计算机软件技术基础课程的案例建设

摘 要：案例教学能有效提高学生分析问题和解决问题的能力,是现代教育的常用教学方法之一.文章分析案例教学中的案例特征,以实际工程项目的一个子系统为背景,设计实时仿真监视系统案例并介绍案例的具体建设情况,指出该案例对提高学生的学习兴趣以及分析问题和解决问题的能力具有明显的效果.

关 键 词：软件技术基础；案例教学；案例建设；实时仿真；监视系统

1.计算机软件技术基础课程中案例教学的必要性

计算机软件技术基础是仿真工程与自动化专业的核心课程之一,是一门应用性很强的专业基础课.该课程是整合课程,主要包括c++面向对象程序设计、算法与数据结构、操作系统、软件工程等方面的内容,知识庞杂且难以掌握.学生在学习该课程之后常常感到困惑：所学知识有什么用,怎样运用所学知识?一些学生虽然能够在考试中考出高分,却不知道怎样解决实际问题.如何使学生认识所学知识的用途,融会贯通并灵活运用,是这门课应重点考虑的问题.目前,案例教学在法律类和管理类课程教学中的地位和作用已在教育界达成共识.教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会于2006年6月发布了《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求（试行）》白皮书,明确指出在教学方法和手段上运用案例教学的必要性,因此,将案例教学作为一种教学方法引入工科类课程的教学,具有可行性和必要性.

2.认识案例

案例教学法就是在教师的指导下,根据教学目的和要求,以案例为基本素材,把学生带人特定的教学情境中进行思考,以此加深学生对基本原理和概念的理解,进而培养并提高学生运用理论知识分析问题和锯决问题能力的一种教学方法.

案例是案例教学的基础,离开了案例,案例教学就无从谈起.案例与一般教学中的例题有着本质区别,案例教学中的案例是将多个知识点融人一个整体来解决实际问题,涉及的知识面广,知识间具有连贯性和系统性,涵盖的知识具有综合性的特点,知识和原理蕴藏于案例之中.一般教学中的例题往往是配合某一章节或某一知识点,从某个角度、某个方面或某个层次反映所学理论和方法,起着验证和说明作用,常常带有为讲知识而杜撰例子的痕迹,各个例题之间相对独立,涵盖的知识单一,知识和原理孤立地呈现在学生面前.一般说来,工科类课程的案例应具有以下基本特征.

1）真实性.

客观真实性是案例的基本特征.教学案例应源于真实,取材于工程实际或科研课题,但是又要高于真实.为了突出主题,可以对真实做一定的删减处理.

2）综合性.

案例应是综合知识的载体,既要以学生已掌握的知识为依据辐射足够多的知识点,又要在匹配教学内容的基础上对知识有一定程度的扩展.

3）完整性.

案例是完整过程的载体,涉及了解背景、查询资料、分析信息、发现问题、探求方法、采取行动、解决问题的全过程.

4）启发性.

案例教学着眼于能力的培养,希望得到的不是案例的标准答案,而是解决问题的思维方法和能力.案例中,解决问题的方式是开放性的,可以留给学生想象的空间和发挥的余地.

5）实践性.

学生可以对案例进行复现、改进和完善,也可以按照自己的思考去实现,增强理论应用于实际的能力,实现从理论到实践的转化.

3.案例建设

案例教学的前提是高质量的案例,高质量的案例既要覆盖足够的知识,又要控制合适的规模.规模过小,则不能溶入足够的知识,也不能提供足够的研讨与思维空间；规模过大,则在短时间内难以被学生接受,不能得到预期的教学效果.笔者以实际工程项目卫星实时仿真系统的一个子系统为案例背景,在突出主题的前提下,进行了适当的详略及删减处理,形成了“实时仿真监视系统”案例.

3.1案例背景简介

卫星实时仿真系统能够对卫星的方案、设计、集成、测试和运行各个阶段进行仿真验证,是提高卫星总体设计水平的重要手段,其网络关系连接如图1所示.在此系统中,仿真模型解算、物理设备接口等苛刻实时约束的节点通过反射内存互联,构成实时内环,外环则通过普通网络互联,将人机交互、可视化、数据处理等实时约束弱的节点互联,内、外环都可以根据需要扩充且内环不受外环影响,苛刻实时得到保障.转发计算机完成内存数据的提取并转发外环,仿真管理计算机则同时管理内、外环系统.卫星仿真监控是卫星实时仿真过程中的重要一环,它将抽象的仿真活动形象化,并及时将信号数据以各种方式反馈给用户,以利于用户分析、理解和决策.卫星实时仿真监控系统,能够模拟通过控制、监视和测量星上设备的工作状态实现实时连续地记录工作过程、测试数据和描绘曲线.图1中,人机交互计算机、曲线显示计算机和三维显示等外环计算机共同实现仿真监视功能.我们将人机交互计算机和曲线显示计算机的功能提取出来,要求系统具有一定的通用性,能够适应不同监视任务和不同数据类型,形成“实时仿真监视系统”案例.

3.2实时仿真监视系统案例

实时仿真监视系统的工作原理为：转发计算机完成内存数据的提取并转发外环,外环上的实时仿真监视系统首先进行初始化,随后自动生成系统主界面.系统支持两种运行模式：监视模式和回放模式.在监视模式下,系统既要处理主界面信息,又要处理网络数据.主界面信息的处理包括响应用户交互消息、更新实时监视界面、实时绘制曲线；网络数据的处理包接监听网络端口,接收、解析和保存数据包,将有效数据写入共享数据结构,供给系统绘制曲线.在回放模式下,不再需要对网络进行监听,直接读取监视模式下保存的原始数据文件,然后进行相应处理即可.

为实现上述目的,使系统具有一定的通用性,我们设计了如下方案：

（1）在软件工程思想指导下,进行需求分析、总体设计、详细设计、编码实现以及综合测试.通过该案例,让学生对软件工程思想指导下的软件开发全过程有一个感性认识；（2）采用多线程技术实现监视模式下的主界面信息处理和网络数据处理,仅用单线程实现回放模式；

（3）设计一个数据包发送测试程序,模拟转发计算机的功能.

为此,我们结合本课程的基本知识点将系统的主要功能模块划分为界面管理和数据处理两大部分,界面管理部分主要承担主界面信息的处理,数据处理部分则主要负责数据的处理.

3.2.1界面管理

系统运行过程中始终需要对系统主界面进行管理.从运行初期的生成主界面,到运行中的监视过程的显示,再到最终的系统结束,都需要对主界面进行即时的调整.为了提高通用性,系统采用基于配置文件的方式,通过用户提供的配置文件,动态改变系统监视任务,也就是说,系统能够改变每次运行时的任务,主界面显示的内容具有不确定性.

1）读取配置文件,获取初始化信息.

系统运行之前,需要进行初始化,这就需要系统读取配置文件,包括全部信号、实时显示信号、数据包类型等配置文件.用户必须按照约定的正确格式提供配置文件,否则系统有可能无法正确识别相关信息.从软件工程的角度,配置文件的设计与确定应在总体设计阶段完成.配置文件的类型、组织方式以及数据正确性的检验,都是学生可以自由发挥和扩展的内容.

2）自动生成实时监视界面.

监视对象的不确定性使得系统的监视界面无法固定,然而,不能将界面的生成工作完全交给用户完成,这就需要设计一种适用于不同监视任务的界面生成算法,使系统将界面生成工作承担下来.另外,系统界面的尺寸等信息是用户所不知道的,因此被监视的信号在系统主界面中的显示位置无法由用户设定,这就需要系统自己完成界面的排布任务.因此,要求设计一个具有较强通用性的监视界面自适应生成算法,这部分涉及算法设计和计算机系统配置的获取等基础知识,算法设计是学生能够自由发挥并出彩的部分.

3）定时更新监视界面.

为了实现实时监视功能,系统需要对监视界面进行定时更新,以显示当前被监视信号的实时数据.为了满足用户的不同需求,系统提供0.5s、1s、2s三种刷新频率.系统可以根据用户选择的刷新频率对主界面进行更新.这部分主要涉及定时器的使用.

4）处理用户交互消息.

系统需要对用户的交互消息进行处理,主要为鼠标消息,包括运行模式的切换、仿真的开始与结束、加载历史数据包文件等.这部分涉及所选编程环境下的消息响应机制问题.

3.2.2数据处理

系统在运行过程中,需要对数据包进行接收、解析和存储,还要为曲线绘制提供原始数据,因此需要设计一个专用的数据结构.

1）接收网络数据包.

在监控模式下,系统既要处理主界面信息,又要通过网络接收数据包.为了避免“漏掉”数据包,系统必须对网络持续进行监听.如果主线程将大量时间用在网络监听上,势必无法对用户的交互做出及时响应.因此,需要将数据包的接收放在一个单独的线程中.这涉及操作系统进程管理的相关概念,是多线程程序设计技术的典型应用；也涉及网络通信技术,需要了解网络通信协议等相关知识.

2）解析数据包.

在接收到数据包后,需要将数据包内的数据进行解析,获得数据包内的数据,将最新的数据更新至系统对应的变量中,以供实时显示.解析数据包涉及网络通信程序设计技术.

3）保存原始数据包.

系统要求有回放功能,因此需要将接收到的数据包写入文件,进行永久保存.数据包的保存有两种方式：解析后按段保存和作为整体进行二进制保存.第一种方法耗时,需较大工作量.第二种方法简便,工作量小.显然第二种方法更适合本系统.由于系统必须适应两种类型的数据包,因此,进行数据保存时,采用以形参类型为区别的方式进行同名函数的重载,实现两种类型数据包文件的存储.这部分功能涉及C++面向对象程序设计中的重载技术以及文件操作技术.

4）读取数据文件,获取数据包.

在回放模式下,系统不再对网络进行监听,不进行数据包的接收,需要通过读取之前保存的原始数据包文件获得数据包.原始数据包文件保存的是二进制形式的数据包,系统每次读取之后需要对数据包进行解析,这与接收到数据包的过程是一样的,不同之处在于回放过程不再需要将数据包进行保存.这涉及C++面向对象程序设计中的文件操作,同时,通过监视模式下的多线程程序设计与回放模式下的单线程程序设计的对比,使学生真切感受并理解多线程程序设计技术及其应用场合等.

5）共享数据.

系统嵌套了曲线绘制模块,因此,数据处理与曲线绘制之间需要有一块共享数据内存.在收到数据包并解析后,马上将有用的信息写入该共享内存.写入操作由数据包接收线程处理,读取操作由主线程内的曲线绘制模块完成,因此,需要对两个线程进行同步.这涉及数据结构的设计和操作系统的同步与互斥.

6）快速查找.

系统支持大数据量下的仿真监视,对数据的快速查找有较高的需求,因此,需要设计支持快速查找的哈希表数据结构,包括哈希函数的确定、冲突的解决等,这涉及数据结构的哈希表技术.

4.结语

“实时仿真监视系统”案例,涵盖了软件工程、c++面向对象程序设计、算法与数据结构、操作系统和网络通信等计算机软件技术基础课程及其先导与后继课程的知识点,是一个与学生所学专业密切相关的实际应用系统,容易引起学生的兴趣,也容易被学生理解和接受.这样的案例既与教学目标相吻合,又便于教师驾驭和把握.

从学生反馈的情况看,学生普遍认为,案例教学法方式新颖,实时仿真监视系统案例与专业基础结合紧密；能引导学生积极思考,提高学生的学习兴趣以及分析问题和解决问题的能力.该案例在教学过程中取得了明显的教学效果.

为了更好地开展案例教学,我们必须把建设高质量的案例作为重点来抓,选择合适的案例背景,制定合理的案例建设计划.实践证明,只有经过长时间的积累、认真的思考、精心的选择和多次教学实践,才能获得高质量的教学案例；只有经过团队的长期努力,才能建设高质量的教学案例库.