數學建模任務分配范文

導語：如何才能寫好一篇數學建模任務分配，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

在計算機系統設計過程中，決定使用何種調度策略、運行服務器數量以及每個服務器的運行速度等，往往是基于直覺，而非數學公式推導。更加科學地設計計算機系統，應首先為系統設計一個合理的模型，以確保系統滿足性能目標，然后進行計算機仿真與測試。本書基于目前已有的制造系統中的性能建模與設計方法，從排隊論及運籌學角度進行計算機系統的設計與建模。通過系統的理論與實例講解，加之300多個課后練習，力圖引發讀者關于計算機系統性能建模與設計的思考，并著手對現有的計算機系統進行分析，使讀者最終能夠創造自己的計算機系統。

全書共7部分，33章。第1部分 排隊論導論，包含第1-2章：1.分析建模能力中的激勵例子；2.排隊論術語。第2部分 必要的概率論背景知識，包含第3-5章：3.概率論綜述；4.產生隨機變量；5.樣本路徑、收斂性及平均。第3部分 簡單運算法則預測能力：假設一分析法（‘what If’），問題與解答，包含第6-7章：6.Little法則與其他運算法則；7.修正分析：封閉系統中的假設一分析法（‘what If’），問題。第4部分 從馬爾可夫鏈到簡單隊列，包含第8-13章：8.離散時間馬爾可夫鏈；9.遍歷理論；10.現實世界實例：Google、Aloha和Harder鏈；11.指數分布與泊松過程；12.向連續時間馬爾可夫鏈過渡；13.M/M/1排隊模型與泊松分布到達觀察平均時間。第5部分 服務器集群與網絡：多服務器多隊列系統，包含第14-19章：14.服務器集群模型：M/M/k與M/M/k/k服務器模型；15.服務器性能配置；16.時間可逆性與Burke定理；17.隊列網絡Jackson乘積形式；18.分類隊列網絡；19.封閉隊列網絡。第6部分 現實世界中的工作負載：多變性與大數據尾部，包含第20-27章：20.數據尾部引言：真實世界案例研究；21.階段型工作負載與矩陣分析方法；22.分時服務器網絡；23.M/G/1隊列與檢驗悖論；24.服務器集群任務分配策略；25.變換分析；26.M/G/1變換分析；27.服務器功耗優化分析。第7部分 M/G/1隊列智能調度，包含第28-33章：28.性能指標；29.調度：非搶占式與不基于尺寸的策略；30.調度：搶占式與不基于尺寸的策略；31.調度：非搶占式與基于尺寸的策略；32.調度：搶占式與基于尺寸的策略；33.調度：最短剩余處理時間與公平性分析。

本書作者采用的是“問答式”寫作風格，對于專業術語詳盡地加以闡釋，并給出了諸多詳細解答的案例，提供了自成體系的闡述，使不同學科的非專家和研究人員易于閱讀、理解與接受。本書適合從事計算機科學、計算機工程、運籌學和應用數學等專業的高年級本科生和一年級研究生閱讀和參考。對于在排隊論、應用數學、運籌學及計算機科學領域的研究人員和專業人士，本書也將提供很有用的幫助。

篇2

關鍵詞:數據鏈;建模與仿真;網格;框架

中圖分類號:N945.13 文獻標識碼:A

文章編號: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

軍事數據鏈(以下簡稱數據鏈)作為一種特殊的戰場通信系統,可以將戰場上的各種作戰單元鏈接在一起,構成陸、海、空、天一體化的數字信息網絡,實現信息資源共享,最大限度地提高武器平臺的作戰效能。戰爭實踐表明[1],數據鏈已經成為現代戰爭中實現聯合作戰的有力保障、提高體系對抗作戰能力的重要因素。

從檢索的文獻來看,國內現有的對數據鏈系統的仿真研究[2-6]大都是利用成熟的商品化軟件,如SystemView,Matlab,OPNET等,針對國外先進數據鏈開展的波形級仿真,其目的是基于一定的數學方程或統計計算得到所需的部分性能參數。但是,作為一種復雜的武器裝備,數據鏈系統的整體性能不僅僅取決于部分性能參數,更多的是要從系統的角度來研究其綜合性能。例如,在一定的戰場環境(不同的地形條件、不同的組網方式)下,仿真評估數據鏈系統的作戰效能;對于不同數據鏈系統之間的協同互聯及其作戰效能開展研究,諸如此類問題,現有的仿真是無法解決的,需要開展數據鏈系統級、網絡級的建模與仿真。為此,首要的是在分析數據鏈建模與仿真需求的基礎上,開展數據鏈建模與仿真框架研究,對數據鏈建模與仿真進行統一規劃和整體設計,這正是本文的目的所在。

1 數據鏈建模與仿真總體設想

1.1 復雜性分析

為滿足戰場需求,數據鏈系統一般都采用了各種先進的通信技術以保證通信的實時性、安全性、可靠性和有效性。同時,為合理搭配使用資源,提高整體作戰效能,現代戰爭越來越要求各種數據鏈系統的互聯互通,實現一體化、網絡化。因此,數據鏈系統建模與仿真中必然包含各種異構多樣的諸多底層模型以及由這些底層模型經過復雜的耦合關系組成的不同分辨率的高層模型。

數據鏈系統建模與仿真的目的不但要檢驗數據鏈系統的通信質量(如傳輸時延、誤碼率、數據業務的成功發送率等)是否能滿足各軍兵種的通信需求,研究各數據鏈系統內部以及系統之間的互連、互通、互操作性能,為數據鏈系統的設計開發提供技術支持。而且,還涉及到在一定作戰背景下,對戰場數據鏈網絡的作戰效能評估以及開展相關模擬訓練等問題。

因此,數據鏈系統建模與仿真是一個多學科多目標的問題求解任務,其整體建模及仿真環境的設計也必然是一項艱巨的任務。一方面,系統整體建模以及各種底層模型的建立,必然需要諸多部門的多學科人員的協作;另一方面,一次性建立包容所有模型類型、具有完備功能的仿真系統并不現實,系統的研發必然是從簡單到復雜的不斷擴展和完善的過程。因此,理想的建模與仿真方法應該采用先進的建模與仿真技術,使仿真系統能夠最大限度地適應今后技術發展變化的需要,同時具有體系結構的開放性,系統的可靠性、可擴展性、互操作性,仿真組件的重用性、集成性以及可維護性等,也就是要尋求能夠支持多技術綜合、多系統集成、多層次應用的柔性建模與仿真機制。

1.2 總體設想

所謂柔性建模與仿真機制[7],就是采用統一的體系結構和一致的描述規范,通過數據鏈系統全壽命周期的數據、工具和技術共享,增強建模與仿真面向多領域應用的可擴展性、可重用性和互操作性。一個數據鏈系統柔性建模與仿真機制可以定義為一個三維結構,如圖1所示。它包含應用體系、系統體系和技術體系。在這三者之中,從實際需求出發,通過分析與綜合,可以得出應用體系;根據應用體系的要求和準則,通過分析與綜合,得到系統體系;根據系統體系的要求和準則,通過分析與綜合,得到技術體系。實際需求是對應用、系統和技術體系進行分析和評價的基礎;技術體系為應用和系統體系提供技術支持;系統體系直接服務于應用體系。因此,最終目的是在技術體系的支持下,建立一個能滿足應用體系需求的系統體系。

1.2.1 技術體系

從技術的角度,數據鏈系統建模與仿真的柔性可以概括為三個方面的問題:

建模方法 即如何采用多種建模方法、綜合利用各種建模工具建立包括從底層模型到系統模型的不同分辨率模型,以適應多種仿真用途的需要。

模型框架 即明確諸多模型之間的邏輯關系,使所建立的模型可以分層組合使用,實現其重用性。針對不同的應用,重點解決不同分辨率模型之間的聚合和解聚等問題,并且新建模型可以作為一種構件插入到已有的模型框架中去。

仿真框架 即建立仿真環境的體系結構以及規范化描述,如何支持多種類型仿真系統的分布互連及其互操作和重用。

1.2.2 系統體系

系統體系主要是實現數據鏈系統仿真環境的柔性,使之具有可擴展性、集成性與互操作性等。系統體系包括數據流的分析、仿真接口的設計以及仿真平臺的實現。仿真平臺要求采用統一的數據表示、接口規范,具有并行開發、動態執行、分布操作、無縫集成等特點。

1.2.3 應用體系

數據鏈系統建模與仿真是一個全壽命周期支持、多層次、多領域需求的應用體系。從層次上講,可以大致分為鏈路層、網絡層和應用層。

鏈路層仿真主要對不同信道條件下的鏈路以及鏈路中的各種終端設備進行仿真。例如數據鏈報文仿真、協議仿真、以及各種服務質量(端對端時延、誤碼率、吞吐量等)的仿真等。

網絡層仿真主要根據實際的網絡應用或網絡應用想定,建立網絡拓撲結構,實現網絡路由選擇、流量控制及動態組網的功能,分析并輸出網絡的外在表現性能。

應用層仿真主要是實現任務為中心的通信作業仿真,包括多數據鏈系統互聯互通測試,作戰效能評估以及仿真支持的模擬訓練等。針對網間互連互通協議、網絡組網方案優化、網絡的安全性、可靠性、電磁兼容性以及數據鏈網絡對具體作戰行動的影響等開展研究。

2 數據鏈建模與仿真框架

開展數據鏈系統的建模與仿真工作,不但涉及到高精度的協議仿真、數據鏈系統底層仿真以及戰術移動性,而且還包括各種以任務為中心的通信作業仿真等。因此,當處理的節點非常多時,實體移動性、任務分配以及實時場景計算等需要的計算量非常大,單個計算機系統不能滿足需求,需要采用并行分布處理系統。

由美國國防部國防建模仿真辦公室(DMSO)提出的仿真“高層體系結構”(High Level Architecture,HLA)是目前應用比較廣泛的多系統分布仿真體系規范,現已被接納為IEEE 和OMG的分布仿真標準。HLA具有將仿真功能與通用的支撐系統相分離的體系結構,具有開放性、靈活性和適應性,為解決數據鏈仿真的互操作性和可重用性提供了通用仿真技術框架,支持用戶分布、協同地開發復雜仿真應用系統,并最終降低新應用系統的開發成本和時間。

但是,HLA也存在一些局限[8],不能很好地滿足數據鏈系統仿真的需要,主要體現在:

(1) 沒有統一的仿真數據表示。定義聯邦成員共同理解的仿真數據類型是仿真系統正確運行的前提條件,但HLA 規范并沒有給出數據類型的規定。

(2) 仿真資源是靜態分配。設計仿真應用時就確定了聯邦成員和仿真計算、存儲等資源的對應關系。兩者被靜態地綁定在一起。在仿真執行過程中,無論仿真資源的負載輕重,這種綁定關系都不會發生改變。靜態綁定方式容易造成某些仿真資源成為整個仿真系統運行的瓶頸。

(3) 缺乏對仿真全生命周期的支持。仿真系統的設計、開發、分析和結果評估等部分都是離線完成的。離線方式對于協作性很強的仿真設計等操作非常不利,往往造成成本的提高。

(4) 缺乏對大型并行仿真應用的支持。現有仿真系統中的仿真應用通常采用串行仿真程序,但數據鏈仿真中某些仿真應用的計算量非常巨大,采用串行程序處理方式不能滿足計算要求。使用高性能計算機做并行計算,是解決大型仿真應用計算需求的有效手段。

(5) 仿真系統的安全性不強?，F有仿真系統對安全性考慮較少。分布式仿真系統往往被限制在獨立的局域網內運行,以防在廣域網上造成泄密。分布式仿真系統的規模受到了嚴重的限制。

(6) 仿真系統的容錯性較差。由于傳統仿真系統的資源是被靜態分配的,當系統出現嚴重問題時,往往造成整個仿真系統的失效。

近年來,網格技術[9,10]成為關注焦點。網格是一種分布的高性能計算與數據處理的底層支持框架,能夠管理眾多地理上、組織上分布的異構資源,包括計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、知識資源、各種設備資源,甚至合作者等。通過提供訪問遠程資源的可擴展的,安全的,高性能的機制以及相應的協議、服務和軟件開發工具,網格技術能使地理上分散的工作團體充分共享資源,協同工作。使用網格技術來支持仿真系統將大大改善HLA在上述方面的不足,使仿真系統能夠動態分配資源,極大地提高系統的運行效率。

為此,本文構建了網格技術與HLA相結合的數據鏈建模仿真框架,如圖2所示。它建立在網格體系結構之上,其核心是基于網格的HLA實現。

網絡資源是指各種仿真資源,如模型資源(包括各種分辨率的異構模型)、工具資源(如各種建模工具、可視化工具等)、數據資源(如地形數據鏈等)、存儲資源以及設備資源等。各種資源需要通過網絡提供的服務接口才能供網格用戶共享。所以,需要為每一種資源量身定做合適的資源管理接口。

網格服務是指具有普適性的網格服務,包括資源索引服務、資源分配管理服務、協同調度服務、信息服務、安全服務等。網格通用中間件負責分布式交互仿真中各節點的資源發現和動態分配,以解決傳統HLA中資源靜態分配的局限。網格通用中間件的實現可以借鑒現有的成熟技術。

仿真網格中間件主要是仿真運行環境RTI,它將繼續提供傳統HLA中的聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理以及數據分發管理等服務。在仿真網格中實現協同建模與協同仿真一體化設計,建模資源與仿真資源的一體化管理與共享;實現仿真網格組件的組裝與運行;實現不同粒度模型、不同實時性仿真的需求。

仿真應用主要是各種聯邦成員的實現。戰場態勢聯邦主要負責態勢生成與控制;測試評估聯邦成員負責與網絡測試相關的仿真執行;模擬訓練聯邦成員實現系統與受訓人員的動態交互仿真等。其中,仿真客戶端包括用戶使用界面,仿真對象狀態維護,以及與RTI支撐環境的接口等。仿真客戶端的作用是作為HLA的仿真應用,與RTI支撐環境打交道,并與其他仿真應用共同完成整個仿真任務。

3 建模與仿真操作流程

從建模的過程來看,主要包括協議模型、設備模型以及系統模型三個層次。數據鏈協議模型的建立是構建系統設備模型和進行網絡仿真的基礎;數據鏈設備模型基于各個層次上的協議仿真模型構造,也即由各個層次上的協議模型疊加產生,所以數據鏈設備模型的實質是多層次協議模型的集成建模(可以利用多分辨率建模,聚合模型等相關理論);數據鏈系統模型的基礎是協議模型和設備模型,關鍵是網絡拓撲結構和網絡業務流量模型的建模。

從仿真的過程來看,仿真操作過程分為啟動、執行和結束三個階段,如圖3所示。在啟動階段主要完成網格支撐平臺啟動、聯盟的創建、盟員加盟、初始化數據、盟員能夠公布的信息以及盟員需要定購的信息等工作。在這個過程中,戰場態勢聯邦成員通過調用所需的各種模型以及組網方案等形成初始戰場態勢。啟動階段完成之后,進入仿真執行階段,在這一階段,首先聯邦成員向RTI服務器請求時間推進,獲得許可后,推進到相應的時間,然后通過相應的網格服務,申請使用網格服務,完成所需要的本地計算后釋放實例。然后根據計算結果更新對象的屬性值。當執行階段完成后,進入結束階段,聯邦成員退出聯邦,當所有聯邦都退出后,RTI服務器刪除聯邦執行。結束階段輸出相應的分析評估結果。

4 結 語

數據鏈建模與仿真是一項復雜的系統工程,基于網格的數據鏈建模與仿真,在HLA的基礎上,采用統一的數據表示,具有良好的容錯性和安全性,能夠很好地支持數據鏈系統全壽命周期的仿真研究,可以較好地滿足數據鏈建模與仿真柔性機制的需求。

參考文獻

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

作者簡介 徐 盛 男,1979年出生,湖北人,碩士研究生。研究方向為風險管理與決策支持技術。

王文政 男,1980年出生,河南人,博士研究生。研究方向為軍事無線網絡建模與仿真。

篇3

基于Petri網的工作流網過程模型

Petri網是一個狀態變遷模型，可用來描述系統中異步成分之間的關系，同時允許發生多個狀態變遷，也是一個并發模型，用Petri網描述的系統有一個共同的特性就是系統的動態行為表現為資源(物質資源和信息資源)的流動，Petri網被認為是系統建模最重要的方法之一。Petri網的特點歸納起來具有以下特點:

①模擬性從組織機構的角度和模擬系統的控制和管理，不涉及實現所依賴的物理和化學原理。②客觀性精確描述時間(變遷)間的依賴關系和非依賴關系。

③流特征適合描述以有規則的流動衛星為特征的系統，包括能量流、物質流和信息流。

④描述性用同一的語言或者圖形描述系統結構和系統行為。

⑤異步并發性對于局部環境不相交的變遷可以實現完全獨立(并發地)地發生。隨著研究的深入，Petri網理論也在不斷完善和發展，從基本條件網、庫所變遷網(P/T)到著色網在各個領域都有了深入的應用。本文提出的工作流網就是Petri網的一種擴展。

工作流管理系統作為過程控制的重要工具廣泛地應用于PDM、PLM等系統中，而Petri網作為一種適應于多系統的圖形化、數學化建模工具，為描述研究并行、異步、分布式和隨機性等特征的復雜性系統提供了強有力的手段。在Petri網的基礎上工作流網的概念被提出，用來準確、清晰地定義復雜過程的邏輯。Petri網建立在嚴格的數學基礎上，擁有成熟的分析方法和工具。基本的Petri網是一個帶雙節點類型，我們稱之為庫所的雙向曲線圖和變遷，為了引進工作流網的概念和定義，擴展基本Petri網增加帶有弧權重函數，它代表了一定的庫所和變遷之間連接的數量關系。定義2帶有弧權重的Petri網是一個4元組:(P，T，F，W)。其中，P是庫所的有限集合;T是變遷的有限集合，且P∩T=Φ;F∈(P×T)∪(T×P)是一組弧;W:FN+，是設定權重到弧的函數。

當且僅當存在一個直接由P到T的弧連接時，P稱作一個變遷的輸入庫所，當且僅當存在一個由T到P的直接弧連接時，P稱作一個變遷的輸出庫所，我們用•t定義一個變遷的輸入庫所。T•定義一個變遷的輸出庫所，P•和•P有相類似的意義，即P•是作為輸入共享庫所P的一組變遷。在任何時候，一個庫所包含有0個或者多個令牌，狀態M用來表示令牌在各個庫所的分配情況，可以用以下方式表示一個狀態:1p1+2p2+1p3+0p4。代表了在一個令牌在庫所1，2個令牌在庫所2，一個令牌在庫所3，在庫所4沒有令牌，也可以表示為:1p1+2p2+p3。要比較2個狀態，可以定義并行指令，例如可以對于任何2個狀態M1和M2，M1≤M2成立的條件是所有的p∈P:M1(p)≤M2(p)。

在過程執行期間令牌的數量可能改變，變遷在Petri網中是活動的單元，根據以下的規則變遷改變網的狀態。①當且僅當每一個變遷的輸入庫所包含至W(p，t)函數所要求的令牌時，這個變遷被稱為是使能的。②一個使能的變遷能夠激活，如果一個變遷激活，那么t從每一個t的輸入庫所p中消耗W(p，t)的令牌，并且對于每一個T的輸出庫所p產生W(t，p)的令牌。定義3Petri網成為工作流網(WF-net)的條件是當且僅當滿足以下條件:①Petri網有2個特殊的庫所:i和o。庫所i是一個源庫所:•i=o;庫所o是一個接收庫所:o•=o。②如果我們增加一個變遷t*到Petri網中，這個Petri網用i連接o，即:•t*={o}及其t*•={i})，則這個Petri網是強連接的。工作流網中有一個輸入庫所(i)和一個輸出庫所(o)。如果一個實例進入到工作流系統完全處理時，則系統就會產生過程處理的工作流網實例，工作流網定義了一個實例的全部生命周期，帶有上述擴展特性的Petri網允許任意弧權重存在，這些為任務結構到工作流網的映射奠定了基礎。

任務結構到工作流網的映射

在設計開發過程中，結合產品功能對開發過程進行任務分解成為一種廣泛應用的方法，但是基于任務模型的過程模型在分析時具有局限性。而Petri網作為成熟的分析理論，提供了有利的工具和方法，因此提出將任務結構模型映射成工作流網過程模型的方法，能夠對系統進行更加準確地分析和仿真。在轉換過程中增加了一個隱含庫所S，它用于時刻反映在任何點的一段時間內的并行處理信息流的數量，另外帶有n個輸出弧的任何一個變遷Ct有一個權重為n－1的來自于S的輸入弧。同步器對應為Hs的變遷，它有m個輸入弧和p個輸出弧到S。弧的權重如果m＞p則為m-p;如果m＜p，將會有一個由S到Hs的弧。而對于沒有輸出弧的變遷以Fd表示。轉換時會有一個到S的弧，這樣的變遷表示信息流的終止。弧權重函數WWN設定為1到以下表達式的每一個弧:這里C是一個并行信息流的最大數量，在初始化狀態下的庫所i有一個令牌而其他的庫所沒有令牌。在任務結構映射到工作流網的過程中，為了保證并行操作的路徑而增加的隱含庫所S對于決定一個任務結構是否中止是至關重要的，但是它并不是語法中的一部分，因此它并不改變行為的特征。

實例分析

金融機具產品具有機構復雜、多專業、設計精度高的特點。以高檔金融機具紙幣清分機為例，是對各個國家紙幣進行高速處理自動清分的高端智能化產品，面對不同國家的紙幣特點，產品的性能指標不同，產品的技術參數多、性能指標要求高，尤其是機械結構復雜，對傳感器測控、控制技術等有很高的要求，產品開發的需求復雜，以某公司的紙幣清分機產品開發過程描述如下:

①市場需求提出(Request)由客戶需求部門提出新產品需求，具體內容包括產品功能(清分、計數、鑒偽)、參數(處理速度、處理紙幣種類、進鈔口和出鈔口數量)、產品需求時間和價格等信息。

②需求分析(Analyse)新產品設計部門針對現有產品系列和技術基礎進行分析，內容包括:待處理紙幣尺寸、機讀防偽特征、紙幣清分機標準、其他標準、現有技術和進一步實施的可能性。

③提出不同的解決方案(Propose)方案包括(a)現有產品完全滿足要求;(b)需求進行機械結構和鑒偽識別技術的變形開發才能滿足要求;(c)完全沒有滿足要求的產品，需要全新設計新的產品3個部分。

④任務分配(Distribute)如果屬于新產品的變形開發如一個新的國家紙幣清分機開發確定為派生產品，全新結構如出鈔口不同的開發為正式產品的設計開發，兩類產品的開發過程、要求和任務分工均不同。

⑤并行設計(Design)機械機構設計、電氣部分的設計，在這兩個部分進行設計時都要進行測試。

⑥文檔(Release)當機械和電氣部分樣機設計完成后，進行樣機文檔的下發。⑦測試(Test)在進行各個部分進行設計的同時，同時又有測試。確定是否滿足需求，如果滿足，則進行測試。以上過程應用任務結構圖表示，如圖3所示。根據任務結構到WF-NET的映射規則，可以得到紙幣清分機基于工作流網的設計開發流程，如圖4所示。在圖4中的最大并行任務數是3，所以我們將C設定為3。

對照兩種設計開發過程的描述可以看出，對于紙幣清分機產品的樣機開發過程只能實現產品開發過程的簡單描述，不能對設計開發過程進行定量研究。經過對并行設計開發過程的任務模型應設成WF-NET，根據工作流網的特點，可以對工作流網分析工具進行各種分析，其中可以對庫所數量、變遷的數量、弧連接和狀態變化的數量進行統計，也能夠實現對設計開發過程的活性、有界性和合理性進行確認，經過對轉換后的工作流網的分析。

針對金融機具紙幣清分機的開發過程基于WF-NET的設計過程驗證，我們可以應用Petri網的分析工具對紙幣清分機產品并行產品設計開發過程的任務分配、性能評估、產品開發周期進行更量化、更精確的分析，其結果經過驗證是安全、正確和有界的。

結語

篇4

【關鍵詞】數字化工廠；仿真；虛擬制造

1.引言

在市場競爭日趨激烈，新產品上市周期越來越短，生產設備和制造系統日趨復雜、昂貴的情況下，為了獲取最佳利潤和保持市場占有率，制造企業必須從傳統制造模式向數字化制造模式轉變，實現產品的多元化，縮短產品上市時間，縮短生產準備時間，并進一步提高產品的質量。由此，數字化工廠作為優化生產過程的解決方案也越來越成為研究的熱點。

2.數字化工廠含義

數字化工廠（Digital Factory，簡稱DF）是基于仿真技術和虛擬現實技術的發展而產生的，是以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式，通過對生產過程進行分析和優化，保證產品在可制造的前提下，實現快速、低成本和高質量的制造，從而實現柔性制造和并行工程[1]。

3.數字化工廠平臺架構

數字化工廠軟件是虛擬制造平臺，對于縮短新產品的開發周期、提高產品質量、減少制造成本和降低項目決策風險都具有重大意義。

數字化工廠軟件還是實現并行工程的工具。產品設計部門和制造工藝部門可以在產品的制造特征（焊點、定位點、裝配位置等）領域緊密協作，在產品設計的早期階段進行工程制造的仿真，在新產品的制造中盡量對標準化的工藝和工裝卡具重復利用，從而實現產品設計和產品制造的并行互動的工作方式，縮短新產品的開發周期、降低制造成本和加快新產品投放市場[2]。

數字化工廠在工藝層面的主要應用包括工廠布局仿真優化、工藝流程規劃及仿真驗證、虛擬裝配設計與驗證、物流仿真。工廠布局仿真優化是建立車間廠房、物流通道、制造資源等的三維數字模型，為工藝、裝配、物流仿真建立基礎。是工藝流程規劃及仿真驗證在三維數字環境下對產品的工藝進行規劃，制定工藝路線，如NC編程、流程排序、資源分配、工時定額，成本核算等，并對加工工藝過程進行三維仿真，仿真工藝路線，刀具切換，裝夾過程等。虛擬裝配設計與驗證是提供一個虛擬制造環境來規劃驗證和評價產品的裝配制造過程和裝配制造方法，檢驗裝配過程是否存在錯誤，零件裝配時是否存在碰撞。它把產品、資源和工藝操作結合起來來分析產品裝配的順序和工序的流程，并且在裝配制造模型下進行裝配工裝的驗證、仿真夾具的動作、仿真產品的裝配流程，驗證產品裝配的工藝性，達到盡早發現問題、解決問題的目的。物流仿真是工廠布局規劃與仿真的輔助工具之一，在三維環境下對物流仿真邏輯進行建模，主要分析工位裝配任務分配的合理性，物流路徑規劃的合理性，物流設備的分配以及利用率等，從而評價和優化物流規劃方案；基于建立的物流仿真模型，可以調整參數和物流方案，實時獲得仿真結果。

數字化工廠平臺在制造層面的主要應用為MES系統，包括制造數據管理、計劃排程、生產調度執行、現場數據采集及歸檔、產品跟蹤等功能。

4.數字化工廠收益

一個制造企業完善的企業信息平臺應由三大塊構成，即：PDM/CAD系統，為企業提品數據結構和數學模型，進行產品數據管理；ERP系統，為企業提供物質資源、資金資源和信息資源集成信息，進行企業資源管理；數字化工廠平臺，即制造過程管理系統，為企業提供數字化的制造信息平臺，進行制造工藝規劃設計，工程仿真和生產過程管理。成為數字化工廠，首先要做到柔性制造，即通過自動化的理念把產品的工藝設計與自動化設計集成到一個平臺上。系統能夠根據加工對象的變化或原材料的變化而確定相應的工藝流程。第二點，也是比較關鍵的部分，即虛擬投產，即借助虛擬化過程來檢驗整個生產過程，驗證產品。

國內制造企業通過利用數字化工廠技術能夠帶來的收益包括：

（1）在3D的環境下進行制造工藝過程的設計，提高工藝設計、現場工人、數控測量的效率；

（2）用數字化的手段驗證產品的制造工藝可行性，避免工藝制造與設計脫節，提高工藝設計質量；

（3）現場的工藝問題在數字化仿真環境下提前得到分析，避免在后期對產品和流程進行改變返工，避免規劃的失誤，對風險可進行精確掌控；

（4）掌握產品和流程的復雜性，提高產品的變種及對流程影響的透明度，建立典型工藝，經驗庫，減少重復工作；

（5）縮短產品工藝準備周期，縮短新產品投放市場時間（6）結合MES現場數據的及時采集、反饋，實現成本的及時統計、工藝的持續改進，支持產品的后期維修。

5.實施關鍵因素

數字化工廠平臺涉及多層仿真層次，不同仿真目的，需要對物流，裝配，加工等進行獨立仿真，并在統一的可視化環境下進行結果分析。數字化工廠貫穿整個工藝設計、規劃、驗證、直至車間生產工藝整個制造過程，不是一個獨立的系統，需要與設計部門的CAD/PDM系統進行數據交換，并對設計產品進行可制造性驗證（工藝評審），同時，所有規劃還需要考慮工廠資源情況數字化工廠與設計系統CAD/PDM和企業資源管理系統ERP的集成是必須的。同時，數字化工廠還有必要把企業已有的規劃知識（如工時卡、焊接規范等）集成起來，整個集成的底部是PLM構架。所以，需要與其他部門的信息系統進行數據交換，并在PLM體系框架的指引下開展實施工作。

6.小結

數字化工廠涉及生產，設計，工藝、物流，管理，IT部門等業務單位以及多領域的技術人員，需要相關專業部門的全力配合，需要對整個生產鏈的數據進行整理和整合（包括產品，工藝，車間等）。對企業各方面的影響巨大，可能需要流程重組。因此，企業在具體的實施過程中，需根據自己的生產制造的實際過程和企業資源條件來決定，即需要在設計、工藝規劃、加工、裝配、物流的哪一部分加強，進而采取先點后面、循序漸進的實施策略，不要一下鋪得太大。

參考文獻

[1]張浩，樊留群，馬玉敏，等.數字化工廠技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2003：5-12.

篇5

【關鍵詞】培養興趣;實驗操作;實際應用;課外實踐

數學知識的應用是廣泛的，大至宏觀的天體運動，小至微觀的質子、中子的研究，都離不開數學知識，甚至某些學科的生命力也取決于對數學知識的應用程度。馬克思曾指出：“一門科學只有成功地應用了數學時，才算真正達到了完善的地步。”生活中充滿著數學，人們的吃、穿、住、行都與數學有關.如通過人們吃的糕點可認識到豐富的幾何圖形;在商場買衣買鞋時經常會遇到打折（百分數）的問題;日常生活中水電費的支出;數學教師要善于從學生的生活中抽象出數學問題，使學生感到數學就在自己身邊，讓學生感受到生活中處處有數學，培養學生數學應用意識。

一、用實際問題調動學生的學習興趣

心理學研究表明：“學習內容和學生熟悉的生活背景越貼近，學生自覺接納知識的程度就越高”。因此，在課堂教學中，要盡可能地將教學內容與學生的生活背景結合起來，從貼近學生生活的實際問題引入新課，調動學生的學習興趣。

1.概念從實際引入

學習“垂直”的概念時，可結合實際提出這樣的問題：馬路的十字路口的兩條道路位置上有何關系？再比如電線桿與它上面架的電線位置上有什么關系？這些都是數學在實際生活中具體涉及到的例子，能激發學生的求知欲望，使學生產生“生活中處處有數學”的意識，而且能直觀地理解垂線的意義，并意識到學習這個內容的重要性。

2.公式、法則結合實例抽象提出

結合實例抽象提出，既容易對其作出通俗易懂的解釋，又容易對其自身作出本質的揭示。例如在學習“長方體表面積的計算方法”時，可以這樣引入新課：“提供給學生一個長方體實物和一張長方形硬紙板，要求學生把實物用紙板包裝起來的實踐操作，再讓學生通過觀察、討論交流中，體會計算長方體表面積的用途，歸納出長方體表面積的計算方法。”這樣不僅能激發學生學數學的興趣，而且能激發學生愛數學、學數學、用數學的情感。

3.性質從實際需要提出

例如：在學習“點到直線的距離”時，可以從走路時往往喜歡抄直路直奔目的地，這樣做究竟是為了什么，讓學生思考，通過這樣的實例，能調動學生的學習熱情，讓學生易于接受，同時還能領悟到數學在現實生活中無所不用。當然在教學中還要注意充分利用現代化教育技術輔助教學，采用模型、幻燈、錄像、計算機等現代教學手段，增加師生互動、形象化表示數學的內容，同時將抽象的知識直觀化。這樣能吸引學生的注意力，調動學生積極學習知識的興趣，又能加深對知識的理解，提高學習效率。

二、教學聯系實際，從生活中發現問題、提出問題

從知識的掌握到知識的應用不是一件一蹴而就的事，沒有充分的、有意識的培養，學生的應用意識是不會形成的。教學中應該注重從具體的事物提煉數學問題，引導學生聯系日常生活中的一些問題用數學知識來解決，這有助于學生數學應用意識的形成。比如在學習“正比例”時，利用這樣一個生活中常遇到的問題：甲乙兩地有三條公路相通，但在通常情況下，由甲地去乙地我們選擇最短的一條路（省時，省路）;特殊情況下，如果最短的那條路太擁擠，在一定時間內由甲地趕到乙地我們就選擇另外的一條路，寧肯多走路，加快步伐（速度），來保證時間（時間一定，路程與速度成正比）。從數學角度給學生分析這個問題用于“行程應用題”，是路程、時間、速度三者關系的實際應用。這一問題的提出可以使學生感到具體的實際問題就在自己身邊等待解決，增強了主動意識，激發了興趣。

三、精心編制問題，培養學生的應用能力

當前我國數學教材中的問題和考題多半是脫離了實際背景的純數學問題，或者是看不見背景的應用數學問題。這樣的訓練，久而久之，使學生解現成數學題的能力很強，而把實際問題抽象化為數學問題的能力卻很弱。而數學是以現實世界的空間形式和數量關系作為研究對象的，它的許多概念、性質和方法都從現實中來。但它有更多結論去為生產和社會各行各業服務。因此，教師可在遵循教學要求的前提下，精心編制一些與生活有關的問題，可以使學生感到自己的周圍處處有數學，從而使其萌發學好數學去解決實際問題的愿望，把學和用結合起來，達到提高學生應用能力的效果。如在學習“最小公倍數”時，可編制實際生活中有關生產中的任務分配的問題，如“某服裝廠的工人每人每天可生產3件上衣或7條褲子，一件上衣和一條褲子為一套服裝，現有60名工人生產，每天最多能生產多少套服裝？”根據題意，需先求3和7的最小公倍數（21）才能使每天生產的服裝最多，再進行對工人進行分工（42人生產上衣，18人生產褲子）。這樣根據教學目的編制這類與生活相關的問題，在教學時學生不僅容易接受，而且能體會到數學知識在生活中的實用價值，讓學生知道了數學來源于生活，并服務于生活。在教學中，可逐步引導學生根據所學知識并結合實際編制問題并解決問題，逐步增強學生學數學、用數學的能力。

四、加強課外實踐，帶著數學知識走進生活

著名的數學華羅庚先生曾說過：“宇宙之大，粒子之微，火箭之速，化工之巧，地球之變，日用之繁，無處不用數學。”精辟地闡述了數學在現實生活中的廣泛應用。可以說數學為很多生活問題建模。例如舉行一次野炊活動。一方面要引導學生收集大量信息，深化統計的學習，另一方面也讓學生參與活動的全過程，調查市場行情，讓學生親自到商場買米、買菜和其他必需品，在整個活動過程中學生可能會遇到許多困難，如買菜中的估算，人民幣的支付，菜的搭配和選擇等策略活動，引導學生有序地思考，提高解決實際問題的能力，滲透應用數學的意識?！耙按丁被顒訉W生學習數學與生活緊密相連，讓孩子們津津有味地評論著自己所買的菜，交流著買菜的體驗，充分展示了每個人的個人愛好，生活經驗、情趣，也學習和交流著學習數學所包融的價值觀，實用觀，享受著學習數學的快樂。這是融數學、社交知識于一體的綜合練習，這樣的作業設計從孩子們身邊的現實問題入手，給學生提供了一次運用各種知識進行實踐活動的鍛煉機會。在這一過程中學生學會獲取知識、掌握研究問題的方法，培養實際運用能力，使自己成為學習的主人。

總之，教師在平時的教學過程中，應有意識地收集、整理一些適應本地生活、生產需要的實際應用性問題，注意收集與教學內容相關的實際素材組織教學活動，增加實習作業和探究性活動，找到向實際問題過渡的滲透點，使學生領悟數學的應用價值，達到潛移默化地培養學生應用數學的能力。

參考文獻：

篇6

1.1團隊人力資本測量的研究從“投入說”、“產出說”到“內容說”，人力資本的內涵與外延不斷發展。學術界和產業界普遍贊成知識、技術、技能、素養等是人力資本本質要素的觀點。但由于其難以測量，常用簡單、客觀、便于操作的顯性指標作為替代，學歷、職稱、年齡、性別等的百分比便成為測量團隊人力資本結構的選擇。但這種方式對團隊人力資本的反映是表象的而非實質的，對具有相同人力資本結構的團隊價值創造不同的現象缺乏有力的解釋。

1.2團隊匹配內容及機理的研究在人員匹配內容及機理方面，按照匹配對象主要分為人－崗匹配、人－團隊匹配、人－組織匹配三類。人－崗匹配是從崗位分析出發，員工的技術、知識、能力與崗位需要之間的匹配［16］;人－團隊匹配是個人和團隊其他成員在目標、價值觀、特質等方面的匹配;人－組織匹配是指個人的人格、價值觀、目標、態度與組織的文化/氣氛、價值觀、目標、規范的匹配，以及組織提供的資源、財政、物質、心理、機遇、任務、人際等與個人供給的資源、時間、努力、承諾、經驗、人際等的匹配［?，F有人員匹配主要圍繞個人匹配展開，但對于把團隊視為整體與工作對象匹配問題的研究也有所涉及，例如:孫銳等(2007)分析了知識型團隊與知識工作任務的匹配關系，探討了知識型團隊的動態能力構建機制［25］。馬衛華等(2012)通過實證研究表明學術團隊的研究偏好與產學研合作項目越匹配，產學研合作將有助于提升團隊的學習能力［?，F有將團隊作為整體與作業對象匹配的研究已初見端倪，主要是針對某一背景，研究團隊匹配對組織關注內容的作用關系，對如何實現匹配的方法類研究還有待深入，因此，將揚長避短的分工思想引入團隊管理，考慮不同團隊與不同作業對象之間優勢供需一致的工作安排，以期盡可能地發揮團隊優勢。

1.3雙邊匹配模型及算法的研究這部分研究主要分為兩類，一類是一般性的雙邊匹配模型算法的研究，雙邊匹配思想起源于指派問題，通過多目標多指標決策、數學建模與優化等方法對以滿意度、穩定性為目標的方法及決策支持系統等雙邊匹配問題開展研究。從GordenforsP(1975)提出偏好匹配以來，人們從序值信息的雙邊匹配決策模型及其穩定性判斷方法、隨機分布序值偏好的Gale-Shapley匹配算法等，構建了基于偏好的匹配模型?；趦瀯萁Y構的匹配是一種特殊的偏好匹配，但更加具體深入，因為它定量地刻度了優勢與劣勢。一類是具有實際背景的雙邊匹配決策研究，例如:“人－設備”匹配主要是通過生理學、醫學、人體測量學、美學等，研究負荷與職業健康、作業方法等內容，劉建剛等(2009)基于“任務－團隊匹配矩陣”及“任務－團隊效率矩陣”提出了任務智能化分配法［41］。但缺少將優勢與劣勢嵌入到匹配決策的思想。已有研究推動了人力資本理論和匹配決策理論的發展，豐富了雙邊匹配決策模型和方法。然而，需要指出的是:現有對團隊人力資本結構的測量主要是面向顯性結構，該種方式對團隊整體人力資本缺少實質性表述，與人力資本的價值創造本質脫節，難以反映團隊的優勢與劣勢，對揚長避短的團隊任務指派缺少決策支持，也不利于團隊人力資本效用的充分發揮?；诖耍疚拈_展以下研究:(1)提煉面向隱性結構的團隊人力資本競優結構的概念及構建其測量方法;(2)鑒于現有團隊任務分配較少考慮團隊優勢，提出基于團隊人力資本競優結構的“團隊－工作對象”匹配模型，以期實現多團隊多作業對象之間的科學分工，實現團隊價值的優化，通過算例驗證方法的可行性和有效性。

2基于人力資本競優結構的“團隊－作業對象”匹配模型

2.1團隊人力資本競優結構概念本文把團隊人力資本結構分為顯性結構和隱性結構，顯性結構是基于對團隊個體的累計百分比，可直接觀測、計量，以年齡、性別、職稱、教育程度、級別的比例關系結構。隱性結構是把團隊作為一個整體，基于人力資本的內質指標集，團隊的各項知識、素質、能力、技能、觀念等指標實際值強弱相對比較結構。顯性結構能反映團隊基本的勝任素質，可以作為能否參與多個團隊與多個作業對象匹配的基礎，需要說明的是，在組織的管理實踐中，常常基于平衡性考慮，使得各個團隊的顯性人力資本結構差異不大，這也導致通過顯性結構無法實現團隊與作業對象之間的最佳指派，也就是團隊盡其才、物盡其用的指派。而隱性結構由于其刻畫了自身優勢與劣勢，彌補了顯性結構的不足，考慮到作業對象對團隊人力資本優勢與劣勢的偏好差異，在對團隊與作業對象匹配的決策過程中，顯性結構和隱性結構要結合起來，首先通過顯性結構作為是否可以參與匹配決策的依據，也就是通過顯性結構達標程度，保證團隊人力資本滿足工作對象的基本要求。然后把隱性結構作為如何配對的根據，實現有利于團隊發揮最佳效能的指派工作。團隊人力資本隱性結構是在以團隊作為整體的條件下，在成員個體人力資本及團隊成員之間的相互作用關系及知能交叉影響下，以團隊為整體的人力資本各項指標值之間相互比較的強弱結構。以挖掘和充分利用團隊人力資本價值為手段和目標，從而提高團隊價值創造力的方式即“競優”，團隊人力資本競優結構是從最有利于認可團隊價值的角度識別的一種隱性結構。通過識別團隊人力資本隱性結構，尤其是競優結構，能夠了解團隊的優勢與劣勢，為團隊人力資本提升、作業對象匹配等決策提供支持。團隊人力資本競優結構的內涵與相關概念區別如圖1所示。

2.2團隊人力資本競優結構的測量方法源于人本心理學的需求層次理論，被最大程度認可是人們的永恒追求。競優結構是能最大程度反映團隊價值的參數結構。團隊人力資本競優結構識別方法是基于效用函數，依據團隊各項人力資本指標信息，以優化技術為依托，實現團隊人力資本價值最大化的指標價值參數確定方法，它能夠對各項人力資本指標相對優劣程度刻畫、分析、判斷并給出推斷結論。本文選取具有目標引導作用的距離效用函數，以優化模型的價值參數為決策變量，以效用最大化為目標，模型的價值參數最優解即團隊人力資本競優結構的數學表達式。具體而言，就是在團隊人力資本內質指標體系(x1，x2，…，xm)的基礎上;根據團隊各指標實際值，以指標價值參數(w1，w2，…，wm)為決策變量;通過優化表現團隊人力資本價值的效用函數Yi=f(wi，xi)，i=1，2，…，m，競優結構的數學表現形式是實現MAX(Yi)的(w*1，w*2，…，w*m)，w*j為指標j的團隊人力資本優勢度。鑒于人力資本內質指標需要通過專家評分法獲得，模糊數形式較能反映專家評分思維模式，用模糊距離函數表示團隊人力資本價值，則團隊人力資本競優結構的測量模型。

2.3“團隊－作業對象”競優結構相似度測量方法“團隊－作業對象”競優結構供需匹配度越大，團隊人力資本發揮的空間越大。用相似度大小表示二者匹配程度，優勢結構相似度按公式(3)計算。

2.4基于競優結構匹配度的益損值團隊與作業對象的人力資本競優結構匹配度越大，越有利于人力資本創造價值，把團隊指派給該作業對象的人力資本效能收益為。

2.5“團隊－作業對象”匹配指派模型設yij表示0－1決策變量，yij=0表示不將團隊pi指派給工作對象gi，yij=1表示將團隊pi指派給工作對象gi，建立如下指派決策模型。其中，zA為團隊人力資本損失，zB為工作對象的損失。FA為團隊成本矩陣，FB為工作對象成本矩陣。通過上述分析，可得基于人力資本優勢結構的“團隊－工作對象”匹配流程為圖2所示。

3算例

隨著科學技術的發展，鋼鐵企業設備組成與功能越來越復雜，個體由于認知能力的限制，在設備安全運行上常常需要團隊去完成單個個體難以解決的問題。在企業管理過程中，如何實現團隊與重大關鍵設備這一作業對象的匹配優化是提高生產效率、增強安全水平、提升員工滿意度的重要途徑之一。當團隊的人力資本優勢與劣勢與所作業的設備優勢與劣勢偏好一致時，團隊的工作效率就更高，團隊績效就更好，事半功倍。否則就會事倍功半、帶來人力資本浪費。因此，實現鋼鐵企業生產一線團隊與設備之間的匹配具有一定的現實意義。RZ生產線是AG集團的生產重地，分為加熱爐區域、粗軋區域、精軋區域、卷曲區域四個區域，每個區域有完成相應功能的重大關鍵設備群，每一個設備群可以視為一個作業對象。該廠主要有四大團隊，團隊由生產人員、點檢人員、協力人員組成，主要包括機械專業人員、冶金專業人員、軋鋼技工生產協力，鉗工、電工、配管、電焊、氣焊等專業的設備協力組成，年齡結構主要分布在28歲到45歲，性別多為男性，職稱按照高級、初級、中級的比例為10%，60%，30%;學歷結構為研究生10%，本科生60%，專科生30%。根據各個團隊的顯性人力資本結構以及各個設備群對于工作團隊的基本要求，通過專家討論，認為團隊2無法勝任設備群2的作業需求，團隊3無法勝任設備群4的作業需求，故在匹配成本矩陣中通過匹配成本為無窮大來體現，以保障排出將團隊2匹配給設備群2的可能性，團隊3匹配給設備群4的可能性?；趯︿撹F企業的實地調研，發現6類團隊人力資本質量指標對于設備安全運行尤為重要，團隊及設備在各指標的指標值是以訪談方式獲得，以區間數形式給出。團隊的人力資本指標值如表1所示，設備群的人力資本需求指標值如表2所示。依據模型(1)、(2)、(3)得到團隊人力資本實際競優結構合設備群人力資本理想競優結構，如表5和表6所示。根據公式(4)、(5)、(6)，設團隊與設備匹配損失具有對稱關系，“團隊－設備群”匹配的人力資本效用損失值為表7所示。根據公式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)，基EXCEL于目標規劃的匹配模型求解，得到“團隊－設備”匹配方案。將團隊1匹配給設備4，將團隊2匹配給設備，1，將團隊3匹配給設備2，團隊4匹配給設備3。

4結論

篇7

首先，大學生深受應試教育影響，習慣于傳統教育的思維和行為模式，創新的積極性不高，表達交流能力匱乏，更不善于協同工作。在傳統的人才培養過程中，對考試選拔的過度依賴，導致學生的創造力下降，抑制了青少年的靈感與個性的發展，從某種意義上阻礙了學生心智的成長。在傳統的教學過程中，知識以老師單方向向學生灌輸為主，學生僅作少量的變通和應用，久而久之，學生不僅習慣了被給予的單純接受知識的形式，而且對事物的認知建立起已有的經驗和規律，極易陷入思維定勢。另一方面，以考試為學業考核的單一評估形式使學生習慣于尋求對既定問題的“唯一”答案，自覺或不自覺地訴求一種統一思維，這一習慣導致了思想的僵化。追求考試高分更加劇了這種思維的禁錮，因為學生從未被給予機會對書本成文的內容進行質疑，學生絕對相信所學知識，毫無批判意識，養成思維惰性。步入大學以后，由于思維、行為模式長期受傳統教育的影響，學生很容易接受本科教學中與過去學習經歷相匹配的課堂教學環節，當這一學習方式仍然有效時，他們則懶于尋求新的方式，加之大學課余時間多，娛樂活動豐富，學生更無暇顧及本不擅長的創新。因此，盡管當代大學生已意識到創新的重要性和迫切性，卻無從下手，作出實質的行為改變。

其次，大學生缺乏觀察能力、自學能力、動手能力以及知識的整合能力，他們不善于利用和創造條件。學生通常有創新的靈感，但缺乏創新所需的觀察力。在觀察的深度和廣度、觀察的敏銳性和靈活性等方面都存在先天的不足，即使有靈感，也是短暫的。學生的自學能力弱進一步抑制了創新，學生習慣止步于書本，而創新所需要的知識往往需要主動地獲取，而不是按部就班地照著操作規程執行。動手能力差挫敗了學生創新的積極性，學生大多數限于理論學習，對專業的感性認識不夠。部分專業教學枯燥乏味，內容陳舊，脫離了實踐。另外，由于學生自身缺乏積極性來充分利用學校有利條件，因此不能把握本專業最新的發展動態，缺少向知識或經驗豐富的教師或同學請教的主動性，對相關學科的前沿知識掌握很少，學科之間更缺乏合理的整合，這些都限制了學生創新能力的進一步發展。

第三，大學生有創新的熱情，但缺乏創新的毅力，使得創新沒有可持續性，易以失敗告終。許多大學生雖然不滿足于現狀，但只是牢騷滿腹，未能有切實行動。即使大學生通過教師的引導有了一定的創新熱情，但在實際工作中往往虎頭蛇尾。人在社會中需要承受來自方方面面的壓力，而創新比常規解決問題的過程有著更大更多的艱難險阻，在排難除險的過程中，需要個體充滿熱情，堅持主張。這些包含積極情感體驗和意志表現的非智力品質，對大學生創新精神的培養大有裨益。

第四，長期的課堂教學也成為大學生協作能力差的重要原因。在傳統教育以課堂為主和以考試為考核主要方式的教學中，皆強調學生的獨立思考能力。學生在課堂上很少與其他學生交流并共同解決某一難題，與此相關的一些教學改進也往往浮于形式，很難從根本上提高學生團隊合作的能力。學生長久以來以自我為中心，不善與人溝通合作，用語言表達見解的能力較差，更進一步成為大學生協作能力缺失的原因。而創新不僅是個人主觀能動性的充分發揮，往往也是團隊精神的集中展現。當代科學技術的許多前沿領域學科間交叉滲透，單靠一個人的能力無法勝任，需要具有自主創新能力的團隊合作去攻克技術難關。所以團隊協作能力的培養也成為提高大學生創新素質的關鍵環節。

二、加強大學生創新和協作能力的培養途徑

針對上述各方面的問題及其原因分析可知，應進一步改革陳舊的教育模式，實現教育觀念的轉變，樹立創新教學理念，改變教育管理模式，我們建議從以下幾個方面入手：

2.1深化課堂教學創新，培養學生科研興趣和創新意識

在這一點上，教師首先應轉變教育觀念，改革教育方式。在課堂教學中，教師應從知識的傳授者變為學生學習和科技創新活動的引導者，重視以啟發式、問題式、研討式為主的開放式教學，使學生由被動的接受者轉變為學習的主人。鼓勵學生勇于提問，形成寬松、活躍的氣氛，創造一個互動的、以學生為中心的課堂，尊重學生合理的個人見解和個性選擇。比如，筆者在教授“計算機導論”課程的二進制這一章節時，結合與二進制相關的智力題和企業面試過程中的測試題，如將蘋果裝箱、切金條發工資等問題融入到教學中，讓學生將抽象的理論與實際生活結合起來，了解計算機理論的用途。這樣做激起了學生的興趣，學生開始積極思考，踴躍發言，課堂氣氛非?；钴S。具體到教學內容上，可適當引入以學生為主導的研究型設計創新環節，該設計應不局限于唯一正確的解答，從而鼓勵學生優化設計方案并自行搜索課堂傳授內容以外的任何有幫助的信息。其次，課堂教學要吸引學生，培養學生對專業的興趣、對新鮮事物的好奇心和敏銳的觀察力，應使用理論聯系實際的教學方式，力求拓寬學生的視野和知識面。在教學中，教師應注意參考學科前沿的研究進展及成果，從中挑選出吸引人的、有實際意義的部分有機地融入課堂，促進學生對本學科前沿科學研究成果的了解，調動學生的好奇心，培養學生學習興趣和研究熱情，引導學生自主學習。在“多媒體技術與圖像處理”課程的教學過程中，筆者將國際上多媒體和圖像處理方面最前沿的發展穿插到課堂教學中，把ACMMultimedia、CVPR等頂級國際會議論文中的最新研究成果，比如，將基于內容的圖像/視頻搜索技術、谷歌無人駕駛汽車、微軟亞洲研究院基于輪廓搜索的“MindFinder”等技術融入課堂，激發學生的學習興趣。筆者在講授上述3個例子時配有非常精彩的視頻，令講授過程生動具體，效果呈現形式多樣化，使其易于被理解。學生可以從中了解到如何根據輪廓來進行交互式的圖像搜索，如何進行圖像的自動修復與去噪，無人駕駛汽車是如何工作的及其背后的技術。另一方面，在課堂教學中，把書本上的抽象問題具體化，枯燥問題趣味化，結合現實的應用實例，使學生了解理論是如何同實際相結合的，利于學生利用所學知識進行創新。更重要的是，深化創新教學應從本質上改變以成績作為考核目標的單一評價形式，否則所作努力皆為徒勞。當被告知自行設計的方案和自主學習的成果將在很大程度上影響到課程的考核時，學生自然會摒棄單一追求試卷成績的學習模式，將更多精力投入到創新的實踐中來，潛移默化地養成研究興趣和自學能力。評價學生學到什么及在某一方面有多大進步，應該與該領域的實際發展情況結合起來，而不應該僅考慮教學內容。

2.2豐富課外創新活動，培養協作能力

促進高校創新教育環境的建設，設置從興趣小組、學術講座、科技作品展示、各類競賽到學術研究等不同梯度、不同形式、不同覆蓋面的創新活動，使創新意愿強烈、學有余力的學生很容易就能找到適合自己個性施展的舞臺。在這一過程中，著力培養學生的交流和協作能力，鼓勵學生以小組的形式自由組隊加入到團隊中。不僅如此，在創新活動的選擇上，教師或輔導員的引導尤為關鍵，應充分尊重學生的意愿和興趣愛好，盡量鼓勵學生選擇應用性強的活動。近年來，西南交通大學積極開展了ACM大學生程序設計競賽、數學建模大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、嵌入式設計大賽以及大學生科研訓練計劃等創新實踐活動，學生表現積極并取得了一些成績。學?？梢蚤_放實驗室，并介紹實驗室在研項目和最新研究成果，與課堂教學相輔相成，發掘有研究潛質的學生并進一步指導提升其參與興趣和自覺性。2006年以來，西南交通大學在面向計算機專業的本科生中開展了大學生科研訓練計劃（SRTP），以培養大學生嚴謹的科學態度、創新意識、團隊合作精神，提高他們的研究能力、創新能力和綜合實踐能力，實現創新人才培養，學校和實驗室對該計劃給予了一定的經費和條件上的支持。該計劃鼓勵學生以小組合作，自主規劃完成方案和任務分配，盡量選擇應用背景強、和實驗室項目相關的創新實踐題目，避免抽象的題目，有時也將大型科研項目的一部分獨立出來作為選題。實驗題目設置了分階段、分層次的子目標，使參與的學生有明確的計劃和階段成功的成就感。大學生科研訓練計劃能培養學生的動手能力、創新能力和協作能力。項目大都結合實際應用，比如通過Android和IOS平臺在手機上實現圖像處理和編輯功能；構建購物搜索引擎并實現部分基于內容的搜索功能。通過團隊成員的合作與討論，最終完成項目。項目完成后，學生能力增強，收獲頗多。

2.3加強創新實踐中的心理指導

在對大學生進行專業技術和技能創新方面引導的同時，不能忽視對其心理方面的輔導。從大的方面講，幫助學生樹立理想和正確地規劃人生，鼓勵學生參與交流，培養其樂觀開朗的性格，以及不畏艱苦、精益求精的鉆研精神。在具體實施過程中，幫助學生克服初始的過度自信和遇到困難時的極度悲觀，因為這種波動不利于創新實踐活動的開展。教師要及時協調創新小組成員間思想和技術方案上的不同見解，以保證活動的順利進行。學校可另開設有關思維科學、推理能力、心理學或方法論等課程，促進創新活動的開展，這都會對學生科學精神和創新意識的培養起到重要的作用。

三、結語

篇8

[關鍵詞]CSCL；協作學習；定量分析；定性分析

[中圖分類號]G434　[文獻標識碼]A　[文章編號]1672-0008(2010)03-0093-09

在信息技術時代下，以技術為支撐的學習成為教育技術學領域的一個熱點，也將成為未來教育技術學研究的趨勢。技術如何支持有意義的學習、需要什么樣的手段和途徑，更是成為我們探究的中心。這是因為人類歷史上每一種關鍵性技術的突破，每一種新技術的形塑，通常會導致人類生存方式乃至基本社會結構的轉型，從而開拓新的生存空間，生成新的生活經驗。計算機支持的協作學習正是這樣的具有突破性意義的關鍵技術之一。計算機支持下的協作學習(com－puter Support Collaboration Learning，CSCL)是借助計算機技術與協作學習相結合的方式，探討如何對學習過程的支持，并在幫助學習者獲取知識和技能方面擔當起重要的作用，成為教育技術學、學習科學等重要的研究領域之一。

最早與CSCL相關的研究可以追溯到上世紀80年代初，在圣地哥亞1983年舉行的一個名為“共同問題解決與微型計算機”(Joillt Problem Solving and Microcomputer)的學術研討會上。1989年由北大西洋公約組織(NATO)資助，在意大利的Maratea召開的一個關于CSCL專題學術會，被大多數人認為是CSCL誕生的標志。國外經過了近20年的發展，在研究內容和研究方法上取得了一系列成果。這對國內研究CsCL有什么樣的啟示?國內外研究取得了什么樣的成果?還存在什么樣的問題?很有必要對國內外CSCL研究現狀進行分析。本研究正是基于上述的問題，將從定量和定性分析相結合的方法試圖給予解答。

一、研究的基本框架――范疇與方法

(一)研究的基本范疇

CSCL研究是一個非常寬泛的領域，它結合了計算機科學、認知心理學、學習科學、教育學等領域知識，涵蓋了從CSCL的理論、策略、腳本設計、學習方法研究，到支持CSCL技術工具、環境、角色、模型、交互、評價研究等一系列研究方向。歸納起來，CSCL研究的范疇主要包括以下四個方面：(I)CSCL的理論研究；(2)CSCL策略與方法應用研究；(3)CSCL開發設計研究：(4)CSCL評價研究。

(二)研究方法的選擇

在上述研究范疇框架的基礎上，本研究將從定性與定量研究相結合方法，對國內外大量文獻進行分析。

1，定量分析的編碼方案

把CSCL文獻統計分析的一級類目分為：研究內容、研究方法。研究內容包括CSCL理論研究、CSCL策略與研究方式、CSCL開發與設計、CSCL評價研究四個子類，研究方法包括純理論性研究、應用性研究兩個子類。

2，國內文獻的檢索和抽樣

對國內文獻的檢索方式，本研究通過CNKI(中國期刊全文數據庫)，以“CSCL”和“計算機支持的協作學習”為關鍵詞和題名，檢索了國內教育技術領域七種核心期刊：《中國電化教育》、《電化教育研究》、《現代教育技術》、《中國遠程教育》、《開放教育研究》、《遠程教育雜志》、《現代遠距離教育》1999年到2009年相關的文章，論文搜索總數為36篇。以上文獻檢索截至時間為2009年6月8日。

3，國外文獻的檢索和抽樣

本研究對美國教育技術權威雜志EducationaI teehnology和第一份CSCL國際專業雜志ijCSCL(Intemational Joumal ofComputer-Supposed Collaborative Leaming)上發表的有關CSCL的論文進行了檢索，以“CSCL”和“computer support col－laboration learning”為關鍵詞和題名進行搜索，時間從1999年到2009年。以上文獻檢索截至時間為2009年6月8日。論文搜索總數為136篇。圖1是2009-1999年國內外CSCL研究比較情況。

二、研究結果的分析――定量與定性

(一)定量分析

依據已經確定的定量分析的編碼方案，筆者對國內外有關CSCL研究的樣本文獻進行了統計分析。

從表1可以看出，國內在以上四方面研究范疇上，論文總量差異性非常顯著，分布不均衡。而國外在四個

方面的研究上總量差異不顯著，分布比較均衡。與國外相比，國內研究目前存在的問題是：過于注重理論研究、策略和方法探討，對于CSCL開發與設計和評價研究則很薄弱。這說明了利用計算機來支持協作學習過程，在技術應用方面還存在著問題：如何利用計算機技術來開展學習活動?什么樣的計算機技術來支持學習是合理的?技術支持下的學習效果如何評價?是人評，還是機評?為了進一步說明上述的問題，本研究又做了進一步定量統計。具體見表2。

從表2和圖1進行視認分析可知，我國在1999年才出現有關CSCL的研究，研究的內容主要是以CSCL的理論研究為主。如，CSCL的理論與方法、CSCL的教學評價、CSCL的原理與基本結構、CSCL研究的幾個基本問題述評等，研究一直持續到2005年左右，在此期間的2003年出現研究的小高峰，成為研究的一個拐點，直到2006年則有所下降，但此后卻又逐漸上升?？梢姡瑖鴥葘W者對CSCL的研究是逐年上升的，但與國外相比，上升的幅度太小。

但在2005年以后，我國對CSCL研究的主題方向發生了變化，由傾向基本理論的研究轉向了應用研究，如劉黃玲子等研究了CSCL中的交互；章宗標等在基于CSCL的任務型數據上分析了網絡教學平臺的設計與實現，并以《Visual Ba－sic程序設計》為例；林書兵等研究了基于知識覺知的CSCL交互活動工具設計，等等。為什么在如此短的時間發生這么大的改變?國外在進行CSCL理論研究的進行了約10年之久，而國內傾向理論研究的時間約為7年左右。

究其原因，一個引發轉變的關鍵是2005年在臺灣舉行CSCL國際大會主題的變革，大會題為“CSCL：未來十年”(CSCL：The Next Ten Years)，強調了技術的應用，更加關注新的信息技術和網絡技術來促進有效的協作交互過程。把CSCL工具的設計、開發、應用與心理學結合，更好的服務于教學當中去。我國學者為了與國際研究接軌，很快將研究視線轉移，但在研究轉型的過程中，基于我國CSCL研究的整體水平并不高，主要從事理論性研究，研究方向轉型需要一個緩沖期，所以在2006年數量上有所下降，這也是研究轉型過程中出現的必然環節。

從表3可知，國內對理論性研究和應用性研究從總量上來說，還是比較缺乏，但分布比較合理。而國外研究比較重視應用性研究，在應用技術和方法上成熟度都較高。

總的來說，我國的CSCL研究經歷了定義與原理、結構與模式、方法與策略、設計與應用、評價等發展過程；按時間順序來看分為兩個階段：一是傾向理論研究階段(1999-2005)，二是傾向應用研究階段(2006-2009)。但理論研究和實踐研究的步伐看起來有些脫節。特別在第二個階段研究上，CSCL的應用研究還處在起步階段，很多應用研究方法和策略都是借鑒國外的，原創性的研究相對較少。這可能與我們在協作平臺和工具開發方面相對較弱有著緊密的聯系。原因在于，開展CSCL活動時，若沒有良好的協作工具或平臺支持，那么參與者的互動水平將會受到很大的影響，活動質量也將隨之下降。然而，我國對CSCL的理論研究也并未停止，在第二階段中研究論文在比例上仍舊占有一定的數量。

(二)定性分析

CSCL是一個涉及多學科交叉的研究，涵蓋面比較廣。要準確、全面的對當前CSCL研究做定性分析十分困難。但從眾多的研究文獻來看，包括Gerry Stahl等人從歷史的角度對計算機支持的協作學習進行的總結，Pierre Dillenbourg等人從設計到干預的角度，對計算機協作學習研究歷程、現狀與發展的研究以及歷屆CSCL國際會議主題和相關的論文報告等文獻中，不難看出對當前的CSCL研究，可以從CSCL理論研究、模型研究、平臺設計與開發、策略與方法、評價研究等進行定性分析。

1，有關CSCL理論研究

CSCL的理論研究涉及到CSCL的純理論性研究(CSCL定義、性質、框架等)、理論基礎探討以及理論發展歷程研究等。國內外專家學者對此都開展過有意義地探索。

對于CSCL的定義，不同的專家有著不同的界定。其中，Koschmann在2002年的CSCL大會上所提出的CSCL定義，是現今最具有典型代表的一個定義。他認為CSCL是一個這樣的領域：它主要關注了在共同的活動情景中意義與意義建構(meaning making)的實踐，以及通過設計人工制品作為中介而實現這種實踐的途徑。他把CSCL看作“意義形成的中介”，而“意義和意義建構的實踐是公共的、可觀察的社會共有現象?！贝撕螅珻SCL研究者有了更加明確的研究方向。依據這一定義，Stahl提出了CSCL研究的理論框架：①協作知識建構，②小組和個人的觀點。③以人工制品為中介，④交互分析。他認為這四個主題內容將成為CSCL發展研究的新范式。

至今為止，CSCL發展在國外經歷了三個階段：1990－1995年為CSCL初始階段。強調協作學習結果是共同理解的分享；CSCL環境的構建來自于多樣性的社會交互。1995-2005年為CSCL成長期。這一階段通過整合多學科領域的專家、理論來促進自身的發展，如，形成專門的學術機構，學術期刊(ijCSCL)發行，國際CSCL會議的規范化等等。2005年至今，是成熟與演變期。強調把協作學習整合到綜合環境之中，是實現非協作活動的延伸；把數字技術鑲嵌于本地環境之中，使CSCL成為一種“背景”，讓計算機從有形到無形，即“消失的計算機”。而學習將“無處不在”。

國內研究者對CSCL理論方面研究也有相當多的成果，如，黃榮懷出了CSCL的理論和方法；趙建華在對Web環境下協作學習的研究中，提出了一個CSCL的基礎理論框架；任劍鋒述評了CSCL研究的幾個基本問題，主要討論了CSCL的性質、基本概念、其與相關概念的關系、CSCL的主要特點和CSCL的功效等基本問題；裴新寧通過訪問國際學習科學協會前主席Heine Dillenbourg，對CSCL研究與發展的十個主題進行了闡述。

總的來說，國內近幾年的理論研究，多以Koschmann的CSCL定義作為理論依據，把Stahl提出的CSCL研究新范式作為發展研究框架，更加關注應用性理論探討，尤其是基于Web的CSCL應用，這將會成為未來理論研究的重要話題。

2，CSCL模型研究

模型是反映事物本質的概念抽象，是體現了人們對事物的再認知過程。這一過程不僅可以支持檢驗假設、推理以及認知技能，還可以支持有意義的學習和心智模型構建。所以，我們有必要進一步了解學習者群體內部成員間的交互協作模型，用于指導協作學習策略與方法的研究。CSCL模型研究是CSCL研究的焦點之一，特別是交互模型的探討。CSCL模型有多種多樣的，按協作成員關系，可分為星狀、環狀、樹狀、網狀等；按協作過程的時間特征，可分為同步式和異步式。下面，我們將介紹在CSCL領域中出現的幾種典型的小組協作模型，包括會話模型、協作知識構建模型、管理模型等。

(1)會話模型。會話模型是CSCL一種最基本的交互協作方式。成員間的協作主要是通過會話的形式實現，會話是協作活動的基本要素之一。Searle(1986)在會話――操作理論(Speech-Act Theory)基礎上，通過研究協作活動的內部交互過程，認為協作可以通過語言／動作(Language／Actions)來完成，以五個基本“非語法含義”特征來描述語言／動作：斷言、指令、承諾、宣布、表達。圖2就是Searle提出基于語言動作的基本會話交互模型。

(2)協作知識構建模型。CSCL研究目標之一是在社會文化背景下，提高成員之間的協調能力，同時在與他人交互協作過程中，主動建構自己的認識與知識。Stahl從認知心理學、協作學習理論以及社會實踐理論為理論基礎，提出了一個個人知識與社會知識構建的相互結合作為CSCL協作學習過程的學習模型，即協作知識構建模型。它明確指出了與個人心理相關的歷程和被認為是社會化歷程之間的關系。

(3)協作過程管理模型。西班牙Ciudad大學的Barros和Verdejo從本體的角度出發，提出一個CSCL互動協作過程的管理模型框架，區分了不同的交互協作分析的層次。便于協作過程管理；定義了一系列代表交互協作的屬性。其中，在該模型中包括了幾個基本本體：學習目標本體(learning goal ontology)、輔導學習行為，活動本體(Tutoring action ontology)、OGF目標本體(OGF goal ontology)和OGF角色本體(OGF role ontology)。

國內學者對CSCL交互模型分析也進行了深入的研究，如劉黃玲子等人基于活動理論對活動系統的解析出發，提出了CSCL交互研究的理論框架――TAP2模型，認為話題轉換、情感變遷和過程模式是CLCL交互研究的三個重要維度；趙建華設計了一個基于Web的CSCL系統模型――WIN－COL模型，其中包括“個人責任－社會協作－知識建構”三個維度；程向榮等采用了AHP(Analytic Hierarchy Process，層

次分析法)方法來確定選擇伙伴的因素，構建了計算機支持的協作學習的伙伴模型。

CSCL關于群體協作模型的研究還有待深入去探討，才能準確的描述群體協作過程，群體認知特征以及模型結構與關系的變換條件等等，這些關鍵在于我們如何把協作交互模型與所需的技術支持結合起來，把社會科學與CSCL結合起來進行跨學科研究。

3，CSCL平臺系統研究

許多CSCL的平臺系統根據自身的分析功能不同可以進行分類。我們從平臺的分析功能：過程分析(分為對話過程、問題解決行為)、解決策略分析(策略單元分析、策略整體分析)，過程――策略分析三個維度進行簡單的歸納。具體見表4。不難看出，目前的CSCL平臺功能越來越強大，其應用研究呈現一種多元化的趨勢，這種趨勢表現在以下幾個方面：隨著開源軟件的發展與Web 2.0中所隱喻的新理念的融入，進一步對平臺或工具進行技術改造，功能進行整合和完善，以實現資源聚合和重用；通過信息技術與認知科學的研究相結合，對揭示人的感知、學習、注意、意識等心智活動過程和人腦信息加工過程的研究來開展對個體和群體在線認知方面的研究；以知識建構和意義生成作為研究目標，利用技術手段(網絡技術、軟件設計技術和協同技術等)來支持群體協作交互和思維建模。這些趨勢將成為CSCL平臺系統在未來開展研究的熱點。

4，CSCL研究方式

在CSCL領域中，其研究方式按實驗類型有三類：實驗性研究、描述性研究和基于設計研究。實驗性研究方法主要是在控制變量條件下，通過人為的控制與創造一些條件，使研究現象產生，并對控制變量加以操縱來確定實驗條件與結果之間的“函數”關系。如，Soller＆Lesgold利用隱馬爾可夫計算方法的EPSILON工具、Avouvis等人間采用OCAF(面向對象協作分析框架法)方法以及Baker和Lund利用C-CHENE工具在解決特殊問題的交互過程中，利用自動編碼的方式，對學習者交互內容或日志進行分類和計數。通過統計方法分析控制變量與學習小組和學習者的學習績效的函數關系，并在此基礎上得出控制變量如何影響學習行為或結果的結論。這類實驗方法對實驗環境要求較高，需花費大量的人力、物力和時間去控制對象和環境，對實驗過程進行有效的控制相當不易。

描述性研究，主要是以研究者本人作為研究工具，在真實的情景下，使用歸納法分析資料和形成理論，通過與研究對象交流、互動對其行為和意義建構獲得解釋性的一種活動。剛其理論基礎是扎根理論，更多的關注豐富多彩的“人類活動的世界”。如，Andersson利用描述性話輪分析法來分析視頻觀察材料。這些材料主要記錄了多個小組(2～3人／組)在使用軟件來解決數學問題的交互過程，其目的是分析學生在會話過程中的交互角色及分析交互過程來獲知學生如何架構學習情景。還有Milhlenbrock和Hoppe提出CARD－BOARD分析方法以及Constantino-Gonzelez等人提出的COLER方法都屬于描述性研究方法。描述性研究方法在分析問題時，有收集的數據量大，分析過程相當的耗時，描述語言不夠準確、有歧義產生的可能等缺陷。

還有一種研究范式稱為基于設計研究(Design-based Re－search，簡稱DBR)，由Collins和Brown提出，DBR結合了實驗研究方法和描述性研究方法特點，強調在實際CSCL的協作學習情景中，通過設計的變量來不斷優化學習環境和學習干預手段，以更好的理解和促進學習者的學習和教育。所以，DBR具有“準實驗研究法”的特點。基于此，許多學者在實踐中開展了基于設計的研究。如，Nelson、Dede等利用多用戶虛擬環境(簡稱MUVEs)在“河流城市”項目中開展基于設計的研究。美國Vanderbilt大學認知與技術小組(CTGV)應用視頻光盤來促進小學學生應用數學知識解決問題的能力所開展的設計研究。對于基于設計實驗研究方法，我們需要注意的是對結果進行討論、做出解釋和概括以及結論一般化時，必須保持謹慎。

國內學者對上述三種不同的研究方法也分別進行了探討，并已經取得一定的成果。如莊慧娟以實驗方法對CSCL中成員知識共享的需要特征與激勵策略進行了實證性研究。謝幼如等人例利用質的研究方法對網絡的協作學習活動的基本形式進行了分析。呂林海運用設計研究的方法以對稱概念作為探究主題，在真實教育情境中分析學生的對稱概念學習及理解的規律。

總之，我們在應用研究方法上，一定要把握住“適度”這把尺子，既不要讓思辨的激情燃燒了數字理性，也不要讓數字崇拜壓抑了我們思想的火花。因此在研究方法采用上，可以有偏好，但不能有偏見，應該以更具包容的心態兼收并蓄，這才是我們所需把握的關鍵。

5，CSCL評價研究

CSCL評價一直是CSCL領域中倍受關注的話題，因為它涉及到CSCL協作交互過程，學生學習狀況，教師的指導情況等多個方面。而且，CSCL評價方法與課堂評價方式有所不同。這主要表現在：(1)評價的環境有所不同。CSCL評價既可以在現實教學環境中進行，也可以在網絡虛擬空間中進行；(2)評價的主體不同。CSCL評價主體擴展了課堂評價的主體范圍，既可以是教師和學生，也可以是家長和專家、管理人員等；(3)評價方法與內容不同。CSCL評價從方法上既關注結果，又關注過程；從內容上，既關注小組表現，又關注個人的表現，甚至還關注個人在小組中的績效差異。因此，CSCL評價不僅在于協作技能與知識的評價，還更關注學生和協作共同體成長的過程。

CSCL評價一般包括了CSCL評價處理方法、評價指標體系、評價輔助工具、評價模型設計等等。根據CSCL對結果和過程已有評價的相關文獻，我們從評價方法、評價內容和評價工具三個方面進行了整理和匯總，列舉一些常見的評價方法，具體見下表5。

其中，對協作交互的評價研究成為不同的學者研究CSCL評價的重點。我們對交互評價分析的重點聚焦在交互分析模型或編碼體系的研究方面，通過總結和歸納來了解交互評價情況。有些學者從個體協作交互水平上建立交互分析評價模型或指標編碼，如，Henri以認知主義的有關理論與方法為基礎，對協作學習中的交互以五個維度進行評價。這五個維度分別是參與性(participative)、社會性(social)、互動性(inter-acdonM)、認知性(cognitive)和元認知性(meta-cognitive)。其中，參與維度分為兩個類別：一類僅只包括參與的教師和學生，另一類包括所有參與者(教師、學生、管理者等等)?；泳S度細分為五種形式：直接評論、直接響應、間接評論、間接響應、獨自陳述。認知維度分為：初級澄清、進一步澄清、推理、判斷、策略應用等五個類別。元認知維度包括元認知知識和元認知技能兩個部分。這五個維度主要關注了互動的社會性和在小組中個體的交互過程，為我們了解個體在交互過程

中認知與元認知過程提供了一個分析模型。但他沒有在小組層次上對于社會知識建構給出有效的分類。

Newman等人在Henri的認知技能分析和Garrison的關鍵性思維五個階段的劃分基礎上，提出了交互內容分析的10個維度：相關性、重要性、新穎性、外部知識、明確性、關聯性、判斷、關鍵性評價、實用性、理解的廣泛性。這些維度主要強調了關鍵性思維、社會交互、深度學習之間聯系，并對每一個維度設置了一系列能被編碼的正，反向指示詞。Gunawardena等人對Newman和Henri的模型進行了改進，并提出了一個包含五個階段的知識建構交互模型：第一階段是分享和比較信息，包括觀察、舉例、澄清、問題鑒別、主張；第二階段是發現與探索有關概念、觀點和表達之間的差異和矛盾；第三階段是意義協商或知識建構，包括了協商、鑒別、提出新的建構方法；第四階段是對共同建構的結果進行驗證或修改；第五階段涉及到一致性結論和應用方面，包括學習一致性達成、新知識的應用以及它們的元認知狀態。在Gunawardena的模型中，視交互作為一種知識建構的工具，并強調了在協商過程中知識建構的整體性。

還有些學者從社會互角度和群體協作交互水平上來分析與評價知識建構過程以及進行編碼。比如Weinbcrger和Fischer在CSCL學習環境中，從五個維度來分析在討論過程中社會性知識獲得的交互模型，這五個維度分別是：參與維度、認知維度、辯論維度、社會性維度，其中每個維度都有明確的內容和含義說明。Pena-Shaff和Nicholls從在線討論的情景下，對交互性知識建構提出了11種認知加工類別，分別是：沖突、解釋、澄清、判斷、斷定、反思、一致性確定、疑問、回答、贊成、其他。其中，前6項認為與社會知識建構更為密切。還有Veldhuis從學習活動的角度來關注協作學習過程，提出了知識建構過程的編碼體系，該體系分為以下四個大類：(1)認知活動：如爭辯、提問、引用外部資源；(2)元認知活動：有關認知活動的規律，與自我意識、自我控制、自我調整相關的知識和技能。如學習任務的計劃、對完成任務的反思和評價；(3)情感活動：在學習過程中發生的情感交流；(4)其他活動：不能劃分到以上三類的活動。

國內對協作交互的評價研究也有一定的成果，如學者陳向東等人依據Henri的模型框架，對在線異步交流文本進行分析，提出了一個交互分析類目以及含義的框架。還有劉黃玲子等人基于交互分析的協同知識建構的研究、王晶舊的基于討論區的協作學習交互文本分析、朱伶俐的網絡學習社區交互文本編碼體系的設計及應用等，這些研究都從認知存在、社會存在和教學存在三個視角對交互進行分析。其中，認知存在體現在從認知層面上考慮的協同知識建構過程的五類言論上：共享、論證、協商、創作、反思。社會存在體現在社區積極情感、消極情感、提問或求助、解釋或提供幫助四類言論上。教學存在體現在組織教學、促進討論、引導思考三類言論上。但國內的研究多數還是關注個體層面上對交互進行分析以及評價，在群體或小組上對交互進行整體性評價方面，還有所欠缺，特別是個體成員在小組中個人貢獻的績效評價，還需要進一步研究。

三、討論與啟示

從上述的定量與定性分析來看，國內對CSCL研究主要集中在理論、平臺開發、實踐應用等方面。雖然取得了一些成果，但客觀上說，我國在CSCL研究各個方面在處在起步和發展階段，總體上是在借鑒與探索國外的成果上進行著發展。目前，在CSCL理論研究方面，主要表現是一種“說明性”的，無法充分對實踐研究做出指導，需要向“處方性”理論轉變。在平臺設計開發方面，過多的集中于對學習資源的單向性供給，強調了知識建構，由“單一性學習”向集體知識的“協作建構”實現了“以活動為中心”的學習，但對于以服務為特征的資源自適應設計、多用戶交互性操作、與其他平臺的“無縫”集成與聚合等方面有著很大的欠缺。在實踐應用方面，更多的關注在平臺在協作學習中的應用，以探討協作學習內部機制，學習者通過在平臺開展一系列學習活動后，以量化的形式給予協作學習績效評價，等等，但在協作活動開展中，卻忽視了以情感交互為需要認知方式、以需求為特征的激勵策略和以覺知(awareness)為前提的協調(coordination)機制等方面運用。因此，根據當前CSCL領域的研究現狀及實踐情況，還需進一步對如下幾個熱點領域的發展給予重視。

(一)智能化交互分析的支持

交互分析(interaction analysis)一直是CSCL發展的關鍵，也是一個瓶頸。它直接影響著協作學習的績效、情感的投入程度和協作活動開展的效率，并成為CSCL應用與研究的重要標志之一。CSCL交互分析大致經歷三個階段：第一階段是基于文本對話的交互分析。在協作學習情景下，根據對話理論(Dialog theory)，強調學生知識構建和協商意義的生成。常見的系統有Soller的EPSILON系統和Baker的C-CHENE系統，這類系統著重于交流行為的分析。第二個階段是基于活動的協作交互行為分析。依據活動理論，強調對問題解決過程的支持，能夠描述小組的交互活動情況并給予一定的質性分析。常見的系統與方法有SINERGO系統、OCAF分析方法。這類系統通過對交互行為分析為不同協作情景而提供不同的問題解決方法。第三個階段是智能化的交互分析。這一階段利用CSCL的交互分析與ITS(智能授導系統)的智能技術結合，為學習者提供個人導師(智能)以改善學習過程。不僅強調了對學習者和學習小組的交互行為的記錄，為其提供覺知因素(如，空間覺知、知識覺知、任務覺知，等等)，而且還強調了對學習者模型的維持和自動的為學習者提供適合學習反饋。這一階段還在發展，沒有達到完全智能化分析交互，但有一些系統可以實現半智能化的交互分析，如COLLECE系統、KERMIT系統、BELVEDERE系統等。這三種交互分析方法在現今的研究中仍并存著。

所以，交互分析的智能化將成為CSCL發展的趨勢，主要表現在以下幾個具體方面：(1)交互分析算法的改進；(2)交互分析工具的自動化(包括同步分析工具和異步分析工具)；(3)分布式交互計算分析；(4)情感交互分析。

(二)協作學習系統的可視化

無論在網絡環境下，還是在課堂面對面的交流中，開展CSCL活動可能會遇到信息、知識、數據傳遞的障礙，究其原因，可能是活動情景創設不足和文字交互引起工作記憶負荷過大。特別在CSCL中獲取交互數據后，利用系統的文本界面來分析，不僅分析工作是相當繁冗，而且還不易發現隱藏在數據中的交互結構和關系。

面對這樣的挑戰，可視化技術的發展為解決這樣的問題提供了可能性。可視化(visualization)技術是指把文本、數據等信息轉換為圖形、圖像等直觀視覺化表征形式的一種技術。

有關實驗心理學家關于人類獲取信息來源的心理實驗表明，視覺是人類獲得信息的最主要渠道，人類獲取外界信息83％來源于視覺。所以，這類技術利用了人類對可視化模式能快速處理的自然能力，將人的大腦和計算機這兩大信息處理系統結合起來，以可視化方式來滿足人們觀察、分析、理解、操作信息的需求，以達到對信息的理解、處理和監控。

可視化技術常見的有信息可視化(Information Visualiza－tion,IV)、數據可視化(Data Visualizative,DV)、知識可視化(Knowledge Visualization,KV)、科學計算可視化(scientific Vi－sualization,SV)。一些研究者采用了可視化技術來解決數據分析和模式解決的問題。如，Suthers&Jones在可視化課程需求環境中利用Belvedere工具實現了解課程參與者的交互情況。France等設計了學習者不同學習階段的交互性活動圖表。李艷燕、黃榮懷等在CSCL學習評價中利用VINCA工具對協作學習交互情況進行可視化評價分析。

在協作學習系統應用可視化的方式，其目的不是在于對轉換圖形、圖像的本身，而是通過轉換增強學習者的認知能力和洞察力，幫助學習者能快速的理解協作學習空間的結構和發現所需要信息，有效防止信息迷途和交互迷航等。同時，它也是協作知識發現和數據發掘的新的途徑之一。但事實上，CSCL中進行可視化的絕大多數研究工作都還處在發展新技術和構建一些新系統方面，原有的一些網絡學習系統，如WebCT、Blackboard等在可視化技術應用方面還是非常有限的。因此，在CSCL開展可視化研究，將學習者特征、任務特征、交互特征、評價過程特征以及其他模式等以可視化的方式呈現給學習者、指導者和管理者，讓CSCL系統成為一個真正具有可視化特征的學習系統，是CSCL應用研究值得探索的方向。

(三)對非良構領域的支持

從國內外文獻分析我們知道，CSCL對良構領域(Well-define Domains)的支持有著很大的進展，如，WebCT、VTM、EPSILON、COLLECE等系統工具對良構領域中的知識建構起很大的幫助作用。在過去20多年間，CSCL已經在數學、物理、化學、英語以及校際間開展的協作等方面有所應用，并被絕大多數教育技術領域學者通過實證研究，認為在學習與教學領域是有效的學與教工具。但是大多數CSCL平臺與工具系統的開發與研究都集中在良構領域。良構領域的問題設計通常是結構良好的、有固定答案的問題，待解決的問題可以表示為一個形式化且清晰的領域模型。在良構領域的教與學過程中，教師通常考察學生學習情況問題可以進行對與錯的分辨。在良構領域中一般多采用模式跟蹤授導系統，即將領域知識轉換為一系列的學習問題，并提供清晰的解決問題的策略和思路，依據對問題回答的對與錯來評價學習結果，利用反饋和學生的問題解決步驟與領域模型比較來提供學習幫助。但是我們在現實中所面臨的問題大都是非良構性(define Domains)問題，如，歷史、法律、文學等領域問題。在特定情景中，由于缺乏明確清晰的模型和形式化描述工具，是無法對生活中的問題進行明確的界定，而且對于問題的解決可能是有多種解決方案、途徑或者一個解決方案也沒有，沒有絕對的問題答案。

所以，CSCL在非良構領域的研究面臨著一系列的挑戰，主要有：在問題不確定時，如何提供適合的搜索空間和推理策略；對非形式化問題的表述如何轉換成機器可識別的形式化問題；在問題不明確的情況下，如何給學習者提供有效的反饋；對于學習經驗的歸納采用什么途徑，等等。但是，有挑戰就有發展。在非良構領域的中對知識表征、推理與搜索策略、學習評價與經驗的總結等方面的研究，都是推動CSCL向智能化前進和發展的方向。

(四)面向CSCL的Script設計

CSCL Script研究成為CSCL設計研究的又一個熱點。因為Script能夠對CSCL過程進行形式化描述，減少協作學習過程的不確定性和風險。Script一詞主要來自圖式理論(Schema Theory)，是在特定學習情景下，學習者行為和動作序列集合的一種知識結構。Kollar等人認為，CSCL Script是一種方法。能夠幫助學習者參與學習并獲取結構性知識。Weinbergcr等人認為CSCLSeript是一個學習工具，能在特定的學習情景中為學習者完成任務提供過程性指導。不管它是一種方法，還是一種工具。有一點可以肯定的是，CSCL腳本強調了利用計算機軟件技術來支持腳本化的協作學習過程，同時，也鼓勵了學習參與者進行交互和協作，促進參與者的認知過程和社會化過程。Hubcr從實踐中發現并證實了腳本化方法能直接促進協作學習過程與知識建構。

Script一般由五個部分組成：學習參與者、學習群體、角色、活動和資源，其中，角色、活動和資源三者之間關系在于，角色通過執行活動來開展協作學習，活動通過學習資源提供的學習材料和工具來支持協作學習。這些組成部分通過小組構成、任務分配和序列化三種機制以實現對協作學習進行協調和設計。典型的一個CSCL Script模型――MURDER-scrip，是由O’Donnell和Dansereau提出的，后經過實踐修改及完善，用于不同協作學習類型的實證研究。該模型的核心活動序列包括了五個階段：關注目標、任務理解、學習回憶、效果檢查、詳細分析、綜合評論。這種模式使得學習者通過對回憶和檢查等角色的輪流扮演，每一個學習者能夠參與到學習活動中，直至學習任務的完成。

CSCL Script設計的提出，使我們可以知道學習者或者學習小組如何扮演角色，各種學習行為如何按照順序協調工作，行為如何在設定序列的支持下實現協作學習目標，以及通過不同粒度類型(宏觀的CSCL Script包括活動學習序列，微觀的CSCL Script包括學習素材和學習工具)和不同學習情景如何來實現標準化協作學習過程，等等。同時，CSCL Script也有值得我們進一步關注的地方，如，對活動的連續性描述的支持、Script粒度的處理、Script模式優化與重用、CSCL Script協作平臺的開發，等等。這仍需要我們做大量的研究工作。