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【關鍵詞】第三方物流 教學軟件 實訓項目 課程設計
【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674－4810（2012）03－0003－02
21世紀是信息技術飛速發展的時代，提高物流信息化的水平是我國物流企業參與國際競爭的戰略選擇，高職高專類學校必須順應時代的發展，加大物流信息技術方面的教學力度，才能培養出現代物流人才。為提高物流技能教學質量，廣州科技職業技術學院投資建設了物流軟件實訓室，并開發出適應社會發展的物流教學軟件。要想有效地利用教學軟件，必須對課程進行合理的設計，本文就第三方物流實訓課程設計進行闡述。
一 實訓性質與目的
1．性質
在專業教學計劃中，本課程處于物流管理理論教學與專業實訓之間，是學生通過物流軟件的學習接受物流管理職業技能訓練的重要環節。
2．目的
通過對第三方物流軟件的操作與學習，使學生對第三方物流的實際運作流程有較深入的了解。將所學的物流知識與模擬實踐相結合，提高學生動手解決實際問題的能力，為學生將來進入社會和企業提供寶貴的實訓經驗，培養合格的物流人才。
二 課程設計總體思路
本課程應包括第三方物流企業的訂單處理、出入庫作業、倉儲管理、運輸配送作業，讓學生掌握第三方物流企業的一般經營方式和服務內容。從訂單的接收開始，以實物流程為主線，兼顧資金流和信息流的處理，使系統使用者明晰地理清整個第三方物流企業的流程。
三 實訓技能崗位設置
職能部門（技能崗位）：客服部（客服）、儲備部（理貨員、搬運工、保管員、分揀員、補貨員、包裝員）、流通加工部（加工員）、送貨部（調度員、駕駛員）、綜合部、財務部（會計）、安全部。
四 課程實訓項目設計
對第三方物流各技能點及第三方物流軟件進行分析、梳理和歸納，設計相應的情景實訓項目。
1．基礎信息管理
項目1：資源（設備、人員、車輛）管理；項目2：路由管理；項目3：庫房管理。
2．客戶管理
項目4：客戶信息管理；項目5：項目客戶的貨品管理；項目6：客戶費用管理。
3．供應商管理
項目7：供應商檔案管理；項目8：供應商信用管理；項目9：供應商費用設置。
4．訂單管理
項目10：入庫訂單管理；項目11：出庫訂單管理；項目12：庫內加工訂單管理；項目13：退貨入庫訂單管理；項目14：退貨出庫訂單管理；項目15：退貨加工訂單管理；項目16：運輸訂單管理；項目17：配送訂單管理；項目18：訂單查詢。
5．倉儲作業
項目19：入庫作業；項目20：倉儲管理；項目21：移庫作業；項目22：流通加工作業；項目23：出庫作業。
6．運輸與配送業務
項目24：運輸出港的調度和場站作業；項目25：運輸進港的調度與場站作業；項目26：運單補錄和運費復核；項目27：簽收與返單處理；項目28：運單查詢；項目29：配送作業。
7．商務結算
項目30：應收應付管理；項目31：現結現付管理。
8．綜合業務實訓
項目32：倉儲型配送中心作業流程實訓；項目33：流通型配送中心作業流程實訓；項目34：流通加工型配送中心作業流程實訓；項目35：中轉型配送中心作業流程實訓。
五 課時和內容安排
總課時為112課時，分兩個階段進行。第一階段，單個業務的模擬，72課時；第二階段，讓學生扮演不同的角色，進行整個第三方物流企業業務流程的實訓，40課時。
第一階段：學生以個人為單位，對第三方物流企業的各個業務模塊進行模擬。了解系統的功能、構成及其之間的關系，進行實際操作練習。實訓內容為：實訓項目1～實訓項目31。
第二階段：將實訓學生分組，并分配不同角色模擬第三方物流公司的業務運作，將實訓崗位設置為：系統管理員、客服（訂單錄入）、搬運工（出入庫反饋）和運輸配送調度員。實訓內容為：實訓項目32～實訓項目35。
六 實訓成果要求
通過對第三方物流軟件的操作與學習，使學生深入了解第三方物流的實際運作流程。將所學的物流知識與模擬實踐相結合，提高學生動手解決實際問題的能力，為學生將來進入社會和企業提供寶貴的實訓經驗，培養合格的物流人才。
七 實訓成績考核及評定標準
第一，實訓結束后，學生將實訓結果等內容寫入實訓報告，報告應符合實訓教學的要求，并得到指導教師認可。
第二，指導教師對每份實訓報告進行審閱、評分。
第三，根據軟件系統的測評分數并結合實訓報告的得分情況給出學生的實訓成績。
第四，該實訓課程內容是對理論教學內容的應用與驗證，實訓課的成績記入課程平時成績。
八 第三方物流實訓情景項目設計范例
項目19：入庫作業。
1．實訓任務
以倉儲調度員或信息管理員的身份，對入庫作業計劃指定儲位、作業資源，打印出儲位分配單、入庫單，能夠查詢作業明細。
2．實訓步驟
第一，新增入庫單。在【訂單管理】【訂單錄入】【訂單錄入】下點擊【新增】；出現新界面后，選擇入庫訂單，點擊【確定】，分別對訂單信息、訂單入庫信息及訂單貨品進行維護。在訂單信息界面，錄入如下信息。如：
客戶名稱：飛遠運達；緊急程度：一般；單來源：電話；下達時間：當天。
在訂單入庫信息界面，錄入如下信息。如：
庫房：第一號庫；入庫方式：送貨；入庫類型：正常入庫；預計入庫時間：后天。
在訂單貨品界面，點擊【添加貨品】，數量是10臺。最后，點擊【保存訂單】即可。
第二，生成作業計劃。選中剛才新增的訂單，點擊【生成作業計劃】，在彈出的界面，點擊【確認生成】。
第三，入庫調度。在【倉儲管理】【入庫作業】【入庫預處理】下，選中剛才的訂單，點擊【調度】。
在入庫預處理界面，在待上架貨品中，選中要上架的貨品及添寫上架的數量，在區和儲位編碼中選擇要上架貨品的儲位編碼。如：
貨品編碼：000050150；貨品名稱：輪胎；數量：10；區和儲位編碼：根據之前生成的編碼進行選擇。
然后點擊【打印儲位分配單】，打印出儲位分配單，點擊【打印入庫單】，打印入庫單，交給理貨員。
另外，還可在【資源調度】界面，根據倉儲實際情況對作業資源進行維護。
最后，點擊【調度完成】，完成作業的調度。
第四，入庫反饋。用戶選擇【倉儲管理】【入庫作業】【入庫反饋】，系統顯示已調度完成的單據，點擊【作業計劃單反饋】，分別對理貨、上架等進行反饋，然后點擊【反饋完成】，完成入庫反饋作業。
3．實訓總結
第一，明確實訓任務的目的及要求。
第二，寫出實訓的具體過程。
第三，根據實訓步驟畫出實訓流程圖，將實訓結果等內容寫入實訓報告。
第四，總結實訓體會，師生可提出改善建議進行討論。
參考文獻
【關鍵詞】電力調度與規劃；教學；研究
0 引言
《電力調度與規劃》是“電力系統自動化技術技術”專業的一門專業拓展領域課程，我們將《電力系統調度》與《電力系統規劃》兩門課程的內容整合在一起，其主要任務是培養學生對電力系統調度的認識與規劃設計能力，本課程要以《電工基礎》、《電子技術基礎》、《電氣一次部分安裝檢修與設計》、《電力系統分析》、《繼電保護》等課程為前導課程，其后續課程為《畢業設計》和《畢業頂崗實習》。
1 課程目標
本課程是與現代電力生產運行緊密聯系的一門課程，其目標如表1：
表1 課程目標表
2 課程內容安排和要求
根據工作任務與職業能力分析及課程目標，為使學生能做好調度與規劃工作，本課程設計了11個學習情境，各學習情境呈遞進關系；在教學實施中，將其進一步分解成49個學習型工作任務。課程內容和要求見表2[1-2]。
表2 課程內容和要求表
3 教學實施過程中存在的問題及解決方法
1）《電力調度與規劃》教學內容包含電力系統調度與電力系統規劃兩方面的內容，由于調度的內容較少，多購買一本教材不太合理，教師只能在講課過程中對調度的內容進行補充，詳細講解，督促學生做好筆記。
2）本課程的專業理論性和實踐性極強，除了要求學生具有足夠好的專業知識外，還要求學生具有很強的數學計算能力與計算機編程能力，所以用計算機模擬仿真實施難度較大，學生難以理解和掌握，因此只給學生講解規劃設計的實例，并讓學生根據給出的原始資料進行規劃設計。
3）由于綜合了多門課程的專業知識，對學生的整體素質要求較高，屆時要根據學生的實際情況有針對性的下發規劃項目的內容加以練習。
4 總結
《電力調度與規劃》是開設在三年級第一期的課程，大多數學生對電力系統的調度與規劃并沒有一個完整的知識架構，所學到的知識是有限且相互割裂的，本課程課構建一個電力系統的運行與控制及其規劃等的較為完整的知識框架，并將《發電廠電氣部分》、《繼電保護》、《電力系統運行與控制》等專業課程聯系起來，使學生對電力系統的生產與運行有了更全面的概念，為實現零距離上崗打下堅實的基礎。
【參考文獻】
摘 要：深入理解計算機系統對提高計算機專業學生計算機應用系統設計能力具有重要意義。使學生深入理解計算機系統的重要途徑之一就是面向系統的計算機專業實踐教學體系建設。本文主要介紹東南大學面向系統的計算機專業實踐教學體系建設探索經驗，以供相關教學研究人員借鑒。
關鍵詞：面向系統；實踐教學；課程設計；系統綜合
隨著計算機科學技術的不斷發展，計算機應用領域的不斷擴大，計算機專業的學生如何提高競爭力，是計算機教育領域一個非常重要的研究課題。對計算機專業教育，一個非常重要的思路是分類培養[1]：培養將來計算機科學技術的研究人員和應用計算機科學技術解決實際領域應用問題的計算機應用人員。對計算機科學技術研究人員，需要加強對計算機系統的理解，以更好地設計出新型計算機系統。對計算機應用人員，若能對計算機系統深入理解，則可在計算機應用系統架構時，充分利用計算機系統本身的特性，提高計算機應用系統的性能。因此，讓學生深入理解計算機系統是計算機教育的重要內容[2-3]。讓學生深入理解計算機系統，一個重要途徑就是探索面向系統的計算機專業實踐教學體系。
1 東南大學面向系統的計算機專業實踐教學體系
計算機系統包括硬件和軟件。對于硬件，其核心是CPU；對于軟件，主要包括操作系統(可延伸包含網絡操作系統)、編譯軟件和數據庫系統。
對面向系統的專業實踐教學體系進行建設，東南大學的目標是加深學生對計算機系統的深入理解，希望學生在“做中學、學中研、研中創”，能設計自己的計算機系統；主要方法是強調三結合：理論與實踐相結合、課內與課外相結合、教學與科研相結合。
根據“強化基礎、軟硬結合、立足系統、面向應
用、加強實踐”教學理念，東南大學形成了如圖1所示的面向系統的專業實踐教學體系。
該實踐教學體系以硬件系統綜合實踐和軟件系統綜合實踐為基礎，通過“計算機系統綜合課程設計”課程加以綜合，通過學生科研實踐和畢業設計強化“面向系統”的理念。
硬件系統綜合實踐包括硬件實驗和接口實驗。硬件實驗主要是讓學生運用EDA技術、采用軟件設計一個指令集自定義的模型計算機，并下載到FPGA芯片，讓學生深入理解CPU結構、會設計一個CPU。接口實驗主要包括存儲器擴展、定時器、串口、并口、中斷、A/D、D/A、DMA控制器、小型微機應用系統的綜合設計與測試等實驗，通過實驗，學生能夠理解微機接口及其應用技術。
軟件系統綜合實踐主要包括編譯原理課程設計、操作系統課程設計和數據庫系統課程設計。對編譯原理課程設計，要求學生能設計可生成編譯程序的程序，也就是編譯程序生成工具程序(包括Lex和Yacc)，加強學生對程序設計語言本質和編譯軟件的理解，進一步提高程序設計能力、特別是大型軟件的設計能力。對于操作系統課程設計，要求學生在閱讀Linux操作系統源代碼的基礎上添加新的系統調用，修改調度程序的代碼，擴展一個新的調度算法；或者基于Java虛擬機，完成基于Java虛擬機的線程調度及請求頁式管理的Java實現，以加深學生對計算機操作系統內核的理解，提高對操作系統內核的分析與擴展能力。對于數據庫系統課程設計[4]，通過設計一個小型的數據庫管理系統，為今后從事數據庫系統研究和開發、充分利用數據庫管理系統提供的各種特性解決實際問題打下堅實的基礎，實驗內容主要包括數據庫事務處理系統設計與實現、SQL語言解析與執行以及索引優化技術的實現。
對于計算機系統綜合課程設計，從系統設計的角度，通過對SOC(片上系統)的硬、軟件設計，將學生帶進計算機系統硬件和系統軟件綜合開發的領域，讓學生初步理解軟件、硬件協同設計，給學生一次綜合的訓練的機會，加深學生對計算機系統的理解。
2 典型實踐課程建設探索
這里主要介紹東南大學硬件實驗、編譯原理課程設計、操作系統課程設計、數據庫系統課程設計和計算機系統綜合課程設計建設探索經驗。
2.1 硬件實驗實踐課程
東南大學長期重視硬件教學。東南大學硬件課程群是江蘇省優秀課程群。1985年，為了加強計算機組成原理的綜合實踐，我校開始獨立設置計算機硬件實驗實踐課程。硬件實驗實踐課程內容是學生自己設計一個簡易的CPU，可以完成七條基本指令。學生通過這樣的實驗，初步改變了懼怕硬件的心理，在對課程充分理解的基礎上，自主設計自己的CPU，不設條條框框，學生實驗完成情況令人滿意，改革初現成效。部分學生的課程設計在全國相關教學會議上被作為樣板，受到與會者的一致好評。由于課程建設成效顯著，“模型計算機系統課程設計”(硬件實驗)課程建設于1993年被評為東南大學教學改革成果二等獎。從1999年開始，我們探索在原有CPU設計基礎上增加接口部件，并將EDA技術引入到課程設計中，為開設“計算機系統綜合課程設計”打下基礎。
經過長期的建設，硬件實驗實踐課程目前將著眼于CPU的組織和嚴格的時空安排，著眼于計算機硬件系統的設計方法和基本電路的實現方法，由小型部件實驗和大型課程設計組成。課程目標是通過實驗，在理論與實踐相結合的基礎上，加深學生的整機概念，進一步弄清計算機的內部結構和時空關系，學會指令功能的電路實現方法和技巧，掌握運用EDA技術進行設計和調試的工作方法，提高學生自行設計、調試分析的獨立工作能力。
小型部件實驗用傳統的中小規模集成電路完成，使學生對運算器、存儲器、數據通路、總線等基本概念有感性認識，對數據流和控制流的關系、計算機主要部件的工作過程有較清楚的了解。
大型課程設計要求學生運用EDA技術，采用ALTERA公司的MAX+PLUSII軟件或Quartus II軟件，自己設計一臺指令功能完備的模型計算機，下載到本實驗系統提供的FLEX10K系列芯片上，并調試成功，最后通過檢查驗收程序，寫出報告。對于模型計算機設計，分為兩個層次：微程序控制的模型計算機設計與調試和復雜的模型計算機設計與調試。對于微程序控制的模型計算機設計與調試，可自行規定數據格式和指令格式，在所提供的條件范圍內設計一臺能夠實現基本指令的微程序控制的模型計算機。對于復雜的模型計算機設計與調試，要求具有多種尋址方式、中斷系統、16條以上指令，掌握用Verilog語言設計計算機硬件的能力，掌握用軟件工程的思想設計計算機硬件的工作方法及工作過程。
該課程不安排考試，學生成績以其學習態度、設計能力、實驗結果以及實驗報告情況評定。具體分配如下：學習態度10分，設計水平和實驗結果
60分(設計方案30分、實驗結果20分、創新10分)，實驗報告30分(方案和電路10分、文字表述10分、總結和分析等10分)。總分按優、良、中、及格、不及格評分。
2.2 編譯原理課程設計
編譯程序是重要的系統軟件，其設計理論基礎涉及形式語言與自動機理論。編譯程序設計的簡單方法是按照特定的程序設計語言描述規范進行相應的詞法、語法分析和目標代碼生成。主要不足是程序設計語言描述規范發生改變時不能做快速適應。因此，在編譯程序設計時，一種新的方法是使用編譯程序生成工具生成編譯程序。典型編譯程序生成工具有Lex和Yacc。為了使學生對Lex和Yacc的實現機理有深入的理解，東南大學從2005年開始獨立設置編譯原理課程設計實踐課程。
該課程的設計目的就是通過設計一個通用的能夠自動根據正規表達式生成詞法分析程序的工具程序SeuLex和一個通用的能夠根據上下文無關文法及其語義規則自動生成語法分析程序的工具程序SeuYacc，使學生深入理解編譯原理，為在大型軟件系統實踐中設計性能優良的軟件系統打下基礎。
SeuLex設計的主要內容是給定一個語言的Lex完整描述，通過程序實現對應的正規表達式集分析、相應非確定的有限自動機構造、確定化和最小化；根據最小化的確定有限自動機生成對應的詞法分析程序。對于SeuYacc設計，主要內容是給定一個語言的Yacc完整描述，通過程序實現對應的LALR(1)分析表構造過程；輸出基于LALR(1)分析表、具有LALR(1)分析總控程序和LR(1)分析表查表程序的語法分析程序。
該課程考核根據每個學生小組必做實驗和選做完成情況、實驗結果的正確性、選做實驗的數量和完成情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對小組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分。
學生普遍認為，該課程設計對加強學生對編譯理論的理解、提高大型程序的設計能力具有重要作用。
2.3 操作系統課程設計
操作系統是計算機系統的核心軟件，對操作系統的深入理解，可幫助學生充分利用操作系統提供的功能，提高計算機應用系統的效率，從而使學生能夠“做好應用”，更進一步設計自己的操作系統軟件。
為了加深學生對計算機操作系統內核的理解，提高其對操作系統內核的分析與擴展能力，東南大學從2005年開始獨立設置操作系統課程設計實踐課程。
該課程主要是為學生將來在基于Linux的嵌入式系統開發或在Java虛擬機上的軟件開發工作奠定基礎。
該課程提供兩類難度相當的實驗，學生可按照自己的興趣選做A類或者B類。
A類：本課程設計要求學生在閱讀Linux操作系統源代碼的基礎上完成兩個主要項目：在Linux2.4的內核中添加新的系統調用，以理解系統調用的工作機制，掌握擴展內核功能的技術；在Linux2.4中修改調度程序的代碼，擴展一個新的調度算法。
B類：在Java虛擬機上完成兩個項目：基于Java虛擬機的線程調度；請求頁式管理的Java實現。
該課程考核根據每個學生小組必做實驗和選做完成情況、實驗結果的正確性、選做實驗的數量和完成情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對小組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分。
學生普遍認為，通過該課程設計，對操作系統的理解有一個較大的提升，對構建自己的操作系統有了一定信心。
2.4 數據庫系統課程設計
數據庫管理系統是信息處理的重要系統軟件，充分理解數據庫管理系統，對提高信息處理應用系統的性能和效率具有重要的作用。
為了為學生今后從事數據庫系統研究和開發、充分利用數據庫管理系統提供的各種特性解決實際問題打下堅實的基礎，東南大學利用在各種數據庫系統開發方面的長期科研積累，從2005年開始獨立設置數據庫系統課程設計實踐課程，安排學生3～4人一組，分配角色，不限機時，遵循軟件工程的要求自行設計并實現一個麻雀雖小、五臟俱全的數據庫管理系統MyDBMS，通過實踐，使學生更加透徹地理解數據庫系統的基本原理和內部實現技術。
該課程實驗將分為兩大部分：一是數據庫事務處理系統設計與實現；二是SQL語言解析與執行，以及索引優化技術的實現。對于數據庫事務處理系統實驗，主要是實現關系型數據庫管理系統中的兩步提交事務處理系統；對于SQL語言解析與執行實驗，主要實現標準SQL語言的解析，以及執行控制模塊；對索引優化技術實驗，主要實現B+樹索引結構并優化。
該課程考核根據每個學生小組必做實驗和選做完成情況、實驗結果的正確性、選做實驗的數量和完成情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對小組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分。
從教學實際情況來看，絕大多數學生都能按要求完成任務，學生普遍反映雖然很辛苦，但收獲很大。該實踐課程所依據的理論課程“數據庫原理”于2010年成為國家精品課程建設項目。
2.5 計算機系統綜合課程設計
計算機系統綜合課程設計是軟件綜合實踐和硬件綜合實踐的集成，要求學生從CPU 設計、接口設計到BIOS設計、匯編器設計、編譯程序設計和應用示范程序設計，需要軟硬綜合。東南大學從2003年開始探索計算機系統綜合課程設計實踐課程建設。
2003年，東南大學按照計算機專業課程群的總體大綱，以及“軟硬結合、立足系統”的教學指導思想，參考加州大學伯克力分校以及日本法政大學的課程設計實踐的經驗，獨立設置了“計算機系統綜合課程設計”實踐課程，將“計算機系統綜合課程設計”定位在采用EDA、OO(面向對象)、SOPC等技術，綜合軟硬件實踐，形成小型嵌入式系統的設計目標。將學生5～6人分為一組，設計內容包括嵌入式CPU設計、接口電路設計、BIOS設計、編譯器設計、簡單應用程序設計等，真正將學生帶進計算機系統的硬件和軟件設計與開發領域，讓學生得到一次全面綜合的實踐訓練。
該課程硬件部分實驗是設計一個可運行指定的31條MIPS指令的RISC型MIPS16微處理器，具有32位指令、16位地址線和數據線。實驗要求包括處理器采用哈佛結構，有獨立的2KB的指令存儲器和2KB的數據存儲器；具有2個中斷源入口，兩級中斷優先級(可選)；具有2個16位定時/計數器；具有一個4×4鍵盤控制器和4位7段LED控制器；具有一個簡單UART串行通信控制器或一個SCI串行通信控制器；具有看門狗功能(可選)；用不同的方法實現移位指令，并分析對主頻和功耗上的影響(可選)；增加乘法器、除法器、標志寄存器等(可選)。
該課程軟件部分實驗包括含有編輯功能的MIPS16匯編(編譯)程序；含有基本輸入輸出系統BIOS(可選)；含有硬件各部件測試程序；MiniC編譯器(可選)；集成開發環境IDE的設計(可選)；含有一個應用程序范例(可選)。
在多年的課程設計中，學生們不僅完成了簡單的SoC設計，更不斷進取，分別完成了流水型、超標量型、帶分支預測的流水、帶指令預取的流水、雙核等多種先進的設計。2005級學生的課程設計成果MiniSys IDE已作為東南大學硬件基礎課的實驗工具。2006級學生嘗試了增加鼠標、黑白液晶屏、彩色液晶屏、步進電機、點陣LED等外部設備的接口電路、并初步嘗試了3核處理器的設計。該課程于2009年成為教育部―Intel精品課程。
3 保證實踐教學效果的建議
實踐教學對提高學生的能力和素質具有重要作用，但教學工作量較大，需要教師有很大的投入，才能保證教學效果。東南大學為了保證實踐教學效果，首先從實驗實踐教學考核政策上予以傾斜，學校實驗教學與技術崗位編制中，充分考慮實驗室建設與實驗教學改革的需要，重點建設的實驗中心，改革與建設編制崗位數所占的比例可以達到中心實驗技術崗位的20%以上。
另外，針對獨立設置的課程設計[5-6]，有如下建議。
1) 任務布置階段，因人而異，避免一刀切：對基礎較差的學生――給出基本任務要求，鼓勵學生向更高目標走，絕不降低基本要求；對于大多數學生――給出的任務比基本要求略高，鼓勵他們多進行討論，讓這部分學生能“吃飽吃好”；對于能力強的學生――讓他們自行組織討論，充分發揮能動性，提出自己的方案，可以四個不限定(不限定學生設計的總體結構，不限定學生具體實施設計的步驟，不限定最終的目標與驗證方法，不限定學生實施自己設計的時間和地點)，大大提高學生的學習興趣。
2) 任務執行階段，做到教師全程跟蹤：對于基礎差的學生――講清楚基本原理和設計中要注意的關鍵問題，必要時給這部分學生補一點基礎的知識；大多數學生――引導學生能夠更為完善地完成設計，并在設計中或多或少地表現出一些自己的特色，這部分學生要多做一些啟發性的工作；能力強的學生――放手讓他們去做各種探索性實驗，要經常參加他們的討論，聽取他們的思路，并及時為他們提供有關的資料。
3) 任務驗收階段，采用招標式課程設計驗收方案：各組展示本組的設計，組長做總體性介紹；成員展示自己設計的特色；各組之間展開競爭和互評，用自己的最優秀部分贏取驗收教師和其他組成員的好評。
4) 嚴把設計質量關：杜絕抄襲現象；規范設計報告格式，提高設計報告質量。
4 結語
提高學生系統認識能力對計算機專業學生具有重要意義。東南大學面向系統的計算機專業實踐教學體系建設探索經驗表明，面向系統的綜合實踐很有必要，學生不僅加深了對計算機系統的理解，而且提高了分析問題、解決問題能力，提高了學生的專業興趣，為今后走上工作崗位，能夠很快適應新環境奠定了較好的基礎。
當然，面向系統的綜合實踐對理論基礎不夠扎實的學生還具有較大難度。如何使所有學生均有很大的收獲，還需要不斷地探索。希望本文對相關教學研究人員有借鑒作用。
參考文獻：
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System-oriented Practice Training Curriculum for Students Major in Computer
ZHAI Yuqing, YANG Quansheng, WANG Xiaowei
(School of Computer Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)
[關鍵詞]嵌入式 教學改革 課程設置
[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A
一、引言
在上個世紀七十年代前后，出現了嵌入式系統的概念，當時，還沒有出現操作系統（OS），僅有監控系統及匯編語言，隨著計算機技術的發展及應用需求，將OS引入了嵌入式系統，嵌入式的編程以C語言為主，并有了強大的嵌入式開發平臺。我國嵌入式軟件應用規模為世界第三，在中國軟件前10家企業中，嵌入式軟件產品生產企業占了6家。數字化、智能化、網絡化的趨勢將使傳統設備逐漸轉變為嵌入式設備，因此嵌入式軟件對改造和提升傳統產業有重大作用。 中國工程院院士倪光南強調，我國IT行業應大力發展嵌入式軟件，提升我國IT產業的核心競爭力。
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，其軟硬件可配置，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格約束的一種專用系統。所使用的計算機為嵌入式計算機。嵌入式系統一般可由嵌入式微處理器、硬件設備、嵌入式操作系統及應用程序四部分組成，嵌入式系統一般嵌入到應用系統中[1]。
廣義而言，可將計算機技術作為一種技術，嵌入到應用系統中，計算機技術又經常是一種核心技術。對一般用戶而言，嵌入式系統是透明的。
對于處于高速發展時期的嵌入式技術及物聯網技術時代，嵌入式系列課程的教學也在各大院校中開展起來。要設置適應社會需求的嵌入式技術人才，在設置嵌入式系列課程時，需要解決以下問題：
1.課程體系設置
嵌入式課程目前開展最多的還是在研究生階段，但隨著嵌入式市場需求的增加，一些高校在本科階段開始設置嵌入式方向體系課程。那么怎樣設置適合本科在校生學習的課程是現在亟需解決的問題。
2.實驗教學環節設置
嵌入式技術對學生動手能力要求很高，而且嵌入式系統是軟硬件結合的產物，對學生能力要求很高，既要會硬件設計又要會軟件設計。
二、嵌入式系統基本結構
1.嵌入式處理器
（1）嵌入式微處理器：對應通用計算機CPU。
（2）嵌入式微控制器：對應用單片計算機。
（3）嵌入式DSP：應用于數字信號處理，數字濾波，FFT譜分析，圖象處理等領域。
2.微內核結構
微內核結構是指僅提供基本的功能，任務調度，通信及同步，內存管理，對外管理等。嵌入式系統一般配有操作系統。OS分為內核層與應用層兩個層次。內核僅提供基本功能，建立及管理進程，I/O、文件系統由應用層完成。其它屬于應用組件，如網絡功能，文件系統，GUI等，工作在用戶，系統可裁剪，即用戶可選擇需要的組件。
3.任務調度
在嵌入式系統中，任務即線程，大多數嵌入式OS支持多任務。
多任務運行是指靠CPU在多個任務之間切換、調度，每個任務有優先級。不同任務的優先級不同，調度方式可分為三種方式：
（1）不可搶占式調度：一旦某個任務獲得CPU，就獨占CPU，除非某種原因（任務完成、等待資源），它才放棄CPU。
（2）可搶占式調度：基于任務優先級，當前運行的任務，隨時可讓位于優先級更高的處于就緒態的任務。
（3）時間片輪轉調度：當兩個以上的任務，優先級相同，一個進程在用完自已的時間片，就將cpu讓位于同優先級的另一個進程。
嵌入式系統大多數OS采用優先級不同時用搶占式和優先級相同時間片輪轉調度法。
4.硬實時系統與軟實時系統
一般嵌入式系統對時間要求較高，即要求在較短的時間內，對提交的任務作出響應，稱之為實時系統（μS級）。
硬實時系統對響應時間有嚴格要求，軟實時系統可在較寬時間范圍內完成。
5.內存管理
用MMU，使用虛擬存儲器概念，大多數嵌入式系統MMU，從而采用實地址管理模式，這樣，存儲保護技術也相應降低。然而，隨著嵌入式技術的發展及需求的牽引，近來不少嵌入式系統中也在加強存儲管理，引入虛擬存儲器概念，引入MMU，同時也在加強存儲保護。
6.內核加載方式
OS內核既可在FLASH中運行，也可在片內RAM中運行，一般而言，在片內RAM中運行，可獲得更快的速度，但RAM是易失性的，故無論內核還是應用程序，都應放在FLASH中，以免揮發。故在實際加載時，就存在兩種方式，一是在FLASH中直接運行；另一是運行在@FLASH中的加載程序，將內核裝入片內RAM，然后再運行裝入RAM的內核。
7.嵌入式系統開發的有關技術
嵌入式系統的開發技術，比一般在Windows下開發要復雜一些，它與硬件平臺有關。
開發平臺分為宿主機與目標機。
（1）宿主機（一般用通用PC機）：主要功能是編譯、鏈接、定址，還進行調試期間的運行控制。
目標機（硬件平臺-目標板）：運行嵌入式軟件。
第一過程：用交叉編譯器。所謂交叉，是在一個計算機平臺，為另一個計算機平臺產生代碼的編譯器。
第二過程：鏈接，將所有目標程序鏈接為一個目標文件。
第三過程：定址，將目標文件分配到物理存儲器的相應地址。
這一過程與目標機硬件結構有關，即與各存儲器的起始地址有關。
（2）宿主機的調試功能
宿主機的第二個功能為支持調試目標機上的應用程序。應用交叉調試器，采用宿主機與目標機聯合調試。首先下載，將宿主機中的內核及應用程序下載至目標板；然后，分別對目標板源碼級、匯編級進行調試。
目標監控器是對目標機上的應用程序進行控制的，它事先被固化在FLASH中，宿主機與目標監控器相聯接，完成調試控制過程，其步驟為：下載程序至目標板，控制其運行，并隨時檢測返回狀態[2]。
三、嵌入式系統課程設計
嵌入式技術在中國的發展已經有十幾年的歷史，根據嵌入式系統基本結構，其涵蓋的課程非常廣泛，有《嵌入式操作系統》、《嵌入式系統及其應用》、《嵌入式組件設計》，《嵌入式Linux設計》等，目前這些課程基本是各大院校電子類相關專業的必修或選修課程。通過這些課程的學習，使學生能夠獨立完成嵌入式系統的硬件系統設計和軟件設計。
《嵌入式操作系統》主要介紹實時內核原理、多個常用OS（UCOS、UCLinux、WIN CE、VXWorks、Nucleus）的比較、實時時效的分析與提高、實時OS的設計方案。
《嵌入式軟件設計》主要結合匯編、C（C++）、JAVA等語言的嵌入式實現精華，體現實時OS的移植，低、高級語言的集成應用。
《嵌入式系統及其應用》講解嵌入式系統的定義、發展、分類、組成、特點、開發調試方法、嵌入式處理器等概念性的介紹，幫助建立系統的概念和特征，完成應用層編程。
《嵌入式Linux設計》涉及嵌入式Linux驅動程序的設計，包括I/O口、CAN總線、觸摸屏、IIC、PS/2、異步串口、音頻、顯示、USB、以太網及Flash的使用及驅動程序的編寫。在ARM Linux的中斷處理、BootLoader和內核上電啟動過程。
為了更好的體現嵌入式門課的實用性，在課程之后配有一個為期兩周的課程設計《嵌入式系統及應用課程設計》。在前面實踐能力基礎上，面向某一領域的應用，以嵌入式系統基礎設計實現相應功能系統。提高了學生的實際動手能力與綜合能力。學生要將嵌入式操作系統移植到智能手機中，并在此基礎上進行二次開發，完善智能手機的功能。包括電話簿、記事本、日程、計算器、日歷和時間顯示、游戲軟件（包括俄羅斯方塊、五子棋、拼圖、高爾夫球、沙壺球等）、音頻功能（包括播放MP3等歌曲）、手機攝像頭以及手機通訊功能（包括GPS通訊、GPRS通訊、紅外通訊、藍牙無線通訊等）。我校電子信息科學與技術專業嵌入式方向自2002年創建至今，已有六屆畢業生。由于創建之初嵌入式還是個新興的技術，所以無論從課程內容設置、教學順序設置以及教學環節的配合都很不成熟，師資和實驗設備嚴重短缺。但在不斷探索和調整中我們總結出一套嵌入式課程體系建設的方案，科學合理設置教學內容、從實際出發調整教學順序、各教學環節相互配合。
由于嵌入式相關課程涉及的范圍甚廣，尤其隨著現在物聯網及許多新技術的興起，針對嵌入式課程體系的建設，包括教學內容的體系化建設和教學環節的體系化建設，是教學過程中需要解決的問題，需要提出相應的解決方案[3]。
由于嵌入式系統面向應用的主要特點，在課程設置別強調培養學生動手實踐的能力。以教師科研環境和專業實驗室為基地，開展課外學習方式培養學生的綜合實踐能力；知識講解與主流嵌入式系統實例結合，搞好課程教材體系的配套建設；配有課程設計，加強學時在工程設計方面的能力；多位教師授課，充分發揮每位教師優勢，使新技術能貫穿在教學中；與學生實際相結合，對學生畢業找工作和再學習有很大幫助；設計了多種等級實驗，學生通過循序漸進設計能提高綜合設計實驗能力。
基于嵌入式系列課程的教學改革與探索能解決好課程間的聯系、銜接問題。從理論教學、實驗教學到課程設計、畢業設計統籌安排，形成一個整體，使學生的學習層次化、階梯化。建立嵌入式實驗平臺，提高學生參加相關競賽的積極性，培養學生對嵌入式相關課程的學習興趣，促進學生自學能力和解決問題能力的提高，突出學生的能力建設、知識探究和人格養成。
四、嵌入式系統研究方向
嵌入式系統有著廣泛的市場前景。市場需求方面：中國具有世界最大嵌入式技術市場。手持儀器設備、信息家電、城市建設、工業控制、軍事應用等，嵌入式技術無處不在。企業人才需求方面：軟硬件設計人才，應用開發人才，綜合性人才，培訓增加，工資待遇逐漸上升。技術發展趨勢要求方面：8位單片機到16位單片機主要用于不需要操作系統的只需要處理簡單任務的控制系統，但現在的手機、智能家居等系統已經不能滿足于簡單的控制了，多個任務并發出現時，需要具有實時操作系統的32位嵌入式微控制器的解決。圖1概況了現在嵌入式系統的主要研究方向。
圖1 嵌入式系統研究方向
五、總結
未來幾年，市場對嵌入式人才尤其是嵌入式Linux人才的需求旺盛。而目前熟練的嵌入式Linux應用人才只有幾千名。這意味著各大跨國公司及國內消費類電子巨頭企業都面臨著人才嚴重短缺的挑戰。所以設置好嵌入式系列課程，培養出優秀的具有嵌入式技術人才是迫在眉睫的事情，希望我們的努力能對我國嵌入式市場帶來新的生機與活力。
基金項目：本文系“北京市教委科技發展計劃面上項目”（項目編號：KM201110772018）的研究成果。
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關鍵字：操作系統課程設計；考核體系；考核環節；考核指標
中圖分類號：G642.0文獻標識碼：B
文章編號：1672-5913（2007）08-0045-04
計算機操作系統是與硬件直接相關的系統軟件，計算機中的關鍵性技術，它的設計與實現體現了程序設計與軟件工程的精髓[1]。計算機操作系統原理課程是計算機科學與技術及相關專業的核心課程之一，對理論與實踐要求都很高，歷來為計算機及信息學科所重視。操作系統課程設計正是該課程實踐環節的集中表現，不僅可使學生鞏固理論學習的概念、原理、設計、算法及數據結構，同時培養開發大型軟件所應擁有的系統結構設計和軟件工程素養。對該課程考核體系的構建可以促進學生設計能力、創新能力和科學素養的全面提升。
1 操作系統課程實踐現狀分析
國內外高校對操作系統課程的實踐環節極為重視[1]。北大、清華、西電、國防科大等院校均分兩個學期，設立理論、實踐環節來共同完成該課程的教學工作。實踐內容主要分為模擬仿真型、解剖型或設計型。由于操作系統課程內容的抽象性、復雜性，決定了許多學生在學完理論以后，對實踐環節感到束手無策；同時該課程內容承上啟下，涉及以前學習的許多課程，如C語言、數據結構、計算機組成原理等，要求學生有較強的綜合分析問題和設計的能力。課程的難度阻礙該課程的考核，實踐考核往往成為程序設計考核或算法編程考核，沒能成為有效促進操作系統學習的有力工具。一些院校在此方面進行了有益的改革與嘗試。北京大學根據MIT的開放課程經驗和自己學生的特點，建立操作系統實驗室，提出了一套自己的試驗平臺和實驗體系，包括實習授課、進程控制、實習反饋等環節控制教學質量[2]。考核模式中增加成果演示和期末答辯環節，借助交流開發心得、壓力測試等方法檢查進度控制好壞，達到促進學生學習的目的。南開大學提倡使用系統仿真的實驗環境加強學生理論聯系實際的能力，降低試卷考試的壓力，建立多元化考核體系，使用“彈性考核制度”培養學生的綜合素質和能力[3]。
我校是農業類院校，操作系統課程設計是緊接操作系統原理課程的實驗型必修課，安排在上完理論課的下一學期。過去兩三年里，借鑒其他院校的經驗，根據自己學生的生源特征和課程特點，本著“承上啟下、提高綜合能力”的宗旨，為提高學生的軟件設計能力、動手編程能力，摸索與總結了一些控制實踐課程質量的方法。但也暴露出一些問題。（1）無法將操作系統理論與實踐結合起來。一些同學只為完成表面上的功能進行軟件設計與開發，沒有借鑒前人成果；（2）同學之間依賴性嚴重，加之Internet網提供的便利功能，一些同學出現網上拷貝，不勞而獲、渾水摸魚的現象；（3）缺少考核體系與測試環節。對原理課程的認識不足，缺少軟件工程的思想指導。實踐環節的軟件開發等同于以前的算法設計或編程，沒能突出該課程系統性的特點；（4）缺少分組協作能力、口頭表達能力、進程控制能力等方面的訓練，許多同學會做不會說、不會寫；能單獨開發，不會小組共同協作。
2操作系統課程設計考核體系構建思路
學習評價是課程學習的一部分，能夠有效地促進課程學習。一個完整的課程考核體系應該有過程性學習評價和終結性學習評價兩部分。針對本課程的現狀，考核體系應具體解決如下問題：（1）量化考核指標；（2）量化考核每位同學的協作能力、分析解決問題能力。由于分組協作完成設計任務，給老師有效地分辨出每位同學具體完成的工作量及工作質量帶來困難，需要考核環節中具體的量化措施來保證。（3）體會軟件開發全過程。操作系統是計算機中管理軟硬件資源的系統軟件，其設計與實現的著眼點均是“一切為了用戶”的系統觀點。通過考核環節的設定，使沒出過校門，沒有實踐經驗的學生，在校期間體會到軟件的開發過程。
與理論考核模式相比，實踐考核不僅注重結果，更加注重過程、技術和素質考核。分析操作系統課程設計實踐現狀，結合具體的考核量化問題，本著過程與結果并重的原則，提出如下指導原則：
（1）堅持多樣化考核與多次考核機會相結合的考核方法。建立以考察專業技術和職業素質為基礎的考核體系。考核內容的選擇，既要體現和課程培養目標，又要有利于培養學生運用所學知識和技術分析問題和解決問題的能力。真正做到既考知識，又考能力（技能）和素質。
（2）強調理論與實踐的結合。課程設計從題目的選擇到設計與實現，均應借鑒前人成功的設計理念，采用或擴展已學過的算法和策略，考察將抽象的理論知識滲透到實踐設計的能力。
（3）根據課程設計考核改革模式，設計考核評測體系及考核評價指標。過程考核、技術考核及結果考核相結合，最終得出綜合成績。同時，注重每一考核環節的交流與指導。
（4）將軟件工程的思想融入課程設計，培養學生分工協作能力，進度控制能力。
本研究在總結我校前三屆學生課程設計經驗的基礎上，學習借鑒其他高校的成功經驗，針對農業院校學生的特點，突出內容的系統性、設計性和可操作性的同時，本著綜合能力提高的宗旨，通過協作學習與模擬性學習相結合，設計出一套適合本校學生特點的學習考核模式，采用過程考核、技術考核、結果考核等多種形式建立實踐教學的考核評價體系（圖1），提高實踐環節的質量，調動學生的學習熱情，“以考促學”，培養學生多元能力，為農林類院校操作系統課程實踐考核趟出有益的道路。
3 考核評測體系的構建
操作系統實踐教學的考核目標是在軟件工程思想指導下，提高大型軟件的分析設計能力，小組成員的分工協作能力，設計結果的分析測試能力。因此，考核體系的制定既要考慮理論知識與技能提高，又要加強團隊精神與素質培養。本研究按照該課程實施過程中的五個步驟：明確目標――小組計劃――協作研究――分組測試――最終評價設立考核環節。
3.1 考核評測環節的建立
操作系統課程設計考核體系根據課程考核的指導原則和課程設計流程，本著科學合理，重理論、重技能、重素質的原則，設定為五大考核環節，分別是設計考核、算法考核、測試考核、能力考核和提優考核，最終考核成績是五部分乘權重之和。表1，體現各考試環節的考核內容與方法。其中，設計考核針對課程設計的開始部分，檢查學生整體規劃和協作分工能力；算法考核主要考核每位學生的參與程度，具體實現措施；測試考核屬于對課程設計成果的檢查，是以往實踐考核的薄弱環節。該考核體系中強調測試，通過制訂組內測試、組間測試和教師測試制度完成整體測試。具體測試過程是教師提供測試報告書格式及考核項目，組間成員按照對方提供的操作說明對軟件作品進行相互測試，并填寫測試報告，然后由教師組成的測試小組進行綜合性測試，給出測試評語。能力考核貫穿實踐的每個環節，通過學生制作PPT、口頭匯報并回答問題，考察語言表達能力、進度計劃實施情況及工作匯報能力。提優考核是在課程設計結束后，針對部分優秀的學生主動申請，通過撰寫小論文的形式體現。
3.2 考核評價指標的建設
考核測評環節是指導實踐考核的基礎，考核評價指標具體量化考核環節，是成績評定的依據，它的構建必須有系統和全局的眼光。我校操作系統課程設計是停課一周進行，時間安排在三年級下學期開學第一周。三年級上學期理論課結束后學生分組、選題，利用寒假時間準備資料，開學后完成具體實踐工作。課程設計的好壞很大程度取決于假期準備工作的好壞。為了有效考核學生準備工作和實踐情況，針對考核環節設定具體的匯報考核指標和測試報告考核指標。由教師和四年級優秀學生組成考核小組，按照匯報考核指標打分，存檔源碼程序、可運行程序、測試報告和課程實踐報告，綜合測試報告考核指標給出課程設計的綜合成績。
（1）匯報考核指標
匯報考核如表2，屬于過程性考核，主要考查學生整體計劃，分工協作與進程控制能力，語言表達能力和幻燈匯報能力，有利于提高理工科學生的綜合素養。采用PPT幻燈形式，匯報時間穿插在實踐設計的過程中，是量化設計考核、算法考核和綜合能力的主要手段之一。同時，總結性匯報促進同學之間彼此交流成果與心得。
（2）測試報告考核指標
軟件測試是保證軟件質量的重要環節，測試考核指標的設立有助于建立良好的軟件測試觀，養成良好的測試習慣，為后續軟件工程課程的開設積累實踐經驗。測試考核以測試報告的形式存檔，考核指標既要體現整體構思，又要能夠促進被測試軟件的完善，有助于錯誤的發現與改進；同時，該項工作的開展是同學之間交流與學習的機會。核心測試指標如下：
理論依據是否充分。
功能、結構設計的合理性、是否考慮充分。
算法正確性及容錯程度、算法性能情況，要求評測人用具體的測試數據進行說明。
用戶界面友好性、直觀性、易用性，并要求具體列舉。
總結評價該設計的優缺點，具體描述特色與創新，并提出改進建議。
4 實踐與效果分析
4.1 操作系統課程設計的實踐
2005~2006學年第二學期，在我院院級實踐教學改革項目的資助下，計算機科學與技術系02級共63位同學分成20個小組，按照操作系統課程設計考核體系進行實踐。教師提供20道參考題目供學生選擇，同學也可根據自己的興趣愛好自定與操作系統相關的題目。有模擬內存可變分區的系統，有模擬Linux 2.6內核的進程調度系統，也有圖形化動態模擬磁盤調度各種算法的系統。兩名教師和兩名四年級同學組成考核小組，經過三階段的匯報考核，組間測試考核，實踐報告考核，作品測試等考核，順利通過課程設計課程實踐。每組同學鞏固理論學習的同時，加強軟件設計與編程能力，整體素質得到鍛煉與提高。每個小組提交軟件作品，其中5個小組提交提優論文。圖2和圖3分別是課程設計學生作品樣例。
4.2 實踐效果
經過一周的停課實踐，學生們普遍感覺加強了對操作系統理論的認識，同學之間的協作能力提高，自身的編程能力、系統設計能力及表達能力得到鍛煉和改善。通過課程設計考核體系的實施，使廣大學生在如下幾個方面得到了提升：
（1）協作學習能力普遍提高。每個小組非常重視三個階段的匯報，從查閱資料到幻燈結構、內容和色彩都經過仔細琢磨；小組內討論氣氛熱烈，有些小組甚至在宿舍熄燈后仍在探討問題；還有的小組到處尋找通宵教室，加班加點工作。
（2）真實能力明顯提高。量化課程設計過程和考核指標，完善了過程監督，有效地防止了學生實踐“做弊”現象，使所有學生的能力都得到一定鍛煉。
（3）提升綜合應用知識的能力。操作系統模擬的許多題目，不僅涉及數據結構，同時要求活學活用操作系統理論中的概念與方法。如，模擬內存管理的設計中，為突出并發和共享特征，一些小組使用了多線程實現并發。另外，數據結構中樹、鏈表以及Hash表的知識得到鞏固。
（4）計劃表達與交流能力提高。課程設計三個考核環節，將自己的成果展現給同學和老師，并且解答老師的提問，有助于老師與學生、學生與學生之間交流。老師可以及時發現問題，指導學生改進設計方案；學生也可在匯報過程展現自己，鍛煉語言表達能力，對于不善表達的理工科生來說是很好的鍛煉。此外，該考核方法使學生不敢懈怠，按時完成任務。
（5）學習主動性和創新性得到激發。課程設計的所有考核環節均開放式進行，學生在考核過程中可以相互對比，有效促進了比學趕超的學習熱情；考核壓力促進基礎薄弱的同學在基礎較好的同學帶動下進行主動學習。學生潛力得到很大發揮，不再局限于教學過程中所學知識，自學相關內容，力圖將設計做到最好。
5 結束語
該套考核環節、方法和考核指標的建立，強化了操作系統原理的掌握，激發了學生學習熱情，提高了實際軟件設計、編程能力，培養了組織協作與團隊精神，為抽象理論課的實踐環節的理論提升探索出一條有益的道路。由于該考核體系處于實驗階段，有待于進一步發展和完善。
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收稿日期：2006-9-14
資助項目：南京農業大學信息技術學院院級教改項目的資助
作者簡介：姜海燕（1967-），女，浙江臨安人，副教授，研究方向：農業信息技術、軟件工程。
通信地址：南京農業大學信息學院，郵編：210095
關鍵詞:操作系統;實驗設計;教學實踐
中圖分類號:G642 文獻標識碼:B
“操作系統”課程內容豐富,既要講授關于操作系統的基礎理論,又要讓學生了解實際操作系統的設計與實現。操作系統實驗設計正是該課程實踐環節的集中表現,不僅使學生鞏固理論學習的概念和原理,同時培養學生 的工程實踐能力。國內很多大學都非常重視操作系統實驗設計,北京大學根據MIT課程,建立了自己的操作系統實驗體系;清華大學專門設置了操作系統專題訓練課程,以提高學生的工程實踐能力;南開大學提倡使用系統仿真的實驗環境加強學生理論聯系實際的能力;浙江大學提出了“邊學邊干”的操作系統教學理念。
北京航空航天大學計算機學院在2006年將“操作系統”課程分成了兩門課程:一門講授“操作系統”原理,一門“操作系統課程設計”專門進行操作系統實驗。本文將以MIT的操作系統課程設計為基礎,介紹在操作系統課程設計中,讓學生自主開發一個小型教學操作系統。由于開發一個實際的操作系統難度和工作量很多,為了保證教學效果,我們首先為學生提供一個基礎系統,該系統實現操作系統中最基本的部分。在此基礎上,學生可以再進一步擴充,實現一個完整的操作系統。將來可以與硬件課程進一步集成,將教學操作系統移植到學生自己開發的硬件平臺中。我們試圖通過操作系統作為紐帶,將計算機硬件與軟件結合起來,培養學生對計算機系統的整體認識。
1 目前存在的問題
在前幾年的教學實踐中,我們嘗試過Nachos、Minix、Linux和Windows四種不同類型的實驗,目前保留了Linux和Windows兩組實驗。每類實驗包含4組實驗,每個(組)同學選做一類實驗,并完成該類中全部4組實驗。Linux實驗包括“Yalnix Shell”、“虛擬存儲”、“作業控制系統”、“文件系統操作”或“模擬文件系統”(后面兩個實驗選做一個)。Windows2000/XP實驗包括“生產者消費者問題”、“Windows虛擬存儲器管理”、“NDIS協議驅動程序的分析與改進”、“虛擬磁盤的文件系統驅動程序設計”。
這兩組實驗與主流操作系統結合緊密,極大地提高了學生的專業技能。雖然這些實驗已經在國內一流院校中廣泛使用,但是仔細分析我們可以發現,這些實驗大部分還是停留在系統編程的水平。因此為提高操作系統教學水平,我們必須向國外研究型大學看齊,改進操作系統的課程設計。
2 國外主要研究性大學操作系統實驗
我們選擇了四所大學的操作系統實驗情況進行重點介紹。
Brown University
課程名稱cs167/cs169 operating system Fall 2006
cs167課程介紹操作系統的基本原理
cs169課程:學生每人用 C編寫一個簡單的、單內核操作系統。所寫的操作系統在技術上等價現代的操作系統
實習項目:Kernel 1,Kernel 2,虛擬文件系統,文件系統,虛擬存儲
基礎系統:Weenix
Princeton University
課程名稱:Operating Systems Fall 2006
實習項目:項目1:引導機制;項目2:非搶占式調度;項目3:搶占式調度;項目4:進程間通信與進程調度;項目5:虛存;項目6:文件系統
University of California at Berkeley
課程名稱:Operating Systems and System Programming Spring 2006
實習項目:工程為仿真MIPS平臺構造操作系統有4個工程。工程1:線程管理;工程2:多道程序設計;工程3:高速緩存和虛擬存儲;工程4:網絡和分布式系統
Harvard University
課程名稱:CS161: Operating Systems Spring 2006
實習項目:工程0:熟悉OS/161以及其運行環境System/161;工程1: 同步;工程2:系統調用和進程;工程3:虛擬內存;工程4:文件系統
MIT
課程名稱:6.828: Operating System Engineering - Fall 2003 (for graduate student)
實習項目:工程1:啟動裝載過程;工程2:內存管理;工程3:進程和上下文切換;工程4:Fork和進程間通信;工程5:簡單的文件系統;工程6:編寫一個Shell
從上面的分析可以看出,這幾所大學操作系統實驗內容豐富、難度大。這些大學都有同一個理念:要想學好操作系統,最好的辦法就是自己編寫一個操作系統。因此,我們希望借鑒這些大學的實驗內容,提高北航操作系統實驗難度。
3 操作系統實驗改進思路
隨著學校對課程建設的重視,很多課程,例如“程序設計”、“編譯原理”等課程的實驗有了很大改善,學生的動手能力也得到了進一步提高。在此基礎上,我們已經具備了嘗試難度更高的操作系統課程設計的條件。因此,在操作系統課程設計上,可以讓學生自主開發一個實際的小操作系統。
由于開發一個實際的操作系統難度和工作量很多,為了保證教學效果,我們準備采取循序漸進的、分層設計的方式,首先為學生提供一個基礎系統,該系統實現操作系統中最重要、最基本的部分。在此基礎上,學生可以再進一步擴充,實現一個完整的操作系統。這種新的實驗模式在保證教學效果的基礎上,有利于充分發揮學生創新潛能。
4 實驗設計
4.1 實驗內容
我們調研了MIT、CMU等幾所著名高校的課程設計,決定以MIT的課程設計為基礎,在操作系統課程設計上,讓學生自主開發一個實際的小操作系統。實驗包含6個部分,各個部分的相互關系如圖1所示,具體實驗內容如下。
(1) 啟動和系統初始化:通過PC啟動的實驗,掌握硬件的啟動過程,理解鏈接地址、加載地址和重定位的概念,學習如何編寫位置無關代碼;通過實現setjmp和longjmp兩個函數,掌握GCC的調用規范和硬件堆棧結構。
(2) 內存管理實驗:理解虛擬內存和物理內存的管理,實現操作系統對虛擬內存空間的管理。
(3) 進程管理:通過設置進程控制塊和編寫進程創建、進程中止和進程調度程序,實現進程管理;編寫通用中斷分派程序和時鐘中斷例程,實現中斷管理。
(4) 系統調用:掌握系統調用的實現方法,理解系統調用的處理流程,實現本實驗所需的系統調用。
(5) 文件系統:通過實現一個簡單的基于磁盤的微內核方式的文件系統,掌握文件系統的實現方法和層次結構。
(6) 命令解釋程序:實現具有管道,重定向功能的shell,能夠執行一些簡單的命令。最后通過調試將六部分鏈接起來,使之成為一個能夠運轉的操作系統。
4.2 實驗環境
選擇一個完整硬件仿真環境。我們準備根據當前流行的主流硬件,選擇開放源代碼項目bochs和GXemul作為仿真環境。另外建立一個完善的實驗環境,將操作系統實驗用到的各種軟件安裝在一個服務器上,為每個學生建立一個獨立的帳戶,學生可以在任意機器上遠程登錄到我們的服務器,完成實驗任務。
另外,操作系統的實驗需要與硬件課程實驗和編譯實驗進一步集成,學生可以將教學操作系統移植到學生自己開發的硬件平臺,并且運行學生自己開發的編譯器所編譯的程序。圖2描述了操作系統實驗各個部分與硬件的關系(該硬件環境詳見參考文獻)。圖3描述了操作系統實驗與編譯實驗和硬件實驗的關系。
4.3 目前已完成工作
目前已完成的工作:
(1) 建立了一個以GXemul為基礎的仿真環境,可以運行操作系統,并實現操作系統的調試。
(2) 建立了一個以GCC為基礎的MIPS交叉編譯環境,可以用于編譯操作系統以及其他應用程序。
(3) 六個實驗已經可以在仿真器上運行(見圖4)。
5 經驗總結與下一步工作
2006年,我選了一個學生以這個操作系統實驗作為畢業設計題目,硬件平臺為x86,他當時完成了4個實驗。2007年在計算機學院組織下我們選了6名學生將該實驗在一學期內移植到了MIPS仿真平臺。通過這些實踐,我們發現對于本科生這些實驗難度還是太大,很難完成6個實驗。因此,我們下一步需要采取循序漸進、分層設計的方式,進一步簡化實驗,多給學生提供一些示例代碼,編寫詳細的實驗文檔和實驗指導手冊。
參考文獻:
[1] 陳向群. 操作系統實習教學經驗[R]. 全國第八屆操作系統課程教學研討會,2005.
1 引言
輸油管線課是油氣儲運工程專業的主干課。管線設計和輸送工藝是該課程的核心內容，要求學生掌握輸油管線的設計方法，具備基本的設計能力；掌握管線運行的基本知識，具備判斷并處置各種工況的能力。
輸油管線課的內容包括固定管線和機動管線兩部分，二者既有相同之處，也有所區別。對于機動輸油管線來說，輸油時臨時地面鋪設，輸油任務完成后撤收。因此，它具有線路狀況的不確定性、工藝設計的快速性、輸送設備的通用性以及意外工況處置的特殊性等特點[1]。課程的理論課教學，精講管線輸油的基本原理、工藝設計計算、各種工況的分析判斷方法等內容，通過課程設計、實驗、實習鞏固所學的理論知識、分析方法，并探討研究尚無定論的問題。幾年的實踐表明，課程理論教學與課程設計、實驗、實習相結合，是提高教學質量的有效途徑。
2 實踐教學分析
輸油管線課實踐教學的內容比較豐富，包括針對管線工藝的課程設計、管線輸送的各種實驗（沿程摩阻實驗、水擊實驗、輸送工況實驗、排空實驗、不滿流實驗等）、輸油設備的操作實習、管線輸送的綜合實驗等。
課程設計是由教師給學生提供基礎數據，學生運用所學過的知識，獨立完成一條機動管線的設計計算，提交設計圖紙和計算說明書。各種實驗的組織方式依實驗本身的性質不同而異，有所不同，有些安排在課程教學中進行，有些則安排專門的實驗課。設備操作實習、管線輸送綜合實驗安排集中周實施。
本課程實踐環節內容多，學時較少。2008年之前，實驗條件主要是實際設備和屬于物理模擬的管線系統，實踐教學的效果不夠理想。屬于驗證性、演示性的實驗（比如管線沿程摩阻、不滿流實驗），能夠達到教學的要求；對于設計性、研究性實驗，由于實驗準備工作多、時間長，實驗的效果難以完全達到要求；用實際管線設備進行的綜合性實驗，學生分布在不同的崗位，許多實驗過程沒有實際體會，能力的鍛煉有局限性；創新性實驗只是極少數學生有可能在課外進行。
分析實踐教學狀況，可以看出：驗證性、演示性實驗在實踐教學中扮演主要角色；設計性、研究性實驗沒有得到足夠的重視，停留在傳統的方法上；創新實驗還不利于培養學生的創新意識和創新能力；綜合性實驗更多的是形式，研究得不夠。
3 實驗教學平臺建設[2-5]
按照“虛實結合、互為補充、綜合運用、注重創新”的實驗教學理念，經過多年的建設，構建了虛實結合的實驗教學平臺（圖1）。
一是采用物理模擬的手段，建設了一條長度為3.2 km的小口徑管線系統，設置多個調速泵站，工藝流程與實際管線相同。既可用水代油進行實驗，以節約實驗經費、便于管理、確保安全，又能用實際油品實驗，進行輸油工況特別是不同油品的順序輸送研究。建設了一個供油裝備性能檢測實驗室，能夠進行各種輸油設備、器材、儀表的性能實驗。
二是運用模擬仿真技術，構建機動管線模擬訓練系統。將管輸動態分析運用于輸油模擬實驗，真實反映管線系統流動狀態變化的全過程，開發了工藝設計、輸油仿真、調度指揮、泵站監控等軟件。可以根據需要設置不同長度、不同起伏狀況的虛擬管線，進行各種工況的模擬實驗。建設了油料器材、設備仿真實驗室，構建了仿真實驗平臺，開發了軟件，為學生提供了學習、研究和創新的環境。
三是研制了以機動管線制式輸油設備為原型的輸油泵機組、供油泵機組半實物模擬器。模擬器儀表、指示燈、操作手柄的布局與實物相同，所有操作與實物一致，既能夠進行輸油泵機組、供油泵機組的使用操作訓練，又能與模擬軟件構成完整的模擬實驗管線系統，進行輸油調度、情況處置的實驗。
四是配齊了能夠鋪設10 km管線，開設四個泵站、兩個計量站的機動管線管子、器材和設備，為學生進行綜合輸油實踐提供了物資基礎。
4 教學實踐
2009年以來，在教學實踐中運用已建成的實驗教學平臺，對輸油管線系列課程的實踐教學進行改革與探索，取得較好的效果。
用虛擬管線對課程設計進行優化 課程設計階段，學生分成若干個小組，3～5人為一組，教師給學生提供課程設計的基礎數據。先由學生獨立完成一條機動管線的有關計算、流程設計、泵站布置、排空設計等，形成初步設計方案和設計說明書；再分組將每人所設計的機動管線系統按照設計參數構建虛擬管線，進行計算結果的驗證和設計方案優化，討論并找出設計中存在的不足和問題；第三步是每位學生修改完善自己的課程設計。此做法既加深了學生對管線設計內容的理解，熟練掌握設計方法，又學會了利用計算機軟件進行輸油管線設計的方法。
用物理模擬系統進行輸油設備性能實驗
一是結合理論課的教學進度，分別進行管線輸油的有關單項實驗。比如利用小口徑管線系統進行管線沿程摩阻、開式和閉式輸送方式等驗證性實驗，長陡下坡線路不滿流、氣頂液排空等演示性實驗等。利用供油裝備性能檢測實驗系統，進行閥門流通能力、流量計檢測精度等實驗。在進行驗證性、演示性實驗的過程中，使學生學會實驗設備、儀器的使用，熟練掌握實驗方法，能夠進行實驗數據的處理。
二是進行管線輸送的綜合實驗。綜合實驗分組進行，8～10人為一組，學生擔任不同的角色、崗位輪換進行實驗。按照管線輸送的程序，主要進行管線充油、輸送、典型工況變化、停輸、排空的實驗，人為造成輸送過程中管線水擊、位置固定的線路泄漏等實驗。每組學生實驗前提出實驗方案，在教師指導下進行實驗。
用模擬器進行輸油設備的操作訓練 機動管線泵機組由發動機驅動，輸油中采用改變泵轉速的方法進行輸油壓力調節，泵機組的操作水平直接影響管線輸送的穩定性和安全性，因此，學生應當熟練掌握泵機組的操作。實物操作練習的效果好，但準備時間長、油耗高、易損壞設備和儀表，且受天氣、場地等條件限制，訓練效益較低。泵機組模擬器（圖2）研制成功后，在教學實施時，先讓每個學生在模擬器上進行操作練習，操作熟練后再動用實物練習。這種虛實結合的操作訓練，有效地增強了訓練效果，節省了經費。
用管線模擬系統進行輸送工況實驗 利用小口徑管線系統進行管線輸送實 驗，雖然可以使學生掌握管線輸送的基本情況，鞏固理論課學過的知識，提高學生的動手能力，但是該管線系統站距較短，遠小于實際管線，所輸送的液體不可壓縮，壓力波沿管線傳播的時間與實際管線相差較大，因此，管線輸送中的特殊工況（比如最常見的線路任意位置泄漏）在物理模擬系統中難以進行實驗。
構建包括泵站監控、輸油調度、系統仿真、訓練考核等軟件和泵機組模擬器的機動管線模擬訓練系統（見圖3），采用真實的數據構建虛擬管線，設置虛擬情況進行與實際相同的輸送作業，進行各種輸送工況的實驗。學生8～10人為一組，其中兩人擔任輸油調度，負責設置實驗工況，其他人在不同崗位進行操作，學生崗位輪換。學生也可以利用軟件，獨立進行管線輸送的計算機模擬訓練。學生可以應用管線模擬系統，探討所感興趣的問題，驗證學過的輸油工況變化規律、運行自己編寫的有關計算機程序。
實物實驗、模擬實驗互為補充，克服了以短管線代替長管線實驗所造成的數據失真問題，泵站操作和輸油調度緊密結合，訓練與實操無縫銜接，提高了實驗的針對性、有效性。
用機動管線輸油裝備進行綜合實驗 實物綜合實驗單獨安排，集中一周的時間進行，重點練習管線各種地形的鋪設、穿跨越障礙、泵站開設和輸送中的配合作業；檢驗課程理論教學、實踐教學的學習情況，運用所學知識解決實際問題的能力；研究、探討管線輸送中出現的新情況、新問題；學習新研裝備、新開發軟件的使用。
用虛實結合的實驗平臺開展創新實驗 在教學的各個環節，始終注意培養學生的創新意識、創新精神和創新能力。在理論教學中，把不同的學術觀點介紹給學生，鼓勵學生發現問題、提出問題、解決問題；實踐教學中，鼓勵學生在完成必須完成的實驗任務的基礎上，利用各種實驗條件，進行探索實驗、創新研究，并取得明顯的成效。比如，利用供油裝備性能檢測實驗系統，填補了多項國外引進油料器材的性能參數；進行了新研輸油器材的探索實驗，為確定其技術指標提供了數據支撐。利用油料器材、設備仿真實驗系統，針對閥門的現場維修，提出了改進方案；對水底裸管鋪設穿越河流進行模擬仿真，提出了新的穩管方法，獲國家發明專利；利用管線模擬仿真系統，提出了不同口徑機動管線配合使用的技術方案。
創新實驗除了在課內安排一些學時外，更多的是學生利用課外時間進行實驗。在教師的指導下，單個學生獨立實驗或興趣小組專題實驗，課外實驗要提前預約。幾年的教學實踐表明，這種實踐教學方法對激發學生學習的熱情、探索的欲望，提升創新的信心和勇氣，培養嚴肅的工作態度、嚴謹的工作作風，提高創新能力有顯著的作用。
5 結語
虛實結合的實驗教學平臺，將流體機械、檢測技術、計算機模擬仿真等融為一體，充分發揮實物實驗、虛擬實驗各自的特點和優長，互為補充，為實踐教學提供了豐富的手段，克服了傳統實驗存在的問題，對培養和提高學生的動手能力、實驗能力、創新能力發揮了重要作用，幾年的教學實踐充分證明這一點。隨著教學改革的不斷深入，應進一步深入開展實踐教學的研究，探索規律，總結經驗，不斷提高人才培養的質量。
參考文獻
[1]張偉明，雍歧衛，蔣明，等.輸油管線課程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2008（1）：119-121.
[2]李兵，邢立民，等.運用模擬教學平臺培養學生的實踐能力[J].實驗科學與技術，2007（6）：114-116.
[3]張偉明，蔣明，等.輸油管線模擬實驗系統的構建[J].實驗技術與管理，2009（4）：60-61.
