系统科学原理范文

导语：如何才能写好一篇系统科学原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公文云整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】 系统科学 原理 教学过程

教学过程本质上是一种认识过程[1]。这一认识在系统科学里就看成一个完整系统。牛顿力学以三个运动定律作为基本原理,逻辑地演绎出牛顿力学体系;热力学以热学的三个基本定律为基本原理,逻辑的演绎出经典热力学体系;爱因斯坦的狭义相对论,以及狭义相对性原理和光速不变原理为基础;爱因斯坦的广义相对论,以及广义相对性原理和等效原理为基础[2]。同理,如果我们把控制论、信息论、系统论、耗散结构论、协同论、超循环论作为一门科学,称系统科学。从系统科学业中所涉及的概念、规律中可以抽象出三个基本原理。既反馈原理、有序原理、整体原理,将系统科学基本原理应用于教学过程中,这是本文讨论的中心问题。为了突出重点,论述简明,先将系统科学原理表述如下:

反馈原理:任何系统只有通过信息反馈,才可能实理有效的控制,从而达到预期的目的。

有序原理:任何系统只有开放,有涨落,远离平衡态,才可能走向有序,才可能得到发展。

整体原理:任何系统只有通过科学的相互联系而开成整体结构,才能发挥整体功能大与各部分功能之和的功能。

把教学过程看作是一个系统,将上述系统科学三个基本原理应用于教学过程来研究,是符合科学规律的,只要应用恰当,将会提高教学效率,同时有助师生的信息交流。为了解决教学过程中存在的问题,提高教学效率,下面对系统科学原理在教学过程中应用初步探讨。

1反馈原理在教学过程中的应用

任何一门具体学科的教学和具体技能的训练,任何一章一节的教学,任何一项实验的进行等,都有具体的目的。在教学过程中,要随时通过反馈信息掌握现状与目的的差距,从而去解决难点,去调整教学的速率,去改进教学业的方法,做到因材施教。“孔子教人,各因其材”这表明孔子在教学实践中已注意到应用反馈原理。在教学中应用反馈原理十分重要,作用很大,对学生来说。反馈信息可使学生强化正确,改正错误,找出差距,促进努力。对教师来说,反馈信息可使教师掌握情况,改进教法,找出差距,提高质量。试举一个例子

例如:判断是否正确,加速度与向心加速度是等价的。

可能有“正确”、“错误”两种回答,回答“正确”的学生显然没弄懂加速度、向心加速度各自物理意义;回答“错误”的学生可能有一部分是主观判断的,也有一部分是真正弄懂了。教师得到这一及时反馈,就知道学生究竟弄懂这两个物理量没有,然后引导学生对加速度物理意义(描述速度改变快慢的物理量),向心加速度物理意义(描述速度方向改变快慢的物理量)正确理解,通过有针对性的及时反馈,使学生对该问题有一个很深的印象,使学生头脑中存在的问题从根本得到解决,从而使学生达到以后不会再犯类似错误的目的。改正错误,就会给学生留下很深的印象。在学生发现问题、分析问题和解决问题的过程中培养了学生的批判性思维能力、表述能力和合作能力。以上例子按下原理图分析的

2有序原理在教学过程中的应用

有序原理告诉我们,系统进化的必要条件是:系统必须开放,只有开放的系统才能与外界物质的、能量的,信息的交换。人的大脑是一个热力学系统。如不开放,与外界无信息交流,形成封闭,则大脑的熵将自发地趋于增加,走向无序。因此,教学系统必须开放,不仅是师生之间的相互沟通,也包括同学之间互相沟通,学生与书本间的沟通,学生与环境等子系统之间的相互沟通。

有序原理告诉我们,整个教学过程中要遵循:循序渐进,逐步深化,周期跃迁,勇于创新,这样才能使教师、学生和谐的共同发展。举个例子:

例1.批改作业传统的做法是由教师完成,从有序原理看,批改作业应放到一个开放的系统中完成。学生之间相互批改学生的作业,不同班级相同学科的教师互相批改学生的作业。这样将作业批改放到在一个开放的系统里运作,充分利用了“物质”和“能量”的信息交换,从而使得学生、教师的解题能力得到迅速提高和发展。

3整体原理在教学过程中的应用

没有结构的孤立部分,要求发挥整体功能是不可能的。对于教学过程这一系统,仅仅有教师、学生、自然科学世界这些因素,不可能显示出一个教学系统的整体功能。就如人体有各种器官,这些器官相互联系,相互制约形成有机的整体。在教任何一门学科时,不能仅仅教授一条条孤立的知识,而要即分解一份份学生可接受的知识,又不断注意各知识间的内在联系,以使学生对这门科学形成一个整体结构。从而提高教学效率。整体原理可用下式表示:

E整=E部+E联

当E联>0 时,E整>E部,即系统的整体功能大于各个部分功能之和。表明整体的结构产生了整体的新功能。这一理念启示我们在教学过程中,不但要注意教学过程中的每一环节,更要重视教学过程整体。鲁纳等人曾做过实验,受试为两组大学生,一组采取整体法的策略。即从整体出发注意各部分的关系以解决问题;另一组采取部分法的策略,即从部分出发总和起来以解决问题。他们的任务是从一系列的卡片中,根据内容的特性抽出概念,拟定假设,解决问题,研究表明,不论问题的难易或特征的多少,问题的解决皆以整体法优于部分法[3]。举个例子:

例1.如下图所示,生重量为G的重物被轻绳AO、OB、OC拉着处于静止状态,绳OB与竖直方向夹角为,求绳AO、BO中的张力?

通过分析可以选取O处于平衡状态。应用当F =0求张力,应用此思路求张力时可以采用正交分解法,也可以应用平行四边形定则或通过几何的方法求出张力。换个角度,应用力的分解知识同样可以求出张力,通过分析总结出解决此类问题有两条思路、三种方法。这样通过对一道题采用多种不同的解法,(下转第141页)

(上接第19页)将不同解法进行科学分析。揭示出它们的内在联系,从而形成解决某一类问题的方法结构,进而发挥方法群的整体功能。

系统科学基本原理的反馈原理、有序原理、整体原理应用于教学过程中,反馈原理揭示了变化中的稳定性;有序原理揭示了多样中的统一性;整体原理揭示了联系中的完整性。事实上三个原理是有其内在联系的,抓住内在联系应用于教学过程是更值得探讨的问题。因此,这三个原理的应用,对提高教学效率有着很重要的意义,同时对培养人才也是非常重要的,这就需要我们进一步的研究、探讨。

参考文献:

[1] 阎金铎.田世昆.中学物理教学业概论(M).北京:高等教育 出版社,1999年第一版.

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关键词 科研管理系统 移植 实用性 扩展性

中图分类号：G47 文献标识码：A

Research and Management System Application Analysis of Independent Institute

Abstract This paper analyzed independent institute research management system application status and lack， build the the independent colleges' actual research management system， proposed new system construction principles and building ideas， and suggest ways to strengthen the promotion and application.

Key words research and management system； transplant； practicality； expansibility

0 前言

现如今，中国高等教育蓬勃发展，培养人才、科学研究和社会服务是高等学校的三大职能。其中，科学研究也是衡量高等学校发展水平的关键所在，而对科研的管理，也开始受到更大重视。随着互联网技术的发展，很多高校都开始把信息化建设作为重要内容。为学校的各个部门开发使用管理信息系统，也成为提高部门工作效率和水平的必要手段。管理信息系统可以推动信息的交流与共享。管理信息系统能够为高校的信息化管理、办公自动化和科学化决策提供支持。把科研工作和管理信息系统相结合，借助于科研管理信息系统，高等学校可以加强日常科研工作管理，规范科研工作流程，进而提高科研管理水平。可以说，科研管理系统的应用已是当今高等学校科研管理的必由之路。

1 独立学院科研管理系统应用的具体现状及原因分析

在独立学院，从事科研的一线教师队伍也开始壮大，科研项目课题开始逐渐增多，与之相关的科研经费和科研学术成果也开始有显著增加。一方面是独立学院规模和档次的提升，另外一个方面却是独立学院信息化建设的停滞不前。特别是在科研工作管理方面，信息化做的尤其不够。纯人工和手工的方式只能应付少量数据的情况，如果遇到大量的科研信息，手工方式就变得极其繁重和繁琐。同时，由于科研管理部门和科研人员之间沟通困难，不能反映科研项目的实时进度，从而导致科研管理工作始终处于盲目状态。

科研管理系统的应用越来越广泛已经成为事实。但独立学院使用科研管理系统的比例并不大，通过分析，认为主要是以下几方面原因：

（1）学院决策层重视程度不够，推进也很困难。部分领导之前在原来母体高校从事过科研或科研管理工作，知道科研工作的重要性。到了新的独立学院管理岗位后，也会顺理成章的重视科研工作。很多中级管理层多由母体高校退休或返聘人士组成，有相当多工作人员计算机操作水平不高，对信息化系统使用存在困难，缺乏科研工作积极性。对科研工作，管理人员习惯于“上传下达”，习惯于发文件和做指示。

（2）科研工作数量还有待增加。对于独立学院，科研人员要想申请科研课题和项目，往往困难重重，从上到小，从国家各部委到省市地厅局，从纵向到横向，往往受到的羁绊较多，最终获得批准的项目很少。所以，这种情况下获得的科研信息数据就很少，日常需要处理的科研信息量也少。从而导致很多独立学院的科研管理人员都是采用手工报表的方式来管理数据信息。因此管理人员对建设科研管理系统的要求也不够强烈。

（3）科研管理思路还有待进一步调整。做好科研管理工作的前提是要有一个好的成熟的科研管理思路。在目前，很多独立学院的科研管理制度还没有制定，从管理流程，到管理方法，再到具体管理项目，都需要一步步细化和优化。很多独立学院由于科研管理制度缺乏规范和准则，整个科研管理工作处于无序状态，科研管理系统的建设更无从谈起。

2 独立学院建设科研管理系统是大势所趋

科研管理系统的建设，成为学校信息化建设的很重要一环。全国一些比较有实力和远见的独立学院纷纷行动，开始着手进行科研管理信息系统的建设工作。建设一个优秀的科研管理系统，可以推动科研工作向数字化、网络化管理发展，形成一个动态的科研数据中心和科研管理平台。借助于科研管理系统，科研管理人员能够及时掌握准确的科研信息，从而撰写出有效材料为领导提供智囊决策。同时，作为学校领导，可以通过科研管理系统中最实时、最直观的科研动态分析来进行科研管理决策；作为一线科研人员，可以从系统中获取重要科研信息、阅读查询科研成果，形成个人的详细科研资料库，以方便后期职称申报；作为管理人员，也可以供财务、人事、教学、学工等管理部门作为材料参考。有了真正的功能完善的工作量管理系统，才算是真正实现“网上科研、网上管理、网上办公、网上服务”，才算是真正的推动学校科研管理的信息化进程，为学校科研发展提供良好的服务和管理平台。

3 独立学院如何构建科研管理系统

在不久的将来，独立学院都会从母体高校“带土移植”，然后“去土留根”。可以借鉴和复制重点高校科研管理工作的成功模式，针对独立学院的具体实际情况，区别对待。保留和建立好的规章制度，保留和传承好的工作作风和做法，以母体高校科研的成功之处为导向，大力发展科研工作。随着科研工作规模和档次的提升，科研管理工作量必然会大量增加，需要处理的数据流和业务流将不断攀升。大量的繁杂数据呈现几何级的增长，守旧的老式管理方法将不堪重负，需要一套功能完善良好的科研管理系统来高效的处理科研管理工作。设计一个良好的独立学院科研管理系统，应该充分考虑好构建原则和设计框架，要注意以下几点。

3.1 在构建科研管理系统时，要有政策做铺垫，讲究实用性和扩展性

科研管理工作同样需要得到政策和规章制度的支持，要想建设和使用科研管理系统，独立学院首先要出台严格规范的管理方法和模式，要有统一的规则。项目课题、项目成果，项目经费等都是非常重要的数据信息，也是用于衡量研究人员的最重要的依据，在对这些信息进行管理时，要做到清晰规范，严禁随意性和盲目性。

科研管理系统服务的最终对象是用户，主要分为三大类，分别是一线教学科研人员、中层管理人员和高层审核人员。一线科研人员是科研工作数据信息的采集者，很多科研信息都事来自于他们。中层管理人员来自于各个部门，主要是对数据进行必要的管理、统计等。高层管理人员主要是对科研项目和经费等进行审核和批准鉴定等。现在市场上有不少软件开发公司已经开发出科研管理系统，但系统在独立学院使用并不广泛，有一个重要原因就是结合高校实际的二次开发做的不够。高校要和开发公司密切配合，提出具体的具有本校特色的用户需求，然后开发公司再结合科研管理系统的共性和广泛性做出设计。

另外，科研管理系统要考虑和其他系统的融合。除了后期的升级和维护外，科研管理系统还要考虑和其他管理系统的融合。现在有不少高校已经把科研管理系统和其他管理系统结合，如人事管理系统，教学管理系统，学工管理系统等。有的高校已经把科研管理系统融合到大的办公自动化系统中去。通过这些结合，做到信息化建设的统筹协调和对接，也为今后系统的扩展打下基础。

3.2 设计框架时要以业务流和数据流为主线，根据功能划分模块

科研管理系统的业务流和数据流是系统的主线，系统的框架要把业务流程和数据流程表达清晰。从科研管理系统大的模块来进行考虑，主要包括科研项目和管理两大块。科研项目包括参加科研内容、人员和用户、项目经费、项目成果等，并在此基础上可以细化出奖励考核、学术活动和学术文库等内容。管理模块主要体现在报表统计、管理审核、系统管理等功能，主要是方便管理用户对系统进行宏观和微观的管理统计审核工作。

4 独立学院如何推动科研管理系统的应用

推进科研管理系统的应用，是一个全局性的工作，要具有前瞻性和统筹性，同时还要有周密部署和具体实施过程。包括系统的可行性分析、系统需求、系统使用、系统维护和升级等，都需要一个详尽的规划设计。要推动科研管理系统得到真正的充分应用，还应该注意以下两点。

（1）政策先行、资金保证、人员到位。政策先行，要求独立学院首先要出台政策支持科研管理系统的推进工作。从学院决策层，到中层管理人员，再到一线的教学科研人员，都要上下一条线一条心。推动科研管理系统应用，要消除政策壁垒和人为阻碍。学院要为科研管理系统提供足够的资金支持和财力保证，包括购买、安装、升级和维护费用，甚至包括人员培训费用等。科研管理系统建设是一个漫长的循序渐进的过程，资金的投入也需要过程，避免出现半途而废。人员到位，要求有专门管理人员管理审核和维护科研管理系统。在这些人员中，重点包括系统的用户群，特别是科研管理人员和科研人员，系统需要采集数据，也需要审核和管理。管理人员需要对系统的数据信息严格把关，注意数据信息的完整性、实效性和一致性。同时，系统的各种用户还需要对系统的功能提出新需求，以便充实和完善系统。

（2）抛弃守旧观念、一切向“信息化”看齐。信息化管理需要数据信息化。在没有应用信息系统前，很多管理人员习惯于文件管理，所有的数据信息都是以文件方式存放。科研管理系统需要数据库系统的支持，数据库需要数据信息化。在使用科研管理系统时，建议分段实施、注意积累。在刚开始使用阶段，部分管理人员可能会觉得管理系统条目划分过细、相关或非重要数据信息过多，总想回到原来的采用手工或文件处理方式，这是一种守旧观念。采用了新的科研管理系统后，即使是少量的科研信息，而要采用管理系统来操作，从而为后期的大数据量操作打下基础。建议系统可以从基本模块开始，重点处理大数据量的人工处理繁琐的信息，重点体现复杂的科研管理的业务流程，然后推而广之，拓展开来。

参考文献

[1] 戚世钧.我国高等教育科学发展的策略选择[J].中国浦东干部学院学报，2010（3）：117-120.

[2] 刘晨霞，张明.高校科研管理信息系统实践初探[J].科技管理研究，2009（8）：253-254.

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关键词：嵌入式系统 独立院校 课程改革

一、引言

近几年来，嵌入式技术的应用推动了国防、军工、航天航空、移动通讯、机器人、工业控制、医疗仪器、汽车电子等领域的发展。社会对相关人才的需求量大，学生学习的积极性很高，因此嵌入式系统正逐渐成为高等院校必开的课程。嵌入式系统有两个显著的特点，一个是软硬件密切联系，一个是以应用为中心，独立院校作为一种新型的高等院校教育单位，作为对普通高校资源的补充，更偏向于实践应用[1]，因此，如何开设嵌入式系统的相关理论与实践课程来培养应用型、创新性人才，是独立学院目前的重点探索之一。

二、嵌入式课程教学存在的问题

目前独立院校很多专业都开设了嵌入式系统课程和嵌入式专业方向，比如电子类、通信类、计算机类、自动化类专业都开设嵌入式系统的相关课程，结合企业对嵌入式人才的要求，存在着很多不足。

1.前期基础教学安排不合理

从理论教学来看，嵌入式技术是一门综合性很强的课程，涉及的知识体系有硬件、软件、网络等方面的知识，硬件方面要具备模电、数电、单片机等相关知识，在软件方面要具备计算机的基础理论知识如操作系统，程序设计语言基础，程序的设计思想和方法，在网络方面要具备网络语数据通信的理论知识体系。但是各专业的基础教学并没有完全开设相关方面的理论教学，如：计算机专业主要具备了软件方面的基础理论，自动化、电信等相关主页主要设置了硬件方面的知识体系，对软件方面的知识体系开设较少，主要就是C语言程序设计，而对操作系统，程序设计的思想和方法并没有开设相关理论课程。

2.缺少足够实践教学

从实践教学来看，很多实验基本上是验证性实验，大多数都只需要按照实验指导书上的内容就可以完成，课程设计与企业项目实际应用差距较大。众所周知，实践是嵌入式系统教学的重要环节。嵌入式系统内容涉及广泛，指令编程、驱动程序设计、内核的移植设计和应用程序编写等知识的学习，都需要学生通过大量的实践环节来加深理解[2]。学生在课程之余没有更多的实践机会，嵌入式课程学时完毕后，很多学生就没有办法进行后续的学习。另外，实验学时不够。开设的嵌入式系统课程一般为32～40学时，实验环节仅占6～8学时。有限的课内学时无法满足实践教学，尤其是综合性、设计性实践的需要。这使得缺乏足够实践动手环节训练的学生难以真正了解和熟悉嵌入式开发过程。

3.各专业教学内容比较单一

从课程体系上来看，大多数的课程总是偏向两个方向：方向一偏重硬件设计，例如与电子工程、通信工程、自动化相结合。这个方向培养出来的学生主要从事硬件设计工作，他们的优势是对硬件原理非常清楚，不足在于这类方向的人才更擅长定义各种硬件接口，但对复杂软件系统往往力不从心，例如嵌入式操作系统原理和复杂应用软件等。方向二偏重软件设计，例如和软件工程、计算机科学与技术结合，这个方向培养出来的学生主要从事嵌入式操作系统和应用软件的开发。他们对软件有较好的操纵能力，不足在于对硬件原理和接口没有较好的掌握，对于嵌入式系统其它的应用也没有一个全面的概念，如驱动程序等不太了解。大多数面向Linux操作系统的应用软件编程，与企业的需求来看，内容比较单一。

4.高校师资队伍实践经验欠缺

嵌入式系统的教学要求教师具有处理器、汇编语言、接口、操作系统、驱动程序开发、应用程序开发等各方面丰富的知识，并要有从事嵌入式项目开发的经验[3] ；但对于大多数开设嵌入式课程的独立院校而言，师资队伍很难跟上。从事嵌入式技术开发的技术人员，很少愿意到独立学院执教；在嵌入式师资方面，对于年轻的独立学院而言，承担嵌入式系统课程的多以青年教师为主，大部分教师并没有项目经验，有部分老师从单片机教学转型。高校组织的教师培训，都是提供实验设备的厂商对实验设备的培训，真正的嵌入式系统相关技术的系统培训缺少。所以，师资队伍的建设在短期内无法跟上嵌入式技术的教学需求。

三、嵌入式课程教学的改革

从理论指导课程体系方面来看，学生不仅要掌握经典的计算机基础理论知识如计算机组成原理、操作系统、汇编语言、C/C++语言、程序设计思想和方法，还要具备嵌入式系统领域特定的知识，包括嵌入式硬件基础、软件基础、操作系统、开发工具等，我院的很多专业都是在大二下才开始大量开设相关基础理论课程，而嵌入式技术这门课程基本上都是大三下学期开始学习，学生要在一年内学完这些理论，对学生而言，对知识的理解也是需要一定的时间，因此理论课程应在大一开始逐步开设，结合学生的学习程度合理安排相关理论课程的学习。

企业对嵌入式软件人才的需求有几个方向：嵌入式引导程序设计，嵌入式操作系统内核的设计，嵌入式操作系统的驱动程序的开发，嵌入式图形化用户界面的设计，嵌入式数据库的开发等，首先帮助学时确定自己从事的方向，并掌握嵌入式系统开发的整个流程及其相应的调试方法。在嵌入式的理论课程学习中应结合企业的需求以及基本知识面的结合；如软件方向理论教学基本的内容应围绕嵌入式基于Linux操作系统下的应用程序开发这些方向来确定要学习的课程体系，确定课程体系后可以根据企业的需要加入相关驱动开发等相关课程内容及比较流行的手机开发也可以纳入课程内容之一，理论教学的原则压缩基础理论课学时，突出实践性与应用，以达到“学习嵌入式，使用嵌入式”的教学目的和作用，建立起一种由浅入深、梯度型、层次化的教学模式。

从实践指导课程体系方面来看，应该采用多样化的课程实践教学手段，提高学生的动手实践能力。

1.在实验环节方面，应该大幅提高实验的课时，达到讲一课就能实践的目的。改革后我院开设嵌入式课程的实验学生16学时，包括硬件裸机程序编写6学时，嵌入式开发环境搭建与2学时，嵌入式软件下驱动程序编写4学时，嵌入式应用软件程序编写4学时，基本上一次理论课上完学生就可以在实验室进行实践。

2.通过对市场调研，了解企业需求，结合师资队伍中存在的教师的项目经验，开发实训和实习的项目，结合项目指导学生结合理论进行相关学习。这个在嵌入式课程学时结束后，用1个月左右的时间来指导学生组成项目组完成于企业结合比较紧密的项目开发。

3.举办嵌入式系统技术讲座：可以根据学生的需要，邀请来自公司企业的工程技术人员进行专题讲座，使学生能接触到最新的知识和实用技术，并了解社会对嵌入式系统人才的具体需求。

4.建立开放的实验室，对有兴趣的同学安排实训和实习课题： 实训课题实行“三级指导”（全指导，半指导，零指导），使教、学、练紧密结合。每个实训课题一般安排两个项目，第一个项目学生在老师的指导下，实行实训过程的全指导；第二个项目主要是结合教师在企业的项目基础（实习课题），从项目需求分析开始，先由学生来完成，老师再参与其中，从这个过程慢慢的从半指定到变为零指导，来锻炼学生进行项目实施的能力。

四、总结

从独立学院立足培养创新，应用型人才出发，独立学院嵌入式课程改革目前有了一定的成效，但是开设嵌入式教学还在起步阶段，存在着很多不足，这就要求教师紧跟嵌入式技术的发展，不断提高教学与教师的实践能力，努力完善嵌入式课程体系，争取能达到学生毕业后迅速从事嵌入式软件的开发及设计的目的。

参考文献

[1] 谢川.应用型本科嵌入式课程教学研究.重庆工商大学学报（自然科学版） ， Journal of Chongqing Technology and Business University（Natural Science Edition）， 2011年04期

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论文摘 要:“通信原理”课程是通信、信息及电子类专业一门重要的基础课程，其特点是系统性强、概念抽象、数学含量大。本文分析了“通信原理”课程存在的问题，并在理论教学和实践教学改革方面进行探讨，提高了教学质量和效果，完善了教学手段，并极大地激发了学生的学习兴趣，提高了学生解决实际问题的能力。

1 引言

通信原理课程在通信工程专业的课程体系结构中起着非常重要的作用，是学习诸如移动通信、光纤通信以及数字通信等后续课程的基础，其教学的重点在于让学生理解基本概念和原理、掌握相关的分析方法和有关通信系统的重要结论。本课程特点是内容较多，知识面广，概念抽象，系统性强，同时强调理论和实践的融会贯通。因此，如何提高课程的教学质量，改善教学效果，提高学生分析问题和解决实际问题的能力，是一项紧迫和重要的工作。本文首先分析通信原理课程教学中存在的问题，然后从课程的理论教学和实践教学方面进行了一些改革和探索。

2 课程教学中存在的问题

通信原理课程的理论学习往往有大量复杂的数学推导，抽象的理论概念较多，内容覆盖面广，理论性和实践性强，但学生不会将理论知识运用于实践。同时，由于本门课程内容偏重理论，学生在学习过程容易感觉乏味枯燥，学习效果不好。

因此，传统的课堂教学中存在以下的问题:(1)学生学习积极性不高;(2)教学方式和教学手段单一化;(3)课程试题库陈旧;(4)实验教学内容陈旧;(5)理论和实践相分离。

3 理论和实验教学改革

针对上述存在的问题，本小节对如何改进教学方法、丰富教学手段、立足教学内容力求与实际通信系统相结合等方面进行了初步探讨。

在理论教学方面，首先应建立良好的师生情感，创设和谐的教学环境，根据不同的教学内容和对象，授以不同的教学方法，以培养学生的学习兴趣。其次，在课堂教学中，针对课程中的重点和难点，结合使用现代化的多媒体教学手段，扩大课堂教学的信息量，提高课堂效率，丰富教学形式，增强课堂教学内容的生动性与形象性，多体并存，优势互补。最后，利用网络资源及时更新和丰富课程试题库，并在授课过程中穿插通信产业的最新进展和目前比较前沿的通信系统如第三代移动通信系统或者新型通信技术-超宽带无线通信系统，使理论和实际能够有机结合，进一步激发学生的学习兴趣。

在实验教学方面，合理配置演示性、验证性和设计性、综合性实验，充分利用仿真实验的便利条件，并将仿真实验及硬件实验将课堂教学和实践环节相融合，使学生对理论知识更好的消化和吸收，锻炼学生分析问题和解决问题的能力。例如，在实践教学环节中，可以适当引入和灵活配置Matlab、Labview、SystemView等仿真软件，由学生设计和实现虚拟实验，通过灵活配置一些仿真参数，对实验结果进行分析和讨论，通过图形对比，使学生从理论认识进一步深入到感性认识，以更好地理解和巩固通信原理课程中的概念和结论。具体设计题目包括:模拟信号的调制与解调、模拟信号的数字化传输、基带传输的部分响应系统演示等等。通过上述实验教学方面的改革，可以使教学理论联系实际，使学生具备一定的感性认识，并培养学生的观察能力、思维能力、自学能力以及发现问题、分析问题及解决问题的能力。

4 结语

通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课，本文针对传统教学中存在的一些问题，从理论教学和实验教学的角度给出了一些改革的措施。通过对教学内容、教学形式、教学方法和教学手段等方面的改良，调动了学生学习本课程的积极主动性，显着提高了教学质量和教学效果，达到了培养适应现代科学技术发展的高质量创新型人才的目的。

参考文献 转贴于

[1] 杨星海，魏长智，张鲁，等.“通信原理教学改革研究”[J].中国现代教育装备，2010，9:87-88.

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教学内容改革是教学改革最核心、最基本的问题。教学内容主要由热力学第一定律、热力学第二定律熵分析法和分析、新的能量系统分析评价方法介绍组成。其中，根据教学目的与任务有效组织教学内容，要与基础课程工程热力学第一定律、第二定律知识点的学习有机结合，既避免教学内容的简单重复，又要使学生通过本课程的学习对第一定律、第二定律有更为深刻的认知，并使学生能够利用两个热力学基本定律熟练进行能量系统分析与评价、以及高效学习和应用新的分析、评价与优化方法。

1.热力学第一定律

热力学第一定律是工程热力学教学内容的重点，主要讲授闭口系统与稳流开口系的热力学第一定律能量方程式的表达式及应用。在本课程中，进一步强调热力学第一定律的一般表达式即：“进入系统的能量-离开系统的能量=系统总储存能的变化”的正确灵活应用，重点介绍如何分析、列出非稳态充、放气热力过程的能量方程式，帮助学生进一步增强利用第一定律进行能量分析的能力。同时，通过对节流、自由膨胀、混合、换热、可逆定温放热压缩等热力过程分析来帮助同学们对第一定律的局限性有更为深入的理解。

2.热力学第二定律熵分析法

热力学第二定律是工程热力学教学内容的重点与难点，主要讲授热力学第二定律的数学表达式，具体包括：卡诺循环+卡诺定理、克劳修斯积分不等式、闭口系及开口系统熵方程、孤立系统熵增原理。在本课程中，考虑到判断一个热力循环是否可行、可逆的数学判据容易理解而且是热力过程的特例，故重点讲述闭口系及开口系熵方程、孤立系统熵增原理。在该部分从以下四个方面进行介绍：对于状态参数熵的辨析：辨析熵是状态参数与过程无关，强调判断一个热力过程能否进行、可逆的参量不是过程熵变而是过程熵产，引出后面由熵方程及孤立系统熵增原理计算过程熵产的知识点；重点讲授熵方程的一般表达式，即：“进入系统的熵-离开系统的熵+过程熵产=系统熵变化”，通过典型例题帮助同学能够利用熵方程列出闭口及开口系熵方程，并求取过程熵产；重点解析孤立系统熵增原理的实质及解题特点，并通过典型例题帮助学生认识到孤立系统熵增原理与熵方程的一致性：孤立系统熵增即熵方程中的熵产；作功能力损失方面除了介绍计算公式、通过计算热力过程熵产及作功能力损失，还着重结合对节流、自由膨胀、混合、换热、可逆定温放热压缩等具体热力过程分析让学生体会第一定律与第二定律之间的联系及第二定律的独有贡献。

3.热力学第二定律分析法

由于学时有限并且概念抽象难以理解，分析法在工程热力学中属于选讲内容，即便讲授，也多是简要介绍。本课程中，分析法是授课重点，从以下四个方面进行讲授：第一，概念及计算公式，包括机械、热量（冷量）、内能、焓和化学。第二，重点讲授方程的一般表达式“进入系统的-离开系统的-过程损=系统变化”，通过典型例题帮助同学能够利用方程列出闭口及开口系方程，并求取过程损。同时，在分析典型例题时，引导学生同时用熵分析法来计算过程的作功能力损失，让学生自觉地认识到分析法中所得到的损失即熵分析法中计算的作功能力损失、体会两种分析法的一致性及分析法的优势。第三，效率、损系数的概念及公式，以及在典型热力设备、过程及热力循环中的计算。第四，针对本学科领域典型的火力发电装置、燃气轮机发电装置和低温制冷装置、LNG液化装置、天然气净化装置、油田联合站等，设置工程背景很强的案例，教师与同学们一起分析循环装置及各组成设备的效率、损失及损系数等，让同学们认识到分析法在进行系统能量分析时的重要性及提高利用该方法解决实际工程问题的能力。

4.新发展起来的能量系统分析与优化方法

介绍能级分析法、经济学、夹点技术、全生命周期分析法、能值理论等新发展起来的能量系统分析与优化方法的基本理论及应用，鼓励学生查阅相关文献获取更多知识。这部分内容与留给学生的学习报告紧密相关，将在下文介绍。目前还没有适合于本专业本科教学的系统节能方面的教材，本课程教学内容主要参考自沈维道等主编《工程热力学》、朱明善等编著《工程热力学》、傅秦生编著《能量系统的热力学分析方法》和冯霄编著《化工节能原理与技术》、何雅玲主编《工程热力学精要分析典型题解》等教材及专著，结合教学团队多年来收集整理的工程案例编写成讲义供教师及学生使用。

二、教学方式改革

教学中的主体是学生，调动学生学习主动性，提高其学习兴趣和学习效果是教学方式改革的目的。学生们对于国际上最新的、与未来工作紧密相关及实用性强的知识以及确实能提高自身素质与能力的教学环节更感兴趣。

1.采用多媒体与板书有机结合的教学模式

充分利用多媒体教学信息量大，图像、视频生动形象的特点，同时结合传统板书讲解复杂推导更容易被学生掌握的优点以提升教学效果。这种授课方式既可以增大授课信息量、有效吸引学生注意力，同时又能使学生通过与老师一起板书推导对所学重点、难点有更为深刻的认知。

2.提高课堂教学吸引力

通过针对每一个重要概念及知识点设计的系列典型例题、思考题吸引学生注意力，激发学生学习兴趣，引导其积极参与到教学中来。而且教学团队经过多年的教学和科研积累，收集并提炼出与石化工程紧密关联的工程案例，通过案例的讨论和分析，增强学生学习理论知识的兴趣，提升课堂教学的互动效果，增强学生运用理论知识分析并解决工程实际问题的能力。

3.布置作业形式灵活多样

对于重要的基本概念，以读书笔记的作业形式激发学生学习兴趣。本课程涉及众多抽象概念和公式，追溯热量、温度、熵、热力学第二定律、等重要基本概念的由来、发展历程，可使学生在搜集资料的过程中对这些概念有一个直接的感性认知，同时也有助于学生认识到这些知识在本学科发展中的重要作用。要求学生组成2~3人的学习小组，除常规课下作业外，课上作业以小组为单位完成。课上作业为教师针对每次课的重点和难点内容设计的多为填空、选择和问答形式的练习题，课前打印好分发给每个学习小组。在讲课过程中，留出适合时间让学生及时完成。教学实践表明课上作业非常利于学生把握住和消化吸收重难点知识，且能提高学生学习的注意力，达到良好的教学效果。

三、课程考核方式的教学改革

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【关键词】排课管理系统；功能分析；数据分析

1 功能分析

通过功能需求分析，刻画系统的行为，并通过系统的软件功能完成用户的任务，从而满足业务的需要。

1.1 角色分析

宁波工程学院排课管理系统涉及到以下角色：（1）教务处人员，是系统的主要参与者，其职责或功能为基本数据与信息管理、系统管理与维护等；（2）院系教务人员，是系统主要参与者，其职责或功能为教师任务书编制、人机交互式排课等；（3）教师的职责或功能为教学任务书核对、课表查询；（4）学生的职责或功能课表查询。

1.2 系统数据流分析

本文运用结构化方法分析业务功能，用户比较能理解数据，结构化方法以数据为中心，用数据流图（DFD）来描述业务功能。在数据流图中，矩形框表示角色，圆边框表示功能，开口矩形表示为数据表或数据文件，箭头线是数据线。

数据流图按分层来画，分别为顶层数据流图、一层数据流图，一层数据流图对应总体功能结构，几个圆边框对应功能结构中的几个功能。

1.2.1 顶层数据流图

从业务功能的角度出发，给出了宁波工程学院排课管理系统的顶层数据流图，如下图1所示：

图1 顶层数据流图

从以上顶层数据流图中可以看出，系统的参与者主要分为四类：教务处人员、院系教务人员、教师和学生。其中教务处人员管理基本数据信息以及更新和维护系统，院系教务人员通过关联信息编制形成教学任务书和排定课表，教师和学生主要通过该系统进行课表查询。

1.2.2 一层数据流图

为了进一步细化各加工步骤说明，下面给出了系统的一层数据流图。

图2 系统一层数据流图

在上图2中，主要包含三大块功能，即教务处人员的基本数据信息管理和系统管理、院系教务人员的任务书编制管理和人机交互式排课以及师生的课表查询管理。教务处人员通过录入教师、学生、教室、教学计划、班级、课程等基本数据信息，实现对基本数据信息的管理与维护，为人机交互式排课提供数据信息基础，并通过系统管理对系统进行更新和维护。院系教务人员通过编制形成任务书和关联基本数据信息，运用人机交互式排课方法排定课表，并反馈系统更新和维护信息。教师和学生通过各自权限查询课表信息。人机交互式排课是该系统的核心工作，其他工作都是围绕它为核心来进行的。

1.3 系统功能结构分析

通过需求分析中的数据流程图逐层分解，可得到宁波工程学院排课管理系统的四大模块：基本信息管理、教学任务管理、人机交互式排课和系统管理。教师、学生、班级、教室、教学计划、课程等基本信息管理模块仅提供给教务处人员使用，教务处人员通过这些模块录入和维护教师、学生、班级、教室、教学计划、课程等信息。教学任务管理模块仅提供给院系教务人员使用，院系教务人员通过该模块制定任务书，并打印任务书分发给教师使用。人机交互式排课模块仅提供给院系教务人员使用，院系教务人员使用该模块进行人机交互式排课，并设置参数供教师和学生查询使用。系统管理模块提供给教务处人员、院系教务人员、教师和学生使用，院系教务人员通过该模块反馈信息，教务处人员通过该模块更新、维护和备份系统信息，教师和学生通过该模块检索查询课表信息。

2 数据分析

2.1 实体关系分析

E-R图（Entity Relationship Diagram），也称实体-关系图，提供了表示实体类型、属性和联系的方法，用来描述现实世界的概念模型。由于宁波工程学院排课管理系统的基本信息管理数据流图涉及基本信息，教学任务管理数据流图涉及任务书信息，人机交互式排课数据流图涉及课表信息，系统管理数据流图涉及系统信息，因此宁波工程学院排课管理系统包括基本信息、任务书信息、课表信息、系统信息和教务处人员、院系教务人员、教师、学生等八个实体。

图3 宁波工程学院排课管理系统E-R图

如上图3，宁波工程学院排课管理系统E-R图表示：教务处人员与基本信息、系统信息是操作产生的关系，院系教务人员与任务书信息、系统信息是操作产生的关系，院系教务人员与课表信息是关联产生的关系，教师、学生与课表信息是查询产生的关系，其中，院系教务人员、教师、学生与课表信息是多对多关系，教务处人员、院系教务人员与系统信息是多对多关系，其余都是1对多关系。

2.2 数据库表

根据E-R图，给出如下软件系统主要两个数据库表的设计，分别为教师信息表和课表信息表。其中，学生、班级、教室、教学计划、课程、任务书等信息表可以类似表示。

（1）教师信息

保存教师的基本信息。

表1 教师信息表

教工号是表1 教师信息表的主键，它是标识该表中所有行的一个列或一组列。专业班级是建立和加强表1教师信息表与表2课表信息表数据链接的一列，故专业班级是表1教师信息表的外键。

（2）课表信息

保存课表的信息。

表2 课表信息表

专业班级是表2课表信息表的主键，它是标识该表中所有行的一个列或一组列。教工号是建立和加强表2课表信息表与表1教师信息表和任务书信息表数据链接的一列，教室名称是建立和加强表2课表信息表与教室信息表数据链接的一列，专业名称是建立和加强表2课表信息表与班级信息表数据链接的一列，课程名称是建立和加强表2课表信息表与课程信息表数据链接的一列，故教工号、教室名称、专业名称和课程名称都是表2课表信息表的外键。

3 总结

本文通过对宁波工程学院教务管理部门以及排课管理系统开发部门等的深入调研，并结合本人长期以来所从事排课工作的具体实践，对宁波工程学院排课管理系统功能和数据进行了全面的研究和分析，本文所做的主要工作有如下几方面：

1）对多年来本人所从事的排课管理工作进行了详细而细致的梳理，把工作中碰到的问题和实践经验提炼出来。

2）根据宁波工程学院排课管理系统的运行实际，通过刻画顶层和一层数据流图来描述业务功能。

3）依据功能分析刻画形成E-R图，并给出主要两个数据库表的设计。

通过对宁波工程学院排课管理系统的功能、数据分析的过程，深入地分析宁波工程学院排课管理系统的内部运行机理，对于以后工作中碰到类似系统问题的解决、维护与运用，具有很大的帮助作用与参考价值。

【参考文献】

[1]杨丽丽.排课系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2012.

[2]张小红.高校排课系统的设计与实现[J].电子科技，2012（7）：45-47.

[3]李正慧.排课系统数据表的设计与功能的实现[J].数字技术与应用，2011（7）：116-119.

[4]俸世洲.独立学院排课系统的数据库与算法分析[J].中小企业管理与科技，2011（5）：274.

[5]苏贞.清华大学教务管理系统在排课问题中的应用与思考[J].科技视界，2013（28）：146-147.

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关键词 能源动力 本科 系统节能 改革

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2017.02.054

Abstract Undergraduate students of energy and power， who are the backbone of energy saving and emission reduction ， should not only have the basic theory and simple application knowledge of energy， but also should have the knowledge of energy conservation， power conversion and energy management. The course of System Energy Conservation aims to train students to solve the problem of energy management and utilization of the production process， lay a professional foundation for students to engage in energy management and energy conservation in the future work. This paper is committed to the preliminary discussion on teaching reform of this course.

Keywords energy power； undergraduate； system energy-saving； reform

0 概述

在世界近代化M程中，能源和动力一直都是工业发展的重要支柱，与此相对应，能源动力产业是一直都是世界各国国民经济的基础产业，也是科技发展基础方向之一，能源动力领域人才教育的成败关系到国家的根本利益。自2012年5月“2011计划”启动后，对能源动力专业人才的培养提出了新的要求，如何培养高素质、创新型能源动力类人才，成为社会关注的热点。高等学校作为国家培养人才的主要基地，如何通过合理的课程设置和教学方式，培养理论基础扎实、实践能力突出、契合社会需要的能源动力类人才，也是一个需要关注的话题。

能源动力类本科生，不仅应该具备本领域基础理论及简单的应用知识，也应当具备能源节约、动力转换和能源管理方面的知识，应当成为 “节能减排”领域的中坚力量。“能源系统工程”这门课程旨在培养学生解决生产过程中能源管理和利用的科学问题，为学生未来从事能源管理和节能减排方面的工作打下专业基础。然而以笔者目前的了解所知，我国能源动力类专业中开展此课程的高校寥寥无几，即使开设该课程的高校，在教学过程中也存在一定的问题。因此，本文就“能源系统工程”这门课程的教学改革问题做初步探讨。

1 开设“能源系统工程”课程的必要性

本课程基于两个主要概念：一是“载能体”，二是“系统”，所研究的是由多个对象所组成的系统的节能问题。在研究节能问题时，以往的节能工作往往着眼于单体设备或单个工序，本课程从“系统”的观点出发，注重系统内各设备、各工序的衔接问题和整体能耗问题，通过考察产品的“完全能耗”指导企业的能源利用和管理问题。另外，本课程提出的一系列能源利用思想和评价手段，对于培养学生以整体眼光看问题具有重要作用，可以为从事各行业能源利用和管理的人才提供基本理论和基本方法。

“系统节能”的思想最早于上世纪80年代由我国东北大学的陆钟武、蔡九菊两位学者提出并完善，最早应用于我国几家大型钢铁企业并取得了很好的节能效果，是我国钢铁行业节能工作的里程碑式指导思想。可是，目前国内开设该课程的高校寥寥无几，且开设该课程的多为冶金类院校。同时，开设该课程的高校在“能源系统工程”课程教学工作中也面临一系列问题，如：可供使用的教材单一，实践环节缺失，课程体系规划不科学，课程知识需要丰富等。

近年来，全社会的节能意识大大提高，全国各地、各行各业的节能积极性都很高，能源利用和节约问题是所有工业行业面临的问题，如果大家都能了解系统节能的基本思想，按照系统节能的要求合理用能，我国节能工作必能取得更大的成绩。另外，能源节约不仅是在技术层面上进行，同样也需要在管理层面创新。因此，在国内能源动力类本科教育阶段开设“能源系统工程”这门课程，并结合现有的研究成果丰富该课程的教学，很有必要。

2 “能源系统工程”课程改革方向初探

2.1 推广“能源系统工程”课程在高校覆盖范围

能源动力类人才在从事所有相关专业的工作时，都面临着能源的利用和管理问题。加大“能源系统工程”课程在国内本科阶段的普及工作，使得能源动力类专业培养出的毕业生在实际工作中，既关注局部，又关注整体，注重能源与非能源节约相结合，对毕业生职业生涯和我国的节能减排工作必将大有裨益。

2.2 科学规划课程体系

（1）科学制定培养目标和教学计划。培养目标是本科教育中的首要问题，“能源系统工程”课程属专业类课程，本课程知识可广泛应用于能源系统优化、节能评价和能源管理，应注重培养学生从整体看问题和解决实际问题的能力，培养目标定位为：培养应用型、复合型和外向型人才。

教学思想和教学理念的贯彻最终都必须通过执行教学计划来实施，因此教学计划的修订就成为教学改革中的重中之重。“能源系统工程”是一门注重理论和实践相结合且偏重于实践的学科，脱离了实践其理论是抽象的。理论教学只能满足基本理论知识的传授，实践教学的过程才能锻炼和培养学生综合解决问题、处理问题的能力。因此，在制订本课程教学计划时，应注重理论课时与实践课时的比例，将实践贯穿于整个课程的学习过程，实践教学的形式可以是丰富多样的。

（2）合理规定课程的学习方式。为了真正实现本课程的功能，除理论和实践课时的分配外，教师应在教学过程中注重培养学生自主学习的能力。为了让培养对象有更加广博的知识面和适用面，学生需要在学习方面有更多的自。可以挑选部分章节由学生经过预习后，挑选部分学生主讲部分课时。

（3）将实践能力列入考核范围。由于本课程注重对学生应用知识解决实际问题的能力，在考核中应加入实践能力的考查。最终考试成绩由三部分组成：笔试考核、平时成绩考核和实践能力考核。笔试考核主要对理论知识和基本概念进行考试；平时成绩考核主要依据课堂表现以及作业情况；实践能力考核主要考查学生对课程内容的理解程度。

2.3 总结最新成果，编制新教材

由于国内能源动力类专业开设“能源系统工程”课程的院校较少，使得适合该课程的教材数量几乎没有，仅有的几种教材由于编制时间较久，已无法满足当下的培养要求，迫切需要组织人员编制一本新教材。新的《能源系统工程》教材应总结最新的研究成果，丰富现有教材，引入管理类知识内容，丰富与生产实际相结合的案例分析，结合实际项目给出供学生实践学习的题例，扩展数学建模方式，丰富解决问题的数学手段。

2.4 建设科学的师资队伍

师资队伍是开展教学工作的核心和灵魂，其质量是保证教学质量的关键。要想培养出高水平的学生，一个重要的因素就是必须有一支训练有素的教师队伍。目前我国大部分高校在招聘教师时都只强调学历层次，比如只招聘博士，而对应聘教师的实践经验从不做任何要求。由于“能源系统工程”课程的特殊性，如果教师只具备书本知识，本身没有相关工作经验，显然满足不了实践教学的相关要求。因此，本课程的教师一方面要树立终身学习观念；另一方面要重视和加强实践经验的积累与学习。本课程的教师要主动在寒暑假的时间 “走出去”，与各用能企业多沟通、多联系，及时了解企业能源利用发展情况，在为社会提供专业服务的同时，更好地服务于教学，为教学科研打下良好的基础。

2.5 拓展实践教学的新思路，探索新的实践教学方法

（1）聘请企业技术及管理人员课堂授课。在课程的学习过程中，可从企业邀请有丰富实际工作经验的技术或管理人员对学生进行课堂讲座，拉近教学与实际的距离。也可签订互惠互利的合作协议，真正建立起长期校企合作关系。

（2）课堂案例教学。课堂案例教学是实践教学的重要环节，而且也是最基础的环节。在课堂教学中引用合适的案例进行分析讨论，既能理论联系实际锻炼学生分析问题、解决问题的能力，又能激发学生的学习兴趣。案例教学要注重结合实际应用问题，具有一定的引导性、普遍性、代表性，能通过问题的解决，激发学生的学习热情，将知识融于案例中，达到举一反三的目的。

（3）增加课堂讨论环节，增强学生参与性。传统的授课方法多是教师在讲堂上讲，学生在教室内听。由于学生对课程的参与性低，导致部分学生听课精力不集中，学习积极性降低，缺课、迟到、早退现象突出。为了解决这一问题，可采用小组讨论的方式，让尽可能多的学生参与进来，给学生更多的自主性。可以采取分组讨论的方法，将班级学生分成若干小组，由任课教师给出若干能体现本课程处理方法、研究现状的题目，让每组学生通过分工完成资料查询、演讲稿制作、演讲等环节内容。这样能在一定程度上增加学生的参与感，起到互动的作用。同时也对任课教师把握本课程的前沿成果和解决方法具有反哺作用。

3 结语

作为国民经济支柱领域重要参与者的能源动力类专业人才，肩负着国民经济科学发展的重要使命。作为人才培育主要基地的高校，在知识结构的建立和人才培养的过程中，注重知识的更新和为国民经济服务的属性，具有义不容辞的责任。在能源动力类本科阶段开设“系统节能”课程，符合国民经济的发展的需要，也符合培育应用型、复合型和外向型人才的需要。本文提出的若干“能源系统工程”课程改革的建议，期望能起到砖引玉的效果，也期望能引起更多能源动力类同仁对该课程的关注，将我国能源动力类专业建设得更加完善。

参考文献

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[2] 余韬.对本科教学改革的几点建议[J].广西质量监督导报，2007（6）：122.

[3] 杨伟鸽.会计学专业本科阶段实践教学改革与探索[J].中国乡镇企业会计，2010（11）：154.

[4] 孙志强.能源动力类本科生数值模拟能力的步进式培养[J].高教论坛，2010（9）：28.

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关键词：高职院校，排课系统，数学模型，遗传算法

 

1.引言

近年来，高等职业教育己成为我国高等教育的一个重要组成部分。随着高等职业教育办学规模的不断扩大，市场需求的专业设置也更加灵活，职业技能培养的教学模式也体现出多样性，再加校企合作得愈加频繁，教学资源日益紧张。高职院校必须结合高职教育特点和本校实际情况开发合适的教学管理系统，而排课系统是教学管理系统中的一项重要内容，排课结果的优劣会直接影响学校的正常教学秩序，甚至影响教学质量。

2.基于遗传算法的课表问题分析

2.1课表问题的重要因素

班级、教师、教室、课程和时间是高职院校课程表问题的五个重要因素。

（1）班级：每个班级都有自己的编号和自己班级的名称。每个班级同一时间和同一地点不能同时上两门课程。

（2）教师：每个教师都有自己的编号和姓名。每个教师都有自己期望上课时间和期望上课方式。每个教师在同一时间和同一教室不能同时上两门课程。

（3）教室：每个教室都有编号和名称。每间教室同一时间只能接受一门课程的讲授，上课人数应该小于教室最大容量，但上课人数远小于教室最大容量也是不合适的。这可作为课程问题的一个优化目标。

（4）课程：每门课程都有编号和课程名称。一门课程通常由一位教师来讲授，具有相同课程的班级理论课可以合班上课，实训课再分班上课。

（5）时间：时间分为学期，周，天，时间段。通常一学期进行一次排课，每门课程要持续数周。论文格式，排课系统。通常高职院校中每天会有5个时段可以上课，上午2个，下午2个，晚上1个，而且每门课总是一次上2小节课。

2.2课表问题的多目标分析

高职院校课程表问题是一个多目标的组合规划问题。对于课程表问题来说，有时候无法获得足够多的约束，这样根据Pareto的最优解理论最后获得不可避免的只能是一个解集。我们期望从解集中获得能够令我们满意的相对最优解，它首先要满足不能发生任何冲突，不能发生诸如一个教室或一个教师或一个班级需要同时上两门课程的情况；其次它需要有较高的质量，符合科学，具有人性化。下面将具体分析怎样通过多目标优化来衡量一个排课方案的优劣。

（1）节次优度

节次优度表示的是一节课所占用的时间段中，教师和学生的工作、学习效率的高低或者说是一节课所占用的时间段的受欢迎程度。表1中给出了一个节次优度的实例。

表1 节次优度

 

 

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《操作系统原理》是计算机专业的核心课程，具有很强的实践性与实用性。大多学生都认为该课程容易学，就是掌握一些算法，比如进程调度算法、死锁避免算法、磁盘调度算法等。这反映出目前计算机教学中普遍存在的一些问题，即课程与课程之间相对独立，课程的章节之间相对独立，使得大部分学生缺乏系统结构观，只注重解决局部的编程和应用问题[1]。笔者发现，对《操作系统原理》课程的学习如果仅注重于细节的算法，难以真正培养学生的系统思维能力。让学生通过该课程的学习，构建大型软件的系统和结构化思维至关重要。 

在课程体系中，操作系统论文被安排在程序设计、数据结构、汇编语言、计算机组成原理等课程之后，是第一门侧重研究大型计算机软件组成结构的课程。目前，计算机专业的系统能力培养已经被国内计算机教育专家所重视[1]，有条件的学校已进行了课程体系重构，而对目前尚未改革的学校而言，操作系统课程可以担当起该职责。 

本文结合笔者在教学中的体会，提出应在操作系统原理教学过程强化结构概念和培养结构思维，从多方面探讨操作系统课程中无处不在的结构概念及其对教学的作用。 

1结构的含义 

操作系统是一个大型系统，所谓系统，是由相互作用和相互依赖的若干要素结合而成的、具有特定功能的有机整体[2]。所谓结构，是指系统内部各组成要素之间在时间或空间上排列和组合的具体形式。与结构相对应，系统的外延是系统对外呈现的功能，例如操作系统作为用户接口和服务提供者、操作系统作为资源管理者和控制者，都是从功能角度来阐述操作系统的外在表现。“结构决定功能”。系统论认为，功能是系统内部固有能力的外部表现，它终究是由系统的内部结构所决定。对于操作系统这样的大型软件而言，结构的好坏决定了软件的可移植性、可靠性、健壮性和可扩展性。 

结是结合之义，构是构造之义。在科学研究和工程设计中，人们总是孜孜不倦地追求通过定义最小的本元集合和构造规则来产生某个目标系统。老子言：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”这与中国古代人讲究的“金、木、水、火、土”一样，都是朴素的探索世界结构的例子。这些与现代科学的认知殊途而同归。现代科学表明，物质都由相同的最基本粒子构成，结构的差异产生不同的物质，碳原子的同素异形体石墨和钻石便是最好的诠释。在计算机科学中，这一方法也被广泛应用，例如：程序由数据结构和控制结构决定。数据结构的本元是基本数据类型，而通过线性构造规则、层次构造规则和网状构造规则可以创建任意复杂的数据类型。控制程序的基本要素是语句，理论上通过顺序结构、分支结构和循环结构可以构造出任何程序。 

结构在人类的认知过程中也扮演着非常重要的角色。结构化思维方法是以事物的结构为思维对象，以对事物结构的积极建构为思维过程，力求得出事物客观规律的一种思维方法。认知结构学习理论的创立者布鲁纳指出“掌握事物的结构，就是以使许多别的东西与它有意义地联系起来的方式去理解它。简单而言，学习结构是指学习事物是如何相互关联的。 

综上所述，结构一方面强调构造，另一方面强调联系。因此，在教学过程中，应该重视结构概念和结构思维，注重操作系统各要素的组合方式和相互之间的联系，引导学生掌握操作系统构造的一般性规律。 

2操作系统中结构的概念 

可以说，结构贯穿于操作系统原理课程教学的始终。有效识别《操作系统原理》课程中的结构并理解其对操作系统原理教学的重要作用对于提高学生的认知效率非常关键。 

2.1操作系统整体结构 

操作系统的结构方面，较为普遍的是如图1所示的自底向上的由硬件、操作系统、应用程序等组成的层次化静态结构图。从静态的角度看，一个计算机系统由各种物理特性和传输速度各异的硬件、实现不同功能的资源管理模块和众多应用程序组成。这些是计算机系统的基本要素。抽象和分层将这些要素组合成一个有机整体。在这一结构图中，以内核为基准，向下，通过硬件驱动程序屏蔽具体硬件的类型差异，使内核能够独立于纷繁芜杂的硬件设备而演化；向上，提供统一的系统调用接口，作为运行于用户态的应用程序访问内核功能的门户，从而使上层应用程序可以独立于内核而演化。无论是Windows XP操作系统、Unix操作系统、还是Android操作系统，都可以看作是这一基本结构的演化。 

2.2内核结构 

具体到内核本身，其发展历程中也经历了多种结构的演变，从早期的整体式单内核结构到后来的层次式单内核结构再到微内核结构。Unix和Linux都是单内核结构，而Windows XP和Mach属于微内核结构。图2给出了层次式单内核和微内核的结构示意图[3]。鉴于操作系统软件的复杂性，内核的结构对操作系统软件的正确性、效率、可扩展性、可移植性等具有重要作用，是“结构决定功能”的典型范例。 

整体式结构存在于上世纪50年代，当时对结构的关心甚少，内核被划分成功能相对独立的模块，而模块之间可以不加控制地自由调用。这一结构的优点是结构紧密、组合方便、系统效率高，但缺点也很明显，即模块之间调用关系复杂，系统结构不清晰，可移植性差，当系统规模变大时难以保证正确性。

层次式结构则将模块依照功能的调用次序排列成若干层次，各层之间单向调用。其优点是接口少而简单，下层模块的正确性为上层模块的正确性提供了基础。然而，严格的层次难以界定，严格的分层也降低了系统效率。此外，由于一层包括了非常多的功能，对于某个层次进行大的增删可能会对相邻层产生意想不到的影响。因此，很难在某个操作系统基础上通过适当增/删功能实现定制的操作系统，而这一点正是微内核的初衷。 

微内核认为只有最核心的操作系统功能（例如进程切换、消息传递、设备驱动等）需要运行于内核态，而其它服务可以建立在微内核之上，作为服务进程运行在用户态，相互之间依赖于微内核的消息传递进行交互。通过这一结构的改变，微内核操作系统具备了可扩展性强、移植性好、可靠性高和易于支持分布式实现等诸多优点。 

2.3进程结构 

2.3.1内核功能组织和进程映像逻辑结构 

在教学过程中，笔者发现部分学生会将操作系统看作是一种独立而神秘的特殊程序。确实，操作系统有其特殊性，例如其运行在内核态。但更重要的是，操作系统程序和普通程序一样，需要获得处理器后才能执行；操作系统程序并不一直占用处理器，只要有可能，就会主动放弃对处理器的控制。为了深入理解操作系统程序和普通程序的异同，则必须理解操作系统内核功能的组织模型和进程映像结构。 

在多道程序操作系统中，用户程序被组织为进程在用户模式执行，而操作系统的功能是否也需要被组织成独立的进程，则有不同的选择。一种早期的组织方式是，操作系统的功能运行在任何进程之外，拥有自己独立的地址空间和运行栈。第二种组织方式是让大部分内核功能在用户进程内执行，将OS看成是一组用户进程经常会调用的常用功能的集合。为此，每个进程映像不仅包括用户程序执行所需的环境，还需要包含为执行操作系统内核程序执行所需的代码、数据和堆栈。这一执行模型很好地诠释了进程和程序的关系并非是1对1的。在同一个进程内，可以执行用户程序和操作系统程序，而在不同进程中执行的操作系统程序是相同的（通过共享地址空间共享）。最后一种方式是将大部分操作系统功能也组织成进程，与用户进程一样可被独立调度。这种方式的好处在于一些非关键的操作系统功能可以按照某个优先级和其它进程交错运行，同时，在多处理器环境下，也便于操作系统服务在不同的处理器中运行，从而提高性能。图3为上述3种操作系统的内核功能组织方式。这一差别导致了进程映像逻辑结构的不同，如图4所示。在教学的过程中，学生经常难以理解为何用户进程映像还需要包括内核栈，在对内核功能的组织方式和进程映像结构有了基本了解后，应该可以释疑。 

2.3.2多线程环境下的进程结构 

引入线程后，进程成为地址分配和保护的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位。为了让学生更深入理解同一进程中的多个线程对进程地址空间的共享和线程切换的代价，有必要对多线程环境的进程结构有所了解。图5给出了单线程进程和多线程进程的结构示意图。当引入线程后，多个线程共享进程的地址空间，因此一个线程对数据所做的改变对其它线程可见，这要求多个线程之间采用某种互斥/同步机制以解决线程并发可能造成的数据不一致问题，为后续并发并同步相关内容教学作好铺垫。 

引入线程后，原有的进程控制块相关信息进一步分解，与进程有关的如存储管理信息、打开文件列表等依然保存在进程控制块中，而线程执行相关的寄存器上下文则保存在各线程控制块中。当在同一个进程内进行线程切换时，仅需保存线程控制块中的信息即可，进程控制块中的信息无需保存，因此线程的切换开销更小。 

2.4存储管理中的结构 

在存储管理相关内容的教学过程中，笔者发现学生虽然能够掌握复杂的存储管理策略的地址转换方法，但对地址转换的发生时刻却仍然模糊。观察发现，如果让学生对程序生命周期的编译、链接、装入和运行这4个阶段的关系有明确的认识，学生会对整个存储管理结构更加了解。图6给出了源程序经过编译、链接和装入后变成内存可执行程序的过程。编译和链接后的程序都使用逻辑地址空间，链接同时会进行全部或部分的符号解析。逻辑地址和物理地址的转换既可以在装入时即发生（静态重定位），也可以在运行时发生（动态重定位）。由于动态重定位能支持进程运行过程中在内存移动（例如进程被挂起后又被激活，页面/分段在虚拟存储管理中被替换出内存后又被载入），因此广受青睐。 

虚拟内存是存储管理中的另一项重点教学内容。理解虚拟内存首先必须理解由于技术和经济因素决定的层次化存储系统设计和各个存储层次之间的联系，图7给出了一个现代的多核处理器的层次化存储结构。在这一层次化结构中，每个上层的存储设备都可以被看成是下层存储设备的缓存。在此基础上，进一步掌握虚拟地址空间、内存映射表、物理内存和外部磁盘存储器的关系。在理解层次结构和各组成要素关系的基础上，掌握虚拟内存的管理就会变得更加容易。 

2.5文件系统结构 

文件的逻辑结构和物理结构是文件系统教学的一大重点。文件的逻辑结构是指文件的逻辑组织方式，从构成文件的基本元素而言，有字节和记录两种。流式文件指将文件看成由字节按顺序排列而成，记录式文件指将文件看成由记录按顺序排列而成，而索引文件则将记录按照某种规则排序，并建立记录的索引项提供快速的文件检索。现代操作系统大部分都支持流式文件，而将记录的重构交给应用程序完成。从结构的角度而言，流式文件仅支持最本元的字节操作，无法体现任何语义，但其也具有最大的灵活性。 

文件的物理结构则是文件的物理组织方式，与物理磁盘的结构紧密相关。物理文件的基本组成单元是磁盘块。物理文件的结构指逻辑上连续的字节以物理磁盘块为基础单位的排列组合方式，也即逻辑文件到物理文件的映射方式。文件的物理结构决定了对文件进行修改和扩充的能力、对文件进行顺序访问和随机访问的性能等。连续文件需要以物理上连续的磁盘块来存储文件，因此文件难以扩充和修改，但类似于数组，顺序访问和随机访问效率高。连接文件允许以离散的磁盘块存放逻辑上连续的字节，易于修改和扩充，但类似于链表，需要按序读取，随机访问效率低。FAT文件简单地将这些离散的以链接方式存储的映射信息集中起来存放，在文件被访问时载入内存，因此较之连接文件访问速度大大提升。索引文件同样是将映射信息集中存放，但是以索引表的方式，因此既方便文件的修改和扩充，也能支持快速的随机存取。

文件系统的另一项重点教学内容是文件的目录结构及物理实现方式。文件目录采用哪种结构决定了文件系统中文件保护和共享的能力。例如，早期的单级或两级目录结构不利于文件的共享和保护；纯粹的树形结构能实现文件保护，但不利于文件共享；而DAG（Directed Acyclic Graph）结构有利于文件共享；更通用的图结构则不利于文件检索。 

3教学过程中的结构思维培养 

《操作系统原理》课程教学中，教学人员一般都会对上述结构予以讲解，但为何会出现本文开篇所提及的学生在学完课程后普遍认为《操作系统原理》就是学算法的课程，这一点值得深思。笔者认为，没有强化结构概念是导致这一结果的原因之一。操作系统的教学人员已经认识到应该在操作系统教学过程中帮助学生建立整体概念[45]，强化结构概念和注重结构思维培养是帮助建立整体概念的主要途径。 

一般而言，教学过程都遵循自顶向下的原则，即先介绍整体结构，再介绍局部功能以及提高该局部性能的具体算法。但这一方法的问题在于，在初次介绍整体结构时，学生并未能对结构中的构成元素产生感性认知，因此对结构的作用感受不深。笔者建议按照图8的方法来加强学生对结构的认识。首先，通过自顶向下的结构分解建立学生对操作系统结构的初步印象；其次，在具体层次的功能讲解过程中，对存在的结构进行强化教学，注重各要素之间的联系；再次，对于重要的结构概念，注重在不同的教学单元进行交叉强化。例如，图7所示的层次化存储结构可以在不同的章节得到强化，包括进程七态模型的挂起态、多核CPU的进程或线程调度算法、存储管理中的快表、虚拟存储、文件系统的磁盘缓冲区和内存映射I/O等。进程的系统上下文概念也可以在进程映像结构、存储管理、I/O管理和文件管理中得到强化；最后，在讲授完主要层次后，通过自底向上的方式再次完成操作系统整体结构的重构。例如，图9给出了操作系统中的三大概念（进程、虚拟存储和文件系统）之间的结构关系。文件系统建立在I/O的基础上，对上层软件简化了外设操作。虚拟内存则是对包括主存和外存在内的存储进行抽象，从而使得用户可以按照内存操作的方式来访问文件。更进一步，进程则是对处理器资源和存储资源管理的抽象，构成了操作系统的核心概念。这一结构关系的重构可以在讲授完文件管理之后开展。基于图8所示的教学方法对结构概念从不同角度予以强化，学生对操作系统的整体认识将会产生由量变到质变的过程。 

4结语 

本文以“结构”作为《操作系统原理》课程教学的抓手，在教学过程中注重操作系统各要素的组合方式和相互之间的联系，引导学生掌握操作系统构造的一般性规律，探讨了操作系统中无处不在的结构概念，通过自顶向下分解、单元教学强化、交叉强化和自顶向上重构4个过程，深化了学生对操作系统结构的认识。 

参考文献参考文献： 

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关键词：嵌入式系统；实践；创新训练项目；课程设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0146-02

目前，我国对嵌入式领域人才的需求日益旺盛。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用，包括工业自动化、医疗仪器设备、智能家居、智慧城市和航天航空领域。例如神州飞船和火箭中有很多嵌入式系统，神州飞船从原来神州一号到神州十号，还有登月探测器嫦娥一号到嫦娥三号，其系统中都有大量的嵌入式系统。并且，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，使人们的生活更加丰富多彩。在生活中，所有带有一点“智能”的家电，例如电脑电冰箱、电脑电饭煲、电脑豆浆机等都是嵌入式系统，另外，日常常见的IPAD、照相机、摄像机、打印机、智能手机等都是嵌入式系统[1]。为此，国内外各大院校也纷纷开设了嵌入式系统方面的课程，并且在教学中把培养学生的实践动手能力放在首位。

本文对西安科技大学电气与控制学院自动化专业《嵌入式系统原理与设计》实验课程的教学特点进行了分析，提出了嵌入式系统原理与设计的课程实验教学方法，实践证明，该方法大大提高了学生的实践动手能力，为以后能成为真正的嵌入式人才打下了重要基础。

一、“嵌入式系统原理与设计”课程简介

1.从嵌入式系统定义和特点。嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。或者可以简单定义为嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统即为嵌入式系统。

嵌入式系统包含有三个特点，即嵌入性、内含计算机和专用性。

2.嵌入式系统的组成。系统包含硬件和软件，其中硬件包含嵌入式处理器和硬件设备，软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序[2]。嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体。嵌入式系统的嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统（SOC）。常见的嵌入式操作系统有：嵌入式Linux，Win CE，VxWorks和μC/OS-II。

二、“嵌入式系统原理与设计”课程实践项目

1.课内实验。课内实验是让学生熟悉实验教学系统和开发环境，完成基础实验的编程和验证工作。所使用的开发板是周立功公司的LPC2131的开发套件，能完成一些硬件的基础实验。包括GPIO口输入输出实验、外部中断实验、定时器实验、UART实验、I2C实验、SPI实验、PWM脉冲宽度调制、AD/DA实验、RTC实时时钟实验、低功耗实验等。通过基础实验的学习，学生掌握ARM7的开发环境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系统也作为程序设计的一部分，在操作系统的基础上设计用户程序，使学生熟悉嵌入式开发环境，全面了解嵌入式系统开发流程，在实践中锻炼设计和开发嵌入式系统的能力。

2.课程设计。在学期末集中安排两周的课程设计，主要完成以ARM处理器为核心的嵌入式最小系统及其扩展模块设计。实验设备采用ARM LPC2131开发版，考核方式为软硬件验收并提交课程设计报告。在学生熟悉了ARM的开发环境和基本的实验程序之后，会让学生自己动手设计课题，给学生布置多个课题，学生可根据兴趣进行选择，三人一组。如：基于ARM的步进电机细分驱动控制设计，自动窗帘控制器，多路数据采集系统，基于ARM的工程车控制系统设计，直流电机调速系统设计等。

下面以红外自动感应窗帘为例，介绍学生课设自己动手所做的工作。首先，学生根据课题功能的要求，确定系统控制方案。《自动窗帘控制器》课题要求系统能根据环境因素自动打开或关闭窗帘。因此学生可确定出如图1所示的控制方案。系统包括LPC2131最小系统、温度和光强检测、键盘输入、液晶输出和步进电机驱动等模块。

在此方案的基础上设计系统硬件，进行器件选型和原理图设计。温度检测选用DS18B20，光强检测选用光敏电阻，键盘采用独立按键，液晶显示选用LCD1602，步进电机选用28BYJ-48型步进电机，其驱动选用ULN2003。由此得到的系统原理图如图2所示，并要求学生在此原理图基础上做出硬件实物。

而后就可以进行软件的编程和调试了。软件工作流程如图3所示。

最后通过软硬件的联合调试，实现系统所要求的功能，并撰写课程设计报告。

3.创新训练项目。在校大学生每年都可以参与申请大学生创新创业训练计划项目，该类项目主要由4～5名学生完成，由一名老师指导[4，5]。创新训练项目申请时要对项目实施的目的和意义、项目研究内容和拟解决的关键问题、项目实施方案、主要技术指标和经费预算等进行陈述。重点是项目研究内容、拟解决的关键问题和项目实施方案。通过这种形式，学生不仅对项目的申请有了一定的认识，而且可以激发学生学习的兴趣，由原来单纯的依靠兴趣来动手实践，转变为以解决实际问题为目的的学习方式。这样，可以让学生以解决问题为驱动的方式来学习嵌入式系统的设计，与实际的工业企业问题更为接近，也可以为就业打下坚实的基础。

4.毕业设计。此外，每年有大约四分之一的学生以嵌入式系统设计方面的题目作为他们的毕业设计课题，如，基于ARM的智能家居控制系统设计、嵌入式多功能轮椅控制系统设计、嵌入式鱼塘水质监控系统的设计、基于ARM的道路清扫车控制系统设计、嵌入式语音控制机器人控制系统设计等等课题。学生通过毕业设计动手能力的训练，进一步提高了解决实际问题的能力，增强了就业竞争力。

嵌入式系统原理与设计课程是自动化专业的一门重要课程[6]，该课程通过课内实验、课程设计、创新训练项目、毕业设计等方面实践项目，不仅提高了学生的实践动手能力，也提高了学生解决实际问题的能力，让学生能有一技之长，增强了学生的就业竞争力，为学生成为企业需求的嵌入式应用型人才打下了重要的基础。

参考文献：

[1]李振宁.嵌入式教学实验系统的应用与研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]曾洁琼.ARM嵌入式系统实验教学研究与探讨[J].时代教育，2014，（6）：117，140.

[3]周立功.ARM嵌入式系统实验教程（二）[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[4]王恒，张燕，钟丽娜.“ARM控制器实用技术”课程教学探索[J].物联网技术，2015，（6）：106-108.