突变理论在环境科学研究中的应用论文

突变理论在环境科学研究中的应用论文（精选8篇）

突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇1

突变理论研究的是从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。它指出自然界或人类社会中任何一种运动状态，都有稳定态和非稳定态之分。

突变理论及其应用-突变理论是什么？

什么是突变理论

突变论的诞生，系统内部状态的整体性“突跃”称为突变，其特点是过程连续而结果不连续。突变理论可以被用来认识和预测复杂的系统行为。

“突变”

“突变”一词，法文原意是“灾变”，强调变化过程的间断或突然转换的意思。在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、海啸、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、企业倒闭、经济危机等。

理论研究

突变理论研究的是从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。它指出自然界或人类社会中任何一种运动状态，都有稳定态和非稳定态之分。在微小的偶然扰动因素作用下，仍然能够保持原来状态的是稳定态；而一旦受到微扰就迅速离开原来状态的则是非稳定态，稳定态与非稳定态相互交错。非线性系统从某一个稳定态（平衡态）到另一个稳定态的转化，是以突变形式发生的。突变理论作为研究系统序演化的有力数学工具，能较好地解说和预测自然界和社会上的突然现象，在数学、物理学、化学、生物学、工程技术、社会科学等方面有着广阔的应用前景。

突变理论是用形象的数学模型来描述连续性行动突然中断导致质变的过程，这一理论与混沌理论（ChaosTheory）相关，尽管它们是两个完全独立的理论，但现在突变理论被普遍视作为混沌理论的一部分。

尽管突变理论是一门数学理论，它的核心思想却有助于人们理解系统变化和系统中断。如果系统处于休止状态（也就是说，没有发生变化），它就会趋于获得一种理想的稳定状态，或者说至少处在某种定义的状态范围内。如果系统受到外界变化力量作用，系统起初将试图通过反作用来吸收外界压力。如果可能的话，系统随之将恢复原先的理想状态。如果变化力量过于强大，而不可能被完全吸收的话，突变（CatastrophicChange）就会发生，系统随之进入另一种新的稳定状态，或另一种状态范围。在这一过程中，系统不可能通过连续性的方式回到原来的稳定状态。

试举一例，更为形象地解释这一理论。让人们假想有一只玻璃瓶放在桌面上，它处在一个稳定的状态，没有任何变化，此为稳定平衡（StableEquilibrium）。现在假想用你的手指轻推瓶颈，不要太用力。这时变化产生，玻璃瓶晃动起来，它在通过一种连续性的方式来吸收变化，此为不稳定平衡（UnstableEquilibrium）。如果你停止推力，玻璃瓶将恢复到它的理想稳定状态。然而，如果你继续用力推下去，在你的推力达到一定程度的时候，玻璃瓶便会倒下，由此又进入了一种新的稳定平衡状态。玻璃瓶的状态在这一瞬间就发生了突变，一个非连续性的变化就这样产生了：在玻璃瓶下跌的过程中，没有任何可能的稳定中间状态，直到它完全倒伏在桌面上为止。

Thorn的突变理论意味着，系统变化是通过连续性的和非连续性的两种变化模式来实现的。这一过程与混沌理论相关之处在于，玻璃瓶只存在两种状态――要么站立，要么躺倒。这两种状态也就是可能的结果池（OutcomeBasins），参见：混沌理论。然而，还有一些状态永远不可能被达到，因为它们具有内在的不稳定性。

初等突变

七种初等突变：折迭型突变（FoldCatastrophe）、尖点型突变（CuspCatastrophe）、燕尾型突变（SwallowtailCatastrophe）、蝴蝶型突变（ButterflyCatastrophe）、双曲型脐点（HyperbolicUmbilic）、椭圆型脐点（EllipticUmbilic）和抛物型脐点（ParabolicUmbilic）。突变理论的次级应用研究包括：歧变理论（BifurcationTheory）、非平衡热力学（NonequilibriumThermodynamics）、奇点理论（SingularityTheory）、协同论（Synergetics）及拓扑热力学（TopologicalDynamics）等。

理论起源

现在被视为混沌理论（ChaosTheory）一部分的突变理论，起源于20世纪60年代末。1972年，法国数学家发表著作对这一理论进行了独立且系统的阐述。他的这部著作名为：《结构稳定性和形态发生学》（StructuralStabilityandMorphogenesis），Thom希望能够籍此预测复杂无序的系统变化行为。

许多年来，自然界许多事物的连续的、渐变的、平滑的运动变化过程，都可以用微积分的方法给以圆满解决。例如，地球绕着太阳旋转，有规律地周而复始地连续不断进行，使人能及其精确地预测未来的运动状态，这就需要运用经典的微积分来描述。但是，自然界和社会现象中，还有许多突变和飞跃的过程，飞越造成的不连续性把系统的行为空间变成不可微的，微积分就无法解决。例如，水突然沸腾，冰突然融化，火山爆发，某地突然地震，房屋突然倒塌，病人突然死亡。

这种由渐变、量变发展为突变、质变的过程，就是突变现象，微积分是不能描述的。以前科学家在研究这类突变现象时遇到了各式各样的困难，其中主要困难就是缺乏恰当的数学工具来提供描述它们的数学模型。那么，有没有可能建立一种关于突变现象的一般性数学理论来描述各种飞跃和不连续过程呢？这迫使数学家进一步研究描述突变理论的飞跃过程，研究不连续性现象的数学理论。1972年法国数学家勒内・托姆在《结构稳定性和形态发生学》一书中，明确地阐明了突变理论，宣告了突变理论的诞生。

基本内容

突变理论主要以拓扑学为工具，以结构稳定性理论为基础，提出了一条新的判别突变、飞跃的原则：在严格控制条件下，如果质变中经历的中间过渡态是稳定的，那么它就是一个渐变过程。比如拆一堵墙，如果从上面开始一块块地把砖头拆下来，整个过程就是结构稳定的渐变过程。如果从底脚开始拆墙，拆到一定程度，就会破坏墙的结构稳定性，墙就会哗啦一声，倒塌下来。这种结构不稳定性就是突变、飞跃过程。又如社会变革，从封建社会过渡到资本主义社会，法国大革命采用暴力来实现，而日本的明治维新就是采用一系列改革，以渐变方式来实现。对于这种结构的稳定与不稳定现象，突变理论用势函数的洼存在表示稳定，用洼取消表示不稳定，并有自己的一套运算方法。例如，一个小球在洼底部时是稳定的，如果把它放在突起顶端时是不稳定的，小球就会从顶端处，不稳定滚下去，往新洼地过渡，事物就发生突变；当小球在新洼地底处，又开始新的稳定，所以势函数的洼存在与消失是判断事物的稳定性与不稳定性、渐变与突变过程的根据。托姆的突变理论，就是用数学工具描述系统状态的飞跃，给出系统处于稳定态的参数区域，参数变化时，系统状态也随着变化，当参数通过某些特定位置时，状态就会发生突变。

突变理论提出一系列数学模型，用以解释自然界和社会现象中所发生的不连续的变化过程，描述各种现象为何从形态的一种形式突然地飞跃到根本不同的另一种形式。如岩石的破裂，桥梁的断裂，细胞的分裂，胚胎的变异，市场的破坏以及社会结构的激变……。按照突变理论，自然界和社会现象中的大量的不连续事件，可以由某些特定的几何形状来表示。托姆指出，发生在三维空间和一维空间的四个因子控制下的突变，有七种突变类型：折迭突变、尖顶突变、燕尾突变、蝴蝶突变、双曲脐突变、椭圆脐形突变以及抛物脐形突变。

例如，用大拇指和中指夹持一段有弹性的钢丝，使其向上弯曲，然后再用力压钢丝使其变形，当达到一定程度时，钢丝会突然向下弯曲，并失去弹性。这就是生活中常见的一种突变现象，它有两个稳定状态：上弯和下弯，状态由两个参数决定，一个是手指夹持的力（水平方向），一个是钢丝的压力（垂直方向），可用尖顶突变来描述。尖顶突变和蝴蝶突变是几种质态之间能够进行可逆转的模型。自然界还有些过程是不可逆的，比如死亡是一种突变，活人可以变成死人，反过来却不行。这一类过程可以用折迭突变、燕尾突变等时函数最高奇次的模型来描述。所以，突变理论是用形象而精确的得数学模型来描述质量互变过程。

英国数学家奇曼教授称突变理论是“数学界的一项智力革命――微积分后最重要的发现”。他还组成一个研究团体，悉心研究，扩展应用。短短几年，论文已有四百多篇，可成为盛极一时，托姆为此成就而荣获当前国际数学界的最高奖――菲尔兹奖。

理论步骤

突变理论广泛应用于变革管理和组织发展领域。有一种变化形式是平滑的、持续的和递增的。业务流程改进的一系列创意多遵循这一变化模式，例如改善（Kaizen）、全面质量管理（TotalQualityManagement）及六西格玛（SixSigma）。用突变理论术语来说，就是一种基于现有稳定界面的的预设变化。

还有一种变化形式则是灾难性的、突发的、激进的，彻底背离变化前的状态。这种变化结果往往是业务流程重组（BusinessProcessReengineering）这类剧烈的变革行为造成的。这种类型的变化是“非连续的”，用突变理论术语来说，它是全新定义另一个稳定状态的突变。

因此，“真正的”的变化更类似于企业流程重组这样的剧烈变革，此外，当然也还有简单的变革，采用什么样的变革取决于具体问题的需要。变革专家所面对的挑战正在于此，他们必须能够决定何时需要激进变革，而何时又该执行渐进变革。做出正确选择并不容易，因为激进变革必然导致组织经历一段时期的“混乱无序”，在此之后，新的稳定状态才能被发现和定义下来。这就得用到变革管理中的融冻法（Unfreezing/FreezingMethod）。有些情况下，组织会被强加以激进变革。而且，现实中可能根本就不存在那么一条“从哪里来，到哪里去”的清晰路径，引领组织持续渐进变革。在这种情况下，假设的变革路线也就毫无意义。

理论优势

1、突变理论有助于认识变革管理的真实面貌、理解混沌理论的思想观点。它揭示了为什么真正的变革是一项危险活动。

2、突变理论打断了“组织能够基于多样化的价值频谱表现出各种形态”的念头，大概只存在几个有限的真正意义上的稳定组织形态。

3、突变理论同样揭示了为什么变革不可以被“管理”，而只能被“影响”。

4、理论应付“形式”形式的思想（Gestalt格式塔理论）和变动。它开创了认识组织的新视角。

局限性

1、从认识组织行为的角度来看，托姆的研究工作的意义目前更多地体现在定性分析上，而非定量分析。

2、即便是预测最简单的系统行为，仍然具有挑战性。

3、考虑到研究的时间限，所以一切都不是“突变”，只是多种因素的积累效应在某一刻凸显时被研究者所捕捉。

4、托姆的研究工作未能涉及具有多个（5个以上）重要变量的复杂系统，也许根本就不可能对复杂系统（或组织）行为进行预测。

突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇2

随着国民经济持续较快增长, 电力需求也将维持在较高增长水平。与发展机会相对应的是电力企业发展的困境, 表现在价格体系、快速发展和资金短缺的矛盾等方面, 因此, 企业需要进行经营变革来面对未来激烈的竞争环境, 而经营效果如何就需要建立科学的经营指标评价体系。为了更好地处理指标的不确定性和模糊性, 尽量减少在决策过程中主观因素的影响, 本文通过建立模糊层次分析模型, 对影响电力企业经营绩效的因素进行分析, 并且利用突变理论对指标体系进行分析评价。

二、突变理论基本原理

突变理论是由法国数学家Rene Thom在20世纪70年代提出, Zeeman等人进一步发展, 并把它应用到物理学、生物学、生态学、医学、经济学和社会学等各个方面, 产生了很大影响。突变理论主要用以研究系统初等函数的突变现象, 其基本原理是根据势函数将其临界点分成几类, 然后研究各个临界点附近的非连续性变化特征。

Rene Thom证明了初等突变的基本类型主要由控制变量的个数r决定:当r≤4时, 只有折迭、尖点、燕尾、蝴蝶、椭圆、双曲、抛物型7种基本的突变模型和相应的势函数形式。常见的基本突变类型见表1, f (x) 表示一个系统的以x为状态变量的势函数;x, y为状态变量, 表示系统的行为状态;u、v、w、t为控制变量, 表示影响行为状态的因素。

三、基于突变理论的基本评价步骤

突变评价法是在突变理论基础上发展起来的一种综合评价方法。这种方法综合了层次分析法、模糊评价法和效用函数法的优点, 将系统内部各控制变量不同的质态, 化为同一种可比较的质态, 通过对分歧集的归—化处理, 最后得到总突变隶属函数值, 然后进行综合评价。主要步骤如下:

(一) 建立评价指标体系

根据评价目的, 对评价目标进行多层次目标分组, 当分解进行到能够获得具体量化的下层子指标时, 停止分解。因为—般突变系数某状态变量的控制变量不超过4个, 所以相应的各层控制变量也不应超过4个。

(二) 确定指标值并对原始数据进行标准化处理

根据指标体系确定评价指标值, 由于在归一公式中, 各控制变量原始数据的取值范围和度量单位不同, 它们之间无进行相互比较, 所以在使用归一公式之前, 需要将原始数据进行标准化处理, 将数据转换为0-1的突变级数。指标标准化过程包括指标类型的一致化和数据的无量纲化。

(三) 按基于突变理论的归一公式进行量化递归计算, 得到系统的总的突变隶属函数值

利用突变理论进行模糊综合评价时, 要考虑“互补”和“非互补”原则。若系统的控制变量不存在明显的相互关联作用, 则应按“大中取小”的“非互补”原则计算;反之, 则遵循“互补”原则, 取平均值作为系统状态变量的值。

(四) 综合评价

对各评价对象按其总评价的大小进行优劣排序, 最终的突变隶属函数值越大越优。

四、实证研究

本研究选取国电电力、申能股份、长江电力3家企业作为分析评价样本, 对它们2009年的绩效指标进行评估, 将突变评价理论应用其中, 分析验证该方法的有效性。

(一) 绩效实证评价体系

根据前文步骤, 建立以下绩效评价体系:

盈利能力A:净资产收益率A1、总资产报酬率A2、销售净利率A3。

发展和创新能力B:主营业务增长率B1、净利润增长率B2、净资产增长率B3、总资产投资扩张率B4。

企业创新能力C:总资产周转率C1、净资产周转率C2、应收账款周转率C3。

偿债能力D:资产负债率D1、速动比率D2。

(二) 确定指标值并对数据进行标准化处理

基于上述指标体系, 选取3家企业2009年度公布数据, 具体指标值如下:

综合评价数据的无量纲化处理。我们这里采用对指标值均为正向指标, 转换时选用x/xmax来消除量纲的影响。标准化数据如表4所示。

(三) 根据归一公式求出各递阶层模糊隶属函数

利用归一公式由下向上逐步综合, 得到最终的评价指标。具体计算结果如下表所示。

根据归一公式逐层递归运算, 求出总的突变隶属函数值。第一层指标无明显关联性, 按“非互补”原则进行选择, 如表5所示。

(四) 突变综合评价

根据总突变隶属函数值排序, 长江电力>国电电力>申能股份。因此, 基于突变理论的绩效评价结果为:长江电力是绩效指标最好的电力企业。

五、结论

电力企业绩效评价是一个多准则决策问题。本文采用突变理论结合模糊层次分析的方法进行决策, 对各个评价要素按其重要程度进行排序, 摆脱了主观权重对状态评估结果的影响, 较好地处理了底层指标的初始隶属度问题, 同时应用突变理论容易实现定性与定量指标相结合, 计算与实施更加简单。

摘要：本文将突变理论应用于电力企业绩效评价过程中, 通过介绍突变理论的基本原理, 结合电力企业的经营特点建立了绩效指标体系并对其进行综合评价。研究结果表明, 突变模型克服了经营指标的多目标性和不确定性问题, 可减少传统方法主观评价所引起的误差影响。

关键词：突变理论,电力企业,经营指标评价

参考文献

[1]Rene Thom著, 周仲良译.突变论:思想及应用[M].上海:上海译文出版社, 1989.

[2]ZeemanEC.Catastrophetheory:Selected Papers (1972-1977) [J].Addson-Weskey, Reading, Massachusetts, 1977.

[3]凌复华.突变理论及其应用[M].上海:上海交通大学出版社, 1987.

[4]张冰等.基于突变理论的舰船发电机组运行状态评价[J].中国造船, 2009 (2) .

突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇3

摘 要:设计信息时代新型的学习环境对提高学生的学习兴趣和学习效果有很重要的意义。本文主要从沉浸理论出发,通过对现有虚拟学习环境的分析,明确虚拟学习环境的特点和要素。并以沉浸理论为指导,提出虚拟学习环境系统的关键要素,从沉浸调整的角度对虚拟学习环境的设计提出了一些策略和建议。

关键词:沉浸理论 虚拟学习环境 沉浸调整

中图分类号:G434文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)17-0069-04

一、引言

在教育技术的发展历程中,对于教与学的看法,经历了早期硬件设备的充实、强调学习者内在认知历程的分析,到近年来转向重视学习环境的设计这样一个过程。现代教育更加注重培养学生的全面发展,培养学生在社会和生活中解决实际问题的能力。正如国内著名未来教育专家桑新民教授指出:信息时代新型学习与教学模式的探索中,必须把“三个世界”(经验世界,语言文字世界,虚拟现实世界)的学习经验整合起来,促成三者的有机结合。在以往的教育中,学生始终生活在两个世界的学习时空环境中,也就是我们所批评的理论脱离实际。当代信息技术正在创造出前所未有的虚拟现实世界,这第三个世界应该成为沟通前两个世界的重要桥梁。他还强调:优秀教师之所以教得好,关键在于不仅能让学生学起来、学进去,而且能使学生学出兴趣、学出滋味,学得生动、活泼、主动。教师在教学设计过程中不能只设计知识结构和讲授结构,而且应该设计学生的学习活动和学习环境。[1]由此可见,学生学得有兴趣、生动,情境学习,虚拟学习环境设计等这些关键词汇在当前的教育技术的发展研究中具有比较重要的意义。

二、虚拟学习环境设计的理论基础

前面引言中提到的教育技术专家关心的“学生学出兴趣,学出滋味”,其实质是学习者对学习很感兴趣,集中注意力,完全沉浸在学习之中,因此学习也很主动。这种学习者沉浸在学习背后的心理学理论支持就是沉浸理论。

1.沉浸理论的提出

沉浸理论(Flow Theory)于1975年由国际著名专家Mihaly Csikszentmihalyi首次提出,解释当人们在进行某些日常活动时为何会完全投入情境当中,集中注意力,并且过滤掉所有不相关的知觉,进入一种沉浸的状态。之后陆续有学者进行相关的沉浸行为研究并修正其定义,以期更能符合沉浸状态的描述。[2]

早期沉浸理论指出,挑战与技巧是影响沉浸的主要因素。若挑战太高,使用者对环境会缺少控制能力,而产生焦虑或挫折感;反之,挑战太低,使用者会觉得无聊而失去兴趣,沉浸状态主要发生在两者平衡的情况下。而1985年Massimini发现当挑战与技巧必须在一定的程度上,沉浸经验才有可能发生,两者均较低时,使用者的心态为冷漠;两者均较高时,沉浸体验最可能发生。沉浸理论示意如图1所示。后续的研究则开始着重讨论沉浸经验带来的自我肯定,促使学习者的后续学习行为;也有一些学者深入研究了沉浸体验的要素和沉浸体验发生的各种外部条件,提出精心设计的活动和时空安排有助于沉浸体验的发生。[3][4]

随着计算机科技的发展,沉浸理论延伸至人机互动的讨论,Webster等人视这种互动具游戏和探索的特质。Ghani和Deshpande(1994 )以人机互动对工作的影响进行研究,提出两个沉浸的主要特征:在活动中完全专注和活动中被引导出来的心理享受。[5]随着沉浸理论的不断发展,现今已经广泛应用于人机互动环境下的行为及心理的讨论上,其中也包括沉浸理论与e-Learning等,当然虚拟学习环境的设计也属于研究和应用的范围。

2.沉浸理论对虚拟学习环境设计提供了理论指导

虚拟现实技术(Virtual Reality Technology,简称VRT),即通过各种技术虚拟出不存在的或存在的事物和环境,让人感觉就如真实的一样。[6]它综合了对视觉、听觉、触觉、运动觉、体觉等感官认知模式的模拟,隔绝真实世界的信息,使人与计算机生成的环境融为一体,让使用者仿佛置身于电脑虚构的空间,感知其中的事物并能与虚构世界的人物、环境进行交流互动,从而产生亲临真实环境的感受和体验。[7]

以虚拟现实技术支持的虚拟学习环境一方面能很好地解决现行教育模式理论脱离实际的教育问题,因为虚拟现实世界成为沟通经验世界和语言文字世界的重要桥梁。另一方面,以虚拟现实技术支持虚拟学习环境的构建能使学生学出兴趣、滋味,学得生动、主动。在学习中,为学习者提供虚拟情境以缩短心智表征与实际现象间的差距;借着动画、声光的设计,激发学习动机。当学习者在学习过程中面对一些较难理解的复杂概念时,教师可以利用计算机,仿真出实际情况,帮助他们去理解,从而激发学习者的兴趣。学习者通过在虚拟学习环境中的学习体验来完成相应的学习任务,从而使学习者本人实现相关知识的建构。由此可见,虚拟学习环境中的情境化学习让学习者在虚拟的情境中学习知识与技能,这种情境反映了知识在真实生活情境中的应用方式与虚拟的情境结合,这样有利于把“三个世界”的学习经验整合起来,促成三者的有机结合。虚拟学习环境为学生实现沉浸式的学习提供了条件;沉浸理论为对虚拟学习环境设计提供了理论指导。

三、沉浸理论指导下的虚拟学习环境设计

在虚拟学习环境的设计中,如果能有效地应用沉浸理论,实施沉浸式的教与学,对于提高学习效果以及学生的全面发展大有帮助。它能更有效地使知识内容转化为学生的认知结构、个性品质、社会行为等。那么在虚拟学习环境中如何运用沉浸理论指导虚拟学习环境要素的设计?如何让不同的学生都能达到最佳的学习状态,获得忘我的体验?

1.虚拟学习环境设计理念

沉浸理论指导下的虚拟学习环境的设计旨在为学习者创设最优化的学习环境,使学习者能完全沉浸在所学内容中,取得最高的学习效率。虚拟环境下的学习是围绕一定的课题或任务展开的,学习者通过阅读学习材料、查阅相关资料、与其他学习者讨论等活动获取知识。这样的学习形式决定了虚拟环境下的学习是以“学”为主的学习活动,适宜于采用建构主义的教学模式。

教学设计专家David H. Jonassen提出了一种建构主义学习环境的设计模式,认为学习环境的设计主要包括问题(含疑问、项目、个案等)、相关的个案或实例、信息资源、认知工具、会话与协作工具以及社会/背景支持。[8]因此在虚拟学习环境的设计中,要特别注意为学习者创设贴近真实情境的问题,并提供丰富的实例。为了让学习者始终处于沉浸状态,学习环境系统需要根据学习者的现有水平提出有挑战性的任务,并根据学习者的学习情况,实时做出反馈与调整。

2.虚拟学习环境系统关键要素的设计

沉浸理论指导下虚拟学习活动发生在体现真实情境的一系列场景中,学习者作为场景中的角色感知、观察、判断现场环境,参与到练习群体共同的真实活动体验之中。通过从环境中获取行为效果的反馈,再继续感知、判断环境,调整自己的行为等,学习者在一系列场景中的活动就构成自己的学习过程。[9]在这个学习过程中真实情境、活动体验、反馈、学习者自我控制等是虚拟学习环境设计的关键要素。虚拟学习环境的设计者通过在线的学习测试来反复调节学习环境的设计,以求达到可以让学习者进入沉浸状态的过程。这一循环的过程由以下四个关键的元素构成,如图2所示。

(1)学习者数据系统

学习者是虚拟学习环境里的主体,学习者通过具体的学习活动来获得学习体验,每一次具体的经历可能由不同场景、不同活动组成。经过精心设计的学习环境和过程,其特殊、典型的场景和场景中的活动需要提炼、组织、设计。因为虚拟学习环境需要对学习者的学习过程、学习内容、学习兴趣等数据有一个记载和发掘。例如,虚拟学习环境数据系统可以发掘出一个学习者在虚拟学习环境的系统中一段时间内经常访问的学习内容,学习的难度水平是维持在一个水平还是不断得到提高,每次学习的时间长度等数据来判断这个学习者是否处于学习的沉浸状态。

(2)学习监视系统

从学习者学习的数据当中挑选能够反应学习者沉浸状态的数据,并送入分析系统。监视的目的是为了了解学习者的学习沉浸现状,实现及时的反馈,以调整学习者的学习沉浸状态。虚拟学习环境的监视原理可以理解为监视系统需要对在线的学习过程采取关键词特征定义。例如学习者对某一学习内容的兴趣就可以用他对该学习内容关键词的兴趣来表示。学习者对某一学习内容访问的次数越多,距访问时间越近,则用户对该学习内容的兴趣度越高。也就是说虚拟学习系统对学习兴趣的监视可以从访问次数和最近访问时间等指标出发。

(3)学习分析系统

分析学习者的沉浸状态并反馈给虚拟学习系统进行相应的调整变动。学习者在虚拟学习环境中通过参与和体验学习活动和任务来学习知识和技能。如果学习者的数据显示学习的效果不明显,学习时间逐渐缩短,学习的频率逐渐减少说明学习者学习的挑战难度太高。这个时候学习者对学习环境会缺少控制能力,如果不进行适时的调整,就会产生焦虑或挫折感,逐渐对学习失去兴趣。虚拟学习系统根据学习者的学习数据进行分析,随时了解学习者的学习沉浸情况。

因此,学习活动的任务难度设计要符合“最近发展区”的要求,不能过于简单,缺乏挑战性,也不能超出学习者的能力范围,让他们有受挫而产生的焦虑。任务难度应是学习者通过自己的努力思考与探索,或在学习支持的帮助下完成。

(4)反馈控制系统

虚拟学习环境系统响应分析系统的请求对学习者学习的沉浸性进行变动。通过系统的反馈来改善学习者的学习体验。学习者在环境中操作越多、反馈越多,愉悦感就越高。这是学习者在游戏中获得愉快体验的重要方面,也是学习者发生沉浸学习的重要原因。因为对于反馈的需求是人的一种渴望,它是天生的,只有不断得到反馈,人才能不断反思、不断领悟、不断进步。另外,操作与反馈的设计也需要达到一种平衡状态,如果操作多而反馈少,学习者会觉得单调乏味,像是单纯的网页浏览行为;操作少而反馈多,学习者又会陷入被动的境地,觉得像在看电影,也不会增加学习活动的可玩度和参与性。[10]

3.虚拟学习环境系统设计的策略

(1)在虚拟学习环境中扩大沉浸区域

在图3当中,曲线代表了一个学习者在一段学习过程中实际获得的体验。这些学习体验当中的某个特定部分可能会让这个学习者感到比自己的预期更难或更容易,不过对于这些情况他仍然可以适应,于是他的沉浸体验便可以维持在“沉浸区域”当中,也就是图中阴影部分的区域。如果实际获得的体验远离了“沉浸区域”,那么负面的精神效应——焦虑、厌倦便会打断学习者的沉浸体验。[11]

在虚拟环境的学习过程中,一个关键的问题就是如何让学习者保持沉浸状态并最终完成学习。要想扩大学习的“沉浸区域”, 虚拟学习环境的设计应给予沉浸性以更广的变化。一方面,从极简单的任务到很复杂的解题,学习应该可以让不同类型的学习者在沉浸的过程中不断地挑战适度的难度。这些不同的沉浸性选项应该可以被学习者所感知,从而让学习者可以在学习开始时找到适合自己的学习体验并投入其中。另一方面,虚拟学习环境要让学习者带着情感进入学习。在活动中个体身份与角色的确定会让学习者形成强烈的责任感,在与他人的交流、协作甚至竞争中都会产生人与人之间交往的认同感,这都是沉浸学习发生的很重要条件。[12]

(2)虚拟学习环境中构建适应不同学习者的个性化沉浸

学习者不是像一张白纸一样进入情境,而是以他们自己的需要去学习的。不同学习者的学习风格、认知习惯、情感结构、已有的经历等也不一样,从而生成自己对事物的情感感受、领悟和意义也不一样。由此可见,沉浸式学习的过程是因人而异的、个性化的,对同一个事物,不同的人形成了不同的感受、经验。在学习中每个人的沉浸区域也各不相同。因此,在虚拟学习环境中需要构建适应不同学习者的沉浸区域。创造动态的沉浸系统的基本原理如图4所示。

首先由学习者的学习特征数据提取模块来提取学习者感兴趣的学习内容、学习时间、学习难易程度等特征信息。活动特征提取模块实现是根据学习者对虚拟学习环境中的学习资源的浏览和学习活动的参与等相关反馈,来提取学习者的学习沉浸特征信息,把这些特征信息保存在学习者个性特征库中并及时跟踪和更新。虚拟学习环境的分析系统过滤个性化特征信息实现对学习沉浸特征的过滤,最后由个性化推荐模块根据过滤结果分别来实现学习者个性化推荐服务和个性化动态的沉浸调整。

(3)在虚拟学习环境中创造主动的沉浸系统

上面提出的系统构建适应不同学习者的沉浸区域策略是基于学习者的数据分析为基础的,是以学习者为出发点进行沉浸调整的。这种调整通常称为被动调整。在虚拟学习环境设计过程中如果我们可以给学习者在线学习的选择的权利,让学习者在虚拟学习环境当中定制自己的沉浸体验,为自己的沉浸体验导航,就可以实现主动的沉浸。虚拟学习系统的被动沉浸调整和主动沉浸调整各有优势,被动沉浸调整针对性强,而系统的主动沉浸调整则给学习者更多的选择,减少被动沉浸调整的需求。为了解释这样一个适应不同学习者的虚拟学习环境,可以把虚拟学习环境比喻为一个有着宽幅活动且适合不同类型学习者的大水池。因为学习者各自的口味不同,他们将会在游戏里做出各自不同的选择,并以不同的步调来展开他们的学习。学习者可以在虚拟学习环境中自由选择和定制自己的沉浸体验了。

四、结束语

在虚拟学习环境的设计过程中,可以设计大量的学习活动来为主动沉浸调整创造条件。为使每一位学习者都能愉快地体验活动,学习活动设计有结构,难易有层次,学习者可自由选择适合自己的任务难度等级。并且每一项活动都有明确的目标,清晰的行为标准,自适应的内在反馈,学习者通过自我的调控能不断地看到自己逐步接近目标的过程。

参考文献:

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[11]Flow in Games游戏中的沉浸.[DB/OL]http://indie-g.com/main/?q=node/28

突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇4

摘要：本文主要采用微观经济学理论中的“边际效用理论”去分析教学当中的一些效果递减现象，因此采取相应的措施去提高课堂教学效果，全面提高人才培养的素质。

关键词：微观经济学;边际效用;教学效果

在当今教育时代，教育实行产业化，那么课堂教学中的教学是一种知识性输出，也是一种商品。因此，经济学一些理论也适用于课堂教学中。本文试图把经济学中的边际效用理论应用于课堂教学中，以提高教学效果。

根据微观经济学中的解释：效用指商品满足人的欲望的能力，或消费者在消费商品时所感受到的满足程度。 边际效用(Marginal Utility)指消费者在一定时间内增加一个单位商品消费所得到的效用量的增量。边际效用递减规律(Law of Diminishing Marginal Utility)说的是：在一定时间内，在其它商品的消费数量保持不变的条件下，消费者从某种商品连续增加的每一消费单位中所得到的效用增量，即边际效用，是递减的。

认为边际效用递减规律成立的学派，用两个理由来支持他们的论断。

一是从人的生理和心理的角度来进行解释，认为随着相同消费品的连续增加，从每一单位消费品中所感受到的满足程度和对重复刺激的反应程度是递减的。

二是从商品的多用途的角度来进行解释，认为消费者总是将第一单位的消费品用在最重要的用途上，第二单位的消费品用在次重要的用途上，如此等等。这样，消费品的边际效用，就随消费品的用途重要性的递减而递减。

在我们一次完整的课堂教学环节中，既包括教师传递信息、传授知识、培养能力，提供精神领域的产品和服务，也包括学生接收信息、接受知识、获得能力。“消费”教师所提供的产品和精神服务，在这种“消费”中同样存在着边际效用递减现象。对这一现象的分析及其对策的探讨，有助于提高教师的课堂教学效果。

(一)、知识(信息)的边际效用递减现象。

学生通过听课获得知识(信息)的“消费” 。当走进课堂，求知获得精神享受及今后生存的知识资本，也就是获得了正效用。教师的授课水平越高，学生对知识的效用评价越高，学习的劲头也就越足。然而，现实中，尽管教师的教学态度认真，尽职尽责。但教师在课堂上的无效劳动太多，提供的心理刺激太少。很多课程教学效果不尽如人意。一方面学生反映教师不会讲，水平低;另一方面，教师反映学生上课注意力不集中，接受能力差，学习不积极、不主动等。其中一条重要的原因就在于学生“消费”教师提供的知识(信息)的边际效用递减。单调枯燥的教学内容及僵化的教学方式，常常导致课堂气氛沉闷，教与学双方均事与愿违。

(二)、表扬的边际效用递减现象。

教师在教学中有时采取表扬的手段，以鼓励先进，鞭策落后，激发学生的学习积极性。接受表扬信息的学生，从心理上获得一定的满足感，因为首次获得。其边际效用值都比较高，动力比较大。但是如果其连续或多次地受到同类的表扬，他所产生的满足感将呈现递减现象。这种表扬对其刺激或激发效果将会下降，被表扬者甚至会陷人对表扬的盲目状态，且未受表扬者向先进看齐、向先进学习的劲头也有可能锐减，直至反感。

(三)、批评的边际效用递减现象。

批评的信息给学生带来的是负效用，受到批评的学生心理上将有一种痛苦感。第一次接受批评的学生的印象最深，痛苦感最大，学生也许会因此下决心改变原来不符合要求的行为。当该生又一次受到教师的同类批评时，第二次批评带来的痛苦感似乎不如第一次深刻。如果该生多次受到批评，那么批评的边际效用就将呈现出递减现象，痛苦感会越来越轻，最后学生对批评几乎毫无感觉。另一方面，当教师的批评屡次无效时，会有碍于课堂良好心理气氛的形成。也有碍于教师人格威望的保持，以致难以提高课堂教学效果。

(四)、情境的边际效用递减现象。

学生在特定的教学情境中，会“消费” 各种行为和活动.也包括对情境自身的“消费” ，即情境自身也使成员产生满足感或效用教学情境由“硬件” 和“软件” 构成。“硬件”包括教学环境、教学设施;“软件”包括教学的相关规定、教师的授课方式与人格魅力、学生的学习氛围与道德规范等。学生对趣味低下，缺乏活力的情境的“消费” 也会产生边际效用递减现象。

解决课堂数学中边际效用递减现象的关键是提高数学效果实践证明趣味性教学、启发式教学、参与式教学，都可大大提高课堂教学的边际效用值。

针对教学中的教学效果的边际效用递减现象，我们可以从以下几个方面着手提高教学效果。

(一)、合理有效地安排课堂教学，可起到不可低估的“润滑剂”和“催化剂”作用;更新教育观念，提高教师自身的理论素质和业务素质;丰富教学形式。针对教材内容，适时地更替不同授课方式;设计不同教学方案，充分运用现代教学手段如教具、挂图、幻灯、投影、录像、音响设计等，给学生多方位刺激;增大教学容量与密度，提高教学效率和课堂教学的边际效用值。

(二)、巧用表扬。表扬的使用要因人而异。注意表扬时机及适当的表扬角度。使表扬对每个学生都具有强大的吸引力、鞭策力，使表扬的边际效用值呈现递增态势。善于表扬。教师深入了解学生，善于捕捉学生身上的闪光点，巧妙地加以表扬;及时表扬对学生应该表扬地行为，教师应及时地表扬，以强化刺激;若时过境迁才表扬，学生会莫名其妙。表扬也就不能达到应有的效用;乐于表扬。对学生的表扬应是教师发自内心爱护学生的体现，要注意学生的年龄特点和心理特征，不能老以成年人的眼光看待学生的行为缺陷，应乐于表扬学生;表扬要有针对性，不能盲目和随意。学生学习上取得进步，就应就其学习能力表扬，是纪律上改正了缺点，就应对其自律性进行表扬，如此才能起到强化边际效用的增加值的`作用，反之会冲淡效果;注意表扬方式，选择合适的强化物，是口头表扬还是以光荣榜的形式写出来。是当众表扬还是单独谈话时称赞，是精神表扬还是物质奖励。不同的学生对表扬与奖励的反应不同，应因人因时因地采取不同的表扬方式。

(三)、慎用批评。由于学生对第一次批评反应强烈，因此教师应该谨慎地使用第一次批评，以免严重挫伤学生的自尊心和自信心，导致适得其反的效果。为提高批评效果，可从以下几个方面着手：先赞扬后批评，这种方法特别适用于个性倔强的学生;选择恰当的时机和场合进行批评，尽可能避免在大庭广众面前指名道姓地批评学生;批评的方式应因人而异，对不同个性的学生要采取不同的批评方法。批评时要巧用幽默、轻松、温和、含蓄的语气，让学生心情舒畅地接受批评，克服因受批评而带来的负效用。

(四)、改善教学情境。

学生在课堂教学情境中所发生的种种心理现象及主观感受会直接导致边际效用值的增减变化。一方面，要求教师废除千篇 一律的我讲你听的课堂教学模式，给学生参与、表现的机会，激活课堂气氛。另一方面，教师应善于给枯燥的课堂增加乐趣，善于从平常的生活现象出发，将教学内容融入其中，把干巴巴的理论讲活，打消学生对获知的厌烦心理和畏惧情绪。同时要求教师为人师表，既教书又育人，以自身扎实的知识功底与广博的知识层面感染学生，激发学生的学习动机、及时纠正课堂教学中存在的消极心理倾向，克服负面效应的产生，促进课堂良好心理氛围的形成，把课堂变成师生的精神乐园，达到授课的最高境界。(作者单位：丽江师范高等专科学校)

参考文献：

突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇5

作为现代管理科学主要三大学派之一的行为科学自20世纪40年代末诞生以来，给美国、日本、瑞典、中国等很多国家的企业的发展奠定了良好的以人为中心的管理理论基础。高校社团作为一个组织，需要建立良好的管理理念、营造和谐的团队氛围，行为科学理论可以给高校社团的管理提供一个科学的方法，以促进高校社团健康迅速地发展。

一、行为科学的概念和理论基础

对于行为科学的概念，国内外各学术界(如社会学界、心理学界、管理学界等)有不同的解释，综合起来主要分广义行为科学和狭义行为科学。广义行为科学是指运用科学的方法研究自然和社会环境中人类行为规律的学科群。狭义的行为科学是指以人为核心的现代管理科学，它应用行为科学的原理与方法研究人在工作环境中的行为规律，包括研究组织中的个体行为、群体行为、领导行为和组织行为，其目的在于提高管理的有效性。行为科学的主要理论基础是心理学、社会学和人类学这三门学科的基本原理，此外，经济学、法学、伦理学的知识对行为科学理论体系的形成也有重要贡献，它们也是行为科学的基础学科，而哲学是基础中的基础。

二、行为科学理论的基本原理

行为科学注重研究人力资源因素对组织的影响，强调人的需要、动机、认知、情绪、态度、群体关系、领导行为、组织结构以及环境对行为的影响。

行为科学的主要原理为：产生行为的直接原因是动机，而产生动机的原因，一是内在条件，即需要，二是外部条件，即外部的刺激，当外部条件不变时，内在的需要是产生动机的根本原因；根据需要动机理论，在设计组织的目标时充分考虑成员的需要，把组织利益同个人利益结合起来，激发动机，才能使人们努力追求组织目标，这就是激励理论的基本原理。著名的管理学家法约尔和利克特都认为激励是管理的核心；人们在群体中不是静态的，而是不断相互作用、相互适应的过程，群体环境会使个体行为发生变化；一个组织兴衰的关键因素在于领导行为的有效性。有效的领导行为能够使成员积极主动、充满热情地工作，相反，团队成员会出现消极倦怠的情绪。具有有效领导行为的组织能够合理地协调人们的活动，实现高效的组织效能，无论从目标的实现还是从社会影响度和成员满意度的提升方面，都会有很好的表现。

三、行为科学理论对高校社团管理的启示

美国社会心理学家卢因认为人类行为是人与环境交互作用的函数，是人的内在需要和环境影响的结果。他提出一个著名的公式：

B=f(P·E)

其中，B(Behavior)代表“行为”，P(Person)代表“人”，E(Environment)代表环境，代表函数符号。

影响人的行为因素一是内因，二是外因，内因包括生理因素、心理因素和文化因素，外因包括自然环境因素(工作环境、工作条件和生活条件与环境)和社会环境因素(群体、领导和组织)。高校社团是一个由个体、群体、领导和组织构成的系统，系统内各因素之间相互依存、相互作用，形成一个动态的可调整的组织结构。

(一)把握社团成员的不同心理需要是社团有效管理的基础

需要，作为人的“内心意向”，构成了人们活动的原动力，是形成价值的“始因”。人类的各种活动都是在需要的推动下进行的，需要越强烈、越迫切，其产生的心理动力也就越大，对人们行为的支配力量就越强。在社团管理中，首先要了解社团成员的成长环境、生活和社会经历、目前状况和未来追求，正确地分析每一位成员目前的迫切需要层次，才能根据不同成员的不同情况合理安排、统筹兼顾，才能激发成员的热情、形成高效的组织效能，因为不同的社团成员在同一时期的需要可能不尽相同，同一个成员在不同时期也会有不同的需要。美国心理学家马斯洛的“需要层次论”指出人有五种基本的需要：生理需要、安全需要、爱的需要、尊重的需要、自我实现的需要，后来马斯洛又补充了两个需要层次：求知的需要和求美的需要；美国著名的行为科学家、心理学家麦格雷戈把人的需要层次分为生理需要、安全需要、社会需要、自我的需要和自我实现的需要。他提出“一项需要在获得满足后便不再成为行为的激素”的观点。而每一个需要层次又有它的细分类别，如食物的需要、休息的需要、运动的需要、保护的需要等属于生理的需要；人们对和谐社会的追求、对安定生活的向往、对熟悉或已知食物的选择等属于安全需要；爱别人和被别人爱属于爱的需要；归属需要、结社需要、被他人接受和接纳友谊等属于社会需要；希望自己有信心、有实力、能胜任、独立、自由是自我需要的一方面体现，另一方面体现在希望被尊重、被关心、被赏识；个人潜在能力的发挥、自我的不断发展、创造性的发挥等属于自我实现的需要。

同一个成员也可能同时有几项需要，所以对社团成员的有效信息管理方式是形成一个常态化的沟通、了解机制；建立个性档案，并随时更新。

(二)激励原理的应用是调动社团成员积极性的有效途径

高校社团管理的核心是激发成员的动机，诱导他们的行为，广泛倾听成员意见，实施授权式管理和参与管理，注重培养团队精神，使每个人发挥内在潜力，为实现目标而努力。激励的方法是实施激励过程的具体形式。对大学生激励的方法很多，主要有目标激励法、情感激励法、榜样激励法、竞争激励法等。在高校社团管理中，要选择能够调动成员积极性的激励因素，如选择富有挑战性、发展前途、成就感和责任感等的任务交予成员来完成，而不能误把非激励因素(如工作条件、人际关系等)当成激励因素，否则就无法起到激励的作用。社团组织增强激励效用的生命力的有效办法是对激励进行正强化。美国哈佛大学心理学家斯金纳提出的强化理论指出：人的行为随着外部条件的刺激而变化，通过不断改变外部环境的刺激因素可以达到增强、减弱或消失某种行为的效果。正确地评判社团成员的成功或失败，能防止因误判而导致的对成员工作态度和积极性的影响，从而防止误判影响成员的后续行为和绩效。美国心理学家海德等人提出的归因理论，把人的绩效、成功或失败归因为：努力程度、能力大小、任务难度、运气与机会。

另外，防止社团成员积极性降低的另一个原则是公平公正地对待团队中的每一位成员，无论是奖励、惩罚还是表扬、批评，或者升职或降职等。如果成员(回报／贡献)比率与他人(回报／贡献)比率相等，他就会认为公平合理，从而心情舒畅、努力工作，否则，就会因为感觉不公平而影响主动性和积极性。

(三)目标管理体系的建立是发挥社团成员主观能动性的推动力

美国心理学家伏隆提出“期望理论”，即激励力量=效价×期望值。效价是指目标的价值，期望值是指对实现目标可能性大小的估计。

高校社团目标管理可以遵循确立目标、授权并明确职责范围、有效激励和客观评价总结这样的步骤。其中，确立目标时，要同时兼顾总目标的制定和各级子目标的制定，并尽量实现子目标与总目标的协调统一，实现共赢。

(四)充分发挥群体的积极作用是促进社团和谐发展的保障

行为科学认为，群体成员之间的人际关系除了正式关系(如上下级关系、同事关系)外，还有一种没有隶属关系的群体关系，即由兴趣相投、比较合得来的人们形成的一种关系。这两种群体关系对个体的行为都会产生影响。因此，高校社团管理中要注重增强群体的积极作用、减弱或消除群体的消极影响。

高校社团可以在生动活泼、丰富多样的活动中促进群体成员交流思想、互通信息、建立友谊、相互支持、相互学习、共同进步。如各部门之间的各类竞赛、各部门内部的民主管理等形式。

(五)领导行为的有效性是社团保持凝聚力的前提

高校社团要保持凝聚力，就要做好领导干部的选拔和培养，选拔时要关注候选人的素质、技能、领导风格、领导艺术等因素。优秀的社团领导者应具备以下素质和能力：

(1)能够保持有效的时间管理、建立高效的工作秩序；

(2)注重满足成员的高层次需要，即自我需要和自我实现需要；

(3)注重激励；

(4)重视人力资源的开发和利用，善于发现人才、培养人才、使用人才；

(5)能够做到民主管理和有效决策。

(六)社团组织的高效能是社团发展的必备条件

组织发展是指组织适应形势发展和任务扩大的要求，从组织结构、工作设计等方面进行有计划有系统地调整，改善组织中人的因素，以达到组织的最佳化和高效化。组织发展有两个目标：一是提高组织效能，二是提高组织成员的满意度。

高校提高社团组织的效能可以通过对组织结构和体系的再设计(如工作范围的扩大化、工作内容的丰富化、工作时间的弹性化等)使组织中的人力和物力发挥到最大。衡量高校社团组织的效能的一个方面是要考察社会效益，社会效益又分为成员素质的提高和社团组织对社会的影响度。高校社团组织具有开放性，它是一个“输入一培养—输出”系统，输入的是新成员，新成员经过社团组织理念的熏陶、其他社团成员的影响、组织内部的培训、社团活动的组织与参与，成长为具有某种特质的人才，社团组织也完成了输出的过程。

个体是群体、组织的最小单元，它是群体、组织得以存在和发展的基础。高校社团管理中重视人力资源的合理开发与利用、重视考虑成员的需求、重视激励对行为的影响、重视个体目标与组织目标的一致、重视领导行为的影响、重视组织结构的改进、重视组织的发展才能提高社团的效能、切实增强高校社团的活力。

参考文献

突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇6

CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM

环境科学专业

遥感技术在环境科学中的应用

学生姓名：罗时栋专业名称：环境科学学号：2012010204指导教师：周子勇

完成日期：2014 年 5 月 13 日

遥感技术在环境科学中的应用

罗时栋

（中国石油大学地球科学学院环境科学12级）

摘要：遥感技术集合了空间、电子、光学、计算机、生物学和地学等科学的最新成就，是现代高新技术领域的重要组成部分。自从1972年美国第一颗地球资源技术卫星发射成功并获取了大量地球表面的卫星图像后，遥感技术就开始在世界范围内迅速发展和广泛应用。遥感技术的出现揭开了人类从外层空间观测地球的序幕，为人类认识国土、开发资源、监测环境、研究灾害以及分析全球气候变化等提供了新的途径。

关键词：遥感技术、观测地球、监测环境、研究灾害。

一、遥感技术在水污染监测方面的应用

在水环境监测中，不同温度、泥沙含量、藻类数量、污染程度的水体也都有不同的辐射特性，通常各种水体的特性可以通过遥感图像反映出来。污染水体具有不同于清洁水体的光谱特征，这些光谱特征体现在对特定波长的吸收或反射，而且这些光谱特征能够为遥感器捕获并在遥感图像中体现出来。根据对图像的识别情况，我们就可以获得水体的水质参数或者水体污染状况。有基于此，遥感技术可以在水环境监测中得到应用。

伴随着社会经济等各方面的快速发展，我国江河湖海的各种水体受污染程度也不断加重，包括生活废水污染、泥沙等悬浮固体污染、石油污染、重金属污染、富营养化污染和热污染等。中国环境监测总站提供资料表明，我国水环境面临三大问题：①主要污染物排放量远远超过水环境容量；②江河湖泊普遍遭受污染；③生态用水缺乏，水环境恶化加剧。水污染的现状可以表明，我国水环境污染形势严峻，因此提高水环境监测效率的工作势在必行。传统方式的水环境监测主要是地面布点采样，然后实验室分析得出结论，这种方式由于受自然条件和时空等因素影响，具有一定的局限性。例如，在大面积水域的监测过程中，仅仅依赖于监测台站和传统监测方式，很难满足对水体污染监测所需的实时、快速、宏观、准确的监测要求，从而不能全面准确地反映出水体状况。而与传统监测方式相比，遥感技术具有宏观、综合、动态和快速的特点，并且可以获取其他监测手段无法获取的信息。水环境状况的恶化和传统监测方式的不足，将促使遥感技术在水环境监测中的广泛应用。

(1)水体浑浊度的监测

由于水中悬浮物微粒或者浮游生物粒子的影响，射到水体中的太阳光会被一定程度地吸收和散射。任何地物包括水体都具有光谱反射特征，遥感就是通过水体在光谱影像上的差异来判定水体污染的变化。胡举波等[1]研究发现，随着悬浮物质数量的增加，光谱衰减系数不断增大，最容易透过的波段从0．50μm附近向红色区移动。随着浑浊水泥沙浓度的增大和悬浮沙粒径的增大，入射光被散射的深度变浅，水的反射率逐渐增高，其峰值逐渐从蓝光移向绿光甚至向黄色变化。Gitelson等[2]研究证明，500～600 nm波段适合用来监测水体的悬浮物，700-900 nm波段的反射率对悬浮物质的浓度变化最敏感，也是遥感用来估算水体悬浮物质浓度的最佳波段。通过遥感拍摄水体的图像，观察图像上波峰出现的位置区域，就能够清楚地了解水体浑浊度的变化。

(2)水体富营养化的监测

水体富营养化是水体接纳的N、P等营养元素超过了自身的最大负荷量，造成水体中浮游植物大量繁殖，这是水质富营养化的显著标志。遥感技术根据浮游植物中的叶绿素与可见和近红外光之间具有特殊的陡坡效应，即叶绿素含量高的地方反射率的峰值也大的现象来监测富营养化的分布范围，然后，从彩色红外图像上的颜色变化来监测富营养化的污染程度。

宋瑜等[3]结合高光谱的实验数据，建立了基于MODIS数据对太湖水体富营养化识别的模型，实现了水富营养化遥感信息的有效提取。Xiaoqin Xue等[4]采用水体富营养化状态指数(TSI)对西安渭河水体富营养化的研究证明，使用TM遥感数据对水体富营养化的远程监测和评估是可行的。吴传庆等[5]研究证明，从叶绿素a和悬浮物浓度反馈角的遥感评价方法，可行性强，能够充分运用遥感数据源很好地完成湖泊富营养化状态的评价工作。遥感技术能够多角度对水体富营养化进行监测和评价，为动态监测水体富营养化提供了有效的监测技术手段

(3)水体热污染的监测

废水中悬浮物千差万别，导致特征曲线反射峰的位置和强度也不一样。一般采用多光谱合成图像来监测废水污染，也可以根据温度的差异选择热红外的方法进行调查、监测。由于热红外传感器对热源比较敏感，能够准确、有效地探测出热污染排放源。

吴传庆等[6]利用多时相的TM热红外数据对大亚湾核电站周围的水温场变化进行监测，通过对信息的提取分析，有效地对核电站周围的环境影响进行了评价。石登荣等[7]利用多时相航空热红外扫描，获取水体热辐射场变化资料，结合数学模拟，研究上海地区感潮水体热污染的时间和空间的动态变化，建立了相应的动态方程，数学拟合的误差平均在±2．7％左右。说明，利用航空热红外扫描结合数学模式，可以较好地反映水体热污染的动态变化。

采用热红外遥感技术对水温变化进行时空监测，根据影像上的热辐射信息，能够准确地识别热污染的分布，较好地完成对热污染的监测和评价。

二、遥感技术在大气监测方面的应用

大气环境遥感监测作为遥感技术应用中较为重要的内容之一，在业务上不同于常规气象要素的监测。常规气象要素遥感监测⋯主要是指测量大气的垂直温度剖面、大气的垂直湿度剖面、降水量及频度、云覆盖率(云量和云层厚度)和长波辐射、风(风速和风向)、地球辐射收支的测量等。而大气环境遥感则是监测大气中的臭氧(O3)、CO2：、SO2：、甲烷(CH4)等痕量气体成分以及气溶胶、有害气体等的三维分布。这些物理量通常不可能用遥感手段直接识别，但由于水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等微量气体成分具有各自分子所固有的辐射和吸收光谱特征，如影响水汽分布的主要光谱波长在0．7μm，O，在0．55～0．65μm之间存在一个明显的吸收带等，因此我们实际上可通过测量大气散射、吸收及辐射的光谱特征值而从中识别出这些组分来。研究表明，在卫星遥感中，有两个非常好的大气窗可以用来探测这些组分，即位于可见光范围内的0．40—0．75μm的波段范围和在近红外和中红外的0．8μm、1．06μm、1．22μm、1．60μm、2．20μm波段处。

（1）监测大气气溶胶

利用遥感图像可分析大气气溶胶的分布和含量，工业烟雾、火灾浓烟和大规模沙尘暴在遥感图像上都有清晰的图像，可以直接圈定其大致范围。利用周期性气象卫星图可监测沙尘运动，估计其运动速度，及时预报沙尘暴。通过卫星资料可及早发现森林火灾，把灾害损失降到最低。大比例图片可用来调查城市烟囱的数量和分布，还可以通过烟囱阴影的长度来计算其大致高度。应用计算机对影像进行微密度分割，建立烟雾浓度与影像灰度值的相关关系，可测出烟雾浓度的等值线图。

（2）监测有害气体

彩红外相片可监测有毒气体对污染源周围树木和农作物的危害情况，通过植物对有害气体的敏感性来推断某地区大气污染的程度和性质。一般污染较轻的地区，植被受污染的情况不宜被人察觉，但其光谱反射率却会明显变化，在遥感影像上表现为灰度的差异。正常生长的植物叶片能强烈反射红外线，在彩红外相片上色泽鲜红明亮。受到污染的叶子，其叶绿素遭到破坏，对红外线的反射能力下降，其彩红外相片颜色发暗，如白蜡树受污染后呈紫红色，柳树呈品红色略带蓝灰色。

(3)城市热岛效应的监测

城市热岛效应是城市中的空气温度高于城市周围郊区的温度，从而形成了从城市流向郊区的一种环流。城市热岛效应是环境遥感中经久不衰的研究课题，对城市环境而言，城市热岛也是一种大气热污染现象。目前，针对城市热岛的环境遥感监测是通过研究城市下垫面的热红外遥感进行的，通过对不同时相的遥感资料的收集，总结出城市热岛的日变化和年变化规律。Xuhan Qiu等[9]提出了城市热岛比例指数(URI)，可以用来定量分析近一个时期的城市热岛效应随时间的变化。根据植被、水分和表面温度之间的相互关系，对照目标城市，根据城郊植被的差异，选出2幅不同时期的TM(4．5．6波段)彩色合成图像，大致定出城市热岛的范围。Zaksek[10]等采用欧洲高空间分辨率SEVIRI来估算地表的温度，再根据陆地表面温度(LST)来分析城市热岛的日变化，结果证明，该方法可以用来分析城市热岛的日变化分析，为监测和治理城市热岛的变化提供了一种科学的方法。Gallo[11]等用NOAA／AVHRR数据获得归一化植被指数(NDVI)估算城市热岛对城郊气温差异的影响，结果表明，植被指数和城郊气温差异之间存在显著的相关性。Lin Liu等[12]观察香港一天的热岛效应与植被指数(NDVI)的相关性时发现，热岛效应和NDVI存在着负相关，同时表明了绿色土地可以削弱城市的热岛效应；热岛效应和归一化差异指数(NDBI)存在着正相关，可以用于城市热岛效应案例的分析研究。遥感技术能够从时空中分析城市热岛的变化趋势，为监测城市热岛效应提供了科学手段。

三、遥感技术在草地资源管理方面的应用

我国拥有草原约50亿亩，约占全国总土地面积的33.8%，这样巨大的草原资源多数分布在我国的边疆，那里地域辽阔，人烟稀少，地形复杂，交通闭塞。要清查草原资源的数虽与质量，需动用大量的人力和物力。并且由于各地调查技术力量的主异，常常达不到草原资源调查的统一要求。特别是对草原资源演变的监测，可以说似乎是无能为力。近年来全国开展了农业自然资源的调查研究和农业区划工作，对草原资源也进行了全面调查，但因技术力

量和工作条件限制，进展速度远落后于其他部门。遥感技术在国外应用于土地资源调查和对农业生产环境监测方面已取得不少成绩。

草原资源管理包括草原载畜能力估测； 草原生态系统如土壤水分、地温、盐碱化、沙漠化和土壤侵蚀等的监测，草原自然灾害如干早、暴风雪袭击，草原虫、鼠发生及危害预报等。这方面所需要的情报资料，通过遥感可以迅速获得。尤其对全国范围的草原资源管理和动态数据的收集，遥感技术将有着广泛地应用前景。

（1）草原载蓄能力估测

通过卫星图片可获得草原资源的类型、等级、及面积分布的资料。然后经过地面测试，先建立一个反映不同类型草地的牧草产量与生态因子相关的数学模型，即用土壤、地形、降水量、土壤水分和气温变化等参数，建立一个预测牧草产量的数学模型。这样电子计算机根据遥感收集到的上述参数，经过运算处理，便可输出各类草地的牧草产量，再按照放牧家畜对牧草的需要量，便能估计在卫星扫描时草地上可能饲养的家畜数量。

（2）自然灾害预报

我国北方草原牧区常有自灾(暴风雪)和黑灾(干旱)发生，每当大雪盖地，家畜不能放牧，常因不能准确查出积雪厚度和分布范围，致使很难决定畜群转移方向。特别是交通受阻，无法探明救灾物质的输送通道。如果应用热红外遥感，便可查清积雪厚度及分布范围，对于指挥救灾是非常有力的手段。同样旱灾发生时，利用遥感技术收集情报，分析旱情，对做好抗灾保畜工作也是十分有利的。

应用遥感技术监测农作物和森林病虫常发生，根据危害程度，及时采取防治措施，在国外巳得到普遍应用。目前我国草原牧区主要是川靠人工地面调查，常常不能及时发现病且害发生及蔓延情况，致延误捕灭的有利时机。若用遥感技1术监测，提供准确有利的防治时机，便可减少因盲目施药造成的不必要的经济损失。

结论：

目前，遥感技术正从单一遥感资料的分析向多时相、多数据源(包括非遥感资料数据)的信息复合与综合分析过渡。利用多时相监测方法对环境污染的种类进行追踪，能够及时、客观、准确地反应污染物的信息，如污染源的位置、污染物的种类、扩散方向等，并能够对大面积的环境污染通览全貌，在环境污染监测中有巨大的技术优势。

参考文献：

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突变论在煤矿安全预警中的应用 篇7

目前, 煤矿安全预警评价方法主要有层次分析法、灰色关联度评价法、模糊综合评价法、事故树分析法等。这些评价方法比较依赖于人的主观感觉, 评价结果具有较强的不确定性, 并且在确定指标权重时, 往往受主观因素影响较大, 难以科学、准确地获取。突变级数法是在突变理论基础上发展起来的一种综合评价方法, 该方法考虑了各评价指标的相对重要性, 定性分析与定量计算相结合, 从而减少了主观性又不失科学性、合理性, 计算过程简单, 计算结果准确[2]。该方法通常用于多层次目标决策分析的研究中, 因此, 本文针对煤矿事故的突变特点和规律, 建立了煤矿事故突变预警评价模型, 以解决已有的煤矿安全预警方法的不足。

1 突变理论的基本原理

突变论是法国数学家勒内. 托姆 ( Rene Thom) 于20 世纪60 年代末提出的。勒内. 托姆认为突变论可以根据势函数确定临界点, 研究各个临界点附近的非连续现象的特征和状态。

在多层次目标决策分析中, 我们只研究初等突变论。初等突变论主要研究的是势函数。势是由系统各个组成部分的相对关系、相互作用以及系统与环境的相对关系决定的, 因此系统势可以通过系统状态变量和外部控制变量描述系统的行为[5]。托姆将初等突变类型分为七种, 在多目标决策中, 常用的突变类型有:尖点突变、燕尾突变和蝴蝶突变。

2 基于突变理论构建评价预警模型

( 1) 构建评价指标体系。通过对预警对象进行研究与分析, 基于系统工程的人员因素、设备因素、环境因素、管理因素 ( 即4M因素) , 将预警系统分解为多层指标, 当某个子目标被分解到可以量化时就可以停止分解, 建立多层次的评价指标体系, 并对各层评价指标按其重要性进行排序。

( 2) 根据不同煤矿的实际具体情况, 设定不同的评价标准和安全等级, 据此来判定该煤矿的安全程度。

( 3) 通过专家打分法如德尔菲法, 对预警系统的底层指标评价打分得到原始数据, 对原始数据按照模糊隶属函数法进行处理, 得到初始的模糊隶属函数值。

( 4) 将各层的指标根据不同突变模型势函数由下至上的进行归一化处理, 直到计算出预警对象的总突变级数数值; 根据总突变级数值, 按照设定安全等级, 判断预警对象的安全程度。

3 实例应用

某煤矿邀请10 名专家针对该煤矿火灾事故安全情况进行评价, 煤矿火灾事故评价体系作为一个复杂的系统, 本文基于事故致因理论, 建立了“人- 机- 环- 管”的评价指标体系, 即从人员因素、设备因素、环境因素和管理因素四方面建立了12 个评价指标体系。其中人员因素选取放炮员素质、机电工人素质、技术人员水平三方面评价; 设备因素选取机电设备失爆率、消防洒水系统、防火器材与设备、通风系统四方面评价;环境因素选取矿井可燃物、煤层自然等级两方面评价;管理因素选取明火管理、规章制度、操作规程三方面进行评价。

由专家通过德尔菲法对最底层指标进行打分, 得到原始数据, 评分的结果经规格化处理后见表1。子系统均按照“非互补”原则计算出中间突变隶属函数值, 再应用蝴蝶突变进行归一化后得到中间突变级数值;整体系统和子系统按照“非互补”原则, 得到预警系统的总突变级数值。计算结果列于表1, 限于篇幅, 计算过程从略。其中B和整体为蝴蝶突变模型, A和D为燕尾突变模型, C为尖点突变模型。

该矿井火灾安全状况总突变级数值为0. 9642, 安全等级为Ⅰ级, 安全, 因此可判定该煤矿火灾安全状况安全。该煤矿实际评定防火措施的安全现状为96 分, 符合安全标准化要求, 评审结果为一级安全, 因此, 说明应用突变理论预测预警的结果可信、准确。

4 结论

( 1) 阐明了我国煤矿安全预警的重要性, 通过实例分析, 建立了基于突变论的煤矿火灾事故评价指标体系, 构建了安全评价预警模型, 评价结果表明将突变论应用于煤矿安全评价预警是可行的。

( 2) 突变理论无须主观确定各指标之间的权重, 减少了人为因素的影响, 保证了预测结果的客观性和准确性, 为各种复杂煤矿事故的预测预警提供给了理论技术指导。

( 3) 将突变论应用到煤矿安全预警, 为煤矿安全评价预警在一定程度上提供了理论支持。

摘要：根据煤矿事故的突变特点和规律, 本文结合突变论原理, 通过建立预警对象的评价指标体系, 构建基于突变论的煤矿安全预警模型。该模型通过模糊隶属函数法得到初始模糊隶属函数值, 再利用突变级数法和归一公式计算各层指标的突变级数值, 既解决了评价指标权重的不确定问题, 又减少了人为因素的影响。实例应用分析表明, 该方法合理、可行, 评价预警结果具有较好的准确性和科学性。

关键词：煤矿安全,突变理论,归一公式,模糊隶属函数

参考文献

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突变理论在环境科学研究中的应用论文 篇8

关键字：环境心理学 街道 空间 景观设计

我们所处的每座城市应该都是装满故事、写满历史的空间小站。城市街道就相当于这个小站的窗口，也算是我们读懂城市的线索和体验城市“城市灵魂”的通道。本论文把街道空间作为研究对象。城市景观在优化和改善环境品质，增添文化氛围和亲和力的前提下，使得街道历史文化特色景观环境、景观环境的结合，从而体现“以人为本”的街道空间景观，打造出与街道景观融为一体且具有艺术特色和历史文化共存的街道空间景观。

一、适用于街道空间景观中的部分环境心理学理论

环境心理学以建筑学、心理学、生态学和其他相关学科为研究基础，是一门从社会心理学研究中派生出的、研究环境与人之间相互关系的人文科学，它主要通过研究人和环境的关系，达到提升环境品质，提高人居环境水平。将环境心理学原理运用在城市街道空间景观设计中，可以有效地研究在不同空间场所中的活动中作为空间环境主体的人以及对不同环境的心理感受，有助于构建出具有人性化的空间环境，并能产生不一样的行为模式。

（一）环境理论感知

不同文化背景、不同年龄阶段的人用听觉、视觉、触觉、嗅觉以及味觉等不同器官感触来接收属于自己所处的环境信息。从环境获得的信息，经过感知者自身不同的经验， 来感受景观环境的信息并评析城市空间景观，使得街道空间景观环境的背景和前后关系参与进来，形成人们对环境的体验。

（二）私密性需求

私密性包括：独处、亲密、匿名和保留。人们对私密性需求是在街道空间设计中的公共空间是尽可能通过建筑布局和立面、地面铺装、植物配置和小品设置等，考虑人的导向私密性，应设置合理的空间环境，使之与陌生人之间是和平共处的。

（三）领域性和公共性

人所能够占有与控制的空间范围即为领域。领域性提供了便于相互沟通的信息与相对的安全感，不同人群之间的活动领域中，既能相交而提高安全感和秩序感，又能讓彼此拥有共同的世界，还有各自独立的空间。对置身私密空间的人来说，他们也需要开敞性自由的公共空间。在城市中的广场、公园等较为开阔的景观绿地可供人休憩和观赏，是人流相对集中的空间，因此使得人与人能更好的交流和沟通。所以，在空间景观设计中，应当考虑着重加强领域感的设计和这种空间属性与人的关系，将人与空间环境达到理想模式的状态。

（四）个人空间尺度理论

个人空间主要是指，他人对个人心理上所需要的最小空间范围的侵犯与干扰会引起个人的焦虑和不安。也指的是人际距离，与人的生理和心理有关。它包括4种： 亲密距离（ 0 ～ 50 cm） 、个人距离（ 50～ 120 cm） 、社交距离（ 1. 2 ～ 2. 0 m） 和公共距离（ 3. 6 m 以上）。在空间设计中的个人空间主要体现为对座椅的设计，带给人在空间功能下的合适距离，如凸、L 形、或凹的转角等形式的休息设施。

二、我国城市街道景观现状和发展面临的主要问题

城市化进程中传统的街区格局被城市新发展概念取而代之。传统的街道、社区、邻里都丧失色彩，抹杀了人的丰富社会生活。取代的是追求流动、一味强调效率的大尺度街道和广场致使居民远离社会交往。经过大量的实际调研，得出街道景观有：基础设施不完备；交通秩序混乱；缺乏人活动交流的场所；街道尺度失调，未体现景观序列对景观配置的指引作用，与周边环境衔接不足等方面的问题。城市化进程中带来的是文化遗产和传统景观均遭到破坏：部分城市为了致富扩路，伐掉街道两旁古树；部分扩建的开放空间景观缺少文化特色。一些城市公共景观空间，模仿着罗马式、欧美式景观。这些仿建，对我国城市公共空间景观的发展没有好处。

四、街道空间景观设计方法

城市街道空间的景观设计，就是在合理的功能定位下，达到设计者意图将街道景观的构成要素进行合理的配置和对功能上整合，在这前提下，论文将从以下方面探析街道空间景观设计的手法。

（一） 挖掘传统文化来体现街道空间景观的连续性

要实现街道空间景观设计的连续性，须有着与众不同的地方传统文化和习惯。那么街道景观环境的创意和建造要结合本土文化传统、体现原有的历史风格、特色装饰来表达对传统历史的延续性。要注重属于视觉空间的街道空间和注意时空上的连续性。一是通过街道两旁的绿化、建筑风格和布局、色彩及周边环境设施等的延续来实现视觉连续性。二是通过将街道空间中各景观要素放置一个特定的时空连续体中加以组合和表达，并且进行演变和进化来体现时空连续性。

（二）重塑街道环境来体现出在文脉上的传承性

人文景观的一部分便是城市街道景观，街道景观结构又是处于不断发展变化之中的一个动态系统。在改建街道景观时，通过对整条街道的建筑景观再次装饰使新老建筑遥相呼应。每个城市有不同的历史背景，不一样的气候和地形，当地居民各自的生活习惯和观念，在设计中也应相结合。

（三）强化人性设计，促成街道空间景观在标识系统的完善性

以人为本，实现人与街景的和谐对话是街道景观规划设计前提。从空间环境知觉和空间认知的角度来看，街道景观须建立一个完整的标识系统，能够简单明了定位人们所处的位置及如何便捷到达下一个地点。城市景观、交通路线、周边建筑分布情况相协调的街道标识应该应该具有清晰明确、统一的指示，还须具有本土文化特色和满足人的需要，此外还应有良好的使用性外观。

社会在发展，人对美好事物的追求也未间断。对于城市而言，街道是其血脉，所以街道空间景观是最贴近大众生活的也是城市最基本的。环境心理学是城市发展的产物，它对创造舒适的人居环境显得尤为重要。同样，城市街道空间景观也应随着使用者建议进行更新改造，强化人性化，为子孙后代建立良好的环境，这也是街道空间景观发展的终极目标。

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