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【關(guān)鍵詞】 物理實(shí)驗(yàn); 比較法; 放大法; 平衡法; 轉(zhuǎn)換測(cè)量法
物理實(shí)驗(yàn)的目的是為了揭示與探索自然規(guī)律。掌握有關(guān)的基本實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ兄匾饔谩?shí)驗(yàn)方法和測(cè)量方法很多,就同一個(gè)實(shí)驗(yàn)也會(huì)體現(xiàn)多種方法且各種方法又相互滲透和結(jié)合,如何根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的需要,采用最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方法,達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且粋€(gè)必須思考的重要問題。本研究歸納了幾種常用的基本實(shí)驗(yàn)方法,并進(jìn)一步討論了各種方法如何與具體實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合,發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在高等教育中的重要基礎(chǔ)性作用。常見的物理實(shí)驗(yàn)方法有比較法、放大法、平衡法、轉(zhuǎn)換測(cè)量法等?!? 比較法
比較法是根據(jù)一定的原理,通過與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象或標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較來確定待測(cè)對(duì)象的特征或測(cè)量數(shù)值的實(shí)驗(yàn)方法。它又可分為直接比較、間接比較、特征比較3種。例如在長度,質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)當(dāng)中用最小分度為一毫米的米尺測(cè)量長度,“1毫米”就是作為比較的標(biāo)準(zhǔn)量。天平稱質(zhì)量、秒表計(jì)時(shí)等都屬于直接比較。而多數(shù)物理量是不能通過直接比較去測(cè)量的,而要用間接比較去測(cè)量。借助中間量或通過某種變換使待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量發(fā)生間接比較?;菟沟请姌驕y(cè)電阻實(shí)驗(yàn)就是將待測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻 進(jìn)行間接比較得出。電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)或電壓是通過將待測(cè)電壓或電動(dòng)勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行間接比較來實(shí)行比較測(cè)量,測(cè)量固體、液體密度時(shí),可與密度已知的標(biāo)準(zhǔn)液體(水、酒精等)進(jìn)行比較。
圖1 惠斯登電橋電路示意圖(略)
2 放大法
放大法是在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)遇到由于被測(cè)量量過分小,以至無法被實(shí)驗(yàn)者或儀器直接感受和反應(yīng),此時(shí)可先通過一些途徑將被測(cè)量量放大,然后再進(jìn)行測(cè)量,放大被測(cè)量量所用的原理和方法稱為放大法。常用的放大法有累積放大法、電學(xué)放大法、光學(xué)放大法等。在最簡單的單擺實(shí)驗(yàn)的周期測(cè)量中,假定單擺周期T為1.50s,人開啟和關(guān)閉秒表的平均反應(yīng)時(shí)間為T=0.2s,則單次測(cè)量周期的相對(duì)誤差為T/T=30%,若我們測(cè)量50個(gè)周期,則將由人開啟和關(guān)閉秒表的平均反應(yīng)時(shí)間引起的誤差降到T/T=30% ?;匦铀倨饕彩抢昧朔e累放大的原理,電子每通過加速器半圓的出口進(jìn)行一次加速,使電子的能量不斷增加。電學(xué)放大法是將微弱電信號(hào)(電流、電壓或功率)通過電子線路放大進(jìn)行測(cè)量的方法。在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)應(yīng)用微電流放大器來觀測(cè)微弱電流。示波器中的示波管將電信號(hào)放大到能明顯的觀察和測(cè)量。光學(xué)放大法是通過光學(xué)儀器比如放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡將待 測(cè)對(duì)象放大。這類儀器只是在觀察中放大視角,并不是實(shí)際尺寸的變化,所以并不增加誤差。因而許多精密儀器都是在最后的讀數(shù)裝置上加一個(gè)視角放大裝置以提高測(cè)量精度。微小變化量的放大原理常用于檢流計(jì)、光杠桿等裝置中。光杠桿鏡尺法就是通過放大被測(cè)量的微小長度變化,其原理如實(shí)驗(yàn)楊氏模量的測(cè)量中有關(guān)公式b=2DΔL/ l 所示,ΔL 原來是一個(gè)微小的長度變化量,當(dāng)取D遠(yuǎn)大于光杠桿的臂長 (光杠桿的支腳尖到刀口的垂直距離)后,經(jīng)光杠桿轉(zhuǎn)換后的變化量 卻是一個(gè)較大的量,可在標(biāo)尺上直接讀出。其中,2D/ l 為光杠桿裝置的放大倍數(shù)。一般在實(shí)驗(yàn)中,l 約為4~8cm,D約為1~2m,因此光杠桿的放大倍數(shù)可達(dá)到25~100倍。
3 平衡法
平衡法是利用平衡狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量的方法。根據(jù)平衡條件可以得到等量關(guān)系,從而達(dá)到測(cè)量的目的。天平是利用杠桿平衡原理制造的,就其儀器設(shè)計(jì)原理來說是平衡法,從測(cè)量方法來看是比較法?;菟沟请姌驕y(cè)電阻,就其電路原理( 檢流計(jì)兩端電位相等時(shí)達(dá)電橋平衡狀態(tài))也是平衡法。
4 轉(zhuǎn)換測(cè)量法
轉(zhuǎn)換測(cè)量法是根據(jù)不同物理量或不同物理效應(yīng)之間的各種關(guān)系,利用變換原理進(jìn)行測(cè)量的方法。其中參量換測(cè)法比較常用,該方法利用各種參量之間的相互關(guān)系測(cè)某一物理量。它在間接測(cè)量中比較普遍。比如在楊氏模量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系來測(cè)楊氏模量;通過測(cè)光的衍射角、衍射級(jí)次并已知光柵常數(shù)而測(cè)出光波長;光的干涉法將長度的微小變化換成相干光光程差的變化,光程差的變化引起顯微視場中干涉條紋的移動(dòng),測(cè)出條紋的移動(dòng)的數(shù)目就得到了長度的微小變化(如熱膨脹、磁致伸縮等)。還可以通過能量變換裝置將一種形式的量轉(zhuǎn)換成另一種形式的量進(jìn)行測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是將不易測(cè)量的量轉(zhuǎn)換為易測(cè)量的量。其測(cè)量條件是有換能器或傳感器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。大多數(shù)情況都是將非電量換成電量進(jìn)行測(cè)量。較典型的有熱電轉(zhuǎn)換、力電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換等。
圖2 光杠桿原理圖(略)
5 結(jié)論
另外還有補(bǔ)償法、模擬法、強(qiáng)化法等物理實(shí)驗(yàn)方法,均根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)被運(yùn)用到了具體的實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案,恰當(dāng)?shù)陌迅鞣N物理實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)結(jié)合,并鼓勵(lì)學(xué)生積極思考新的實(shí)驗(yàn)方法,比較不同方法的優(yōu)劣勢(shì),以求最大程度培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維創(chuàng)新能力。
【參考文獻(xiàn)】
1 劉作會(huì).恰當(dāng)?shù)剡x擇 合理地改進(jìn)——例談物理實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化. 科學(xué)咨詢(教育科研),2009,12:30.
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【關(guān)鍵詞】視界融合 音樂理解 教學(xué)活動(dòng)
音樂教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)離不開其他學(xué)科理論與方法的引導(dǎo),只有在音樂教學(xué)理論與實(shí)踐的研究中積極借鑒和吸收各種人文學(xué)科的營養(yǎng),才能給音樂教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)注入新鮮的活力。在當(dāng)今人文學(xué)科領(lǐng)域中,哲學(xué)解釋學(xué)的“視界融合”理論對(duì)語文、英語閱讀等學(xué)科產(chǎn)生了深刻影響,但對(duì)于音樂教學(xué)的關(guān)注還不多。
一、基于“視界融合”的音樂理解教學(xué)的意義
“視界融合”是哲學(xué)解釋學(xué)的重要內(nèi)容,哲學(xué)解釋學(xué)是關(guān)于理解的學(xué)說。哲學(xué)解釋學(xué)大師伽達(dá)默爾認(rèn)為,理解是理解者與理解對(duì)象之間的一種視界融合,不是一種主體對(duì)客體的單向度的認(rèn)識(shí)活動(dòng)。也就是說,人們?cè)诶斫庖粋€(gè)文本的認(rèn)識(shí)活動(dòng)中,不能像自然科學(xué)那樣去追求文本的客觀意義,而是以理解者自身的“理解”去參與文本意義的建構(gòu)。
我們以“視界融合”來看待音樂教學(xué)具有重要的意義,尤其是對(duì)音樂文本的理解。在實(shí)際的音樂理解教學(xué)活動(dòng)中,存在著兩種偏激的現(xiàn)象:音樂作品至上論和音樂理解者至上論。前者強(qiáng)調(diào)音樂作品的權(quán)威地位,主張從音樂作品自身去提取意義和挖掘意義,引導(dǎo)學(xué)生去追求音樂作品中的標(biāo)準(zhǔn)答案;后者則不重視音樂作品自身的價(jià)值,主張音樂的意義不在于音樂作品本身,而是人們?cè)谝魳防斫饣顒?dòng)中的一種經(jīng)驗(yàn)。能夠促使一部音樂作品具有意義或沒有意義是音樂理解者的賦予。前一個(gè)觀點(diǎn)過于強(qiáng)調(diào)音樂作品的作用而忽視了音樂理解者賦予音樂作品的理解意義,它不尊重音樂理解者的主體地位,陷入了一種相對(duì)主義;后一種觀點(diǎn)重視音樂理解者的主體地位,但又陷入了相對(duì)主義的臼窠。這兩種觀點(diǎn)普遍存在于實(shí)際的音樂教學(xué)活動(dòng)中,尤其是以前一種觀點(diǎn)甚為流行。從音樂理解的角度來說,“視界融合”的觀點(diǎn)對(duì)實(shí)際的音樂理解教學(xué)活動(dòng)中可以起到一定的偏糾作用,既不能因?yàn)閺?qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位而放棄了教師的引導(dǎo)作用,也不能因?yàn)閺?qiáng)調(diào)教師的主體地位而忽略了學(xué)生的主體性發(fā)揮。音樂的教與學(xué)是在師生相互溝通、交流與視界融合中去生成教學(xué)意義?!耙暯缛诤稀闭J(rèn)為,音樂教學(xué)應(yīng)從師生各自的視界出發(fā)去建構(gòu)音樂意義。
二、基于“視界融合”的音樂理解教學(xué)建構(gòu)
音樂理解教學(xué)中的“視界融合”包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:一是學(xué)生與音樂文本的“視界融合”,二是教師與學(xué)生之間關(guān)于音樂文本理解的“視界融合”,前者是后者的基礎(chǔ)。
(一)音樂文本與學(xué)生的“視界融合”
1.“視界融合”與學(xué)生的精神建構(gòu)
從哲學(xué)解釋學(xué)視角來看,聽賞音樂其實(shí)就是一種理解,是對(duì)他人、世界、自我的一種理解,正如伽達(dá)默爾所說的,理解一個(gè)文本就是使自己在某種對(duì)話中理解自己。從自我理解的角度來看,聽賞音樂就是在理解自我、體驗(yàn)自我的人生、關(guān)注自我的生命。音樂理解教學(xué)就是對(duì)靈魂的喚醒。“教育的核心之所在就是喚醒學(xué)生的生命感、價(jià)值感,喚醒學(xué)生的人格心靈?!雹僖魳方虒W(xué)中的“視界融合”是聽賞者與音樂文本之間情感和理智的交融與同構(gòu),是音樂欣賞者以“我”的“歷史前見”和“期待視野”賦予音樂文本的“自我”意識(shí),并以此觀照自身生命的全過程。音樂理解教學(xué)是音樂欣賞者向音樂文本敞開的過程,音樂欣賞者將自身的音樂體驗(yàn)融注到音樂文本的生活表達(dá)中。在實(shí)際的音樂教學(xué)活動(dòng)中,我們常有此體驗(yàn):在音樂欣賞的過程中不禁心醉神迷,超越現(xiàn)實(shí)的束縛而遨游在自由的廣闊之城,進(jìn)而與音樂創(chuàng)作者的靈魂相遇而產(chǎn)生心靈的默契與人格的啟迪,這是因?yàn)閷W(xué)生從自己的期待視野出發(fā),與音樂文本所表現(xiàn)出來的“歷史視野”相互交融,實(shí)現(xiàn)了“視界融合”。音樂文本的意義被創(chuàng)生,人生的意義開始敞亮,這正是“視界融合”中的欣賞共鳴的時(shí)刻。
2.“視界融合”與學(xué)生的音樂理解創(chuàng)造
音樂理解中的“視界融合”指向于欣賞者的音樂理解創(chuàng)造。在哲學(xué)解釋學(xué)看來,理解不是歷史的重建,而是包含理解者自身情境富有創(chuàng)造性的過程。在音樂理解活動(dòng)中,學(xué)生并非完全拋棄個(gè)體的“前見”,而是從這一“前見”出發(fā)與音樂文本的“視界”融合成為一個(gè)新的“視界”,以此形成了一個(gè)既不同于學(xué)生原有視界,也不同于音樂文本原有視界的意義世界,而且這一意義世界處于無休止的動(dòng)態(tài)形成之中,這就是音樂理解中的創(chuàng)造。如從期待視野的角度分析了讀者的創(chuàng)造活動(dòng),在作者、作品、讀者這三個(gè)關(guān)系中,讀者并非被動(dòng)的一端,讀者本身是形成歷史的一種力量。這樣,音樂教學(xué)活動(dòng)就成了一種富有吸引力和富有挑戰(zhàn)性的活動(dòng),因?yàn)閷W(xué)生在音樂理解中敢于從自己的音樂“前見”出發(fā)向作者和前人進(jìn)行挑戰(zhàn),在這里,學(xué)生不是被動(dòng)的接受者,而是音樂文本意義的創(chuàng)造者,這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的音樂創(chuàng)造性具有重要的意義。
(二)音樂理解教學(xué)中師生之間的“視界融合”
音樂理解教學(xué)中的“視界融合”并非僅限于作為理解者的師生與作為理解對(duì)象的音樂文本之間的溝通與融合,還表現(xiàn)為教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”之間,學(xué)生的“學(xué)”與“學(xué)”之間的對(duì)話、溝通與視界融合。正因?yàn)椴煌囊魳沸蕾p主體之間存在著相互溝通與交流,對(duì)音樂文本意義的理解、人與人之間的相互理解才成為可能。
1.“教”與“學(xué)”的融合
從“視界融合”的角度來看音樂教學(xué)活動(dòng)中的“教”與“學(xué)”,就是教師和學(xué)生在以音樂文本為視界融合的基礎(chǔ)上,將教師“教”的視界與學(xué)生“學(xué)”的視界再進(jìn)行融合,也就是教師和學(xué)生在音樂理解教學(xué)過程中達(dá)成的相互理解與自我理解的過程。這種音樂教學(xué)活動(dòng)不是以教師為主體而完全消融學(xué)生的音樂理解,或者以教師的體驗(yàn)音樂為主而替代學(xué)生的音樂體驗(yàn),而是將教師和學(xué)生雙方各自的音樂理解納入到對(duì)方的音樂視界中,或者將對(duì)方的音樂視界納入到自己的音樂視界的全過程。在這里,教師和學(xué)生的音樂視界都是一個(gè)開放的視界。正如鐘啟泉教授所說:“教師的‘教’,就像作家創(chuàng)作文本的過程,學(xué)生的‘學(xué)’,就好像讀者閱讀‘文本’的過程,教師需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)文本的‘召喚結(jié)構(gòu)’,以激發(fā)起學(xué)生學(xué)習(xí)的期待視野,實(shí)現(xiàn)教師的‘教’與學(xué)生‘學(xué)’的雙向融合?!雹凇耙暯缛诤稀敝械囊魳方虒W(xué)活動(dòng),教師和學(xué)生都是課堂教學(xué)的主體,對(duì)于音樂理解都是從各自的音樂“前見”出發(fā)去理解音樂文本,教師和學(xué)生對(duì)音樂文本的了解往往都會(huì)帶有各自特定的立場、視角、觀點(diǎn)。對(duì)于同一個(gè)音樂文本的體驗(yàn)、感知、理解,不同的人因?yàn)樯钍澜?、人生閱歷、價(jià)值觀、文化傳統(tǒng)等方面的差異,其審美期待不盡相同,音樂理解也就不同。因此,音樂教學(xué)活動(dòng)中,教師和學(xué)生之間的“教”與“學(xué)”的融合不僅有著心靈的碰撞與共鳴,也存在著音樂體驗(yàn)和感知的差異,這時(shí),音樂教師和學(xué)生需要在平等的對(duì)話中確保各自不同的音樂視界的真正相遇,并達(dá)成師生間的相互理解。
2.“學(xué)”與“學(xué)”的融合
音樂教學(xué)中的“教”與“學(xué)”的融合中,教師的“教”要由學(xué)生的“學(xué)”來定位,教學(xué)其實(shí)就是教學(xué)生學(xué),教師所設(shè)計(jì)的一切“教”都以學(xué)生的“學(xué)”作為根本出發(fā)點(diǎn)。哲學(xué)解釋學(xué)重視讀者的積極作用。正如解釋學(xué)大師伽達(dá)默爾所說的,文學(xué)作品就是在理解過程中作為審美對(duì)象而存在的,文學(xué)作品的存在展示為向未來的理解和永久開放的效果史,文學(xué)作品的歷史性由讀者的理解來決定。從這個(gè)角度來說,在音樂教學(xué)活動(dòng)中,學(xué)生毫無疑問是真正的課堂教學(xué)主體,因?yàn)橛辛藢W(xué)生對(duì)音樂的審美體驗(yàn)、感知等理解活動(dòng),才使得音樂文本有著其存在的意義和價(jià)值,迸發(fā)出旺盛的生命力。沒有人去感知、欣賞音樂文本,它便成為一潭死水而毫無生命力。正是因?yàn)橛辛藢W(xué)生的“學(xué)”,音樂教學(xué)活動(dòng)才有其存在意義。在音樂教學(xué)活動(dòng)中,學(xué)生創(chuàng)造性能力的養(yǎng)成、真實(shí)情感的展現(xiàn)、人生意義的理解、生命價(jià)值的感悟,這帶給音樂教師啟迪的同時(shí)也表明了學(xué)生的獨(dú)立思考能力,因此,我們需要關(guān)注音樂教學(xué)活動(dòng)中“學(xué)”與“學(xué)”的融合。
綜上所述,音樂理解教學(xué)是一個(gè)充滿了不同主體“視界融合”的教學(xué)過程,師生與音樂文本之間、不同的學(xué)生之間都存在著“視界融合”。在實(shí)際的音樂教學(xué)活動(dòng)中,教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”之間以及學(xué)生的“學(xué)”與“學(xué)”同樣存在著“視界融合”,由此可見,哲學(xué)解釋學(xué)的“視界融合”理論為當(dāng)前的音樂教學(xué)提供了重要的啟迪,也拓展了當(dāng)前的音樂教學(xué)理論與實(shí)踐。
注釋:
①張?zhí)鞂?試論理解的教育過程觀[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào),2001(4).
②鐘啟泉.對(duì)話與文本:教學(xué)范式的轉(zhuǎn)型[J].教育研究,2001(3).
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1、計(jì)算思維理念指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序語言教學(xué)
由于C語言是一種既可作為系統(tǒng)描述,又可編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言。因此,“C語言程序設(shè)計(jì)”是初學(xué)計(jì)算機(jī)語言的一門重要的程序設(shè)計(jì)語言課程。許多高校都將“C語言程序設(shè)計(jì)”課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)及其他專業(yè)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言的第一門必修課。該門課程的開設(shè)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決問題的能力,還是后續(xù)計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)課程甚至非計(jì)算機(jī)專業(yè)一些課程的重要基礎(chǔ)。
目前,語言程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方法主要是基于案例或程序,利用多媒體輔助教學(xué)方法為主,任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和項(xiàng)目教學(xué)法也同時(shí)使用。課程的教學(xué)過程一般是按照教材編排的章節(jié)順序進(jìn)行講授,即先介紹變量定義,再逐條介紹指令語句的語法,然后針對(duì)某—條指令列舉一段簡單程序,甚至_段不完整的程序。這樣安排教學(xué)內(nèi)容,會(huì)使學(xué)生很快就感到厭倦,造成看似明白某種問題要用某些指令語句或某種算法,但在實(shí)際解決問題或編程時(shí),便不知如何下手的情況,特別是在講授c語言程序設(shè)計(jì)中的一些相對(duì)較難的算法時(shí),例如函數(shù)的遞歸調(diào)用方法以及建立動(dòng)態(tài)鏈表,在講授過程中,一般是按照為了解決某個(gè)問題,需要采用某種算法或方法,并直接給出算法案例或程序,用于解決該問題。這種講授方法會(huì)讓學(xué)生覺得算法很抽象,編寫出的程序較死板,甚至?xí)烙浻脖?,將程序代碼與應(yīng)用硬性結(jié)合,而不是將算法與應(yīng)用結(jié)合,不懂得程序由算法而來,導(dǎo)致當(dāng)遇到類似問題時(shí),只會(huì)套用死記硬背的代碼,而不能正確地寫出解決新問題的程序代碼。另外,這種課堂教學(xué)模式由于過于注重語句語法,不能突出解決問題的思路和方法,更沒有讓學(xué)生參與問題的思考,難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生甚至認(rèn)為在學(xué)習(xí)語法和算法的過程中只要跟著老師或課本上講授的方法學(xué)就可以了,不需要有自己的思考。
立足于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求,程序設(shè)計(jì)課程重要的是培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題的綜合能力,體現(xiàn)的是知識(shí)運(yùn)用的綜合性、靈活性和探索性,這恰好符合周以真教授提出的計(jì)算思維的理念:運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。因此,程序設(shè)計(jì)課程可以運(yùn)用計(jì)算思維的理念,講授基本概念和編程的基本思路及方法,重點(diǎn)是對(duì)問題進(jìn)行符合邏輯地、科學(xué)地分析,找出解決問題的抽象方法。在講授程序語言基本概念、語法和算法的過程中使學(xué)生體會(huì)計(jì)算思維的理念,掌握如何通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法,把一個(gè)看似困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道問題怎樣解決的思維方法等。
筆者在教學(xué)實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn),在學(xué)生有了最基本的編程基礎(chǔ)后:①當(dāng)給出明確的算法時(shí),由算法寫出程序代碼是沒有太大問題的。即便要用到新的語句,只要在編程前講解新語句,學(xué)生就會(huì)使用新的語句將算法用程序語句編寫出來。②在不講授算法和解決方法的情況下,如果學(xué)生遇到需要采用遞歸方法或建立鏈表來解決的實(shí)際問題時(shí),自行解決是沒有任何問題的,而且能很清晰地描述解決過程,只是缺少對(duì)過程的歸納和總結(jié),從而形成某種算法。
因此,筆者結(jié)合培養(yǎng)計(jì)算思維能力的思路和方法,通過對(duì)c語言中較難知識(shí)點(diǎn)講授方法的思考和分析,探索出一種給出實(shí)際問題,讓學(xué)生自行解決,然后對(duì)問題解決過程歸納總結(jié),并在教師引導(dǎo)下進(jìn)行完善,得到算法,進(jìn)而編寫出程序代碼的方法。在采用該方法講授時(shí),學(xué)生可以輕松地理解算法,快速寫出程序,并能靈活運(yùn)用算法,將算法用于解決類似問題,收到了較為理想的課堂教學(xué)效果。
2、函數(shù)遞歸調(diào)用算法的講授方法
2.1 問題描述
給每位學(xué)生發(fā)一張紙條,紙條上給出該學(xué)生的x語言課程成績的計(jì)算方法,讓學(xué)生根據(jù)紙條上的方法計(jì)算出自己的成績。紙條上的成績計(jì)算方法有兩種:一種是明確寫出成績,如“你的成績是90分”;另一種是“你的成績是你右側(cè)學(xué)生的分?jǐn)?shù)加3分”。
根據(jù)學(xué)生當(dāng)時(shí)的座次情況,教師將第1種寫有明確成績的紙條發(fā)給每一排坐在最右側(cè)的學(xué)生,將寫有第2種成績計(jì)算方法的紙條發(fā)給其余學(xué)生,再請(qǐng)各位學(xué)生算出自己x語言課程的成績。
2.2 教學(xué)引導(dǎo)
學(xué)生拿到紙條后,會(huì)詢問自己右側(cè)的同學(xué),但大部分同學(xué)還要再向坐在更右側(cè)的學(xué)生詢問,因此不少學(xué)生暫時(shí)安靜下來等待回復(fù),當(dāng)回復(fù)從右到左慢慢傳回來后,每個(gè)學(xué)生都會(huì)算出自己的成績。在等待和計(jì)算的過程中,坐在教室靠近左側(cè),距離最右側(cè)學(xué)生較遠(yuǎn)的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)其右側(cè)學(xué)生,以及右側(cè)的右側(cè)的學(xué)生的紙條上寫的成績計(jì)算方法都是“你的成績是你右側(cè)學(xué)生的分?jǐn)?shù)加3分”,要想算出自己的成績必須知道最右側(cè)學(xué)生的分?jǐn)?shù)。于是部分學(xué)生會(huì)離開座位去詢問與其同一排的最右側(cè)那位學(xué)生的成績,然后數(shù)其所坐位置的右側(cè)共有多少個(gè)學(xué)生。假設(shè)有n個(gè)學(xué)生,便用公式:最右側(cè)學(xué)生的成績+3+……+3,共加n-1個(gè)3”,來計(jì)算自己的成績;而距離最右側(cè)學(xué)生比較近的學(xué)生在詢問的過程中也會(huì)了解到本排最右側(cè)學(xué)生的成績。之后,每位學(xué)生都會(huì)計(jì)算出自己的成績。
2.3 算法分析及知識(shí)點(diǎn)講授
根據(jù)學(xué)生計(jì)算成績的過程,歸納總結(jié)出成績計(jì)算有以下兩種方法,并引入知識(shí)點(diǎn)——函數(shù)的遞歸算法。
①第1個(gè)學(xué)生(最右側(cè)學(xué)生)的成績已知;
②其余成績按照固定算法:前一個(gè)學(xué)生的成績+3。
該問題的解決算法可歸納為:若假設(shè)計(jì)算第n個(gè)(n≠1)學(xué)生的成績的函數(shù)為s(n),則有s(n)=s(n-1)+3。該算法用C語言函數(shù)編寫可描述為:
int s(int n)
{
int y;
y=s(n-1)+3;
return(y);
}
算法在使用函數(shù)s(n)計(jì)算學(xué)生的成績時(shí)還要調(diào)用函數(shù)s(n)本身,這種函數(shù)調(diào)用方法就是函數(shù)的遞歸調(diào)用。
以上對(duì)函數(shù)s(n)的描述歸納總結(jié)出了計(jì)算成績的第2種情況,其中還缺少當(dāng)n=1的情況:若沒有此條件,就如同沒有給出最右側(cè)學(xué)生的成績,這樣遞歸是不能得出最終結(jié)果的。因此遞歸算法能得到結(jié)果的前提是必須給出當(dāng)n=l時(shí)函數(shù)s(n)的確切數(shù)據(jù)。假如最右側(cè)學(xué)生的紙條上寫著“你的成績是90分”,則遞歸算法用c語言函數(shù)編寫的完整描述為:
int s(int n)
{
inty;
if(n==1)
y=90;
else
y=s(n-1)+3;
return(y);
}
算法分析及程序語言描述結(jié)束后,請(qǐng)坐在每一排最右側(cè)的學(xué)生念出自己紙條上寫的成績,請(qǐng)學(xué)生們寫出自己所坐位置的計(jì)算成績的函數(shù)s(n)。
2.4 問題解決方案
給出以上遞歸算法函數(shù)后,讓學(xué)生書寫主函數(shù)mainO調(diào)用函數(shù)s(n),并根據(jù)自己的座位情況,帶入n的值,計(jì)算出自己的成績,并分析調(diào)用s(n)的次數(shù)和調(diào)用過程。
這樣,學(xué)生們能很迅速地寫出如下主函數(shù):
#Include
intmainO
{
int s(int n);
im score:
score=s(4);//我是本排右起第4個(gè)學(xué)生
prinff("My score is:%d\n",score);
return O:
}
然后結(jié)合“2.2教學(xué)引導(dǎo)”中計(jì)算自己成績時(shí)的過程分析出調(diào)用s(n)的次數(shù)和調(diào)用過程,從而明白在每一次遞歸調(diào)用s(n-1)是得不到成績值的,直到n=1的那次調(diào)用后才能依次倒著計(jì)算得到s(n-1)的值,最終算出自己的成績。
采用此方法講解遞歸算法后,學(xué)生們會(huì)發(fā)現(xiàn)問題的解決過程跟自己開始計(jì)算自己成績的過程完全相同,只需將解決問題的過程進(jìn)行歸納,總結(jié)成算法,就能輕松地寫出程序。學(xué)生們?cè)儆龅竭f歸方面的問題時(shí),就會(huì)先找出問題求解的幾種情況或相應(yīng)過程,再將問題進(jìn)行梳理總結(jié)成算法,編寫出相應(yīng)的遞歸函數(shù),并寫出正確的遞歸函數(shù)調(diào)用程序。漢諾塔問題也可以用此方法解決。
3、“建立單向動(dòng)態(tài)鏈表”的講授方法.
3.1 問題描述
在講述了鏈表的節(jié)點(diǎn)、頭指針、表尾等相關(guān)概念,以及單向鏈表的組成(如圖1所示)后,給出如下問題,要求學(xué)生建立一個(gè)鏈表。
①鏈表由學(xué)號(hào)相鄰的5個(gè)學(xué)生組成1組而建立,學(xué)號(hào)01-05的學(xué)生為一組,06-10的學(xué)生為一組,依次類推;鏈表的節(jié)點(diǎn)成員有num、name、score(自己擬定值)、next(下一個(gè)學(xué)號(hào)學(xué)生的地址,即座位號(hào))。
②在每組中,若學(xué)號(hào)%5=1,該學(xué)號(hào)學(xué)生的地址(座位號(hào))放在鏈表的頭指針head中。
③在每組中,若學(xué)號(hào)%5=0,則該學(xué)生的信息放在鏈表表尾。
④若本組有學(xué)生請(qǐng)假未到,也將該學(xué)號(hào)學(xué)生的節(jié)點(diǎn)加在表中,但其中的數(shù)據(jù)和地址(座位號(hào))是空白的。
教師在黑板上畫出整個(gè)教室的座位編號(hào),每個(gè)學(xué)生可以明確自己的座位號(hào),即地址。如1-5排的學(xué)生座位號(hào)如圖2所示。
3.2 問題解決過程
學(xué)生看到問題后,會(huì)根據(jù)問題描述分別畫出head,并詢問其他同學(xué)相關(guān)信息,填寫head的值,然后依次畫出連同自己的學(xué)號(hào)、座位號(hào)節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的本小組5位學(xué)生的信息節(jié)點(diǎn),并詢問與其學(xué)號(hào)相鄰的學(xué)生的相關(guān)信息,填寫節(jié)點(diǎn)中的信息,完成整個(gè)鏈表。
3.3 鏈表的建立及知識(shí)點(diǎn)講授
每個(gè)學(xué)生都能根據(jù)問題描述和要求,畫出相應(yīng)的鏈表,并且每個(gè)小組5位學(xué)生的鏈表相同。圖3所示為第3小組學(xué)生畫出的單向鏈表。
讓學(xué)生根據(jù)建立鏈表的過程,歸納總結(jié)出鏈表建立的方法及過程,學(xué)生能清晰地給出如下過程:
①畫head;
②畫鏈表中第一個(gè)節(jié)點(diǎn),填寫該學(xué)生信息,并將該學(xué)生的座位號(hào)填寫在head中;
③重復(fù)過程②,將后一節(jié)點(diǎn)學(xué)生的座位號(hào)填寫在前一節(jié)點(diǎn)的地址處,直到某種情況結(jié)束鏈表。
只需將學(xué)生給出的過程稍加解釋,作出補(bǔ)充,便可得到如下算法:
①畫head,即建立頭指針head,并賦初值NULL;
②畫鏈表中第一個(gè)節(jié)點(diǎn),即建立一個(gè)新節(jié)點(diǎn),并填寫節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),將新節(jié)點(diǎn)的地址賦值給頭指針head;
③重復(fù)過程②,將后一節(jié)點(diǎn)的地址賦值給前一節(jié)點(diǎn)的next,直到某種情況結(jié)束鏈表。
然后再將算法用相應(yīng)的程序代碼書寫,或?qū)ο鄳?yīng)的程序代碼進(jìn)行講解,學(xué)生就很容易理解并掌握單向鏈表的建立。
圖3中第2個(gè)節(jié)點(diǎn)的座位號(hào)為空,分析得出其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)學(xué)號(hào)為10313的學(xué)生請(qǐng)假未到,因此可將后面學(xué)號(hào)為10314的同學(xué)的座位號(hào)填寫在第2個(gè)節(jié)點(diǎn)空白的座位號(hào)中,然后將學(xué)號(hào)為10313的同學(xué)的節(jié)點(diǎn)從鏈表中刪除。刪除學(xué)號(hào)為10313后的鏈表如圖4所示。如果該學(xué)生在下一節(jié)課來到教室上課,還可以將其節(jié)點(diǎn)再插入到鏈表中。
通過以上分析,學(xué)生能很好地理解單向鏈表的組成與建立,以及鏈表節(jié)點(diǎn)的插入與刪除,特別是動(dòng)態(tài)鏈表的。之后再進(jìn)行用指針方法進(jìn)行建立靜態(tài)鏈表或動(dòng)態(tài)鏈表的程序的講述和分析就非常輕松了,學(xué)生也能很快掌握用指針進(jìn)行鏈表的處理方法和程序的編寫。
但基于未來設(shè)計(jì)者將越來越全面地考慮結(jié)構(gòu)的性能、安全和經(jīng)濟(jì)等因素,結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。為此,本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)具體的理論和方法設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步探討,并提出混凝土結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu) 性能 抗震設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方法
中圖分類號(hào): TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):
一 研究背景
2008年5月,四川發(fā)生8.0級(jí)大地震,數(shù)萬人死亡,房屋建筑損毀無數(shù),損失慘重。此次地震災(zāi)害再次表明,現(xiàn)代地震災(zāi)害的高度不確定性和其引起的巨大經(jīng)濟(jì)損失,結(jié)構(gòu)工程界將不得不對(duì)現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)思想和方法進(jìn)行深刻反思。同時(shí),面對(duì)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展和人類生活質(zhì)量的不斷提高,設(shè)計(jì)者也將越來越全面考慮建筑建構(gòu)的綜合性能。因此,未來的抗震設(shè)計(jì)將從以往只注重結(jié)構(gòu)安全,過渡到結(jié)構(gòu)的性能、安全和經(jīng)濟(jì)等方面的綜合考慮。
二 基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論 (PBSD)研究
結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想[1]經(jīng)歷了剛性設(shè)計(jì)、柔性設(shè)計(jì)、延性設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)。目前普遍采用延性設(shè)計(jì)思想,但其允許次要構(gòu)件甚至承重構(gòu)件發(fā)生非彈性變形,造成難以修復(fù)的永久破壞,以致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)在理論研究和工程應(yīng)用上也取得了很大進(jìn)展,但存在易老化且耐久性差的缺點(diǎn)。總的來說,現(xiàn)行抗震理論和設(shè)計(jì)方法中存在的問題可概括為:對(duì)損失的控制不力,難滿足對(duì)結(jié)構(gòu)選擇的要求;結(jié)構(gòu)性能概念不明確,設(shè)計(jì)透明度小;結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)缺乏靈活性,性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程存在誤區(qū)。
1基于性能的抗震設(shè)計(jì)概述
1992年美國SEAOC、ATC和FEMA等組織對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論進(jìn)行權(quán)威描述[2],可概括為:基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論是在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗震性能分析基礎(chǔ)上,針對(duì)每一種抗震作用水準(zhǔn),將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分成不同等級(jí),設(shè)計(jì)者根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途和業(yè)主(使用者)的特殊要求,對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和造型的選擇進(jìn)行概念設(shè)計(jì),并根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo),合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)在各種水準(zhǔn)地震作用下的破壞損失控制在業(yè)主可接受范圍內(nèi),同時(shí)優(yōu)化工程項(xiàng)目服役期內(nèi)的費(fèi)效,達(dá)到安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的一種優(yōu)化平衡。
其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:擁有量化的多重設(shè)防目標(biāo),滿足設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的需求;整個(gè)設(shè)計(jì)著重體現(xiàn)投資—效益準(zhǔn)則和體現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)的個(gè)性化;更強(qiáng)調(diào)實(shí)施性能目標(biāo)的深入分析和論證,采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還未規(guī)定的新的結(jié)構(gòu)體系、新技術(shù)、新材料,實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新;針對(duì)不同設(shè)防烈度、場地條件及建筑的重要性可靈活采用不同的性能目標(biāo)和抗震措施等。
2 研究的主要內(nèi)容
2.1抗震性能目標(biāo)的確定
結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)的選擇,為后續(xù)的整個(gè)設(shè)計(jì)和建造過程設(shè)定了必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)。抗震性能目標(biāo)確定關(guān)鍵是對(duì)不同的地震作用水準(zhǔn)的評(píng)價(jià),限定結(jié)構(gòu)在一定超越概率的地震發(fā)生時(shí)的最大破壞狀態(tài),這種破壞狀態(tài)包含結(jié)構(gòu)體系的適用性、安全性、耐久性和整體性等功能。若破壞狀態(tài)的水平設(shè)計(jì)得太高,建筑結(jié)構(gòu)固然安全可靠,卻導(dǎo)致投入的增加;若破壞狀態(tài)水平設(shè)計(jì)得太低,固然可以降低工程造價(jià),卻存在使用風(fēng)險(xiǎn)和較高的維護(hù)成本。目前結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的確定,大多采用“投資一效益”準(zhǔn)則,綜合結(jié)構(gòu)安全、功能、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等因素進(jìn)行評(píng)估,以結(jié)構(gòu)可靠度為決策變量,以結(jié)構(gòu)全壽命周期為時(shí)間范圍,以相應(yīng)的壽命周期總費(fèi)用最小為決策目標(biāo),優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)方案。
但由于地震的隨機(jī)性所造成的結(jié)構(gòu)破壞變異性較大,結(jié)構(gòu)失效模式復(fù)雜,以致結(jié)構(gòu)體系可靠度的概念還不很明確,且地震所造成的非結(jié)構(gòu)損失所占總損失的比例越來越大。因此,需要進(jìn)一步的研究,目前尚難直接應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
為此美國學(xué)者根據(jù)建筑物的重要性將結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)分為三類[3]:基本設(shè)防目標(biāo)、重要/防危設(shè)防目標(biāo)、特別設(shè)防目標(biāo),提供三個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)作為它們的最低性能界限。
2.2 抗震性能水準(zhǔn)的確定
為了有效控制結(jié)構(gòu)的破壞程度,使得結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失控制在可以接受的范圍內(nèi),實(shí)際的設(shè)計(jì)需要考慮不同設(shè)防水準(zhǔn)的地震,明確結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有的性能水平。
由于結(jié)構(gòu)的性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的破壞狀態(tài)相關(guān)聯(lián),而結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)又可由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)或某些定義的破壞指標(biāo)來確定,所以結(jié)構(gòu)性能水平可以這些參數(shù)來劃分。盡管結(jié)構(gòu)性能由某個(gè)參數(shù)來劃分可能不盡完善,但鑒于目前的研究水平,不少學(xué)者認(rèn)為結(jié)構(gòu)位移變形可以有效地反映結(jié)構(gòu)破壞情況,且以位移(變形)來劃分結(jié)構(gòu)性能水平比較方便實(shí)用。因此一般的建筑抗震性能水準(zhǔn)劃分如表1:
表1
三基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究
1 綜合設(shè)計(jì)法
此法以概率為基礎(chǔ),要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,使建筑物服役期內(nèi)既達(dá)到基本性能目標(biāo),費(fèi)用效果又最優(yōu),最大程度地體現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想。但設(shè)計(jì)中要全面考慮重要因素,設(shè)計(jì)過程復(fù)雜繁瑣。
2 承載力設(shè)計(jì)方法
適用于相對(duì)簡單、場地條件好的建筑物的性能設(shè)計(jì),目前各國規(guī)范所普遍將其應(yīng)用于所有性能目標(biāo)設(shè)計(jì)中,計(jì)算簡單。
3 基于位移的設(shè)計(jì)法
假定位移或?qū)娱g位移是結(jié)構(gòu)抗震性能的控制因素,整個(gè)抗震設(shè)計(jì)中用位移控制,設(shè)計(jì)后以應(yīng)力驗(yàn)算,不滿足后采用增大剛度方法來改進(jìn),以位移目標(biāo)為基準(zhǔn)來配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該法是在性能設(shè)計(jì)的理論中很有前途的一種方法。根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同可以分為:目標(biāo)位移法、能力譜方法和按延性系數(shù)方法。
3.1 目標(biāo)位移法
根據(jù)FEMA 273[5]推薦,直接以目標(biāo)位移為控制因素,通過設(shè)計(jì)位移譜得出在此位移時(shí)的結(jié)構(gòu)有效周期,進(jìn)一步得出結(jié)構(gòu)的有效剛度,求出此時(shí)基底剪力并進(jìn)行具體配筋設(shè)計(jì),此法在設(shè)計(jì)初始就明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo),避免重復(fù)設(shè)計(jì)而增加設(shè)計(jì)費(fèi)用,方法比較直觀、簡單,但設(shè)計(jì)精確性不夠理想。
建筑頂層的質(zhì)量中心定為結(jié)構(gòu)位移的控制點(diǎn),則目標(biāo)位移為:
T——彈性基本周期,有彈性動(dòng)力分析確定
,——結(jié)構(gòu)彈性側(cè)向剛度和結(jié)構(gòu)有效側(cè)向剛度
——譜位移與頂點(diǎn)位移修正系數(shù)
——最大非彈性位移與由線彈性反應(yīng)計(jì)算出的位移差異修正系數(shù)
——滯回線形狀對(duì)最大位移反應(yīng)的影響修正系數(shù)
——考慮動(dòng)力P—效應(yīng)修正系數(shù)
3.2 能力譜方法
能力譜方法最初是由Freeman等人在1975年提出的,后來經(jīng)過很多學(xué)者不斷改進(jìn)而成,將結(jié)構(gòu)分析得到能力譜曲線(曲線)?;静襟E[6]:
1)建立合適的結(jié)構(gòu)單元恢復(fù)力模型,通過非線性靜力(Push-over)分析,得到結(jié)構(gòu)的底部剪力一頂點(diǎn)位移曲線(能力曲線)。(由于目標(biāo)位移已知,故可假定一個(gè)偏大的位移作限值,保證結(jié)構(gòu)能力譜與地震需求譜相交。)
2)將結(jié)構(gòu)能力曲線(曲線)轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系的譜加速度一譜位移曲線(曲線),即能力譜曲線。
, ,,
其中,,分別為結(jié)構(gòu)第一振型的等效模態(tài)質(zhì)量和振型參與系數(shù)。為第j 層的集中質(zhì)量;是基本振型在 j層的分量;N為結(jié)構(gòu)的層數(shù)。當(dāng)所用的模態(tài)不同時(shí),和不同,曲線曲線也不相同。
3)建立結(jié)構(gòu)的地震需求譜曲線。
4) 評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能。
5)將得到的單自由度體系的目標(biāo)位移反變換為實(shí)際的多自由度體系的頂點(diǎn)位移,由能力曲線求得此時(shí)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的底部剪力,再根據(jù)Push-over各步的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算各鉸截面此時(shí)的塑性鉸轉(zhuǎn)角值。
3.3 延性系數(shù)法
Park和Paulay最早此法進(jìn)行研究,其實(shí)質(zhì)是建立構(gòu)件的位移延性系數(shù)或截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系,由約束箍筋來保證核心區(qū)混凝土能達(dá)到要求的極限壓應(yīng)變,從而使得構(gòu)件具有要求的延性系數(shù)。
基本步驟如下:
1)計(jì)算結(jié)構(gòu)在小震下的承載力,求出截面內(nèi)力并配筋。
2)由在大震情況下的強(qiáng)度驗(yàn)算,選定截面、配筋得到結(jié)構(gòu)實(shí)際強(qiáng)度,采用靜力彈塑性分析方法,確定結(jié)構(gòu)的底部剪力和頂點(diǎn)側(cè)移關(guān)系曲線(),求出結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)。
3)根據(jù)和結(jié)構(gòu)體系的塑性變形機(jī)制,計(jì)算構(gòu)件截面曲率延性系數(shù)。
4)通過構(gòu)件的或與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系,約束箍筋,使得構(gòu)件具有要求的延性系數(shù)
4 能量法
假設(shè)地震輸入的總能量與結(jié)構(gòu)耗散的能量共同決定結(jié)構(gòu)構(gòu)件和功能設(shè)施的破壞,通過設(shè)置耗能元件控制結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力,以控制整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能。此法能夠直接估計(jì)結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度,但是結(jié)構(gòu)體系較復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)滯回耗能的計(jì)算很大程度上取決于于構(gòu)件單元恢復(fù)力模型的選取,其中不確定因素較多,計(jì)算精確性不高。
四 混凝土結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)
基于性能的抗震設(shè)計(jì)尚處于研究中,鑒于其復(fù)雜性以及人們認(rèn)識(shí)的局限性,目前還不能夠完全依靠計(jì)算設(shè)計(jì)來確保結(jié)構(gòu)的安全可靠,但混凝土結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)可著重加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟[7]如下:
1) 評(píng)估場地安全性 (確定場地適用性和設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平)。
2)根據(jù)結(jié)構(gòu)用途、投資效益準(zhǔn)則和業(yè)主要求選擇可接受的破壞程度,將混凝土結(jié)構(gòu)抗震目標(biāo)性能劃分為多個(gè)水準(zhǔn),并量化指標(biāo)。結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能水準(zhǔn)采用可靠度理論和優(yōu)化思想來確定。
3)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì),合理選擇結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和造型(著重對(duì)結(jié)構(gòu)總體方案、設(shè)計(jì)策略和結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行定性引導(dǎo),保證結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性,提高結(jié)構(gòu)綜合抗震能力)。
4)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)(考慮多級(jí)水準(zhǔn)地震作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì),選擇恰當(dāng)抗震措施和設(shè)計(jì)方法等完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))。
5)采用變形指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估。通過控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平,使結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的費(fèi)用最小,地震破壞控制在業(yè)主可接受范圍內(nèi)。
整個(gè)設(shè)計(jì)需要定性定量,準(zhǔn)確簡便,通過設(shè)計(jì)周期的縮短,提高工作效率,同時(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的控制。
五結(jié)束語
目前,基于性能的抗震設(shè)計(jì)得到廣泛的研究和國際的認(rèn)可,成為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的新的發(fā)展趨勢(shì)。由于這一設(shè)計(jì)方法研究才剛剛起步,還存在著許多急需解決的問題,如性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)的合理劃分、結(jié)構(gòu)分析模型和參數(shù)的選用、模型試驗(yàn)和震害資料、非結(jié)構(gòu)和設(shè)施的抗震性能要求、震后災(zāi)害估計(jì)等,以致工程中還未得到廣泛的應(yīng)用。但筆者相信,隨著這些問題的解決、研究工作的不斷深入和工程實(shí)踐應(yīng)用,基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論和方法將會(huì)日趨完善,滿足未來業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)的自由選擇和使用要求。
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Abstract:Article from the internal dynamics of urbanization, city size and concentration of the best cities, cities and other new methods of analysis of the convergence of the urban economy and urban evolution of the dynamic process of urbanization come to the basic law of the process of research and found that the optimal size of cities to develop a reasonable policy of urban development to provide the theoretical basis.
關(guān)鍵詞:集聚經(jīng)濟(jì)效應(yīng) 信息外溢效應(yīng) 城市集中度 城市趨同
Key words: Economic effects of agglomeration; information spillovers; urban concentration; urban convergence
作者簡介:王維?。?968.3 -),男,經(jīng)濟(jì)師、造價(jià)工程師,1994年畢業(yè)于天津大學(xué),現(xiàn)于江西贛州正源工程造價(jià)咨詢有限公司工作;卓凡(1983.8-)女,研究生,2008年畢業(yè)于江西理工大學(xué),現(xiàn)于贛州市章貢區(qū)財(cái)政局工作。
【中圖分類號(hào)】F7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1004-7069(2009)-05-0049-02
城市既是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力,又是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物。但長期以來經(jīng)濟(jì)學(xué)者在對(duì)城市經(jīng)濟(jì)的理論分析卻進(jìn)展甚微。自二十世紀(jì)八十年代末以來,隨著新增長理論的興盛,越來越多的學(xué)者開始用新方法分析城市經(jīng)濟(jì),取得了一些重要的進(jìn)展。
一、城市化的內(nèi)在動(dòng)力
1.1.集聚經(jīng)濟(jì)效應(yīng)
任何一個(gè)區(qū)域,無論是小的區(qū)域,還是一個(gè)大的綜合經(jīng)濟(jì)區(qū),它的全部產(chǎn)業(yè)在宏觀上都要求組成一個(gè)規(guī)模適當(dāng)、結(jié)構(gòu)合理、聯(lián)系密切的集聚體,才能最大限度獲得集聚經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在社會(huì)中,每個(gè)企業(yè)都因與其他關(guān)聯(lián)企業(yè)接近而改善了自身發(fā)展的外部環(huán)境,并從中受益。因集聚而造成的有利環(huán)境,被稱作集聚經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
集聚效應(yīng)用彈性系數(shù)來表示。假若某個(gè)行業(yè)的集聚彈性系數(shù)為0.06,那么就意味著本地同行業(yè)的就業(yè)人數(shù)增加1%,就會(huì)給企業(yè)的產(chǎn)出帶來0.06的增長。不同的行業(yè)集聚效應(yīng)也不相同,其中運(yùn)輸業(yè)的集聚效應(yīng)最高,重型加工制造業(yè)次之,而傳統(tǒng)行業(yè)最低。
1.2.信息外溢效應(yīng)
除集聚效應(yīng)之外,還存在與其相關(guān)聯(lián)的另一種效應(yīng),信息外溢(information spillovers)效應(yīng)。信息外溢需要較近的空間集結(jié),其效應(yīng)也隨著空間距離的增大而迅速遞減。
研究者發(fā)現(xiàn)工人總的教育水平將會(huì)增進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)率,增進(jìn)的途徑是靠提高本地信息外溢的質(zhì)量來增加集聚的外部性。例如對(duì)美國的計(jì)量分析發(fā)現(xiàn),一個(gè)城市中大學(xué)畢業(yè)生每增加1%就會(huì)增加高中肆業(yè)生的2.3%、高中畢業(yè)生的1.4%和大學(xué)畢業(yè)生的1.2%的勞動(dòng)生產(chǎn)率。城市中的勞動(dòng)生產(chǎn)率,特別是在高技術(shù)人員密集的生產(chǎn)性行業(yè)的生產(chǎn)率將從集聚經(jīng)濟(jì)、知識(shí)外溢和二者的相互作用中獲益,美國的硅谷、北京的中關(guān)村就是典型的例證。
二、城市規(guī)模與城市最佳集中度
由于城市的外部成本在相當(dāng)程度上不由企業(yè)或個(gè)人承擔(dān),在城市進(jìn)入完全不受限制,而要素市場又未充分發(fā)育的情況下,在一定發(fā)展階段上城市會(huì)吸引人口大量涌入,常常使城市過度膨脹而超過合理規(guī)模,造成資源配置惡化。研究和發(fā)現(xiàn)城市的最優(yōu)規(guī)模,制定合理的城市發(fā)展政策,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚為關(guān)鍵。然而,城市規(guī)模往往受到歷史、地理、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件的影響,主要是自然選擇的結(jié)果,尋找城市的最優(yōu)規(guī)模在理論上永遠(yuǎn)難以爭論清楚。況且,不能脫離城市體系和城市的分布特征來談?wù)摮鞘械淖顑?yōu)規(guī)模。因?yàn)槌鞘械囊?guī)模、分布、方向是否合理,內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否協(xié)調(diào),關(guān)系到其中各個(gè)組成部分是否合理。
城市體系是由金字塔式的多級(jí)城市組成的,它們的規(guī)模不同,級(jí)別不同,主要功能不同,在城市系統(tǒng)中所起的作用也不一樣。各級(jí)城市的功能是與它們的規(guī)模相對(duì)應(yīng)的。在研究各級(jí)城市的最優(yōu)規(guī)模時(shí),一般著重研究的是系統(tǒng)中最基層城市的最優(yōu)規(guī)模,然后以此為基準(zhǔn),按一定的比例關(guān)系來推算各級(jí)城市的最優(yōu)規(guī)模。因此,在探討一個(gè)地區(qū)的城市化問題時(shí),對(duì)城市體系、城市規(guī)模分布以及與這兩個(gè)概念相近的城市集中度(urban concentration)的關(guān)注就十分重要。城市集中度反映了中心城市或首位城市在整個(gè)城市體系中的作用。在給定的城市化水平下,城市集中度或城市規(guī)模的分布可能會(huì)差別較大,而這種差別一定會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長產(chǎn)生影響,因此,存在著一個(gè)最佳的城市集中度。
三、城市趨同與城市演變的動(dòng)態(tài)過程
3.1.城市趨同與“威廉姆森―漢森假說”
在城市的演變過程中,促進(jìn)城市集中和分散的兩種力量都起著作用。那么,一旦給定這兩種正反兩方面的作用力,對(duì)城市的發(fā)展又會(huì)發(fā)生什么樣的結(jié)果?另外,集中和分散的兩種力量間的平衡又是怎樣形成發(fā)展中國家的城市增長的?根據(jù)威廉姆森假定,在從低收入水平開始的增長過程中,國家將首先經(jīng)過區(qū)域趨異和產(chǎn)業(yè)集中的階段。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,原先的發(fā)展區(qū)域變得擁擠,對(duì)進(jìn)一步的投資服從收益遞減的法則;并且,隨著對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和人力資源的投資,國家能負(fù)擔(dān)起對(duì)其他區(qū)域的開發(fā)。這就會(huì)導(dǎo)致工業(yè)的分散,落后區(qū)域的增長和朝區(qū)域趨同方向的推進(jìn)。所謂的城市趨同(urban convergence)指的是,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中,隨著時(shí)間的推移,國家或區(qū)域內(nèi)的城市集中程度將逐漸下降的趨勢(shì)。城市趨同與國家或地區(qū)趨同的概念的內(nèi)涵十分近似。城市發(fā)展中的倒“U”假說被稱之為“威廉姆森―漢森假說”或者是“城市趨同假說”。
3.2.城市演變的階段
“威廉姆森―漢森假說”或“城市趨同假說”主要關(guān)注的是針對(duì)城市體系和城市集中度的演變過程,而單獨(dú)的一個(gè)城市或整個(gè)城市化也有著一定的規(guī)律,從空間結(jié)構(gòu)演變的角度,我們大體可把產(chǎn)業(yè)革命以來近代城市化過程分為前后相繼的三個(gè)階段:
早期發(fā)展的集中的城市化階段。在西方,近代城市化是與產(chǎn)業(yè)革命同時(shí)開始的。在產(chǎn)業(yè)革命前,少數(shù)地理位置優(yōu)越的地方最初成為人口集聚中心。產(chǎn)業(yè)革命后,經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,導(dǎo)致人口、產(chǎn)業(yè)特別是制造業(yè)活動(dòng)向這些早期的人口集聚中心急劇集聚,從而形成區(qū)域的主要城市。
集中后分散的郊區(qū)化階段。一方面,主要城市尤其是首位城市的集聚效應(yīng)繼續(xù)增強(qiáng),誘致人口和產(chǎn)業(yè)活動(dòng)從郊區(qū)以外的更廣大地區(qū)向城市及其周圍地區(qū)集聚;另一方面,交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展以及原有城市中心承載能力的限制,使狹小的市區(qū)已容納不下集中來的人口和產(chǎn)業(yè),不得不向城市的外緣地區(qū)擴(kuò)散。于是,便開始了城市向郊區(qū)延伸擴(kuò)展的趨勢(shì),亦即各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)向郊區(qū)分散,中心城市郊區(qū)次級(jí)中心如衛(wèi)星城鎮(zhèn)大量出現(xiàn)。
分散后地方中心增長的逆城市化階段。城市的郊區(qū)化導(dǎo)致了城市中心人口、產(chǎn)業(yè)活動(dòng)的減少。當(dāng)然,這一郊區(qū)化過程并非是無止境的,它同樣受到其區(qū)域承載力的限制。這一限制導(dǎo)致了人口和產(chǎn)業(yè)在更廣闊的地域范圍內(nèi)擴(kuò)散。其結(jié)果,城市中心區(qū)和郊區(qū)人口都在減少,整個(gè)城市人口出現(xiàn)負(fù)增長或衰退。相反,作為區(qū)域次級(jí)中心的一些中小城市,其人口增長開始加快。這種以主要城市增長緩慢或出現(xiàn)衰退、次級(jí)中心迅速增長為特征的城市化現(xiàn)象,一般稱之為“逆城市化”。
3.3.城市化演變的動(dòng)態(tài)過程――以韓國漢城為例
韓國漢城在1970年左右的相對(duì)城市規(guī)模處于頂點(diǎn),而自1970年之后,漢城的人口和制造業(yè)在全國和所在省的份額開始迅速下降。下降的主要原因是由七十年代末期和八十年代初期工業(yè)的大規(guī)模轉(zhuǎn)移所引起,當(dāng)時(shí),大多數(shù)行業(yè),特別是化工和金屬冶煉和加工業(yè)都轉(zhuǎn)移到漢城附近的衛(wèi)星城。
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