时间：2023-07-24 17:06:38
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇航天航空技术论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
他是一位桃李满天下的教授，也是一位硕果累累的学者，在生命的长河里，他的每一个侧面，都值得我们尊敬。他就是清华大学航天航空学院工程热物理研究所教授宋耀祖。
峥嵘岁月，风云流荡。自1970年毕业于清华大学精密仪器系以来，他始终拼搏在热科学与技术领域的科研前沿阵地，着重对工程技术的研究，已累计发表学术论文约180篇，与忠合编“热物理激光测试技术”等书籍。这些应用基础研究工作为解决工程科技方面的问题提供了宽广的理论基础。
多次承担国家自然科学基金，“国家重点基础研究发展规划项目”（973项目），863项目，国家教委博士点基金等资助的科研项目以及云南省、日本大金公司等企业的节能减排项目。特别是在工业过程的节能与余热利用领域，以他为技术负责人的学术团队在国内外首次发明了一种热法磷酸生产的新技术，发明专利技术已获8个奖项，其中重要的奖项有“国家技术发明奖二等奖”、“第十一届中国专利优秀奖”。“云南省技术发明一等奖”、“第四届发明创业奖”、“第二届全国杰出专利工程技术奖”等。该发明技术现已实现了产业化，取得了显著的经济效益与节能减排的社会效益。在航天器的热控制技术领域，他被总装备部任命为“载人航天工程（921工程）”出舱航天服专家组成员，为确保“神七”出舱航天服内生命保障系统的正常工作做出了贡献。荣获总装备部中国载人航天工程办公室表彰的“为神舟七号载人航天飞行任务的圆满成功做出了重要贡献”的荣誉证书。
岁月荏苒，当年风华正茂的栋梁之才虽已不复往日的英姿飒爽，但他沧桑的脸庞上却写满了智慧与亲切，他乐于将自己的科研经验与后辈分享，他说在他长期的工程技术研究中，最大的体会是，取得工程技术研究成功的三要素是：基础、实践、团队。其一，“基础”乃是指通过系统的理论学习掌握宽厚的基础理论，如数学，物理，化学等基础知识（这些基础知识往往通过自学去掌握是十分困难的），借助于这些基础知识能通过自学进一步理解与掌握有关领域的专业知识与专门的技能；其二，“实践”是取得工程技术研究成功的必经之路。亲临工程现场，参加实验与试验，向一切有实践经验的人请教等都是实践的重要环节。在实践的基础上进行理论分析，通过理论与实践的结合，确定研究目标，明确技术难点，寻求与探索解决问题的技术方案，技术途径；其三，“团队”乃是指，在明确解决问题的技术方案基础上，组织与带领好一支学术团队，在团队内既有分工，又有协作。既要发挥每一个团队成员的聪明才智，又要给每一位团队成员创造各自的发展空间。
从踌躇满志的懵懂学子，到崭露头角的青年才俊，从学识渊博的科研专家，到声望显赫的著名学者，一步步走来，“科研”二字是催促他前进的动力，“勤奋”二字是对他过往岁月最好的注解。近年来，由于年龄和身体原因，宋耀祖已从教学科研一线退了下来，他的角色在转变，不变的是，他仍在为社会贡献着自己的一份力量。利用退休后的时间，他还从事着“中国特色社会主义是中国发展的必由之路”的研究，先后为教师、学生讲授党课10多次，荣获清华大学“学习宣传贯彻党的十七大精神”征文一等奖，在“纪念改革开放三十年――中国专家学者科学与人文论坛”大会上获优秀论文一等奖。
关键词：可展机构；结构类型；可展机构应用
引言
可展机构具有承载力大但收拢时所占空间小，收放灵活和运输方便等优点。随着全球工业化的快速发展，机械基本上取代了传统的手工的发展，尤其在重工业领域，可展机构为人类生活生产提供了不可忽视的便利性[1]。但可展机构在机械原理、机械设计等传统文献中并没有具体分类研究，而且开发空间巨大。所以针对该类机构的系统性研究亟待加强。
1 可展机构的特点
（1）结构紧凑、尺寸小巧，且设备收缩后体积小。这是可展机构最大的优点，也使得其作业所要求的占用空间小。在地下水位较高的地区工作时对机坑的处理会十分简单。它能够在任何已有设备上直接使用，而无需修改设备结构和机坑深度[2]。
（2）载荷能力大、稳定性好。相对于其他机构来讲，大部分可展机构的承载能力偏大。由于其稳定的结构，可展机构在额定承载能力和伸展长度下，具有很好的稳定性。
（3）定位精准。大部分可展机构在运行过程能确保在行程的任意一点精确定位，并锁定高度，不像液压设备会因温度的变化或泄漏产生位置变化。
（4）运行平稳、噪音较低。由于其连续成型原理，无垂直方向爬行，使得机构运转平稳安静，除驱动装置的运行噪音，大部分可展器本身的工作噪音很低。
（5）效率高。大部分可展设备的总传动效率较高，通常可达到 80%以上。
（6）构造简单，使用方便。可展机构的结构精巧而简洁，所以可展器本身的安装工作简易而快捷，一块伸缩机构通常在很短的时间即可安装使用。
（7）通用性高。可展机构对使用环境没有太高要求，使其经常在太空、海洋等复杂环境下工作，并依然保持其稳定性。
2 可展机构的结构类型
2.1 剪叉式可展机构
剪叉式可展机构具有结构简易、承载量大、操控性好的特点，因此在各种环境下的装卸、现代物流、高空营救与作业中得到了广泛的应用[3]。剪叉式可展机构是一种传递力的结构，并且对力起导向作用。如图1，拐臂3、8分别与横梁焊接橐桓稣体，剪叉机构最高和最低处的剪叉臂分别与上、下板铰接，内剪叉臂10与滑轮7铰接，滑轮7可以在滑道11上滑动，内、外剪叉臂之间通过销轴5连接，可以绕其相对转动。气缸伸缩，柱塞拐臂8与气缸相对转动，从而使内、外剪叉臂绕销轴旋转，使滑轮在滑道中滑动，进而改变内、外剪叉臂夹角，从而实现机架的伸展与收缩，完成对机构上物体快速升降。是一种生活中常见而简易的可展机构，应用范围广，对驱动机构要求不高。但因其停止位置不够准确，精度较低的缺点，也使得其很难在高精度要求的环境下工作。
2.2 薄壁管式可展机构
薄壁管可展机构是一种原始的可展机构，它结构简单，展开运动是依靠薄壁发生弹性变形，展开所需的时间短。19世纪60年代，加拿大就研发了STEM。它是利用弧形薄钢尺本身能自卷曲的特性，完成机构的收拢和展开。在此基础上BI-STEM是由单个STEM发展而来的[4][5]。它是将一个薄片被重叠放在另一个完全一样薄片内部。改良后两个薄片形成的机构比一个STEM的钢片窄，提升了机构的机械性能，弯曲刚度和抗扭刚度。其收拢后超小的体积，简单的构造，使得薄壁管伸展机构在未来充满了开发空间。
2.3 铰接杆式可展机构
铰接杆式可展机构作为一种线性展开机构，展开后为格柱状，在太空十分常见，通常由几种长度不同、内带驱动弹簧的杆件和铰接头组成，展开状态下具有比其他可展机构更高的刚度，能够完成大跨度的伸展。这种伸展的原始驱动力为扭簧的弹性势能，在直流电机的驱动下，通过螺纹千斤顶驱动。铰接杆式可展机构具有精度高、展开刚度高以及展开效率高等优点。其铰接杆的纵梁较短，并非贯穿整个桁架，且纵梁和横向支架均为刚性。关节上的驱动弹簧提供了展开时的驱动力[6][7]。
2.4 充气可展开机构
充气式可展机构常用于大型次结构体的展开，如太阳翼、天线反射器、气闸舱等。1996年美国取得了膨胀展开天线空间展开试验的成功，并将该技术应用于展开式结构、展开式天线（如图4）和太阳电池阵等方面。近年来，各国专家针对空间充气展开结构进行了充分研究，因为它质量小、热稳定性高、收缩效率高、可靠性高、结构的复杂程度低，可应用的领域多。不同于其他可展机构活动机构过于复杂，所以有可能在不同环境不同领域下代替其他可展机构[8]，是未来可展机构的重要研究方向。
3 可展机构在不同领域的应用
3.1 航空航天
当今大型可展结构已成为航天科技的重要研究课题之一。无论是卫星上的可展天线、航天器上的气闸舱，可展机构在航天航空领域的身影无处不在。航空航天领域已有的可展结构主要有直线可展机构和螺旋式可展机构两种。其中更多的体现在卫星上的天线系统。卫星上的天线伸展机构是卫星反射器和卫星星体的连接部分。对卫星的天线反射器起到固定支撑的作用。在人造卫星开始环绕地球运转后，天线伸展臂会带动天线环形桁架一起展开，是确定天线环形桁架工作位置正确的重要因素，保障了卫星信号的正常接收与发射。天线伸展臂能否及时、准确的伸展到位直接影响了整个卫星发射任务的成功与否。同时，对于卫星整个物理结构来讲，可展机构在展开状态下，它的结构参数对整个天线系统的动力学特性具有很大影响[9]。所以，可展机构在航天领域的研究是非常有价值的。
3.2 日常生活
可展机构在生活中的应用主要体现在舞台的升降。1988年，具有加拿大专利技术的板带自组螺旋可展器于美国加利福尼亚州的退伍军人纪念中心首次进行使用。它是将一盘水平螺旋板片拉开，如图5。然后连续插入一种垂直螺旋片，就组合成一个由两种螺旋片连续自锁的垂直螺旋管柱。水平螺旋板片的上下表面设有特制凹槽，能够保证垂直螺旋板片轻松地啮合并精准的定位。这一组长螺旋组合结构在垂直方向能承受很大载荷，并将载荷连续增大和降低[10][11]。且运行平稳工作噪音小，所以能够很好地完成舞台升降的任务。除了舞台升降机构，学校等公众场合经常使用的电动伸缩门，其实也是一种典型的剪叉式可展机构，由很多的铰接杆重复铰接构成，通过改变杆与杆之间的夹角，完成整个伸缩门的开合。它超大的伸展行程成了它最大优点，简单驱动方式和低廉的成本，也是它普及的重要原因。
3.3 机器人领域
如图6所示是一种应用于清理炮弹发射后炮筒内的残留的尘土、油垢和渣土等问题而发明的一种旋转可展机器人机构[12]。它是基于空间可展机构运动特征分析，将一个旋转的底盘和一个空间可展机构结合在一起，形成一个具有旋转伸展功能的机构，代替士兵完成武器内部的保养任务。具体结构如图6所示[13]。解决了炮筒内部的可能存在问题，节省战场上的宝贵时间，体现可展机构在机器人领域应用的重要地位。
4 结束语
可展机构具有展_后面积大、收拢时占用空间小且便于收放和运输等特点。在航天航空、日常生活，机器人等领域应用广泛。因此这种机构的机械设计和运动分析研究得到国内研究机构的普遍重视。而对于不同可展机构的开发与应用，还需要更多针对性的研究与探索。
参考文献
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关键词：模糊控制；模糊逻辑系统；自适应控制
0 引 言
自从1956年美国Zadel教授首次把模糊集这个概念在发表的关于模糊集合理论论文中期提出之后，模糊理论已发展了50年，模糊理论知识体系现已成熟和完善，同时也在工业生产的实践应用的领域越来越广泛。把模糊逻辑技术当做控制规则融入与控制技术中，能有效解决和处理那些传统控制模式构造的控制器难以解决的难题，模糊自适应控制是将模糊逻辑理论与自适应控制相结合，具有鲁棒性强、易于掌握和操作、控制性能好等特点。近年来，模糊自适应控制理论日趋成熟，控制技术也得到很大的发展，尤其是在智能控制、电子自动化以及航天航空等多方面解决了许多实际问题，引起了越来越多学者和技术人员的重视。
1 模糊控制理论的基本思想
从1960年至今，现代控制理论广泛应用于重工业的生产实践、电子信息自动化以及航空航天等多方面并且取得了巨大的成功。例如最优化控制这类问题中可以使用极小值原理来参与解决；运用卡尔曼滤波器解决含有有色噪声的系统中的问题加以研究；对大滞后过程的控制使用预测控制理论则能有效控制等等。同样上述控制及应用都需一个基本条件：需能对被控对象进行精确的数学建模。但是由于科技生产力的飞速发展，被控对象和系统的结构越来越繁琐复杂，控制过程中需要考虑和解决的问题越来越多，对于非线性的多参数的复杂被控对象，对被控对象和系统结构的精确建模往往难以进行，这也使得对复杂对象的控制难以进行和处理。
与上述必须对被控对象进行建模才能设计控制器的这种模式恰好相反的是，在对于以上原因和问题处理和解决的过程，通常有丰富操作经验的工作人员并不需要通过对被控对象建模而是可以靠自身丰富的动手经验和熟练地手动控制就可以达到很好的处理和控制效果。这些丰富的经验包括对被控对象的熟知以及在全部可能会发生的情景下应如何改变控制规则从而采取的相对应的控制对策。这些对策和判断常常是通过自然语言来表述的，与精确地数学模型相比这些语言不是系统的而是具有模糊性。即从外界不断的获取相关反馈信息，对这些信息经过分析、研究和整理，做出相对应的决策同时改变控制规则和方式，从而是控制目的达到预期的目标。在这些操作工作过程上，通过研究和分析人的自主能动性和自主控制的行为，利用这些行为特点，让计算机模拟人得思维方式用来控制那些无法构建精确的数学模型的被控对象，从而形成了模糊控制。
模糊控制是集模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识应用在控制方法上，以此来模拟人的模糊逻辑思维，用来解决无法建立精确的数学模型的过程的智能控制方法。模糊控制是在模糊集等理论的基础上将人的推理、判断、思维过程应由比较简单的数学形式描述出来。模糊控制的目标是为解决各种问题提供更加有效的思路和方法，再加上比起传统控制方法，模糊控制可以融入人的思维判断，所以这种控制方法在实际应用中更加得到重视，应用领域也越来越广泛。
2 模糊控制
模糊系统是指与模糊概念、模糊逻辑直接相关的系统。它通常是由模糊器、模糊规则库、模糊推理机以及解模糊器这四个模块组成。模糊器首先是把系统输入量进行适当比例对应地量化作为论域中的数值，然后对应每一个量化的数值定义一个模糊子集，并把每个模糊子集所相对应的隶属函数定义出来，最后把数值对应的隶属度应用合适的语言值求出来。模糊规则库中对应的每个规则都是由进行手工操作的工作人员的丰富和熟练的操作经验和知识以及这些工作人员在控制过程中用来计算各种数据的相关算法。模糊推理机是指应用模糊逻辑法则把模糊规则库中的规则用某种映射表达出来。解模糊器则和模糊器的作用相反，解模糊器就是把模糊推理最终得来的结果转换成相应的数值量。
模糊控制系统就是在常规的控制系统中，用模糊逻辑系统来取代传统的控制器，进而使得复杂难以建模的被控对象能得到更有效的控制。
3 自适应模糊控制
模糊控制的应用领域越来越广泛，在应用模糊控制进行解决问题过程中可以看出，是否能够制定出好的模糊控制规则将会直接影响到控制效果，而控制规则的制定原则通常是由工作人员在具体操作过程中对被控对象的熟知和了解以及在实际操作过程的实践中总结出来的。在把模糊控制应用那些复杂的时变的非线性不确定的系统时，由于被控过程中出现一些时变的非线的以及高阶性的其他随机干扰等因素，造成纵使采用了模糊控制也不能达到很好的控制目的，如果控制能够自动调节这个问题就能得到解决，所以人们在模糊控制的基础上融于了能够自组织、自学习、自适应的技术，结合这些因素的模糊控制在控制过程中可以利用自学习的功能从外界环境以及自身控制过程当中得到相关有用的信息，并依这些搜集到的信息进行相关的反馈和修改控制规则或参数，从而使得整个系统的控制功能随着问题的变化给出不同的控制规则。
4 自适应模糊控制系统结构
自适应模糊控制的设计是为了使得控制具有自组织、自学习、自适应这些特点的，为了能够在控制运行过程中，结合相应地控制效果和外部环境，对控制器的控制方案做进一步的修改和完善使得控制效果达到更好的结果，这就使得模糊控制具有更高的智能性，所以在最常见的自适应模糊控制方案的设计中是把偏差测量、控制校正和规则修改这三个功能块附加在基本模糊控制器中。
其中，偏差测量块，用于测量实际输出和期望输出的偏差值，从而确定系统控制中需要校正的量，以便为系统控制规则的修正提供信息；控制量校正块，用于把输出应答需要校正的量转换成控制量需要校正的量；规则修改块，对控制量的修改通过校正控制规则来实现校正量。自适应模糊控制器的工作原理是：通过测量输出误差的差值来获得需要校正的信息，然后将需要校正的输出应答的校正量转换成控制量需要的校正量，最终通过修改控制规则来实施校正量。
5 自适应模糊控制的研究与发展
1960年代中期，Zadeh教授创建了模糊集理论，与 Mamdani教授 等人分别开展了一系列关于模糊控制的研究工作，自从模糊控制得到了学者的大量研究和实践，模糊控制理论逐渐发展成富有发展成果和发展吸引力的研究领域。
1979年， Procyk和他的导师Mamdani提出了一种能使模糊控制规则自动生成和自动修改的自组织模糊控制器（SOC），第一次在模糊控制的结构中加入了自组织的功能，首次在较高起点上实现了如何用自组织模糊控制器在较短时间内在一类大过程的问题上取得更好地控制效果。Shao等人后来对算法作了一些改进并应用在实际生产中，之后Rhee和Vander等人进一步通过由定量过程来获得定性控制规则的方法改进了控制器。
Pedrycz 提出了一种模糊关系模型的辨识方法，该方法是基于参考模糊集的系统模糊关系模型而实施的；T.Takagi 和 M.Sugeno 紧跟R.M.Tong 的研究步伐，提出了一种用模糊集理论去辨识系统模糊模型的语言的方法。这两种极具有代表意义辨识方法为工业的实际生产中的建模提供极有效的工具，并为自适应模糊控制的进一步研究发展提供了非常有效的工具。Z.Bien和Yong-Tae Kim应用了变结构控制的思想设计了鲁邦自学习的控制器用于解决传统的自组织模糊控制过程中出现的外部干扰敏感问题，在双关节倒立摆控制过程中取得了良好的控制效果，但是控制过程中出现了震动现象。
Harris和Moore 提出了建立在过程模糊模型基础上而不是直接把模糊逻辑技术直接当成控制器的间接自适应模糊控制，使得类似自校正调节器的控制功能最终得以实现。Layne等人在传统的模型参考自适应控制的控制过程中加入了模糊逻辑技术从而得到了新的模糊模型参考学习控制。张化光在借鉴TS模型的模糊自校正控制的基础上在控制器上应用了广义预测控制律，用这种方法很好的解决了具有不确定时滞问题，同时能顾及系统模型失配的影响，具有良好的鲁棒性。G.V.S.Raju和J.Zhou 基于K.F.Glu和S.Daley把自适应控制器应用在复杂多变过程的研究成果上提出了递阶模糊控制以及自适应递阶模糊控制。G.V.S Raju等人在戴忠达的算法基础上，提出了一类自适应多级模糊控制器。之后A.Gegov提出了应用于城市交通控制网络的一类多级智能模糊控制器。K.Y.Tu等人设计了利用滑动超平面连接多个单变量的FLC的多层模糊控制器，并阐述了闭环系统稳定性的条件。
6 结语
模糊控制相对于传统的控制理论能够解决更多实际复杂的建模以及控制问题，是一种极为有效的控制方法，自适应模糊控制是一种具有自组织、自学习、自适应的控制方法，在控制过程中，自适应模糊控制系统能够在系统运行过程中根据外界反馈的信息不断修改自身的控制规则，使得系统的性能更加的完善改善了系统的性能。近几年来，自适应模糊控制因为其自身的控制特性而取得了很大进展，基于模型的自适应模糊控制与神经网络控制的结合，使系统功能以及稳定性得到进一步增强，为非线性系统的建模以及控制提供了有效的工具。自适应模糊控制在近几年的发展中已开始向多元化和交叉学科方向发展，加强对自适应模糊控制的研究是近几年越来越迫切的问题，同时模糊-神经网络混合系统的出现给自适应模糊控制的研究带来了新的生机，但是由于系统的非线性与复杂性使得研究工作的难度大大增加。自适应模糊控制系统逐渐向混合系统模式方向发展，对于自适应模糊控制的研究有着很大的发展潜力和广阔的应用前景。
参考文献：
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[3]Ya-Qin Zheng，Yan-Jun Liu， Shao-Cheng Tong and Tie-Shan Li， Combined Adaptive Fuzzy Control for Uncertain MIMO Nonlinear Systems. 2009 American Control Conference.
关键词：TMS320F2812；PMSM控制
中图分类号：TM383 ； 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0212-02
1 引言
21世纪石油钻井工业的迅速发展，随钻测量和随钻测井的技术也得以迅速发展，其对地质导向钻井来说至关重要，因而对其要求越来越高。而连续波泥浆脉冲发生器作为目前国外大型石油公司独有的商业化产品，具有传输速率快等优点，是随钻测量信号最重要的传输方式之一。
连续波泥浆脉冲发生器中传输信息的核心部分之一是永磁同步电机的控制系统。永磁同步电机（Permanent Magnet Motor，简称PMSM）具有体积小、力矩惯量大、效率和功率因数高等优点。因而在测井系统中运用永磁同步电机，能够降低成本，减少维修，节约能源。基于这些优点，本文介绍采用TMS320F2812控制永磁同步电机，以满足二进制FSK调制方式对转阀电机的调速要求[1，2，3]。
2 控制框图
井下传感器将采集到的数据进行信号编码，然后通过转阀驱动电机控制系统驱动转阀旋转，进而产生泥浆压力脉冲，压力脉冲经过钻杆中的泥浆上传信息，地面传感器接收到}冲信号以后，通过滤波整形，信号译码，得到井下采集的数据信息，然后经过数据的分析和处理反馈到计算机，实时了解井下工况。控制工作原理框图如图1示。
3 硬件控制设计
为了使永磁同步电机能够在不同的转速间迅速切换，获得较好的2FSK调制信号。本文以 TMS320F2812 为控制核心，以此数字信号处理器负责完成大部分的计算和控制功能[4，5，6]。在MATLAB/Simulink中建立永磁同步电机的向量控制系统的原理图如图2所示。
本文中采用空间脉宽调制（SVPWM）控制策略，此时定子电流励磁分量 [id]=0，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，定子电流中只有X，Y轴分量，且永磁体磁动势空间向量与定子磁动势空间向量正交，此时永磁同步电机转矩中只剩永磁转矩分量 [Te1]，只需要控制定子电流的转矩分量 [iq]的大小即可。这样电磁转矩就只依赖于交轴电流，能够实现交、直轴电流的解耦。永磁同步电机的定子由三相SVPWM逆变器供电，转子位置传感器检测转子转速 n和转角 [θ]。由转速外环和电流内环经过PI调节并经过反PARK变化得到SVPWM调制器的电压调制信号。检测到的定子电流经CLARKE变换和PARK变换，得到定子电流[id]和[iq]作为电流的回馈信号。
4 软件控制设计
根据软件模块化设计思路，充分利用 DSP 的资源特点，根据建模编写相应的控制系统程序，包括检测模块、算法模块、SVPWM模块等。软件主程序主要针对系统硬件及各变量设定初始值，完成寄存器的配置和给定初始值，在循环等待中，当中断触发时，开始执行子程序，中断服务子程序作为系统软件部分的核心，主要包括定时器中断和功率驱动保护中断[7]。软件控制主流程图如图3所示。
5 仿真结果
设电机在0～0.3s时的PMSM的转速响应仿真波形图如图4
其中图5横坐标为时间轴t，单位为s，纵坐标为转速n，单位为m/s，所得转速响应仿真波形图如图5所示。
从图5以看出，在转速为600m/s的时候，采用PI控制，转速上下波动幅值为10，波动率为 。满足二进制FSK调制方式对转阀电机的调速要求。
参考文献：
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【关键词】智能家居 GSM模块 单片机
随着网络技术的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电控制、照明控制、窗帘自控、防盗报警、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、安全和便利。本文设计的基于GSM网络的智能家居监控系统由智能监控模块、数据采集系统和用户手机构成，通过GSM短信息的收发实现对家庭设备的远程监控。
1 总体设计方案
系统由中心控制模块和各分散控制模块组成。中心控制模块实现控制用户手机和各分散控制功能模块。选用AT89S52单片机作为该监控系统的核心控制元件。主控单片机模块接收用户手机发送的短信息，根据短消息的内容控制各子功能模块；同时主控单片机模块将家居系统的控制信息以短信形式发送到用户手机，由单片机构成各控制模块子系统。
1.1 系统硬件部分
根据任务需要，合理选择单片机、传感器、GSM模块和设备来构成系统。为使硬件设计尽可能合理，系统的电路设计遵循了以下几个方面：
（1）选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。
（2）选用功能强、集成度高的电路或芯片。
（3）选择通用性强、市场货源充足的元器件。
（4）在对硬件系统总体结构考虑时，考虑通用性的问题，采用模块化的设计方式。
（5）系统的扩展及各功能模块的设计应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。
（6）在电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力
最终确定采用AT89S52单片机作为处理芯片。西门子的TC35系列的TC35iGSM模块，TC35i与GSM2/2+兼容、双频（GSM900/GSMl800）、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠安全的传输，方便用户的应用开发与设计。
1.2 系统软件部分
软件部分由以下几部分构成：数据采集单元、手机短信信令识别与分析单元、GSM模块TC35 modem接口程序部分、分析控制部分。其中数据采集部分和手机短信信令识别需要作实时处理；GSM模块TC35 modem接口程序部分和分析控制部分则是根据采集和手机短信信令进行分时操作有利于提高系统效率。
2 系统软件设计
软件设计部分主要有数据采集部分、手机短信信令识别、TC35Modem接口程序部分、分析控制部分。其中数据采集部分和手机短信信令识别需要作实时处理；GSM模块TC35Modem接口程序部分和分析控制部分则是根据采集和手机短信信令进行分时操作有利于提高系统效率。本智能家居监控系统软件设计的内容主要有主控模块程序、TC35Modem模块通信程序、串口通信初始化程序和短消息的编码解码程序。软件设计模块如图1所示。
2.1 单片机系统软件设计
为了实现单片机与TC35I模块的通信顺畅，必须使二者的串口波特率一致，如果单片机F=11.0590MHZ，设置串行口波特率为9600，工作方式为方式3，Tl定时器采用工作方式2。其中串行口和定时器的工作方式和初值可以根据具体情况加以更改。
本系统的软件设计是将整个短信处理模块放入单片机的中断服务子程序中。发送和接收串行口数据采用中断方式进行，这样可以大大节省CPU资源。当接收一帧数据进入一位寄存器，送入接收SBUF中，同时将Rl置1；当发送数据载入发送SBUF中开始向外发送，发送完毕后即将TI置1。无论Rl置1还是TI置1，均会激发串口中断，执行中断服务程序。响应中断时，首先判断中断是接收程序还是发送程序，若为接收中断则将SBUF中的数据存入接收队列缓冲区；若为发送中断便将待发送的数据帧发送到SBUF中。
2.2 短消息PDU模式编码解码程序
在GSM标准中，中文编码采用UTF-8的编码，不是目前国内常用的GB-2312编码，因此需要对中文编码进行转换才能与采用GB-2312汉字库相配合，方可正确显示出短消息中汉字字型。由于UTF-8和GB-2312编码之间不存在一一对应的线性关系，因此需要采用查表的方式进行转换。
2.3 短消息收发程序设计
发送短信息的主要工作是将发送的内容进行相应的编码，其次就是将发送所用的SMS服务中心号码、目标号、有效时间和短信内容按照PDU编码的格式发送出去。如果是接收短信息，其工作就是将接受到的短信息内容进行解码，发送和接收的PDU串的结构是不同的。接收程序流程图如图2所示。
3 运行结果
运行结果如图3所示。
4 结论
本文设计了一个基于GSM网络的无线传感智能家居监控系统。系统在运行中还有改进之处，还需进一步对程序结构进行优化。本设计只是智能家居控制中的一部分，目前国内很多公司都在致力于智能家居产品的开发，随着相关技术的进一步发展，我国将全面普及智能家庭网络系统和产品。
参考文献
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关键词:连续玄武岩纤维;防火隔热;过滤环保;增强复合;高技术纤维
连续玄武岩纤维(CBF)是以天然的火山喷出岩作为原料,将其破碎后加入熔窑中,在1450℃～1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。以CBF为增强体可制成各种性能优异的复合材料,可广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、建筑等军工和民用领域,故CBF被誉为21世纪的新材料[1]。随着国外工艺技术的不断改进以及新市场的不断开拓,玄武岩纤维有望成为第四大高强高模纤维。
1国内外发展研究状况
1.1国外发展研究状况
以玄武岩为主要原料生产的岩棉自从1840年首先在英国威尔斯试制成功到现在已有160多年的历史[2]。1922年在美国专利(OS1438428)出现由法国人Paul提出玄武岩纤维制造技术,但没有实质性生产。
20世纪50年代初期,德国、捷克和波兰等东欧国家以玄武岩为原料,采用离心法生产出了纤维平均直径为25μm～30μm的玄武岩棉。随后60年代初期,美国、前苏联、德国等大力发展垂直立吹法生产工艺,使玄武岩棉产量迅速增长。前苏联引进了德国立吹法制造矿物棉的生产专利,在消化、吸收的基础上,成功地将该项技术应用于玄武岩棉的生产,设计生产能力为日产38吨～40吨玄武岩棉。玄武岩纤维的研究工作主要集中在前苏联。玄武岩纤维于1953―1954 年由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出[3]。苏联早在20世纪60―70年代就致力于连续玄武岩纤维的研究工作,乌克兰建筑材料工业部设立了专门的别列切绝热隔音材料科研生产联合体,主要任务是研制CBF及其制品制备工艺的生产线。联合体的科研实验室于 1972 年开始研制制备CBF,曾经研制出 20 多种CBF制品的生产工艺[4]。1973年,前苏联新闻机构报道了有关玄武岩纤维材料在其国内广泛应用的情况。1985年在前苏联的乌克兰率先实现工业化生产,产品全部用于前苏联国防军工和航天p航空领域。
1991年前苏联解体后,此项目开始公开,并用于民用项目。目前连续玄武岩主要研发及生产基地在俄罗斯及乌克兰两个国家。苏联的解体,客观上影响了CBF的推广应用,但是,由于玄武岩纤维具有有别于碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维的一系列优异性能,而且性价比好,引起了美国、欧盟等国防军工领域的高度重视。
1.2国内发展研究现状
我国自20世纪70年代起,就断断续续地开展对CBF的研究,但未获得成功。2001年哈尔滨工业大学组建了专门的研究队伍致力于玄武岩纤维制备技术的研发。2004年哈尔滨工业大学深圳研究院与成都航天万欣科技有限公司组建了成都航天拓鑫科技有限公司,进一步研究改进玄武岩连续纤维制造设备功能,开发出玄武岩纤维终端产品。
2002年,我国正式将连续玄武岩纤维列入国家863计划,承担该课题项目的深圳俄金碳材料科技有限公司(由深圳黄金屋真空科技有限公司与俄罗斯一家军工材料研究院合资组建的)和大型民营企业横店集团等3家股东注资2000万元人民币,于2003年12月成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司。经近两年来的技术开发,横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司采用创新的生产技术和“一步法”工艺,取得了以纯天然玄武岩(不添加任何辅料)为原料生产连续玄武岩纤维的研发成果,并成功实现了工业化生产。该公司不仅掌握了电熔炉、火焰炉、气电结合的生产技术,而且生产的多轴向织物树脂基复合材料及玄武岩纤维片材等复合材料等产品得到军工和民用领域有关用户的认可。
目前,发展中的横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司是继俄罗斯等独联体与美国之后的全世界具有一定规模、排名第六位的生产工厂。有专家学者预测: 2010年全国生产玄武岩连续纤维1万t,2020年为7万t～10万t。
2玄武岩纤维(CBF)的性能
2.1新型环保性材料
CBF具有非人工合成的纯天然性,加之生产过程无害,且产品寿命长,是一种低成本p高性能p洁净程度理想的新型绿色主动环保材料。由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排出,使CBF制造过程的池炉排放烟尘中无有害物质析出,不向大气排放有害气体,无工业垃圾及有毒物质污染环境。玄武岩纤维在很大程度上可代替玻璃纤维,被广泛用于航天航空、石油化工、汽车、建筑等多领域,因而,CBF被誉为21世纪“火山岩变丝”、“点石成金”的新型环保纤维。
2.2功能性优良的材料
CBF是继碳纤维p芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维支柱,在许多条件下可替代碳纤维p芳纶纤维,在某些场合甚至比上述两种纤维性能还好。玄武岩纤维及其制品的异常优越性能具体表现在以下几个方面:
(1)显著的耐高温性能和热震稳定性。CBF的使用温度范围为-260 ℃～880 ℃,这一温度远远高于芳纶纤维、无碱E玻纤、石棉、岩棉、不锈钢,接近硅纤维、硅酸铝纤维和陶瓷纤维;热震稳定性好,在500℃下保持不变, 在900℃时原始重量仅损失3%[5]。
(2)较低的热传导系数。CBF的热传导系数为0.031 W/m・K～0.038 W/m・K,低于芳纶纤维、硅酸铝纤维、无碱玻纤、岩棉、硅纤维、碳纤维和不锈钢。
(3)高的弹性模量和抗拉强度。CBF的弹性模量为:9100 kg/mm2～11000 kg/mm2,高于无碱玻纤、石棉、芳纶纤维、聚丙烯纤维和硅纤维。CBF 的抗拉强度为3800～4800 MPa,比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高,与S玻璃纤维相当。
(4)化学稳定性好。CBF的耐酸性和耐碱性均比铝硼硅酸盐纤维好[6～7]。其耐久性、耐候性、耐紫外线照射、耐水性、抗氧化等性能均可与天然玄武岩石头相媲美。
(5)吸音系数较高。CBF的吸音系数为0.9～0.99,高于无碱玻纤和硅纤维;优良的透波性和一定的吸波性,吸音和隔音性能优异,具有良好的隐身性能, 可制作隐身材料。
(6)良好的电绝缘性和介电性能。CBF的比体积电阻较高为1×1012 Ω・m,大大高于无碱玻纤和硅纤维;体积电阻率比电绝缘E玻璃纤维高一个数量级,介电损失角正切高50 %。
(7)较低的吸湿性。CBF的吸湿性低于0.1 %,低于芳纶纤维、岩棉和石棉。
(8)天然的硅酸盐相溶性。与水泥p混凝土的分散性好,结合力强,热胀冷缩系数一致,耐候性好。
表1给出了CBF与各种纤维材料的物理性能对比。
3玄武岩纤维(CBF)的应用
3.1防火隔热领域的应用
CBF用于防火服正处于起步阶段,由于其本身的特殊性能,用于防火服领域有较大的优势。CBF是无机纤维,具有不燃性、耐温性(-269℃～650℃)、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点。缺点是比重较芳纶纤维大,穿着的舒适感不如芳纶纤维防火服。如果CBF与其他纤维混纺可制成阻燃面料,用于部队的相关装备显然是有明显优势的。
3.2在过滤环保领域的应用
CBF是一种新型的绿色环保材料,可用于环保领域有害介质、气体的过滤、吸附和净化,特别是在高温过滤领域,CBF的长期使用温度是650℃,远优于传统过滤材料,是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。
目前过滤材料主要有天然纤维、各种合成纤维、各种无机纤维和金属纤维。由于对耐高温提出了更高的要求,又引进了Nomex、Procon、Torcon、Basfil、P84等。但是,目前所有的过滤材料都不能解决过滤高温介质的问题,而CBF可以在-269℃~650℃的范围内长期使用,它的耐高温性能是其他材料所无法比拟的。
3.3CBF增强树脂基复合材料的应用
CBF具有良好的技术特性:低容重,低导热率,低吸湿率和对腐蚀介质的化学稳定性,能够降低结构重量,形成新型结构材料。利用这些特性,在军品和民品领域有广泛的应用。玄武岩纤维增强树脂基复合材料是制造坦克装甲车辆的车身材料,可减轻其重量;用于制造火炮材料,尤其是用于炮管热护套材料可以大大提高火炮的命中率和射击精度。在枪弹、引信、弹匣、大口径机枪枪架、坦克装甲车辆的薄板装甲、汽车发动机罩、减震装置等方面有大量的应用。在船舶工业中可大量用于船壳体、机舱绝热隔音和上层建筑;用CBF蜂窝板可制成火车车厢板,既减轻了车厢的重量,又具有一种良好的阻燃性能。
CBF具有良好的增强效应.单纤维拔丝试验表明,CBF与环氧聚合物的黏合能力高于E玻璃纤维,而且在采用硅烷偶联剂处理后其黏合能力还会进一步提高,因此,玄武岩纤维可以代替即将禁用的石棉来作为耐高温结构复合材料、橡胶技术制品等增强材料,也可用于制作制动器、离合器等摩擦片的增强材料。表2为各种纤维增强环氧树脂基复合材料的机械性能比较。
另外,CBF还是碳纤维的低价替代品,具有一系列优异性能。尤为重要的是,由于它取自天然矿石而无任何添加剂,是目前为止唯一的无环境污染的、不致癌的绿色健康玻璃质纤维产品。所以玄武岩纤维在复合材料的增强材料领域的应用,已引起广泛重视并将快速发展。
3.4在电子技术领域的应用
CBF具有良好的介电性能。其含有较多的导电氧化物,是不适合做介电材料的,但是采用某种浸润剂处理纤维表面后,其介电损失角正切比常规玻纤大大降低,它的体积电阻率比E玻璃纤维高一个数量级,所以 CBF非常适合用于耐热介电材料[1]。
CBF是优良的绝缘材料,利用这一介电特性和吸湿率低、耐温好的特性,可以制成高质量印刷电路板,此外,CBF还可以用作风力发电叶片的增强材料[8]。
4玄武岩纤维(CBF)生产工艺
虽然CBF的生产技术看似简单,但实际上颇为复杂,需要很多的技术诀窍。为实现高质量玄武岩纤维的工业生产,需要考虑各方面的技术复杂性和设计专用设备。
图1为目前典型的CBF生产工艺流程:首先要选用合适的玄武岩矿原料,经破碎、清洗后的玄武岩原料储存在料仓1中待用,经喂料器2用提升输送机3输送到定量下料器4喂入单元熔窑,玄武岩原料在1500℃左右的高温初级熔化带5下熔化,目前玄武岩熔制窑炉均是采用顶部的天然气喷嘴6的燃烧加热。熔化后的玄武岩熔体流入拉丝前炉7,为了确保玄武岩熔体充分熔化,其化学成分得到充分的均化以及熔体内部的气泡充分挥发,一般需要适当提高拉丝前炉中的熔制温度,同时还要确保熔体在前炉中的较长停留时间。最后,玄武岩熔体进入两个温控区,将熔体温度调至约1350℃左右的拉丝成型温度,初始温控带用于“粗”调熔体温度,成型区温控带用于“精”调熔体温度。来自成型区的合格玄武岩熔体经200 孔的铂铑合金漏板8拉制成纤维,拉制成的CBF在施加合适浸润剂9后经集束器10及纤维张紧器11,最后至自动绕丝机12[9]。
1―料仓;2―喂料器;3―提升输送机;4―定量下料器;5―原料初级熔化带;6―天然气喷嘴;7―二级熔制带(前炉);8―铂铑合金漏板;9―施加浸润剂;10―集束器;11―纤维张紧器;12-自动卷丝机
尽管连续玄武岩纤维在各个方面表现出优异的特性,但是如果想要将这些特性发挥出来,仍有一些技术上的困难要去克服。
5目前面临的问题
5.1玄武岩成分波动大
CBF的生产存在一些困难。不同类型的玄武岩矿石具有不同的特性和化学结构。由于玄武岩是由地球熔岩形成的,因此造成它的先天不足,就是其成分的波动,不仅不同矿床成分波动较大,就是同一矿点化学成分也有一定的波动范围。这就直接导致玄武岩纤维性能波动大,使其在高端领域上的大量应用受到限制。制造CBF对使用的玄武岩原料有一定的选择性,一般要求玄武岩原料中基本没有耐高温的晶相,这种晶相在不完全的熔制工艺中易形成二次结晶的晶核而影响玄武岩拉丝过程的稳定性[9]。
5.2生产过程中消耗的成本
连续CBF主要成本集中在所用的天然气燃料,铂铑合金漏板的消耗量及其使用寿命。
(1)较高的能源价格
我国天然气的价格较高,为了保证连续玄武岩纤维的生产成本,就必须改造矿石熔化炉,燃气-空气系统,燃气烧喷的结构,采用新工艺技术,新型能源供应系统,新的耐火材料和保温材料[10]。
(2)铂铑合金漏板的消耗
连续玄武纤维岩生产过程中随着漏板温度的提高,高温蠕变会影响到纤维成型过程的稳定性及漏板的使用寿命,熔体中的含铁类氧化物成分会明显增加对铂铑合金的侵蚀,铂铑拉丝用漏板也是玄武岩纤维生产工艺中的关键设备之一,它直接影响着纤维生产的效率,纤维的质量及检修周期,最终影响玄武岩纤维的生产成本。能否实现2000 吨以上的池窑化生产和1200～2000孔多孔大漏板拉丝工艺还有待研究[3]。
6结论与展望
从全球的发展水平看,全世界玄武岩纤维的技术及规模尚处于初级阶段,这给我们追赶乃至超过国外的先进技术水平提供了很大的发展空间和市场机遇。我们要充分认识到:第一,我国连续玄武岩纤维与发达国家的巨大差距和亟待强化发展的重要意义;第二,加强工艺及设备的工程化配套研究,进一步加强高新技术纤维产业信息化和标准化工作的重要性,由浙江石金玄武岩纤维有限公司牵头制定的《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T 23265―2009)国家技术标准在列。这是我国乃至全球第一个有关玄武岩纤维的国家级技术标准,将于今年11月5日全面实施。我们也要继续努力进一步加强相关检测标准制定,推动连续玄武岩纤维产业安全和可持续发展。
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关键词：卡尔曼滤波，BP神经网络，状态估计，导航系统
1 引言
捷联惯导系统(SINS)和GPS组合而成的导航系统是当今导航领域最主要的组合方式，它有效的减少了系统误差，提高精度，降低了导航系统的成本，这种组合方式已在航天航空、航海、陆地平台导航、测绘等领域得到了广泛应用。在传统的SINS/GPS组合状态估计中，经典卡尔曼滤波器[3]发挥重要作用，但其要求条件苛刻，主要体现在要求模型的状态方程和量测方程精确、系统噪声和量测噪声的统计模型为零均值的高斯白噪声；但在复杂环境下，噪声的统计信息不可能预见，更不可能是理想的高斯白噪声，因此，许多在仿真条件下表现非常好的系统运用到实际环境中就容易出现精度下降甚至发散现象。而回归BP神经网络具有较强的并行计算能力，容错性好，在神经元数量足够时，逼近非线性函数的程度比较好。本文在经典滤波的基础上引入回归BP神经网络[4]对组合导航系统进行状态估计，尽可能减少非线性噪声对系统的影响；首先利用经典卡尔曼滤波对不同特性的噪声输入下的系统进行估计，得到各条件下的状态后，将各条件下的状态估计均值作为样本输出，以各种噪声集对网络进行训练；在训练结束后，将训练后的回归BP神经网络作为状态估计器输出组合导航系统估计值。
2 回归BP神经网络算法
误差反向传播BP算法是前向网络学习算法中应用最为广泛的算法，回归BP网络是在BP算法中采用的梯度下降法推广到回归网络中，其具有反馈和前馈机制，即在网络的一个训练周期中，网络的输出同时反馈给网络的输入神经单元作为网络的外部输入。如图1所示为一个典型的三层回归BP网络。
图1回归BP网示意图
在图1中有一个关联层，每一个隐含的结点都有一个相应的关联层结点与之连接，并且连线的权值可调，而关联层的信号来自于输出，关联层节点起到了存储网络内部状态的作用，当关联层与中间层连接后，起到了状态反馈的作用，这为组合导航系统这种典型的时间序列信号分析提高了有力的工具，具有“记忆”功能的回归BP网络能够对一阶马尔科夫序列很好的滤波和预报。反馈网络的反馈激励的加入使得局部的记忆特性被放大易造成传统的梯度下降学习方法过早的收敛，本文采用可修正速率的梯度下降学习法，其本质是综合考虑当前和前一时刻的梯度向量，调整其具有适应性，不因为某一时刻的梯度变化而改变网络的收敛状态。算法的基本要求与传统梯度法基本相同，学习的准则是让网络实际输出与样本比较，直至误差平方和达到最小。在算法中加入速率因子，使神经网络权值的更新不仅考虑了当前梯度方向，还考虑了前一时刻的梯度方向，减少网络反馈对阐述调整的敏感性，有效抑制了局部最优；速率因子的取值应当根据网络可能陷入局部最优的程度而定。
3 导航系统的状态表达与组合滤波
根据SINS/GPS组合导航系统得理论，可以得到如下组合误差的状态方程：
F(t)为系统的动态矩阵；G(T)为系统噪声系数矩阵；W(t)为系统噪声。
本文中对系统噪声仍确定为高斯白噪声，这是由于系统噪声的统计特性一般不会剧烈变化，而系统量测噪声的统计特性变换是引起卡尔曼滤波器性能下降的主要因素。系统量测噪声容易受到外界环境的干扰，如温度、电磁场、湿度等等，因此本文主要针对卡尔曼滤波中的量测噪声统计特性变化进行研究。
4 回归BP神经网络对组合导航系统的状态估计
4.1 回归BP神经网络对组合导航系统状态估计模型设计
神经网络的训练是神经网络能够应用的前提。在样本训练中对同一状态量输入X，选取不同的噪声集合，通过卡尔曼滤波器，取得一系列的不同条件下的最优估计,将这些最优估计的状态均值作为神经网络期望样本输出的真实值，构成了不同噪声集合下得输入样本和卡尔曼滤波器得到的输出样本；通过不同噪声集合样本的训练，使得神经网络具有处理各种统计特性噪声的自适应能力。训练结束后，就可以利用普通的无偏卡尔曼滤波器和训练好的神经网络进行状态估计。图2为卡尔曼滤波和神经网络组合的示意图。
图2 卡尔曼滤波与回归BP神经网络组合示意图
在实际的参数选取和设计中，本文采用卡尔曼滤波器的初始估计和SINS/GPS的参数误差作为回归BP神经网络的状态变量。选取参数误差X作为回归BP网络的状态变量。
以上参数依次为：纬度误差、经度误差、高程误差、东向速度误差、北向速度误差、垂直速度误差，三个姿态角误差。将普通卡尔曼滤波器的输出作为初始值。
4.2 仿真实验与分析
1）不进行任何滤波的SINS位置误差曲线
图4 不加滤波器的SINS位置误差曲线 图5 组合滤波后北向位置估计误差曲线
图4是断开卡尔曼滤波器和神经网络的结果。没有GPS和滤波器的辅助，在很短的时间内，单纯的SINS输出就会偏移很多。。。
2）进行组合滤波后的误差曲线
在加入GPS和滤波器后，从图5可以看出，滤波器状态估值与真实值之间的误差变化保持在较高的水准，说明滤波器明显减少了SINS的漂移和积累误差，并且在噪声复杂多变的情况下仍然表现出了平滑过渡的状态。需要说明的是由于GPS的位置精度从长期看是高于SINS的，本文在进行位置估计的时候，出于以SINS为主的思想，给予GPS的权值较小。
图6 组合滤波后滚动角估计误差曲线 图7卡尔曼滤波滚动角估计误差曲线图
从姿态角的误差分析可以看出，滤波器能够很快的收敛。。SINS的姿态误差受到外界条件影响是比较大的，即量测噪声的影响超过系统噪声，从图6中可以看出，在噪声统计特性变化的条件下，误差值仍然很小，说明神经网络系统能够有效地对量测噪声进行滤波。
3）组合误差与普通卡尔曼滤波误差的比较
对单纯卡尔曼滤波系统和组合系统分别输出的姿态角的比较。对实测数据中SINS和GPS原始数据加载入滤波器。误差图进行了部分的放大，如图7所示，从图7中可以明显看出，单纯的卡尔曼滤波系统对复杂噪声的滤波能力远远差于组合系统，表现在数据曲线上就是跳动很明显，也验证了组合系统具有较好的对不同统计特性的复杂噪声的适应能力。
5 结论
本文探讨了采用神经网络系统对导航系统滤波的问题。采用卡尔曼滤波器与回归BP神经网络系统的组合能够有效地提高导航系统在复杂环境下的导航精度，并且能够做到较快的收敛。但是这种方法的缺点在于需要大量的样本输入和需要完善的噪声组合选择，同时也受到计算能力的限制。此外，隐含层层数的选择和结点个数的选择应当如何优化，也是一个需要探索的问题。
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【关键词】远程；故障诊断；监控
1.引言
在工业化时代，大规模机械电气设备的使用让社会生产效率大幅度的增加，但与此同时，机械设备故障也频繁发生，延误生产时机。所谓故障，是指机械系统偏离正常功能，造成设备基本功能不能保证。最初故障诊断是依赖人员的个人经验及简单检测仪器，随着电工电子、传感器、信号分析、计算机等技术的发展，对发生的故障，除要求设备管理人员具备掌握一定的机械专业技术、还要有电气、计算机等专业知识。这对于依赖于个人知识储备在故障面前显得杯水车薪，特别是高技术含量进口机械设备故障如民航发动机故障，我们有时候却无能无力而不得不依赖外国专家指导。这样在计算机网络的发展下，基于WEB的远程故障诊断分析由此而产生。
远程故障诊断可提高复杂机械电气设备的维护和诊断，实现对分设备和关键部件进行分散集中式监视、诊断和管理。不仅提高了设备的管理效率，降低了维护费用，还提高了故障诊断的水平和快速性，也有利于资源共享。
2.监控诊断系统
监测与诊断主要是根据快变信号、缓变信号以及开关量信号的变化，运用通频和分频振幅值等多种方法来判断机组是否正常运行。
系统需有多种采集卡，包括振动信号采集卡、转速采集卡、温度压力流量采集卡以及报警信号采集卡。还需要有相应的信号变换和调理电路。各种参量的获取是通过振动、温度、压力、转速等测量传感器实时获取机组工作状态信息。然后将各种信号通过信号分析处理方法通过PC总线和计算机显示出来，实现各种工况的实时显示。再到更高层次就是利用智能诊断系统对监测的数据进行分析和模态识别，利用逻辑推理和数值分析方法相结合的方式，利用专家知识和固有原始数据进行分析和比较，得出诊断结论，以上过程可用下图结构表示。
图1 监控诊断系统组成框图
3.远程故障诊断地应用
远程故障诊断是一门实用性强的技术，它在工业、医疗、石油、航空等各个方面都有广泛地推广和使用。
利用INTERNET技术，FANUC的数控机床采用了C/S的架构设计，这其中包括了服务器和客户端。运用SQLSERVER 2008可以创建数据库，利用TCP/IP协议可以建立通讯链路，利用柔性制造系统可以对机床故障诊断分类，利用电脑分发出诊断号、参数号，进行PMC接口诊断。也有的专家独辟蹊径，将远程故障诊断在数控装置的应用划分成了四个模块，即信息检索模块、智能诊断模块、网络会诊模块、远程检测模块。信息检索模块主要是利用专家系统人工或者机器进行检索，智能诊断模块主要应用对检测信号进行分析，再利用与此类似的远程数控设备监控诊断系统是由CNC、现场监控工况机，数据存储服务器、WEB服务器及远程监控与诊断系统中心等组成。杨贤等介绍了一种监控软件，HOMS监控软件是以状态监测为基础，最优检修决策为目的的。它的体系架构为状态监测系统，厂级诊断中心，企业级决策中心。
在汽车行业，常用的维修检测设备是从电喷车解码器、手持式故障诊断仪慢慢发展到行业中比较流行的离线PC式汽车故障诊断仪。现在又有新的趋势了，颜伏伍、曹恺等研究了基于智能手机的汽车远程故障诊断。他们发现一些手持式诊断设备存在携带不方便、缺乏维修指导并且诊断效率低下等情况，利用ARM公司推出的开发复杂应用程序的RVDS（Realview Development Suite）开发工具设计实现了读清故障码、读冻结帧、读数据流等，另外还具有远程交互能力和方便专家进行远程辅助诊断等功能。
在石油与矿山机械领域，王峰、路小琪研究了基于物联网的矿井提升机感知系统设计。所谓物联网就是通过二维码识别设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。在这种技术环境下，提升机控制系统通过传感器、检测设备以及安装在系统中的无线传感器等关于该设备的运行状态经过以太网传递至调度室。在长输油气管道中，实现输油泵在online状态下监测最好是使用在线故障诊断软件，可是几乎所有的都是通过安装在设备商的各种监测仪表，然后通过网络上传到SCADA系统上进行数据分析处理、多线程进行管理。可以达到实时监控状态，准确地找到故障报警。在钻机的在线检测中，从万生、张鹏飞、林智敏、于辉等人在石油机械杂志上研究了利用国际上最先进的remote数据与图像监测处理技术，采用移动通信卫星实现了远程数据及视频传输的功能，利用这些专有技术实现了数据的网间共享以及信息捕捉等功能。在压缩机的故障诊断与监控上，吴文莉采用了嵌入式CPU和无线通讯GPRS发送模块如远程数据传输单元DTU组成。在对铁路设备的诊断系统设计中，李桂林发表在《自动化与仪器仪表》上论述了采用计算机网络、数据库技术和故障诊断技术，一定程度上提高了列车的运行效率和保障了行车安全。
另外，Deb.S，Domagala.C，Gho-shal，Alena.R在《The international society for optical Engineering》利用美国Qualtech的软件开发了一种基于上述系统判断的远程诊断服务器，建立了远程检测空间服务站的模型。我国叶文君等利用基于模型和信号处理的方法对空调系统的故障诊断和检测进行了分析和总结。在机器人焊接方面，由星云焊接公司研制的Nebula型焊机，它可以通过互联网实现远程故障诊断、远程检测，还可以将数字电视技术应用在它上面。
4.结语
文章简要介绍了故障诊断系统的组成和基本原理，肯定了基于WEB故障诊断系统的作用，并且介绍了监控检测系统的组成以及远程故障诊断在各行各业的应用。基于WEB的故障诊断技术发展已有多年了，相关技术已经日趋成熟，对于远程故障诊断的前景可能会在对故障位置精确性确定、故障时间准确性预测、检测故障地点的精密化等方向发展。
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【关键词】工程力学；教学改革；工学结合
0 引言
《工程力学》课程是一门研究物体机械运动以及构件强度、刚度和稳定性的学科。在机械工程、土木建筑、水利工程、石油化工等领域中得到广泛的运用，也是上述专业在高校学习中的一门必修专业基础课程。《工程力学》课程的特点是理论性强，公式繁多，逻辑严密，对于训练学生的逻辑推理思维和工程建模能力有着重要的影响力。
《工程力学》课程包含了理论力学（静力学、动力学以及运动学）和材料力学两部分，涉及的知识量非常大。随着近年来各个学科的发展，学生所需涉猎的专业课程越来越多，而工程力学课程的学时数被大大压缩。如何在有限的学时内，使学生即能掌握工程力学的基本知识，又能了解当前工程力学的最新发展；既能培养学生的逻辑思维，又能提高学生的综合能力，成为工程力学教育工作者普遍关心的问题。笔者结合本校实际，从教学内容、教学方法、教学手段等方面对《工程力学》课程教学改革进行思考与探讨。
1 与工程技术相联系，优化教学内容
本校《工程力学》课程主要在油气储运、工业工程、工业设计、机械工程等专业开设，在大学第三学期开课，是学生接触的较早的一门专业基础课。这门课程普遍被学生认为枯燥、难学、难以提起学习的兴趣。然，“兴趣”是人对事物产生好奇心得本质，离开了兴趣，对任何事物就会停留在为“学习”而“学习”的层面上，难有突破。因此想要吸引学生的注意力提起学习的兴趣，就必须给其留有丰富且生动实用的印象。这种生动实用感从何而来？教师可以将生活实例引入课堂，例如在讲解静力学中力对轴之矩，可以利用教室的门来进行演示，当对门施予与门轴相互平行的力或是与门轴相交的力均不能使门产生转动，唯有加载的力与门轴既不相交也不平行时，门方可产生绕轴转动的运动效应。又如在讲解扭转概念时，单纯的文字讲解会比较抽象，可以举一个类似的例子，例如人在洗脸的时候需要拧干毛巾，而给毛巾两端施加力偶，使其产生的变形就是扭转变形。对于不同专业，可以在课堂上引入一些与专业相关的工程实例。例如对于油气储运专业，在讲解弯曲变形问题是，可以引用卧式容器，在仅考虑其自重的情况下，是一个外伸梁的弯曲问题。
以此方式可以使学生们发现力学其实并不是没用的，而是与生活和自身的专业是息息相关的，从而引起同学们学习《工程力学》课程的兴趣。
2 灵活运用多种教学方式，培养学生的力学能力
2.1 活用多媒体技术，把CAE软件引入课堂
CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。目前CAE软件在土木工程、机械行业、石油化工乃至航天航空航海等领域中被广泛应用。
将CAE软件引入课堂中，有助于学生对课程中力学概念和原理的理解，而不会因为单纯的文字讲述而觉得抽象，空洞，难以理解。例如在材料力学主要研究的是构件在外力作用下的变形、受力与失效，其中包括了构件的内部应力的变化，此时就可以运用CAE软件（如Abaqus软件）建模分析，在观察物体外部受力的情况下，物体的变形及其内部的应力分布变化情况（图1）。而在讲解圣维南原理和应力集中概念时候，同样可以利用CAE软件来演示，由此可让学生有更加直观理性的认知。
另外，充分运用多媒体教学课件，在有声有色的教学环境中，使得课堂内容丰富活跃。多媒体技术，是利用计算机综合处理文本、图形、声音、视频等多种媒体数据，并集成一个交互性系统的技术。在讲解如何利用摩擦角测定摩擦系数，构件强度、刚度、稳定性在工程中的重要性等都可以在课堂利用动画形式进行演示，让学生了解到理论与工程实际应用的有机结合。
图 1 杆件受力变形、应变图
2.2 运用互动式教学，活跃课堂气氛，提高学生学习兴趣
常言道：一个巴掌拍不响。纯粹的“填鸭式”教学，学生得不到学习的乐趣，且随着课程时间的推移，学生会觉得渐渐感到腻烦，同时教师也会觉得疲惫。如何扭转这种局面，使得学生积极主动地加入到学习中去，成为课堂教学中的主体呢？采用互动式的教学方式，使得学生与教师在教学工程中，形成相互对话，相互交流，相互促进的教学模式，有助于活跃课堂的学习气氛，增加学生的求知欲，从而提高教学质量。
在课堂教学中，教师可以提出一个实例问题，然后讲解相关的理论知识，再与学生以讨论的模式用理论知识解决实例问题。接着在提出几个相类似的问题，由学生课后自行分组讨论解决。也可由学生提出一些生活中常见的相似实例，应用学习到的理论知识和分析方法进行问题的解决。如此一来，即培养了学生灵活运用所学知识，训练其独立思考的能力，而这也是学生对知识的一次理解、复习、巩固的过程。从中教师也可以看到学生对知识点的接受程度，及时调整教学进度以及教学方法，从而促进教师教学质量的提高。
除此以外，互动式教学模式还可以是角色互换方式。在适当的时候，学生与教师的角色可以对调一下。例如，提出一个实例，让学生在课后以小组为单位进行讨论，然后在课堂上，由小组推选一位代表对实例问题进行讲解，学生在体会一次备课到上课的过程，通过相互的讨论、交流，使得其对所学知识进一步巩固的过程；且从中教师也可以发现教学上的问题，以及得到一些教学方式上的启发。
2.3 重视与实验教学相结合
工程力学实验教学是工程力学教学中一个重要环节。在实验过程中可以培养学生的动手能力，创新能力和探索能力，能提高学生的工程素质。但现在的实验教学基本是一个验证性实验的过程。学生依靠教师的详细讲解、演示后，根据实验指导书上的内容，逐步的完成实验、记录数据，在此过程中，学生基本不需要思考和疑问，只是为了做实验而做实验，而忽略了实验思维和动手能力的培养。因此，每每一到实验课，学生基本也就敷衍了事。
要使实验课得到学生的重视，在于如何把实验与实际相结合，提起学生的兴趣，让学生感受到学习的理论知识普遍应用在自己的身边。可组织学生观看《力学在工程（土木、机械、水利、航空等）中的应用》的视频，了解力学理论知识在工程的应用与创新，不仅使学生了解工程力学学科的研究范围，也使得学生看到了力学与工程结合的一些前沿问题。
另一方面，在学生对理论知识有了一定的掌握，可通过工程力学实验教学网页，对了解实验的原理和目的，通过动画演示且熟悉实验设备的操作，再进行实际实验操作。且可以定期开放实验室，由学生选择感兴趣的课题，根据所学理论知识自行设计实验方案，拟定实验步骤，利用实验室设备完成实验。例如：“用电测法则测定弯扭组合变形的主应力和内力”实验，让学生设计具体的实验方案，如何实现主应力和内力的测定，定出实验步骤，然后利用实验室所提供的实验设备和仪器，进行实验步骤和方案的验证，经过检验、较误、调整后得到所需要的实验数据，最后进行数据的综合分析。在这整个过程中，即培养了学生的动手能力，也加深了学生对理论知识的深刻理解和体会，同时也获得了一种成就感，品尝到科学探索的乐趣，也增强了学生对实验课程的兴趣。
2.4 合理利用习题课的时间，培养学生的力学思维能力
对于工科类课程来说，在学习的过程中必然需要配上一些习题以训练学生的分析问题，解决问题的能力，对《工程力学》课程也不例外。然而，要解得题目所求，则需对题目的已知条件进行分析，接着对大脑中所学过的知识点进行检索过滤，从而找到最合适的解决方法。这一过程恰恰就是对知识的一次归纳、整理和分析。教师在选择习题时，精选典型的例题进行讲解，指出学生在分析思考是容易出错或者出错的细节部分。在这个过程中，鼓励学生多发问，多思考，多发表个人的看法，有助于学生建立起清晰的解决问题的思路，助长其创新思维的逐步成长。
3 结束语
总而言之，工程力学课程是一门应用性广泛的学科。在教学过程中，因材施教，灵活多变的教学方式，与实际工程的相结合，激发学生的学习兴趣，使得学生能够理解所学知识。使其由被动的地位转换成主动学习的角色。通过互动教学模式，实验教学的相结合，培养学生的发现问题，提出问题，分析问题和解决问题的能力，使其运用在课堂得到的力学知识能够学以致用，实现理论与实践详解，提高学生的逻辑思维和创新能力，从而提高学生的综合素质，有助于学生日后的专业课程学习，以及工作能力的培养。
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关键词：材料化学专业 材料物理 教学模式 科学研究
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（a）-0181-02
材料化学专业是材料科学与现代化学等多门学科相互交叉、渗透发展形成的具有强大活力的新兴交叉学科，是运用材料化学的基本理论和方法研究材料的制备、组成、结构、性质及应用的学科。在国民经济发展和科学前沿领域中都起着不可替代的重要作用。材料物理是材料化学专业一门重要的专业基础课，是学生在修完“大学物理”、“无机化学”、“有机化学”、“物理化学”、“材料化学”、“材料合成化学”等有关课程后，开设的一门起承前启后作用的专业基础课，具有很强的理论性和实践性[1]。目的主要是让材料化学专业的学生了解利用物理学的方法处理材料科学中问题。学会从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，说明材料的微观结构、组织形貌、原子电子运动状态及它们与材料性能和成分之间的关系。该课程要求理解材料的力学、热学、电学、磁学、光学、声学以及材料的功能转换等内容。通过该课程的学习能深刻理解材料的各种性能及主要影响因素，并能在材料研究中建立相应的物理模型，阐述材料结构、性能和它们在各种外界条件下发生的变化及其变化规律。该课程的教学效果对学生在“金工实习”、“生产实习”、“毕业论文设计”等后续相关专业课程的学习具有较深远的影响。该课程最大的特点是涉及的知识面广、信息量大、应用性强，涉及的理论知识比较抽象，因此给教师的教学和学生的学习都带来了一定的挑战。而新形势下，培养高质量的创新型人才是当前我国高等教育最为重要的历史责任。然而，传统教学中的“填鸭式”等问题，不利于学生创新性思维的开发。因此，教学方法的改革迫在眉睫。
教学过程是通过教师的教与学生的学相互有效地互动配合实现的，因此教学方法在教学活动中起到关键的作用。在《材料物理》的教学过程中，关注学生能力的培养，摒弃传统“填鸭式”灌输的教学方法，采用多元化立体的教学模式，调动学习积极性，启发学生自主思考，以问题为导向开展学习活动，培养学生的自主学习能力、创新意思和科学思维方式。
1 优化多媒体辅助教学，激发学生的学习兴趣
材料物理课程具有学科知识面宽、概念抽象、公式复杂、理论性强并且难于理解等特点，而传统的板书式教学手段由于其单调、枯燥、抽象等缺点，导致学生出现厌学甚至弃学等消极情绪，大大地降低了教W效果。而多媒体辅助教学是集图、文、像、色、声为一体的现代教育技术，可使抽象复杂难以理解的理论知识，以直观生动地形式表现出来，增强了课堂教学的趣味性，激发了学生的学习热枕，使得学生自主地学习知识，提高了教学效果。针对较为抽象易混淆的概念，可以采用动画模拟的方式帮助学生构建知识框架，加深理解。比如，晶体塑性形变的两种基本形式是滑移和孪晶，很难用学生的既往知识经验来理解和区分，因此，采用动画模拟演示和同步解说功能的微视频讲解，直观地体现出两者的差别，充分调动学生的空间想象力，营造体验式教学情境，瓦解传统教学的时空障碍，帮助学生加深理解，在脑海中留下画面。例如，吸声材料中关于焦点这部分知识时，导入北京天坛公园的回音壁和三音石等图片和视频，一方面加深学生对基础理论知识的理解，另一方面可以对学生进行人文教育，了解中国古人的聪明才智，并关注非物质文化遗产的保护等社会热点问题。值得注意的是，多媒体教学并不是时时处处都适合的教学手段，针对一些公式的推导，例题以及课后习题的讲解过程，需要结合传统教学模式，循序渐进的分析讲解，给予学生充足的时间去思考、理解和解决相关问题。
2 引入课题式教学方法，调动学生的学习主动性
“材料物理”课程知识内容较为抽象，内容繁杂，以教师为主的教学模式开展教学，较难调动学生学习的积极性，常常达不到理想的教学效果，而作为一门理论与实际应用结合较紧密的专业基础课，利用课堂上学习的理论知识解决实际应用问题，不但可以激发学生的学习动力，还可以锻炼学生应用知识处理问题的思维方式和自主探究能力。课题式教学方法属于构建性的教学，是一种崭新的启发式教学模式。课题式教学方法是指在学生具备一定知识储备后，在导师的指导下，选择和确定专题进行科学研究，在这个过程中，学生主动地搜集文献、获取知识、分析问题、解决问题。这种教学方法可以迎合当今社会对高素质、全方面、具有创造力的应用型人才的培养要求。课题式教学注重问题导向，有助于提高学生思维水平，获取实用方法。
因此，在传统教学模式的基础上，采用探究性的课题式教学模式，以课题为载体、问题为导向、学生为主体、教师为引导，注重学研结合和思维训练，有助于学生开展体验式的学习模式，在自主思考、小组合作的过程中，学习知识，培养思维方式，发展与人协作的精神，锻炼科学研究的素养，最终在知识与技能、情感与价值观等方面得到全面的培养锻炼。结合材料物理的内容特点，课题可以分为材料的力学、材料的热学、材料的电学、材料的磁性、材料的光学、材料的声学六大类，设置课题，如集成电路用基片材料、LED发光显示材料的发展、高温超导材料的应用、单分子磁体的研究现状、光纤通讯材料的发展、航天航空复合材料的选取、生物材料、储能材料的研究现状、太阳能电池的发展等。由学生自由选择合作学习小组，学习小组内部确定个人分工，开展对该领域的研究背景与研究意思、当前难以突破的技术瓶颈以及研究热点的文献调研。在此过程中，学生通过个人搜集材料、小组讨论的方式，一方面锻炼了学生获取知识、提取和选择有关知识的能力，另一方面小组内部的协调讨论，有助于培养学生的团队意识。最终可以选择通过撰写专题文献调研报告、小组讨论与答辩、开展相关专题的大学生创新性实验等方式，引导学生自主地参加学习活动，让学生能够体验到思考问题，独立解决问题的和成就感，体会科学研究的过程和思维方式。另一方面，还可以引导学生参加科研项目，整体提升学生创新能力和动手能力。在课题式教学活动的过程中，可以潜移默化地培养学生的批判性、创造性思维、团体意识以及科学探索精神，完成传统教学达不到的教学效果。
3 开展学生讲授，集中讨论的模拟教学模式，全方位培养学生的综合素质
传统的教学模式中，主要是老师在讲台上讲，学生相对比较被动地听，由于课程内容比较深奥和抽象，很多学生在课堂上较难跟上老师的思路和节奏，因而出现精力不集中、^脑僵化、困倦等问题，由此恶性循环，最终丧失学习的兴趣和动力，导致教学效果降低。古人云：师者，传道授业解惑也。授人以鱼不如授人以渔。而教师除了完成传道受业的责任外，还要激发出学生的学习潜能，要教会学生处理问题解决问题的策略和能力。因此，开发以学生为主体的教学模式，为学生提供更多的自主学习的时间和空间，改变学生被动的学习方式，从而达到事半功倍的效果。针对有些能引起学生兴趣的内容，采取模拟教学模式，由学生讲授、课堂讨论的方式实现对知识的接受与消化吸收，在此过程中，一方面学生会积极主动地去预习、搜集材料、分析知识内容的逻辑性与连贯性，在过程中，学生需要去了解知识的来龙去脉，可以引导学生去搜集一些材料科学名人的科研事迹，去学习前辈们发现问题解决问题的科学思维，为学生们提供一些生活中的应用实例，让学生在学习知识内容的同时，加深对基本概念的理解，体会知识的重要性和实用性。另一方面，在进行角色互换的同时，可以锻炼学生的表达能力，组织语言的能力，去理解学习的过程，了解教师备课、授课的整个过程，感受教师在其中的努力，培养学生体恤和尊重他人的品质，达到情感与价值观的教育目的。比如，可以让学生去了解中国科技大学谢毅院士关于热释电材料方面的工作，介绍中科院长春应用化学研究所张洪杰院士在高性能稀土发光材料的研究工作，北京大学高松院士在高密度磁存储材料等方面的研究等，这样不但拉近了学生与科研世界的距离，让学生们了解当前科研的前沿方向和课题，去理解所学知识的必要性，增强学习的动力和兴趣。
4 结语
随着时代的变迁和科技的进步，新形势下社会对大学生的要求也发生了改变，因此要求作为教师也要不断地去学习和摸索适合现阶段学生的教学模式。不摒弃传统教学方法，也要不断地思考与改革，去融合新的教育理念，运用和构建多元化的教学模式，激发学生自主学习的潜能，训练学生的逻辑思维能力，增强学生的综合素质，培养学生的创新精神和实践精神。总之，教学是要以人为本，坚持学生为主体，尝试多元化的教学模式，调动学生的学习兴趣和积极性，使学生学会思考问题的方式，成为一个不仅具有扎实理论基础知识、并且具有独立思考和处理问题能力的创新型人才。
参考文献
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关键词：传热学；任务教学法；课程设计
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0044-02
传热学是一门研究由温差引起的热量传递规律的科学，是现代科学技术中最重要的基础学科之一，它不仅是能源动力、交通运输、石油化工等专业本科生的一门重要专业基础课，而且在机械、电子、土木、航天航空和轻纺食品等工程技术领域里的应用也十分广泛。目前大连海洋大学（以下简称“我校”）该课程体系是由理论、实验、实习和课程设计四个环节所组成。其中传热学课程设计这个教学环节是紧接在传热学课程理论教学之后进行的一个综合性实践教学环节，也是学生综合运用传热学、换热器设计以及相关先修课程知识，联系实际生产和日常生活，以完成以某一特定设计任务为主的一次工程设计实践环节（包括自行完成主体设备的选型计算、材料选择及内部结构设计、工艺计算及主要尺寸设计，主要附属设备的选型设计，主体设备总图的绘制等，同时还要综合考虑制造成本、加工工艺难度、维护保养等因素）。因此，该课程设计在整个课程体系教学改革中的地位十分重要。[1-3]
一、传热学课程设计的现状与改革方向
目前高校的课程设计大多数是依附于理论课程而开设的，与理论教学同步并在授课计划范围内完成，通常课程设计的过程往往是学生仿照教师的设计过程和设计指导书上的步骤来进行。因此课程设计的核心主要是指导教师，学生按教师预先给定好的设计流程进行，被动地接受设计方案，丧失了主动参与课程设计的积极性和热情，而且在设计中发生问题也不能及时反馈。这样的结果，将大大降低学生的动手能力、分析和解决问题的能力，更谈不上对学生工程素质的培养了。
随着对培养工程素质人才的需求和对传统课程设计教学模式改革的呼声越来越高，一种“以学生为中心”的教学理念即“任务学习法”越来越受到教育工作者的重视。这种教学模式主要是体现“任务导向”和“学生主体、教师主导”的教学原则，引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力，甚至于交流合作的能力，这同样也是当前培养知识、能力、素质综合发展的工程型人才的改革方向。[4，5]
二、基于任务型教学法的课程设计改革原则
为了将任务教学法成功而高效地运用于传热学课程设计这一实践教学环节，在改革之前必须制订某些行之有效的原则作为指导，以便使其更好地发挥功用。考虑到任务型教学法是一种以任务为核心单位计划和组织教学的途径，它强调在“做中学”，不仅吸收了以往多种教学方法的优点，而且和其他的教学方法并不排斥。因此，笔者在教学改革实施过程中根据此教学方法的特点提出了以下的课程设计原则。[6]
1.将较难的任务前置
大量的研究结果表明，学生在整个学习过程中的精力是有限的。根据笔者多年指导课程设计的教学经验，发现学生往往在学习过程的前半阶段思想最为活跃，精力也最为充沛。因此，在给定课程设计任务后，教师应有意识地把那些理论性强、需要花费大量精力才能掌握的较难的任务环节放在课程设计的前半阶段，例如对换热器的选型计算部分。这不仅仅是因为这些较难的学习任务往往更具有冒险性和创新性，而且这样的设置可以极大地激发学生的学习兴趣和好奇心，从实际教学反馈效果来看教学效果良好，也更有利于教师灵活地推动整个课程设计教学流程的进行。
2.将安静的教学任务前置
激烈的教学活动能让学生的大脑兴奋，特别是在课程设计的后半阶段，学生往往会感觉到疲惫，这个时候如果再进行安静的教学活动，学生的大脑就会处于一种抑制状态，从而影响整个课程设计的教学效果。因此，为了保证学生处于科学、合理的学习状态，指导教师应当把相对较为安静的教学任务安排在课程设计的前半阶段。
3.将整个课程设计连贯化
根据任务型教学法的指导思想，任务的设计是实施任务型教学法的关键和前提。因此，在课程设计正式开始之前，教师应指导每名学生根据分配的相关参数独立构建设计项目，每一项目均设计任务若干，在任务设计的过程中考虑行业发展、企业需求的实际情况，同时把传热学作为基础技能贯穿于任务环中，让学生提前对任务环的大体框架有一个较为清晰的了解。同时以任务为核心单位计划和组织教学，在“教中做”，在“做中学”，通过一系列的集体活动或个人活动来开展课程设计，最后对所涉及的全部教学内容进行整合并总结。总之，每一个教学环节都应该紧密相连，从教学设计角度保证课程设计的连贯性，并让学生能够获得最佳的学习效果。
三、课程设计的具体改革步骤
1.改革课程设计的教学大纲
课程设计中的教学目标和任务都是依据教学大纲提出的，而教学大纲中所提出的相关教学要求和教学任务就是开展课程设计的指挥棒，其作用不言而喻。显然，大纲中的这些目标和要求应该能够体现任务教学法的任务设计思想。
通过传热学课程设计这一实践环节，应该让学生掌握换热器设备设计的基本程序和方法，熟悉查阅技术资料、国家技术标准的途径，正确地选用公式和数据，加强工程计算和CAD绘图能力，初步形成工程优化意识，并能运用简洁的文字和工程语言正确表述设计思想和结果，从而培养学生的工程能力和创新能力。笔者在总结以往教改经验的基础上，将教学大纲作为前任务阶段进行改革，根据行业的发展趋势以及学生日后就业的企业需求，为每名学生都构建了不同的设计项目，引导学生自主地参与到任务设计环节中来。当学生对自身任务有了较为明确的认知后，就可以进入任务环阶段了。
2.课程设计题目的设定
在任务环阶段需要学生采用各种方法和手段去完成任务要求。如何能让学生从课程设计中既学到有用的知识和技能，同时又符合传热学课程设计的教学要求，这是课程设计题目设定的最根本原则。考虑到传热学课程设计最多一般也就两周的时间，同时受各种条件的限制，学生到现场测量考察换热器实物的可能性很小。如果设置的课程设计题目过大过深，学生可能会没有时间深入研究任务而只是忙于完成形式上的设计报告。因此，在设计题目的设定上，指导书中会尽量选取学生在学校和日常生活中能接触到的常见换热器类型，同时做到每名学生的初始设计参数都不一样，从而培养学生自主设计的独立工作意识。[7]
3.教学环境的改革
传统的课程设计教学环境已经不能很好地适应新形势下的课程设计教学要求。任务教学法就是要以学生为中心，创新教学模式和教学方法，建立以学生为主体、教师为主导的教学模式，通过组建课程设计小组，激发学生学习兴趣，引导学生通过组内分工、信息资源共享、技术难题攻关、组内讨论、组外交流等多种方式参与到教师的各个教学环节中去，鼓励每一名学生发挥自身特点，积极参与到设计团队的任务中，充分利用学生主观能动性，师生共同营造一个轻松热烈的教学环境。
基于以往的课程设计教学经验，采用灵活的情景式教学比较有利于任务教学法的开展，同时适当结合CDIO（构思、设计、实现、运作）模式等先进教学方法，展开对设计任务的团队讨论及研究模式，注重原理和应用相结合，强化以工程实例为载体的案例教学，将课程设计与工程体系有机结合，强化综合设计和工程实践训练。同时开展专题讨论，强化能力的培养。教学中增加一些专题讨论、工程案例、工程项目研究报告，有助于培养学生分析、解决问题的能力，创新意识和创新能力。
4.评价与考核方式的改革
从学生的长远发展来看，对学生的评价与考核不过是激励他们不断学习和进步的一种手段。既然实践环节的教学目的是侧重提高学生的动手实践能力，那么其评价考核方式就应与传统的理论教学有所区别，针对任务教学法更应如此。
由于任务教学法是以任务作为教学的主线，以学生实践作为中心，以老师作为辅导。因此，在考核方式上也应以学生为主体，以设计任务完成的质量作为考核依据，而不再以最终的课程设计报告作为终结性评价指标。每个学生作为个体既是自己任务的设计者，也是其他同学的“同行”，可以对其他同学的设计进行评价打分，因为学生在一起共同完成课程设计任务的同时，对彼此平时的表现也是最为了解的，这样可以提升评价考核的公平性与透明度，有效促进学生们的学习积极性。
四、结束语
总而言之，任务教学法有效地打破了传统的教学模式，最大限度地发挥了学生学习的积极性和主动性，不仅符合新形势下对高素质工程技术人才培养的需要，同时在教学实践中也取得了良好的教学效果。在教学中，教师要不断地总结实际经验，运用任务教学法，实现传热学课程设计教学效果的不断提高。
参考文献：
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关键词：创客导师；自主成长；专业素质；原则；策略
中图分类号：G451 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）04-0068-04
近几年中国教育信息化进程中最热门的词语莫过于“创客教育”，创客教育经历2012年兴起、2015年的井喷式发展，如今已经成为教育领域新兴力量。教育部《教育信息化“十三五”规划》明确指出，有条件的地方要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新模式中的应用。然而，不可回避的现实是创客导师的缺乏已经严重制约了中国创客教育的发展。教育发展，教师先行！因此，探究创客导师自主成长的策略具有现实意义和理论价值。
一、创客导师的专业素质
1.创客导师
创客教育导师是指具有一定的创客教育专业素质，有能力指导、推动创客教育实施的教师。创客导师不强调教师的专业背景，注重教师的综合素质和能力，强调教师跨学科开展创客教育。
2.创客导师的专业素质
（1）技术素质
创客教育是一种技术性很强的教育模式，创客教育凸显利用现代先进的科学技术培养学生的创新素养。开源硬件（Arduino、树莓派等）、设计工具（PS、3D建模、AutoCAD等）、加工工具（3D打印机、激光切割机等）无不成为创客教育的标配工具。这些技术是信息时代的产物，是先进制造技术的代表，因此，技术素质是创客导师的入门素质。
（2）创客教育课程规划实施素质
当前创客教育实施的最大问题就是缺少课程的支撑，归根结底是当前创客导师还是没有掌握创客教育课程规划、开发和实施的能力。创客导师只有掌握了创客教育课程规划、实施的素质，才能推动校园创客教育的深度发展。
（3）管理素质
教师创客教育管理素质既包括对创客教育课堂的管理，也包括对创客空间的管理和运营。管理的难点在创客空间的运营。2016年7月28日教育部基础教育司负责人表示，装备是教书育人的必要条件，在加大配备力度的同时，要充分把各种装备经常地、全面地用起来，“宁肯用坏、不能放坏”。创客空间作为信息装备密集的地方，管理使用好非常关键。
（4）科研创新素质
创客教育的发展需要理论的研究也要实践的研究，科研创新是创客教育推动的重要力量。创客导师具备科研创新素质才能确保校园创客教育的持续发展。
二、创客导师自主成长的目标及内容设定和实现
创客导师来自不同的学科背景，以信息技术教师居多，专业素质参次不齐。因此创客导师需要根据自己的实际情况，设定自主成长的目标和内容。从学科专业背景来看，信息技术教师可以将利用信息技术促进学科融合能力作为目标，数学教师可以将掌握3D打印技术作为学习目标，物理教师可以将掌握创意电子作为学习目标，美术教师可以将掌握激光切割技术作为学习目标。从创客专业素质缺失的角度来看，如果技术能力较弱，则应以掌握创客教育技术为目标；如果创客教育课程教学能力不足，则应以掌握跨学科教学法为目标；如果对科研创客能力不满意，则应该以如何写高水平论文、做课题研究为目标。从阶段性成长角度来看，开始应该以掌握创客教育技术为目标，熟练之后以提高创客教育实践能力为目标，积累丰富经验后则以创客教育科研创新为目标。
目标和内容是多样化、多层面和分阶段的，但必须是适合自己的，符合自己需求和特|的[1]。目标和内容设定好后，如何落实则摆在首位。创客导师自主成长的过程注定不是一帆风顺的，在缺少业界规范和专家引领的情况下，创客导师需要“守得住追求，耐得住寂寞，顶得住压力”，通过埋头学习、思考和总结，逐渐由不成熟到成熟，由普通教师到专家学者。
三、信息技术环境下创客导师自主成长特征
1.多样化的共享资源
信息技术环境为创客导师的自主成长提供了多样化的共享资源，无论是资源的内容还是资源的形式都具有多样化的特征[2]。创客开放共享精神，让创客教育学习资源触手可得，常见的创客教育资源有教学视频、PPT、电子书、器材使用说明书等，来源的渠道诸如淘宝网、云盘、创客专家的博客等。多样化的共享资源满足教师多层次、个性化的自主发展需求[3]。
2.丰富的学习手段
随着移动互联网技术、移动终端技术、视频传输技术等一系列技术的飞速发展，享受无时不在、随时随地的学习成为可能。信息技术环境为创客导师构建了一个功能强大、覆盖面广的学习工具，譬如创客导师借助iPad、平台电脑进行移动学习，观看教学视频学习创客技术，利用即时通讯工具进行行业交流等等。
3.成果的迅速传播
信息技术环境下知识得以迅速传播，在开源理念下，创客导师的成果作品（自制作品、学生作品、教学案例视频）通过互联网迅速传播和蔓延。这种迅速传播的优势加速了创客教育的发展，也提高了创客导师的影响力。
4.高效的交流协商
创客导师与同行就创客教育的技术、实施、创客空间的管理进行深入而广泛的探讨，并针对创客教育的难题开展讨论和协商[4]。创客导师可以采用线上线下的方式与全国范围的创客教师探讨，譬如猫友会_创客教育QQ群、红棉创客空间微信群、猫友会线下研讨等。
5.广泛的协作学习与研究
不同区域的创客导师能通过互联网同步或异步开展协作学习和研究活动。创客导师通过网络化的协作学习与研究，科学分工，优势互补，提升了学习和实践的能力。协作学习的广泛性还体现在学科领域，具有不同学科背景的创客导师能聚集、融合在一起，开展跨学科的创客教育活动[2]。
四、信息技术环境下创客导师自主成长原则
基于创客导师的专业素质要求和自主成长的特征，我们认为创客导师自主成长要把握好5个原则：自主成长与创客教育的需求相一致的原则、个人成长与学校发展匹配的原则、独立自主与借助外力相结合的原则、埋头学习与探索实践并举的原则、学科专长与多样化技能合理平衡的原则。创客导师处理好以上原则对于自主成长能起到事半功倍的效果。
1.自主成长与创客教育的需求相一致的原则
与创客教育的需求相一致是创客导师自主成长的目标和归宿。创客教育的需求既包括大范围世界性发展需求，也包括小范围内的学校创客教育需求。把握创客教育的发展主流以及校园创客的特色发展，才能够让创客教育走得好，走得下去。因此，创客导师的自主成长要瞄准创客教育的需求。
2.个人成长与学校发展匹配的原则
创客教育发展看学校，学校创客教育的发展是创客教育发展的主要力量。将创客教育纳入到学校发展之中，也就意味着创客导师的个人成长必须与学校发展相匹配。学校的创客教育发展往往是特色发展，带有学校深厚的烙印，创客导师要识时务，将个人成长助力于学校发展。
3.独立自主与借助外力相结合的原则
独立自主与借助外力是一把剑的双刃，两者结合才能发挥作用。当前创客教育导师培训体系还未建立，创客导师的培养还需教师的独立自主成长。但独立成长的弊端也是明显的，容易导致创客导师闭门造车，视野狭窄。因此，一旦有机会创客导师还得出去走走看看，了解别人怎么做，或者请来专家指导自己怎么做。
4.埋头学习c探索实践并举的原则
创客导师自主成长的过程中可能出现的最大问题就是“学了不用，用了没有后续”。创客导师除了要埋头学习掌握自己不擅长的东西，更要时时将所学的内容实践，做到“边学边用”，切不要等到学好了再去实践。大量事实证明，创客教育推进领域，快速行动很重要。
5.学科专长与多样化技能合理平衡的原则
创客导师自主成长过程中，掌握多样化的创客技术非常有必要，但是不能丢掉自己的学科专长。创客教育是信息技术与学科融合的又一主阵地，是体现信息技术应用的优质示范场所。创客导师应合理平衡学科专长与多样化技能，做到个人创客专业素质有特色有内涵。
五、信息技术环境下创客导师自主成长策略
1.找准优势领域做个人成长规划
结合创客教育的特点，我们认为有几个领域可以成为抓手，有竞赛辅导、课题研究、创客设备器材的研发。
（1）竞赛辅导
创客运动的蓬勃发展，得益于各种创客活动的成功举办。教育领域创客文化的培育，需要更多形式、覆盖面更广的创客活动[5]。2016年4月28日，第四届全国中小学机器人教学展评暨首届校园创客作品展活动在海南举办，2016年第十七届全国电脑制作大赛首次将创客项目纳入比赛项目，2016年8月，第二十五届中国儿童青少年计算机表演赛之创客挑战赛在北京航天航空大学举办。校园创客竞赛如星火燎原般兴起，创客导师顺势而为，通过竞赛辅导既能培训学校创客教育氛围，一旦获奖又能为学校带来荣誉，更重要的是能获得学校领导层的支持和学校教师的认可，为个人成长获得持续动力。
（2）课题研究
课题研究是一个集中研究教育教学问题的综合性活动平台，通过课题研究可以快速提高践行创客教育的能力[1]。到目前为止，有关创客教育的课题研究并不多见。如果学校有创客空间的支持，创客导师就可以基于创客教育实践开展课题研究，非常具有实际意义。
（3）创客设备器材的研发
创客设备器材的研发是最具科技含量和最有挑战性的事情，这一般需要一个团队支撑。目前，教师群体中成功实现了创客器材设备研发的教师主要有傅骞教授以及“好好搭搭”的祝良友老师，傅骞教授的团队研发了Mixly开源硬件开发平台，而祝良友老师则实现了好好搭搭开源硬件的商业化运作。
2.充分利用好网络所提供的平台
自信息技术迈入教育教学领域之日起，广大的信息技术工作者便不断向教师普及多媒体等现代教育仪器设备的使用[6]。QQ群、微信、YY直播、社区等平台的出现为创客导师的自主成长提供了全方位的支持。资源的丰富性、使用上的开放性、经济上的优越性、交流互动的便捷性、参与者的广泛性让创客导师足不出户便可以与天南海北的同行交流研讨，汲取大师营养。表1列举全国有广泛影响力的创客教育社群。
3.读书、反思与写作
（1）养成读书的习惯
阅读大量书籍对于创客导师的重要性是不言而喻的，创客教育没有专门的学科背景，对于大多数教师而言是一个全新的领域。多学科、富技术的特点要求创客导师不断学习，扩展视野，更新观念，提高技术。创客导师阅读的书比较多，以计算机编程、网络、单片机技术、模拟电路、数字电路、3D打印为主，大数据、物联网、信息技术应用教学论方面的书也应该涉及。
（2）以写作倒逼反思
反思的习惯和能力是任何一个教师走向成功必不可缺少的精神素养和专业品质。校园创客导师角色众多，任务繁重，往往很难有时间去反思创客教育。写作则可以倒逼创客导师反思，写作的过程既是搜集自己创客教育实践的过程，也是反思的过程。写作为创客教育落地实施积累了第一手素材，同时也源源不断为创客教育的发展提供智慧。
4.构建基于网络的自主发展共同体
所谓创客教育自主发展共同体，是指一个加快创客教师成长成熟、提高创客导师专业素质发展的组织单位，它以自愿、主动交往作为其理论基础，共同参与、平等协商、合作交流、相互帮助、共同提高[6]。群体动力学理论表明，群体内部各成员之间的良好协作能为每个成员带来更多方面的增值。自主发展共同体有以下优势：
（1）共同的愿景提供源源不断的动力
共同的愿景引领着共同体的方向，形成共同体的文化信念和精神支柱。创客教育实践是一个“难以开始，容易结束”的过程，门槛高，难度大，教师如果没有坚定的信念，很容易放弃。共同体成员的相互慰藉、帮助，为创客教育的实施提供源源不断的动力。
（2）共同的实践积累可靠有效的经验
当前创客教育还处于摸索阶段，大量创客导师缺少创客教育实施的方法。基于共同体的实践探究能够增进创客导师的交流学习，为个人经验上升为集体共识提供了平台，为集体共识成为规范标准提供了有效途径。
5.积极外出学习参加培训和研讨活动
已有的研究和实践证明，社临场感有助于降低学习者在线学习过程中的孤独感，提升学习满意度和促进虚拟学习社区的建立[7]。外出学习参加面对面培训能够增强创客导师学习的社会临场感，创客导师在培训体验中加深对创客教育的理解，通过交流互动验证自己的实践正确性。研讨活动也是必须的，研讨活动中往往有创客教育大咖的参与，亲身感受创客教育的演讲、讨论对个人观念的修正往往有颠覆性效果。当然，外出学习需要征得学校的意见，同时安排好调课，在某些时候还必须自己预支付相关费用。
随着我国创客教育的飞速发展，创客导师的需求也越来越多，如何让创客教师成为一名合格的创客导师是摆在创客教育界的问题。创客导师需求的旺盛带来的是机遇，也是挑战。创客教师要迎难而上，选择适合自己快速成长的路径，为创客教育的深入发展做贡献。
参考文献：
[1]许之安.信息技术教师专业成长的途径与方法[J].中国教育信息化，2012（18）.
[2]谢海波.网络环境下促进教师专业发展的模式和策略研究[J].中国电化教育，2011（8）.
[3]杨辉祥.网络资源建设与教师专业化发展[J].电化教育研究，2006（10）：21-22.
[4]马宁，余胜泉.信息时代教师专业素养的新发展[J].中国电化教育，2008（5）：5-7.
[5]杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015（3）.
