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Abstract: The paper introduces the importance of diagnostic techniques on the structural damage in civil engineering and summarizes the research status of the diagnosis on the structural damage in which the intelligent diagnostic methods are specially introduced. Finally,the researches of structural damage diagnosis and development direction are prospected.

關鍵詞:損傷診斷;專家系統;神經元網絡技術;遺傳算法

Key words: damage diagnosis;expert system;neural network technology;Genetic Algorithm

中圖分類號:TU-09 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)27-0120-01

在當前重要的大型土木工程建筑不斷修建,已建成結構大批老化的大背景下,結構健康檢測與診斷的研究正受到國內外土木工程界越來越多的關注。特別是在5.12汶川大地震后,大部分的土木工程結構建筑物遭受不同程度的損壞,在建筑物遭受不同程度的損傷后,對其可靠度與安全性的鑒定與評估,對建筑物抗震性能的改善,已成為人們關注的焦點。

正確診斷評價地震后建筑結構的破損狀態,對地震等自然災害災后結構殘余承載力進行評估,預測可以繼續使用的年限及期間的可靠度,有著重要的經濟效益與社會效益。

土木工程結構損傷診斷的方法從工程結構上可分為局部檢測法和整體檢測法:

①局部檢測法。

局部無損檢測技術主要包括目測法、染色法、發射光譜法、回彈法、聲發射法、滲漏試驗法、射線法、脈沖回波法、磁粒子法等。絕大多數技術能夠成功地應用于檢查一定部件的裂縫位置、焊接缺陷、松弛或失穩等,實際檢測中經常是幾種技術綜合使用對結構進行檢測。以下介紹幾種常用的無損檢測技術。

②整體檢測法。

a.模型修正與系統識別法。模型修正與系統識別法是使用動力測試資料、基本運動方程和有限元模型構造優化約束問題,不斷修正結構模型的質量、剛度與阻尼分布(通常為剛度陣),使其響應盡可能地接近由測試得到的結構動態響應,通過修正模型矩陣與基線模型相對比,實現對結構損傷的診斷。由于模型誤差、測量噪聲以及土木工程結構可測得的動力特征對局部剛度變化不敏感等因素的存在,使得此類方法在實際應用中受到限制。模態試驗測得的模態信息總是不完備的,導致了特征方程求解中的不定問題。

b.壓電材料法。壓電阻抗技術的優點是對結構中出現的小損傷反應靈敏,有利于檢測出結構初期故障,而且壓電阻抗技術中常使用的壓電材料PZT有體積小,結構簡單和工作可靠等優點。另外,PZT只對其附近局部范圍內的變化敏感,有助于分離出結構整體的質量加載、結構剛度和邊界條件變化與PZT附近結構損傷對測量結果的影響,所以這種技術適用于跟蹤檢測那些對結構完整性要求嚴格或是對結構壽命影響很大且損傷不容易檢測的薄弱環節。

隨著科技的不斷進步,智能診斷在建筑物結構損傷診斷中發揮著舉足輕重的作用。智能診斷大概分為以下三種技術:

①基于知識的專家系統。

基于知識的專家系統的研究起步最早,目前在診斷中已有成功的利用。基于知識的結構損傷故障診斷專家系統可以通過人機對話,較為準確診斷出處結構損傷的程度和位置。它應用因素空間來描述人類專家的知識和經驗,借助對專家作心理實驗來獲取知識和建立知識庫,有效地解決含有大量模糊性和不確定性知識的問題,利用對比―分析―識別等非邏輯形式,根據獲得的各種信息,進行損傷診斷。

②神經網絡技術。

神經網絡技術在診斷中應用起步較晚,但由于他很強的容錯性、魯棒性、泛化和計算能力,很適合作故障分類和模式識別,因此在結構損傷檢測與診斷中很受歡迎。它不但可用于線性系統,尤其可用于非線性系統。人工神經網絡由大量相互連接的簡單神經處理單元組成,它可以不依賴于模型,只需通過對輸入輸出數據的學習,即可將輸人輸出的映射關系以神經元間聯接強度權值的方式存儲下來,具有很強的非線性映射能力。

③遺傳算法。

遺傳算法于世紀年代由美國密執安大學的提出,它是基于自然遺傳和自然機理的尋優方法。其優點在于只需要計算各行解的目標值而不要求目標函數的連續性,不需要梯度信息,具有很強的魯棒性。將損傷診斷問題歸結為參數識別的最優化問題,遺傳算法可以在測試獲取信息不多的情況下,迅速找到破損部位并能準確模擬破損程度,即使模態可能丟失時,遺傳算法的尋優能力仍不受影響。遺傳算法適合診斷中的推理和網絡的結構優化,但由于其提出時間較晚,它在損傷診斷領域的應用還不很廣泛。

目前結構檢測診斷技術向智能化方向發展,出現了結構健康智能監測診斷系統,這種系統思路較新,體系還沒完全形成。從結構的健康監測和損傷監測的動態來看,以下幾個問題的研究在該技術的未來發展方向上有比較重要的意義和迫切性:

①系統應具有實時的監測功能,具有損傷趨勢分析及預測的功能,對每次診斷結果進行匯總,給出其狀態劣化曲線,正確評估結構的健康狀況。

②結構損傷診斷信息技術。損傷信息處理對于在線監測極為重要,是結構損傷識別的關鍵。此方面的研究可充分利用近些年來迅速發展的小波分析技術。

③系統應具有智能診斷功能。神經網絡和專家系統可以優勢互補,輔之以模糊算法、遺傳算法的運用,結構損傷診斷技術必然具有良好的前景。

參考文獻:

[1]周唯.淺議土木結構損傷及其診斷方法[J].科技資訊.

[2]陳.結構損傷監測與智能診斷[M].北京:科學出版社,2001.

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本刊訊（通訊員 高 文） 近年來，劍川縣把義務教育均衡發展工作列為年內重點項目，不斷加大教育投入，改善辦學條件、優化育人環境、提升辦學水平、提高辦學質量，著力提升農村學校和薄弱學校辦學水平，改善縣域內學校辦學條件，縮小城鄉之間、校際之間辦學水平差距，基本實現了縣域內義務教育階段適齡兒童“有學上”的目標。

夯實了教育發展基礎。劍川縣堅持財政優先保障教育的原則，落實教育經費“三個增長”，鞏固和完善義務教育經費保障機制，將義務教育經費納入公共財政保障范圍并及時足額撥付，優先解決教育重點難點問題，優先保障義務教育均衡發展，努力改善中小學辦學條件。3年來，先后投入5 590萬元資金用于實施義務教育均衡發展。

縮小了校際間辦學條件差距。劍川縣不斷夯實學校辦學基礎，逐年加大政府投入，建立了相對穩定的教育經費保障機制，先后投資19 289.3萬元實施了中小學校舍安全工程等6類建設項目，新建校舍91 175.35 平方米，加固改造B、C級校舍47 241平方米，有效緩解了校舍緊缺的局面，縮小了校際間辦學水平差距。2000年以來共計投入經費1 955.51萬元，通過實施國家“貧義工程”“薄弱學校改造工程”等項目，為全縣80所中小學配置實驗、音樂等教學設備器材。

提升了教師隊伍整體素質。劍川縣合理配置教師資源，認真實施國家、省、州、縣培訓項目，完善教師培訓制度和培養機制，3年來共招聘教師163人補充到農村邊遠貧困學校。同時健全完善城鎮學校對口支援農村學校制度， 2014年以來全縣學校領導交流25人次，教師輪崗交流聘用389人次。

保障了義務教育公平。全縣義務教育階段學校招生按戶口或實際居住地為主，實行區域劃片招生，確保每一位適齡兒童少年能按時就近入學，同時嚴格規范學校招生工作，明確規定學校招生人數、班額，保證義務教育的公平、公正，確保每一位學齡兒童能夠順利進入義務教育學校就讀。進一步建立和完善控輟保學工作制度，把控輟保學工作納入規范化、制度化管理。認真貫徹執行民族教育優惠政策，對符合條件的民族考生實行加分照顧政策，2016年少數民族適齡兒童入學率達99.94%。2016年全縣留守兒童全部進入學校就讀，留守兒童小學、初中入學率均達到100%。2009年到2015年全縣共資助貧困學生40 217人次，資助資金1 885.545萬元。2011年設立縣教育扶貧助學金以來，共收到116家企事業單位及職工愛心捐款157.876萬元。2013年9月實現了全縣中小學學生營養改善計劃全覆蓋。

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隨著義務教育的全面普及，初中畢業應成為每個公民人生旅途的中轉站，社會需要的分流點。數學教育不 僅要給初中畢業生以“雙基”和能力的素質，還應使之獲得相應的特長（這特長是技能的提高、是專長的基礎 ），以切實幫助學生順利地步入新的人生旅程。這是義務教育及《課程計劃》的精神實質。既有素質又有特長 的人，在下一世紀必定具備更強的生存能力，更能適應社會發展的需要。

課程即課業（教學內容）的進程，是為達到教育目標而規劃出的學生與教學內容、教學資源及教學過程之 間的相互關系。我們期望課程的學科和活動兩個系統合理設置，產生多種價值。筆者認為按“人人掌握有用的 數學”的要求優化學科課程以培養素質，開設活動課程以發展特長，并進行有關學科和活動的全面考核，應該 是一種可取的思路。我們應該樹立全面、科學的課程觀，讓學科和活動這兩個輪子一起旋轉，切實發揮它們的 整體功能，并設置選修課程以促進學生健康成長，使義務教育階段的數學教育走上一條“愉快”教育與“成功 ”教育完美結合的道路。

義務教育階段盡管存在小學后的分流情況，但從教育戰略、課程策略及培養目標來說，義務教育階段有著 鮮明的整體性，小學和初中不應該各自為政。本文擬出義務教育階段數學活動課程設計，并兼及數學選修課程 的思考，以求拋磚引玉，促進《課程計劃》的順利實施。

一、關于數學的活動課程（特長性、應用性、趣味性）

（一）活動認識

我們應該確認：活動課程是以學生發展、知識體系及社會需要等因素為依據，在教師指導下，通過學生的 主動活動，以獲得直接經驗和實踐特長為主的課程。通常稱謂的課外活動，是彈性極大的一種輔學科課程 形式或思想品德教育活動。這里，“課外”指的是國家安排的正式課程之外，“活動”泛指各地安排的各種教 育性非正式課，故課外活動與活動課程不可同語。活動課程的開設意義不在于它與杜威當年搞的“活動課程” 究竟有何異同，而在于它對學校教育教學工作的獨特功能及其有效、順利地實施。

“活動在實施全面發展教育中與學科相輔相成”，它們是同一促進學生發展過程的兩個不同方面。學科課 程以培養素質、打好基礎為主旨，編排上側重知識本身的邏輯順序，其教學中間或進行的實驗、參觀、演示、 練習等直觀性活動，是理性間接經驗習得過程中必要的感性認識；活動課程則以增長才干、發展特長為主旨， 它強調學生認知發展的心理順序，注重學生的親身實踐，以直接的體驗、探究及發現為認識途徑。

《課程計劃》設置的活動有：晨（夕）會、班團隊活動、體育鍛煉、科技文體活動、社會實踐活動和校傳 統活動等。按其“活動設置的基本要求”可知，科技文體活動屬于技能性活動，其它活動為常規性活動。科技 文體活動的目的是“使學生增強興趣，拓寬知識，增長才干，發展特長”。這里，“發展特長”既是出發點又 是歸宿，我們應該確立將《課程計劃》中的技能性活動上升為特長性活動的實施思路。由于數學的“三性”特 點（尤其是廣泛的應用性），以及現代社會對基本數學（不同于基礎數學）的普及需要，筆者認為應設立專門 的數學活動課，以發展學生的普及性數學特長。這種特長對小學、初中畢業生來說，是已獲得知識的應用，是 已具有技能的提高，是進一步發展專長的基礎，能使他們順利地適應社會需要和社會發展（義務教育數學教學 大綱明確了數學的應用問題，并安排了與解直角三角形和統計有關的實習作業，但遠沒有上升到特長課的位置 ）。

（二）設置思路

國內已開展了不少數學活動試驗，如數學競賽、電腦學習、速算訓練等等，還有綜合的應用性問題的有關 數學活動也在各地有所開展，它們不同程度地增強了學生的數學應用意識。如北京市1993年舉辦了首屆“方正 杯”中學生數學知識應用競賽，并于1994年暑期編出了以數學應用為內容的初中課外活動教材。而應用性問題 十分復雜，若把它作為一個以社會為基礎的綜合課題來研究實施，要求每個學生接受全面的應用性訓練，則有 可能把數學教育改革引入一個新的誤區，將學生推入一個新的苦海，80年代的應用題考試給當時帶來的結果就 是例證。因為這實在是企業（用人單位）、社會及數學教育工作者對學生要求得太過分了，也不符合義務教育 及“大眾數學”的精神。

現代社會確是人人需要數學，義務教育階段正是實現“大眾數學”目標的第一階段。如何設置、開展這一 階段的數學活動才是合理、可行的呢？筆者建議在突出特長性，注重應用性，貫穿趣味性的原則下，將義務教 育階段的數學教學內容與社會發展需要及學生個性發展結合起來，設置較為完整、全面、獨立的特長性數學活 動，供學生選擇參加（每個學生選學其中兩門活動課），以使學生成為各具特色的“標準件”，讓人人都有個 性健康發展的天地。數學活動的課程門類和內容編排在整體上還要符合以下四點：

1.具有系統的應用體系。即與一定的特長目標相關聯，有助于學生增長才干并習得一技之長，進而使學生 順利走向社會生活或進一步學習發展，切不可為了活動而活動。

2.緊扣學科教學大綱。學科教學大綱的內容編排本身蘊涵了學生認知發展的心理順序，我們可以依照數學 學科教學大綱的知識單元（適當調整或拓寬），配以相關素材設計，安排數學活動，以充分利用學科課程的知 識技能及其業已獲得的成熟性，降低活動課師資培訓的難度。可以明確，活動特長與學科內容的相關性越強， 它們的整體功能會越大。

3.合乎有效學習的基本原理。要有利于激發學生的學習興趣，體現認識規律（顯現認識的三個層次：是什 么、為什么、怎么用）；展示探究過程（理性地再現知識生成過程，通過循序漸進的思維階梯使知識、情感、 意志相互結合，幫助學生形成自學能力）；實施活動方法（使經驗、思維、方法融為一體，讓學生獲取終身受 益的精神文化力量和實踐能力）；內化教學功能（要易于反饋、遷移，實現知之好之樂之的轉變，便于學 生自學）。

4.體現“五育”整合的功能。特長性數學活動遵循“外因通過內因而起作用”的哲學基本理論，其教學應 該使學科教育培養的認識能力得以升華，不斷發展學生的創造性實踐能力，這是具有深層意義的智育；學生的 主動活動，應是實現由道德認識向道德行為習慣轉化的實踐活動，也是學生理解規則、體驗美感、領略自由的 實踐過程，成為德育和美育的現實途徑；活動課無疑要有助于學生身心的和諧發展，它本身就是體力、意志力 的鍛煉與運用，有利于人腦兩半球機能的平衡協調發展，從而促進學生智慧潛力的開發；活動實踐中每一個物 化的勞動成果，都將有力地完善著學生的個性和人格。

（三）數學活動課程設計

性質與功能：陶冶情操、拓寬視野、增長才干、發展特長。

總目標：使學生提高認識、學會實踐、獲取才干、習得特長。

教學要求用語：對知識分為理解、掌握、應用（運用）三個層次；對技能分為會、熟練、善于（擅長）三 個層次。

活動方式：按學生選學的課程門類編班組織活動或作為興趣小組組織活動；以游戲、故事、謎語、趣味數 學、操作、制作、參觀、應用實踐或提供有關的閱讀資料等為活動形式。

課程安排：每門數學活動課按每兩周一課時的教學容量進行設計安排。

課程設置：根據學生發展，知識體系、社會需要等因素和數學活動的總目標，筆者擬設義務教育階段如下 九門數學活動課程。

1.數學交流：力求內化學科知識，反映“雙基”結構，滲透思想方法，強化表達能力，促進學生聯系事物 ，澄清思維和加深理解，培養學生善于表述、解釋、討論、評價的數學交流特長。

數學交流課程，既要使學生認識到數學提供了人類交流信息的有力手段，又要切實提高學生對數學的聽、 說、讀、寫能力和認識、應用能力。一名數學教育工作者就理應具有數學交流特長。

2.速算（含計算器活用）：使學生通過心算、筆算、珠算及計算器操作等途徑，熟練掌握簡、易、好的算 法和技巧，培養學生善于快速進行日常的加、減、乘、除、開方計算和帳表算、傳票算等的速算特長。

3.數據處理：使學生初步掌握收集、整理、描述、分析、解釋和處理數據的數學方法，并善于在嘗試、解 決實際問題的過程中尋找關系，探究隨機現象，進行數據處理（含數值計算）和預測。

4.計（測）量與估算：使學生加深理解計量及換算的意義，測量的特征過程，初步掌握計量、測量、估測 、估算的策略和方法，善于在數量、測量、計算、決策和解決問題中應用估算，并會判斷結論的合理性，提高 處理數量關系和隨機現象的能力。

5.制圖與識圖：使學生加深對數量關系圖象、空間幾何圖形的認識和理解，初步掌握制圖（含作圖、畫圖 ）與識圖（含視圖、析圖）的方法和技能，培養學生善于觀察、想象和在解決問題中應用圖象、圖形的數學能 力。

6.日常生活中的數學：使學生熟練掌握日常生活中有關家庭生活、市場交換、社會交往、日常活動和生存 環境等方面的數學知識及技能，培養學生善于理解、精于運籌、樂于生活的數學能力。

7.計算機數學：使學生初步理解計算機的數學功能，掌握簡單的計算機語言和程序，會使用計算機進行初 步的計算、模仿、證明和求解簡單的數學問題，培養學生善于運用計算機從事數學性工作的能力。

8.課題解決：即是問題解決模式，并注重數學思想方法的應用。要使學生理解數學嘗試、解決實際課題的 過程，初步掌握問題解決的策略和方法，培養學生善于運用數學創造性地解決問題的意識和能力。

9.數學競賽：這是對數學學科教學要求的提高和擴展（應降低現有難度，滲入研究方法）。要在學科教學 大綱的能力要求范圍內，使學生進一步加深對數學知識的理解，提高靈活運用數學的能力，更加熟練地掌握數 學的方法與技巧，培養、發展學生的數學興趣和數學才能。

目前，數學競賽的普及呼聲越來越高，企望通過降低難度去面向全體學生。筆者認為，數學競賽的難度確 應降低到一個合理的普及水平，但再要求普及參加則未必可取，因為學生成為各具特色的“標準件”較之只是 同一的“標準件”更能符合社會需要和社會發展。

二、關于數學的選修課程（遷移性、廣泛性、通俗性）

《課程計劃》指出，要“以必修課為主，初中階段適當設置選修課”。數學選修課程，要適應學生個性發 展，順應學生分流需要，促進學生健康成長，在突出遷移性、注重廣泛性、貫穿通俗性的原則下，為有不同志 趣、各種愛好的學生提供廣泛、充分的選修類型，為提高學生素質、發展學生特長及培養多樣化人才服務。選 修課教材的編寫既要落實課程目標，又要能成為通俗讀物。

義務教育階段的數學選修課，同樣可以保持一致的連續性（即從小學一年級起就開始設置）。事實上，如 若前述數學活動課程得以實施，則九門數學活動課已可成為選修課對象。

根據數學選修課的設置目標，筆者擬設義務教育階段的以下三類（四門）數學選修課程。

（一）特長型選修課：課程為前述九門數學活動課之一。每個學生在必修（選擇性必修）兩門數學活動課 的同時，以另外七門數學活動課之一作為他（或她）的選修課。

（二）觀念型選修課：使學生初步認識數學的存在和發展、理論與應用、邏輯性及抽象性，懂得數學的價 值，形成正確的數學觀，促進完善科學觀及世界觀。

其教學內容包括數學與歷史、數學與社會、數學與未來、數學與科技、數學與文化、數學與思維、數學與 成就、數學與自然、數學之美，共九個專題，課程安排可以每學期按年級集中對九個專題各開設一次講座（約 每兩周開一講）。

（三）綜合型選修課：

1.橫向性綜合選修課：它不超出學科教學大綱的要求，既對已學習的數學基礎知識進行整理與復習，又與 相關學科及社會生活相聯系（有著與分科課程相對應的綜合課程特點）。要深入淺出地展示數學的思想方法及 其廣泛的聯系性、應用性。該課程在小學高年級及初中開設（安排每兩周一課時的教學容量）。

2.縱向性綜合選修課：它可以包括現代數學知識，各部分的形式和內容都能夠獨立，整體上既與數學學科 知識及活動特長相關聯，又富有強烈的時代氣息；要在數學學科教學大綱的能力范圍內，以較強的可讀性展示 數學及其應用的策略思想和動態成果。該課程在小學高年級及初中開設（安排每兩周一課時的教學容量）。

三、有關考核與實施的設想

（一）學生根據自己的志趣和愛好，在教師或家長的指導下，必須且只須選擇甲、乙兩門數學活動課和一 門數學選修課參加學習。

（二）小學、初中階段的畢業學期各舉行一次數學活動課和數學選修課的考試；數學活動課考試分為第一 試、第二試，以活動課作為選修課的學生只參加該課程考核的第一試。每個學生兩門活動課、一門選修課的考 分分別記入畢業考試及中考成績總分，學生畢業考試或中考數學成績的分數構成為：

數學成績（滿分150分）＝學科成績（滿分90分）＋活動課甲成績（滿分25分）＋活動課乙成績（滿分25分 ）＋選修課成績（滿分10分）

（三）教師不僅要能勝任數學的學科教學，還要能任教至少三門的數學活動課和一門數學選修課（農村鄉 中心完小以下的小學教師要能任教至少兩門的數學活動課）。

（四）作為培養素質的義務教育數學學科課程（注重知識性、技能性、普及性），其教學大綱也應及時調 整，以適應《課程計劃》的實施需要（學科教學的周課時量不能超過4課時）。如有關教學內容的以下五點尤為 突出：

1.應刪減混合運算、恒等變形等內容，部分算術應用題讓位于代數，部分平幾證題改用解析方法；

2.系統整理數學思想方法；

3.增加計算機基礎知識，要求小學中年級以上的學生適時使用計算器；

4.增加經濟生活中的數學知識（含有關名詞、概念等）；

5.以“讀一讀”的形式，系統安排通俗的數學史話。

（五）盡快建立各個學科、特長性活動和選修內容的考試題庫，出臺科學的考試量化標準，使考試步入機 械化，以從根本上禁止考試的人為誤導，促進義務教育的順利實施。

（六）數學活動課和選修課的開設，無疑可以順利地延伸至高中階段；在活動課考試的基礎上，也可以組 織各種特長比賽。

結束語

數學“學科＋活動＋選修”的上述課程設置，既符合中國的國情，又易于克服層次課程（西方發達國家等 采用）所帶來的負面效應，能使每個學生都有全面自由發展的空間。我們認為，具有中國特色的義務教育即是 特長特色的素質教育；我們正在實施一個“學科素質＋活動特長＋全面核評＋法規保障”的義務教育模式。

參考資料：

1.國家教委制訂：《九年義務教育全日制小學、初級中學課程計劃（試行）》。