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在防汛過程中,河道的水位對防汛搶險具有重要的參考價值。一般天然河道的水位測量站分布稀疏,當一段河道離水位測量站較遠時,通過計算的方法大致了解其水位顯得尤為重要。
就當前贛撫平原灌區而言,東、西總干渠道均有一段渠段是天然河道,原人工開挖渠道經過四十多年的流水沖刷,也漸漸變得與天然河道相差無幾。根據天然河道水位的計算方法計算渠道內水位測站上下游水位,了解渠道水位漲落速度及最高承受水位,對灌區的防汛抗洪指揮、總結防汛經驗具有一定的參考作用。
2幾組水位計算公式的推導
天然河道蜿蜒曲折,其過水斷面形狀極不規則,同時底板和糙率往往沿程變化。這些因素使得天然河道水力要素變化復雜。由于河道的這些特點,其水位計算時,可根據水文及地形的實測資料,預先將河道分為若干河段。分段時應盡可能使各段的斷面形式、底坡及糙率大致相同,同時保證計算段內流量不變。當然,計算河段分得越多,計算結果也就越準確,但計算的工作量及所需資料也大大增加。分段的多少視具體情況而定。一般計算河段可取2~4km,且河段內水位落差不應大于0.75m。此外,支流匯入處應作為上、下河段的分界。
圖1所示為天然河道中的恒定非均勻流,取相距為Δs的兩個漸變流斷面1和2,選0—0為基準面,列斷面1和2的能量方程為
z1+=z2++Δhw
式中z1,v1和z2,v2分別為斷面1和2的水位和流速;Δhw為斷面1和2之間的水頭損失,Δhw=Δhf+Δhj。沿程水頭損失可近似的用均勻流公式計算,即Δhj=Δs,式中為斷面1和2的平均流量模數。局部水頭損失Δhj是由于過水斷面沿程變化所引起的,可用以下公式計算:
Δhj=(-)
式中為河段的平均局部水頭損失系數,值與河道斷面變化情況有關。在順直河段,=0;在收縮河段,水流不發生回流,其局部水頭損失很小可忽略,取=0;在擴散河段,水流常與岸壁分離而形成回流,引起局部水頭損失,擴散越大,損失越大。急劇擴散的河段,可取=-(0.5~1.0);逐漸擴散的河段,取=-(0.3~0.5)。因擴散段的v2<v1,而式正值,故取負號。
將Δhf和Δhj的關系代入能量方程得
z1+=z2++Δs+(-)⑴
上式為天然河道水位一般計算式。
如所選的河段比較順直均勻,兩斷面的面積變化不大,兩斷面的流速水頭差和局部水頭損失可略去不計,則上式可簡化為
z1-z2=Δs⑵
利用式⑴或式⑵,即可進行河道水位的近似計算。
3河道水位的計算方法
㈠一般河道水位計算——試算法
計算天然河道水位,應已知河道通過的流量Q,河道糙率n,河道平靜局部水頭損失系數,計算河段長度以及一個控制斷面的水位z2。若已知下游控制斷面水位z2,則可由向上游斷面逐段推算,此時與z2有關的量均屬已知。將式⑴有關的已知量和未知量分別寫于等號兩邊,則有
z1++-Δs=z2++
式中v=,代入后有
z1+-Δs=z2+
上式等號右邊為已知量,以B表示,左邊為z1的函數,以f(z1)表示,即得
f(z1)=B
計算時,假設一系列z1,計算相應f(z1),當f(z1)=B時的即為所求。通常將假設的3、4個z1值與相應的f(z1)值繪制成z1~f(z1)曲線,如圖2所示。根據已知B值從曲線上查得相應的z1值,即是所求的上游斷面水位。依次逐段向上推算,可得河道各斷面的水位。反之,若已知上游水位值z1,則從上游往下游逐段推算z2。
㈡圖解法
圖解法種類較多,現介紹其中較為常用的一種方法——斷面特性法。
利用簡化公式⑵
Δz=Δs
令=(+)
其中K為特性流量,是斷面要素的函數,因
K2=
則⑵可改寫為
Δz=Δs(+)⑶
式中,A是水位的函數,即
=f(z)⑷
當z=z1時,f(z1)=F1;z=z2時,f(z2)=F2。代入上式,則
Δz=Δs[f(z1)+f(z2)]=Δs[F1+F2]
根據水位資料,繪制上、下斷面的z~f(z)曲線。如圖3所示。假設河段上、下游斷面的水位為及,在圖3曲線上去aa’=z1,則oa’=F1;同樣,在曲線上去bb’=z2,則ob’=F2。過a作水平線交bb’于c點,則ab于ac之夾角的正切為
tgθ==
所以
Δz=tgθ(F1+F2)⑸
比較式⑷與⑸,得
大學計算機基礎課程在高等學校開設已有30多年歷史,在學生綜合素質、創新能力培養方面發揮著重要作用,并已經成為高等學校通識教育的重要組成部分,更是培養大學生在信息時代解決工作、學習、專業和生活等信息化技術問題,成為高等學校培養復合創新型人才的基礎性教育內容。因此,深化大學計算機基礎教學改革,其核心是進行教育理念更新、構建新型人才培養模式和深化教學內容改革,最終的目的是全面提高當代大學生計算機技術的整體素養。2010年7月由北京大學、清華大學、浙江大學等九所“985工程”建設大學在西安交通大學舉辦的大學計算機基礎課程研討會上,各方面專家對計算思維與大學計算機基礎教學進行深入討論,核心問題是如何在信息化時代真正提高我國大學計算機基礎教學質量,會議形成一系列大學計算機基礎教學的業界共識,并發表“九校聯盟(C9)計算機基礎教學發展戰略聯合聲明”。
該聲明達成四個方面共識:一是大家一致認同大學計算機基礎教學是培養創新能力強、綜合素質高的復合型專業人才的重要環節和組成部分;二是大家旗幟鮮明地確定計算思維能力培養是大學計算機基礎教學的核心任務;三是進一步加強師資隊伍和教學機制建設,真正確立大學計算機基礎教學的基礎地位;四是開展以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程理論、體系和內容的學術研究。近年來,全國高等學校有關部門和專家學者圍繞這些共識,從計算思維研究方面積極推動有關計算思維理論、體系和方法論研究,并逐步波及理工農醫學科、工程領域和社會經濟等多個研究領域。,2013年大學計算機課程教學指導委員會有關專家齊聚深圳,就進一步推動以計算思維為切入點的“大學計算機課程改革項目”研究,并在此會議后發表計算機教學改革宣言。旨在運用計算思維的概念、方法和理念,產生新理論、成果和技術,提升創新型國家經濟、科學和文化的等國家軟實力。因此,高等學校必須正確認識大學計算機基礎教學在大學教育的重要地位,需要把培養大學生計算思維能力作為高等教育的重要理念之一,并以計算思維能力培養為核心,提升大學生計算機技術素養教育水平。在重大教育理念轉型期,高等學校通過大學計算機基礎教育改革,構建適應信息化時代的新型大學計算機基礎教學體系。
二、計算思維對大學生計算機技術素養的基本要求
一般認為,大學生計算機技術素養是大學生通過計算機基礎課程學習及其實踐,在計算思維和計算機理論、技術方面獲得穩定的技術理論、計算思維、操作能力、技術方法、技術評價和技術反思的綜合素養,能夠解決信息時代各種計算機科學與專業應用方面的諸多問題,這些技術能力和素質相互滲透,相互融合,共同構成了大學生理解現代信息技術世界的必備素質。
(一)大學生必須掌握計算思維方法隨著大數據分析平臺、高速移動通訊、普適云計算和全球化物聯網等新事物不斷涌現,世界許多領域正在發生一系列顛覆性的技術突破,以計算思維驅動的計算機技術正在參與和改變當今世界的商業盈利模式、經濟增長形態和文化傳播方式,在許多領域中人們對于計算思維及其計算機技術參與變革諸多事物的重新認知,可謂日新月異的世界、瞠目結舌的結果。龐大的網上購物成為人們習以為常的消費方式,傳統的商業盈利模式和經濟增長方式面臨最嚴重的挑戰與轉型。人們開始摒棄了依賴經驗和直覺的傳統決策習慣,將日益依賴于大數據及其分析而做出的極其縝密的優化方案。匯集龐大數據資源的互聯網正在數字化改造科學界、經濟界和各國政府管理、運營和協作。隨著世界信息化進程不斷加快,計算思維及其計算機技術應用將無處不在、無事不及和無人不用,計算思維能力和計算機技術素養成為人們認識、發現、分析和解決問題的基本能力之一。因此,計算機基礎課程不僅要教給大學生科學知識,更要教給他們科學思維方法,掌握解決社會、政治和經濟等問題的有效武器,并因此而受益終身。一個國家及其國民沒經過計算思維的系統培養,將在信息化世界激烈競爭中敗下陣來,導致國家處于落后地位、國民個人無競爭力而言。在一定意義上,高等學校計算思維教育已經不僅是大學生個人能力、素質提升的簡單問題,而要上升到影響國家戰略安全的一個重要而緊迫的國事。因為信息時代只有善于計算思維的青年才是在未來世界占有優勢地位,他們才能勝任國家繁榮富強、中華民族復興的歷史重任,中國大學生才能具有高尚的道德品質、堅定的理想信仰、科學的思維方式和充實的知識能力,才能兌現中華民族偉大的中國夢。所以,以計算思維為導向的通識教育,將在很大程度上提升我國大學生的思想境界、思維水平和認知高度。生長在21世紀的大學生若不具備計算思維和計算機技術素養,將在數字化環境下失去從業競爭優勢。計算機逐步成為生活、工作和學習的必需工具,數字化逐步成為人們日常工作和生活的基本手段,計算思維必成為一個現代公民必須掌握的基本思維模式。
(二)大學生必須學會計算思維方式通過大學計算機基礎課程的系統學習,教師使計算思維成為大學生應該具備的基礎思維能力,成為所有大學生處理許多數字化問題應該具備的基本能力。在當前社會活動已經越來越多地依賴計算思維和計算機技術的背景下,大學生在計算機基礎課程究竟怎樣獲得計算思維、學習那些知識和怎么學習這些知識,成為大學生接受大學計算機基礎教育的一個突出問題。尤其在大學計算機基礎教與學過程中,大學生最重要是運用計算思維把需要解決的問題轉化為能夠用計算機教師解決的可行形式,并形成解決這些問題的計算機具體技術技巧,這也是大學強化計算思維培養所強調的重點內容。計算思維的科學價值和深刻內涵,正在被當今社會的計算機技術發展進一步發現、驗證和確立。大學生學會使用計算思維方法解決問題比起學會具體解決實際問題的某個技術,難度要大得很多,相對具體解決實際問題的某個技術而言,顯然運用計算思維方法解決問題更加重要和根本,大學生接受計算機課程的計算思維培養已經不僅是學會應用計算機,而是掌握一種思維方式,這種思維方式對于學生從事任何專業、任何工作都是終身受有益的。
計算思維的培養可以造就大學生具有良好思維習慣、扎實知識修養和銳意創新的專業人才。因此,大學生在必須跟上大學計算機基礎課程改革需要,必須跟上時展的步伐,與時俱進,創新進取,這是信息時代賦予我國大學生接受建設思維培養、完成大學計算機基礎教育的學習重任。但在傳統大學計算機基礎教育中大學生如何建立計算思維的習得方式、教師如何構建計算思維教學模式都是沒有先例可效仿,也是相當困難的。這是因為,比起技能學習和能力學習,計算思維的教學、能力的獲得更需要探索、創新。因此,大學生需要具有學習新知的勇氣、自我挑戰精神來探索和習得計算思維能力。目前,許多大學生不能深刻理解大學計算機基礎課程的計算思維能力培養的重要意義,對課程的一般認識還基本停留在計算機理論學習、操作技能培養的淺顯層面。狹義的計算機技能培養觀念深深地根植于他們的基本認知中,對大學計算機基礎課程是否未能深刻反映計算思維能力培養的性質,不能理解計算思維已經廣泛滲透社會、經濟和文化等各個領域的嚴酷現實。這要求計算機基礎課程教師需要抓住教育部實施本科教學質量工程的大好機遇,開展以計算思維培養為切入點的大學計算機基礎課程改革,這項改革將會更好地實現專業化和信息化相融合的人才培養模式,提升未來社會大學生對于計算思維、計算機及其技術的理解和應用的整體水平。大學生通過大學計算機基礎教育,使得從理論層面理解計算思維的意義、理念、內涵、功能和表達形式,從系統層面科學規劃大學計算機課程的知識結構和課程體系,從操作層面認識計算思維是多元化思維能力之一,從實踐層面獲得不同層次思維能力的創新思考、研究與探索。
三、大學生計算機技術素養教育對教師提出的基本要求
縱觀大學計算機基礎教學人才培養模式、教學內容和教學方法等存在一些共性問題。在人才培養方面,盡管大學計算機基礎教學作為高等學校公共基礎課程,但由于多方面的原因,許多院校課程的人才培養、教學目標定位不準,不能結合大學生所學專業定位計算機基礎教學目標,課程內容不能結合專業發展的實際情況,往往教學內容陳舊、學時數量太多或教學質量太差,無法滿足社會對專業學學生的基本需要。尤其專業針對性不強、定位不夠明確,導致教學內容、知識體系嚴重偏離專業應用的實際,導致畢業生雖然計算機理論基礎比較扎實,但計算機應用工具和方法不熟、實踐經驗不足、動手能力差,缺乏獨立解決實際問題的扎實能力。在教學方法方面,存在教師課堂傳授理論知識,課后學生上機練習,雖然也反復強調實踐的重要性,但理論與實踐嚴重脫節,特別是在實踐內容和教學方法方面,過多強調理論知識的了解和掌握,而忽視了與實際應用相結合。因此,計算思維對大學計算機基礎教學的師資隊伍建設、人才培養模式、教學內容和教學方法,尤其對教師素養提出更高的要求。
(一)深刻認識計算思維教育的重要性和現實意義盡管大家有目共睹高等學校大學的計算機課程教學及其成果,計算思維培養已經成為大學通識教育的重要內容,但目前依舊需要解決一些深層次的理論性、制度性和技術性難題,大學計算機基礎教學改革仍面臨嚴峻的挑戰。調查發現,我國大學生計算思維素質很低,表現為大學生能夠很好掌握計算機技術,但運用計算思維解決具體問題水平很低,他們不擅長用科學思維而擅長用傳統技術來解決現實問題,缺乏創新動力不足、原創成果不多,缺乏引領技術發展潮流的創新能力。教師必須認識到以培養計算思維意識、理念和方法為目標的大學計算機教學改革,勢在必行,大勢所趨,加快大學生的建設思維是教學改革的核心任務,從而在根本上提高大學生計算思維意識和計算機應用的素養與水平。
(二)圍繞計算思維開展大學計算機基礎教學改革大學計算機基礎教學面臨最大挑戰,如何構建培養計算思維能力教學體系,涉及教學內容組織、師資隊伍建設、教學法改革以及實踐教學建設等基本內容,是課程改革最重要、最基本和最關鍵的部分,同時也是最復雜的教育任務。如何落實計算思維培養內容、目標和方法,提高教學效果、還缺乏足夠的教學實踐、明確的教學規范和充足的教學資源,還需要圍繞計算思維開展教材建設、教學內容和教學方法的配套改革。從根本上解決計算思維的內容表達,清晰闡述計算思維的特征和方法,通過具體的教學內容講授,使得學生逐步認識、理解和掌握計算思維認識、運用和解決問題的基本方法。
計算機網絡技術的應用,也將人類的交流由真實世界引入到了虛擬的網絡世界。在真實世界中會產生各種各樣的利益關系,出現各種的道德問題,其實在網絡世界中也同樣產生,因為雖然網絡世界是虛擬的,但人和人之間的交流卻是真實的,而且現在網絡世界越來越和我們的真實生活息息相關,因此就必須要保持在網絡世界中和在真實世界中的道德規范相一致,只有堅持統一才能成為真正完全的道德主體。
2計算機網絡技術的發展也引發了一系列的道德問題
2.1容易導致道德相對主義
在計算機網絡技術中很容易犯個人主義,因為評判道德的標準就是自己。由于互聯網的世界沒有起點也沒有終點,人們整天沉浸在互聯網海洋中的一點,通常都是以自我為中心,只要認為自己是對的就是對的,別人無從進行評判。每個人可以以一個或多個的身份在網絡中進行交流,一旦發生道德問題就立刻舍棄“自己”,然后打造一個全新的自己,因為虛擬的身份不用承擔責任。現在的網絡中有一項匿名技術,就是每個人可以匿名發表評論,用別人的名字或自編的名字進行毫無顧忌的評論,所以經常的以個人為中心。在網絡世界中黑臉大漢描繪自己成妙齡少女進行勾引挑釁,認為這是自己的演技而不是欺騙,所以計算機網絡中常常存在不道德的行為,但是卻不認為是真實生活中的不道德,在網上可以隨心所欲,雖然不能驅使別人但自己也不會被驅使,這就極容易導致道德的相對主義。
2.2電腦犯罪現象屢見不鮮
計算機網絡技術的發展為許多惡行提供了場所,因為網絡世界具有極大的虛擬性,每個人都認為在網絡中是虛擬的角色,不受道德和法律的約束,因此在評論時變的肆無忌憚,甚至有些人故意用不道德的言行來進行評論以期標榜自己的標新立異和鶴立雞群,可以摘下在真實生活中的面紗,在網絡世界中盡情宣泄,甚至有些人為非作歹。最近幾年,網絡犯罪的比例在日益攀升,謾罵、詐騙等現象屢屢發生。
2.3對現實的道德規范進行了沖擊
在計算機網絡技術的世界中,人們的道德規范最多的是依賴自身內心的道德信念,依靠外在輿論的力量越來越小,傳統的道德制約手段基本不起作用。不少網民將自己違反道德規范的行為不以為然,甚至成為標榜炫耀的工具,電腦黑客橫行、木馬層出、黃色網站去之不盡,真實世界中的道德規范根本沒有辦法進行約束。在2000年開始的時候,全世界的很多重要網站都遭受到了黑客的攻擊,甚至有的都處于癱瘓狀態,當時雖然進行了嚴查,但由于計算機網絡的靈活性,收效甚微,因此人們認為,傳統的道德約束和法律功能受到了極大限制,忠厚老實、安分律己的道德標準受到了嚴重的挑戰。
3計算機網絡技術道德規范的有效途徑
面對目前出現的諸多計算機網絡技術道德問題,需要建立有效的道德規范制度,首先,頒布計算機網絡技術道德規范條例,國家根據現實生活中網絡技術的應用結合網絡技術給人們生活帶來的影響,制定出一些守則,以供網民閱讀,以期做出正確的道德選擇。其次,就是進行網絡道德教育,通過教育來規范網民的認知,形成自覺遵守網絡道德的行為。再次是組織優秀的民族文化網上活動,由于優秀的民族文化具有很強的吸引力,這些傳統美德和優秀文化能夠弘揚民族優秀精神,豐富知識文化寶庫,滿足日益增長的文化需求。最后要加強網絡場所的管理,尤其是審批條件要嚴格,保證執業資格者必須具有良好的道德規范,營造一個有益身心健康的活動陣地。此外,要加強法律規范,因為僅僅依靠輿論和自己的規范效力是遠遠不夠的,必須要運用法律的武器,雖然法律的運用范圍要比道德小,但是力度卻遠超于道德,道德的實施僅僅依靠的是人們自身的道德信念,以及社會的輿論和認知,而法律除了自覺遵守外,還有國家行政的有力保證,因此在進行道德規范的同時必須要加強網絡法律建設。
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