计算机学科概论总结范文第1篇

关键词：建筑设计，概念设计

 

在不断的结构设计研究与实践中，人们积累了大量有益的经验，并体现在设计规范、设计手册、标准图集等等。随着计算机技术和计算方法的发展，计算机及其结构程序在结构工程中得到大量地应用，每个设计单位都在为彻底甩掉图板而做努力。科技论文。结果给部分结构工程师造成一种错觉，觉得结构设计很简单，只需遵循规范、手册、图集，等待建筑师给出一个空间形成的方案（非结构的），使用计算机，然后设法去完成它，自己只不过是一个东拼西凑的计算机画图匠而已。这不仅不能有效地运用他们的知识、精力和时间，而且还会与建筑师的交流中产生分歧与矛盾。

我国结构计算理论经历了经验估算，容许应力法，破损阶段计算，极限状态计算，到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。现行的《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则，以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用。概率极限状态设计法更科学、更合理。但该法在运算过程中还带有一定程度的近似，只能视作近似概率法。并且光凭极限状态设计也很难估计建筑物的真正承载力的。科技论文。事实上，建筑物是一个空间结构，各种构件以相当复杂的方式共同工作，且都并非是脱离总的结构体系的单独构件。目前，人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性，在设计过程中采用了许多假定与简化。作为结构工程师不应盲目的照搬照抄规范，应该把它作为一种指南、参考，并在实际设计项目中作出正确的选择。这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计应用到实际工作中去。

所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

比如，有的设计人员用多、高层结构三维空间分析程序来计算底层框架，还人为的布置一些抗震墙，即不能满足楼层间的合理刚度比，也不能正确地反映底层框架在地震时受力状态。问题在于结构概念不明确，没考虑这两种结构体系的差异。软件的选择和使用不当，造成危害是不容忽视的。美国一些著名学者和专家曾警告工业界：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”然而避免这种情况，概念设计的思想不妨是个好方法。

运用概念设计的思想，也使得结构设计的思路得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R，以至混凝土的等级越用越高，配筋量越来越大，造价越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率，结果肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。

但是大家知道，结构刚度越大，地震作用效应越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。其实，为什么不考虑降低作用效应S呢？目前在抗震设计中，隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般作法是在基础与主体之间设柔性隔震层；加设消能支撑（类似于阻尼器的装置）；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从对建筑物的振动加大阻尼作用，降低加速度，减少建筑物的位移，来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%，并提高屋内物品的安全性。这一研究在国内外正广泛地深入展开。在日本，研究成果已经广泛应用于实际工程中，取得良好的经济、适用效果。而我国由于经济、技术和人们认识的限制，在工程界还未被广泛地应用。

同时，在目前建筑结构抗震鉴定及加固中，概念设计的思想也应得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2万间民房无一倒塌，但天津第二毛纺厂三层的框架厂房，却因偏重于传统构部件的加固，忽视结构总体抗震性能的判断，造成不合理的加固使抗震薄弱层转移，仍然倒塌。

概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥越来越大的作用。然而现在的高校教学中，往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解。尤其在专业课教学中，单项计算练习居多，综合练习偏少，并着重体现在考题中，使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯。而且近年来强调计算机应用教育，比如，毕业设计用结构设计软件计算、出图。科技论文。但由于计算机设计过程的屏蔽，手算过程训练程度的削弱，造成学生产生一定依赖性，结果综合运用能力下降，整体结构体系概念模糊。这些对于培养具有创造力、未来的工程师是相当不利的。

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。这则需要工程界和教育界进行共同的努力。推广概念设计思想是一种有效的办法。

著名的美国工程院院士林同炎教授在《结构概念和体系》一书中为结构工程师提供了广泛而又有独特见解的结构概念设计基础知识和设计实例。该书着重介绍用整体概念来规划结果总体方案的方法，以及结构总体系和个分体系尖的相互力学关系和简化近似设计方法。为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合，设计出令人满意的建筑奠定基础。这本书第二版的出版，为我们更好的加深概念设计的理解，提供有益的帮助。总之，概念设计必然会成为今后结构设计的主流思想，这就让我们来共同学习、发展它吧，为结构设计的发展作出应有的贡献。

计算机学科概论总结范文第2篇

这门课程的开设要追溯到上世纪80年代。当时，“PASCAL”或“C”通常是学生的第一门专业课程。经过教学实践大家逐步认识到，以脱离计算机机器层次概念的程序设计高级语言作为专业学习的切入点并不妥当。第一门专业课程应该着眼于让学生认识计算机科学和计算机技术的宏观概貌，建立专业思想。为此，需要开设一门全面而简略、导论性的课程。

二十多年来，上述导论性的课程会冠名为“计算机科学导论”、“计算机导论”、“计算机文化基础”，等。可供选用教材的风格大致上可以分为三类：最早期的以介绍计算机的基本应用为主要内容，前面加一章游离而杂乱的“概述”；第二类教材罗列专业内容，书的每一章实际上就是相应一门专业课教材的一个浓缩版；近年来开始引进的国外版计算机科学导论教材，内容比较全面、新颖，叙述比较生动、容易理解，而且各具风格。

因为一年级新生通常要参加军训，本课程的一种典型教学安排是,每周课堂讲授3学时，14周共42学时。在相对短的时间内要完成覆盖面很广、内容极为丰富的专业知识教学，而又要使一年级学生能够理解，笔者认为关键在于：

(1) 要建立一个课程讲授结构体系；

(2) 要把握好内容广度和深度的关系；

(3) 要采用深入浅出的叙述风格。

在长期的教学实践中，笔者始终感觉在用的国内外教科书共同的不足之处是：对计算机科学作导论性质的介绍时，缺乏一个认识纲领，所以内容庞杂，章节之间缺少内在的联系，篇幅动辄四五百页，教师难以剪裁，学生难以接受，更难把握专业知识的相互关联。

可能是受到中学阶段学习方式的长期影响，不管教师如何组织讲授内容，大学一年级的学生仍然对课程所使用的教材非常在意、非常依赖。为此，笔者设计出以“一个本质核心，三条内容纲领”来统率计算机导论教程的讲义，使新生们能够在短短的十几周里对计算机和计算机科学能够有入门性的、比较全面的认识。

笔者的思路是：

计算机的本质功能就是数据处理，数据是客观世界一切事物的表达概念，归根结底计算机是一种数据处理机器；计算机科学是使计算机完成各行各业、形形数据处理任务所需要的理论、方法、技术的知识集合。

因此，可以依据三条纲领阐述和认识计算机科学的主要内容：

(1) 数据的分层表示方法学

计算机科学用“数据”作为手段，来表示客观世界里要处理的对象。而在计算机内部，能够物理实现的数据记号只有两个二进制数字“0”和“1”。因此，数据表示面临的任务是，用最简单的记号表示出内容复杂而形式多变的对象。计算机科学的解决方法是：划分出不同的数据表示抽象层次；每个层次上都对数据的表示概念和工具进行定义；它们既相对独立，又可以从上一个表示层次映射到下一个表示层次上去；从现实世界到计算机内部的物理实现，数据表示的抽象程度逐层降低，一直到“0”、“1”记号能够在硬件的层次上实现为止。这样，在完成数据表达任务的过程中，人可以根据需要选择适当的表达层次。而层次之间不同表示手段的转换，由人或者计算机系统本身，按照明确定义的映射规则来完成。

上述的数据表示层次可以总结为：

现实世界里的数据对象；

数据结构和信息结构层；

程序设计语言层；

机器层；

物理层。

(2) 数据加工的分层表示方法学

计算机科学的另一个核心任务是解决数据加工的表示方法。要计算机“记住”的数据加工过程复杂多变，而在计算机内部，能够物理实现的数据加工表示记号仍然只有两个二进制数字。因此，和数据的表示方法学一样，数据加工表示面临的任务是，用最简单的记号表示出内容复杂而形式多变的数据加工过程。解决方法仍然是分层次的表达方法学：划分出数据加工过程不同抽象表示层次；每个层次上定义相应的数据加工表示手段；它们既相对独立，又可以从上一个表示层次映射到下一个层次去；从现实世界的数据处理问题开始，把数据加工过程一层一层地转换到计算机内部的物理实现为止。这样，在完成数据加工表达任务的过程中，人可以根据任务的需要选择适当的表达层次。然后由人或者计算机系统本身，按照明确定义的映射规则，完成层次之间不同加工表示手段的转换。

上述的数据表示层次可以总结为：

数据处理问题描述；

解题模型；

算法层；

程序设计层；

机器程序层；

物理层。

(3) 计算机系统的构成

计算机系统是数据和数据加工表示方法的最终载体。已经比较习惯从硬件系统、软件系统、网络系统三个方面进行描述。

教材按照上述认识纲领展开，可以包含后续各门专业课程的主要概念，从而使学生对计算机科学的内容，特别是对后续专业课程之间的内在关联有全面、清晰、概要的认识。

计算机学科概论总结范文第3篇

(山西大学计算机与信息技术学院，山西太原030006)

摘要：针对计算机教育面临的新形势，分析国外一流大学计算机导论课的现状，提出重新规划面向计算思维培养的计算机导论课程内容，阐述利用MOOC资源开展混合教学模式的方案，探讨MOOC资源选择、课上内容和课下习题设计等几个重要问题。

关键词 ：计算机导论；计算思维；MOOC；教学改革

文章编号：1672-5913(2015)15-0046-04 中图分类号：G642

基金项目：2015年山西省高等学校教学改革项目(12015003)；山西省研究生教育改革研究立项重点课题( 20122001)；2011年山西省高等学校教学改革项目(J2011005)。

第一作者简介：谭红叶，女，副教授，研究方向为人工智能、自然语言处理，hytan_2006@126．com。

0 引 言

计算机导论是计算机学科一门重要的基础课程，学好这门课能使学生了解学科概貌、理解学科核心概念、领会学科内涵、了解与后续课程之间的联系和特点。近年来该课程也面临着挑战：①导论导什么，一直是人们争论探索的问题[1-4]。②内容覆盖面广，但学时有限，一般为24～32个学时。③学生起点参差不齐。有的同学经过中学学习，已具备一定的操作和编程能力；有的同学则对计算机操作还比较陌生，教师很难找到适合所有学生的方法。④目前的教科书视角多样化，有的是计算机领域主要课程内容的简化堆砌，有的是一些常用软件的操作教程。

有研究者提出，计算机导论的主要作用为“五导”：导知识、导方法、导思维、导意识和导职业。我们认为该课程应集思维性、方法性、知识性、实时性于一体，以训练良好的计算思维意识和方法为主，建立计算机科学的整体框架，为后续课程的学习奠定坚实的基础。

1 计算机教育面临的新形势

计算思维( computational thinking)是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维代表着一类普遍的认识和普适的技能，每一个人都应了解它的运用，这是周以真教授对计算思维的定义和解释。这个概念的提出使计算思维在计算机教育界备受关注，使人们对计算机科学的认知从狭义工具论转变为计算思维，使计算机学科的教育从操作技能和编程能力的培养提升为计算思维的内化和养成。

与此同时，由美国硅谷发起并在全世界迅速崛起的大规模开放在线课程( massive openonline course．MOOC)影响了全球高等教育，也引发了许多关于MOOC教育的研究和思考。MOOC的主要优势是：①提供优质教育资源，实现教育平等，使全球各地的受教育者接受和享受世界顶级教育成为可能。②拓展学校范围，学生的学习方式更加灵活，不仅可选择适合自己的时间和地点进行学习，而且整个学习过程可根据自己的接受能力灵活调整。③教授者可通过交互式即时测试，及时了解学生对知识的掌握情况并提供个性化的帮助。加州大学伯克利分校的阿曼多·福克斯教授和戴维·帕特森教授，还提出小规模私有在线课程( small private online course，SPOC)理念用于MOOC与校园教学的结合，并在世界各地的混合式教学实践中取得良好效果。

这些新理论和新技术给大学计算机教育带来了重大机遇和挑战，因此，计算机教育者有必要重新梳理计算机课程的教学目标、内容、方法和形式，利用新理念和新技术提升学生学习效果。

2 国外一流大学计算机导论课现状

过去十几年，随着IT泡沫崩裂和金融危机的爆发，国际对IT人才的需求于2005年跌至最低。2007年，这种现象开始改变。美国政府的一份报告显示：IT人才就业的强劲增长至少会持续到2018年。因此，各大学纷纷开始改革计算机课程教育。

国外著名大学基本都开设了计算机导论性质的课程，但各大学专业优势不同，因此教学侧重点不同。MIT（麻省理工学院）的计算机导论课程名为“Introduction To Computer science andProgramming Using Python”（课程编号6.OO.1X）。课程包括4个主题：计算机科学导论、Python编程、计算思维、数据科学，其中有一个主题专门讲授与计算思维有关的内容。总体来看，该课程特色在于通过Python编程，让学生学习计算思维、编写程序解决现实问题。

CMU（卡耐基梅隆大学）的相应课程名为“Principles of Computing”（课程编号15-110）。该课程名突显计算的核心概念，课程主要内容为程序结构、数据组织、计算领域中的抽象概念、问题求解中的计算准则、经典的计算问题、新计算技术引发的社会伦理和法律问题。

UCSC（加州大学圣塔克鲁兹分校）在美国国家自然基金的资助下，从2011年开始尝试改革计算机导论课( Introduction To ComputerScience，课程编号CMPS10)。从该校2014年春季的课件可以看出，课程强调从计算原理和计算思维两个层面传递“计算、抽象、数据与信息、算法、编程、网络”等重要思想。课程通过增加许多趣味性内容（如图形化编程游戏软件Lightbot），让学生体会程序工作原理和函数级抽象、递归等程序层面的核心概念。课程还包含计算机技术发展引起的社会问题，如数字足迹、隐私、计算机艺术等。

可以看出，上述学校的导论课程，从不同层次和角度强调了计算思维和计算机科学的核心概念与问题。其中，MIT的计算机导论课已在edX（MOOC的3个平台之一）之上。

3 面向新形势的计算机导论教学思路

3.1 重新规划课程内容，突出计算思维的培养

结合地方性大学的特点，兼顾计算机能力和素质不同的学生，我们以计算思维培养为主线，重新规划计算机导论的课程内容，从始至终凝练贯穿计算思维概念点，融合计算机界的最新研究和计算思维在跨学科领域的最新应用。课程包括4部分内容：计算机文化、计算机系统和网络、计算理论、计算学科方法论。每一部分都清晰地提出具体的计算思维概念点或学科核心概念，使学生在掌握知识的过程中，以知识、技能、能力为载体，逐步理解和掌握计算思维的基本内容和方法，领会知识背后对学科发展有深刻作用的伟大思想。具体情况见表1。

受《计算机科学概论》作者观点的启发，我们对内容顺序的安排围绕“计算、抽象、算法与形式化、程序、问题求解、计算思维”等概念，从学生易于产生共鸣的主题“数据表示存储、计算机工作原理、操作系统、计算机网络”人手，由浅入深地过渡到较抽象的“计算、可计算、计算模型、算法、计算领域典型问题、计算学科方法论”等内容。在计算理论部分，引入计算学科最新技术，如物联网、云计算、大数据、社会计算以及计算生物学、计算社会学等学科交叉融合案例，引导学生进一步体验计算思维。

3.2 引入MOOC资源，尝试混合教学模式

结合课程特点，我们提出混合教学模式的初步实施方案，见表2。

实施方案中引入基于MOOC资源的在线学习，学习流程涉及传统课堂和在线课堂两种形式，因此是混合教学模式。核心的3个环节是：①课下看视频学习；②课上精讲讨论练习；③课下继续讨论协作完成实践。

整个学习流程以学生为主体，教师起到引导和帮助的作用。其中，第①个环节取决于学生学习的自主性和接受能力；第②③个环节，取决于老师对课上精讲内容和讨论题目的设计是否具有创造性和活力，是否可以激发学生的学习兴趣和内在动力。

混合教学模式打破了传统课堂“课上听讲、课下练习”的模式，对老师和学生提出了新的挑战。例如，对于老师，不仅要选择适合的在线教学内容，而且要设计课上活动和课下习题，还要区分哪些知识学生可自学，哪些必须经过点拨，哪些内容需要通过多次练习才能熟练掌握，哪些原理需要讨论才能明晰。对于学生，由于缺少面对面的沟通，缺乏传统的监督机制，因此需要更强的意志力和责任感，才能完成课程的学习。

因此，本课程将加强以下问题的研究和实践：

(1)MOOC资源的恰当引入。引入什么MOOC资源，引入多少内容，这些内容与本课程的关系是关键问题。目前，网易云课堂有一门中文计算机专业导论课，主讲老师是哈尔滨工业大学的占德臣、聂兰顺等。该课程分为3个子课程：思维与系统、语言与算法、学科与专业。其中涉及计算机系统、程序与算法的内容更强调计算思维的概念和意识，符合我们的教育目标，因此本课程将选择相应内容进行混合模式教学尝试，不断总结应用开放课程资源的得失，及时改进和优化相应课程资源和教学方法，为全面实施混合教学模式提供宝贵经验。

(2)更具活力的课上内容设计。课上内容主要包括两部分：①精讲，旨在将碎片化的知识汇集成完整内容呈现给学生，有效弥补独立学习能力和接受能力偏弱学生的听课局限；②课上讨论，旨在引导学生进行深化课程内容的思辨式讨论，激发学生学习的内在动力。

(3)更具思辨性的课下习题设计。可以让一些问题更具争议性，正确方法或正确答案不止一个，使学生在解决问题的过程中深化思维；引入安全、隐私、责任和社会意识等问题，鼓励学生思考现实社会与课程内容的关系。课程习题分为练习题、章节复习题、思考题。练习题用于复习刚刚学过的零散的知识碎片；章节复习题覆盖整章内容，启发学生整合知识点并解决问题；思考题提供社会问题，激励学生思考讨论并开展课外研究，要求学生提交书面报告或口头报告。此外，还提供实践题，引导学生独立或以小组形式协作完成。

(4)探索建立新评价指标。与传统教学相比，混合模式中需要考虑新的学生行为，如MOOC资源利用情况、线上或课下讨论活跃度、课下习题反馈及正确率等。评价指标要反映学习过程的每个环节，才能增强学生学习的内驱力，充分发挥优质MOOC资源的作用，有效提升混合模式的教学效果。

4 结语

我们利用优质MOOC资源，以计算思维培养为目标，进行计算机导论课程的教学改革，在大学计算机教育体系中具有重要意义。本课程的教学改革实践正在进行中，取得的效果还需进一步验证和分析。相信计算机导论课程的改革，对学生计算思维的内化和养成，对激发学生学习兴趣，扩大学生国内国际视野，都具有积极的推进作用。

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计算机学科概论总结范文第4篇

关键词：建筑结构 概念设计 设计应用

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）11-0286-01

在科学技术不断革新的大环境下，计算机对建筑结构程序的应用越来越广泛，这给建筑结构工程师的工作提供了越来越大的方便，使建筑结构设计的效率和质量也大大提高。但是，计算机的便捷性也造成了许多设计人员对计算机的过分依赖，并把建筑结构设计想的非常简单，认为只要用计算机软件依据规则和相应的图集东拼西凑就可以完成，而对计算机软件所计算出的结果不加以判断，也不了解软件和规则之间的差异，使得建筑结构设计的整理性、经济性和合理性都得不到很好的协调。

加快新型高强轻质、环保建材建筑材料的应用，并辅助以先进的计算理论和计算机软件，是现代建筑结构设计朝着更安全、更实用、更经济的方向发展。并用结构工程师的创新能力对一陈不变的传统建筑结构设计进行改善。完成以上目标需要结构工程师对整体结构体系和每个基本分体系之间的力学关系都能深入认知，并把概念设计应用运用到建设结构设计的实践中。

一、概念设计的涵义

概念设计一般是指在难以做出精确数值计算或者在规范中难以确定的问题，根据整体结构体系和分体系之间的力学关系、结构破坏机理、地震灾害、试验现象和实际工程经验所得到的基本设计原则和思想，从整体的视角确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

对概念设计的思想合理运用，可以是整个建筑的结构设计思路拓展。传统意义上的结构计算主要方向在于提高结构抗力，使混凝土的标号越来越高，配筋量越来越大，导致工程造价越来越高，最终使肥梁胖柱等情况越来越普遍。在抗震设计中，结构刚度越大，地震的作用效果就越明显，配筋、刚度的提高使地震力也相应提高，这样为了抵御地震灾害的设计却适得其反，使地震作用效应增强。

隔震消能是目前抗震设计中的一个很好例子。在基础和主体之间设柔性隔震层是隔震消能的一般做法，并加设消能支撑，有的会在建筑物顶部装“反摆”装置，使地震发生时，“反摆”的位移方向与建筑物顶部的位移方向相反，使建筑物的振动阻尼作用增大，加速度降低，减少位移，有效降低地震灾害对建筑物的影响。合理地设置“反摆”可以是地震对建筑物的作用效应减少60%，同时屋内物品的安全性也得以提高。

由于现实中多种情况的影响，建筑结构设计计算不可能解决所有不确定因素。因此，重视对建筑整体的概念设计，从抵抗地震灾害等意义上说，概念设计甚至比精确计算更加重要。

二、概念设计与结构设计的逆向关系

概念设计在过程中很大程度上依赖于个人经验，也结合了建筑功能要求、抗震等级、结构安全等级、地质材料和环境材料等内容。概念设计主要确定三缝设置、基础形式、结构体系和埋深的几何尺寸等内容。概念设计和结构设计是一个互为逆向的过程，结构设计依据概念设计的总体要求、力学及数学原理，由定量过度到定性的过程。由此可见概念设计与结构设计的同等重要性，所以，只追求理论和计算结果，一味用精确的计算结果评审设计图纸是不正确的。

三、在建筑结构设计中应用概念设计的注意事项

1.刚度适宜

在建筑结构设计过程中，使刚度保持在合理的范围很重要。建筑物的刚度并不是越大越好，刚度过大则钢结构自振周期就短，在地震灾害发生时所受到的地震作用就大，地震后果就较严重，刚度大也会造成材料浪费；刚度过小，使建筑物的强度、稳定性受到影响，发生地震灾害时就会引发变形，不能正常使用。

2.等强度与耗能设计

抗震结构在总体设计的时候要仔细考虑设计原则，避免由于设计考虑不全面或工程的局部瑕疵使主要承重结构提前损坏，最终使整个建筑物连续破坏。在整体的结构设计上做到等强度，并对薄弱环节加以注意，与此同时，还应该在建筑结构中恰当的部位设计一个好的耗能系统。

3.结构延性设计原则

延性系数是表示结构延性的方式，它是结构极限变形与屈服变形的比值，比值大则延性系数大，建筑物结构的延性就越好，反之结构延性越低。组成整体结构的所有构件延性都很好，整体结构也会有很好的延性。

4.强柱弱梁设计原则

强柱弱梁，顾名思义要对支撑性柱强化，而对梁要进行适当弱化，目的在遭到强烈地震灾害时，柜架结构塑性铰首先发生在梁上，而不是在柱上，通柜架结构出现楼层破坏机制。

四、概念设计的意义

概念设计是在一定的地理环境下和建筑空间中，用整体的概念来考虑建筑结构的综合方案，并可以积极利用结构总体系和分体系之间的力学特性关系。再精确的计算数据也需要由概念设计从整体上进行科学判断和取舍。

概念设计一定程度上体现着结构设计的原则。建筑物不是独立的构件，而是一个需要所有构件通过复杂受力方式协同工作的的完整空间结构。目前在建筑结构设计的整体性问题上，还存在着一定的局限性。结构工程师一定要严格遵守设计过程中的要求，坚持结构设计原则，但也不能照本宣科，尤其是对有现实意义的设计进行合理的应用及取舍，这对结构设计工程师的专业知识和职业素养提出很高的要求。

从近年来我国频发的地震灾害来看，概念设计要比分析计算更为重要，精确的分析计算需要有，但为了弥补理论计算的缺陷，也需要在实际工程设计中应用概念设计。

结论：随着我国经济的长期发展和科学技术的不断进步，人们对建筑物的认知已经有很大的提升，同时对建筑物的品质要求也越来越高，通过建筑结构设计中的概念设计的创新，做出结构合理、性能优秀又经济实用的建筑方案一定会成为未来建筑行业的发展趋势。因此，加大对建筑结构设计中概念设计的理论研究和实践经验的总结，是顺应建筑行业发展的当务之急。

参考文献

计算机学科概论总结范文第5篇

【关键词】计算机模型；科学教育；研究进展

【中图分类号】G40-057

【文献标识码】A

【论文编号】1009-8097（2013）02-0120-07

一 计算机模型及其建模工具

模型是人们对客观事物、现象、事件、过程或系统的简约化、抽象化表征。计算机模型是以计算机为媒介，应用特定的工具（程序、软件、建模环境）可视化、简约化地呈现数据、现象（尤其是对象的抽象成分、因果关系以及随时间演变的复杂系统），从而描述、解释、预测现象。图1、图2呈现的是两个计算机模型实例。“理想气体”是由美国西北大学Uri Wilensky教授开发的系列NetLogo模型之一，“光电效应”是由美国科罗拉多大学PhET项目组开发的系列仿真实验之一。每个模型的界面包含现象、变量、控制、数据、符号等内容。它们从宏观、微观、符号、图形层面表征物质的性质、现象、变化。通过设置、改变计算机模型中的参数，可以观测不同条件下的现象，从而把握、预测事物的性质、变化规律。人们还可以根据需要，改编程序语言，修改模型。计算机模型可存储于硬盘、光盘、网络服务器等介质中，因而人们可以自由复制或下载。由于计算机模型相对于物理模型具有独特的优势，近年来被广泛运用于科学研究、生产生活及学校教育中。

基于计算机建模的技术丰富多样，包括数据库、语义网络、电子表格、专家系统、系统及种群动态工具、可教人和直接操作环境、可视化工具、超媒体、结构化计算机会议等。不同领域、不同目的，建模的工具通常有所差别。科学教育中，计算机模型主要表现为可视化模型、仿真、动画、系统、图形、关系等形式，目前国外比较流行的建模工具（或环境）有eChem、Genetics Construction Kit、Model-It、NetLogo、PhET、Pedagogica，Stella，Thinker tool，Molecular Workbench、4M：Chem等，这些技术有各自的特点和侧重。

二 科学教育中计算机模型研究若干课题

自上世纪90年代，国外学者广泛运用计算机模型于科学教育中，相关研究十分繁荣，主要涉及如下几个方面：

1 基于计算机模型的学习研究

（1）计算机模型与多重表征

表征是学习的核心。Johnstone认为，无论是物理、化学还是生物，都建立在三重表征之上，存在思维三角（图3）；科学家可以畅行于三角之间，然而学生常常搁浅在宏观一角，这造成了科学学习困难。计算机模型充分整合宏观、微观、符号层面信息，呈现同一现象不同层面的表征以及不同表征之间的相互联系、作用，从而有效促进学生建构事物的多重表征及其联系。

Wu等以eChem为主要建模工具（图4），在11年级化学课中开展教学实验研究。结果发现，在实施6个星期的研究后，学生的化学表征学习得以实质性提高。绝大多数学生在宏观、微观水平能很好地掌握有关概念知识，深刻理解相关表征和化学概念；学生在表征转换题目上的得分明显高于其他题目，表明学生在不同的表征之间相互转换的能力得到显著提高；积极参与模型学习的学生花更多时间讨论化学表征背后的相关概念，对物质性质、结构、概念等相关知识的理解更精确，对化学表征的理解更深刻。Wu等强调，计算机模型对学生化学学习具有累积性、长效性的影响。

Williamson研究表明，计算机动态模拟比静态图片更能提高学生对信息的深刻编码，同时激活形象和语义双重编码，有助学生形成关于现象的动态心智模型；而仅观察透视图或粉笔绘制图，学生难以建立对现象的充分理解以及形成物质微粒性的心智表征，而仅仅停留在宏观现象的认识上。Snir等开发、实施了物质微粒性计算机模型工具的教学研究。他们发现，学生对物质的宏观理解和微观理解是相辅相成的，计算机模型工具能够帮助中学生持久地内化物质的微粒观，同时增强了对科学模型的理解。

Ardac和Akaygun对59名九年级学生进行实验研究，实验组学生除了常规教学还接受基于媒体的教学，该教学突出强调宏观、微观和符号的同时三重表征。研究表明，媒体教学组学习成绩明显优于常规组，他们更容易在分子层面表征物质。随后，Ardac和Akaygun比较了56名八年级学生关于化学变化三种教学条件下（动态一个体、动态一全班、静态一全班）的学习效果。结果发现，动态视觉表征组的成绩显著高于静态视觉表征组，个体学生动态视觉学习组分子表征成绩优于以全班性动态视觉学习组和静态一全班学习组。作者建议，当向学生呈现分子表征时，尽可能运用动态视觉方式。

计算机模型之所以能促进学习表征，Wu以“烷烃”表征为例，作如下解释。学生在理解化学表征时，需要形成解释、转译和心智转换操作。由于化学表征既有形象性、又有抽象性特征，学生要建立对化学表征的充分理解、获得表征技能需要具有牢固的概念化知识与视觉空间能力。根据Paivio（1991，1986）的“双重编码”理论，Wu提出了表征学习需要建立涉及可视化和概念化信息的三重基本认知联结（如图5）：（a）外界所呈现的信息与个体内部表征的信息之间建立表征联结，如将“烷烃是一种碳氢化合物，它们只含单键”（外部刺激）与“如果碳原子数为n，那么氢原子数是2n+2”（个体言语表征）之间建立联系（联系1）；（b）外界所呈现的可视化信息与个体内部表征的信息之间建立表征性联系，如将（可视化刺激） 与烷烃的心智图像（可视化表征）之间建立联系（联系2）；（c）可视化系统与概念化系统之间的对照联结（联系3）。在化学表征过程中，学生需要激活上述一个或多个联结。例如，要将化学式转译为物质结构，学生需要提取有关可视化和概念化信息，激活化学键与分子形状之间的联结。计算机模型可以为学生充分提供可视化刺激，强化不同信息之间的相互联结，增强学生的表征理解与转换能力。

（2）计算机模型与概念学习

概念形成与发展是科学学习的重要组成部分。大量研究表明，计算机模型能有效促进学生科学概念的理解，转变错误概念、模糊观念。例如，Russell等运用4M：CHEM在500名大学生中实施研究。该模型整合了宏观现象、微粒运动及有关图形、图表、化学符号、方程式等内容。结果显示，学生在后测中化学成绩显著提高；56%的学生（前测中则只有32%）能对科学概念（“化学平衡体系”）进行准确的描述和定义；学生在错误概念题上的得分从前测的0.5减少到后测的0.2。Ozmen等整合了计算机微观动画模拟与概念转变学习材料，研究它们对学生化学键模糊概念矫正的影响。他们总共设计了16个计算机模型和7份概念转变学习材料，在11年级展开准实验研究，发现在化学键概念后测中实验组学生的成绩显著高于控制组，而前测中两者没有显著差异。Ozmen等指出，整合计算机模型与概念转变学习材料的教学方法，能有效促进学生对化学概念的理解和模糊观念的矫正。

Vosniadout从心智模型视角解释了计算机模型促进概念转变的内在机制。形成心智模型是人类认知的最基本特征，人类通过建构心智模型来认识、理解世界。心智模型对概念发展和转变具有重要意义，强烈、实质性的概念转变需要心智模型的根本重构。心智模型的转变是学生科学概念转变3种主要形式之一。心智模型（内部模型，即人头脑中的模型）和外部模型（物质世界中的模型）之间是动态、相辅相成的关系。心智模型是外部模型的基础，外部模型反过来制约、规定心智模型，提供概念转变的意义。计算机模型可以使学生的心智模型与外部模型发生耦合。一方面，计算机模型帮助学生连接现象与模型，内化、建构、精致或重构心智模型；另一方面，学生的心智模型可以通过计算机模型进行外化、表达；在双向互动过程中，促进概念的理解和转变。

（3）计算机模型与建模学习

近年来，越来越多学者意识到模型与建模对学生科学学习的重要意义，各国现行科学教育（课程）标准突出强调学生对科学模型的理解和运用。与此同时，大量研究证实基于计算机模型的学习和教学能有效发展学生模型理解与建模技能。例如，Fretz等研究发现，建模工具（Model-It）作为支架能有效支持学生完成绝大多数建模活动，促进建模技能的发展。Snir、Smith和Raz开发了物质微粒性计算机模型，该模型包含了4个窗口：（a）化学实验，即实验模拟，提供宏观现象；（b）问题与思考，设计一些问题要求学生回答，旨在引发学生对宏观现象的思考；（c）模型，提供不同模型，它们分别从不同视角解释同一现象，学生可以比较、选择自己更为满意的微观解释模型；（d）模型探索，允许学生用所选择的具体模型来探索现象，检验自己的想法与假设。该研究表明，这些计算机模型不仅帮助学生内化物质微粒性假设，同时帮助学生建立“一个好的模型可以在更大范围上解释事实，而非仅展示某个现象”的认识论观点。Sins等进一步研究发现，学生对计算机模型、建模的认识论理解（即模型的性质、模型的目的、建模过程以及模型的评估）与思维深加工具有显著正相关，而与思维浅加工显著负相关。

Taylor认为计算机运用于教育主要有两种模式：指导一训练模式、工具一探究模式；前者是计算机控制教学内容，计算机用来呈现有关事实信息、训练学生；后者是学生控制学习环境、内容，计算机作为一种工具让学生探究计算机屏幕上所展现的世界。计算机建模环境偏向后者，可以充分给学生提供机会探究模型工具上所展现的现象、特征以及背后所隐含的科学模型与概念，更重要的是理解科学模型的本质以及训练建模的基本技能。

（4）计算机模型与科学探究

Geban等通过对200名九年级学生长达9周的计算机仿真实验研究，发现基于计算机的仿真实验及问题解决活动能显著提高学生的科学过程技能。de Jong和van Joolingen在大量文献研究基础上归纳出计算机模型能有效支持学生科学探究的5个方面：（a）提供科学探究所必需的学科背景知识；（b）支持猜想与假设的形成；（c）支持实验设计；（d）支持作出预测；（e）支持自我调节学习过程。Quintana等建构了支持科学探究活动的计算机模型支架性设计框架，该框架围绕科学探究过程的三个成分展开（即意义建构、过程管理、表达与反思），包含了模型任务、障碍、支架原则与策略、建模工具样例等要素。实践证明，该框架为如何运用计算机建模软件作为脚手架支持学习者科学探究活动提供了理论基础和方法论依据。不少学者研究了基于计算机模型（仿真）探究活动中学生的学习特征、影响因素。Lazonder等对55名大学新生进行基于计算机仿真科学探究活动的实验研究发现，对于前知识较为缺乏的学生，在探究活动之前及之中提供相关学科知识信息，有助于学生进行科学推理和科学知识的获得。Mulder等比较了基于计算机模型的探究性学习环境下两类建模进程，即模型序列进程（即一开始呈现理想模型，包含所有变量，变量关系逐渐深化，学生逐步建构完整、特殊模型）、模型精致进程（即随着建模进程逐个增加变量，学生从简单到复杂、低级到高级、单一到综合进行建模）。结果表明，计算机模型探究性学习环境下，模型进程方式有助于学生任务的完成、提高探究技能，其中模型序列进程优势更明显。可见，基于计算机模型的探究活动有助于学生获得科学知识、提高探究技能、发展科学过程与方法。

（5）计算机模型与认知发展

Ogbors提出，相当一部分人在逻辑、数学、抽象思维等方面十分欠缺，而计算机在某种程度上可以促进这些高级认知技能的发展。他以WordMake、LinkIt为主要工具，进一步证实了计算机模型有助于发展学生的定性推理（即利用对物体、事件的想象进行推理）、半定量推理能力。Pallant和Tinker以计算机建模环境Molecular Workbench和Pedagogica中的分子运动模型为主要工具研究学生微观水平的推理。研究发现，学生通过探究分子运动水平上的物质模型，可以较好地建构物质状态心智模型，精确地再现不同状态下物质微粒的排列情况，并进行原子间相互作用思维推理。Sins等研究揭示，计算机模型环境下学生要完成较为复杂的任务，需要进行深度认知活动，如建立观点之间的联系、寻找规律和原则、整合新信息与先前知识经验等，从而发展深刻思维加工能力。

2 基于计算机模型的教学研究

计算机模型在教学中的应用十分广泛，相关研究文献也相当丰富。Stieff以ConnectedChemistry为例，总结出计算机模型在化学课堂中的几种应用方式：（a）作为可视化工具用于教师演示和讨论；（b）作为实验仿真让学生进行实验；（c）作为反馈工具，用于家庭作业，让学生自学和问题解决；（d）模型修改、建模活动。PhET项目组所开发的仿真科学实验大量运用于实验室实验、家庭作业、可视化辅助、小组活动及演示中。Khan以化学平衡为例，提出了基于模型教学的五个原理：（a）基于已有心智模型对化学平衡作出预测：（b）在两个变量间建立关系；（c）提供背后机理的解释；（d）运用类比支持关于模型的解释；（e）评估初始模型；（f）修改模型。price等运用计算机模型于学生讨论活动，从“交际法”、“基于模型的共同建构法”两种理论视角提出了系列教学策略：现象观察-计算机仿真-极端案例-状态图形。每一策略包含若干“驱动”方式，如计算机仿真涉及向学生介绍计算机模型所代表的意义、使学生专注于计算机模型（如情境化、预测、强调、批判）。研究发现讨论和仿真的协同作用能提升学生的参与、促进理解以及思维推理。此外，Ozmen实证了计算机模型与概念转变学习材料相互整合的教学方法；Liu强调计算机模型与真实实验相结合的教学形式比单一教学（计算机模型或实验）更有效。Wei、Liu提出了基于计算机模型的形成性评价教学策略。

3 基于计算机模型的评价研究

随着计算机模型广泛运用于科学教学中，如何测量、评价学生基于计算机模型的学习效果则显得十分必要，然而目前这方面的研究较为欠缺。本文第一作者曾以Rasch测量理论为指导，开发了基于NetLogo模型的物质概念理解测验量表，包含3个理解水平，由15道选择题、3道开放题组成，这些题目针对作者基于NetLogo设计的“化学反应”模型。例如，“程序界面右侧的图形中，曲线的变化意味着_____。A.物理变化B.化学变化C.温度变化”（选择题）、“请用相应的文字及图画描述本活动中所发生的化学反应”（开放题）。学生先用10～15分钟操作计算机模型，然后独立回答问题，测试数据运用Rasch模型进行建模和分析。Liu等开发了10套计算机模型形成性评价量表，每个量表涉及三个维度（物质、能量、模型），包含24道等级选择题（即备选项高低不同的理解水平而非对错）、1道开放题。研究结果显示，这些量表具有良好的信效度，能有效揭示学生基于计算机模型的学习特征与发展规律。

4 基于计算机模型的教师研究

Stylianidou等曾对8位科学教师进行个案研究，发现教师还不能充分、自觉地运用信息工具于教学中，但他们面临的这些压力正日益增加；制约教师顺利实施教学改革的因素是多方面的，其中认识因素很重要；教师越是能充分意识到计算机建模在具体实施中以何种方式变革课程以及不同的因素如何影响教师的转变，他们就越能选择实施新的想法。Valanides等研究显示，小学职前教师进行基于计算机模型的学习与教学之后，能够十分清晰地认识到科学模型对科学教与学的重要意义，能正确建构科学模型，并积极利用它们作为教学支架应用于教学设计中；而在此之前，这些教师完全忽视了模型和建模在科学教学与学习中的作用；然而他们仍需要广泛学习以充分理解科学模型的建构过程。尽管教师意识到计算机模型对学生科学学习的作用，但他们关于模型、建模、计算机模型、教学法（PCK）以及技术的使用知识仍十分缺乏，这直接影响着计算机模型的教学成效；而教师这些方面的发展较为复杂和非线性，仅仅接触、意向是不够的，教师需要更多的体验、练习以及更深入地实践与反思。

三 启示

当今世界，科技飞速发展，现代信息技术正猛烈冲击、深刻变革着教育领域，成为人们获取和运用知识的重要途径。计算机模型与建模具有独特的教育意义，开辟了信息技术与学科教学整合的新范式，势将成为教育领域的一个重要趋势。中国这些方面的研究与实践仍显得相对滞后。现有文献仍主要集中在对国外计算机建模工具的介绍与评析，少有研究深入探讨这些计算机模型如何与学科教学整合以及该学习环境下多种教学要素的特质与规律。适合我国科学教学的计算机模型开发的讨论也并不多见。曾有机构开发了少数中学科学仿真实验，但并未得以充分推广、普及。无疑，国外先进的经验对我国相关领域研究具有重要启示。

1 计算机模型的设计应基于一定的理论与实证研究

D.H.乔纳森论及技术与学习的关系时强调，学习者不是从技术中获得知识，而是从思考中学习；应该将技术作为一种能够帮助学习者阐释和重组个人知识的思维工具，利用技术来帮助学习者更为有效的思考；教育者与其费尽心思分析如何让技术教得更好，不如考虑学生如何思考才能获得更富有意义的学习。因而，在开发、运用计算机模型时，应当把学生如何学习作为根本出发点和依据。本文述及的计算机模型及其相关研究，大都基于一定的学习、心理理论，如表征、概念形成与转变、心智模型、认知加工等。此外，要使计算机模型最大限度帮助学生学习，需要基于大量的实证研究。例如，PhET项目组建立了基于研究的设计思路，通过反复实践、评价、反馈、改进，使得仿真实验最大程度上达到课堂教学需求、体现教学价值。

2 开发优质的计算机模型需要多个领域专家的参与

事实上，一个完美的计算机模型是多种智慧的集合体，包括学科知识、学习科学、计算机技术、艺术、教学论等。纵观现今较为流行的计算机建模工具、平台或环境，其团队成员常常来自不同领域。例如NetLogo项目组包括课程开发者、认知科学家、学习与教学设计专家、程序员、学科人员、中小学教师、网络技术员、管理者等。不同领域人员可以从各个角度对计算机模型的设计、运用提供专业化支持，从而保证其科学、合理、美观、实效等。

3 教学中计算机模型的运用要注重适切性、实效性

计算机模型设计者往往基于不同的目的、立场进行设计，然而教学实际总是丰富多样甚至迥然不同的，体现在课程标准、教材内容、学生思维特点与水平、学习环境、教学条件等方面。因此，教师需要筛选、二次加工或者根据教学实际进行重新设计。有些现成的模型过于复杂、综合，教师要根据学生认知水平或教学需要把握好计算机模型的难度。一些建模工具会提供程序代码（如NetLogo、PhET），可以通过改编程序修改模型。由于计算机模型在我国起步较晚，现行大多数模型都是英文界面，如果要用于我国课堂中，需要进行翻译或者向学生提供中英文对照辅助材料。