系統科學原理范文
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導語:如何才能寫好一篇系統科學原理,這就需要搜集整理更多的資料和文獻,歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文,供你借鑒。
篇1
教學過程本質上是一種認識過程[1]。這一認識在系統科學里就看成一個完整系統。牛頓力學以三個運動定律作為基本原理,邏輯地演繹出牛頓力學體系;熱力學以熱學的三個基本定律為基本原理,邏輯的演繹出經典熱力學體系;愛因斯坦的狹義相對論,以及狹義相對性原理和光速不變原理為基礎;愛因斯坦的廣義相對論,以及廣義相對性原理和等效原理為基礎[2]。同理,如果我們把控制論、信息論、系統論、耗散結構論、協同論、超循環論作為一門科學,稱系統科學。從系統科學業中所涉及的概念、規律中可以抽象出三個基本原理。既反饋原理、有序原理、整體原理,將系統科學基本原理應用于教學過程中,這是本文討論的中心問題。為了突出重點,論述簡明,先將系統科學原理表述如下:
反饋原理:任何系統只有通過信息反饋,才可能實理有效的控制,從而達到預期的目的。
有序原理:任何系統只有開放,有漲落,遠離平衡態,才可能走向有序,才可能得到發展。
整體原理:任何系統只有通過科學的相互聯系而開成整體結構,才能發揮整體功能大與各部分功能之和的功能。
把教學過程看作是一個系統,將上述系統科學三個基本原理應用于教學過程來研究,是符合科學規律的,只要應用恰當,將會提高教學效率,同時有助師生的信息交流。為了解決教學過程中存在的問題,提高教學效率,下面對系統科學原理在教學過程中應用初步探討。
1反饋原理在教學過程中的應用
任何一門具體學科的教學和具體技能的訓練,任何一章一節的教學,任何一項實驗的進行等,都有具體的目的。在教學過程中,要隨時通過反饋信息掌握現狀與目的的差距,從而去解決難點,去調整教學的速率,去改進教學業的方法,做到因材施教?!翱鬃咏倘?各因其材”這表明孔子在教學實踐中已注意到應用反饋原理。在教學中應用反饋原理十分重要,作用很大,對學生來說。反饋信息可使學生強化正確,改正錯誤,找出差距,促進努力。對教師來說,反饋信息可使教師掌握情況,改進教法,找出差距,提高質量。試舉一個例子
例如:判斷是否正確,加速度與向心加速度是等價的。
可能有“正確”、“錯誤”兩種回答,回答“正確”的學生顯然沒弄懂加速度、向心加速度各自物理意義;回答“錯誤”的學生可能有一部分是主觀判斷的,也有一部分是真正弄懂了。教師得到這一及時反饋,就知道學生究竟弄懂這兩個物理量沒有,然后引導學生對加速度物理意義(描述速度改變快慢的物理量),向心加速度物理意義(描述速度方向改變快慢的物理量)正確理解,通過有針對性的及時反饋,使學生對該問題有一個很深的印象,使學生頭腦中存在的問題從根本得到解決,從而使學生達到以后不會再犯類似錯誤的目的。改正錯誤,就會給學生留下很深的印象。在學生發現問題、分析問題和解決問題的過程中培養了學生的批判性思維能力、表述能力和合作能力。以上例子按下原理圖分析的
2有序原理在教學過程中的應用
有序原理告訴我們,系統進化的必要條件是:系統必須開放,只有開放的系統才能與外界物質的、能量的,信息的交換。人的大腦是一個熱力學系統。如不開放,與外界無信息交流,形成封閉,則大腦的熵將自發地趨于增加,走向無序。因此,教學系統必須開放,不僅是師生之間的相互溝通,也包括同學之間互相溝通,學生與書本間的溝通,學生與環境等子系統之間的相互溝通。
有序原理告訴我們,整個教學過程中要遵循:循序漸進,逐步深化,周期躍遷,勇于創新,這樣才能使教師、學生和諧的共同發展。舉個例子:
例1.批改作業傳統的做法是由教師完成,從有序原理看,批改作業應放到一個開放的系統中完成。學生之間相互批改學生的作業,不同班級相同學科的教師互相批改學生的作業。這樣將作業批改放到在一個開放的系統里運作,充分利用了“物質”和“能量”的信息交換,從而使得學生、教師的解題能力得到迅速提高和發展。
3整體原理在教學過程中的應用
沒有結構的孤立部分,要求發揮整體功能是不可能的。對于教學過程這一系統,僅僅有教師、學生、自然科學世界這些因素,不可能顯示出一個教學系統的整體功能。就如人體有各種器官,這些器官相互聯系,相互制約形成有機的整體。在教任何一門學科時,不能僅僅教授一條條孤立的知識,而要即分解一份份學生可接受的知識,又不斷注意各知識間的內在聯系,以使學生對這門科學形成一個整體結構。從而提高教學效率。整體原理可用下式表示:
E整=E部+E聯
當E聯>0 時,E整>E部,即系統的整體功能大于各個部分功能之和。表明整體的結構產生了整體的新功能。這一理念啟示我們在教學過程中,不但要注意教學過程中的每一環節,更要重視教學過程整體。魯納等人曾做過實驗,受試為兩組大學生,一組采取整體法的策略。即從整體出發注意各部分的關系以解決問題;另一組采取部分法的策略,即從部分出發總和起來以解決問題。他們的任務是從一系列的卡片中,根據內容的特性抽出概念,擬定假設,解決問題,研究表明,不論問題的難易或特征的多少,問題的解決皆以整體法優于部分法[3]。舉個例子:
例1.如下圖所示,生重量為G的重物被輕繩AO、OB、OC拉著處于靜止狀態,繩OB與豎直方向夾角為,求繩AO、BO中的張力?
通過分析可以選取O處于平衡狀態。應用當F =0求張力,應用此思路求張力時可以采用正交分解法,也可以應用平行四邊形定則或通過幾何的方法求出張力。換個角度,應用力的分解知識同樣可以求出張力,通過分析總結出解決此類問題有兩條思路、三種方法。這樣通過對一道題采用多種不同的解法,(下轉第141頁)
(上接第19頁)將不同解法進行科學分析。揭示出它們的內在聯系,從而形成解決某一類問題的方法結構,進而發揮方法群的整體功能。
系統科學基本原理的反饋原理、有序原理、整體原理應用于教學過程中,反饋原理揭示了變化中的穩定性;有序原理揭示了多樣中的統一性;整體原理揭示了聯系中的完整性。事實上三個原理是有其內在聯系的,抓住內在聯系應用于教學過程是更值得探討的問題。因此,這三個原理的應用,對提高教學效率有著很重要的意義,同時對培養人才也是非常重要的,這就需要我們進一步的研究、探討。
參考文獻:
[1] 閻金鐸.田世昆.中學物理教學業概論(M).北京:高等教育 出版社,1999年第一版.
篇2
關鍵詞 科研管理系統 移植 實用性 擴展性
中圖分類號:G47 文獻標識碼: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
現如今,中國高等教育蓬勃發展,培養人才、科學研究和社會服務是高等學校的三大職能。其中,科學研究也是衡量高等學校發展水平的關鍵所在,而對科研的管理,也開始受到更大重視。隨著互聯網技術的發展,很多高校都開始把信息化建設作為重要內容。為學校的各個部門開發使用管理信息系統,也成為提高部門工作效率和水平的必要手段。管理信息系統可以推動信息的交流與共享。管理信息系統能夠為高校的信息化管理、辦公自動化和科學化決策提供支持。把科研工作和管理信息系統相結合,借助于科研管理信息系統,高等學??梢约訌娙粘?蒲泄ぷ鞴芾?,規范科研工作流程,進而提高科研管理水平??梢哉f,科研管理系統的應用已是當今高等學校科研管理的必由之路。
1 獨立學院科研管理系統應用的具體現狀及原因分析
在獨立學院,從事科研的一線教師隊伍也開始壯大,科研項目課題開始逐漸增多,與之相關的科研經費和科研學術成果也開始有顯著增加。一方面是獨立學院規模和檔次的提升,另外一個方面卻是獨立學院信息化建設的停滯不前。特別是在科研工作管理方面,信息化做的尤其不夠。純人工和手工的方式只能應付少量數據的情況,如果遇到大量的科研信息,手工方式就變得極其繁重和繁瑣。同時,由于科研管理部門和科研人員之間溝通困難,不能反映科研項目的實時進度,從而導致科研管理工作始終處于盲目狀態。
科研管理系統的應用越來越廣泛已經成為事實。但獨立學院使用科研管理系統的比例并不大,通過分析,認為主要是以下幾方面原因:
(1)學院決策層重視程度不夠,推進也很困難。部分領導之前在原來母體高校從事過科研或科研管理工作,知道科研工作的重要性。到了新的獨立學院管理崗位后,也會順理成章的重視科研工作。很多中級管理層多由母體高校退休或返聘人士組成,有相當多工作人員計算機操作水平不高,對信息化系統使用存在困難,缺乏科研工作積極性。對科研工作,管理人員習慣于“上傳下達”,習慣于發文件和做指示。
(2)科研工作數量還有待增加。對于獨立學院,科研人員要想申請科研課題和項目,往往困難重重,從上到小,從國家各部委到省市地廳局,從縱向到橫向,往往受到的羈絆較多,最終獲得批準的項目很少。所以,這種情況下獲得的科研信息數據就很少,日常需要處理的科研信息量也少。從而導致很多獨立學院的科研管理人員都是采用手工報表的方式來管理數據信息。因此管理人員對建設科研管理系統的要求也不夠強烈。
(3)科研管理思路還有待進一步調整。做好科研管理工作的前提是要有一個好的成熟的科研管理思路。在目前,很多獨立學院的科研管理制度還沒有制定,從管理流程,到管理方法,再到具體管理項目,都需要一步步細化和優化。很多獨立學院由于科研管理制度缺乏規范和準則,整個科研管理工作處于無序狀態,科研管理系統的建設更無從談起。
2 獨立學院建設科研管理系統是大勢所趨
科研管理系統的建設,成為學校信息化建設的很重要一環。全國一些比較有實力和遠見的獨立學院紛紛行動,開始著手進行科研管理信息系統的建設工作。建設一個優秀的科研管理系統,可以推動科研工作向數字化、網絡化管理發展,形成一個動態的科研數據中心和科研管理平臺。借助于科研管理系統,科研管理人員能夠及時掌握準確的科研信息,從而撰寫出有效材料為領導提供智囊決策。同時,作為學校領導,可以通過科研管理系統中最實時、最直觀的科研動態分析來進行科研管理決策;作為一線科研人員,可以從系統中獲取重要科研信息、閱讀查詢科研成果,形成個人的詳細科研資料庫,以方便后期職稱申報;作為管理人員,也可以供財務、人事、教學、學工等管理部門作為材料參考。有了真正的功能完善的工作量管理系統,才算是真正實現“網上科研、網上管理、網上辦公、網上服務”,才算是真正的推動學??蒲泄芾淼男畔⒒M程,為學校科研發展提供良好的服務和管理平臺。
3 獨立學院如何構建科研管理系統
在不久的將來,獨立學院都會從母體高?!皫烈浦病保缓蟆叭ネ亮舾???梢越梃b和復制重點高??蒲泄芾砉ぷ鞯某晒δJ?,針對獨立學院的具體實際情況,區別對待。保留和建立好的規章制度,保留和傳承好的工作作風和做法,以母體高??蒲械某晒χ帪閷颍罅Πl展科研工作。隨著科研工作規模和檔次的提升,科研管理工作量必然會大量增加,需要處理的數據流和業務流將不斷攀升。大量的繁雜數據呈現幾何級的增長,守舊的老式管理方法將不堪重負,需要一套功能完善良好的科研管理系統來高效的處理科研管理工作。設計一個良好的獨立學院科研管理系統,應該充分考慮好構建原則和設計框架,要注意以下幾點。
3.1 在構建科研管理系統時,要有政策做鋪墊,講究實用性和擴展性
科研管理工作同樣需要得到政策和規章制度的支持,要想建設和使用科研管理系統,獨立學院首先要出臺嚴格規范的管理方法和模式,要有統一的規則。項目課題、項目成果,項目經費等都是非常重要的數據信息,也是用于衡量研究人員的最重要的依據,在對這些信息進行管理時,要做到清晰規范,嚴禁隨意性和盲目性。
科研管理系統服務的最終對象是用戶,主要分為三大類,分別是一線教學科研人員、中層管理人員和高層審核人員。一線科研人員是科研工作數據信息的采集者,很多科研信息都事來自于他們。中層管理人員來自于各個部門,主要是對數據進行必要的管理、統計等。高層管理人員主要是對科研項目和經費等進行審核和批準鑒定等?,F在市場上有不少軟件開發公司已經開發出科研管理系統,但系統在獨立學院使用并不廣泛,有一個重要原因就是結合高校實際的二次開發做的不夠。高校要和開發公司密切配合,提出具體的具有本校特色的用戶需求,然后開發公司再結合科研管理系統的共性和廣泛性做出設計。
另外,科研管理系統要考慮和其他系統的融合。除了后期的升級和維護外,科研管理系統還要考慮和其他管理系統的融合?,F在有不少高校已經把科研管理系統和其他管理系統結合,如人事管理系統,教學管理系統,學工管理系統等。有的高校已經把科研管理系統融合到大的辦公自動化系統中去。通過這些結合,做到信息化建設的統籌協調和對接,也為今后系統的擴展打下基礎。
3.2 設計框架時要以業務流和數據流為主線,根據功能劃分模塊
科研管理系統的業務流和數據流是系統的主線,系統的框架要把業務流程和數據流程表達清晰。從科研管理系統大的模塊來進行考慮,主要包括科研項目和管理兩大塊。科研項目包括參加科研內容、人員和用戶、項目經費、項目成果等,并在此基礎上可以細化出獎勵考核、學術活動和學術文庫等內容。管理模塊主要體現在報表統計、管理審核、系統管理等功能,主要是方便管理用戶對系統進行宏觀和微觀的管理統計審核工作。
4 獨立學院如何推動科研管理系統的應用
推進科研管理系統的應用,是一個全局性的工作,要具有前瞻性和統籌性,同時還要有周密部署和具體實施過程。包括系統的可行性分析、系統需求、系統使用、系統維護和升級等,都需要一個詳盡的規劃設計。要推動科研管理系統得到真正的充分應用,還應該注意以下兩點。
(1)政策先行、資金保證、人員到位。政策先行,要求獨立學院首先要出臺政策支持科研管理系統的推進工作。從學院決策層,到中層管理人員,再到一線的教學科研人員,都要上下一條線一條心。推動科研管理系統應用,要消除政策壁壘和人為阻礙。學院要為科研管理系統提供足夠的資金支持和財力保證,包括購買、安裝、升級和維護費用,甚至包括人員培訓費用等。科研管理系統建設是一個漫長的循序漸進的過程,資金的投入也需要過程,避免出現半途而廢。人員到位,要求有專門管理人員管理審核和維護科研管理系統。在這些人員中,重點包括系統的用戶群,特別是科研管理人員和科研人員,系統需要采集數據,也需要審核和管理。管理人員需要對系統的數據信息嚴格把關,注意數據信息的完整性、實效性和一致性。同時,系統的各種用戶還需要對系統的功能提出新需求,以便充實和完善系統。
(2)拋棄守舊觀念、一切向“信息化”看齊。信息化管理需要數據信息化。在沒有應用信息系統前,很多管理人員習慣于文件管理,所有的數據信息都是以文件方式存放。科研管理系統需要數據庫系統的支持,數據庫需要數據信息化。在使用科研管理系統時,建議分段實施、注意積累。在剛開始使用階段,部分管理人員可能會覺得管理系統條目劃分過細、相關或非重要數據信息過多,總想回到原來的采用手工或文件處理方式,這是一種守舊觀念。采用了新的科研管理系統后,即使是少量的科研信息,而要采用管理系統來操作,從而為后期的大數據量操作打下基礎。建議系統可以從基本模塊開始,重點處理大數據量的人工處理繁瑣的信息,重點體現復雜的科研管理的業務流程,然后推而廣之,拓展開來。
參考文獻
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[2] 劉晨霞,張明.高??蒲泄芾硇畔⑾到y實踐初探[J].科技管理研究,2009(8):253-254.
篇3
關鍵詞:嵌入式系統 獨立院校 課程改革
一、引言
近幾年來,嵌入式技術的應用推動了國防、軍工、航天航空、移動通訊、機器人、工業控制、醫療儀器、汽車電子等領域的發展。社會對相關人才的需求量大,學生學習的積極性很高,因此嵌入式系統正逐漸成為高等院校必開的課程。嵌入式系統有兩個顯著的特點,一個是軟硬件密切聯系,一個是以應用為中心,獨立院校作為一種新型的高等院校教育單位,作為對普通高校資源的補充,更偏向于實踐應用[1],因此,如何開設嵌入式系統的相關理論與實踐課程來培養應用型、創新性人才,是獨立學院目前的重點探索之一。
二、嵌入式課程教學存在的問題
目前獨立院校很多專業都開設了嵌入式系統課程和嵌入式專業方向,比如電子類、通信類、計算機類、自動化類專業都開設嵌入式系統的相關課程,結合企業對嵌入式人才的要求,存在著很多不足。
1.前期基礎教學安排不合理
從理論教學來看,嵌入式技術是一門綜合性很強的課程,涉及的知識體系有硬件、軟件、網絡等方面的知識,硬件方面要具備模電、數電、單片機等相關知識,在軟件方面要具備計算機的基礎理論知識如操作系統,程序設計語言基礎,程序的設計思想和方法,在網絡方面要具備網絡語數據通信的理論知識體系。但是各專業的基礎教學并沒有完全開設相關方面的理論教學,如:計算機專業主要具備了軟件方面的基礎理論,自動化、電信等相關主頁主要設置了硬件方面的知識體系,對軟件方面的知識體系開設較少,主要就是C語言程序設計,而對操作系統,程序設計的思想和方法并沒有開設相關理論課程。
2.缺少足夠實踐教學
從實踐教學來看,很多實驗基本上是驗證性實驗,大多數都只需要按照實驗指導書上的內容就可以完成,課程設計與企業項目實際應用差距較大。眾所周知,實踐是嵌入式系統教學的重要環節。嵌入式系統內容涉及廣泛,指令編程、驅動程序設計、內核的移植設計和應用程序編寫等知識的學習,都需要學生通過大量的實踐環節來加深理解[2]。學生在課程之余沒有更多的實踐機會,嵌入式課程學時完畢后,很多學生就沒有辦法進行后續的學習。另外,實驗學時不夠。開設的嵌入式系統課程一般為32~40學時,實驗環節僅占6~8學時。有限的課內學時無法滿足實踐教學,尤其是綜合性、設計性實踐的需要。這使得缺乏足夠實踐動手環節訓練的學生難以真正了解和熟悉嵌入式開發過程。
3.各專業教學內容比較單一
從課程體系上來看,大多數的課程總是偏向兩個方向:方向一偏重硬件設計,例如與電子工程、通信工程、自動化相結合。這個方向培養出來的學生主要從事硬件設計工作,他們的優勢是對硬件原理非常清楚,不足在于這類方向的人才更擅長定義各種硬件接口,但對復雜軟件系統往往力不從心,例如嵌入式操作系統原理和復雜應用軟件等。方向二偏重軟件設計,例如和軟件工程、計算機科學與技術結合,這個方向培養出來的學生主要從事嵌入式操作系統和應用軟件的開發。他們對軟件有較好的操縱能力,不足在于對硬件原理和接口沒有較好的掌握,對于嵌入式系統其它的應用也沒有一個全面的概念,如驅動程序等不太了解。大多數面向Linux操作系統的應用軟件編程,與企業的需求來看,內容比較單一。
4.高校師資隊伍實踐經驗欠缺
嵌入式系統的教學要求教師具有處理器、匯編語言、接口、操作系統、驅動程序開發、應用程序開發等各方面豐富的知識,并要有從事嵌入式項目開發的經驗[3] ;但對于大多數開設嵌入式課程的獨立院校而言,師資隊伍很難跟上。從事嵌入式技術開發的技術人員,很少愿意到獨立學院執教;在嵌入式師資方面,對于年輕的獨立學院而言,承擔嵌入式系統課程的多以青年教師為主,大部分教師并沒有項目經驗,有部分老師從單片機教學轉型。高校組織的教師培訓,都是提供實驗設備的廠商對實驗設備的培訓,真正的嵌入式系統相關技術的系統培訓缺少。所以,師資隊伍的建設在短期內無法跟上嵌入式技術的教學需求。
三、嵌入式課程教學的改革
從理論指導課程體系方面來看,學生不僅要掌握經典的計算機基礎理論知識如計算機組成原理、操作系統、匯編語言、C/C++語言、程序設計思想和方法,還要具備嵌入式系統領域特定的知識,包括嵌入式硬件基礎、軟件基礎、操作系統、開發工具等,我院的很多專業都是在大二下才開始大量開設相關基礎理論課程,而嵌入式技術這門課程基本上都是大三下學期開始學習,學生要在一年內學完這些理論,對學生而言,對知識的理解也是需要一定的時間,因此理論課程應在大一開始逐步開設,結合學生的學習程度合理安排相關理論課程的學習。
企業對嵌入式軟件人才的需求有幾個方向:嵌入式引導程序設計,嵌入式操作系統內核的設計,嵌入式操作系統的驅動程序的開發,嵌入式圖形化用戶界面的設計,嵌入式數據庫的開發等,首先幫助學時確定自己從事的方向,并掌握嵌入式系統開發的整個流程及其相應的調試方法。在嵌入式的理論課程學習中應結合企業的需求以及基本知識面的結合;如軟件方向理論教學基本的內容應圍繞嵌入式基于Linux操作系統下的應用程序開發這些方向來確定要學習的課程體系,確定課程體系后可以根據企業的需要加入相關驅動開發等相關課程內容及比較流行的手機開發也可以納入課程內容之一,理論教學的原則壓縮基礎理論課學時,突出實踐性與應用,以達到“學習嵌入式,使用嵌入式”的教學目的和作用,建立起一種由淺入深、梯度型、層次化的教學模式。
從實踐指導課程體系方面來看,應該采用多樣化的課程實踐教學手段,提高學生的動手實踐能力。
1.在實驗環節方面,應該大幅提高實驗的課時,達到講一課就能實踐的目的。改革后我院開設嵌入式課程的實驗學生16學時,包括硬件裸機程序編寫6學時,嵌入式開發環境搭建與2學時,嵌入式軟件下驅動程序編寫4學時,嵌入式應用軟件程序編寫4學時,基本上一次理論課上完學生就可以在實驗室進行實踐。
2.通過對市場調研,了解企業需求,結合師資隊伍中存在的教師的項目經驗,開發實訓和實習的項目,結合項目指導學生結合理論進行相關學習。這個在嵌入式課程學時結束后,用1個月左右的時間來指導學生組成項目組完成于企業結合比較緊密的項目開發。
3.舉辦嵌入式系統技術講座:可以根據學生的需要,邀請來自公司企業的工程技術人員進行專題講座,使學生能接觸到最新的知識和實用技術,并了解社會對嵌入式系統人才的具體需求。
4.建立開放的實驗室,對有興趣的同學安排實訓和實習課題: 實訓課題實行“三級指導”(全指導,半指導,零指導),使教、學、練緊密結合。每個實訓課題一般安排兩個項目,第一個項目學生在老師的指導下,實行實訓過程的全指導;第二個項目主要是結合教師在企業的項目基礎(實習課題),從項目需求分析開始,先由學生來完成,老師再參與其中,從這個過程慢慢的從半指定到變為零指導,來鍛煉學生進行項目實施的能力。
四、總結
從獨立學院立足培養創新,應用型人才出發,獨立學院嵌入式課程改革目前有了一定的成效,但是開設嵌入式教學還在起步階段,存在著很多不足,這就要求教師緊跟嵌入式技術的發展,不斷提高教學與教師的實踐能力,努力完善嵌入式課程體系,爭取能達到學生畢業后迅速從事嵌入式軟件的開發及設計的目的。
參考文獻
[1] 謝川.應用型本科嵌入式課程教學研究.重慶工商大學學報(自然科學版) , Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition), 2011年04期
篇4
論文摘 要:“通信原理”課程是通信、信息及電子類專業一門重要的基礎課程,其特點是系統性強、概念抽象、數學含量大。本文分析了“通信原理”課程存在的問題,并在理論教學和實踐教學改革方面進行探討,提高了教學質量和效果,完善了教學手段,并極大地激發了學生的學習興趣,提高了學生解決實際問題的能力。
1 引言
通信原理課程在通信工程專業的課程體系結構中起著非常重要的作用,是學習諸如移動通信、光纖通信以及數字通信等后續課程的基礎,其教學的重點在于讓學生理解基本概念和原理、掌握相關的分析方法和有關通信系統的重要結論。本課程特點是內容較多,知識面廣,概念抽象,系統性強,同時強調理論和實踐的融會貫通。因此,如何提高課程的教學質量,改善教學效果,提高學生分析問題和解決實際問題的能力,是一項緊迫和重要的工作。本文首先分析通信原理課程教學中存在的問題,然后從課程的理論教學和實踐教學方面進行了一些改革和探索。
2 課程教學中存在的問題
通信原理課程的理論學習往往有大量復雜的數學推導,抽象的理論概念較多,內容覆蓋面廣,理論性和實踐性強,但學生不會將理論知識運用于實踐。同時,由于本門課程內容偏重理論,學生在學習過程容易感覺乏味枯燥,學習效果不好。
因此,傳統的課堂教學中存在以下的問題:(1)學生學習積極性不高;(2)教學方式和教學手段單一化;(3)課程試題庫陳舊;(4)實驗教學內容陳舊;(5)理論和實踐相分離。
3 理論和實驗教學改革
針對上述存在的問題,本小節對如何改進教學方法、豐富教學手段、立足教學內容力求與實際通信系統相結合等方面進行了初步探討。
在理論教學方面,首先應建立良好的師生情感,創設和諧的教學環境,根據不同的教學內容和對象,授以不同的教學方法,以培養學生的學習興趣。其次,在課堂教學中,針對課程中的重點和難點,結合使用現代化的多媒體教學手段,擴大課堂教學的信息量,提高課堂效率,豐富教學形式,增強課堂教學內容的生動性與形象性,多體并存,優勢互補。最后,利用網絡資源及時更新和豐富課程試題庫,并在授課過程中穿插通信產業的最新進展和目前比較前沿的通信系統如第三代移動通信系統或者新型通信技術-超寬帶無線通信系統,使理論和實際能夠有機結合,進一步激發學生的學習興趣。
在實驗教學方面,合理配置演示性、驗證性和設計性、綜合性實驗,充分利用仿真實驗的便利條件,并將仿真實驗及硬件實驗將課堂教學和實踐環節相融合,使學生對理論知識更好的消化和吸收,鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。例如,在實踐教學環節中,可以適當引入和靈活配置Matlab、Labview、SystemView等仿真軟件,由學生設計和實現虛擬實驗,通過靈活配置一些仿真參數,對實驗結果進行分析和討論,通過圖形對比,使學生從理論認識進一步深入到感性認識,以更好地理解和鞏固通信原理課程中的概念和結論。具體設計題目包括:模擬信號的調制與解調、模擬信號的數字化傳輸、基帶傳輸的部分響應系統演示等等。通過上述實驗教學方面的改革,可以使教學理論聯系實際,使學生具備一定的感性認識,并培養學生的觀察能力、思維能力、自學能力以及發現問題、分析問題及解決問題的能力。
4 結語
通信原理課程是一門理論性與實踐性都很強的專業基礎課,本文針對傳統教學中存在的一些問題,從理論教學和實驗教學的角度給出了一些改革的措施。通過對教學內容、教學形式、教學方法和教學手段等方面的改良,調動了學生學習本課程的積極主動性,顯著提高了教學質量和教學效果,達到了培養適應現代科學技術發展的高質量創新型人才的目的。
參考文獻 轉貼于
[1] 楊星海,魏長智,張魯,等.“通信原理教學改革研究”[J].中國現代教育裝備,2010,9:87-88.
篇5
教學內容改革是教學改革最核心、最基本的問題。教學內容主要由熱力學第一定律、熱力學第二定律熵分析法和分析、新的能量系統分析評價方法介紹組成。其中,根據教學目的與任務有效組織教學內容,要與基礎課程工程熱力學第一定律、第二定律知識點的學習有機結合,既避免教學內容的簡單重復,又要使學生通過本課程的學習對第一定律、第二定律有更為深刻的認知,并使學生能夠利用兩個熱力學基本定律熟練進行能量系統分析與評價、以及高效學習和應用新的分析、評價與優化方法。
1.熱力學第一定律
熱力學第一定律是工程熱力學教學內容的重點,主要講授閉口系統與穩流開口系的熱力學第一定律能量方程式的表達式及應用。在本課程中,進一步強調熱力學第一定律的一般表達式即:“進入系統的能量-離開系統的能量=系統總儲存能的變化”的正確靈活應用,重點介紹如何分析、列出非穩態充、放氣熱力過程的能量方程式,幫助學生進一步增強利用第一定律進行能量分析的能力。同時,通過對節流、自由膨脹、混合、換熱、可逆定溫放熱壓縮等熱力過程分析來幫助同學們對第一定律的局限性有更為深入的理解。
2.熱力學第二定律熵分析法
熱力學第二定律是工程熱力學教學內容的重點與難點,主要講授熱力學第二定律的數學表達式,具體包括:卡諾循環+卡諾定理、克勞修斯積分不等式、閉口系及開口系統熵方程、孤立系統熵增原理。在本課程中,考慮到判斷一個熱力循環是否可行、可逆的數學判據容易理解而且是熱力過程的特例,故重點講述閉口系及開口系熵方程、孤立系統熵增原理。在該部分從以下四個方面進行介紹:對于狀態參數熵的辨析:辨析熵是狀態參數與過程無關,強調判斷一個熱力過程能否進行、可逆的參量不是過程熵變而是過程熵產,引出后面由熵方程及孤立系統熵增原理計算過程熵產的知識點;重點講授熵方程的一般表達式,即:“進入系統的熵-離開系統的熵+過程熵產=系統熵變化”,通過典型例題幫助同學能夠利用熵方程列出閉口及開口系熵方程,并求取過程熵產;重點解析孤立系統熵增原理的實質及解題特點,并通過典型例題幫助學生認識到孤立系統熵增原理與熵方程的一致性:孤立系統熵增即熵方程中的熵產;作功能力損失方面除了介紹計算公式、通過計算熱力過程熵產及作功能力損失,還著重結合對節流、自由膨脹、混合、換熱、可逆定溫放熱壓縮等具體熱力過程分析讓學生體會第一定律與第二定律之間的聯系及第二定律的獨有貢獻。
3.熱力學第二定律分析法
由于學時有限并且概念抽象難以理解,分析法在工程熱力學中屬于選講內容,即便講授,也多是簡要介紹。本課程中,分析法是授課重點,從以下四個方面進行講授:第一,概念及計算公式,包括機械、熱量(冷量)、內能、焓和化學。第二,重點講授方程的一般表達式“進入系統的-離開系統的-過程損=系統變化”,通過典型例題幫助同學能夠利用方程列出閉口及開口系方程,并求取過程損。同時,在分析典型例題時,引導學生同時用熵分析法來計算過程的作功能力損失,讓學生自覺地認識到分析法中所得到的損失即熵分析法中計算的作功能力損失、體會兩種分析法的一致性及分析法的優勢。第三,效率、損系數的概念及公式,以及在典型熱力設備、過程及熱力循環中的計算。第四,針對本學科領域典型的火力發電裝置、燃氣輪機發電裝置和低溫制冷裝置、LNG液化裝置、天然氣凈化裝置、油田聯合站等,設置工程背景很強的案例,教師與同學們一起分析循環裝置及各組成設備的效率、損失及損系數等,讓同學們認識到分析法在進行系統能量分析時的重要性及提高利用該方法解決實際工程問題的能力。
4.新發展起來的能量系統分析與優化方法
介紹能級分析法、經濟學、夾點技術、全生命周期分析法、能值理論等新發展起來的能量系統分析與優化方法的基本理論及應用,鼓勵學生查閱相關文獻獲取更多知識。這部分內容與留給學生的學習報告緊密相關,將在下文介紹。目前還沒有適合于本專業本科教學的系統節能方面的教材,本課程教學內容主要參考自沈維道等主編《工程熱力學》、朱明善等編著《工程熱力學》、傅秦生編著《能量系統的熱力學分析方法》和馮霄編著《化工節能原理與技術》、何雅玲主編《工程熱力學精要分析典型題解》等教材及專著,結合教學團隊多年來收集整理的工程案例編寫成講義供教師及學生使用。
二、教學方式改革
教學中的主體是學生,調動學生學習主動性,提高其學習興趣和學習效果是教學方式改革的目的。學生們對于國際上最新的、與未來工作緊密相關及實用性強的知識以及確實能提高自身素質與能力的教學環節更感興趣。
1.采用多媒體與板書有機結合的教學模式
充分利用多媒體教學信息量大,圖像、視頻生動形象的特點,同時結合傳統板書講解復雜推導更容易被學生掌握的優點以提升教學效果。這種授課方式既可以增大授課信息量、有效吸引學生注意力,同時又能使學生通過與老師一起板書推導對所學重點、難點有更為深刻的認知。
2.提高課堂教學吸引力
通過針對每一個重要概念及知識點設計的系列典型例題、思考題吸引學生注意力,激發學生學習興趣,引導其積極參與到教學中來。而且教學團隊經過多年的教學和科研積累,收集并提煉出與石化工程緊密關聯的工程案例,通過案例的討論和分析,增強學生學習理論知識的興趣,提升課堂教學的互動效果,增強學生運用理論知識分析并解決工程實際問題的能力。
3.布置作業形式靈活多樣
對于重要的基本概念,以讀書筆記的作業形式激發學生學習興趣。本課程涉及眾多抽象概念和公式,追溯熱量、溫度、熵、熱力學第二定律、等重要基本概念的由來、發展歷程,可使學生在搜集資料的過程中對這些概念有一個直接的感性認知,同時也有助于學生認識到這些知識在本學科發展中的重要作用。要求學生組成2~3人的學習小組,除常規課下作業外,課上作業以小組為單位完成。課上作業為教師針對每次課的重點和難點內容設計的多為填空、選擇和問答形式的練習題,課前打印好分發給每個學習小組。在講課過程中,留出適合時間讓學生及時完成。教學實踐表明課上作業非常利于學生把握住和消化吸收重難點知識,且能提高學生學習的注意力,達到良好的教學效果。
三、課程考核方式的教學改革
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【關鍵詞】排課管理系統;功能分析;數據分析
1 功能分析
通過功能需求分析,刻畫系統的行為,并通過系統的軟件功能完成用戶的任務,從而滿足業務的需要。
1.1 角色分析
寧波工程學院排課管理系統涉及到以下角色:(1)教務處人員,是系統的主要參與者,其職責或功能為基本數據與信息管理、系統管理與維護等;(2)院系教務人員,是系統主要參與者,其職責或功能為教師任務書編制、人機交互式排課等;(3)教師的職責或功能為教學任務書核對、課表查詢;(4)學生的職責或功能課表查詢。
1.2 系統數據流分析
本文運用結構化方法分析業務功能,用戶比較能理解數據,結構化方法以數據為中心,用數據流圖(DFD)來描述業務功能。在數據流圖中,矩形框表示角色,圓邊框表示功能,開口矩形表示為數據表或數據文件,箭頭線是數據線。
數據流圖按分層來畫,分別為頂層數據流圖、一層數據流圖,一層數據流圖對應總體功能結構,幾個圓邊框對應功能結構中的幾個功能。
1.2.1 頂層數據流圖
從業務功能的角度出發,給出了寧波工程學院排課管理系統的頂層數據流圖,如下圖1所示:
圖1 頂層數據流圖
從以上頂層數據流圖中可以看出,系統的參與者主要分為四類:教務處人員、院系教務人員、教師和學生。其中教務處人員管理基本數據信息以及更新和維護系統,院系教務人員通過關聯信息編制形成教學任務書和排定課表,教師和學生主要通過該系統進行課表查詢。
1.2.2 一層數據流圖
為了進一步細化各加工步驟說明,下面給出了系統的一層數據流圖。
圖2 系統一層數據流圖
在上圖2中,主要包含三大塊功能,即教務處人員的基本數據信息管理和系統管理、院系教務人員的任務書編制管理和人機交互式排課以及師生的課表查詢管理。教務處人員通過錄入教師、學生、教室、教學計劃、班級、課程等基本數據信息,實現對基本數據信息的管理與維護,為人機交互式排課提供數據信息基礎,并通過系統管理對系統進行更新和維護。院系教務人員通過編制形成任務書和關聯基本數據信息,運用人機交互式排課方法排定課表,并反饋系統更新和維護信息。教師和學生通過各自權限查詢課表信息。人機交互式排課是該系統的核心工作,其他工作都是圍繞它為核心來進行的。
1.3 系統功能結構分析
通過需求分析中的數據流程圖逐層分解,可得到寧波工程學院排課管理系統的四大模塊:基本信息管理、教學任務管理、人機交互式排課和系統管理。教師、學生、班級、教室、教學計劃、課程等基本信息管理模塊僅提供給教務處人員使用,教務處人員通過這些模塊錄入和維護教師、學生、班級、教室、教學計劃、課程等信息。教學任務管理模塊僅提供給院系教務人員使用,院系教務人員通過該模塊制定任務書,并打印任務書分發給教師使用。人機交互式排課模塊僅提供給院系教務人員使用,院系教務人員使用該模塊進行人機交互式排課,并設置參數供教師和學生查詢使用。系統管理模塊提供給教務處人員、院系教務人員、教師和學生使用,院系教務人員通過該模塊反饋信息,教務處人員通過該模塊更新、維護和備份系統信息,教師和學生通過該模塊檢索查詢課表信息。
2 數據分析
2.1 實體關系分析
E-R圖(Entity Relationship Diagram),也稱實體-關系圖,提供了表示實體類型、屬性和聯系的方法,用來描述現實世界的概念模型。由于寧波工程學院排課管理系統的基本信息管理數據流圖涉及基本信息,教學任務管理數據流圖涉及任務書信息,人機交互式排課數據流圖涉及課表信息,系統管理數據流圖涉及系統信息,因此寧波工程學院排課管理系統包括基本信息、任務書信息、課表信息、系統信息和教務處人員、院系教務人員、教師、學生等八個實體。
圖3 寧波工程學院排課管理系統E-R圖
如上圖3,寧波工程學院排課管理系統E-R圖表示:教務處人員與基本信息、系統信息是操作產生的關系,院系教務人員與任務書信息、系統信息是操作產生的關系,院系教務人員與課表信息是關聯產生的關系,教師、學生與課表信息是查詢產生的關系,其中,院系教務人員、教師、學生與課表信息是多對多關系,教務處人員、院系教務人員與系統信息是多對多關系,其余都是1對多關系。
2.2 數據庫表
根據E-R圖,給出如下軟件系統主要兩個數據庫表的設計,分別為教師信息表和課表信息表。其中,學生、班級、教室、教學計劃、課程、任務書等信息表可以類似表示。
(1)教師信息
保存教師的基本信息。
表1 教師信息表
教工號是表1 教師信息表的主鍵,它是標識該表中所有行的一個列或一組列。專業班級是建立和加強表1教師信息表與表2課表信息表數據鏈接的一列,故專業班級是表1教師信息表的外鍵。
(2)課表信息
保存課表的信息。
表2 課表信息表
專業班級是表2課表信息表的主鍵,它是標識該表中所有行的一個列或一組列。教工號是建立和加強表2課表信息表與表1教師信息表和任務書信息表數據鏈接的一列,教室名稱是建立和加強表2課表信息表與教室信息表數據鏈接的一列,專業名稱是建立和加強表2課表信息表與班級信息表數據鏈接的一列,課程名稱是建立和加強表2課表信息表與課程信息表數據鏈接的一列,故教工號、教室名稱、專業名稱和課程名稱都是表2課表信息表的外鍵。
3 總結
本文通過對寧波工程學院教務管理部門以及排課管理系統開發部門等的深入調研,并結合本人長期以來所從事排課工作的具體實踐,對寧波工程學院排課管理系統功能和數據進行了全面的研究和分析,本文所做的主要工作有如下幾方面:
1)對多年來本人所從事的排課管理工作進行了詳細而細致的梳理,把工作中碰到的問題和實踐經驗提煉出來。
2)根據寧波工程學院排課管理系統的運行實際,通過刻畫頂層和一層數據流圖來描述業務功能。
3)依據功能分析刻畫形成E-R圖,并給出主要兩個數據庫表的設計。
通過對寧波工程學院排課管理系統的功能、數據分析的過程,深入地分析寧波工程學院排課管理系統的內部運行機理,對于以后工作中碰到類似系統問題的解決、維護與運用,具有很大的幫助作用與參考價值。
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關鍵詞 能源動力 本科 系統節能 改革
中圖分類號:G424 文獻標識碼: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,能源和動力一直都是工業發展的重要支柱,與此相對應,能源動力產業是一直都是世界各國國民經濟的基礎產業,也是科技發展基礎方向之一,能源動力領域人才教育的成敗關系到國家的根本利益。自2012年5月“2011計劃”啟動后,對能源動力專業人才的培養提出了新的要求,如何培養高素質、創新型能源動力類人才,成為社會關注的熱點。高等學校作為國家培養人才的主要基地,如何通過合理的課程設置和教學方式,培養理論基礎扎實、實踐能力突出、契合社會需要的能源動力類人才,也是一個需要關注的話題。
能源動力類本科生,不僅應該具備本領域基礎理論及簡單的應用知識,也應當具備能源節約、動力轉換和能源管理方面的知識,應當成為 “節能減排”領域的中堅力量。“能源系統工程”這門課程旨在培養學生解決生產過程中能源管理和利用的科學問題,為學生未來從事能源管理和節能減排方面的工作打下專業基礎。然而以筆者目前的了解所知,我國能源動力類專業中開展此課程的高校寥寥無幾,即使開設該課程的高校,在教學過程中也存在一定的問題。因此,本文就“能源系統工程”這門課程的教學改革問題做初步探討。
1 開設“能源系統工程”課程的必要性
本課程基于兩個主要概念:一是“載能體”,二是“系統”,所研究的是由多個對象所組成的系統的節能問題。在研究節能問題時,以往的節能工作往往著眼于單體設備或單個工序,本課程從“系統”的觀點出發,注重系統內各設備、各工序的銜接問題和整體能耗問題,通過考察產品的“完全能耗”指導企業的能源利用和管理問題。另外,本課程提出的一系列能源利用思想和評價手段,對于培養學生以整體眼光看問題具有重要作用,可以為從事各行業能源利用和管理的人才提供基本理論和基本方法。
“系統節能”的思想最早于上世紀80年代由我國東北大學的陸鐘武、蔡九菊兩位學者提出并完善,最早應用于我國幾家大型鋼鐵企業并取得了很好的節能效果,是我國鋼鐵行業節能工作的里程碑式指導思想??墒?,目前國內開設該課程的高校寥寥無幾,且開設該課程的多為冶金類院校。同時,開設該課程的高校在“能源系統工程”課程教學工作中也面臨一系列問題,如:可供使用的教材單一,實踐環節缺失,課程體系規劃不科學,課程知識需要豐富等。
近年來,全社會的節能意識大大提高,全國各地、各行各業的節能積極性都很高,能源利用和節約問題是所有工業行業面臨的問題,如果大家都能了解系統節能的基本思想,按照系統節能的要求合理用能,我國節能工作必能取得更大的成績。另外,能源節約不僅是在技術層面上進行,同樣也需要在管理層面創新。因此,在國內能源動力類本科教育階段開設“能源系統工程”這門課程,并結合現有的研究成果豐富該課程的教學,很有必要。
2 “能源系統工程”課程改革方向初探
2.1 推廣“能源系統工程”課程在高校覆蓋范圍
能源動力類人才在從事所有相關專業的工作時,都面臨著能源的利用和管理問題。加大“能源系統工程”課程在國內本科階段的普及工作,使得能源動力類專業培養出的畢業生在實際工作中,既關注局部,又關注整體,注重能源與非能源節約相結合,對畢業生職業生涯和我國的節能減排工作必將大有裨益。
2.2 科學規劃課程體系
(1)科學制定培養目標和教學計劃。培養目標是本科教育中的首要問題,“能源系統工程”課程屬專業類課程,本課程知識可廣泛應用于能源系統優化、節能評價和能源管理,應注重培養學生從整體看問題和解決實際問題的能力,培養目標定位為:培養應用型、復合型和外向型人才。
教學思想和教學理念的貫徹最終都必須通過執行教學計劃來實施,因此教學計劃的修訂就成為教學改革中的重中之重。“能源系統工程”是一門注重理論和實踐相結合且偏重于實踐的學科,脫離了實踐其理論是抽象的。理論教學只能滿足基本理論知識的傳授,實踐教學的過程才能鍛煉和培養學生綜合解決問題、處理問題的能力。因此,在制訂本課程教學計劃時,應注重理論課時與實踐課時的比例,將實踐貫穿于整個課程的學習過程,實踐教學的形式可以是豐富多樣的。
(2)合理規定課程的學習方式。為了真正實現本課程的功能,除理論和實踐課時的分配外,教師應在教學過程中注重培養學生自主學習的能力。為了讓培養對象有更加廣博的知識面和適用面,學生需要在學習方面有更多的自??梢蕴暨x部分章節由學生經過預習后,挑選部分學生主講部分課時。
(3)將實踐能力列入考核范圍。由于本課程注重對學生應用知識解決實際問題的能力,在考核中應加入實踐能力的考查。最終考試成績由三部分組成:筆試考核、平時成績考核和實踐能力考核。筆試考核主要對理論知識和基本概念進行考試;平時成績考核主要依據課堂表現以及作業情況;實踐能力考核主要考查學生對課程內容的理解程度。
2.3 總結最新成果,編制新教材
由于國內能源動力類專業開設“能源系統工程”課程的院校較少,使得適合該課程的教材數量幾乎沒有,僅有的幾種教材由于編制時間較久,已無法滿足當下的培養要求,迫切需要組織人員編制一本新教材。新的《能源系統工程》教材應總結最新的研究成果,豐富現有教材,引入管理類知識內容,豐富與生產實際相結合的案例分析,結合實際項目給出供學生實踐學習的題例,擴展數學建模方式,豐富解決問題的數學手段。
2.4 建設科學的師資隊伍
師資隊伍是開展教學工作的核心和靈魂,其質量是保證教學質量的關鍵。要想培養出高水平的學生,一個重要的因素就是必須有一支訓練有素的教師隊伍。目前我國大部分高校在招聘教師時都只強調學歷層次,比如只招聘博士,而對應聘教師的實踐經驗從不做任何要求。由于“能源系統工程”課程的特殊性,如果教師只具備書本知識,本身沒有相關工作經驗,顯然滿足不了實踐教學的相關要求。因此,本課程的教師一方面要樹立終身學習觀念;另一方面要重視和加強實踐經驗的積累與學習。本課程的教師要主動在寒暑假的時間 “走出去”,與各用能企業多溝通、多聯系,及時了解企業能源利用發展情況,在為社會提供專業服務的同時,更好地服務于教學,為教學科研打下良好的基礎。
2.5 拓展實踐教學的新思路,探索新的實踐教學方法
(1)聘請企業技術及管理人員課堂授課。在課程的學習過程中,可從企業邀請有豐富實際工作經驗的技術或管理人員對學生進行課堂講座,拉近教學與實際的距離。也可簽訂互惠互利的合作協議,真正建立起長期校企合作關系。
(2)課堂案例教學。課堂案例教學是實踐教學的重要環節,而且也是最基礎的環節。在課堂教學中引用合適的案例進行分析討論,既能理論聯系實際鍛煉學生分析問題、解決問題的能力,又能激發學生的學習興趣。案例教學要注重結合實際應用問題,具有一定的引導性、普遍性、代表性,能通過問題的解決,激發學生的學習熱情,將知識融于案例中,達到舉一反三的目的。
(3)增加課堂討論環節,增強學生參與性。傳統的授課方法多是教師在講堂上講,學生在教室內聽。由于學生對課程的參與性低,導致部分學生聽課精力不集中,學習積極性降低,缺課、遲到、早退現象突出。為了解決這一問題,可采用小組討論的方式,讓盡可能多的學生參與進來,給學生更多的自主性??梢圆扇》纸M討論的方法,將班級學生分成若干小組,由任課教師給出若干能體現本課程處理方法、研究現狀的題目,讓每組學生通過分工完成資料查詢、演講稿制作、演講等環節內容。這樣能在一定程度上增加學生的參與感,起到互動的作用。同時也對任課教師把握本課程的前沿成果和解決方法具有反哺作用。
3 結語
作為國民經濟支柱領域重要參與者的能源動力類專業人才,肩負著國民經濟科學發展的重要使命。作為人才培育主要基地的高校,在知識結構的建立和人才培養的過程中,注重知識的更新和為國民經濟服務的屬性,具有義不容辭的責任。在能源動力類本科階段開設“系統節能”課程,符合國民經濟的發展的需要,也符合培育應用型、復合型和外向型人才的需要。本文提出的若干“能源系統工程”課程改革的建議,期望能起到磚引玉的效果,也期望能引起更多能源動力類同仁對該課程的關注,將我國能源動力類專業建設得更加完善。
參考文獻
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關鍵詞:高職院校,排課系統,數學模型,遺傳算法
1.引言
近年來,高等職業教育己成為我國高等教育的一個重要組成部分。隨著高等職業教育辦學規模的不斷擴大,市場需求的專業設置也更加靈活,職業技能培養的教學模式也體現出多樣性,再加校企合作得愈加頻繁,教學資源日益緊張。高職院校必須結合高職教育特點和本校實際情況開發合適的教學管理系統,而排課系統是教學管理系統中的一項重要內容,排課結果的優劣會直接影響學校的正常教學秩序,甚至影響教學質量。
2.基于遺傳算法的課表問題分析
2.1課表問題的重要因素
班級、教師、教室、課程和時間是高職院校課程表問題的五個重要因素。
(1)班級:每個班級都有自己的編號和自己班級的名稱。每個班級同一時間和同一地點不能同時上兩門課程。
(2)教師:每個教師都有自己的編號和姓名。每個教師都有自己期望上課時間和期望上課方式。每個教師在同一時間和同一教室不能同時上兩門課程。
(3)教室:每個教室都有編號和名稱。每間教室同一時間只能接受一門課程的講授,上課人數應該小于教室最大容量,但上課人數遠小于教室最大容量也是不合適的。這可作為課程問題的一個優化目標。
(4)課程:每門課程都有編號和課程名稱。一門課程通常由一位教師來講授,具有相同課程的班級理論課可以合班上課,實訓課再分班上課。
(5)時間:時間分為學期,周,天,時間段。通常一學期進行一次排課,每門課程要持續數周。論文格式,排課系統。通常高職院校中每天會有5個時段可以上課,上午2個,下午2個,晚上1個,而且每門課總是一次上2小節課。
2.2課表問題的多目標分析
高職院校課程表問題是一個多目標的組合規劃問題。對于課程表問題來說,有時候無法獲得足夠多的約束,這樣根據Pareto的最優解理論最后獲得不可避免的只能是一個解集。我們期望從解集中獲得能夠令我們滿意的相對最優解,它首先要滿足不能發生任何沖突,不能發生諸如一個教室或一個教師或一個班級需要同時上兩門課程的情況;其次它需要有較高的質量,符合科學,具有人性化。下面將具體分析怎樣通過多目標優化來衡量一個排課方案的優劣。
(1)節次優度
節次優度表示的是一節課所占用的時間段中,教師和學生的工作、學習效率的高低或者說是一節課所占用的時間段的受歡迎程度。表1中給出了一個節次優度的實例。
表1 節次優度
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《操作系統原理》是計算機專業的核心課程,具有很強的實踐性與實用性。大多學生都認為該課程容易學,就是掌握一些算法,比如進程調度算法、死鎖避免算法、磁盤調度算法等。這反映出目前計算機教學中普遍存在的一些問題,即課程與課程之間相對獨立,課程的章節之間相對獨立,使得大部分學生缺乏系統結構觀,只注重解決局部的編程和應用問題[1]。筆者發現,對《操作系統原理》課程的學習如果僅注重于細節的算法,難以真正培養學生的系統思維能力。讓學生通過該課程的學習,構建大型軟件的系統和結構化思維至關重要。
在課程體系中,操作系統論文被安排在程序設計、數據結構、匯編語言、計算機組成原理等課程之后,是第一門側重研究大型計算機軟件組成結構的課程。目前,計算機專業的系統能力培養已經被國內計算機教育專家所重視[1],有條件的學校已進行了課程體系重構,而對目前尚未改革的學校而言,操作系統課程可以擔當起該職責。
本文結合筆者在教學中的體會,提出應在操作系統原理教學過程強化結構概念和培養結構思維,從多方面探討操作系統課程中無處不在的結構概念及其對教學的作用。
1結構的含義
操作系統是一個大型系統,所謂系統,是由相互作用和相互依賴的若干要素結合而成的、具有特定功能的有機整體[2]。所謂結構,是指系統內部各組成要素之間在時間或空間上排列和組合的具體形式。與結構相對應,系統的外延是系統對外呈現的功能,例如操作系統作為用戶接口和服務提供者、操作系統作為資源管理者和控制者,都是從功能角度來闡述操作系統的外在表現。“結構決定功能”。系統論認為,功能是系統內部固有能力的外部表現,它終究是由系統的內部結構所決定。對于操作系統這樣的大型軟件而言,結構的好壞決定了軟件的可移植性、可靠性、健壯性和可擴展性。
結是結合之義,構是構造之義。在科學研究和工程設計中,人們總是孜孜不倦地追求通過定義最小的本元集合和構造規則來產生某個目標系統。老子言:“道生一,一生二,二生三,三生萬物。”這與中國古代人講究的“金、木、水、火、土”一樣,都是樸素的探索世界結構的例子。這些與現代科學的認知殊途而同歸?,F代科學表明,物質都由相同的最基本粒子構成,結構的差異產生不同的物質,碳原子的同素異形體石墨和鉆石便是最好的詮釋。在計算機科學中,這一方法也被廣泛應用,例如:程序由數據結構和控制結構決定。數據結構的本元是基本數據類型,而通過線性構造規則、層次構造規則和網狀構造規則可以創建任意復雜的數據類型??刂瞥绦虻幕疽厥钦Z句,理論上通過順序結構、分支結構和循環結構可以構造出任何程序。
結構在人類的認知過程中也扮演著非常重要的角色。結構化思維方法是以事物的結構為思維對象,以對事物結構的積極建構為思維過程,力求得出事物客觀規律的一種思維方法。認知結構學習理論的創立者布魯納指出“掌握事物的結構,就是以使許多別的東西與它有意義地聯系起來的方式去理解它。簡單而言,學習結構是指學習事物是如何相互關聯的。
綜上所述,結構一方面強調構造,另一方面強調聯系。因此,在教學過程中,應該重視結構概念和結構思維,注重操作系統各要素的組合方式和相互之間的聯系,引導學生掌握操作系統構造的一般性規律。
2操作系統中結構的概念
可以說,結構貫穿于操作系統原理課程教學的始終。有效識別《操作系統原理》課程中的結構并理解其對操作系統原理教學的重要作用對于提高學生的認知效率非常關鍵。
2.1操作系統整體結構
操作系統的結構方面,較為普遍的是如圖1所示的自底向上的由硬件、操作系統、應用程序等組成的層次化靜態結構圖。從靜態的角度看,一個計算機系統由各種物理特性和傳輸速度各異的硬件、實現不同功能的資源管理模塊和眾多應用程序組成。這些是計算機系統的基本要素。抽象和分層將這些要素組合成一個有機整體。在這一結構圖中,以內核為基準,向下,通過硬件驅動程序屏蔽具體硬件的類型差異,使內核能夠獨立于紛繁蕪雜的硬件設備而演化;向上,提供統一的系統調用接口,作為運行于用戶態的應用程序訪問內核功能的門戶,從而使上層應用程序可以獨立于內核而演化。無論是Windows XP操作系統、Unix操作系統、還是Android操作系統,都可以看作是這一基本結構的演化。
2.2內核結構
具體到內核本身,其發展歷程中也經歷了多種結構的演變,從早期的整體式單內核結構到后來的層次式單內核結構再到微內核結構。Unix和Linux都是單內核結構,而Windows XP和Mach屬于微內核結構。圖2給出了層次式單內核和微內核的結構示意圖[3]。鑒于操作系統軟件的復雜性,內核的結構對操作系統軟件的正確性、效率、可擴展性、可移植性等具有重要作用,是“結構決定功能”的典型范例。
整體式結構存在于上世紀50年代,當時對結構的關心甚少,內核被劃分成功能相對獨立的模塊,而模塊之間可以不加控制地自由調用。這一結構的優點是結構緊密、組合方便、系統效率高,但缺點也很明顯,即模塊之間調用關系復雜,系統結構不清晰,可移植性差,當系統規模變大時難以保證正確性。
層次式結構則將模塊依照功能的調用次序排列成若干層次,各層之間單向調用。其優點是接口少而簡單,下層模塊的正確性為上層模塊的正確性提供了基礎。然而,嚴格的層次難以界定,嚴格的分層也降低了系統效率。此外,由于一層包括了非常多的功能,對于某個層次進行大的增刪可能會對相鄰層產生意想不到的影響。因此,很難在某個操作系統基礎上通過適當增/刪功能實現定制的操作系統,而這一點正是微內核的初衷。
微內核認為只有最核心的操作系統功能(例如進程切換、消息傳遞、設備驅動等)需要運行于內核態,而其它服務可以建立在微內核之上,作為服務進程運行在用戶態,相互之間依賴于微內核的消息傳遞進行交互。通過這一結構的改變,微內核操作系統具備了可擴展性強、移植性好、可靠性高和易于支持分布式實現等諸多優點。
2.3進程結構
2.3.1內核功能組織和進程映像邏輯結構
在教學過程中,筆者發現部分學生會將操作系統看作是一種獨立而神秘的特殊程序。確實,操作系統有其特殊性,例如其運行在內核態。但更重要的是,操作系統程序和普通程序一樣,需要獲得處理器后才能執行;操作系統程序并不一直占用處理器,只要有可能,就會主動放棄對處理器的控制。為了深入理解操作系統程序和普通程序的異同,則必須理解操作系統內核功能的組織模型和進程映像結構。
在多道程序操作系統中,用戶程序被組織為進程在用戶模式執行,而操作系統的功能是否也需要被組織成獨立的進程,則有不同的選擇。一種早期的組織方式是,操作系統的功能運行在任何進程之外,擁有自己獨立的地址空間和運行棧。第二種組織方式是讓大部分內核功能在用戶進程內執行,將OS看成是一組用戶進程經常會調用的常用功能的集合。為此,每個進程映像不僅包括用戶程序執行所需的環境,還需要包含為執行操作系統內核程序執行所需的代碼、數據和堆棧。這一執行模型很好地詮釋了進程和程序的關系并非是1對1的。在同一個進程內,可以執行用戶程序和操作系統程序,而在不同進程中執行的操作系統程序是相同的(通過共享地址空間共享)。最后一種方式是將大部分操作系統功能也組織成進程,與用戶進程一樣可被獨立調度。這種方式的好處在于一些非關鍵的操作系統功能可以按照某個優先級和其它進程交錯運行,同時,在多處理器環境下,也便于操作系統服務在不同的處理器中運行,從而提高性能。圖3為上述3種操作系統的內核功能組織方式。這一差別導致了進程映像邏輯結構的不同,如圖4所示。在教學的過程中,學生經常難以理解為何用戶進程映像還需要包括內核棧,在對內核功能的組織方式和進程映像結構有了基本了解后,應該可以釋疑。
2.3.2多線程環境下的進程結構
引入線程后,進程成為地址分配和保護的基本單位,而線程是CPU調度的基本單位。為了讓學生更深入理解同一進程中的多個線程對進程地址空間的共享和線程切換的代價,有必要對多線程環境的進程結構有所了解。圖5給出了單線程進程和多線程進程的結構示意圖。當引入線程后,多個線程共享進程的地址空間,因此一個線程對數據所做的改變對其它線程可見,這要求多個線程之間采用某種互斥/同步機制以解決線程并發可能造成的數據不一致問題,為后續并發并同步相關內容教學作好鋪墊。
引入線程后,原有的進程控制塊相關信息進一步分解,與進程有關的如存儲管理信息、打開文件列表等依然保存在進程控制塊中,而線程執行相關的寄存器上下文則保存在各線程控制塊中。當在同一個進程內進行線程切換時,僅需保存線程控制塊中的信息即可,進程控制塊中的信息無需保存,因此線程的切換開銷更小。
2.4存儲管理中的結構
在存儲管理相關內容的教學過程中,筆者發現學生雖然能夠掌握復雜的存儲管理策略的地址轉換方法,但對地址轉換的發生時刻卻仍然模糊。觀察發現,如果讓學生對程序生命周期的編譯、鏈接、裝入和運行這4個階段的關系有明確的認識,學生會對整個存儲管理結構更加了解。圖6給出了源程序經過編譯、鏈接和裝入后變成內存可執行程序的過程。編譯和鏈接后的程序都使用邏輯地址空間,鏈接同時會進行全部或部分的符號解析。邏輯地址和物理地址的轉換既可以在裝入時即發生(靜態重定位),也可以在運行時發生(動態重定位)。由于動態重定位能支持進程運行過程中在內存移動(例如進程被掛起后又被激活,頁面/分段在虛擬存儲管理中被替換出內存后又被載入),因此廣受青睞。
虛擬內存是存儲管理中的另一項重點教學內容。理解虛擬內存首先必須理解由于技術和經濟因素決定的層次化存儲系統設計和各個存儲層次之間的聯系,圖7給出了一個現代的多核處理器的層次化存儲結構。在這一層次化結構中,每個上層的存儲設備都可以被看成是下層存儲設備的緩存。在此基礎上,進一步掌握虛擬地址空間、內存映射表、物理內存和外部磁盤存儲器的關系。在理解層次結構和各組成要素關系的基礎上,掌握虛擬內存的管理就會變得更加容易。
2.5文件系統結構
文件的邏輯結構和物理結構是文件系統教學的一大重點。文件的邏輯結構是指文件的邏輯組織方式,從構成文件的基本元素而言,有字節和記錄兩種。流式文件指將文件看成由字節按順序排列而成,記錄式文件指將文件看成由記錄按順序排列而成,而索引文件則將記錄按照某種規則排序,并建立記錄的索引項提供快速的文件檢索?,F代操作系統大部分都支持流式文件,而將記錄的重構交給應用程序完成。從結構的角度而言,流式文件僅支持最本元的字節操作,無法體現任何語義,但其也具有最大的靈活性。
文件的物理結構則是文件的物理組織方式,與物理磁盤的結構緊密相關。物理文件的基本組成單元是磁盤塊。物理文件的結構指邏輯上連續的字節以物理磁盤塊為基礎單位的排列組合方式,也即邏輯文件到物理文件的映射方式。文件的物理結構決定了對文件進行修改和擴充的能力、對文件進行順序訪問和隨機訪問的性能等。連續文件需要以物理上連續的磁盤塊來存儲文件,因此文件難以擴充和修改,但類似于數組,順序訪問和隨機訪問效率高。連接文件允許以離散的磁盤塊存放邏輯上連續的字節,易于修改和擴充,但類似于鏈表,需要按序讀取,隨機訪問效率低。FAT文件簡單地將這些離散的以鏈接方式存儲的映射信息集中起來存放,在文件被訪問時載入內存,因此較之連接文件訪問速度大大提升。索引文件同樣是將映射信息集中存放,但是以索引表的方式,因此既方便文件的修改和擴充,也能支持快速的隨機存取。
文件系統的另一項重點教學內容是文件的目錄結構及物理實現方式。文件目錄采用哪種結構決定了文件系統中文件保護和共享的能力。例如,早期的單級或兩級目錄結構不利于文件的共享和保護;純粹的樹形結構能實現文件保護,但不利于文件共享;而DAG(Directed Acyclic Graph)結構有利于文件共享;更通用的圖結構則不利于文件檢索。
3教學過程中的結構思維培養
《操作系統原理》課程教學中,教學人員一般都會對上述結構予以講解,但為何會出現本文開篇所提及的學生在學完課程后普遍認為《操作系統原理》就是學算法的課程,這一點值得深思。筆者認為,沒有強化結構概念是導致這一結果的原因之一。操作系統的教學人員已經認識到應該在操作系統教學過程中幫助學生建立整體概念[45],強化結構概念和注重結構思維培養是幫助建立整體概念的主要途徑。
一般而言,教學過程都遵循自頂向下的原則,即先介紹整體結構,再介紹局部功能以及提高該局部性能的具體算法。但這一方法的問題在于,在初次介紹整體結構時,學生并未能對結構中的構成元素產生感性認知,因此對結構的作用感受不深。筆者建議按照圖8的方法來加強學生對結構的認識。首先,通過自頂向下的結構分解建立學生對操作系統結構的初步印象;其次,在具體層次的功能講解過程中,對存在的結構進行強化教學,注重各要素之間的聯系;再次,對于重要的結構概念,注重在不同的教學單元進行交叉強化。例如,圖7所示的層次化存儲結構可以在不同的章節得到強化,包括進程七態模型的掛起態、多核CPU的進程或線程調度算法、存儲管理中的快表、虛擬存儲、文件系統的磁盤緩沖區和內存映射I/O等。進程的系統上下文概念也可以在進程映像結構、存儲管理、I/O管理和文件管理中得到強化;最后,在講授完主要層次后,通過自底向上的方式再次完成操作系統整體結構的重構。例如,圖9給出了操作系統中的三大概念(進程、虛擬存儲和文件系統)之間的結構關系。文件系統建立在I/O的基礎上,對上層軟件簡化了外設操作。虛擬內存則是對包括主存和外存在內的存儲進行抽象,從而使得用戶可以按照內存操作的方式來訪問文件。更進一步,進程則是對處理器資源和存儲資源管理的抽象,構成了操作系統的核心概念。這一結構關系的重構可以在講授完文件管理之后開展?;趫D8所示的教學方法對結構概念從不同角度予以強化,學生對操作系統的整體認識將會產生由量變到質變的過程。
4結語
本文以“結構”作為《操作系統原理》課程教學的抓手,在教學過程中注重操作系統各要素的組合方式和相互之間的聯系,引導學生掌握操作系統構造的一般性規律,探討了操作系統中無處不在的結構概念,通過自頂向下分解、單元教學強化、交叉強化和自頂向上重構4個過程,深化了學生對操作系統結構的認識。
參考文獻參考文獻:
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關鍵詞:嵌入式系統;實踐;創新訓練項目;課程設計
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)29-0146-02
目前,我國對嵌入式領域人才的需求日益旺盛。嵌入式系統在很多產業中得到了廣泛的應用,包括工業自動化、醫療儀器設備、智能家居、智慧城市和航天航空領域。例如神州飛船和火箭中有很多嵌入式系統,神州飛船從原來神州一號到神州十號,還有登月探測器嫦娥一號到嫦娥三號,其系統中都有大量的嵌入式系統。并且,嵌入式系統已經在很大程度上改變了人們的生活、工作和娛樂方式,使人們的生活更加豐富多彩。在生活中,所有帶有一點“智能”的家電,例如電腦電冰箱、電腦電飯煲、電腦豆漿機等都是嵌入式系統,另外,日常常見的IPAD、照相機、攝像機、打印機、智能手機等都是嵌入式系統[1]。為此,國內外各大院校也紛紛開設了嵌入式系統方面的課程,并且在教學中把培養學生的實踐動手能力放在首位。
本文對西安科技大學電氣與控制學院自動化專業《嵌入式系統原理與設計》實驗課程的教學特點進行了分析,提出了嵌入式系統原理與設計的課程實驗教學方法,實踐證明,該方法大大提高了學生的實踐動手能力,為以后能成為真正的嵌入式人才打下了重要基礎。
一、“嵌入式系統原理與設計”課程簡介
1.從嵌入式系統定義和特點。嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件,并使其緊密耦合在一起的計算機系統。術語嵌入式反映了這些系統通常是更大系統中的一個完整的部分,稱為嵌入的系統。嵌入的系統中可以共存多個嵌入式系統。或者可以簡單定義為嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統即為嵌入式系統。
嵌入式系統包含有三個特點,即嵌入性、內含計算機和專用性。
2.嵌入式系統的組成。系統包含硬件和軟件,其中硬件包含嵌入式處理器和硬件設備,軟件包括嵌入式操作系統和嵌入式應用程序[2]。嵌入式系統集系統的應用軟件與硬件于一體。嵌入式系統的嵌入式處理器可以分為以下幾大類:嵌入式微處理器,嵌入式微控制器,嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統(SOC)。常見的嵌入式操作系統有:嵌入式Linux,Win CE,VxWorks和μC/OS-II。
二、“嵌入式系統原理與設計”課程實踐項目
1.課內實驗。課內實驗是讓學生熟悉實驗教學系統和開發環境,完成基礎實驗的編程和驗證工作。所使用的開發板是周立功公司的LPC2131的開發套件,能完成一些硬件的基礎實驗。包括GPIO口輸入輸出實驗、外部中斷實驗、定時器實驗、UART實驗、I2C實驗、SPI實驗、PWM脈沖寬度調制、AD/DA實驗、RTC實時時鐘實驗、低功耗實驗等。通過基礎實驗的學習,學生掌握ARM7的開發環境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系統也作為程序設計的一部分,在操作系統的基礎上設計用戶程序,使學生熟悉嵌入式開發環境,全面了解嵌入式系統開發流程,在實踐中鍛煉設計和開發嵌入式系統的能力。
2.課程設計。在學期末集中安排兩周的課程設計,主要完成以ARM處理器為核心的嵌入式最小系統及其擴展模塊設計。實驗設備采用ARM LPC2131開發版,考核方式為軟硬件驗收并提交課程設計報告。在學生熟悉了ARM的開發環境和基本的實驗程序之后,會讓學生自己動手設計課題,給學生布置多個課題,學生可根據興趣進行選擇,三人一組。如:基于ARM的步進電機細分驅動控制設計,自動窗簾控制器,多路數據采集系統,基于ARM的工程車控制系統設計,直流電機調速系統設計等。
下面以紅外自動感應窗簾為例,介紹學生課設自己動手所做的工作。首先,學生根據課題功能的要求,確定系統控制方案?!蹲詣哟昂熆刂破鳌氛n題要求系統能根據環境因素自動打開或關閉窗簾。因此學生可確定出如圖1所示的控制方案。系統包括LPC2131最小系統、溫度和光強檢測、鍵盤輸入、液晶輸出和步進電機驅動等模塊。
在此方案的基礎上設計系統硬件,進行器件選型和原理圖設計。溫度檢測選用DS18B20,光強檢測選用光敏電阻,鍵盤采用獨立按鍵,液晶顯示選用LCD1602,步進電機選用28BYJ-48型步進電機,其驅動選用ULN2003。由此得到的系統原理圖如圖2所示,并要求學生在此原理圖基礎上做出硬件實物。
而后就可以進行軟件的編程和調試了。軟件工作流程如圖3所示。
最后通過軟硬件的聯合調試,實現系統所要求的功能,并撰寫課程設計報告。
3.創新訓練項目。在校大學生每年都可以參與申請大學生創新創業訓練計劃項目,該類項目主要由4~5名學生完成,由一名老師指導[4,5]。創新訓練項目申請時要對項目實施的目的和意義、項目研究內容和擬解決的關鍵問題、項目實施方案、主要技術指標和經費預算等進行陳述。重點是項目研究內容、擬解決的關鍵問題和項目實施方案。通過這種形式,學生不僅對項目的申請有了一定的認識,而且可以激發學生學習的興趣,由原來單純的依靠興趣來動手實踐,轉變為以解決實際問題為目的的學習方式。這樣,可以讓學生以解決問題為驅動的方式來學習嵌入式系統的設計,與實際的工業企業問題更為接近,也可以為就業打下堅實的基礎。
4.畢業設計。此外,每年有大約四分之一的學生以嵌入式系統設計方面的題目作為他們的畢業設計課題,如,基于ARM的智能家居控制系統設計、嵌入式多功能輪椅控制系統設計、嵌入式魚塘水質監控系統的設計、基于ARM的道路清掃車控制系統設計、嵌入式語音控制機器人控制系統設計等等課題。學生通過畢業設計動手能力的訓練,進一步提高了解決實際問題的能力,增強了就業競爭力。
嵌入式系統原理與設計課程是自動化專業的一門重要課程[6],該課程通過課內實驗、課程設計、創新訓練項目、畢業設計等方面實踐項目,不僅提高了學生的實踐動手能力,也提高了學生解決實際問題的能力,讓學生能有一技之長,增強了學生的就業競爭力,為學生成為企業需求的嵌入式應用型人才打下了重要的基礎。
參考文獻:
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