智能复合材料在桥梁中的应用

第一篇：智能复合材料在桥梁中的应用

智能复合材料在桥梁中的应用

摘要：指出了智能材料结构发展经历的几个阶段，介绍了传感器、驱动器和控制器的组成元件及功能，重点介绍了智能复合材料在桥梁中的应用，并对智能复合材料的应用进行了展望。

关键词：智能复合材料；智能混凝土；CFRP；智能结构系统；仿生 智能材料结构的发展

智能材料结构的发展经历了三个阶段。将传感器集成在材料中构成带有内置传感系统的结构，称为被动机敏结构。被动机敏结构能够监测自身的状态变化，从而确定自身结构的完整性、损伤程度、变形以及振动情况等，也即具有自诊断功能。在被动机敏结构中集成驱动器就形成主动机敏结构。主动机敏结构不但能感知自身状态的变化，而且能够修正自身的状态以满足不同的需要，也即具有自诊断、自适应或自修复的功能。主动机敏结构引入以人工神经网络为基础的自学习系统，即成为智能材料结构。

智能材料结构中应用最广泛的是以复合材料为基体的智能复合结构材料。实现智能的关键元件

智能复合材料实现智能功能的关键是植入了传感器、驱动器和控制器。

（a)传感器包括光导纤维、压电陶瓷、压电薄膜和电阻应变丝等，其主要作用是感知外界环境的变化。其中：光导纤维主要用于测量微应变和传输光信息；压电材料有压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物，因具有压电效应，在受应变时表面产生电荷，在施加电场时能产生应变，故既是传感器，又可作为驱动器。

（b)驱动器埋在复合材料中，在接受到激励能后可产生改变结构形状、刚度、位置、应力状态等动作。主要有记忆合金、压电材料、电流变现象和磁致伸缩等，要求性能稳定、响应快、易于控制和激励能小。近年来，航天结构用电活化聚合物和导电聚合物驱动器也在开发之中。

（c)控制器 功能是传递来自传感器的信息，处理、变换和识别这些信息，诊断、预测和作出决策，触发驱动器以改变材料的响应特性。

智能复合材料在桥梁中的应用

当前，智能复合材料在许多领域有广阔的应用，如机械装置噪声与振动的自我控制，飞机的智能蒙皮与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自愈合功能，以及智能纺织品等。下面介绍几个智能复合材料在桥梁中的应用实例。

(1)智能混凝土

随着人类社会和科技的发展，混凝土材料不仅要承受荷载，还要适应多功能和智能建筑的需求。智能混凝土应运而生，例如:导电水泥基复合材料、屏蔽磁场水泥基复合材料、损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土等。其中有代表性的为自修复混凝土。该混凝土的原理是将含有粘接剂溶液玻璃空心纤维混入混凝土，混凝土材料在外力作用下发生开裂后，玻璃空心纤维就会破裂而释放粘结剂，粘结剂流向开裂处，使之重新粘结起来，达到愈伤的效果。此外，美国还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料，其中加入多孑L的编织纤维网，利用多孑L纤维在水泥水化和硬化过程中释放出聚合反应引发剂，与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化，使纤维网的表面形成大量互相穿插粘结的有机及无机物质，制成类似动物骨骼结构无机有机相结合的复合材料。同时当混凝土发生损伤时，多孑L有机纤维会释放高聚物，使损伤愈合。

（2）智能修复材料—CFRP 随着使用年限的增加和使用环境的变化，桥梁等基础设施的损坏和功能失效极为普遍和严重，都需进行补强加固修复。传统修复技术如钢板加固有一些缺陷，如钢板腐蚀，钢板不易变形，施工难度大，质量不易保证，施工周期长，难度大，费用高，特别是不能修复形体复杂构筑物。

先进复合材料中的碳纤维复合材料(CFRP)，即碳纤维(一维或三维织物)为增强材料，高分子聚合物为基体的复合材料，是一种利用新材料新工艺制造的高级材料。

采用CFRP修复补强损坏的钢混构筑物(如桥梁、隧道等)，其优点为：轻质高强，耐腐蚀，施工便捷不需要大型机具，施工周期短，合费用低。与传统修复方法比较，CFRP法施工周期为l／3～1／4，修复费用为l／2～1／3。进而以桥梁为例，CFRP法对旧桥修复补强费用仅为建新桥的1／10～3／10，因此颇受各国重视。

（3）智能结构系统的应用

——芜湖长江大桥长期健康监测与报警系统的建立

芜湖长江大桥是一座公铁两用的特大桥梁，是我国铁路路网和公路路网上的一座重要桥梁，它代表我国目前桥梁设计和建设的最高水平。实现该桥结构健康监测，对于验证和改进大型桥梁结构的设计理论，修改设计规范，提高大桥的检测、养护、维修及管理效率，促进我国大型桥梁结构的科学研究和建桥技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。

如今，工程师们只要坐在办公室里就可以对千里之外的桥梁的安全和健康状况了如指掌。

芜湖长江大桥长期健康监测与报警系统主要由传感器系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理与管理系统、安全评估系统和信息显示系统等组成。实时监测桥梁工作环境和结构性能，定期检测混凝土桥面板应力，整体节点应力及公路、铁路纵横梁应力，并及时对监测结果进行分析、处理、存储及传输，便于工程师们快速查询各种监测结果。

但是，此系统还有一些待完善的地方，比如如何实现自动评价大桥结构承受动、静载的能力，评价结构的安全性和可靠性，自动进行结构的损伤识别和寿命评估等，要想解决还需要进行大量理论研究和现场实测数据的积累。智能复合材料的应用展望及发展趋势

 应用展望：未来的桥梁上的智能健康监测系统应该不仅能对超载车辆发出报警信号，还能发出阻击的行为；未来的衣柜能自动整理衣服并对未洗干净的衣服发出提示；未来的防盗门面对不法侵入者不仅能发出报警信号，还能发出像蜘蛛网、催泪弹、催眠香那样的物质阻止入侵者。 发展趋势：传感器和驱动器的多功能集成、”材料-结构-系统“一体化的智能系统的自动化设计与制造、智能材料器件的微小型化、智能材料系统和结构中各器件的自动修复和替换技术。结束语 智能材料的构想来源于仿生，它的目标是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各项功能的”活“的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素，所以一个智能材料系统一般由两种或两种以上的材料复合构成，这也使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及材料科学的最前缘领域。

参考文献

【1】张光磊，杜彦良.《智能材料与结构系统》.北京大学出版社，2010 【2】 张晓岚.航天智能复合材料的发展与应用.上海航天信息研究所，上海201109 【3】王腾，郭燕坤.纤维复合材料在土木建筑工程中的应用进展.东华大学纺织学院，上海200051 【4】张宝德，谢怀勤.应用智能复合材料修复与智能监测桥梁等基础设施.广州市建筑科学研究院，广东广州 510500。

第二篇：智能控制在现代工业中的应用

智能控制在现代工业中的应用

1现代工业系统的特点与智能控制的形成

智能控制形成的工业因素 随着科学技术的不断进步和工业生产的不断发展，现代工业生产过程，特别是复杂工业生产过程的控制与综合自动化越来越成为人们所必须面对的问题。它既是推动自动控制理论和系统科学发展的强大动力，同时也对自动控制提出了前所未有的挑战，其表现为：（1）被控对象日益复杂被控对象往往是无穷维的复杂系统，表现出很强的分布特性，而利用有限参数模型设计的控制，其有效性不能保证。这种复杂性还表现在被控对象与环境的关系上，如不确定性因素增多，缺乏先验知识，环境干扰具有多样性、时变性和随机性，系统与环境、系统的各子系统之间和系统内部的关联性相当强且复杂。（2）高度的不确定性现代工业系统的结构、参数和环境都具有高度的不确定性，系统和环境有许多未知因素，如环境的动态变化、输入信息的多样化和数据量显著增加等，而且其信息结构也发生了质的变化，包括信息的不可预知性、不完全性等。（3）多层次、多目标的控制要求现代工业控制所追求的已不仅仅是低层次上单一的品质，而是力求实现多样化、多层次的综合目标，包括协调、调度、管理及决策等。（4）控制手段的经济性基于实时性、生产成本和操作工素质等因素的考虑，控制手段不允许过分复杂。现代工业生产为追求高质量、高可靠、高效益、高适应性的“四高”目标，一方面其生产规模越来越庞大，节奏越来越快，工艺越来越复杂；另一方面基于严格和精确的数学模型描述基础上的传

统控制理论的分析、综合与设计技术与现代工业生产的控制实践存在着巨大的鸿沟，理论与应用之间存在着严重的不协调性，面对复杂的工业对象，2工业自动化控制系统

在自动化（automation）不断完善和发展的今天，自动化水平已经成为衡量企业现代化水平的一个重要标准，而自动化的一个重要分支——工业自动化，更是生产型企业提高生产效率，稳定产品质量的重要手段。我国的自动化发展历程也经历了以“观测”为主的第一阶段，以“观测”并“人为反应”的第二阶段，已经逐渐进入到“自动测量自动反应”的第三阶段。这些进步，同时需要控制理论和实践的完善，智能控制（intelligent controls）作为现代控制理论基础上发展起来的新型控制理论，已经广泛应用于各个自动化领域，全自动洗衣机就是典型的智能控制自动化的例子。

一个控制系统包括控制器（controller）、传感器（sensor）、变送器（transmitter）、执行机构（final controlling element）、输入输出接口（I/0 interface）五部分组成。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器，这样完成了一次正常的运算控制操作。按照自动控制有无针对对象来划分，自动控制可分为“开环控制”和“闭环控制”。区分“开环控制”和“闭环控制”最直接的办法是看是否有最终对象的反馈，当然这个反馈不是人为直观观察的。例如向一个容器里加水，有水位测量设备，水位到达设定的高度，水龙头自动关

断，这就是“闭环控制”；如需人为的看水是否到了设定的高度，而去人为的关水龙头，这就是“开环控制”。当然，智能控制，目标是不需要人为干预，所以，我们可以简单的认为“开环控制”是人为干预控制，不能完全体现智能控制的特点，所以在这里不去深究它。“闭环控制”按照执行机构的不同，可分为“状态闭环控制”和“调节闭环控制”。区分“状态闭环控制”和“调节闭环控制”的办法是看对执行机构的作用方式，如上例中，如果水龙头是开关两位的，在水位到达设定的高度，自动关断水龙头，则此为“状态闭环控制”；如果水龙头是可调节的，根据水位高度的不同，调节水龙头开度的大小，通过加水量的不同，让水位保持平衡，此为“调节闭环控制”。

目前工业自动化控制中，“状态闭环控制”多用于保护类控制，例如汽机的ETS，锅炉的MFT，化工的ESD，水泵保护等等。其优点是反应比较快，控制器本身不需要复杂的计算，通过逻辑运算基本可以实现；其缺点是一旦收到的反馈信号为假信号，则按照假信号进行动作，工程上多称之为“误动”。由于动作迅速（一般是以“毫秒”为单位进行计算），所以一旦误动产生，无法在执行之前或之中做出人为反应处理，只能事后补救，而一些重要的保护一旦产生误动，其影响和损失都是比较大的。针对这个问题，根据现场“状态闭环控制”的重要性和损失性，需要将反馈信号进行品质判断处理，判断出信号的真实性，如果是假信号，则保持原信号不变，不触发执行机构工作，避免误动。而且几乎所有的“状态闭环控制”都有是否允许执行的开关，即联锁按钮。联锁按钮可根据实际情况，屏蔽控制内容，这样就可以部分的对其进行提前控

制，把误动的可能性减到最低。

“调节闭环控制”相对“状态闭环控制”要复杂一些，需要控制器进行复杂的运算，计算出输出的结果给执行机构，执行机构进而调节被调节对象。从时间上来讲，“调节闭环控制”是不间断的时时进行计算和输出，其周期决定于控制器的运算周期。“调节闭环控制”需要人为或通过系统计算给定一个被控制对象的理想的状态数值（给定值 set value，简写为S），控制器会比较实际的被控制对象的数值（测量值 practicalvalue，简写P）与给定值之间的偏差，并计算出输出到执行机构的值（输出值 outputvalue，简写O）给执行机构，执行机构变化，使测量值改变，控制器再次比较测量值与给定值的偏差（以下简称偏差），进行下一循环的计算并输出。“调节闭环控制”一般常用的控制方式是“比例积分微分控制”即“PID控制”或“PID调节”。PID控制器就是根据偏差，利用比例（proportional）、积分（integration）、微分（differentiation）计算出控制量进行控制的。PID控制器问世至今已有近几十年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。很多盘装仪表控制器就具备很好的带有记忆功能的PID控制功能。“调节闭环控制”对控制系统中各个环节设备性能的要求比较高，如对执行机构，要求执行机构的线性度要高，不能是越阶式执行。同时，“调节闭环控制”因为是时时调节控制，所以对执行机构的机械部分磨损比较大，部分的影响执行机构的寿命。

在“调节闭环控制”中，对控制系统的各个部分的工作状态也有所要求，同例如执行机构，“调节闭环控制”要求执行机构是工作状态是在“线性区域”工作，而不是死区。所谓死区（dead zone），又称仪表不灵敏区，是指输入量的变化不致引起该仪表输出量有任何可察觉的变化的有限区间。例如一个执行机构，接收4~20mA线性信号，输出动作是0~100%的机械力，那么当输入的信号是4.0005mA的时候，执行机构是不动作的，此时4.0005mA是处于执行机构的死区内。阀门是最典型的执行机构，阀门的工作特性曲线图（如图01）表示出了阀门死区与工作线性区的特点。图中Y轴代表的是阀门输出的机械动作，即实际开度；X轴代表接受到的执行命令大小，即要求开度。由图可知，阀门在关闭时刚开始接收到开信号时阀门无实际动作，这段区域即是死区，然后在接受到一定的信号值后，阀门开始大幅度动作，然后进入到一个相对平缓的直线运行区域，这段相对平缓的直线即线性区（linear zone）。然后再经过大幅度动作区，死区，到底满开度。关闭亦然。实际中，很多阀门在实际中是不可能完全达到0%和100%开度的，也就是说0%开度阀门一定或多或少有一些流量，而100%开度也不可能是0阻力流动的。

了解了“调节闭环控制”的执行机构特点，之后进行调节，方法多为PID调节。而PID调节有很多计算方法，实际应用却多用“试凑法”，即先通过经验预设一组PID参数值，再根据实际效果调节参数值，达到预期的目的。所以实际中主要调节什么参数，如何去调节PID参数，是最直接需要掌握的内容。

首先要知道所调试的调节系统的作用方式，即正作用还是反作用。如果被调节对象的测量值大于给定值，则增大执行机构输出值，此为正作用。反之为反作用。同一个容器，即有进水阀，也有排水阀，被调节对象是水位，那么如水位高于期望值，需减小进水阀的开度，进水阀为反作用；需增大排水阀开度，排水阀为正作用。正反作用是PID调节的基础，是执行机构的方向问题，找对了方向，才有可能向好的调节效果上发展。

其次要了解的，就是P、I、D的含义了。比例、积分、微分在PID调节的作用。

比例（P）控制是一种最简单、最基础的控制方式。其控制器的输出与偏差信号成比例关系。比例控制的输出曲线如图02所示，其输出

是一条始于原点的直线，而直线的斜率是由比例增益确定的。调节的一方面，测量值和给定值无限接近，即偏差值很小越好，从而满足调节的精度：另一方面，调节需要具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将偏差信号进行放大。比例增益就是用来设置差值信号的放大系数的。笼统的讲比例增益就是放大倍数。一般在初次调试时，比例增益可按中间偏大值预置．待设备运转时再按实际情况细调。而系统当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差，其测量值曲线的表现是等幅振荡。

积分（I）控制对比例控制有强烈的制约效应。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分”。随着时间的增加，积分作用会增大。这样，即便偏差很小，积分也会随着时间的增加而加大，它反向推动控制器的输出，使稳态误差减小，直到等于零。积分曲线如图03所示，其作用方式是只要有偏差，并且偏差在允许偏差范围只外，积分就会起作用，反作用拉动比例增幅。反之

如果无偏差或者偏差在允许范围内，积分作用消失。调节积分的参数是积分时间，由比例控制可知，比例增益越大，由于惯性导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。引入积分的效果是，使经过比例增益放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，积分时间的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数和积分时间是成正比的。

微分（D）控制是在调节系统在进行比例控制和积分控制之前进行的超前控制，采用微分控制的主要原因是控制系统中有滞后性。系统在比例控制之后，被控物理量值未及时的变化，而是比例控制超调的时候开始变化，此时积分作用已不能对比例进行很好的反拉动作用，比例因为惯性在达到理想输出时向反方向移动，无限制振动。这样就需要微分提前控制，微分控制曲线如图04，微分作用是在比例控制之前，提前输出作用于被控对象，抵消滞后时间，而后比例控制和积分控制起作用，从而避免了被控量的严重超调。微分根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而

使恢复滞后的缺陷。微分控制参数主要是微分时间，微分时间的取值也与拖动系统的时间常数有关，拖动系统的时间常数与微分时间也是成正比关系。

PID控制是比例、积分、微分结合作用控制，目前比较常见的是PI控制和PID控制，根据实际的被控对象不同，选择的控制组合方式也不同，但目的曲线是相同的，如图05所示，图中Y轴代表测量值及给定刻度。X轴代表时间，给定值是固定的，所以是一条平行于X轴的直线，理论上，我们希望的曲线，是被控量直接向给定量靠近，进而重合，如曲线“理想状态下的被调节对象测量值曲线”，但实际中并不能实现，客观上比较理想的是图中“调节较好的被调节对象测量值曲线”，被控量围绕给定量振荡几个周期后，靠近给定量。实际中，被控量和给定量是不可能完全重合，存在动态的偏差。至于是否能稳定，或者经过几个周期才平稳，要取决于参数的设置，各个控制环节的性能，还有外扰。3 智能控制技术发展趋势展望

目前，控制理论与技术向着2个方向发展，一是就一个理论或方法本身的深入研究；二是将不同的方法适当地结合在一起，相互取长补短，发挥各自优势，形成新的控制系统，获得单一方法所难以达到的效果，最近出现了下面几种智能控制中的混合算法。由于专家系统控制、模糊控制和神经网络控制各有特点，因此目前有些研究者集成这些方法，形成了模糊神经网络控制和专家模糊控制等多个方向。例如，一种基于神经网络的模糊焊接控制方法、基于进化计算和神经网络的财政预算方法、用于医学诊断的粗集神经网络专家系统 和基于模糊专家系统的不稳定电压控制。子波变换、遗传算法与模糊神经网络的结合、以及混沌理论等，也将成为智能控制的发展方向。4 结束语

智能控制已初具学科体系，包括基础理论、技术方法和实际应用等方面。在基础理论方面，涉及传统人工智能的知识表示和推理、计算智能(如模糊计算、神经计算和进化计算等)和机器学习等。在技术方法方面，对专家控制、模糊控制、神经控制、学习控制和仿人控制等系统加以研究。目前，在世界范围内，智能控制和智能自动化科学与技术正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科，并被许多发达国家确认为面向2l世纪和提高国家竞争力的核心技术。

第三篇：信息技术与课程整合在中小学中的应用

信息技术与课程整合在中小学中的应用

信息技术与其他学科教学的整合是当前信息技术教育普及进程中的一个热点问题。去年10月，教育部部长陈至立在全国中小学信息技术教育会议上指出：“在开好信息技术课程的同时，要努力推进信息技术与其他学科教学的整合，鼓励在其他学科的教学中广泛应用信息技术手段，并把信息技术教育融合在其他学科的学习中。各地要积极创造条件，逐步实现多媒体教学进入每一间教室，积极探索信息技术教育与其他学科教学的整合。”

所谓信息技术与课程整合，就是通过学科课程把信息技术与学科教学有机地结合起来，将信息技术与学科课程的教与学融为一体，将技术作为一种工具，提高教与学的效率，改善教与学的效果，改变传统的教学模式。

随着普及信息技术教育目标的提出，越来越多的中小学开设了信息技术必修课。潘克明认为，强调在中小学开设信息技术必修课的做法，是国际上一些比较发达国家十几年前的做法，这些国家现在已经不再需要开设这样的课程了，而是把计算机很自然地作为一种手段运用到课堂中、运用到学习中。信息技术发展到最佳阶段，应该是不再开设信息技术课，信息技术而是很自然地融在教师的意识里，通过教师的教学体现出来。

信息技术与课程整合的实践和研究工作虽然取得了不小的成绩，但教育界人士却没有盲目乐观。教育部全国中小学计算机教育研究中心办公室主任陈美玲认为，现在的确有不少学校在整合方面搞得不错，但只是一个一个孤立的点，没有形成面，同时学校丰富的教育资源其他学校没有得到共享。

信息技术和学科课程的整合是信息技术应用于教育的核心，是近几年我国中小学计算机教育的发展重点，同时也是一个难点，涉及到我国教育教学领域中很多复杂的深层次问题。教学资源开发、师资水平、教育思想、教育观念等都有可能成为影响信息技术和学科课程整合的重要因素。

“现代教育意识与现代教育观念的整合，这是最关键的。教育观念的整合要体现以人为本。在教育的过程中，以谁为主？要以学生为主，但教师的引导作用举足轻重。”潘克明在走访了许多学校之后，提出信息技术与课程整合应该从五个方面进行整合，包括教育观念、学习内容、教育形式、教育技术和教育资源的整合。在内容的整合里，最重要的一点是要培养学生的信息意识，什么是信息、信息有什么作用、如何获得信息、怎样处理信息等。此外，要注意处理好基础性知识与最新信息技术的整合、基础性内容与发展性内容的整合。

对于教育形式的整合，信息技术的运用必然会影响到教育方式和教学模式，要注意传统的班级授课制与兴趣小组的结合，要注意培养学生的协作精神。现在我们的课堂模式还是教师在上面讲，学生在下面听，有问题举手发言，教师给予答复，没有形成一个以学生为中心的自己相互帮助相互协作的局面。像有的学校把学生四人分成一组，给出一个题目，由学生自己想办法解决，或讨论，或上网查寻资料，这是一个很好的办法。

技术的整合是从教师的角度来讲的，除了观念之外，就是要更新教学设计的思想和教学设计的方法。技术的整合不仅仅是一个展示手段，也不仅仅是为了解决教师如何教的问题，而是要把信息技术作为学生的认知工具整合到各学科中去。

第四篇：网络资源整合在小学数学教学中的应用

网络资源整合在小学数学教学中的应用

黄活伟 随着计算机多媒体技术、网络技术的迅速发展，多媒体网络的教育应用已日渐成为现代教育改革的重点。网络作为一种新的教育媒介，已成为学生“自主学习、主动探究”的有力工具。作为教师应该充分发挥自己的主导作用，在网络环境下，通过各种有效的手段、方法来培养学生良好的网络学习习惯，使学生在新的学习环境中能更快、更积极的参与到教学活动中来。多媒体网络这一先进的教育技术手段，正深刻影响和改变小学数学教学。本文从四个方面浅谈网络资源

在小学数学教学中的应用

一、利用网络资源，实现自主学习。

传统的教学模式以教师为中心，学生跟随教师设定的步骤开展活动的被动学习模式，严重抑制了学生的个性发展，束缚了学生创新思维和实践能力的培养。而在网络环境下的教学突破了传统的教学模式。在课堂教学中教师的角色发生了转变，由一个纯的“教授、传道”知识的角色，向教学的“组织者”、学生学习的“帮助者”转变。而学生则能根据教师提出的教学目标，在网络上自主地选择学习的方式、方法，学习的顺序、内容，自主地查询相关的知识，利用掌握的方法主动地去获取新知乃至去创造新知，实现自主学习。如在教学“立体图形的表面积”后，我先让学生欣赏一组室内装饰图片，正当学生享受美的时候，提出问题：“室内装修与数学知识有关吗？”由于问题比较广，引起了学生的遐想。学生甲说：“做家具时需要测量木头的大小。”学生乙说：“粉刷墙壁时要计算墙壁的面积。”……老师对他们的想法都加以肯定。这时，学生不禁要想：这堂课究竟要学什么呢？在这样的学习情景下，学生的求知欲给引发了。“任务”的提出也就水到渠成了。

二、提供资源素材，自主探索为核心

传统教学意味着对学生更多的控制与支配。在信息技术飞速发展的今天，以建构主义为指导的网络化教学大胆地打破了传统的教学设计思想，将自主权充分交还给了学生。建构主义的学习理论认为：学习是学习者主动地建构内部心理表征的过程，不是把知识搬到记忆中，而是以已有的经验为基础，通过与外界的相互作用来建构新的理解。在网络环境下，教师离开了“讲”的阵地，走下了神圣的讲坛，改变了包揽一切的课堂主宰身份，取而代之的是教学资源的提供者、研究探索的引导者，引导学生展开研究性、探索性的学习。为了更好地促进学生的自主探究，教师要想办法开辟新的学习空间，借助网络技术，将文本、图像、动画等各种资料有机结合，为学生创设更多地自主学习的条件。根据小学生的学习能力和发展的需要，可以提供如校内外资源平台和资源库、相应的专题学习网站、虚拟的学习环境和让学生自主畅游英特网搜集资料等条件。如“长方形和正方形的面积”一课的教学中，就可以提供一个专题学习网站，设立如学习导航、学习区、练一练、资料库、画一画等版块，在整体上提供探索建议，逐步引导学生自主探索，从而有效减轻了学生自主参与的难度。

三、利用网络技术，培养学生合作精神。

建构主义认为：知识是对社会磋商和对理解发生的评估而展开。社会交往有助于形成多种假设，用多种观点完整、全面地看待同一个问题。可见，建构主义特别提倡协作式学习。而在网络环境下，可以很方便地展开丰富多彩的群体活动来培养学生的群体意识、群体活动能力以及竞争和合作能力。学生们之间可以不用直接面对，而是教师通过网络把分散在课堂中的学生链接成小组性的学习团体。他们利用网络来传递声音、文本、图象等各种符号，以此达到在有限的时间里同步传递信息，加强互相交流的目的。这对于克服学生操作的自我中心性，促进学生的个体社会化发展具有重要意义。例如在学生了解了年、月、日的知识后，我上了一堂“回顾历史，展望未来”的活动课。学生以小组为单位，在小组长的带领下，上网去查各种历史资料，并要求将其中涉及到年、月、日的知识巧妙的设成问题，用Powerpoint制成电子演示文稿，然后每组选派一名代表上台介绍历史事件，并提出问题，全班抢答，最后评选出优秀小组。准备的过程中，一个小组的成员形成一个强有凝聚力的小集体，他们各抒己见，确定主题，分工协作，上网查找各种资料，有的小组以祖国体育事业为主题，从许海峰0的突破到今年的北京申奥，一边介绍一边提出“我国实现奥运金牌0的突破是在平年还是闰年？”“距离北京申奥揭晓还有多少天？”等问题。有的小组以探索未来为主题，提出“21世纪的第二个闰年是哪一年？”然后再介绍世界在这一年会发生什么变化；还有的小组以祖国的历史为主题，介绍中国历史上发生的重大事件并提出相关的时间问题等等。学生上网收集、整理的资料完整和全面大大超出我的预想，而他们运用知识的能力也是我预料未及的。学生通过网上“冲浪”，获得丰富的资料，而后对所获的信息进行分析处理，在网络互动中整合他人信息，自我组织和建构，形成适合自己的学习方式，同时达到资源共享，优势互补。

四、注重拓展延伸，联系生活为升华

通过信息技术和数学教学的整合，使学生体会数学与自然及人类社会的密切联系，体会数学和信息技术的应用价值，增进对数学的理解和信息技术运用的信心；学会用数学和信息技术的思维方式去观察分析社会，去解决日常生活中的问题，从而培养学生的数学生活创新和发展信息的能力。这是21世纪数学教学改革的新理念。因此，我们在教学中要引导学生把眼光投向广阔的社会生活，置身于社会人生，借助网络技术，将课内外知识相互渗透，给学生提供更多的自主学习的条件，使学生品尝到探究成功的乐趣，从而提高探究的能力。如要求四年级学生分析用“煤气”和用“电”做同样多的米饭哪个更便宜？研究时学生先应了解：比如电饭煲的功率是800W，每小时用电量为0.8度，每度电0.5元钱；煤气一桶60元，大约连续可烧60小时。再通过生活实践：电饭煲每次烧饭需24分钟，花费0.50×0.8×0.4=0.16元；煤气每次烧饭要15分钟，花费60÷60×0.25=0.25元。通过生活实践，学生利用一周的时间把自己收集资料后做好的题目放在教学网上供大家参考，全班同学就可以获得多种不同渠道收集信息的结果，最后通过讨论才可下结论回答问题。

随着计算机技术的飞速发展与应用，尤其是网络资源技术给我们的学习和教学提供了全新的教学理念和教学方法。为此，培养学生信息素质，学会利用网络资源进行学习，学会利用信息技术进行创造学习尤为重要。我们要充分发挥网络优势，为培养跨世纪的高素质的创造型的人才作出自己应有的贡献。

第五篇：数形结合在小学教学中的应用范文

“数形结合”思想在小学数学教学中的渗透与应用

数学思想有许多，数形结合思想就是其中一种重要的思想。“数”和“形”是紧密联系的。我们在研究“数”的时候，往往要借助于“形”，在探讨“形”的性质时，又往往离不开“数”。

新课标的修订，从原来的“双基”拓展到“四基”，即增加了基本思想、基本活动经验。知识和技能是数学的“双基”，而数学思想方法则是数学的灵魂。以数与形相结合的原则进行教学，这就要求我们切实掌握数形结合的思想方法，以数形相结合的观点钻研教材，努力挖掘教材中可以进行数形结合思想方法渗透的各种因素,都要考虑如何结合具体内容进行数形结合思想方法渗透。小学数学中虽然不像初中数学那样,将数形结合的思想系统化, 但作为学习数学的启蒙和基础阶段，数形结合的思想已经渐渐渗透其中，为更好的学习数与代数、空间与图形两方面的知识做铺垫，同时也在培养抽象思维，解决实际问题方面起了较大的作用。

一、运用图形，建立表象，理解本质

在低年级教学中学生都是从直观、形象的图形开始入门学习数学。从人类发展史来看，具体的事物是出现在抽象的文字、符号之前的，人类一开始用小石子、贝壳、木棍、骨头记事，慢慢的发展成为用形象的符号记事，最后才有了数字。这个过程和小学生学习数学的阶段和过程有着很大的相似之处。一年级的小学生学习数学，也是从具体的物体开始认数，很多知识都是从具体形象逐步向抽象逻辑思维过渡，但这时的逻辑思维是初步的，且在很大程度上仍具有具体形象性。

如小学应用题中常常涉及到“求一个数的几倍是多少”，学生最难理解的是“倍”的概念，如何把“倍”的数学概念深入浅出地教授给学生，使他们能对“倍”有自己的理解，并内化称自己的东西？我认为用图形演示的方法是最简单又最有效的方法。就利用书上的主题图。在第一行排出3根一组的红色小棒，再在第二行排出3根一组的绿色的小棒，第二行一共排4组绿色小棒。结合演示，让学生观察比较第一行和第二行小棒的数量特征，通过教师启发，学生小组合作讨论和交流，使学生清晰地认识到：绿色小棒与红色小木棒比较，红色小棒是1个3根，绿色小棒是4个3根；把一个3根当作一份，则红色小棒是1份，而绿色小棒就有4份。用数学语言：绿色小棒与红色小棒比，把红色小棒当作1倍，绿色小棒的根数就是红色小棒的4倍。这样，从演示图形中让学生看到从“个数”到“份数”，再引出倍数，很快就触及了概念的本质。

这方面的例子很多，如低年级开始学习认数、学习加减法、乘除法，到中年级的分数的初步认识、高年级的认识负数等都是以具体的事物或图形为依据，学生根据已有的生活经验，在具体的表象中抽象出数，算理等等。

在小学中高年级的教学中，我们要注重运用直观图形，巧妙地把数和形结合起来，把抽象的数学概念直观化，帮助学生形成概念。

例如：如，教学“体积”概念。教师可以借助形象物体设问，引导学生分析比较。首先观察物体，初步感知。让学生观察一块橡皮和铅笔盒，提问：哪个大，哪个小？又出示一个魔方和一个骰子，提问：那个大，那个小？通过观察物体，让学生对物体的大小有个感性认识。接着在一个盛有半杯水的玻璃杯里慢慢加入一块石头，学生可以观察到，随着石头的投入，杯中的水位不断上升。问：玻璃杯里的水位为什么会上升？学生从这一具体事例中获得了物体占有空间的表象。在教师的引导下，对“为什么玻璃杯里的水位会随着石头放入而升高”这一问题进行深入讨论，通过讨论交流学生能够很自然地领悟“物体所占空间的大小叫体积”

这一概念。为了进一步使概念在应用中得到巩固，继续在盛满水的玻璃杯里放石子，学生观察到水溢了出来，教师启发学生：从观察到的现象中你们发现了什么问题？学生思考后提出：杯里溢出的水的多少与放进去的石子有什么关系？经过讨论得出：从杯里溢出水的体积等于石子的体积。至此，学生不仅认识了概念，而且能够应用概念。

在利用实物创设问题情境时，教师要特别注意数与形的有机结合，以问题引导学生观察，不仅要用诱导性问题，更要用一些启发性问题，激疑性问题，让学生在观察中发现问题，自己提出问题和解决问题。教师除了提供充分的形象感性材料让学生形成鲜明的表象外，还必须在此基础上，引导学生分析和比较，及时抽象出概念的本质属性，使学生在主动参与中完成概念的建构。

二、画出图形，表达数量，揭示本质 小学生由于生活经历少，常常不能借生活经验把实际问题转化为数学问题，从而来理解数学概念。因此教师要根据教学内容的实际情况，引导学生利用直尺、三角板和圆规等作图工具画出已学过的图形，通过动手作图，帮助学生建立表象，从画图体验中领悟概念。通过作图观察、比较分析，可以发展学生的空间观念，培养学生分析、综合、抽象、概括的能力。例如，在教学“学校六月份用水210吨，比五月份节约了。五月份用水多少吨？”这一例题时，笔者没有急着和学生一起画线段图，而是让学生在认真读题和初步思考后汇报算式并说明列式的理由。这样做的目的有：一，注重学生的直觉思维，学生的直觉思维是学生真实水平的体现，根据学生的回答教师可以随时调整教学方案；二，在没有教师的任何提示下，学生的汇报与交流是学生逻辑思维水平发展的重要手段；三，当学生交流出现矛盾时，迫使学生产生验证的需要。当学生有需要时，教师就要及时引导学生画线，当线段图完成的时候，学生的争论也就戛然而止了。因为有了线段图的合理支撑，学生对210÷ 这一算式已坚信不疑了。可见，通过画线段图即数形结合的方法能有效将题目中抽象的数量关系直观形象地表示出来，从而降低解题难度。而根据学生的实际情况适当采取先数后形的策略，可以使学生的学习主动性大大增强，同时使学生的逻辑思维能力不断得到锻炼。

三、数形结合，为建立函数思想打好基础。

在实际教学中，数和形往往是紧密结合在一起，相互并存的。因此，在实际教学中教师要把数和形结合起来考察，根据问题的具体情形，把图形的问题转化为数量关系的问题，或者把数量关系的问题转化为图形的问题，使复杂问题简单化，抽象问题具体化，使数与形相得益彰。

用形的直观来分析数据中的关系,体现了数形结合思想方法的优点,在数学整个发展过程中,人们也总是利用数形结合或数形的转化来研究数学问题，可见数形结合思想的重要性。

小学数学中虽然没有学习函数，但还是慢慢的开始渗透函数的思想。总之，在小学数学教学中，数形结合能不失时机地为学生提供恰当的形象材料，可以将抽象的数量关系具体化，把无形的解题思路形象化，不仅有利于学生顺利地、高效率地学好数学知识，更用于学生学习兴趣的培养、智力的开发、能力的增强，为学生今后的数学学习打下坚实的基础。参考文献：