工程实践类课程中课程思政教学实践探索

工程实践类课程是培养学生工程素养和创新能力的主要平台,同时也是培育学生具备劳动意识、科学精神、工匠精神、爱国主义情操的重要载体。以中国科学技术大学为例,通过在实践课程中巧妙融入思政内容,强调关键知识点与课程思政元素的紧密结合,让学生主动领会、内化于心,真正实现“立德树人”润物无声。同时,在教学形式上,打破以知识传授为主要特征的传统课堂教学模式,采取小组讨论、相互协作的教学模式,配合智慧教学工具,线上线下相融合,强调理论知识与实践动手相结合,突出对学生实践能力、创新意识的综合训练,注重实践过程中学生德行品质的塑造与培养,最终实现工程实践类课程思政育人、弘扬劳动精神。

三坐标测量技术实践教学的课程思政探索与实践

三坐标测量技术是实践类课程的重要组成部分,也是学生思想品德塑造的主要依托。文章就三坐标测量技术教学过程中,如何发掘课程思政元素,实现学生价值塑造和技能操作知识培训有机融合做了一些有益的探索。使学生在学习知识技能的同时,潜移默化地建立起正确的情感态度和价值观,从而成为又红又专的新型人才。

北京延庆盆地农田表层土壤肥力评价及其空间变异

【目的】土壤肥力评价及其空间变异研究,可为科学施肥、作物布局调整等提供依据。【方法】在以往土壤肥力评价仅考虑常规养分指标的基础上,引入微量元素养分指标,采用主成分分析法、隶属度函数和地统计方法,对北京延庆盆地表层土壤肥力进行综合评价,并研究其空间变异特征。【结果】研究区土壤常规养分和微量元素养分的综合肥力贡献率分别为0.63和0.37;土壤综合肥力指数处于0.22—0.97,平均为0.53;其空间变异具有一阶趋势,去除趋势后所剩残差表现出较弱的空间相关性;空间总体分布受有机质和全氮分布的影响较大,局部地区分布还受有效铜、有效锌等微量元素养分的影响;菜地土壤单一有效微量元素指标的肥力水平和综合肥力水平总体上均高于果园和粮田。【结论】将土壤常规养分和微量元素养分同时纳入土壤肥力质量评价指标体系是可行的和必要的,利用地统计学方法能较好地揭示土壤肥力质量的空间变异规律。

粗糙集理论在土壤肥力评价指标权重确定中的应用

【目的】土壤肥力是土壤诸多基本特性的综合反映,科学、合理、实用地评价土地肥力将为指导农业生产、土地利用规划和管理提供理论依据。其评价过程是一个无决策属性的多属性决策过程,而解决多属性决策问题的重要前提是各属性权重分配问题。【方法】确定指标权重的方法主要有主观赋权法和客观赋权法,然而,主观赋权法往往需要大量的先验知识,评价结果有一定的主观随意性,而且较少考虑评价指标之间的依赖关系;客观赋权法没有充分考虑到各参评因素对评价的重要度不同,统计数据有相关性也并不意味着两个事件具有因果联系。综合考虑主、客观赋权法各自的优缺点,利用粗糙集理论中知识约简和相对正域理论在消除冗余信息和处理不确定性信息等方面的优势,探究土壤肥力评价过程中一种主观和客观相结合的权重确定方法,并利用作物产量对评价结果进行验证。【结果】粗糙集理论在土壤肥力评价中的具体赋权思路包括:数据的离散化、土壤肥力综合等级的初步确定、属性值约简、等价类划分、属性重要度的计算和指标权重计算等步骤。以北京大兴区农田土壤样点的肥力评价对上述赋权思路进行实例分析,对比传统特尔斐法和粗糙集理论赋权结果发现,特尔斐法确定的土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾等指标的权重分别为0.300、0.250、0.250和0.200,利用其评价得到的土壤综合肥力指数(IFI)与产量显著线性相关,R2为0.77,均方根误差(RMSE)为1.25;而粗糙集理论确定的土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾等指标的权重依次为0.455、0.111、0.111和0.333,利用其评价得到的IFI与产量也显著线性相关,R2达0.83,RMSE为1.09,精度均较特尔斐法有了提高,其中RMSE相对精度提高值达12.80%。【结论】粗糙集理论在土壤肥力评价中的具体赋权思路基本是可行的,且相对于特尔斐法其确定出各指标权重更为合理、准确,可为土壤肥力评价及相关领域的评价提供一个有益的思路。

土壤有机碳空间变异性对采样密度的响应研究

以北京地区土壤有机碳(SOC)为目标变量,对比4种不同采样密度下SOC质量比空间变异的结构变化以及在不同采样密度下不同空间预测方法对SOC质量比空间预测不确定性方面的表现。结果表明,SOC质量比关于地形因子的趋势属于宏观趋势,以低采样密度的趋势拟合效果最优;随着采样密度的增加,SOC质量比及其去趋势后残差的系统内部随机变异逐渐增强,结构变异逐渐减弱,变异函数的分布也越平稳,空间预测的不确定性也逐渐减小。另外,变异函数的变程可能也影响空间预测的不确定性;增加采样密度和引入地形因子辅助的回归克里格法均可以提高北京地区SOC质量比的预测精度;在预测精度不降低的情况下,引入地形因子辅助可以在一定程度上减少采样的数量。

工程实训教学的探索与实践——工程科学前沿与实践课程设计与实施

通过在工程实训过程中穿插前沿科学讲座,让学生切身体会工程科学的实用技术背景,了解前沿学科的发展动态,激发学生对工程科学的兴趣;通过认识并熟悉各类先进加工设备的工作原理、特点及应用领域,促使学生了解现代制造技术并获得基本的实践训练,培养学生实践动手能力和良好的工程素质;通过问题导向的综合实践项目训练,使学生熟悉功能性装置设计制作的基本过程,将所掌握的实践技能与所学理论知识结合,设计制作创新作品。最终在整个课程学习中,达到培养学生创新意识和团队协作意识的目的。

当前先进制造技术下的工程实践教学研究

通过引进当前世界先进制造设备与技术,结合中国科学技术大学办学理念,开创性地将工程实训课程、创新实践活动、社会服务及科研服务等有机整合。同时,参照国内外先进管理模式,在中心内部建立起科学良好的运行机制,致力于建设合理完善的金工实训课程体系,最终为学生搭建一个具有自身特色的创新设计基地与快速制造响应平台,真正达到提升工程实训内涵、提高人才培养质量的目的。

红边位置改进算法的冬小麦叶绿素含量反演

植被反射光谱的红边位置对叶绿素含量高度敏感,利用遥感数据建立基于红边位置的作物叶绿素含量反演模型,可实现大范围作物及时的长势监测。该研究以冬小麦为研究对象,在学习6种经典红边位置求解算法的基础上,提出牛顿-切比雪夫插值法和牛顿八点插值法2种改进红边位置求解算法。根据不同算法的红边位置分布特征综合分析了改进算法的优缺点,并在此基础上建立基于红边位置的冬小麦叶绿素含量反演模型。结果表明,与传统算法相比,2种改进算法均显著改善了双峰现象和红边位移,且基于改进算法的模型预测值与叶绿素含量实测值的决定系数>0.619,较最大一阶导数法,牛顿八点插值法提高了6.321%~9.947%,牛顿-切比雪夫插值法提高了5.024%~10.480%,具有更高的精度。同时,在2种改进算法中,牛顿八点插值法具有更高的稳定性与实用性。研究结果为植被理化参数反演与农业生产应用提供理论与技术支撑。

虚拟仿真技术在超精密加工实验教学中的应用

依托单点金刚石超精密加工机床Freeform L,运用信息化技术进行了超精密加工虚拟仿真实验平台的设计。虚拟实验平台涵盖了刀具偏置校正、动平衡测试、加工程序自主编写、正式加工、在线测量、迭代补偿加工等多个交互模块。利用此实验平台,配合改进的教学方法,能使学生在较短时间内掌握超精密加工技术的基本原理和加工工艺流程,培养学生的综合创新能力及实践动手能力,实现超精密加工技术从设计加工到结果检测完整工艺过程的线上教学。该虚拟实验不但可使学生了解前沿知识与先进技术,大幅降低超精密加工实验教学的成本,而且易推广使用,方便自主学习及教学,为高精尖工程技术人才的培养提供一种新方法。

滚动压印装置研制与压印填充模拟

紫外滚动压印因其可以在室温下、普通大气环境中高效大面积地进行微结构制作而备受瞩目.利用自行研制的紫外滚动压印装置,实现了微结构的快速复制.实验中发现当压印速度达到某一特定值时,会不可避免地产生气泡缺陷.采用流体软件Fluent对滚动压印充填过程进行分析,来研究气泡缺陷的产生机理.结果表明,压印速度过高导致空气被堵在图形空腔内,最终形成气泡缺陷.同时,低黏度的胶液和小的接触角更利于模型填充.此研究对于获得优化的滚动压印工艺具有一定的意义.

高校实践中心教学团队建设研究

目前,大部分高校实践中心普遍存在着的固定教职人员短缺、师资结构不合理的情况,导致学生的创新思维意识、组织能力及团队协作能力不能被最大限度地发挥。针对这一问题,以中国科学技术大学实践中心为案例,提出以实践中心现有师资力量为主导,聘用离退休教职工、教学科研岗教师兼职,辅以高年级学生助教等多种形式建设发展师资队伍,制定相应的管理举措,最终建立起良性的、完善稳定的实践教学团队,保证工程实践教育顺利实施,促进实践中心不断健康发展。

土壤质地空间预测方法比较

土壤质地作为成分数据(compositional data)的一种,其空间插值需满足非负、定和、误差最小和无偏估计4个条件。采用成分克里格法(compositional Kriging)和基于对数比转换的普通克里格法对土壤质地各颗粒组成进行空间预测,均方根误差(root mean squared errors,RMSE)和标准化克里格方差(mean squared deviation ratio,MSDR)分别被用来衡量不同方法的预测精度及模型拟合效果。研究结果表明:对数比转换的普通克里格法和成分克里格法能够保证插值结果满足成分数据插值的4个条件;成分克里格法预测的各土壤颗粒组成的RMSE最小,预测精度最高,其黏粒RMSE值相对于非对称对数比转换的普通克里格法提高将近17%;成分克里格法的变异函数拟合效果总体上好于其他两种预测方法,预测结果极差更宽,更能反映土壤质地各颗粒组成与高程、母质和水域分布的关系。

草原区露天煤矿植被覆盖度时空演变与驱动因素分析

采用多时相Landsat TM遥感数据,借助于植被指数与植被覆盖度,基于不同时序植被覆盖度格点回归斜率、标准差和基末年等级转换矩阵等,分析了研究区植被覆盖度空间异质性及其驱动机制,剖析了采复联动下研究区、开采区和复垦区植被覆盖度变化趋势和波动程度,进而揭示随着时间变化采复活动与植被覆盖度间的响应。研究结果表明:不同年份研究区植被覆盖度及其等级空间分布整体上具有一定相似性,矿山采复活动在一定程度上打破了区域植被覆盖度时空演变格局;研究区植被覆盖度以中(Ⅳ等)、中低(Ⅲ等)为主,按多年均值计算,两者之和占研究区总面积的80%以上;植被覆被度呈增加和减少的区域面积比为2∶3,相关系数在-0.9266~0.4805之间,斜率正值范围内相关性并不显著,而负值范围的-0.9266^-0.895呈现不同程度显著性相关;露天采区、排土场及其周边1.5 km范围内的植被覆盖度呈显著下降趋势,且趋于一致。矿区植被恢复经历了一个"高—低—高"的周期循环,半干旱草原区复垦管护期限尽量保证在6 a以上。70%以上区域在研究时段内植被覆盖度发生转换,转换较为频繁,Ⅰ等植被覆盖度中的90%是由采矿活动转入的。露天煤矿区植被覆盖的提升有赖于矿区社会压力减少和生态恢复力提高两方面。研究成果将为露天煤矿及其所在区域生态环境科学保护与决策、恢复和治理提供信息支撑。

县域尺度表层土壤质地空间变异与因素分析

【目的】以北京市平谷区为研究区域,采用传统统计和地统计学相结合的方法研究县域尺度下土壤质地空间变异的规律,探究土壤质地空间变异的机理。【方法】采用Levine’s方法进行方差奇次性检验,根据检验结果选取最小显著性差方法(least-significant difference,LSD)对土壤颗粒组成与高程、母质、土地利用和水域分布关系进行研究。空间预测采用普通克里格法,鉴于土壤质地属于成分数据,插值前对原始数据进行对称对数比转换。【结果】不同高程组、母质类型、土地利用类型及水域缓冲区组各颗粒平均含量存在一定的差异性,不同高程组和母质类型的土壤颗粒组成之间的差异性比不同土地利用类型和水域缓冲区明显。总体而言,研究区内随着海拔高度的降低,土壤颗粒呈现由粗变细的趋势;由石英含量较高的酸性岩母质发育的土壤土壤颗粒较粗;菜地土壤颗粒相对较细;随着离水域距离的增大,土壤砂粒含量呈增加趋势。地统计分析结果显示,土壤质地各颗粒表现出极强的空间自相关性,空间变异主要由结构性因素引起。各颗粒空间插值结果表明,土壤各颗粒组成空间分布总体趋势特征比较明显。【结论】传统统计分析和地统计学相结合的方法能够系统和全面地揭示土壤质地空间变异的确定性和随机性,研究区土壤质地空间格局主要受地形、母质等自然因素影响。经过对称对数比转换后,土壤质地各颗粒组成空间预测结果满足成分数据空间插值的要求。

基于数字土壤系统的县域土壤磷素流失风险简化评估

县域是中国基本的行政管理单元,探讨县域尺度下土壤磷素流失风险评估的简化方法,旨在为县域磷风险评估和生产实践提供指导。该文在充分考虑县域尺度的特点,简化磷指数评估方法指标和评估过程,并以北京市顺义区为例,基于数字土壤系统,采用地理信息系统和计量土壤学技术,采用简化后的磷指数法对顺义区磷素流失风险进行评估。结果显示,顺义区土壤磷素流失的风险程度呈现东部高,西部低和沿着河流呈条带状分布的特征,这种分布特征在一定程度上说明了导致顺义区土壤磷流失的主要原因是农业投入,顺义区土壤磷素流失风险程度以低为主,但中等风险的面积占总面积的30.05%,今后应加强研究区磷素管理,防止土壤磷流失。基于数字土壤系统的简化磷指数法能够很好地反映待评估区域磷素风险程度,为县域磷素风险评估提供了参考价值。

景观高度异质区土壤有机质时空变化特征分析

基于GIS和环境相关法,构建了集传统统计学、空间趋势分析、时间稳定性评估、结合辅助信息的地统计混合模型联合的景观高度异质区土壤属性时空变化研究模型,并利用该联合模型揭示了北京市密云县土壤有机质时空变化特征及其影响因素。结果表明,构建的时空联合模型能够较好地体现景观高度异质区土壤有机质时空变化细节特征;土壤有机质以中等稳定为主,且随着时间的推移,随机部分占土壤有机质空间变异的比例越来越大;不同时期土壤有机质含量空间分布格局一致;高土壤有机质含量区域的土壤有机质随时间呈减小趋势,低区与之相反,且高土壤有机质含量区变幅大,而低土壤有机质含量区变幅小;影响密云县土壤有机质时空变异的因素主要为土壤质地和土地利用方式。

基于各向异性的区域土壤有机碳三维模拟与空间特征分析

为探索更加科学的土壤属性三维空间模拟方法,以各项同性三维普通克里格法为对比方法,采用均方根误差(root mean squared errors,RMSE)和标准化克里格方差(mean squared deviation ratio,MSDR)以及空间模拟方差图等,评价比较了各项同性和顾及各项异性的三维模拟方法的模拟效果。结果显示:三种方法模拟的土壤有机碳三维空间分布格局基本一致。随着土壤深度的不断增加,土壤有机碳含量较高的斑块逐渐减少,垂直方向上总体呈现出土体上部高下部低的格局。顾及各向异性能在一定程度上克服普通克里格法常出现的牛眼和趋中效应等缺陷问题。顾及各向异性基于Markov的同位置协同格里格法模拟效果最佳。该法的RMSE值最小(1.6215),相比于各项同性三维普通克里格法RMSE提高将近50%,特异值覆盖比率最大(76.15%),模拟精度最高,能够更好地突出波动性,体现特异值;该方法的MSDR最接近1(1.4409),且模拟的土壤有机碳质量分数总体方差均值最小(2.08)。研究成果将为区域土壤属性三维空间有效模拟提供方法参考。

县域土壤质量数字制图方法比较

土壤质量研究几乎涵盖土壤研究的所有领域,土壤质量制图理论与方法是土壤质量研究的一项重要研究内容。该研究以北京市密云县为研究区,基于土壤质量评价最小数据集和指数和法计算的土壤质量指数,探究了在地学模型支持下区域土壤质量数字制图方法。研究设计了5种区域土壤质量数字制图方法,并比较了不同方法的空间数字制图精度。结果显示,目前广泛使用的基于参评指标空间插值结果的土壤质量数字制图方法精度最低、工序较繁琐,且无法反映研究区景观高度异质的特点;而基于计算后的土壤质量指数(soil quality index,SQI),借助于地统计学方法的土壤质量数字制图方法相对比较科学合理,其中又以基于计算后的SQI和回归克里格法预测效果最好,均方根误差最小,仅为0.01897,相对于基于参评指标空间插值结果的土壤质量数字制图方法,精度相对提高率最大,达到50%以上。综合考虑空间制图精度、工序的繁简程度,在该研究设计的5种方法中基于计算的SQI和回归克里格法最佳,该法避免了地统计插值在景观高度异质区的应用局限性,预测结果与实际最为相符。

基于分形理论和地质统计学的表层土壤颗粒大小分布变化特征

【目的】探究多角度、多尺度全面揭示土壤颗粒大小分布特征的方法体系,探索更加简单而又可综合定量分析评价土壤质量及其演变过程的手段。【方法】以计算的土壤颗粒体积分形维数(Dv)作为分析对象,建立集分形理论、传统统计学、分离土壤颗粒Dv的双对数图和地质统计学等理论和方法为一体的表层土壤颗粒大小分布变化特征分析方法体系,并基于此从点和区域2个尺度系统全面地研究表层土壤颗粒大小分布变化特征。【结果】粒径<10μm的土壤颗粒累积体积百分含量与Dv呈显著正相关,相关系数为0.46,而>50μm以内的土壤颗粒累积体积百分含量与Dv呈显著负相关,相关系数为0.63,土壤颗粒Dv值越小,土壤颗粒越粗;最大和最小Dv的双对数拟合图主要变化靠近拟合的直线,R2值均在0.9以上,拟合结果理想,分离的Dv能够包含整个土壤颗粒大小分布变化的程度。不同土壤有机质含量组之间土壤颗粒Dv存在一定差异性,土壤颗粒Dv能够客观地表征农田土壤质量的变化;随着高程增加,Dv表现相对比较复杂;褐土土壤颗粒Dv均值最大,潮土均值最小;粮田、园地和草地之间的土壤颗粒Dv差异性不明显。基于土壤颗粒Dv与环境因素关系分析的回归克里格法预测结果较为准确,区域和样点土壤颗粒Dv空间分布格局一致,较客观地反映了区域表层土壤颗粒大小分布变化特征。【结论】建立的方法体系能够从多角度、多尺度全面地反映土壤颗粒大小分布特征,分析结果符合实际,土壤颗粒Dv可以作为定量化分析评价和表征土壤质量及其演变过程的手段。

多时空尺度的土壤质量评价最小数据集的建立

[目的]探讨土壤质量评价最小数据集的建立方法,并且基于建立的方法构建不同时空尺度的土壤质量评价最小数据集。[方法]基于环境相关法,采用皮尔森相关分析、主成分分析和计算矢量常模值、土壤母质类型、土壤类型和土地利用与土壤质量的关系等建立土壤质量评价最小数据集。[结果]就空间尺度而言,衡量县域和乡镇尺度土壤质量好坏的最小数据集明显不同,2008年县域尺度下最小数据集包括土壤容重、砂粒、土壤有机质、黏粒、pH、土壤有效锌、土壤有效锰7个指标,而进入2008年乡镇尺度下的最小数据集则为粉粒、有效钾、有效锰、全氮、土壤容重、黏粒、pH、土壤有效铁8个因素;就时间尺度而言,不同时期的最小数据集不同。[结论]土壤质量评价必须和时空尺度挂钩才有意义。基于该研究建立的方法得到的土壤质量评价最小数据集参数能够最大限度地包含所有未入选参数所表达的土壤质量信息。不同时空尺度下建立土壤质量最小数据集冗余程度最低。