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同為論文范文第1篇

關鍵詞:兒童;問題行為;評估;對策

1兒童“問題行為”的概述

“問題行為”(ProblemBehavior)又叫做行為問題，研究者們從不同的研究角度提出了眾多概念，涉及到心理、教育、社會、醫學等多個學科領域.但可以概述為:是后天形成的、影響兒童身心健康發展的、給家庭.、學校、社會帶來麻煩的行為.有關兒童“問題行為”的分類也眾說不一，有二分法、三分法、四分法、七分法等等，但較有代表性的是左其沛先生的分類，他將問題行為分為四種類型:過失型(如遲到、拖欠作業等);品德不良型(如撒謊、偷竊、攔路搶劫、流氓性等);攻擊型(如頂撞師長、故意擾亂課堂、發泄、遷怒等)和壓抑型(如膽小、孤僻、逃避、消極、自暴自棄等)，由于年齡的不同，兒童和青少年的問題行為的類型也不同.在兒童期(6歲一11歲)，過失型問題行為最多(占77.5%)，其他依次是品德不良型(占12.9%)、壓抑型(64%)和攻擊型(32%).不同分類都有其各自的特點和在具體情況下的適用性.而且，不同角度的分類之間也存在交叉現象，因此，沒有必要強求統一。此外，問題行為的表現形式是復雜多樣的，有些具體的行為表現很難嚴格歸人某一個類別中去，也就是說任何分類都難以涵蓋所有具體的問題行為.因此，對問題行為的分類只具有相對意義。至于采用哪種分類更合適，還應根據具體的研究目的和研究情境而定.

2兒童“問題行為”的評估

不同研究者對“問題行為”的含義理解不同，因此對問題行為的評估標準也不同.有學者認為，兒童偶爾表現出來的、輕微的、對學習和生活影響不大的行為不屬于問題行為，只有那些在兒童行為中經常出現的、比較穩定的、擾亂性較大、對學習效率影響較嚴重、需要作耐心和長期教育的行為，才屬于問題行為.也有學者認為，由于行為本身就是在正常和不正常間發展的連續體，因此一般兒童都不同程度地存在一些問題行為.

兒童“問題行為”的評估標準雖然沒有統一，但可從以下幾方面綜合考慮:

(1)統計學標準.在普通兒童中，其行為在統計學上顯示為常態分布.在常態曲線上，居中的大多數兒童行為屬于正常范圍，而遠離中間的兩端則被視為異常.也就是說，某兒童行為與其所處年齡階段的正常狀態相比，若明顯不同于同齡人的一般行為則可以看作是問題行為.顯然這里的“問題行為”是相對的，它是一個連續變量，偏離平均值的程度越大，則越不正常.以統計數據為依據，確定正常與異常的界限，這種判斷方法多以心理測驗法為工具.例如，Achenbach兒童行為量表(cBCL>是篩選兒童“問題行為”的常用量表.

(2)發展標準.著重對兒童的個體行為發展狀況進行縱向考察與分析.即與兒童自身行為發展相比，若較長時間存在行為發展上的退步現象，則可能預示著問題行為的出現.

(3)環境適應標準.在正常情況下，兒童的行為是與家庭、學校、社會的合理要求相符的，若嚴重偏離了行為規范則屬于問題行為.

(4)運用有關的規章、制度、條例、守則、規范去進行鑒別，看行為“出軌”的程度.

3兒童“問題行為”評估時應注意的問題

3.1客觀性

兒童問題行為評估的客觀性主要包括三個方面:(1)實事求是的態度;(2)必須考慮到兒童生活的客觀條件，即兒童周圍社會生活條件、教育條件和生物條件;(3)任何結論都要以充分的事實材料為依據.

3.2發展性

兒童是有著自己身心發展規律、有巨大發展潛能的、處于發展過程中的活生生的人，因此，在評估兒童問題行為時，要用發展的眼光、變化的眼光看兒童，而不能用眼前的表現武斷地給兒童下一個發展的結論.

小學階段的兒童在感知覺方面，他們感知事物時目的性不夠明確，無意性和情緒性比較明顯，知覺的持續性差，不善于進行分析綜合，對事物的主次特點往往分辨不清，時間和空間知覺還比較模糊.在注意力方面，主要是無意注意占優勢，注意力不穩定、不持久，容易被一些新異刺激所吸引.在思維方面，以具體形象思維為主，不具備思考深層問題的能力.在情感意志力方面，小學生情緒具有沖動性和易變性，道德情感在發展當中，但仍是狹隘模糊的.所以在小學兒童身上，常出現上學遲到、課堂上不遵守紀律、為一塊橡皮與同桌發生打架、偷拿別人物品等事情.

3.3注意區分“問題行為”和“問題兒童”

問題兒童和問題行為是心理學上兩個不同的術語.問題兒童是指生理、心理發展異常和品德行為上有嚴重缺陷的兒童.這類兒童有一系列生理.、心理癥狀，往往不能與他人正常交往，不遵守社會公認的正常兒童的社會規范，在處理事情、學習等方面與正常兒童有顯著差別.間題兒童如果得不到及時的治療，會有兩種后果:一種是成為精神病性兒童，一種是形成怪癖性格，不能與他人正常交往，社會適應不良，易做出越軌舉動，走上道路.

問題行為在兒童的成長過程中是普遍存在的，在提及問題行為時，關注的是行為本身，而不是對行為發生者做出整體評價，也就是說要區分好“問題行為”和“問題兒童”的概念.比如:問題行為可以存在于差生身上，也可以存在于品學兼優的好學生身上，不能片面地認為問題行為只有在差生身上才會出現.

3.4要多方面搜集信息

問題行為產生的原因極其復雜，它與兒童自身素質和心理狀態，如需要、氣質、情緒和性格等有關，也受家庭、學校、社會環境的制約，如家庭狀況、交友情況、社會風氣，等等，都可能成為誘發問題行為的因素.因此，對問題行為的分析要從多方面人手，收集社會、家長、各科教師、同學對兒童問題行為的反映，看問題行為的征兆、環境特點、表現形態，以克服所獲信息的片面性.

此外，對問題行為的評估要考慮到行為發生的經常性、表現的穩定性、對他人或自身的擾亂性等因素.對那些暫時的、偶然的、得到及時糾正行為不能列為問題行為，那些經常出現的‘穩定的、對兒童的發展影響較重的、需要一定時間的教育才能矯正的行為，才可以判定為問題行為.

總之，對“問題行為”的評估要慎重，要明確評估的目的不是給有某種問題行為的兒童貼標簽，而是有針對性地實施教育計劃，更好地促進兒童的健康發展，

4兒童“問題行為”的對策

4.1行為矯正法

對于兒童的問題行為，一般比較注重運用行為矯正的方法，在教育過程中最常見的矯正方法有:

4.1.1正強化法通俗地說就是獎勵，在兒童表現出某一良好行為以后，加以獎勵，強化所期望的行為，增加以后這種行為發生的可能性.正強化的方法是教師經常運用的方法，它可以用于解決兒童的各種行為問題，但在運用中教師應該注意:(1)選擇和分析需要強化的具體行為，確定哪些行為需要獎勵，如何避免強化不適當的行為.如，兒童為了得到表揚將家里的錢交給老師;(2)根據兒童的興趣.、特點和教育的情境來決定，恰當地選擇和運用強化物，它可以是一種兒童喜歡擁有的東西，可以是兒童喜歡做的活動，也可以是一種具有社會意義的口頭稱贊、注意和鼓勵等;(3)在時間上，強化應該緊跟在行為表現之后;(4)當期望的行為建立和鞏固后，應該逐漸淡化和降低外部的獎勵和強化，促進行為的自主性和自控性，弓}導外部他人強化向內部的自我強化轉化，這往往是教師容易忽視的.

4.1.2負強化法負強化是指當個體表現出所期望的良好行為時，減少或消除他不喜歡的刺激或情境，以促進該個體以后此種良好行為的出現.例如，對于回家后不認真完成作業的兒童，家長可以先剝奪兒童觀看他所喜歡的電視節目的權利，一旦兒童能夠認真做作業了，就允許他觀看有關電視節目.

4.1.3懲罰懲罰是當個體發生不良行為時，通過給予厭惡刺激，或者減少、消除正強化的方法來減少或終止該行為.懲罰雖然可能造成兒童不良的心理影響，受到了一些教育學家和心理學家的批評，但是在家長和教師等實際教育工作中，這仍然是一種應用比較廣泛的方法.為了有效地運用懲罰，應該注意以下幾點:(1)懲罰的時間一般認為，懲罰的實施越及時越好，如果在兒童不良行為發生后較長的時間后懲罰，效果比較差，這就需要告訴兒童受罰的原因;(2)懲罰的連貫性和一致性.如果教育者對兒童的同一種不良行為的態度不確定少有時懲罰，有時不管，甚至有時縱容;或者教育者之間(如不同科目的教師、父母)意見不統一，懲罰就難以奏效;(3)懲罰者同兒童的關系.與兒童情感越密切的人，對兒童實施懲罰的效果越好:這樣可以使兒童深刻感受到情感疏遠或剝奪帶來的不快，并且有恢.復親密關系的強烈愿望，有利于及時改正問題行為;(4)懲罰和正強化的結合.

而在實際生活中，人們常常把負強化等同于懲罰，這是不對的.因此，正強化、懲罰和負強化的關系是這樣的:正強化是利用獎勵來促進良好的行為，懲罰是利用不良刺激制止或減少不良的行為，而負強化是通過減少或消除不良刺激促進良好的行為.

4.1.4示范法根據社會學習理論，兒童的許多行為可以不直接通過現實生活中的強化或懲罰來建立或消除，而通過觀察別人的行為及其后果來學習。教師最好能夠根據兒童的心理發展水平，利用電視或多媒體技術，用現場示范、參與示范或角色扮演的方法，給學生提供一個學習的榜樣或參考，讓學生親眼看一下在某種情境下不同的行為方法及其不同的效果.如有些學生在交往時因為不知道如何行動而出現退縮行為，就可以用示范或角色扮演的方法來進行輔導.

4.1.5認知行為矯正法就是通過矯正間題發生者的思想.、信念、態度和認知風格等來改變個體的行為表現.隨著兒童和青少年心理發展水平的逐步提高，認知活動，尤其是社會認知活動在行為中的作用越來越大，有時起著主導作用.研究表明，有品性問題的青少年可能在解釋社會交往信息方面有問題，他們更容易把別人的言行看成是敵視的、拒絕性的，因此更容易引發對他人的攻擊行為.例如，進人小學后，兒童對其他人的侵犯的動機有了進一步的了解，當他們認為侵犯行為是故意進行的時候，更有可能用侵犯加以報復.

4.1.6行為契約法是指有問題行為的兒童與家長或教師達成一個協議，承諾自己為達到某一目標所實施的基本行為策略.同時又作為矯正評估的工具，以此改變問題行為的一種心理矯治方法.具體實施步驟為:(1)目標選擇;(2)目標行為的監控;(3)改變環境事件;(4)建立有效的督促指標;(5)效果鞏固.

4.2樹立正確的問題行為觀

家長、教師除了要掌握問題行為矯正的一般方法外，還應該樹立正確的問題行為觀，從而科學、有效地矯正學生的問題行為.近一年來，國外學者提出.了從生態系統角度來解釋學生的問題行為.這種觀點認為，學生的問題行為并不是個人的缺點或不足，不少問題行為是學校和家庭中人際交互作用的結果.根據這種觀點，要減少學生的問題行為，要善于應用生態系統原理來分析和處理問題.具體地說，生態系統原理主要包括以下一些技術:

(1)重擬技術。即教師和家長對孩子的問題行為做一種新的擬定，把某種往常認為是消極的.、不合情理的行為，擬定為積極的、合乎一定情理的行為.如某學生在課堂上未經老師同意就搶答或插老師和同學的話.對此，一些老師和家長不把它認為是學生在出風頭或故意搗亂，而是重新擬定為學生對課程學習興趣濃厚、積極思考的表現.如果老師將學生的搶答行為看成是一種消極的問題行為，就容易對學生產生反感、厭惡的情緒，而采取批評、指責、諷刺、挖苦等手段。反之，如果把學生的這種行為看成是積極的行為，對學生就會是另外一種態度和教育方式.

(2)積極動機內涵技術.即把學生的行為動機想象為并非受到某種不好的、甚至很壞的動機的支配，而是受正確良好的動機所支配.例如，上面所舉的學生搶答的例子，教師既可以把學生的行為動機看成是出風頭和故意搗亂，又可以看成學生是出于喜歡教師，想急于回答老師提出的問題等.經驗證明，對于小學生的問題行為，家長和老師少從或不從消極的動機方面考慮，而是多從積極的動機方面去推測，更有利于對他們的教育.

(3)積極功能內涵技術.是指對學生的行為要從積極方面去發現，研究它所產生的結果功能.比如，學生搶答或插嘴的行為，如果從積極的方面去認識，認為學生的這種行為可以提示教師在提問方法上、講課或組織教學上還有不夠完善的地方，起到促進教師進尸步改進提問方法和教學方法的作用，教師就會以積極的態度對待學生.

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1.1衛星通信系統組成衛星通信系統由兩段組成，即地面段和空間段。

1.1.1空間段空間段包括通信衛星以及地面用于衛星控制和監測的設施，即衛星控制中心，及其跟蹤、遙測和指令站，能源裝置等。

1.1.2地面段地面段包括所有的地球站，這些地球站通常通過一個地面網絡連接到終端用戶設備，或直接連接終端用戶設備。地球站的主要功能是將發射的信號傳送到衛星，再從衛星接收信號。地球站根據服務類型，大致可分為用戶站、關口站和服務站3類。

1.2衛星通信系統的工作過程衛星通信系統地球站中各個已調載波的發射或接收通路經過衛星轉發器轉發，可以組成多條單跳或雙跳的雙工或單工衛星通信線路，整個通信系統的通信任務就是分別利用這些線路來實現的。單跳單工的衛星通信系統進行通信時，地面用戶發出的基帶信號經過地面通信網絡傳送到地球站。在地球站，通信設備對基帶信號進行處理使其成為已調射頻載波后發送到衛星。衛星作為中繼站，接收此系統中所有地球站用上行頻率發來的已調射頻載波，然后進行放大和變頻，用下行頻率發送到接收地球站。接收地球站對接收到的已調射頻載波進行處理，解調出基帶信號，再通過地面網絡傳送給用戶。為了避免上下行信號互相干擾，上下行頻率一般使用不同的頻譜，盡量保持足夠大的間隔，以增加收發信號的隔離度。

2衛星通信所使用的頻率

衛星通信所用的頻率大多是C頻段和Ku頻段，但是由于業務量急劇增加，這兩個頻段乃至1—10GHz的頻段都顯得過于擁擠，所以必須開發更高的頻段。現已開發出Ka（26—40GHz）頻段，其帶寬是3—4GHz，遠大于上述兩個頻段。

3衛星通信的基本參數

3.1有效全向輻射功率：也稱等效全向輻射功率，其定義為發射機發出的功率與天線增益的乘積。

3.2噪聲系數和等效噪聲溫度：噪聲系數，定義為接收機的輸入信噪比與輸出信噪比的比值，它用來表示接收機噪聲性能的好壞。根據噪聲理論，電子元器件內部的電子熱運動和電子不規則的運動都將產生噪聲，而且溫度越高，噪聲越大。所以接收機的噪聲可用等效噪聲溫度來衡量。等效噪聲溫度是假設接收機輸入端接一等效電阻，該電阻在一定溫度下與該系統實際產生的噪聲溫度相同的熱噪聲。

3.3載噪比：衛星通信線路中的載波功率與噪聲功率之比，是決定衛星通信線路性能的最基本的參數之一。

3.4地球站的品質因數，定義為接收機天線增益與接收端系統噪聲溫度之比。

3.5衛星轉發器飽和通量密度：表示衛星轉發器的靈敏度，其基本含義是，為使衛星轉發器單載波飽和工作，在其接收天線的單位面積上應輸入的功率。

3.6門限載噪比：為保證用戶接收到的話音、圖像和數據的質量達到一定要求，接收機所必須得到的最低載噪比，也是門限載噪比的含義。

4衛星通信與互聯網

互聯網是全球最大的多媒體商用網絡、信息庫和數字媒體。互聯網和數字技術的發展使得所有信息內容都在網上實現，特別是數字音視頻技術使得可以在互聯網上看電視聽廣播[3]。由于衛星通信具有三維無縫覆蓋能力、遠程通信、廣播特性、按需分配帶寬，以及支持移動性的能力，成為互聯網擺脫自身諸多問題的一個重要途徑，也是向全球用戶提供寬帶綜合互聯網業務的最佳選擇[4]。基于衛星的互聯網是衛星直播、數字音視頻、互聯網的有機結合，作為一個開放、寬頻、實時廣播的網絡平臺，可以提供以下服務。

4.1寬帶互聯網接入，可根據使用者的需求，通過地面網絡和衛星線路回傳。

4.2多媒體服務，比如網頁內容投遞、內容鏡像、緩存、數字電視、商務電視、流式音視頻、軟件分發(更新)、遠程教學、信息商亭等。

4.3交互式應用，如視頻點播、網上學習、網上游戲等。衛星通信與互聯網結合能夠帶來很多益處，同時也應注意到，衛星系統和現有互聯網地面基礎設施之間的結合存在著互操作性問題，再設計和實現基于衛星的互聯網時還存在許多技術挑戰。

5衛星通信與導航定位系統

該系統是以人造衛星為導航臺的星基無線定位系統，其基本作用是向各類用戶和運動平臺實時提供準確、連續的位置、速度和時間信息。目前該技術已基本取代無線電導航、天文測量和大地測量，成為普遍采用的導航定位技術。擁有此技術及能力，國家就會在政治、軍事和經濟等諸多領域占據主導地位，因此世界各大國不惜花巨資發展這一技術。1958年美國為解決北極星核潛艇在深海航行和執行任務中的精確定位問題，開始研究軍用導航衛星，命名為“子午儀計劃”，從1960年起就取消了無線電導航，第二代導航系統即———GPS(GlobalPositioningSyitem)便應運而生。俄羅斯的GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)是繼GPS之后又一全球衛星導航系統，歐盟與歐空局也開發了新一代衛星導航系統———伽利略（Galileo）系統，習慣上稱其為3G（GPSGLONASSGalileo）系統。我國的導航定位技術始于GPS，從2000年10月開始，我國發射了多顆導航衛星，命名為北斗衛星導航系統，現已覆蓋我國及周邊地區，預計2020年前后覆蓋全球。

6衛星與激光通信

衛星與激光通信是利用激光光束作為信息載體在衛星間或衛星與地面間進行通信。經過多年探索，衛星激光通信已取得突破性進展，逐步成為開發太空、利用廣闊的宇宙空間資源提供大容量、高數據率、低功耗通信的最佳方案，對于國防及商業應用都具有極大的價值。其原理是信息電信號通過調制加載在光波上，通信雙方通過初定位和調整以及光束的捕獲、瞄準和跟蹤建立起光通信鏈路，然后在真空和大氣中傳播信息。其組成有激光光源子系統、光發射/接收子系統、APT子系統和其他一些輔助系統，其工作過程如下：

6.1發射過程。使用不同的激光器，產生信號光和信標光。經準直系統對激光進行光束準直后，具備了合適的發射角，2束光由合束器合成1束光，然后經分光片、精對準機構和天線發射出去。

6.2接收過程。接收到的光經過天線和分光片后，信標光一部分到達粗對準探測器，由粗對準控制器控制和驅動電路控制粗對準機構，完成粗對準和捕獲；信標光另一部分經精對準機構、分光片、分束片到達精跟中蹤探測器，由精對準控制器控制精對準機構，完成雙方的精確對準和跟蹤。信號光由信號光探測器檢測。

7衛星與量子通信

衛星搭載量子通信技術，能夠使人們借助外太空的衛星平臺，建立星地高效自由空間量子信道，實現量子保密通信、星地量子糾纏分發、量子隱形傳態實驗。我國擬在近期發射量子通信衛星，在衛星平臺應用量子技術的能力將達到世界領先水平。

7.1星地量子通信通過自動跟蹤瞄準系統在高速相對運動的地面站和衛星終端之間建立高效穩定的量子信道，地面站隨機發送H/V和+/-四種偏振狀態的單光子信號；接收端接收量子信號，并隨機選擇H/V或+/-基矢對單光子信號進行測量；測量到足夠的量子比特后，接收端將通過經典信道通知發射端其每次測量所用的基矢，拋棄所用基矢不一致的測量結果；接收端再將基矢選擇一致的測量結果取一部分在經典信道公布出來供發射端校驗。通過這一過程就可以在星地之間建立安全的量子密鑰。

7.2星地糾纏分發將糾纏光源放在衛星上，通過搭載在衛星平臺上的望遠鏡系統和自動跟瞄系統同時與兩個地面站之間建立量子信道。將糾纏光子對的兩個光子分別發送給兩個地面站，兩站在滿足類空間隔條件下分別對糾纏光子對進行獨立測量，觀測量子糾纏現象。

7.3星地量子隱形傳態地面量子信源產生一對糾纏光子，其中一個光子通過地面發射端傳輸給衛星，另一個放入量子存儲器中存儲起來。空間量子通信平臺將接收到的光子態和未知量子態進行聯合Bell態測量，同時將測量結果通過經典信道傳輸給地面系統。地面系統將另一個糾纏光子從量子存儲器中讀出來，并根據空間量子通信平臺的測量結果進行相應的幺正變換，從而得到空間量子通信平臺的未知量子態。

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1.1微電子機械系統的概念

微電子機械系統主要結構有微型傳感器、制動器以及處理電路。其是一種微電子電路與微機械制動器結合的尺寸微型的裝置，其在電路信息的指示下可以進行機械操作，并且還能夠通過裝置中的傳感器來獲取外部的數據信息，將其進行轉化處理放大，進而通過制動器來實現各種機械操作。而微電子機械系統技術是以微電子機械系統的理論、材料、工藝為研究對象的技術。微電子系統并不只是單純的將傳統的機電產品微型化，其制作材料、工藝、原理、應用等各個方面都突破了傳統的技術限制，達到了一個微電子、微機械技術結合的全新高度。微電子機械系統是一種全新的高新科學技術，其在航天、軍事、生物、醫療等領域都有著重要的作用。

1.2微電子機械系統技術的特點

1.2.1尺寸微型化

傳統機械加工技術的最小單位一般是cm，而微電子機械系統技術下的機械加工往往最小單位已經涉及到了微米甚至納米。這以尺寸的巨大變化使得微電子機械系統技術下的原件具有微型化的特點，其攜帶方便，應用領域更加廣闊。

1.2.2集成化

微電子機械系統技術下的原件實現了微型化為器件集成化提供了有力的基礎。微型化的器件在集成上具有無可比擬的優勢，其能夠隨意組合排列，組成更加復雜的系統。

1.2.3硅基材料

微電子機械系統技術下的器件都是使用硅為基加工原料。地面表面有接近30%的硅，經濟優勢十分明顯。硅的使用成本低廉這就使得微電子機械系統技術的下的器件成本大大縮減。硅的密度、強度等于鐵相近，密度與鋁相近，熱傳導率與鎢相近。

1.2.4綜合學科英語

微電子機械系統技術幾乎涉及到所有學科，電子、物理、化學、醫學、農業等多個學科的頂尖科技成果都是微電子機械系統技術的基礎。眾多學科的最新成果組合成了全新的系統和器件，創造了一個全新的技術領域。

2微電子機械系統的技術類別

2.1體微機械加工技術

體微機械加工技術主要將單晶硅基片加工為微機械機構的工藝，其最大的優勢就是可以制作出尺寸較大的器件，最大的弊端是難以制造出精細化的靈敏系統。并且使用體微加工工藝難以優化器件的平面化布局，制作出來的器件難以與微電子線路直接兼容。體微機械加工工藝一般在壓力傳感器和加速度傳感器的制造中普遍應用。

2.2表面微機械加工技術

表面微機械加工技術就是通過集成電路中的平面化技術來實現微機械裝置的制造。其主要優勢表現在充分利用了已有的IC工藝，能夠靈活掌握機械器件的尺寸，因此表面為微機械加工技術與IC之間是兼容的。表面微機械加工技術與集成電路的良好兼容性使得其在應用領域實現了快速普及。

2.3復合微機械加工技術

復合微機械加工技術就是體微機械技工技術與表面微機械加工技術的結合，其結合了兩者的優點，但又同時避免了相應缺點。

3微電子機械技術的應用

3.1環境科學領域

微電子機械系統技術下的微型設備可以在環境監測和數據處理分析上發揮巨大的作用。由化學傳感器、生物傳感器以及數據處理系統所集合的測量與處理設備。該微型裝置可以用來監測空氣和液體的成分，其獨特優勢在于尺寸微小，便于攜帶。

3.2軍事領域

納米器件所構成的裝置先要對半導體器件運行速度高，攜帶方便，信息輸出和處理快捷，在軍事領域其能夠用來制作各種微型設備，例如“蚊子導彈”、“麻雀衛星”等。

3.3醫療領域

在臨床化驗分析、介入治療領域其也能夠實現巨大的價值。近幾年獲得發展的介入治療技術與傳統治療技術相比臨床治療效果優越，能夠有效緩解患者痛苦。但是當前介入治療儀器價格高，體積巨大，準確性難以保證，尤其是在治療重要器官時風險較大。微電子機械系統技術的微型與智能特性可以顯著降低介入治療的風險。

4結束語

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關鍵詞自動微分切線性模式數據相關分析統計準確率

1.引言

計算微分大致經歷了從商微分，符號微分，手寫代碼到自動微分幾個階段。與其它幾種微分方法相比，自動微分具有代碼簡練、計算精度高及投入人力少等優點。自動微分實現的基本出發點是：一個數據相對獨立的程序對象（模式、過程、程序段、數值語句乃至數值表達式），無論多么復雜，總可以分解為一系列有限數目的基本函數（如sin、exp、log）和基本運算操作（加、減、乘、除、乘方）的有序復合；對所有這些基本函數及基本運算操作，重復使用鏈式求導法則，將得到的中間結果自上而下地做正向積分就可以建立起對應的切線性模式，而自下而上地做反向積分就可以建立起對應的伴隨模式[1]。基于自動微分方法得到的切線性模式和伴隨模式，在變分資料同化[2]、系統建模與參數辨識[3]、參數的敏感性分析[4]、非線性最優化以及數值模式的可預測性分析[5]等問題中有著十分廣泛的應用。

迄今為止，已有數十所大學和研究所各自開發了能夠用于求解切線性模式的自動微分系統，比較典型的有TAMC系統[6]、ADJIFOR系統[7]和ODYSSEE系統[8]。在一些特定的運用中，它們都是比較成功的，但在通用性和復雜問題的處理效率上還存在許多不足。通常，自動生成切線性模式的關鍵難題在于對象自身的強相關性，這給系統全局分析（如數據IO相關分析和數據依賴相關分析）和微分代碼的整體優化都帶來了很多困難。同時，對于程序對象不可導處的準確識別和微分處理，至今仍還沒有一個統一而有效的算法。另外，最優或有效求解稀疏雅可比矩陣一直是衡量一個自動微分系統有效性的重要尺度。

統計準確率被我們視為評價一類自動微分工具及其微分模式代碼可靠性與有效性的重要尺度。其基本假設是：如果對于定義域空間內隨機抽樣獲得的至多有限個n維初始場（或網格點），微分模式輸出的差分和微分逼近是成功的；那么對于定義域空間內所有可能初始場（或網格點），微分模式輸出的差分和微分逼近都是成功的。微分模式統計準確率評價的具體方法是：在所有隨機抽樣得到的初始場（或網格點）附近，當輸入擾動逐漸趨向于機器有效精度所能表示的最小正值時，模式輸出的差分和微分之間應該有足夠精度有效位數上的逼近。

DFT系統具有許多優點，它能夠完全接受用FORTRAN77語言編寫的源代碼，微分代碼結構清晰，其微分處理能力與問題和對象的規模及復雜性無關。它基于YACC實現，具有很強的可擴展性。DFT系統具有四個重要特色。它通過對象全局依賴相關分析，準確求解雅可比矩陣的稀疏結構，自動計算有效初始輸入矩陣，從而可以用較小的代價求得整個雅可比矩陣。同時，它可以自動生成客觀評價微分模式效率與可靠性的測試程序，對奇異函數做等價微分處理，并采用二元歸約的方法，在語句級層次上實現微分代碼優化。

2.系統概況

DFT系統主要由兩部分組成：微分代碼轉換和微分代碼評價，圖2.1。微分代碼轉換部分接受用戶輸入指令并自動分析對象模式，生成切線性模式代碼及其相關測試代碼，后者直接構成微分代碼評價系統的主體。微分代碼評價是DFT系統的一個重要特色。DFT系統的開發小組認為，一個微分模式如果在可靠性、時間和存儲效率上沒有得到充分的驗證，至少對實際應用而言，它將是毫無意義的。

原模式切線性模式

統計評價結果

圖2.1DFT系統結構簡圖

2.1微分代碼轉換

DFT系統是基于YACC在UNIX環境下開發的，其結構圖2.2所示。通過DFT系統產生的切線性模式代碼成對出現，并在語句級程度上做了簡化，可讀性很強，如圖2.4。

切線性模式

評價函數集

圖2.2微分代碼轉換

微分代碼轉換部分從功能上分為四個部分：詞法分析，語義分析，對象復雜性及數據相關分析和微分代碼轉換。對于一組具有復雜數據相關的程序模式對象，通常需要系統運行兩遍才能得到有效而可靠的微分代碼。這主要有兩方面的考慮：其一，根據對象的復雜性（如最大語句長度、最大變量維數、子過程或函數數目、子過程或函數內最大變量數目等對象特征）選擇合適的系統參數以求最優的運行代價；其二，模式內各子過程或函數之間以及一個子過程或函數內往往具有很強的數據相關性，需要事先保存對象的相關信息并且在考慮當前對象的屬性之前必須做上下文相關分析。

圖2.3PERIGEE源程序代碼圖2.4DFT系統生成的切線性代碼

2.2微分代碼評價

通常，評價一個編譯系統的性能有很多方面，如處理速度、結果代碼可靠性及質量、出錯診斷、可擴展和可維護性等。對于一類自動微分系統來說，由于軟件開發人力的局限以及對象模式的復雜多樣性,通過自動轉換得到的微分模式并非常常是有效而可靠的（即無論是在數學意義上還是在程序邏輯上應與期待的理想結果一致），因而在微分模式被投入實際應用前，往往需要投入一定的人力來對其做嚴格的分析測試。

對切線性模式做統計評價測試的主要內容可以簡單敘述為：在網格化的模式定義域空間內，選擇所有可能的網格點形成微分模式計算的初始場；在不同的網格點附近，隨機選取至少個線性無關的初始擾動，對每個擾動輸入分別進行網格點逼近，統計考察模式輸出差分和微分在有效位數上的逼近程度。圖2.5描述了整個測試過程，它包含網格點數據隨機采樣（1）和網格點數據逼近（2）兩級循環。

圖2.5切線性模式代碼的測試過程

3.系統主要特色

DFT系統并不是一個完整的FORTRAN編譯器，但它幾乎可以接受和處理所有FORTRAN77編寫的源模式代碼，并且可以很方便地擴展并接受FORTRAN90編寫的源模式代碼。本節將著重介紹DFT系統（版本3.0）的以下幾個重要特色。

3.1結構化的微分實現

DFT系統采用標準化的代碼實現，切線性模式的擾動變量和基態值變量、微分計算語句和基態值計算語句總是成對出現，并具有清晰的程序結構。微分代碼保持了原模式本身的結構和風格（如并行和向量特性、數據精度等），即語句到語句、結構到結構的微分實現。在奇異點或不可導處，DFT系統對微分擾動采取簡單的清零處理，實踐證明這對抑制擾動計算溢出具有重要意義，但并不影響評價測試結果。

3.2全局數據相關分析

DFT系統具有較強的數據相關分析能力，它包括全局數據IO相關分析、全局數據依賴相關分析、全局過程相關分析以及數據迭代相關分析幾個不同方面。數據依賴相關與數據IO相關關系密切，但又存在根本不同。前者強調每個變量在數學關系上的依賴性；而后者描述了一個對象的輸入輸出特性，且具有相對性，即任何一個變量參數，無論它是獨立變量還是依賴變量，在數學意義上都可等價為一個既是輸入又是輸出的參數來處理。

DFT系統記錄所有過程參數的IO屬性表，通過深度遞歸相關計算，準確計算每個過程參數的最終IO屬性。DFT系統通過對數據相關矩陣做模二和及自乘迭代計算（An+1=AnAn2）來完成數據的依賴相關分析，這種算法具有很好的對數收斂特性。DFT系統通過全局過程相關分析的結果，自動生成模式的局部或整體相關引用樹結構（如圖3.1），這對用戶分析復雜數值模式和微分評價測試都具有很好的指導作用。DFT系統還具有分析局部數據迭代相關和函數迭代相關的能力，這兩種形式的數據迭代相關是自動微分實現頗具挑戰的難題之一。

圖3.1GPSRayshooting模式的相關樹結構片段

3.3自動生成測試程序

基于IO相關分析的結果，DFT系統自動生成微分測試代碼，分別對切線性模式的可靠性和運行代價做統計評價測試。特別地，DFT系統還可將任何模式參數都視為輸入輸出參數，生成在數學意義上等價的測試代碼，這樣處理的不利之處在于往往需要極高的存儲開銷。

3.4基于語句級的代碼優化

目前，DFT系統僅僅具備局地優化能力。在語句級微分實現上采用二元歸約的方法對微分代碼進行優化是DFT系統的一個重要特色。根據右端表達式的乘法復雜性及含變元數目的不同，DFT系統采取不同的分解策略。二元歸約的方法避免了微分計算中的許多冗余計算，在一些復雜的非線性表達式的微分計算中具有最小的計算代價，同時也非常適合于微分系統的軟件實現。同時，對于某些特殊的運算操作（除法、乘方）和特殊函數（如sqrt、exp），DFT系統較好地利用了基態值計算得到的中間結果，避免了微分實現中的冗余計算。

4.系統應用

運用自動微分工具得到的切線性模式，可以在無截斷誤差意義下求解函數的數值微分和導數、稀疏雅可比矩陣。同時這些結果在數值參數敏感性分析、非線性最優化以及其它數值理論分析中有著非常重要的應用。這里簡單介紹切線性模式的幾個基本應用。

4.1符號導數和微分

如果輸入為數學關系式，DFT系統可以自動生成對應的微分表達式和梯度，而與數學關系式的復雜程度無關。例如我們輸入關系式：

，（1）

DFT系統將自動生成其符號微分形式及其梯度形式分別為

，（2）

4.2數值導數和微分

切線性模式最基本的應用就是在一定擾動輸入下求解輸出變量的擾動（響應）。表4.1給出了DFT系統在對IAP9L模式、GPSRayshooting模式和GPSRaytrace模式三個數值模式做切線性化的具體應用中，一些不同計算粒度、不同引用深度和不同程序風格的核心子過程，以及它們的切線性模式在SGI2000上運行的統計評價測試結果，其中切線性模式的可靠性指標都準確到六個有效數字以上，在運行時間、存儲開銷和代碼復雜性方面分別是原模式的兩倍左右，比較接近于理想的微分代價結果（1.5倍）。除了IAP9L模式由于過于復雜僅做粗略統計外，其余模式都用非注釋語句行數來表示各自的代碼復雜性。

表4.1DFT系統在三個數值模式中的統計評價測試結果

性能指標

對象模式運行時間（10-3秒）存儲開銷（字節數）代碼復雜性

原模式切線性

模式

原模式切線性

模式

原模式切線性

模式

Xyz2g2.5306.1605524110485589

IntCIRA1.5602.750133426614165

Dabel0.0350.072601202749

LSS8.30017.50669133879143

RP42.4085.10360572102238

Vgrad10.1000.21218564368282454

RefGr43.0086.0071865414373083578

LL2JK0.6261.350262252442232

RayFind462.70

×103125.4

×103985618212111179

EPSIMP1.76011.50445589101327

Hlimits0.8301.8802425774842543774

Int3sL26.9051.2082002916394584690

MAKE

NCEP1340392072292514458504584

Curvcent0.0130.038527542754

DYFRM3.800

×1037.250

×1035000*9500*161279

PHYSIC2.750

×1035.385

×10330005000*1399*

(含注釋行)2826*

(含注釋行)

適當設置輸入擾動的初值，運用切線性模式可以簡單求解輸出變量對輸入的偏導數。例如，對于一個含有個輸入參數的實型函數

（3）

這里設，。運用DFT系統，可以得到對應的切線性模式

（4）

其中，為切線性模式的擾動輸入參數。可以通過以下辦法來求得偏導數：

（5）

其中。如果對于某個既是輸入參數又是輸出參數，可以類似以下過程引用的辦法來處理。對于過程引用的情形，例如一個含有個輸入參數的子過程

（6）

其中，為輸入參數；，為輸出參數；，既為輸入參數又為輸出參數。運用DFT系統，可以得到對應的切線性模式為

（7）

其中，，，分別為切線性模式的微分擾動輸入、輸出和輸入輸出參數。可以通過以下輸入擾動設置并引用切線性模式（7）來求得偏導數：

a)設置；（，）；（）可以同時求得（）和（），其中。

b)設置（）；；（，）可以同時求得（）和（），其中。

4.3稀疏雅可比矩陣

運用上節討論的方法來求解稀疏雅可比矩陣,具有極高的計算代價。例如，一個含個獨立和個依賴參數的子過程，為求解整個雅可比矩陣就需要反復調用次切線性模式，當相當大時，這對許多實際的數值計算問題是不能接受的。事實上，如果雅可比矩陣的任意兩列（行）相互正交，那么可以通過適當設置擾動輸入值，這兩列（行）的元素就可以通過一次引用切線性模式（伴隨模式）完全得到。設和分別為雅可比矩陣的行寬度和列寬度，即各行和各列非零元素數目的最大值，顯然有，。這里介紹幾種常用的求解方法。

正向積分當時，通常采用切線性模式來計算雅可比矩陣。根據雅可比矩陣的稀疏結構，適當選擇右乘初始輸入矩陣，可以獲得接近的計算時間代價。DFT系統采用一種逐列（行）求解的方法，來有效求解右（左）乘初始輸入矩陣。其基本思路是：按照某種列次序考察雅可比矩陣的各列；考察當前列中所有非零元素，并對這些非零元素所在行的行向量做類似模二和累加運算（即將非零元素視為邏輯“1”，零元素視為邏輯“0”），從而得到一個描述當前列與各行存在“某種”相關的標志向量（其元素都是“1”或“0”）；依據此標志向量，就很容易得到一個與之正交的列初始向量，其中與當前列序號對應的元素設置為“1”，而與標志向量中非零元素序號對應的元素設置為“0”，與標志向量中非零元素序號對應的元素設置為“-1”，顯然，該列初始向量是唯一的，并且對應著當前右乘初始輸入矩陣的最后一列；逐一考察已求解得到的列初始向量，如果某列初始向量與當前求解得到的列初始向量按下面定義的乘法（見過程4）正交，那么這兩列就可以合并，即將當前列初始向量中非“-1”的元素按照對應關系分別賦值給該初始向量，并從記錄中刪除當前列初始向量；重復以上過程，繼續按照給定列次序考察雅可比矩陣的“下一列”。不難說明，按照不同列次序求解得到的右乘初始輸入矩陣可能不同。其中逐列求解右乘初始輸入矩陣的過程可以簡單敘述為：

1）將右乘初始輸入矩陣所有元素的初值均設置為，，。。

2）如果，轉6）。否則，如果雅可比矩陣的第列中的所有元素均為，，重復2）的判斷。否則轉3）。

3）計算標志向量。令，做如下計算：

，;

4）設為的列向量。在上定義乘法，對任意的，我們有：a）；b)如果，必有和。然后，做如下計算：

,;

，6);

2);

5）令，并做如下計算：

，;

令,。如果，轉6）；否則，重復2）的判斷。

6）對，，如果，則。取的前列，這樣，我們就得到了一個維右乘初始輸入矩陣。

這里需要說明的是，運用上面的方法求得的右乘初始輸入矩陣不僅與求解雅可比矩陣的列序有關，而且與過程4）中的合并順序也有關系。至于如何最優求解右乘初始輸入矩陣，目前還很難討論清楚。但是，大量模擬試驗結果表明，運用上面自然次序求得的右乘初始輸入矩陣寬度已經非常接近于其下界值。

反向積分當和時，通常采用伴隨模式來計算雅可比矩陣。根據雅可比矩陣的稀疏結構，適當選擇左乘初始輸入矩陣，可以獲得接近的計算時間代價。其中左乘初始輸入矩陣的求解過程完全可以按照上面的方法進行，但是在處理前必須先將雅可比矩陣轉置，最后還需將得到的初始輸入矩陣轉置才能最終得到左乘初始輸入矩陣。同時，其行寬度也已經非常接近于其下界值。

混合積分如果將切線性模式和伴隨模式相結合，往往可以避免梯度向量運算中的諸多冗余計算。例如，ADJIFOR系統在求解雅可比矩陣時，在語句級微分實現中首先用伴隨方法求得所有偏導數，然后做梯度向量積分；其計算時間代價與和模式的語句數目有關，而其存儲代價為。具體討論可參考文獻[7]。

5．結論

切線性模式在無截斷誤差意義上計算函數的方向導數、梯度或雅可比矩陣，以及在模式的可預測性及參數敏感性分析、伴隨模式構造等相關問題中有著廣泛應用。DFT系統主要用于求解FORTRAN77語言編寫的切線性模式，具有很強的全局數據相關分析能力。此外，DFT系統還具有其它幾個重要特色，如結構化的微分實現、自動生成微分測試程序以及基于語句級的微分代碼優化。本文簡單給出了DFT系統在求解數值和符號導數和微分、稀疏雅可比矩陣中的應用。為評價一類自動微分系統，本文初步提出了統計準確率的概念。

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