原理与现状（精选12篇）
原理与现状 篇1
0 引言
脱粒是小麦、水稻等农作物收获中必不可少又至关重要的一道工序。脱粒过程是使籽粒从穗头脱下并分开的过程。对脱粒装置的要求是要避免脱粒过程中的损失和籽粒的宏观、微观的破碎,同时应能使籽粒和秸秆分离开来。
滚筒—凹板脱粒原理早在两个多世纪以前已经出现,至今这一原理几乎没有什么变化,以往的研究主要集中于脱粒部件的机械参数对脱粒性能的影响方面,其目的是使脱粒部件具有最高效率。随着科学技术的不断发展,脱粒原理和脱粒过程的研究也有较大的发展。
1 国内外研究现状
据资料记载,Kolganov[1](1956)研究了脱粒过程中籽粒的破碎,根据其研究,如果打击籽粒的速度超过36m/s,75%的饱满籽粒将破碎,但由于茎秆和穗头的保护作用,使大量籽粒不可能受到直接打击,而使临界速度提高。但在联合收割机上,不论速度多么低,总有一定百分数的籽粒破碎。同时,他还研究了籽粒的脱粒功,饱满籽粒平均千粒质量40g,不成熟籽粒的千粒质量只有20g,相应的脱粒功为60~120gcm。
王成芝、葛永久[2]等于1980年前后对轴流滚筒进行了试验研究,研制出一台大型轴流滚筒试验台,目的是探索轴流滚筒的合理结构与参数,以解决传统联合收割机收获玉米和大豆时存在严重的籽粒破碎问题(一般大豆破碎率为5%~10%,有时高达20%;玉米破碎率10%~20%,有时高达30%~40%)。该试验台滚筒型式有3种:纹杆叶片式(简称纹杆式)、钉齿叶片式(简称半齿式或钉叶式)和钉齿式(简称全齿式)。凹板选用横栅式、单栅式、双栅式和三栅式4种,上盖具有不同导板参数中的5种,可组成多种参数进行对比试验。
1979-1980年利用该试验台对多种滚筒与凹板的组合方案进行了试验研究,作物为小麦、玉米、大豆和水稻。试验中,通过拍摄影片的办法(64幅/min)观察分析了谷物在滚筒内部的运动。通过该试验台,试验研究了大豆、小麦、水稻等作物的凹板分离曲线,以及各种组合方案对作物湿度的适应性和滚筒速度、凹板包角、凹板间隙、上盖板高度等对脱粒性能的影响,得到了轴流滚筒的最佳方案和参数组合。经试验研究得出:一是脱小麦时,滚筒适宜线速度为23~30m/s,脱大豆时滚筒适宜线速度为10~15m/s,脱玉米时(整株或玉米穗)滚筒适宜线速度为17~21m/s;二是脱小麦时凹板间隙适宜值为15~30mm,脱玉米凹板间隙影响不大,脱大豆时凹板间隙取最大间隙(30mm左右)为宜;三是凹板包角应取较大值为好,凹板包角由270°减小到180°时损失率增加了28%;四是滚筒上盖导向板的导程对改变谷物通过滚筒时间、控制分离损失有直接影响,导向板导程增加损失率增加,茎秆破碎也增加等。纪春千、赵学笃[3](1986)对谷物脱出物的分离原理进行了试验研究,主要研究了茎秆松散度和谷粒动能对谷粒分离的影响,试验装置的主要部分是一个特制的茎秆箱、茎秆箱中茎秆层的孔隙度可调,计时装置可测量谷粒的速度和谷粒在茎秆层中的运动时间。通过试验得到以下结论:一是茎秆孔隙度是谷粒分离的决定性条件。孔隙度小到一定程度,谷粒很难分离出来。茎秆量保持不变时,谷粒通过概率随孔隙度增大而增大,谷粒通过时间不随孔隙度增加(厚度增加)而改变。二是茎秆层孔隙度适当时,随谷粒相对于茎秆层初速度的增加,谷粒通过茎秆层概率提高,通过时间减小;谷粒初速度接近5m/s时,分离效果最好,再过分提高谷粒初速度,就无明显效果。三是茎秆层的厚度对谷粒通过茎秆层的通过时间和通过概率有明显影响,若茎秆层具有良好的松散性,适当提高逐稿器输送茎秆的速度,可提高分离率。在上述试验的基础上,研制出一套分离装置,该分离装置分离能力较强,分离过程中,茎秆孔隙度大,谷粒初速度高,且输送速度也较高。V.M.Huynh,T.Powell,J.N.Siddall[4](1982)通过理论分析,在谷粒任何时间被脱粒的可能性相同,给定半径上的任何谷粒任何时间具有相等的到达凹板的可能性及任何谷粒在任何时间具有相等的通过凹板筛的可能性等3点假设之上,给出了谷粒被脱粒概率分布为对脱粒时间呈指数递减分布。在此基础上,试验研究了喂入速度、凹板长度、滚筒速度、滚筒直径、凹板间隙等因素对脱粒性能的影响。除此之外,还试验研究了脱粒功率以及脱粒损伤问题,他们认为,谷粒在脱粒过程中的损伤与其在被纹杆冲击时吸收的能量有关,谷粒的损伤度随冲击次数及冲击程度的增加而增加,并给出了谷粒在遭受一次冲击时所吸收的能量计算式以及谷粒损伤破碎度的计算式。
J.R.Trollope[5](1982)在脱粒过程稳定、脱粒空间一致和被脱物同质的假设条件下,分析了被脱物在脱粒过程中的受力状况,从力学角度出发,导出了可以决定整个脱粒分离过程的6个微分方程。由于脱粒过程的复杂,即使在许多特定条件下,他仍只给出了上述微分方程组的近似解,他对这些近似解进行了对比试验。结果表明,预测数据与试验值吻合,由于微分方程的假设条件过多和脱粒过程的复杂,这些微分方程在实际中应用起来很困难。Song-Woo Lee,Yun-Kun Huh[6](1983)在自制试验设备上对稻谷的脱粒力和稻秆的剪切力进行了试验研究,他们试验测得了两种水稻的脱粒力,对比了两种水稻稻秆的剪切力,结果表明:一是稻穗下部谷粒的脱粒力略大于稻穗上部谷粒的脱粒力;二是随切割速度的增加,切割稻秆所需的功减少,但空行程功耗增加更大,因而使总功耗增加。李昇揆,川村登[7](1986)对轴流滚筒内谷物的受力与运动关系进行了分析研究,得到了脱粒室内谷物的运动微分方程;在不同的脱粒参数下,通过计算机对微分方程进行了求解,并与实验观察数据进行了对比。
1988-1998年,万金保、赵学笃、纪春千[8](1990)进行了传统型纹杆滚筒脱粒装置数学模型的建立及应用研究。为建立数学模型将脱粒装置的工作过程分为两个阶段:第一个阶段是籽粒被脱粒;第二阶段,被脱粒的籽粒随茎秆运动,并随机的从凹板栅格的某处分离出来。研究认为,籽粒在凹板上任何位置处被脱粒或分离是随机的。如果每粒籽粒在喂入前所处状态是等可能的,各籽粒在凹板处是否被脱粒或分离也是等可能的,作物在脱粒室内不断受到纹杆和凹板的作用,在凹板的不同纵向位置处,脱粒装置的一些参数(如凹板间隙)及作物状态参数(如运动速度、籽粒含量)是不同的。因此,籽粒被脱粒或分离的可能性将随凹板纵向位置的不同而变化,在上述分析基础上,他们以滚筒轴心为极心,建立了极坐标,凹板上某位置可用极坐标(r,θ)表示,进行分析,他们提出了3点假设:一是在某一确定极角θ处,各籽粒被脱粒或分离的可能性是相等的;二是某段凹板被脱籽粒量与该段凹板籽粒总量成正比;三是某段凹板栅格分离籽粒量与该段凹板脱粒但未分离籽粒量成正比。在上述假设基础上,他们推出了脱粒发生概率密度函数方程和分离发生的条件概率密度函数方程,并通过试验确定了上述方程中的待定系数,经检验后,他们用上述方程对脱粒装置进行了优化设计。赵连义、王庆山[9](1997)对弓齿滚筒对大豆籽粒的打击进行了研究,应用理论力学的碰撞原理分析了弓齿对大豆的打击力,得知此力既是脱粒的主要作用力,也是大豆籽粒损伤破碎的主要作用力。研究认为,设计合理的弓齿形状并合理地布置弓齿,可以减轻脱粒时弓齿对大豆籽粒的打击力,减少弓齿对大豆的打击次数,从而达到既减少大豆籽粒损伤又可以达到满意脱粒效果,该研究的缺点是分析较为粗糙且结论无试验验证。李其才、陈昌礼、张晓辉[10](1997)对大麦脱粒时脱粒滚筒转速对大麦发芽率的影响进行了试验研究,结论是:脱粒机转速是影响发芽率的重要因素之一,随脱粒时脱粒滚筒转速的增高,大麦发芽率明显降低。梅田幹雄[11,12,13](1992)对日本联合收割机的脱粒装置进行了分析与研究,分析了谷物在脱粒室中的运动,试验测量了谷物的抗挠刚度、质量和振动特性,结果是:稻谷的固有频率小于脱粒元件的冲击频率;分析了随脱粒元件运动的秸秆的运动,结论是由于摩擦力作用,脱粒中穗头沿垂直于脱粒滚筒轴线方向运动。同时,其在将稻谷和脱粒元件假设为两个球的条件下,分析讨论了谷粒和脱粒元件的撞击过程,并计算了撞击力,并通过试验验证了所作结论;运用可靠性工程方法,分析了脱粒过程,用二项分布描述了脱粒概率,用Weibull描述了凹板下谷粒的分布规律,运用反馈理论描述了脱粒机的动力系统,对动力系统进行了仿真,并进行了试验验证,使脱粒机动力系统动态特性的预测成为可能。1999年以来,尹文庆、何瑞银、王耀华等[14](1999)设计制造了一个脱粒装置,并用该装置对小麦脱粒特性的测量和表示进行了研究,认为可用谷粒分离率沿凹板变化规律的函数来表示小麦的脱粒特性,提出了一个新的小麦脱粒特性的表征的方法。李耀明、陈树人、张际先[15](1998-2000)对割前脱进行了试验研究,研制出了4LGT-130型稻麦联合收割机。该机利用谷物在田间的生长状态,仅对作物的穗部进行脱粒,然后再割草,并向侧边整齐铺放,作物的茎秆不进入脱粒、分离和清选装置,这样不需专门的分离和逐稿机构,简化了机器结构,而且可降低功耗,湿脱、湿分离能力强,整机可靠性高,总损失率小,破碎率低,含杂率低。桑正中、张认成[16](2000-2001)对轴流滚筒脱粒装置进行了较深入的研究,基于变质量系统的基本原理建立了谷物在轴流脱粒空间内的非线性运动模型,通过仿真分析得出谷物运动角位移与轴向位移与时间非线性关系,以此估计谷物通过滚筒的时间。他们认为半凹板圆柱型脱粒装置谷物运动的角速度与轴向速度都是以2P为周期的季节性增函数,并具有饱和性。每个周期可近似地分为P2,P2和P3个区间,分别对应于角速度的加速段、恒速段和降速段。即谷物在凹板侧的加速阶段大约是在前14周期内完成,相继14周期基本上保持恒速,最后12周期为减速过程。他们运用变质量系统的基本原理,建立轴流脱粒过程中谷物运动的非线性动力学模型。同时,基于模糊控制技术和变质量系统轴流脱粒滚筒的功耗模型,采用MATLAB的Simulink和Fuzzy Logic Toolbox工具箱建立了联合收割机脱粒滚筒的仿真模型和模糊控制器,并进行仿真。结果表明:滚筒以额定角速度运行时,给系统施加一阶跃负荷,在模糊控制器的作用下,机组的行走速度会相应改变,使加载前后滚筒的实际喂入量和总工作阻力基本恒定,从而可将滚筒的角速度稳定在额定值附近。田小海,杨前玉,刘威[17](2003)试验研究了不同脱粒方式对稻米品质的影响,他们选用了几个代表型品种(组合)。其中,有南京16(代表中稻)、金优207(代表晚稻籼型)、鄂宜105(代表晚稻粳型)进行试验。脱粒方式分别为人工链杆击打、拖拉机带动石磙碾落和联合收割机脱粒。试验结果表明,脱粒方式对所有品种稻米的整精米率影响较大,同时对某些垩白度的影响较大,得到了脱粒环节对碎米的产生及稻米其他品质的影响不容忽视的结论。邱高伟、郭玉明、郑德聪[18](2005)对脱粒机构进行了运动学和动力学分析,获得了相应的动力学参数,并对承载输送机构的振动模型进行了振动分析,得出了振动模型的一阶固有频率和振型。李耀明、徐立章、邓玲黎[19](2005)等对割前脱稻麦联合收割机的复脱分离装置进行了理论分析和试验研究,建立了该装置的数学模型,并进行了仿真分析。这一时间段,在国外C.A.W.Alien,K.C.Watts[20](1998)对豌豆的脱粒进行了试验研究,与水稻、小麦等常规农作物不同,豌豆果皮很脆,脱粒中易于破裂,用水稻、小麦脱粒装置和脱粒参数脱豌豆,将造成豌豆的大量破碎。基于对豌豆弹性模量、脱粒特性和空气动力学特性的研究,他们创造出带式脱粒装置,该脱粒装置的主要部分上下两条脱粒带,上带传送速度慢于下带,依靠上下带的相对运动进行脱粒,主要脱粒原理为搓擦原理,他们对所设计的带式脱粒装置进行了田间试验,试验效果良好。D.M.Bruce,R.N.Hobson,C.L.Morgan[21]等(2001)对油菜脱粒进行了试验研究,油菜果荚很容易在联合收割机收获前或收获中开裂。为了解决这个问题,他们试验确定了滚筒转速和脱粒间隙对油菜果荚损伤的数学关系,并给出了脱粒不同油菜品种的适宜转速。
2 发展趋势分析
从上文可以看出,脱粒装置和脱粒原理研究具有下述趋势:一是滚筒—凹板脱粒原理至今仍然是脱粒装置设计和脱粒原理研究的一个重要方面,但随着高新技术的高速发展,运用高新技术手段研究脱粒装置及脱粒原理,如通过高速摄影、摄像,利用计算机快速处理数据来分析脱粒过程和脱粒性能等,是脱粒装置及脱粒原理研究的一个重要趋势。脱粒机械及脱粒原理的研究将精细化、准确化,更接近于实际,以往研究中研究方法的简单、单调和粗糙将得到改善。二是脱粒过程是力学过程,脱粒机械是机械的一种。因此,其它机械的研究方法和研究成果,如理论力学方面、控制论方面知识在机械学科运用的研究成果,将越来越多的被本学科采用,脱粒机械与脱粒原理方面研究的多学科综合研究趋势已不可避免。三是特种农作物脱粒机械与脱粒原理的研究也是本学科研究的一个发展方向。农作物种类很多,它们的物理机械特性各不相同,一些特种农作物,如花生、豌豆、油菜等,其脱粒原理与脱粒过程与水稻、小麦等常规农作物不尽相同,甚至有很大差别,随着农业工程技术的快速发展,对特种农作物收获的研究必将快速发展。
原理与现状 篇2
我国收入分配的主要现状是收入悬殊过大，久而久之就会影响到社会稳定，其应对策略，我认为有以下几点：
1、规范工资制度。制定最低工资标准，鼓励企业奖励政策，保障
劳动工人的基本消费水平。通过财政再分配职能对企业职工工资进行调节。
2、应用税收政策调节。对高收入的企业或个人采取高税率征税，对低收入者采取低税率或免税等措施缩减收入差距。
3、通过转移支出，如救济金，补贴等，是社会成员维持基本的生
活水平和福利水平。
4、健全公共资金管理体系。公共资金的漏失非常严重，无论是财
政预算内资金，还是预算外资金，实际上公共资金的漏失导致的都是逆向再分配，造成收入的悬殊。就是说，漏掉的这些钱可能通过非法渠道跑到少数高收入居民的口袋里了。改善国家投资结构，保证重点建设。对经济发展建立良好的经济环境，消除以前因为公共设施和基础设施发展滞后带来的“瓶颈”，在财力上保障国家重大建设，使中国经济稳健发展，整体提高收入分配额。
5、适度扩展对外贸易地理方向以扩大对外贸易额。通过提升经济
原理与现状 篇3
关键词:教学现状;课程教学;改革的建议
《管理学原理》课程是管理类专业重要的专业基础课,其目的是让学生了解管理学的普通知识和一般原理,为学生学习后续专业课奠定理论基础。该课程注重理论与实践的结合,具有科学性与艺术性。随着高等教育改革的深入,对人才的培养标准也越来越高,《管理学原理》传统的教学方法和教学内容明显落后,教学效果自然不佳。因此积极推进《管理学原理》的课程改革,对于培养复合型人才的要求刻不容缓。
一、《管理学原理》课程的教学现状
(一)教材不规范
目前国内的管理学教材有两类:一类是从国外引进的教材;另一类是国内学者自编的教材。西方教材与我国的实际情况偏差较大,适用性差,而国内学者编写的教材大多不够规范,编写质量普遍不高。近些年来,受各种利益驱使,国内很多教材抄袭现象严重,对管理学原理研究不深入,更谈不上创新,加上管理学本身的实践性因素,许多编者或是断章取义,或是任意发挥,致使在很多重要问题上不同的教材阐述矛盾。有些教材体系不完整,内容陈旧且刻板乏味,与实际严重脱节,要么过于抽象,要么千篇一律,不利于学生的领悟,自然没有多大效果。
(二)授课方式单一
该课程侧重于对管理学基本原理的介绍,大多数教师仍然采取的是“填鸭式”的传统授课方式,甚至许多教师照本宣科。该方式强调学生死记硬背管理学的基本理论,不善于启发学生的学习兴趣,学生被动地接受知识,学习积极性与主动性不高,不求甚解现象普遍,“上课记笔记,下课抄笔记,考试背笔记,毕业扔笔记”的现象严重。许多学生反应该课程枯燥,没有实质内容,学习完没留下什么印象。
(三)忽视实践环节
《管理学原理》虽宣讲理论,但意在实践,这也恰是当前教学的薄弱环节。管理学的基本原理都能看懂,但其如何与实践结合却是难点。无论是教师还是学生大多缺乏实践经验,只能借助于部分案例和模拟软件。但往往由于案例或模拟软件选取的不当使得这种训练无异于纸上谈兵。有些高校课程计划制订的不合理,没有考虑到实践环节;有些高校虽考虑到实践环节,但却不知如何去做;有些高校虽知如何做,但受条件所限,却流于形式。
(四)学生的学习目的不明确
《管理学原理》属于专业基础课,其作用主要是承上启下,有些知识点到为止,针对性不强。这使得许多学生看不到其重要的现实作用,带来了学习上的松懈。学生目的不明确,甚至学习只是为了顺利通过考试。而传统理论考核方式存在缺陷,不能客观全面地反映出学生掌握知识的实际情况。许多学生认为其简单易懂,稍微一背就能通过考试,而不愿投入更大的精力。
二、管理学原理课程教学改革的建议
(一)选择适合教材
在选择教材时,首先要考虑不同专业的特点,专业特点不同,教材难度和侧重点也应不同。作为本科生教材,要能体现专业特点。其次,教材的内容除了要注重知识体系的完备性外,还要能结合管理实践。内容不能过于陈旧,语言表述要易于理解,书中要有实训项目。除了把管理职能作为教学主线外,还要加入实用性强的人力资源管理、战略管理、项目管理、跨文化管理等内容。此外,任课教师还可以根据学生特点和培养要求编著有针对性的特色教材和辅助资料,将一些新的管理成果和管理经验引入,以取得更好的效果。
(二)加强师资培训
推动课程改革,提高教师自身教学能力是前提。所以首先要加强师资培训,树立现代教育教学理念,学习最新的管理理论,培训新的教学方法,尤其全面掌握案例教学法的内容。其次鼓励教师积极参加各地举行的教学研讨活动,经常性地进行交流,互相借鉴。此外,为教师到企业实践多创造机会。利用各种条件让教师深入企业,进行考察、调研或挂职锻炼,体验企业管理运作的真实过程并不断提高自身的业务素质。
(三)教学要以能力培养为中心
教学必须以学生为中心,突出管理素质和能力培养,尤其培养学生的合作协调能力、沟通公关能力、解决矛盾能力和心里承受能力等。前苏联教育家苏霍姆林斯基曾说:“一个人到学校上学,不只是为了获得一份知识的行囊,而主要应该是获得多方面的学习能力,学会思考。”管理学教学除了要考虑知识的延续性,还要结合社会对人才的需求进行锻炼,讲解与思考有机结合,充分调动学生学习的积极性,让学生更多地参与到教学过程中来。教学中要注重双向沟通,多交流、多启发,变“被动学习”为“主动参与”。深化课程改革,还要端正学生的学习态度,用更加新颖的管理理念强化学生的学习热情,锻炼学生的自学能力。
(四)优化案例教学方式
案例教学一方面要有明确的目的,另一方面要有合理的形式,要注重教学的实效。通过案例分析,引导学生积极参与、相互交流、师生互动。案例的选择要具有代表性,通过讨论演讲、情景模拟、角色扮演、问题分析、提出建议等多种方式引导学生思考,培养学生搜集资料、分工协作、组织安排、沟通协调、团队意识等多方面能力。在学时分配上,案例研讨可占到总学时的15%;在案例教学中可借鉴头脑风暴法、哥顿法、对演法等有效方式,启发学生创造性思维;在案例选择上,要突出时效性、真实性、趣味性、启发性。案例教学中,要注意课前、课中、课后三个环节的衔接,课前认真准备,课堂积极引导,课后全面总结。此外,学校要建立稳定的实习实训基地,要在学习完理论之后,有相应的后续实训课程跟上,并有计划地进行综合实习。
(五)改革考核方式
管理学是一门实践性的科学,单纯的闭卷考试不能反应学生掌握知识的程度和实际应用的能力,造成高分低能现象。应对考核方式进行改革,建立新型的教学评价体系。综合运用笔试、口试、模拟表演、案例分析等各种形式进行考核,考核结构包括基本知识和管理能力两大部分。理论考试成绩作为考核的一部分,其比重不要超过50%,实训表现作为另一部分,形式可以多样。这样从理论和实践两个方面综合打分,更加适合《管理学原理》的特点。
三、结语
在全面推进素质教育的今天,课程改革首当其冲,这种改革不仅形似而应神似。《管理学原理》应当适应经济形式的发展,以能力培养为中心,探索有利于培养学生创新意识与实践能力的教学模式,积极进行改革。在教学的过程中,教师和学生要不断更新观念,积极实践,达到教学质量的提高。
参考文献:
[1]陈烨.管理学基础[M].北京:科学出版社,2004.
[2]陈永清.关于高校《管理学原理》课程教学的思考[J].经济师,2009,(10).
原理与现状 篇4
关键词：原机原理,实验教学,接口技术
1 教学现状
微机接口技术是一种硬件软件相互交错且互为基础的应用技术, 其教学内容枯燥抽象, 课时数量不足, 教师的教学难度较大, 普遍存在有劲使不上的感觉。同时, 学生对于这门课程的学习目的不明确, 多数认为没有什么实际用途, 对自己今后就业没有帮助。另外, 本门课程要求学生对汇编语言有一定的基础, 在当前浮躁的社会气氛下, 急功近利的学生也不在少数, 认为该课程不象高级语言程序课程那样立竿见影地解决许多应用问题。实际上, 在工业、农业、国防, 以及日常生活中涉及到微机接口技术的实例很多, 比如自动称量包装系统, 自动种子培育系统, 自动火炮瞄准系统, 智能电梯控制系统等等, 这就要求教师在理论教学过程中, 结合当今信息科技的新技术, 引导学生对该课程有正确的认识, 增加学生对科技的兴趣。在实验教学环节, 教师可以尝试使用一些简单实用的案例作为实践教学的切入点, 激发学生的学习动机, 增强学生的求知欲, 尽可能的改变学生学习主动性差, 学习兴趣较低的现象。
学校现有的实验教学硬件系统老化, 大多数是一些箱式实验系统。并且, 实验系统能够提供给学生的实验项目一般是使用单个接口芯片 (例如8255、8251、74LS273) , 实验过程中一些偷懒的学生不愿意亲自动手编写程序, 只是简单地连接导线并调用固化程序来完成实验, 从而导致实验设计过于简单, 达不到实验目的。另外, 教学设计不合理, 部分院校在制定教学大纲的过程中理论和实践比例安排失调, 实践教学安排过少, 导致学生不能够充分利用资源进行有效学习。
2 教学改革
2.1 改革实验内容和方法
传统的实验教学是从属于理论教学的, 改革的思路是就要提高实验教学的地位。为了实现这个目标必须对原有的实验内容进行整编与更新。既要保证实验课与理论课的衔接, 又要达到培养学生实际工程设计能力的目的。经多年的教学实践, 我们决定继续选用8255、8279、8253、8259、A/D及D/A等通用接口芯片作为实验接口芯片, 其中包括基础性实验、综合性实验、设计性与研究性实验, 并且循序渐进地加大综合性实验和设计性研究性实验的比例。在此基础上, 引入EDA技术是非常必要的。这样可以使得实验扩展为两部分, 即常规的微机原理与接口实验和基于CPLD/FPGA硬件描述语言的微机原理与接口实验, 学生可以根据自己的兴趣与爱好安排自己的实验, 在实验设计上有更大空间发挥自己的想象力与创造力。具体的方法如下:
(1) 要求学生做好实验课程预习。实验预习对如质如量在规定的时间里完成规定的实验内容是非常必要的, 因此我们每次实验课结束前就安排下一次实验内容。要求学生根据实验教学目的和要求, 结合课堂教授的理论知识, 亦可通过互联网查阅相关资料, 做好实验的准备工作, 做到实验目的明确、实验原理明晰, 实验内容充实。
(2) 在实验开始前不再简单地给学生提供实验电路和接口程序, 只提出具体的实验要求和实验目标, 让学生通过实验预习以及对实验目的、实验要求的理解和分析, 自行设计实验方案、电路和编写实验程序, 以培养学生的独立设计能力。
(3) 实验课时增设师生互动环节、增加学生之间的交流与讨论, 改变以教师为中心的传统教学模式, 建立“以学生为主体、教师启发为辅导”的实验教学新模式。
2.2 整编实验教材
实验内容的更新必须反映到实验教材上。对于新实验教材的编写, 我们应该摒弃旧的教材模式, 更新的实验内容, 且将重点内容放在接口芯片和实验器材的功能介绍上。为此, 我们取消了具体的实验步骤、实验连接线图及实验程序, 取而代之的是实验目的、实验原理、实验内容、实验教学要求、实验程序设计流程图及实验思考提问等内容。
2.3 改进考核方法
对学生实验成绩科学合理的考核评定, 可以有效地促进学生对课程的学习兴趣, 是改进实验教学中的重要环节。为提高学生的实验能力和设计能力, 我们应该根据接口实验教学的特点, 建立一种多元化的考核方法, 即不同的实验内容, 考核的侧重点不同, 综合地评定学生实验成绩。
(1) 基础性实验考核方式。主要观察学生在实验中的基本操作能力, 同时考察学生对实验原理的掌握程度和对实验仪器的使用能力。学生实验成绩由实验操作考核成绩 (60%) 和实验原理知识考核成绩 (20%) 、实验发挥部分考核成绩 (20%) 组成。实验操作考核成绩由实验设计方案、实验电路、实验程序、实验结果和实验报告构成。实验理论考核由学院统一组织, 采用笔试考核确定成绩。实验发挥部分考核成绩主要考查选做部分的完成情况。不必每次实验对每个学生进行考核, 可以采用抽查的方式, 只要保证每个学生在一个学期内至抽到三次即可。
(2) 综合性实验考核方式。综合性实验往往包括了若干个实验原理, 考核目标应该考查实验原理的合理性, 实验操作的正确性和可行性。学生实验成绩由实验方案设计、实验操作过程、结论与数据分析和实验报告组成, 由指导教师根据实际情况以抽查的方式进行考核。
(3) 设计性和研究性实验考核方式。对于这类实验, 应该重点考查学生分析与解决问题的能力和创新的能力。学生实验成绩采用小论文答辩方式进行考核, 学生要将选题综述、设计方案、实验过程、结果与分析整理成论文, 由指导教师评阅后组织答辩并给分。
3 结束语
“微机原理与接口技术”是一门重要的专业基础课, 目前正面临着诸如教师难教学生难学的困境, 也存在实验仪器老化实验内容陈旧的问题。经过几年的教学改革与实践, 我们深化了课程改革和建设, 提升了实验教学水平和质量。现有实验课程内容与方法、实验教材、实验考核方式比以前均有明显的改进, 极大地调动了学生自主学习的积极性, 增强了他们对实验学习的兴趣, 培养了学生的综合设计能力和实践能力。
参考文献
[1]杨翠微.电子信息类专业微机原理与接口实验教学探讨[J].电气电子教学学报, 2005 (27) .
[2]管希萌.关于微机原理课程改革的几点思考[J].扬州教育学院学报, 2004 (22) .
[3]叶汉英.远程开放教育课程实验教学的实施与思考[J].实验室研究与探索, 2005 (2) .
[4]梁世强, 陆益民.模拟化学实验室的创建与教学效果初探[J].实验室研究与探索, 2005 (2) .
原理与现状 篇5
1、教材的地位与作用
《分类计数原理与分步计数原理》，是高中数学第十章排列、组合的第一节课。分类计数原理和分步计数原理是排列、组合的基础，学生对这两个原理的理解，掌握和运用，成为学好本章的一个关键。
2、教学目标
(1)知识目标
掌握计数的两个基本原理，并能正确的用它们分析和解决一些简单的问题。
(2)能力目标
通过计数基本原理的理解和运用，提高学生分析问题和解决问题的能力，开发学生的逻辑思维能力。
(3)情感目标
培养学生勇于探索、勇于创新的精神，面对现实生活中复杂的事物和现象，能够作出正确的分析，准确的判断，进而拿出完善的处理方案，提高实际的应变能力。
3、重点、难点
重点是分类计数原理与分步计数原理
难点是正确运用分类计数原理与分步计数原理
二、说教法
启发引导式
三、说学法
指导学生运用观察分析讨论总结的学习方法。
四、教具、学具
多媒体
五、教学程序
学以致用培养能力布置作业知识拓展提出课题引入新课观察归纳形成概念比较归纳深化概念任务后延自主探究总结反思提高认识学以致用培养能力布置作业知识拓展
1、提出课题DD引入新课
首先，提出本节课的课题分类计数原理与分步计数原理
设计意图：明确任务，激发兴趣。
2、观察归纳DD形成概念：
首先，我结合图给出问题1：
问题1：从北京到上海，可以乘火车，也可以乘汽车。一天中有火车3班，汽车有2班。那么一天中，乘坐这些交通工具从北京到上海共有多少种不同的走法?(答案：3+2=5)
由这个问题我们得到分类计数原理：完成一件事，有n类办法，在第1类办法中有m1种不同的方法，在第2类办法中有m2种不同的方法EEE，在第n类办法中有mn种不同的方法，那么完成这件事共有：
N=m1+m2+???+mn种不同的方法
接下来，我再结合图给出问题2：
问题2：从北京到上海，要从北京先乘火车到郑州，再于第二天从郑州乘汽车到上海。一天中从北京到郑州的火车有3班，从郑州到上海的汽车有2班。那么两天中，从北京到上海共有多少种不同的走法?(答案：3*2=6)。
由这个问题我们得到分步计数原理：完成一件事，需要分成n个步骤，做第1步有m1种不同的方法，做第2步有m2种不同的方法EEE，做第n步有mn种不同的方法，那么完成这件事共有N=m1×m2×???×mn种不同的`方法。
设计意图：由两个实际问题，引导学生得到分类计数原理与分步计数原理，培养学生的观察、归纳能力。
3、比较归纳DD深化概念
两个原理的比较：
1、共同点：都是计数原理，即统计完成某件事不同方法种数的原理，因此都要先弄清是怎样一件事，如何才算完成这件事。
2、不同点：分类计数原理中的n类办法相互独立，且每类里的每种方法都可独立完成该事件;分步计数原理中的n个步骤缺一不可，每一步都不能独立完成该件事，只有这n个步骤都完成之后，这件事才算完成。
设计意图：通过两个原理的比较，让更好的掌握原理的使用。
4、学以致用―――――培养能力
例1。书架的第一层放有4本不同的计算机书，第二层放有3本不同的文艺书，第3层放有2本不同的体育书。(1)从书架上任取1本书，有多少种不同的取法?(2)从书架的第1、2、3层各取1本书，有多少种不同的取法?
(书架取书问题)引导学生分析解答，注意区分是分类还是分步。
例2一种号码锁有4个拨号盘，每个拨号盘上有从0到9共10个数字，这4个拨号盘可以组成多少个四位数字的号码?
例3。如图是广场中心的一个大花坛，国庆期间要在A、B、C、D四个区域摆放鲜花，
ABDC
有4种不同颜色的鲜花可供选择，规定每个区域只准摆放一种颜色的鲜花，相邻区域鲜花颜色不同，问共有多少种不同的摆花方案?
设计意图：为了使学生达到对知识的深化理解，从而达到巩固提高的效果。
5、任务后延―――――自主探究
(1)填空：
①一件工作可以用2种方法完成，有5人会第一种方法完成，另有4人会用第2种方法完成，从中选出1人来完成这件工作，不同的选法的种数是9。
②从A村去B村的道路有3条，从B村去C村的道路有2条，从A村经B村去C村，不同走法的种数是6。
(2)现有高中一年级的学生3名，高中二年级的学生5名，高中三年级的学生4名。
①从中选1人参加接待外宾的活动，有多少种不同的选法?12
②从3个年级各选1人参加接待外宾的活动，有多少种不同的选法?60
(3)把(a1+a2+a3)(b1+b2+b3+b4+b5)(c1+c2+c3+c4)展开后不合并时共有多少项?60
设计意图：培养学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力。
6、总结反思―――――提高认识
本节课学习了以下内容
(1)分类计数原理
(2)分步计数原理
(3)两个原理的比较
(4)用两个原理解题的步骤
设计意图：突出重点，帮助学生对所学知识系统化、条理化
7、布置作业――――知识拓展
P97习题10。11，2，3题
设计意图：巩固所学知识，发现和弥补教学中的遗漏和不足，培养学生良好的学习习惯。，
原理与现状 篇6
有一种小鼠体色有黑色与黄色两种，经分析，它们是由一对等位基因控制的相对性状，在不考虑突变发生的情况下，一对黑色小鼠生育七只子代小鼠，这七只子代小鼠体色为六黑一黄，问这七只小鼠都是纯合子的概率是多少？
这道试题虽然比较简单，但也比较典型，我在对学生讲解类似试题时，常用数学中的两个原理解决。
在学习中学数学的排列组合模块时，有两个重要的计数原理，一是加法原理，另一个是乘法原理，这两个原理在生活中有非常广泛的应用，在中学生物学关于遗传概率的计算中，应用也非常广泛。
比如：从甲地到乙地可以乘火车、汽车与航班，其中火车每天有3列，汽车有4班，同时有2个航班，因此，在同一天从甲地可以有3+4+2=9种去乙地的方法。这就是加法原理，而如果从甲地到乙地，必须经过丙地，从甲地到丙地可以有3种走法，从丙地到乙地有4种走法，所以从甲地到乙地共有3×4=12种方法。这就是乘法原理。
加法原理与乘法原理不但可以应用于计数，在概率计算中也可以根据类似的情况进行叠加或连乘，如下图，是位于常染色体上的一对等位基因（A、a）控制的相对性状。
P ♀黑色×♂黑色 ♀黑色×♂黑色
↓ ↓
F1 白色 黑色×黑色 白色
↓
F2 ？
求子代中黑色的基因型与概率：通过对题意的分析可知，亲本黑色为杂合子，而F1代的黑色个体基因型有两种情况，如下表：
因此，F2代是黑色杂合子的概率可用以下方法计算：每一种婚配类型所产生的后代可用乘法原理计算，将这件事分为三个步骤，先定F1中的父本，再定F1中的母本，最后一步是所生子代概率，比如上表中第三种婚配类型子代的黑色杂合子为（2/3×2/3）×1/2，我通常将这种方法称为“先算婚配概率，再算子代概率”。
由于F1的婚配有四种类型，所以其产生的子代应该用回法原理将这四种婚配所产生的子代情况叠加，即：
[（1/3×1/3）×0]+[（1/3×2/3）×1/2]+[（2/3×1/3）×1/2]+[（2/3×2/3）×1/2]
为4/9。
现在我们讨论所提出的话题，黑色和黑色杂交，得到6黑1黄，求这7只全为纯合子的概率多少，答案给出的是1/2的7次方，一对等位基因控制。
从题中可以看出，雌雄亲本黑色都是显性杂合子，其所生子代如上表中的第四种杂交类型，而6黑1黄可以是下表几种情况：
对于第一种，黄色是纯合子为1，黑色为纯合子为1/3，所以概率为1×1/3×1/3×1/3×1/3×1/3×1/3，因为有七种情况，所以将每一种情况的概率叠加，是1/3的6次方再乘以7。
这一方法还可应用于符合自由组合定律的多对等位基因的概率计算中，如下题：
已知亲本的基因型为AabbDDEeFf×aaBbDdEeff且各等位基因分别位于不同的同源染色体上，则这对杂交亲本可以产生子代的基因型与表现型各是多少？
由于各等位基因位于不同的同源染色体上，相互独立遗传，因此可以将此题分为五个步骤，第一步考察A、a的遗传情况，第二步考察B、b遗传情况，以此类推，最后用乘法原理解决，如下表：
从表格中可知，我们不但可以算出这对亲本所产生子代的基因型或表现型的种数，而且可以进一步计算每种基因型的概率，比如子代为AaBbDdEeFf概率为（1/2）×（1/2）×（1/2）×（1/2）×（1/2）。
原理与现状 篇7
MBR技术在处理炼油污水以及污水回用中得到广泛应用, 然而实际运行过程中膜组的产水量较小达不到正常工艺要求, 而且出水经常较浑浊, 膜组出水COD指标远超设计参数等等, 这些现象都表明MBR工艺在实际运行当中已不能达到当初的设计要求, 并给正常的生产带来较大的隐患。造成膜通量的减少、浑浊、COD超标等等都首先和膜丝上的滤孔被堵或膜丝毁坏有关其次与产水、反洗系统不能正常运转或运转方式也有关系。
一、膜生物反应器 (MBR)
MBR工艺作为一种高效的水处理技术, 拥有许多常规活性污泥法不具有的优点, 但它在实际应用中仍然存在一些问题:膜造价较高, 使得反应器的基建投资较高;能耗高;容易出现膜污染, 造成膜通量下降, 膜清洗频率增加, 膜的使用寿命缩短, 操作费用增加, 阻碍了其在实际中的广泛应用。其中, 膜污染问题是MBR运行中的重大问题, 同时也是国内外研究者面临的主要问题。
二、膜污染影响因素及延缓措施
膜污染是指由于悬浮物或可溶物质沉积在膜的表面、孔隙内壁, 造成的膜通量降低的过程[1]。影响膜污染的因素可分为3大类:
1. 膜性质的影响:
包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲/疏水性[2]和粗糙度等。
2. 操作条件的影响:
包括膜通量、温度、水力停留时间 (HRT) 、污泥停留时间 (SRT) 、跨膜压力 (TMP) 、错流速率、曝气量、反应器结构等。
3. 活性污泥混合液性质的影响:
MBR中的膜污染物质的来源是活性污泥混合液。污泥混合液的性质包括活性污泥的浓度、溶解性有机物、污泥颗粒大小、胞外聚合物 (EPS) 、粘度等[3]。
延缓膜污染的措施主要从以下几个方面考虑:
(1) 原料液的预处理:高效的预处理措施有利于改善膜分离的水利条件和减轻膜污染。预处理包括物理过程和化学过程。
(2) 优化操作条件:研究表明当反应器中膜组件在临界通量以下运行时, 可以延缓膜污染。间歇操作也是延缓MBR膜污染的有效措施之一。
(3) 膜的清洗:为了消除可逆污染和恢复部分膜通量, 必须及时地对膜进行清洗。
三、现状及建议
1. 活性污泥
(1) 污泥浓度检修前, 我们发现膜组内下部有明显的污泥沉积、结块现象, 报表上显示膜区的污泥浓度大多在2500~3500mg/L, 低于4000~6000 mg/L的浓度标准, 表明膜区内污泥活性很低, 底部污泥回流不畅。随着膜组长期运行, 膜区内的污染物浓度就会升高, 未处理的有机污染物被吸附到膜表面, 造成膜间阻力的上升, 导致膜丝内外压差过大促使大分子物质更快聚集在膜孔周围, 造成了膜孔的堵塞及出水的浑浊, 膜污染严重。
(2) EPS随着MBR的长期运行, EPS在膜生物反应器和膜表面都有积累, 从而引起混合液粘度和膜过滤阻力的增加。沉积在膜表面的EPS会形成粘结性很强的凝胶层, 导致膜通量降低。
(3) 溶解性有机物在吊膜过程中, 发现膜架底部存在大量无法生物降解的黑色物质, 经判断为腐殖质。此类腐殖质是构成溶解性有机物的主要物质, 溶解性有机物极易堵塞膜孔, 形成凝胶层, 过高积累不仅降低了膜过滤出水的水质稳定性, 影响污泥活性, 引起严重的膜污染。
2. 运行条件
(1) 反应器结构MBR池无法将积累的EPS、溶解性物质等造成膜污染的物质及时排除, 导致污染物积累, 膜污染加剧。
(2) 错流速率现阶段污水在MBR池中相对静止, 非主要影响因素可以不考虑。
(3) 曝气膜区内的曝气量控制的不好会导致膜孔所附着的堵塞物不能及时脱落或者造成膜丝断丝, 这都会造成膜通量减少、出水浑浊、COD超标, 同时也是膜组底部积泥的一个重要原因。
(4) 污泥停留时间 (SRT) 由于回流不畅, 造成污泥在池子底部大量沉积, 停留时间延长。
(5) TMP (跨膜压力) 膜丝损坏或连接管线漏气都会造成TMP降低, 造成膜通量降低。
(6) 温度夏季温度偏高, 长时间的超高温天气会造成膜区内水温异常, 膜丝由于热胀冷缩从而导致损坏。
针对炼油污水MBR运行过程中出现的问题, 从影响膜污染的因素及现状出发, 我们提出了相应的措施:
(1) 针对膜组问题现阶段采用的聚偏氟乙烯膜本身为疏水性膜, 这一本质诟病使其抗污染性能较差, 应选择亲水性好抗污染性能强的膜, 同时考虑膜成本问题, 结合膜的抗污染性能和成本综合考虑。
(2) 针对活性污泥问题加大污泥回流, 让部分可生化物质重新进入生化循环;将污泥定期排出系统, 使膜组沉积的腐殖质等溶解性有机物排出系统;采用物理清洗和化学清洗相结合的方式对膜组进行定期清洗, 极大程度地恢复膜的过滤性能, 延长膜的使用寿命。
(3) 针对运行条件使用的膜区污泥循环出口位置开在膜区外壁中间位置, 由于底部污泥及其他污染物质不能很好的搅拌, 这就导致部分污泥及有毒有害物质长期堆积在池底, 阻塞膜孔, 可将回流管线延长至池底, 减少污染物在底部的堆积, 同时缩短污泥停留时间;选择合适抖动风量大小, 使膜孔所附着的堵塞物能及时脱落, 又不至于造成膜丝断丝;夏季水温过高容易造成膜丝损坏, 可引入部分生活污水或消泡水进行适当降温。
摘要：膜生物反应器技术作为新的污水处理和污水回用工艺得到广泛的应用。但是存在一些实际问题, 主要表现在膜组的产水量较小达不到正常工艺要求, 而且出水经常较浑浊, 膜组出水COD指标远超设计参数等等, 这些都和膜污染有关, 膜污染成为限制MBR发展的一个主要问题。
关键词：炼油污水,MBR,膜污染,膜通量
参考文献
[1]Koros W J, Ma Y H, Shimidzu T.Terminology for membranesand membrane processes (Reprinted from Pure&Appl Chem, vol 68, pg 1479-1489, 1996) [J].Journal of Membrane Science, 1996, 120 (2) :149-159.
[2]Choi J-G, Bae T-H, Kim J-H, et al.The behavior of mem-brane fouling initiation on the crossflow membrane bioreactor system[J].Journalof Membrane Science, 2002, 203 (1-2) :103-110.
原理与现状 篇8
关键词：太阳能,光伏电池,光伏阵列,光伏发电系统
0 引言
众所周知,太阳能是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源,每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量[1],太阳能开发与利用正逐步成为各国政府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。“光伏发电”是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式,正在全球范围内迅猛发展,其不仅要替代部分化石能源,而且未来将成为世界能源供应的主体,是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理,综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。
1 光伏电池的原理及发展现状
1839年,法国的Edmond Becquerel发现了“光伏效应”,即光照能使半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。光伏电池是基于半导体P-N结接受太阳光照产生光伏效应,直接将光能转换成电能的能量转换器。1954年,美国Bell实验室的G. Pearson等发明了单晶硅光伏电池,其原理如图1所示。
图1中,太阳光照射到光伏电池表面,其吸收具有一定能量的光子,在内部产生处于非平衡状态的电子-空穴对;在P-N结内建电场的作用下,电子、空穴分别被驱向N,P区,从而在P-N结附近形成与内建电场方向相反的光生电场;光生电场抵消P-N结内建电场后的多余部分使P,N区分别带正、负电,于是产生由N区指向P区的光生电动势; 当外接负载后,则有电流从P区流出,经负载从N区流入光伏电池。
图2为光伏电池等效电路,其中,Iph为与光伏电池面积、入射光辐照度成正比的光生电流(1cm2硅光伏电池的Iph值为16～30mA[1]);ID,Ish分别为P-N结的正向电流、漏电流;串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成(RS一般<1Ω);旁漏电阻Rsh由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致(Rsh一般为几kΩ);RL为外接负载电阻,IL,UO分别为光伏电池输出电压、电流;当负载开路(RL=∞)时, UO即为开路电压Uoc,其与环境温度成反比、与电池面积无关(在100mW/cm2的光谱辐照度下,硅光伏电池的Uoc一般为450～600mV[2])。
与图2对应的光伏电池解析模型为[1]:
上式中,Isc为RL=0时的短路电流(A);T为环境温度(K);Tref为参考温度(一般取298K);S为实际太阳光辐照度(W/m2); CT为温度系数(A/K);q=1.6×10-29C;k=1.38×10-23J/K;n,ID0分别为二极管排放系数、反向电流;Eg为表征半导体禁带宽度的常量(V)。
实用中,为了满足负载需要的电压、电流,需将多个容量较小的单体光伏电池串、并联成数瓦到数百瓦的光伏模块(其输出电压一般在十几～几十V),进一步可将多个光伏模块串、并联成光伏阵列。图3为在环境温度25℃(T=298K) ,太阳光辐照度S=1000W/m2条件下某光伏模块(其解析模型参数参见文献[1])的仿真输出特性。
图3表明,一定的温度、照度下,光伏电池对应存在一个可能的最大功率输出运行点(Pmax=UpmaxIpmax),但实际工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。图3(a)中,给出了3条不同阻值RL1,R*L,RL2的电阻负载伏安特性(RL1<R*L<RL2),其与光伏电池伏安特性的3个交点A,M,B则为对应的3个实际工作点,只有当负载电阻RL=R*L时光伏电池才运行在最大功率点M,输出最大功率Pmax(UpmaxIpmax)。事实上, 光伏电池的短路电流与辐照度成正比,开路电压与温度成反比, 辐照度增加、温度降低将使其最大功率增加[1,2,3,12],故随着天气(辐照度、温度)变化,应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处,以实现“最大功率点跟踪(MPPT)”。
自1954年实用光伏电池问世至今,晶体硅光伏电池占了光伏电池总产量的80%以上,广泛应用的单晶硅光伏电池光电转换效率已接近25%;多晶硅光伏电池的光电转换效率虽较低,但其材料成本较低,可望成为主导产品之一[1,2,5]。随着光伏产业的迅猛发展,具有半导体材料消耗少、易批量生产、低成本、对弱光转化率高、易实现光伏建筑一体化等优势的薄膜光伏电池成为第二代光伏电池研发的重点,其中,1976年问世的非晶硅薄膜光伏电池实验室效率已达12.8%[2];20世纪80年代兴起的铜铟硒(CIS) 多晶薄膜光伏电池实验室效率已接近20% [5]。进入21世纪,以提高光电转换效率、降低成本为目标的第三代光伏电池,如叠层、玻璃窗式、纳米光伏电池等研究方兴未艾[1,5]。
2 光伏发电系统的结构和工作原理
2.1 离网型光伏发电系统
离网型光伏发电系统亦称为独立光伏发电系统,图4为其典型结构示意图。
图4中的蓄电池是离网型光伏发电系统中必不可少的储能器件,光伏阵列受太阳光照发出的电能通过控制器、DC/DC变换器对蓄电池进行高效、快速充电;而蓄电池储存的电能可通过放电器向直流负载馈电或经DC/AC变换向交流负载供电。控制器根据当前工况通过对DC/DC变换器控制调整光伏阵列等效负载的大小,实现MPPT; 另一方面,控制器采用正弦波调制(SPWM)或空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术对电压源型DC/AC逆变器进行控制以输出总谐波畸变率低、稳定可靠的交流电。防反充二极管可防止蓄电池对光伏阵列放电,以避免反向电流损坏光伏阵列。
离网型光伏发电系统主要应用于远离公共电网的无电地区[2]或容量较小(一般不超过几百瓦)的户用光伏系统[1]。
2.2 并网型光伏发电系统
并网型光伏发电系统与公共电网相联接,其典型结构示意图如图5所示。
图5中,实现MPPT的前级DC/DC变换控制与实现逆变、并网控制的后级DC/AC PWM控制独立,降低了后级逆变器并网工作与光伏阵列输出功率的相互影响,在提高太阳能利用率的同时,提高并网电流品质[12]。
并网型光伏发电系统具有太阳能利用率高、可省略蓄电池储能环节、发电成本较独立型光伏发电显著降低等优点[10],其是光伏发电技术发展的趋势,主要有大型联网光伏电站和住宅联网型光伏系统两大类,其中,光伏系统与建筑相结合(BAPV)的住宅屋顶联网型光伏系统已成为光伏产业的一个热点[2,4]。
并网型光伏发电系统的关键技术包括光伏阵列MPPT、逆变、并网控制、并网保护及孤岛效应检测等[1,11,12]。
3 光伏发电技术的发展趋势
光伏发电技术研究始于1839年“光伏效应”的发现。1954年, G. Pearson 等开发出光电转换效率为6%的单晶硅光伏电池,其为现代晶体硅光伏电池的雏形。目前,高效晶体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业的热点之一[1,2,3]。
在光伏发电技术开发之初的20世纪70年代,由于制造成本高,光伏发电仅用于人造卫星、海岛灯塔等场所,1976年全球光伏电池 年产量仅几百千瓦[2]。20世纪80年代以来,随着光伏电池技术的不断进步、成本不断降低(2003年,国际市场光伏模块的售价已降至2.5～3美元/瓦;2008年,美国First Solar公司CdTe薄膜光伏电池成本为1美元/瓦),光伏产业迅猛发展, 1997年全球光伏电池年产量为163.3MW,2007年则增至3733MW[1,2]。近年来,世界光伏产业以每年超过30%的速度递增,成为发展速度最快的行业之一。到2009年底,全球光伏发电装机容量累计达2300万千瓦,当年新增装机约为700万千瓦[6]。
近年来,并网光伏发电的应用比例快速增长,已成为光伏发电的主导市场。1996年,并网光伏系统比例仅为7.9%,而2007年则增加至80%左右。目前,光伏与建筑相结合的分布式并网系统市场份额远大于大型联网光伏电站;而大型联网光伏电站是可再生能源发电的重要发展方向,其容量可达MW或GW级,所发电能可直接并入高压电网[7,11]。据国际能源组织(IEA)预测[13]:2020年世界光伏发电的发电量占总发电量的1%,2040年则占总发电量的20%。
我国对光伏电池的研究始于1958年。20世纪80年代以前,光伏电池年产量一直低于10kW。进入21世纪以来,我国光伏产业的生产能力快速扩大,2000年光伏电池年产量猛增至3MW;2007年,成为世界最大的光伏电池生产国,占世界总产量的27.2%;2008年产量达2000MWP,仍居世界第一[15]。2007年,无锡尚德位居世界光伏电池生产厂产量第3。2007年,我国光伏发电装机容量累计达10万千瓦;2008年约为15万千瓦;2009年则增为31万千瓦。目前,我国光伏发电系统主要为离网型,今后将逐步向并网型光伏发电系统方向发展。据《可再生能源中长期规划》,到2020年全国建成2万个屋顶光伏发电项目,总容量100万千瓦[2]。
综观世界光伏发电技术几十年来的发展历程,呈现出如下发展趋势[1,2,13,14,15,16,17]:晶体硅光伏电池光电转换效率和生产技术水平持续提高; 随着晶体硅光伏电池的硅片厚度不断降低,硅材料消耗不断减小,光伏电池生产成本大幅降低; CdTe、非晶硅、CIS等薄膜光伏电池已逐步进入市场,随着薄膜光伏电池技术不断进步,薄膜光伏电池的市场份额将快速增长;多晶硅薄膜光伏电池的光电转换效率不断接近晶体硅光伏电池,成本远低于晶体硅光伏电池,发展前景广阔;叠层、量子点、多能带、热光伏、多载流子光伏电池等方兴未艾的新一代光伏电池将克服第一代硅光伏电池成本高、第二代非晶硅等薄膜光伏电池光电转换效率低的局限,且有原材料丰富、无毒等优点;光伏发电产业专用设备和仪器制造技术不断进步,光伏电池生产规模及生产能力快速增长,光伏模块价格大幅降低;并网型光伏发电的应用比例不断增加,逐步成为光伏发电的主流, 光伏系统与建筑相结合的太阳能建筑逐步进入商品化生产时期。
尽管与传统发电方式相比,目前光伏发电的成本仍偏高,尚不具备大规模商业开发的条件,但以太阳能为主体的新能源将成为21世纪世界能源供应的主体,可以预测随着光伏产业的快速发展,光伏发电的成本将不断下降并逐步逼近传统发电成本的水平,从而成为具备竞争能力的可再生能源[13]。
原理与现状 篇9
一、民办院校《计算机组成原理》课程教学现状
1. 教学环境资源匮乏, 教学平台不完善
由于资金投入不足, 大部分民办院校的计算机组成原理课程主要采用还是传统的板书和多媒体辅助讲授形式上课, 学生学习方式也停留在传统的课堂听讲、课后作业练习的模式。有限的教学资源导致教学手段单一, 对课程中抽象的内容如何高效地讲授缺少有效的手段。学生与教师之间的交流也仅仅建立在日常的课堂教学环境中, 缺乏全方位的交互平台。这种种现象必然导致教学效率不高, 学生学习积极主动性下降, 学习效果差等后果。
2. 理论与实践教学严重脱节
不少院校的计算机组成原理实践教学方法单一, 还停留在使用简单的试验箱基础上。有些院校甚至把理论课和实验课设置成两门课程, 造成了理论与实践严重脱节, 从而影响了实践教学的质量。另外, 实践练习方式单一, 基本没有社会实践进行知识拓展。
3. 学校和学生对该门课程的重要性认识不足
计算机组成原理是计算机科学与技术系的一门核心专业基础课程, 从课程的地位来说, 它在先导课和后续课之间起着承上启下的作用。但是由于该课程偏重于理论性, 课程成果产出不明显, 因此很多院校仅仅将其作为一门普通课程来开设。学生觉得该课程中讲授的内容距离实际应用比较远, 与其学习计算机的内部电路和工作原理, 还不如学习一些编程技术来的实用。基于以上原因, 学生学习热情不高, 没有做到全身心地投入到该课程的学习中。
4. 缺乏稳定高效的课程教学团队
民办院校办学历史大多较短, 很多院校的内涵建设不够充分, 院校教学团队的建设没有得到足够的重视。教学科研能力偏弱和研究成功积累不足直接导致计算机组成原理课程建设的不完善, 从而也影响课程教学的开展。
二、《计算机组成原理》课程教学设计
1. 教学内容和学习资源设计
(1) 建立以行为目标导向的课程组织结构
针对不同专业、不同层次的学生选择合适的教材, 以教材为中心, 围绕教材内容进行学习资源、教学活动、教学策略等方面的设计。
(2) 设计课程的学习资源
学习资源即所有“可资学习之源”, 指对学习者在学习过程中可以利用的一切资源, 包括课程的补充学习材料、练习、测试题, 以及网络教师、学习伙伴、同步或异步交流内容、网络外部链接, 等等。在计算机组成原理的教学过程中可以考虑建设课程的教学网站, 将学生学习过程中所能够利用的各种结构化和非结构化的资源组织起来。教学网站提供课程的背景材料、讲解性材料、课程案例、练习和测试题等资源。同时, 在教学网站中搭建教学交流平台, 实现教师与学生、学习伙伴之间进行同步或异步的交流。
2. 设计高效的开放式教学过程模式
“关于深化教育改革、全面推进素质教育的决定”指出“智育工作要转变教育观念, 改革人才培养模式, 积极实行启发式和讨论式教学, 激发学生独立思考和创新的意识, 切实提高教学质量。要让学生感受、理解知识产生和发展的过程, 培养学生的科学精神和创新思维习惯, 重视培养学生收集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力, 以及团结协作和社会活动的能力”。
“决定”指明了教学模式改革在教学工作中的重要地位。教学过程模式的设计目标在于改变教师与学生传统的教与学的观念, 达到使教师从传统的中心地位走出来, 培养以学生为中心的观念;使学生从传统的被动学习中解放出来, 做到自主学习、独立探索、提高创新能力。我经过不断的教学探索和总结, 结合“六步教学法”在计算机组成原理课程教学中设计多维一体四步教学过程模式, 在教学资源网站平台支持下, 采用“导学—讨论—实践—总结”的教学流程。
(1) 导学
在进入课程学习之前, 将《计算机组成原理》课程的教学大纲、教学日历、重点难点、实验要求、预备知识, 以及要达到的教学目的等内容介绍给学生, 同时发布在教学网站上面, 使他们了解、掌握与学习有关的所有情况, 便于自主、能动学习。另外, 在教学过程中, 建立协作学习小组, 在每章节教学开始之前为学生提出问题、确定假设、给出推理与验证思路、指导资料获取方法、引导学生顺利学习好指定的学习内容。
(2) 讨论
经教师导学和协作学习小组自学之后, 该章节内容开始讲授之前和学生就相关内容展开讨论。在讨论中, 教师和学生处于相同的地位, 师生通过互动讨论, 建立感情, 体现群体作用;同时, 在课堂教学以外, 通过教学网站的交流平台也可以进行讨论, 以方便学生随时遇到问题时能求得帮助。交流平台以教材的章节编号来进行组织, 使得交流范围和内容更加具有针对性, 也方便其他同学进行查阅。讨论方案的设计要考虑点面结合, 例如, 介绍补码运算之前可以对照原码设计讨论题目“补码在计算机的使用意义”。通过讨论, 学生能够自主地去了解和掌握补码表示, 从而引出补码运算规则等内容。教师可通过讨论式教学, 引导学生养成正确的逻辑思维习惯。特别对于一些有质疑、值得争辩的问题, 要引导学生在课堂上即兴讨论, 抛出大体思路, 达到释疑解惑的目的。
(3) 实践
这里是指对理论课堂教学中比较抽象的内容进行辅助实验证明, 或者通过作业和课程设计等进行检验或验证, 找出问题与差距, 修改原设计方案, 循环进行直到相对比较最好。例如, 在学习原码一位乘和补码一位乘之后, 布置任务要求学生通过编程实现模拟寄存器中如何移位, 如何处理寄存器中位数限制的问题。通过亲身体会和验证, 学生对知识的掌握更为深刻。
(4) 总结
一是对讨论内容的总结, 二是对实践环节的总结。方法可采用在教师指导下由学生进行, 也可由教师完成。
“多维一体”的教学过程模式指在教与学的过程中以学生为主体, 教师为辅助参与者, 利用文字教材、音像、动画、电子教案、教学网站等各种资源进行教学, 同时也方便学生进行自主学习。
有研究指出:人的情感对学习的效果影响极大, 有激情的学习可以使人很快进入最佳的学习状态, 而消沉抵触的学习将影响学习者的学习能力的发挥, 导致学习效果下降;基于人文主义就是在教与学的过程中, 师与生建立起融洽的氛围, 从而激发学生的情感与潜能, 可以促进学生的能动学习热情, 达到满意的学习效果;群体合作可以使不同层次、不同年龄、不同阅历、不同水平的学生通过分组研讨和网上学习, 共享资源、切磋经验、展开竞赛、情感交流、研究合作, 使之经过讨论和协商, 在一种亲和、认同、感染中取长补短, 获得最有效的学习指导和帮助, 取得满意的学习效果;利用多种媒体辅导是当今信息社会不可缺少的手段, 在计算机网络、尤其是Internet高度发展和普及的今天, 利用网络和多媒体技术进行学习是历史的必然, 通过这种方式的学习, 不仅可以使学员学到应该学习的知识, 而且可以使他们掌握现代学习技术和现代的学习方法。
多维一体四步教学模式激发了学生的学习积极性、主动性和探索性;及时反馈、发现和掌握学习者情感和技能目标, 提高教学质量和学习效果。
3. 完善实验教学
实验教学是培养学生具有较强动手能力和创新意识的重要环节, 是全面提高学生素质的有效途径, 在培养学生多种能力方面起着理论教学不可替代的作用。
目前高校计算机组成原理课程实验方式主要有两种[1]:一种是利用固定结构的实验平台, 这些实验平台将CPU的各个组成部件全部做好, 学生只需按要求连线、拨动相应输入或控制开关来完成实验;另一种是应用EDA技术进行实验, 利用软件生产商提供的软件先设计实验电路, 然后将实验电路下载到实验FPGA以后, 利用实验仪的相应硬件资源直观地观察实验结果来验证实验电路的设计。这种固定结构的实验平台可帮助学生深刻理解计算机主要部件的工作原理, 提高学生动手能力;但其缺点是都是验证性实验, 实验内容的扩展性不强, 学生的设计难以突破实验箱的限制。完善实践平台, 在单一的以实验箱做实验的基础上, 增加软件仿真环境丰富实验项目。
除了完善校内的实验环境, 教师还可以组织学生参加各类相关的竞赛, 创造机会参加社会实践拓展, 寻求多样化的实践方式和机会, 激发学生的学习热情和提高动手能力、创新能力。
4. 建立稳定的教学团队
教育部[教高16号]文件指出:“‘十一五’期间, 国家将建设一批优秀教学团队, 提高教师队伍整体水平。”教学团队建设已成为现阶段高等院校教学改革的重中之重。课程教学团队的建立, 对提高教学质量具有重要的推动作用。《计算机组成原理》作为计算机专业中的基础课, 对《数字电路》、《操作系统》、《汇编语言程序设计》等课程的开设起到承前启后的衔接作用, 实际操作中可以将担任该几门课程教学的教师组成一个教学团队, 有利于教学开展。
三、结语
深化《计算机组成原理》课程教学改革, 有利于提高教师的教学水平和教学质量, 促进课程的建设与发展, 提高学生的硬件设计能力。但是教学改革涉及教学活动的各个方面, 教学方法、教学内容、教学手段等方面需要改革。因此在课堂教学中不仅要传授书本知识, 而且应旁征博引, 增加相关的科技进展和科技动态等内容介绍, 甚至穿插当前的时事政治和生活趣闻, 使得课堂氛围更加生动活泼。
参考文献
[1]武法提.网络课程设计与开发[M].北京:高等教育出版社, 2007.
[2]马汉达, 赵蕙.计算机组成原理实验教学改革[J].计算机教育, 2010, (17) .
[3]魏星, 穆振海, 刘旭明.《计算机组成原理》课程教学改革初探[J].桂林航天工业高等专科学校学报, 2009, (4) .
[4]侯英梅, 袁瑾洋, 陈畑子.独立学院教学改革初探[J].科学之友 (B版) , 2008, (2) .
原理与现状 篇10
马克思主义基本原理概论是马克思主义理论的基本原理, 对于建立大学生良好的价值换和人生观有着重要的意义。但是经过多年的教学实践, 发现在教学过程中存在着诸多问题。
一、马克思主义基本原理概论教学的重要性
马克思主义基本原理是重要的辩证唯物主义思想, 具有政治性和科学性。在全面建设具有中国特色的社会主义的进程中, 马克思主义基本原理是重要的参考理论, 指导着中国更好更快地发展。在社会的发展进程中, 马克思主义基本原理开始融入进来, 并发挥着重要的作用。
当前在高校教育当中, 都开展了马克思主义基本原理教学, 马克思主义基本原理概论成为一门重要的课程, 其教育目的就在于加强高校大学生对于马克思主义基本原理的正确认识, 能够深入的理解马克思主义的内涵, 并将其应用到社会实践当中去, 实现马克思主义的现代化发展。青年是社会建设的主力, 是国家发展的希望。高校大学生需要的不仅仅是书本上的知识, 更重要的是精神层面的丰富。马克思主义基本原理的学习能够充实大学生的精神世界, 提升个人的素质。高校开展马克思主义基本原理概论教学具有十分重要的意义。
二、马克思主义基本原理概论教学的现状
(一) 学生对马克思主义基本原理概论教学认识存在误区
学生对马克思主义基本原理概论的认识存在着误区, 认为学习概论没有什么实际意义, 而且就实用性来讲肯定不如专业课重要, 考试前进行突击复习, 将考试应付通过就可以。这就导致了学生主要的精力都集中在数理化以及专业课方面, 对马克思主义基本原理概论不闻不问, 学习内容脱节, 最后越来越听不懂。这种误区的存在就使得概论的学习目的被歪曲, 严重偏离了课程存在的意义。
(二) 学生价值观受到大环境影响
随着我国经济的发展和社会的转型, 物质得到了极大地丰富, 人们的思想也发生了转变, 对于物质越来越看重, 一味的追求经济利益, 致使实用主义, 拜金主义层出不穷[1]。在这种社会环境中, 学生们的思想受到了很大的影响, 他们往往只关注自己能够得到什么, 能学到什么技术, 而忽视了对马克思主义基本原理概论的学习。这种现象在我国大学全面扩招, 大学生人数急剧增加, 就业压力飞速上涨的今天越发严重。这些压力使得学生们只注重学习一些实用的技术, 专业的技能, 而忽视了政治思想和人文素养的培养。
(三) 学生的马克思主义基本原理概论基础薄弱
由于学生在中学时期面临着巨大的升学压力, 大部分注意力和时间都集中在主要科目的学习之中, 导致学生偏科现象严重, 文科生重文轻理, 理科生重理轻文。重文轻理导致对自然科学以及科学理论的不敏感, 无法将其与实际相结合。重理轻文导致在哲学思想和社会认知方面存在局限, 无法很好地理解马克思主义基本原理。而且在对学生的调查中, 发现在学习马克思主义基本原理概论前几乎没看过马克思主义著作的人数占41%, 更是有高达61%的学生仅仅了解一点关于马克思主义理论的内容[2]。前期的准备不足, 加上不够健全的知识结构, 导致了马克思主义基本原理概论很难再学生中产生足够的影响。
(四) 马克思主义基本原理概论教学自身特点的影响
马克思主义基本原理概论是一门理论性和抽象性极强的学科。极强的抽象性导致学生很难正面、全面的把握其中的内容, 常常不知所云, 这更加深了学生对于马克思主义基本原理概论的反感。同时, 马克思主义理论体系是抽象普遍的, 但是实际情况总在不停地发生变化, 仅仅依靠理论进行讲授会使人感到脱离现实太过空泛, 很难对事情的内容和发展做出有效的说明。因此, 作为理论性和抽象性极强的学科, 马克思主义基本原理概论很难引起学生足够的重视。
(五) 传统教学方法的不足
目前, 我国马克思主义基本原理概论教学主要采用教师的单向传授的教学方法, 在课堂上以教师为中心, 单调的进行讲课, 很少同学生进行有效的交流和互动。这就使得学生在上课的时候很难集中注意, 不去认真听讲, 普遍出现开小差、做其他学科的作业, 甚至睡觉、逃课。这种现象不但影响了老师的教学质量, 同样影响了学生的学习质量。
三、马克思主义基本原理概论教学的改进措施
(一) 在教学过程中紧密联系实际, 把握学生内心需求
改进马克思主义基本原理概论教学的措施, 首先要了解学生内心真正需求的东西是什么。在教学过程中, 老师应该主动去了解学生想要的是什么, 而不是一味的去想自己应该教什么[3]。同时, 马克思主义基本原理概论教学离不开与实际生活的紧密联系。通过满足学生内心需求并与实际紧密相连的教学方式, 使学生从被动的接受知识转而主动的学习知识。
(二) 改革教学内容, 表现教学的实用性
随着社会的发展, 人们的生活方式发生了日新月异的变化, 对物质的需求越来越高, 而马克思主义基本原理概论教学的内容也不该止步不前。现在的大学生们面临着巨大的就业压力, 注重实用性、注重技术性的功利表现在多方挑战的下越发突显。在这种时代环境下, 真实性和实用性就成为了学生是否能够接受课程的重要因素。因此, 马克思主义基本原理概论教学应该将历史的重大事件、国内外的时事热点等因素与教学过程相结合, 从而引导学生主动学习。
(三) 改革考核方法
现阶段, 马克思主义基本原理概论教学的考核还是以试卷为主。但是教学应该是理论与实际紧密相连的, 仅仅依靠试卷考核是不够的。应该采用平时课堂成绩, 期末考试成绩和平时成绩结合的考核办法, 促使学生认真的学习知识。
(四) 加强社会实践
马克思主义基本原理概论是一门理论性和抽象性极强的理论, 加强社会实践, 可以有效的提高理论的时效性, 发挥马克思理论对大学生应有的指导作用, 对其社会观、人生观、价值观的确立打下良好的基础。
(五) 改善教学方式
传统的教师灌输知识的教学方式限制了学生对理论的认知。现在马克思主义基本原理概论的教学方式应该向多媒体的方式转变, 通过丰富的影音资料, 生动形象的向学生传授理论知识, 有利于学生对知识的转化, 促进学生对马克思主义思想的理解。
四、马克思主义基本原理概论教学的创新
为了更好的适应时代的发展, 在改进马克思主义基本原理概论教学的基础之上, 进行教学创新。与社会实践相结合, 而不只是从课堂上对马克思主义基本原理进行理论学习。首先, 拓展实践教学, 参观革命老区、慰问革命老干部, 体验社会。学生可以通过实践活动, 收集更有价值的资料, 加深对于马克思主义的理解。学生回到课堂之后, 要以实践报告的形式, 总结自己的心得体会。学生之间进行交流学习。通过社会实践活动, 加强了学生对于马克思主义的理解, 并可以将其与实际结合起来, 提升学生的社会责任感。引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。
其次, 除了社会实践之外, 高校开展的实践活动也是非常重要的。以活动周、辩论会等形式开展马克思主义基本原理的实践活动。结合当下的热点问题, 鼓励学生积极的参与到实践活动当中, 进行交流和辩论, 各抒己见。让学生更加踊跃的加入到实践教学当中, 提升学生对于马克思主义基本原理的学习热情, 并有效提高学生的理论水平和实践能力。
第三, 将马克思主义基本原理与科技元素相互融合, 结合计算机网络和多媒体, 打造马克思主义基本原理网络平台, 提供更加丰富的理论知识, 便于学生的查阅, 并可以在网络平台发表见解, 引发某一论题, 让更多的人参与讨论当中。网络平台上的热点话题, 可以带到课堂教学当中, 让学生进行讨论分析, 达到良好的教学效果。
五、结论
马克思主义基本原理概论教学对于大学生的思想教育和人生观、价值观的建立有着重要的意义。针对教学过程中存在的问题, 提出有效的改革措施, 通过改革教学内容, 改进考核方法, 改善教学方式, 加强社会实践创新, 不断地完善马克思主义基本原理概论教育, 提高教学质量, 推动马克思主义基本原理概论教学的发展。
摘要：马克思主义基本原理概论作为我国大学生的必修课, 在教学过程中还存在着认识的误区、环境的影响以及内容的不足等现象。大学生是社会主义建设的主力军也是生力军, 其对马克思主义基本原理概论的不了解, 对马克思主义思想的贯彻和科学社会主义的建设都有消极影响。因此本文结合实践对教学方式进行改进, 并提出了马克思主义基本原理概论教学的重要措施。
关键词：马克思主义基本原理概论,教学现状,改进措施
参考文献
[1]周立.马克思主义基本原理概论教学改革探析[J].四川理工学院学报 (社会科学版) , 2009, S1:108-110.
[2]陈永杰, 冯皓.案例在马克思主义基本原理概论教学中的运用[J].江南大学学报 (教育科学版) , 2009, 03:203-205+209.
法线贴图原理与分析 篇11
关键词：法线贴图；光照原理；颜色分析
法线贴图技术在为游戏用户提供了超强的观感享受的同时也为三维艺术家提供了更多的自由创作空间。早期三维游戏由于受到硬件显示的限制，游戏画面能呈现出来的多边形数量非常有限，在这种情况下实时演算的画面细节无法让人满意。可是当法线贴图技术被引入游戏引擎之后，由于其可以做到在多边形数量相对低下的模型上呈现出超高数量多边形模型所能表现出的细节，而更重要的这是在没有给计算机硬件带来任何过多负荷的条件下就能表现出惊人的效果。因此，该技术得以在游戏、动画、虚拟现实等行业中获得广泛普及与应用。如（图1）中低模通过法线贴图而获得的高细节显示。
1 三维空间模型表面的光照原理
在图形学领域针对三维空间中某一模型将来被渲染器渲染并呈现在屏幕上，有着众多信息需要计算。例如，物体自发光信息、环境光信息、漫反射信息、镜面反射信息等，这些因素都可以用如下公式来综合計算，即物体的光照颜色=发射颜色+全局环境颜色+（环境颜色+漫反射颜色+镜面反射颜色）×聚光灯效果×衰减因子。如果场景中有多个光源（包括环境光），那么分别计算来每个光源的光照颜色，然后把这些光照颜色累加即可。如果物体不发射光，则没有发射颜色这一成分。我们可以拿对物体本身影响最大的漫反射颜色的计算来进行解释，这也是贴图能改变模型表面的细节的关键所在，（图2）展示的是物体表面漫反射颜色计算原理。
物体漫反射颜色=光源的漫反射光颜色×物体的漫反射材质颜色×DiffuseFactor，其中漫反射因子DiffuseFactor是光线与顶点法线向量的点积：DiffuseFactor=max（0，dot（N，L））。
上面公式中N表示的是物体表面某一点的法线，即Normal。而L表示在存在光的三维场景之中从模型表面的一点引出一条线段指向光源的位置，这条线定义为光向量，即Light Vector，通过测量这两个矢量之间的夹角我们就可以知道该点是如何被照亮的。并且在图形学中，点积的几何意义其实就是表示两个向量之间夹角的cos值。因此，这个公式直观直接地揭示了漫反射的规律：顶点法线正对入射光线，漫反射效果最强，顶点法线背对入射光线（角度大于等于90度）就完全没有漫反射效果。另外需要注意的是在光照计算中，顶点法线与光向量必须是经过规范化的（normalize）。
另外在光照颜色计算中还有一个关于镜面反射颜色的计算，其在镜面反射因子计算中所也要考虑两个向量，其一是模型表面点的法线向量。其二是视线向量与光线向量的半角向量，关于镜面反射颜色的计算请参考相关资料，在这里我们需要了解的是模型表面法线对模型将来被渲染呈现非常重要就可以了。
2 法线贴图相关概念解析
在素描学习中各种物体的空间立体感是在一个基本的、简单的轮廓线条基础上不断通过添加明暗关系来体现的，如（图3）的素描静物展示。
在三维空间物体光照颜色的计算公式中可以得知：如果物体表面被渲染点的法线信息被更改，那么光向量与顶点法线向量点积而得到的漫反射因子（DiffuseFactor）会发生改变，则模型在渲染中就会有更多明暗变化，期间由于眼睛的欺骗作用则会使观者感觉到模型有了更多的细节，那么贴图手段如凹凸贴图、法线贴图、视差贴图更改法线成为最常用方法，又由于法线贴图在当前行业中应用最为广泛，本文在此做深入分析。
首先法线贴图与凹凸贴图（Bump）非常相似，但是法线贴图的优势在于即使在灯光位置和模型角度改变的情况下，依然可以得到正确的shading，从而为低多边形模型带来更多的细节效果。并且凹凸贴图（Bump）只使用单通道图像（灰度图像）来计算，而法线贴图使用多通道图像（RGB）来体现法线信息。凹凸贴图改变的是法线向量的大小，而法线贴图能同时改变法线向量的大小和方向。
我们在此只讨论切线空间法线贴图（tangent space normal map），因为world space normal map和object space normal map 不适合可变形物体，因此，实际应用较少，故除非特别指明我们在下面所讲述的所有法线贴图都指的是tangent space normal maps（切线空间法线贴图）。Tangent space切线空间由3个向量组成：一个是normal（法线与表面正交垂直）。另外两个与法线垂直，称为tangent（切线）和bitangent（双切线），也有将bitangent（双切线）称为binormal（副法线）之说，我们在这里主要目的是将问题说明白就可以了。
一个三角形面的切线空间通常按下述方法计算：Normal Vector法线向量与三角形面垂直，用蓝色表示，储存在法线贴图的蓝色通道里；Tangent Vector切线向量用红色表示，储存在法线贴图的红色通道里，切线为左右向，即为贴图空间中的U坐标；Binormal Vector副法线向量用绿色表示，储存在绿色通道里，副法线为上下向，是贴图空间中的V坐标。如（图4）所示。
图4是在Maya软件中所做的分析示意：左侧模型三角面上显示红、绿、蓝箭头表示的是切线空间的三个向量，而右侧标注Ucoord和Vcoord则是该平面的UV展开图，注意切线空间向量与UV坐标平面中颜色的对应关系。
3 法线贴图颜色构成分析
下面来详细分析法线贴图的颜色构成。在图4所示的场景基础之上继续创建一圆柱体并保留一半，高度细分段数为1，圆周细分段数为7，并确保圆柱体为硬边显示状态，可以在选中圆柱体状态下执行Polygons模块下Normals＼Harden Edge，整个场景调整状态如（图5）所示。
此时将圆柱模型的顶点信息通过Maya渲染模块（Rendering）下的Lighting/Shading＼Transfer Maps...贴图烘焙工具烘焙到平面上，该工具的详细使用在此掠过略过。
图6所示上方有一组配色表：高分辨率模型为白色，它的法线用青色表示，低多边形和低多边形包裹模型为紫色，法线用黄色表示（因为低多边形表面上所有点的法线方向都是一样的）。
现在，高分辨率模型上的每个多边形面的法线（青色）都应该按照下面平面物体的UV空间进行分解：切线向量——红色，法线向量——蓝色，副法线向量——绿色（在本示意中看不见，由于其与UV坐标的V轴向平行，均为0），圆柱两端的三角形面在法线贴图中将不可见。
绿色的虚线用于辅助观察面和面之间的颜色过渡以及它们对应的模型位置。
灰色箭头用于表示在计算法线贴图时低分辨率多边形上的点与高分辨率模型上的点的对应关系。现在我们要将高分辨率模型上的点的法线纤细烘焙到低多边形上，首先从低多边形的A、B、C、D、E、F和G发射了白色光线，并以包裹物体为范围，方向为AA、BB、CC、DD、EE和FF，光线在与高分辨率模型的相交点即为低多边形在空间中要寻找的即将分解法线向量的点。
如图6所示，将青色的法线向量分解为切线空间结构，以向量为对角线，单位为1，那么切线和副法线都会按正反方向生成一个矩形相邻的两条直角边，数值为-1～1之间，并可按比例转换为正整数，以灰度值储存在法线贴图的RGB通道中。
对于切线（红色通道）负方向区间（-1，0），那么它的灰度值范围就在0～127之前，0是128的中灰色，反之，正方向（0，1）的范围就在129～255之间，同理适用于副法线的绿色通道。由于法线向量的值永远为正，灰度值范围总是在128～255之间。因为切线域法线贴图的法线向量不能指向负方向，所以以它为标准单位，可以很方便地计算出其余两个数值。
例如，D点与高分辨率模型的4号面相对应，因为两者的法线平行，所以切线的值为0，在红色通道表示为128的中灰；F点与6号面相交，可以看到这个面的法线向量（青色）为1个单位，分解出切线（红色）长度约为正方向0.78，对应的法线贴图的红色通道灰度值是227；蓝色的副法线长度约为正方向0.625，对应的法线贴图的蓝色通道灰度值为207。B点与2号面相交，青色的法线向量可分解为红色的切线，长度-0.78单位，对应灰度值为28；蓝色的副法线长度为0.625单位，对应蓝色通道的灰度值为207。
如果将圆柱沿Y轴顺时针旋转90度如（图7）所示那样，读者可自行分析一下法线颜色变化情况。
4 结论
三维物体表面法线信息发生变化可以使低模物体在渲染时获得更高的细节，这是三维动画与游戏领域為了高细节以存储空间换计算时间的典型做法，但由于以颜色（RGB）为存储通道进行信息的存储，决定了法线贴图的局限性：其一是不适合剧烈、高强度的模型细节展示。其二是法线效果会随着物体表面与摄像机视线成角的增加而减弱，但无论如何，法线贴图的应用还是为CG行业的整体效果提升起到了极为关键的作用，并且还会在相当长的一段时间内继续使用。
参考文献：
原理与现状 篇12
涂层防护法是采用抗氧化涂层技术将C/C复合材料基体与外界空气隔离,避免O2渗透扩散到基体表面和内部。目前较成熟的涂层制备方法主要有:化学气相沉积法(CVD)、包埋法、溶胶-凝胶法、料浆涂刷法、热喷涂法、液相反应法和化学气相反应法等[4]。
随着科学技术的进步,C/C复合材料必须在更恶劣的环境中服役(大于1500℃),一方面要求所制备的涂层抗氧化性能优异;另一方面要求制备涂层的成本低、适用温域宽。为了解决上述问题,相继开发出两种及两种以上工艺相结合制备复合涂层和梯度涂层体系的方法,如Zhang等[5]采用浆料涂刷及包埋工艺相结合制备SiC/Si-Mo-Cr涂层,在1600℃的静态氧化气氛中有效保护C/C复合材料长达135h;Feng等[6]采用两步包埋法在C/C复合材料表面制备SiC/MoSi2-CrSi2-Si复合陶瓷涂层体系,研究发现在1600℃的静态氧化气氛中可以保护C/C复合材料达500h。要获得更高温度以及全温域环境下的抗氧化涂层体系,超高温结构陶瓷材料(UHTCs)具有热稳定性、耐高温性能好和热膨胀系数低等特点,可作为C/C复合材料的首选材料,且UHTCs材料本身熔点高,选用合适的涂层制备工艺是极其重要的,即能制备致密、结构均匀的涂层,又能保证C/C复合材料本身的力学性能。等离子喷涂技术由于其能够产生高温等离子弧,可以熔化所有高熔点的陶瓷材料,为制备新材料涂层体系提供了可能性。笔者在介绍等离子喷涂技术原理、工艺特点的基础上,重点论述该工艺制备C/C复合材料抗氧化涂层的研究进展和成果,并对其今后在C/C复合材料抗氧化涂层制备的研究方向做出了展望。
1 等离子喷涂技术原理及发展
当气体电离度大于0.1%时,正离子和电子数量增多且相等,其空间电荷为零,呈中性状态,处于这种状态下的气体称为等离子体[7]。等离子喷涂技术正是利用两个相距一定距离的正负电极,将流过的气体瞬间电离,通过气体压缩和爆炸产生高温电弧。
等离子喷涂技术的原理是采用刚性非转移型等离子弧为热源,将金属或非金属颗粒加热到熔化或半熔化状态,在气流的推动下喷向基体,撞击基体表面,颗粒发生扁平化塑性变形,快速凝固从而相互粘接,在基体表面形成片层结构[7]。
等离子喷涂技术出现于上世纪50年代,随着等离子喷涂技术的不断完善,涂层性能要求的不断提高,等离子设备也进一步朝着高能、高速的方向发展,在大气等离子喷涂设备的基础上,已研发出超音速等离子喷涂、液料等离子喷涂、三阴极等离子喷涂、多功能集成技术、以及实时控制技术等。其中,超音速等离子喷涂由于其自身操控简单、能够产生更高速、更高温的气体射流而得到广泛应用[8]。等离子喷涂技术大多数应用在金属材料加工领域,如:缺损部件的修复,制备耐磨、耐腐蚀、热障涂层等金属基的表面,以提高金属基体表面的性能。如Fukumasa等[9]采用等离子喷枪制备出银-石墨复合涂层,涂层的摩擦系数仅为青铜的1/5、银的1/2;王海斗等[10]采用超音速等离子喷涂技术制备了NiCrBSi耐磨涂层,发现涂层内部均匀,具有较低的孔隙率和氧化物含量,涂层和基体的结合强度接近50MPa;张建等[11]采用该技术,在纯铜基体上制备的Cr2O3-Ni-5%Al陶瓷耐磨涂层物质分布均匀,孔隙率为1.2%。由于该技术成熟的应用在金属基涂层制备上,对获得C/C复合材料的抗氧化涂层提供了理论基础。
2 等离子喷涂技术制备C/C复合材料抗氧化涂层的研究进展
2.1 等离子喷涂技术制备C/C复合材料抗氧化涂层单层涂层体系
碳化硅(SiC)为难熔性高温陶瓷材料,熔点为2800℃,具有优异的抗氧化性能,热膨胀系数低,与C/C复合材料的热膨胀系数匹配(αSiC=4.2×10-6/℃,αC/C=1.0×10-6/℃),SiC在高温有氧环境中,能够产生玻璃相SiO2,其在1200℃以上为黏流态能够愈合由于涂层制备工艺缺陷、涂层和基体热应力不匹配造成的裂纹和微孔,提高氧化防护能力。Niu等[12]在C/C基体上喷涂Si涂层后热处理使Si和基体C发生反应,研究表明,在1450℃ 的热处理环境下,发现有SiC致密层的生成。虽然利用等离子喷涂制备Si涂层体系是可行的,热处理生成的SiC涂层在一定程度上能够保护C/C复合材料免受O2的侵害。但是单层涂层体系在高温热震循环中,涂层与基体因热膨胀系数的差异容易导致贯穿性裂纹。故这类涂层单独使用时,高温自愈合能力较薄弱,抗氧化效果非常有限。
2.2 等离子喷涂技术制备C/C复合材料抗氧化涂层复合涂层体系
陶瓷材料具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐热冲击性能好和热膨胀系数低等优点而被广泛应用于制备C/C复合材料抗氧化外涂层。主要包括:高熔点氧化物陶瓷、难熔碳化物陶瓷和难熔硼化物陶瓷。
陶瓷抗氧化涂层的主要原理是利用陶瓷材料在高温有氧环境下,会和O2发生化学反应生成具有自愈合能力、流动性和低氧渗透性的玻璃态物质,在涂层表面形成一层阻挡O2扩散的保护膜,从而保护C/C复合材料。黄敏等[13]采用等离子喷涂法在C/C-SiC基体上制备了Cr-Al-Si合金涂层体系,研究表明在1500℃的静态空气气氛下保持60h,失重率为5.3%;Wu等[14]在C/C-SiC基体上用该工艺制备MoSi2陶瓷涂层,研究表明该涂层只有少量微孔和微裂纹存在,没有贯穿性裂纹,且在1500℃的空气气氛下保持500h失重率仅为1.14%;黄敏等[15]为解决涂层间热膨胀系数不匹配的问题,在C/C-SiC基体上喷涂制备了硅酸钇梯度涂层,在1500℃的静态空气中氧化73h后,单层SiC涂层失重速率已达12×10-4g/(cm2·h),而梯度硅酸钇涂层的失重速率仅为1.01×10-4g/(cm2·h)。Sun等[16]在C/C-SiC基体上喷涂制备含有不同Y2O3摩尔比的硅酸锆涂层,研究结果表明在1550℃的空气气氛下静态氧化220h后,失重率仅为1.54%,能够承受1550℃-室温的25次热震循环。可见,利用等离子喷涂技术制备的陶瓷涂层复合体系在一定程度上提高了C/C高温抗氧化持续时间。
在等离子喷涂过程中,直接影响涂层质量的因素还包括等离子喷涂工艺参数,合理选择工艺参数是确保涂层质量的重要方法。参数包括:喷涂电流、喷涂电压、工作气体流量、载体流量、送粉率、喷涂距离以及喷枪移动速率等[17]。研究人员运用统计学相关理论,运用科学计算方法和精密仪器分析参数对涂层质量和性能的影响,马建龙等[18]用正交法对制备纳米Al2O3涂层的喷涂工艺参数进行分析,发现影响涂层质量工艺参数有主到次的顺序为:喷涂电压、主气流量、喷涂距离、喷涂电流。陈永雄等[19]采用热喷涂监测系统(Spray-watch-2i型)监测飞行粒子的温度、速度、密度等参数,研究表明沿着喷涂方向,飞行粒子的平均速度和温度呈现先增大后下降的趋势,粒子基本呈轴对称分布,中间粒子数量多,边缘的粒子数相对较少,进而会影响涂层均匀分布和颗粒的扁平化程度。Wu等[20]采用功率为50kW的超音速等离子喷涂法在C/C-SiC基体上喷涂MoSi2陶瓷涂层,涂层无裂纹气泡缺陷,且结合强度达到最大值14.5MPa,这与在金属基体上制备涂层的结合强度相比还相差甚远,因此,进一步提高涂层与涂层、涂层与基体的结合强度也是等离子喷涂技术制备C/C复合材料抗氧化涂层推广和应用的关键之一。
3 结语
等离子喷涂技术处于国际热喷涂技术的前沿,具有高温、高速和高效的独特优点,超音速等离子喷涂技术的等离子射流速度可达到音速的5~8倍,可以制备各种高密度、高质量、高熔点的难熔涂层材料,使得制备的涂层结合强度和致密度高、孔隙率低,涂层的抗氧化性能得到大幅度提高。今后主要的研究内容包括:
(1)制备全温域段的涂层体系,制备的涂层体系主要应用在中低温区域,因此要充分利用等离子喷涂技术可以熔融任何材料的特点,寻找新的超高温涂层材料与等离子喷涂技术相结合,来实现高温域段的C/C抗氧化保护。
(2)通过科学的方法,研究合理的喷涂工艺参数。在等离子喷涂过程中,涂层和涂层、涂层和基体之间主要为机械结合,由于熔化颗粒在喷涂到基体上凝固速度很快,涂层间会存在少量孔隙,合理的工艺参数使涂层缺陷得以解决,提高涂层质量。
(3)利用超音速等离子喷涂解决大型复杂C/C复合材料零部件的抗氧化问题,即通过机械手合理配置喷枪角度及位置。