時間：2023-03-16 16:38:02
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【關鍵詞】普通氣象學概論教學；現代啟發式教學；創新教學；課程改革
普通氣象學概論作為氣象水文裝備國防生的一門專業課程，它是將物理學的基本定律、基本方程應用于大氣科學研究領域，研究大氣中發生的物理過程、解釋大氣中的物理現象。與其他課程相比，它具有多學科交叉的內容體系、較強的邏輯性、抽象性和廣泛的應用性，且對于初學者或非氣象專業人員而言，教材章節之間隱晦的邏輯關系難以發現。目前普通氣象學概論教學現狀是：（1）課時安排較少，學員的學習積極性及主觀能動性不高；（2）教學模式主要以講授式為主，注重強調知識的系統性，且理論知識與學員實際崗位需求相差甚遠；（3）學員僅滿足于完成課堂學習任務，自我要求不高，以及達成的學習目標不夠明確，缺乏學習興趣和熱忱，很少主動去發現和解決實際問題，這與培養適應軍隊信息化建設與聯合作戰需要的高素質氣象水文裝備人才的目標不相適應。那么如何在課時較少，課程內容理論化較強且較抽象的情況下，提高教學效果呢?筆者認為進行現代啟發式教學，激勵學員對本課程的學習興趣和內在動機，促進學員積極思維，并精心設計符合學員認知結構的現代啟發式教學流程調動學生學習的主動性和積極性，注重學以致用與用以促學，培養學員生成發現問題及解決問題的能力，同時更要掌握發現問題及解決問題的途徑，才是關鍵所在。
一、現代啟發式與傳統啟發式教學的聯系與區別
啟發式教學法簡而言之就是教師在教學過程中依據學習過程的客觀規律和學生的認知結構，引導學生積極主動地獲取和掌握知識的一種教學方法。它自我國古代的孔子，西方的蘇格拉底開始，至今已有兩千多年的歷史。隨著社會進步，科學技術傳承、創新、發展，人們又賦予它以新的內涵，因此形成了一種新的教學理念，即“現代啟發式教學”。現代啟發式教學不是對傳統教學的忽視和批判，而是繼承與創新；它繼承了傳統啟發式教學的精要所在：注重學生主體地位，重視個體差異，啟發誘導并因材施教，同時又豐富和發展了傳統啟發式教學。那么與傳統啟發式教學相比，現代啟發式教學到底有什么創新之處？對比結果[1]見表1。從表1中不難看出現代啟發式教學是一種符合現代教學規律的培養教育人的教學思想、原則和方法。它立足學生的認知水平，既注重知識的傳授，又注重能力培養，讓學生積極主動地獲取知識、發展能力，真正成為學習的主人，達到會學、創造性地學。借用我國近代偉大的教育家葉圣陶話說“教師的教學，不在于要學生搬去可以致富的金子，而在于給學生點金的指頭。教師不是給學生大量灌輸知識，而是將開發文化寶庫的鑰匙交給學生。”
二、理清教材內容，挖掘貫穿全書的隱晦邏輯
普通氣象學概論是研究地球大氣中的各種現象及其演變規律，這些現象包括物理的、化學的以及人類活動對大氣的影響，以及如何利用這些規律為人類社會和經濟發展服務。它實際上是物理學領域中一些最基本的理論或中心理論與大氣科學領域的交叉，其中包括靜力學、動力學、聲學、光學、電學（電荷，電流和電場）、電磁學（電磁輻射與電磁波）和熱力學等。課程教材依據學科架構章節安排如圖1所示，從圖1中可以看出，教材是根據學科自身的體系來闡述普通氣象學概論的主要內容，即熟知的“大氣科學+”的結構，物理學的各個基本領域只是其中一個加數，比如“大氣科學+”與動力學，簡單組合就構成大氣動力學基礎，注意這里“大氣科學+”與“+大氣科學”盡管兩者模式主體不同，但語義和內涵一致。雖然這種教材章節結構安排能夠滿足學科知識的系統性和完整性，但是考慮到學員的現有認知程度，接受知識方式、特點及困難程度，在演講式或講授式教學模式下很容易導致學員為學而學，單純為完成任務而學的狀態。故第一步必須理清教材內容，挖掘出適合初學者從事物外部入手，由簡單到復雜，由表及里探索知識的隱晦邏輯，然后在這個隱晦邏輯的指引下安排教學內容順序；并同時考慮學生的“最近發展區”，造成已有認知結構與所學普通氣象學概論知識之間中等程度的不符合，以維持學生探究知識的興趣和熱情，形成國防生學員學習知識和發展能力的最佳教學結構。課程內容教學順序調整如圖2所示。可見圖2明顯區別于圖1，它給出了一條氣象知識由淺入深、由表及里的認知邏輯。即對于初學者，首先學習和了解氣象領域的基本物理量、概念及方程，建立氣象專業的相關背景知識和基礎概念，這部分內容對應著教材的大氣概述章節；在此基礎上，學習和研究普通氣象學中最簡單的科學問題，也就是靜止條件下大氣狀態的變化和平衡規律問題。更進一步，考慮到靜止大氣不能刻畫千變萬化的運動大氣，所以必須研究大氣運動的相關問題，研究大氣運動從最簡單的水平運動開始，這部分對應教材的大氣動力學內容，然后研究大氣的垂直運動問題，即大氣熱力學。在認識這些基本規律后，需要研究導致天氣和氣候演變的基本物理過程，即輻射過程，對應于大氣輻射學。除卻以上宏觀科學規律外，還需要以熱力學和動力學為基礎研究云微物理學，它是人工影響天氣的理論基礎，即在特定的天氣背景條件和適當的云物理條件下，通過人工干預的方式對局部大氣微物理過程進行影響，使天氣向人們期望的方向發展，從而達到趨利避害的目的。最后，結合大氣中的光學、電學、聲學等自然現象，闡明其物理本質。綜上而言，改善后的教學順序存在一條邏輯主線，它對初學者認識和把握普通氣象學概論課程有重要意義。
三、把握認知結構，精心設計現代啟發式教學流程
當前現代啟發式教學更多的是一種教學理念，并無固定的教學流程或模式供借鑒，筆者站在非氣象專業初學者的立場，依據學員的認知結構，接受知識的方式、特點及困難程度，并結合《普通氣象學概論》教學內容提出了一種適合非氣象專業國防生學員現代啟發式教學理科教學模式，流程如圖3所示。它分為情景與意境創設、問題設計與引入、學員獨立思考、階梯式激發、主動獲取與吸收、誤區與盲區掃除、歸納與總結以及轉化與應用8個環節。下面結合課堂教學過程來闡述每個環節的具體應用。1.情景與意境創設：捷克教育家夸美紐斯曾說：“一切知識都是從感官開始的”。由此可見，直觀展現教學內容所表征的實際事物或者實際事物的相關背景可以使抽象的知識具體化、形象化，有助于學生感性認識的形成，并促進理性認識的發展。因此課堂教學實施的第一步就是結合教學目標，研究教材內容，根據每節課的內容、知識體系和學員起點，創設與當前學習內容相關的具有一定難度，需要學員努力克服，而又是力所能及的學習情境，激發學生的內在學習動機和熱情，引導學員帶著明確的求知欲望進入課堂。例如，在緒論中如何引導學生認識氣象學時，可安排學生觀看《后天》和《龍卷風》等電影建立學生關于氣象災害的感性認識或通過再現2016年6月24日發生在江蘇鹽城阜寧地區的強龍卷和2016年9月15日莫蘭蒂超強臺風登陸廈門等造成較大數量亡人和巨大經濟損失的實際氣象災害事件催生學員的學習情感和求知欲。2.問題設計與引入：格蘭特•威金斯說：“問題乃是通向理解之門”，即在所創設的情境框架下，依據教學目標選擇與當前教學內容密切相關的專業熱點、敏感性事件、事例或課題作為問題設計的核心內容，讓學員面臨一個需要立即去解決的問題。例如，在針對地轉風問題設計時，引入1986年4月26日切爾諾貝利發生核爆炸引起放射性物質擴散事例，試問距離切爾諾貝利以東2600公里的哈薩克斯坦會不會遭受核污染？如果會大約是什么時候？通過上述問題的設計與引入，學員立即面臨一個需要解決的問題。3.學員獨立思考：“學起于思，思起于疑”，由教員向學員提供解決該問題的有關線索，引導學員獨立思考，就是要使學員懂得思考些什么，怎樣去思考，如何判斷思考是否正確，如何歸納及利用思考得出的正確結果等，即通過“憤”“悱”情境催化，提高學員提出問題、分析問題和解決問題的能力。例如，上例核污染事件，學員需要思考自己應該用哪類知識認識和解決這個問題，以及現在自己是否具備相關知識，進一步刺激和催化學生的好奇心。4.階梯式激發：對于自然科學而言，通常僅通過學員獨立思考較難有效直面問題矛盾，尤其對于一個比較有價值的命題，其內容往往過于抽象或過程太過復雜，對于大部分學生而言都存在一定的思維難度，因此對這類問題的啟發往往最考驗授課教員的內功。階梯式激發正是解決這類問題的有效途徑，即將比較復雜的命題分解成若干個難度由淺入深、循序漸進的小問題，對于分解成的每一個小問題獨立啟發，各個擊破，從而使原問題得以解決，并從不同層次激發學員的思維積極性，讓學員在類比、辨析、遷移中學會解決問題的方法。例如上面核污染事件階梯式分成運動學問題、風壓定律問題、地轉風計算問題，通過3個小問題的解決，原問題就迎刃而解了。5.主動獲取與吸收：在實施現代啟發式教學過程中，教員結合講授過程，必須給學生提供專門的機會進行知識“組裝”，即綜合訓練。這一階段是完成由教員啟發轉向學員自我啟發的關鍵，是學員由“學會”到“會學”的轉換。教員可以通過和學員一起設計“自我提問”，使學員按一定的程序自己提問啟發自己，促進學員生成主動獲取與吸收知識的能力。6.誤區與盲區掃除：在課堂教學中，教員對于學員的思考過程，不能簡單僅給予“對”或“錯”的回答，而要結合大多數學員對于思考問題的綜合反饋，從中發現學員思維過程中的缺陷，然后給予恰如其分的指正。這樣，學員才能真正發現自己的問題所在，避免同樣的錯誤再次發生。與此同時，對于學員在思考問題時有意識地運用科學的思維方法時，要及時給予表揚和鼓勵，促進學員良好思維習慣的形成。例如，實施大氣狀態方程教學時，試比較在同溫同壓下，干空氣密度、水汽密度及濕空氣密度的大小，大部分學生會得出錯誤的結論，需要教員發現學員思維過程的盲區，并恰當的啟發，促進學員理性思維的形成。7.歸納與總結：教員應當結合課堂教學目標，引導與協同學生把現代啟發式教學所得到的結果組織成一個可理解的、有用的結論，并把它與相關信息結合起來，納入到學員的原認知結構中，而且應使學員體會到獲得成功的喜悅感，增進學生的智力開發，幫助學生獲得批判性思維與自主學習能力。8.轉化與應用：學以致用，用以促學。轉化與應用對現代啟發式教學提出了更高的要求，本環節主要依托任務啟發的方式，結合課后習題及前沿熱點事件，鞏固和提高學員發現問題及解決問題的能力，同時掌握發現問題及解決問題的途徑。如以往在普通氣象學概論教學中教員會布置有關專業方面的課程論文，大部分學生結論浮在表面，本環節嘗試將學生按單位所在地或工作崗位分組，讓學生自行搜集普通氣象學在軍事裝備、業務工作和生活需求等方面的實際應用，并根據所學知識和查閱文獻凝練出科學問題以及提出針對性的解決辦法，這樣學以致用、用以促學的方式極大地調動學生的積極性，有效提升學員解決實際問題的能力。
四、結語
本文主要結合普通氣象學概論教學實踐，從教材內容、教學目標和學員的實際知識結構出發，提出了一種有效進行普通氣象學概論教學現代啟發式教學改革的思路。總體而言，在理科基礎教學過程中采用現代啟發式教學已經是大勢所趨，值得在各種不同的課程中去應用和實踐。另外現代啟發式教學需要耗費教員大量的創造性勞動以及對教師的要求較高，因此需要教員在日常教學工作中注重積累、不斷總結和逐步完善，特別是挖掘大氣科學中高影響敏感事件和前沿熱點問題，靈活運用到教學過程中，以取得更好的教學效果。
參考文獻：
現代意義的網絡指的是用通信線路和通信設備將分布在不同地點的多臺自治計算機系統互相連接起來，按照共同的網絡協議，共享硬件、軟件，最終實現資源共享的系統。校園氣象科普教育網絡是指專門用來進行氣象科普教育和開展氣象科技活動的現代網絡系統。該網絡的使用既是校園氣象科普教育一種與時俱進的嶄新手段，更是校園氣象科普教育進入現代化發展的一個標志。
1 校園氣象科普教育網絡的誕生與興起
現代意義的網絡萌芽于20世紀60年代，完善成熟于20世紀90年代。網絡的誕生是人類繼語言產生、文字發明、印刷術出現和無線電技術應用以后出現的人類信息傳播史上的第五次革命。它的意義在于為人類各種信息傳播提供最便捷、最迅速、最巨量的通道。這條信息傳播通道的誕生問世，為人類社會的政治、經濟、軍事、文化、科學等各領域的進步發展產生了非同凡響的作用與效益。
我國校園氣象科普教育有著悠久的歷史淵源，氣象站進入校園也有90多年的歷史。但在20世紀90年代前，我國校園所使用運轉的都是地面氣象人工觀測站。到了20世紀90年代中期，一種自動觀測無線傳輸的地面氣象自動觀測儀器進入氣象部門臺站使用，并建立了業務性自動觀測網。此后，我國便有學校將這種儀器引入校園，開展氣象科普教育和氣象科技活動，并組成校園氣象科普教育和氣象科技活動網絡。
1.1 GLOBE計劃在我國
1994年，當網絡剛剛興起的時候，該年4月22日，在全球范圍內發起了一個旨在“有益于環境的全球性觀測與學習計劃”（簡稱GLOBE計劃），該計劃的核心是參與學校通過一套專用的觀測設備，將當地所觀測到的氣溫、溫度、大氣壓、降水等氣象要素，直接通過Internet網絡，把數據發送到處理中心，為志愿者們對全球氣候的研究提供具體的數據。1996年4月22日，北京師范大學附屬實驗中學等四所學校率先加入該計劃，到2000年4月，我國已經有56所學校成為GLOBE計劃成員單位。GLOBE計劃，給我國校園氣象網絡科普吹來了一股清新的空氣。
1.2 臺北市校園氣象臺
飽受臺風暴雨等氣象災害侵襲的臺灣地區，受到GLOBE計劃的啟發，為了在中小學生中普及氣象科學知識，從小培養學生防災減災意識，探究掌握大氣變化規律，在臺北市教育局的統一籌劃下，于2003年12月在臺北市教育局所轄的60所中小學內統一安裝了地面氣象自動觀測儀器，并組成“臺北市校園氣象臺”。2006年7月，桃園市也有21所學校建立了校園自動氣象站，并與臺北市共同連接成“臺灣校園氣象網”。這些密集的自動站，組成嚴密的天氣監測網絡，記錄著臺北市長期的氣候變化，提供學校本位及在地性探索，并開展系列校園氣象科普教育和氣象科技活動，這是我國校園氣象科普教育網絡誕生之始。
1.3 香港聯校氣象網
2004年，我國香港地區的學校，由新界翁佑中學牽頭，組織了30多所中小學建立了校園氣象自動站。到了2007年，在香港天文臺和香港理工大學應用物理系的大力支持和幫助下，又發起創立了“社區天氣資訊網絡”的香港Co-WIN天氣網，參加成員有100多個。這是繼“臺灣校園氣象臺”后的第二張校園氣象科普教育網絡。
1.4 中小學校園氣象站
2005年10月，浙江省溫州市第十四中學任詠夏老師為探索校園氣象科普教育，前往香港天文臺和新界翁佑中學訪問學習，回來后籌備建立“校園氣象科普教育”網絡，并于2006年6月創建了“中小學校園氣象站”網站。2010年，“中小學校園氣象站”網遷址到浙江省岱山縣秀山小學，由該校的網絡管理員兼校園氣象科普教育輔導員邱良川老師負責硬件的管理和信息維護。網站運轉數年，每年都有數萬點擊率。這是我國第一個也是唯一由個人出資建立的一個校園氣象科普教育網絡。
1.5 北京氣象科普網
2007年年初，由北京市氣象局牽頭，在北京市海淀區8所中小學安裝了校園氣象自動站，后來逐漸擴展到十幾所學校，并依照臺灣、香港的模式把這些自動站的數據統一傳輸到“北京氣象科普網”上，這是我國內地形成的第一個校園氣象網。
1.6 岱山校園氣象信息網
2007年年底，浙江省岱山縣秀山小學紅領巾氣象站增添了一套氣象自動站。自動站可以收集十多個氣象要素，這些數據通過“校園氣象信息網”同步傳送到網上，為全校師生及其他氣象愛好者研究氣象提供了準確翔實的氣象數據。
1.7 無錫校園氣象網
2009年，江蘇省無錫市教育局電化教育館在創建“感知生長”和“感知中國”傳感網絡的同時，為了便于探究植物生長與氣象條件的關系，在全市20多所中小學安裝了氣象自動站，并把各校的氣象數據集中發送到“果實網”上供大家分享。
1.8 校園氣象網
2011年7月，中國氣象局公共服務中心為推進全國校園氣象科普教育的進一步發展，為全國中小學的氣象科普教育提供平臺創設窗口，創辦了“校園氣象網”。這是我國第一個由國家政府部門設立的全國性的校園氣象科普教育網絡。
1.9 中小學校園氣象網
2012年5月，浙江省氣象學會為推動全省校園氣象科普教育的迅速發展，以邱良川老師管理的“中小學校園氣象站”為基礎，改名為“中小學校園氣象網”，作為于該月成立的“浙江省氣象學會校園氣象協會”的公網。這是我國首家省級單位政府部門設立的校園氣象科普教育網絡。
2 校園氣象科普教育網絡的分類與作用
我國迅速發展起來的校園氣象科普教育網絡，就功能而言，大致可以分為觀測、科普等各種不同類型，在校園氣象科普教育中能夠發揮各種不同的作用。
2.1 校園氣象觀測網
校園氣象觀測網是由數臺自動氣象觀測儀器與上位計算機鏈接而成的網絡。該網主要由具備自動氣象儀器的學校，把自動氣象站得到的氣象要素，通過計算機的處理，并運用軟件把數據通過記錄、輸送、存儲、統計、整理等功能，實時地在網站上顯示，它可以為課堂教學、科學探究、科技活動以及學習研究提供歷史或實時測量數據。它的作用就是為成員單位存儲和整理教學與科技活動所需要的歷史氣象要素數據和實時觀測資料，如“臺灣校園氣象臺”和香港“社區天氣資訊網絡”等，都具有這種功能作用。
2.2 校園氣象科普教育網
校園氣象科普教育網是一個獨立的校園氣象科普教育載體與平臺。其不具備觀測、記錄氣象要素的功能，但可將氣象科普教育內容，展示在無限的空間，任意地方的任何一臺計算機都可以翻開它的書頁，瀏覽它的內容資料。它不但有常見的文字資料，還有圖片、視頻等多種媒體信息。它的作用就是為從事校園氣象科普教育的單位提供最新信息和深度探究的結果，交流各學校在校園氣象科普領域所開展的經驗與方法，如“校園氣象網”“中小學校園氣象網”等。
2.3 校園氣象科普欄目
校園氣象科普欄目是某學校或教育機構開辟在自己單位網頁上的一個窗口。內記載本校或本單位氣象科普教育的總體態勢，目的是宣傳、彰顯本單位的發展狀況和成績，同時可以展示交流學校的教育成果和學生的科技作品，如浙江省岱山縣秀山小學的校園氣象信息網。
3 校園氣象科普教育網絡的發展思路
校園氣象科普教育網絡在校園氣象科普教育發揮著不可替代的作用。
首先，相對于傳統的平面媒體來說，網絡科普的一大特點是它的時效性。它沒有地域和時間的限制，可以把即時發生的事件通過網絡的，迅速傳遞到世界各地。特別是關系到人們生活與生命財產的氣象災害性事件，人們可以通過網絡氣象信息站，隨時了解當地乃至世界各地的天氣情況，便于及時地安排工作與生活。在災害性天氣即將發生時，可以迅速作出應對措施。
目前我國的這種自動氣象站分布還不平衡，人們對解讀天氣網站中氣象信息的能力還有所局限，這就需要我們在這方面有所投入，加大氣象科學技術普及的力度和速度。
其次，網絡科普的另一個特點是傳播的廣泛性。據官方不完全統計，到2012年年底，我國現有網民5.64億，其數量可以與電視觀眾相媲美，而網絡信息涵蓋量卻是電視節目無法比擬的。特別是青少年人群的上網比例又遠遠高于普通的人群，而校園氣象的科普又集中在青少年這一人群中。綜上所述，我國現階段的校園氣象網絡還遠未達到普及。大力發展校園氣象科普宣傳的網站，讓廣大在校的青少年學生更多地了解氣象知識，宣傳和推廣氣象知識，還有待于有關部門進一步去開拓發展。
其三，網絡科普有別于其他科普手段的最明顯特點是互動參與。而這一特點也正好符合了當代廣大青少年不愿意被動接受外來的信息、勇于個性張揚、積極表現的生理特征。通過網絡的反饋和雙邊互動，能夠及時地了解和掌握氣象科普的成績與效果。但目前具有互動功能的，能夠舉辦參與性的知識競賽、征文比賽、網絡調查類的網站很少。如果能夠增加一部分參與性、互動性強的網站，無疑會取得更好的效果。
4 結束語
縱觀我國校園氣象站，其有著悠久的歷史。網絡氣象站與時俱進，跟上了歷史的潮流，在宣傳和普及校園氣象知識方面邁出了可喜的一步。但目前所做的還僅僅是開始，發展的步子還不平衡，普及的面也還很不夠，形式也不夠豐富。這也給以后的工作留下了一個發展的空間，有待于我們去進一步努力填補。
參考文獻
[1]任詠夏.淺談校園氣象科普平臺的構建[C]//中國科普理論與實踐探索：公民科學素質建設論壇暨第十八屆全國科普理論研討會論文集.2011.
[2]董松喬.你也可以是氣象權威：校園氣象臺與探究式學習[J].網絡科技時代，2008（5）：72-75.
根據教育部統計公報，民辦高校在校生數已占到全部高校在校生總數的21.9%，比重超?^了[1]，說明近20年來民辦高校為國家經濟和社會發展做出了重要貢獻。2010年國家教育部頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）》中對民辦教育給予充分肯定，指出“民辦教育是教育事業發展重要的增長點和促進教育改革的重要力量，各級政府要把發展民辦教育作為重要的工作職責”。由此可見，民辦教育在我國教育事業發展中的重要地位得到了肯定。但是目前從整個高等教育層面分析，民辦高等教育已進入轉型期，正在進入由規模擴張向內涵發展方式轉型的過渡階段。在這個關鍵的轉型時期，我們必須認識到有許多問題亟待解決。特別是目前對民辦高校實踐教學中存在的問題認識不足、措施不力，還是沿襲原有掛靠高校的辦學模式、教學大綱及人才培養方案，沒有突出民辦高校的特色，更缺乏創新培養模式[2，3]。在這方面，許多公辦高校探索以培養實踐能力為主線，構建新的實踐教學體系。如李子軍等提出的構建研究型人才學“四主線二層次”實踐教學體系；倪師軍等提出的“基于三大平臺培養大學生三種能力”的分層次的實踐教學體系；楊志平等提出的構建從“專業基礎―專業―綜合―創新”分層次、模塊化的實踐教學體系；李保云等構建了植物生產類“三層次、模塊化”實驗實踐教學體系，均旨在培養學生的實踐能力和創新能力，以適應未來社會發展對人才能力的需求。目前，民辦高校在這方面的探索較少。為此，我們以園藝專業為例，提出了實驗課、教學實習、實踐課、實訓課、畢業實習和創業教育“六位一體”的實踐教學模式，對專業實踐教學內容、方式方法和保障體系的設計與實施等方面進行了有益的探索，提高了應用技術型園藝專業人才的培養質量。
一、民辦高校園藝專業本科人才培養規格與定位
民辦高校園藝專業培養德智體美全面發展，具備較完整的現代生物科學知識體系、較寬厚的園藝基本知識，掌握較熟練的基本技能，具有較強實踐能力和創新精神，能在果樹園藝、蔬菜園藝、觀賞園藝、設施園藝等方向領域從事現代園藝技術推廣、產業開發、經營管理及教學和科研等方面工作的園藝專業的高素質應用技術型人才。園藝專業注重“厚基礎、重實踐、寬口徑”的應用型人才培養，主要培養具有基本知識和理論、熟練的基本技能、較強實踐能力和創新精神的高素質園藝應用型人才。本專業的學生主要學習園藝學的基本理論、基本知識，接受園藝植物生產全過程、管理和科研方面的基本訓練，掌握園藝植物生產、技術開發和推廣、園藝企業經營管理方面的基本技能和從事相關專業領域工作的適應能力。畢業生應達到以下要求：
1.知識要求：熟悉農業生產、農村工作和與園藝生產相關的政策和法規；掌握植物學、植物生理學、植物生態學、植物遺傳學、園藝學的基本理論和基本知識。
2.能力要求：掌握園藝場規劃設計、園藝植物栽培、品種選育和良種繁育、病蟲害防治、園藝產品貯藏加工等方面的技能；掌握科技文獻檢索、資料查詢的基本方法，了解園藝生產和科學技術的發展趨勢，具有較強的調查研究與決策、表達能力、科技創新能力和計算機應用能力；熟練掌握一門外語，能順利閱讀本專業的外文書刊。
3.素質要求：掌握科學鍛煉身體的基本技能，達到國家規定的大學生體育和軍事訓練合格標準，具有健全的心理和健康的體魄。
4.主干學科與核心課程：主干學科為園藝學，核心課程有蔬菜栽培學總論、蔬菜栽培學各論、果樹栽培學總論、果樹栽培學各論、觀賞園藝學、設施園藝學、果蔬貯藏加工學、園藝植物育種學、園藝植物病理學、園藝植物昆蟲學。
5.課程結構及學分比例：課程結構及學分比例見表1。實踐教學總學時為1348學時，占總學時的比例為48%。
二、“六位一體”實踐教學體系的構建
（一）構建實踐教學體系
園藝專業實踐教學的總體目標是通過專業實踐使學生掌握園藝作物的種類與分類、生長發育與調控、園區規劃與管理、良種繁育與選種育種、設施栽培、采后處理、果園、菜園年工作歷的制定等生產全過程，了解市場營銷方面的初步知識。摒棄“黑板上種蔬菜、栽果樹”的理論講授，構建園藝專業“六位一體”實踐教學體系（圖1）。
園藝專業實踐教學體系由課程實踐體系、綜合實訓體系和畢業實踐體系構成，重點體現在六個方面（六位一體），在時間跨度上大致是由低年級（1―2年級）向高年級（3―4年級）伸延，在實踐的深度、廣度和實際應用范圍上也是由簡單向復雜、綜合發展，逐步形成由淺入深、由室內分析驗證到生產實際應用，具有梯形結構的實踐教學體系。
（二）課程實踐體系的特點
1.課程實驗中基礎課實驗有基礎化學實驗、計算機應用基礎實驗、植物學實驗、化學實驗等，在第1―3學期開設；專業基礎課實驗，有生化及分子生物學實驗、農業氣象學實驗、植物生理學實驗、農業微生物實驗、遺傳學實驗和土壤肥料學實驗，在第3―5學期開出；專業實驗如園藝植物昆蟲學、園藝植物病理學、生物統計及田間試驗設計、園藝植物栽培學、園藝植物育種學、果蔬貯藏加工等課程的實驗在第5―7學期開設；其他如設施農業、果樹和蔬菜3個方向選修課則分別在第6―7學用開設。基礎課實驗主要是進行分析測試、以驗證理論，掌握試驗研究的基礎知識和方法；專業基礎和專業課實驗的任務則是配合專業課，解決理論教學中的實踐性問題，并逐步為綜合運用奠定基礎。
2.教?W實習包括植物學、農業氣象學、土壤肥料學、園藝植物昆蟲學和園藝植物病理學教學實習，在第2―5學期執行。集中在校內完成理論和實踐課中季節性強的實習內容和參觀調查，如進行病蟲害情況調查、農業氣象觀測、園藝作物種類識別、物候期觀察和教學標本制作。
3.園藝專業實踐課是結合園藝作物生產特點而設置的一門實踐技術課，集園藝學基本原理、基本知識與實踐操作于一體，強調動手能力的培養。總學時240，在第3―7學期開出，內容包括果樹、蔬菜、設施園藝的生產與經營，課程綜合了基本技能和各項操作技術，三者有機融合，組成園藝作物生產基本技能的主體。
（三）生產實踐體系的特點
生產實踐體系包括實訓課和實踐課（包括社會實踐）。實訓課從大二開始每個學期80學時；實踐課在第4―7學期進行，每個學期64學時。根據蔬菜、果樹的生產季節安排學生在校內基地從事園藝作物的生產管理，對周邊地區園藝作物的生產狀況進行調查，參觀科研、生產基地，開展園藝產品市場調查和分析。通過訓練，較系統地掌握生產管理技術。
社會實踐一般安排在2―3年級，主要是利用假期結合農村園藝作物的生產實際開展社會調查和科技咨詢，應用所學理論知識和技術指導生產，解答園藝生產者提出的技術問題，了解農業發展和對專業技術的需求。
（四）畢業實踐體系的特點
包括畢業實習和創業教育，安排在第6―8學期，根據社會對人才的需求特點，因人而異，力求畢業論文與經濟建設和農村實際相結合，分類開展科學研究、生產實踐調查總結、專題調查和示范推廣。畢業實習在第8學期進行，時間8周，安排學生到科研單位從事試驗研究，去生產基地從事實地生產和科技推廣應用，熟悉園藝作物生產、采后處理、貯運加工和上市流通全過程，對學生進行全方位的強化訓練，努力提高畢業學生綜合運用的能力。
畢業論文要求全員進行，畢業實踐則一部分到招聘單位鍛煉，另一部分進入生產管理環節，實行“模擬承包制”，給學生分地塊，讓其自己種地、施肥和栽樹，自己管理，明確責任和義務，承包到人、到組，放手讓學生參與生產、管理和經營決策。按農業產業的特點，劃分為三個模塊，學生以其中一個模塊為實習的主要內容，兼顧其他一個或兩個。三個體系之間相互銜接，彼此協調；在時間跨度上由低年級向高年級延伸，在深度和廣度上由簡單向復雜，綜合發展具有梯形結構的實踐教學體系。
三、實踐教學的層次性（階段性）
第一層次（增強感性認識階段）：主要采取直觀的教學方法組織教學，學生一進校就接觸專業。內容上安排種類識別、基本農事操作，使其了解農作物的種類、生長發育過程、生產用具、園藝設施和園藝植物的生產過程。
第二層次（培養基本技能階段）：在2―3年級采用教師示范和學生反復訓練某些項目（如蔬菜的育苗、果樹的嫁接與修剪等）相結合的方法組織教學，重點是提高學生的技能，對難度較大的關鍵技術，如果樹整形修剪、蔬菜育苗、日光溫室等設施的設計與建造、花期調控、果樹施肥技術、花卉的插花藝術等給予示范教學，然后讓學生反復訓練，做到既有示范又重訓練。
關鍵詞：靜止衛星；水利；應用；水文水資源監測；災害監測；水利通信
中圖分類號：TP79；TV21文獻標識碼：A文章編號：1672-1683（2013）04-0134-06
地球靜止軌道衛星（以下簡稱靜止衛星）位于地球赤道上空距地面約36 000 km，軌道平面與赤道平面夾角為零，并且繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相同，故相對于地面靜止。由于靜止衛星與地球自轉的同步性，衛星可以實現連續對地觀測，在氣象、通信、軍事、農業、林業等行業都有較廣泛的應用，特別是在氣象和通信領域，已成為不可或缺的監測和數據獲取工具和平臺。
水利行業中許多領域都存在對靜止衛星的應用需求，如水資源日常監測、突發事件應急監測、災害監測預警等，但總體上對靜止衛星的應用仍處于起步階段，多局限于氣象預報產品應用等方面，應用范圍有待進一步拓寬，應用程度有待進一步深入[1]。
本文通過對現有靜止衛星主要參數和特點的歸納，以及對國內外靜止衛星水利應用的調研和分析，基于靜止衛星在我國水利行業的應用現狀，提出未來我國靜止衛星水利應用前景的設想和展望。
1國內外水利相關靜止衛星發展狀況
國外水利相關靜止衛星發展較早。1975年，美國率先實現了人類首顆靜止氣象衛星GEOS-1業務運行；1977年，日本第一顆靜止氣象衛星GMS-1發射；1978年，歐空局的Meteosat靜止氣象衛星首次實現了水汽通道圖像傳輸；1982年，印度第一代INSAT衛星發射，集通信、廣播和氣象探測于一身。
目前，美國的GEOS系列已經發展到了第四代，擁有更穩定的平臺，支持更新的成像儀、空間環境探測器（SEM）、垂直探測器和太陽X射線成像儀（SXI）。新一代的GOES-R系列也已提上日程，預計于2014年實現業務運行，將搭載先進的基線成像儀（ABI）和超光譜環境監測儀（HES），性能將大幅提升，在同步衛星監測領域繼續保持領先優勢。
日本的MTSAT-2和MTSAT-1R雙星在軌運行，互為備份，較上一代GMS-5的自旋穩定姿態控制不同，MTSAT采用三軸穩定方式，成像時間短、圖像信噪比、靈敏度高。
歐盟第二代靜止氣象衛星MSG-2替代了上一代Meteosat，雖然仍采用自旋穩定方式，但在傳感器通道數、空間分辨率、圓盤成像時間和量化級數上有了很大提高。MSG-3已于2012年7月發射，第三代靜止氣象衛星（MTG）將會在成像精度上和數據傳輸速率上有大輻改進，首顆衛星將于2018年開始服役。
俄羅斯在軌靜止衛星二代GOMS-N2和印度在軌靜止衛星INSAT-3D都采用先進的多通道掃描成像儀，擁有各自的特點。
我國水利相關靜止衛星發展起步較晚。1997年6月10日，我國第一顆靜止氣象衛星FY-2A正式投入使用，2004年10月FY-2C發射成功，實現業務化運行，比美國晚了整整29年，總體水平也只相當于美國20世紀90年代初的水平，據估計這樣的差距可能在風云四號才能趕上。不過風云二號也有很多自己的特色，尤其在圖像定位配準方面已經達到了世界先進水平。2006年12月，FY-2D靜止氣象衛星發射成功，與FY-2C星實現了雙星備份，主汛期每天每15分鐘可提供一張圖像。2008年12月，FY-2E星接替已經超期服役的FY-2C星繼續運行。這三顆星均采用自旋穩定的姿態控制方式，搭載5通道掃描成像儀和空間環境探測儀，但是和發達國家相比，還是有一定的差距。表1是各國靜止氣象衛星搭載主要荷載對比。
2.1靜止衛星在水利行業的可用性分析
2.1.1水利相關應用參數分析
隨著水利現代化的不斷深入，傳統水利監測手段已經無法滿足需求。在水資源監測方面，傳統水文監測只采集站點數據，且水文站網密度有限，展布到面后精度有一定不確定性。水旱災害監測也距實時、持續監測與預警的業務需求有一定差距。傳統水質監測能力也落后于管理需求，指標不夠全面，站點密度不夠，快速機動監測能力差，突發性水污染預警系統不夠完善。
極軌等高空間分辨率遙感衛星重訪周期長，幅寬窄，可能在區域性單次監測上精度較高，但在大尺度動態監測方面較為薄弱。靜止衛星可每30 min獲取一次影像，尺度可覆蓋全球，并且新一代靜止衛星多配置高分辨率多通道傳感器，將為水利業務監測提供多指標、真實可靠的實時監測數據，大幅提高日常管理和應急能力。
從GEOS-1只搭載單臺掃描成像儀，提供單一氣象資料，到如今搭載多種高分辨率空間探測器，并依托各國靜止氣象衛星建立起的全球靜止氣象衛星觀測系統，靜止衛星已實現為水文監測、重大水旱災害監測和實時水情數據傳輸提供動態數據和多種定量產品支持，表2是全球主要靜止氣象衛星的水利相關應用領域。除提供初級遙感信息外，靜止衛星還可提供多種定量產品，為水利行業提供更深入、針對性強的業務應用產品，表3是我國FY-2C衛星提供的水利相關定量產品。此外，靜止衛星還為水利部門提供相關數據轉發和衛星通信系統網絡支持，20世紀90年代，我國水利部就購買了亞洲二號半個轉發器，并以此為依托建立了水利衛星通信系統。另外，靜止衛星移動通信系統和全球導航系統也可應用于水利行業。靜止衛星移動通信系統主要有全球覆蓋的國際海事衛星（Inmarsat）通信系統和區域覆蓋北美的移動衛星（MSAT）通信系統、亞洲蜂窩衛星（ACeS）通信系統、瑟拉亞（Thuraya）衛星通信系統等。比較成熟的衛星導航系統有美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的GLONASS和我國自行研制開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統（CNSS），即北斗衛星導航系統。目前，為我國水利通信建設提供服務的靜止衛星系統主要是Inmarsat-C海事衛星系統和北斗衛星導航系統。
相對于傳統地面觀測和其它衛星在水利中的應用，靜止軌道衛星的主要優勢在于可以高時間分辨率探測信息，有效的動態跟蹤和監測大尺度系統的形成、發展及演變規律。一顆靜止軌道氣象衛星每30 min就能獲得近地球的氣象圖片資料，對水資源運行調度管理實時監測、水旱災害監測，洪水、暴雨和突發水污染事故應急監測以及水情數據轉發具有突出的能力。因此，靜止衛星在水利方面的應用有著廣闊的前景。
在水資源監測方面，傳統水文監測只采集站點的數據，擴展到面后精度不高，且許多地區水文站網密度不夠，甚至還存在無監測地區，降水、徑流監測和預報等技術手段尚不能完全不能滿足水資源評價、規劃與管理等方面的需求，而極軌等高空間分辨率遙感衛星由于重訪周期過長，幅寬較窄，可能在區域性水資源監測精度較高，但對于大尺度動態水資源監測方面較為薄弱。在水資源管理方面，由于人工側支循環，使得流域水資源的分配和轉換關系異常復雜，分配層次多，流域降水和徑流變化趨勢不同步，降雨徑流預報和水資源趨勢預測依然是世界級難題，滿足不了流域水資源配置和調度管理的需要。靜止軌道衛星每30 min就能獲得水文監測資料，尺度可覆蓋全球，相信配備高空間分辨率傳感器的靜止軌道衛星會在全球水資源領域有更深入的應用。
在水旱災害遙感監測方面的，我國雖已開展多年，但距實時、持續監測與預警的行業需求還有一定的差距。高分辨率的靜止軌道衛星數據，進一步提高業務化程度，以形成一套完整的水旱災害遙感監測產品。
2.2在水文水資源監測中的應用進展
2.2.1降水監測
降水是水文循環中的基本環節，在水資源評價、管理、水循環模擬等方面都有著大量的數據需求。從1978年美國人L.E.Spayd Jr.和R.A.Scofield[12]第一次基于GOES數據提出估算熱帶氣旋降雨量方法并業務化應用以來，不論是在理論還是手段上，基于靜止衛星的降水監測技術都已相當成熟，方法呈現多樣化。美國NOAA的NESDIS 發展了利用GEOS紅外資料估算降水量的系統并于1997年投入業務運用[13]，我國水利部信息中心也使用云分類方法對GMS衛星數字云圖估算面雨量[14]，張云惠、史可傳[15]基于GMS衛星云圖對哈密地區降雨進行估算，徐亮等[16] 基于靜止衛星氣象數字化產品采用多元決策加權法估算降雨，熊秋芬[17]提出了基于GMS衛星4通道資料的人工神經網絡技術估算降雨的方法，并進行了實例驗證。
為了彌補靜止衛星空間分辨率的不足和發揮其高時間采樣頻率的優勢，靜止衛星降水監測主要采用多種傳感器聯合監測的方法。現在水利行業應用較廣的全球降水監測數據集——全球衛星降水制圖（GSMaP） 和 GPCP就是多種傳感器聯合監測的成果。GSMaP 數據集采用的GEOS衛星的可見光/紅外數據，空間分辨率為0.03635°（在赤道上相當于 4 km） ，時間分辨率約為30分鐘，覆蓋區域為60°N ～ 60°S，在海洋上的監測效果最好，在高山上的表現最差。在陸地和海岸帶地區，GSMaP 數據難于識別強降水，同時低估強度大于10 mm/h 的降水。GPCP數據集主要數據源是GOES、GMS、Meteosat衛星，逐月、逐日和每5日降水分析資料空間分辨率分別為2.5°、1°和2.5°。
2.2.2土壤含水量與蒸散發監測
土壤含水量與蒸散發監測是水資源評價、管理中的重要一環，獲取實時連續監測數據是做好實時調度和管理工作的必要保障。靜止氣象衛星的紅外掃描輻射計在土壤墑情、溫度、溫度和植被監測方面均有所應用。趙長森等[18]提出了基于靜止衛星的陸面區域蒸散模型，并采用FY-2C數據對淮河流域蚌埠以上農業區進行了多時間尺度的區域耗水模擬，開創了利用靜止衛星模型模擬區域耗水的先河。裴浩等[19]借鑒極軌氣象衛星監測植被和土壤墑情的研究成果，采用GMS的多通道數據監測土壤墑情和植被指數。楊曉春[20]利用FY-2數據對土壤濕度進行模擬，并在多年干旱監測中得到了應用。
為了彌補靜止衛星在空間分辨率上的不足，舒云巧等[21]提出利用FY-2C結合MODIS產品估算河北灌溉農田實際蒸散量的方法，利用靜止衛星時間分辨率強的優勢，提高了遙感監測的質量。由于靜止衛星的紅外傳感器空間分辨率往往都是千米級的，因此，比較適于大、中區域尺度高時間分辨率的地表參數反演。張霄羽和王嬌[29]利用風云二號靜止氣象衛星數據，提出了多時相熱紅外/可見光反演地表水分的算法，在中尺度區域上定量化土壤表面含水量，并在中國西北地區進行應用，獲得了5 km×5 km空間尺度的日均土壤含水量，并且與先進的AMSR土壤水分產品相比，均方根誤差為0.025 g/cm3，最大估算誤差在0.07 g/cm3以內。這一研究為中尺度高時間分辨率土壤含水量產品的獲取提出了一種思路。
2.2.3冰雪監測
冰雪融量的計算是水文學上的一個重要問題，靜止衛星也在大尺度連續動態觀測冰雪上很有優勢，但由于空間分辨率較低，目前還處于初探階段。裴浩等[19]嘗試利用GMS可見光通道探測冰雪分布并取得了較好的精度。中國科學院冰川所利用氣象衛星云圖來計算雪被覆蓋的范圍、厚度、冰雪融量，并追索其連續演變，進行了祁連山冰川水文學的研究。
2.3在水旱災害監測中的應用進展
2.3.1洪災監測
靜止氣象衛星在全天候洪水監測和汛期降雨預報方面均有應用，是防洪減災輔助決策的重要信息來源。中國氣象局國家衛星氣象中心從20世紀80年代中期開展提供氣象衛星監測洪澇災害的科研服務，曾成功對1991年江淮大水、1996年華北水災以及1998年長江洪水等重大洪澇災害進行了監測[19]。王慶齋等[23]也根據GMS-5靜止氣象衛星數字化衛星云圖曲灰度分布，建立云頂溫度與地面實測降水關系曲線，實現對黃河流域汛期降水的預報。
2.3.2旱災監測
靜止氣象衛星監測旱情問題，已引起國內外學者的關注，并進行了一些研究嘗試。張元元[24]利用FY-2/VISSR數據生成PRETA干旱指數產品，應用于全國范圍的旱情連續監測，與極軌衛星同類產品相比，在監測范圍和頻次上都具有明顯的優勢，很好地反映了2009年秋季至2010年春季西南大旱的旱情時空變化。姬菊枝等[25]利用風云二號衛星并結合NOAA的數據用熱慣量法估計了2003年哈爾濱春季干旱受災情況，提出了防治措施。
2.3.3冰雪災害監測
靜止氣象衛星在重大冰雪災害也有一些應用。朱小祥等[26]利用FY-2C、D星結合modis數據在2008年南方雪災中向有關部門提供降雪天氣預報、受災區積雪覆蓋范圍等方面的遙感監測信息。
2.4在國內水利通信中的應用進展
靜止衛星在水利行業中的應用除包含靜止氣象衛星提供水利相關應用的直接產品外，還承擔著轉發水情數據、進行水利通信的任務。1991年，北京海事衛星通信系統（Inmarsat-C）地面站正式運行，開始承擔起用戶、衛星與移動終端之間水情數據轉發的任務，使得水情測報系統不受距離和下墊面條件的限制。我國自主研發的北斗導航系統也為水情部分流域的水情測報系統提供服務，承擔著部分水利衛星通信任務，具有覆蓋范圍廣、傳輸數據量大和成本低的優勢。此外，我國從1976年開始投資水利通信網。1994年，水利部一次性購買了亞洲二號的半個Ku波段轉發器，建設水利通信系統，經過十多年的努力，建立了以語音、數據、圖像為媒介的水利通信網。2008年，亞洲二號退役，水利部又租用亞洲五號Ku波段轉發器和亞太六號C波段轉發器，實現混網組合，組建了新一代的水利通信系統，并于2010年投入使用，提高了抗雨衰能力，EIRP和G/T指數值在邊遠地區比前代提高了16倍，增強了發射和接收能力。新系統集圖像、數據、語音和應急通信業務為一體，采用新型的DVB-S2通信體制，加大傳輸帶寬，充分提高衛星信號傳輸能力，滿足了防汛、抗旱衛星通信需求，有效保證了水利通信系統的業務應用。
3存在問題與展望
靜止衛星自身雖然有覆蓋范圍廣、成像周期短、資料來源均勻、連續、實時性強、成本低等先天性優勢，但犧牲了傳感器精度、荷載和傳輸速率等條件，造成業務應用面窄和深化程度不夠的問題。因此，靜止衛星在水利行業得到廣泛應用還需要解決以下幾個問題。
（1）提高衛星穩定性，保證監測數據的持續穩定獲取。我國的FY-2號還采用自旋穩定姿態控制方式，衛星運行穩定性差，數據噪點多，難以實時穩定更新，改進靜止衛星姿態控制方式，提高傳感器靈敏度和穩定性，是保證監測數據高質量持續穩定傳輸的有效手段。
（2）提高傳感器性能，滿足行業應用精度要求，深化業務應用。目前水利行業采用的靜止衛星數據源大多空間分辨率和光譜分辨率較低，離行業應用的精度要求尚有一定距離，另外，有效荷載種類過少，監測范圍不足，相關應用領域較窄，需加大高軌、高分辨率傳感器的研發投入，深化業務應用，在保證靜止衛星同步、大尺度觀測特性的同時，開展新型傳感器的研究，擴展監測領域，進行精細化研究，提高傳感器觀測精度，保證行業應用的可靠性。
（3）做好與傳統地面監測數據的協同應用。不管是單一靜止衛星遙感監測數據，還是傳統地面監測數據，都在反應真實水利應用狀況時存在優缺點，做好和地面觀測數據同化處理，實現與傳統地面觀測技術的結合應用，才能提供更加全面、真實、精確地監測數據。
（4）做好與高空間分辨率數據源的同化應用。靜止衛星可提供全天候、大尺度的遙感監測資料，但不足之處是空間分辨率較低，數據精度有限，做好靜止衛星數據與高空間分辨率遙感衛星數據的協同應用，是保證數據精度的發展方向之一。
目前，靜止衛星在水利方面的應用還僅限于一些氣象水文信息、水旱災害的初級監測和水情的轉發，像水土流失、水環境狀況、灌溉面積監測、水利工程監測等更多水利信息的獲取應用還不深入，并且由于應用理論水平的限制，也不能完全滿足業務需求。但是，在高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率為代表的新型傳感器的研發和高穩定姿態控制技術的發展下，隨著數據傳輸能力的提高、地面數據處理技術的發展，靜止衛星數據與傳統監測數據和高空間分辨率數據的同化技術的深入研究，靜止衛星數據的應用水平將不斷提高。近期，依托高分辨率對地觀測系統重大專項，我國將發射一顆高空間分辨率的光學靜止衛星，將在衛星姿態控制和傳感器物理指標上有重大突破，會大幅提升靜止衛星的空間監測能力，為地表水體變化、水利工程運行狀態監測、農作物長勢監測以及水旱災害監測與預警、突發水污染事件和其他突發災害應急監測提供更加全面的監測數據，相信會更加深化靜止衛星數據在水利行業的應用水平。
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1、引言
隨著經濟和科技的發展，各學科之間的聯系越來越緊密，尤其是“3+綜合”高考改革的出臺，在綜合考試中，一改以往各科單獨學習，單獨考試的方式。著重考核學生綜合知識的掌握和運用能力，這就要求廣大師生不僅要學好各科的知識，還要十分注重各學科之間的滲透。
就目前各中學的情形來看，由于地理多年被當作“副科”，致使地理教師上課缺乏積極性，上課形式，內容，枯燥單一，學生有在地理課中打磕睡，做其它科作業，甚至逃學等現象發生。在全國高師地理系中也有許多同學沒認真學好專業知識，或者沒學好多學科滲透的知識，以致將來走上崗位時，知識儲備不夠，不能靈活運用各科的知識滲透進地理課堂中。本文通過分析新課程體系下，地理學科在“綜合”科中的地位及美國教材多學科滲透的狀況，并著眼于從三個方面論述地理教學中的多學科滲透教學，希望能對高師地理系學生及中學師生有所幫助。
2、地理學科在“綜合科目”中的地位及美國教材分析。
地理學科綜合性和區域性的特點，使之容易成為無論采用哪一種綜合形式考試試題的題眼。地理中的自然部分易于與理科綜合，人文部分則便于與文科綜合，而大綜合就更利于地理學科發揮優勢。如全球政治、經濟、軍事等方面的熱點現象與問題，可以使政、史地3科有機地結合起來；資源開發，環境污染與治理保護，可以使理、化、生、地各科巧妙融合在一起；以區域為單位的事物與現象的剖析，則使文理科的融合和滲透變得更加便利。在1998年和1999年教育部對部分省、市招收保送生綜合能力測試題中，地理知識的分數比重占全卷總分的一半以上。地理學科在“綜合科目”中的地位由此可見一斑。[1]
同中國教材相比，美國教材更注重多學科滲透。美國教材在溫度和密度這一節中講述了液體的密度（學科內滲透浮力，學科間滲透海水的對流——海洋學）氣體的密度（學科內滲透浮力的應用——熱氣球，學科間滲透大氣環流——氣象學），固體的密度（學科內滲透熱脹冷縮，學科內滲透地殼運動——地震、造山，火山——地質學，地球物理學）這種滲透用密度這根主線貫穿其中，有條不紊。這就像一根神經上伸出無數未梢，無論觸動了哪根未梢都會引起反應。可見，在新形勢下，我們不僅要從教材予以改變，更要從地理教學中進行滲透，以提高未來學生的綜合素質，為現代化建設服務。
2、如何在地理教學中進行多學科滲透。
2.1充分利用地理課堂滲透各個學科。
課堂教學是實現教學意圖的主陣地，在向學生傳授知識，培養能力的同時，適時滲透各科知識，既可以調節課堂單一、枯燥的氣氛，又可以使同學們獲得更多的知識。
2.1.1在自然地理基礎知識教學中，注重各自然要素和自然系統與人類活動的聯系以及人類對它們的作用和影響，特別是不利的影響，讓學生明確消除這些不利影響的途徑和方法。[1]尤其要強調對各類要素和自然系統的保護措施，如在講解天氣和氣候的知識時，可恰當地引入溫室效應對人類的影響，并向學生講解幾種緩解的辦法。這種逆向教學的方式，更有利于知識的滲透。此外，地理上涉及的巖石風化，喀斯特地貌的形成，光化學煙霧的形成、臭氧層漏洞，光合作用等知識，與生物、化學有著較廣泛的聯系，在講解這些知識時要巧妙進行多學科滲透。
2.1.2 對于區域地理教學，應從區域環境條件，環境問題和區域經濟的發展與規劃等新的角度重新組織區域自然地理和區域人文地理的知識內容。同時，要精心設計教學過程，注重引導學生用已學的地理知識和原理正確評價一個國家或一個地區的環境狀況，人地關系、生產方式和經濟模式，特別要注意那些不符合可持續發展的生產模式和區域發展模式的評價和分析，引導學生針對問題和區域發展的條件，提出自己的可持續發展的思路和構想，以鍛煉學生實際應用知識的能力。這樣，無形中，學生綜合運用和處理知識的能力得到提高。此外，也可在區域地理教學中，適當滲透國防知識，如在學習“海洋環境保護和海洋權益”一節時學生通過學習了解到我國的一些海域存在著海域劃界和島嶼歸屬的矛盾和爭議。在南海，有一條歷史形成的斷續的傳統海疆線。在島嶼歸屬上，我國海洋權益面臨的挑戰更為嚴峻。比如南沙群島嶼已被一些國家大量侵占。由此，可使學生感到我國國防建設的緊迫性，也激發了學生強烈的愛國熱情。此外，地理上涉及到一些國家或地區的領土，領海的爭端，民族的矛盾，宗教的沖突，甚至國家的分裂等重大問題，與當時的政治，歷史背景都是分不開的，如科索沃問題等。
2.1.3對于人文地理中的資源、人口、工業，農業和城市等知識的教學，要引導學生樹立生新的資源觀，價值觀和發展觀。例如，講工業布局時，要讓學生認識：經濟增長不等于經濟發展；合理的工業布局應是經濟效益，生態效益和環境效益的綜合體現。而只顧眼前的，或只看到本地區，本行業的經濟效益，不作長遠和整體考慮的經濟行為不符合可持續發展要求地。[1]這樣多學科知識放在一起講，會改變以往上課單一的形象。
2.2抓住重大節日，不斷滲透多科知識。
2.2.1運用時事熱點信息滲透國防教育。
時事熱點信息時效性強，學生感興趣，也是高考“綜合科目”考試的“切入點”。如2000年浙蘇吉文科綜合測題涉及到中國加入WTO、中東問題、巴拿馬運河回歸等。因此，利用時事熱點信息滲透國防教育可起到一箭雙雕的作用。又如我國西部大開發，其近期目的在于促進西部地區的經濟發展，縮短東西差距。從長遠來看，有利于民族團結，有利于邊疆安全。因此，地理教師應充分利用時事熱點，巧妙滲透知識。
2.2.2抓住“地理節”，滲透各科知識。
如在“3.12植樹節”，“愛鳥周”、“4.22世界地球日”、“4.30世界無煙日”、“6.5世界環境日”、“6.25土地日”中，地理教師可組織學生以此為主題開展形式多樣的活動，不僅學生喜歡，而且也更容易使知識得到滲透。此外，還可充分利用寒暑期時間，開展社會調查活動。
2.3運用地理綜合實踐活動滲透多學科知識。
地理綜合實踐活動內容豐富，形式多樣，機動靈活。這些活動有學生的直接參與和親身的體驗，很容易激發學生的興趣，是進行多學科滲透的重要途徑。
2.3.1以研究性學習的方式開展地理綜合實踐活動。
“綜合實踐課”作為必修課已被列入教育部新頒布的《全日制普遍高中課程計劃（試驗）》中，這是我國基礎教育改革在課程結構上的重要突破。研究性學習作為課程是“綜合實踐課”的重要內容，更重要的是它將作為一種學習方式影響現行的中小學各科教育教學。研究性學習是指學生在教師的指導下，以類似于科學研究的方式去獲取知識和應用知識的一種學習方式。這種方式注重學生的親身體驗和直接參與，注重讓學生獲取直接經驗，注重培養學生實踐動手，發現問題、解決問題的能力。通過這種學習，學生從封閉的課堂走入開放的現實生活，從接受知識走向探究問題，從分科學習單一的學科知識走向綜合的應用所學的多學科知識。從研究性學習的特點看，它得適合開展地理綜合實踐活動。[2]實踐證明，學生對活動的興趣和極大的熱情是地理老師始料未及的，而學生在活動中所釋放出的巨大潛能更是讓教師驚嘆，活動中收到許多好的小論文和研究報告。研究性學生中學生是主體，但它的開展需要地理教師的指導。因此，高師地理系學生一定要認真學習，敢于挑重擔。
2.3.2組織形式多樣的學生興趣小組
依據學生不同年齡特點和已有知識構成的特點，可組織具有不同類型，各具特色的學生興趣小組，增大知識的構成量與滲透量。如天文興趣小組、氣象觀測小組，生物觀測小組、環保科技小發明和小創作組，利用板報、校刊等形式進行宣傳。學生根據自己的興趣選擇參加這些小組的活動，在活動中接受新知識。
結語：
總之，在新形勢下，廣大地理教師應充分利用地理教學的特點，不斷滲透新知識。同時應樹立以下思想：樹立素質教育思想、樹立以人為本的思想，樹立教育創新思想、樹立終生教育思想，樹立信息化教育思想，立足終生學習，不斷吸納新知識，多層次開發學生的各種能力，為中國教育改革出一份力。
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[關鍵詞]傳統兒童游戲；旅游價值；旅游開發策略；途徑
一、問題的提出
游戲，一般指游樂、玩耍等娛樂活動。游戲的英文有play、game或recreation等不同譯法，由此可見人們對游戲的理解各有不同。根據《辭海》的定義，游戲是以直接獲得為主要目的，且必須有主體參與互動的活動。在動物世界里，游戲是各種動物熟悉生存環境、彼此相互了解、習練競爭技能、進而獲得生存權利的一種增長本領的活動。在人類社會中，游戲一方面保留上述特質，另一方面也被人類賦予了多種形式和功能。傳統游戲對兒童身體機能的發展和心理健康(認知能力、道德品質、社會性發展、人格完善)具有重要的養成作用。但是新浪網2009年進行的一項面向家長的在線調查顯示10.4％的孩子每周游戲時間少于5小時，他們游戲方式排名前三位的是：看動漫23.6％，和家長去親子樂園玩17.1％，玩拼圖15.8％。可見我國兒童游戲正呈現室內化、親子化、桌面化特征，盡管游戲手段越來越“高科技”，但兒童活動時間越來越少、活動空間越來越小，游戲方式卻越來越孤獨，離大自然越來越遠，從中獲得的集體性、互體驗和快樂感越來越少。與此同時，一些傳統兒童游戲正在漸漸失傳、消亡。
近年在非物質文化遺產研究熱的同時，對其中傳統民間游戲的研究則相對冷淡。文獻檢索發現，近年圍繞游戲對于兒童成長意義研究在幼兒教育、小學教育和體育教育等領域探討較多，“玩耍是孩子的天性。適當的玩耍不僅有利于孩子的身心健康、大腦發育，還有利于有效地開展學習生活”，“傳統游戲對兒童身心的健康發展和健全人格的形成影響巨大”已成為共識。但關于傳統民間游戲及其保護性開發的研究卻較少，從旅游開發的視角探討傳統民間游戲傳承的研究則幾乎為空白。
筆者認為，傳統兒童游戲形成于一定的地理環境和歷史條件下，是社會發展的產物，是某個地區經濟發展特點、生產生活方式、民間信仰、教育觀念、審美習慣和社會風俗等文化特征的體現，是人類智慧的結晶，是記憶著歷史進程和民族文化的珍貴遺產，不能任其衰落下去。
二、傳統民間游戲與旅游
游戲與旅游均有一個“游”字。游的本意為優游、逍遙、無拘無束。游戲中的“游”強調游樂、嬉戲，旅游中的“游”則強調在異地旅行、游覽，但二者“游”的方式和目的卻是殊途同歸，即均是在閑暇時進行的，為了獲得快樂的休閑活動。可見游戲與旅游具有天然的聯系。
與其它非物質文化遺產相比，傳統民間游戲不僅具有原真性、本土性、活態性、可視性和地域性等共性，而且具有更好的觀賞性、參與性、趣味性和娛樂性，同時還具有文化內涵的豐富性。這說明傳統兒童游戲具備了旅游吸引物的基本特性。
國際上存在四大經典游戲理論：一是以德國詩人、哲學家席勒為代表的“剩余精力說”。認為游戲是“剩余生命的刺激”，并由此區分了不同的游戲形式：體質上的過剩主要導致體力上的游戲；審美上的過剩導致藝術的、戲劇的或象征性的游戲。二是拉扎勒斯的游戲“松弛說”。認為游戲源于能量不足而不是能量過剩。三是哲學家帕特里克的“娛樂理論”。認為游戲源于娛樂的需要。四是格羅斯的生活預備說，又稱“本能練習說”，是早期最全面、最龐大的游戲理論。認為兒童期的存在就是為了有機體能夠游戲，而游戲的存在是為了實踐成人的活動。他還指出，兒童的游戲隨發展而變化。首先是實驗性游戲，它包括感覺訓練游戲和運動訓練游戲。其次是社會性游戲，它包括玩打仗和追逐(打鬧性的游戲)，以及模仿的、社會的和家庭的游戲(戲劇性的游戲)。實驗性游戲的目的是幫助發展自我控制，社會性游戲為發展人際關系的目的服務。我國有史記載的游戲史可追溯至先秦時期，傳統的游戲理論側重于探求游戲的起源，主要有：生產勞動說、軍事戰爭說、社會風俗說、文化交流說等。它與國外的游戲理論相互補充，幫助我們認識了游戲的社會歷史的、生物學的和心理學的根源。上述理論的剩余生命刺激、松弛、娛樂、本能練習等游戲動機其實都反映在當代旅游動機中，并分別與旅游心理學中的補償動機、逃避動機、審美動機與求知動機大致對應。生產勞動、軍事戰爭、社會風俗、文化交流等起源又與鄉村旅游、懷舊旅游、民風民俗和文化體驗游具有千絲萬縷的聯系。
傳統民間游戲的傳承以往多通過口耳相傳、風俗習慣、節慶活動以及教育的形式進行，傳統旅游活動則多以觀光游覽為主，二者以往的結合并不緊密。隨著時代的進步，旅游日益成為一種跨越時空的綜合性的審美活動，旅游中的異域空間環境、集體活動情境有利于深化人們對傳統游戲中所蘊涵的文化背景的認知，游戲中的參與性、體驗性更是迎合了旅游者深度體驗、注重參與和交流的需求。
因此，在上述旅游動機與傳統民間游戲所蘊含著的旅游吸引力之間建立橋梁，將傳統民間游戲中的旅游資源轉化為旅游產品，當是旅游保護性開發的主要任務。
三、傳統兒童游戲的基本類型
傳統兒童游戲有許多種類，具體名稱、內容、方式因游戲者的民族、年齡以及所處的地理環境和時代不同有所差異。較常見的有烏丙安先生的四分法：室內生活游戲、庭院活動游戲、助興游戲、各類博戲；鐘敬文先生的三分法：智能游戲、體能游戲及智能與體能結合的游戲。筆者認為，按照游戲的旅游功能，傳統兒童游戲可以分為三大類：
一是觀賞性游戲。主要指那些體能活動較多、動作幅度較大、具有一定競技性、便于觀看欣賞的游戲。如放風箏、抖空竹、打陀螺、滾鐵環，跳竹竿、跳長繩、斗雞，等等。這類游戲適合在旅游景區、旅游節慶活動中作為表演項目展示。
二是體驗性游戲。主要指那些游戲過程娛樂性、趣味性或挑戰性較強，能夠吸引游客參與、體驗的游戲，比如體驗社會角色的過家家、堆積木、拍洋片，體驗生產勞動或軍事活動的如斗百草、斗蟋蟀、騎馬馬、打彈弓、丟沙包、抓子兒、捉迷藏、跳房子、石頭剪刀布，以及諸如翻繩、折紙、七巧板、九連環、拼圖、下棋、打牌等益智游戲。這類游戲可以排解旅途的疲勞和單調，具有活躍氣氛、增強團隊凝聚力、豐富旅游體驗的作用，適合在旅途中開展。
三是綜合性游戲。兼具上述兩種功能的游戲，如找朋友、老鷹抓小雞、拔河等。
顯然，那些適宜戶外開展的、參與性與觀賞
性較強的游戲，其旅游價值相對較高。
趣味性、快樂性、互動性、參與性是游戲的基本特性，競技性、集體性、娛樂的大眾性則是其附屬特性。上述特性與旅游的求新、求異、求奇、求美、求樂等動機追求相吻合，賦予了傳統兒童游戲良好的旅游開發前景。
四、傳統兒童游戲的旅游開發策略
(一)重視價值，建立校旅合作機制
真正的、純粹的游戲是文明的主要基礎之一。在我國，游戲一直是人類生活不可缺少的組成部分，參與著人類生活機制的調節，并影響著人們的道德觀念、行為準則、審美趣味乃至思維方式，是一種具有豐富內容的文化形態。傳統游戲對青少年的教育作用是任何高檔玩具、電子游戲都取代不了的。學校、家庭和社會應該創造條件讓更多的傳統游戲回歸，讓孩子們在這些游戲中體驗快樂，感受成長的樂趣。
必須加強對傳統兒童游戲的文化、教育、旅游價值的重視，著手調查、搜集、整理，并在保護中發展創新。地方政府要像保護其它非物質文化遺產那樣，將傳統民間游戲的保護與傳承納入工作范疇。旅游管理部門要善于借助政府的力量統籌規劃，獲得文化、體育、財政、城鄉建設等相關部門的支持。建立旅游景區與中小學校、行走學校、青少年培訓機構、兒童醫院、心理咨詢與診療中心、夏令營等組織機構之間的合作機制，針對青少年成長中的問題或旅游需求，協作開發。
(二)因勢利導，因地制宜，與時俱進，開發適宜的旅游產品
1、因勢利導
傳統兒童游戲一般并不是核心旅游吸引物，主要起著增加旅游產品的附加價值的作用。需要注意尋找與核心吸引物、主體吸引物之間的關系，適當借力，適時運用，使二者相得益彰。如結合民間節慶活動，適時開展元宵節賞花燈、清明節踏青放風箏、端午節小布虎、小葫蘆驅邪、中元節(農歷七月十五)放蓮花燈普渡眾生等游戲。此外，還要結合不同景區的特色開發不同類型的兒童游戲，如迪斯尼樂園、博物館、科技館、環球影城、野生動物園、海底世界、蝴蝶館、美食場所、溜冰場等都是孩子們比較喜愛的景區，可結合它們各自側重童話世界、科普知識、動物天地、美食、運動等不同的景區特色分別開漫趣味型、求索益智型、體能運動型、感官享受型、共享合作型等不同類型的游戲。
2、因地制宜
游戲起源于生產勞動、軍事活動、社會風俗、文化交流，它們具有鮮明的地域特色。如盛產竹子的南方多使用竹制的玩具或器具進行游戲，抖空竹、跳竹竿、竹水車等，而黃土高原地區則以泥、陶玩具較多。同樣是抓子，農耕發達地區的“子”多以棉布縫制成小袋子，并內盛黃豆、綠豆等種子而制成；臨河地區的袋子里則多裝小石子；而牧區的“子”則多直接用獸骨來取代了。因此，旅游開發中需要注意因地制宜，從游戲內容、道具、場地等方面，體現地域特色。
3、與時俱進
歷史經驗告訴我們，我國凡是經濟繁榮時期，“娛樂”游戲觀就會占上風，民間游戲也相應趨向通俗化、商業化以及教化的世俗化。上述規律一方面要求我們，在游戲的旅游開發中不能墨守成規，要及時更新理念，融入時代元素，增強時效性。為了增強傳統游戲的趣味性和旅游吸引力，應該允許從旅游心理需求出發，在開發中進行適當的改編和創新。主要方式有：(1)用現代生活場景創設游戲情境和游戲空間(比如用在火鍋中撈菜代替傳統的漁網撈魚游戲，用游客選擇客房類型代替搶地盤游戲)。(2)根據游客類型和承受能力確定游戲的挑戰性、競爭性和變化性。(3)將現代游戲與傳統游戲結合起來，如將斗百草與野外生存訓練、將捉迷藏、丟手絹與定向運動相結合。另一方面，我們還要注意青少年心理的稚嫩性、敏感性和脆弱性，把握分寸，汲取精華，剔除糟粕，避免低俗化。
(三)細分市場，體現差異
游戲是兒童的天性。傳統兒童游戲在青少年教育中具有多種功效，因此，修學旅游中的兒童游戲開發可以分為以下幾種情形：
1、面向廣大青少年的戶外活動游戲
結合學校素質教育、第二課堂等活動的開展，將傳統兒童游戲與春游、秋游、野營等集體戶外活動整合開發，側重突出知識性、趣味性、團體性。通過真實世界的戶外游戲活動，使孩子們體驗在陽光下、在運動中親近大自然的快樂，幫助他們擺脫長期獨自活動，沉浸于電腦、電視、網絡虛幻世界的影響，引導他們在游戲中體驗獨生子女難得的兄弟姐妹般的親情，提高人際交往能力，增強集體意識和合作精神，克服自私、冷漠、缺乏關愛與合作意識等問題。
2、針對部分疾患兒童的治療性游戲
目前我國青少年的肥胖癥和心理疾病發病率均呈逐年上升趨勢，其中因缺乏體能運動、缺乏游戲而導致過度緊張、焦慮，或因不當游戲而沉溺于網絡世界是主要原因之一。而通過適當的傳統游戲、體能運動游戲、健康游戲來治療肥胖癥、多動癥、自閉癥、抑郁癥、社交困難、網絡成癮等問題，也是目前發展態勢良好的新型治療途徑。因此，那些自然環境保護良好、風景優美、具備療養條件的旅游景區可與醫療機構積極配合，通過開發適宜的游戲旅游產品，建立游戲旅游診療基地，幫助上述患兒進行診療與康復訓練，并使他們在游戲中獲得認同感和自信心，在游戲的愉快體驗中促進身心健康。
3、面向部分特殊愛好和需求的特色游戲
針對青少年中那些具備一定愛好和特長，對生物學、氣象學、野外觀測、戶外拓展、山地自行車、極限運動等具有特殊喜好的青少年，可將傳統兒童游戲與現代運動休閑方式結合起來，開發具有強智能、多體能、高挑戰性的特色游戲。幫助他們在這類游戲中增長知識，拓展視野，實現一定目標，獲得成就感，并在體驗游戲規則與個體自由的辯證關系中，感悟人生哲理。
(四)優化專業設置，加強人才培養
當前我國對游戲開發的研究多見于網絡游戲，傳統游戲則少人問津。我國高校專業設置中，傳統民間游戲多賦存于民俗學，同時其它專業也有涉及，如體育專業中關于游戲方式的探討，漢語言文學中對游戲故事及其象征意義的討論，藝術專業中對游戲形象設計的研究等，但尚沒有形成獨立的體系。這種現狀勢必影響我國傳統民間游戲的保護與傳承。應從優化高校專業設置著手，加強傳統民間游戲研發專門人才的培養。現階段可以在民俗學、旅游學、休閑學、體育學等專業中劃分出專門方向，開設傳統民間游戲開發設計有關課程。
五、鄂西生態文化旅游圈傳統兒童游戲旅游開發的具體途徑
鄂西生態文化旅游圈包括位于湖北西部的襄陽、荊州、宜昌、十堰、荊門、隨州、恩施、神農架等8個市州(林區)，擁有神農架、長江三峽、恩施大峽谷、三峽大壩和丹江口水庫等馳名中外的自然保護區、風景名勝區、世界水利工程奇觀，是全國重要的生態功能區。擁有2個世界文化遺產、9個國家級自然保護區、35個國家非物質文化遺產，地域民俗獨特，生態文化旅游資源十分豐富。該地區傳統民間游戲十分豐富，融匯了荊楚文化、巴土
文化、三國文化和佛道巫宗教文化的特色。1990年代中期曾經有兩首兒歌《雀尕飛》和《推磨歌》從宜昌誕生，一時間傳遍大江南北，就是在當地十分流行的幼兒游戲的基礎上改編而成的。
因此，鄂西生態文化旅游圈傳統兒童游戲的旅游開發必須在保持其本真性的同時，借助傳統游戲良好的文化內涵及其拓展性和延伸性，注意發掘地方特色元素來進行。主要途徑有：
(一)景觀化途徑
將某些傳統民間游戲活動的角色、場景轉化為雕塑、園林構景小品等旅游景觀或建設主題街區。如拍洋畫、斗百草、堆沙雕、下五子棋等造型，“鬼捉人’、滾鐵環等群像雕塑，跳房子游戲中虛擬的“房子”，等等。
(二)體驗化途徑
從民間游戲的起源或內涵出發，開發出深度體驗的產品。如將打彈弓、轉城門、叫陣游戲(“我們要求一個人’)與投擲、射箭、攻城、攻陣等古代軍事活動結合起來開發系列軍事旅游產品。
(三)線路化途徑
以游戲在文化交流中傳播的路徑為線索，將分散在各個地區的兒童游戲按照一定主題、類型進行串聯，設計旅游線路。
(四)商品化途徑
將民間游戲中所使用的道具、器材，開發為旅游商品。如具有鄂西地域特色的蝴蝶風箏、關羽的刀、張飛的黑面具、橘皮彈弓、“兔兒泥”棋子、三峽石七巧板、杏仁做的哨子、不同形狀的陀螺、以及草、藤、木、竹、石、陶、泥、布、紙、種子、毛皮、獸骨、貝殼等就地取材制作的鄉土玩具。此外，也可發掘傳統兒童游戲中的益智性、健身性、趣味性、象征性因素，開發設計新的旅游商品。
我國正步入休閑旅游時代，修學旅游、家庭旅游、親子旅游、體育健身旅游正在蓬勃發展，隨著旅游者自身素質的不斷提高，在旅游中追求文化目標的動機也將不斷增強，傳統民間游戲的旅游價值還將得到進一步彰顯。如果說旅游開發是一種利用性保護，那么從長遠看，還應加強、傳統民間游戲的研究性保護。如何將游戲活動設計得內涵深刻、形式活躍、規則合理、程序巧妙，將游戲空間創設得自然、古樸、奇幻、神圣、充滿情趣，并便于組織操作，與旅游活動有機銜接，使游客在游戲中有所領悟、體驗豐富，是傳統民間游戲理論研究與實踐努力的方向。
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中圖分類號：P715.4+1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）15-0160-01
近年來，隨著海洋經濟的迅猛發展，世界各國不斷出臺海洋法規與政策，積極投入到海洋創新體系的建設中。雖然我國在國家海洋中心建設、國家及地方海洋產業集群發展、海洋科技創新管理體系和機制建設等方面已經取得一些成績，但相比其他海洋大國和強國，我國的國家海洋創新體系建設和相關研究還處于初級階段，海洋對于經濟發展和強國戰略的支撐還十分有限，為了整合現有海洋科技資源，打通海洋強國戰略需求和海洋研究開發的脈絡，建立富有活力和路徑創新突破能力的國家海洋創新體系，我們需要積極借鑒世界主要海洋國家的建設經驗。
1 澳大利亞
澳大利亞是典型的海洋大國，作為國家創新體系的重要組成部分，海洋創新體系已經發展比較成熟，并且被納入國家創新體系框架。澳大利亞海洋領域的創新驅動包括氣候變化、海洋資源的可持續利用、維護海洋生物多樣性、沿海地區發展和國家安全五個方面。當前專屬經濟區的可持續利用和保護是澳大利亞國家創新的重點[1]。當前，澳大利亞海洋創新也面臨一系列挑戰：海洋研發基礎設施不足；體制的發展和演變有待加強；海洋人才供應不足；海洋產業面臨調整和轉變；海洋研發中的聯網與合作。
為了解決經濟、環境和社會方面的挑戰并且保護其海洋領土日本，澳大利亞需要以連貫性、綜合性和前瞻性的方式進行海洋研發和創新。海洋研發和創新主要涉及知識生產、知識應用、擴散與吸收三方面。在澳大利亞創新周期的“知識生產”部門，發達的海洋研發占據重要一席。海洋研發主要通過政府資助的五個研究機構（AIMS， CSIRO， BOM， GA和AAD）進行，同時，具有國際競爭力的大學也參與其中。但是由于一些地區受到基礎設施和資源的約束，海洋研發的效益正不斷減少。在“知識應用”方面，主要的海洋研發機構及成果應用者之間的協作已經卓有成效。在特定領域內（如政策、海洋預報、世界文物古跡區的管理和海洋資源的勘探等）海洋研發成果的吸收是非常高的，但是受到海洋環境的限制，很多仍處于未知或開發不佳狀態。從海洋研發領域向其他組織和產業界進行創新擴散在某些領域是很普遍的，如海洋氣候、海洋保護區與西北大陸架的探索等。然而，在其他領域（如旅游、航運、海洋休閑、海洋生物技術和海岸帶發展）海洋部門的分散性限制了創新的傳播與吸收。
2 美國
憑借優越的海洋自然環境、強大的綜合國力，美國在海洋學、海洋政策和海洋管理領域一直處于世界領先地位，并且多次在海洋領域的創新發展中起到里程碑作用，為其海洋霸權戰略奠定了可靠基礎。美國著名的海洋科學研究機構有太平洋海洋環境實驗室、大西洋海洋學與氣象學實驗室、伍茲霍爾海洋研究所、斯克里普斯海洋研究所等，這些科研機構擔負了美國海洋科技創新的重要使命，為海洋科技創新貢獻了巨大力量。
進入21世紀，美國加快了海洋開發與科技發展的步伐。美國海洋政策委員會于2004年提交的《21世紀海洋藍圖》和接下來的實施的《美國海洋行動計劃》是對美國30多年海洋政策綜合評價、經驗教訓的總結，尤其是在加強海洋管理，調整海洋管理體制，增設高層次的國家海洋委員會，加強海洋行政主觀部門的職能；建立海洋政策信托基金，大幅度增加對海洋的資金投入；以及加強政府人員和公眾及學校的海洋意識教育等方面特別值得我國參考借鑒。2007年的“繪制美國未來10年海洋科學發展路線――海洋科學研究優先領域和實施戰略”指出，未來10年海洋科學優先發展領域包括：自然和文化的海洋資源管理；對自然災害的恢復能力；海上作業；海洋氣候系統；海洋生態系統，海洋與人類健康[3]。
3 日本
日本是一個島國，專屬經濟區水域面積約為陸地面積的12倍。日本經濟、社會發展高度依賴海洋，海洋產業加上臨海產業總產值占日本國內生產總值的一半，經過多年的積累，日本在海洋開發、科研和海上軍事力量方面已經堪稱海洋強國。
面對資源環境約束的日益加大，日本在創新海洋體系建設方面也面臨巨大壓力。日本政府在海洋創新方面不斷進行新的嘗試。從沿海50米水深的海域到離岸10千米的陸域日本，日本海洋利用已經實現了空間集約發展，成為海洋空間利用程度最高的國家。政策法規方面，“21世紀日本海洋政策”提倡要堅持海洋科學研究、海洋開發利用和生態環境保護平衡發展的原則執行海洋政策。2004年日本第一部海洋白皮書，提出對海洋實施全面管理。2006年日本海洋政策研究財團和日本海洋法研究會提交了《日本海洋政策大綱：以新的海洋立國為目標》和《日本海洋基本法草案概要》，論述了在海洋問題上日本應選取的道路，提出海洋基本法的制定要以新的海洋立國為目標。2007年4月，日本國會審議通過了《海洋基本法》。日本海洋法規的不斷出善和政策上的銜接，為海洋創新提供了有力保障。
近年來，日本的海洋研究創新比以往任何時期進行著更為徹底的改變。在日本國家創新體系建設中，政府研發資金的60%以上資助給非大學科研機構，而大學科研經費的百分之二十來自工業項目資助，產業研發的一小部分（2001年所占比例為1.4%）是由政府資助的，金融危機以后產業研發速度開始放緩[5]。作為國家創新體系建設的重要組成部分，日本海洋科學研究由大學、政府部門及相關產業承擔。其中政府部門科研主要集中于海洋科學技術中心。該中心承擔者研究開發、設施配給、知識培訓和信息處理的職責。作為日本海洋領域的一個“問題解決型”科研機構，由日本國家財政支持建立的國家海洋研究所（NMRI）憑借在專業知識、研究設施和技術能力上的優勢，為政府和社會提供高質量的服務，包括擬定日本和國際的海洋技術標準、保護海洋環境、創新海洋技術、確保海洋運輸安全等。2010年是NMRI實施第二個中期計劃的最后一年（NMRI的中長期戰略如圖1所示），作為對政府政策的緊密配合，NMRI在2010年的關鍵研究課題主要集中在溫室氣體的減排和排放標準制定、海上事故的技術分析、日本專屬經濟區的發展、以及技術的轉移方面[6]小論文。為促進學術界與產業界的合作交流，日本政府在許多地區建立了“創新集群”（innovative clusters）。“創新集群”的設立旨在連接區域的創新參與者，這在很大程度上為當地經濟發展和就業機會的增加做出了貢獻。除了推動產學互動，“創新集群”也積極鼓勵當地企業與分包商之間的合作。實踐證明，這種創新模式的實施已經形成取得很好的效果。
4 總結
[關鍵詞]研究型大學；虛擬科研組織；組建模式；運行機制
[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2012）10-0005-07
引言
從上世紀90年代至今，二十多年的高等教育信息化建設已經基本完成了基礎設施和基本的信息化服務這兩個方面的工作，接下來，高等教育信息化的深入發展就在于從價值創新的角度提升高校科研、教學、管理與服務的水平。在科學研究方面，我國《教育信息化十年發展規劃（2011年-2020年）》中三次提到高校科學研究的信息化與數字化。按照規劃，我國將在2020年構建起方便易用的數字化科研協作支撐平臺，支持跨學科、跨領域的科研與教學相結合團隊的協同工作，推動高校創新科研組織模式與方法。在大科學時代，任何一項課題已經不是僅由某一個學科歸屬的研究團隊就能獲得解決，傳統的科研組織已經很難適應這種復雜變化的環境，亟需創造一種新的組織形式，將能力、資源互補的院系所等聯合起來組成一個有機的合作聯盟。基于網格（Grid）服務和云計算（Cloud Computing）在高等教育信息化建設中的廣泛應用，e-Science、e-Research將成為科研組織和知識生產的主要形式，結構靈活、資源合理搭配的虛擬科研組織（Virtual Research Organizations，VRO）將有效地支持學科的交叉與融合，也必將促進研究型大學科學研究組織形式和管理運行模式的創新。
一、信息化時代的知識生產與科研組織
在科學研究過程中，如同“顯微鏡打開微觀世界的大門，天文望遠鏡把人們的視野引向廣袤的宇宙”，信息技術的最新成果正在深刻地影響著知識的生產與科學研究的組織。
1.e-Science時代的知識生產
數字化技術的飛速發展使得理論分析、實驗觀察、計算模擬這三類手段成為當今科學研究的主要手段。計算模擬廣泛應用于天文觀測、芯片設計、能源勘探、裝備制造等方面，經濟社會系統的行為分析、軍事復雜系統的模擬演練也都依賴于科學計算與數值模擬。這些科研活動過程經由傳感器、衛星遙感器、模擬分析軟件，使得科學數據從一產生就是數字化的（bom digital）。科研的數據量飛速增長，氣象學、地球科學等學科領域所產生的數據規模已經達到PB級（千萬億字節）。科研數據成為支撐科技活動的重要基礎和戰略資源。
正是在上述背景下，英國于20世紀末率先提出e-Science的概念，英國國家e-Science中心給其下的定義是：e-Science是指大規模的科學所日益增加的分布式全球協作，這種科學協作的一個典型特征是科學家能進入大規模大容量的數據庫和數字資源網絡以及高性能的可視系統。美國國家科學基金會（NSF）在《21世紀科學研究的信息化基礎設施》報告中亦明確提出“在未來，美國科學和工程上的國際領先地位將越來越取決于在數字化科學數據的優勢上，取決于通過成熟的數據挖掘、集成、分析與可視化工具將其轉換成信息和知識的能力”。為此，美國圣地亞哥超級計算中心（SDSC）提出他們今后關注的焦點是數據導向型科學與工程研究。最早于2005年，中國國家自然科學基金委員會也曾制定“以網絡為基礎的科學活動環境研究”重大研究計劃，“計算化學e-Science研究與示范應用”和“網絡環境下抗禽流感病毒H5N1藥物的大規模虛擬篩選研究”兩個重點項目正是對e-Science理念的成功嘗試。
2.信息技術引發的科研組織變革
時空限制恰是組織設計中的關鍵障礙。萊威特（LeaviR）和威得勒（Whidler）基于組織設計的角度認為“信息技術將改變組織結構和管理工作的特點，組織結構壓縮……中級管理層逐漸弱化”。大量的實踐案例證明，信息技術的強大支撐可以使組織“更為精簡，運行更為流暢，資源的共享共用更為便利”。具體而言，信息技術在促進科研組織創新和變革方面體現為：（1）生成虛擬組織（Virtual Organizations）、網絡組織等新型組織。基于信息技術的廣泛利用，科研組織日趨虛擬化，一方面是單體組織內部結構的虛擬化，另一方面是多個科研組織之間通過信息網絡技術實現互聯互通。（2）催生協同創新的組織文化，在傳統靜態機構之外建立起更多的動態機構。信息技術使虛擬的智力資源共享成為科研協作的重要形式。圖1所示是由靜態機構到動態機構的智力資源組合示意圖。實線圓圈表示的是傳統靜態組織結構s（Static），虛線不規則形體是動態組織結構D（Dynamic）。
（3）組織行為柔性化，組織更具開放性。信息技術對組織的強大影響力也體現在組織與各相關機構問的緊密聯系。在研究型大學體現為科研組織之間、科研組織與科研管理部門之間通過信息技術達到信息共享和及時反饋。柔性化則使科研組織增強了對環境的動態適應能力。
二、研究型大學中虛擬科研組織的概念、特征及內涵
虛擬組織一詞是由肯尼思·普瑞斯（Kenneth Preiss）、史蒂文·戈德曼（Steven.L.Goldman）、羅杰·N·內格爾（Roger.N.Nagel）三人在1991年編寫的一份重要報告——《21世紀制造企業戰略》（21st century manufacturing enterprise strategy）中首先提出的。1995年以來，國內外學者對虛擬組織做了大量的研究，虛擬企業（Virtual Corporation）、虛擬團隊（Virtual Team）、虛擬社區（Virtual Community）等概念相繼提出。虛擬組織突破了時空的限制，最大程度地模糊組織問的邊界，組織的結構主要采取扁平化的模式，組織成員間主要采用動態聯盟的方式實現核心能力和資源的互補共享。正如物理學，家海森堡所說，“科學扎根于交流，起源于討論”，已經有足夠的案例可以證明，信息技術支撐下協同工作的科研環境可以消除時空的限制，大大地促進科研活動中的共享、合作與交流。具體而言，信息化的協同工作環境主要體現為虛擬實驗室（Virtual Laboratory）或虛擬研究團隊（Virtual Research Teams）等虛擬科研組織（Virtual ResearchOrganizations）。
1.虛擬科研組織的概念及特征
虛擬科研組織是應用虛擬組織的概念和設計思想，把不同的研究者或者研究集體通過信息技術連接在一起，形成一個相對穩固的研究團隊。這個團隊具有普遍接受的共同的研究目標，能把自己的核心資源與優勢與其他成員共享，組織成員間的等級制度弱化，具有強大的信息技術平臺來支撐虛擬的信息共享與交流討論。與傳統的研究機構相比，虛擬科研組織主要表現為以下幾個特征：（1）依賴于強大的信息技術平臺支撐對科研資源的“交互”與“整合”。（2）以契約制度規范的科研資源共享為基礎。（3）組織結構網絡化。便于柔性化重組或解散，組織對外界的反應更為靈敏。（4）發揮各自核心優勢、圍繞知識創新的核心目標，科研工作并行展開。e-Science推進了共享式的科研進步模式，但協同創新仍然以協作各方核心能力的發揮為基礎。（5）虛擬科研組織在課程開發、研究生培養、跨學科教育、教學中的實踐拓展等方面也體現出強大的優勢，如CSBi就將科研與教學較好的融為一體。表1所示是部分成功運作的虛擬科研組織案例。
2.虛擬科研組織的內涵辨析
從表面來看，虛擬科研組織是e-Science時代的產物，似乎是信息技術催生的一種新型組織。但從科研組織自身的發展邏輯來看，虛擬科研組織順應了大科學背景下知識生產方式的巨大變革，人類長期以來所堅守的學術價值觀在科研組織虛擬化的背景下發生轉換，跨學科組織的建設更加走向深入。
美國科學學家普賴斯（Derek J.DePrice）于1962年6月發表了著名的以“小科學、大科學”為題的演講，他認為從二戰時期起，人類進入大科學時代。“大科學”（Big Science，Mega science，Large Science）的研究特點主要表現為：投資強度大、多學科交叉、需要昂貴且復雜的實驗設備、研究目標宏大等。科技政策學者吉布斯（Gibbons）在1994年出版的《知識生產的新方式》和諾沃特尼（Nowotny）于2001年出版的《重思科學》兩本著作中都提到，在大科學時代，知識生產出現了新的生產方式，即要面向復雜的實踐問題開展跨學科研究，應用性在新生產方式中得到強調。這正如《巴斯德象限——基礎科學與技術創新》一書作者斯托克斯（D.E.Stokes）所指出的一樣，跨學科的、應用性的、面向復雜的實踐問題（如農業、健康、環境、通訊等）這三個因素使得科學的社會性更強。研究型大學傳統的“先基礎研究、，后應用研究，服務社會”的科研文化在科研組織虛擬化時代被“直接服務于推進技術發展、創造新技術”的學術價值觀所代替。
如果再從跨學科的視角審視虛擬科研組織，MIT早期即從跨學科的視角命名其新型的科研組織為VIO（VirtualInterdisciplinary Organizations，VIO）。如科學史家霍爾頓曾指出的一樣，“一個充滿生氣的研究論題的思想源泉并不局限在狹窄的一系列專業上，而可能是來自最不相同的各個方向”，虛擬科研組織將各類學術組織銜接成為一個綜合的學術組織系統。該類組織能最大程度的減少或摒棄人為的學術分割、降低或弱化學科間的嚴格界限。廣泛存在的虛擬科研組織可以保障學術成員在各個學術組織之間自由流動。虛擬科研組織在操作層次上將相互分離的群體富有意義地聯結起來，形成更大的團體，能實現更大的具有跨學科性質的目的。
三、虛擬科研組織的組建模式
虛擬科研組織的在組織管理的理論層面有深厚的理論基礎。首先是分工協作理論，虛擬組織成員間通過分工與協作產生群體效應，從而形成一種新的科研生產力。其次是交易費用理論，在信息技術平臺的支撐下，虛擬科研組織內的各種儀器、設備、文獻資源的利用率得到大幅提高，避免了重復購置所引發的浪費。第三是組織生態理論和組織設計權變理論，這兩種理論都強調某一類群組織形式的多樣性及適應環境的過程。21世紀以來科學發展日趨復雜化、整體化、面向實踐性，社會對人才的需求愈加復合化，跨學科組織、虛擬科研組織等新型的科研組織形式是學科發展邏輯、研究型大學與社會環境不斷博弈的結果。第四是彼得·圣吉（PeterSenge）的學習型組織理論，《第五項修煉》高度重視系統性、關照整體的思想要求尋求知識齒輪間的完美契合，這種觀念是虛擬科研組織健康運作的理想模式。
1.虛擬科研組織組建之初應重點考慮的因素
基于分工協作、資源共享、面向整體、系統思維、發揮各自核心優勢、無縫連接等思想，在虛擬科研組織的組建環節，必須對虛擬科研組織組建的可行性和持續發展的可能性進行分析，具體來說，應重點考慮以下幾個因素：第一，虛擬科研組織的各方成員在核心能力、核心資源上的耦合度。如果高度耦合，核心能力和資源就可以互為補充，如果耦合度很低，合作各方就是低水平的捏合，而非高水平的整合。第二，虛擬科研組織的各參與主體間是否能夠達成信任。合作不能以打破學術的自治和自由為代價，虛擬科研組織的學術性本質決定了該組織成員各方的學術自由、相互尊重與認可，相互信任是虛擬科研組織健康運行的必要保障。第三，要充分考慮各方成員間是否具備共同的科研目標。這個共同的目標可以是共同研發特定的某項產品或者技術，也可以圍繞某一個大的論題展開的子課題式的協作，如麻省理工學院（MIT）計算機系統生物學創新工程（Computational andSystems Biology Initiative，CSBi）和伯克利分校（uc Berkeley）牽頭組建的納米研究中心nanoHUB所涉及的研究機構、人員規模都非常龐大，但CSBi著力聚焦于“創建能夠為生物變化過程進行全面系統分析的試驗方法和數據模型”，nanoHUB在建立之初也明確地集中于“納米電子學、納米機電學、納米光子學和生物醫藥納米儀器”。
2.組織形式和組織模型的選擇
當合作各方核心資源高度耦合、相互間充分信任、并有共同的科研目標這三個基礎具備之后，就應著手對虛擬科研組織形式的設計。按照駱品亮等人的研究，虛擬科研組織分為兩類：第一類是單個研發組織無形化，即某機構通過網絡和通訊技術把自己分散在不同地點的技術資源連接起來形成的研發組織，比較典型的案例是麻省理工學院（MIT）的計算機系統生物學創新工程（CSBi），還有斯坦福大學的Bio-x計劃；第二類是多個獨立企業、大學、研究所的研發資源圍繞特定目標、利用計算機網絡和通訊工具，以關系契約為基礎連接起來而構成的一個動態研發網絡組織。如國內上海市教委從2003年開始在上海部分高校實施的E，研究院（E-Institute）建設計劃，新加坡國立大學和南洋理工大學兩所高校與麻省理工學院合作組建的SMA（Singapore MITAIIianee）聯盟，還有聚焦于納米研究、教育與合作的納米研究中心nanoHUB等。其實，上述兩類虛擬科研組織在組織形態上并無本質的不同，只是所連接的合作方之間在空間距離或所隸屬機構上的差異，但前者是當前研究型大學內部構建虛擬科研組織的主要形態，后者是校際乃至國際間建立聯盟式虛擬科研組織的主要形態。從具體的組織模型來看，上述兩類組織形式又都可以采取以下兩類組織模型：
星型的虛擬科研組織模型有一個核心主體的概念，這個核心主體可能是傳統即有的某個研發機構，也可以是虛擬科研組織單獨設立的中心管理機構，如CSBi中單獨設立的9人執行委員會，BlO-x計劃中有主任領導的生物科學跨學科顧問委員會、學科領導委員會、執行委員會。這些委員會是虛擬科研組織組織者的角色，負責合作方的選擇、資源的分配、利益的協調、科研項目的立項與審批等事務。合作各方與核心主體間的關系最為緊密和剛性，所以圖示中用實線來表示各參與主體與核心主體間的關系。作為網狀的虛擬科研組織模型，各參與主體間的關系更為松散和柔性，所以在圖示中用虛線來表示各參與主體間的關系，如美國的nanoHUB和我國上海的E-研究院。nanoHUB就是借助強大的信息技術（NSF支持建設的Cyber Infrastructure中的In-VIGO）支持，通過中間件技術創建了研究者、教育者和學生所需的訪問和共享資源的內容管理系統，研究者、教育者和學生間的關系較為松散。但網狀的虛擬科研組織同樣也有一個核心成員的概念，如果沒有這個核心成員，這個虛擬科研組織就會淪為一盤散沙。這個核心成員主要起到基礎資源供應和維系網絡的作用，如nanoHUB中有一個由六所大學（包括Purdue，UC Berkeley，Northwestern，IUC，Norfolk和UTEP）組成的核心成員NCN（Network for Computational Nanotechnology）。
3.虛擬科研組織的資源依賴
虛擬科研組織雖然作為虛體化的存在，但要使組織化的科研活動得以啟動，必須有充足的經費支持。世界上成功運作的虛擬科研組織都具備“豐厚的研究經費支撐”。虛擬科研組織基于信息技術平臺的支撐、以研究項目或研究計劃為載體，把各參與主體組織起來進行協同創新才是虛擬科研組織的根本功用。如Bio-x計劃，1998年該計劃被提出，2001年在企業家Clarks捐助了Clarks中心大樓以后，該計劃有了其組織者獨立辦公的物理平臺，到2007年，該計劃獲得了2500萬美元的研究經費。以這些經費作為啟動資金，Bio-x計劃啟動了高級研究員項目（Senior Fellow Program）、跨學科啟動項目（Interdisciplinary Initiatives Program，liP）、研究生學術會議補貼項目（Travel SubsidV for Graduate Students）、本科生研究獎勵項目（Undergraduate Research Awards）等眾多計劃。同樣，CSBi成立之初就確立了龐大的研究經費籌集計劃，2003年該虛擬組織成立，僅至2005年，該組織就已經籌得3200萬美元的經費。為使虛擬科研組織能長期存在，以研究項目的形式進行持續性經費資助在虛擬科研組織建立之初必須明確規定下來，否則虛擬科研組織就成為虛無。
4.虛擬科研組織中各參與主體間的契約設計
虛擬科研組織的良好運作也具備較大的風險。第一，學術組織本身就“相當松散”，虛擬科研組織的參與主體間主要依賴柔性的關系契約維系整體性的存在；第二，虛擬科研組織無法較為清晰地界定參與主體各自的資源投入比例：第三，對學術成果的權益分配是虛擬科研組織面臨的一個巨大挑戰；第四，知識的共享和交流中一些好的學術火花很容易被缺乏學術操守的人引為己有或向外隨意散播，由此造成學術研究中知識外泄的風險；第五，對虛擬科研組織整體績效的衡量涉及參與主體的學術貢獻歸屬于原所在機構還是虛擬科研組織的問題，對虛擬科研組織的績效比較難以評價。各種風險的控制與防范是虛擬科研組織持續發展的重要保障，虛擬科研組織的設計者、組織者和主管領導在虛擬組織建立之初應該制定相應的紀律、制度和評價指標，引導各參與主體對要素投入進行基礎性的約定，并設定相應的執行委員會、學術委員會、第三方評審委員等機構來監控和評估虛擬科研組織的運行。圖4所示是虛擬科研組織的契約設計體系。
四、虛擬科研組織的運行機制
虛擬科研組織是一個動態的研發聯盟，當有了共同的研究目標，各參與主體開始互補性的協作之后，與傳統的研究組織一樣，虛擬科研組織同樣面臨研究課題的選擇、資源分配、權益協調、風險控制、構建組織文化、知識產權保護、重要數據資源的保密及所屬成員的學術評議等諸多問題。虛擬科研組織的運行作為一個有機的過程，可以把其歸入一個生命周期中來研究其運行機制。圖5是虛擬科研組織組建及運行的生命周期模型。
關于該模型的可行性論證和組建期，在本文第三部分已經做了分析。該模型的運行期和解體階段是虛擬科研組織日常運行中主要的生命周期，通過對諸多虛擬科研組織案例的分析，虛擬科研組織的運行機制可細分為研究項目的選擇、資源協調、組織文化、激勵約束機制和保密機制五個問題。
1.研究項目的選擇
虛擬科研組織良好運行的核心在于各參與主體圍繞項目或研究計劃進行科學研究。這些項目主要有三個來源：（1）參與主體的自發申請；（2）虛擬科研組織進行的自主設置；（3）外部（如企業、政府）委托。關鍵要使這些項目能圍繞虛擬科研組織的主體研究指向。其中的第（3）類項目由資助機構進行評估，主要是對第（1）和第（2）類項目的選擇。決策實踐中，應主要考慮項目的創新性、可行性及與本組織研究領域的契合性。如主要指向于保持生物學競爭優勢的Bio-x計劃，通過跨學科行動項目（IIP）提供種子基金，每2～3年資助描繪和模擬從分子層次到意識層次的生命、重建細胞和組織的健康、解碼健康和疾病的遺傳基因、設計治療儀器和分子機械這四個研究方向的科研項目，以此來保證研究主題的聚焦和風險可控。此外，為保證信息的準確性、及時性和決策的科學性，群體決策支持系統已經在諸多虛擬科研組織的技術平臺上開始使用。
2.研究資源的協調
虛擬科研組織作為一種網絡化、扁平化的結構，組織成員間的等級制度比起傳統研究組織大大弱化，在這種背景下，虛擬科研組織的資源協調要做出如下調整：第一，在權力分配上，參與主體因掌握著較為豐富的核心資源，所以分權也成為一種必要的權力配置狀態。第二，要充分認識到協調在虛擬科研組織中的突出作用。協調不僅是建立學術信任的基礎，也是解決矛盾和沖突的必要途徑。第三，核心主體的行政資源和經費資源應得到校際層面的實際支持。如SMA在資源分配上有明確的規定為研究生提供各種獎學金，這種激勵措施保證了該組織能持續性地錄取到優秀的研究生。CSBi更是牢牢把握住自己的核心目標，把一些的、非核心的研發任務和支撐性的、服務性的工作通過契約方式外包（Out sourcing）給其他機構，這樣就保證了以最少成員、最低投入、最快速度、最高質量、最大效益地實現核心目標。
3.組織文化的構建
大部分的虛擬科研組織都是跨學科的，不同的學科會形成特有的學科文化和行為價值觀。除學科之外，如果參與主體來自于不同的院校或者不同的國度，那文化的差異性會更大。虛擬科研組織雖然是一種松散的研發聯盟，但圍繞研究項目形成的虛擬團隊應該建立起一種整合的文化來約束或規范各參與主體的行為方式。這種文化的構建不能單純依靠虛擬的平臺，還要借助于傳統物理空間實現虛擬團隊成員間信任與情感溝通。如CSBi借助于聯誼會、專題討論會、拓展活動等傳統學術組織所開展的活動來凝聚團隊成員，虛擬團隊成員間的互動行為增加，信任感增強。
4.激勵約束機制
學術研究本來源于“閑適的好奇”，即學術研究原本是一種自發的認知驅動。但進入規范化管理體系中的研究人員，其行為特征自然具備了目標利益導向。成果的歸屬、論文署名的排序、經費的分配比例等等都是虛擬科研組織中各參與主體必然要關注的對象。學術成果（尤其是一些思想和理念）是各參與主體交互討論“生成”的產物，而非預設的。因此，若基于傳統的績效考核理論，e-Science時代的“交互”與“整合”會導致學術成果歸屬的巨大分歧，如何考核與激勵虛擬科研組織內各參與主體的貢獻變得異常復雜。在此，要充分認識到學術研究人員所最為重視的自我尊重與自我實現這種職業價值觀，有形產品的設計與開發要做出明確的利益分配，在思想理念方面的貢獻要依賴于信息技術平臺對交互討論過程的準確記錄，要依賴于各參與主體的最后集體評議。
5.保密機制
虛擬科研組織的各參與主體既是自己原本所屬院系的一員，也有自己的所屬學校、國家、學會等各種歸屬，并且虛擬科研組織是一種動態聯盟，每個參與主體可以在多個組織間進行轉移，也可以同時隸屬于多個科研組織。因此，在某個組織內所獲得的知識成果有可能會被不經意的散播，尤其是在信息技術主導的科研環境中，知識成果的散播變得迅捷而又便利，很容易造成虛擬科研組織的知識產權風險。為此，一些剛性的規定和協議要在虛擬科研組織內進行貫徹，如提高知識產權意識，簽訂組織內的保密協議，在組織內傳播核心成果時采用封裝法等，必要的情況下要運用法律手段進行保守秘密。
五、結語
虛擬科研組織是在學術價值觀轉換和跨學科背景下，應用協同創新和交互整合理念的新型組織。支撐虛擬科研組織的信息技術平臺是個復雜e-Science技術體系，最基本的是共享交流門戶（Portal）和協同科研的環境（Virtual ResearchEnvironment，VRE）。如由英國JISC資助的The Sakai Demonstrator和一體化的生物學虛擬研究環境（Integrative Biology Virtual Research Environment，IB VRE），還有NERC資助的分子層面的環境（the Environment from the molecularlevels，eMinerals），這些門戶和協同科研環境提供了一套完整的客戶端工具和訪問數據與計算資源的服務。此外，豐富的并能及時得到更新的科技文獻數據庫、科研數據的傳感與收集工具、安全管理系統等都要在信息技術平臺的建設中予以考慮，且與已有的觀測平臺、數據收集平臺、數字圖書館的整合可以一定程度上降低虛擬科研組織信息技術平臺的建設成本。當然，強大的信息技術平臺的建設并非虛擬科研組織建設的全部工作，在研究型大學中進行虛擬科研組織的組建與運行絕非是對傳統科研組織的拋棄與背離。虛擬科研組織并非因其“虛”而注定是虛體的存在，經過數代人的積累，研究型大學積淀了豐富的智力資源、信息資源和設備資源，這些實體資源是虛擬科研組織存在的基礎。只有充分利用和整合已有的實體資源，虛實結合，研究型大學虛擬科研組織的組建與運行才能真正走向形神兼備。
基金項目：本文系山東省教育廳人文社科研究項目“信息時代研究型大學的學術組織創新”（編號：J10WH73）及中國海洋大學本科教育教學研究課題“泛在學習視角下大學生學習環境的構建及運行研究”（編號：2012JY33）的研究成果。
論文摘要：英國科學家約翰·貝丁頓于 3 月 18 日在英國《衛報》發表文章稱，氣候變化和人口增長將導致食品、水和能源短缺，進而引發大規模移民、公共騷亂和國際沖突。如果未來數年內沒有充分準備的話，到 2030 年，世界將面臨“完美風暴”，出現大的動蕩。為了評價和印證約翰·貝丁頓的預言我們建立數學模型進行了對預言的評價，這對人們有警示和教育的現實意義。
對于人口的增長問題，我們分別用logsitic阻滯增長模型和灰色系統模型進行了預測分析，結果表明logistic阻滯增長模型得出的結論與約翰·貝丁的預測符合較好，得出 ，2020年世界人口預測將達到80.86億。由一些有效數據，建立合理的灰色系統模型對未來的2030年糧食儲存量進行推算，得出2030年的糧食儲存量，從而論證了約翰．貝丁頓提出的觀點是科學的。能源問題我們建立了灰色系統模型進行了分析，結果得出是。
得出個個子模型關系后再采用主成份分析法，得出最終的貢獻率，個個變量因子對于結果的貢獻率。然后用BP神經網絡綜合分析了完美風暴。
在2030年，資源和糧食都同時短缺，也就是說按現在這個程度發展在2030年將發生食品、水和能源短缺，如果未來數年內沒有充分準備的話，到 2030 年，世界將面臨“完美風暴”，出現大的動蕩。人口的持續增長將會在未來 20 年里引發對食品、水和能源的大量需求，與此同時，各國政府還必須應對氣候變化。所有這一切都將同時到來。據貝丁頓教授說，再過 20 多年，全球人口將增加到大約 83 億。僅此一點，就意味著全球資源需求將在未來變得更大。貝丁頓博士警告說，資源短缺壓力將急劇增加，氣候變化將使問題惡化。目前，全球的糧食儲存量太小，只有年消費量的 14%，一旦發生干旱或者洪災，糧食就會嚴重短缺。他說：“我們的糧食儲備是 50 年來最低的，到 2030 年，我們對糧食的需求會增加 50%，同時，我們對能源的需求也會增加 50%，淡水的需求會增加 30%。”我們的創新之處在于：一.利用灰色系統進行了對世界人口的預測。二.利用主成份分析法給出了個個變量之間的關系。三. 運用BP神經網絡進行了對于完美風暴的預測。
一.問題的重述
貝丁頓說，人口的持續增長將會在未來 20 年里引發對食品、水和能源的大量需求，與此同時，各國政府還必須應對氣候變化。所有這一切都將同時到來。據貝丁頓教授說，再過 20 多年，全球人口將增加到大約 83 億。僅此一點，就意味著全球資源需求將在未來變得更大。貝丁頓博士警告說，資源短缺壓力將急劇增加，氣候變化將使問題惡化。目前，全球的糧食儲存量太小，只有年消費量的 14%，一旦發生干旱或者洪災，糧食就會嚴重短缺。他說：“我們的糧食儲備是 50 年來最低的，到 2030 年，我們對糧食的需求會增加 50%，同時，我們對能源的需求也會增加 50%，淡水的需求會增加 30%。”
21世紀是人類發展最快的時期，也是我們引領世界的輝煌時期。 近幾年來，科學技術的迅猛發展加速了人類文明的繁榮。同時亦增強了人類對自然環境的影響能力，引起了全球各種問題出現了突出的矛盾，成為社會最嚴重的挑戰。正如英國科學家約翰．貝丁頓于3月18日所說，由于氣候變化和人口增長將導致食品、水和能源短缺，從而引發大規模移民、公共騷亂和國際沖突，最終在2003年造成“完美風暴”的發生。并且，約翰．貝丁頓也提出，我們的糧食儲備是50年來最低的，到2030年，我們對糧食的需求會增加50％，同時，我們對能源的需求也會增加50％，淡水的需求會增加30％，問題由此而生，約翰．貝丁頓提出的觀點是否科學，我們有必要根據資料對此觀點進行驗證。我們以人口與糧食的關系為重點進行論述，假如，到2030年，我們對糧食的需求會增加50％。則在人口隨著年份的增加而按照阻滯增長模型進行增長，同時在每年糧食總量不變下，糧食貯存量的變化和糧食消費量的變化建立三者的關系。
二．問題的分析
2.1對問題背景的分析
如今，由于氣候的變化以及人口的迅速增長使得食品、水和能源的短缺，并且人類的生活環境變得更加惡劣，如果長此以往，戰亂與國際沖突，將隨時可能爆發，人類的生存面臨這巨大的挑戰。所以，對現在人類生活環境狀況的評估是非常具有必要性的，同時對于人口增長、能源、糧食和淡水的需求預測也是很有必要的，因為只有做好了，預測分析工作，才能夠對未來的發展趨勢由很好的了解，對與制定補救措施具有很大的幫助。
2.2對約翰· 貝丁頓觀點的論證分析
對于文中約翰· 貝丁頓所提到的，人口、能源、糧食和淡水需求量到2030年會發生重大變化。為了來論證這一觀點的正確性，首先就是搜集相關的數據，然后利用相關的模型對上述四個因子分別進行預測。通過模型所得到的預測值來判定約翰· 貝丁頓觀點的正確性。
2.3對人口、能源、糧食、淡水之間關系的分析
研究人口、能源、糧食、淡水之間關系的意義在于對運用于人類生存危機狀況量化處理的模糊綜合估計方法中權值矩陣的確定起到關鍵作用，所以，通過利用主成分分析法可以求出四者之間的相關性，并且通過相關性可以構建四者之間的函數關系。
2.4對“完美風暴”危機預測模型的分析
人類生存環境的危機狀況是一個抽象的概念，沒有具體數值來表示。那么，對于這種情況，我們必須找到一種方法，使這種危機的狀況能夠被量化，于是我們選擇用風險度來描述風險和時間的關系。
在得到每一年的危機狀況的估計量化值（模型中我們稱為危險評判參數）后，我們可以通過構建世界人口、能源、糧食和淡水需求量這四個因子與所求得的量化值之間的關系，于是利用BP神經網絡來構建兩者之間的輸入輸出關系，并且通過BP神經網絡的網絡訓練模擬功能，可以預測出2030年人類生存環境的危機狀況，以此進行判斷“完美風暴”發生的可能性。
三.模型的建立以及求解
I.主成分分析法分析完美風暴一．世界人口增長的預測
3.1 logistic阻滯增長模型預測世界人口
3.1.1模型的準備
表3.1.1 世界人口隨時間變化
1970至2006年世界人口統計（單位：萬人）
年份
人口（萬人）
1990
528500
1991
538500
1992
548000
1993
557200
1994
562980
1995
571606
1996
574560
1997
584590
1998
589848
1999
597773
2000
605412
2001
613010
2002
619973
2003
627252
2004
636969
2005
644598
2006
651776
圖3.1.1世界人口隨時間變化
用EXCEL可以畫出以上圖形，雖然看起來是線性的，是由于縱坐標取值比較大的緣故，實際上并非是線性的，并且是符合logistic阻滯增長增長模型的。
表3.1.1b近幾年世界總人口情況
年份
年總人口數(億)
出生率(%)
死亡率(%)
自然增長率(%)
1991
53.84
27
9
1.7
1992
54.2
26
9
1.7
1993
55.06
26
9
1.6
1994
56.07
25
9
1.6
1995
57.02
24
9
1.5
1996
57.71
24
9
1.5
1997
58.4
24
9
1.5
1998
59.26
23
9
1.4
1999
59.82
23
9
1.4
2000
60.67
22
9
1.4
2001
61.37
22
9
1.3
2002
62.15
21
9
1.3
2003
63.14
22
9
1.3
2004
63.96
21
9
1.3
3.1.2模型的假設
（1）世界人口的增長符合logistic阻滯增長模型，可以用此模型求解.
3.1.3logistic阻滯增長模型的建立以及求解
于是有：
（1）
對 的一個最簡單的假定是，設 為 的線性函數，即
（2）
設自然資源和環境條件所能容納的最大人口數量 ，當 時人口不再增長，即增長率 ，代入（2-2）式得 ，于是（2-2）式為
（3）
將（2-3）代入方程（2-1）得：
（4）
解方程（2-4）可得：
（5）
3.1.3模型的求解
為了對以后一定時期內的世界人口數做出預測，我們首先從世界銀行數據庫上查到世界人口從1990年到2007年部分年份總人口的數據
（1）將1990年看成初始時刻即 ，則1991為 ，以次類推，以2007年為t=7作為終時刻。用函數（5）對表3.1.1中的數據進行非線性擬合，運用Matlab編程得到相關的參數 ，可以算出可決系數（可決系數是判別曲線擬合效果的一個指標）：
可以算出可決系數 得世界部分年份人口變化趨勢的另一擬合曲線：
（2-7）
進行預測得（單位：千萬）：
X(20)=80.86
表3.1.3 各年份世界總人口用不同擬合曲線預測數（單位：億）
由上表可以看出：在2020年總人口就已經超過了80.86億,比較接近的預測。
3.1.4型的誤差檢驗
在估計阻滯增長模型的參數時沒有用到2000年的實際數據，是為了用它做模型檢驗。我們用模型計算的2007年世界人口總數與已知的實際數據相比較，來檢驗模型是否合適。
經計算，誤差僅為0.0186%，故可以認為該模型的精度是很高的。
其中算法及程序見附錄
3.2 灰色系統模型預測世界人口
灰色系統理論的微分方程為GM模型，GM(1，1)表示1階，1個變量的微分方程模型.
記原始數據序列 \* MERGEFORMAT 如下：
\* MERGEFORMAT
它的時間響應序列為：
\* MERGEFORMAT
其中， \* MERGEFORMAT
即： \* MERGEFORMAT
因此通過計算得：表3 \* MERGEFORMAT 的值
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
53.84
108.04
163.1
219.17
276.19
333.9
392.3
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
451.56
511.38
572.05
633.42
695.57
758.71
822.67
然后計算 \* MERGEFORMAT 的緊鄰均值生成序列 \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
其中， \* MERGEFORMAT
計算得到：表4 \* MERGEFORMAT 的值
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
53.84
80.94
135.57
191.135
247.68
305.045
363.1
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
421.93
481.47
541.715
602.735
664.495
727.14
790.69
我們稱方程 \* MERGEFORMAT 為灰色GM(1，1)模型，其中 \* MERGEFORMAT 是需要通過建模求解的參數，若 \* MERGEFORMAT 為參數數列，且 \* MERGEFORMAT 其中 \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT 則求微分方程 \* MERGEFORMAT 的最小二乘估計系數列，滿足
\* MERGEFORMAT
稱 \* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT 為灰微分方程， \* MERGEFORMAT 的白化方程，也叫影子方程.
因此，根據上述所說則有
1.白化方程 \* MERGEFORMAT 的解或稱時間響應函數為 \* MERGEFORMAT
2.GM(1，1)灰微分方程 \* MERGEFORMAT 的時間響應序列為 \* MERGEFORMAT
3.取 \* MERGEFORMAT ，則 \* MERGEFORMAT
4.還原值
\* MERGEFORMAT
根據方程對參數的 \* MERGEFORMAT 作最小二乘估計，得
\* MERGEFORMAT (21)
設 \* MERGEFORMAT
由于 \* MERGEFORMAT ，可得GM(1，1)模型的白化方程為
\* MERGEFORMAT (22)
它的時間響應式為
\* MERGEFORMAT
由此得模擬序列
\* MERGEFORMAT
相應的值為： \* MERGEFORMAT 的值
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
53.84
54.52
55.25
56.00
56.75
57.51
58.28
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
59.07
59.86
60.66
61.48
62.30
63.14
63.99
灰色系統模型的檢驗
定義1.設原始序列
\* MERGEFORMAT
相應的模型模擬序列為：
\* MERGEFORMAT
殘差序列：
\* MERGEFORMAT
相對誤差序列：
\* MERGEFORMAT
1.對于 \* MERGEFORMAT ，稱 \* MERGEFORMAT 為k點模擬相對誤差，稱 \* MERGEFORMAT 為濾波相對誤差，稱 \* MERGEFORMAT 為平均模擬相對誤差；
2.稱 \* MERGEFORMAT 為平均相對精度， \* MERGEFORMAT 為濾波精度；
3.給定 \* MERGEFORMAT ，當 \* MERGEFORMAT 成立時，稱模型為殘差合格模型.
定義2 設 \* MERGEFORMAT 為原始序列， \* MERGEFORMAT 為相應的模擬誤差序列， \* MERGEFORMAT 的絕對關聯度，若對于給定的 \* MERGEFORMAT ，則稱模型為關聯合格模型.
定義3 設 \* MERGEFORMAT 為原始序列， \* MERGEFORMAT 為相應的模擬誤差序列， \* MERGEFORMAT 為殘差序列.
\* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT
1.稱 \* MERGEFORMAT 為均方差比值；對于給定的 \* MERGEFORMAT ，當 \* MERGEFORMAT 時，稱模型為均方差比合格模型.
2.稱 \* MERGEFORMAT 為小誤差概率，對于給定的 \* MERGEFORMAT ，當 \* MERGEFORMAT 時，稱模型為小概率模型合格模型.
表3.2.1精度檢驗登記參照表
精度等級
相對誤差
關聯度
均方差比值
小誤差概率
一級
0.01
0.9
0.35
0.95
二級
0.05
0.8
0.5
0.8
三級
0.1
0.7
0.65
0.7
四級
0.2
0.6
0.8
0.6
由已知數據我們算出的結果為
表 3.2.2殘差序列
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
-0.32
-0.19
0.07
0.27
0.20
0.12
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
0.09
-0.04
0.07
-0.11
-0.15
-0.03
\* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT
計算得平均相對誤差： \* MERGEFORMAT
模擬誤差： \* MERGEFORMAT .精度為一級
計算 \* MERGEFORMAT 與 \* MERGEFORMAT 的灰色關聯度 \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
精度為一級
計算均方差比
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
所以，由 \* MERGEFORMAT 均方差比值為一級計算小誤差概率
由 \* MERGEFORMAT
表 3.2.3 計算得出的 \* MERGEFORMAT 的值
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
0.001428
0.318571
0.188571
0.071428
0.271428
0.201428
0.121428
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
0.091428
0.038571
0.071428
0.108571
0.022285
0.000857
所以 \* MERGEFORMAT 小誤差概率為一級.
故可以用
\* MERGEFORMAT 來進行預測.
預測的結果為
表 3.2.4預測的世界人口總數
年份
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
總人口（億）
64.84
65.72
66.59
67.49
68.39
69.32
70.24
年份
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
總人口（億）
71.19
72.14
73.11
74.09
75.08
76.09
77.11
年份
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
總人口（億）
78.14
79.2
80.26
81.34
82.43
83.54
84.66
年份
2026
2027
2028
2029
2030
總人口（億）
85.79
86.95
88.11
89.3
90.49
由于灰色模型對于近期的預測較準確，但是隨著時間的推移，未來的不確定因素將增多，從而對所產生的值會產生，一定得波動，影響測量的精確性.因此我們這里采用改進的DGM(1，1)離散灰色預測模型對數據進行改進，因為離散灰色模型具有很好的穩定性，因此對于中長期的預測會產生很好的效果.
二，能源問題的預測：
石油的多少往往還和一個國家的經濟水平，經濟發展聯系在一起，大多數國家為了擴大GDP值，盲目的開發開采石油，造成大量的浪費和污染問題.因此我們可以同時預測國家的GDP和石油的消耗量.
石油隨時間變化規律曲線
a坡度分析
設原始序列：
(39)
其中，， 稱為非等間距序列.
記： (40)
定義1 設
其中，則稱式(1) 為非等間距序列第 區間的坡度.那么平均坡度即為：在灰色系統的擬合過程中， 坡度平滑的區間精度較高， 但在坡度波動較大的區間，其擬合值與原始數據的偏差較大.從減小非等間距間數據的波動考慮， 對非等間序列進行坡度優化分析， 可以通過局部插值來消除當坡度有較大波動時所產生的較大的誤差.
b模型的求解
自變量序列， 經坡度優化分析后， 將第個區間的坡度平均坡度進行比較， 將第 區間作 \* MERGEFORMAT 插值， 可得到新的自變量序列： (42)
式中，為第個區間內的第節點.用線性插值計算所插入節點處的函數值：
(43)
其中， .原始序列
插入若干數據后變成新的序列：
分析非等間距序列的區間， 并對其進行合理地插值， 其實質是修正了數據波動所引入的誤差，因而能更好地反映出數據的變化趨勢，從而可大幅度地提高擬合和預測精度.
c以新序列為原始序列建立灰色距模型
記原始時間序列 為：
(45)
若其中.則稱 為非等間距序列 的一次累加生成(1—A GO ) 序列.
定義2 當 接近于指數規律變化時， 白化微分方程為：
式中， 為發展灰數； 為內生控制灰數.設為待估參數向量，， 利用最小二乘法求解得：其中
將 時間響應離散化， 得：
L
(6)將值代入離散模型計算預測累加值 ， 并還原為預測值：
其中
通過灰色模型可求得兩者的預測響應函數分別為：
通過計算可以得到相應的預測值.可求得1970～ 2004 年世界能源總消耗量預測響應函數的后驗差， 平均相對誤差 ， 小概率事件； 世界GDP 預測響應函數的后驗差， 平均相對誤差， 小概率事件.可知此模型精度為一級.能源消費增長同經濟發展之間有一定的依賴關系.通常把能源消費年平均增長率與國民生產總值年平均增長率之比稱為能源消費彈性系數.從上述數據可得到世界能源消費總量和GDP總量的回歸方程為：
相關系數為0.9922，線性關系明顯相關數據和運算過程程序見附錄
圖1 原油隨時間的圖
三．用灰色系統對糧食問題預測
在將來，新興經濟體需求、能源價格上漲、氣候變化、糧食出口限制改變糧食供需關系，增加糧價不確定性，世界糧食價格是長期問題！
糧食價格將可能繼續攀升，至少會維持在高位.聯合國糧農組織在2008年1月份預測，今年全球主要糧食作物的產量將會低于需求量約3000萬~4000萬噸，約占全年總產量的1.5%~2%左右.另一方面，全球糧食庫存在最近30年間不斷下降，2007年已經降到了30年來的最低點.供需結構和庫存水平共同決定了將來的糧食價格走勢.
在短期，也有很多因素促使糧價上漲.石油價格的上漲已經是一種不可避免的趨勢，如果在此基礎上進一步上升，就會使得糧食價格出現上漲.另外，異常氣候的因素可能使糧食短缺問題雪上加霜，可能會使將來的糧食價格產生巨大震蕩.
最后，從長期來看，目前的糧食價格上漲的趨勢將會持續.根據資料顯示，在10年之內谷物價格將至少上漲10%，可能達到20%.對于更長遠的將來如果沒有大的變動的話，糧食價格將進一步上漲.
我們通過對近幾年的世界糧食總產量和消費總產量，對現在存在的糧食問題以及到2030年糧食的消耗問題進行預測.
我們根據1990年到2007年的數據分別對以后的糧食生產量和消耗量進行預測.
圖1糧食生產與消耗的總量圖
圖2 糧食需求量隨時間變化
通過圖2我們可以看到，近幾年谷物的生產量與消耗量大體相當，幾乎沒有剩余量或者出現虧損的局面，至于2007，2008年是全球谷物大豐收，糧食產量得到很大的提高，計算時沒有太大的根據性，因此我們舍棄07，08的數據對以后幾年到2030年的糧食總產量和消耗量進行預測分析.應用灰色預測模型，我們最終得出的結果是：
谷物生產量（億噸）
23.63
谷物消耗量（億噸）
26.2
我們可以看到到那時，每年生產地谷物根本不夠實際消耗的谷物的總量，庫存量以消耗殆盡，對于其他的糧食作物，我們可以近似的認為它們和谷物有同樣的屬性，在產量和消耗上，沒有太大的區別.都是以同樣的趨勢變化，因此，到2030年全球將出現大的糧食危機問題.到時由于缺少糧食將發生不可預料的后果.
四．氣候問題：
全球氣候問題主要是伴隨著人口的急劇增長、森林的過度砍伐、資源的粗獷性利用，而造成溫室氣體比例升高，全球變暖，進而引發冰川融化、局部地區發生海嘯，干旱和洪澇等惡劣的氣候變化和對生態的破壞.所以氣候問題可以粗略的分為森林危機和全球變暖.
五．森林危機：
森林有“地球之肺”的美譽，可以凈化空氣、生產氧氣；有著改變低空氣流，有防止風沙和減輕洪災、涵養水源、保持水土的作用.而且是許多動物的棲息地，也是多類植物的生長地，是地球生物繁衍最為活躍的區域.特別是對氣候有很好的調節作用，但目前全球森林覆蓋面積的變化的形勢很不容樂觀，“地球之肺”已布滿斑痕：
全球森林主要集中在南美、俄羅斯、中非和東南業.這4個地區占有全世界60%的森林，其中尤以俄羅斯、巴西、印尼和民主剛果為最，4國擁有全球40%的森林.
聯合國環境規劃署報告稱，有史以來全球森林已減少了一半，主要原因是人類活動.根據聯合國糧農組織2001年的報告，全球森林從1990年的39.6公頃下降到2000年的38.億公頃.全球每年消失的森林近千萬公頃.
即使從1990年至2000年的10年間，人工林年均增加了310萬公頃，但熱帶和非熱帶天然林卻年均減少1250萬公頃.收集資料分析得到下面幾個地區的森林現狀：
南美洲共擁有全球21%的森林和45%的世界熱帶森林.僅巴西一國就占有世界熱帶森林的30%，該國每年喪失的森林高達230萬公頃.根據世界糧農組織報告，巴西僅2000年就生產了1.03億立方米的原木.
俄羅斯2000年時擁有8.5億公頃森林，占全球總量的22%，占全世界溫帶林的43%.俄羅斯上個世紀90年代的森林面積保持穩定，幾乎沒有變化，2000年生產工業用原木1.05億立方米.
中部非洲共擁有全球森林的8%、全球熱帶森林的16%.1990年森林總面積達3.3億公頃，2000年森林總面積3.11億公頃，10年間年均減少190萬公頃.
東南亞擁有世界熱帶森林的10%.1990年森林面積為2.35億公頃，2000年森林面積為2.12億公頃，10年間年均減少面積233萬公頃.與世界其它地區相比，該地區的森林資源消失速度更快.
而更為令人擔憂的事實是，在亂砍濫伐盛行的同時，非法砍伐也在大行其道.在非洲，加納有1/3原木為非法采伐；喀麥隆的大多數木材公司都參與非法木材貿易.印度尼西亞有70%的出口木材來自非法采伐，每年高達6000萬立方米.俄羅斯每年從遠東地區非法采伐的木材約150萬立方米，森林受盜伐的面積逐年擴大.
六．氣候變暖：
現階段大氣中CO2濃度已近災難臨界點，據相關氣象觀測和科學研究表明，1 750年大氣中的CO2體積分數為 \* MERGEFORMAT ， 2005年增加到 \* MERGEFORMAT 為65萬年來最高，并且CO2仍以每年 \* MERGEFORMAT 的速度增長.《應對氣候挑戰》最新報告指出：當全球平均氣溫比1750年時升高2℃后，引發災難的臨界點就會出現.研究發現，大氣中CO2體積分數達到 \* MERGEFORMAT 后，氣溫升高2℃就不可避免.CO2體積分數依照目前的增長速度，10年內就會跨過 \* MERGEFORMAT 這一門檻.近年來氣候變化之快是過去一萬年所沒有的.照此計算到2030年時大氣中CO2體積分數達到 \* MERGEFORMAT ，氣溫將升高3℃左右，給人類帶來無窮的災難：
氣候變暖，不僅僅是氣溫的高低問題，首先引發的是全球性的環境問題，進而涉及到人類社會生產、消費和生活方式以及生存空間等社會發展各個領域的重大問題，甚至危及人類的發展與生存.數據顯示氣候變化構成的威脅“接近核威脅”，這種威脅的效果“也許在短期內不如核爆炸造成的毀滅那樣強烈”，但“今后30 年或40 年的氣候變化可能對人類的棲息地造成急劇傷害”.尤其是20 世紀80 年代以來，環境問題逐漸從區域性、局部性向全球性、整體性擴展，出現了全球性的生態環境危機，氣候變化對世界全方位、多尺度和多層次的影響.隨著氣候的持續變暖，極端氣候事件在世界各地頻繁發生，對自然生態系統和人類生存環境直接產生了嚴重影響.
七冰川融化，海平面上升
伴隨近百年來的氣溫升高，全球冰川普遍退縮.阿爾卑斯山1850—1975年冰川面積縮小了35%，而到2000年，這一比例增至50%；喜馬拉雅冰川正以每年10~15 m 的驚人速度后退；而支撐印度最大的河谷盆地干戈特里（Gan-gotri）冰川也正以每年約30 m的速度后退.未來50 年，我國青藏高原多年凍土空間分布格局將發生較大變化，大多數島狀凍土退化，季節融化深度增加邁克.贊普（MichaelZemp）稱，在受到熱浪沖擊的2003 年夏天，就有7英寸厚的冰川融化.Michael Zemp等采用遙感、數字地形和數字模擬技術，預測結果為夏季升溫3℃， 可使阿爾卑斯山現存的冰川減少80%，而上升5℃，則該地區的冰川消失.高山、高原湖泊中，一些依賴冰川融水補給的小湖，最終可能因冰川融水減少而消失.冰川徑流對氣候變化的反應要比河川徑流更加敏感.海平面上升、海岸線后退是世界沿海各地都面臨的一場危機，對沿海、海島地區的生態及居民生產、生活將造成嚴重威脅.格陵蘭冰蓋如果完全融化，將使海平面上升7 m.專家預測，在印度尼西亞約1.8 萬個島嶼中，約2 000個島嶼將在30年內因氣候變化而被海洋吞噬；地勢較低的南大洋國家要求島民為徹底遷移作準備.
八．加劇旱澇及其他氣象災害：
氣候變暖影響到氣壓的正常波動和洋流的規則運動，大氣環流因此而局部變化，由此帶來的降水、風暴及氣溫分布失常，使地表徑流、旱、澇災害頻率加快加劇.
九．空氣質量惡化
氣溫上升會增加地面臭氧含量，而臭氧是煙霧的主要成分，導致空氣質量進一步下降.
氣候變化與經濟社會發展息息相關，未來氣候變化對經濟社會發展造成的影響日益明顯，甚至對國家的興亡和各行各業的發展都會帶來風險.全球變暖，正成為世界各國政府都不得不正視的問題.圖1表示的是以1861—1900年全球平均地表氣溫為基點，截至2005年全球平均地表氣溫的變化.可以看到，與上世紀初相比，到2005年全球平均地表氣溫上升了近1攝氏度.氣象學家預測，氣候變化會影響到人類的基本生活元素——水的獲得，糧食生產，健康和環境.隨著全球變暖，數以億計的人將遭受饑餓，水資源匱乏和沿海洪水的威脅.2006年英國政府的斯特恩報告對全球變暖可能造成的經濟影響給出了迄今為止最為全面的評估.
如果不立即采取強有力的措施，森林的砍伐和溫室氣體的排放用現在變化趨勢來衡量，2030年時人類的生產、生活、生存將會受到前所未有的威脅.
十．移民問題：
（一）國際移民的規模與分類：
國際移民指在原籍國以外的國家居住超過一年以上的人.近年來，全球移民的人數呈逐年增長的趨勢.據聯合國人口署統計，國際移民在1970 年只有8200 萬人，2000年迅速增至1. 75億.1980—2000 年， 發達國家接納的移民人數從4800萬劇增至1. 1億，發展中國家接納的移民人數也從5200萬增至6500萬.目前國際移民人口已接近2億，約占全球人口總數的3% ，而且這支隊伍還在快速擴大.聯合國2006年的《國際遷徙與發展》報告就此指出：“人類已經進入第二個遷徙時代.”國際移民分為四種劃分方式：
第一，分為自愿移民和被迫移民，前者或出于追求更好生活條件或與家庭團聚而移民，后者則指因人道主義災難、種族清洗、戰爭等被迫離開家園.
第二，分為經濟移民和政治移民，前者因就業或追求更多經濟利益移民，包括熟練工、非熟練工、臨時工、客籍工 等，后者則因逃避戰爭或政治迫害移民.
第三， 分為合法移民和非法移民，國際移民委員會(IOM)統計世界每年大約新增400萬非法移民，占移民總數的30—50%，其中約半數的非法移民牽涉偷渡、人口走私等國際犯罪活動.
第四，分為永久移民和短期移民，前者以永久居住為特點，后者包括客籍工、季度工等.
(二)當前國際移民的特點：
首先，分布呈現不平衡態勢.從移民去向看， 2005 年的數據顯示， 美國等發達國家仍是世界移民優先選擇的定居國.
圖13 移民的分布
2005年移民最多的國家人數分布
國家
美國
俄羅斯
德國
烏克蘭
法國
移民人數/萬
3840
1210
1020
680
650
其次，難民、非法移民是數量龐大的特殊移民群體.目前， 2億的國際移民中包括生活在發展中國家的920萬名難民，巴基斯坦的難民最多，人數超過100 萬.2000—2004 年， 世界難民人數增長了24%；僅2004年，尋求難民庇護者就達67. 6萬， 比2003年劇增19%.
此外， 非法移民問題也愈演愈烈，成為令各國政府頭疼的難題.目前，美國現有非法移民約1000萬，每年新增50萬左右；歐洲的非法移民超過500萬， 約占其移民總數(5600萬)的10%.再次，移民特別是非法移民自身人身安全和權利保護狀況堪憂.第一，移民特別是非法移民的人身安全面臨很大威脅.非法移民由于得不到法律承認，在非法穿越邊界時面臨被“蛇頭”拋棄和遭到其他意外傷害的危險.其次，移民的工資待遇和勞動條件得不到保障，被剝削和虐待情況時有發生.相較本地工人，移民勞工特別是非法勞工的工作條件普遍缺乏安全保障和醫療福利保障，超時工作屢見不鮮，經歷工傷事故的幾率很大；許多非法移民被走私者控制，無法自主地選擇工作，甚至被強制或脅迫從事，其中婦女和兒童的境況尤其糟糕.第二，移民的社會地位仍然偏低.移民被看成是對所在國經濟的臨時補充力量.盡管在定居國居住多年并承擔著很多公民的義務和責任(如按時向所在國納稅等) ，很多移民非但未獲得公民權，也未獲得和本地居民同等的法律地位.由于宗教、文化和價值觀的差異，移民也容易在政治和文化上遭遇排斥和邊緣化.如果一些當地團體刻意煽動對移民的歧視和仇恨，定居國社會對外來移民的恐懼和偏見情緒將更加強烈.
十一.淡水問題：
水危機是指自然災害和社會與經濟異常或突發事件發生時，對正常的水供給或水災害防御秩序造成威脅的一種情形.看待水危機的視角不同，建立的應對機制與做出的決策將大不相同.根據國外經驗，一個國家用水超過其水資源可利用量的20%時，就很有可能發生水危機.
水是哺育人類的乳汁.沒有水的哺育，就沒有生命的繁衍；沒有水的世界，將是死亡的世界.地球上因為有了水，才變得生機勃勃.然而，由于種種原因，一方面人類對水的需求與日俱增，另一方面人為的浪費，使水資源不斷枯竭.水資源危機將成為2 1 世紀人類面臨的最為嚴峻的現實問題之一.
世界水資源及其發展趨勢：地球上水的儲量很大，但淡水只占2.5%，其中易供人類使用的淡水不足1%.據專家最新估計，全球陸地上可更新的淡水資源約42.75萬億 \* MERGEFORMAT ，其中易于使用的約12.5~14.5萬億 \* MERGEFORMAT .按1995年人口統計，全球人均淡水資源約7450 \* MERGEFORMAT ，其中易于使用的淡水人均約2180 ~2440 \* MERGEFORMAT .可見，地球上的淡水資源是有限的.
我們取12.5萬億 \* MERGEFORMAT 進行計算，很容易得出，到2030年時，我們的人均占有水量為1381.376045 \* MERGEFORMAT （取人口總量為：90.45948億）
表13 水量的影響
人均占有水量 \* MERGEFORMAT
1700
1000
500
產生影響
水壓力
水短缺
水危機
這是我們不考慮水的需求會增加、水資源會浪費產生的結果，這時已經處于水壓力狀態了，如果加上各方面的原因，最后的結果將遠遠小于這個值，很有可能達到水危機的地步！
水的需求隨人口和經濟發展而迅速增長.從1940－1990年，在50年時間內，全球總用水量增加了4倍.1995年全球用水總量已達36000億m3，人均 用水628 \* MERGEFORMAT ，約占易用淡水資源量的27~30％.
水資源在地球上的分布是很不均勻的，有的地方多，有的地方少.據聯合國調查，全球約有4.6億人生活在用水高度緊張的國家或地區內，還有1／4人口即將面臨嚴重用水緊張的局面.
隨著社會經濟的發展，人類對水資源的需求量不斷增大.本世紀以來全世界淡水用量增長了8倍，其中農業用水增長了7倍，城市用水增長了12倍，工業用水增長了20倍，而且世界淡水用量以每年 5％的速度遞增.目前世界上大約有90個國家，40％的人口出現缺水危機，30億人缺乏用水衛生設施，每年有300萬到400萬人死于和水有關的疾病.到2025年，水危機將蔓延到48個國家，35億人為水所困.水資源危機帶來的生態系統惡化和生物多樣性破壞，也將嚴重威脅人類生存.過去50年中，由水引發的沖突共507起，其中37起有暴力性質，21起演變為軍事沖突.專家警告：隨著水資源日益緊缺，水的爭奪戰將愈演愈烈.
十三..綜合影響：
如下圖所示，這些綜合的原因共同導致了2030年“完美風暴”的發生，它們不是相互獨立的個體，只要其中一個因素發生變化，相應的都會發生或大或小的變化，只是對于2030年來說，各種矛盾都匯集到了它的附近，致使產生不可估量的后果！
a.主成分分析法的建立
分析認為人作為一種主觀能動性很強的群體，相對于能源，糧食，淡水有著很大的不同，現在我們就通過主成分分析法來定量的研究人口，能源，糧食，淡水，這幾個因子之間的關系，并以人作為事件結果，其他的作為影響因素主成分分析是現代統計分析中的一種有效方法。假設某一個現象受多個因素同時影響，則可以考慮采用主成分分析法，有大量的實測數據中識別到底哪些因素對其發生產生主要的作用。
基本思想如下：把原來的各個指標化為可數的幾個互不相連的（或相互獨立）的綜合指標，達到數據化簡、揭示變量之間的關系和進行統計。
詳細的計算步驟:
(1)數據標準化變換
設實際觀測了 個 維樣本：
將 通過以下的標準化變換化為矩陣 的過程，稱之為標準化變換。
其中
（2）求相關矩陣
現引進相關矩陣：
按照以上的公式利用數學軟件，比如Matlab計算出相關矩陣。
（3）求相關矩陣 的特征值與特征向量
可以使用軟件,也可以使用迭代法求 的特征值與特征向量。用迭代法的具體步驟如下：
a）求 的各列之和，記為：
；
b) ，構造向量 作為初始迭代向量；
c) 計算 ，其各個分向量記為 ,取 ，作向量 ；
d) 按（c）做法進行迭代，則 ， 中的各元素的最大值即趨向于第一特征值 ， 即是第一特征向量；
e)求主成分，對 作正則變換，即得 對應的單位特征向量 ，并且記 ，則 的各分量分別代表 的第一主成分， 刻畫了第一主成分的貢獻率
求第二主成分：用相關矩陣 與 ， 計算矩陣
則 仍是 階對稱矩陣，按照前面的1）到5）的方法，相應計算出 ，同理求出 ；
f)按照上面的方法依次求出 。
其中，主成分貢獻率： ，累計貢獻率：
如果 個特征值的累計貢獻率大于某個預期的目標，如85%～95%，則可以認為這 個因素是原問題的主成分，這時，原來的問題的因素減少，研究問題的維數就相應的降低了。
Ⅱ.基于BP神經網絡的“完美風暴”危險預測模型 一．輸入輸出數據的歸一化處理
由于BP神經網絡訓練樣本集中輸入、輸出（目標）樣本參數的絕對值離散性有時太大或過于集中，在網絡權值矩陣誤差函數逼近過程中，易產生局部誤差最優或誤差震蕩等缺陷（如右圖示）。必須對輸入、輸出進行歸一化處理，防止在網絡權值矩陣誤差函數訓練時不會進入局部誤差最優或誤差震蕩等缺陷區域。此外，歸一化處理可以使得具有不同物理意義和量綱的輸入變量賦以同等重要的地位，避免數值大的變量掩蓋數值小的變量，避免神經元飽和，保證網絡的收斂性，提高網絡的收斂速度。歸一化處理：我們可采用下列公式將數據壓縮在（0，1）的范圍內，
二.輸入／輸出向量設計及網絡層數的選取
人口、能源、糧食、淡水對應4個參數，顯而易見，輸入變量是一個4維的向量，同時由上一個模型得到了五個風險等級評判參數，所以輸出變量是一個5維的向量，即危險指數。在樣本中，由于各種數據都是實際的測量值，因此這些數據可以對網絡進行有效地訓練。如果從提高網絡的精度的角度出發，一方面可以增加網絡訓練樣本的數目，另一方面還可以增加網絡層數。由于樣本數目足夠，在此模型中我們建立三個BP網絡進行分析。
對于BP網絡，有一個非常重要的定理。即對于任何在閉區間內的一個連續函數都可以用單隱層的BP網絡逼近，因而一個三層BP網絡就可以完成任意的 維到 維的映射。
隱層的神經元數目選擇是一個十分復雜的問題，隱單元的數目與問題的要求、輸入輸出單元的數目都有直接關系。隱單元的數目太多會導致學習時間過長、誤差不一定最佳，也會導致容錯性差、不能識別以前沒有看到的樣本，因此一定存在一個最佳的隱單元數。根據Kolmogorov定理[2]，采用一個 的三層BP網絡作為狀態分類器。其中 表示輸入特征向量的分量數， 表示輸出狀態類別總數。由于 =4，我們得知隱層的神經元數目為9個。
三.學習速率與訓練方法的確定
學習速率決定每一次循環訓練所產生的權值的變化量。過大的學習速率可能導致系統的不穩定,但是過小的學習速率將導致訓練時間較長,收斂速度很慢,不過能保證網絡的誤差值趨于最小。一般情況下,學習速率的選取范圍在0.01～0.9之間。
為了保證系統的穩定性, 我們選擇網絡學習速率為0.05。鑒于自適應學習速率通過保證穩定訓練的前提下,達到了合理的高速率,可以減少訓練時間。在本題中，我們采用自適應學習速率（ ）訓練方法。
四.傳輸函數的選取
期望誤差的控制，通過對網絡訓練參數的設定實現。考慮到具體網絡訓練時的訓練精度和訓練時間，同時確保能夠對系統進行較好的預測，保證預測的實際精度，我們在網絡中使訓練次數極值 ,網絡訓練的誤差允許值 。
五.期望誤差的選取
期望誤差的控制，通過對網絡訓練參數的設定實現。考慮到具體網絡訓練時的訓練精度和訓練時間，同時確保能夠對系統進行較好的預測，保證預測的實際精度，我們在網絡中使訓練次數極值 ,網絡訓練的誤差允許值 。
六.訓練樣本的確定
我們選擇1987~2002年的世界人口、能源需求、糧食需求、淡水需求的統計數據為訓練樣本，以2003~2006年的數據為檢測樣本，歸一化后的訓練樣本請具體參考附錄4.
神經網絡模型為：
MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1)
式中，
----輸入層輸入列向量（ ）；
----隱含層輸出列向量；
----神經網絡的輸出值；
----輸入層到隱含層的權值；
----隱含層到輸出層的權值；
----隱含層的閾值；
----輸出層的閾值；
該模型可用圖直觀表示如下：
得到的神經網絡的權值矩陣請具體參考附錄6
四．模型結果及其分析
一.關于主成分分析法結果的分析
1.對于人口的預測兩個模型得出的結果都比較合理，和約翰提出的相吻合，得出80.86的值。
2.對于能源，水資源的預測也較為標準。
3.得出了個個因子對于總結果的貢獻率，結果在2030年發生完美風暴。
二.關于BP神經網絡結果的分析
得出的結果也和約翰的預言一樣，將在2030年完勝完美風暴。
三．.對2030年“完美風暴”進行預測結果
通過上述模型的構建，我們已經對1987至2002年十六年的世界人口、能源需求量、糧食需求量、淡水需求量的統計樣本與危險評判等級參數之間的關系進行了神經網絡的訓練，得到了能夠反應兩者之間的關系（是一個復雜的網絡結構，通過權值矩陣來表示特征），若對“完美風暴”進行預測，只要將2030年所預測的世界人口、能源需求量、糧食需求量、淡水需求量的值輸入神經網絡中，就會輸出相應的危險評判等級參數，于是根據參數就可以判斷“完美風暴”發生的可能性。
經上述工作，我們得到了2030年世界人口、能源需求量、糧食需求量、淡水需求量的預測樣本如下：
世界人口（萬人）
能源需求（標準油：萬桶）
糧食需求（萬噸）
淡水需求（億立方米）
931070
121412
25944
152137
通過神經網絡模型的模擬訓練的到以下五個危險評判等級參數：
表5.8 2030年危險評判等級參數
19.6700
13.6741
15.4244
24.5720
26.9043
四.對能源、糧食、淡水需求量、世界人口預測值的分析
通過各種模型我們預測出2030年世界人口、能源、糧食、淡水需求量的預測值，并且我們將以2006年的數據作為人類生活環境的現狀。
表1人類生活現狀與預測值對比
年份
2006
2030
世界人口（萬人）
651776
931070
能源需求量（標準油，萬桶）
83719
121412
糧食需求量（萬噸）
17770
25944
淡水需求量（億立方米）
96452
152137
通過上表的數據我們可以得到以下結果：
（1）世界人口達到93億，遠遠超過83億
（2）能源需求量增加45.09%
（3）糧食需求增加45.9%
（4）淡水增加57.7%
根據上面四個結果，初步論證了約翰• 貝丁頓的“完美風暴”理論的正確性。
五．對BP神經網絡的“完美風暴”預測值的分析
通過神經網絡的模擬可以得到2030年的危險評估等級參數，將表5.8與表5.7.1的比較不難發現，到2030年，人類生存系統的危險評估等級參數非常高，達到危險的級別，證明了“完美風暴”發生的可能性非常大。并且我們也預測出2030年至2040年的危險評估等級參數，得出隨著時間的不斷推移，“完美風暴”發生的可能性越來越大，人類生存的環境將變得更加危險、惡劣，結果如下：
2031
19.7421
12.2322
24.3235
23.4214
11.3444
2032
21.4323
21.2445
13.4326
21.4313
21.3254
2033
24.0521
28.6923
26.9076
28.8943
28.3772
2034
25.4890
28.0485
28.9985
20.4787
29.8473
2035
29.0982
29.7872
29.0785
20.8893
29.9746
2036
30.8741
34.8983
38.7658
32.8989
33.6786
2037
38.6482
38.9874
38.6985
30.9875
39.8786
2038
39.8185
35.7623
40.8392
38.8899
45.2989
2039
43.8972
42.9824
32.0835
41.9782
41.8974
2040
48.9878
49.7864
48.7676
44.4896
35.3254
六..對BP神經網絡的穩定性分析
鑒于模型的目的是為了預測，所以模型的穩定性顯得尤為重要，必須對模型進行穩定性分析。
BP算法是一個有效的算法，由于具有理論依據堅實、推導過程嚴謹、物理概念清晰和通用性好等特點，是當前網絡學習的主要算法。同時存在一些不足，主要有：訓練時間長，出現局部極小值，網絡結構難以確定等。本文在建立神經網絡模型過程中，通過預處理以及合理選擇訓練方法實現網絡收斂、避開局部極小值，有效地提高了模型的穩定性。
（1）數據正規化處理（歸一化）和Matlab工具箱函數prestd實現數據正規化，通過對樣本集數據參數和輸出樣本數據參數進行正規化處理，可有效防止網絡訓練進入局部誤差最小或誤差震蕩缺陷[14]；
（2）根據 進行設計隱含層節點數，有效設計網絡，保證訓練精度、減少訓練復雜度、縮短訓練時間
（3）考慮到數據樣本的隨機性和非線性性，采用對非線性問題解決較好的S型傳輸函數。S傳輸函數使得輸出值在0和1之間，使算法收斂速度加快，對每次訓練進行有效調整，達到加速收斂目的；
（4）傾向于選取較小的學習速率以保證系統的穩定性,學習速率的選取范圍一般在0. 01～0. 9之間。我們選擇網絡學習速率為0. 05 。
（5）采用traingdx訓練函數訓練，附加動量法使反向傳播減少了網絡在誤差表面陷入低谷的可能性有助于減少訓練時間。
綜上所述，本文建立的神經網絡模型通過合理的處理和有效的方法選取，確保BP網絡高精度快速收斂。確保預測模型的精度和健壯性。
五.模型的優缺點分析
模型的優點：
1、運用灰色預測模型它能夠根據數據的變化規律，較準確的預測數據.得出的數據有一定的準確度，并且模型檢驗好.
2、在此基礎上由于是對較長時間的預測，為了保證模型的穩定性，我們又運用了離散型的灰色預測模型，它能保證模型具有很好的穩定性，對于長期的預測也會較準確.
3、運用微分方程模型，在已知增長率的情況下，能很好的預測在將來人口等因素的變化，有很好的穩定性和準確性.
4、本文所用數據來自聯合國統計局、世界經濟年鑒和世界統計年鑒，具有很強的真實性與代表性；
5、本文在建立了基于主成分分析法的危機預測模型，將危機發生的標準進行了量化處理；
6、本文在預測人口增長時使用了組合預測模型，大大提高了模型的預測精度；
7、本文將原模糊問題具體劃分為若干問題，文章的思路清晰且具有很好的連貫性。
模型的缺點：
1.在建立危機預測模型時沒有完全考慮到所有的因素；
2.在考慮環境與氣候因素的影響時，只做出了定性的分析。
3.由于對較長時間的分析預測加上數據來源可能的不準確性，導致算出來的誤差增加；對于問題原因的討論不全面導致遺漏有些因素或者我們假設時忽略了一些因素，也可能造成誤差的增大.
總之，該模型實用性較強，可以印證約翰提出的論斷。
六．模型的改進方向
1.在主成分分析時增加變量因子，全面考慮，量化題目中給出的個個函數及其參數。
2.在算結果時對結果進行人為的修正。
七.寫給有關政府部門的報告
（一）能源可持續發展
1.當今能源的現狀
1994年末全球的一次能源的可采儲量為14277.34一噸標煤，其中煤占73.1%，石油占13.8%，天然氣占13.1%，而當年的開采量為104.481億噸標煤。靜態儲采比137年，即經過137年后，一次性能源將被開采完全。這絕不是危言聳聽，而是鐵一樣的事實，即使科技的進步使我們的開采技術提高，但是那也只是推遲期限，能源枯竭終究會到來，對此我們該怎么辦呢？要想從本質上解決能源問題，就要從能源的本身入手，積極開發新型能，就是一種有效而長遠的方法。風能，太陽能，地熱能，潮汐能，生物質能源都是新興的清潔可再生能源，各國要努力在這方面投資開發，使之形成產業化。比如在農村地區，利用秸稈和畜禽糞便發展沼氣，具有廣闊的前景。
2.提高公民的節能意識
公民的節能意識在解決能源問題中同樣扮演著重要的角色，在這方面挪威的方法就很值得借鑒。在挪威政府把增強公眾的節能意識作為可持續發展的重要一環。在書店及公共圖書館里常年擺放著各種免費的環保方面的宣傳資料，在中小學的教科書里也增加了相應的環境能源保護部分，政府還出臺一系列政策加強企業的節能意識。
3.加強國際之間的合作
21世紀，世界各國更加重視發展，事實早已表明，任何國家沒有發展就沒有前途。發展需要能源，而世界常規能源并不是取之不盡，用之不竭的。發展的迫切要求和能源的匱乏已經不只是某些國家的問題了，世界各國都必須面對能源短缺的現實。當前國際油價居高不下是世界各國所面臨的嚴峻挑戰，所以一方面需要各國在能源方面做出開源節流的努力，另一方面也需要積極擴展新的發展思路，開展國際之間的對話，彼此增強了解，廣泛合作，才能有利于解決國際能源問題。
4.開發新的能源技術
當今最新的，也是發展最成熟，最有前景的新能源就是核能。核能發電對環境的污染小，經濟效益高。目前發展比較好的是核裂變發電，但是盡管能源潛力大，由于其具有放射性，且發電原料在地球上很稀少，且提純困難，所以雖然被廣泛使用，但是必將被另一種核能替代，那就是核聚變。核聚變無污染，且原材料非常豐富，所以被人們認為是人類最有希望的能源。
人類的文明是建筑在對于能源的認識和掌握上的，每一次人類文明的跨越都與能源技術的進步密不可分。因此要實現可持續發展，世界必須進行一次能源革命，這不僅是技術上的一次革命，能夠使世界的能源系統持續保證經濟的發展和社會進步；同時也是觀念上的一次革命，需要我們樹立“科學發展觀”
建立一個新的能源體系，使可持續發展化為全社會的動力和目標，是和諧社會成為我們永遠賴以生存的環境。
（二） 糧食可持續發展
認真確立以農業為基礎，始終堅持不放松糧食生產的基本思想解決糧食問題，其中的一個有效途徑是提高糧食的產量。可以通過穩定糧食的播種面積，挖掘潛力，擴田增糧。俗話說“皮之不存，毛將焉附”，有田才有糧，所以全世界范圍內一定要保證種糧面積，但是這并不等于是無節制的開發，向在某些地區依然存在的刀耕火種現象依然存在，這威脅的就不只是人類的嘴巴問題，更切身的是關系到人類長久生存的權利。
2.加大科研資金的投入
全世界都要改變糧食生產的模式，要有原來的規模效益向節約型、集約型轉變，努力提高糧食的產量，積極做到科技興農。一方面可以加大科研經費的投入，另一方面要鼓勵農業科技人員到糧食生產的第一線，進行技術指導，加強農、科、教的緊密結合，扶持種糧能手和種糧大戶，提高農民科技水平等等。另外，在整個世界要積極推進農業機械化，多采用大規模農場式的收中，努力提高集團效益。
3.加大農產品的流通機制
現在在世界的好多地方，出現著這樣的問題，就是農民的生產往往不能提供社會所需，設置有時候是背道而馳的。面對這個問題，各國政府一定要加大農產品的流通體制改革，引導農民按市場規律調整農村經濟結構，種植結構，養殖結構等等。政府要加強對市場的價格的調控能力，提高抵御市場風險的功能。只有農民這個糧食的原產者掌握好的方向，整個社會的糧食問題就走在了一條正確的道路上。
總之，最重要的是保護和合理開發利用資源，防止掠奪式、破壞性和浪費型的發展方式。保護和開發并重。建立適應社會市場的農業發展機制，世界的糧食可持續發展就有了希望。
（三） 水的可持續發展
水是生命的源泉，但是地球上的淡水資源卻極為的有限。地球上有70.8%的面積被水所覆蓋，但其中的97.5%是咸水。余下的淡水中卻只有87%是人類暫時難以利用的兩極冰蓋、高山冰川和高原地帶的冰雪。因此，人類真正能夠利用的水僅占地球總水量的0.26%。
目前，水資源短缺問題相當的嚴重，世界上有80多個國家約15億人面臨著缺水的威脅，其中26個國家的3億多人完全生活在缺水的狀態中，并且這一趨勢人在加劇。預計到2010年的缺水國將增加到34個。
此外，水污染，水浪費等水環境危機更是加大了水短缺問題。部分國家經常遭受干旱、水資源短缺、地下水位下降，荒漠化逐漸擴大。
八．參考文獻
【1】 李靜萍，謝邦昌，多元統計分析[M]，北京：中國人民大學出版社，2008
【2】 安維默，王吉利，統計電算化[M]，北京：中國統計出版社，2000
【3】 黃勇安，李文成，高小科：Matlab7.0/Simulink6.0應用實例仿真與高效算法開發[M]，北京：清華大學出版社2008
【4】 龔沛曾等C/C++程序設計教程[M] 上海：同濟大學出版社 2004
【5】 李茜，王豐效，李曉靜，多變量灰色預測模型的matlab程序，福建電腦，卷期號：32-48，2007年11期；
【6】 魏一鳴，范英，韓智勇，中國能源報告(2006)戰略與政策研究[M].北京：科學出版社，2006
【7】 張 帆，俞奇勇，基于GM 的能源消費量坡度優化預測模型，水電能源科學，第25卷第3期，116-220，2007
【8】 劉勇 白林，《基于 的回歸分析模型在經濟預測分析中的應用》，《中國管理信息化》，第11卷第15期，第66頁～第67頁
【9】 劉志平 石林英，《最小二乘法原理及其MATLAB實現》，《中國西部科技》，第17卷第17期，第33頁～第34頁
【10】姜啟源 謝金星 葉俊等，《數學模型（第三版）》[M]，北京：高等教育出版社，2007
【11】 劉思峰 謝乃明，《灰色系統理論及其應用》[M]，北京：科學出版社
九．附錄
1.matlab程序實現人口預測參量的求解
>>a [52.85 57.16 60.54 64.45] ; % 在此只取幾值，然后求其平均值
>>t[0 5 10 15];
M文件代碼如下：
X=52.85;
a= [52.85 57.16 60.54 64.45];
For j=1:1:5
i=14:15
M(i)=exp(-i):;
[xm,r]=solve[’ a(i)=xm/(1+(xm/52.85-1)* M(i)^r)’, ’ a(i+1)=xm/(1+(xm/52.85-1)* M(j+1))^r’];
t=1:1:30;
y=xm/(1+(xm/52.85-1)*exp((-r)*n));
plot(t,y,’b’t,a’ro’)
2.c++程序實現人口預測
#include "iostream.h"
#include "math.h"
#define N 30 // 定義符號變量以提高程序的普遍應用性
double peoplenumber(int n) //定義人口預測函數
{double x;
x=180.987/(1+(180.987/52.85-1)*exp((-0.0336)*n)); //預測函數
return x;
}
void main()
{int i,j(0);
double p[N];
for( i=0;i<N;i++)
{j=j+1;
p[i]= peoplenumber(j);} //預測人口數存入數組，調用人口預測函數
cout<<"人口預測logistic阻滯增長模型預測結果："<<endl;
for(i=9;i<N;i++)
cout<<"第"<<i+1<<"年世界人口總是："<<p[i]<<endl; //輸出第n年的世界人人口總數
}
得出的結果：
備注：預測結果（單位是億）
3.、1970~2006年世界人口統計數據（單位：萬人）
年份
人口（萬人）
1990
528500
1991
538500
1992
548000
1993
557200
1994
562980
1995
571606
1996
574560
1997
584590
1998
589848
1999
597773
2000
605412
2001
613010
2002
619973
2003
627252
2004
636969
2005
644598
2006
651776
4、1965~2006年世界能源需求量（標準油，單位：萬桶）
年份
能源需求量
1990
66830
1991
66811
1992
67519
1993
67377
1994
68666
1995
69830
1996
71489
1997
73591
1998
73928
1999
75549
2000
76280
2001
76828
2002
77737
2003
79158
2004
81898
2005
83080
2006
83719
5、1987~2006年世界糧食需求量（單位：萬噸）
年份
糧食需求量
1990
16542
1991
16608
1992
16683
1993
16754
1994
16824
1995
16850
1996
16910
1997
16928
1998
16930
1999
16973
2000
17118
2001
17230
2002
17492
2003
17460
2004
17495
2005
17573
2006
17770
6、1975~2006年世界淡水需求量（單位：立方米）
年份
淡水需求量
1990
39387
1991
39712
1992
40245
1993
41012
1994
43021
1995
46012
1996
50234
1997
55743
1998
61081
1999
65279
2000
70523
2001
74533
2002
78674
2003
83423
2004
87654
2005
91987
2006
96452
7.基于灰色理論的區間預測模型的在MATLAB上的實現代碼：
%區間擬合函數求解
%擬合上函數
format long
x=[1 3 5 7];
y=[172430 175180 177670 183650];
f=@(a,x)(172430-a(1)/a(2))*exp(-a(2)*x)+a(1)/a(2);
[xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1],x,y) %結果數據 -7.51166737366709*10^3 -0.00004916823135*10^3
y1=(172430-149720)*exp(0.05111*x)+149720
plot(x,y1)
%區間擬合下函數
x=[2 6 11];
y2=[172220 176380 187640]
f=@(a,x)(172220-a(1)/a(2))*exp(-a(2)*x)+a(1)/a(2);
[xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1],x,y2) %結果數據 -7.51166737366709*10^3 -0.00004916823135*10^3
x=[1:12]
y2=(172220-152775)*exp(0.04917*x)+152775;
plot(x,y2)
%樣本觀察
x=[1:12];
y=[172430 172220 175180 175980 177670 176380 183650 184180 184950 187640 187640 189369];
y1=(172430-149720)*exp(0.05111*x)+149720;
y2=(172220-152775)*exp(0.04917*x)+152775;
plot(x,y,x,y1,x,y2)
%預測總趨勢
x=[1:40]
y1=(172430-149720)*exp(0.05111*x)+149720;
y2=(172220-152775)*exp(0.04917*x)+152775;
plot(x,y1,x,y2)
jieguo=(y1+y2)/2
%結果：
(308453-197632)/197632
ans =
0.56074421146373
%預測結果
(7.5265-5.5502)/5.5502
ans =
0.3561
8.歸一化后的神經網絡訓練樣本
1
0.0952
0.0452
1
0.0971
0.0456
1
0.0977
0.0449
1
0.0962
0.0446
1
0.0957
0.0443
1
0.0937
0.0443
1
0.0949
0.0449
1
0.0955
0.048
1
0.0979
0.0526
1
0.0998
0.0598
1
0.0995
0.0684
1
0.1009
0.0771
1
0.1006
0.0832
1
0.1006
0.0908
1
0.1
0.0962
1
0.1
0.1016
9.神經網絡權值樣本
的矩陣
-0.0003
1.4996
0.0000
0.1114
0.0010
-0.8895
0.0000
-0.1879
-0.0008
1.0007
0.0000
-0.1790
0.0006
0.6688
0.0000
-0.2018
0.0005
-1.6956
0.0000
0.0505
0.0004
-0.9619
0.0000
-0.1823
0.0000
1.0965
0.0000
-0.1699
-0.0003
1.2249
0.0000
0.1555
0.0005
-0.8912
0.0000
0.1879
-0.0003
0.6332
0.0000
0.2036
0.0003
-0.2021
0.0000
-0.2171
0.0009
-1.7340
0.0000
-0.0217
-0.0001
-1.7297
0.0000
-0.0267
0.0006
-1.3718
0.0000
-0.1348
-0.0002
-1.4203
0.0000
-0.1267
-0.0008
-0.9607
0.0000
0.1823
0.0005
1.1794
0.0000
0.1610
-0.0002
-1.5214
0.0000
0.1066
-0.0013
-1.7410
0.0000
-0.0102
-0.0007
1.5662
0.0000
0.0958
的權值矩陣
-0.7230
0.9048
0.0340
-0.3546
0.0728
-0.6341
-1.0878
-0.7804
1.0115
-0.1780
0.1086
0.3968
-0.7142
-0.4737
0.9897
-1.4304
0.2776
0.2403
-1.0801
-1.3143
-0.0909
0.5139
1.1321
-1.3840
-0.8866
0.2027
0.0880
0.8417
-0.7847
0.4148
-0.9240
0.1843
-0.0587
-0.6443
-0.7613
-0.2070
-1.0837
0.1852
-0.0760
0.6968
0.0767
-0.1004
0.8627
0.0299
-0.2922
0.6816
0.7106
0.6381
0.1281
0.1788
-0.1406
-1.2258
0.2076
0.1697
0.9721
-0.4403
0.8129
0.8384
-0.9358
0.8717
0.5459
-0.1019
0.2277
-0.7660
-0.2656
-0.3723
-0.2732
-0.6195
0.1951
0.0976
-1.0444
2.5403
-1.8956
1.6311
0.5697
1.9262
-1.2993
1.8654
-0.8001
2.0897
-0.0916
1.2959
0.1931
1.1619
-0.2416
1.0940
0.6147
-0.8345
0.3543
-0.4817
0.6996
-0.4140
-0.9026
0.7450
-0.4116
-0.1089
-1.0921
-0.9064
-0.5705
1.3922
的權值矩陣
-160.5697
106.8334
-90.0593
-54.0237
165.4181
110.2566
-96.5197
-132.3848
74.4748
-77.0965
35.4486
170.2018
168.4408
141.5726
144.2084
75.7570
-121.6810
135.0404
163.1824
-153.7970
的權值矩陣
1.4945
0.3172
-1.5677
