時(shí)間：2022-11-17 23:43:59
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)例，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞： 一體化教學(xué) 課程模式 任務(wù)驅(qū)動(dòng) 考核機(jī)制 以賽促學(xué)
一體化教學(xué)改革已經(jīng)在廣大職業(yè)教育院校廣泛開(kāi)展，所取得的成效已經(jīng)逐步體現(xiàn)。一體化教學(xué)中，學(xué)生提高了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性得到了充分調(diào)動(dòng)，知識(shí)的掌握更牢固，運(yùn)用能力更強(qiáng)。為了推進(jìn)和全面開(kāi)展一體化教學(xué)，計(jì)算機(jī)專業(yè)的一體化教學(xué)改革迫在眉睫。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很多是用C或類C語(yǔ)言描述的，所以在傳統(tǒng)教育中，通常先開(kāi)設(shè)C語(yǔ)言課程，隨后的學(xué)期中學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：一是先學(xué)的C語(yǔ)言注重語(yǔ)法的學(xué)習(xí)，沒(méi)有太多實(shí)際應(yīng)用，掌握不夠牢固，在下學(xué)期學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)需要花很多時(shí)間復(fù)習(xí)C語(yǔ)言的知識(shí)；二是花時(shí)間復(fù)習(xí)C語(yǔ)言，自然就會(huì)占用學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)講授時(shí)時(shí)間倉(cāng)促；三是過(guò)多的語(yǔ)法和細(xì)節(jié)的學(xué)習(xí)并沒(méi)有讓學(xué)生覺(jué)得掌握好了C語(yǔ)言，反而覺(jué)得太過(guò)瑣碎，難以掌握。為了解決上述問(wèn)題，我們把《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》這兩門(mén)課程整合，并進(jìn)行一體化教學(xué)改革，具體從以下方面開(kāi)展和實(shí)施。
一、針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)，設(shè)計(jì)課程模式為“由果到因”
教學(xué)是教師的教和學(xué)生的學(xué)所組成的一種人類特有的人才培養(yǎng)活動(dòng)。傳統(tǒng)教育中，教師是教學(xué)主體，傳道授業(yè)解惑，這種方式強(qiáng)調(diào)教師的主體地位，側(cè)重考慮教師所教授的知識(shí)和方法，而忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，我們俗稱“填鴨式”教學(xué)；現(xiàn)在的教育倡導(dǎo)以學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，讓他們從原來(lái)的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，這樣可以大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，取得更好的效果。另外，職業(yè)院校的學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)薄弱、自覺(jué)學(xué)習(xí)能力較差的現(xiàn)象。基于上述理念，課程模式設(shè)計(jì)為“實(shí)例―理論―設(shè)計(jì)實(shí)例”，即教師先給出實(shí)例讓學(xué)生模仿操作，操作過(guò)程中或操作后（依據(jù)不同實(shí)例的具體情況確定）講解實(shí)例相關(guān)理論知識(shí)，然后讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)例。通過(guò)模仿―學(xué)習(xí)―應(yīng)用的過(guò)程，達(dá)到學(xué)以致用。
如C程序的入門(mén)，傳統(tǒng)的課本都是先講授C程序的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符、表達(dá)式，直到順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)講完，學(xué)生才可以自己寫(xiě)簡(jiǎn)單的程序，這個(gè)過(guò)程大致需要8到10個(gè)學(xué)時(shí)的理論學(xué)習(xí)，如此漫長(zhǎng)的時(shí)光中，很多學(xué)生已經(jīng)失去了學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的興趣，等到讓他寫(xiě)程序的時(shí)候，大部分學(xué)生很難寫(xiě)出來(lái)。改用新的方式后，簡(jiǎn)短地對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行介紹后，就給出幾個(gè)經(jīng)典的程序，讓學(xué)生上機(jī)操作，熟悉上機(jī)環(huán)境和C程序的調(diào)試方法。學(xué)生在操作過(guò)程中，切實(shí)感受到程序在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行，并看到運(yùn)行的結(jié)果，這些直觀的沖擊會(huì)讓學(xué)生保持良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)和持續(xù)的求知欲望。然后講解C程序的結(jié)構(gòu)和實(shí)例中用到的數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符等理論知識(shí)，為學(xué)生答疑解惑。有了基本的概念后再模仿已經(jīng)操作過(guò)的實(shí)例，自己設(shè)計(jì)程序完成指定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)習(xí)、鞏固和靈活應(yīng)用的既定目標(biāo)。
二、使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，依據(jù)課程內(nèi)容，合理劃分任務(wù)
為了配合第一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，將現(xiàn)有的《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程進(jìn)行整合編排，設(shè)計(jì)如下幾個(gè)任務(wù)：C程序入門(mén)、程序設(shè)計(jì)的三種結(jié)構(gòu)、順序表、鏈表、堆棧、隊(duì)列、樹(shù)、排序、搜索、圖。各個(gè)任務(wù)進(jìn)一步細(xì)分，劃分成若干個(gè)子任務(wù)，方便具體實(shí)施，如順序表又分為順序表的創(chuàng)建、插入、查找、刪除等。
任務(wù)的劃分是一體化教學(xué)改革中的重點(diǎn)，任務(wù)的難易程度、規(guī)模的大小、實(shí)例的選擇，都直接關(guān)系到課堂的組織、學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)的積極性等，這些因素都直接影響教學(xué)效果。要做到任務(wù)劃分合理、實(shí)例選擇得當(dāng)，需要注意以下兩點(diǎn)：第一，任務(wù)劃分要經(jīng)過(guò)專業(yè)教師的討論和分析，條件允許的話，最好請(qǐng)企業(yè)的專家進(jìn)行指導(dǎo)，得出哪些內(nèi)容是需要整合的，哪些內(nèi)容是需要拆分的，拆分到哪些任務(wù)中是合理的，便于教學(xué)實(shí)施，有利于在以后的學(xué)習(xí)和工作中應(yīng)用。第二，每個(gè)任務(wù)下的子任務(wù)拆分要合理，規(guī)模大小要盡量適合每次課（一般為2學(xué)時(shí)）的實(shí)施；實(shí)例的選擇要遵循從簡(jiǎn)到難、循序漸進(jìn)的原則，并能通過(guò)兩到三個(gè)實(shí)例將相應(yīng)的子任務(wù)的內(nèi)容分解。同時(shí)應(yīng)該考慮到學(xué)生的興趣，盡量從學(xué)生感興趣的實(shí)例入手，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性。
三、理論知識(shí)做到夠用就好，最好隨時(shí)補(bǔ)充
傳統(tǒng)教學(xué)中，我們習(xí)慣于先把理論知識(shí)全盤(pán)講給學(xué)生聽(tīng)，要求學(xué)生理解、掌握，然后會(huì)應(yīng)用。實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，枯燥的理論知識(shí)很快就會(huì)讓學(xué)生感到厭煩，他們不等你把這些知識(shí)講完，就已經(jīng)將注意力投入到了其他跟課堂內(nèi)容根本不相關(guān)的事物上。結(jié)果大部分學(xué)生只掌握了整堂課中小部分的內(nèi)容，教學(xué)效果很不理想。采用任務(wù)教學(xué)后，學(xué)生首先拿著程序上機(jī)操作，在做的過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)不懂的地方，隨之產(chǎn)生這是什么，這個(gè)可以做什么的疑問(wèn)，從而吸引學(xué)生的注意力，提高課堂教學(xué)效率。
以前教C語(yǔ)言，我發(fā)現(xiàn)到寫(xiě)順序結(jié)構(gòu)的程序時(shí)，學(xué)生寫(xiě)程序無(wú)從下手，幫助他回憶程序書(shū)寫(xiě)的整個(gè)過(guò)程，其實(shí)只需要三分鐘的時(shí)間就夠了，我疑惑：既然短短幾分鐘就能夠讓學(xué)生了解程序的基本組成，為什么先前要花那么多時(shí)間講？最關(guān)鍵的是，講的那些理論知識(shí)，根本就沒(méi)有幾個(gè)學(xué)生能掌握，效率極低。由此得到啟發(fā)，不如先讓學(xué)生操作，然后探究為什么這么做，這樣順理成章地將理論知識(shí)傳授給學(xué)生。顯然這時(shí)候的理論講解要簡(jiǎn)明、扼要，切忌長(zhǎng)篇大論。當(dāng)然，這樣也會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，理論知識(shí)會(huì)被分割得支離破碎，沒(méi)有系統(tǒng)性。目前我們采用的是一個(gè)任務(wù)結(jié)束后讓學(xué)生討論、總結(jié)，教師補(bǔ)充的方式將相應(yīng)的理論知識(shí)串聯(lián)，使之完整和系統(tǒng)化。課堂上當(dāng)學(xué)生有疑問(wèn)或用到已學(xué)過(guò)的知識(shí)時(shí)，也要隨時(shí)補(bǔ)充和復(fù)習(xí)，通過(guò)多次強(qiáng)化，幫助學(xué)生牢固掌握相應(yīng)的理論知識(shí)。
四、防止“重操作、輕理論”
在任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式實(shí)施過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)“重操作、輕理論”的狀況。也就是片面強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手操作而忽略了理論知識(shí)的傳授。教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)于整個(gè)課堂的組織把控顯得更重要。盡管我們強(qiáng)調(diào)課堂的主體是學(xué)生，要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，但并不是讓學(xué)生放任自由。教師應(yīng)在課堂中做好組織引導(dǎo)工作，合理劃分時(shí)間段內(nèi)任務(wù)，讓整堂課有序、有效進(jìn)行。如可以將一堂課劃分為操作、同學(xué)討論、教師小結(jié)、設(shè)計(jì)實(shí)例等環(huán)節(jié)。將理論知識(shí)滲透在每堂課中，學(xué)習(xí)了這些操作中遇到的理論知識(shí)后，能夠運(yùn)用這些知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)例，而不是簡(jiǎn)單機(jī)械地重復(fù)操作，達(dá)到理論指導(dǎo)實(shí)踐的目的。
五、制定完備的考核體系，保證教學(xué)順利進(jìn)行
為了監(jiān)督學(xué)生保質(zhì)保量完成每個(gè)任務(wù)，并保持一定的積極性，需要對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)督和管理。傳統(tǒng)教學(xué)中結(jié)果考核顯然已經(jīng)不適用于任務(wù)制教學(xué)模式，而應(yīng)該采用全新的過(guò)程考核機(jī)制。過(guò)程考核的細(xì)則在制定時(shí)要考慮到學(xué)生的操作能力、態(tài)度、學(xué)習(xí)效果等因素，使考核起到監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程、端正學(xué)習(xí)態(tài)度、肯定學(xué)習(xí)效果、促進(jìn)學(xué)生努力的作用。良好的考核機(jī)制可以有效保證教學(xué)的順利進(jìn)行，防止課堂監(jiān)管失控。學(xué)生在被考核的過(guò)程中，會(huì)更好地約束自己，更好地實(shí)現(xiàn)自我管理。
六、適當(dāng)開(kāi)展競(jìng)賽，以賽促學(xué)
積極鼓勵(lì)學(xué)生參與技能競(jìng)賽。技能競(jìng)賽既能起到交流經(jīng)驗(yàn)、切磋技藝的作用，又能調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生鉆研技術(shù)、提高技能的積極性。為了使競(jìng)賽取得良好成績(jī)，應(yīng)營(yíng)造能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的氛圍。這樣以競(jìng)賽為學(xué)習(xí)目標(biāo)，以競(jìng)賽的成績(jī)作為獎(jiǎng)勵(lì)，從而促進(jìn)日常教學(xué)活動(dòng)順利開(kāi)展。
七、配套合理的課程設(shè)計(jì)，提高綜合應(yīng)用能力
一、問(wèn)題的提出與分析
目前，高職教育在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面，知識(shí)老化，方法陳舊落后，理論與實(shí)踐相脫節(jié)。這迫切要求我們對(duì)教學(xué)方法方式進(jìn)行改革。
一段時(shí)期以來(lái)，教學(xué)改革仿佛變成了關(guān)于媒體、工具如何在教學(xué)中使用的改革。從簡(jiǎn)單的教學(xué)用具，到音像材料，到計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，信息傳播通道的改進(jìn)，使教學(xué)內(nèi)容表達(dá)趨于直觀，增大了課堂信息量，提高了教學(xué)效率，但不能代表整個(gè)教學(xué)改革的全部?jī)?nèi)容，這一點(diǎn)在我們的教學(xué)實(shí)踐中得到了證明。所以如何設(shè)計(jì)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)活動(dòng)，是我們教學(xué)改革研究的重點(diǎn)。
二、改革思路與方案
（一）消除學(xué)生對(duì)C語(yǔ)言的神秘感，培養(yǎng)學(xué)生的興趣
教師應(yīng)做好入門(mén)階段的工作，向?qū)W生講授C語(yǔ)言的發(fā)展歷史、當(dāng)前的狀況，通過(guò)舉例說(shuō)明學(xué)生們所熟知的某些軟件或作品其內(nèi)在的創(chuàng)作工具是C語(yǔ)言或C語(yǔ)言也可以同樣地制作完成，最好能夠編寫(xiě)一個(gè)小型實(shí)用程序，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)C語(yǔ)言的興趣，縮短學(xué)生所熟知的軟件工具與課堂知識(shí)間的距離。
（二）精選內(nèi)容，突出重點(diǎn)，講清難點(diǎn)
教科書(shū)一般內(nèi)容較多，教師應(yīng)精選課程內(nèi)容，確定講授重點(diǎn)。精選課程內(nèi)容是提高教學(xué)質(zhì)量的一項(xiàng)重要工作，它是教學(xué)內(nèi)容的核心部分。《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》的核心內(nèi)容包括C語(yǔ)言基本語(yǔ)法、程序設(shè)計(jì)思想和程序調(diào)試方法。語(yǔ)法是任何一門(mén)語(yǔ)言的基礎(chǔ)，C語(yǔ)言的語(yǔ)法包括數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符、流程控制語(yǔ)句、數(shù)組、函數(shù)及其調(diào)用、變量的作用域、指針、文件等。在介紹這些語(yǔ)法時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)講清楚那些對(duì)后續(xù)章節(jié)影響較大、且在實(shí)際編程過(guò)程中頻繁使用的語(yǔ)法，而不可過(guò)多地拘泥于講解一些瑣碎卻并無(wú)多大用處的語(yǔ)法。C語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)是相輔相成的，C語(yǔ)言基本語(yǔ)法的學(xué)習(xí)必須通過(guò)必要的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐才能真正掌握，同樣，也只有掌握C的基礎(chǔ)知識(shí)才能設(shè)計(jì)出好的程序。
（三）教學(xué)方法的改進(jìn)
在教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)方法不斷地研究和改革，探索與嘗試，在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)上，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用了多種多樣的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，例如啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)和互動(dòng)式教學(xué)以及理論與實(shí)踐結(jié)合式教學(xué)，還有邊學(xué)邊用式教學(xué)等等。
在課程的宏觀教學(xué)上通過(guò)逐步拓展的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和設(shè)計(jì)，將每一階段的學(xué)習(xí)進(jìn)行小結(jié)性的貫穿與能力提高。將知識(shí)點(diǎn)都溶化到一個(gè)個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的程序編寫(xiě)中。在課程初期，主要是進(jìn)行單項(xiàng)的編程練習(xí)，重在掌握C語(yǔ)言的基本語(yǔ)句、數(shù)據(jù)類型與程序結(jié)構(gòu)等。在進(jìn)入數(shù)組、函數(shù)、結(jié)構(gòu)、指針和文件內(nèi)容教學(xué)時(shí)，開(kāi)始實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的編程實(shí)踐，逐步組建如“學(xué)生管理系統(tǒng)”這樣的綜合性程序系統(tǒng)，并且不斷添加功能模塊，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)按照內(nèi)在關(guān)聯(lián)逐步拓展而成。這樣的實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容與方法設(shè)計(jì)給項(xiàng)目拓展教學(xué)法以實(shí)際落腳點(diǎn)，符合認(rèn)知與學(xué)習(xí)規(guī)律。
在課堂的微觀教學(xué)上采用實(shí)例遞進(jìn)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，改變滿堂灌的做法，將學(xué)生的眼手腦全部調(diào)動(dòng)起來(lái)。精心設(shè)計(jì)實(shí)例，給學(xué)生一個(gè)比較實(shí)際的切入點(diǎn)，通過(guò)老師的演示使學(xué)生感覺(jué)能夠入手，然后再通過(guò)將此實(shí)例不斷修改、擴(kuò)充，引導(dǎo)學(xué)生參與到程序的編制過(guò)程中，在這個(gè)過(guò)程中，展示學(xué)生所作的程序，讓學(xué)生來(lái)評(píng)判優(yōu)劣，吸收優(yōu)點(diǎn)，修改錯(cuò)誤，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化。這樣通過(guò)一個(gè)程序?qū)嵗膶訉油七M(jìn)，引入課程內(nèi)容，使得學(xué)生的每一步學(xué)習(xí)都有基礎(chǔ)，是循序漸進(jìn)，螺旋式上升的過(guò)程。
（四）課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的把握
C語(yǔ)言由于它的實(shí)踐性很強(qiáng)，要真正掌握它，課程設(shè)計(jì)是必不可少的重要環(huán)節(jié)。要想使課程設(shè)計(jì)收到實(shí)效，一定要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，開(kāi)展不同的教學(xué)活動(dòng)。所以在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備選題時(shí)，應(yīng)充分考慮學(xué)生的興趣，多選擇一些學(xué)生熟悉的、實(shí)用的趣味性強(qiáng)的題目，包括一些簡(jiǎn)單的游戲。另外，不同的學(xué)生根據(jù)掌握程序不同，或者根據(jù)不同的課時(shí)數(shù)，活動(dòng)形式也應(yīng)區(qū)別開(kāi)來(lái)。對(duì)成績(jī)好的，課時(shí)多的，只給出題目，指導(dǎo)他們?nèi)フ屹Y料，分組討論，引導(dǎo)他們的思考方向，由他們自己獨(dú)立編碼調(diào)試。而對(duì)成績(jī)中等的這部分同學(xué)，應(yīng)給出思路，幫助他們進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，指導(dǎo)他們編碼調(diào)試。這樣一來(lái)，在整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，絕大多數(shù)的同學(xué)都動(dòng)了起來(lái)，都能認(rèn)真調(diào)試程序，他們自己在課程設(shè)計(jì)總結(jié)中都感到很有收獲。
三、改革實(shí)踐的效果
（一）突出了學(xué)生主體作用
學(xué)生不再是被動(dòng)的、教師傳授知識(shí)的對(duì)象，而成為了學(xué)習(xí)的主人。他們可以根據(jù)自己的對(duì)課程掌握的情況和認(rèn)知情況，自主地選擇學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)內(nèi)容。這樣使學(xué)有潛力的學(xué)生可以有更多的學(xué)習(xí)選擇，得到應(yīng)有的發(fā)揮。而學(xué)習(xí)上有困難的學(xué)生，也可得到教師有效的指導(dǎo)，既解決了學(xué)習(xí)起點(diǎn)不一的問(wèn)題，又可以充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。
（二）體現(xiàn)了教師的指導(dǎo)作用
在這個(gè)教學(xué)過(guò)程中，教師的角色已經(jīng)轉(zhuǎn)換，他們不再是教學(xué)活動(dòng)的中心，課堂教學(xué)也不是教學(xué)活動(dòng)的唯一形式。教師傳授更多的是如何獲取學(xué)習(xí)信息，教會(huì)學(xué)生如何掌握學(xué)習(xí)的方法，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。教師真正成為學(xué)生的啟發(fā)者、指導(dǎo)者和幫助者。
（三）加強(qiáng)了學(xué)生協(xié)作性的培養(yǎng)
所有的學(xué)生都可以在課堂上、上機(jī)練習(xí)時(shí)或課程設(shè)計(jì)中，圍繞一個(gè)主題和問(wèn)題，大膽地展開(kāi)自己的想象思維，發(fā)表見(jiàn)解，經(jīng)集體討論和交流，尋求問(wèn)題的解決方式。這樣可以使參加討論的每一位學(xué)生對(duì)同一問(wèn)題，獲得多方面、較深入的認(rèn)識(shí)，有助于思考能力、交往能力的養(yǎng)成，有助于團(tuán)隊(duì)精神、集體觀念的培育，使學(xué)習(xí)者為某—相同目標(biāo)而團(tuán)結(jié)共事的合作精神得到提升。
教學(xué)要與科學(xué)技術(shù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合，尤其是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言教學(xué)，更應(yīng)與當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)。我們將面臨許多新情況和新問(wèn)題，我們要為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言教育在已有的基礎(chǔ)上再上一個(gè)新臺(tái)階去研究和探索。
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作者簡(jiǎn)介：
（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅，蘭州 730070；
2.蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）
摘 要：高等農(nóng)業(yè)院校程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程以培養(yǎng)實(shí)踐人才為根本目標(biāo)，將CBE教學(xué)模式和程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)結(jié)合起來(lái)，在教學(xué)內(nèi)容、教材及教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)方式等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了綜合改革，形成了2+2+3的“理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)相統(tǒng)一的課程建設(shè)體系，理論教材及實(shí)驗(yàn)教材相統(tǒng)一的教學(xué)資源建設(shè)，CBE教學(xué)方式、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式及雙語(yǔ)教學(xué)方式三層次實(shí)踐人才培養(yǎng)過(guò)程”實(shí)踐人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有“寬基礎(chǔ)、強(qiáng)特色、高素質(zhì)、實(shí)用性”復(fù)合型實(shí)踐程序設(shè)計(jì)人才，在實(shí)踐人才體系培養(yǎng)方面取得了顯著成效.
關(guān)鍵詞 ：高等農(nóng)業(yè)院校；程序設(shè)計(jì)；CBE教學(xué)模式；實(shí)踐人才培養(yǎng)模式
中圖分類號(hào)：G645文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2015）07-0265-03
基金項(xiàng)目：中華農(nóng)業(yè)科教基金會(huì)教材建設(shè)研究項(xiàng)目“基于CBE項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式探索與研究（NKJ201203023）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61063028）；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.145RJYA288）；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（GSAU120226，GSAU120229）；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（GSAU-STS-1322）
1 引言
當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)業(yè)正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的時(shí)期，用信息技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各種要素進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化控制、科學(xué)化管理，能夠大幅度減少農(nóng)業(yè)消耗，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)業(yè)效益.根據(jù)教育部“面向21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃”提出的以培養(yǎng)人的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新教育來(lái)適應(yīng)日新月異的科技發(fā)展和社會(huì)需求的有關(guān)精神，結(jié)合高等農(nóng)業(yè)院校的具體情況，以創(chuàng)新教育為導(dǎo)向、深化農(nóng)業(yè)院校學(xué)生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的教學(xué)體系建設(shè)為目標(biāo)，對(duì)高等農(nóng)業(yè)院校程序設(shè)計(jì)類課程人才培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索和改革.
程序設(shè)計(jì)類課程是高校計(jì)算機(jī)教育的基礎(chǔ)與重點(diǎn)，是一門(mén)對(duì)理論與實(shí)驗(yàn)開(kāi)展同步教學(xué)的課程[1].在不遠(yuǎn)的將來(lái)，程序設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模與微積分、高等代數(shù)、大學(xué)物理一樣，成為所有大學(xué)的核心基礎(chǔ)課程[2].程序設(shè)計(jì)類課程具有知識(shí)點(diǎn)多、概念復(fù)雜、規(guī)則繁多、使用靈活、自由度大、抽象度深等特點(diǎn)[3-5].我校生源中農(nóng)村學(xué)生居多，基礎(chǔ)教育階段接觸計(jì)算機(jī)較少，大學(xué)低年級(jí)階段急需大力普及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力.作為農(nóng)業(yè)院校，程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程培養(yǎng)人才的目標(biāo)要更明確，方法和手段要更有效，因此培養(yǎng)具有“寬基礎(chǔ)、強(qiáng)特色、高素質(zhì)、實(shí)用性”復(fù)合型實(shí)踐人才是非常有必要的.
在這個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)基礎(chǔ)上，學(xué)校按照國(guó)家精品課程指標(biāo)體系要求，突出創(chuàng)新意識(shí)和能力培養(yǎng)的先進(jìn)教育思想，強(qiáng)化教學(xué)全過(guò)程管理，以把程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程建設(shè)成為能夠反映本學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果、具有農(nóng)業(yè)院校鮮明特色的示范性精品課程為目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容、教材及教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)方式等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了綜合改革，形成了2+2+3的實(shí)踐人才培養(yǎng)模式，在實(shí)踐人才體系培養(yǎng)方面取得了顯著成效.
2 基于CBE項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的程序設(shè)計(jì)類實(shí)踐人才培養(yǎng)模式
CBE（Cometency Based Education）的涵義是“職業(yè)綜合能力為基礎(chǔ)的教學(xué)模式”，簡(jiǎn)稱能力教育[6].CBE教學(xué)模式的特點(diǎn)是教學(xué)方法多樣化，一切以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中實(shí)踐[6].CBE的特點(diǎn)恰好和我校實(shí)踐人才培養(yǎng)目標(biāo)相符合，學(xué)校以“十二五規(guī)劃”建設(shè)為契機(jī)，融合CBE教學(xué)特點(diǎn)，建立程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程實(shí)踐人才培養(yǎng)模式，結(jié)合高等農(nóng)業(yè)院校的實(shí)際，以崗位必須的知識(shí)、技能、行為意識(shí)為從業(yè)能力的基礎(chǔ)，以能力表現(xiàn)為教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)進(jìn)程的基準(zhǔn)，注重“學(xué)”并以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心，不受時(shí)間和環(huán)境限制組織課程與實(shí)施教學(xué)，形成了2+2+3的實(shí)踐人才培養(yǎng)模式.
2.1 理論教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相統(tǒng)一的建設(shè)體系
2.1.1 理論教學(xué)內(nèi)容課程體系建設(shè)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)走新型農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路對(duì)培養(yǎng)新一代具有信息素養(yǎng)和計(jì)算科學(xué)創(chuàng)新能力的農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新人才提出了迫切需求.以這種社會(huì)需求為導(dǎo)向，對(duì)農(nóng)業(yè)院校程序設(shè)計(jì)類課程體系建設(shè)進(jìn)行探索和改革，構(gòu)建“分層次、分專業(yè)”的課程體系，貫通三大層次全校五十三個(gè)農(nóng)業(yè)本科專業(yè)培養(yǎng)方案，將程序設(shè)計(jì)類課程按專業(yè)分三類開(kāi)設(shè)，農(nóng)醫(yī)類專業(yè)開(kāi)設(shè)VB、文史類專業(yè)開(kāi)設(shè)VFP、理工類專業(yè)開(kāi)設(shè)C，實(shí)現(xiàn)了因材施教、以社會(huì)需求為導(dǎo)向的目的.教學(xué)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)多知識(shí)點(diǎn)融合、跨課程知識(shí)體系融合、已學(xué)與拓展知識(shí)融合、實(shí)驗(yàn)與課外研究融合等四方面，做到了從點(diǎn)到面、從單元到系統(tǒng)、“引導(dǎo)入門(mén)-基礎(chǔ)系列-專題研究-科學(xué)研究”的循序漸進(jìn)的教學(xué)過(guò)程.
2.1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解程序設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，通過(guò)理論和實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生較好地掌握程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言各方面的知識(shí)，掌握基本的程序設(shè)計(jì)過(guò)程和技巧，具備初步的高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)能力，并能熟練應(yīng)用程序設(shè)計(jì)集成環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編寫(xiě)、編譯與調(diào)試，達(dá)到全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)無(wú)紙化考試的要求.為配合理論教學(xué)我們將實(shí)驗(yàn)分為以下三種類型.第一類是基礎(chǔ)與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，主要涉及該課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；著重培養(yǎng)學(xué)生邏輯分析的能力，學(xué)會(huì)使用流程圖、偽代碼描述問(wèn)題，學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)的處理方法思考問(wèn)題，把計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的教學(xué)內(nèi)容從數(shù)學(xué)游戲的圈子轉(zhuǎn)變到社會(huì)實(shí)踐中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力.第二類是設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)型實(shí)驗(yàn)，有效培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)與技術(shù)的能力，培養(yǎng)學(xué)生帶著問(wèn)題自主學(xué)習(xí)、尋找答案的能力.實(shí)際中結(jié)合學(xué)生信息管理系統(tǒng)、數(shù)值數(shù)據(jù)處理、信息數(shù)據(jù)管理等開(kāi)發(fā)案例展開(kāi)實(shí)驗(yàn).第三類是研究與創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，針對(duì)部分興趣高、編程能力強(qiáng)的學(xué)生設(shè)計(jì)該類實(shí)驗(yàn)，重在培養(yǎng)學(xué)生的研究能力與創(chuàng)新意識(shí).采用軟件工程的方法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)完整的小型應(yīng)用系統(tǒng)，主要以“挑戰(zhàn)杯”、“創(chuàng)新杯”競(jìng)賽、SRTP項(xiàng)目及畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式進(jìn)行開(kāi)展.
2.2 理論教材及實(shí)驗(yàn)教材相統(tǒng)一的教學(xué)資源建設(shè)
2.2.1 理論教材建設(shè)
根據(jù)《普通高等教育農(nóng)業(yè)部“十二五”規(guī)劃教材》的要求，并按照2013年全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試調(diào)整方案要求，對(duì)教材每個(gè)知識(shí)點(diǎn)按照“提出問(wèn)題—解決問(wèn)題—?dú)w納分析”三部曲進(jìn)行建設(shè).對(duì)每個(gè)實(shí)例按照“提出實(shí)例—程序設(shè)計(jì)分析—參考程序—程序運(yùn)行結(jié)果—程序分析—注意事項(xiàng)”幾個(gè)步驟進(jìn)行編寫(xiě).在各知識(shí)點(diǎn)中，增加了一些兼具趣味性和實(shí)用性于一體的程序?qū)嵗⒀a(bǔ)充了代碼風(fēng)格、函數(shù)封裝、程序調(diào)試、常見(jiàn)錯(cuò)誤分析等現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)必備的知識(shí).這些資源通過(guò)整合后上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)成為網(wǎng)絡(luò)課程，由授課教師按課程進(jìn)度授權(quán)給學(xué)生使用.
2.2.2 實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)
為配合等級(jí)無(wú)紙化考試要求，實(shí)驗(yàn)教材運(yùn)行環(huán)境建立在等級(jí)考試集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，增加了無(wú)紙化上機(jī)測(cè)試題，包括選擇題、程序改錯(cuò)題、程序填空題和程序設(shè)計(jì)題四大部分.教材建設(shè)過(guò)程中，收集整理了大量教學(xué)資源，注重立體教材建設(shè)工作，教材全部配套編寫(xiě)了多媒體課件、講義和教案，習(xí)題提供標(biāo)準(zhǔn)答案.配套課件實(shí)現(xiàn)“文字分層顯示、算法動(dòng)態(tài)演示”的功能，增強(qiáng)圖文并茂的特點(diǎn).
2.3 CBE教學(xué)方式、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式及雙語(yǔ)教學(xué)方式三層次實(shí)踐人才培養(yǎng)模式
強(qiáng)調(diào)實(shí)踐對(duì)理論教學(xué)的指導(dǎo)作用，將企業(yè)作為實(shí)訓(xùn)基地，建立校企長(zhǎng)期合作，采取校企互動(dòng)的方式，針對(duì)性地培養(yǎng)既具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，又能解決實(shí)際工程問(wèn)題的復(fù)合型、實(shí)用型人才.實(shí)踐項(xiàng)目?jī)?nèi)容從知識(shí)方法應(yīng)用、綜合設(shè)計(jì)到研究探索循序漸進(jìn)，深化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的層次性和工程背景，實(shí)現(xiàn)以工程為背景、研究方法多樣、綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究探索的程序設(shè)計(jì)類實(shí)踐教學(xué)體系，從而使程序設(shè)計(jì)類課程體系更加適應(yīng)社會(huì)需求，更加靈活應(yīng)變.實(shí)踐教學(xué)體系如圖1所示.
充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，注重各種立體化教學(xué)資源的積累和充分利用，采用項(xiàng)目案例遞進(jìn)式實(shí)訓(xùn)過(guò)程LTM（Learning Training Mentoring）的循序漸進(jìn)的模式提高實(shí)訓(xùn)質(zhì)量，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)優(yōu)化課程答疑和反饋的方式和途徑，改革課程的考核方式使其更有利于檢驗(yàn)學(xué)生的能力，廣泛利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)幫助學(xué)生課后學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.具體教學(xué)方式如下，教學(xué)過(guò)程見(jiàn)圖2所示.
2.3.1 CBE教學(xué)方式
第一層次是通過(guò)互動(dòng)式和案例教學(xué)法，在教師的指導(dǎo)下根據(jù)教學(xué)目的和要求，運(yùn)用多種形式啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，根據(jù)遇到的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行綜合分析研究，提出見(jiàn)解，做出判斷和決策，從而提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；第二層次是基本操作技能訓(xùn)練和基本工作能力培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與規(guī)范的操作方法，采用仿真與實(shí)際相結(jié)合的手段，既加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，又學(xué)會(huì)了知識(shí)的綜合運(yùn)用，使學(xué)生能運(yùn)用掌握的理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題；第三層次是實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在實(shí)習(xí)基地實(shí)現(xiàn)基本技能轉(zhuǎn)化現(xiàn)實(shí)的工作方法和工作能力，實(shí)現(xiàn)“校園人”向“社會(huì)人”角色轉(zhuǎn)變.
2.3.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方式
從農(nóng)業(yè)院校實(shí)際需求出發(fā)，項(xiàng)目力求既結(jié)合實(shí)際，又能涵蓋課程教學(xué)的要求.教師提出學(xué)生自學(xué)和開(kāi)發(fā)、研究的進(jìn)度，設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)程，以程序編制牽引理論教學(xué)，以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和程序的拓展驅(qū)動(dòng)教學(xué).通過(guò)項(xiàng)目和實(shí)例講授程序設(shè)計(jì)的基本概念、基本方法，把重點(diǎn)放在解題思路上.從開(kāi)始就使學(xué)生將注意力集中在所解決的問(wèn)題領(lǐng)域，從具體實(shí)例理解程序設(shè)計(jì)類課程的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)和程序總體框架，通過(guò)實(shí)例本身既學(xué)會(huì)某一類問(wèn)題的解決方法和算法設(shè)計(jì)，又掌握了程序設(shè)計(jì)類課程的基本語(yǔ)法、語(yǔ)句.即在程序設(shè)計(jì)類課程的環(huán)境下，針對(duì)農(nóng)業(yè)類實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)算法、最后編程實(shí)現(xiàn).
在學(xué)習(xí)的不同階段設(shè)計(jì)不同針對(duì)性的實(shí)例，主要包括以下三個(gè)階段.第一，開(kāi)始階段設(shè)計(jì)的實(shí)例是將學(xué)生的注意力吸引在程序設(shè)計(jì)類課程的總體功能和程序的總體框架上；第二，在學(xué)習(xí)中間階段設(shè)計(jì)針對(duì)某些數(shù)據(jù)類型或應(yīng)用特點(diǎn)的實(shí)例、針對(duì)模塊分解和組合的實(shí)例、針對(duì)算法分析與設(shè)計(jì)的實(shí)例等；第三，在學(xué)習(xí)的后期進(jìn)行綜合課程設(shè)計(jì)，將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通.在設(shè)計(jì)實(shí)例的同時(shí)還需要調(diào)整課程的教學(xué)模塊，有些章節(jié)知識(shí)需提前引入，如函數(shù)、文件等，先不深入學(xué)習(xí)，僅作為宏觀分析問(wèn)題解決問(wèn)題的工具，可在后續(xù)實(shí)例學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步加深理解和應(yīng)用.
2.3.3 雙語(yǔ)教學(xué)方式
雙語(yǔ)教學(xué)是貫穿于以上各教學(xué)方式中的.作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其語(yǔ)法表達(dá)采用的就是簡(jiǎn)單而含義明確的英文單詞，且上機(jī)環(huán)境也為英文界面，二者關(guān)系密不可分.程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中加入適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)及程序設(shè)計(jì)方面的英文專業(yè)詞匯，部分或全部教案采用英文形式，有助于學(xué)生專業(yè)英語(yǔ)水平的提高和盡快熟悉、適應(yīng)以英文信息為基礎(chǔ)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境.
3 教學(xué)成效
程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程實(shí)踐人才培養(yǎng)模式在全校推廣的幾年內(nèi)，教學(xué)成效顯著，具有顯著的教學(xué)示范效果.（1）課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)高，教學(xué)效果好.由教務(wù)處組織的學(xué)生評(píng)教結(jié)果顯示，課程組的所有教師近3年的評(píng)價(jià)平均成績(jī)均在90分以上.（2）凝練并更新教學(xué)內(nèi)容，融入農(nóng)業(yè)院校的特色先后編寫(xiě)出版了8部教材，其中《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》兩部教材先后被列入《普通高等教育農(nóng)業(yè)部“十二五”規(guī)劃教材》，“VB程序設(shè)計(jì)”和“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程先后被評(píng)為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)精品課程.按照省級(jí)精品課程建設(shè)要求，搭建了程序設(shè)計(jì)類課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，并開(kāi)發(fā)了程序設(shè)計(jì)類課程學(xué)習(xí)論壇.（3）學(xué)生學(xué)習(xí)效果整體得到提升.我校學(xué)生參加全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試（二級(jí)）的過(guò)關(guān)率逐年穩(wěn)步上升，并在全省高校中名列前茅；參加全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試（三級(jí)、四級(jí)）的學(xué)生人數(shù)逐年增加，過(guò)關(guān)率也有所提高.培養(yǎng)模式應(yīng)用推廣期間，課程組教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)校SRTP項(xiàng)目50余項(xiàng)；指導(dǎo)學(xué)生參加第一、二、三、四屆甘肅省“創(chuàng)新杯”計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能大賽，共獲獎(jiǎng)項(xiàng)30余項(xiàng)，參與學(xué)生90余人；指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，共獲獎(jiǎng)項(xiàng)8項(xiàng)，參與學(xué)生24人；指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、共獲獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng)，參與學(xué)生9人；指導(dǎo)學(xué)生參加甘肅省“挑戰(zhàn)杯”課外科技學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽，共獲獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng)，參與學(xué)生10余人；近三年內(nèi)課程組成員指導(dǎo)學(xué)生累積獲得省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)120余人次.我校生源中農(nóng)村學(xué)生居多，基礎(chǔ)教育階段接觸計(jì)算機(jī)較少，但在全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試中通過(guò)率已連續(xù)多年高于全省高校平均水平.
4 結(jié)束語(yǔ)
高等農(nóng)業(yè)院校程序設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程以培養(yǎng)實(shí)踐人才為根本目標(biāo)，將CBE教學(xué)模式和程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)結(jié)合起來(lái)，形成了特色鮮明的2+2+3的實(shí)踐人才培養(yǎng)模式，全校推廣后教學(xué)成效顯著，具有顯著的教學(xué)示范效果，為高等農(nóng)業(yè)院校培養(yǎng)具有“寬基礎(chǔ)、強(qiáng)特色、高素質(zhì)、實(shí)用性”復(fù)合型實(shí)踐程序設(shè)計(jì)人才奠定了基礎(chǔ).
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關(guān)鍵詞：虛擬儀器；比較教學(xué)；LabVIEW；儀器設(shè)計(jì)
作者簡(jiǎn)介：楊武夷（1982-），男，福建泰寧人，廈門(mén)大學(xué)海洋與地球?qū)W院，講師。（福建 廈門(mén) 361005）
中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2012）04-0072-02
20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）首先提出虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）的概念。虛擬儀器基于計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合良好的虛擬儀器軟件平臺(tái)來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，軟件是虛擬儀器的核心。[1，2]虛擬儀器在高校的教學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)方面發(fā)揮著重要的作用，目前也有越來(lái)越多的高校開(kāi)設(shè)“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程。
教學(xué)方法有很多種，“比較教學(xué)法”是其中應(yīng)用廣泛的一種。比較教學(xué)法將新的知識(shí)和學(xué)生已熟悉的知識(shí)進(jìn)行比較，找出新舊內(nèi)容之間相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，然后進(jìn)行差異化的學(xué)習(xí)，重在存同求異。筆者在教學(xué)時(shí)，注重以學(xué)生在學(xué)習(xí)先修課程時(shí)所獲得的知識(shí)和體驗(yàn)為基礎(chǔ)，將“虛擬儀器設(shè)計(jì)”和其他課程進(jìn)行比較教學(xué)，這樣就能事半功倍。本文對(duì)比較教學(xué)法在“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期在教學(xué)實(shí)踐中能不斷總結(jié)和改進(jìn)該門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容和方法，使這門(mén)課程的教學(xué)效果不斷得到提高。
一、“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程的主要內(nèi)容
“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程包括虛擬儀器系統(tǒng)、虛擬儀器軟件平臺(tái)及課程實(shí)驗(yàn)三大部分。虛擬儀器系統(tǒng)部分主要包括虛擬儀器的基本概念、系統(tǒng)組成、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)測(cè)量的基本方法、虛擬儀器總線接口技術(shù)及軟件標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容；虛擬儀器軟件平臺(tái)部分主要包括編程環(huán)境、數(shù)據(jù)操作、程序結(jié)構(gòu)、文件I/O、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理及儀器控制等內(nèi)容；通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生對(duì)虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)有深入的理解。軟件是虛擬儀器的核心，因此，虛擬儀器的軟件平臺(tái)是課程的核心。虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境有文本編程環(huán)境和圖形化編程環(huán)境兩種。其中最具代表性的是NI公司提供的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言與Measurement Studio，其提供了完整的虛擬儀器開(kāi)發(fā)集成工具和應(yīng)用軟件。在課程中要培養(yǎng)學(xué)生的LabVIEW編程思想。
二、比較教學(xué)法在“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程中的操作性
烏申斯基說(shuō)：“比較是一切理解和思維的基礎(chǔ)，我們正是通過(guò)比較來(lái)了解世界上的一切。”求同和求異是思維的兩個(gè)翅膀：求同在于認(rèn)識(shí)事物的共性，而求異在于發(fā)現(xiàn)事物的個(gè)性。比較思維法就是要從具有類似性質(zhì)的事物中尋找其差異，發(fā)現(xiàn)事物之間的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，因此，一般都用求同求異的方式來(lái)進(jìn)行比較。在比較的過(guò)程中，要抓住事物本質(zhì)，在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)事物間異同的同時(shí)解釋這種異同，使比較不流于膚淺，達(dá)到對(duì)知識(shí)深入理解的目的。
從課程體系的繼承性上看，學(xué)生在學(xué)習(xí)“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程之前已學(xué)習(xí)了模擬電子、數(shù)字電子、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)）等電子和計(jì)算機(jī)相關(guān)課程。這些先修課程與“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程的主要內(nèi)容有很大的繼承和延續(xù)性，有很多共同點(diǎn)，也存在很多的不同點(diǎn)。比較教學(xué)表現(xiàn)在“虛擬儀器設(shè)計(jì)”課程中，就是把虛擬儀器技術(shù)與已學(xué)的電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行比較，找出其中相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，通過(guò)比較鑒別，使學(xué)生比較全面地掌握虛擬儀器技術(shù)的一種教學(xué)方法。運(yùn)用比較教學(xué)可以促使學(xué)生快速地理解和掌握虛擬儀器技術(shù)，可以在較少的課時(shí)內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，從而提高教學(xué)效率。
三、通過(guò)比較教學(xué)認(rèn)識(shí)虛擬儀器系統(tǒng)
虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。通過(guò)介紹儀器的發(fā)展歷史，比較不同階段儀器之間的異同，使學(xué)生對(duì)虛擬儀器的概念和特點(diǎn)有深入的理解。從傳統(tǒng)儀器到虛擬儀器一共經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：第一代為模擬儀器；第二代為數(shù)字式儀器；第三代為智能儀器；第四代為虛擬儀器。四代儀器的共同點(diǎn)是它們都是信息獲取的手段，是認(rèn)識(shí)世界的工具；不同點(diǎn)是它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不斷提升。模擬和數(shù)字式儀器功能簡(jiǎn)單。智能儀器將單片或多片微處理器與傳統(tǒng)儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成單機(jī)，擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能。不同種類的智能儀器其組成都可以分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)的分析與處理、結(jié)果的輸出與顯示三大功能，且都是以硬件形式存在，儀器硬件存在冗余，使用率低，開(kāi)發(fā)、維護(hù)的費(fèi)用高，技術(shù)更新周期長(zhǎng)。虛擬儀器基于計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)，除了數(shù)據(jù)采集與控制需借助于通用的測(cè)量功能硬件，數(shù)據(jù)的分析與處理、結(jié)果的輸出與顯示都借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，借助計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能可以實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)控。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有多方面的優(yōu)勢(shì)，[3]如表1所示。
虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一是總線技術(shù)。作為連接控制器和程控儀器的紐帶，總線的能力直接影響著系統(tǒng)的總體性能。虛擬儀器總線接口技術(shù)有GPIB總線、VXI總線、PXI總線和LXI總線等。[3]選擇正確的總線是開(kāi)發(fā)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)比不同總線的性能、總線結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)和使用特性，分析比較不同總線的特性和適用情況。
四、通過(guò)比較教學(xué)掌握虛擬儀器軟件平臺(tái)
掌握虛擬儀器軟件平臺(tái)是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心，下面探討比較教學(xué)法在圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW教學(xué)中的應(yīng)用。要學(xué)好LabVIEW程序設(shè)計(jì)，就要掌握編程環(huán)境、數(shù)據(jù)操作、程序結(jié)構(gòu)、文件I/O、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理及儀器控制等內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)“虛擬儀器技術(shù)”課程之前通常已經(jīng)學(xué)習(xí)了高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，例如C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，因此對(duì)計(jì)算機(jī)編程已經(jīng)有一定的體驗(yàn)。因此可以通過(guò)比較C語(yǔ)言和圖形化編程語(yǔ)言，進(jìn)行知識(shí)和編程思想的遷移，提高學(xué)習(xí)效率。
C語(yǔ)言支持的基本數(shù)據(jù)類型有布爾型、數(shù)值型（整型和浮點(diǎn)型）、字符型、字符串和數(shù)組，其中除字符型數(shù)據(jù)LabVIEW不支持外，其他的基本數(shù)據(jù)類型LabVIEW都支持。除此之外，LabVIEW還支持復(fù)數(shù)浮點(diǎn)型。C語(yǔ)言是基于文本的語(yǔ)言，變量的類型通過(guò)文本聲明，而LabVIEW作為圖形化的編程語(yǔ)言，數(shù)據(jù)類型隱含在前面板的輸入控件和顯示控件及程序框圖面板的常量中，每種數(shù)據(jù)類型有相應(yīng)的控件和常量。C語(yǔ)言和LabVIEW中數(shù)組都是同類型元素的集合，但C語(yǔ)言中數(shù)組元素的個(gè)數(shù)不能動(dòng)態(tài)改變，而LabVIEW中數(shù)組元素的個(gè)數(shù)能動(dòng)態(tài)改變。C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體與LabVIEW中的簇有類似的功能，能包含任意數(shù)目任意類型的元素，LabVIEW中的簇是一個(gè)容器，可以將不同類型的控件放入容器。
C語(yǔ)言中的for循環(huán)結(jié)構(gòu)、while循環(huán)結(jié)構(gòu)、if…else…條件結(jié)構(gòu)以及switch選擇結(jié)構(gòu)在LabVIEW中都有對(duì)應(yīng)的程序結(jié)構(gòu)，這些對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)之間有共同點(diǎn)，同時(shí)也存在不同點(diǎn)。C語(yǔ)言中的for循環(huán)和LabVIEW中的for循環(huán)都可用于將某段程序循環(huán)執(zhí)行指定的次數(shù)，但LabVIEW中的for循環(huán)的循環(huán)次數(shù)是固定的，不能像C語(yǔ)言中的for循環(huán)那樣可以在滿足條件時(shí)通過(guò)break語(yǔ)句來(lái)退出循環(huán)。另外，LabVIEW中的for循環(huán)通過(guò)以索引的方式獲取循環(huán)結(jié)構(gòu)體外的數(shù)組，則for循環(huán)的次數(shù)由數(shù)組的大小決定。for循環(huán)結(jié)構(gòu)和while循環(huán)結(jié)構(gòu)中常常要進(jìn)行前后兩次循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換，因此，LabVIEW專門(mén)提供了移位寄存器和反饋節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)前后兩次循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換。移位寄存器和反饋節(jié)點(diǎn)類似C語(yǔ)言中的臨時(shí)變量。當(dāng)LabVIEW中的case結(jié)構(gòu)的輸入端子輸入的是布爾型數(shù)據(jù)時(shí)，其等價(jià)于C語(yǔ)言中的if…else…條件結(jié)構(gòu)；當(dāng)LabVIEW中的case結(jié)構(gòu)的輸入端子輸入的是整型數(shù)據(jù)時(shí)，其等價(jià)于C語(yǔ)言中的switch選擇結(jié)構(gòu)。C語(yǔ)言程序是按照語(yǔ)句的順序從上到下逐條執(zhí)行的，而LabVIEW程序框圖中相互獨(dú)立的圖形代碼（圖形代碼之間沒(méi)有連線）是并行執(zhí)行的，LabVIEW中提供的順序結(jié)構(gòu)能夠設(shè)定相互獨(dú)立的圖形代碼的執(zhí)行順序。
LabVIEW提供了強(qiáng)大的文件I/O函數(shù)用以滿足不同的文件操作需求。雖然LabVIEW支持的文件類型很多，但文件I/O操作的一般流程和C語(yǔ)言中的文件I/O操作流程是類似的：首先創(chuàng)建或打開(kāi)一個(gè)文件，然后從文件中讀取或向文件中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，最終關(guān)閉文件。和C語(yǔ)言類似，LabVIEW中利用文件引用句柄對(duì)文件進(jìn)行區(qū)分，用于對(duì)文件進(jìn)行操作。
五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的比較教學(xué)法
虛擬儀器設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，軟件設(shè)計(jì)是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一方面通過(guò)簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)習(xí)題使學(xué)生掌握?qǐng)D形化編程語(yǔ)言的編程思想，另一方面通過(guò)虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)使學(xué)生了解虛擬儀器的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)步驟。
LabVIEW是圖形化編程語(yǔ)言，對(duì)象之間的數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)象之間的連線來(lái)傳遞，因此，當(dāng)面對(duì)一個(gè)程序設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，習(xí)慣C語(yǔ)言編程思想的學(xué)生可能一時(shí)無(wú)從下手。在這種情況下可以讓學(xué)生先思考怎樣設(shè)計(jì)C語(yǔ)言程序來(lái)解決問(wèn)題，找到解決問(wèn)題的方法，然后根據(jù)C語(yǔ)言程序中的結(jié)構(gòu)找到LabVIEW程序要使用的程序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相同邏輯的LabVIEW程序。例如，要求設(shè)計(jì)一個(gè)LabVIEW程序計(jì)算一個(gè)非負(fù)整數(shù)的階乘。首先編寫(xiě)C語(yǔ)言程序計(jì)算一個(gè)非負(fù)整數(shù)n的階乘n_factorial，程序如下所示：
unsigned int n，t，n_factorial；
.........；
t = 1；
for（int i = 0；i < n；i++）
{
t = t *（i+1）；
}
n_factorial = t；
程序中利用到了for循環(huán)，通過(guò)變量t記錄每次for循環(huán)的計(jì)算結(jié)果。對(duì)應(yīng)到LabVIEW程序，利用For循環(huán)和移位寄存器可以實(shí)現(xiàn)相同的邏輯，在For循環(huán)中移位寄存器中的數(shù)據(jù)與循環(huán)次序索引i加1的值相乘后保存在移位寄存器中，程序框圖如圖1所示。
虛擬儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)系統(tǒng)劃分的硬件和軟件功能選擇計(jì)算機(jī)類型和接口技術(shù)。虛擬儀器系統(tǒng)中某些功能既可以用硬件實(shí)現(xiàn)，又可以用軟件實(shí)現(xiàn)，方法多種多樣，因此，系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別。基于虛擬儀器工程設(shè)計(jì)實(shí)例，分析比較不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。在虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生考慮不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，分析比較不同系統(tǒng)方案的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況從中選擇一種進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
六、結(jié)論
實(shí)踐證明，比較教學(xué)可以利用學(xué)生已有的知識(shí)幫助他們更好地掌握虛擬儀器的相關(guān)知識(shí)，把他們?cè)诟呒?jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中獲得的編程思想和方法遷移到圖形化編程語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)中，通過(guò)虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案比較來(lái)了解虛擬儀器的設(shè)計(jì)原則。從近幾年的教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，通過(guò)比較教學(xué)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，學(xué)習(xí)效果顯著。
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關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成;計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);課程群建設(shè);教學(xué)改革
隨著多核/眾核處理器以及可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)面臨重大改變,給相關(guān)課程的教學(xué)提出了新的問(wèn)題和新的挑戰(zhàn)。如何在教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展?如何利用FPGA技術(shù)提升實(shí)驗(yàn)水平?如何統(tǒng)一規(guī)劃相關(guān)課程的教學(xué)?特別是在不久的將來(lái),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可能發(fā)生重大變革的情況下,如何為那些將要在新型體系架構(gòu)下從事計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)的學(xué)生打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)?這些都是我們近年來(lái)一直考慮的問(wèn)題。帶著這些問(wèn)題,我們跟蹤了美國(guó)幾個(gè)一流大學(xué)近幾年來(lái)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)照國(guó)際一流大學(xué)的先進(jìn)做法,結(jié)合我校計(jì)算機(jī)人才的培養(yǎng)目標(biāo),我們提出了“計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)”課程群建設(shè)思路,并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)相關(guān)課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。
1國(guó)外一流大學(xué)相關(guān)課程教學(xué)情況
通過(guò)對(duì)UC Berkeley、Stanford和MIT等多個(gè)美國(guó)一流大學(xué)在相關(guān)課程方面教學(xué)情況[1-5]的跟蹤,我們發(fā)現(xiàn),這些大學(xué)對(duì)相關(guān)課程教學(xué)都進(jìn)行了調(diào)整,通過(guò)開(kāi)設(shè)新課程或調(diào)整相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容加入了多核/多線程處理器的相關(guān)內(nèi)容,特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)HDL、FPGA、SOC、并行體系結(jié)構(gòu)、并行程序設(shè)計(jì)等技術(shù)的掌握。這些大學(xué)在相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面基本相同,都是以典型的四段或五段流水線CPU設(shè)計(jì)技術(shù)和存儲(chǔ)器層次化結(jié)構(gòu)為核心內(nèi)容,教學(xué)理念和教學(xué)思路也非常相似,都是站在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度闡述計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想,強(qiáng)調(diào)軟件與硬件的關(guān)聯(lián),使學(xué)生能很好地在高級(jí)語(yǔ)言程序、匯編語(yǔ)言程序、機(jī)器指令代碼和硬件機(jī)器結(jié)構(gòu)之間建立相互的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系,以建立對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)。
圖1給出了美國(guó)UC Berkeley大學(xué)2009年相關(guān)課程的設(shè)置概況,圖中箭頭反映課程開(kāi)設(shè)先后關(guān)系。
圖1UC Berkeley大學(xué)相關(guān)課程設(shè)置[2]
CS61C(Machine Structure)主要包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、指令流水線和存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)等方面的基礎(chǔ)內(nèi)容,以“C語(yǔ)言MIPS匯編MIPS目標(biāo)代碼MIPS處理器設(shè)計(jì)”為主線組織內(nèi)容,以“高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)和“模擬器”實(shí)驗(yàn)為手段,使學(xué)生建立單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。
CS 150(Components and Design Techniques for Digital System)主要介紹數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識(shí)和EDA設(shè)計(jì)技術(shù),2009年以前的實(shí)驗(yàn)主要是在FPGA開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行視頻解碼及播放電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),從2009年開(kāi)始改為“流水線CPU設(shè)計(jì)”,要求學(xué)生采用流水線方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)16條MIPS指令,以串行接口方式從PC上裝入程序到FPGA開(kāi)發(fā)板,并通過(guò)PC調(diào)試程序,最終通過(guò)VGA接口,將FPGA板連接到一個(gè)顯示器上,在該顯示器上顯示由所設(shè)計(jì)的CPU執(zhí)行的一個(gè)游戲程序的執(zhí)行結(jié)果,如圖2所示。
圖2UC Berkeley大學(xué)CS150課程綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3]
CS 152(Computer Architecture & Engineering)著重介紹多處理器并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),包括多核/眾核處理器、多處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及各類并行處理機(jī)制等。
CS194為新開(kāi)設(shè)的本科生課程,是一門(mén)基于FPGA的以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)為主的課程。在開(kāi)設(shè)新課程的同時(shí),該校還對(duì)相關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整,從2009年開(kāi)始,將CS152中基于FPGA的流水線CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)移到了CS150課程中,把原來(lái)研究生課程CS252中的很多內(nèi)容移到了CS152。
由此可見(jiàn),在這類課程的教學(xué)中,UC Berkeley近兩年有一個(gè)明顯變化,就是在保留傳統(tǒng)課程內(nèi)容的同時(shí)加強(qiáng)了基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。此外,在本科教學(xué)中加深了并行體系結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)內(nèi)容,而且教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整是在對(duì)相關(guān)幾門(mén)課的統(tǒng)籌規(guī)劃下進(jìn)行的。
2課程群建設(shè)思想
隨著多核/眾核處理器技術(shù)的出現(xiàn),我們意識(shí)到,必須對(duì)計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)方面的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。我們首先對(duì)本系開(kāi)設(shè)的所有課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào),教學(xué)存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不匹配、課程之間內(nèi)容脫節(jié)等問(wèn)題。有必要將相關(guān)課程組成一個(gè)課程群,以便在一個(gè)完整的框架體系下統(tǒng)一規(guī)劃、相互協(xié)調(diào),構(gòu)建科學(xué)合理的計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)課程教學(xué)體系。為此,從2007年開(kāi)始,我們提出并實(shí)施了“計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)”課程群建設(shè)方案。
2.1課程群教學(xué)目標(biāo)
根據(jù)本課程群在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要位置,結(jié)合我系的生源情況和培養(yǎng)目標(biāo),我們提出課程群的基本教學(xué)目標(biāo)為:提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)水平和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力,建立計(jì)算機(jī)整機(jī)概念,全面理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。具體包括以下幾個(gè)方面:了解計(jì)算機(jī)指令集體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原理;具備使用HDL進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基本能力;深刻理解OS和硬件之間的分工和銜接關(guān)系;掌握從硬件角度出發(fā)進(jìn)行編譯優(yōu)化的基本技術(shù);深刻理解從硬件角度出發(fā)編制高效程序的基本原理;提高利用硬件知識(shí)進(jìn)行程序調(diào)試的能力。
2.2課程群建設(shè)思路
課程群建設(shè)的總體思路為:1)根據(jù)課程群建設(shè)總體目標(biāo),規(guī)劃好課程群涵蓋的知識(shí)結(jié)構(gòu)和框架體系,合理定位各門(mén)課程的教學(xué)目標(biāo),把每個(gè)知識(shí)點(diǎn)落實(shí)到具體課程中。2)根據(jù)課程群知識(shí)點(diǎn)總體框架,擬定課程之間知識(shí)點(diǎn)銜接方案,并在教學(xué)過(guò)程中明確各知識(shí)點(diǎn)在不同課程之間的關(guān)系。3)根據(jù)規(guī)劃分頭編寫(xiě)或修訂教材及教案,并在統(tǒng)一的框架下建設(shè)相關(guān)課程網(wǎng)站。4)在保留各課程獨(dú)立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的同時(shí),構(gòu)建一個(gè)課程群公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并使各課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照一定的關(guān)系有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。
3課程群教學(xué)改革實(shí)踐
我們首先對(duì)現(xiàn)有課程進(jìn)行了調(diào)整。將原先模擬電子技術(shù)部分內(nèi)容合并到數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)中,形成數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)課程;將原先的計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容合并,形成計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程;同時(shí)建設(shè)一門(mén)新課高級(jí)并行體系結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)相關(guān)課程的調(diào)整,我們構(gòu)建了以“計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”為核心的課程群,如圖3所示。
圖中箭頭表示課程前后關(guān)系,其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為必修課;微機(jī)原理與接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)原理、高級(jí)并行體系結(jié)構(gòu)為選修課。此外,為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生FPGA、EDA、數(shù)字系統(tǒng)和流水線CPU等方面設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力的培養(yǎng),課程群教學(xué)規(guī)劃中專門(mén)設(shè)置了數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)組成原理必修實(shí)驗(yàn)課。
3.1各課程在課程群教學(xué)中的定位
圍繞課程群教學(xué)目標(biāo),根據(jù)課程之間的相互關(guān)系,我們確立了各課程在課程群教學(xué)目標(biāo)中的定位:1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論從宏觀上介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)涉及到的各個(gè)層次的內(nèi)容,讓學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全貌和相關(guān)知識(shí)體系。2)數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)圍繞組合邏輯設(shè)計(jì)和時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)兩大核心內(nèi)容,在邏輯門(mén)到功能部件這兩個(gè)層次展開(kāi)。以后續(xù)課程中用到的功能部件作為設(shè)計(jì)實(shí)例,采用“實(shí)例化”教學(xué)思路組織教學(xué)內(nèi)容。3)計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從寄存器傳送級(jí)以上層次介紹單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理,實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在CPU設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器方面。該課程處于課程群中核心地位,一方面,先行課程中學(xué)生感到似是而非的問(wèn)題在此要明確;另一方面,需要運(yùn)用先行課程的基本功能部件構(gòu)建更大規(guī)模和更強(qiáng)功能的部件;此外,本課程中提出的設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)原理要在后繼課程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)例中得到體現(xiàn)。4)微機(jī)原理與接口技術(shù)定位為計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理在PC上的實(shí)例化教學(xué)課程,主要以目前流行的基于IA-32體系結(jié)構(gòu)的PC為實(shí)例,實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容在PC的I/O接口技術(shù)。5)嵌入式系統(tǒng)原理定位為計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理在嵌入式系統(tǒng)方面的實(shí)例化教學(xué)課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)是基于ARM處理器和VxWorks及 COS-Ⅱ操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)單嵌入式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。6)高級(jí)并行體系結(jié)構(gòu)主要在更高層次上介紹多核/眾核CPU、多處理機(jī)系統(tǒng)、集群系統(tǒng)等不同粒度和規(guī)模的多處理器并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)方式及其應(yīng)用領(lǐng)域。
3.2各課程教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和銜接
課程群中的課程之間有很多關(guān)聯(lián),必須合理處理好關(guān)聯(lián)內(nèi)容,使課程之間能有機(jī)銜接。對(duì)于關(guān)聯(lián)內(nèi)容,我們的主要處理思路如下:
1) 數(shù)據(jù)的表示。
對(duì)于進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互之間的轉(zhuǎn)換、ASCII碼
表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、漢字編碼、無(wú)符號(hào)數(shù)表示、帶符號(hào)數(shù)表示,要求學(xué)生在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程中掌握,而在后繼課程中作為“回顧”內(nèi)容;各種BCD碼的介紹和相關(guān)電路設(shè)計(jì)內(nèi)容在數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)中講解;補(bǔ)碼特性和浮點(diǎn)數(shù)的表示則在計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹。
2) 功能部件。
邏輯門(mén)電路、半加器、全加器、加法器、比較器、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、移位器、內(nèi)存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)由數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)詳細(xì)介紹;計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程僅作概要性的功能說(shuō)明和解釋;計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程則運(yùn)用這些基本電路來(lái)構(gòu)建更大的功能部件。
3) 外存儲(chǔ)器。
有關(guān)磁盤(pán)信息的存儲(chǔ)、磁盤(pán)存儲(chǔ)器的構(gòu)造、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和磁盤(pán)控制器的接口、磁盤(pán)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)等內(nèi)容主要在計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中詳細(xì)介紹;計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程僅作概要性說(shuō)明;微機(jī)原理和接口技術(shù)中不再講解。
4)I/O設(shè)備及其接口。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論課程從計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成的角度簡(jiǎn)單提一下常用的外部設(shè)備的功能;計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要介紹各種外設(shè)抽象出來(lái)的一個(gè)通用結(jié)構(gòu),以及外設(shè)控制器的通用結(jié)構(gòu),并著重解釋清楚“外設(shè)―I/O接口(外設(shè)控制器)―I/O總線―主機(jī)”的連接關(guān)系;微機(jī)原理與接口技術(shù)則具體介紹PC機(jī)所用的一些接口電路、I/O總線及其互連。
5) 虛擬存儲(chǔ)器。
計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要介紹虛擬存儲(chǔ)器的基本概念和MMU中涉及的地址變換、頁(yè)表和段表結(jié)構(gòu)、快表,以及如何發(fā)現(xiàn)“缺頁(yè)”和發(fā)生“缺頁(yè)”時(shí)處理器中進(jìn)行的一系列處理步驟;微機(jī)原理與接口技術(shù)具體介紹Pentium系列處理器對(duì)虛擬存儲(chǔ)器的支持,包括段選擇子、段描述符/描述符表、邏輯地址―線性地址―物理地址的轉(zhuǎn)換等。對(duì)于“缺頁(yè)”處理過(guò)程中涉及的問(wèn)題,操作系統(tǒng)課程將會(huì)作詳細(xì)介紹。
3.3課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的規(guī)劃和實(shí)施
課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路是,將各課程中相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容規(guī)劃在統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互依托、避免重復(fù),由低層逐步向高層過(guò)渡,最終使學(xué)生全面建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。
統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是Altera DE2/70開(kāi)發(fā)板,其上擁有70000個(gè)邏輯單元的Cyclone® II 系列2C70型FPGA 芯片,并配有軟核處理器NiosII和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)軟件:Quartus II、SOPC Builder、NiosII IDE、DSP Builder等,可以開(kāi)展以下五個(gè)層次的實(shí)驗(yàn):功能部件CPU+存儲(chǔ)器軟核處理器+存儲(chǔ)器+總線+I/O軟核處理器系統(tǒng)+OS軟核處理器系統(tǒng)+OS+多媒體編碼等應(yīng)用。
在Altera DE2/70統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)方面:
1) 數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)。
利用Quartus II實(shí)現(xiàn)基于HDL和FPGA的組合電路、時(shí)序電路和簡(jiǎn)單數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
2) 計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)。
利用Quartus II實(shí)現(xiàn)基于HDL和FPGA的ALU、寄存器組、桶型移位器、乘/除法器,單周期CPU、多周期CPU和流水線CPU的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
3) 微機(jī)原理與接口實(shí)驗(yàn)。
基于軟核處理器和SOPC開(kāi)展總線、存儲(chǔ)器和I/O接口實(shí)驗(yàn)。例如,通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)外設(shè)和SRAM相連;利用UART實(shí)現(xiàn)輪詢、中斷和DMA方式I/O。
4) 嵌入式系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)。
主要包括兩類實(shí)驗(yàn):(1)基于NiosII+μCOS操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),例如七段數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)、小型GUI
移植實(shí)驗(yàn)和文件系統(tǒng)讀寫(xiě)實(shí)驗(yàn)等;(2)基于NiosII IDE的簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn),例如簡(jiǎn)單C語(yǔ)言編程實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)單DSP處理實(shí)驗(yàn)等。
有些課程除了在以上統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以外,還要求完成其他實(shí)驗(yàn),如計(jì)算機(jī)組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的編程實(shí)驗(yàn),微機(jī)原理與接口的匯編程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),嵌入式系統(tǒng)原理的基于ARM處理器的實(shí)驗(yàn)等。
4結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)近年來(lái)的課程群教學(xué)改革實(shí)踐,我校相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容在廣度和深度上都有提高;課程間知識(shí)點(diǎn)的銜接更加合理,減少了重復(fù),彌補(bǔ)了缺失。通過(guò)統(tǒng)一規(guī)劃,課堂教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相得益彰;在對(duì)課程群統(tǒng)一的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的規(guī)劃下,我們實(shí)現(xiàn)了各課程間實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的有機(jī)銜接。
由于課程群的建設(shè)時(shí)間較短,需要開(kāi)展的工作還有很多,今后幾年,我們主要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)進(jìn)行課程群教學(xué)改革實(shí)踐:編寫(xiě)相關(guān)課程教材以開(kāi)展課程群系列化教材建設(shè);加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,增加和完善各類模擬器實(shí)驗(yàn);開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程。
相信通過(guò)以上一系列的教學(xué)改革措施,一定會(huì)改變學(xué)生“喜軟怕硬”的心理。學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)方面知識(shí)的掌握水平和運(yùn)用能力將會(huì)有較大提高,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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Construction and Reform of “Computer Organization and Architecture” Courses Group
YUAN Chun-feng, HUANG Yi-hua, WU Gang-shan, YU Jian-xin, WU Hai-jun
(Department of Computer Science and Technology, Nanjing University,Nanjing 210093, China)
摘要：本文對(duì)我系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的工程實(shí)習(xí)教學(xué)模式改革進(jìn)行了探討，提出了外部工程實(shí)習(xí)基地和校內(nèi)工程實(shí)習(xí)平臺(tái)相結(jié)合的模式，并重點(diǎn)介紹了校內(nèi)工程實(shí)習(xí)平臺(tái)建設(shè)的模型。
關(guān)鍵詞：工程實(shí)習(xí)；教學(xué)環(huán)節(jié)；平臺(tái)建設(shè)
中圖分類號(hào)：G642
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
上海水產(chǎn)大學(xué)信息學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系在注重基礎(chǔ)理論課程建設(shè)的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)的教學(xué)，在教學(xué)計(jì)劃中設(shè)置了專業(yè)實(shí)踐和綜合實(shí)踐課程，包括電路與電子技術(shù)設(shè)計(jì)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)踐、數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐、基于C#的Windows程序設(shè)計(jì)實(shí)踐、基于.net的Web程序設(shè)計(jì)實(shí)踐、數(shù)據(jù)庫(kù)程序設(shè)計(jì)、軟件工程實(shí)訓(xùn)、需求分析與解決方案設(shè)計(jì)等。但是單門(mén)課程的設(shè)計(jì)難以幫助學(xué)生建立起完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和掌握開(kāi)發(fā)技術(shù)，因此工程實(shí)習(xí)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)是不可偏廢的。由于外部環(huán)境的變化與自身?xiàng)l件，學(xué)校此專業(yè)的外部實(shí)習(xí)基地條件不足，因而工程實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)未達(dá)到應(yīng)有的效果，現(xiàn)實(shí)情況要求我們尋求一種新模式。
1工程實(shí)習(xí)的安排
我們?cè)诖笕谀┖痛笏纳蠈W(xué)期安排學(xué)生專門(mén)完成工程實(shí)習(xí)的教學(xué)任務(wù)。將全體學(xué)生分成若干大組，每個(gè)大組配備專業(yè)指導(dǎo)教師。整個(gè)工程實(shí)習(xí)為三周時(shí)間，實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)分成兩個(gè)階段。第一階段，校外實(shí)習(xí)時(shí)間為一周。在該階段學(xué)生在專業(yè)教師指導(dǎo)和組織下到計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)生產(chǎn)、開(kāi)發(fā)企業(yè)參觀、學(xué)習(xí)，接觸社會(huì)，了解行業(yè)動(dòng)態(tài)和需求。在實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，每位學(xué)生要寫(xiě)出實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告。本階段的目的就是讓學(xué)生直觀地、感性地認(rèn)識(shí)IT行業(yè)，初步接受IT職業(yè)訓(xùn)練。第二階段，校內(nèi)實(shí)習(xí)時(shí)間為二周。該階段把學(xué)生分成若干小組，每組4~5人。在校內(nèi)的工程實(shí)習(xí)平臺(tái)上，每組根據(jù)一個(gè)實(shí)際的需求，其成員共同完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、功能模塊劃分、代碼設(shè)計(jì)及調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等階段工作，最終開(kāi)發(fā)出符合需求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本階段的目的不僅僅是鍛煉學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，而且更重要的是培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同工作精神。在這一階段，指導(dǎo)教師應(yīng)事先了解學(xué)生的情況，進(jìn)行合理的分組，盡力做到組內(nèi)學(xué)生能力均衡，要求各組內(nèi)部的成員既要分工，又要協(xié)作。為防止在單門(mén)課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的每組僅由個(gè)別同學(xué)來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，而其他同學(xué)袖手旁觀的現(xiàn)象。在校內(nèi)的工程實(shí)習(xí)中采用全面的成績(jī)?cè)u(píng)定規(guī)則，即在本階段的后期，指導(dǎo)老師要對(duì)每組的開(kāi)發(fā)工作進(jìn)行驗(yàn)收。在大組的范圍內(nèi)由小組主要成員演示他們所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)功能，小組中的每位同學(xué)都要進(jìn)行簡(jiǎn)單答辯。
2校內(nèi)工程實(shí)習(xí)平臺(tái)的建設(shè)
結(jié)合學(xué)生前三年課程學(xué)習(xí)的實(shí)際，平臺(tái)被建設(shè)成以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為核心，采用C／S結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)模型。整個(gè)工程實(shí)習(xí)平臺(tái)分成如下8個(gè)子項(xiàng)目建設(shè)：校園“一卡通”管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；連鎖酒店網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；學(xué)生上機(jī)管理及考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)；超市冷凍機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；冷藏車(chē)多溫區(qū)溫度記錄與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；基于ARM7的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；RPG游戲軟件設(shè)計(jì)；多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。每個(gè)子項(xiàng)目均模擬一個(gè)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，但進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化處理，以適合4~5個(gè)學(xué)生的開(kāi)發(fā)小組在二周時(shí)間內(nèi)完成。生產(chǎn)實(shí)習(xí)平臺(tái)為每個(gè)子項(xiàng)目提供所需的硬件設(shè)備，包括4~5臺(tái)連成局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)和IC卡讀寫(xiě)器、RS232-RS485轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)制解調(diào)器等及軟件學(xué)習(xí)模板，使學(xué)生具有開(kāi)展工作的必要條件和環(huán)境。
在工程實(shí)習(xí)平臺(tái)的硬件建設(shè)中，我們盡量利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的計(jì)算機(jī)，每4~5臺(tái)為一組，相互之間用以太網(wǎng)連接，其中一臺(tái)用作數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，其他的用作客戶機(jī)。如果所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)中需要通信前置機(jī)，則利用其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)承擔(dān)通信前置機(jī)的任務(wù)。對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)中需要的一些設(shè)備，如IC卡讀寫(xiě)器、溫度傳感器、RS232-RS485轉(zhuǎn)換模塊等，采用自制或購(gòu)買(mǎi)。而對(duì)于有些不能自制或購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備，如PH值參數(shù)采集器等，分別用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬，通過(guò)程序模擬這些設(shè)備參數(shù)的產(chǎn)生及設(shè)備動(dòng)作。
在工程實(shí)習(xí)平臺(tái)軟件建設(shè)中，為每個(gè)子項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一套軟件學(xué)習(xí)模板。軟件學(xué)習(xí)模板將提供關(guān)鍵單元軟件和子項(xiàng)目系統(tǒng)軟件。關(guān)鍵單元軟件是指學(xué)生以前沒(méi)有接觸過(guò)的設(shè)備接口軟件，如傳感器的讀寫(xiě)程序、串口通信程序等；子項(xiàng)目系統(tǒng)軟件是指按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件架構(gòu)及按此架構(gòu)設(shè)計(jì)的所有功能程序。學(xué)生通過(guò)對(duì)軟件模板的學(xué)習(xí)和借鑒，可縮短開(kāi)發(fā)周期，在二周時(shí)間內(nèi)完成該階段工程實(shí)習(xí)任務(wù)，達(dá)到學(xué)習(xí)和鍛煉的目的。
3工程實(shí)習(xí)具體實(shí)例
本小節(jié)以工程實(shí)習(xí)平臺(tái)中的“基于ARM7的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”子項(xiàng)目為例，來(lái)說(shuō)明工程實(shí)習(xí)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容。子項(xiàng)目的需求為系統(tǒng)必須具備以下3個(gè)功能模塊。
(1) 檢測(cè)模塊。本模塊包括三部分，分別是溫度檢測(cè)、PH值檢測(cè)、光照值檢測(cè)。
j 溫度檢測(cè)中采用的是單線制溫度傳感器18B20，檢測(cè)精度可以控制在±0.5℃。該溫度傳感器有如下特性：
獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊
簡(jiǎn)單的多點(diǎn)分布應(yīng)用
無(wú)需外部器件
可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電
零待機(jī)功耗
測(cè)溫范圍為-55~+125℃
溫度以9位數(shù)字量讀出
溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms(典型值)
溫度傳感器18B20會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流，溫度每增加1℃，它會(huì)增加1μA輸出電流。在溫度測(cè)量中，傳感器存在熱慣性，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中表現(xiàn)為測(cè)量值落后于真實(shí)值而跟隨介質(zhì)溫度的變化，為此必須改善傳感器本身的動(dòng)態(tài)特性。采集的數(shù)據(jù)送入微處理器。
k PH值檢測(cè)選用PHJ-206作為PH值傳感器，為其設(shè)計(jì)了放大、濾波電路，采集的值經(jīng)放大處理后送入微處理器。
l 光照值檢測(cè)采用的是一種職能光電轉(zhuǎn)換傳感器TSL230B，它可直接對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換；其靈敏度、分頻輸出可由程序控制，反饋采集的數(shù)據(jù)可以直接傳入微處理器。
(2) 控制模塊。本模塊也包括三部分：溫度自動(dòng)控制、PH值自動(dòng)控制和光照自動(dòng)控制。
j 溫度自動(dòng)控制。溫度自動(dòng)控制是通過(guò)接受STR730發(fā)出的溫度信號(hào)來(lái)判別溫度是否正常，是偏高或是偏低，以便采取相應(yīng)的措施。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 溫度控制結(jié)構(gòu)圖
如圖1所示，傳感器將數(shù)值傳人處理器后由處理器通過(guò)算法來(lái)計(jì)算溫度是否在范圍內(nèi)，如果高出預(yù)設(shè)的范圍，則打開(kāi)制冷裝置；如果低于預(yù)設(shè)范圍，則打開(kāi)加熱處理，直到溫度在正常范圍內(nèi)。
k PH值自動(dòng)控制。程序每分鐘檢測(cè)控制一次加液裝置，當(dāng)檢測(cè)到PH值超出PH值范圍時(shí)，啟動(dòng)加液裝置，啟動(dòng)15ms后關(guān)閉；如下一分鐘PH值仍超出范圍，繼續(xù)開(kāi)加液裝置，15ms后關(guān)閉；如此循環(huán)，直到PH值在正常設(shè)定范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)圖如2所示。
如圖2所示，經(jīng)由PH值傳感器將所采集的PH值傳入處理器進(jìn)行溢出計(jì)算，判斷PH值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，如高于預(yù)設(shè)范圍，則打開(kāi)加液裝置；如果低于預(yù)設(shè)范圍，則打開(kāi)減液裝置，直至PH值在正常范圍內(nèi)。
l 光照強(qiáng)度自動(dòng)控制。程序每隔一定的時(shí)間對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)I/O中斷記數(shù)傳入處理器，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)的溢出計(jì)算來(lái)判斷是否在正常范圍內(nèi)，如高于預(yù)設(shè)值則打開(kāi)光源；如低于預(yù)設(shè)則關(guān)閉光源，直至光照強(qiáng)度在正常范圍內(nèi)。
圖2 PH控制結(jié)構(gòu)圖
(3) 顯示模塊。顯示模塊是面向用戶的模塊，它提供給用戶一個(gè)可視的界面，用戶則可以通過(guò)此界面來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行按鍵操作，以達(dá)到用戶的需求。顯示模塊的主要配件為L(zhǎng)CD液晶屏，不同型號(hào)的LCD所擁有的功能是不一樣的。顯示模塊還必須能將檢測(cè)裝置所采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示在LCD上，再進(jìn)行是否溢出的判斷。
硬件平臺(tái)構(gòu)建好了，還需提供必要的軟件模板，以供學(xué)生學(xué)習(xí)、借鑒。子項(xiàng)目系統(tǒng)軟件是符合概要設(shè)計(jì)需求的、具有比較完善功能的系統(tǒng)程序，包含參數(shù)采集、參數(shù)管理統(tǒng)計(jì)、異常情況提示、基本信息管理等模塊。子項(xiàng)目系統(tǒng)軟件只作為學(xué)生學(xué)習(xí)參考的模板，學(xué)生開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)不能照搬模板程序。
4成績(jī)?cè)u(píng)定規(guī)則
成績(jī)?cè)u(píng)定的指導(dǎo)方針是激勵(lì)學(xué)生互相合作、自主創(chuàng)新。學(xué)生成績(jī)的評(píng)定并不是由指導(dǎo)教師一人評(píng)定，而是在大組范圍內(nèi)學(xué)生演示的基礎(chǔ)上由學(xué)生參與打分。具體成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)規(guī)則如下：
(1) 工程實(shí)習(xí)以小組為單位，考核整個(gè)小組開(kāi)發(fā)任務(wù)完成的情況。小組成績(jī)分為4個(gè)等級(jí)：優(yōu)、良、及格和不及格。
?小組成績(jī)?yōu)閮?yōu)的指標(biāo)：小組所有成員均積極工作，合作精神好，整體功能及用戶界面完成佳，有創(chuàng)新點(diǎn)，并且有較規(guī)范的設(shè)計(jì)文檔資料；
?小組成績(jī)?yōu)榱嫉闹笜?biāo)：小組大部分成員均積極工作，合作精神好，設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中的功能需求均能自主實(shí)現(xiàn)，人機(jī)界面友好，并且有較規(guī)范的設(shè)計(jì)文檔資料；
?小組成績(jī)?yōu)榧案竦闹笜?biāo)：合作精神較好，仿照模板軟件能完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體功能聯(lián)調(diào)運(yùn)行通過(guò)，能提交設(shè)計(jì)文檔；
?開(kāi)發(fā)小組出現(xiàn)下面情況之一，小組成績(jī)?yōu)椴患案瘢?/p>
① 子項(xiàng)目的所有功能僅由某一個(gè)同學(xué)獨(dú)自完成，小組其他同學(xué)沒(méi)有參與工作。
② 系統(tǒng)整體不能運(yùn)行。
③ 所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中所需求的基本功能。
(2) 學(xué)生的個(gè)人成績(jī)分成5個(gè)等級(jí)：優(yōu)、良、中、及格和不及格。每個(gè)學(xué)生的成績(jī)與小組成績(jī)掛鉤。
?成績(jī)?yōu)閮?yōu)的小組，其主要完成者(1～2人)成績(jī)?yōu)閮?yōu)，其他同學(xué)成績(jī)?yōu)榱迹?/p>
?成績(jī)?yōu)榱嫉男〗M，其主要完成者(1人)成績(jī)?yōu)閮?yōu)，其他同學(xué)成績(jī)?yōu)榱蓟蛑?視承擔(dān)任務(wù)的情況而定)；
?成績(jī)?yōu)榧案竦男〗M，其主要完成者(1～2人)成績(jī)?yōu)榱迹渌瑢W(xué)成績(jī)?yōu)橹谢蚣案?視承擔(dān)任務(wù)的情況而定)；
?成績(jī)?yōu)椴患案竦男〗M，其主要完成者成績(jī)?yōu)橹校渌瑢W(xué)成績(jī)?yōu)椴患案瘛?/p>
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[關(guān)鍵詞]圖像處理；FPGA
中圖分類號(hào)：1P391.4l 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
Abstract： Currently， computer-based image edge detection in various fields occupy an important part， through effective edge detection， can greatly simplify the subsequent image processing of the image information analysis. Therefore， real-time image edge detection based FPGA research and design has been received much attention. This paper studies the FPGA-based image edge detection algorithm.
Keywords： image processing；FPGA
1邊緣檢測(cè)算法
圖像銳化就是增強(qiáng)圖像的邊緣或輪廓[1]。圖像邊緣是圖像的基本特征之一，它包含了圖像中豐富的信息，圖像邊緣增強(qiáng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、安防即醫(yī)療等領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代末，美國(guó)的麻省理工學(xué)院的Marr和HiWretdi提出了一種類似于人類視覺(jué)的“邊緣檢測(cè)理論”，從而解開(kāi)了圖像銳化算子研究的序幕[2]。之后，圖像邊緣特征的提取方法一直是圖像處理和分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
常見(jiàn)的銳化算子還有羅伯特（Robert）算子，普瑞維特（Prewitt）算子，索貝爾（Sobel）算子，以及拉普拉斯（Laplacian）算子[3]。所有基于梯度的銳化算法之間的根本區(qū)別是算子應(yīng)用的方向，以及在這些方向上逼近圖像一維導(dǎo)數(shù)的方式和把這些近似值合稱為梯度值的方法。
圖1-1 Robert算子
羅伯特（Robert）算子是在2×2窗口鄰域中計(jì)算對(duì)角導(dǎo)數(shù)，Robert對(duì)應(yīng)的模板如圖1-1 所示，差分計(jì)算式如下式示：
（1-1）
上式能夠提供較好的不變形邊緣取向。對(duì)于同等長(zhǎng)度但取向不同的邊緣，用羅伯特算子能獲得較好的處理效果[4]。但是由于采用的2×2窗口較小，所以圖像處理精度不高。
采用更大窗口的Prewitt算子處理結(jié)果相對(duì)Robert算子獲得了更多的圖像邊緣信息。另外，羅伯特算子的一個(gè)重要問(wèn)題是由于不包括平滑，所以對(duì)于噪聲比較敏感，為了解決上述導(dǎo)數(shù)算子對(duì)噪聲相應(yīng)敏感的問(wèn)題，可以在圖像進(jìn)行導(dǎo)數(shù)運(yùn)算之前，先對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理（如局部平均）以減少噪聲[5]。普瑞維特（Prewitt）算子從加大邊緣增強(qiáng)算子的模板大小出發(fā)，由圖1-1的2×2模板擴(kuò)大到圖1-2的3×3模板來(lái)計(jì)算差分。
圖1-2 Prewitt算子
依據(jù)圖1-2的兩個(gè)模板卷積形成該算子，圖像中的每個(gè)像素都用這兩個(gè)核做卷積，一個(gè)核對(duì)垂直邊緣影響最大，另一個(gè)對(duì)水平邊緣影響最大。兩個(gè)卷積的最大值作為該點(diǎn)的輸出值。
兩個(gè)方向的差分計(jì)算式如下：
（1-2）
（1-3）
普瑞維特（Prewitt）算子的差分運(yùn)算為不加權(quán)的平均值差分算子，屬于兩個(gè)互相垂直的平均值差分算子組合。為了增強(qiáng)靠近中心像素點(diǎn)像素值的權(quán)重，提出了索貝爾（Sobel）銳化算子。索貝爾（Sobel）算子是一種加權(quán)平均算法，該算法理論認(rèn)為鄰域的像素對(duì)當(dāng)前像素產(chǎn)生的影響不是等價(jià)的，所以距離不同的像素點(diǎn)具有不同的權(quán)值[6]，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響也不同，因而具有更好的抑制噪聲能力。對(duì)應(yīng)模板如圖1-3所示。
圖1-3 Sobel算子
具體定義為：
（1-4）
（1-5）
（1-5）
其中， 是圖像中對(duì)應(yīng)于3×3像素窗口中心點(diǎn)（x，y）的二維梯度絕對(duì)值，Gx是該點(diǎn)水平方向梯度值，Gy是垂直方向梯度值。為便于硬件實(shí)現(xiàn)，上式修正為：
（1-7）
拉普拉斯（Laplacian）算子是一種二階的微分算子，其定義圖像 （x，y）的梯度為：
（1-8）
對(duì)于離散數(shù)字圖像，二階微分算子可用二階差分來(lái)代替，從而拉普拉斯算子可以表示為：
（1-9）
相應(yīng)的有拉普拉斯算子對(duì)應(yīng)的模板如下圖1-4所示：
圖1-4 拉普拉斯算子
拉普拉斯算子是一個(gè)各向同性、線性和位移不變的邊緣檢測(cè)算子，對(duì)細(xì)線和孤立的點(diǎn)檢測(cè)效果好，但拉普拉斯算子丟失了邊緣方向信息，常產(chǎn)生雙像素的邊緣，且對(duì)噪聲有加強(qiáng)作用，這些都是圖像邊緣提取中不希望出現(xiàn)的[7]。由于這些原因，通常拉普拉斯算子并不直接用來(lái)進(jìn)行邊緣檢測(cè)，而是需要與其它算法相結(jié)合以便利用拉普拉斯算子的特點(diǎn)，比如用高斯函數(shù)的拉普拉斯與圖像做卷積來(lái)檢測(cè)圖像邊緣，但無(wú)疑這樣就更進(jìn)一步增加了算法的復(fù)雜度，拉普拉斯算子本身就已經(jīng)是一個(gè)二階微分，再與其它算法結(jié)合則更不利于算法硬件實(shí)現(xiàn)因此，綜上所述，本課題設(shè)計(jì)選用3×3窗口的索貝爾（Sobel）銳化算子，在實(shí)現(xiàn)邊緣提取的同時(shí)盡可能的保留圖像背景信息，獲得更好的銳化效果。
2 基于FPGA實(shí)現(xiàn)閾值銳化算法
上文中己對(duì)課題所設(shè)計(jì)圖像處理平臺(tái)所需要的算法進(jìn)行了分析和選取，針對(duì)FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)還需要對(duì)算法做進(jìn)一步的修正，在3×3方形窗中用像素點(diǎn)來(lái)表示，那么式（1-4），（1-5）可表示為：
（2-1）
（2-2）
其中對(duì)應(yīng)像素排列為：
這樣，就可以方便的利用VerilogHDL硬件編程實(shí)現(xiàn)該算法。對(duì)應(yīng)軟件設(shè)計(jì)公式如下：
（2-3）
（2-4）
（2-5）
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