計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程的案例建設(shè)

周云　姚新宇

摘要：案例教學(xué)能有效提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，是現(xiàn)代教育的常用教學(xué)方法之一。文章分析案例教學(xué)中的案例特征，以實際工程項目的一個子系統(tǒng)為背景，設(shè)計實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)案例并介紹案例的具體建設(shè)情況，指出該案例對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及分析問題和解決問題的能力具有明顯的效果。

關(guān)鍵詞：軟件技術(shù)基礎(chǔ)；案例教學(xué)；案例建設(shè)；實時仿真；監(jiān)視系統(tǒng)

1、計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程中案例教學(xué)的必要性

計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)是仿真工程與自動化專業(yè)的核心課程之一，是一門應(yīng)用性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程是整合課程，主要包括c++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、軟件工程等方面的內(nèi)容，知識龐雜且難以掌握。學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之后常常感到困惑：所學(xué)知識有什么用，怎樣運用所學(xué)知識？一些學(xué)生雖然能夠在考試中考出高分，卻不知道怎樣解決實際問題。如何使學(xué)生認(rèn)識所學(xué)知識的用途，融會貫通并靈活運用，是這門課應(yīng)重點考慮的問題。目前，案例教學(xué)在法律類和管理類課程教學(xué)中的地位和作用已在教育界達成共識。教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會于2006年6月發(fā)布了《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)教學(xué)的意見暨計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求（試行）》白皮書，明確指出在教學(xué)方法和手段上運用案例教學(xué)的必要性，因此，將案例教學(xué)作為一種教學(xué)方法引入工科類課程的教學(xué)，具有可行性和必要性。

2、認(rèn)識案例

案例教學(xué)法就是在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)教學(xué)目的和要求，以案例為基本素材，把學(xué)生帶人特定的教學(xué)情境中進行思考，以此加深學(xué)生對基本原理和概念的理解，進而培養(yǎng)并提高學(xué)生運用理論知識分析問題和鋸決問題能力的一種教學(xué)方法。

案例是案例教學(xué)的基礎(chǔ)，離開了案例，案例教學(xué)就無從談起。案例與一般教學(xué)中的例題有著本質(zhì)區(qū)別，案例教學(xué)中的案例是將多個知識點融人一個整體來解決實際問題，涉及的知識面廣，知識間具有連貫性和系統(tǒng)性，涵蓋的知識具有綜合性的特點，知識和原理蘊藏于案例之中。一般教學(xué)中的例題往往是配合某一章節(jié)或某一知識點，從某個角度、某個方面或某個層次反映所學(xué)理論和方法，起著驗證和說明作用，常常帶有為講知識而杜撰例子的痕跡，各個例題之間相對獨立，涵蓋的知識單一，知識和原理孤立地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。一般說來，工科類課程的案例應(yīng)具有以下基本特征。

1）真實性。

客觀真實性是案例的基本特征。教學(xué)案例應(yīng)源于真實，取材于工程實際或科研課題，但是又要高于真實。為了突出主題，可以對真實做一定的刪減處理。

2）綜合性。

案例應(yīng)是綜合知識的載體，既要以學(xué)生已掌握的知識為依據(jù)輻射足夠多的知識點，又要在匹配教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上對知識有一定程度的擴展。

3）完整性。

案例是完整過程的載體，涉及了解背景、查詢資料、分析信息、發(fā)現(xiàn)問題、探求方法、采取行動、解決問題的全過程。

4）啟發(fā)性。

案例教學(xué)著眼于能力的培養(yǎng)，希望得到的不是案例的標(biāo)準(zhǔn)答案，而是解決問題的思維方法和能力。案例中，解決問題的方式是開放性的，可以留給學(xué)生想象的空間和發(fā)揮的余地。

5）實踐性。

學(xué)生可以對案例進行復(fù)現(xiàn)、改進和完善，也可以按照自己的思考去實現(xiàn)，增強理論應(yīng)用于實際的能力，實現(xiàn)從理論到實踐的轉(zhuǎn)化。

3、案例建設(shè)

案例教學(xué)的前提是高質(zhì)量的案例，高質(zhì)量的案例既要覆蓋足夠的知識，又要控制合適的規(guī)模。規(guī)模過小，則不能溶入足夠的知識，也不能提供足夠的研討與思維空間；規(guī)模過大，則在短時間內(nèi)難以被學(xué)生接受，不能得到預(yù)期的教學(xué)效果。筆者以實際工程項目衛(wèi)星實時仿真系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)為案例背景，在突出主題的前提下，進行了適當(dāng)?shù)脑斅约皠h減處理，形成了“實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)”案例。

3.1 案例背景簡介

衛(wèi)星實時仿真系統(tǒng)能夠?qū)πl(wèi)星的方案、設(shè)計、集成、測試和運行各個階段進行仿真驗證，是提高衛(wèi)星總體設(shè)計水平的重要手段，其網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接如圖1所示。在此系統(tǒng)中，仿真模型解算、物理設(shè)備接口等苛刻實時約束的節(jié)點通過反射內(nèi)存互聯(lián)，構(gòu)成實時內(nèi)環(huán)，外環(huán)則通過普通網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將人機交互、可視化、數(shù)據(jù)處理等實時約束弱的節(jié)點互聯(lián)，內(nèi)、外環(huán)都可以根據(jù)需要擴充且內(nèi)環(huán)不受外環(huán)影響，苛刻實時得到保障。轉(zhuǎn)發(fā)計算機完成內(nèi)存數(shù)據(jù)的提取并轉(zhuǎn)發(fā)外環(huán)，仿真管理計算機則同時管理內(nèi)、外環(huán)系統(tǒng)。衛(wèi)星仿真監(jiān)控是衛(wèi)星實時仿真過程中的重要一環(huán)，它將抽象的仿真活動形象化，并及時將信號數(shù)據(jù)以各種方式反饋給用戶，以利于用戶分析、理解和決策。衛(wèi)星實時仿真監(jiān)控系統(tǒng)，能夠模擬通過控制、監(jiān)視和測量星上設(shè)備的工作狀態(tài)實現(xiàn)實時連續(xù)地記錄工作過程、測試數(shù)據(jù)和描繪曲線。圖1中，人機交互計算機、曲線顯示計算機和三維顯示等外環(huán)計算機共同實現(xiàn)仿真監(jiān)視功能。我們將人機交互計算機和曲線顯示計算機的功能提取出來，要求系統(tǒng)具有一定的通用性，能夠適應(yīng)不同監(jiān)視任務(wù)和不同數(shù)據(jù)類型，形成“實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)”案例。

3.2 實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)案例

實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)的工作原理為：轉(zhuǎn)發(fā)計算機完成內(nèi)存數(shù)據(jù)的提取并轉(zhuǎn)發(fā)外環(huán)，外環(huán)上的實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)首先進行初始化，隨后自動生成系統(tǒng)主界面。系統(tǒng)支持兩種運行模式：監(jiān)視模式和回放模式。在監(jiān)視模式下，系統(tǒng)既要處理主界面信息，又要處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。主界面信息的處理包括響應(yīng)用戶交互消息、更新實時監(jiān)視界面、實時繪制曲線；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理包接監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口，接收、解析和保存數(shù)據(jù)包，將有效數(shù)據(jù)寫入共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供給系統(tǒng)繪制曲線。在回放模式下，不再需要對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)聽，直接讀取監(jiān)視模式下保存的原始數(shù)據(jù)文件，然后進行相應(yīng)處理即可。

為實現(xiàn)上述目的，使系統(tǒng)具有一定的通用性，我們設(shè)計了如下方案：

（1）在軟件工程思想指導(dǎo)下，進行需求分析、總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、編碼實現(xiàn)以及綜合測試。通過該案例，讓學(xué)生對軟件工程思想指導(dǎo)下的軟件開發(fā)全過程有一個感性認(rèn)識；endprint

（2）采用多線程技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)視模式下的主界面信息處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理，僅用單線程實現(xiàn)回放模式；

（3）設(shè)計一個數(shù)據(jù)包發(fā)送測試程序，模擬轉(zhuǎn)發(fā)計算機的功能。

為此，我們結(jié)合本課程的基本知識點將系統(tǒng)的主要功能模塊劃分為界面管理和數(shù)據(jù)處理兩大部分，界面管理部分主要承擔(dān)主界面信息的處理，數(shù)據(jù)處理部分則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理。

3.2.1 界面管理

系統(tǒng)運行過程中始終需要對系統(tǒng)主界面進行管理。從運行初期的生成主界面，到運行中的監(jiān)視過程的顯示，再到最終的系統(tǒng)結(jié)束，都需要對主界面進行即時的調(diào)整。為了提高通用性，系統(tǒng)采用基于配置文件的方式，通過用戶提供的配置文件，動態(tài)改變系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)，也就是說，系統(tǒng)能夠改變每次運行時的任務(wù)，主界面顯示的內(nèi)容具有不確定性。

1）讀取配置文件，獲取初始化信息。

系統(tǒng)運行之前，需要進行初始化，這就需要系統(tǒng)讀取配置文件，包括全部信號、實時顯示信號、數(shù)據(jù)包類型等配置文件。用戶必須按照約定的正確格式提供配置文件，否則系統(tǒng)有可能無法正確識別相關(guān)信息。從軟件工程的角度，配置文件的設(shè)計與確定應(yīng)在總體設(shè)計階段完成。配置文件的類型、組織方式以及數(shù)據(jù)正確性的檢驗，都是學(xué)生可以自由發(fā)揮和擴展的內(nèi)容。

2）自動生成實時監(jiān)視界面。

監(jiān)視對象的不確定性使得系統(tǒng)的監(jiān)視界面無法固定，然而，不能將界面的生成工作完全交給用戶完成，這就需要設(shè)計一種適用于不同監(jiān)視任務(wù)的界面生成算法，使系統(tǒng)將界面生成工作承擔(dān)下來。另外，系統(tǒng)界面的尺寸等信息是用戶所不知道的，因此被監(jiān)視的信號在系統(tǒng)主界面中的顯示位置無法由用戶設(shè)定，這就需要系統(tǒng)自己完成界面的排布任務(wù)。因此，要求設(shè)計一個具有較強通用性的監(jiān)視界面自適應(yīng)生成算法，這部分涉及算法設(shè)計和計算機系統(tǒng)配置的獲取等基礎(chǔ)知識，算法設(shè)計是學(xué)生能夠自由發(fā)揮并出彩的部分。

3）定時更新監(jiān)視界面。

為了實現(xiàn)實時監(jiān)視功能，系統(tǒng)需要對監(jiān)視界面進行定時更新，以顯示當(dāng)前被監(jiān)視信號的實時數(shù)據(jù)。為了滿足用戶的不同需求，系統(tǒng)提供0.5s、1s、2s三種刷新頻率。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶選擇的刷新頻率對主界面進行更新。這部分主要涉及定時器的使用。

4）處理用戶交互消息。

系統(tǒng)需要對用戶的交互消息進行處理，主要為鼠標(biāo)消息，包括運行模式的切換、仿真的開始與結(jié)束、加載歷史數(shù)據(jù)包文件等。這部分涉及所選編程環(huán)境下的消息響應(yīng)機制問題。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)在運行過程中，需要對數(shù)據(jù)包進行接收、解析和存儲，還要為曲線繪制提供原始數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計一個專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1）接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

在監(jiān)控模式下，系統(tǒng)既要處理主界面信息，又要通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包。為了避免“漏掉”數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)必須對網(wǎng)絡(luò)持續(xù)進行監(jiān)聽。如果主線程將大量時間用在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽上，勢必?zé)o法對用戶的交互做出及時響應(yīng)。因此，需要將數(shù)據(jù)包的接收放在一個單獨的線程中。這涉及操作系統(tǒng)進程管理的相關(guān)概念，是多線程程序設(shè)計技術(shù)的典型應(yīng)用；也涉及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，需要了解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等相關(guān)知識。

2）解析數(shù)據(jù)包。

在接收到數(shù)據(jù)包后，需要將數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)進行解析，獲得數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)，將最新的數(shù)據(jù)更新至系統(tǒng)對應(yīng)的變量中，以供實時顯示。解析數(shù)據(jù)包涉及網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計技術(shù)。

3）保存原始數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)要求有回放功能，因此需要將接收到的數(shù)據(jù)包寫入文件，進行永久保存。數(shù)據(jù)包的保存有兩種方式：解析后按段保存和作為整體進行二進制保存。第一種方法耗時，需較大工作量。第二種方法簡便，工作量小。顯然第二種方法更適合本系統(tǒng)。由于系統(tǒng)必須適應(yīng)兩種類型的數(shù)據(jù)包，因此，進行數(shù)據(jù)保存時，采用以形參類型為區(qū)別的方式進行同名函數(shù)的重載，實現(xiàn)兩種類型數(shù)據(jù)包文件的存儲。這部分功能涉及C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的重載技術(shù)以及文件操作技術(shù)。

4）讀取數(shù)據(jù)文件，獲取數(shù)據(jù)包。

在回放模式下，系統(tǒng)不再對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)聽，不進行數(shù)據(jù)包的接收，需要通過讀取之前保存的原始數(shù)據(jù)包文件獲得數(shù)據(jù)包。原始數(shù)據(jù)包文件保存的是二進制形式的數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)每次讀取之后需要對數(shù)據(jù)包進行解析，這與接收到數(shù)據(jù)包的過程是一樣的，不同之處在于回放過程不再需要將數(shù)據(jù)包進行保存。這涉及C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的文件操作，同時，通過監(jiān)視模式下的多線程程序設(shè)計與回放模式下的單線程程序設(shè)計的對比，使學(xué)生真切感受并理解多線程程序設(shè)計技術(shù)及其應(yīng)用場合等。

5）共享數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)嵌套了曲線繪制模塊，因此，數(shù)據(jù)處理與曲線繪制之間需要有一塊共享數(shù)據(jù)內(nèi)存。在收到數(shù)據(jù)包并解析后，馬上將有用的信息寫入該共享內(nèi)存。寫入操作由數(shù)據(jù)包接收線程處理，讀取操作由主線程內(nèi)的曲線繪制模塊完成，因此，需要對兩個線程進行同步。這涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和操作系統(tǒng)的同步與互斥。

6）快速查找。

系統(tǒng)支持大數(shù)據(jù)量下的仿真監(jiān)視，對數(shù)據(jù)的快速查找有較高的需求，因此，需要設(shè)計支持快速查找的哈希表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括哈希函數(shù)的確定、沖突的解決等，這涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的哈希表技術(shù)。

4、結(jié)語

“實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)”案例，涵蓋了軟件工程、c++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信等計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)課程及其先導(dǎo)與后繼課程的知識點，是一個與學(xué)生所學(xué)專業(yè)密切相關(guān)的實際應(yīng)用系統(tǒng)，容易引起學(xué)生的興趣，也容易被學(xué)生理解和接受。這樣的案例既與教學(xué)目標(biāo)相吻合，又便于教師駕馭和把握。

從學(xué)生反饋的情況看，學(xué)生普遍認(rèn)為，案例教學(xué)法方式新穎，實時仿真監(jiān)視系統(tǒng)案例與專業(yè)基礎(chǔ)結(jié)合緊密；能引導(dǎo)學(xué)生積極思考，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及分析問題和解決問題的能力。該案例在教學(xué)過程中取得了明顯的教學(xué)效果。

為了更好地開展案例教學(xué)，我們必須把建設(shè)高質(zhì)量的案例作為重點來抓，選擇合適的案例背景，制定合理的案例建設(shè)計劃。實踐證明，只有經(jīng)過長時間的積累、認(rèn)真的思考、精心的選擇和多次教學(xué)實踐，才能獲得高質(zhì)量的教學(xué)案例；只有經(jīng)過團隊的長期努力，才能建設(shè)高質(zhì)量的教學(xué)案例庫。endprint