为打开的文件指定文件号，对文件进行读写操作时，要用文件号表示该文件，文件号是介于1~511之间的整数，可以是数字、变量，也可以省略不用。顺序文件的按行读取语句为Line Input #，该语句从打开的顺序文件中读取一行数据。

Open App.Path & "\list.txt" For Input As #1

Do While Not EOF(1)

Line Input #1, t

If InStr(s, Mid(t, 1, Len(t) - 1)) > 0 Then

singleC = Right(t, 1)

End If

Loop

Close #1

遍历特征库，如果特征串在二值化串中的子串位置大于0，即匹配成功。取出此特征串末尾的字符，即单个字符的识别结果。

3 小结

互联网作为基础型平台，在提供大量信息及应用的同时，验证码给信息化及社会信息化带来的影响是深远的，它影响着用户的体验，影响着应用抵抗恶意攻击的生存能力，乃至影响着整个软件业生产方式的变化。在此背景下，研究验证码的自动识别、探索相关验证码技术，其重要性是不言而喻的。基于字符特征串匹配的验证码识别方法基本能做到100%识别率，而且特征库小、识别速度快。其缺点是验证码适用对象单一，没有涉及到专业的图形图像处理算法。

参考文献：

[1] 文晓阳,高能,夏鲁宁,荆继武.高效的验证码识别技术与验证码分类思想[J].计算机工程,2009.

[2] 左保河,石晓爱,谢芳勇,等. 基于神经网络的网络验证码识别研究[J].计算机工程与科学,2009.

[3] 朱绍文,陈光喜.一种简单的基于字符形状的验证码识别技术[J].桂林电子科技大学学报,2010.

[4] 潘大夫,汪渤.一种基于外部轮廓的数字验证码识别方法[J].微计算机信息,2007.

篇5

摘要：本文在认识“学”与“术”和分析网络工程专业特点的基础上，规范了应用型本科网络工程专业的“学”、“术”范畴，并通过课程体系和课程内容的优化以及课时的合理分配，探索一种既有“学”又有“术”、“学”“术”和谐的应用型本科专业教学模式。

关键词：网络工程；学与术；课程体系；课程内容

中图分类号：G64

文献标识码：B

1对“学”与“术”的认识

基础理论教育与应用技术教育的平衡与协调问题，可归结为“学”与“术”的关系问题。在计算机及其相关专业的人才培养过程中，专业基础知识即为“学”，专业技能即为“术”，“学”、“术”结合并且相互协调，才能培养出符合社会需求的应用型人才。否则，有“学”无“术”或有“术”无“学”对于应用型本科人才培养来说都是不合格的。

2网络工程专业的“学”与“术”

2.1网络工程的专业特点

网络工程专业的专业编码是080613W，属于自然科学门类中的工学学科，其专业教学的核心内容包括网络工程的需求与可行性分析、规划、设计、设备选型、系统布线、组网、应用开发、测试、运营、管理等，这些内容在时间关系上反映了网络工程的全过程。这一过程所追求的目标是以合理的性价比实现需求说明中要求的网络设施和网络服务，其中包括服务质量和信息安全。因此，网络工程专业的突出特点就是它的工程性特点。

从网络工程专业教学内容的层次看，各部分教学内容中均都包含基础理论、基本技术以及相关协议与标准等内容，这些内容都会通过不同的网络产品(硬件产品或软件产品)体现出来。另外，由于网络工程所完成的是现代信息社会中的信息基础设施，对社会的政治、经济、军事、国防等领域产生重大影响，因此，还会涉及更多的法律问题。

基于以上原因，结合应用型本科教育的系统性和应用性，网络工程专业从工程性特点出发，还会进一步细化出技术特点、管理特点、标准特点和法律特点。因此，网络工程专业教学不仅需要基础知识教育，更需要基本技能和工程实践经验的训练，还要强调工程思想和法律意识的养成，形成合理的知识与能力结构。

2.2网络工程专业的“学”

依据“学主知”的功能划分，可从以下几个方面来规范应用型本科网络工程专业的“学”，从而构建满足人才培养目标要求的基本理论与基础知识体系。主要包括：工科电子信息专业本科生必须具备的基本理论和基础知识，如高等数学、线性代数、概率论与数理统计、电路原理、模拟电子技术、数字电路等；计算机科学的基本理论与基础知识，主要包括计算机原理与体系结构、计算机语言与翻译系统、数据结构与程序设计、微型计算机技术、操作系统与系统管理、数据库技术与信息处理等；计算机网络通信基础知识，主要包括数据通信、网络体系结构、网络协议、Internet以及网络应用等；网络工程需求分析、规划、设计、施工、管理和维护的基本知识和相关标准；综合布线系统的设计、施工、测试和维护的基本知识和相关标准；计算机网络管理、维护以及网络安全的基本知识和相关标准；网络应用开发的基础知识，主要包括网络程序设计、多媒体信息处理技术、网络数据库技术、网站设计等；相关法律、法规以及具体案例等。

2.3网络工程专业的“术”

依据“术主行”的功能划分，可从以下几个方面来规范应用型本科网络工程专业的“术”，从而构建满足人才培养目标要求的专业技术能力。主要包括计算机系统(软件、硬件和常用外部设备)熟练的操作和一定的维护能力；计算机设备和网络设备的管理能力；计算机网络系统的设计、施工、维护能力；综合布线(计算机网络、通讯、安防)系统的设计、施工、维护能力；网络系统的性能分析能力；网络服务的配置与管理能力；一定程度的互联网络系统安全防范与跟踪分析能力；网络应用系统的开发能力等。

3专业教学中的“学”“术”和谐

网络工程专业人才培养过程中的“学”与“术”和谐，可从课程体系、课程内容、课时分配、理论与实践、考核体系等五个方面来考虑。

3.1课程体系和谐

根据网络工程的特点，参考网络工程人才的职业需求和国家相关职业资格要求，网络工程专业的课程体系可按公共基础课、专业基础课、专业方向课和拓展课程四个层次来构建，课程内容既要涵盖网络工程的基本内容，更要区别于社会上的职业培训，在强调基础理论和系统性的同时，突显专业的应用型特点。

(1) 公共基础课

与计算机科学与技术等其他工科电子信息类专业相似，可在优化课程内容的基础上与其他专业使用相同的教学平台。

(2) 专业基础课

专业基础课主要分为计算机基础、网络通信基础、计算机网络基础和技术平台四大模块。其中计算机基础模块主要包括计算机组成原理与体系结构、数据结构、操作系统原理、面向过程/面向对象程序设计、数据库原理、多媒体技术与应用、软件工程概论等软硬件基础内容，并通过强化实践环节，训练基本的计算机应用和操作能力；网络通信模块主要包括数据通信原理、网络交换技术等内容；计算机网络基础模块主要包括计算机网络原理(层次结构模型与协议集)、TCP/IP协议集与Internet技术等网络基础内容，帮助学生建立网络体系结构和网络协议的基本概念，了解常用的网络协议，掌握计算机网络以及网络互联的基础知识，初步形成“按标准/协议/规程学习网络技术、规划网络系统、管理网络设施、开发网络应用”等规范意识；技术平台模块目前可选择基于MS Windows系统的.net平台和Linux环境下的Java平台，内容主要包括网络功能与性能介绍、安装与使用、开发工具等。四个模块的有机结合，可构成网络规划、设计、管理、开发、应用、维护等网络工程各环节的专业基础。

(3) 专业方向课

专业方向课主要分为网络规划与设计、网络管理与安全、网络应用系统开发三大模块。每个模块可选择一种主流平台(.net/Java)作为技术支撑，各模块中的主要课程将以此平台为基础，构成专业方向所需的知识框架。其中后两个模块与技术平台有非常密切的关系，因此，必须首先掌握相应的平台技术。

1) 网络规划与设计

网络规划与设计模块主要包括网络工程技术、结构化综合布线、现代交换技术、网络设备的互联与调试等内容，主要向学生介绍网络系统的规划设计原则、设计方法、工程实施方法，网络产品的技术性能、功能以及配置技术，结构化综合布线的基本知识、布线标准、传输介质的选择方法以及施工、测试、验收等诸多环节。使学生在掌握网络规划设计的基本概念、思想、方法的基础上，形成覆盖“规划设计选型施工测试验收使用管理维护”网络工程全过程的技术能力。

2) 网络管理与安全

网络管理与安全模块主要包括网络操作系统(Windows/Linux)、计算机网络安全、网络管理与维护、协议分析与跟踪技术、入侵检测技术、网络仿真技术与性能分析等内容。其中网络管理与维护课程，重点介绍网络管理的基本原理、网络管理平台、网络管理标准等更高层的管理技术，超越操作系统中简单的用户管理和权限管理内容。这些内容的有机结合，能够帮助学生建立网络管理和网络安全的基本概念和思想，掌握几种具体的安全防范技术和网络性能分析技术。

除了对网络功能、性能、安全等技术性管理和维护外，网络管理还包括对网络工作人员的管理和网络资源的管理，因此，可根据实际情况添加资源管理和网络运营管理方面的内容。

3) 网络应用系统开发

网络应用系统开发模块主要包括两方面的技术内容，一方面是基于C/S结构的各类网络应用开发技术，另一方面是基于B/S结构的各类Web网站开发技术。因此，主要课程包括网络数据库技术、网络通信程序设计、网站的规划与设计、多媒体信息处理技术等。

4) 拓展课程

拓展课程主要可考虑以下几方面内容，一是新技术课程，如NGN/NGI技术，网格技术，移动多媒体网络技术，P2P技术、全光网络技术，多媒体网络技术等；二是与应用方向相关的课程，如网络游戏开发方向的游戏创意和美工处理，网站管理方向的网络运营课程等；三是研究性、方法类课程以及其他需要拓展的课程，如MATLAB应用编程、神经网络模型等。拓展课程将更好的匹配各类学生(考研、网络设计、应用开发、网络管理、网站运营等)的特殊需求。

3.2课程内容和谐

课程内容的和谐是课程体系和谐的基础，目前，大多数应用型本科的网络工程专业都是简单采用与计算机科学与技术、软件工程等专业完全相同或相近课程设置，课程内容完全相同。这样，在总课时的限制下，就无法开设所需的专业课程，不仅如此，还导致课程之间的严重重复、关系不明等问题。从专业发展的长远角度看，必须按照专业需求来优化改革课程内容，具体可从以下几个方面来优化：

1) 原有课程之间的内容整合；

2) 新课程的内容规范；

3) 各门课程中理论教学与实践教学内容的优化；

4) 各门课程中工程化思想的体现；

5) 新技术的融入。

通过课程内容优化，在减少不必要重复的基础上，进一步明确各课程的知识范畴和技能架构，平衡课程内部的“学”与“术”，同时将相近课程合并形成新的课程。比如，原来沿用计算机科学与技术专业的“计算机组成原理”和“计算机体系结构”课程，就可以整合为“计算机原理与体系结构”一门课程；原来的“汇编语言”和“微型计算机技术”可以整合成新的“微型计算机技术”一门课，这样，所节省的课时可以开设必须的专业课程。

3.3课时分配和谐

课时分配包括以下四个层面：一是课程内部理论教学与实验教学的课时分配，参照教高〔2007〕2号文件中“实践教学环节累计学时一般不少于总学时的25%”的基本要求，合理规划专业基础课和专业课的理论教学课时与实验教学课时比例，在实验条件允许的前提下，尽可能提高实验教学的课时比例，给学生创造更多的实验和技能训练机会；二是不同课程的课时分配，在课程内容重组整合后，适当调整所需课时数，使得课程内容与教学课时相适应；三是各类课程之间的课时分配，这是一组统计数字，主要用来衡量不同角度的课时统计数据是否平衡、协调，比如按照公共基础课、专业基础课、专业方向课以及拓展课程方式统计的课时分布，或者按照必修课、限选课、任选课方式统计的课时分布等；四是列入教学计划的实践环节的课时分配，比如专业实习、毕业实习、毕业设计等的课时分配，至少达到教育部“累计学时一般不少于总学时的25%”的基本要求。

3.4理论与实践和谐

要做到网络工程专业的“学”、“术”和谐，强化实验教学和实践环节是非常重要的，它是为学生提供操作技能和工程实践的主要途径。首先要在课程内容中加强实验内容，在一般性实验的基础上增加系统设计、规划、分析方面的实验；其次是加强实验指导，提高实验教学的有效性；第三是建设统一、规范、能适应课程体系需要的实验教学环境和网络应用开发平台，提供相应的实验能力和网络应用开发能力(网络游戏开发、移动智能应用开发、企业级Web网站开发等)；第四是通过实践强化工程意识培养，主要包括任务意识、规范意识、质量意识、期限意识、组织意识、协调意识、合作意识、折中意识等诸多内容，在规范课程体系和优化课程内容的过程中将加强各类协议、标准和相关工程意识的教学内容，更要在实践环节中突出各类协议、标准在网络工程中的地位和作用，从而培养学生的工程化意识。

3.5考核体系和谐

改革传统的笔试考核方式，增加实验单元考核、实践单元考核、综合设计考核等考核方式，分散考核时间，把考核融入教学过程中，形成与专业基础理论与专业应用技术要求相适应的考核体系。

4结语

“学”与“术”的协调与平衡是高等院校专业建设与专业教学过程中的关键问题之一，应用型本科院校的网络工程专业应该在“学术并举、崇术为上”[5]的理念指导下处理专业建设中的“学”“术”协调问题。在专业建设过程中，首先要在课程体系和课程内容方面做到“学”“术”协调，在教学环节设置以及具体的教学过程中，更要考虑“学”“术”协调理念的实施与落实，使得专业基础理论与应用技术之间能够和谐相长。

参考文献

[1] 王达. 网络工程师必读―网络工程基础[M]. 北京:电子工业出版社,2006:1-23.

[2] 杨帆. 应用型本科网络工程专业的课程体系建设[C]. 大学计算机基础课程报告论坛论文集2006,高等教育出版社,2006:107-111.

篇6

【关键词】生物工程专业;试验设计与数据处理;教学对策

作为地方本科院校,将教学目标定位于培养应用型人才,是提高学校竞争力、突出办学特色的关键。南阳理工学院生物工程专业立足于自身教学条件,积极将培养模式与南阳地区经济特点相结合,紧密围绕南阳市支柱产业——生物制药和工业发酵,发展工业微生物菌种选育、发酵工艺调控和中药材药用成分提取分离为主攻方向的专业特色。毕业生主要在科研开发、生产监控、质量检测等方向就业,工作中经常涉及到工艺控制、过程优化模拟、质量检测控制等问题。对于这些实际问题若不进行科学的试验方案设计和数据结果分析,将很难在短时间、低成本内得到正确的结果。因此,有必要对生物工程专业学生开设相关课程。

试验设计与数据处理是一门应用领域相当宽广的现代技术课程,主要介绍工程技术和科研试验中常用的试验设计与数据处理方法。通过对本课程的学习,学生能够掌握试验设计和数据处理的基本原理和方法,为后续教学环节如专业试验、毕业论文和今后在工作中开展产品工艺优化、质量管理等工作的顺利进行打下良好基础。该门课程教学内容主要包括2个方面:试验设计和数据处理。试验设计部分主要是让学生掌握设计试验的方法,能做到在有限的试验条件下,用最少的试验量获得尽可能多的信息;数据处理部分主要是让学生学会对实验结果采用合理、有效的分析方法,从而发掘出潜在的、有用的信息[1]。

为了提高试验设计与数据处理的教学质量,培养学生的学习兴趣,增强学生应用的能力,笔者对试验设计与数据处理的教学研究做了很多努力和尝试,现将几点教学心得体会归纳如下。

1讲好绪论,强调课程的重要性

绪论就像是一部电影的开场,直接影响着整门课程的教学效果,好的开场才能吸引学生的注意力,激发其学习兴趣。试验设计与数据处理是统计学在生物领域的应用,是一门应用技术学科,在绪论中不仅要介绍学科发展的历史,还应该清晰展示课程的内容体系及本门课的任务和作用,重点介绍要学习什么、知识点之间有什么联系、这些知识可以帮助解决什么问题、该如何学习等。在绪论中应多列举一些利用本门课程的知识解决实际问题的例子来强调本门课程的重要性,如在毕业实践环节,将试验设计和数据分析的知识用于毕业论文的设计和撰写中,以求论文结构的系统性和试验结果的科学性。在走向科研工作岗位后,利用试验设计和数据分析的知识合理设计科研方案、分析结果,以求在低成本、短时间内完成任务。通过这些例子来明确学生的学习目的,激发其学习兴趣。

2重在培养应用能力

应用性本科培养的是运用科学理论从事高技术工作的应用型专门人才,在培养规格上以行业需求为本位,注重知识的复合性、现时性和应用性。培养出的人才应具备综合运用理论知识和方法解决实际问题的综合能力和实践能力,并兼备技术创新能力[2]。因此,在教学内容组织和知识侧重点的处理上应以结合专业特色、适应行业需要为主旨。试验设计与数据处理是以统计学原理为基础的学科,其原理部分涉及到高等数学、概率论和线性代数的知识,这部分内容在基础课程中已有详细讲述。因此,教学重点放在各种试验设计方法和数据处理方法的具体应用上,而方法的理论推导过程可以作为学生自学内容。如讲解方差分析时,将重点放在方差分析的具体步骤上,而偏差平方和分解过程的推导则作为自学内容;在正交试验设计及分析部分,教学侧重点主要放在如何使用正交表及如何对正交试验结果作恰当的分析上,而对于正交表的构成原理、特点仅作简要介绍。

3选择合适的例题,做到熟能生巧

试验设计与数据处理的应用领域非常广泛,不仅用于生物,还应用于化工、食品、机械加工制造等领域。为了让学生正确理解和掌握知识,在举例说明时应选择试验设计与数据处理在本学科的应用实例。面向生物工程专业的学生时,结合生物工程专业的特色,主要从菌种选育条件、发酵工艺控制、目标产物分离等方面选择相应的例子,最好是专业试验或科研中的真实问题,如淀粉酶产生菌选育方案的设计、乳酸发酵条件的确定、茶多酚提取工艺的优化,这有助于学生了解本门课的应用领域,激发学生学习本课程的兴趣,调动学生的积极性和主动性。

对于应用技术学科,关键是能将书本上的知识应用自如。对于试验方案设计方法,如正交试验设计、均匀试验设计、回归旋转试验设计、sn比试验设计等方法,要求能够根据试验周期的长短、原料易得性、条件控制难易、待考察因素水平的数量等实际情况,选择合理可行的试验方案设计(下转第33页)

(上接第31页)

方法。对于所得数据结果,要求能够采用正确的分析方法,发掘出有用的信息。数据分析方法部分有很多公式,如偏差平方和的分解公式、回归系数的求解公式等,若要做到灵活运用课程的知识,就必须加强公式的记忆,因此多做练习是必要的。虽然现在有很多软件能解决计算问题,但是还要求学生掌握各种分析方法的分析过程,这些都需要在教学中安排一定的练习量,使学生熟能生巧。

4把握前沿知识,扩展学生视野

试验设计与数据分析的方法种类多样,在本科教学阶段主要要求学生掌握单因素试验设计、正交试验设计和均匀试验设计等方案设计方法,极差分析、方差分析和回归分析等数据分析方法。这些内容是本门课程的基本内容,但并不是本学科的全部知识。为了让学生充分认识本学科的重要性,可以在教学学时允许条件下,补充知识点,开拓学生的视野。如向学生介绍旋转试验设计及其分析方法,指出它的作用和优势;对于解决多指标问题的试验设计和分析时引入主成分分析方法的知识[3];在对回归方程求解最优解时引入遗传算法的理论[4];对于试验问题建模分析时引入神经网络建模方法[5]。这些试验设计和分析方法很多都是近几年才应用到生物工程领域的,在要求学生牢固掌握基本知识的前提下,引入前沿知识有助于拓宽知识面,在今后的学习和工作中能更好地发挥学生的能动性。

5重视上机环节

试验数据的处理计算量很大,完全依靠手算既浪费时间又容易出错。而现在有多种软件,它们可以对数据作各种分析,并能够在短时间内得到准确的结果。因此,应重视上机环节,要求学生至少掌握1种统计软件的使用方法,学会用软件绘图、计算,并能正确理解分析结果。例如spss是一个功能全面的统计分析软件,操作界面友好,易学易用,广泛应用于自然科学、社会科学领域[6]。在教学过程中安排适当学时进行上机操作,要求学生能够使用软件进行平均数假设检验、方差分析、多重比较、回归分析等操作,不仅能增强知识的掌握程度,还可以激发学生的学习兴趣,获得良好的教学效果。

6参考文献

[1] 薛刚,郭书贤.优化试验设计及统计分析法[m].武汉:湖北人民出版社,2004.

[2] 徐理勤,顾建民.应用型本科人才培养模式及其运行条件探讨[j].高教探索,2007(2):57-60.

[3] 曹定华.多元分析基础[m].北京:科学出版社,2001.

[4] 雷英杰,张善文,李续武,等.matlab遗传算法工具箱及其应用[m].西安:西安电子科技大学出版社,2005.

篇7

【关键词】民族院校 高等数学 教学改革

【基金项目】宁夏回族自治区高等学校教育教学改革项目：《神经网络计算》专题研究型教学模式探索与实践（宁教高[2012]348号）]。 【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）12-0154-02

高等数学是教育部指定的理工科专业核心课程之一，是理工科学生一门最重要的专业基础课，也是教育部本科合格教学水平评估的主要基础课之一。然而，随着大学的扩招，各高校学生人数骤增，生师比严重失衡，未能维持在合理水平。一方面，纯理论性、市场需求小的专业就业低靡，就业困难，知识无用论思想在学校内广泛传播。另一方面，后续专业课的学习及硕士研究生考试对高等数学的要求越来越高。近年来，许多从事高等数学教育的工作者在高等数学教学改革中作了很多探讨，但效果不是很好。尤其一些民族类本科院校，生源主要是少数民族学生，学生基础较差，同时有部分教师教学方法和手段陈旧，精英教育的传统教学方式基本没有改变，这一切都难以满足民族类院校各学科的良性发展及实践对数学的要求。因此，我们有必要重新思考教学方法和手段，以提高高等数学的教学质量和效果[1]-[4]。

1.对更新教学理念的思考

高等数学是民族类院校大多数专业学生的一门必修的专业基础理论课，通过本课程的学习，使学生掌握函数的微积分学、级数与无穷级数、概率论与数理统计、向量代数与空间解析几何等方面的基本概念、理论与方法，为学生学习后续专业课程打下良好的数学基础。但对于民族类院校而言，面对生源主要是少数民族学生的现实，生源综合素质不高，要求我们必须有针对性地对高等数学课程进行必要的教学改革，紧密地结合他们所学的专业，同时必须考虑学生接受新知识的愿望，有选择性地讲授最基本、最实用、最重要的数学知识。

2.对改革教学内容的思考

必须充分了解民族院校学生的特点：数学基础总体比较差；逻辑思维能力不强、抽象能力比较弱；大多数少数民族学生对高等数学的学习缺乏信心；但形象、发散思维能力较强，善长于记忆和阅读。基于此认识，在高等数学教学中应贯穿如下教学原则。

（1）理论和实际相结合原则。高等数学，不仅是理论研究的成果，也是生活中普遍适用的手段和工具。对于某些数学知识，要突出他们的实际背景，要结合具体问题的例子让学生感受到高等数学的工具性，领悟到学习高等数学的必要性。

（2）具体与抽象相结合原则。在教学中充分发挥民族院校学生形象思维比较强的特点，尽量使用形象、直观的材料，帮助学生理解高等数学的本质。

（3）严谨性与适应性相结合原则。针对民族类院校学生的特点，教师应考虑学生的基础知识、思维水平、接受能力、理解能力，逐步培养学生的逻辑思维能力。

3.对改善教学方法的思考

传统的教学方法，形式单一、内容呆板，改革后，高等数学的教学应该增加课堂教学的趣味性，采用启发式、研讨式、互动式等各种教学方法的综合使用。下面是对教学方法的几点建议：

（1）学期开始前授课教师应对所教班级学生的数学水平有一个比较全面的了解，以便全面客观地了解学生数学知识的强弱，掌握学生分析解决问题的能力。针对学生高中数学基础参差不齐，总体水平较差的状况，学校和教师要针对不同的学生类型，采用分层指导的教学手段，记录每个学生的学习困难和发展进步过程。积极主动地培养学生学习高等数学的兴趣。

（2）由于高等数学知识的系统性、科学性较强，新老知识之间有着密不可分的联系，因此启发式教学在高等数学教学中有着十分重要的作用。特别是对民族院校学生而言，他们往往自信心不足，缺乏学习的热情，所以在高等数学教学过程中一定要注意教学的启发性，让学生积极参与到教学中来。因此，在教学活动中，应通过复习旧知识来建立新知识体系，综合已经讲授过的相关概念，揭示新旧知识之间的内部联系，引导学生比较新旧知识的本质特点，发现它们之间的异同之处。激起学生的求知欲望与学习兴趣，从而易于掌握领悟新知识。

（3）当前民族院校学生各方面的能力差距比较大，现在的高等数学教学很难满足不同类型学生的学习需要。采用分层教学方法就可以针对学生的个体差异，按学生的不同水平实施不同的教学方法。对基础较好的学生，教师上课时应适当延伸知识点，满足学生的求知欲望；对基础较差的学生，应合理调整教学内容，让这一部分学生掌握必须的基本知识。这样使不同知识水平的学生都能很好地在课堂上获得知识满足，使其得到发展和提高。

4.对改革评价体系的思考

在评价学生学习成绩时，可以将学生的终评分成两大块：平时表现成绩和期末考试卷面成绩。平时表现成绩主要从作业是否按质按量完成、是否按时上课、课堂表现是否活跃等方面对学生进行综合考核。而期末考试可以通过“基础知识+实际应用能力”测试的方法。基础知识采取闭卷笔试形式， 成绩占总成绩的 50%。这部分考核可由任课教师评阅。实际应用能力测试主要考核学生运用高等数学知识解决实际问题的能力， 该部分成绩占总成绩的50%。这种的考核方式既能有效地评价学生掌握高等数学知识及实际应用的情况， 还能为素质高、能力强的学生提供一个展示自我的平台， 又能有效纠正考试前临时突击学习等现象[5]。

参考文献：

[1]闵兰，陈晓敏.高等数学教学改革的几点思考[J].西南师范大学学报，2012（2）：139- 141.

[2]罗金炎.应用教学型本科数学实践课程教学模式探讨[J].长春理工大学学报，2010（8）.

[3]李路，赵德钧.大学数学分级教学的思考与教学[J].大学教育，2012，（8）：100.

[4]余桂东，张红梅.普通本科院校文科专业《高等数学》教学实践[J].安庆师范学院学报，2012（2）：115- 118.

[5]杨霞，倪科社，王学锋.积极开展数学实践教学活动，培养学生创新意识与实践能力[J].大学数学，2010（10）.

篇8

关键词：实践教学体系；课程实验；课程设计；专业实习；毕业设计

中图分类号：G64 文献标识码：B

文章编号：1672-5913(2007)11-0025-03

引言

计算机科学与技术专业是一个理论与实践并重的专业，具有很强的实践性。在教学计划以及课程设置中应突出实践性教学环节在整个人才培养计划中的重要地位。在教学过程中，应把培养学生的实践能力、动手能力作为一个关键的环节。科学合理地设计实践教学体系，一方面有利于提高学生的计算机操作能力、工程设计能力、科学研究能力、社会实践能力、专业知识的综合运用能力及创新能力，另一方面更能激发学生的专业学习热情，提高学生对计算机专业知识学习和应用的兴趣。实践教学和课堂理论教学相辅相成，实践教学是课堂教学的补充和延伸，二者缺一不可。

目前，许多高校在计算机专业人才的培养上存在重理论、轻实践的倾向，出现了计算机专业的毕业生眼高手低的现象。在参加实际工作之后，面对简单的软、硬件问题，束手无策。如何进一步提高学生的实践动手能力，是摆在高校计算机专业人才培养方面的一个重要课题。

1拓宽视野更新观念，重新认识实践教学，建立完善的实践教学体系

要充分认识实践教学在人才培养中的重要地位。应把传统意义下的实验教学扩充为实践教学体系，在专业培养计划中建立完善的实践教学体系，逐步形成基本实践操作技能、专业应用技能与综合实践能力有机结合的实践教学体系，在实践教学过程中，通过建立实践教学质量标准体系和质量控制体系，认真做好学生平时实践和实习管理，建立课程实验、课程设计、毕业设计(论文)等实践教学环节的量化考核标准。完善的实践教学体系应当包括：课程实验、课程设计、专业实习、毕业设计(论文)等几个方面。

1.1课程实验

课程实验是加强计算机专业人才培养质量的重头戏，计算机专业的学生除了具有扎实的专业理论基础外，还要有良好的科学实验技能和素质。随着计算机技术的迅猛发展及社会各界对计算机人才的要求，课程实验的内容要不断更新，实验水平要不断提高。及时地把新技术、新方法及新设备反映到课程实验教学中来，使实验教学与当前计算机软硬件技术的发展紧密相连，并通过各种不同类型的实验，培养学生实验技能，提高学生的实践动手能力。制定好专业总体的课程实验教学目标，是培养和提高学生动手能力的关键，而课程实验教学的总体目标的实现是通过阶段性实验教学目标的实现来完成的。阶段性实验教学目标就是每一门课的实验教学目标，通过一个个的目标驱动来实现实验教学的总体目标。在实验教学目标制定上要注重学生的实践动手能力的提高和创新设计能力的培养，实现师生在课程实验教学中互动。学生通过自己的努力一旦完成了各项目标，在学习中就会有一种成就感，更进一步激发学生的学习热情，增强学生的学习动力。计算机专业的课程实验教学的不同类型包括：公共基础系列实验：普通物理实验、计算机基本操作实验；基础理论系列实验：数值分析实验、算法设计及分析实验；软件技术系列实验：汇编语言程序设计、高级语言程序设计、面向对象程序设计、数据结构、编译原理、操作系统、数据库原理、多媒体技术和软件工程实验；硬件技术系列实验：电路分析、模拟电子技术、数字电路、计算机组成原理、单片机应用、计算机接口技术实验；网络技术系列实验：通信原理、计算机组网技术、网络操作系统、网络设备集成、网站建设与维护技术等实验。

总之，通过开设各种不同类型的课程实验，循序渐进地提高学生的实践动手能力，培养学生的创新能力，从而完成课程实验教学的总体目标。

1.2课程设计

课程设计属于综合性创新实验，在整个课程的课堂理论教学和课程实验完成后，根据课程的特点和内容设计出综合整个课程的创新实验。一般地讲，这类实验也就是大作业，通常在教师的指导下学生利用业余时间独立完成。比如高级语言程序设计、数据结构、数据库原理、编译原理、操作系统、软件工程等课程都需要进行课程设计。通过课程设计可以培养学生运用该门课程的专业知识去分析和解决实际问题的能力以及对专业知识的综合应用能力，在整个实践教学体系中占有非常重要的地位。

1.3专业实习

随着计算机及其网络的广泛应用，它已在各行各业中发挥着越来越重要的作用。考虑到计算机应用的广泛性，有选择地把能反映出当前计算机最高应用水平的企业、学校、行政事业单位作为专业实习基地，结合课程教学定期安排组织学生到实习基地实习。让学生带着任务参加实习活动，每次实习都要求学生写出实习报告，总结实习后的收获体会，鼓励学生和实习基地建立长期合作关系。通过实习一方面让学生更深入了解计算机的应用发展状况，增长学生的见识，拓宽专业知识面，可以学到很多课本以外的知识，另一方面也给学生提供了更多认知社会、融入社会的机会，同时也为学生明确专业学习目的和提高实践动手能力确立了努力的方向。实习基地建设的面要广，充分体现计算机的各种应用，如：计算机经销公司及售后维修站；计算机及其相关设备的自动化生产企业；网站及网络工程公司；软件销售公司；软件开发公司；邮电、通信公司；政府机关；建筑工程设计院；金融机构等。

1.4毕业设计(论文)

毕业设计(论文)实践环节是完成教学计划达到计算机专业培养目标的重要环节，是教学计划中综合性最强的实践教学环节，它对培养学生的思想、工作作风以及处理实际问题能力、提高毕业生全面素质具有很重要的意义。是对学生综合应用所学专业知识解决实际问题能力的检验，通过毕业设计(论文)使学生能够掌握文献检索、资料查询的基本方法和获取新知识的能力；掌握软硬件或应用系统的设计开发能力；提高书面和口头表达能力；提高协作配合工作的能力。

2 加强和完善实践教学体系建设的有效途径

2.1大力宣传培养学生实践能力的重要性

计算机实践教学是计算机课程的重要环节， 学好计算机仅靠理论知识是不够的，课堂讲授是使学生掌握计算机的基本知识和基本技能，而计算机实践教学的目的是要通过实际操作将所学到的知识付诸实际，是课堂教学的延伸和补充。是培养学生实践能力的主要手段。大学学习期间，学生处于从书本学习到提高能力的转型过程中，需尽早向学生介绍清楚社会需求与个人期望的差异，使学生树立正确的学习理念，扫清提高学生实践能力的思想障碍，变“要我学”为“我要学”。

2.2加强和重视实践教学师资队伍建设

学校要重视实践教学师资队伍建设，为了培养应用型的人才，学校要特别注重教师综合素质的提高和知识的更新。为此，不仅要选派教师到名牌大学和科研机构进修学习，提高其专业素质，而且要选派优秀的教师到企业中去更新知识，去学习企业的管理，了解企业对毕业生知识、能力、素质的确切要求，以便修改培养方案，建设合理的实践教学体系。要鼓励教师去跟踪当前最新技术，与企业合作搞项目。学校还可以聘请企业中的技术人员作为兼职教师或来校进行学术交流。这样才能保证师资队伍的知识更新，适应计算机新技术的飞速发展要求。

2.3教学中注重学生实践能力的培养

在课堂教学方面，专业课可以全部采用多媒体进行讲解，除了能扩大课堂教学的信息量，利用计算机实际工作环境演示各种操作外，也可对实验结果进行案例分析，现场进行点评。还模拟某些经常发生或不易发现的语法和逻辑错误，进行现场分析与排查，培养学生的应变能力。

在实验课教学方面，除完成经典课程的实验教学外，增设部分以实用技术实验为主的选修课程，如计算机网络工程、Web技术、多媒体技术等，通过这种方式提高学生在实践中应用所学知识的能力，以更好地适应当今社会对人才的需求。

2.4组织学生进行丰富的课余活动

大学生比中学生有着更多的自由支配的时间，利用好这些时间是大学教育取得成功的基本条件，由于惯性和自制力弱的原因，许多学生面对这些时间茫然不知所措，陷入网吧、游戏中不能自拔。因此，应寓教于乐，做好课余活动组织、引导工作。如鼓励学生设立自己的主页，条件允许时建设学生自行管理的网站；指导学生组织计算机咨询、维修小组，在开展计算机各项服务的同时，提高学生自身的实践能力；适时组织一些程序设计竞赛、网页设计竞赛、小发明和小制作等科技活动；引导学生组织兴趣小组，对自己感兴趣的方向展开研究，提高学生的创新能力。

2.5强化实验室管理，提高实验室和仪器设备的利用率

要想真正发挥实践教学活动在人才培养中的作用，必须强化实验室管理。在实验室的管理模式上，要大胆创新，要充分利用现有设备，开放实验室，摆脱传统封闭式的实验教学时空观的束缚。实验室开放主要解决学生选课与实验时间冲突的矛盾和尝试由学生自定实验课题、选择仪器设备、制定实验方案、处理和分析实验结果，用以培养学生的基础实验能力、综合实验能力和科研能力。为此，可考虑为实验室配备专职实验教师。

2.6选择适当的实践教学成绩考核方式

考试的方法和内容对于学生的学习具有非常重要的导向性，以选择题为主的客观性考试方法虽然操作方便、教师阅卷工作量小，但容易导致“应试教育”和“应试学习”；对于部分实践性强的课程，传统的笔试也很难真正反映出学生的实践能力；对于一些设计型课程，可考虑采用现场操作考核方式，使学生充分重视实践能力的训练。在学生独立完成设计任务后，教师应予以及时的考核，考核的标准直接体现教师对学生的能力要求。为了体现能力和创造性的培养目标，以使用基本操作实现任务为基本要求，有使用技巧和创新的予以加分的方式鼓励学生发挥最大能力去提高设计水平，在每一次的实践中逐步提高设计能力和创造力。在评价设计结果的同时向学生提问一些设计思路或设计过程的问题，也可以在给学生说明给予评价等级的理由，解释学生设计的成功之处和待改进之处，有时可以允许学生改进设计任务并予以重新评价，相信对学生的设计思路有一定的启发作用。当然，这还需要在教学管理体制上进行相应的改革，使教师、学生能积极地探索各种有效的考核方法。

3结束语

总之，实践教学体系建设是个系统工程，要想真正发挥实践教学活动的作用，这不仅需要教师和学生的努力，也需要学生管理、教学管理、设备和后勤保障等部门的支持，在全体教职员工的努力下，才能培养出满足社会需求的专业人才。实现我们的培养目标还任重而道远。

参考文献

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[2]李阳，张陵．理论和实践相融合的基础课程教学新体系[J].中国大学教育，2004，(9).

[3]秦锋.一般工科院校计算机专业教学改革研究与实践[J].安徽工业大学学报，2003，20(1).

[4]曲学楼.改革计算机实验教学提高实验课教学质量[J]．高教研究与实践，2004.

篇9

关键词：机械振动；信号采集；测试系统；数据处理

0引言

振动，是机械设备所具有的基本特性，也是评判机械设备运行状况的综合性指标。设备的磨损量随着运行时间的增长而不断增加，不断增加的运行间隙使得设备的振动烈度持续增大，根据振动测试便可得知设备运行的状态。而在高校机械类专业的教学过程中，教学实验是学生最直观地了解知识的过程，也是学生最直接地运用所学知识去解决问题的过程，对于提升教学效果有着十分重要的作用。

1实验目的及实验内容

1.1实验目的

（1）观察机械设备的振动现象，掌握机械设备发生振动的机理，了解振动测试对于诊断机械设备故障的意义。（2）学习机械设备振动测试的方法，掌握振动测试系统的组成，了解振动信号测量的基本原理。（3）了解信号采集的基本知识，掌握一种信号采集的技能，学习振动测试数据的处理方法。（4）学习压电式传感器、电荷放大器、数据采集卡、数据采集软件、激光振动测量仪的使用方法，了解压电式传感器、激光振动测量仪的基本原理。

1.2实验内容

（1）根据实验目的，教师进行相关知识的拓展讲解，使学生掌握本实验应具备的相关知识，讲解内容如下：a机械振动的相关知识：通过讲解，学生可以了解机械设备发生振动的机理，了解振动对于判断机械设备运行状态的意义。b振动测试的相关知识：通过讲解，学生可以了解振动测试的方法，掌握测试指标的选择原则，了解振动信号测量的基本原理。c信号采集的相关知识：通过讲解，学生可以了解信号采集的基本原理，学习信号采集的相关理论，掌握信号采集系统的基本构成和采集方法。d数据处理的相关知识：通过讲解，学生可以了解振动信号数据处理的相关方法，掌握数据处理的基本流程。e电动机使用注意事项：通过讲解，学生可以了解基本的安全用电常识，掌握电动机使用的相关注意事项，在自我保护的同时保护教学设备的安全。f压电式传感器的知识：通过讲解，学生可以了解压电式传感器的组成、工作原理，掌握传感器的使用方法，了解其应用领域。g电荷放大器相关知识：通过讲解，学生可以了解电荷放大器的作用，掌握其使用方法。h数据采集卡相关知识：通过讲解，学生可以了解数据采集卡的工作原理，掌握其使用方法。（2）为了提高学生的动手实践能力，培养其工程素养，将学生分为几个小组，给出小组讨论时间，让其自主的讨论、学习实验仪器的使用。具体包括。a压电式传感器的接线与布置，电荷放大器的具体操作，数据采集卡的接线操作，数据采集软件以及激光振动测量仪的具体使用。b练习振动测试系统的搭建。（3）在实验教师的指导下，学生搭建正式的实验系统，并启动电动机，完成振动信号的采集工作。（4）振动测试工作完毕后，在实验教师的指导下，学生完成振动测试系统的拆除工作，将相应仪器设备做好保养后放置于指定位置。

2实验原理及实验系统

2.1实验原理

机械设备所包含的一切活动，包括冲击运动、往复运动、回转运动，均可作为激励源。设备在激励源的作用下产生振动现象，振动沿着设备从内部向外部传播。待到达设备表面时，机械振动扰动空气产生声波。采集并分析这些声音信号及振动信号，就能对机械设备及其运行状况作出相应的评判。激励源是机械设备产生振动的根本。在主动式测量中应采用激振器对被测试设备进行施振，由于施振特性是已知的，便可据此分析被测试设备的振动状态。而对于大型设备（例如大型柴油机），不便于对被测设备施加主动式测量，则可以针对设备自身工作时所产生的振动进行测试，从而分析被测试设备的振动特性、判断其运行状态。相关研究表明，机械设备的振动频率范围一般为10Hz~10000Hz，因此可将振动速度作为被测指标。但是，以现阶段的技术水平难以进行速度量的直接测量，通常以振动加速度作为被测指标，通过对测量数据进行积分从而得到速度、位移量。

2.2实验系统实验系统

由电动机、压电式加速度传感器、电荷放大器、NI数据采集卡、笔记本电脑等组成。

2.2.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器由压电材料以及敏感元件构成，其特性为遭受外力后会在表面产生电荷。

2.2.2电荷放大器本实验系统采用KD5018型双积分电荷放大器，可以将输入的电荷量转换为相应的电压量进行输出。该型电荷放大器与压电式加速度传感器配合时，可以对机械振动中的加速度量进行测量，在机械、化工、航天等领域有着十分广泛的应用。

2.2.3数据采集卡本实验系统采用NI公司生产的9205采集卡。

2.2.4激光振动测量仪本实验系统采用的激光振动测量仪，可以直接测量并输出振动速度量。

3测试方法及数据处理

3.1测试方法

3.1.1振动速度的间接测量方法本实验中，振动速度的间接测量方法为加速度一次积分测量法。加速度一次积分测量法，是当前振动测试领域较为成熟的一种方法。其测试系统的性价比较高，对测试环境的要求较低，系统的搭建、使用十分简便，测试数据后期的处理方法也十分成熟。

3.1.2振动速度的直接测量方法本实验中，振动速度可以由激光振动测量仪直接测出。

3.2数据处理

3.2.1振动加速度信号的处理实验过程中所测得的振动加速度信号，应先对其进行A/D转换并消除直流分量。消除直流分量之后的信号还应进行滤波处理，滤波的方法有两种：数字频域滤波、时域滤波。本实验中采用数字频域滤波。a消除直流分量滤波之前，首先要消除加速度信号中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N个采样数据的平均值，然后将各采样值进行减去平均值的处理，所得数据即为消除直流分量之后的值。b数字频域滤波在积分之前，还要对消除直流分量之后的振动信号进行滤波处理，本实验中采用基于FFT变换的频域滤波。c进行数字积分对加速度信号进行直接数字积分，得到初步的振动速度信号。数字积分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。d需消除趋势项振动测试过程中，受到外界环境温度变化以及其他干扰的影响，传感器会产生零漂、低频性能不稳定等现象。振动测试数据因而往往发生偏离基线的现象，并且偏离基线的程度还会随时间发生变化，这种现象就是趋势项。趋势项是干扰量，需要消除，常用的方法为最小二乘法。对所得到的初步振动速度信号，进行消除趋势项处理，即可得到可用的速度信号。

3.2.2振动速度信号的处理由于激光振动测量仪所输出的信号即为速度信号，无需再进行其他处理，可直接应用。

3.2.3振动烈度计算振动烈度是反应机械设备工作状态的简明特征量，在以上数据处理的基础上，指导学生进行振动烈度的时域和频域计算。

4结论

本文设计了一种振动测试的教学实验，对实验目的、实验内容、实验原理、实验设备、测试方法及数据处理方法进行了介绍。通过本实验，学生可以综合性的掌握机械振动的机理、振动测试的原理、信号采集的方法以及数据处理的相关知识。

参考文献

[1]卢建霞，屠大维，赵其杰，许烁.机械工程测试技术实验教学创新平台设计[J].实验室研究与探索.2015（04）：183

[2]彭军强，于鸿彬，靳晓曙.机床振动的计算机测量综合性实验设计[J].黑龙江科技信息.2015（35）：158

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1实验开发的意义和内容

创新型实验和设计型实验教学，是当今世界范围内实验教学中的重要课题［1－4］。不断充实实验内容，使学生在本科阶段得到科学研究和科学发明的训练，对培养学生发现问题、分析问题和解决问题，拓宽学生的思路有着重要意义。自动控制理论课程是自动化专业和电气信息类专业学生重要的基础专业课，每学年在学生学习理论课的同时开设实验。该理论课程中，数学计算和理论分析的比例大，是本科生遇到的最抽象、难度最大的课程之一。如何使学生理论联系实际，充分理解这门“强理论性”的课程，则实验教学内容、方法及形式是关键因素。通过实验，不仅能够培养学生分析问题和解决问题的能力、验证所学理论，而且在实验中能够提出一些新的见解，活跃学术气氛。本文在数字PID控制实验基础上，加入了控制器设计的思想，让学生根据实际的被控对象，利用遗传算法对复杂和模型不清的系统进行简单而有效的优化，使学生能更好地理解本专业基础课程的内容。由于课内实验学时的限制，鼓励学生参加开放性实验，利用学生的业余时间进行实验和研究。实验中让学生根据被控对象自主设计实验算法。学生首先根据需要建立的数学模型模拟多种实际被控对象，如：飞行桅杆、机械臂、卫星天线、温室及发动机等被控装置，通过传递函数在给定控制性能指标的基础上进行仿真，然后在实验室通过模拟电路搭接控制系统，使用遗传算法优化PID控制参数，再使用模糊控制、神经网络控制等多种算法，通过图形显示验证是否满足给定的控制性能指标。

2实验组成与控制原理

2．1实验组成本文是在原有实验装置的基础上，开发设计性实验教学内容。实验硬件主要包括计算机、模拟实验箱，计算机与模拟实验箱通过RS232串口相互连接。利用计算机作为信号发生器、示波器和控制器，实验箱可以搭接各种对象，用以模拟实际应用。使用模拟实验箱内单片机的A／D和／D／A转换器，完成模拟量与数字量的转换。其系统框图如图1所示。在该系统上开发的设计性实验有经典控制和智能控制技术。其中遗传算法自动控制实验，要求学生在充分理解自动控制理论课知识的基础上，将自动控制与人工智能进行交叉融合，使用计算机，研究解决对不同对象的控制、优化控制器参数的问题。让学生参照实际被控对象模型，根据给定的指标添加自己的控制算法，优化控制器参数。这些属于创新型实验和设计型实验的综合，易于用现有实验平台实现。2．2遗传算法控制原理遗传算法（geneticarithmetic，GA）是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率性搜索算法。基本思想是将待求解的问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子，反复进行“生成—评价—选择—操作”的演化过程，直到搜索到最优解。由于PID控制规律简单有效，在实际过程控制中被广泛使用，因此，PID参数整定与优化一直是自动控制领域研究的重要问题。其中遗传算法为群体优化算法，即，从多个初始解开始进行优化，每个解称为一个染色体，各染色体之间通过竞争、合作、单独变异，不断进化。优化时先要将实际问题转换到遗传空间，就是把实际问题的解用染色体表示，称为编码，反过程为解码，因为优化后要进行评价，所以要返回问题空间，故要进行解码［5］。遗传算法是一种寻求全局最优的优化方法，它无需对目标函数微分即可提高参数优化水平，且简化了优化解析计算过程。应用中待优化的参数Kp、Ki、Kd均为实数，采用实数编码，能直接使用问题变量进行编码，其算法流程如图2所示。（1）初始种群产生：为保证在整个解空间进行搜索，随机产生初始种群，算法程序中在给定的搜索空间的上、下限内随机产生初始种群并赋值给变量。（2）选择（selectionoperator）：GA使用选择算子来对群体中的个体进行优胜劣汰操作，适应度较高的个体被遗传到下一代群体中的概率较大，相反被淘汰的概率也较大。最常用的选择策略是基于适应值比例的选择，该方法基本思想是：当多个个体被选中的概率与其适应度大小成正比时，在这种选择策略下群体成员都有被选择的机会，它不会使具有较小适应值的个体被剥夺生殖权利。（3）交叉（crossoveroperator）：交叉算子是指对2个相互配对的染色体按某种方式相互交换其部分基因，从而形成2个新的个体。交叉运算在GA中起着至关重要的作用，是产生新个体的主要环节，同时也是GA区别于其他进化算法的重要特征。交叉率的大小决定了交叉操作的频率，频率越高，可以越快地收敛到最有希望的最优解区域，因此一般选用较大的交叉率。但是较高的频率也可能导致过早收敛，因此交叉率的一般经验取值是0．4～0．9。根据交叉的概率对新群体中的每个个体区间随机地选择个体配对，进行交叉操作。（4）变异（mutationoperator）：变异运算是指将个体染色体编码串中某些基因座上的基因值用该基因座的其他等位基因来替换，形成一个新的个体。变异率的选取一般受种群大小、染色体长度等因素影响，通常选取很小的值，一般取值0．001～0．1。根据变异的概率大小与当前变量的适应度关系及交叉操作中产生后代个体的每一基因值进行计算［6］。（5）算法终结条件：迭代终止条件的选择决定问题的最优解的精度及算法的收敛速度。实验中采用迭代次数的上限作为算法终结条件，此时本代群体中适应度最大的个体即为最优解。采用Matlab编写算法，对被控对象的PID控制的3个参数进行离线优化，进行适应度函数计算，即对每一个个体（PID控制器3个控制参数）都在给定值下进行动态响应过程中计算离散系统PID控制器参数［7］。

3实验软件设计

实验软件采用VisualStudio2008C＋＋系统和Matlab2009平台进行开发，充分利用MFC提供的窗口、图标、选单（菜单）、指示器等控件，合理设计软件界面的框架、布局和风格。多样化的人机交互界面可以缓解人们的视觉疲劳，提高学生的兴趣。上位机实验软件的整体框架设计模型如图3所示。遗传算法优化PID参数中用到大量的矩阵处理，所以采用Matlab编写了M文件。实验界面采用VisualStudio2008C＋＋（MFC）编写，即采用VC与Matlab混合编程实现。将Matlab编写的M文件转化成VC可以直接调用的C＋＋函数。软件运行环境需要在目标机器上安装开发版本的MCRInstaller．exe，（该文件在Matlab2009的安装目录下）即可［8］。

4实验设计

4．1实验界面实验中针对某一特定被控对象，学生可以首先利用遗传算法离线优化得到一组相对比较合适的PID控制器参数初始值，然后接入实验以优化系统的动态性能。在实验平台选择“遗传算法优化PID参数实验”的界面如图4所示。参数工具界面上包含以下几个区域：（1）被控对象模型参数设置区域：算法编写针对常用的二阶系统单位负反馈形成的闭环控制回路，学生需要提供被控对象的开环传递函数的二阶系数、一阶系数、常数及增益。（2）周期设定与适应度函数选择区域：根据香农采样定理等确定该被控对象的最佳离散采样控制周期，选择离散优化时衡量控制系统动态性能的不同误差积分指标作为算法优化的目标函数，希望其值越小越好，倒数即为优化过程的适应度函数。（3）遗传参数设置区域：学生需要设置种群数量与迭代次数以及Kp、Ki、Kd参数的搜索空间，在算法设计分析的过程中不断修正以便得到最优结果。（4）优化结果显示区域：将在设定条件下，输出优化结果，同时显示实验中目标函数取值的变化曲线及最优结果下系统仿真曲线。（5）实验按键区域：“帮助”文件中介绍了遗传算法的基本原理、设计流程及基于遗传算法优化PID参数实验的一些基本知识，指导学生设计算法，且该软件为了帮助学生更好地学习遗传算法，在实验开始前，先检测初始条件设定中存在的错误，并提示更正，如图5所示。待设定好提示框参数，即可开始优化进行实验。该程序采用VC与Matlab混合编程实现。当单击“开始优化”后，通过实验进度条及信息提示栏可以随时了解实验进度情况。

4．2实验结果利用实验箱搭接的被控对象是二阶系统，如图6所示。系统传递函数如下：Gp（s）＝10．2s＋1×20．5s＋1经过遗传算法优化参数，采用初始条件种群数量size＝30，迭代次数为50，选择评价误差积分指标IAE作为优化目标函数J。解的搜索空间设定：Kp为0～3，Ki为0～1，Kd为0～3，进行参数优化。得到的优化结果：Kp＝1．5405，Ki＝0．1247，Kd＝2．8636。从实验结果图（见图7）上读取性能指标：超调量Mp＝9．1％，峰值时间Tp＝0．90s，调整时间1．8～2s。在实验测试时，还进行了3种对比实验，一是使用种群数量相同，增加迭代次数；二是迭代次数相同，增大种群数量；三是在相同的参数设置下，选择不同的误差积分指标函数作为参数优化目标函数等。限于篇幅，这里不再一一列举结果及曲线图。在实际教学实验环节中，学生可以通过多组对比实验，分析各个参数在算法优化过程中的作用及如何选取相对效果比较好的参数值。如果对于新的被控对象，不经过任何其他计算直接设定控制器参数的搜索空间是非常困难的。此时若事先采取其他辅助方法计算得到一组初始值，或对控制器参数进行试凑，则会花费大量的时间，且结果也不能保证满足预定指标。因此，该实验方法具有一定的实用性。