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(一)研究性学习强调自求自得
古代教育家就特别强调学习的“自求”“自得”。
学习必得从师。孟子说:“孟子深造之以道,欲其自得之也。自得之则居之安,居之安则资之深,深之深则取之左右逢其源,故君子欲自得之也。”(《孟子·离娄下》)这段话深刻阐明了“自得”之效。宋代唯物主义思想家张载也说过类似的话:“须是自求,已能寻见义理,则自有旨趣。自得之,则居之安矣。”(《经学理屈·义理》)他从学生求知心理这一角度,阐明了自求自得必致意趣横溢,成为永久不衰的学习动力。当今的青年学生,其自尊心、自信心已逐步形成,对于自己的认识能力亦渐趋自信。在掌握了一定的知识基础的前提下,希冀凭借自身的力量来获取知识,他们既有依赖性,又有独立性。因此,老师有必要因势利导,小心诱掖,培养其自求自得的能力。明确了学生的学重在自求自得的道理,我们在语文教学中,大可革除以教师自我为中心的陈规陋习,开创研究性学习的新天地。
(二)研究性学习强调功在自习
课堂讲授,无疑是进行语文教学的重要手段,但教师的讲授毕竟只是从外部灌输信息,学生接受的效果如何,取决于学生学习的主观能动性。再则,教师的讲授只能起“领路”的作用,而万里征途必须靠学生自己一步一步地去迈。因此,如果只讲不习,知识便无以转化为能力,正如曾子所言:“传不习乎?”清代颜元在《总论诸儒讲学》中也说:“讲之功有限,习之功无已。”语文教学的根本任务,既在培养学生掌握语文工具的能力,而能力只能在实践中形成。功在于习,至少有四大好处:一是巩固已得知识;二是培养解决实际问题的能力;三是促进创造性思维的发展;四是从看到的学习成果中倍添兴趣,激发求知欲。
“拳不离手,曲不离口”,此类熟能生巧的例子比比皆是,每个教师都有切身体会。当然,功在于习,也不能乱来一气,乱练一通,应有通盘的谋划,要能体现出从易到难、由浅入深的序列来。正如《学记》所言:“良治之子,必学为裘;良弓之子,必学力箕;始驾马者反之,车在马前。君子察于此三者,可以有志于学矣。”
懂得了学生的学功在于习的道理,我们在教学中大可革除一讲到底、越俎代庖的陈规陋习,开创讲练结合,知识能力齐长进的新天地。
(三)研究性学习强调寓知于趣
兴趣是学生完成学习任务的一种极其活跃的催化剂。大凡做教师的常常过于强调学习的艰巨性和恒久性,喜欢用“铁杵磨针”“闻鸡起舞”等故事来启发学生刻苦攻读。而不大关心学生的学习兴趣,有时甚至还会有意无意的泼点冷水。诚然,学习本身的确是一件苦事。“三天打鱼,两天晒网”,终无所成;嬉笑取闹,高枕以对,亦难进益。然而,倘若学生真的愁眉苦脸,忧心忡忡,恐怕也难学出个名堂。因为心灰意懒,人处厌倦状态,他的竞技力是很差的,思维力受到阻遏,注意力也很难集中,记忆力也会退避三舍。因此,孔子认为“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”(《论语·雍也》)!只有寓认知于趣味之中,则学习的劲头才会经久不衰,学习的成果才会硕大事盛。明白了学生的学必寓趣味之中的道理,我们在教学中大可革除死气沉沉、板板六十四的陈规陋习,开创生动活泼的新天地。
(四)研究性学习强调教学相长
孔子的教育思想中,早已富含这种主张。他说:“三人行,必有我师焉,择其善者而从之,其不善者而改之。”(《论语·述而》)“后生可畏,焉知者来之不如今也?”(《论语·子罕》)“当仁,不让于师。”(《论语·卫灵公》)教学相长是建立在师生平等观的基础之上的;教学相长要求摒弃师道尊严。研究性学习中,教师绝不可自以为是,固步自封。孔子敢于当学生的面承认自己的无知,认为自己与常人有所不同的只是好学与诲人的精神。《孟子·公孙丑上》载有:“昔者子贡问于孔子曰:夫子圣矣乎?孔子曰:圣则吾不能,我学不厌而教不倦也。”事实上,“教不倦”实以“学不厌”为前提。因此,教学相长要求教师首先要“以教人者教己”(陶行知语),不断地进行自我教育。
研究性学习要求师生通过教学相互启发,提高为学的兴趣,以期在无涯的学海中并肩有所收获,这也可视为教学的最高境界。
二、关于研究性学习的拟题的优化
在研究性学习的过程中,学生要进行一些课题、论文的研究和写作。我们常说“题好一半文”,同样,课题拟得好,则会有利于论文的选材和写作。因此,拟题过程中,同学们一定要在量力性原则下敢于探索,不拘一格,要把题定得集中,缩小覆盖面,切忌空泛,一般遵循以下几个原则:
(一)综合性原则
研究性学习的内容不是某些学科特定的知识,而是着眼于研究解决学生关注的社会问题,这使得研究性学习内容极具开放性。为了研究问题、解决问题,学生必须综合运用多学科的知识,这体现了研究性学习的综合性,研究性学习应具有浓郁的人文精神,尊重每个学生的选择,重视学生整体的发展。不能把研究性学习等同于科学研究、科技活动,也不能把研究性学习引向狭隘的单科知识问题的探讨,变成新的知识点的记忆。如《怎样提高写作水平》《怎样提高阅读能力》之类的单学科、浅层次、知识强化型的简单延伸。研究性学习是全方面的综合性学习,拟定课题应该充分体现其学习内容的综合性,打破学科限制。如《中式与西式早餐的比较》《电动小船的原理及制作》等课题不仅仅涉及营养学、物理学等知识,还涉及人文、历史学、社会学的知识、道理以及电工、木工等手工制作等。
(二)实践性原则
研究性学习在重视书本学习的同时,更强调书本的学习必须服务于生活的学习,有着鲜明的实践体验、探索感悟的求知特点,因此拟定研究性学习课题必须注意实践性。注重实践性,不仅要求课题的研究能使学生主动参与,充分动手、动脑、动口,使学生真正行动起来,在亲身体验中产生积极的情感,激发探索欲望,更重要的是要能使学生走向生活。因此,我们拟定了如《街道广告的调查研究》《南丰镇街道文化设施探究》《南丰地区方言状况研究》等,打破了“死读书”的老传统,使学生通过自己的实践,去感受生活,学习生活,研究生活,发掘出生活的意蕴。
(三)针对性原则
不同地区、不同类型的学校和学生开展研究性学习在内容和方法上是有层次差异和类型区别的,因而拟定课题一定要切合实际,有针对性。首先,课题要切合中学生的知识水准、能力水平和生活经验。中学生的知识尚未形成系统,分析、综合、实践的研究能力和思维水平有限,科学的进取精神和克服困难的意志品质还比较淡薄,这就要求课题应重视亲身体验而非理论研究,重视由兴趣出发的自觉性而非无兴趣的强制性,比如《青少年近视状况的调查与研究》《关于教师可爱度的研究》等。其次,课题要充分考虑学校条件和现有的学习资源,一方面要充分利用,另一方面也要充分考虑其有效负载能力。比如,对于普通农村中学来说,《航天测量与数学》《现代兵器研究》等课题只能是“纸上谈兵”;而在图书资料匮乏、信息网络不健全的学校进行诸如《金庸研究》《中国古代小说研究》等课题更是无从下手。第三,还要注重学校以外的社区环境、社区资源,从而形成有地区特点的学习内容。如《南丰河道污染调查》《WTO与华夏第一钢村——永联的发展》《张家港市金陵体育器材面临的挑战》等课题,充分挖掘了农村中学现有的资源,开展具有本地区特点的研究性学习,使学习与实践真正结合起来。
(四)自主性原则
实践证明,重视问题情境的创设和思维动机的激发是优化实验教学的一条有效途径。
一、创设问题情境,展现实验的设计思想
对于课本上大量的演示实验和学生实验,我们不能采取简单的“拿来主义”,照方抓药,机械操作,而应该通过创设问题情境,如:“应该怎样设计?”“为什么要这样设计?”“换一种方法能不能做?”等,有意识地创造一种探索的氛围,尽量展现实验的过程,使之成为师生共同参与的“亚研究”过程,以此来渗透化学思想,启迪学生运用科学的研究方法对待化学实验。例如,气体的制备实验,在学完氧气和氢气的实验室制法之后,实验室制取二氧化碳气体的设计过程就可由学生自己来完成。我们可提出如下问题,引导学生思考。
问题1:要设计一个制备气体的实验,你要考虑哪些方面?
问题2:设计怎样的装置可使实验操作简便易行?
问题3:你能否设计一个随用随制的气体发生装置?
这时学生可能会设计出各种各样的方案,然后教师引导学生进一步考究哪些方案是科学合理的?哪些是存在缺陷需要改进的?鼓励学生开动脑筋大胆设想,积极主动地参与实验设计过程,充分展示实验的设计思想。
对于课本上的研究性实验,我们也应积极创设问题情境,引导学生去追溯科学家思考研究的源头,他们那精巧的设计,独到的方法,深刻的分析,都是值得我们继承和发扬的。例如,法国化学家拉瓦锡对研究空气成分的装置设计,英国物理学家雷利在实验中不放过几毫克这么微小的差异,发现了稀有气体等,把科学家的思想融入课堂教学,使学生从中汲取化学思想的营养。
二、创设问题情境,拓展实验内容
化学变化规律的表现形式是多层次、多侧面的,但教材为我们提供的实验方案却往往着眼于单层次、单侧面的实验内容,因而有着较大的局限性或单调性。为此,我们有必要对原有的实验内容进行适当的拓展和补充,积极创设问题情境,尽量让学生能从多层次、全方位地去认识化学原理。例如氯化氢一节,教材为了说明氯化氢极易溶于水而设计了一个喷泉实验,由于实验内容单一,很难使学生对喷泉实验有一个全面的认识,为了充分展示喷泉实验的原理,我们可以在上述实验的基础上,丰富实验内容,补充了二氧化碳气体的喷泉实验,并提出如下问题让学生思考。
问题1:二氧化碳是极易溶于水的气体吗?为什么也能做出喷泉?
问题2:形成喷泉的原理是什么?
教学实践让明,通过增加这个实验内容就能使学生对喷泉实验有一个全面而深刻的认识,不只是停留在表面现象上,不仅知其然,而且知其所以然,培养了学生分析问题和解决问题的能力。
三、创设问题情境,优化实验的演示过程
传统的演示实验教学只让学生看看表演,先是“教师做、学生看”,后是“教师讲、学生听”,而忽视了学生主体的思维动机的激发,这样实验得出的结论教师认为是“显然”,可是对学生来说,有时候却是“茫然”。因此,有的演示实验之所以未能起到很好的作用,往往不是演示实验本身失败了,而是教师不能为演示过程创设良好的问题情境所致。如在讲氢氧化亚铁的制取时,一位教师在实验前事先作了结论性说明:“FeSO4溶液中滴入NaOH溶液将生成白色的Fe(OH)2沉淀。”可照此操作,实验结果几乎看不到白色沉淀,而是看到灰绿色沉淀,慢慢变成红褐色沉淀。这一现象与事先的说明不符合,学生不以为然。若事先提出如下问题,有意识地引导学生从侧面思考,就会得到较好的教学效果。
问题1:实验室里是如何保存易被氧化药品的?
问题2:该实验过程中生成的Fe(OH)2易被氧化,采取怎样的措施可避免其被氧化?
此时学生想到钠、钾、白磷等容易被氧化的药品的保存是用液封的原理,所以,可在盛FeSO4溶液的试管中先加入与水不相溶的且比水轻的有机物,如苯、汽油等来隔绝空气,然后再将滴管伸入液面以下滴加NaOH溶液,这样得到的白色沉淀现象就十分明显了,既优化了演示实验过程,又强化了学生对易被氧化药品的保存意识。
四、创设问题情境,加大对实验的分析力度
化学实验的演示不但要演示操作、演示观察,更要对实验现象进行深入细致的分析。许多教师急于用实验现象、实验事实建立概念与归纳规律,而忽视了对实验现象的观察与结论的分析,没有充分拓展实验现象的本质属性和现象之间的因果关系,导致性质及规律的得出较为生硬,实验教学效果不理想。
因此,演示实验完毕后,我们要以实验现象为依据,创设问题情境,启发学生学知识。例如,在讲氯气的化学性质时,教师演示完氯气分别通过干燥有色布条和湿润有色布条的实验后,学生观察到的现象是湿润的有色布条退色,
而干燥的有色布条却不退色。此时,教师不要忙于下结论,而应不失时机地利用这一现象,创设问题情境,加大分析力度,激活学生的思维。
问题1:湿润的有色布条退色,这一现象说明哪种物质起了关键作用?
问题2:Cl2和H2O两者同时存在时可使有色布条退色,你能推断其可能的原因吗?由此问题情境,引导学生展开讨论、猜测,逐步分析得出Cl2和H2O反应这一化学性质。
问题3:真正起漂白作用的是Cl2?还是Cl2与H2O反应后的生成物?层层深入,调动学生的思维,把学生由对现象的感性认识逐步引向对本质的理性认识。
五、创设问题情境,扩大实验成果
实验完成之后,不但要引导学生对实验进行分析、总结,并且要对实验进行恰当的延伸,通过创设问题情境来借题发挥,促进知识的迁移和运用,进一步完善认知结构。
例如,实验室制取氯气的实验完成后,除了要求学生掌握整套装置的安装顺序及注意事项之外,可再设计如下两个问题予以延伸。
问题1:这样制得的氯气纯净吗?
问题2:氯气能与水反应,能否用水来处理尾气?
在学生观察完教师的演示之后,通过这两个问题,可再次激起学生思维的波澜,克服因满足于对实验现象的观察而表现出的涣散状态。再如,Al(OH)3的制取,教材中用了两个演示实验说明了Al(OH)3的制取方法和Al(OH)3的两性,许多教师讲到这里都强调说:“Al(OH)3必须用铝盐和弱碱氨水反应来制取,不可用强碱。”其实,这种说法是错误的,我们可继续创设问题情境进行变式实验加以证明。
问题1:在分别盛有少量Al2(SO4)3溶液的两支试管中,分别滴入氨水和NaOH溶液,继续滴加,会出现什么现象?
当前,阅读教学忽视学生主体性的现象屡见不鲜,“教师讲──学生听;教师问──学生答”的课堂教学模式尚未打破,教师依然主宰着课堂。要彻底改变这一状况,首先要从教师转变教学观念这个角度出发,树立以学生为本的思想,改变居高临下的角色意识,自觉地走近学生,走进学生的心灵,尊重学生,努力营造民主、和谐的教学氛围,以利于学生的自觉探究。有一位教师讲《麻雀》一课时说:“这篇课文记叙了老麻雀奋不顾身抢救小麻雀的事,歌颂了伟大的母爱。”话音刚落,一位学生举手发言:“我不同意说是母爱,因为课文没有告诉我们麻雀是公的,还是母的。”老师立即肯定了这位学生善于思考,敢于发表自己意见的精神,然后趁热打铁,引导同学自读课文,通过文中的词句揣摩作者的写作目的。孩子们畅所欲言,气氛异常活跃,经过热烈讨论,师生达到共识:这篇课文赞颂的是亲子之情。这一精彩的教学片断,向我们展示了让学生自主探究的必要与可能。
激发学生主动参与探究,还要从关注“差生”。这个角度入手。“差生”在课堂上经常坐冷板凳,充当陪读的角色。在应试教育模式中,教育追求的是学业的整齐划一,对学生的发展过分强调求同性,很大程度上泯灭了学生多彩的个性,把学生成绩暂时落后的学生称为“差生”。“差生”在课堂上往往遭到冷落,学习态度都较冷漠,缺少参与的热情和机会,更谈不上主动探究。于是,“差生”越来越差,正像布鲁姆所说的:“三分之一学生由于缺乏与教师进行课堂交往的机会而真正变成了差生。”对待差生,教师应特别关爱。发展性教学认为,“没有差生,只有差异”,教师要善于发现学生的差异,因人而异地为“差生”创造参与探究的机会,鼓励他们扬长避短,促进他们满腔热忱地主动参与教学活动。
差异是客观存在的。承认差异,利用差异是引导学生自主探究的又一角度,也是当前教学研究的一个视点。分类训练分层次推进教学法、合作学习法、活动教学法等等,都是针对学生的差异而设计的。这些教学方法的共同特点均是以儿童为中心,加大教学过程中教师和学生、学生和学生之间的交往、互动,减少课堂上静坐和听课的时间,真正让课堂动起来,让每个孩子都有机会在实践中学习,都能在各自的基础上有所发展。为了便于学生的活动和交流,有的学校还改变了“秧田式”桌椅排列法,换成“马蹄形”、“半圆形”或“围坐形”,把个人自学、同桌商量、小组讨论、全班交流等方式有机地结合起来,初步形成了全员参与的探究型、交往型、开放型的课堂教学形式。
二、保证学生足够的自主探究时间
苏霍姆林斯基说:“教室里寂静,学生集中思索,要珍惜这样的时刻。”在实际课堂中,我发现很多教师在提问后就马上叫学生回答,不给学生时间去思考。如回答不出,教师或是不断重复问题,或是忙着启发(很多情况下是暗示),试想,在这极短的时间内,学生的思考能有一定深度吗?学生能获得多少“顿悟”和思维的闪光呢?可学生为了迎合老师的心理,匆忙寻找片言只语作答,表面上气氛活跃,实际上是走进了繁琐而肤浅的一问一答的圈子中去了。为了改变这种状况,教师应在提问后给学生一些独立思考的时间,让他们潜心读书,深入思考,当学生回答过程中遇到困难时,教师要以期待的目光鼓励学生积极思考。这个等待的时间虽短,却正是学生思维最为紧张活跃的时刻。
如教学《鸟的天堂》,我在总结课文时指出:“这里为什么会成为鸟的天堂?”话音刚落,就有两三只小手举了起来。我没有立即让他们起来回答,因为在这么仓促的时间内作答,学生的回答十有八九是零碎的、不完整的,而且这时让他们回答会影响其他同学思考。于是,我用手势示意这几位学生把手放下,亲切地说:“你们反应可真快,我想你们如果和其他同学一样能认真读读课文,思考周到些,把语言组织得精练些,回答一定会更精彩。”这样,既保护了他们的自尊心,又调动了他们思考的积极性,同时稳定了全班学生的情绪。学生在教师期待的目光中细致读、认真想,教室里鸦雀无声。不一会儿,学生陆陆续续举起小手,这时我请一名中等程度的学生起来回答,他回答道:“这里之所以能成为鸟的天堂,是因为大榕树茂盛和当地农民不许人捉鸟。”另一名学生补充道:“我认为这里成为鸟的天堂有三个原因:一是大榕树茂盛,适合鸟儿做巢生活;二是农民不许人捉鸟;三是四周环境宁静优美。”语言是思维的外壳,从学生的回答中不难看出他们经历了一个分析、归纳、综合的思维历程,经历了一个主动探究的过程。
古人云:“学起于思,思源于疑。”现代心理学家也认为,疑是思维的火花,是探究的动力。思维总是从发现问题开始,以解决问题告终的。在科学文化日益发展的当今时代,我们的中小学教育要培养创造型人才,就必须高度重视培养学生的独立质疑能力。在课堂教学中,教师应注重激发学生动脑筋提问题的积极性,鼓励学生大胆质疑,做学习的主人,这是探究学习的基础。依据学生学习语文的规律,教师应在语文教学的各处环节创造质疑问难的机会,指点发问的途径,教给学生发问的方法,如,揭题质疑、初读质疑、细读质疑、赏读质疑、总结质疑等。
此外,为了在阅读教学中有效地引导学生自主探究,教师还应还给学生读书的权利,保证学生读书的时间,要把“书声琅琅”作为评价一节语文优质课的重要标准。一位教学经验丰富的老教师说过,语文教学就是要变着法子让学生读书,通过教师的范读、领读、伴读、引读,学生的朗读、默读、齐读、自由读、分组轮读、分角色表情朗读等形式,根据教学的需要“因材施读”,引导学生在“读”中探究,读熟、读通、读懂课文。
三、提供学生宽裕的自主探究空间
质疑问难,是学生自主探究的起点和中心点。围绕这个中心点,教师还必须提供宽裕的空间,进一步引导他们深入探究。根据“合作互动”的原则,教学中要改变单纯的师生交往形式,为学生提供畅所欲言、各抒己见的空间。为此,教师可在教学的关键之处、重点之处设计同桌交流、小组讨论的环节。这样,可以让学生取长补短,相互启发,增加课堂的信息量,促使学生全面深入地探究问题,理解课文内容;可以给学生提供展示个性的机会和场所,培养他们团结合作、互相竞争的精神。
如《再见了,亲人》,教学重点之一是引导学生体会中朝人民之间有着用鲜血凝成的伟大友谊。课文以志愿军的口吻追述了朝鲜人民为志愿军献出鲜血和生命的感人往事,学生比较容易体会到朝鲜人民对志愿军有着比山还高比海还深的情谊。为了让学生从课文内容中也能体会到志愿军对朝鲜人民也有着比山还高比海还深的情谊,我设计了这样的教学环节:
(1)独立思考:请同学们联系课文内容和平时的积累,根据下面的开头讲述志愿军可歌可泣的事例:
①那一回,__________________________。
②我们清楚地记得,__________________________。
③八年来,__________________________。
水库优化调度是一典型的多维非线性函数优化问题,目前常用的方法有模拟法、动态规划及其系列算法、非线性规划等等。这些方法各具特色,但应用中也常有一些问题,模拟法不能对问题直接寻优,动态规划(DP)随着状态数目的增加会出现所谓“维数灾”问题,增量动态规划(IDP)可能收敛到非最优解,逐步优化算法(POA)需要一个好的初始轨迹才能收敛到最优解[1]。因此,这些方法还有待进一步的完善。
遗传算法(GA)作为一种借鉴生物界自然选择思想和自然基因机制的全局随机搜索算法,可模拟自然界中生物从低级向高级的进化过程,GA在优化计算时从多个初始点开始寻优,对所求问题没有太多的数学约束,而且优化求解过程与梯度信息无关[2],因此在多个不同领域得到了广泛应用。而GA在水库优化调度方面GA应用相对较少[3],马光文等[4]使用基于二进制编码的遗传算法对水库优化调度进行了研究。由于二进制编码存在的编码过长、效率低及需要反复的数据转换等问题,畅建霞、王大刚分别提出了基于整数编码的遗传算法[5-6],并将GA与动态规划的计算结果进行了比较。
自适应遗传算法(AdaptiveGA,AGA)使得交叉概率Pc和变异概率Pm能够随个体适应度的大小以及群体适应度的分散程度进行自适应的调整,因而AGA能够在保持群体多样性的同时,保证遗传算法的收敛性。本文根据黑河金盆水库的具体情况,建立了水库长期优化调度的自适应遗传算法模型,并将其与动态规划的计算结果进行了比较。
2.水库优化调度数学模型的建立
金盆水库为多功能水库,其优化调度应使其达到城市供水量最大、灌溉缺水量最小、年发电量最大和弃水量最小等目标要求。但此多目标优化模型如果直接采用多维多目标动态规划或其它方法求解,则可能因为目标、状态、和决策变量较多的占用计算机内存和时间,因而有必要先做适当处理,将多目标问题转化为单目标,再进行求解。考虑到城市供水和灌溉用水要求保证率高,因此将水库优化调度目标定为年发电量最大,而将城市与灌溉供水当作约束条件进行处理。
这样,金盆水库优化调度的目标函数就可以描述为:在满足水库城市供水、灌溉用水和蓄水要求条件下,使水库年发电量最大。
目标函数:F=max(1)
上式中,N(k)为各时段的发电量。
约束条件:
①水量平衡约束:(2)
②水库蓄水量约束:(3)
③电站水头约束:(4)
④水轮机最大过流量约束:(5)
⑤电站出力约束;(6)
⑥城市供水约束:(7)
⑦灌溉供水约束:(8)
⑧非负约束。
其中,Nmin与Nmax分别为电站允许的最小及最大机组出力,Hmin与Hmax分别为电站最小及最大工作水头,qmax为机组过水能力,WCt、WIt分别为第t时段城市和灌溉供水量。DIt为第t时段灌溉需水量,DCt,max与DCt,min分别为第t时段城市需水上下限。
3.自适应遗传算法的实现
在水库优化调度中,水库的运行策列一般用发电引用流量序列来表示,而该序列又可以转换为水库水位或库容变化序列。对于水库优化调度的遗传算法可以理解为:在水位的可行变化范围内,随机生成m组水位变化序列,,…,,其中,m为群体规模,n为时段数,再通过一定的编码形式分别将其表示为称作染色体(个体)的数字串,在满足一定的约束条件下,按预定的目标函数评价其优劣,通过一定的遗传操作(选择、交叉和变异),适应度低的个体将被淘汰,只有适应度高的个体才有机会被遗传至下一代,如此反复,直至满足一定的收敛准则。
3.1个体编码
为简化计算,本文采用实数编码。个体的每一向量(基因)即为水库水位的真值。表示
为:(9)
式中,分别为时段t水库水位的最大值和最小值。m为控制精度的整数,Nrand为小于m的随机数。
3.2适应度函数
在遗传算法中,用适应度函数来标识个体的优劣。通过实践,采用如下适应度函数,效果更好。
(10)
式中为目标函数值,c为目标函数界值的保守估计,并且≥0,≥0。水库优化调度为约束优化问题,关于约束条件的处理,本文采用罚函数法,
(11)
式中,为原优化问题的目标函数值,M为罚因子,Wi为与第i个约束有关的违约值,p为违约数目。
3.3遗传操作
交叉运算交叉的目的是寻找父代双亲已有的但未能合理利用的基因信息。设x和y是两父代个体,则交叉产生的后代为=ax+(1-a)y和=ay+(1-a)x,这里,a为[0,1]内均匀分布的一个随机数。
变异运算通过变异可引入新的基因以保持种群的多样性,它在一定程度上可以防成熟前收敛的发生。具体方法为:个体Z的每一个分量Zi,i=0,1…,n以概率1/n被选择进行变异。设对分量ZK进行变异,其定义区间为(ZK,min,ZK,max),则
=(12)
式中,Rand为0到1之间的随机数,rand(u)函数产生最大值为u的正整数。
3.3参数的自适应调整
遗传算法的参数中交叉概率Pc和变异概率Pm的选择是影响遗传算法行为和性能的关键所在,直接影响算法的收敛性,Pc越大,新个体产生的速度就越快。然而,Pc过大,遗传模式被破坏的可能性越大。对于变异概率Pm,如果Pm过小,不易形成新的个体;如果Pm过大,则遗传算法就成了纯粹的随机搜索算法。自适应遗传算法(AGA)使得Pc和Pm能够随适应度按如下公式自动调整:
Pc=(13)
Pm=(14)
式中,为群体中最大的适应度值;为每代群体的平均适应度值;为要交叉的两个个体中较大的适应度值;为要变异的的个体的适应度值。,,,为自适应控制参数,其变化区间为(0,1)。
综上所述,算法的运算步骤为:
(1)初始化,设置控制参数,产生初始群体;
(2)计算各个体的目标函数,应用(5)式进行适应度变换;
(3)按随机余数选择法对母体进行选择;
(4)对群体进行交叉和变异操作pc和pm分别按式(2)与(3)计算,得到新一代群体;
(5)检验新一代群体是否满足收敛准则,若满足,输出最优解,否则转向步骤2。
4.模型求解及成果分析
金盆水库坝高130米,总库容2亿方。该水库是以给西安供水为主(按照设计年均向西安供水3.05亿方),兼顾周至、户县共37万亩农田灌溉(年均灌溉供水1.23亿方),还有发电、防洪等多功能的大型综合利用水利工程。水库的特征参数为:正常蓄水位594m,死水位520m,电站出力系数8.0,装机容量2万KW,保证出力4611KW,水轮机过流能力32.6m3/s,汛限水位591米,汛期7-9月,以某中水年为例,入库径流已知,用上述算法按年发电量最大求解水库优化调度,结果见表一。
表一自适应遗传算法计算结果
Table1.Resultsbyadaptivegeneticalgorithm
月份
入库水量(108m3)
月末水位(m)
城市需水(108m3)
城市供水(108m3)
灌溉需水(108m3)
灌溉供水(108m3)
弃水(m3/s)
发电流量(m3/s)
水头(m)
出力
(KW)
7
1.5160
572.63
0.3050
0.3050
0.2301
0.2301
20.10
40.04
6437.88
8
1.3178
591.00
0.2898
0.2898
0.2196
0.2196
24.75
68.87
13637.35
9
0.6973
591.00
0.2593
0.2593
0.1342
0.1342
26.90
77.50
16679.24
10
0.8464
594.00
0.2410
0.2410
0.0000
0.0000
30.05
78.69
18918.95
11
0.2063
589.33
0.2349
0.2349
0.0879
0.0879
12.47
76.88
7667.76
12
0.1963
587.96
0.2257
0.2257
0.0440
0.0440
10.08
75.26
6069.95
1
0.1513
585.61
0.2257
0.2257
0.0000
0.0000
8.43
73.38
4947.77
2
0.1260
582.23
0.2349
0.2349
0.0000
0.0000
9.72
70.31
5467.50
3
0.3000
581.54
0.2410
0.2410
0.0810
0.0810
12.20
68.38
6673.10
4
0.3732
581.75
0.2440
0.2440
0.1206
0.1206
14.07
68.14
7671.54
5
0.2373
561.68
0.2593
0.2593
0.0226
0.0226
31.83
59.00
15023.79
6
0.1776
520.00
0.2898
0.2898
0.2900
0.2900
32.56
32.06
8350.21
注:年发电量E=8608.3万KW·h;POP=100;Gen=200;==0.85;==0.01。
作为比较,本文又使用了基本遗传算法(SGA)、动态规划法(DP)进行计算,其目标函数、约束条件完全相同。对应的计算结果见表二,其中,DP的离散点为300。
表二动态规划及基本遗传算法计算结果比较
parisonofResultsofDPandSGA
月份
动态规划(DP)计算结果
基本遗传算法(SGA)计算结果
月末水位(m)
弃水(m3/s)
发电流量(m3/s)
水头(m)
出力
(KW)
月末水位(m)
弃水(m3/s)
发电流量(m3/s)
水头
(m)
出力
(KW)
7
572.5
20.23
39.95
6466.38
572.65
20.08
40.05
6433.56
8
591
24.62
68.82
13553.20
591.00
24.77
68.88
13650.11
9
591
26.90
77.50
16679.20
591.00
26.90
77.50
16679.24
10
593.5
30.02
78.72
18905.40
594.00
30.05
78.69
18918.97
11
588.5
13.10
76.68
8037.72
589.33
12.46
76.88
7663.79
12
586.5
10.53
74.83
6303.83
587.96
10.09
75.26
6075.39
1
584.5
8.79
72.28
5084.92
585.21
8.85
73.20
5180.34
2
581.5
9.82
69.17
5434.83
581.83
9.88
69.90
5524.98
3
580.5
12.46
67.30
6706.82
581.04
12.39
67.93
6733.84
4
580.5
14.40
66.90
7705.63
580.87
14.66
67.46
7911.34
5
562
29.42
58.24
13706.00
561.62
30.56
58.38
14273.88
6
520
0.32
32.60
32.31
8426.54
520.00
32.50
32.02
8323.96
注:DP年发电量8568.9万KW·h;SGA年发电量8581.3万KW·h,POP=100,Gen=200。
比较表一和表二可见,动态规划在控制精度为0.5m时,优化结果为8568.9万KW·h,低于SGA的8581.3万KW·h和改进本文算法的8608.3万KW·h,主要是因为DP的离散点数较后两类算法少。为了说明本文算法的优越性,将其与SGA在不同的进化代数时分别进行10次计算,结果列于表三。
表三不同进化代数的两类算法年发电量比较比较
parisonofResultsoftheTwoAlgorithmsinDifferentGeneration
编号
本文算法(AGA)
基本遗传算法(SGA)
Gen=200
Gen=500
Gen=200
Gen=500
1
8607.1
8596.8
8374.1
8594.2
2
8597.5
8607.2
8581.6
8571.9
3
8604.7
8612.7
7957.2
8433.1
4
8601.2
8603.5
8593.4
8475.3
5
8596.6
8595.4
8599.1
8596.2
6
8606.8
8607.2
7837.2
8608.4
7
8608.3
8608.4
8365.9
7892.1
8
8525.4
8611.3
8521.5
8592.6
9
8605.9
8551.6
8575.3
8610.3
10
8603.4
8603.7
8121.6
8441.2
注:表中年发电量单位为万KW·h。
从上表可以看出,随着进化代数的增加,两算法计算结果都越接近最优解;无论是自适应遗传算法还是基本遗传算法,其计算结果明显优于动态规划;在进化代数相同时,AGA的计算结果优于SGA,并且未收敛次数也有明显减少,表明AGA能够有效加快收敛速度。
5.结论
本文建立了水库优化调度的自适应遗传算法模型,并将其用于黑河金盆水库优化调度。与动态规划相比,遗传算法能够从多个初始点开始寻优,能有效的探测整个解空间,通过个体间的优胜劣汰,因而能更有把握达到全局最优或准全局最优;自适应遗传算法通过参数的自适应调整,能更有效的反映群体的分散程度以及个体的优劣性,从而能够在保持群体多样性的同时,加快算法的收敛速度。
ApplicationofAdaptiveGeneticAlgorithmstotheoptimaldispatchingofJinpenreservoir
FuYongfeng1ShenBing1LiZhilu1ZhangXiqian1
(1Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,
2HeadquartersofHeiheWaterDiversionProject,Xi’an,710061)
AbstractBasedontheanalysisofthecharacteristicsituationofJinpenreservoir,acomprehensiveoptimaloperationmodelisdevelopedwithconsiderationofitsmulti-objectiveandnonlinearfeatures.Themodelissolvedbythethreemethodsofdynamicprogram,thesimplegeneticalgorithmandtheadaptivegeneticalgorithm.Itisshowedthattheadaptivegeneticalgorithm,withthecharacterofitsparametercanbeadjustedadaptivelyaccordingtothedispersiondegreeofpopulationandthefitnessvalueofindividuals,hasthefastestconvergencevelocityandthebestresultcomparedtoothertwoalgorithms.
Keywords:optimaloperation;geneticalgorithms;dynamicprogram
参考文献
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电子设计自动化(EDA)是以电子系统设计软件为工具,借助于计算机来完成数据处理、模拟评价、设计验证等工序,以实现电子系统或电子产品的整个或大部分设计过程的技术。它具有设计周期短、设计费用低、设计质量高、数据处理能力强,设计资源可以共享等特点。电路通用分析软件OrCAD/PSpice9以其良好的人机交互性能,完善的电路模拟、仿真、设计等功能,已成为微机级EDA的标准系列软件之一。本文基于OrCAD/PSpice9的电路优化设计方法,通过实例分析了有源滤波器的优化设计过程。
2.OrCAD/PSpice9软件的特点
OrCAD/PSpice9是美国OrCADINC.公司研制的一种电路模拟及仿真的自动化设计软件,它不仅可以对模拟电路、数字电路、数/模混合电路等进行直流、交流、瞬态等基本电路特性的分析,而且可以进行蒙托卡诺(MonteCarlo)统计分析,最坏情况(WorstCase)分析、优化设计等复杂的电路特性分析。相比PSpice8.0及以前版本,具有如下新的特点:
·改变了批处理运行模式。可以在WINDOWS环境下,以人机交互方式运行。绘制好电路图,即可直接进行电路模拟,无需用户编制繁杂的输入文件。在模拟过程中,可以随时分析模拟结果,从电路图上修改设计。
·以OrCAD/Capture作为前端模块。除可以利用Capture的电路图输入这一基本功能外,还可实现OrCAD中设计项目统一管理,具有新的元器件属性编辑工具和其他多种高效省时的功能。
·将电路模拟结果和波形显示分析两大模块集成在一起。Probe只是作为其中的一个窗口,这样可以启动多个电路模拟过程,随时修改电路特性分析的参数设置,并可在重新进行模拟后继续显示、分析新的模拟结果。
·引入了模拟类型分组的概念。每个模拟类型分组均有各自的名称,分析结果数据单独存放在一个文件中,同一个电路可建立多个模拟类型分组,不同分组也可以针对同一种特性分析类型,只是分析参数不同。
·扩展了模型参数生成软件的功能。模型参数生成软件ModelED可以统一处理以文本和修改规范两种形式提取模型参数;新增了达林顿器件的模型参数提取;完成模型参数提取后,自动在图形符号库中增添该器件符号。
·增加了亚微米MOS器件模型EKV2-6。EKV2-6是一种基于器件物理特性的模型,适用于采用亚微米工艺技术的低压、小电流模拟电路和数/模混合电路的模拟分析。
3.电路优化设计
所谓电路优化设计,是指在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础上,为了使得电路的某些性能更为理想,在一定的约束条件下,对电路的某些参数进行调整,直到电路的性能达到要求为止。OrCAD/PSpice9软件中采用PSpiceOptimizer模块对电路进行优化设计,可以同时调整电路中8个元器件的参数,以满足最多8个目标参数和约束条件的要求。可以根据给定的模型和一组晶体管特性数据,优化提取晶体管模型参数。
3.1电路优化基本条件
调用PSpiceOptimizer模块对电路进行优化设计的基本条件如下:
·电路已经通过了PSpice的模拟,相当于电路除了某些性能不够理想外,已经具备了所要求的基本功能,没有其他大的问题。
·电路中至少有一个元器件为可变的值,并且其值的变化与优化设计的目标性能有关。在优化时,一定要将约束条件(如功耗)和目标参数(如延迟时间)用节点电压和支路电流信号表示。
·存在一定的算法,使得优化设计的性能能够成为以电路中的某些参数为变量的函数,这样PSpice才能够通过对参数变化进行分析来达到衡量性能好坏的目的。
3.2电路优化设计步骤
调用PSpiceOptimizer进行电路优化设计,一般按以下4个步骤:
(1)新建设计项目,完成电路原理图设计。这一歩的关键是在电路中放置OPTPARAM符号,用于设置电路优化设计过程中需要调整的元器件名称及有关参数值;
(2)根据待优化的特性参数类别调用PSpiceA/D进行电路模拟检验,确保电路设计能正常工作,基本满足功能和特性要求;
(3)调用PSpiceOptimizer模块,设置可调整的电路元器件参数、待优化的目标参数和约束条件等与优化有关的参数。这一歩是优化设计的关键。优化参数设置是否合适将决定能否取得满意的优化结果;
(4)启动优化迭代过程,输出优化结果。
电路优化设计的过程框图如图1所示。
3.3电路优化设计实例
滤波器电路如图2所示。优化目标要求中心频率(Fc)为10Hz;3dB带宽(BW)为1Hz,容差为10%;增益(G)为10,容差为10%。
在图2中,滤波器电路共有三个可调电位器R
gain、Rfc和Rbw,用来调整中心频率、带宽以及增益,且这种调整是相互影响的。三个可变电阻的阻值是由滑动触点的位置SET确定的,显然SET值的范围为0~1,所以将三个电位器的位置参数分别设置为aG、aBW和aFc。
由于对滤波器的优化设计是交流小信号分析,因此应将分析类型“Analysistype”设置为“ACSweep/Noise”;扫描类型“ACSweepType”设置为“Logarithmic”;“Points/Decade”设置为100;起始频率“Start”和终止频率“End”分别设置为1Hz和100Hz。
为了进行优化设计,在电路图绘制好后,应放置OPTPARAM符号并设置待优化的元器件参数。本例中参数属性设置值如表1所示。
设置好待调整的元器件参数以后,调用PSpiceOptimizer模块并在优化窗口中设置增益(G)、中心频率(Fc)和带宽(BW)三个优化指标。并利用PSpice中提供的特征值函数定义这三个优化指标,具体设置见表2。
调用PSpiceA/D进行模拟计算,在相应窗口中显示中心频率的值为8.3222,带宽为0.712187,增益为14.8106。显然这与要求的设计指标有差距,需要通过优化设计达到目标。
在优化窗口中选择执行Tune/Auto/Start子命令,即可开始优化过程。优化结束后,优化窗口中给出最终优化结果,如图3所示。
由图3可见,系统共进行了三次迭代,自动调用了9次电路模拟程序。当3个待调整的元器件参数分别取aG=0.476062;aFc=0.457928;aBW=0.702911时,可以使3个设计指标达到G=10.3499,Fc=9.98953,BW=1.00777。
可见,对电路进行优化设计后,电路指标均能满足设计要求。另外,完成优化设计后,还可以从不同角度显示和分析优化结果。
农村学校先天不足、后天不强,要实现比城市学校还要更好更快的发展,除了国家在人力、财力、物力上的倾斜支持之外,更主要的是要靠管理出质量、出效益,靠管理走捷径、求突破。
农村学校生源整体上不及城市学校,缺乏良好的家庭教育基础和社会促进条件;农村学校的教师整体上也不及城市学校,没有较高的学历,没有优厚的条件,但是农村学生肯学习能吃苦,农村教师更朴实好激励,所以农村学校只要优化管理,把这种后天优势发挥出来,形成良好的教学秩序和校园文化,把学生学习的积极性、教师育人的积极性调动起来,就一定能用后天的努力弥补先天的不足。
农村学校的校舍、场地、教学设施、办公条件等硬件设施与城市学校相比有不小的差距。但硬件并不是决定教学质量和效果的根本条件,尤其对于基础教育而言,决定胜负的主要还是软件,是学生的学习精神、教师的敬业精神、学校的管理和办学水平。寒门出贵子,穷校也可以出状元、出名师,所以我们要优化学校管理,创造良好的氛围,使学校风正业精秩序井然,师生员工齐心协力谋求发展。
这几年,国家和社会对农村学校的发展倾注了大量财力,显著改善了农村学校的办学条件;随着中央支农精神的贯彻落实,农村学校还会迎来更多的资助与支持。国家的初衷是要给农村学校打“强心针、催长剂”,希望农村学校补足元气抓紧发展。条件好了、钞票多了,更要优化管理,将优厚的物力支持与优质的学校管理结合起来,实现学校的强势崛起。
二、农村学校教师不稳定,必须解决
农村的发展靠教育,教育的发展靠学校,学校的发展靠教师。一个学校的水平,决定于这个学校教师的水平。只有教师的素质提高了,学校的教育水平才会提高,才可能培育出更多社会需要的人才。然而,当前我们农村的教师状况却令人担忧。农村教师队伍很不稳定,教师流失严重,给农村基础教育的正常发展带来了极大的冲击。
在市场经济条件下人才的流动本属正常,但存在于农村教育中的只有上流没有下流、高素质教师上流一般者不流的现象则属畸形。农村学校中业务能力强的中青年教师、优秀教师,或被县城学校的领导相中,或是通过一定的人情关系,调入县城。拿我在的学校为例,每个学年结束时,都会有教师调入县城,这些走掉的教师,大多是经过了几年实践锻炼的具有较强教学能力的高素质教师,他们年龄都在35岁以下,又以紧缺的科目如语文、英语、数学教师为主体。他们的流失,无论从业务上还是从学校的社会影响上,都是对我们的打击。对这些要流失的教师,我们想留都留不下,留不住。原因如下:1、县城学校优厚的待遇是我们不敢留。2、追求生活上的方便和家庭的结合我们无法留。3、政策导向的偏差使我们留不住,农村教师的流失,造成教学质量下降。教师不足导致学校并班,因而各校大班频频。班组学生人数过多,势必给教师的教学和管理带来困难,一方面加重教师的工作量,同时又影响学生的学习效果,因而教学质量出现滑波,双差生不断出现,辍学人数有增无减,给九年义务教育的普及达标划上了一个大大的问号。同时,因为流失教师大部分是年富力强学历较高的中青年骨干教师,而留下来的教师一般年龄较高的本地教师,一方面教师兼种田,学校家庭两头顾。另一方面知识陈旧,思想僵化,信息不畅,跟不上时代的发展,严重影响教学效果和教学质量的提高。所以,农村教师的稳定问题必须解决。
三、“留守生”问题需社会动员综合解决
随着农村流动人员的逐年增多,留守儿童的在校生中的比例也在年年增加,留守学生的问题也日益突出,这些问题的存在,严重束缚了学校的健康发展,因此,留守生问题亟待解决。“留守生”大体存在如下问题:
3.1生活中缺乏亲情,心理健康令人担心。
随着大批农民工外出务工,外出务工者在城市受到歧视和不公正待遇,尝尽了没有文化的苦头,于是他们把全部希望寄托在子女身上,一心想让子女将来在城市体面的生活。然而背着父母希望的孩子比背着孩子的父母更辛苦更沉重。这种过高的期望使留守学生产生了沉重心理压力和心理负担,成绩上小小的下滑,在他们内心也会掀起惊涛骇浪,产生很强的愧疚感和负罪感。加之由于经济原因,民工回家次数很少,一次次许诺回家,一次次让学生伤心,一次次扼杀亲情。有的家长对孩子心理健康重视不够,也不懂得亲情抚爱,由于教育能力和通讯资费原因,在与学生通话中,无非是问一下考试情况,叮嘱学生几句,许诺带些什么物资,很少听听学生心理期盼。长期分离和缺乏联系使孩子身心成长无法得到父母引导和关心,与家长沟通障碍加深。
3.2学习中缺乏家教,学科成绩令人担忧。
俗话说“父母是孩子最好的老师”,父母外出了,孩子也就失去了最好的老师。没有父母督促,精力投入少,学习态度差,学习时间难以保证,全靠教师分给百分之几的责任心,少数学生厌学、迟到、逃学特别令人头疼,也有多子女家庭,父母外出,年龄大的留守儿童还得照管弟弟妹妹。
3.3寄人篱下从属别人,身体成长令人忧患。
疼爱子女莫于父母。寄居的“留守学生”,其生活习性,饮食冷热、营养调配、味口矫正、膳食多少等都得从属于别人,天气冷暖变化带来衣物增减,昼夜长短变化带来作息把握,年龄增长带来青春发育变化等等,很难有父母一样体贴入微,还会慢慢积攒一些疾病,甚至产生终身遗憾。同时,作为祖辈或叔辈,大多要监护多个“留守学生”,就更是“众口难调”了,不能满足每个儿童的生长需要了。
3.4监护中缺乏责任,其效果令人恐惧。
父母双双外出的留守学生有近一半由祖辈监护。由于精力、体力、知识能力等原因,监护人大多局限于吃饱穿暖之类浅层关怀,满足于“孩子喜欢”、“不出意外”;也有的监护人出于情面接受留守学生家长委托,抱着“别人的孩子深不得浅不得”的思想,迁就放纵;孩子带着“看别人眼色”和贪玩心理,采取回避躲让,难以沟通,甚至对监护人态度冷漠。监护职责浅层化,不能提供亲情交流环境,和家教的温暖氛围,孩子的许多方面都不能得到满足,出现身体、心理、学习态度、学习习惯、学习方法、学习品质等方方面面的“发育不良”,甚至“畸型”。:
二、优化初中校园管理的有效措施
随着现代经济的发展,我国的教育理念也逐渐进步,越来越多先进、成熟的教育管理观念对学校的管理队伍产生了深刻影响。我国的现代教育起步相对比较晚,但是近年来随着新课改以及其他学校的教育改革和新型管理方针的实施,初中学校管理逐步呈现出新的景象。目前,我国初中学校的管理日臻成熟,但是依旧存在某些问题,制约着管理效率的提高以及教学质量的增强。下面笔者将从初中学校常见的管理问题入手,提出相应的解决措施。
1.增强师资力量,整体提升教学质量初中时期是九年制义务教育的关键时期,也是很多中学生未来人生的分水岭,因此,学校是否能够拥有强大的师资力量,从整体上提升学校的教学质量,关系到很多学生的未来求学或者就业方向的选择。笔者认为,很多学校尤其是农村地区的初中学校,对于教学质量的重视程度比较低,它们的师资力量比较有限,而且很多教师多年来采取相对传统的教学方式,教学视野比较狭隘,再加上师资力量不足,导致教师力量往往集中在某些重点班,对大多数学生的重视教育程度不够。这就限制了师资的分配以及整体教学质量的提升。因此,学校领导必须想方设法增强学校的师资力量,学校可以从周边的学校吸收教学经验丰富的教师,或者是定期向师范学校引进优秀的应届毕业生,壮大学校的师资力量。另外,学校还可以加强每个学期的教学质量考核,包括定期抽查教师的课堂教学情况,召开教师先进教学经验分享会或者加强教师队伍内部的人才竞争,制订更加完善的教师管理机制等,激发教师的积极性,自觉引进新型的教学方式,努力加强课堂教学效果,提高教学效率。
2.制订完善的管理制度,加强学校的内部管理很多初中学校并没有制订比较完善的校园管理规章制度,导致学校管理方面经常出现无据可依的情况,给学校和教学管理的奖惩处理等增加了很多难度。因此。若要优化初中学校管理,必须要制订完善的学校管理制度,使得校园管理中能够遵循一个具体的章程,每一项教学管理工作都能够有所依据,减少学校管理的随意性和主观性,让全校师生形成良好的习惯,自觉遵守学校的管理规章。另外,学校还要加强相关的规章制度监管力度,保证全校师生能够严格遵守,维护学校的管理秩序,提高管理效率。
符号说明
B----煤耗量吨/小时Z----目标函数值
C----电能价值当量元/kw.ha、b、g、q、w、j、a、b---公式系数
C;----定压热容KJ/°C下标
G----热网水流量吨/小时g---供水
I----阶数或采暖期一天的时段数h----回水
J----阶数或目标函数选取的天数n----室内
t----温度°Cw----室外
p----发电功率千瓦t----当前时段
q----供热流量吉焦/小时max----最大
DT----时段长度小时min----最小
q----供热流量吉焦/小时其它
V----燃料的价格元/吨(k)---第k时段
一.前言
热电厂在电力系统中占有举足轻重的地位。到1997年底,我国单机6000千瓦以上的供热机组总容量已达2197.1万千瓦,占同容量火电装机容量的12.12%[1],而北方热电联产的热负荷大部分用于冬季采暖。这种热电厂的运行方式主要是以热定电,其发电在电网中主要承担基荷,其不同时间发电量的多少受供热量的影响。在传统的热网供热运行中,供热量在一天内一般不做大的调整,因而造成供热机组不能实现最优的电力调峰运行。
如果在不影响供热采暖效果的同时,改变一天之中不同时段的热网供热量,会使热电厂参与电力调峰的优化运行成为可能,从而会减少电网中其他调峰电站的高额投资,提高电力负荷低谷期电网系统的发电效率,进而产生巨大的经济效益和社会效益。
文献[3]针对热网和采暖建筑物热惯性大的特点,对供热系统的热力工况进行了定量分析,并对以抽凝机组为例,研究了承担采暖负荷的热电厂参与电力调峰优化运行方式。本文将研究背压机组的电力调峰优化运行问题。
二.供热系统热力工况分析
目前集中供热系统热力工况调节大都是从稳态出发,根据当天的室外温度,给出当天的日平均供、回水温度来指导运行。这种静态调节方法无法反映热网和建筑物的动态特性,一天中热网的供热负荷很少变化,使得热电厂背压机组的发电功率在一天之中变化幅度很小。这是承担采暖负荷的背压供热机组无法参与电力调峰的主要原因。
事实上,一天中某一时段供热量的改变对室温的影响并不显著。热网实时运行数据表明,随着室外温度的下降,热网供热量并不立刻随之升高,外温升高时供热量也不立刻随之下降。如果利用这种特性,通过动态方法获得小时级而不是以天为单位的采暖建筑物室温与热网供热量、外温之间的关系,则在室温被控制在允许的范围内前提下,可以改变一天之中不同时段的热网供热量,从而使热电厂参与电力调峰成为可能。
对于一个以质调节方式运行的热网供热系统,从系统辩识的角度看,其输入参数为热网供水温度tg和室外温度tw,输出参数为热网回水温度th和建筑物室温tn,现以AMRA时间序列模型表示输出参数与输入参数之间的关系:
以上两式中各项系数及阶次I、J取决于供热系统的特性,可由实际热网运行数据确定。现以沈阳某热网一采暖期逐时运行数据为基础利用公式(1a)、公式(1b)确定该热网输入输出参数之间的定量关系。选取时间长度4小时为一个时段,对进行预处理,并采用最小二乘法由实际运行数据获得公式(2a)、公式(2b)的各项系数[3],见表1。
公式(1b)中系数j1、w1远小于系数q1,说明瞬时热网供水温度对室温的作用并不十分显著,采暖建筑物室温主要取决于前一时段的室温。这反映出,某时段采暖建筑物室温是过去多个时段热网供热量共同作用的结果。因此,可以改变过去各时段供热负荷的比例,而不影响当前时段建筑物的采暖效果。这就为在不影响采暖效果的前提下调整热电厂不同时段的热负荷,进而优化供热机组的运行方式、参与电力系统的调峰创造了条件。
三.热电厂的调峰优化运行
热电厂的运行,首先要保证用户对热负荷的需要。对于承担采暖热负荷的热电厂,应保证采暖建筑物室温在允许的范围内。由本文第二部分对热网系统供热工况的分析可知,在不影响采暖效果的前提下,热电厂的供热负荷分配在一天中是可以改变的。热电厂在不同时段该如何发电和供热才是最优运行方式?当然,目前许多热电厂发电量的多少受电力部门统一调度,不能任意多发。但是,如果将电力系统、热电厂和供热系统作为一整体研究,必然有一个最优的热电厂运行方式。
1.分时电价
如果仅研究某个热电厂的运行,那么将该热电厂与电力系统的其他电站统一进行运行规划的研究方法是不合适的,因为某一热电厂发电量在电网中的比例是很微小的。因此,需要有一联系热电厂和电网的纽带,作为衡量热电厂不同时间发电量对包括热电厂在内的整个电力系统贡献大小的尺度。本文采用文献[4]所提出的基于电能价值当量理论的分时电价作为这一尺度。
电能价值当量理论给出了小时级的单位电能生产和消费的价值,即小时级的分时电价。电力负荷高峰期和低谷期电能的分时电价不同,因而可衡量热电厂不同时段发电量的价值,指导热电厂的调峰运行。将小时级分时电价平均折算至各时段(4小时)中,某电网典型日各时段分时电价分布见表2,作为本文计算的依据。
2.建立数学模型
本文对由背压机组组成的热电联产系统加以研究。汽轮机背压排汽通过汽-水换热器与热网水换热,并由热网向采暖建筑物供热。热网采取质调节方式运行。热电厂发电直接输送至电网。
热电厂运行目标应是在保证热用户采暖要求和电厂安全运行的前提下,尽量增大总发电量的价值,即电能价值当量与发电量之积,同时尽量减小燃料消耗量。将一天分为I个时段,每个时段为DT小时,考虑J天的热电厂运行,于是目标函数选为:
k时段机组燃料消耗量B(k)是该时段供热流量q(k)的函数,采用下式表达:
背压机组的供热流量q和发电功率p的关系可简单地认为是成正比关系:
热电厂抽汽供热流量与热网供回水之间的关系用下式表示:
对于供热系统,热力工况参数之间的关系除了要满足式(2a)、式(2b)外,同时要满足以下条件:
在第四部分的实例中,最大允许供水温度取为120°C,最大室温取为19°C,最小室温取为17°C。
系统的决策变量为:
由式(2)、式(1a)、式(1b)及式(3a)~(3e)共同组成热电厂优化运行的数学模型。该数学模型属于给定初始条件的最优控制问题。其中控制变量为第k时段的供热机组供热量q(k)。由目标函数式(2)可以看出,为了尽量增大总发电量的价值,电能价值当量高的时段尽可能多发电,这时就会减小热电厂的供热流量,而电能价值当量低的时段尽可能少发电,并增加供热量,以弥补高电能价值当量时段供热量的不足。由于电能价值当量的高低反映出电力负荷的变化,因此由本数学模型所确定的热电厂优化运行方式又同时起到了电力调峰的作用。
3.模型的求解算法
热电厂电力调峰优化运行数学模型是给定初始条件的最优控制问题。该模型包含离散时间差分方程(式(1a)、(1b)),每一时段供热系统输出参数不仅取决于该时段系统的输入参数,而且是前若干时段输入输出参数的函数。当采暖期内所研究的天数I较大时,决策变量数目较多,本文采用动态规划法进行求解。
将时间序列方程,即式(1a)、式(1b)用状态空间方程表达,决策变量为而室外温度为非控量,可由已有的预测模型给出。
动态规划法将N个时段的总体最优控制转化为以单个时段为单位的多阶段决策过程。目标函数式(2)的每一时段分量是该时段状态量和决策量的函数,对于第k时段,根据约束条件确定的范围将状态变量X(K)离散成L个确定量。对于每一离散的状态量,将决策变量离散成M个确定量。根据最优性原理,从N时段起逐时段向前进行优化计算。完成逐时段向前直至零时段的递推计算后,再根据初始条件,向后递推确定各时段的最优决策序列:k=0,1,...N。本文数学模型算法的流程如图1所示。
四.应用举例
在本例中,选取的热电厂由三台型号为B6-50/5的背压机组组成,各机组以单元制方式运行。并做以下设定:
1热电厂单元制机组锅炉出力范围在50~100%之间。单台汽轮机最大排汽供热量为56吨/小时。当采暖负荷超过三台汽轮机最大供汽量,由尖峰锅炉参与供热。
2将采暖期中的每天等分为6时段,对整个采暖期(当年11月16日至第二年3月31日)的热电厂运行进行优化计算,于是目标函数式(2)中J=136,I=6。在初寒期的开始5天和末寒期的最后20天一台汽轮机停运。
3热网及采暖用户的选取沈阳某热网为例,热网流量为1800t/h。于是,反映供热系统输入输出参数关系的式(1a)、式(1b)各项系数仍为表1的值。
由于一天内不同时间发电的单位电量价值有很大差别,热电厂发电量在一天中也要改变。图2为本例整个采暖期发电功率的优化计算结果,图3为相应的供热流量的分布。分时电价高的时段发电多,这时背压机组的供热流量也相应增加,而分时电价低的时段发电少,其供热量也相应减少。在尖峰供热期,供热机组在最大排汽供热工况点附近运行,此时机组供热量已达到最大(170t/h),以满足这一时段在整个采暖负荷的需要,而机组的发电功率也达到最大,即维持在18.8MW附近。由于全天在一个工况下运行,热电厂没有电力调峰能力。在尖峰期附近的采暖时段,机组具备一定的调峰能力,但调峰幅度不大,在这一期间,随着外温的增长,开始是分时电价最低的时段发电量和供热量减小,直至达到最低。随着外温进一步升高,即采暖负荷进一步降低,一天中分时电价处于中间值的时段发电功率和供热量开始降低,直至到达最小。在初寒期的5天和末寒期20天,虽然此时采暖热负荷明显减小了,但由于仅有两台机组运行,热电厂仍有调峰能力,只是发电量在一天内的变化幅度减小了。
由此看来,由于热网在一天中采取了脉冲式的供热方式,使得机组的发电功率可以根据不同时段电能价值当量的不同而改变,从整个电力系统上看,热电厂起到了调峰作用。
由图4可以看出,一天内采暖建筑物的室温变化幅度在0.5oC以内,并在整个采暖期内维持在17oC~19oC的范围内,可见这种热电厂的运行方式并没有影响供热采暖效果。采暖期热网供回水温度最高为108.2°C,最低为46.4°C,而回水温度变化幅度较小,在51.9°C至30.6°C之间。
本文还将本运行方案与一参考运行方案进行了比较(见表2)。在参考运行方案中,一天中供热总量与优化运行方案相同,而热网供水温度保持不变。表2给出两种运行方式一个采暖季发电量和供热量在一天中的六个时段的累加分布。可以看出,对于优化运行方式,随着电能价值当量不同,各时段发电量与参考运行方式相比有明显差别,这使得优化运行方式发电的平均电能价值当量高于参考运行方式。表中的总电能价值是六个时段的发电量与相应分时电价乘积之和,而平均电能价值是指总电能价值与总发电量之比。它反映单位发电量的经济学价值。可以看出,优化运行方式的平均电能价值比参考运行方式高出约9.7%,定义式
(2)的目标函数值Z为系统的总电量效益,并定义该值与总发电量之比为系统单位电量效益,它可以表示在满足采暖负荷的前提下热电厂单位发电量的经济学效益。由表2看出,优化运行方式的单位电量效益比参考运行方式提高了约16.5%。
表2热电厂优化运行方式和参考运行方式比较
Table2Comparisonoftheoptimaloperationandareferenceoperation
最优运行方式参考运行方式
时段分时电价(元/kWh)供热量(GJ)发电量(MW.h)供热量(GJ)发电量(MW.h)
0:00~4:000.20131507.275859.26186685.608372.40
4:00~8:000.20141099.806296.13187429.258406.27
8:00~12.001.00213474.489592.53184339.738265.56
12:00~16:000.50205896.999247.45180938.258110.63
16:00~20:000.50202894.349110.75183831.708242.42
20:00~24:001.00213344.769586.59184994.918295.40
合计1108217.649692.71108217.649692.7
总电能价值当量(万元)3078.92809.3
平均电能当量价值(元/kw.h)0.6200.565
总电量效益(万元)1900.01630.3
单位电量效益(元/kw.h)0.3820.328
五.结语
背压机组的发电量取决于供热量的大小,对于以采暖为主的热电厂,可以充分利用采暖建筑物和热网的巨大蓄能能力而进行调峰运行。如果这一运行方式得以实现并加以推广,对于缓解电网负荷出现的峰谷差具有非常积极的作用。计算数据表明,采用本模型优化的热电厂运行方式在满足采暖效果的同时,单位发电量的经济学效益明显高于一般运行方式。
实施并推广这种运行方式需要一定的有效措施做保证,如电力系统对热电厂的合理调度及对热电厂发电采取分时电价上网等,使得在采用电力调峰的优化运行方式的同时,热电厂自身获得一定的经济效益。
由于背压机组在改变发电量的同时,主蒸汽量也改变。考虑到锅炉的安全运行,主蒸汽的改变量不宜过大。本文给出锅炉出力的变化范围为100%~50%,而从燃煤锅炉实际运行情况看,一般要比这一范围小。
参考文献
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近年来,现代教育技术虽然在教育教学的各个领域中得到较好的应用和发展,但是,多媒体计算机深入到课堂教学还只是停留在某个研究活动的点缀阶段,它对教育改革产生整体作用离我们还较遥远。主要原因在于实现多媒体教学的条件不够和多媒体教学的模式还没真正形成,致使多媒体教学研究不能全面深入下去。本文结合现代教育技术的发展趋势和我校十八年电教实践经验,谈谈多媒体优化小学语文教学的实现和模式。
二、实现多媒体教学的各种因素
(一)物的因素
物指的是运用多媒体教学的硬件设施和软件配置。俗话说:“兵马未动,粮草先行。”同样,实现教育现代化,必须有现代教育设备和配套软件做坚实的基础。一般要求“六室四系统”。“六室”:(1)普通教室:每班“五机一幕”(即投影仪、录音机、录放机、彩色电视机、多媒体主机、投影银幕)。(2)计算机室:多媒体配置,按最大班额计算需两人一机。(3)多功能电教室:面积在100平方米以上,配有多媒体计算机、录像机、VCD、视频放大器、音频系统、综合传统媒体与现代媒体功能的多功能教室。(4)语音实验室:要求64座。(5)声像资料室(兼视听阅览室):面积56平方米以上,配有多媒体计算机、电视机、录像机、投影仪各一台。(6)设备贮存室:面积56平方米,要求具有防潮、防火、防盗等功能。“四系统”:(1)闭路电视系统。(2)演播系统。(3)计算机网络系统。(4)现代教材系统:各种电教教材成套化、系列化、多媒化,形成教学素材包。
(二)人的因素
人的因素是指教学全过程中直接影响教育教学效果的参与者。教师是教育的实践者和实施者,建立一支高素质的教师队伍是实现教育现代化、把素质教育落到实处的决定因素。这就要求:(1)更新教育观念、增强现代教育意识,强化现代教育技术在教育教学中的地位和作用。这就需要加强对教师进行现代教育技术理论的培训。(2)加强电教技能的培训。电教技能包括媒体操作、教材制作、媒体选用、媒体设计与组合、课堂电化教学设计、实验经验总结等基本技能。培训的方式有自学、讲座和进修。
三、实现多媒体教学的模式
(一)模拟教学模式
现代教育技术的模拟功能,是较早开发和利用的一种辅助教学功能,特别是传统的电教媒体所特有的,目前学校电化教育辅助教学也基本上属于这种教学模式。
模拟教学模式,主要是利用现代教育媒体的模拟功能把抽象的概念,难以观察清楚的现象,跨越时空的事物,不易实现的实验,通过动画、录像、投影的形式,进行信息处理和图像输出,在显示屏幕上,进行微观放大,宏观缩小,动静结合,图文并茂,在短时间内调动学生多种感官参与活动,使学生获取动态信息,从而形成鲜明的感性认识,为进一步形成概念、上升为理性认识奠定基础,同时降低了学生对知识理解的难度,有利于培养学生的形象思维能力,也有利于抽象思维能力的提高。
多媒体在小学语文教学中模拟教学,主要适用于跨越时空的事物再现。如《美丽的小兴安岭》一文中所描绘的东北小兴安岭一年四季景物变化及其丰富的物产。教学时,可根据各个教学重点环节,利用录像分别再现春、夏、秋、冬等季节的景物特征及其重点词语的定格画面。像这样运用录像资料来展现其真实画面,学生才有身临其境之感,教学重难点的解决才有破竹之势,学生的能力才能有更进一步的提高。
多媒体模拟教学将从根本上改变我们的教学观念,极大地改变了传统的粉笔加黑板的单一教学手段,为学生获取知识开辟了更宽的道路。
(二)个别辅导教学模式
个别辅导教学模式源于斯金纳的机器程序教学法,基于多媒体计算机的诞生和系列配套教学软件、工具软件的形成以及有鉴于目前班级授课制的弊端,实现个别化教学,也是语文教学由“应试教育”向素质教育转轨的重要途径。多媒体课件具有较强的交互功能,这是它的一大特点,学生可以根据自己学习的实际情况,提出需要学习的内容,计算机便及时出示学习内容,并且可以向学生提问,对问题进行分析,作出判断,给出反馈。若学生学习遇到困难,它还可以指导学生学习有关方面的内容再渡难关。这样循序渐进,学生所学知识就会得到不断的巩固,学习能力也不断提高。
识字教学在小学低年级阶段是一个重点,也是一个难点。教学内容单调、枯燥,学生难以读准字音、记住字形、写会笔顺、理解字义并用其说话。加上学生在学习过程中,学习水平参差不齐,教师进行个别辅导难以实现,对此,我们可以利用多媒体计算机实现个别辅导教学。如:《我是中国人》一课的识字教学,本文共有五个生字(我、是、爱、国、星),我们利用多媒体课件教学采用如下步骤:(1)教师引导学生初步掌握字的音、形、词、义、写、句;(2)学生利用课件进行交互学习,要求学生找准学习的疑难点,请求计算机帮助解决其疑难点;(3)学习有余力的学生可以更进一步学习新的知识。
这种教学模式要求首先要做好课件的设计与制作。设计的程序分支越多,预想的情况就丰富,就越能全面为学生服务,并取得理想的效果。其次,要充分发挥学生的主体作用,但不能忽视教师的主导地位,教师要帮助学生总结自己的个性特性、学习方法、学习风格,从而培养一批有个性、有特色、具有良好的学习品质和学习方法的学生这一目的就会实现了。
(三)新授课教学模式
新授课教学模式的多媒体CAI课件是以教学课题为主要线索,以强化教育重点、突破教学难点而设计,为充分利用计算机硬件资源,尽量发挥软件的表现手法而编写的。新授课教学模式是以CAI课件为主要信息传输源。它以多种方式、不同表现手法对新授课的内容进行加工处理,生动有趣地展现于学生面前,起到了激发学生学习兴趣、集中注意力、化抽象为直观的作用,同时也体现了媒体在教学中的优势。
如《鹅》这首诗包含了丰富的信息:有鹅的叫声、鹅的形象以及鹅的动作等。传统的教学方法、手段难以将这丰富的信息表达清楚,而多媒体教学却正好适合表现这些丰富的信息。教学的具体步骤:(1)“曲项”利用动画展现一只白鹅浮在水面上不断伸曲脖子。(2)“曲项向天歌”在前一个动画的基础上,合成鹅叫的声音效果。(3)“白毛”利用一幅静止的大白鹅浮在水面上的图片,突出其白色的羽毛。(4)“白毛浮绿水”展现一只大白鹅浮在碧波荡漾的水面上,突出其“浮”的悠闲的神态。教师在此引导学生观察水、鹅毛的颜色对比以及鹅的悠然动作。(5)“红掌”出示白鹅挥动红色的脚掌向前划水的动作和划水的“哗哗”声。(6)整体讲解这首诗时,出示一幅动画:亭台楼榭,杨柳依依,一个小孩在不断向湖里那群欢叫着的鹅抛撒谷粒。整个教学过程文图并举,声情并茂,视听结合,渲染了气氛,创造出了原诗的意境,从而激发了学生的学习兴趣,降低了学生学习的难度,使学生在一种轻松、愉快的氛围中学习了知识,理解了诗意,同时强化了记忆。
教师在教学新课之前首先要透彻地领悟CAI教材设计的意图。其次,教师在备课的同时要认真地备好媒体(即媒体展示的时机、语言的组织等)。再次,教师在运用CAI课件时,不能以课件为中心,应以文字教材为中心,并根据学生的实际学习水平,充分体现学生学习的主动性,从而达到优化课堂教学结构、培养学生能力的目的。
(四)培训与练习模式
快反馈、强矫正是提高学生学习质量的重要途径。利用多媒体计算机存贮量大、运算速度快、CAI交互性能好的特点对学生进行有针对性的训练和练习,这样,可以引导学生对问题的思维过程、方式、结果的正确与否进行立即判断,以矫正思维过程。在问题出示的同时可以充分挖掘多媒体计算机的软硬件资源,增强趣味性,增加问题判定的形式,展现语文之美于其中。这样,学生会感到心旷神怡,在一种美的情境中学习,真正做到寓教于乐。
如学生刚刚学习拼音字母的大写后,很难做到大小写一一对应辨别,当出示大写字母时,先要想一想字母歌中的前后顺序,然后去对应小写字母,再想其发音和写法。我们在此可设计一个多媒体CAI课件进行训练,训练分为三个步骤:(1)出示小写字母时,学生点按小写字母后,出示大写字母,并发其音,示范其写法;(2)将屏幕一分为二,上面出示大写字母,下面出示小写字母,学生判断后,用鼠标点按对应的小写字母,若点按正确,发出“棒!”的鼓励之声,并奖赏10分和一个笑脸;若点按错误,发出“要努力!”,罚一个哭脸,同时展示正确的答案。(3)在屏幕上只出现大写字母或小写字母,要求学生从键盘上输入与之对应的字母。输入还设计了控时程序,要求学生必须在规定时间内输入完毕,否则要在成绩栏扣出一定的分数。这样循序渐进、趣味性较浓且带有一定强度的训练充分地调动了学生学习的兴趣,促进了知识的内化。
四、应注意的问题
(一)教学内容和形式问题。
多媒体教学要以研究运用多媒体优化教学目标为宗旨,不是研究用更多的媒体将知识灌输给学生。在媒体的选用过程中不能认为媒体越先进,教学就能取得很好的效果,要求做到内容与形式的统一。
(二)为“电教”而电教问题。
多媒体教学要从教学的实际需要出发,不能以运用了电教媒体就说明是电化教学或者运用电教媒体的种类越多、档次越高教学效果就越好,多媒体教学要注重择优性原则,不能认为每次课都得用上多媒体进行教学。多媒体教学并没有排他性,传统教学的精华我们不摒弃,而要发扬光大。
(三)电教技能滞后问题。
多媒体教学媒体操作技能非常重要,具有良好的媒体操作技能是教师上好一节电教课的前提。教师不但要掌握硬件操作能力,而且还要具有软件设计、制作的一般技能和综合运用各种电教媒体的技能。
操作方法虽然没有统一的模式、统一的要求,但随心所欲、信手拈来、草率从事的做法是不可取的。经过精心设计,合乎逻辑联系的操作方法,不仅能使学生获得知识更容易,而且有利干提高学生的逻辑思维能力。
例如:教学长方体的面积一节时,在演示长方体表面积的操作过程中,有的教师是把表面积整体展开,得到一个组合的平面图形,然后分析推导求长方体表面积的方法;有的教师把三组相对的面逐次撕下来,贴在黑板上,然后分析推导求长方体表面积的方法。我认为以上这些操作方法不够妥当,因为无论是认识长方体表面积的概念,还是探索长方体表面积的计算方法,都必须凭借三维空间才能实现。在分析探索长方体前后两个面的面积和左右两个面的面积的方法时,必须凭借“体”的形象或“体”的表象进行,让学生直观地看出,求这4个面的面积是用“长x宽X2”和“宽X高X2”。但如果离开“体”的形象,把两组对面放在一个平面上考察、研究,学生往往会产生心理眩感--求这两组对面的面积似乎是“长X宽X2”。由此可见,用展开法的操作方法探求长方体表面积的方法是不恰当的,也是不可取的。在演示长方体表面积的操作活动前,应制作活动教具(可逐次展开相对的两个面,且可马上复原),操作时,凭借“体”的形象,用功态演示,突出感知对象,把一组对面先展开,展开时这组对面仍不离开“体”,学生看清楚后,马上把这组对面复合“体”上。
这样通过操作,不仅可以让学生从部分到整体综合归纳出求长方体表面积的一般方法,还可以培养学生的空间想象能力,发展学生思维。
二、操作过程要有序
心理学研究表明:小学生的思维,处于无序思维向有序思维的过渡阶段,因此,教师要积极引导和帮助学生度过这个阶段,训练思维的条理性。在操作活动中,学生的思维是随着操作的顺序进行的,操作程序反映了学生接受的思维过程,反映了一定的逻辑顺序。如果操作的程序混乱,学生的大脑中就无法形成一条清晰的思路。有序的操作有利于学生形成清晰流畅的思路,发展学生的思维。学生在操作活动中,经过分析、综合、抽象、概括的思维活动,思维的条理性可得到提高,如20以内的进位加法,主要是运用“凑十法”来计算的。教学中教师要进行有序实物演示,再让学生模仿老师操作进行“凑十”,然后让学生想操作过程。
案例:9加2的进位加法,教学程序分三步。
第一步操作:先拿出9个皮球,放在盒子里,再拿出2个皮球放在盒子外面,问:现在把9个皮球和2个皮球合起来,怎样计算呢?
第二步问:盒子里面已有9个,再添上几个就刚好成一盒10个?(再添1个)操作:把盒子外面的2个分成1个和1个。
第三步操作:拿起盒子外面1个放在盒内(学生说:9十1=10),老师再用手势表示盒内10个与盒外1个合并(学生说10+1=11)这样教学,体现了简单的直观综合能力的培养,边操作、边思考,用操作促进思维,用思维指挥操作,所以操作活动要精心设计操作程序,要做到有条有理。
三、感知对象要突出
心理学研究表明,加大感知对象与背景材料的差异,突出感知对象,对提高知觉的效果具有重要作用。操作活动中要适当突出感知对象,一般可通过颜色、形状、动态、声音和强度等方面来实现。
例如:等底等高的圆柱与圆锥体比较的操作活动。①制作等底等高的无色透明圆柱、圆锥教具备一个。然后用红色圈把圆柱等分成三截;②在圆柱中盛满蓝颜色水;③将水分三次倒进圆柱,第一次使圆柱中的水面刚好到第一道红色圈;第二次,使圆柱中的水面刚好倒满。这样操作,由于红、蓝的对比明显、感知对象突出,学生就能直观、清楚地看出:圆锥体积是等底等高的圆柱体积的三分之一。
四、注意发挥语言功能
语言是思维的外壳,思维是客观事物在人脑中概括和间接的反映,是借助于语言来实现的。在实践操作中,动作和动作之间,直观材料和直观材料之间,动作与直观材料之间往往都存在着一定的逻辑联系,而这些联系,用动作或直观材料都是无法表示的,这就需要善于运用恰当的语言,揭示这些联系,帮助学生建立前后连贯的合乎一定逻辑联系的思路。
案例:讲分数乘以分数的计算法则时,分三步进行:①操作:让学生每人拿出一张正方形纸,对折后将其中一半画上斜线。口述:阴影部分是正方形的1/2问:阴影部分的1/3相当于正方形的几分之几?学生操作后口述折的过程及结果,把1/2张纸平均分成3份,其中1份是原正方形的1/6,②操作:拿出一张长方形纸,折出这张纸的2/3,涂上颜色,再折出涂色部分的1/5,口述:把2/3张纸平均分成5份,每份是原长方形的2/15,推出4份是原长方形的8/15,③观察“折”的结果,1/6=1×1/2×3,2/15=2×1/3×5,8/15=2×4/3×15,师生共同归纳分数乘以分数的计算法则。
由此可见,动手操作后,通过学生的外部语言,完整地复述操作过程,然后通过分析归纳内化为学生的能力,让学生通过语言的表达,促进外部活动的内化。
五、充分调动多种感观