时间：2023-03-16 16:38:02
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【关键词】普通气象学概论教学；现代启发式教学；创新教学；课程改革
普通气象学概论作为气象水文装备国防生的一门专业课程，它是将物理学的基本定律、基本方程应用于大气科学研究领域，研究大气中发生的物理过程、解释大气中的物理现象。与其他课程相比，它具有多学科交叉的内容体系、较强的逻辑性、抽象性和广泛的应用性，且对于初学者或非气象专业人员而言，教材章节之间隐晦的逻辑关系难以发现。目前普通气象学概论教学现状是：（1）课时安排较少，学员的学习积极性及主观能动性不高；（2）教学模式主要以讲授式为主，注重强调知识的系统性，且理论知识与学员实际岗位需求相差甚远；（3）学员仅满足于完成课堂学习任务，自我要求不高，以及达成的学习目标不够明确，缺乏学习兴趣和热忱，很少主动去发现和解决实际问题，这与培养适应军队信息化建设与联合作战需要的高素质气象水文装备人才的目标不相适应。那么如何在课时较少，课程内容理论化较强且较抽象的情况下，提高教学效果呢?笔者认为进行现代启发式教学，激励学员对本课程的学习兴趣和内在动机，促进学员积极思维，并精心设计符合学员认知结构的现代启发式教学流程调动学生学习的主动性和积极性，注重学以致用与用以促学，培养学员生成发现问题及解决问题的能力，同时更要掌握发现问题及解决问题的途径，才是关键所在。
一、现代启发式与传统启发式教学的联系与区别
启发式教学法简而言之就是教师在教学过程中依据学习过程的客观规律和学生的认知结构，引导学生积极主动地获取和掌握知识的一种教学方法。它自我国古代的孔子，西方的苏格拉底开始，至今已有两千多年的历史。随着社会进步，科学技术传承、创新、发展，人们又赋予它以新的内涵，因此形成了一种新的教学理念，即“现代启发式教学”。现代启发式教学不是对传统教学的忽视和批判，而是继承与创新；它继承了传统启发式教学的精要所在：注重学生主体地位，重视个体差异，启发诱导并因材施教，同时又丰富和发展了传统启发式教学。那么与传统启发式教学相比，现代启发式教学到底有什么创新之处？对比结果[1]见表1。从表1中不难看出现代启发式教学是一种符合现代教学规律的培养教育人的教学思想、原则和方法。它立足学生的认知水平，既注重知识的传授，又注重能力培养，让学生积极主动地获取知识、发展能力，真正成为学习的主人，达到会学、创造性地学。借用我国近代伟大的教育家叶圣陶话说“教师的教学，不在于要学生搬去可以致富的金子，而在于给学生点金的指头。教师不是给学生大量灌输知识，而是将开发文化宝库的钥匙交给学生。”
二、理清教材内容，挖掘贯穿全书的隐晦逻辑
普通气象学概论是研究地球大气中的各种现象及其演变规律，这些现象包括物理的、化学的以及人类活动对大气的影响，以及如何利用这些规律为人类社会和经济发展服务。它实际上是物理学领域中一些最基本的理论或中心理论与大气科学领域的交叉，其中包括静力学、动力学、声学、光学、电学（电荷，电流和电场）、电磁学（电磁辐射与电磁波）和热力学等。课程教材依据学科架构章节安排如图1所示，从图1中可以看出，教材是根据学科自身的体系来阐述普通气象学概论的主要内容，即熟知的“大气科学+”的结构，物理学的各个基本领域只是其中一个加数，比如“大气科学+”与动力学，简单组合就构成大气动力学基础，注意这里“大气科学+”与“+大气科学”尽管两者模式主体不同，但语义和内涵一致。虽然这种教材章节结构安排能够满足学科知识的系统性和完整性，但是考虑到学员的现有认知程度，接受知识方式、特点及困难程度，在演讲式或讲授式教学模式下很容易导致学员为学而学，单纯为完成任务而学的状态。故第一步必须理清教材内容，挖掘出适合初学者从事物外部入手，由简单到复杂，由表及里探索知识的隐晦逻辑，然后在这个隐晦逻辑的指引下安排教学内容顺序；并同时考虑学生的“最近发展区”，造成已有认知结构与所学普通气象学概论知识之间中等程度的不符合，以维持学生探究知识的兴趣和热情，形成国防生学员学习知识和发展能力的最佳教学结构。课程内容教学顺序调整如图2所示。可见图2明显区别于图1，它给出了一条气象知识由浅入深、由表及里的认知逻辑。即对于初学者，首先学习和了解气象领域的基本物理量、概念及方程，建立气象专业的相关背景知识和基础概念，这部分内容对应着教材的大气概述章节；在此基础上，学习和研究普通气象学中最简单的科学问题，也就是静止条件下大气状态的变化和平衡规律问题。更进一步，考虑到静止大气不能刻画千变万化的运动大气，所以必须研究大气运动的相关问题，研究大气运动从最简单的水平运动开始，这部分对应教材的大气动力学内容，然后研究大气的垂直运动问题，即大气热力学。在认识这些基本规律后，需要研究导致天气和气候演变的基本物理过程，即辐射过程，对应于大气辐射学。除却以上宏观科学规律外，还需要以热力学和动力学为基础研究云微物理学，它是人工影响天气的理论基础，即在特定的天气背景条件和适当的云物理条件下，通过人工干预的方式对局部大气微物理过程进行影响，使天气向人们期望的方向发展，从而达到趋利避害的目的。最后，结合大气中的光学、电学、声学等自然现象，阐明其物理本质。综上而言，改善后的教学顺序存在一条逻辑主线，它对初学者认识和把握普通气象学概论课程有重要意义。
三、把握认知结构，精心设计现代启发式教学流程
当前现代启发式教学更多的是一种教学理念，并无固定的教学流程或模式供借鉴，笔者站在非气象专业初学者的立场，依据学员的认知结构，接受知识的方式、特点及困难程度，并结合《普通气象学概论》教学内容提出了一种适合非气象专业国防生学员现代启发式教学理科教学模式，流程如图3所示。它分为情景与意境创设、问题设计与引入、学员独立思考、阶梯式激发、主动获取与吸收、误区与盲区扫除、归纳与总结以及转化与应用8个环节。下面结合课堂教学过程来阐述每个环节的具体应用。1.情景与意境创设：捷克教育家夸美纽斯曾说：“一切知识都是从感官开始的”。由此可见，直观展现教学内容所表征的实际事物或者实际事物的相关背景可以使抽象的知识具体化、形象化，有助于学生感性认识的形成，并促进理性认识的发展。因此课堂教学实施的第一步就是结合教学目标，研究教材内容，根据每节课的内容、知识体系和学员起点，创设与当前学习内容相关的具有一定难度，需要学员努力克服，而又是力所能及的学习情境，激发学生的内在学习动机和热情，引导学员带着明确的求知欲望进入课堂。例如，在绪论中如何引导学生认识气象学时，可安排学生观看《后天》和《龙卷风》等电影建立学生关于气象灾害的感性认识或通过再现2016年6月24日发生在江苏盐城阜宁地区的强龙卷和2016年9月15日莫兰蒂超强台风登陆厦门等造成较大数量亡人和巨大经济损失的实际气象灾害事件催生学员的学习情感和求知欲。2.问题设计与引入：格兰特•威金斯说：“问题乃是通向理解之门”，即在所创设的情境框架下，依据教学目标选择与当前教学内容密切相关的专业热点、敏感性事件、事例或课题作为问题设计的核心内容，让学员面临一个需要立即去解决的问题。例如，在针对地转风问题设计时，引入1986年4月26日切尔诺贝利发生核爆炸引起放射性物质扩散事例，试问距离切尔诺贝利以东2600公里的哈萨克斯坦会不会遭受核污染？如果会大约是什么时候？通过上述问题的设计与引入，学员立即面临一个需要解决的问题。3.学员独立思考：“学起于思，思起于疑”，由教员向学员提供解决该问题的有关线索，引导学员独立思考，就是要使学员懂得思考些什么，怎样去思考，如何判断思考是否正确，如何归纳及利用思考得出的正确结果等，即通过“愤”“悱”情境催化，提高学员提出问题、分析问题和解决问题的能力。例如，上例核污染事件，学员需要思考自己应该用哪类知识认识和解决这个问题，以及现在自己是否具备相关知识，进一步刺激和催化学生的好奇心。4.阶梯式激发：对于自然科学而言，通常仅通过学员独立思考较难有效直面问题矛盾，尤其对于一个比较有价值的命题，其内容往往过于抽象或过程太过复杂，对于大部分学生而言都存在一定的思维难度，因此对这类问题的启发往往最考验授课教员的内功。阶梯式激发正是解决这类问题的有效途径，即将比较复杂的命题分解成若干个难度由浅入深、循序渐进的小问题，对于分解成的每一个小问题独立启发，各个击破，从而使原问题得以解决，并从不同层次激发学员的思维积极性，让学员在类比、辨析、迁移中学会解决问题的方法。例如上面核污染事件阶梯式分成运动学问题、风压定律问题、地转风计算问题，通过3个小问题的解决，原问题就迎刃而解了。5.主动获取与吸收：在实施现代启发式教学过程中，教员结合讲授过程，必须给学生提供专门的机会进行知识“组装”，即综合训练。这一阶段是完成由教员启发转向学员自我启发的关键，是学员由“学会”到“会学”的转换。教员可以通过和学员一起设计“自我提问”，使学员按一定的程序自己提问启发自己，促进学员生成主动获取与吸收知识的能力。6.误区与盲区扫除：在课堂教学中，教员对于学员的思考过程，不能简单仅给予“对”或“错”的回答，而要结合大多数学员对于思考问题的综合反馈，从中发现学员思维过程中的缺陷，然后给予恰如其分的指正。这样，学员才能真正发现自己的问题所在，避免同样的错误再次发生。与此同时，对于学员在思考问题时有意识地运用科学的思维方法时，要及时给予表扬和鼓励，促进学员良好思维习惯的形成。例如，实施大气状态方程教学时，试比较在同温同压下，干空气密度、水汽密度及湿空气密度的大小，大部分学生会得出错误的结论，需要教员发现学员思维过程的盲区，并恰当的启发，促进学员理性思维的形成。7.归纳与总结：教员应当结合课堂教学目标，引导与协同学生把现代启发式教学所得到的结果组织成一个可理解的、有用的结论，并把它与相关信息结合起来，纳入到学员的原认知结构中，而且应使学员体会到获得成功的喜悦感，增进学生的智力开发，帮助学生获得批判性思维与自主学习能力。8.转化与应用：学以致用，用以促学。转化与应用对现代启发式教学提出了更高的要求，本环节主要依托任务启发的方式，结合课后习题及前沿热点事件，巩固和提高学员发现问题及解决问题的能力，同时掌握发现问题及解决问题的途径。如以往在普通气象学概论教学中教员会布置有关专业方面的课程论文，大部分学生结论浮在表面，本环节尝试将学生按单位所在地或工作岗位分组，让学生自行搜集普通气象学在军事装备、业务工作和生活需求等方面的实际应用，并根据所学知识和查阅文献凝练出科学问题以及提出针对性的解决办法，这样学以致用、用以促学的方式极大地调动学生的积极性，有效提升学员解决实际问题的能力。
四、结语
本文主要结合普通气象学概论教学实践，从教材内容、教学目标和学员的实际知识结构出发，提出了一种有效进行普通气象学概论教学现代启发式教学改革的思路。总体而言，在理科基础教学过程中采用现代启发式教学已经是大势所趋，值得在各种不同的课程中去应用和实践。另外现代启发式教学需要耗费教员大量的创造性劳动以及对教师的要求较高，因此需要教员在日常教学工作中注重积累、不断总结和逐步完善，特别是挖掘大气科学中高影响敏感事件和前沿热点问题，灵活运用到教学过程中，以取得更好的教学效果。
参考文献：
现代意义的网络指的是用通信线路和通信设备将分布在不同地点的多台自治计算机系统互相连接起来，按照共同的网络协议，共享硬件、软件，最终实现资源共享的系统。校园气象科普教育网络是指专门用来进行气象科普教育和开展气象科技活动的现代网络系统。该网络的使用既是校园气象科普教育一种与时俱进的崭新手段，更是校园气象科普教育进入现代化发展的一个标志。
1 校园气象科普教育网络的诞生与兴起
现代意义的网络萌芽于20世纪60年代，完善成熟于20世纪90年代。网络的诞生是人类继语言产生、文字发明、印刷术出现和无线电技术应用以后出现的人类信息传播史上的第五次革命。它的意义在于为人类各种信息传播提供最便捷、最迅速、最巨量的通道。这条信息传播通道的诞生问世，为人类社会的政治、经济、军事、文化、科学等各领域的进步发展产生了非同凡响的作用与效益。
我国校园气象科普教育有着悠久的历史渊源，气象站进入校园也有90多年的历史。但在20世纪90年代前，我国校园所使用运转的都是地面气象人工观测站。到了20世纪90年代中期，一种自动观测无线传输的地面气象自动观测仪器进入气象部门台站使用，并建立了业务性自动观测网。此后，我国便有学校将这种仪器引入校园，开展气象科普教育和气象科技活动，并组成校园气象科普教育和气象科技活动网络。
1.1 GLOBE计划在我国
1994年，当网络刚刚兴起的时候，该年4月22日，在全球范围内发起了一个旨在“有益于环境的全球性观测与学习计划”（简称GLOBE计划），该计划的核心是参与学校通过一套专用的观测设备，将当地所观测到的气温、温度、大气压、降水等气象要素，直接通过Internet网络，把数据发送到处理中心，为志愿者们对全球气候的研究提供具体的数据。1996年4月22日，北京师范大学附属实验中学等四所学校率先加入该计划，到2000年4月，我国已经有56所学校成为GLOBE计划成员单位。GLOBE计划，给我国校园气象网络科普吹来了一股清新的空气。
1.2 台北市校园气象台
饱受台风暴雨等气象灾害侵袭的台湾地区，受到GLOBE计划的启发，为了在中小学生中普及气象科学知识，从小培养学生防灾减灾意识，探究掌握大气变化规律，在台北市教育局的统一筹划下，于2003年12月在台北市教育局所辖的60所中小学内统一安装了地面气象自动观测仪器，并组成“台北市校园气象台”。2006年7月，桃园市也有21所学校建立了校园自动气象站，并与台北市共同连接成“台湾校园气象网”。这些密集的自动站，组成严密的天气监测网络，记录着台北市长期的气候变化，提供学校本位及在地性探索，并开展系列校园气象科普教育和气象科技活动，这是我国校园气象科普教育网络诞生之始。
1.3 香港联校气象网
2004年，我国香港地区的学校，由新界翁佑中学牵头，组织了30多所中小学建立了校园气象自动站。到了2007年，在香港天文台和香港理工大学应用物理系的大力支持和帮助下，又发起创立了“社区天气资讯网络”的香港Co-WIN天气网，参加成员有100多个。这是继“台湾校园气象台”后的第二张校园气象科普教育网络。
1.4 中小学校园气象站
2005年10月，浙江省温州市第十四中学任咏夏老师为探索校园气象科普教育，前往香港天文台和新界翁佑中学访问学习，回来后筹备建立“校园气象科普教育”网络，并于2006年6月创建了“中小学校园气象站”网站。2010年，“中小学校园气象站”网迁址到浙江省岱山县秀山小学，由该校的网络管理员兼校园气象科普教育辅导员邱良川老师负责硬件的管理和信息维护。网站运转数年，每年都有数万点击率。这是我国第一个也是唯一由个人出资建立的一个校园气象科普教育网络。
1.5 北京气象科普网
2007年年初，由北京市气象局牵头，在北京市海淀区8所中小学安装了校园气象自动站，后来逐渐扩展到十几所学校，并依照台湾、香港的模式把这些自动站的数据统一传输到“北京气象科普网”上，这是我国内地形成的第一个校园气象网。
1.6 岱山校园气象信息网
2007年年底，浙江省岱山县秀山小学红领巾气象站增添了一套气象自动站。自动站可以收集十多个气象要素，这些数据通过“校园气象信息网”同步传送到网上，为全校师生及其他气象爱好者研究气象提供了准确翔实的气象数据。
1.7 无锡校园气象网
2009年，江苏省无锡市教育局电化教育馆在创建“感知生长”和“感知中国”传感网络的同时，为了便于探究植物生长与气象条件的关系，在全市20多所中小学安装了气象自动站，并把各校的气象数据集中发送到“果实网”上供大家分享。
1.8 校园气象网
2011年7月，中国气象局公共服务中心为推进全国校园气象科普教育的进一步发展，为全国中小学的气象科普教育提供平台创设窗口，创办了“校园气象网”。这是我国第一个由国家政府部门设立的全国性的校园气象科普教育网络。
1.9 中小学校园气象网
2012年5月，浙江省气象学会为推动全省校园气象科普教育的迅速发展，以邱良川老师管理的“中小学校园气象站”为基础，改名为“中小学校园气象网”，作为于该月成立的“浙江省气象学会校园气象协会”的公网。这是我国首家省级单位政府部门设立的校园气象科普教育网络。
2 校园气象科普教育网络的分类与作用
我国迅速发展起来的校园气象科普教育网络，就功能而言，大致可以分为观测、科普等各种不同类型，在校园气象科普教育中能够发挥各种不同的作用。
2.1 校园气象观测网
校园气象观测网是由数台自动气象观测仪器与上位计算机链接而成的网络。该网主要由具备自动气象仪器的学校，把自动气象站得到的气象要素，通过计算机的处理，并运用软件把数据通过记录、输送、存储、统计、整理等功能，实时地在网站上显示，它可以为课堂教学、科学探究、科技活动以及学习研究提供历史或实时测量数据。它的作用就是为成员单位存储和整理教学与科技活动所需要的历史气象要素数据和实时观测资料，如“台湾校园气象台”和香港“社区天气资讯网络”等，都具有这种功能作用。
2.2 校园气象科普教育网
校园气象科普教育网是一个独立的校园气象科普教育载体与平台。其不具备观测、记录气象要素的功能，但可将气象科普教育内容，展示在无限的空间，任意地方的任何一台计算机都可以翻开它的书页，浏览它的内容资料。它不但有常见的文字资料，还有图片、视频等多种媒体信息。它的作用就是为从事校园气象科普教育的单位提供最新信息和深度探究的结果，交流各学校在校园气象科普领域所开展的经验与方法，如“校园气象网”“中小学校园气象网”等。
2.3 校园气象科普栏目
校园气象科普栏目是某学校或教育机构开辟在自己单位网页上的一个窗口。内记载本校或本单位气象科普教育的总体态势，目的是宣传、彰显本单位的发展状况和成绩，同时可以展示交流学校的教育成果和学生的科技作品，如浙江省岱山县秀山小学的校园气象信息网。
3 校园气象科普教育网络的发展思路
校园气象科普教育网络在校园气象科普教育发挥着不可替代的作用。
首先，相对于传统的平面媒体来说，网络科普的一大特点是它的时效性。它没有地域和时间的限制，可以把即时发生的事件通过网络的，迅速传递到世界各地。特别是关系到人们生活与生命财产的气象灾害性事件，人们可以通过网络气象信息站，随时了解当地乃至世界各地的天气情况，便于及时地安排工作与生活。在灾害性天气即将发生时，可以迅速作出应对措施。
目前我国的这种自动气象站分布还不平衡，人们对解读天气网站中气象信息的能力还有所局限，这就需要我们在这方面有所投入，加大气象科学技术普及的力度和速度。
其次，网络科普的另一个特点是传播的广泛性。据官方不完全统计，到2012年年底，我国现有网民5.64亿，其数量可以与电视观众相媲美，而网络信息涵盖量却是电视节目无法比拟的。特别是青少年人群的上网比例又远远高于普通的人群，而校园气象的科普又集中在青少年这一人群中。综上所述，我国现阶段的校园气象网络还远未达到普及。大力发展校园气象科普宣传的网站，让广大在校的青少年学生更多地了解气象知识，宣传和推广气象知识，还有待于有关部门进一步去开拓发展。
其三，网络科普有别于其他科普手段的最明显特点是互动参与。而这一特点也正好符合了当代广大青少年不愿意被动接受外来的信息、勇于个性张扬、积极表现的生理特征。通过网络的反馈和双边互动，能够及时地了解和掌握气象科普的成绩与效果。但目前具有互动功能的，能够举办参与性的知识竞赛、征文比赛、网络调查类的网站很少。如果能够增加一部分参与性、互动性强的网站，无疑会取得更好的效果。
4 结束语
纵观我国校园气象站，其有着悠久的历史。网络气象站与时俱进，跟上了历史的潮流，在宣传和普及校园气象知识方面迈出了可喜的一步。但目前所做的还仅仅是开始，发展的步子还不平衡，普及的面也还很不够，形式也不够丰富。这也给以后的工作留下了一个发展的空间，有待于我们去进一步努力填补。
参考文献
[1]任咏夏.浅谈校园气象科普平台的构建[C]//中国科普理论与实践探索：公民科学素质建设论坛暨第十八届全国科普理论研讨会论文集.2011.
[2]董松乔.你也可以是气象权威：校园气象台与探究式学习[J].网络科技时代，2008（5）：72-75.
根据教育部统计公报，民办高校在校生数已占到全部高校在校生总数的21.9%，比重超?^了[1]，说明近20年来民办高校为国家经济和社会发展做出了重要贡献。2010年国家教育部颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》中对民办教育给予充分肯定，指出“民办教育是教育事业发展重要的增长点和促进教育改革的重要力量，各级政府要把发展民办教育作为重要的工作职责”。由此可见，民办教育在我国教育事业发展中的重要地位得到了肯定。但是目前从整个高等教育层面分析，民办高等教育已进入转型期，正在进入由规模扩张向内涵发展方式转型的过渡阶段。在这个关键的转型时期，我们必须认识到有许多问题亟待解决。特别是目前对民办高校实践教学中存在的问题认识不足、措施不力，还是沿袭原有挂靠高校的办学模式、教学大纲及人才培养方案，没有突出民办高校的特色，更缺乏创新培养模式[2，3]。在这方面，许多公办高校探索以培养实践能力为主线，构建新的实践教学体系。如李子军等提出的构建研究型人才学“四主线二层次”实践教学体系；倪师军等提出的“基于三大平台培养大学生三种能力”的分层次的实践教学体系；杨志平等提出的构建从“专业基础―专业―综合―创新”分层次、模块化的实践教学体系；李保云等构建了植物生产类“三层次、模块化”实验实践教学体系，均旨在培养学生的实践能力和创新能力，以适应未来社会发展对人才能力的需求。目前，民办高校在这方面的探索较少。为此，我们以园艺专业为例，提出了实验课、教学实习、实践课、实训课、毕业实习和创业教育“六位一体”的实践教学模式，对专业实践教学内容、方式方法和保障体系的设计与实施等方面进行了有益的探索，提高了应用技术型园艺专业人才的培养质量。
一、民办高校园艺专业本科人才培养规格与定位
民办高校园艺专业培养德智体美全面发展，具备较完整的现代生物科学知识体系、较宽厚的园艺基本知识，掌握较熟练的基本技能，具有较强实践能力和创新精神，能在果树园艺、蔬菜园艺、观赏园艺、设施园艺等方向领域从事现代园艺技术推广、产业开发、经营管理及教学和科研等方面工作的园艺专业的高素质应用技术型人才。园艺专业注重“厚基础、重实践、宽口径”的应用型人才培养，主要培养具有基本知识和理论、熟练的基本技能、较强实践能力和创新精神的高素质园艺应用型人才。本专业的学生主要学习园艺学的基本理论、基本知识，接受园艺植物生产全过程、管理和科研方面的基本训练，掌握园艺植物生产、技术开发和推广、园艺企业经营管理方面的基本技能和从事相关专业领域工作的适应能力。毕业生应达到以下要求：
1.知识要求：熟悉农业生产、农村工作和与园艺生产相关的政策和法规；掌握植物学、植物生理学、植物生态学、植物遗传学、园艺学的基本理论和基本知识。
2.能力要求：掌握园艺场规划设计、园艺植物栽培、品种选育和良种繁育、病虫害防治、园艺产品贮藏加工等方面的技能；掌握科技文献检索、资料查询的基本方法，了解园艺生产和科学技术的发展趋势，具有较强的调查研究与决策、表达能力、科技创新能力和计算机应用能力；熟练掌握一门外语，能顺利阅读本专业的外文书刊。
3.素质要求：掌握科学锻炼身体的基本技能，达到国家规定的大学生体育和军事训练合格标准，具有健全的心理和健康的体魄。
4.主干学科与核心课程：主干学科为园艺学，核心课程有蔬菜栽培学总论、蔬菜栽培学各论、果树栽培学总论、果树栽培学各论、观赏园艺学、设施园艺学、果蔬贮藏加工学、园艺植物育种学、园艺植物病理学、园艺植物昆虫学。
5.课程结构及学分比例：课程结构及学分比例见表1。实践教学总学时为1348学时，占总学时的比例为48%。
二、“六位一体”实践教学体系的构建
（一）构建实践教学体系
园艺专业实践教学的总体目标是通过专业实践使学生掌握园艺作物的种类与分类、生长发育与调控、园区规划与管理、良种繁育与选种育种、设施栽培、采后处理、果园、菜园年工作历的制定等生产全过程，了解市场营销方面的初步知识。摒弃“黑板上种蔬菜、栽果树”的理论讲授，构建园艺专业“六位一体”实践教学体系（图1）。
园艺专业实践教学体系由课程实践体系、综合实训体系和毕业实践体系构成，重点体现在六个方面（六位一体），在时间跨度上大致是由低年级（1―2年级）向高年级（3―4年级）伸延，在实践的深度、广度和实际应用范围上也是由简单向复杂、综合发展，逐步形成由浅入深、由室内分析验证到生产实际应用，具有梯形结构的实践教学体系。
（二）课程实践体系的特点
1.课程实验中基础课实验有基础化学实验、计算机应用基础实验、植物学实验、化学实验等，在第1―3学期开设；专业基础课实验，有生化及分子生物学实验、农业气象学实验、植物生理学实验、农业微生物实验、遗传学实验和土壤肥料学实验，在第3―5学期开出；专业实验如园艺植物昆虫学、园艺植物病理学、生物统计及田间试验设计、园艺植物栽培学、园艺植物育种学、果蔬贮藏加工等课程的实验在第5―7学期开设；其他如设施农业、果树和蔬菜3个方向选修课则分别在第6―7学用开设。基础课实验主要是进行分析测试、以验证理论，掌握试验研究的基础知识和方法；专业基础和专业课实验的任务则是配合专业课，解决理论教学中的实践性问题，并逐步为综合运用奠定基础。
2.教?W实习包括植物学、农业气象学、土壤肥料学、园艺植物昆虫学和园艺植物病理学教学实习，在第2―5学期执行。集中在校内完成理论和实践课中季节性强的实习内容和参观调查，如进行病虫害情况调查、农业气象观测、园艺作物种类识别、物候期观察和教学标本制作。
3.园艺专业实践课是结合园艺作物生产特点而设置的一门实践技术课，集园艺学基本原理、基本知识与实践操作于一体，强调动手能力的培养。总学时240，在第3―7学期开出，内容包括果树、蔬菜、设施园艺的生产与经营，课程综合了基本技能和各项操作技术，三者有机融合，组成园艺作物生产基本技能的主体。
（三）生产实践体系的特点
生产实践体系包括实训课和实践课（包括社会实践）。实训课从大二开始每个学期80学时；实践课在第4―7学期进行，每个学期64学时。根据蔬菜、果树的生产季节安排学生在校内基地从事园艺作物的生产管理，对周边地区园艺作物的生产状况进行调查，参观科研、生产基地，开展园艺产品市场调查和分析。通过训练，较系统地掌握生产管理技术。
社会实践一般安排在2―3年级，主要是利用假期结合农村园艺作物的生产实际开展社会调查和科技咨询，应用所学理论知识和技术指导生产，解答园艺生产者提出的技术问题，了解农业发展和对专业技术的需求。
（四）毕业实践体系的特点
包括毕业实习和创业教育，安排在第6―8学期，根据社会对人才的需求特点，因人而异，力求毕业论文与经济建设和农村实际相结合，分类开展科学研究、生产实践调查总结、专题调查和示范推广。毕业实习在第8学期进行，时间8周，安排学生到科研单位从事试验研究，去生产基地从事实地生产和科技推广应用，熟悉园艺作物生产、采后处理、贮运加工和上市流通全过程，对学生进行全方位的强化训练，努力提高毕业学生综合运用的能力。
毕业论文要求全员进行，毕业实践则一部分到招聘单位锻炼，另一部分进入生产管理环节，实行“模拟承包制”，给学生分地块，让其自己种地、施肥和栽树，自己管理，明确责任和义务，承包到人、到组，放手让学生参与生产、管理和经营决策。按农业产业的特点，划分为三个模块，学生以其中一个模块为实习的主要内容，兼顾其他一个或两个。三个体系之间相互衔接，彼此协调；在时间跨度上由低年级向高年级延伸，在深度和广度上由简单向复杂，综合发展具有梯形结构的实践教学体系。
三、实践教学的层次性（阶段性）
第一层次（增强感性认识阶段）：主要采取直观的教学方法组织教学，学生一进校就接触专业。内容上安排种类识别、基本农事操作，使其了解农作物的种类、生长发育过程、生产用具、园艺设施和园艺植物的生产过程。
第二层次（培养基本技能阶段）：在2―3年级采用教师示范和学生反复训练某些项目（如蔬菜的育苗、果树的嫁接与修剪等）相结合的方法组织教学，重点是提高学生的技能，对难度较大的关键技术，如果树整形修剪、蔬菜育苗、日光温室等设施的设计与建造、花期调控、果树施肥技术、花卉的插花艺术等给予示范教学，然后让学生反复训练，做到既有示范又重训练。
关键词：静止卫星；水利；应用；水文水资源监测；灾害监测；水利通信
中图分类号：TP79；TV21文献标识码：A文章编号：1672-1683（2013）04-0134-06
地球静止轨道卫星（以下简称静止卫星）位于地球赤道上空距地面约36 000 km，轨道平面与赤道平面夹角为零，并且绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，故相对于地面静止。由于静止卫星与地球自转的同步性，卫星可以实现连续对地观测，在气象、通信、军事、农业、林业等行业都有较广泛的应用，特别是在气象和通信领域，已成为不可或缺的监测和数据获取工具和平台。
水利行业中许多领域都存在对静止卫星的应用需求，如水资源日常监测、突发事件应急监测、灾害监测预警等，但总体上对静止卫星的应用仍处于起步阶段，多局限于气象预报产品应用等方面，应用范围有待进一步拓宽，应用程度有待进一步深入[1]。
本文通过对现有静止卫星主要参数和特点的归纳，以及对国内外静止卫星水利应用的调研和分析，基于静止卫星在我国水利行业的应用现状，提出未来我国静止卫星水利应用前景的设想和展望。
1国内外水利相关静止卫星发展状况
国外水利相关静止卫星发展较早。1975年，美国率先实现了人类首颗静止气象卫星GEOS-1业务运行；1977年，日本第一颗静止气象卫星GMS-1发射；1978年，欧空局的Meteosat静止气象卫星首次实现了水汽通道图像传输；1982年，印度第一代INSAT卫星发射，集通信、广播和气象探测于一身。
目前，美国的GEOS系列已经发展到了第四代，拥有更稳定的平台，支持更新的成像仪、空间环境探测器（SEM）、垂直探测器和太阳X射线成像仪（SXI）。新一代的GOES-R系列也已提上日程，预计于2014年实现业务运行，将搭载先进的基线成像仪（ABI）和超光谱环境监测仪（HES），性能将大幅提升，在同步卫星监测领域继续保持领先优势。
日本的MTSAT-2和MTSAT-1R双星在轨运行，互为备份，较上一代GMS-5的自旋稳定姿态控制不同，MTSAT采用三轴稳定方式，成像时间短、图像信噪比、灵敏度高。
欧盟第二代静止气象卫星MSG-2替代了上一代Meteosat，虽然仍采用自旋稳定方式，但在传感器通道数、空间分辨率、圆盘成像时间和量化级数上有了很大提高。MSG-3已于2012年7月发射，第三代静止气象卫星（MTG）将会在成像精度上和数据传输速率上有大辐改进，首颗卫星将于2018年开始服役。
俄罗斯在轨静止卫星二代GOMS-N2和印度在轨静止卫星INSAT-3D都采用先进的多通道扫描成像仪，拥有各自的特点。
我国水利相关静止卫星发展起步较晚。1997年6月10日，我国第一颗静止气象卫星FY-2A正式投入使用，2004年10月FY-2C发射成功，实现业务化运行，比美国晚了整整29年，总体水平也只相当于美国20世纪90年代初的水平，据估计这样的差距可能在风云四号才能赶上。不过风云二号也有很多自己的特色，尤其在图像定位配准方面已经达到了世界先进水平。2006年12月，FY-2D静止气象卫星发射成功，与FY-2C星实现了双星备份，主汛期每天每15分钟可提供一张图像。2008年12月，FY-2E星接替已经超期服役的FY-2C星继续运行。这三颗星均采用自旋稳定的姿态控制方式，搭载5通道扫描成像仪和空间环境探测仪，但是和发达国家相比，还是有一定的差距。表1是各国静止气象卫星搭载主要荷载对比。
2.1静止卫星在水利行业的可用性分析
2.1.1水利相关应用参数分析
随着水利现代化的不断深入，传统水利监测手段已经无法满足需求。在水资源监测方面，传统水文监测只采集站点数据，且水文站网密度有限，展布到面后精度有一定不确定性。水旱灾害监测也距实时、持续监测与预警的业务需求有一定差距。传统水质监测能力也落后于管理需求，指标不够全面，站点密度不够，快速机动监测能力差，突发性水污染预警系统不够完善。
极轨等高空间分辨率遥感卫星重访周期长，幅宽窄，可能在区域性单次监测上精度较高，但在大尺度动态监测方面较为薄弱。静止卫星可每30 min获取一次影像，尺度可覆盖全球，并且新一代静止卫星多配置高分辨率多通道传感器，将为水利业务监测提供多指标、真实可靠的实时监测数据，大幅提高日常管理和应急能力。
从GEOS-1只搭载单台扫描成像仪，提供单一气象资料，到如今搭载多种高分辨率空间探测器，并依托各国静止气象卫星建立起的全球静止气象卫星观测系统，静止卫星已实现为水文监测、重大水旱灾害监测和实时水情数据传输提供动态数据和多种定量产品支持，表2是全球主要静止气象卫星的水利相关应用领域。除提供初级遥感信息外，静止卫星还可提供多种定量产品，为水利行业提供更深入、针对性强的业务应用产品，表3是我国FY-2C卫星提供的水利相关定量产品。此外，静止卫星还为水利部门提供相关数据转发和卫星通信系统网络支持，20世纪90年代，我国水利部就购买了亚洲二号半个转发器，并以此为依托建立了水利卫星通信系统。另外，静止卫星移动通信系统和全球导航系统也可应用于水利行业。静止卫星移动通信系统主要有全球覆盖的国际海事卫星（Inmarsat）通信系统和区域覆盖北美的移动卫星（MSAT）通信系统、亚洲蜂窝卫星（ACeS）通信系统、瑟拉亚（Thuraya）卫星通信系统等。比较成熟的卫星导航系统有美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS和我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），即北斗卫星导航系统。目前，为我国水利通信建设提供服务的静止卫星系统主要是Inmarsat-C海事卫星系统和北斗卫星导航系统。
相对于传统地面观测和其它卫星在水利中的应用，静止轨道卫星的主要优势在于可以高时间分辨率探测信息，有效的动态跟踪和监测大尺度系统的形成、发展及演变规律。一颗静止轨道气象卫星每30 min就能获得近地球的气象图片资料，对水资源运行调度管理实时监测、水旱灾害监测，洪水、暴雨和突发水污染事故应急监测以及水情数据转发具有突出的能力。因此，静止卫星在水利方面的应用有着广阔的前景。
在水资源监测方面，传统水文监测只采集站点的数据，扩展到面后精度不高，且许多地区水文站网密度不够，甚至还存在无监测地区，降水、径流监测和预报等技术手段尚不能完全不能满足水资源评价、规划与管理等方面的需求，而极轨等高空间分辨率遥感卫星由于重访周期过长，幅宽较窄，可能在区域性水资源监测精度较高，但对于大尺度动态水资源监测方面较为薄弱。在水资源管理方面，由于人工侧支循环，使得流域水资源的分配和转换关系异常复杂，分配层次多，流域降水和径流变化趋势不同步，降雨径流预报和水资源趋势预测依然是世界级难题，满足不了流域水资源配置和调度管理的需要。静止轨道卫星每30 min就能获得水文监测资料，尺度可覆盖全球，相信配备高空间分辨率传感器的静止轨道卫星会在全球水资源领域有更深入的应用。
在水旱灾害遥感监测方面的，我国虽已开展多年，但距实时、持续监测与预警的行业需求还有一定的差距。高分辨率的静止轨道卫星数据，进一步提高业务化程度，以形成一套完整的水旱灾害遥感监测产品。
2.2在水文水资源监测中的应用进展
2.2.1降水监测
降水是水文循环中的基本环节，在水资源评价、管理、水循环模拟等方面都有着大量的数据需求。从1978年美国人L.E.Spayd Jr.和R.A.Scofield[12]第一次基于GOES数据提出估算热带气旋降雨量方法并业务化应用以来，不论是在理论还是手段上，基于静止卫星的降水监测技术都已相当成熟，方法呈现多样化。美国NOAA的NESDIS 发展了利用GEOS红外资料估算降水量的系统并于1997年投入业务运用[13]，我国水利部信息中心也使用云分类方法对GMS卫星数字云图估算面雨量[14]，张云惠、史可传[15]基于GMS卫星云图对哈密地区降雨进行估算，徐亮等[16] 基于静止卫星气象数字化产品采用多元决策加权法估算降雨，熊秋芬[17]提出了基于GMS卫星4通道资料的人工神经网络技术估算降雨的方法，并进行了实例验证。
为了弥补静止卫星空间分辨率的不足和发挥其高时间采样频率的优势，静止卫星降水监测主要采用多种传感器联合监测的方法。现在水利行业应用较广的全球降水监测数据集——全球卫星降水制图（GSMaP） 和 GPCP就是多种传感器联合监测的成果。GSMaP 数据集采用的GEOS卫星的可见光/红外数据，空间分辨率为0.03635°（在赤道上相当于 4 km） ，时间分辨率约为30分钟，覆盖区域为60°N ～ 60°S，在海洋上的监测效果最好，在高山上的表现最差。在陆地和海岸带地区，GSMaP 数据难于识别强降水，同时低估强度大于10 mm/h 的降水。GPCP数据集主要数据源是GOES、GMS、Meteosat卫星，逐月、逐日和每5日降水分析资料空间分辨率分别为2.5°、1°和2.5°。
2.2.2土壤含水量与蒸散发监测
土壤含水量与蒸散发监测是水资源评价、管理中的重要一环，获取实时连续监测数据是做好实时调度和管理工作的必要保障。静止气象卫星的红外扫描辐射计在土壤墒情、温度、温度和植被监测方面均有所应用。赵长森等[18]提出了基于静止卫星的陆面区域蒸散模型，并采用FY-2C数据对淮河流域蚌埠以上农业区进行了多时间尺度的区域耗水模拟，开创了利用静止卫星模型模拟区域耗水的先河。裴浩等[19]借鉴极轨气象卫星监测植被和土壤墒情的研究成果，采用GMS的多通道数据监测土壤墒情和植被指数。杨晓春[20]利用FY-2数据对土壤湿度进行模拟，并在多年干旱监测中得到了应用。
为了弥补静止卫星在空间分辨率上的不足，舒云巧等[21]提出利用FY-2C结合MODIS产品估算河北灌溉农田实际蒸散量的方法，利用静止卫星时间分辨率强的优势，提高了遥感监测的质量。由于静止卫星的红外传感器空间分辨率往往都是千米级的，因此，比较适于大、中区域尺度高时间分辨率的地表参数反演。张霄羽和王娇[29]利用风云二号静止气象卫星数据，提出了多时相热红外/可见光反演地表水分的算法，在中尺度区域上定量化土壤表面含水量，并在中国西北地区进行应用，获得了5 km×5 km空间尺度的日均土壤含水量，并且与先进的AMSR土壤水分产品相比，均方根误差为0.025 g/cm3，最大估算误差在0.07 g/cm3以内。这一研究为中尺度高时间分辨率土壤含水量产品的获取提出了一种思路。
2.2.3冰雪监测
冰雪融量的计算是水文学上的一个重要问题，静止卫星也在大尺度连续动态观测冰雪上很有优势，但由于空间分辨率较低，目前还处于初探阶段。裴浩等[19]尝试利用GMS可见光通道探测冰雪分布并取得了较好的精度。中国科学院冰川所利用气象卫星云图来计算雪被覆盖的范围、厚度、冰雪融量，并追索其连续演变，进行了祁连山冰川水文学的研究。
2.3在水旱灾害监测中的应用进展
2.3.1洪灾监测
静止气象卫星在全天候洪水监测和汛期降雨预报方面均有应用，是防洪减灾辅助决策的重要信息来源。中国气象局国家卫星气象中心从20世纪80年代中期开展提供气象卫星监测洪涝灾害的科研服务，曾成功对1991年江淮大水、1996年华北水灾以及1998年长江洪水等重大洪涝灾害进行了监测[19]。王庆斋等[23]也根据GMS-5静止气象卫星数字化卫星云图曲灰度分布，建立云顶温度与地面实测降水关系曲线，实现对黄河流域汛期降水的预报。
2.3.2旱灾监测
静止气象卫星监测旱情问题，已引起国内外学者的关注，并进行了一些研究尝试。张元元[24]利用FY-2/VISSR数据生成PRETA干旱指数产品，应用于全国范围的旱情连续监测，与极轨卫星同类产品相比，在监测范围和频次上都具有明显的优势，很好地反映了2009年秋季至2010年春季西南大旱的旱情时空变化。姬菊枝等[25]利用风云二号卫星并结合NOAA的数据用热惯量法估计了2003年哈尔滨春季干旱受灾情况，提出了防治措施。
2.3.3冰雪灾害监测
静止气象卫星在重大冰雪灾害也有一些应用。朱小祥等[26]利用FY-2C、D星结合modis数据在2008年南方雪灾中向有关部门提供降雪天气预报、受灾区积雪覆盖范围等方面的遥感监测信息。
2.4在国内水利通信中的应用进展
静止卫星在水利行业中的应用除包含静止气象卫星提供水利相关应用的直接产品外，还承担着转发水情数据、进行水利通信的任务。1991年，北京海事卫星通信系统（Inmarsat-C）地面站正式运行，开始承担起用户、卫星与移动终端之间水情数据转发的任务，使得水情测报系统不受距离和下垫面条件的限制。我国自主研发的北斗导航系统也为水情部分流域的水情测报系统提供服务，承担着部分水利卫星通信任务，具有覆盖范围广、传输数据量大和成本低的优势。此外，我国从1976年开始投资水利通信网。1994年，水利部一次性购买了亚洲二号的半个Ku波段转发器，建设水利通信系统，经过十多年的努力，建立了以语音、数据、图像为媒介的水利通信网。2008年，亚洲二号退役，水利部又租用亚洲五号Ku波段转发器和亚太六号C波段转发器，实现混网组合，组建了新一代的水利通信系统，并于2010年投入使用，提高了抗雨衰能力，EIRP和G/T指数值在边远地区比前代提高了16倍，增强了发射和接收能力。新系统集图像、数据、语音和应急通信业务为一体，采用新型的DVB-S2通信体制，加大传输带宽，充分提高卫星信号传输能力，满足了防汛、抗旱卫星通信需求，有效保证了水利通信系统的业务应用。
3存在问题与展望
静止卫星自身虽然有覆盖范围广、成像周期短、资料来源均匀、连续、实时性强、成本低等先天性优势，但牺牲了传感器精度、荷载和传输速率等条件，造成业务应用面窄和深化程度不够的问题。因此，静止卫星在水利行业得到广泛应用还需要解决以下几个问题。
（1）提高卫星稳定性，保证监测数据的持续稳定获取。我国的FY-2号还采用自旋稳定姿态控制方式，卫星运行稳定性差，数据噪点多，难以实时稳定更新，改进静止卫星姿态控制方式，提高传感器灵敏度和稳定性，是保证监测数据高质量持续稳定传输的有效手段。
（2）提高传感器性能，满足行业应用精度要求，深化业务应用。目前水利行业采用的静止卫星数据源大多空间分辨率和光谱分辨率较低，离行业应用的精度要求尚有一定距离，另外，有效荷载种类过少，监测范围不足，相关应用领域较窄，需加大高轨、高分辨率传感器的研发投入，深化业务应用，在保证静止卫星同步、大尺度观测特性的同时，开展新型传感器的研究，扩展监测领域，进行精细化研究，提高传感器观测精度，保证行业应用的可靠性。
（3）做好与传统地面监测数据的协同应用。不管是单一静止卫星遥感监测数据，还是传统地面监测数据，都在反应真实水利应用状况时存在优缺点，做好和地面观测数据同化处理，实现与传统地面观测技术的结合应用，才能提供更加全面、真实、精确地监测数据。
（4）做好与高空间分辨率数据源的同化应用。静止卫星可提供全天候、大尺度的遥感监测资料，但不足之处是空间分辨率较低，数据精度有限，做好静止卫星数据与高空间分辨率遥感卫星数据的协同应用，是保证数据精度的发展方向之一。
目前，静止卫星在水利方面的应用还仅限于一些气象水文信息、水旱灾害的初级监测和水情的转发，像水土流失、水环境状况、灌溉面积监测、水利工程监测等更多水利信息的获取应用还不深入，并且由于应用理论水平的限制，也不能完全满足业务需求。但是，在高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率为代表的新型传感器的研发和高稳定姿态控制技术的发展下，随着数据传输能力的提高、地面数据处理技术的发展，静止卫星数据与传统监测数据和高空间分辨率数据的同化技术的深入研究，静止卫星数据的应用水平将不断提高。近期，依托高分辨率对地观测系统重大专项，我国将发射一颗高空间分辨率的光学静止卫星，将在卫星姿态控制和传感器物理指标上有重大突破，会大幅提升静止卫星的空间监测能力，为地表水体变化、水利工程运行状态监测、农作物长势监测以及水旱灾害监测与预警、突发水污染事件和其他突发灾害应急监测提供更加全面的监测数据，相信会更加深化静止卫星数据在水利行业的应用水平。
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1、引言
随着经济和科技的发展，各学科之间的联系越来越紧密，尤其是“3+综合”高考改革的出台，在综合考试中，一改以往各科单独学习，单独考试的方式。着重考核学生综合知识的掌握和运用能力，这就要求广大师生不仅要学好各科的知识，还要十分注重各学科之间的渗透。
就目前各中学的情形来看，由于地理多年被当作“副科”，致使地理教师上课缺乏积极性，上课形式，内容，枯燥单一，学生有在地理课中打磕睡，做其它科作业，甚至逃学等现象发生。在全国高师地理系中也有许多同学没认真学好专业知识，或者没学好多学科渗透的知识，以致将来走上岗位时，知识储备不够，不能灵活运用各科的知识渗透进地理课堂中。本文通过分析新课程体系下，地理学科在“综合”科中的地位及美国教材多学科渗透的状况，并着眼于从三个方面论述地理教学中的多学科渗透教学，希望能对高师地理系学生及中学师生有所帮助。
2、地理学科在“综合科目”中的地位及美国教材分析。
地理学科综合性和区域性的特点，使之容易成为无论采用哪一种综合形式考试试题的题眼。地理中的自然部分易于与理科综合，人文部分则便于与文科综合，而大综合就更利于地理学科发挥优势。如全球政治、经济、军事等方面的热点现象与问题，可以使政、史地3科有机地结合起来；资源开发，环境污染与治理保护，可以使理、化、生、地各科巧妙融合在一起；以区域为单位的事物与现象的剖析，则使文理科的融合和渗透变得更加便利。在1998年和1999年教育部对部分省、市招收保送生综合能力测试题中，地理知识的分数比重占全卷总分的一半以上。地理学科在“综合科目”中的地位由此可见一斑。[1]
同中国教材相比，美国教材更注重多学科渗透。美国教材在温度和密度这一节中讲述了液体的密度（学科内渗透浮力，学科间渗透海水的对流——海洋学）气体的密度（学科内渗透浮力的应用——热气球，学科间渗透大气环流——气象学），固体的密度（学科内渗透热胀冷缩，学科内渗透地壳运动——地震、造山，火山——地质学，地球物理学）这种渗透用密度这根主线贯穿其中，有条不紊。这就像一根神经上伸出无数未梢，无论触动了哪根未梢都会引起反应。可见，在新形势下，我们不仅要从教材予以改变，更要从地理教学中进行渗透，以提高未来学生的综合素质，为现代化建设服务。
2、如何在地理教学中进行多学科渗透。
2.1充分利用地理课堂渗透各个学科。
课堂教学是实现教学意图的主阵地，在向学生传授知识，培养能力的同时，适时渗透各科知识，既可以调节课堂单一、枯燥的气氛，又可以使同学们获得更多的知识。
2.1.1在自然地理基础知识教学中，注重各自然要素和自然系统与人类活动的联系以及人类对它们的作用和影响，特别是不利的影响，让学生明确消除这些不利影响的途径和方法。[1]尤其要强调对各类要素和自然系统的保护措施，如在讲解天气和气候的知识时，可恰当地引入温室效应对人类的影响，并向学生讲解几种缓解的办法。这种逆向教学的方式，更有利于知识的渗透。此外，地理上涉及的岩石风化，喀斯特地貌的形成，光化学烟雾的形成、臭氧层漏洞，光合作用等知识，与生物、化学有着较广泛的联系，在讲解这些知识时要巧妙进行多学科渗透。
2.1.2 对于区域地理教学，应从区域环境条件，环境问题和区域经济的发展与规划等新的角度重新组织区域自然地理和区域人文地理的知识内容。同时，要精心设计教学过程，注重引导学生用已学的地理知识和原理正确评价一个国家或一个地区的环境状况，人地关系、生产方式和经济模式，特别要注意那些不符合可持续发展的生产模式和区域发展模式的评价和分析，引导学生针对问题和区域发展的条件，提出自己的可持续发展的思路和构想，以锻炼学生实际应用知识的能力。这样，无形中，学生综合运用和处理知识的能力得到提高。此外，也可在区域地理教学中，适当渗透国防知识，如在学习“海洋环境保护和海洋权益”一节时学生通过学习了解到我国的一些海域存在着海域划界和岛屿归属的矛盾和争议。在南海，有一条历史形成的断续的传统海疆线。在岛屿归属上，我国海洋权益面临的挑战更为严峻。比如南沙群岛屿已被一些国家大量侵占。由此，可使学生感到我国国防建设的紧迫性，也激发了学生强烈的爱国热情。此外，地理上涉及到一些国家或地区的领土，领海的争端，民族的矛盾，宗教的冲突，甚至国家的分裂等重大问题，与当时的政治，历史背景都是分不开的，如科索沃问题等。
2.1.3对于人文地理中的资源、人口、工业，农业和城市等知识的教学，要引导学生树立生新的资源观，价值观和发展观。例如，讲工业布局时，要让学生认识：经济增长不等于经济发展；合理的工业布局应是经济效益，生态效益和环境效益的综合体现。而只顾眼前的，或只看到本地区，本行业的经济效益，不作长远和整体考虑的经济行为不符合可持续发展要求地。[1]这样多学科知识放在一起讲，会改变以往上课单一的形象。
2.2抓住重大节日，不断渗透多科知识。
2.2.1运用时事热点信息渗透国防教育。
时事热点信息时效性强，学生感兴趣，也是高考“综合科目”考试的“切入点”。如2000年浙苏吉文科综合测题涉及到中国加入WTO、中东问题、巴拿马运河回归等。因此，利用时事热点信息渗透国防教育可起到一箭双雕的作用。又如我国西部大开发，其近期目的在于促进西部地区的经济发展，缩短东西差距。从长远来看，有利于民族团结，有利于边疆安全。因此，地理教师应充分利用时事热点，巧妙渗透知识。
2.2.2抓住“地理节”，渗透各科知识。
如在“3.12植树节”，“爱鸟周”、“4.22世界地球日”、“4.30世界无烟日”、“6.5世界环境日”、“6.25土地日”中，地理教师可组织学生以此为主题开展形式多样的活动，不仅学生喜欢，而且也更容易使知识得到渗透。此外，还可充分利用寒暑期时间，开展社会调查活动。
2.3运用地理综合实践活动渗透多学科知识。
地理综合实践活动内容丰富，形式多样，机动灵活。这些活动有学生的直接参与和亲身的体验，很容易激发学生的兴趣，是进行多学科渗透的重要途径。
2.3.1以研究性学习的方式开展地理综合实践活动。
“综合实践课”作为必修课已被列入教育部新颁布的《全日制普遍高中课程计划（试验）》中，这是我国基础教育改革在课程结构上的重要突破。研究性学习作为课程是“综合实践课”的重要内容，更重要的是它将作为一种学习方式影响现行的中小学各科教育教学。研究性学习是指学生在教师的指导下，以类似于科学研究的方式去获取知识和应用知识的一种学习方式。这种方式注重学生的亲身体验和直接参与，注重让学生获取直接经验，注重培养学生实践动手，发现问题、解决问题的能力。通过这种学习，学生从封闭的课堂走入开放的现实生活，从接受知识走向探究问题，从分科学习单一的学科知识走向综合的应用所学的多学科知识。从研究性学习的特点看，它得适合开展地理综合实践活动。[2]实践证明，学生对活动的兴趣和极大的热情是地理老师始料未及的，而学生在活动中所释放出的巨大潜能更是让教师惊叹，活动中收到许多好的小论文和研究报告。研究性学生中学生是主体，但它的开展需要地理教师的指导。因此，高师地理系学生一定要认真学习，敢于挑重担。
2.3.2组织形式多样的学生兴趣小组
依据学生不同年龄特点和已有知识构成的特点，可组织具有不同类型，各具特色的学生兴趣小组，增大知识的构成量与渗透量。如天文兴趣小组、气象观测小组，生物观测小组、环保科技小发明和小创作组，利用板报、校刊等形式进行宣传。学生根据自己的兴趣选择参加这些小组的活动，在活动中接受新知识。
结语：
总之，在新形势下，广大地理教师应充分利用地理教学的特点，不断渗透新知识。同时应树立以下思想：树立素质教育思想、树立以人为本的思想，树立教育创新思想、树立终生教育思想，树立信息化教育思想，立足终生学习，不断吸纳新知识，多层次开发学生的各种能力，为中国教育改革出一份力。
参考文献
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[3]郑建红，努力读书学习塑造新型教育教师形象 地理教育 2001年第6期
[关键词]传统儿童游戏；旅游价值；旅游开发策略；途径
一、问题的提出
游戏，一般指游乐、玩耍等娱乐活动。游戏的英文有play、game或recreation等不同译法，由此可见人们对游戏的理解各有不同。根据《辞海》的定义，游戏是以直接获得为主要目的，且必须有主体参与互动的活动。在动物世界里，游戏是各种动物熟悉生存环境、彼此相互了解、习练竞争技能、进而获得生存权利的一种增长本领的活动。在人类社会中，游戏一方面保留上述特质，另一方面也被人类赋予了多种形式和功能。传统游戏对儿童身体机能的发展和心理健康(认知能力、道德品质、社会性发展、人格完善)具有重要的养成作用。但是新浪网2009年进行的一项面向家长的在线调查显示10.4％的孩子每周游戏时间少于5小时，他们游戏方式排名前三位的是：看动漫23.6％，和家长去亲子乐园玩17.1％，玩拼图15.8％。可见我国儿童游戏正呈现室内化、亲子化、桌面化特征，尽管游戏手段越来越“高科技”，但儿童活动时间越来越少、活动空间越来越小，游戏方式却越来越孤独，离大自然越来越远，从中获得的集体性、互体验和快乐感越来越少。与此同时，一些传统儿童游戏正在渐渐失传、消亡。
近年在非物质文化遗产研究热的同时，对其中传统民间游戏的研究则相对冷淡。文献检索发现，近年围绕游戏对于儿童成长意义研究在幼儿教育、小学教育和体育教育等领域探讨较多，“玩耍是孩子的天性。适当的玩耍不仅有利于孩子的身心健康、大脑发育，还有利于有效地开展学习生活”，“传统游戏对儿童身心的健康发展和健全人格的形成影响巨大”已成为共识。但关于传统民间游戏及其保护性开发的研究却较少，从旅游开发的视角探讨传统民间游戏传承的研究则几乎为空白。
笔者认为，传统儿童游戏形成于一定的地理环境和历史条件下，是社会发展的产物，是某个地区经济发展特点、生产生活方式、民间信仰、教育观念、审美习惯和社会风俗等文化特征的体现，是人类智慧的结晶，是记忆着历史进程和民族文化的珍贵遗产，不能任其衰落下去。
二、传统民间游戏与旅游
游戏与旅游均有一个“游”字。游的本意为优游、逍遥、无拘无束。游戏中的“游”强调游乐、嬉戏，旅游中的“游”则强调在异地旅行、游览，但二者“游”的方式和目的却是殊途同归，即均是在闲暇时进行的，为了获得快乐的休闲活动。可见游戏与旅游具有天然的联系。
与其它非物质文化遗产相比，传统民间游戏不仅具有原真性、本土性、活态性、可视性和地域性等共性，而且具有更好的观赏性、参与性、趣味性和娱乐性，同时还具有文化内涵的丰富性。这说明传统儿童游戏具备了旅游吸引物的基本特性。
国际上存在四大经典游戏理论：一是以德国诗人、哲学家席勒为代表的“剩余精力说”。认为游戏是“剩余生命的刺激”，并由此区分了不同的游戏形式：体质上的过剩主要导致体力上的游戏；审美上的过剩导致艺术的、戏剧的或象征性的游戏。二是拉扎勒斯的游戏“松弛说”。认为游戏源于能量不足而不是能量过剩。三是哲学家帕特里克的“娱乐理论”。认为游戏源于娱乐的需要。四是格罗斯的生活预备说，又称“本能练习说”，是早期最全面、最庞大的游戏理论。认为儿童期的存在就是为了有机体能够游戏，而游戏的存在是为了实践成人的活动。他还指出，儿童的游戏随发展而变化。首先是实验性游戏，它包括感觉训练游戏和运动训练游戏。其次是社会性游戏，它包括玩打仗和追逐(打闹性的游戏)，以及模仿的、社会的和家庭的游戏(戏剧性的游戏)。实验性游戏的目的是帮助发展自我控制，社会性游戏为发展人际关系的目的服务。我国有史记载的游戏史可追溯至先秦时期，传统的游戏理论侧重于探求游戏的起源，主要有：生产劳动说、军事战争说、社会风俗说、文化交流说等。它与国外的游戏理论相互补充，帮助我们认识了游戏的社会历史的、生物学的和心理学的根源。上述理论的剩余生命刺激、松弛、娱乐、本能练习等游戏动机其实都反映在当代旅游动机中，并分别与旅游心理学中的补偿动机、逃避动机、审美动机与求知动机大致对应。生产劳动、军事战争、社会风俗、文化交流等起源又与乡村旅游、怀旧旅游、民风民俗和文化体验游具有千丝万缕的联系。
传统民间游戏的传承以往多通过口耳相传、风俗习惯、节庆活动以及教育的形式进行，传统旅游活动则多以观光游览为主，二者以往的结合并不紧密。随着时代的进步，旅游日益成为一种跨越时空的综合性的审美活动，旅游中的异域空间环境、集体活动情境有利于深化人们对传统游戏中所蕴涵的文化背景的认知，游戏中的参与性、体验性更是迎合了旅游者深度体验、注重参与和交流的需求。
因此，在上述旅游动机与传统民间游戏所蕴含着的旅游吸引力之间建立桥梁，将传统民间游戏中的旅游资源转化为旅游产品，当是旅游保护性开发的主要任务。
三、传统儿童游戏的基本类型
传统儿童游戏有许多种类，具体名称、内容、方式因游戏者的民族、年龄以及所处的地理环境和时代不同有所差异。较常见的有乌丙安先生的四分法：室内生活游戏、庭院活动游戏、助兴游戏、各类博戏；钟敬文先生的三分法：智能游戏、体能游戏及智能与体能结合的游戏。笔者认为，按照游戏的旅游功能，传统儿童游戏可以分为三大类：
一是观赏性游戏。主要指那些体能活动较多、动作幅度较大、具有一定竞技性、便于观看欣赏的游戏。如放风筝、抖空竹、打陀螺、滚铁环，跳竹竿、跳长绳、斗鸡，等等。这类游戏适合在旅游景区、旅游节庆活动中作为表演项目展示。
二是体验性游戏。主要指那些游戏过程娱乐性、趣味性或挑战性较强，能够吸引游客参与、体验的游戏，比如体验社会角色的过家家、堆积木、拍洋片，体验生产劳动或军事活动的如斗百草、斗蟋蟀、骑马马、打弹弓、丢沙包、抓子儿、捉迷藏、跳房子、石头剪刀布，以及诸如翻绳、折纸、七巧板、九连环、拼图、下棋、打牌等益智游戏。这类游戏可以排解旅途的疲劳和单调，具有活跃气氛、增强团队凝聚力、丰富旅游体验的作用，适合在旅途中开展。
三是综合性游戏。兼具上述两种功能的游戏，如找朋友、老鹰抓小鸡、拔河等。
显然，那些适宜户外开展的、参与性与观赏
性较强的游戏，其旅游价值相对较高。
趣味性、快乐性、互动性、参与性是游戏的基本特性，竞技性、集体性、娱乐的大众性则是其附属特性。上述特性与旅游的求新、求异、求奇、求美、求乐等动机追求相吻合，赋予了传统儿童游戏良好的旅游开发前景。
四、传统儿童游戏的旅游开发策略
(一)重视价值，建立校旅合作机制
真正的、纯粹的游戏是文明的主要基础之一。在我国，游戏一直是人类生活不可缺少的组成部分，参与着人类生活机制的调节，并影响着人们的道德观念、行为准则、审美趣味乃至思维方式，是一种具有丰富内容的文化形态。传统游戏对青少年的教育作用是任何高档玩具、电子游戏都取代不了的。学校、家庭和社会应该创造条件让更多的传统游戏回归，让孩子们在这些游戏中体验快乐，感受成长的乐趣。
必须加强对传统儿童游戏的文化、教育、旅游价值的重视，着手调查、搜集、整理，并在保护中发展创新。地方政府要像保护其它非物质文化遗产那样，将传统民间游戏的保护与传承纳入工作范畴。旅游管理部门要善于借助政府的力量统筹规划，获得文化、体育、财政、城乡建设等相关部门的支持。建立旅游景区与中小学校、行走学校、青少年培训机构、儿童医院、心理咨询与诊疗中心、夏令营等组织机构之间的合作机制，针对青少年成长中的问题或旅游需求，协作开发。
(二)因势利导，因地制宜，与时俱进，开发适宜的旅游产品
1、因势利导
传统儿童游戏一般并不是核心旅游吸引物，主要起着增加旅游产品的附加价值的作用。需要注意寻找与核心吸引物、主体吸引物之间的关系，适当借力，适时运用，使二者相得益彰。如结合民间节庆活动，适时开展元宵节赏花灯、清明节踏青放风筝、端午节小布虎、小葫芦驱邪、中元节(农历七月十五)放莲花灯普渡众生等游戏。此外，还要结合不同景区的特色开发不同类型的儿童游戏，如迪斯尼乐园、博物馆、科技馆、环球影城、野生动物园、海底世界、蝴蝶馆、美食场所、溜冰场等都是孩子们比较喜爱的景区，可结合它们各自侧重童话世界、科普知识、动物天地、美食、运动等不同的景区特色分别开漫趣味型、求索益智型、体能运动型、感官享受型、共享合作型等不同类型的游戏。
2、因地制宜
游戏起源于生产劳动、军事活动、社会风俗、文化交流，它们具有鲜明的地域特色。如盛产竹子的南方多使用竹制的玩具或器具进行游戏，抖空竹、跳竹竿、竹水车等，而黄土高原地区则以泥、陶玩具较多。同样是抓子，农耕发达地区的“子”多以棉布缝制成小袋子，并内盛黄豆、绿豆等种子而制成；临河地区的袋子里则多装小石子；而牧区的“子”则多直接用兽骨来取代了。因此，旅游开发中需要注意因地制宜，从游戏内容、道具、场地等方面，体现地域特色。
3、与时俱进
历史经验告诉我们，我国凡是经济繁荣时期，“娱乐”游戏观就会占上风，民间游戏也相应趋向通俗化、商业化以及教化的世俗化。上述规律一方面要求我们，在游戏的旅游开发中不能墨守成规，要及时更新理念，融入时代元素，增强时效性。为了增强传统游戏的趣味性和旅游吸引力，应该允许从旅游心理需求出发，在开发中进行适当的改编和创新。主要方式有：(1)用现代生活场景创设游戏情境和游戏空间(比如用在火锅中捞菜代替传统的渔网捞鱼游戏，用游客选择客房类型代替抢地盘游戏)。(2)根据游客类型和承受能力确定游戏的挑战性、竞争性和变化性。(3)将现代游戏与传统游戏结合起来，如将斗百草与野外生存训练、将捉迷藏、丢手绢与定向运动相结合。另一方面，我们还要注意青少年心理的稚嫩性、敏感性和脆弱性，把握分寸，汲取精华，剔除糟粕，避免低俗化。
(三)细分市场，体现差异
游戏是儿童的天性。传统儿童游戏在青少年教育中具有多种功效，因此，修学旅游中的儿童游戏开发可以分为以下几种情形：
1、面向广大青少年的户外活动游戏
结合学校素质教育、第二课堂等活动的开展，将传统儿童游戏与春游、秋游、野营等集体户外活动整合开发，侧重突出知识性、趣味性、团体性。通过真实世界的户外游戏活动，使孩子们体验在阳光下、在运动中亲近大自然的快乐，帮助他们摆脱长期独自活动，沉浸于电脑、电视、网络虚幻世界的影响，引导他们在游戏中体验独生子女难得的兄弟姐妹般的亲情，提高人际交往能力，增强集体意识和合作精神，克服自私、冷漠、缺乏关爱与合作意识等问题。
2、针对部分疾患儿童的治疗性游戏
目前我国青少年的肥胖症和心理疾病发病率均呈逐年上升趋势，其中因缺乏体能运动、缺乏游戏而导致过度紧张、焦虑，或因不当游戏而沉溺于网络世界是主要原因之一。而通过适当的传统游戏、体能运动游戏、健康游戏来治疗肥胖症、多动症、自闭症、抑郁症、社交困难、网络成瘾等问题，也是目前发展态势良好的新型治疗途径。因此，那些自然环境保护良好、风景优美、具备疗养条件的旅游景区可与医疗机构积极配合，通过开发适宜的游戏旅游产品，建立游戏旅游诊疗基地，帮助上述患儿进行诊疗与康复训练，并使他们在游戏中获得认同感和自信心，在游戏的愉快体验中促进身心健康。
3、面向部分特殊爱好和需求的特色游戏
针对青少年中那些具备一定爱好和特长，对生物学、气象学、野外观测、户外拓展、山地自行车、极限运动等具有特殊喜好的青少年，可将传统儿童游戏与现代运动休闲方式结合起来，开发具有强智能、多体能、高挑战性的特色游戏。帮助他们在这类游戏中增长知识，拓展视野，实现一定目标，获得成就感，并在体验游戏规则与个体自由的辩证关系中，感悟人生哲理。
(四)优化专业设置，加强人才培养
当前我国对游戏开发的研究多见于网络游戏，传统游戏则少人问津。我国高校专业设置中，传统民间游戏多赋存于民俗学，同时其它专业也有涉及，如体育专业中关于游戏方式的探讨，汉语言文学中对游戏故事及其象征意义的讨论，艺术专业中对游戏形象设计的研究等，但尚没有形成独立的体系。这种现状势必影响我国传统民间游戏的保护与传承。应从优化高校专业设置着手，加强传统民间游戏研发专门人才的培养。现阶段可以在民俗学、旅游学、休闲学、体育学等专业中划分出专门方向，开设传统民间游戏开发设计有关课程。
五、鄂西生态文化旅游圈传统儿童游戏旅游开发的具体途径
鄂西生态文化旅游圈包括位于湖北西部的襄阳、荆州、宜昌、十堰、荆门、随州、恩施、神农架等8个市州(林区)，拥有神农架、长江三峡、恩施大峡谷、三峡大坝和丹江口水库等驰名中外的自然保护区、风景名胜区、世界水利工程奇观，是全国重要的生态功能区。拥有2个世界文化遗产、9个国家级自然保护区、35个国家非物质文化遗产，地域民俗独特，生态文化旅游资源十分丰富。该地区传统民间游戏十分丰富，融汇了荆楚文化、巴土
文化、三国文化和佛道巫宗教文化的特色。1990年代中期曾经有两首儿歌《雀尕飞》和《推磨歌》从宜昌诞生，一时间传遍大江南北，就是在当地十分流行的幼儿游戏的基础上改编而成的。
因此，鄂西生态文化旅游圈传统儿童游戏的旅游开发必须在保持其本真性的同时，借助传统游戏良好的文化内涵及其拓展性和延伸性，注意发掘地方特色元素来进行。主要途径有：
(一)景观化途径
将某些传统民间游戏活动的角色、场景转化为雕塑、园林构景小品等旅游景观或建设主题街区。如拍洋画、斗百草、堆沙雕、下五子棋等造型，“鬼捉人’、滚铁环等群像雕塑，跳房子游戏中虚拟的“房子”，等等。
(二)体验化途径
从民间游戏的起源或内涵出发，开发出深度体验的产品。如将打弹弓、转城门、叫阵游戏(“我们要求一个人’)与投掷、射箭、攻城、攻阵等古代军事活动结合起来开发系列军事旅游产品。
(三)线路化途径
以游戏在文化交流中传播的路径为线索，将分散在各个地区的儿童游戏按照一定主题、类型进行串联，设计旅游线路。
(四)商品化途径
将民间游戏中所使用的道具、器材，开发为旅游商品。如具有鄂西地域特色的蝴蝶风筝、关羽的刀、张飞的黑面具、橘皮弹弓、“兔儿泥”棋子、三峡石七巧板、杏仁做的哨子、不同形状的陀螺、以及草、藤、木、竹、石、陶、泥、布、纸、种子、毛皮、兽骨、贝壳等就地取材制作的乡土玩具。此外，也可发掘传统儿童游戏中的益智性、健身性、趣味性、象征性因素，开发设计新的旅游商品。
我国正步入休闲旅游时代，修学旅游、家庭旅游、亲子旅游、体育健身旅游正在蓬勃发展，随着旅游者自身素质的不断提高，在旅游中追求文化目标的动机也将不断增强，传统民间游戏的旅游价值还将得到进一步彰显。如果说旅游开发是一种利用性保护，那么从长远看，还应加强、传统民间游戏的研究性保护。如何将游戏活动设计得内涵深刻、形式活跃、规则合理、程序巧妙，将游戏空间创设得自然、古朴、奇幻、神圣、充满情趣，并便于组织操作，与旅游活动有机衔接，使游客在游戏中有所领悟、体验丰富，是传统民间游戏理论研究与实践努力的方向。
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中图分类号：P715.4+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0160-01
近年来，随着海洋经济的迅猛发展，世界各国不断出台海洋法规与政策，积极投入到海洋创新体系的建设中。虽然我国在国家海洋中心建设、国家及地方海洋产业集群发展、海洋科技创新管理体系和机制建设等方面已经取得一些成绩，但相比其他海洋大国和强国，我国的国家海洋创新体系建设和相关研究还处于初级阶段，海洋对于经济发展和强国战略的支撑还十分有限，为了整合现有海洋科技资源，打通海洋强国战略需求和海洋研究开发的脉络，建立富有活力和路径创新突破能力的国家海洋创新体系，我们需要积极借鉴世界主要海洋国家的建设经验。
1 澳大利亚
澳大利亚是典型的海洋大国，作为国家创新体系的重要组成部分，海洋创新体系已经发展比较成熟，并且被纳入国家创新体系框架。澳大利亚海洋领域的创新驱动包括气候变化、海洋资源的可持续利用、维护海洋生物多样性、沿海地区发展和国家安全五个方面。当前专属经济区的可持续利用和保护是澳大利亚国家创新的重点[1]。当前，澳大利亚海洋创新也面临一系列挑战：海洋研发基础设施不足；体制的发展和演变有待加强；海洋人才供应不足；海洋产业面临调整和转变；海洋研发中的联网与合作。
为了解决经济、环境和社会方面的挑战并且保护其海洋领土日本，澳大利亚需要以连贯性、综合性和前瞻性的方式进行海洋研发和创新。海洋研发和创新主要涉及知识生产、知识应用、扩散与吸收三方面。在澳大利亚创新周期的“知识生产”部门，发达的海洋研发占据重要一席。海洋研发主要通过政府资助的五个研究机构（AIMS， CSIRO， BOM， GA和AAD）进行，同时，具有国际竞争力的大学也参与其中。但是由于一些地区受到基础设施和资源的约束，海洋研发的效益正不断减少。在“知识应用”方面，主要的海洋研发机构及成果应用者之间的协作已经卓有成效。在特定领域内（如政策、海洋预报、世界文物古迹区的管理和海洋资源的勘探等）海洋研发成果的吸收是非常高的，但是受到海洋环境的限制，很多仍处于未知或开发不佳状态。从海洋研发领域向其他组织和产业界进行创新扩散在某些领域是很普遍的，如海洋气候、海洋保护区与西北大陆架的探索等。然而，在其他领域（如旅游、航运、海洋休闲、海洋生物技术和海岸带发展）海洋部门的分散性限制了创新的传播与吸收。
2 美国
凭借优越的海洋自然环境、强大的综合国力，美国在海洋学、海洋政策和海洋管理领域一直处于世界领先地位，并且多次在海洋领域的创新发展中起到里程碑作用，为其海洋霸权战略奠定了可靠基础。美国著名的海洋科学研究机构有太平洋海洋环境实验室、大西洋海洋学与气象学实验室、伍兹霍尔海洋研究所、斯克里普斯海洋研究所等，这些科研机构担负了美国海洋科技创新的重要使命，为海洋科技创新贡献了巨大力量。
进入21世纪，美国加快了海洋开发与科技发展的步伐。美国海洋政策委员会于2004年提交的《21世纪海洋蓝图》和接下来的实施的《美国海洋行动计划》是对美国30多年海洋政策综合评价、经验教训的总结，尤其是在加强海洋管理，调整海洋管理体制，增设高层次的国家海洋委员会，加强海洋行政主观部门的职能；建立海洋政策信托基金，大幅度增加对海洋的资金投入；以及加强政府人员和公众及学校的海洋意识教育等方面特别值得我国参考借鉴。2007年的“绘制美国未来10年海洋科学发展路线――海洋科学研究优先领域和实施战略”指出，未来10年海洋科学优先发展领域包括：自然和文化的海洋资源管理；对自然灾害的恢复能力；海上作业；海洋气候系统；海洋生态系统，海洋与人类健康[3]。
3 日本
日本是一个岛国，专属经济区水域面积约为陆地面积的12倍。日本经济、社会发展高度依赖海洋，海洋产业加上临海产业总产值占日本国内生产总值的一半，经过多年的积累，日本在海洋开发、科研和海上军事力量方面已经堪称海洋强国。
面对资源环境约束的日益加大，日本在创新海洋体系建设方面也面临巨大压力。日本政府在海洋创新方面不断进行新的尝试。从沿海50米水深的海域到离岸10千米的陆域日本，日本海洋利用已经实现了空间集约发展，成为海洋空间利用程度最高的国家。政策法规方面，“21世纪日本海洋政策”提倡要坚持海洋科学研究、海洋开发利用和生态环境保护平衡发展的原则执行海洋政策。2004年日本第一部海洋白皮书，提出对海洋实施全面管理。2006年日本海洋政策研究财团和日本海洋法研究会提交了《日本海洋政策大纲：以新的海洋立国为目标》和《日本海洋基本法草案概要》，论述了在海洋问题上日本应选取的道路，提出海洋基本法的制定要以新的海洋立国为目标。2007年4月，日本国会审议通过了《海洋基本法》。日本海洋法规的不断出善和政策上的衔接，为海洋创新提供了有力保障。
近年来，日本的海洋研究创新比以往任何时期进行着更为彻底的改变。在日本国家创新体系建设中，政府研发资金的60%以上资助给非大学科研机构，而大学科研经费的百分之二十来自工业项目资助，产业研发的一小部分（2001年所占比例为1.4%）是由政府资助的，金融危机以后产业研发速度开始放缓[5]。作为国家创新体系建设的重要组成部分，日本海洋科学研究由大学、政府部门及相关产业承担。其中政府部门科研主要集中于海洋科学技术中心。该中心承担者研究开发、设施配给、知识培训和信息处理的职责。作为日本海洋领域的一个“问题解决型”科研机构，由日本国家财政支持建立的国家海洋研究所（NMRI）凭借在专业知识、研究设施和技术能力上的优势，为政府和社会提供高质量的服务，包括拟定日本和国际的海洋技术标准、保护海洋环境、创新海洋技术、确保海洋运输安全等。2010年是NMRI实施第二个中期计划的最后一年（NMRI的中长期战略如图1所示），作为对政府政策的紧密配合，NMRI在2010年的关键研究课题主要集中在温室气体的减排和排放标准制定、海上事故的技术分析、日本专属经济区的发展、以及技术的转移方面[6]小论文。为促进学术界与产业界的合作交流，日本政府在许多地区建立了“创新集群”（innovative clusters）。“创新集群”的设立旨在连接区域的创新参与者，这在很大程度上为当地经济发展和就业机会的增加做出了贡献。除了推动产学互动，“创新集群”也积极鼓励当地企业与分包商之间的合作。实践证明，这种创新模式的实施已经形成取得很好的效果。
4 总结
[关键词]研究型大学；虚拟科研组织；组建模式；运行机制
[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009-8097（2012）10-0005-07
引言
从上世纪90年代至今，二十多年的高等教育信息化建设已经基本完成了基础设施和基本的信息化服务这两个方面的工作，接下来，高等教育信息化的深入发展就在于从价值创新的角度提升高校科研、教学、管理与服务的水平。在科学研究方面，我国《教育信息化十年发展规划（2011年-2020年）》中三次提到高校科学研究的信息化与数字化。按照规划，我国将在2020年构建起方便易用的数字化科研协作支撑平台，支持跨学科、跨领域的科研与教学相结合团队的协同工作，推动高校创新科研组织模式与方法。在大科学时代，任何一项课题已经不是仅由某一个学科归属的研究团队就能获得解决，传统的科研组织已经很难适应这种复杂变化的环境，亟需创造一种新的组织形式，将能力、资源互补的院系所等联合起来组成一个有机的合作联盟。基于网格（Grid）服务和云计算（Cloud Computing）在高等教育信息化建设中的广泛应用，e-Science、e-Research将成为科研组织和知识生产的主要形式，结构灵活、资源合理搭配的虚拟科研组织（Virtual Research Organizations，VRO）将有效地支持学科的交叉与融合，也必将促进研究型大学科学研究组织形式和管理运行模式的创新。
一、信息化时代的知识生产与科研组织
在科学研究过程中，如同“显微镜打开微观世界的大门，天文望远镜把人们的视野引向广袤的宇宙”，信息技术的最新成果正在深刻地影响着知识的生产与科学研究的组织。
1.e-Science时代的知识生产
数字化技术的飞速发展使得理论分析、实验观察、计算模拟这三类手段成为当今科学研究的主要手段。计算模拟广泛应用于天文观测、芯片设计、能源勘探、装备制造等方面，经济社会系统的行为分析、军事复杂系统的模拟演练也都依赖于科学计算与数值模拟。这些科研活动过程经由传感器、卫星遥感器、模拟分析软件，使得科学数据从一产生就是数字化的（bom digital）。科研的数据量飞速增长，气象学、地球科学等学科领域所产生的数据规模已经达到PB级（千万亿字节）。科研数据成为支撑科技活动的重要基础和战略资源。
正是在上述背景下，英国于20世纪末率先提出e-Science的概念，英国国家e-Science中心给其下的定义是：e-Science是指大规模的科学所日益增加的分布式全球协作，这种科学协作的一个典型特征是科学家能进入大规模大容量的数据库和数字资源网络以及高性能的可视系统。美国国家科学基金会（NSF）在《21世纪科学研究的信息化基础设施》报告中亦明确提出“在未来，美国科学和工程上的国际领先地位将越来越取决于在数字化科学数据的优势上，取决于通过成熟的数据挖掘、集成、分析与可视化工具将其转换成信息和知识的能力”。为此，美国圣地亚哥超级计算中心（SDSC）提出他们今后关注的焦点是数据导向型科学与工程研究。最早于2005年，中国国家自然科学基金委员会也曾制定“以网络为基础的科学活动环境研究”重大研究计划，“计算化学e-Science研究与示范应用”和“网络环境下抗禽流感病毒H5N1药物的大规模虚拟筛选研究”两个重点项目正是对e-Science理念的成功尝试。
2.信息技术引发的科研组织变革
时空限制恰是组织设计中的关键障碍。莱威特（LeaviR）和威得勒（Whidler）基于组织设计的角度认为“信息技术将改变组织结构和管理工作的特点，组织结构压缩……中级管理层逐渐弱化”。大量的实践案例证明，信息技术的强大支撑可以使组织“更为精简，运行更为流畅，资源的共享共用更为便利”。具体而言，信息技术在促进科研组织创新和变革方面体现为：（1）生成虚拟组织（Virtual Organizations）、网络组织等新型组织。基于信息技术的广泛利用，科研组织日趋虚拟化，一方面是单体组织内部结构的虚拟化，另一方面是多个科研组织之间通过信息网络技术实现互联互通。（2）催生协同创新的组织文化，在传统静态机构之外建立起更多的动态机构。信息技术使虚拟的智力资源共享成为科研协作的重要形式。图1所示是由静态机构到动态机构的智力资源组合示意图。实线圆圈表示的是传统静态组织结构s（Static），虚线不规则形体是动态组织结构D（Dynamic）。
（3）组织行为柔性化，组织更具开放性。信息技术对组织的强大影响力也体现在组织与各相关机构问的紧密联系。在研究型大学体现为科研组织之间、科研组织与科研管理部门之间通过信息技术达到信息共享和及时反馈。柔性化则使科研组织增强了对环境的动态适应能力。
二、研究型大学中虚拟科研组织的概念、特征及内涵
虚拟组织一词是由肯尼思·普瑞斯（Kenneth Preiss）、史蒂文·戈德曼（Steven.L.Goldman）、罗杰·N·内格尔（Roger.N.Nagel）三人在1991年编写的一份重要报告——《21世纪制造企业战略》（21st century manufacturing enterprise strategy）中首先提出的。1995年以来，国内外学者对虚拟组织做了大量的研究，虚拟企业（Virtual Corporation）、虚拟团队（Virtual Team）、虚拟社区（Virtual Community）等概念相继提出。虚拟组织突破了时空的限制，最大程度地模糊组织问的边界，组织的结构主要采取扁平化的模式，组织成员间主要采用动态联盟的方式实现核心能力和资源的互补共享。正如物理学，家海森堡所说，“科学扎根于交流，起源于讨论”，已经有足够的案例可以证明，信息技术支撑下协同工作的科研环境可以消除时空的限制，大大地促进科研活动中的共享、合作与交流。具体而言，信息化的协同工作环境主要体现为虚拟实验室（Virtual Laboratory）或虚拟研究团队（Virtual Research Teams）等虚拟科研组织（Virtual ResearchOrganizations）。
1.虚拟科研组织的概念及特征
虚拟科研组织是应用虚拟组织的概念和设计思想，把不同的研究者或者研究集体通过信息技术连接在一起，形成一个相对稳固的研究团队。这个团队具有普遍接受的共同的研究目标，能把自己的核心资源与优势与其他成员共享，组织成员间的等级制度弱化，具有强大的信息技术平台来支撑虚拟的信息共享与交流讨论。与传统的研究机构相比，虚拟科研组织主要表现为以下几个特征：（1）依赖于强大的信息技术平台支撑对科研资源的“交互”与“整合”。（2）以契约制度规范的科研资源共享为基础。（3）组织结构网络化。便于柔性化重组或解散，组织对外界的反应更为灵敏。（4）发挥各自核心优势、围绕知识创新的核心目标，科研工作并行展开。e-Science推进了共享式的科研进步模式，但协同创新仍然以协作各方核心能力的发挥为基础。（5）虚拟科研组织在课程开发、研究生培养、跨学科教育、教学中的实践拓展等方面也体现出强大的优势，如CSBi就将科研与教学较好的融为一体。表1所示是部分成功运作的虚拟科研组织案例。
2.虚拟科研组织的内涵辨析
从表面来看，虚拟科研组织是e-Science时代的产物，似乎是信息技术催生的一种新型组织。但从科研组织自身的发展逻辑来看，虚拟科研组织顺应了大科学背景下知识生产方式的巨大变革，人类长期以来所坚守的学术价值观在科研组织虚拟化的背景下发生转换，跨学科组织的建设更加走向深入。
美国科学学家普赖斯（Derek J.DePrice）于1962年6月发表了著名的以“小科学、大科学”为题的演讲，他认为从二战时期起，人类进入大科学时代。“大科学”（Big Science，Mega science，Large Science）的研究特点主要表现为：投资强度大、多学科交叉、需要昂贵且复杂的实验设备、研究目标宏大等。科技政策学者吉布斯（Gibbons）在1994年出版的《知识生产的新方式》和诺沃特尼（Nowotny）于2001年出版的《重思科学》两本著作中都提到，在大科学时代，知识生产出现了新的生产方式，即要面向复杂的实践问题开展跨学科研究，应用性在新生产方式中得到强调。这正如《巴斯德象限——基础科学与技术创新》一书作者斯托克斯（D.E.Stokes）所指出的一样，跨学科的、应用性的、面向复杂的实践问题（如农业、健康、环境、通讯等）这三个因素使得科学的社会性更强。研究型大学传统的“先基础研究、，后应用研究，服务社会”的科研文化在科研组织虚拟化时代被“直接服务于推进技术发展、创造新技术”的学术价值观所代替。
如果再从跨学科的视角审视虚拟科研组织，MIT早期即从跨学科的视角命名其新型的科研组织为VIO（VirtualInterdisciplinary Organizations，VIO）。如科学史家霍尔顿曾指出的一样，“一个充满生气的研究论题的思想源泉并不局限在狭窄的一系列专业上，而可能是来自最不相同的各个方向”，虚拟科研组织将各类学术组织衔接成为一个综合的学术组织系统。该类组织能最大程度的减少或摒弃人为的学术分割、降低或弱化学科间的严格界限。广泛存在的虚拟科研组织可以保障学术成员在各个学术组织之间自由流动。虚拟科研组织在操作层次上将相互分离的群体富有意义地联结起来，形成更大的团体，能实现更大的具有跨学科性质的目的。
三、虚拟科研组织的组建模式
虚拟科研组织的在组织管理的理论层面有深厚的理论基础。首先是分工协作理论，虚拟组织成员间通过分工与协作产生群体效应，从而形成一种新的科研生产力。其次是交易费用理论，在信息技术平台的支撑下，虚拟科研组织内的各种仪器、设备、文献资源的利用率得到大幅提高，避免了重复购置所引发的浪费。第三是组织生态理论和组织设计权变理论，这两种理论都强调某一类群组织形式的多样性及适应环境的过程。21世纪以来科学发展日趋复杂化、整体化、面向实践性，社会对人才的需求愈加复合化，跨学科组织、虚拟科研组织等新型的科研组织形式是学科发展逻辑、研究型大学与社会环境不断博弈的结果。第四是彼得·圣吉（PeterSenge）的学习型组织理论，《第五项修炼》高度重视系统性、关照整体的思想要求寻求知识齿轮间的完美契合，这种观念是虚拟科研组织健康运作的理想模式。
1.虚拟科研组织组建之初应重点考虑的因素
基于分工协作、资源共享、面向整体、系统思维、发挥各自核心优势、无缝连接等思想，在虚拟科研组织的组建环节，必须对虚拟科研组织组建的可行性和持续发展的可能性进行分析，具体来说，应重点考虑以下几个因素：第一，虚拟科研组织的各方成员在核心能力、核心资源上的耦合度。如果高度耦合，核心能力和资源就可以互为补充，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，虚拟科研组织的各参与主体间是否能够达成信任。合作不能以打破学术的自治和自由为代价，虚拟科研组织的学术性本质决定了该组织成员各方的学术自由、相互尊重与认可，相互信任是虚拟科研组织健康运行的必要保障。第三，要充分考虑各方成员间是否具备共同的科研目标。这个共同的目标可以是共同研发特定的某项产品或者技术，也可以围绕某一个大的论题展开的子课题式的协作，如麻省理工学院（MIT）计算机系统生物学创新工程（Computational andSystems Biology Initiative，CSBi）和伯克利分校（uc Berkeley）牵头组建的纳米研究中心nanoHUB所涉及的研究机构、人员规模都非常庞大，但CSBi着力聚焦于“创建能够为生物变化过程进行全面系统分析的试验方法和数据模型”，nanoHUB在建立之初也明确地集中于“纳米电子学、纳米机电学、纳米光子学和生物医药纳米仪器”。
2.组织形式和组织模型的选择
当合作各方核心资源高度耦合、相互间充分信任、并有共同的科研目标这三个基础具备之后，就应着手对虚拟科研组织形式的设计。按照骆品亮等人的研究，虚拟科研组织分为两类：第一类是单个研发组织无形化，即某机构通过网络和通讯技术把自己分散在不同地点的技术资源连接起来形成的研发组织，比较典型的案例是麻省理工学院（MIT）的计算机系统生物学创新工程（CSBi），还有斯坦福大学的Bio-x计划；第二类是多个独立企业、大学、研究所的研发资源围绕特定目标、利用计算机网络和通讯工具，以关系契约为基础连接起来而构成的一个动态研发网络组织。如国内上海市教委从2003年开始在上海部分高校实施的E，研究院（E-Institute）建设计划，新加坡国立大学和南洋理工大学两所高校与麻省理工学院合作组建的SMA（Singapore MITAIIianee）联盟，还有聚焦于纳米研究、教育与合作的纳米研究中心nanoHUB等。其实，上述两类虚拟科研组织在组织形态上并无本质的不同，只是所连接的合作方之间在空间距离或所隶属机构上的差异，但前者是当前研究型大学内部构建虚拟科研组织的主要形态，后者是校际乃至国际间建立联盟式虚拟科研组织的主要形态。从具体的组织模型来看，上述两类组织形式又都可以采取以下两类组织模型：
星型的虚拟科研组织模型有一个核心主体的概念，这个核心主体可能是传统即有的某个研发机构，也可以是虚拟科研组织单独设立的中心管理机构，如CSBi中单独设立的9人执行委员会，BlO-x计划中有主任领导的生物科学跨学科顾问委员会、学科领导委员会、执行委员会。这些委员会是虚拟科研组织组织者的角色，负责合作方的选择、资源的分配、利益的协调、科研项目的立项与审批等事务。合作各方与核心主体间的关系最为紧密和刚性，所以图示中用实线来表示各参与主体与核心主体间的关系。作为网状的虚拟科研组织模型，各参与主体间的关系更为松散和柔性，所以在图示中用虚线来表示各参与主体间的关系，如美国的nanoHUB和我国上海的E-研究院。nanoHUB就是借助强大的信息技术（NSF支持建设的Cyber Infrastructure中的In-VIGO）支持，通过中间件技术创建了研究者、教育者和学生所需的访问和共享资源的内容管理系统，研究者、教育者和学生间的关系较为松散。但网状的虚拟科研组织同样也有一个核心成员的概念，如果没有这个核心成员，这个虚拟科研组织就会沦为一盘散沙。这个核心成员主要起到基础资源供应和维系网络的作用，如nanoHUB中有一个由六所大学（包括Purdue，UC Berkeley，Northwestern，IUC，Norfolk和UTEP）组成的核心成员NCN（Network for Computational Nanotechnology）。
3.虚拟科研组织的资源依赖
虚拟科研组织虽然作为虚体化的存在，但要使组织化的科研活动得以启动，必须有充足的经费支持。世界上成功运作的虚拟科研组织都具备“丰厚的研究经费支撑”。虚拟科研组织基于信息技术平台的支撑、以研究项目或研究计划为载体，把各参与主体组织起来进行协同创新才是虚拟科研组织的根本功用。如Bio-x计划，1998年该计划被提出，2001年在企业家Clarks捐助了Clarks中心大楼以后，该计划有了其组织者独立办公的物理平台，到2007年，该计划获得了2500万美元的研究经费。以这些经费作为启动资金，Bio-x计划启动了高级研究员项目（Senior Fellow Program）、跨学科启动项目（Interdisciplinary Initiatives Program，liP）、研究生学术会议补贴项目（Travel SubsidV for Graduate Students）、本科生研究奖励项目（Undergraduate Research Awards）等众多计划。同样，CSBi成立之初就确立了庞大的研究经费筹集计划，2003年该虚拟组织成立，仅至2005年，该组织就已经筹得3200万美元的经费。为使虚拟科研组织能长期存在，以研究项目的形式进行持续性经费资助在虚拟科研组织建立之初必须明确规定下来，否则虚拟科研组织就成为虚无。
4.虚拟科研组织中各参与主体间的契约设计
虚拟科研组织的良好运作也具备较大的风险。第一，学术组织本身就“相当松散”，虚拟科研组织的参与主体间主要依赖柔性的关系契约维系整体性的存在；第二，虚拟科研组织无法较为清晰地界定参与主体各自的资源投入比例：第三，对学术成果的权益分配是虚拟科研组织面临的一个巨大挑战；第四，知识的共享和交流中一些好的学术火花很容易被缺乏学术操守的人引为己有或向外随意散播，由此造成学术研究中知识外泄的风险；第五，对虚拟科研组织整体绩效的衡量涉及参与主体的学术贡献归属于原所在机构还是虚拟科研组织的问题，对虚拟科研组织的绩效比较难以评价。各种风险的控制与防范是虚拟科研组织持续发展的重要保障，虚拟科研组织的设计者、组织者和主管领导在虚拟组织建立之初应该制定相应的纪律、制度和评价指标，引导各参与主体对要素投入进行基础性的约定，并设定相应的执行委员会、学术委员会、第三方评审委员等机构来监控和评估虚拟科研组织的运行。图4所示是虚拟科研组织的契约设计体系。
四、虚拟科研组织的运行机制
虚拟科研组织是一个动态的研发联盟，当有了共同的研究目标，各参与主体开始互补性的协作之后，与传统的研究组织一样，虚拟科研组织同样面临研究课题的选择、资源分配、权益协调、风险控制、构建组织文化、知识产权保护、重要数据资源的保密及所属成员的学术评议等诸多问题。虚拟科研组织的运行作为一个有机的过程，可以把其归入一个生命周期中来研究其运行机制。图5是虚拟科研组织组建及运行的生命周期模型。
关于该模型的可行性论证和组建期，在本文第三部分已经做了分析。该模型的运行期和解体阶段是虚拟科研组织日常运行中主要的生命周期，通过对诸多虚拟科研组织案例的分析，虚拟科研组织的运行机制可细分为研究项目的选择、资源协调、组织文化、激励约束机制和保密机制五个问题。
1.研究项目的选择
虚拟科研组织良好运行的核心在于各参与主体围绕项目或研究计划进行科学研究。这些项目主要有三个来源：（1）参与主体的自发申请；（2）虚拟科研组织进行的自主设置；（3）外部（如企业、政府）委托。关键要使这些项目能围绕虚拟科研组织的主体研究指向。其中的第（3）类项目由资助机构进行评估，主要是对第（1）和第（2）类项目的选择。决策实践中，应主要考虑项目的创新性、可行性及与本组织研究领域的契合性。如主要指向于保持生物学竞争优势的Bio-x计划，通过跨学科行动项目（IIP）提供种子基金，每2～3年资助描绘和模拟从分子层次到意识层次的生命、重建细胞和组织的健康、解码健康和疾病的遗传基因、设计治疗仪器和分子机械这四个研究方向的科研项目，以此来保证研究主题的聚焦和风险可控。此外，为保证信息的准确性、及时性和决策的科学性，群体决策支持系统已经在诸多虚拟科研组织的技术平台上开始使用。
2.研究资源的协调
虚拟科研组织作为一种网络化、扁平化的结构，组织成员间的等级制度比起传统研究组织大大弱化，在这种背景下，虚拟科研组织的资源协调要做出如下调整：第一，在权力分配上，参与主体因掌握着较为丰富的核心资源，所以分权也成为一种必要的权力配置状态。第二，要充分认识到协调在虚拟科研组织中的突出作用。协调不仅是建立学术信任的基础，也是解决矛盾和冲突的必要途径。第三，核心主体的行政资源和经费资源应得到校际层面的实际支持。如SMA在资源分配上有明确的规定为研究生提供各种奖学金，这种激励措施保证了该组织能持续性地录取到优秀的研究生。CSBi更是牢牢把握住自己的核心目标，把一些的、非核心的研发任务和支撑性的、服务性的工作通过契约方式外包（Out sourcing）给其他机构，这样就保证了以最少成员、最低投入、最快速度、最高质量、最大效益地实现核心目标。
3.组织文化的构建
大部分的虚拟科研组织都是跨学科的，不同的学科会形成特有的学科文化和行为价值观。除学科之外，如果参与主体来自于不同的院校或者不同的国度，那文化的差异性会更大。虚拟科研组织虽然是一种松散的研发联盟，但围绕研究项目形成的虚拟团队应该建立起一种整合的文化来约束或规范各参与主体的行为方式。这种文化的构建不能单纯依靠虚拟的平台，还要借助于传统物理空间实现虚拟团队成员间信任与情感沟通。如CSBi借助于联谊会、专题讨论会、拓展活动等传统学术组织所开展的活动来凝聚团队成员，虚拟团队成员间的互动行为增加，信任感增强。
4.激励约束机制
学术研究本来源于“闲适的好奇”，即学术研究原本是一种自发的认知驱动。但进入规范化管理体系中的研究人员，其行为特征自然具备了目标利益导向。成果的归属、论文署名的排序、经费的分配比例等等都是虚拟科研组织中各参与主体必然要关注的对象。学术成果（尤其是一些思想和理念）是各参与主体交互讨论“生成”的产物，而非预设的。因此，若基于传统的绩效考核理论，e-Science时代的“交互”与“整合”会导致学术成果归属的巨大分歧，如何考核与激励虚拟科研组织内各参与主体的贡献变得异常复杂。在此，要充分认识到学术研究人员所最为重视的自我尊重与自我实现这种职业价值观，有形产品的设计与开发要做出明确的利益分配，在思想理念方面的贡献要依赖于信息技术平台对交互讨论过程的准确记录，要依赖于各参与主体的最后集体评议。
5.保密机制
虚拟科研组织的各参与主体既是自己原本所属院系的一员，也有自己的所属学校、国家、学会等各种归属，并且虚拟科研组织是一种动态联盟，每个参与主体可以在多个组织间进行转移，也可以同时隶属于多个科研组织。因此，在某个组织内所获得的知识成果有可能会被不经意的散播，尤其是在信息技术主导的科研环境中，知识成果的散播变得迅捷而又便利，很容易造成虚拟科研组织的知识产权风险。为此，一些刚性的规定和协议要在虚拟科研组织内进行贯彻，如提高知识产权意识，签订组织内的保密协议，在组织内传播核心成果时采用封装法等，必要的情况下要运用法律手段进行保守秘密。
五、结语
虚拟科研组织是在学术价值观转换和跨学科背景下，应用协同创新和交互整合理念的新型组织。支撑虚拟科研组织的信息技术平台是个复杂e-Science技术体系，最基本的是共享交流门户（Portal）和协同科研的环境（Virtual ResearchEnvironment，VRE）。如由英国JISC资助的The Sakai Demonstrator和一体化的生物学虚拟研究环境（Integrative Biology Virtual Research Environment，IB VRE），还有NERC资助的分子层面的环境（the Environment from the molecularlevels，eMinerals），这些门户和协同科研环境提供了一套完整的客户端工具和访问数据与计算资源的服务。此外，丰富的并能及时得到更新的科技文献数据库、科研数据的传感与收集工具、安全管理系统等都要在信息技术平台的建设中予以考虑，且与已有的观测平台、数据收集平台、数字图书馆的整合可以一定程度上降低虚拟科研组织信息技术平台的建设成本。当然，强大的信息技术平台的建设并非虚拟科研组织建设的全部工作，在研究型大学中进行虚拟科研组织的组建与运行绝非是对传统科研组织的抛弃与背离。虚拟科研组织并非因其“虚”而注定是虚体的存在，经过数代人的积累，研究型大学积淀了丰富的智力资源、信息资源和设备资源，这些实体资源是虚拟科研组织存在的基础。只有充分利用和整合已有的实体资源，虚实结合，研究型大学虚拟科研组织的组建与运行才能真正走向形神兼备。
基金项目：本文系山东省教育厅人文社科研究项目“信息时代研究型大学的学术组织创新”（编号：J10WH73）及中国海洋大学本科教育教学研究课题“泛在学习视角下大学生学习环境的构建及运行研究”（编号：2012JY33）的研究成果。
论文摘要：英国科学家约翰·贝丁顿于 3 月 18 日在英国《卫报》发表文章称，气候变化和人口增长将导致食品、水和能源短缺，进而引发大规模移民、公共骚乱和国际冲突。如果未来数年内没有充分准备的话，到 2030 年，世界将面临“完美风暴”，出现大的动荡。为了评价和印证约翰·贝丁顿的预言我们建立数学模型进行了对预言的评价，这对人们有警示和教育的现实意义。
对于人口的增长问题，我们分别用logsitic阻滞增长模型和灰色系统模型进行了预测分析，结果表明logistic阻滞增长模型得出的结论与约翰·贝丁的预测符合较好，得出 ，2020年世界人口预测将达到80.86亿。由一些有效数据，建立合理的灰色系统模型对未来的2030年粮食储存量进行推算，得出2030年的粮食储存量，从而论证了约翰．贝丁顿提出的观点是科学的。能源问题我们建立了灰色系统模型进行了分析，结果得出是。
得出个个子模型关系后再采用主成份分析法，得出最终的贡献率，个个变量因子对于结果的贡献率。然后用BP神经网络综合分析了完美风暴。
在2030年，资源和粮食都同时短缺，也就是说按现在这个程度发展在2030年将发生食品、水和能源短缺，如果未来数年内没有充分准备的话，到 2030 年，世界将面临“完美风暴”，出现大的动荡。人口的持续增长将会在未来 20 年里引发对食品、水和能源的大量需求，与此同时，各国政府还必须应对气候变化。所有这一切都将同时到来。据贝丁顿教授说，再过 20 多年，全球人口将增加到大约 83 亿。仅此一点，就意味着全球资源需求将在未来变得更大。贝丁顿博士警告说，资源短缺压力将急剧增加，气候变化将使问题恶化。目前，全球的粮食储存量太小，只有年消费量的 14%，一旦发生干旱或者洪灾，粮食就会严重短缺。他说：“我们的粮食储备是 50 年来最低的，到 2030 年，我们对粮食的需求会增加 50%，同时，我们对能源的需求也会增加 50%，淡水的需求会增加 30%。”我们的创新之处在于：一.利用灰色系统进行了对世界人口的预测。二.利用主成份分析法给出了个个变量之间的关系。三. 运用BP神经网络进行了对于完美风暴的预测。
一.问题的重述
贝丁顿说，人口的持续增长将会在未来 20 年里引发对食品、水和能源的大量需求，与此同时，各国政府还必须应对气候变化。所有这一切都将同时到来。据贝丁顿教授说，再过 20 多年，全球人口将增加到大约 83 亿。仅此一点，就意味着全球资源需求将在未来变得更大。贝丁顿博士警告说，资源短缺压力将急剧增加，气候变化将使问题恶化。目前，全球的粮食储存量太小，只有年消费量的 14%，一旦发生干旱或者洪灾，粮食就会严重短缺。他说：“我们的粮食储备是 50 年来最低的，到 2030 年，我们对粮食的需求会增加 50%，同时，我们对能源的需求也会增加 50%，淡水的需求会增加 30%。”
21世纪是人类发展最快的时期，也是我们引领世界的辉煌时期。 近几年来，科学技术的迅猛发展加速了人类文明的繁荣。同时亦增强了人类对自然环境的影响能力，引起了全球各种问题出现了突出的矛盾，成为社会最严重的挑战。正如英国科学家约翰．贝丁顿于3月18日所说，由于气候变化和人口增长将导致食品、水和能源短缺，从而引发大规模移民、公共骚乱和国际冲突，最终在2003年造成“完美风暴”的发生。并且，约翰．贝丁顿也提出，我们的粮食储备是50年来最低的，到2030年，我们对粮食的需求会增加50％，同时，我们对能源的需求也会增加50％，淡水的需求会增加30％，问题由此而生，约翰．贝丁顿提出的观点是否科学，我们有必要根据资料对此观点进行验证。我们以人口与粮食的关系为重点进行论述，假如，到2030年，我们对粮食的需求会增加50％。则在人口随着年份的增加而按照阻滞增长模型进行增长，同时在每年粮食总量不变下，粮食贮存量的变化和粮食消费量的变化建立三者的关系。
二．问题的分析
2.1对问题背景的分析
如今，由于气候的变化以及人口的迅速增长使得食品、水和能源的短缺，并且人类的生活环境变得更加恶劣，如果长此以往，战乱与国际冲突，将随时可能爆发，人类的生存面临这巨大的挑战。所以，对现在人类生活环境状况的评估是非常具有必要性的，同时对于人口增长、能源、粮食和淡水的需求预测也是很有必要的，因为只有做好了，预测分析工作，才能够对未来的发展趋势由很好的了解，对与制定补救措施具有很大的帮助。
2.2对约翰· 贝丁顿观点的论证分析
对于文中约翰· 贝丁顿所提到的，人口、能源、粮食和淡水需求量到2030年会发生重大变化。为了来论证这一观点的正确性，首先就是搜集相关的数据，然后利用相关的模型对上述四个因子分别进行预测。通过模型所得到的预测值来判定约翰· 贝丁顿观点的正确性。
2.3对人口、能源、粮食、淡水之间关系的分析
研究人口、能源、粮食、淡水之间关系的意义在于对运用于人类生存危机状况量化处理的模糊综合估计方法中权值矩阵的确定起到关键作用，所以，通过利用主成分分析法可以求出四者之间的相关性，并且通过相关性可以构建四者之间的函数关系。
2.4对“完美风暴”危机预测模型的分析
人类生存环境的危机状况是一个抽象的概念，没有具体数值来表示。那么，对于这种情况，我们必须找到一种方法，使这种危机的状况能够被量化，于是我们选择用风险度来描述风险和时间的关系。
在得到每一年的危机状况的估计量化值（模型中我们称为危险评判参数）后，我们可以通过构建世界人口、能源、粮食和淡水需求量这四个因子与所求得的量化值之间的关系，于是利用BP神经网络来构建两者之间的输入输出关系，并且通过BP神经网络的网络训练模拟功能，可以预测出2030年人类生存环境的危机状况，以此进行判断“完美风暴”发生的可能性。
三.模型的建立以及求解
I.主成分分析法分析完美风暴一．世界人口增长的预测
3.1 logistic阻滞增长模型预测世界人口
3.1.1模型的准备
表3.1.1 世界人口随时间变化
1970至2006年世界人口统计（单位：万人）
年份
人口（万人）
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
图3.1.1世界人口随时间变化
用EXCEL可以画出以上图形，虽然看起来是线性的，是由于纵坐标取值比较大的缘故，实际上并非是线性的，并且是符合logistic阻滞增长增长模型的。
表3.1.1b近几年世界总人口情况
年份
年总人口数(亿)
出生率(%)
死亡率(%)
自然增长率(%)
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模型的假设
（1）世界人口的增长符合logistic阻滞增长模型，可以用此模型求解.
3.1.3logistic阻滞增长模型的建立以及求解
于是有：
（1）
对 的一个最简单的假定是，设 为 的线性函数，即
（2）
设自然资源和环境条件所能容纳的最大人口数量 ，当 时人口不再增长，即增长率 ，代入（2-2）式得 ，于是（2-2）式为
（3）
将（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
为了对以后一定时期内的世界人口数做出预测，我们首先从世界银行数据库上查到世界人口从1990年到2007年部分年份总人口的数据
（1）将1990年看成初始时刻即 ，则1991为 ，以次类推，以2007年为t=7作为终时刻。用函数（5）对表3.1.1中的数据进行非线性拟合，运用Matlab编程得到相关的参数 ，可以算出可决系数（可决系数是判别曲线拟合效果的一个指标）：
可以算出可决系数 得世界部分年份人口变化趋势的另一拟合曲线：
（2-7）
进行预测得（单位：千万）：
X(20)=80.86
表3.1.3 各年份世界总人口用不同拟合曲线预测数（单位：亿）
由上表可以看出：在2020年总人口就已经超过了80.86亿,比较接近的预测。
3.1.4型的误差检验
在估计阻滞增长模型的参数时没有用到2000年的实际数据，是为了用它做模型检验。我们用模型计算的2007年世界人口总数与已知的实际数据相比较，来检验模型是否合适。
经计算，误差仅为0.0186%，故可以认为该模型的精度是很高的。
其中算法及程序见附录
3.2 灰色系统模型预测世界人口
灰色系统理论的微分方程为GM模型，GM(1，1)表示1阶，1个变量的微分方程模型.
记原始数据序列 \* MERGEFORMAT 如下：
\* MERGEFORMAT
它的时间响应序列为：
\* MERGEFORMAT
其中， \* MERGEFORMAT
即： \* MERGEFORMAT
因此通过计算得：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
然后计算 \* MERGEFORMAT 的紧邻均值生成序列 \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
其中， \* MERGEFORMAT
计算得到：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
我们称方程 \* MERGEFORMAT 为灰色GM(1，1)模型，其中 \* MERGEFORMAT 是需要通过建模求解的参数，若 \* MERGEFORMAT 为参数数列，且 \* MERGEFORMAT 其中 \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT 则求微分方程 \* MERGEFORMAT 的最小二乘估计系数列，满足
\* MERGEFORMAT
称 \* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT 为灰微分方程， \* MERGEFORMAT 的白化方程，也叫影子方程.
因此，根据上述所说则有
1.白化方程 \* MERGEFORMAT 的解或称时间响应函数为 \* MERGEFORMAT
2.GM(1，1)灰微分方程 \* MERGEFORMAT 的时间响应序列为 \* MERGEFORMAT
3.取 \* MERGEFORMAT ，则 \* MERGEFORMAT
4.还原值
\* MERGEFORMAT
根据方程对参数的 \* MERGEFORMAT 作最小二乘估计，得
\* MERGEFORMAT (21)
设 \* MERGEFORMAT
由于 \* MERGEFORMAT ，可得GM(1，1)模型的白化方程为
\* MERGEFORMAT (22)
它的时间响应式为
\* MERGEFORMAT
由此得模拟序列
\* MERGEFORMAT
相应的值为： \* 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
灰色系统模型的检验
定义1.设原始序列
\* MERGEFORMAT
相应的模型模拟序列为：
\* MERGEFORMAT
残差序列：
\* MERGEFORMAT
相对误差序列：
\* MERGEFORMAT
1.对于 \* MERGEFORMAT ，称 \* MERGEFORMAT 为k点模拟相对误差，称 \* MERGEFORMAT 为滤波相对误差，称 \* MERGEFORMAT 为平均模拟相对误差；
2.称 \* MERGEFORMAT 为平均相对精度， \* MERGEFORMAT 为滤波精度；
3.给定 \* MERGEFORMAT ，当 \* MERGEFORMAT 成立时，称模型为残差合格模型.
定义2 设 \* MERGEFORMAT 为原始序列， \* MERGEFORMAT 为相应的模拟误差序列， \* MERGEFORMAT 的绝对关联度，若对于给定的 \* MERGEFORMAT ，则称模型为关联合格模型.
定义3 设 \* MERGEFORMAT 为原始序列， \* MERGEFORMAT 为相应的模拟误差序列， \* MERGEFORMAT 为残差序列.
\* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT \* MERGEFORMAT
1.称 \* MERGEFORMAT 为均方差比值；对于给定的 \* MERGEFORMAT ，当 \* MERGEFORMAT 时，称模型为均方差比合格模型.
2.称 \* MERGEFORMAT 为小误差概率，对于给定的 \* MERGEFORMAT ，当 \* MERGEFORMAT 时，称模型为小概率模型合格模型.
表3.2.1精度检验登记参照表
精度等级
相对误差
关联度
均方差比值
小误差概率
一级
0.01
0.9
0.35
0.95
二级
0.05
0.8
0.5
0.8
三级
0.1
0.7
0.65
0.7
四级
0.2
0.6
0.8
0.6
由已知数据我们算出的结果为
表 3.2.2残差序列
\* 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
计算得平均相对误差： \* MERGEFORMAT
模拟误差： \* MERGEFORMAT .精度为一级
计算 \* MERGEFORMAT 与 \* MERGEFORMAT 的灰色关联度 \* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
精度为一级
计算均方差比
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
\* MERGEFORMAT
所以，由 \* MERGEFORMAT 均方差比值为一级计算小误差概率
由 \* MERGEFORMAT
表 3.2.3 计算得出的 \* 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 小误差概率为一级.
故可以用
\* MERGEFORMAT 来进行预测.
预测的结果为
表 3.2.4预测的世界人口总数
年份
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
总人口（亿）
64.84
65.72
66.59
67.49
68.39
69.32
70.24
年份
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
总人口（亿）
71.19
72.14
73.11
74.09
75.08
76.09
77.11
年份
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
总人口（亿）
78.14
79.2
80.26
81.34
82.43
83.54
84.66
年份
2026
2027
2028
2029
2030
总人口（亿）
85.79
86.95
88.11
89.3
90.49
由于灰色模型对于近期的预测较准确，但是随着时间的推移，未来的不确定因素将增多，从而对所产生的值会产生，一定得波动，影响测量的精确性.因此我们这里采用改进的DGM(1，1)离散灰色预测模型对数据进行改进，因为离散灰色模型具有很好的稳定性，因此对于中长期的预测会产生很好的效果.
二，能源问题的预测：
石油的多少往往还和一个国家的经济水平，经济发展联系在一起，大多数国家为了扩大GDP值，盲目的开发开采石油，造成大量的浪费和污染问题.因此我们可以同时预测国家的GDP和石油的消耗量.
石油随时间变化规律曲线
a坡度分析
设原始序列：
(39)
其中，， 称为非等间距序列.
记： (40)
定义1 设
其中，则称式(1) 为非等间距序列第 区间的坡度.那么平均坡度即为：在灰色系统的拟合过程中， 坡度平滑的区间精度较高， 但在坡度波动较大的区间，其拟合值与原始数据的偏差较大.从减小非等间距间数据的波动考虑， 对非等间序列进行坡度优化分析， 可以通过局部插值来消除当坡度有较大波动时所产生的较大的误差.
b模型的求解
自变量序列， 经坡度优化分析后， 将第个区间的坡度平均坡度进行比较， 将第 区间作 \* MERGEFORMAT 插值， 可得到新的自变量序列： (42)
式中，为第个区间内的第节点.用线性插值计算所插入节点处的函数值：
(43)
其中， .原始序列
插入若干数据后变成新的序列：
分析非等间距序列的区间， 并对其进行合理地插值， 其实质是修正了数据波动所引入的误差，因而能更好地反映出数据的变化趋势，从而可大幅度地提高拟合和预测精度.
c以新序列为原始序列建立灰色距模型
记原始时间序列 为：
(45)
若其中.则称 为非等间距序列 的一次累加生成(1—A GO ) 序列.
定义2 当 接近于指数规律变化时， 白化微分方程为：
式中， 为发展灰数； 为内生控制灰数.设为待估参数向量，， 利用最小二乘法求解得：其中
将 时间响应离散化， 得：
L
(6)将值代入离散模型计算预测累加值 ， 并还原为预测值：
其中
通过灰色模型可求得两者的预测响应函数分别为：
通过计算可以得到相应的预测值.可求得1970～ 2004 年世界能源总消耗量预测响应函数的后验差， 平均相对误差 ， 小概率事件； 世界GDP 预测响应函数的后验差， 平均相对误差， 小概率事件.可知此模型精度为一级.能源消费增长同经济发展之间有一定的依赖关系.通常把能源消费年平均增长率与国民生产总值年平均增长率之比称为能源消费弹性系数.从上述数据可得到世界能源消费总量和GDP总量的回归方程为：
相关系数为0.9922，线性关系明显相关数据和运算过程程序见附录
图1 原油随时间的图
三．用灰色系统对粮食问题预测
在将来，新兴经济体需求、能源价格上涨、气候变化、粮食出口限制改变粮食供需关系，增加粮价不确定性，世界粮食价格是长期问题！
粮食价格将可能继续攀升，至少会维持在高位.联合国粮农组织在2008年1月份预测，今年全球主要粮食作物的产量将会低于需求量约3000万~4000万吨，约占全年总产量的1.5%~2%左右.另一方面，全球粮食库存在最近30年间不断下降，2007年已经降到了30年来的最低点.供需结构和库存水平共同决定了将来的粮食价格走势.
在短期，也有很多因素促使粮价上涨.石油价格的上涨已经是一种不可避免的趋势，如果在此基础上进一步上升，就会使得粮食价格出现上涨.另外，异常气候的因素可能使粮食短缺问题雪上加霜，可能会使将来的粮食价格产生巨大震荡.
最后，从长期来看，目前的粮食价格上涨的趋势将会持续.根据资料显示，在10年之内谷物价格将至少上涨10%，可能达到20%.对于更长远的将来如果没有大的变动的话，粮食价格将进一步上涨.
我们通过对近几年的世界粮食总产量和消费总产量，对现在存在的粮食问题以及到2030年粮食的消耗问题进行预测.
我们根据1990年到2007年的数据分别对以后的粮食生产量和消耗量进行预测.
图1粮食生产与消耗的总量图
图2 粮食需求量随时间变化
通过图2我们可以看到，近几年谷物的生产量与消耗量大体相当，几乎没有剩余量或者出现亏损的局面，至于2007，2008年是全球谷物大丰收，粮食产量得到很大的提高，计算时没有太大的根据性，因此我们舍弃07，08的数据对以后几年到2030年的粮食总产量和消耗量进行预测分析.应用灰色预测模型，我们最终得出的结果是：
谷物生产量（亿吨）
23.63
谷物消耗量（亿吨）
26.2
我们可以看到到那时，每年生产地谷物根本不够实际消耗的谷物的总量，库存量以消耗殆尽，对于其他的粮食作物，我们可以近似的认为它们和谷物有同样的属性，在产量和消耗上，没有太大的区别.都是以同样的趋势变化，因此，到2030年全球将出现大的粮食危机问题.到时由于缺少粮食将发生不可预料的后果.
四．气候问题：
全球气候问题主要是伴随着人口的急剧增长、森林的过度砍伐、资源的粗犷性利用，而造成温室气体比例升高，全球变暖，进而引发冰川融化、局部地区发生海啸，干旱和洪涝等恶劣的气候变化和对生态的破坏.所以气候问题可以粗略的分为森林危机和全球变暖.
五．森林危机：
森林有“地球之肺”的美誉，可以净化空气、生产氧气；有着改变低空气流，有防止风沙和减轻洪灾、涵养水源、保持水土的作用.而且是许多动物的栖息地，也是多类植物的生长地，是地球生物繁衍最为活跃的区域.特别是对气候有很好的调节作用，但目前全球森林覆盖面积的变化的形势很不容乐观，“地球之肺”已布满斑痕：
全球森林主要集中在南美、俄罗斯、中非和东南业.这4个地区占有全世界60%的森林，其中尤以俄罗斯、巴西、印尼和民主刚果为最，4国拥有全球40%的森林.
联合国环境规划署报告称，有史以来全球森林已减少了一半，主要原因是人类活动.根据联合国粮农组织2001年的报告，全球森林从1990年的39.6公顷下降到2000年的38.亿公顷.全球每年消失的森林近千万公顷.
即使从1990年至2000年的10年间，人工林年均增加了310万公顷，但热带和非热带天然林却年均减少1250万公顷.收集资料分析得到下面几个地区的森林现状：
南美洲共拥有全球21%的森林和45%的世界热带森林.仅巴西一国就占有世界热带森林的30%，该国每年丧失的森林高达230万公顷.根据世界粮农组织报告，巴西仅2000年就生产了1.03亿立方米的原木.
俄罗斯2000年时拥有8.5亿公顷森林，占全球总量的22%，占全世界温带林的43%.俄罗斯上个世纪90年代的森林面积保持稳定，几乎没有变化，2000年生产工业用原木1.05亿立方米.
中部非洲共拥有全球森林的8%、全球热带森林的16%.1990年森林总面积达3.3亿公顷，2000年森林总面积3.11亿公顷，10年间年均减少190万公顷.
东南亚拥有世界热带森林的10%.1990年森林面积为2.35亿公顷，2000年森林面积为2.12亿公顷，10年间年均减少面积233万公顷.与世界其它地区相比，该地区的森林资源消失速度更快.
而更为令人担忧的事实是，在乱砍滥伐盛行的同时，非法砍伐也在大行其道.在非洲，加纳有1/3原木为非法采伐；喀麦隆的大多数木材公司都参与非法木材贸易.印度尼西亚有70%的出口木材来自非法采伐，每年高达6000万立方米.俄罗斯每年从远东地区非法采伐的木材约150万立方米，森林受盗伐的面积逐年扩大.
六．气候变暖：
现阶段大气中CO2浓度已近灾难临界点，据相关气象观测和科学研究表明，1 750年大气中的CO2体积分数为 \* MERGEFORMAT ， 2005年增加到 \* MERGEFORMAT 为65万年来最高，并且CO2仍以每年 \* MERGEFORMAT 的速度增长.《应对气候挑战》最新报告指出：当全球平均气温比1750年时升高2℃后，引发灾难的临界点就会出现.研究发现，大气中CO2体积分数达到 \* MERGEFORMAT 后，气温升高2℃就不可避免.CO2体积分数依照目前的增长速度，10年内就会跨过 \* MERGEFORMAT 这一门槛.近年来气候变化之快是过去一万年所没有的.照此计算到2030年时大气中CO2体积分数达到 \* MERGEFORMAT ，气温将升高3℃左右，给人类带来无穷的灾难：
气候变暖，不仅仅是气温的高低问题，首先引发的是全球性的环境问题，进而涉及到人类社会生产、消费和生活方式以及生存空间等社会发展各个领域的重大问题，甚至危及人类的发展与生存.数据显示气候变化构成的威胁“接近核威胁”，这种威胁的效果“也许在短期内不如核爆炸造成的毁灭那样强烈”，但“今后30 年或40 年的气候变化可能对人类的栖息地造成急剧伤害”.尤其是20 世纪80 年代以来，环境问题逐渐从区域性、局部性向全球性、整体性扩展，出现了全球性的生态环境危机，气候变化对世界全方位、多尺度和多层次的影响.随着气候的持续变暖，极端气候事件在世界各地频繁发生，对自然生态系统和人类生存环境直接产生了严重影响.
七冰川融化，海平面上升
伴随近百年来的气温升高，全球冰川普遍退缩.阿尔卑斯山1850—1975年冰川面积缩小了35%，而到2000年，这一比例增至50%；喜马拉雅冰川正以每年10~15 m 的惊人速度后退；而支撑印度最大的河谷盆地干戈特里（Gan-gotri）冰川也正以每年约30 m的速度后退.未来50 年，我国青藏高原多年冻土空间分布格局将发生较大变化，大多数岛状冻土退化，季节融化深度增加迈克.赞普（MichaelZemp）称，在受到热浪冲击的2003 年夏天，就有7英寸厚的冰川融化.Michael Zemp等采用遥感、数字地形和数字模拟技术，预测结果为夏季升温3℃， 可使阿尔卑斯山现存的冰川减少80%，而上升5℃，则该地区的冰川消失.高山、高原湖泊中，一些依赖冰川融水补给的小湖，最终可能因冰川融水减少而消失.冰川径流对气候变化的反应要比河川径流更加敏感.海平面上升、海岸线后退是世界沿海各地都面临的一场危机，对沿海、海岛地区的生态及居民生产、生活将造成严重威胁.格陵兰冰盖如果完全融化，将使海平面上升7 m.专家预测，在印度尼西亚约1.8 万个岛屿中，约2 000个岛屿将在30年内因气候变化而被海洋吞噬；地势较低的南大洋国家要求岛民为彻底迁移作准备.
八．加剧旱涝及其他气象灾害：
气候变暖影响到气压的正常波动和洋流的规则运动，大气环流因此而局部变化，由此带来的降水、风暴及气温分布失常，使地表径流、旱、涝灾害频率加快加剧.
九．空气质量恶化
气温上升会增加地面臭氧含量，而臭氧是烟雾的主要成分，导致空气质量进一步下降.
气候变化与经济社会发展息息相关，未来气候变化对经济社会发展造成的影响日益明显，甚至对国家的兴亡和各行各业的发展都会带来风险.全球变暖，正成为世界各国政府都不得不正视的问题.图1表示的是以1861—1900年全球平均地表气温为基点，截至2005年全球平均地表气温的变化.可以看到，与上世纪初相比，到2005年全球平均地表气温上升了近1摄氏度.气象学家预测，气候变化会影响到人类的基本生活元素——水的获得，粮食生产，健康和环境.随着全球变暖，数以亿计的人将遭受饥饿，水资源匮乏和沿海洪水的威胁.2006年英国政府的斯特恩报告对全球变暖可能造成的经济影响给出了迄今为止最为全面的评估.
如果不立即采取强有力的措施，森林的砍伐和温室气体的排放用现在变化趋势来衡量，2030年时人类的生产、生活、生存将会受到前所未有的威胁.
十．移民问题：
（一）国际移民的规模与分类：
国际移民指在原籍国以外的国家居住超过一年以上的人.近年来，全球移民的人数呈逐年增长的趋势.据联合国人口署统计，国际移民在1970 年只有8200 万人，2000年迅速增至1. 75亿.1980—2000 年， 发达国家接纳的移民人数从4800万剧增至1. 1亿，发展中国家接纳的移民人数也从5200万增至6500万.目前国际移民人口已接近2亿，约占全球人口总数的3% ，而且这支队伍还在快速扩大.联合国2006年的《国际迁徙与发展》报告就此指出：“人类已经进入第二个迁徙时代.”国际移民分为四种划分方式：
第一，分为自愿移民和被迫移民，前者或出于追求更好生活条件或与家庭团聚而移民，后者则指因人道主义灾难、种族清洗、战争等被迫离开家园.
第二，分为经济移民和政治移民，前者因就业或追求更多经济利益移民，包括熟练工、非熟练工、临时工、客籍工 等，后者则因逃避战争或政治迫害移民.
第三， 分为合法移民和非法移民，国际移民委员会(IOM)统计世界每年大约新增400万非法移民，占移民总数的30—50%，其中约半数的非法移民牵涉偷渡、人口走私等国际犯罪活动.
第四，分为永久移民和短期移民，前者以永久居住为特点，后者包括客籍工、季度工等.
(二)当前国际移民的特点：
首先，分布呈现不平衡态势.从移民去向看， 2005 年的数据显示， 美国等发达国家仍是世界移民优先选择的定居国.
图13 移民的分布
2005年移民最多的国家人数分布
国家
美国
俄罗斯
德国
乌克兰
法国
移民人数/万
3840
1210
1020
680
650
其次，难民、非法移民是数量庞大的特殊移民群体.目前， 2亿的国际移民中包括生活在发展中国家的920万名难民，巴基斯坦的难民最多，人数超过100 万.2000—2004 年， 世界难民人数增长了24%；仅2004年，寻求难民庇护者就达67. 6万， 比2003年剧增19%.
此外， 非法移民问题也愈演愈烈，成为令各国政府头疼的难题.目前，美国现有非法移民约1000万，每年新增50万左右；欧洲的非法移民超过500万， 约占其移民总数(5600万)的10%.再次，移民特别是非法移民自身人身安全和权利保护状况堪忧.第一，移民特别是非法移民的人身安全面临很大威胁.非法移民由于得不到法律承认，在非法穿越边界时面临被“蛇头”抛弃和遭到其他意外伤害的危险.其次，移民的工资待遇和劳动条件得不到保障，被剥削和虐待情况时有发生.相较本地工人，移民劳工特别是非法劳工的工作条件普遍缺乏安全保障和医疗福利保障，超时工作屡见不鲜，经历工伤事故的几率很大；许多非法移民被走私者控制，无法自主地选择工作，甚至被强制或胁迫从事，其中妇女和儿童的境况尤其糟糕.第二，移民的社会地位仍然偏低.移民被看成是对所在国经济的临时补充力量.尽管在定居国居住多年并承担着很多公民的义务和责任(如按时向所在国纳税等) ，很多移民非但未获得公民权，也未获得和本地居民同等的法律地位.由于宗教、文化和价值观的差异，移民也容易在政治和文化上遭遇排斥和边缘化.如果一些当地团体刻意煽动对移民的歧视和仇恨，定居国社会对外来移民的恐惧和偏见情绪将更加强烈.
十一.淡水问题：
水危机是指自然灾害和社会与经济异常或突发事件发生时，对正常的水供给或水灾害防御秩序造成威胁的一种情形.看待水危机的视角不同，建立的应对机制与做出的决策将大不相同.根据国外经验，一个国家用水超过其水资源可利用量的20%时，就很有可能发生水危机.
水是哺育人类的乳汁.没有水的哺育，就没有生命的繁衍；没有水的世界，将是死亡的世界.地球上因为有了水，才变得生机勃勃.然而，由于种种原因，一方面人类对水的需求与日俱增，另一方面人为的浪费，使水资源不断枯竭.水资源危机将成为2 1 世纪人类面临的最为严峻的现实问题之一.
世界水资源及其发展趋势：地球上水的储量很大，但淡水只占2.5%，其中易供人类使用的淡水不足1%.据专家最新估计，全球陆地上可更新的淡水资源约42.75万亿 \* MERGEFORMAT ，其中易于使用的约12.5~14.5万亿 \* MERGEFORMAT .按1995年人口统计，全球人均淡水资源约7450 \* MERGEFORMAT ，其中易于使用的淡水人均约2180 ~2440 \* MERGEFORMAT .可见，地球上的淡水资源是有限的.
我们取12.5万亿 \* MERGEFORMAT 进行计算，很容易得出，到2030年时，我们的人均占有水量为1381.376045 \* MERGEFORMAT （取人口总量为：90.45948亿）
表13 水量的影响
人均占有水量 \* MERGEFORMAT
1700
1000
500
产生影响
水压力
水短缺
水危机
这是我们不考虑水的需求会增加、水资源会浪费产生的结果，这时已经处于水压力状态了，如果加上各方面的原因，最后的结果将远远小于这个值，很有可能达到水危机的地步！
水的需求随人口和经济发展而迅速增长.从1940－1990年，在50年时间内，全球总用水量增加了4倍.1995年全球用水总量已达36000亿m3，人均 用水628 \* MERGEFORMAT ，约占易用淡水资源量的27~30％.
水资源在地球上的分布是很不均匀的，有的地方多，有的地方少.据联合国调查，全球约有4.6亿人生活在用水高度紧张的国家或地区内，还有1／4人口即将面临严重用水紧张的局面.
随着社会经济的发展，人类对水资源的需求量不断增大.本世纪以来全世界淡水用量增长了8倍，其中农业用水增长了7倍，城市用水增长了12倍，工业用水增长了20倍，而且世界淡水用量以每年 5％的速度递增.目前世界上大约有90个国家，40％的人口出现缺水危机，30亿人缺乏用水卫生设施，每年有300万到400万人死于和水有关的疾病.到2025年，水危机将蔓延到48个国家，35亿人为水所困.水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也将严重威胁人类生存.过去50年中，由水引发的冲突共507起，其中37起有暴力性质，21起演变为军事冲突.专家警告：随着水资源日益紧缺，水的争夺战将愈演愈烈.
十三..综合影响：
如下图所示，这些综合的原因共同导致了2030年“完美风暴”的发生，它们不是相互独立的个体，只要其中一个因素发生变化，相应的都会发生或大或小的变化，只是对于2030年来说，各种矛盾都汇集到了它的附近，致使产生不可估量的后果！
a.主成分分析法的建立
分析认为人作为一种主观能动性很强的群体，相对于能源，粮食，淡水有着很大的不同，现在我们就通过主成分分析法来定量的研究人口，能源，粮食，淡水，这几个因子之间的关系，并以人作为事件结果，其他的作为影响因素主成分分析是现代统计分析中的一种有效方法。假设某一个现象受多个因素同时影响，则可以考虑采用主成分分析法，有大量的实测数据中识别到底哪些因素对其发生产生主要的作用。
基本思想如下：把原来的各个指标化为可数的几个互不相连的（或相互独立）的综合指标，达到数据化简、揭示变量之间的关系和进行统计。
详细的计算步骤:
(1)数据标准化变换
设实际观测了 个 维样本：
将 通过以下的标准化变换化为矩阵 的过程，称之为标准化变换。
其中
（2）求相关矩阵
现引进相关矩阵：
按照以上的公式利用数学软件，比如Matlab计算出相关矩阵。
（3）求相关矩阵 的特征值与特征向量
可以使用软件,也可以使用迭代法求 的特征值与特征向量。用迭代法的具体步骤如下：
a）求 的各列之和，记为：
；
b) ，构造向量 作为初始迭代向量；
c) 计算 ，其各个分向量记为 ,取 ，作向量 ；
d) 按（c）做法进行迭代，则 ， 中的各元素的最大值即趋向于第一特征值 ， 即是第一特征向量；
e)求主成分，对 作正则变换，即得 对应的单位特征向量 ，并且记 ，则 的各分量分别代表 的第一主成分， 刻画了第一主成分的贡献率
求第二主成分：用相关矩阵 与 ， 计算矩阵
则 仍是 阶对称矩阵，按照前面的1）到5）的方法，相应计算出 ，同理求出 ；
f)按照上面的方法依次求出 。
其中，主成分贡献率： ，累计贡献率：
如果 个特征值的累计贡献率大于某个预期的目标，如85%～95%，则可以认为这 个因素是原问题的主成分，这时，原来的问题的因素减少，研究问题的维数就相应的降低了。
Ⅱ.基于BP神经网络的“完美风暴”危险预测模型 一．输入输出数据的归一化处理
由于BP神经网络训练样本集中输入、输出（目标）样本参数的绝对值离散性有时太大或过于集中，在网络权值矩阵误差函数逼近过程中，易产生局部误差最优或误差震荡等缺陷（如右图示）。必须对输入、输出进行归一化处理，防止在网络权值矩阵误差函数训练时不会进入局部误差最优或误差震荡等缺陷区域。此外，归一化处理可以使得具有不同物理意义和量纲的输入变量赋以同等重要的地位，避免数值大的变量掩盖数值小的变量，避免神经元饱和，保证网络的收敛性，提高网络的收敛速度。归一化处理：我们可采用下列公式将数据压缩在（0，1）的范围内，
二.输入／输出向量设计及网络层数的选取
人口、能源、粮食、淡水对应4个参数，显而易见，输入变量是一个4维的向量，同时由上一个模型得到了五个风险等级评判参数，所以输出变量是一个5维的向量，即危险指数。在样本中，由于各种数据都是实际的测量值，因此这些数据可以对网络进行有效地训练。如果从提高网络的精度的角度出发，一方面可以增加网络训练样本的数目，另一方面还可以增加网络层数。由于样本数目足够，在此模型中我们建立三个BP网络进行分析。
对于BP网络，有一个非常重要的定理。即对于任何在闭区间内的一个连续函数都可以用单隐层的BP网络逼近，因而一个三层BP网络就可以完成任意的 维到 维的映射。
隐层的神经元数目选择是一个十分复杂的问题，隐单元的数目与问题的要求、输入输出单元的数目都有直接关系。隐单元的数目太多会导致学习时间过长、误差不一定最佳，也会导致容错性差、不能识别以前没有看到的样本，因此一定存在一个最佳的隐单元数。根据Kolmogorov定理[2]，采用一个 的三层BP网络作为状态分类器。其中 表示输入特征向量的分量数， 表示输出状态类别总数。由于 =4，我们得知隐层的神经元数目为9个。
三.学习速率与训练方法的确定
学习速率决定每一次循环训练所产生的权值的变化量。过大的学习速率可能导致系统的不稳定,但是过小的学习速率将导致训练时间较长,收敛速度很慢,不过能保证网络的误差值趋于最小。一般情况下,学习速率的选取范围在0.01～0.9之间。
为了保证系统的稳定性, 我们选择网络学习速率为0.05。鉴于自适应学习速率通过保证稳定训练的前提下,达到了合理的高速率,可以减少训练时间。在本题中，我们采用自适应学习速率（ ）训练方法。
四.传输函数的选取
期望误差的控制，通过对网络训练参数的设定实现。考虑到具体网络训练时的训练精度和训练时间，同时确保能够对系统进行较好的预测，保证预测的实际精度，我们在网络中使训练次数极值 ,网络训练的误差允许值 。
五.期望误差的选取
期望误差的控制，通过对网络训练参数的设定实现。考虑到具体网络训练时的训练精度和训练时间，同时确保能够对系统进行较好的预测，保证预测的实际精度，我们在网络中使训练次数极值 ,网络训练的误差允许值 。
六.训练样本的确定
我们选择1987~2002年的世界人口、能源需求、粮食需求、淡水需求的统计数据为训练样本，以2003~2006年的数据为检测样本，归一化后的训练样本请具体参考附录4.
神经网络模型为：
MACROBUTTON MTPlaceRef \* MERGEFORMAT SEQ MTEqn \h \* MERGEFORMAT (1)
式中，
----输入层输入列向量（ ）；
----隐含层输出列向量；
----神经网络的输出值；
----输入层到隐含层的权值；
----隐含层到输出层的权值；
----隐含层的阈值；
----输出层的阈值；
该模型可用图直观表示如下：
得到的神经网络的权值矩阵请具体参考附录6
四．模型结果及其分析
一.关于主成分分析法结果的分析
1.对于人口的预测两个模型得出的结果都比较合理，和约翰提出的相吻合，得出80.86的值。
2.对于能源，水资源的预测也较为标准。
3.得出了个个因子对于总结果的贡献率，结果在2030年发生完美风暴。
二.关于BP神经网络结果的分析
得出的结果也和约翰的预言一样，将在2030年完胜完美风暴。
三．.对2030年“完美风暴”进行预测结果
通过上述模型的构建，我们已经对1987至2002年十六年的世界人口、能源需求量、粮食需求量、淡水需求量的统计样本与危险评判等级参数之间的关系进行了神经网络的训练，得到了能够反应两者之间的关系（是一个复杂的网络结构，通过权值矩阵来表示特征），若对“完美风暴”进行预测，只要将2030年所预测的世界人口、能源需求量、粮食需求量、淡水需求量的值输入神经网络中，就会输出相应的危险评判等级参数，于是根据参数就可以判断“完美风暴”发生的可能性。
经上述工作，我们得到了2030年世界人口、能源需求量、粮食需求量、淡水需求量的预测样本如下：
世界人口（万人）
能源需求（标准油：万桶）
粮食需求（万吨）
淡水需求（亿立方米）
931070
121412
25944
152137
通过神经网络模型的模拟训练的到以下五个危险评判等级参数：
表5.8 2030年危险评判等级参数
19.6700
13.6741
15.4244
24.5720
26.9043
四.对能源、粮食、淡水需求量、世界人口预测值的分析
通过各种模型我们预测出2030年世界人口、能源、粮食、淡水需求量的预测值，并且我们将以2006年的数据作为人类生活环境的现状。
表1人类生活现状与预测值对比
年份
2006
2030
世界人口（万人）
651776
931070
能源需求量（标准油，万桶）
83719
121412
粮食需求量（万吨）
17770
25944
淡水需求量（亿立方米）
96452
152137
通过上表的数据我们可以得到以下结果：
（1）世界人口达到93亿，远远超过83亿
（2）能源需求量增加45.09%
（3）粮食需求增加45.9%
（4）淡水增加57.7%
根据上面四个结果，初步论证了约翰• 贝丁顿的“完美风暴”理论的正确性。
五．对BP神经网络的“完美风暴”预测值的分析
通过神经网络的模拟可以得到2030年的危险评估等级参数，将表5.8与表5.7.1的比较不难发现，到2030年，人类生存系统的危险评估等级参数非常高，达到危险的级别，证明了“完美风暴”发生的可能性非常大。并且我们也预测出2030年至2040年的危险评估等级参数，得出随着时间的不断推移，“完美风暴”发生的可能性越来越大，人类生存的环境将变得更加危险、恶劣，结果如下：
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..对BP神经网络的稳定性分析
鉴于模型的目的是为了预测，所以模型的稳定性显得尤为重要，必须对模型进行稳定性分析。
BP算法是一个有效的算法，由于具有理论依据坚实、推导过程严谨、物理概念清晰和通用性好等特点，是当前网络学习的主要算法。同时存在一些不足，主要有：训练时间长，出现局部极小值，网络结构难以确定等。本文在建立神经网络模型过程中，通过预处理以及合理选择训练方法实现网络收敛、避开局部极小值，有效地提高了模型的稳定性。
（1）数据正规化处理（归一化）和Matlab工具箱函数prestd实现数据正规化，通过对样本集数据参数和输出样本数据参数进行正规化处理，可有效防止网络训练进入局部误差最小或误差震荡缺陷[14]；
（2）根据 进行设计隐含层节点数，有效设计网络，保证训练精度、减少训练复杂度、缩短训练时间
（3）考虑到数据样本的随机性和非线性性，采用对非线性问题解决较好的S型传输函数。S传输函数使得输出值在0和1之间，使算法收敛速度加快，对每次训练进行有效调整，达到加速收敛目的；
（4）倾向于选取较小的学习速率以保证系统的稳定性,学习速率的选取范围一般在0. 01～0. 9之间。我们选择网络学习速率为0. 05 。
（5）采用traingdx训练函数训练，附加动量法使反向传播减少了网络在误差表面陷入低谷的可能性有助于减少训练时间。
综上所述，本文建立的神经网络模型通过合理的处理和有效的方法选取，确保BP网络高精度快速收敛。确保预测模型的精度和健壮性。
五.模型的优缺点分析
模型的优点：
1、运用灰色预测模型它能够根据数据的变化规律，较准确的预测数据.得出的数据有一定的准确度，并且模型检验好.
2、在此基础上由于是对较长时间的预测，为了保证模型的稳定性，我们又运用了离散型的灰色预测模型，它能保证模型具有很好的稳定性，对于长期的预测也会较准确.
3、运用微分方程模型，在已知增长率的情况下，能很好的预测在将来人口等因素的变化，有很好的稳定性和准确性.
4、本文所用数据来自联合国统计局、世界经济年鉴和世界统计年鉴，具有很强的真实性与代表性；
5、本文在建立了基于主成分分析法的危机预测模型，将危机发生的标准进行了量化处理；
6、本文在预测人口增长时使用了组合预测模型，大大提高了模型的预测精度；
7、本文将原模糊问题具体划分为若干问题，文章的思路清晰且具有很好的连贯性。
模型的缺点：
1.在建立危机预测模型时没有完全考虑到所有的因素；
2.在考虑环境与气候因素的影响时，只做出了定性的分析。
3.由于对较长时间的分析预测加上数据来源可能的不准确性，导致算出来的误差增加；对于问题原因的讨论不全面导致遗漏有些因素或者我们假设时忽略了一些因素，也可能造成误差的增大.
总之，该模型实用性较强，可以印证约翰提出的论断。
六．模型的改进方向
1.在主成分分析时增加变量因子，全面考虑，量化题目中给出的个个函数及其参数。
2.在算结果时对结果进行人为的修正。
七.写给有关政府部门的报告
（一）能源可持续发展
1.当今能源的现状
1994年末全球的一次能源的可采储量为14277.34一吨标煤，其中煤占73.1%，石油占13.8%，天然气占13.1%，而当年的开采量为104.481亿吨标煤。静态储采比137年，即经过137年后，一次性能源将被开采完全。这绝不是危言耸听，而是铁一样的事实，即使科技的进步使我们的开采技术提高，但是那也只是推迟期限，能源枯竭终究会到来，对此我们该怎么办呢？要想从本质上解决能源问题，就要从能源的本身入手，积极开发新型能，就是一种有效而长远的方法。风能，太阳能，地热能，潮汐能，生物质能源都是新兴的清洁可再生能源，各国要努力在这方面投资开发，使之形成产业化。比如在农村地区，利用秸秆和畜禽粪便发展沼气，具有广阔的前景。
2.提高公民的节能意识
公民的节能意识在解决能源问题中同样扮演着重要的角色，在这方面挪威的方法就很值得借鉴。在挪威政府把增强公众的节能意识作为可持续发展的重要一环。在书店及公共图书馆里常年摆放着各种免费的环保方面的宣传资料，在中小学的教科书里也增加了相应的环境能源保护部分，政府还出台一系列政策加强企业的节能意识。
3.加强国际之间的合作
21世纪，世界各国更加重视发展，事实早已表明，任何国家没有发展就没有前途。发展需要能源，而世界常规能源并不是取之不尽，用之不竭的。发展的迫切要求和能源的匮乏已经不只是某些国家的问题了，世界各国都必须面对能源短缺的现实。当前国际油价居高不下是世界各国所面临的严峻挑战，所以一方面需要各国在能源方面做出开源节流的努力，另一方面也需要积极扩展新的发展思路，开展国际之间的对话，彼此增强了解，广泛合作，才能有利于解决国际能源问题。
4.开发新的能源技术
当今最新的，也是发展最成熟，最有前景的新能源就是核能。核能发电对环境的污染小，经济效益高。目前发展比较好的是核裂变发电，但是尽管能源潜力大，由于其具有放射性，且发电原料在地球上很稀少，且提纯困难，所以虽然被广泛使用，但是必将被另一种核能替代，那就是核聚变。核聚变无污染，且原材料非常丰富，所以被人们认为是人类最有希望的能源。
人类的文明是建筑在对于能源的认识和掌握上的，每一次人类文明的跨越都与能源技术的进步密不可分。因此要实现可持续发展，世界必须进行一次能源革命，这不仅是技术上的一次革命，能够使世界的能源系统持续保证经济的发展和社会进步；同时也是观念上的一次革命，需要我们树立“科学发展观”
建立一个新的能源体系，使可持续发展化为全社会的动力和目标，是和谐社会成为我们永远赖以生存的环境。
（二） 粮食可持续发展
认真确立以农业为基础，始终坚持不放松粮食生产的基本思想解决粮食问题，其中的一个有效途径是提高粮食的产量。可以通过稳定粮食的播种面积，挖掘潜力，扩田增粮。俗话说“皮之不存，毛将焉附”，有田才有粮，所以全世界范围内一定要保证种粮面积，但是这并不等于是无节制的开发，向在某些地区依然存在的刀耕火种现象依然存在，这威胁的就不只是人类的嘴巴问题，更切身的是关系到人类长久生存的权利。
2.加大科研资金的投入
全世界都要改变粮食生产的模式，要有原来的规模效益向节约型、集约型转变，努力提高粮食的产量，积极做到科技兴农。一方面可以加大科研经费的投入，另一方面要鼓励农业科技人员到粮食生产的第一线，进行技术指导，加强农、科、教的紧密结合，扶持种粮能手和种粮大户，提高农民科技水平等等。另外，在整个世界要积极推进农业机械化，多采用大规模农场式的收中，努力提高集团效益。
3.加大农产品的流通机制
现在在世界的好多地方，出现着这样的问题，就是农民的生产往往不能提供社会所需，设置有时候是背道而驰的。面对这个问题，各国政府一定要加大农产品的流通体制改革，引导农民按市场规律调整农村经济结构，种植结构，养殖结构等等。政府要加强对市场的价格的调控能力，提高抵御市场风险的功能。只有农民这个粮食的原产者掌握好的方向，整个社会的粮食问题就走在了一条正确的道路上。
总之，最重要的是保护和合理开发利用资源，防止掠夺式、破坏性和浪费型的发展方式。保护和开发并重。建立适应社会市场的农业发展机制，世界的粮食可持续发展就有了希望。
（三） 水的可持续发展
水是生命的源泉，但是地球上的淡水资源却极为的有限。地球上有70.8%的面积被水所覆盖，但其中的97.5%是咸水。余下的淡水中却只有87%是人类暂时难以利用的两极冰盖、高山冰川和高原地带的冰雪。因此，人类真正能够利用的水仅占地球总水量的0.26%。
目前，水资源短缺问题相当的严重，世界上有80多个国家约15亿人面临着缺水的威胁，其中26个国家的3亿多人完全生活在缺水的状态中，并且这一趋势人在加剧。预计到2010年的缺水国将增加到34个。
此外，水污染，水浪费等水环境危机更是加大了水短缺问题。部分国家经常遭受干旱、水资源短缺、地下水位下降，荒漠化逐渐扩大。
八．参考文献
【1】 李静萍，谢邦昌，多元统计分析[M]，北京：中国人民大学出版社，2008
【2】 安维默，王吉利，统计电算化[M]，北京：中国统计出版社，2000
【3】 黄勇安，李文成，高小科：Matlab7.0/Simulink6.0应用实例仿真与高效算法开发[M]，北京：清华大学出版社2008
【4】 龚沛曾等C/C++程序设计教程[M] 上海：同济大学出版社 2004
【5】 李茜，王丰效，李晓静，多变量灰色预测模型的matlab程序，福建电脑，卷期号：32-48，2007年11期；
【6】 魏一鸣，范英，韩智勇，中国能源报告(2006)战略与政策研究[M].北京：科学出版社，2006
【7】 张 帆，俞奇勇，基于GM 的能源消费量坡度优化预测模型，水电能源科学，第25卷第3期，116-220，2007
【8】 刘勇 白林，《基于 的回归分析模型在经济预测分析中的应用》，《中国管理信息化》，第11卷第15期，第66页～第67页
【9】 刘志平 石林英，《最小二乘法原理及其MATLAB实现》，《中国西部科技》，第17卷第17期，第33页～第34页
【10】姜启源 谢金星 叶俊等，《数学模型（第三版）》[M]，北京：高等教育出版社，2007
【11】 刘思峰 谢乃明，《灰色系统理论及其应用》[M]，北京：科学出版社
九．附录
1.matlab程序实现人口预测参量的求解
>>a [52.85 57.16 60.54 64.45] ; % 在此只取几值，然后求其平均值
>>t[0 5 10 15];
M文件代码如下：
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++程序实现人口预测
#include "iostream.h"
#include "math.h"
#define N 30 // 定义符号变量以提高程序的普遍应用性
double peoplenumber(int n) //定义人口预测函数
{double x;
x=180.987/(1+(180.987/52.85-1)*exp((-0.0336)*n)); //预测函数
return x;
}
void main()
{int i,j(0);
double p[N];
for( i=0;i<N;i++)
{j=j+1;
p[i]= peoplenumber(j);} //预测人口数存入数组，调用人口预测函数
cout<<"人口预测logistic阻滞增长模型预测结果："<<endl;
for(i=9;i<N;i++)
cout<<"第"<<i+1<<"年世界人口总是："<<p[i]<<endl; //输出第n年的世界人人口总数
}
得出的结果：
备注：预测结果（单位是亿）
3.、1970~2006年世界人口统计数据（单位：万人）
年份
人口（万人）
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（标准油，单位：万桶）
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年世界粮食需求量（单位：万吨）
年份
粮食需求量
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（单位：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.基于灰色理论的区间预测模型的在MATLAB上的实现代码：
%区间拟合函数求解
%拟合上函数
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) %结果数据 -7.51166737366709*10^3 -0.00004916823135*10^3
y1=(172430-149720)*exp(0.05111*x)+149720
plot(x,y1)
%区间拟合下函数
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) %结果数据 -7.51166737366709*10^3 -0.00004916823135*10^3
x=[1:12]
y2=(172220-152775)*exp(0.04917*x)+152775;
plot(x,y2)
%样本观察
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)
%预测总趋势
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
%结果：
(308453-197632)/197632
ans =
0.56074421146373
%预测结果
(7.5265-5.5502)/5.5502
ans =
0.3561
8.归一化后的神经网络训练样本
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.神经网络权值样本
的矩阵
-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
的权值矩阵
-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
的权值矩阵
-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
的权值矩阵
1.4945
0.3172
-1.5677
