基于任务驱动模式的数据结构与算法实验教学体系的建立.doc

计算机安全类课程实战型实验研究
摘要：本文针对计算机安全类课程实验教学，研究设计了实战型实验并付诸实践，总结了改革经验与存在的问题，对计算机安全人才培养模式进行了有益探讨。<br>　　关键词<br>本文来自：计算机毕业网 ：计算机安全；实验教学；实战；人才培养<br>　　　　　　　　<br>　　目前大多数计算机安全类课程的实验环境与真实的计算机使用环境偏离较大，实验约束过多，实验内容单一，验证性成分过大，实验设计过于粗糙，综合性不强，使得学生动手能力弱，不能解决在计算机实际使用中遇到的安全问题，甚至对比较简单的安全问题也不能合理高效地处理。而且实验内容的浅辄离散与实验效果的不明显，使得学生对课程缺乏足够的兴趣，直接影响了课程目标的达成。因此，如何提高计算机安全类课程实验教学效果成为值得探讨的话题。本文对计算机安全类实验进行了改革尝试，设计实施了实战型实验。<br>　　<br>　　1实战型实验设计<br>　　<br>　　(1) 设计思想<br>　　实验环境的设置尽可能接近真实的计算机使用环境。真实的计算机安全环境是十分复杂的，实验环境的尽量模拟，较少的实验约束，大大增强了实验的设计性与综合性，实质上提升了实验教学目标；在十分逼真的实验环境中，完成实验任务具有更大的挑战性，学生的学习兴趣更加浓厚，主观能动性得到极大发挥；实验获得的经验，容易迁移到真实的计算机使用环境，方便今后的实际工作与继续提高。<br>　　(2) 实验分组<br>　　计算机安全技术实质上是在一对矛盾冲突中发展起来的，即“攻”与“防”两个方面。将一个标准班对半分为2组，为了便于描述，简称A组与B组，分别承担“攻”与“防”任务，并适时进行角色转换，从不同侧面认识计算机安全，掌握较全面的计算机安全技术。两组之间既有竞争，又有协作。<br>　　(3) 实验时间安排<br>　　实战实验集中课程后部，这时候学生具备了基本的计算机安全知识，掌握了一定的计算机安全技术，学时在30学时左右。由于模拟实战环境，课下依然可以进行攻击与防守训练，学生在该实验项目上投入的时间可以远远超过计划学时。<br>　　(4) 实验内容与步骤<br>　　实战型实验选择网络应用环境，符合现实典型计算机应用环境。实验目标系统为WWW与FTP服务器系统，是常见的应用系统。目标系统置于校园网内部，可以从内网访问，也可以通过Internet访问，增加了安全情况的复杂性，同时具有了实验场所与实验时间上的灵活性。<br>　　第一阶段，构建实验目标系统。两组首先协作，根据计算机安全和相关课程知识，构建服务器，放置学生制作的课程网站，提供WWW与FTP服务，并建立防护系统。该阶段约持续2教学周。<br>　　第二阶段，攻－防实战。A组攻击，B组进行防守。每次服务器被攻陷，防守方进行修复；若较长时间不能修复，则进行双方研讨，攻击方说明攻击手段、方法、工具、过程；防守方再次进行修复；继续“攻－防”。该阶段约持续3教学周。<br>　　第三阶段，防－攻实战。A组防守，B组进行攻击。实验内容与步骤同第二阶段。该阶段约持续2教学周。<br>　　第四阶段，进行实验总结。两组同学通过自己的攻击与防守实践，总结出针对实验目标系统类型攻击的惯用技术手段，以及抵御攻击的有效方法。个人总结实验心得。该阶段约持续1教学周。<br>　　教师作为指导协调者，根据教学规律与实验实施的实际情况，同步指导。<br>　　<br>　　2实验实施<br>　　<br>　　按照实验设计实施实验，并根据教学反馈，进行修正调整。<br>　　第一阶段：两组协作构建目标服务器及防御体系。学生实验热情极高，能如期构建好目标服务器与防护系统。服务器放置学生自主设计编制的课程网页，根据书本知识及利用网络资源，尽量完善安全措施。学生渴望攻击与防守实战，但缺乏计算机安全实践经验，对即将到来的攻击及产生的后果没有清楚的认识。此阶段实验综合性强，内容涉及了安全编程、路由器、交换机设置、网络操作系统、安全管理系统、团队协作等，学生表现出的综合能力、安全视角有限。此间，教师指导主要针对学生提出的问题，而对学生未想到的问题不全面主动提出。<br>　　第二阶段：攻击—防守训练。攻击方明显占优势，系统被攻破的次数频繁。这主要是系统建构时经验不足，技术不够；而攻击方普遍采用工具，攻击能力强大。双方进行研讨时，攻击方基本能叙述清楚攻击过程、采用的工具和方法，却不能很清楚地解释机理。防守方进行修复与完善，一方面得益于与攻击方的讨论，另一方面得益于网络上搜集的信息和教师的指导。该阶段还暴露了防守方人员安全管理意识薄弱，忽视安全技术文档建设。此间，教师指导以启发性为主，以锻炼学生能力，提高实验效果。<br>　　第三阶段：防守—攻击训练。目标系统较第二阶段明显可靠。双方都扮演过对方的角色，对计算机安全认识更深刻，安全技术也有了一定的提高，攻击与防守的较量在更深技术层次上进行。双方对安全编程、攻击机理等都有了更深的认识，并能应用于实践。双方开始不满足于实验范围限定在教学目标系统，开始寻找外部网站漏洞，并进行攻击尝试。此间，教师指导在较高抽象层次，并强调计算机法规与网络道德。<br>　　第四阶段：实验总结。形成较全面、准确的分组实验总结，记录实验过程，从技术与管理层面，归纳出针对实验目标系统类型攻击的常用手法和有效对策；个人总结出实验心得，从个人贡献、实验过程、方法手段、工具、技术提高等方面进行总结；将实验过程中发现的校园网等实验目标系统以外系统的安全隐患通告相关单位部门。此间，教师在文档的种类、内容的全面性、逻辑性等方面加强指导。<br>　　<br>　　3实验分析与总结<br>　　<br>　　实战型实验形式极大提高了学生的学习兴趣；实验者搜集、选择、使用安全工具的能力得到极大提高；实验者对某种类型应用系统攻击与防守的主要技术都有了相当掌握；实验者对团队协作、文档建设、人员安全、安全法规有了一定认识。<br>　　从技术上讲，教学效果甚至出乎意料。本来目标系统是建立在Windows操作系统之上的，但有些同学成功地在UNIX游戏私服上放置了模拟木马文件；有的同学利用汇编语言知识成功地编制了具有隐蔽与自我传播能力的类病毒；有的同学侵入了校外的服务器。<br>　　但实验实施中也暴露了一些问题。在团队组织上，每组人数过多，学生团队协作经验不足，实验任务分配不均衡，主要工作往往是由技术水平较高的同学承担，从而技能训练所得差距较大，技术水平越高的同学进步越大。如何分组和分配实验任务，以便所有同学都学有所得，需要进一步研究。<br>　　计算机安全是系统工程，涉及的实验内容过于庞大，而实战型实验又不好限定攻击手段和方向。随着实验的进展，实验任务量不可避免地剧增，因此实验内容限定需要进一步研究、规范。<br>　　学生遵守计算机法律法规及网络道德的意识淡薄。虽然教师有意强调，还是有许多同学攻击目标超出实验范围，带来了社会危害风险。攻击效果要求可以验证即可，但有学生还是在好奇心与成就感的驱使下，有网页篡改等非善意行为。<br>　　学生技术文档意识淡薄，写作能力低下，往往不能准确重现攻击—防守过程，即使安全体系完善也往往缺乏配置文档资料，这方面在最后总结阶段表现得十分突出。<br>　　<br>　　4实验对安全人才培养模式的启示<br>　　<br>　　实战训练得到的一个明显的经验是：实验环境越宽松，对

攻击约束越少，训练效果越好，然而这样也越容易造成社会危害，触及法律和道德。以中国计算机安全受教育者之众，反观出名的黑客数量是极为不成比例的。出名的黑客都是计算机安全某一领域的高手，但之所以出名，往往是造成了较大的危害影响。从学校、教师的角度讲，循规蹈矩进行计算机安全人才培养是稳妥和可以理解的，但从世界范围内的竞争和国家安全的角度看，却未必是好事。那么应该营造怎样的计算机安全人才培养环境？这应该是一个值得探讨的话题。<br> </p> <p> </p> <p>
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名师先进事迹<br>　　<br>　　丁桂芝从事高等职业教育教学研究与实践20多年，勤于思考、善于学习、不懈努力、执著追求，使其在教学、专业建设、与行业企业工学结合、教育教学研究和社会工作等方面都有出色的表现。<br>　　<br>　　1教学工作<br>　　<br>　　丁桂芝在我国刚刚恢复高考制度后即上了大学，所学专业是知识更新极快的热门技术——计算机硬件。因此，从1986年走上讲台的第一门课程Basic语言到一路走来的Fortran、Pascal、Dbase、FoxPro、C、C++、VC++、数据结构、算法与数据结构、微机原理与接口技术等等，全部靠着勤奋的学习，不懈的努力，能够始终活跃在讲台上。<br>　　教学中不断研究高等职业教育教学特点，三校生、高中生、五年制等生源情况，计算机类专业和非计算机类专业授课对象等，采取不同的教学方法和手段，激发学生的学习热情。例如，对非计算机专业学生授课时，为了使学生的学习与专业结合，与环工专业学生一起学习物化课程，从经管教师手中借来统计学教材，设计课程实例；在给计算机专业学生开设数据结构课程时，补充大量便于算法理解的实际应用例题。<br>　　热爱学生、钻研教学，使丁桂芝获得学校首届青年教师教学基本功比赛一等奖，多次获得校级、市级优秀教师称号。2004年主讲的“数据结构”课程被评为市级精品课程，《对高职高专精品课程建设的认识》、《课程开发是高职高专精品课程建设的基础》、《教学大纲为教师实现课程培养目标提供依据》、《立体化教材为课程计划的有效实施提供保障》、《选择有利于课程目标实现的教学方法与手段》等5篇高职高专精品课程建设的研究与实践系列文章在教育部主办、清华大学承办的《计算机教育》杂志连续发表。<br>　　<br>　　2专业建设<br>　　<br>　　自93年开始，丁桂芝先后主持筹建4个广受社会欢迎的专业：“计算机应用技术”、“计算机网络技术”、“计算机多媒体技术”和“软件技术”，其中“计算机网络技术”专业2001年被教育部确定为国家级试点建设专业，2005年，以“网络技术与信息处理”专业为依托的“创建‘三三分段’教学模式，校企合作培养软件人才”项目获高等教育国家级教学成果二等奖，高等教育天津市级教学成果一等奖。2006年，为适应市场对嵌入式系统人才的迫切需求，与企业工程师一起，将“计算机应用技术”专业进行了嵌入式系统实用化改造，该方案列入示范校重点建设项目。<br>　　<br>　　3工学结合<br>　　<br>　　为突出高等职业教育办学特色，丁桂芝借助行业企业力量，共同探索工学结合之路，至今已经建立起多个长期稳定的专业校内外工学结合基地，每个基地发挥不同作用。2004年开始为天津南开创元信息技术有限公司“订单式”培养对日外包软件人才，每批学生30余名，至今已经连续3届；2004年将道可道物流网络信息技术有限公司吸引到学校，校企共建联合开发实验室，企业工程师、教师和部分优秀学生共同开发项目，共同对海关加工贸易企业联网平台用户定期培训，至今已经培训200多家企业联网平台操作人员，开发天津雅马哈联网信息管理系统、先进信息公司联网信息管理系统、天津海关加工贸易联网监管平台——B网客户端、丹佛斯公司联网信息管理系统等多项项目。2005年开始扩大产学合作对象，组织教师与坐落在北辰科技园区的七所信息技术有限公司共同承担横向科研课题，如网络音视频图书馆管理系统、太阳能职能控制器等。此外，还整合中国软件行业协议、中国电子信息标准化研究所、大型IT培训机构、天津华苑软件园、高职校教师等资源，共同开发工学结合教材、培养双师教师。由于产学合作工作突出，2005年底，天津市科委奖励我校产学合作项目15万元。<br>　　除多方组织产学合作项目外，自身还积极投入实际项目开发，现正主持七所委托开发项目《网络音视频图书馆管理系统》，开发资金6万元。<br>　　 <br>　　4教育教学研究<br>　　<br>　　丁桂芝长期从事高等职业教育教学研究与实践，先后到新加坡、马来西亚、澳大利亚、新西兰及港澳地区考察校园网、计算机教育和职业教育。2005年获天津市第四批中青年骨干教师出国研修与培训基金资助，到英国London Metropolitan University做访问学者，研修可重复利用学习对象。积累了丰富的研究与实践体会，多次被全国性高职高专院校IT类各种研讨会邀请做主题发言。先后主持或主要参加省部级以上教育教学研究课题十余项；发表教育教学研究论文10余篇；为全国高校计算机基础教育研究会高职高专计算机类专业设计体现工学结合的课程体系模板，在400多家会员校中推广。<br>　　<br>　　5社会工作<br>　　<br>　　丁桂芝长期在全国和天津市高职高专IT类专业研究会担任主要职务。在工学结合的长期探索实践中，与信息产业部、劳动部相关部门、中国软件行业协会教育与培训委员会、天津市计算机用户协会、图形图像协会等建立了多年的合作关系。充分利用自身社会影响力和社会任职，在高校研究会和行业、企业之间建立起纽带关系，共同组织实施工学结合研讨会，共同进行人才培养模式研究、双师培养、开发工学结合教学资源。<br>　　在全国高校计算机基础教育研究会常务理事中丁桂芝是唯一的高职院校代表，在研究会中发挥着重要作用。研究会与清华大学出版社共同完成的《中国高等院校计算机基础教育课程体系》(2004、2006)高职高专部分是丁桂芝执笔完成，在研究会与中国铁道出版社共同开发的《中国高等职业院校计算机教育课程体系》课题中，是主要执笔人，并为各专业设计了课程体系开发模板。发挥高职高专专业委员会副主任委员和高职高专IT类专业委员会副主任的作用，为多家出版社组织有特色的高职高专计算机类专业系列教材，自身也主编或参编高职高专教材10余本，其中主编的《ASP动态网页设计教程》为“十一五”国家级规划教材。认真履行教育部高等院校高职高专计算机类专业教学指导委员会委员职责，做好“十一五”规划教材、精品课程、精品教材等评审工作。<br>　　热爱职业教育事业，热爱学生，积极投身教育教学研究与实践，开拓创新，积极进取是丁桂芝的突出特征。 <br> </p> <p> </p> <p>
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摘要:职能(Occupational Competency)是职场工作中的主动态度、抗压能力、沟通技巧、团队合作等,不仅可以提升个人的工作竞争力,而且能带动企业的效能。在一般的信息相关科系,学生毕业前会进行毕业专题制作,模式是由学生自行组队、自行寻找指导老师、自行选择想要研究的题目或领域——这样的模式与现实有明显差距。本计划尝试改变教学实施方法,强调过程胜于成果,希望能贴近职场工作氛围,让学生体验软件开发初期的不确定性、学习团队内部与外部的沟通合作,藉由团队间良性竞争产生的压力,提升学生自我学习新技术的能力,拥有整合与开发大型系统的经验。其中最重要的是借学生团队互动的过程来自我发现(self-discovery),以建立正确的职场工作态度(Work Ethic)。<br>　　关键词:职能;毕业专题;提问式教育;问题导向学习;团队体验<br>　　<br>　　1研究背景<br>　　铭传大学国际学院是目前台湾唯一大学四年全英语授课的教学单位,包括商业管理、传播、旅游观光、信息四个系,还有华语文教学系及国际关系所。学院中一半学生来自全球70多个国家,包括近500多位国际生,他们的中文并不精通。该学院设立的目的不仅仅是让国际学生认识台湾,更希望提升台湾学生的国际观,以使他们具备全球化竞争力。<br>　　国际学院的课程基本上与北美接轨,但没有与海外任何大学挂钩,是正港本土的学院。铭传大学正在接受北美大学评鉴机构MSCHE (The Middle States Commission on Higher Education)的评鉴,目前已取得准认证资格,迈入最后阶段的评鉴。完成评鉴后,学校将成为亚洲第一所认证大学,也是台湾的骄傲。<br>　　国际学院信息科技应用系(Applied Computing)的课程架构以ACM及IEEE推荐的CC 2001[1]为基础,基础核心课程采用Imperative-first模式,进阶课程以Topic-based approach实施,应用课程参考IS 2002[2],今年开始朝IT 2008[3]课程做调整。不论哪一版本的课程,都强调学生毕业前的Capstone Project,在台湾通常被称为“毕业专题制作”或“毕业专研”。所谓capstone,就是在建造拱桥或拱门的过程中最后放入顶上的那块石头。也就说,“毕业专研”要求把学生多年所学的平面学科知识建构成立体的认知。<br>　　信息科技相关科系学生就读三年级下学期时,就会开始进行为期一年的毕业专题制作,称之为毕业专题研究(专研)。学生自行组队,自行寻找指导老师,自行选择想要研究的题目或领域。目前传统的专研模式与现实有明显差距,因为业界的工作环境通常有如下特点:<br>　　没有办法凭自己的喜好挑选同事<br>　　没有办法自己选择老板<br>　　没有办法自己订定项目<br>　　除此之外,传统专研方式还可能出现下列问题:<br>　　优秀的学生先抱团组队,后段学生可能没有团队接纳<br>　　抢手的老师被前段学生早早预订<br>　　热门的题目被优秀同学先选定<br>　　作品多为小型独立系统,内容不同,成果无法量化评比<br>　　就种种方面来看,传统专研模式有做调整的必要,以取得更有效的教学成果。<br>　　2研究动机<br>　　高等教育要培养学生面对未来,然而什么是未来?那就是从来没有发生过、也想象不到的事物。比如这波金融风暴、极端的天气、大规模的流行疾病等,瞬息万变,已超过所谓专家所能应付之范围。尤其是在信息领域,教师自身的成长经验已经不适应学生的成长,学校教导的知识很快就会被淘汰,所谓专家的专业知能还都来不及成熟,那么学校到底要给学生什么呢?如果知识技术是大学的目标,那学生不需要浪费4年时间,在补习班学习一年半载就可取得证照就业。而事实上,台湾近五成的社会新鲜人找的工作和念的科系没有相关性[4]。因此我们要问,大学到底要给学生什么?<br>　　与学科专业知识相对的,是业界非常强调的职能(Occupational Competence),即职场人要具备的知识及能力,例如沟通、态度、抗压、团队、学习、解决问题等[5],这样个体不仅能够在组织情境(公司)里提升个人工作竞争力,而且能创造组织效能与实现策略目标。在ACM及IEEE的课程里[3],不论是课程目标还是基本能力指针,都不断强调工作态度(Work Ethic)。例如,14项基本能力中,有5个项目是社会性的(Societal Context),与人有关而非与技术类相关。而由业界提出的对毕业生期望的专业能力(Professional Practice)中,有诚信、人际沟通技能、团队工作技能、调适能力、还有中文翻不出来的Integrity等10个项目,信息技能只列在第9项。<br>　　所以我们相信,高等教育里Capstone Project的实施绝对不是局限在技术层面,也不是单单完成一个项目,获取一些技能而已。它主要是借助这样的过程来培养学生的职能,为他们进入职场做准备。从2007年秋天开始,国际学院的中外教师关注到“毕业专研”的缺失,开始非正式地谈论。2008年春天,正式在课程委员会检讨,并开始重新规划。2008年开始,新的毕业专研模式正式实施,由教师团队合作进行,前后共9位老师参与。<br>　　为了避免与现实脱节,提升学生自我学习的能力,我们针对传统毕业专研的已知状况,尝试改变实施方式,希望达到下列目标(Mission):<br>　　能符合职场工作情境;<br>　　让学生体验软件开发初期的不确定性;<br>　　拥有整合与开发大型系统的经验;<br>　　提升学生自我学习新技术的能力;<br>　　学习团队内部的沟通合作;<br>　　体验团队间的沟通整合;<br>　　让团队间产生良性竞争;<br>　　强调过程胜于成果。<br>　　尤其对于建立正确的职场工作态度(Work Ethic),是凭借学生在团队互动过程中的自我发现(self- discovery),而不是老师在旁边喋喋不休。<br>　　3理论依据<br>　　新模式毕业专研的理论尝试以提问式教育(Problem Posing)为轴,由保罗&#8226;弗雷勒(Paulo Freire, 1921-1997)提出。在弗雷勒的名著《受压迫者教育学》(Pedagogy of the Oppressed)里,教师与学生的角色发生转变,在教学过程中,教师同时也是学生,学生同时也成为教师,并以提问式教育取代囤积式教育(banking education)。在

弗雷勒式教育中,没有人可以完全去教另一个人,也没有人是可以完全自己教自己的,人们是彼此教导的[6]。提问式教育不仅解放传统教学里学生的角色,也体现建构主义思想的学习方式。<br>　　信息相关科系的教师对专业知识非常有把握,但教学方法仍采用一人说、众人听的模式,仅能依循传统熟悉的单向输出。在这样的“毕业专研”中,首先要调整的是教师,需要挑战固有的教育思维与教学方法。虽然无法达到弗雷勒将教育重心的转移赋与政治与社会的意涵境界,但在新的“毕业专研”中,教师不再是高高在上的指导专家,而是协调、引导的伙伴。教育是一个认知的过程,学生也要成为过程中的主体,学习过程变为对话性的互动,在对话情境中,师生透过觉察及沟通过程获取知识。因此学生同时也是教师,教师同时也是学生。<br>　　新的毕业专研希望借助问题导向学习(Problem Based Learning, PBL)的教学方法落实提问式教育。PBL是60年代末医学院开始采用的教学策略[7],到90年代,商学院也开始采用。PBL的教学模式是由学生向老师提问;如果学生在学习过程中遇到问题,可以向老师提出疑问;比较容易回答的或是具有争议性的问题,就让学生回答或进行讨论。PBL的操作颠覆了教师的传统经验,例如教师在教学过程中不讲课,只回答问题,不提供事实资料(factual information),也不谈学生该读什么或学什么[7]。<br> </p> <p> <p>PBL是一个以学习者为中心的教育方法,强调以“问题”为学习的起点,而不是像传统的教学,先学习学科内容,再尝试解决问题。PBL的另外一个特点是采用小组合作模式[8],教师以真实或拟真情境中的问题引导学生团队合作,探究学什么(what)以及如何学(how)。学生在问题解决过程中经由自我主导的学习,同时与他人合作学习,探索建构知识的脉络。PBL的成效是constructive、self-directed、contextual and collaborative[9-11]。<br>　　也许有人认为,毕业专研的实施不就像在美国中小学流行的计划导向(Project Based Learning, PjBL)教学策略[12]吗?不错,PjBL与PBL都是要培养学生解决问题的能力,有许多相似的共通点,尤其对台湾的学生、甚至许多教师而言都差不多。但是PjBL的重点放在计划或工作的完成,而PBL具有更广的范围和复杂性,通过精心设计具有特殊意义的问题,让学生的学习过程成为重复的经验[13]。在PBL中,学生负有主要的学习责任,而教师的角色相对减轻。作为高等教育的Capstone Project,专研应该从PjBL提升为PBL。<br>　　4课程设计<br>　　新模式专研的课程目标(Goal)在于提升学生以下三方面的技能:<br>　　(1) 解决问题的能力(Problem Solving Skill)。<br>　　学生将来进入业界后,要用的技术很可能是学校没教过的,要解决的问题也可能是从未发生过的。因此,学生要克服学习新事物的恐惧,要能够思考问题并分析问题产生的原因,遇到困难能够多方面去寻求协助、找寻资源,要大胆尝试任何可能的解决方法,不害怕错误失败,并能归纳总结失败或成功的原因。学生要从专研经验中建立学生自我学习的技能,提升解决问题的能力。<br>　　(2) 人际关系的能力(People Skill)。<br>　　人与人之间的互动技巧,尤其是长时间的团队运作,是台湾学生在学习历程中较为欠缺的。事实上,学生将来在职场解决问题的过程中,需要经常与长官、同事互动,甚至需要寻求支持及帮助,人际关系是职场必备的生存要素。因此,专研要给学生创造与队友互动的机会,让他们学习如何彼此包容,建立良好的沟通、合作关系,以谋求工作成效的进步。由于专研涉及大型系统的开发,沟通合作不仅是团队内部的互动,也包括团队间的协调联络甚至整合,学生会在专研过程中逐步积累管理大型团队的经验。<br>　　(3) 开发软件的能力(Software Development Skill)。<br>　　教师希望学生能开发与生活息息相关的议题,除了凭借专研的历练提升程序设计技能外,也希望学生能熟悉软件开发工具,将他们学到的理论与技术应用到系统开发的过程中。尤其是学生进入业界后面临的工作环境不会是单一的小系统(standalone),通常是整合型态的系统,因此通过专研开发大型系统
摘要:本文介绍了在文科院校没有计算机硬件实验条件下,借助EDA软件来解决计算机实验的问题。文章分析了计算机实验对计算机硬件教学的重要性,并以层次化方式设计了以EDA软件Quartus II为实验平台的计算机系统实践教学方案,为缺乏硬件实验设备的院校探索了一条经济适用,简单易行的实践教学方法。<br>　　关键词:计算机系统;仿真实验;EDA<br>　　G642<br>　　<br>　　随着计算机技术的普及和深入,很多文科院校都开办了计算机相关专业,如信息管理与信息系统专业和电子商务专业,虽然这些专业有的隶属于管理学院,有的以独立学院的形式出现,但无论以何种形式存在,计算机类课程都是其教学的主要内容。在本科教育从精英人才培养向普及型教育转变的时代,人才培养的目标已从过去培养造就研究型人才向具有坚实理论基础和丰富实践能力的应用人才培养目标转变。为此,文科院校开设的计算机课程越来越多,这种以实验技术为基础的课程看不见、摸不着,完全靠实验来了解其内部工作过程的课程令文科院校学生十分困惑,因此,在文科类院校建立计算机教学实验环境就是迫切需要解决的问题之一。<br>　　1文科类院校计算机实验所面临的问题<br>　　众所周知,计算机类课程属于理工类课程,而理工类课程的学习就离不开实验室,这对理工类院校的专业来说不是什么问题,但对文科类院校,由于过去多年形成的惯性思维和基础环境,对实验课理解的偏差,把计算机实验片面理解成计算机软件的使用,把流程的模拟软件当作了计算机实验。因此,文科院校几乎没有像理工院校那样的实验室,所谓的实验室就是几个计算机房,安装一些常用软件或模拟软件,如Microsoft Office、EVIEWS、QSB等,学生无法完成探索性实验。这一方面是由于人文科学的实验受主观因素影响比较大,过去以定性研究为主,即使现在大量引入了定量分析,也主要是借助统计学理论进行数据处理,其对实验环境要求也不像理工科那么直观。在这种大背景下,文科院校很难建立像理工科院校那样的专业实验室也是情理之中。这对需要掌握计算机内部结构知识的计算机相关专业,如信息管理与信息系统专业的基础教学影响很大。由于计算机底层知识(如数字逻辑、计算机组成原理、计算机网络等课程)需要大量实验支撑,致使这些课程的教学缺乏直观性、可操作性,严重影响了教学效果和学生的学习积极性,本来比较直观、深受学生喜爱的实践应用型课程就完全变成了理论课,没有实验环境和实验课,给学生的理解带来很大困难,结果是学生不喜欢上这些课程。<br>　　事实上,在文科院校建立像理工类院校的实验室也不现实。首先是利用率问题,相比理工院校,在文科院校的理工类专业学生人数少,使用这类实验室的也只有本专业的学生和极少数选修二学位的其他专业学生。人数少,专业单一,这就很难保证实验室的利用率。其次是认识问题,这类院校中信息管理、电子商务等专业都不是学校的主流学科,既然不是主流学科,当然也不是投资重点,能保证对其他学科的支撑保障作用就足以,投入“巨资”发展是很难的。<br>　　正确认识自己的地位和环境之后,我们应该学会在夹缝中寻求发展,探索一条适合文科院校实验室建设的新思路。我们探索了计算机实验教学模拟化方法,这也许是一条在机房建立实验室的可行之路。<br>　　2当前实验和模拟教学软件的发展现状<br>　　计算机教学软件分为模拟教学软件和实验软件,模拟教学软件近年有了飞速的发展,但应用领域很不平衡,在中小学电子辅导材料中深受学生欢迎的计算机模拟实验演示软件直到近年教育部提出重点发展实践教学以后才引起高校的重视。事实上,计算机辅助教学技术的发展已经达到了相当高的程度,只要看看在计算机辅助设计中大量使用的软件,在电子游戏中大量使用的参与型操作软件,就能想象到这些技术应用到计算机实验和模拟教学中会产生多大影响。相对而言,现在财经类大学深受欢迎的各种操作实务型过程模拟软件,在代替学生直接参与企业实践方面发挥了有效的作用,是培养学生掌握某一特定技能的高效模拟软件。如上海育文公司的“科荣电子商务模拟教学软件”、网络证券、期货、外汇、财会网络系统和电子银行模拟软件、上海远恒电子工程有限公司的“YHLog物流模拟实习平台”实验室教学软件等都得到了很好的应用,特别是一些主要软件提供商,像用友和金蝶等也推出了教学版软件。<br>　　应用在计算机技术方面的教学模拟软件近几年发展迅速,有思科网络学院推出的各种模拟器(如Routersim CCNP),OPNET Technology公司的OPNET Modeler,UC Berkeley开发的NS2,Cadence公司的SPW仿真软件,以及华为公司的网络实验模拟器软件,这些实验模拟系统都是网络公司针对自己产品特点而设计的,推出的目的是配合网络管理人员学习本公司产品的使用方法,很难作为学生学习一门课程的教学实验软件。这类软件重视操作,对学生理解掌握原理和研究探索作用不大,属于培养技能的教学软件。<br>　　在计算机方面可以作为仿真实验的主要是一些功能比较完善的EDA软件,如Altera的QuartusII,Xilinx的 ISE,Lattice的ispLEVER等数字电路设计仿真软件,这些软件为用户提供了各种门器件、编码器、译码器、加法器、触发器、组合逻辑器件、时序逻辑器件等数字电路常用器件,用户可以用这些器件自由地搭建各种数字电路,构建计算机。软件提供的仿真工具可以让用户方便地进行数字电路仿真分析,这些软件作为辅助工具应用于实验课的模拟教学,作为没有硬件实验室院校学生教学实验,可以大大提高这类院校学生对相关课程的理解和兴趣。<br>　　3计算机系统实验方案<br>　　没有配备计算机硬件实验环境的文科院校,计算机硬件课程教学以理论讲授为主,缺少实验支持,学生学习硬件缺乏兴趣,对内容的理解不深刻,学习主要靠死背硬记,教学效果欠佳。在教育部关于提高教学质量的1、2号文件精神指引下以及利用计算机模拟教学的呼声日渐受到教育主管部门的重视的大背景下,我们尝试了用Altera公司的QuartusII作为计算机系统的实验模拟工具,收到了良好效果。<br>　　课程实验设置分为三个层次阶段,第一阶段是基础电路实验阶段,学生完成组成计算机单元电路的设计和仿真实验;第二阶段是计算机组成实验阶段;第三阶段是控制器设计和运行实验阶段。<br>　　3.1电路基础实验<br>　　基础电路实验的目的是使学生掌握各模块功能,重点理解逻辑电路和时序电路的差异,实验包括加法器、译码器、寄存器的设计和仿真。加法器实验从1位加法器开始,把逻辑表达式转换成逻辑电路,实验电路如图1所示。把设计好的电路封装后组成4位加法器,并通过功能仿真实验观测设计的正确性。例如,被加数Ai(i=0,1,2,3)的值为0010,加数Bi为0101,输出和Si(i=0,1,2,3)为0111,学生可以从仿真波形图中直接读出结果。<br>　　<br>　　图1一位全加器电路<br>　　3.2CPU组成实验<br>　　第二层次阶段是计算机组成实验,这一阶段的重点是使学生掌握功能模块的输入/输出控制机制和总线概念。实验包括算术逻辑运算器ALU实验,存储器MEMORY,累加器Accumulator,计数器COUNTER等。控制器和指令译码器不在这个阶段实验,把它以一个黑匣子代替,由老师给定。ALU实验重点学习、观测各运算部件的连接,建立总线概念,了解三态门的作用。存储器实验重在理解地址译码器的选择功能和输入输出控制信号的作用。而累加器实验重点关注其内容判断功能,如为零,为负等。这些部件的仿真在功能仿真基础上要以时序仿真为主。<br>　　在掌握功能模块输入/输出控制之后,进行基本CPU组装实验,为此,需要提供具有给定指令集的控制器电路,我们设计了用只读存储器实现控制器的电路。这部分相对较难,在作实验时,可以由教师提供现成的模块由学生引用。学生按照冯&#8226;诺依曼思想,把各部件组成CPU。<br>　　作为计算机课程的入门硬件课,到此实验已经足够了。如果学生已经学过汇编语言,或者有足够的课时,可以考虑指令系统和控制器的设计。<br>　　3.3指令集和控制器实验<br>　　本控制器采用ROM存储器的微指令方式来实现。控制器设计首先是指令集设计,由于指令设计不是本课程的内容,可以由教师给定,然后把指令按时钟节拍分成多个微指令,确定每个节拍所涉及的控制信号,每个控制信号占用1条控制总线,如计算机CPU有15个控制信号,基本指令31条,指令最多节拍为6个节拍,则需要作为控制器的存储器容量为31×6×15bit,我们选择256×16存储器作为控制器,指令操作码作为存储器高位地址,节拍序号(6进制计数器输出)为低位地址,这样每条指令就需要占用8个存储单元(其中2个为空),每单元16位输出。使用Altera 公司的QuartusII 直接把微指令代码文件写入ROM模块即可。<br>　　3.4系统运行实验<br>　　整个系统设计好后,可以把系统下载到FPGA仿真版<br>　　<br>　　进行运行实验,Altera 公司开发板种类很多,我们自己开发了PMC110计算机实验系统,学生可以把自己设计的CPU下载到该实验板进行运行,同时,可以按照自己的指令集设计汇编语言程序在该CPU上运行。<br>　　4结论<br>　　通过在文科院校开展模拟实验,增强了学生学习计算机硬件课程的兴趣和学习热情。没有开实验课之前,选课人数逐年下降,模拟实验课开设后,选课人数明显回升。<br>　　学生对计算机系统的理解明显提高,特别是对计算机中的资源有了更加清晰的认识,对常数、变量、数组和存储器的关系有了新的认识;对其他课程的支撑力也有很大提高,原来学生对指针很难理解,现在感觉容易多了;再就是增强了学生的动手能力,原来很多学生惧怕硬件,特别是女同学更是如此,现在认为硬件比软件简单很多。<br>　　<br>