操作系统实验教学研究

2024-06-24

操作系统实验教学研究（精选12篇）

操作系统实验教学研究篇1

0、前言

操作系统是裸机和其他软件之间的一个过渡的桥梁, 是计算机系统中最核心、最基础的系统软件, 有着举足轻重的作用。因此, 国内外高校均将操作系统列为计算机科学与技术专业的核心课程之一。本科生操作系统原理课程教学主要分为两部分:一是课程教学, 二是实验教学。课程教学通常讲解各种类型操作系统的组成结构、设计思想、设计方法和理论, 知识点多、概念性强且比较抽象, 学生不易理解, 难以掌握。为了帮助学生加深对操作系统原理的理解, 开展实验教学是非常必要的, 通过实践环节, 可以使学生深入了解操作系统涉及到的算法和数据结构, 掌握操作系统的结构和设计方法。

1、操作系统实验教学现状分析

国内本科高校计算机专业教育可以大致分为两个层次:研究型和应用型。针对不同高校的培养目标, 应设计不同的操作系统实验。目前操作系统课程实验主要采取以下三种实验模式:

(1) 验证型实验

这是最简单、最基本的实践方式。主要以某个具体的操作系统为实验环境, 如Windows或Linux, 通过使用其提供的命令, 从外部观察操作系统的内部工作过程, 体会操作系统的实现原理。这类实验不需要编写代码, 对真正了解操作系统内部结构、实现机制没有太大的意义。

(2) 设计型实验

这是一种比较常用的实践方式。由教师选取操作系统中一些典型的算法, 如进程调度、资源分配、进程同步、内存分配、磁盘驱动调度等, 让学生使用某种高级语言 (C语言、C++) 编程模拟实现操作系统的功能。这种实验不能对真实的计算机资源进行管理, 所涉及的软硬件资源都是模拟的, 学生体会不到实际操作系统对计算机资源进行访问的细节, 不能掌握操作系统整体设计的思想, 但有助于加深学生对操作系统原理的理解。

(3) 综合型实验

要求学生分析某个开放源码或教学用的操作系统内核代码, 理解操作系统功能的实现原理, 在此基础上, 让学生直接修改操作系统内核, 替换其中某些功能, 或完善扩充原有功能。对部分有能力的学生可以要求设计一个简单的操作系统内核。这是最好的实践方式, 可以让学生很好的掌握操作系统的总体结构和设计方法;但难度较大, 对学生的能力要求比较高。这类实验实施效果的好坏与使用的实验平台有很大关系, 实验教学用的操作系统选择很关键。根据学校的培养目标和学生的能力, 可以选取不同的操作系统平台。目前国外大学主要使用的教学操作系统有GeekOS、OSP、NACHOS、MINIX、XINIX、TOYOS, 这些操作系统均不是通用操作系统, 而是专门为教学开发的。国内大部分院校使用的是Linux操作系统作为实验平台, 但Linux操作系统是功能较完善的商用操作系统, 结构复杂, 对学生的能力要求较高, 对于应用型二本学校的学生来讲, 实验时会遇到很多困难, 实验效果不理想。北京海西慧学科技有限公司开发的OS Lab教学操作系统是专门为教学开发的, 设计小巧, 架构简单, 但又具有Linux操作系统的设计理念, 可以使学生很好地了解操作系统的结构和设计原理。

2、OS Lab实验平台介绍

OS Lab是一个专门为高校操作系统实验而设计的集成实验环境, 主要包括两部分:

(1) EOS操作系统

EOS是一个可以在Intel X86平台上运行的、面向教学的开源操作系统。EOS涵盖了系统引导、进程管理、内存管理、设备管理、文件系统等重要的模块功能, 完全由汇编语言和C语言编写, 开放了全部源代码, 同时在源代码中添加了大量的注释, 让阅读和理解源代码更加容易。EOS操作系统提供的API (应用编程接口) 与Windows的基本一致, 在编写EOS应用程序时可以直接调用这些API函数。在实验的过程中, 通过分析EOS的架构和源代码, 可以加深对操作系统原理的理解。

(2) 可视化IDE (Integrated Development Environme nt) 环境

一个用于编辑、编译和调试EOS源代码的可视化IDE (Integrated Development Environment) 环境。

OS Lab安装运行在Windows操作系统上, 而目前大多数高校实验室为了满足多门课程的上机要求, 往往安装的是Windows操作系统, 因此, OS Lab实验平台构建简单, 无需安装双系统, 大大降低了机房管理的难度。

3、实验教学内容设计

围绕操作系统原理课程讲授的内容, 为学生设计了18个学时的实验内容, 共7个实验, 如表1所示。通过实验帮助学生熟悉并掌握操作系统的结构、实现思想和各种典型算法, 了解操作系统进程管理、存储器管理、文件系统、设备管理、用户接口这五大操作系统的功能应用和实现。

4、结束语

采用OS Lab作为操作系统原理课程实验平台, 按照教学进度开展实验, 理论与实践相结合, 可以激发学生的学习兴趣, 便于学生对抽象理论知识的理解。

摘要：本文分析了操作系统实验教学的现状, 给出了基于OS Lab操作系统平台的实验设计方案, 使学生能深入理解操作系统的原理, 掌握操作系统的总体结构。

关键词：操作系统原理,OS Lab,实验教学

参考文献

[1]张龙翔."操作系统原理"课程实验教学的研究与实践[J].计算机教育, 2009 (14) :137-138.

[2]赵艳红, 沈峰, 段汉根.操作系统实验教学的研究与实践.河北北方学院学报, 2010, 26 (2) :68-71.

[3]黎文伟, 杨金民.微软WAP在"操作系统原理"实验教学中的应用探索.计算机教育, 2009 (22) :80-81.

操作系统实验教学研究篇2

高等院校外贸单证教学实验模拟系统

用户操作手册

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不同的国家之间进行跨越国界的商品买卖为进出口贸易，由于进行交易的双方隶属于两个不同的国家或地区，因此从事这种商业活动比国内贸易更为复杂、困难，因而也是具挑战性、从事国际商务活动，尤其是国际间货物的买卖，其工作的最大特点就是要求商务人员的掌握基本知识的同时，必须具有很强的实际工作能力。而现化国际商务活动，对从业人员的知识结构、实际能力和基本素质提出了更高的要求。

当前，国际贸易大多是以单证为媒介。通过单证的交接和传递来实现的。进出口业务中和备货、装运、报验、报关、保险、结汇以及索赔等业务环节，都要涉及单证的缮制、处理、交接和传递。因此，单证工作贯穿整个进出口合同履行的全过程，成为进出口业务中一个重要的、不可缺少的组成部分。

本软件实务与理论相结合，以相关的国际贸易惯例为基全指导原则，系统阐述了进出口业务中各类结汇单证的种类、作用、格式、内容以及缮制要点，其内容包括发票、运输单据和保险单据三大基本单据以及各类辅助性结汇单据。进出品业务中涉及的租船订舱、投保、报验以及通关等国内业务单证。鉴于买卖合同与信用证是进出口单证工作的基础性文件和制单的主要依据之一，其性质和内容对单证工作有直接的影响，本软件就是为了加强学者这方面的理解和操作运喻而生的，从而达到更加的教学效果。在国际贸易中越来越多地采用ＥＤＩ(电子数据交换)，我国加入世界贸易组织以后，从而使进出口单证的缮制、处理、交接和传递出现一系列新的变化，望学者自行更正。

软件特点：

此软件具有实践容易、上手快、效果明显的特点，主要特点如下：  该软件首先有一个自由设置的过程，由管理者设置软件的教师用户，以及整个的软件的维护工作等等；

 由教师自身来管理自己所教的班级及学生，更好的控制非本班人员的进入，更好的管理单证的审制；

 整个软件的实例由教师根据自己的实际情况来提供一套完整的单证练习例题和测验例题，由学生来完成所有的单证练习和单证测验；  本软件最大的特色是强调实际业务的操作能力，在整个国际贸易过程中，单证员要有独立果断的判断能力和对业务熟练程度制作单证，这样可以加深教学效果，以及学生走出校门更快的适应国际贸易实际业务环境。学生通过练习教师制作的模拟案例信息，然后根据不同的情况来审制单证，使学生能在一个相对专业的环境中得到锻炼，通过对软件的使用，参与者可以深切了解国际贸易市场的本质。通过本软件，可以培养学生的观察能力、决策能力、计划能力、分析能力、协调能力和竞争意识、风险意识。地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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软件功能描述：

吉网互联外贸单证教学软件分为管理员端、教师端和学生端。管理员端用户名为admin，密码为a。

管理员端

首先以管理员的身份来登录系统，输入用户名和密码，点击ENTER进入系统。

管理员端的功能包括教师用户列表、添加教师用户、修改教师资料以及日志管理，系统初始化。

用户列表中列出了教师用户，管理员拥有对教师用户删除的功能，否则将无法进入系统。管理员还可以添加教师用户。只有管理员添加教师以后，才可以使用教师端的功能，现在我们添加一个教师，用户名为teacher，密码为a，点击添加用户。

总的来说，管理员端提供了管理系统和教师用户的功能

教师端

教师端的功能包括用户审核设置、学生用户管理、修改自身密码、创建授课班级、模拟案例创建，设置测验案例，教师评分，单证帮助设置。下面将一一介绍这些子功能，先以地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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教师的身份登录，用户名为teacher，密码为a登录系统。

登录系统就进入学生注册用户审核方式设置的页面，任选其一，确定即可，完成设置

首先点击班级创建。

点击添加，创建一个班级名称为“99国际贸易”的班级、人数及授课教师

在班级创建的列表中也相应地能看到刚刚添加的这条记录。

教师创建授课班级后，此班级的学生就可以注册了。否则此班学生无法注册。（要注意的是，一旦班级创建好后，就不要轻意更改和删除，不然学生用户信息有可能丢失）地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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根据授课教师设置的审核方式，来审核该班级学生用户的审核（此处为手动审核）

教师用户修改自身的密码

教师用户补充模拟实际业物的案例充当试题，给学生做练习和测试之用，并添加答案，以便评分之用，点击添加，创建一个新案例。地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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在案例创建的列表中也相应地能看到刚刚添加的这条记录。要根据此案例添加标准答案

教师根据教学过程中，选择适当案例，给授课班级学生做练习和测验，以便更好的了解和掌握学生的学习情况，调整和改进教学方案

（教师设置案例以后，授课班级的学生才能看到此案例，否则学生将无法看到案例）地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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教师通过学生练习或测验案例考核，给学生评分，了解学生掌握的情况以及上一阶段的教学效果

教师添加每个单证的帮助信息，以便学生随时可以找到疑惑点，得到解答

学生端

学生端的功能包括用户修改密码、单证练习、单证测验、查看上次成绩、系统帮助。下面将一一介绍这些子功能，先以学生用户的身份登录，用户名为student，密码为a登录地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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系统。

登录系统就进入学生修改用户密码的页面。注册按钮是给学生注册用的，经授课教师审核，即可登录本系统。管理员、教师用户和学生用户都可取回自己的密码。

根据授课教师的设置，本班的学生可以看到授课教师所选的案例，学生选择一个个案例做下来

（一个班级同时只能有一个状态，或练习、或测验，所以有了练习，测验中就看不到案例）

选择一个案例后，根据实际情况，学生选择单证--填制单证，看看自己是否真的掌握单证知识地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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这个单证测试页面，因为当前此班级设置的单证练习,所以在单证测验中看不到案例。具体操作步骤和单证练习一样

学生根据自己所做的练习或测验，查看授课教师给你的评价地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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这个每个单证的帮助系统，学生可以在任何时候查看，以满足不时之需

至此我简单的描述了吉网互联外贸单证教学软件的功能，对软件的流程也做了简单的操作，操作本软件是一个循环的过程。在教学的过程中，不同的老师侧重点也是不同的，所以请老师能够多提意见，使我们的软件进一步的完善。地址：长春市解放大路998号财富广场B座2010室

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操作系统实验教学研究篇3

关键词：应用型计算机专业；操作系统；实验教学

“操作系统”是应用型本科计算机专业的必修课程。此课程对该专业后续知识的学习具有十分重要的作用。很多程序设计以及系统设计都需要学生熟练掌握操作系统，这样他们才能更好地去设计系统及程序平台。因此，重视操作系统的实践教学，创新教学方法，对该专业的学生更好地从事系统设计具有十分重要的意义。

一、“操作系统”实验教学存在的问题

就目前来说，很多本科高校的计算机专业在操作系统的课程设置上存在一些不合理的问题，主要是过于重视理论知识的教学，没有很好地把握实验环节的比重。同时，还存在着实验内容过分相同，没有体现应用性，也没有设置多个级别，不能分层次地针对不同学习程度的学生进行实验的问题。

“操作系统”是一门重要的基础课，计算机专业的学生学好这门课能够更好地去进行系统和程序的设计。对于操作系统的实验教学，需要加强重视程度，增加教学课时，完善软硬件设备，为实验教学创造良好的条件。

二、应用型本科院校人才培养目标

为更好地实现操作系统的教学，还需要对该专业的培养目标进行了解，以此为出发点。应用型本科，强调的是培养应用型人才，计算机专业本身是一个偏重技术的专业，“操作系统”的教学对于该专业的人才培养具有举足轻重的作用。从人才培养的角度，应用型本科计算机专业主要是将学生培养成了解计算机知识，熟悉操作系统内容，能够进行系统的设计和相关的程序设计的人才。从这个目标来看，计算机专业偏重实践技能的培养。

三、应用型本科院校“操作系统”实验教学改革途径

1.设置多层次实验内容

要将应用型本科的“操作系统”这门基础课教好，首先要改进教学内容，设置一些有梯度的内容，让学习程度不同的同学更好地去学习，以满足不同学生的学习需求，增强学生的学习兴趣和积极性。“操作系统”是比较复杂的大型程序，涉及的知识点比较多，理解起来有一定难度，所以针对不同学生的需求来进行实验教学，能够提高教学的效率。从实验设置的内容上来讲，可具体从以下方面进行。

（1）验证性实验。通过实验来让学生了解操作系统的功能，这种类型的实验主要是通过一些指令及命令来操作系统，使其做出一些響应，让学生以此来了解操作系统的基本功能和工作原理。

（2）算法实验。这个实验主要针对一些学习程度比较深入的，需要更加深入地了解操作系统的知识的学生。在内容上，以一些算法为主体对象，让学生去编写算法，实现规定的功能。在算法上，一般是以一些比较经典的、偏向于实际生活的算法来锻炼学生，学生通过这个层次的实验锻炼，能够对操作系统的算法实现过程有个比较清晰的了解。

2.引导学生分组实验

“操作系统”实验教学的改进，除了教学内容的设置上需要有梯度之外，还需要对学生实行实验分组，综合考虑各个学生的学习程度，充分激发学生的学习积极性。

将学生进行分组，然后再进行不同层次的实验，一方面能够使其在实验过程中加强沟通，增加实验的趣味性；另一方面各组在实验中会有竞争关系，在一定程度提高了学生的参与积极性。这样的实验教学方法具有十分明显的优势，在实验中遇到问题，学生能够相互交流探讨解决，这样既培养了学生的团队合作能力，又锻炼了他们解决问题的能力。

3.采用任务驱动教学法

采用驱动型的教学方法，能激活实验教学的课堂氛围，使学生主动地发现问题并解决问题，有效地提高他们的积极性。驱动型教学方法实际上是以问题为导向，在实验中设置一个核心任务或者目标，让学生来围绕这个任务进行实验。

驱动型教学方法的应用能够极大地提高实验教学的效果，让学生快速掌握操作系统的相关知识。运用驱动型教学方法需要教师将不同层次的实验进行再一次的内容划分，通过设置小任务，让学生循序渐进地去探索操作系统的知识，进而了解和掌握其核心要点。

基于应用型本科院校计算机专业人才的培养目标，本文对操作系统课程的实验教学方法进行了分析，通过设置不同层次的实验内容，采用分组实验，配合任务驱动的教学方法，培养学生的自主学习能力、知识运用能力和创新能力。

参考文献：

[1]侯利娟.“操作系统”课程的几种教学策略研究[J].中国电力教育，2012（14）.

[2]邢丽莉.“操作系统”课程的教学方法改革[J].课程教育研究，2013（1）.

[3]马杰.增进程序设计语言和数据结构教学效果的操作系统实验[J].计算机教育，2014（4）.

操作系统实验教学研究篇4

实践教学是培养学生创新意识、提高学生动手能力的重要环节, 是培养高素质工程人员的重要平台, 是实现高等教育培养复合型和应用型人才目标的有效途径。同时, 实践教学也是高校教学过程中的薄弱环节, 一直以来都是高校教学改革的重点。实验教学是实践教学的重要组成部分, 其教学质量对人才培养目标的实现影响甚大。然而, 大部分的实验设备费用昂贵, 设备规模难以与日益增长的学生规模相匹配, 导致实验教学规模难以满足高校教学发展需要。信息技术和虚拟技术的发展, 为实验教学的改革提供了契机。基于信息技术和虚拟技术构建虚拟实验系统, 深化了实验教学改革, 提高了实践教育质量工程, 成为高校教学改革的一个重要内容。

现有虚拟实验系统研究中, 文献[1]介绍了牛津大学、赫尔辛基大学、卡耐基梅隆大学等大学的虚拟实验系统, 论证了虚拟技术应用于实验教学的可行性和有效性。文献[2]构建的虚拟炼铁实验室被欧洲4所机构采用, 且效果显著。文献[3,4]创建的虚拟工程实验室, 解决了远程教育中难以开展实践教学的难题, 验证了虚拟实践教学实验室的可行性和有效性。文献[5,6]建设的机械装备拆装虚拟实验系统, 文献创建的基于网络的集成机械设计、机械制造、工程材料及技术测量的机械工程虚拟实验系统, 文献[9]开发的集成减速器拆装实验、带传动性能实验及数控加工实验的综合虚拟实验系统, 均在一定程度上提高了教学质量。虽然虚拟实验系统构建技术的研究已取得一定成效, 但是目前虚拟实验系统难以充分利用已有的教学经验指导虚拟实验过程, 无法最大限度地提高实验教学的质量。同时还存在人机界面不够友好, 模型不够直观等不足, 交互性、沉浸性较差等不足。

针对以上不足, 有必要充分结合人工智能与虚拟现实技术, 探讨智能虚拟实验教学机制, 构建智能虚拟实验系统框架, 获取、表达和处理实验教学经验知识, 引导虚拟实验过程, 深化实验教学改革, 充分提高实验教学质量。

2 智能虚拟实验教学机制

构建智能虚拟实验系统要所需解决的关键问题是探讨智能虚拟实验系统的教学机制, 研究人工智能技术与虚拟现实技术的集成机制, 获取、表达和处理教师教学经验知识, 解决现有虚拟实验系统难以利用已有的教学经验指导实验过程的问题;通过开发操作友好的人机界面及真实感强的实验设备模型, 解决现有虚拟实验系统交互性、沉浸性较差的问题;开发教师教学经验知识库和模型库的组织、管理和维护模块, 实现知识库和模型库的可选择、可调整、可扩展。

智能虚拟实验系统的教学机制如图1所示。学生通过自己的账号、密码登录智能虚拟实验系统, 选择所要进行的实验项目后根据教师要求设定相关实验初始参数。进而通过互动性强的用户交互界面开始进行实验。系统根据学生选择的实验项目和设定的相关初始参数进行案例推理, 在给定的相似度条件下寻找匹配系统内部存储的类似实验过程数据。若给定相似度条件下的实验过程数据存在, 表明已经成功进行过相似类型的实验, 则系统调用所存储的实验过程数据, 并从实验过程数据中提取经验知识, 对学生的实验操作过程进行指导, 以便及时在学生误操作时结合实验项目所涉及的相关理论知识和经验知识给出相应的误操作提示及其产生原因, 使学生能够进一步消化理论知识, 掌握操作经验知识, 实现学以致用的教学目标。如此反复调用相似实验过程数据引导学生操作直至实验过程结束。若在实例推理过程中, 无法找到给定相似度条件下的历史实验操作过程数据, 则表明不存在类似实验过程的成功实例, 则在学生的每一步操作中重复根据系统存储的符号性知识进行推理判断学生的操作是否正确, 若操作错误则给出错误原因和提示, 并给出正确操作建议, 直至实验操作过程结束。实验过程结束后, 学生根据实验教学要求提交相应的实验报告后, 退出系统, 完成实验。

3 智能虚拟实验系统框架

构建智能虚拟实验系统, 深化实验教学改革的目标是将人工智能技术与虚拟现实技术相结合, 在构建智能虚拟实验系统系统框架的基础上, 实现教师教学经验知识对虚拟实验过程的引导, 同时建立有效获取、表达和处理教师教学经验知识的机制, 开发知识库和三维模型库的组织、管理和维护模块, 实现教师教学经验知识库和三维模型库的可选择、可调整、可扩展, 并通过构建三维零件模型库和机器模型库, 实现交互性、沉浸性良好的实验模式, 达到提高实践教学效益和质量的目标。

智能虚拟实验系统是一个基于知识的实验系统。知识的获取、表达和处理需要知识库、推理机、解释机制和人机接口的支持。随着知识处理技术的日趋成熟, 目前构建基于知识的系统的关键技术是知识获取、综合集成和知识库维护等方面。因此, 智能虚拟实验系统应该是一个开放的系统, 主要体现在以下几方面:

(1) 智能虚拟实验系统应能够对实验教学的经验知识、领域知识、规范知识进行组织、管理和维护, 同时实现知识的可选择、可调整、可扩展, 以达到不断丰富和不断实用化。

(2) 智能虚拟实验系统应能够满足外部系统的可嵌入功能, 并支持外部系统的调用功能, 使之能够调用外部系统的子模块, 扩展系统的功能, 从而达到系统可扩展的目标。

基于智能虚拟实验教学机制, 围绕智能虚拟实验系统的构建目标, 针对知识的获取、表达和处理机制, 为实现知识的可选择、可调整、可扩展和可重用, 构建智能虚拟机械类实验系统框架如图2所示。智能虚拟机械类实验系统主要包括CAD/CAE仿真、解释机制、动态数据库、推理机、知识库、知识库管理、知识获取、人机界面等模块。

3.1 CAD/CAE仿真

CAD/CAE仿真模块主要实现实验环境、实验过程的可视化, 以直观、交互性强的用户界面呈现实验过程, 从而提高学生实验过程中的沉浸性和体验性。CAD/CAE仿真主要包括三维建模、运动仿真、结构分析等部分。三维建模和运动仿真主要由Pro/Engineer的二次开发工具箱实现, 集成MFC开发环境和Pro/Engineer实体建模环境, 实现实验过程的三维仿真。结构分析主要集成ANSYS有限元分析环境, 实现机械结构的静力、动力仿真。

3.2 解释机制

解释机制用于向用户解释系统的行为, 包括对实验操作步骤规范性的推理过程、经验知识引导实验操作的推理过程等。

3.3 动态数据库

动态数据库用来记录实验操作过程中所需的控制信息、中间假设和中间数据。为避免数据信息膨胀, 动态数据库模块还应具备及时删除历史信息的机制。

3.4 推理机

推理机模块用于有效的处理智能虚拟实验系统中的符号性知识和实例知识, 根据符号性知识或实例知识推理判断学生操作步骤的规范性。同时, 在学生操作步骤错误时推理得到错误原因并根据经验知识引导学生纠正操作。

3.5 知识库

知识库模块用于存储符号性知识、实例知识。由于符号性知识和实例知识在组织结构上、表达形式上各有特点, 为了更加简便有效地组织、管理和维护这两种知识, 将两种知识分开存储、管理和维护。

3.6 知识库管理

知识库管理主要实现知识的组织、管理和维护。知识的可选择、可调整、可扩展是壮大知识库的必要条件。同时, 知识库难免出现矛盾、冗余等问题, 有必要对知识库进行补充、优化和校验, 以得到高质量的知识库。

3.7 知识获取

知识获取是开发智能虚拟实验系统的瓶颈问题和最大挑战。知识获取的目标是提炼相关的领域知识、经验知识、规范知识。知识获取采用人工获取的方式进行, 由知识工程师通过人机界面进行。

3.8 人机界面

人机界面为学生、教师、知识工程师及外部程序与智能虚拟实验系统之间提供良好的交互界面, 用于识别学生、教师、知识工程师及外部程序的命令、数据等信息, 以及对智能优化设计系统的过程信息和结果信息反馈。

在智能虚拟机械类实验系统框架的基础上, 可开发智能虚拟机械类实验系统, 促进机械类实验教学改革, 充分利用已有的教学经验指导实验过程, 最大限度地提高实验教学质量。同时, 解决现有实验系统存在的人机界面不够友好, 模型不够直观, 交互性、沉浸性较差等不足。

4 结论

4.1研究了基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式, 探讨了智能虚拟实验系统的关键构建技术, 给出了智能虚拟机械类实验系统框架结构, 开发了智能虚拟机械类实验系统。

4.2智能虚拟机械类实验系统使“创新人才培养模式、加强实践教学环节研究, 深化教学方法与教学手段改革, 提高人才培养质量”得到了体现, 解决了现有实验设备规模滞后于学生规模的问题, 有效提高了实践教学效益和质量, 提高了学生的实践能力和创新能力。

4.3智能虚拟实验系统为应用型高校在课程与课堂中学生实践能力培养方式的探索提供理论和实践的借鉴, 为促进教师更新教育教学理念, 推动教学组织形式及方法的改革奠定基础。

摘要：本文研究基于人工智能与虚拟现实技术的实验教学新模式, 探讨构建智能虚拟实验系统的关键技术, 提出智能虚拟机械类实验系统框架结构, 在开发智能虚拟机械类实验系统的基础上验证新教学模式在提高实践教学效益和质量、提高学生实践能力和创新能力方面的可行性和有效性。

关键词：智能,虚拟,实验系统,实验教学,教学模式

参考文献

[1]Dr.Kamalika Banerjee.Utilising the Virtual Laboratory Resources for incorporating ICT in the Chemistry Teacher Education.http://www.c-ol.org/pcf6/fp/zIN4150.doc, 2012.2.15.

[2]Alexander Babich, Konstantinos Mavrommatis.Virtual Laboratory Concept for Engineering Education[C].International Conference on Engine-ering Education and Research"Progress Through Partnership".Ostrava, 2004.

[3]He man Mann, Michal ev enko.Simulation and Virtual Lab Experi-ments across the Internet[C].International Conference on Engineering Education.Valencia, Spain, July 21–25, 2003.

[4]Tanuja Sheorey, Vijay Kumar Gupta.Effective Virtual Laboratory Content Generation and Accessibility for Enhanced Skill Development through ICT[C].2011 5th International Conference on Distance Learning and Education.Singapore, 2011.

操作系统实验教学研究篇5

实验指导书

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第1页

实验一:网站后台管理中的产品管理....................................................................4（1）、设计思路..........................................................................................4（2）、实验环境..........................................................................................4（3）、实验要求..........................................................................................5（4）、实验准备..........................................................................................5（5）、实验程序与步骤（详见实验步骤说明书）.........................................6（6）、实验评测与考核................................................................................7（7）、实验组织..........................................................................................8（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结................................................8 实验二:网站后台管理中电子邮件的收发配置......................................................9（1）、设计思路..........................................................................................9（2）、实验环境..........................................................................................9（3）、实验要求..........................................................................................9（4）、实验准备........................................................................................10（5）、电子邮件活动案例图及安装步骤.....................................................10（6）、实验评测与考核...............................................................................11（7）、实验组织.........................................................................................11（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结..............................................12 实验三：网站后台管理中的下载管理................................................................13（1）、设计思路........................................................................................13（2）、实验环境........................................................................................13（3）、实验要求........................................................................................14（4）、实验准备........................................................................................14（5）、实验程序与步骤..............................................................................14（6）、实验评测与考核............................................................................14（7）、实验组织.......................................................................................15（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结..............................................15 实验四:网站后台管理中的文章添加和文章管理.................................................16（1）、设计思路........................................................................................16（2）、实验环境........................................................................................16（3）、实验要求........................................................................................16（4）、实验准备........................................................................................17（5）、实验程序与步骤..............................................................................17（6）实验评测与考核................................................................................17

第2页（7）实验组织..........................................................................................18（8）教师在实验前的准备和实验后的总结................................................18 实验五:网站后台管理中的友情链接和公告管理.................................................19（1）、设计思路........................................................................................19（2）、实验环境........................................................................................19（3）、实验要求........................................................................................20（4）、实验准备........................................................................................20（5）、实验程序与步骤..............................................................................20(6)实验评测与考核....................................................................................21（7）实验组织..........................................................................................21（8）教师在实验前的准备和实验后的总结................................................21 实验六:网站后台管理中的调查管理..................................................................22（1）、设计思路........................................................................................22（2）、实验环境........................................................................................22（3）、实验要求........................................................................................22（4）、实验准备........................................................................................23（5）、实验程序与步骤..............................................................................23(6)实验评测与考核....................................................................................23（7）实验组织..........................................................................................24（8）教师在实验前的准备和实验后的总结................................................24 实验七:网站后台管理中的广告管理..................................................................25（1）、设计思路........................................................................................25（2）、实验环境........................................................................................25（3）、实验要求........................................................................................26（4）、实验准备........................................................................................26（5）、实验程序与步骤（详见实验步骤说明书）.......................................26（6）、实验评测与考核............................................................................27（7）、实验组织.......................................................................................28（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结.............................................28

第3页实验一:网站后台管理中的产品管理

（1）、设计思路

网络营销是一种销售方式，通过这种销售方式把商品卖出去才是关键。琳琅满目的商品、优良的质量、合适的价位、加上热情周到的服务消费者当然争相购买了。为了达到上述目的，我们先从商品做起。

教师可以在这次实验中设置5个步骤（供货商管理、产品类型管理、添加产品、产品管理、订单管理），让学生在虚拟环境下逐步去认识产品、了解供货商、了解订单，进而达到管理它们的目的。同时还可以在每个步骤中模拟现实设问，以供学生讨论，做到虚实结合。

（2）、实验环境

实验方式:运行网站后台管理，点击[产品管理]进入产品管理界面。

硬件要求:服务器一台,P42.06CPU/40GHD/512M RAM

以上配置(如规模教大的实验教学网络,建议分设WWW服务器，数据库服务器各一台),用户端 PII400/4.3G/64M RMA以上配置。

软件要求:服务器操作系统为MS Windows NT Server

4.0以上版本,用户操作系统为Windows 98以上,Internet Explorer 6.0以上浏览器,数据库服务器为SQL Server2000以上版本,WWW服务器为Internet Information Server 6.0以上版本。

第4页（3）、实验要求

（1）学生通过对供货商进行修改、删除、查看等操作，熟悉商品的供应流程。初步认识供应商在网络营销中的作用，同时让学生在虚拟环境下扮演一次供应商的角色，加深对网络营销的理解。

（2）学生通过对商品进行添加，修改，删除等的操作，熟悉商品的属性，以便联系供应商，充实前台货架。尝试为自己的网站添加特色商品吸引网络消费者。

（3）学生通过对订单进行成交，作废，删除的操作，熟悉订单的处理方法，理解定单的运行的各个环节，在虚拟环境下练习定单交易全过程。

（4）、实验准备

（1）每个学生必须建立个人网站，并在个人网站中添加自己的特色产品以便吸引顾客。

（2）学生复习网络营销有关商品管理的内容。

（3）学生搜集和商品有关的信息以备讨论。（4）教师提前设置问题和评分标准。

第5页（5）、实验程序与步骤（详见实验步骤说明书）

通过上面的操作我们就可以看到琳琅满目的商品了：

第6页

是不是有种想购买的冲动呢？

（6）、实验评测与考核

实验可定为100分钟（15分钟教师演示操作，40分钟学生操作，20分钟学生讨论，10分钟自由提问，15分钟总结并提交报告）实验完成后系统会给出评分标准，同样教师可以根据集体情况设定评分标准。如果您的评分在85分以上，那么恭喜您，您已经进入了网络营销的殿堂。

第7页（7）、实验组织

老师先进行演示和讲解，然后以每个学生为单位进行实验。

（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结

教师在实验前撰写好实验指导书，使学生明确背景知识、实验目的、实验要求和实验内容。根据学生情况和实验报告做出小结，可以就以下问题进行提问或讨论：

（1）进行了供应商管理操作以后，请谈谈对供应商的认识。

（2）了解了商品后，你应该如何充实前台货架？

（3）订单管理的目的何在？怎么样通过供应商在网络上购买商品？

（4）你对本实验有什么建议和看法？

第8页实验二:网站后台管理中电子邮件的收发配置

（1）、设计思路

电子邮件作为网络营销中主要的沟通方法和沟通工具。它具有及时性、针对性、可说明性、相对廉价的优点，是一种推式沟通方式。并且电子邮件还是一种更有效的直销活动。通过本节实验的学习可以使学生深刻体会到电子邮件在整个营销流程中作为主要沟通工具在获取可用资源、目标定位、树立品牌、增强客户关系．

（2）、实验环境

实验方式:在用户端上运行网站后台管理，点击[邮件订阅]进入邮件订阅界面。

硬件要求:服务器一台,P42.06CPU/40GHD/512M RAM

以上配置(如规模教大的实验教学网络,建议分设WWW服务器，数据库服务器各一台),用户端 PII400/4.3G/64M RMA以上配置。

软件要求:服务器操作系统为MS Windows NT Server

4.0以上版本,用户操作系统为Windows 98以上,Internet Explorer 6.0以上浏览器,数据库服务器为SQL Server2000以上版本,WWW服务器为Internet Information Server 6.0以上版本。

（3）、实验要求

(1)掌握邮件服务器的配置，对目标用户进行定位并发送订阅电子邮件。

第9页(2)通过发送电子邮件提高网站的知名度和人气，并增强顾客关系。同时也可以模拟顾客通过电子邮件参与到网络营销的流程中来最终达成销售的目的。

（4）、实验准备

(1)每个学生必须建立个人网站并在个人网站中要有自己的特色产品以便吸引顾客。

(2)每个学生必须有自己的电子邮件地址并了解自己电子邮件服务器中SMTP协议的相关信息。

(3)学生要对目标用户进行定位，同时注意电子邮件的写法。

(4)了解顾客对于电子邮件的心态从而更有力的模拟顾客。

（5）、电子邮件活动案例图及安装步骤

第10页

图2-1

注意：安装步骤详见《网络营销安装使用手册》

（6）、实验评测与考核

（建议本节实验课满分为10分）

按照实验要求，检查学生是否完成实验前的准备（3分）邮件服务器的配置（2分）发送出符合要求的电子邮件（2分）模拟顾客参与营销过程并达成交易（3分）

（7）、实验组织

以每个学生为单位进行实验其他按照实验要求进行。

第11页（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结

教师在实验前撰写好实验指导书，使学生明确背景知识、实验目的、实验要求和实验内容。实验后。要根据学生情况和实验报告做出小结，可以就以下问题进行提问或讨论：

（1）电子邮件作为营销中最主要的沟通工具它所发挥的作用是什么？

（2）你能书写出吸引顾客的电子邮件吗？怎样树立品牌形象及增强顾客关系？

（3）模拟顾客通过电子邮件的沟通达成在线交易。

第12页实验三：网站后台管理中的下载管理

（1）、设计思路

文档管理在整个网络营销过程中所扮演的角色是不可缺少的同时又是辅助性的。文档管理和货品管理一样是为了产品推广、品牌宣传并在web环境下数字化展示的一种方法。通过本节课的学习使学生会在web环境下展示自己的产品和产品特性从而做到品牌宣传拉拢顾客实现交易。

（2）、实验环境

实验方式:在用户端上运行网站后台管理，点击资源中心进入下载管理界面。

硬件要求:服务器一台,P42.06CPU/40GHD/512M RAM

以上配置(如规模教大的实验教学网络,建议分设WWW服务器,数据库服务器各一台),用户端 PII400/4.3G/64M RMA以上配置。

软件要求:服务器操作系统为MS Windows NT Server

4.0以上版本,用户操作系统为Windows 98以上,Internet Explorer 6.0Server2000 以上浏览器,数据库服务器为

服务器为

SQL

以上版本,WWW

Internet Information Server 6.0以上版本。

第13页（3）、实验要求

(1)会在web环境下添加资源。并以数字化的形式展示出资源的特性。

(2)对资源进行分类使顾客体会到资源的合理性和可用性。

（4）、实验准备

（1）每个学生必须建立个人网站，并在个人网站中添加自己的特色产品以便吸引顾客。

（2）学生必须有自己的资源或者借助第三方的资源并且对资源要有所了解。

（3）web环境下展示资源的方法怎样展示更能吸引顾客。

（5）、实验程序与步骤

注意：安装步骤详见《网络营销安装使用手册》

（6）、实验评测与考核

（建议本节实验课满分为10分）

学生正确添加资源（2分）学生合理分类资源并展示出资源的特性（3分）学生分类管理维护资源并使顾客产生购买欲望（5分）

第14页（7）、实验组织

以每个学生为单位进行实验其他按照实验要求进行。

（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结

教师在实验前撰写好实验指导书，使学生明确背景知识、实验目的、实验要求和实验内容。实验后要根据学生情况和实验报告做出小结，可以就以下问题进行提问或讨论：

（1）哪些资源顾客感兴趣?对这些资源我们该如何展示出它的特性？

（2）如何管理这些资源使它们更科学更合理的展示在顾客面前深深吸引顾客？

第15页实验四:网站后台管理中的文章添加和文章管理

（1）、设计思路

新闻具有及时性，真实性，重要和影响性四个基本特点。然而怎样设计才能更好吸引读者的注意力呢？一个创造性的标题设计往往可以吸引读者的眼球，加之及时的消息，个性化的版面，真实的内容，可以吸引消费者的光顾增强网站流量。通过本实验的学习，可以时学生深刻认识到新闻的特性；如何在电子商务网站发布新闻，以及在电子商务中如何运用来增强网站的流量。

（2）、实验环境

实验方式:在用户端上运行网站后台管理，点击[资源中心]下的[添加文章]选项.进入添加文章编辑界面。

硬件要求:服务器一台,P42.06CPU/40GHD/512M RAM

以上配置(如规模教大的实验教学网络,建议分设WWW服务器,数据库服务器各一台),用户端 PII400/4.3G/64M RMA以上配置。

软件要求:服务器操作系统为MS Windows NT Server

4.0以上版本,用户操作系统为Windows 98以上,Internet Explorer 6.0以上浏览器,数据库服务器为SQL Server2000以上版本,WWW服务器为Internet Information Server 6.0以上版本。

（3）、实验要求

（1）学生通过对新闻进行添加，修改、删除、查看等操作，熟悉电子商务网站中新闻在第16页后台添加和管理的流程。让学生在虚拟环境下加深对网络营销的理解。

（2）学生可以和别人设计的新闻比较，找出自己的不足。

（4）、实验准备

（1）每个学生必须建立个人网站，并在个人网站中添加自己的特色产品以便吸引顾客。

（2）学生提前要了解新闻的特性，新闻的撰写。（3）了解新闻在电子商务中的作用和意义。

（5）、实验程序与步骤

注意：安装步骤详见《网络营销安装使用手册》

（6）实验评测与考核

按照实验要求，检查学生是否完成实验过程，并批改学生提交的实验报告，给出相应的评分。评出本次实验新闻撰写最好的同学予以奖励，激发学生学习兴趣。

第17页（7）实验组织

以每个学生为单位进行实验其它按照实验要求进行。

（8）教师在实验前的准备和实验后的总结

（1）新闻的特性是什么？

（2）应该从哪几个方面考虑，设计出吸引顾客的新闻。

（3）你对本实验有什么建议和看法？

第18页实验五:网站后台管理中的友情链接和公告管理

（1）、设计思路

搜索引擎与友情链接都是在线促销的一部分。但相比搜索引擎，它以相对直接的方式将他们的网站尽可能和其他相关的网站建立链接，来增加网站流量。通过本实验的学习，可以让学生深刻理解友情链接在电子商务中的重要意义，以及如何更好地利用友情链接这一在线促销方式来提高电子商务网站的点击率，以达到营销的目的。

公告信息作为电子商务网站的流动信息站，可以让消费者及时快捷了解到本电子商务最新消息。用户将网站的简介和商品的促销活动以及相关消息，以公告的方式发表出来，让消费者及时了解到网站的最新动态。通过本实验的学习，可以让学生深刻理解公告消息在电子商务中的应运以及对电子商务的重要意义。更重要的是可以让学生学会如何利用公告来吸引消费者的眼球，以达到网络营销的目的。

（2）、实验环境

实验方式:在用户端上运行网站后台管理，点击系统管理下的友情链接，公告管理进入编辑界面。

硬件要求:服务器一台,P42.06CPU/40GHD/512M RAM 以上配置(如规模教大的实验教学网络,建议分设WWW服务器,数据库服务器各一台),用户端 PII400/4.3G/64M RMA以上配置。

软件要求:服务器操作系统为MS Windows NT Server 4.0以上版本,用户操作系统为Windows 98以上,Internet Explorer 6.0以上浏览器,数据库服务器为SQL Server2000以上版本,WWW服务器为Internet Information Server 6.0以上版本。

第19页（3）、实验要求

（1）学生掌握友情改、删除、查站中友情链接理的流程。让学生在虚拟解。

链接和公告管理的添加，修看等操作，熟悉电子商务网和公告管理在后台添加和管环境下加深对网络营销的理（2）

（4）、实验准备

（1）每个学生必须建立个人网站，并在个人网站中添加自己的特色产品以便吸引顾客。

（2）学生提前了解友情链接和公告管理的概念，以及在电子商务中的作用和意义。

（3）了解公告的撰写。（4）了解公告的特性。

（5）、实验程序与步骤

第20页

注意：安装步骤详见《网络营销安装使用手册》

(6)实验评测与考核

按照实验要求，检查学生是否完成实验过程，并批改学生提交的实验报告，给出相应的评分。评出本次实验设计最好的同学予以奖励，激发学生学习兴趣。

（7）实验组织

以每个学生为单位进行实验其它按照实验要求进行。

（8）教师在实验前的准备和实验后的总结

（1）友情链接和公告信息在电子商务网站中有什么意义？

（2）友情链接相比引擎有什么优点。（3）如何利用公告信息吸引顾客的眼球（4）你对本实验有什么建议和看法？

第21页实验六:网站后台管理中的调查管理

（1）、设计思路

顾客是上帝。掌握顾客最新商品需求与商品欲望，才能制订出有针对性的营销策略，来满足顾客的需求。那么如何才能掌握顾客的最新商品需求呢？顾客在线问卷调查则是重要的一部分。通过在线问卷调查反馈信息可以获得顾客的需求，经过分析需求制订出针对性营销计划，以达到营销的目的。通过对本实验的学习可以时学生深刻理解在线问卷调查对获得顾客需求的重要意义。同时让学生懂得如何更好地设计一份有针对性的问卷调查。

（2）、实验环境

实验方式:在用户端上运行网站后台管理，点击系统管理下的调查管理，进入编辑界面。

（3）、实验要求

（1）学生掌握调查管理进行添加，修改、删除、查看等操作，熟悉电子商务网站中调查管理在后台添加和管理的流程。

第22页（2）让学生在虚拟环境下加深对网络营销的理解。

（4）、实验准备

（1）每个学生必须建立个人网站，并在个人网站中添加自己的特色产品以便吸引顾客。

（2）学生提前了解问卷调查概念，以及在电子商务中的作用和意义。

（3）了解问卷调查的撰写。

（5）、实验程序与步骤

注意：安装步骤详见《网络营销安装使用手册》

(6)实验评测与考核

第23页（7）实验组织

以每个学生为单位进行实验其它按照实验要求进行。

（8）教师在实验前的准备和实验后的总结

(1)如何从在线问卷调查反馈信息中获得顾客的需求信息。

(2)如何设计出一份满意的问卷调查。请从几方面说。

（3）你对本实验有什么建议和看法？

第24页实验七:网站后台管理中的广告管理

（1）、设计思路

广告是一种网络传媒，利用好它可以使商品销售产生广告效应，得到事半功倍的效果。因此对广告的管理和维护显的非常重要，怎样设计出有特色的广告，达到促进销售的目的是我们学习的重点。

实验前可以先让学生准备网站方面的知识，找些比较好的网站进行交流。老师也可以推荐本实验所给的网站，对学生进行课前指导。

由于学生不是专业的网站设计者，如果叫他们直接设计广告的话会很麻烦。为了简单起，我们给定了特定的模块，学生只须按照自己的想法选择样式，做出更改就行。这样有利于教师管理。

（2）、实验环境

硬件要求:服务器一台,P42.06CPU/40GHD/512M RAM 以上配置(如规模教大的实验教学网络,建议分设WWW服务器,数据库服务器各一台)。

软件要求:服务器操作系统为MS Windows NT Server

4.0以上版本,用户操作系统为Windows 98以上,Internet Explorer 6.0以上浏览器,数据库服务器为SQL Server2000以上版本,WWW服务器为Internet Information Server 6.0以上版本。

实验方式:运行网站后台管理，点击[资源中心]下的广告管理选项.进入广告编辑界面。

第25页（3）、实验要求

（1）掌握如何在电子商务管理后台中添加广告。

（2）和别人设计的广告比较，找出自己的不足。

（3）认识到网络营销中广告的效应，学以致用。

（4）、实验准备

（1）每个学生必须建立个人网站，并在个人网站中添加自己的特色产品以便吸引顾客。

（2）复习网络营销中广告管理的知识。

（3）找几个比较好的网站，和同学交流意见。

（4）教师在实验前撰写好实验指导书。

（5）、实验程序与步骤（详见实验步骤说明书）

第26页通过上面的操作就可以看到自己设计的广告了：

不要沾沾自喜哦，还是去看看别人设计的吧！（6）、实验评测与考核

实验可定为100分钟（15分钟教师演示操作，40分钟学生操作，20分钟学生讨论，10分钟自由提问，15分钟总结并提交报告）实验完成后系统会给出评分标准，同

第27页样教师可以根据集体情况设定评分标准。

评出本次实验广告设计最好的同学予以奖励，激发学生学习兴趣。

（7）、实验组织

首先老师演示和讲解，然后以每个学生为单位进行实验。

（8）、教师在实验前的准备和实验后的总结

实验后要根据学生情况和实验报告做出小结，可以就以下问题进行提问或讨论：

（1）网络营销中广告的作用，怎样发挥广告效应？

（2）把你设计的广告和别人比较，你在实验中有什么收获？

（3）你所设计的广告是否达到了对产品的促销作用？

（4）如果你是一个网络营销者你会如何建设你的网站？

操作系统实验教学研究篇6

【关键词】实验教学；虚拟实验；应用体会

实验教学作为医学教育的重要环节，是培养和提高学生基本操作技能和创新能力的主要途径。医学机能学实验是一门将生理学实验、病理生理学实验和药理学实验有机融合的一门综合性实验学科，通过实验和观察实验动物的基本生理生化反应，研究疾病发生的病理生理学机制，分析其干扰因素的影响或药物作用与效应，学习和验证生命活动的基本规律[1]。然而，随着我国教育体制改革的深化，学校不断扩招，教学资源、场地、仪器设备等已经不能满足教学需要，而随着计算机多媒体技术的发展，虚拟实验技术的应用成为机能实验教学改革的趋势。[2]

我校因招生层次增多和规模不断加大，基础实验课时和学生动手操作的机会也相对减少。为有效提高机能实验教学质量，我校在原有Pclab-UE医学机能实验室的基础上，于2012年增建Pclab-V100医学机能虚拟实验室，搭建起虚拟实验网络平台。并充分利用传统和虚拟机能实验资源，通过虚实结合的方式进行实验教学改革，取得了良好的教学效果。

1.虚拟实验教学系统

虚拟实验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟真实实验的计算机教学软件。[3]它采用多媒体技术在计算机上建立虚拟仿真实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验。虚拟实验教学系统支持用户开展远程实验和本地实验，共享一个虚拟的实验空间，所有用户通过网络对相同或不同的实验科目进行实际操作，从而实现实验教学和管理的目的。虚拟实验平台与真实实验台一样，能供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备进行实验。通过该平台，教师既可搭建典型实验或调取实验案例，方便地向学生布置实验任务，还可在实验结束后查看学生的实验结果，给出实验成绩和评价。

2.Pclab-V100医学虚拟实验系统

Pclab-V100医学虚拟实验系统具有完整的知识结构，包括：实验室模块、仪器设备模块、实验动物模块、实验视频模块、高防实验模块、数据统计模块、报告撰写模块、实验研究模块、学习资源模块、思考测验模块。

2.1仪器设备模块介绍包括仪器基础知识、信号采集系统，传感器等。实验动物模块包括手术器械、动物麻醉等介绍。

2.2实验动物模块包括手术器械、动物麻醉、动物操作技术、实验动物等介绍。

2.3数据统计模块包括数据统计理论和统计方法。

2.4报告撰写模块包括研究论文撰写、学生研究论文样例、实验报告撰写。

2.5实验研究模块包括实验研究基础知识、实验设计的三大要素、常用的实验设计方法。

2.6学习资源模块包括教材课件、教学录像、学习资料。

2.7思考测验模块包括实验综合、神经肌肉、镇痛、血液、水肿等测试题库。

3.虚拟实验平台在实验教学中的应用体会

3.1丰富了实验项目。医学机能学实验教学中往往会因为教学经费短缺、实验场地、实验课时限制等原因，使一些实验项目无法开展。而利用虚拟现实系统，可以弥补这方面的不足，使得以前无法开展的实验项目得以充分开展，学生足不出户便可以通过虚拟实验演示或进行操作完成各种各样的实验，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解，大大激发了学生的主动性，更加激励了学生的自主学习性。

3.2节省了教学资源。医学机能学虚拟实验系统以软件仿真引擎为核心，无需使用实验动物、实验试剂和耗材，无论开设多少实验，都无需额外的教学投入，大大地缩减了实验经费，也省去了繁重的实验准备工作。本校的医学生的数量近些年呈逐年上升趋势，由于教学场地、仪器设备的缺乏，传统的机能实验教学中每个实验都是4～5名同学一组，学生在实验课上既看不清楚老师示教又缺少自己动手的机会，严重影响了教学效果。虚拟实验系统是一人一机，每个同学都有机会进行操作。本系统还自带有测试试题，学生在学习完毕后可以进行自我测试，了解自己对于理论知识的掌握程度。

3.3提高了教学效果。利用计算机的模拟功能能实现实验中缓慢过程的快速化或快速过程的缓慢化。相对于传统教学模式中老师枯燥的讲述和黑板板书而言，虚拟实验系统能够将每个实验操作最大程度地进行仿真，将实验过程中的图像、文字、声音以及动画等各种因素融为一体，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，对一些微观世界的现象也可以用虚拟实验技术来模拟，学生就像置身于真实的实验环境中，极大地提高了实验教学的效果。学生通过虚拟实验软件系统可自行设计探索性实验、综合性实验，有利于培养学生的创新能力、实验思维能力和独立解决问题的能力。

3.4提高了实验教学的安全性。一些实验危险性比较高，若操作疏忽，容易对操作者造成危害，如机能学试验中的试剂、药品如操作不慎就可能造成身体伤害。另外像休克的实验中要使用到实验动物犬，如果动物麻醉效果不满意，可能会咬伤老师或学生。而虚拟实验却无任何危险，有毒、有害、污染环境和破坏性实验，都可在虚拟实验室内完成，通过虚拟进行模拟仿真，强化实验现象。

3.5可实现最高效率的资源共享。学校一直提倡医学实验室对外开放，可是由于实验室从周一到周五一直都有实验课，加上实验准备人员和带教老师也没有更多时间和精力在周末将实验室对外开放，所以医学实验的对外开放一直无法执行。有了虚拟实验系统，可以突破时间和空间的限制，通过校园网全天进行实验室的开放。学生在宿舍可以随时、随地进入虚拟实验室网站，选择相应的实验操作。一些对机能实验感兴趣的非医学专业的学生平时没有机会亲身来到课堂聆听老师的讲解，现在也可以通过校园网的虚拟实验系统了解和实际操作这些实验项目。这使得实验教学这一资源从中心“独有”变成了全校“共享”，充分表现其高效性。

3.6虚拟实验室虽具备着上述诸多优点，但在实际教学过程中完全用仿真模拟实验完全代替真实实验也是不可取的。学生在真实实验中需亲自操作，对于训练学生的基本操作技能有非常重要的作用。而虚拟实验中学生主要是通过眼睛去观看和体会实验的操作过程，而缺乏真实实验中视、听、触、味、嗅觉全方位刺激下的“真实感”。[4]

真实实验与虚拟实验都是医学机能实验教学中不可或缺的组成部分，两者相辅相成。因此，在教学过程中我们需要取长补短，将两者有机结合起来，才能最大限度地发挥二者的作用，提高实验教学质量。

参考文献：

[1]王建红，古宏标. 医学机能学实验[M]. 北京：中国医药科技出版社，2008：1-3.

[2]张刚，罗小华，贺利芳. 构建网络虚拟实验室技术研究[J].实验研究与探索，2008，27（3）：57-58.

[3]李涛，谭安雄.医学机能学虚拟实验室的构建与应用[J].数字医学研究与应用，2012，7（6）：23-28.

操作系统实验教学研究篇7

将嵌入式设备引入操作系统,对于整个系统的硬件和软件资源,操作系统都可以合理有效地管理,这对整个系统的性能有了很大程度的提升。而当执行一个复杂的应用程序时,嵌入式操作系统可将它分解为若干个实现特定独立功能的子任务模块,模块之间则通过任务通信机制、任务管理来实现一个完整的功能,这种“自下而上”的结构化设计同时也便于系统开发。

FreeRTOS(Free Real Time Operating System)作为一个轻量级嵌入式实时操作系统,凭借其开源和完全免费的优势,满足了大多数中小型嵌入式系统对RTOS的需求,得到了越来越广泛地应用。FreeRTOS拥有源代码公开、可移植、可裁剪、调度策略灵活及轻量级等特点,适用于绝大多数处理器,在国外业界倍受开发者青睐。在此,笔者对实时操作系统FreeRTOS在S3C44b0x上的移植进行了分析研究,并设计相关实验进行验证,最后指出FreeRTOS操作系统的优势与不足。

1 FreeRTOS内核分析①

FreeRTOS内核管理(图1)包括任务管理、时间管理、内存管理和通信管理4部分[1]。

FreeRTOS通过任务控制块对任务施行管理;时间管理包括时钟的产生管理和任务延时管理;内存管理中,FreeRTOS为用户提供了4种不同的内存分配管理方案,用户可以根据需求选择合适的一种;此外,内核中还提供任务通信管理机制,分为消息管理和任务同步管理。其中同步机制又包括信号量和互斥量,FreeRTOS没有消息邮箱同步机制,所有的同步机制都是基于消息队列来实现的[2]。

2 FreeRTOS任务管理

2.1 FreeRTOS任务模型

FreeRTOS对任务数量没有限制。相较于其他实时操作系统,FreeRTOS有一个突出的特点,即在任务的优先级管理中允许不同任务之间可以设置相同的优先级。在FreeRTOS中任务可设置0~255个不同的优先级,设置的数值决定了任务的优先级别,数值越大对应任务的优先级别越高,空闲任务的优先级最低,对应的数值默认为0,它能执行的前提是CPU中不存在其他更高优先级的任务需要执行。除此之外,每当创建一个任务时,系统都会为它分配独立的任务堆栈空间和一个任务控制块TCB,而FreeRTOS整个内存空间的大小用户可以在系统配置文件中进行相应配置[3]。

2.2 FreeRTOS任务调度策略

FreeRTOS实时操作系统内核在工作时可设置为两种类型,即可剥夺方式和不可剥夺方式[4]。当系统内核设置为可剥夺工作方式时,最高优先级的任务一旦就绪,总能得到CPU的控制权,系统允许优先级别高的任务抢占剥夺优先级别低的任务的CPU使用权。同时,FreeRTOS允许不同的任务之间使用相同优先级,任务调度器可以通过时间片轮询方式来执行优先级别相同的任务。此外,FreeRTOS支持抢占式和协作式混合任务调度策略。从抢占式调度时序图(图2)可以看到,task1、task2、task3和系统空闲任务idle task,所对应的优先级分别为5、2、2、0;在t3和t6时刻,任务task2处于就绪状态,剥夺空闲任务idle task对于CPU的使用权,进入运行状态,在t7时刻,CPU的使用权则被更高优先级的任务task1剥夺。

FreeRTOS支持固定优先级任务调度,即当有两个任务处于就绪状态时,系统将优先执行优先级别高的,但在某些应用场合中系统需改变任务的优先级[5]。如遇到两个相同优先级别的任务时,系统在固定优先级调度策略中,可以通过采用FIFO(先进先出)的调度机制,即先获得CPU执行权的任务先执行,实现CPU时间片轮询的调度方式,从而处理相同优先级别的任务[1,6]。如图2所示,优先级相同的任务task2和task3在t3时刻都处于就绪状态,由于task2先进就绪链表,从而task2先获得CPU执行权,按照时间片轮询调度原则执行task2与task3。

2.3 任务同步通信

FreeRTOS操作系统中,任务间的同步通信是通过信号量与互斥量两种机制来实现的,其中信号量包括计数信号量、二值信号量和递归信号量[7,8]。这两种任务同步通信机制都是基于队列机制来实现的。通过获取信号量,需执行的任务获得CPU执行权,执行完后再通过释放信号量来让出CPU使用权。需要注意的是,通信的信号量必须在使用之前先创建[1,9]。

计数信号量的作用是事件计数和资源管理。在事件计数中,通过获取和给出信号量,对信号量的计数值减1或加1,来计数已发生的事件数与已处理的事件数之间的差值。在资源管理中,计数值用来统计资源的可用数目。具体的做法是:在初始化创建时先设定一个可用资源总数,当一个任务需获取资源的使用权时,先获得信号量同时计数信号量的值减1;在任务执行完后将给出信号量释放资源,信号量计数值加1;当系统没有可用资源时其计数值为0[1,10]。

二值信号量实质就是一个特殊的队列的宏[1,11]。定义一个二值信号量为深度为1的一个队列,队列不满时即为空,此时信号量的值为0或1,所以称为二值信号量。二值信号量和互斥量极为相似,两者不同的地方是互斥量包含了优先级继承机制,而二值信号量并没有包括。因此,在任务与任务、任务与中断之间同步运用最好选择二值信号量;而两个任务间相互排斥时更适合运用互斥量[12]。

利用二值信号量实现任务与中断同步的时序图如图3所示。在t2时刻中断发生,执行相应的中断服务函数,在中断服务函数中调用x Semaphore Give From ISR函数释放信号量。在FreeRTOS中只有带ISR结尾的API函数才能在中断处理函数中被调用。Handler_Task同步任务的优先级必须比被中断前执行的任务优先级高。中断服务例程释放信号量,同步任务被唤醒并获得CPU使用权。在t3时刻中断服务函数处理完之后,同步任务随之执行,执行完后释放信号量。同步任务又进入阻塞状态,等待下一次中断的到来。在中断服务例程中快速处理少量的操作,大量处理置于同步任务当中完成,如此便完成了中断与任务之间的同步通信。

3 FreeRTOS的移植

3.1 内核源代码

与大多数嵌入式实时操作系统一样,FreeR-TOS也针对不同编译器和不同微处理器为开发者提供了移植接口的模板。但并非所有型号都有,开发者可以根据自己选用的编译器和微处理器类型选择相应或相近的模板作为参照来进行移植。在此,笔者以ARM7_LPC2129_Kiel_RVDS例程为模板,移植到S3C44b0x处理器的目标板和ADSv1.2编译器上。此外,FreeRTOS在设计时,大部分内核代码都是由C语言编写,只有很少一部分与硬件相关的代码是用汇编实现[1,12],以便于开发者移植应用。

如图4所示,FreeRTOS支持的与硬件无关的内核所有源代码包含在4个.c文件中,分别是queue.c、tasks.c、list.c和croutine.c,其中前3个是FreeRTOS内核接口,croutine.c实现了常规功能封装,一般用于在内存资源极为有限的系统中,这里不考虑。另一部分与硬件相关的源代码,LPC2129例程中包含port.c、portasm.s、portmacro.inc和portmacro.h共4个接口文件,在移植过程中只需对这部分做相应修改即可。

3.2 移植接口实现

当以汇编代码来实现操作系统进行任务切换时,portmacro.h和portmacro.inc这两个宏文件起到保存和恢复现场的作用,分别保存寄存器R0~R14的值。相关程序如下:

参考上述代码可以根据堆栈“后进先出”的原则写出portRESTORE_CONTEXT恢复现场部分的代码,这里不做赘述。

portmacro.h文件中定义了堆栈的增长方向、一些操作系统的数据类型及临界区管理函数等与编译器相关的宏定义。

portasm.s文件在移植过程中需要根据不同CPU提供的时钟和不同的编译器语法进行修改从而给操作系统提供时钟滴答、软中断等功能。此处,编译器需修改为ADSv1.2编译器以识别语法,相关处理要以不同处理器时钟为准,这里选用S3C44b0x定时器0为系统提供时钟嘀嗒,需自行实现如下代码:

port.c文件中包含为系统任务创建堆栈初始化、启动任务调度、时钟中断和临界保护的代码。另外需自行实现的一部分代码是,为临界保护提供的开/关CPU中断函数,这两个函数是通过对S3C44b0x中CPSR寄存器中断位写1或清0,在portasm.s文件中以汇编的形式实现的,具体代码如下:

4 实验测试

4.1 任务调度实验测试与分析

根据任务的调度算法原理,系统总是运行进入就绪态任务级最高的任务。为此,首先创建一个主任务,优先级为2,在主任务中再创建3个子任务分别是灯闪烁任务Task_LED、RTC系统时钟显示任务Task_Rtc_Disp和流水灯任务Task_Group Led,优先级分别为5、2、2。主代码如下:

系统执行流程如图5所示。

串口打印的任务调度画面如图6所示。可以看出,Task_LED任务的优先级最高为5,CPU首先执行Task_LED灯闪烁任务,其他任务优先级相同,以时间片轮换调度执行,输出结果与任务调度策略分析的任务执行策略吻合。

4.2 任务同步通信测试与分析

以二值信号量为例,进一步说明FreeRTOS操作系统中的任务间进行同步通信的过程。在二值信号量被使用之前首先需要被创建,创建一个二值信号量的代码如下:

当二值信号量被创建成功后,根据其宏定义会释放出信号量。由于主任务的优先级最高,因此主任务通过x Semaphore Take函数首先获得信号量,获得CPU的执行权,最先执行Task_Main任务,代码如下:

通过PC串口终端打印出来的任务调度执行情况画面如图7所示。可以看出,信号量创建完成后发出并由Task_Main任务最先获取,当执行完Task_Main任务后,主任务调用x Semaphore Give函数,随后让出CPU使用权,之后调用延迟函数v Task Delay使主任务进入阻塞态。灯闪烁任务通过x Semaphore Take函数获得信号量,获得CPU执行权,并开始执行,依此类推。可以看出,每个任务之间同步执行策略与任务同步执行策略的分析相符。

5 结束语

通过分析FreeRTOS实时操作系统内核,操作系统完成了从ARM7_LPC2129芯片到ARM7_S3C44b0x芯片、Kiel_RVDS编译器到ADSv1.2编译器的移植,并通过任务调度和任务同步通信实验测试证明,FreeRTOS具有内核小、移植简单及功能完善等特点,为嵌入式系统的开发与应用提供了一定参考。虽然FreeRTOS在我国仍处于初步应用阶段,但凭借其开源、内核小、开发周期短及支持较多处理器架构和多种集成开发环境等优势,在我国将会成为嵌入式开发者较好的选择。

摘要：分析了实时操作系统FreeRTOS的原理、内核组成与任务管理机制。完成FreeRTOS实时操作系统在S3C44b0x硬件平台上跨平台、跨编译器的移植。同时设计了固定优先级调度与二值信号量任务间的同步通信实验,验证了FreeRTOS操作系统移植的正确性和实验设计的合理性。

关键词：FreeRTOS,移植,S3C44b0x,任务同步通信,任务调度

参考文献

[1]余晓光.基于实时操作系统FreeRTOS的Lwip协议的移植研究[D].昆明:昆明理工大学,2013.

[2]王铮,靳世久,李健,等.嵌入式实时操作系统C/OSII在管道泄漏检测中的应用[J].化工自动化及仪表,2006,33(5):55~57.

[3]黄义仿,朱晓然,赵荣珍,等.基于小波分析和矩不变量的转子故障量化特征提取研究[J].化工机械,2007,34(6):309~312.

[4]李志丹,姜印平,李亚南.基于S3C44B0X和SL811HS的USB主/从机模块设计[J].化工自动化及仪表,2006,33(4):37~39.

[5]Sakairi T,Palachi E,Cohen C,et al.Model Based Control System Design Using Sys ML,Simulink,and Computer Algebra System[J].Journal of Control Science and Engineering,2013,2013:1~14.

[6]Bauer A,Leucher M,Schallhart C.Runtime Verification for LTL and TLTL[J].ACM Transactions on Software Engineering and Methodology,2011,20(4):14.

[7]江杰,赵凤鸣,陈洪翰,等.Ethernet Powerlink调度机制与实时通信剖析[J].自动化仪表,2013,34(2):84~88.

[8]孙伟,陈杨,张明伟,等.基于ARM CM3和RTOS的矿用电磁调速电机控制器软件设计[J].煤矿机械,2014,35(9):236~238.

[9]甘勤操,陈西曲.基于V4L2的嵌入式视频监控系统的研究[J].武汉轻工大学学报,2014,33(1):61~64.

[10]梁艳.基于Open CV的ARM嵌入式网络视频监控系统[J].微型机与应用,2013,32(9):29~31.

[11]段永颢,陈睿.基于启发式的静态中断数据竞争检测方法[J].计算机工程与设计,2013,34(1):140~145.

操作系统实验教学研究篇8

1.1 实验环境的局限性

由于实验室设备有限,为满足多门实验课程的教学需求,实验室的计算机均安装有保护卡。操作系统一旦重启,无法保证实验数据的安全性。用于教学演示的多媒体电子教学软件一般安装在Windows操作系统上,很少有应用于Linux操作系统的软件版本。

1.2 实验教学资源携带不便且传输速度慢

对于教师和学生,每次上实验课时携带实验资源不方便。实验教学中教师通过多媒体电子教学软件向学生分发实验指导书、实验素材或实验涉及的软件时,传输速度缓慢。

1.3 实验教学内容受限

由于实验环境和实验学时的限制,实验课程的教学内容不宜太难、扩展性不能太大、课外自主实验不能过多。

1.4 实验教学质量、进度、成果无法评估

在Linux操作系统实验环境下教师无法对学生进行有效的监督和管理,使得实验教学质量、进度、效果无法评估。

2 开展Linux操作系统实验教学改革的基本思路

针对上述问题,笔者结合多年的教学经验对Linux操作系统实验教学体系进行了一系列的改革和探索,其中包括四方面指导性的基本思路。

(1)基于虚拟化技术构建实验教学云平台,彻底改善实验教学环境,提升实验教学内涵。

(2)借助MOOC的先进经验开发应用基于校园网的课程教学平台,实现对实验教学过程的有效管理。[1]

( 3 ) 依托实验教学云平台对实验教学内容进行改革,基于虚拟化技术特性强化实验的综合性、设计性。

(4)依托课程教学平台,完善实验考核体系,实现实验过程和教学效果的有效监控和评估。[2]

3 实验环境与教学平台的实现

3.1 实验教学云平台的实践

良好的实验平台是学生上好实验课的前提,为了解决实验室教学环境的问题,根据实验课程内容的需要,利用VMware推出基于云计算的新一代数据中心虚拟化套件v Sphere实现虚拟化的实验教学云平台,拓扑结构如图1所示。

在实验课程开始前,通过模板复制的方式为每位学生创建一个独立的Linux操作系统,通过Bridge的方式为每个Linux操作系统设置固定的IP地址,并配置安装Open SSH Server服务,最后将远程访问权限分发给每位学生。

以Windows操作系统为学习平台的学生群体,借助校园网络环境,可以在实验室、教学区、学生公寓,使用Pu TTY客户端189软件输入Linux操作系统的IP地址,通过安全性和稳定性较高的SSH方式登录,从而实现Shell控制台下Linux操作系统的远程管理。

实验学习平台为Windows操作系统、实验操作通过Pu TTY客户端和SSH协议在远程虚拟主机上实现。

3.2 课程教学平台的实践

为了深化开放课堂教学,推进应用技术的发展,辅助实验教学更好地开展,通过自主开发和开源软件相结合,开发建设一系列课程教学平台。目前已经投入使用的课程教学平台有课程资源发布网、棒棒糖互联网技术开放课程网络学习平台以及高速资源镜像服务系统。

将课程相关的教学资源发布到课程资源网站上,提供给教师和学生学习访问下载;高速资源镜像服务系统面向实验室和校园网提供大文件资源高速(10Gbps)下载服务。课程教学平台的应用,解决了多媒体电子教室传输文件不便的问题,降低了实验教学的成本,同时也提升了实验教学的信息化水平。

4 教学内容改革与探索

通过前述的实验教学平台建设和应用,不仅提高了实验的效果,同时也对实验教学内容改革起到积极的促进作用。因此,笔者对原有的实验教学大纲进行了三方面的修订。

(1)改变传统的以验证性实验为主的模式,增加综合性和创新性实验比例。

(2)打破教学计划中实验课堂时间的限制,增加实验难度,促进学生分析与讨论。

(3)深化实验内容的层次性和模块化,便于教学工作循序渐进的开展。[3]

4.1 实验框架设计

按照Linux操作系统实验教学内容的不同,将其分为3个阶段。

4.1.1 基础实验

通过该阶段的实验教学让学生认识Linux操作系统,掌握Linux操作系统的安装与基本使用方法、系统升级维护和应用软件的管理。

4.1.2 操作系统管理与维护实验

通过该阶段的实验教学让学生掌握Linux操作系统的管理与维护,提高学生的Linux操作技能。

4.1.3Linux Server实践实验

通过该阶段的实验教学让学生掌握Linux服务器的部署和管理,提高学生从事相关领域的职业素养。

4.2 实验内容设计(见表1)

4.3 实验指导书

按照实验教学体系结构的要求,结合具体实践和实验教学中存在的问题,笔者将实验指导书的内容从原来的7个部分调整为11个部分(见表2),分别为实验目的、实验学时、实验类型、实验需求、实验理论、预备知识、实验任务、实验步骤、实验分析、课外自主实验、实验扩展资源,使实验指导书不仅指导学生开展实验,还注重引导学生针对实验过程进行分析讨论以加深理解。

5 实验教学质量考核

5.1 实验考核体系的建立

为了全面评估学生学习成绩和实验教学质量并实时督促学生,正确引导学生学习,笔者将实验考核体系分为实验准备作业、实验报告、实验成果、课外自主实验、课程设计五个部分。实验考核贯穿整个实验教学的始终,能够及时反馈实验教学中存在的问题,帮助师生共同解决问题,从而提高学生的学习能力、强化自我学习意识、完善学生知识体系,也帮助教师更加准确地去评估每次实验的教学质量,提高实验教学的可控性。

5.2 通过网络学习平台实现实验准备作业的管理

在实验教学考核体系中,实验准备作业代表着一个实验项目的开始。为了辅助实验教学更好地开展,笔者基于开源E-learning学习平台进行二次开发,完成“棒棒糖-互联网技术开放课程网络学习平台”(http:/lollipop.51xueweb.cn)的建设。课程教学开始前为每位学生开设学习账号,在实验教学开展前一周,要求学生必须完成并提交发布在网络学习平台上的实验准备作业。作业达到批改要求后,才允许学生进入实验室进行本次实验学习。这样既能督促学生认真做好实验准备阶段的学习,又能提高课堂实验的效率。同时借助于助教团队的批改分析,反馈学生对实验预备知识的掌握程度,帮助教师把握实验进行的节奏,进一步提高实验教学质量。

5.3 通过助教团队实现实验报告的批改和分析

实验报告是在学生完成实验后对本次实验的总结,要求记录实验过程、实验步骤、实验结果以及实验中遇到的问题和解决办法、实验心得等内容。在实验结束后,助教团队对实验报告进行批阅,对每位学生实验中存在的问题提供参考建议,并对本次实验进行评分,最终将学生存在的疑问及时反馈给教师。通过实验报告分析实验教学问题,评估实验教学质量。

5.4 通过云服务实现学生实验成果的提交和实验过程的监督

在实验教学中使用云计算平台,使学生借助校园网随时随地都能够进行实验,彻底摆脱实验环境局限性的问题。同时,云计算平台实时记录学生在服务器上进行的每一步操作命令。教师通过查看学生的实验过程,从中发现学生实验操作的不足之处。实验教学中操作系统管理与维护和Linux Server实践两个阶段的实验通过云计算平台进行,实验成果最终通过云计算平台展现,实现对实验成果的科学评估和量化分析。

5.5 通过实验室开放和助教团队辅导相结合开展课外自主实验

课外自主实验作为课堂实验的延伸,帮助学生在专业领域提升能力。课外自主实验的难度要远高于课堂实验本身,因此课外自主实验的开展由助教团队参与辅导,与学生一起实验,帮助学生解决遇到的问题,保障课外自主实验的顺利进行。同时还通过开放实验室提供实验和讨论交流的环境,这种方式不仅提高了学生的学习兴趣,也改善了学院的学习风气。

5.6 通过研究性课程设计强化实验教学成果

课程设计是对整个课程教学系统的总结。课程设计题目是教师在实验教学体系的基础上,结合课外知识,为学生精心准备的具有研究性质的课题。课程设计要求每位学生独立完成,在实验教学的最后,结合个人的兴趣爱好选择教师提供的课程设计题目,并按照要求进行相应的学习研究。

整个课程设计过程要经过三个阶段:学生提交课程设计报告初稿、学生根据教师的反馈建议对课程设计进行修改完善、课程设计最终提交审核。通过研究性的课程设计不仅能够强化实验教学成果,而且还可以提高学生的综合学习能力,帮助学生提升专业素养和技术水平。[4]

6 结束语

6.1 实践总结

笔者在从事教育工作的同时,还承担学校网络信息中心数据中心的运行管理工作,从而能够结合实际应用,不断学习总结、探索和实践实验教学方法。Linux操作系统实验教学体系改革后的4年教学实践中,共授课班次12次,学生达600多人。通过Linux操作系统实验教学的开展,学生深入了解操作系统的原理,并能熟练地使用Linux操作系统和Shell命令,为学生以后学习LAMP程序开发、服务器管理、网络运维等课程奠定基础。

6.2 成果

在Linux操作系统实验教学改革的同时,也产生了一些衍生成果。例如,网络学习平台除了服务于Linux操作系统的实验教学外,还应用到了My SQL数据库管理、平面设计基础等课程实验教学工作中。棒棒糖-互联网技术开放课程网络学习平台在河南省第十八届教育教学信息化大赛高等教育组中获得一等奖。实验教学改革内容还得到了学校实验教材编写项目的专项资助。

6.3 存在的问题与下一步计划

目前我校开设的Linux操作系统课程中仍然存在一些问题,具体有如下几点。

(1)操作系统底层研究涉及内容相对较少。

( 2 ) 缺少像其他工科院校一样强大的教学体系支持。

(3)师资力量相对薄弱。

针对我校的培养目标及现状,今后计划在以下方面加以改进。

(1)对课程体系结构进行相应调整。

(2)侧重于Linux操作系统的运维与管理,并提升此方面的内容比例。

(3)加强师资队伍的建设。一方面通过内部学习交流提高教师的教学能力;另一方面通过加强与校外企业的合作及参加相关培训等提高教师的实力。

摘要：针对Linux操作系统课程的特点,阐述了Linux操作系统实验教学中存在的诸多问题以及改革的重要性。结合笔者的教学经验,从实验环境、教学平台、知识框架、实验内容以及实验考核方式等方面对Linux操作系统实验教学系统进行探索与实践。

汽车教学虚拟实验系统应用研究篇9

我们可以直观的看到汽车硬件的相互关系, 了解各个部件的关系和作用。但是, 电子控制部件间相互关系却不是我们可以直接了解和掌握的, 就算我们可以通过电路图来分析其工作管理, 但其信号关系和逻辑知识却不是我们仅凭图纸就可以完全理解的。

目前的教学特点多数都是以理论课程为主, 实践课程较少。尽管学校也知道实践教学的重要性, 但现在的教学条件普遍很差, 现有的教学器材很难满足教学需要。例如:汽车发动机的台架数量较少, 新投入台架成本较高, 学校为了节约成本, 采用购买旧的发动机台架, 结果带来了性能差、维修增多等问题, 这样不仅没有节约教学成本, 更影响了教学效率。

虚拟实验教学可以很好的解决以上问题, 它不仅可以融合理论知识, 更可以实现教学实践。让虚拟实验代替真实实验, 不仅可以感受真实操作的兴奋感, 也节约了教学成本, 更提高了教学效率, 正是一举多得。

2 虚拟实验系统的组成及其安全功能

我们了解一下虚拟实验系统的工作原理, 它是借助计算机软件来实现虚拟操作的。这个系统是由计算机, 连接器, 采集器组成, 软件是其连接的桥梁, 计算机根据软件来判断干扰信号, 进而实现操作。这样不仅节省了教学成本, 而且维修起来也很方便。

计算机系统是需要提高其可靠性的, 这就需要计算机系统有其自身的判断和辨别能力。软件滤波和中断处理都能很好的提高计算机的安全性。在面对干扰信号, 软件滤波可以对其进行采样分析, 并把它进行转换, 最后得出结论。其常用的滤泡分析法有以下几种:低通法、程序判断法等。

中断处理也是软件必须具备的功能, 它可以在断电的情况下自我备份并保存信息。从而提高系统的安全和稳定性。

3 维护虚拟实验系统安全的方法

3.1 保持计算机及相关设备的散热, 控制好室内温度, 做好通风处理, 避免机器设备暴晒, 必要时安装空调等设备。

3.2定期除尘, 做好防尘。对计算机和机器设备要及时打扫、清洁。对机器内部灰尘要定期用毛刷或相关工具进行清理。避免机器设备电路元件被腐蚀或损坏, 以减少设备的使用寿命。

3.3传感器是重要的设备组件, 其敏感度很容易受到积尘和湿度的影响, 及时处理这些外在因素是保持其正常工作的关键, 一定要加以排除异常因素, 保证其正常工作。

3.4要勤观察计算机温度, 遇见计算机工作缓慢或者出现死机现象要及时处理, 检查风扇工作情况, 过滤器积尘情况, 避免计算机内部温度过高烧坏CUP及相关硬件, 在过滤器的清理工作中要注意过滤网要定期清尘, 以免等到过滤器堵塞时造成清理困难, 还有计算机温度要控制在55度以下, 如果温度居高不下, 一定要继续检查, 直到找到问题所在, 及时解决。

3.5 系统安全也要得到保护, 计算机要按照备份和杀毒软件, 这样可以保证计算机数据安全, 保证虚拟实验系统的正常运转。

4 介绍虚拟实验系统各组成部分的工作原理

图1显示了虚拟实验系统的组成框架, 这里其中显示了信号的采集过程。我们看出采集器的工作原理, PC机可以显示工作的状态, 当计算机连接汽车时, 软件可以记录数据, 保存数据;当计算机处于不连接状态时, 软件处于离线状态, 只显示工作原理。

(1) 连接器。它可以采集信号, 并不损害原车线束, 它的接口设计就是为了方便与车体连接。

(2) 采集器。这个设备还可以记录各传感器的电压, 传感器频率, 喷油器的脉冲宽度, 开关汽车的状态。这些检查结果可以发送给PC机。

(3) 虚拟实验系统软件。它可以分析和设计软件, 测试工程信号, 可以快捷的设计软件界面。不管发动机的变化多快, 该软件都可以迅速的记录实时变化, 这些结果可以被记录到系统中。在教学过程中可以不用连接车体就能观看发动机参数变化, 可以实现虚拟实验教学。

5 结语

虚拟实验系统不仅可以融合理论知识, 还可以实现教学实践;不仅可以对发动机的工作状态进行监控, 还可以诊断发动机的故障;不仅操作起来简单方便, 更不用投资过多的资金。该系统在教学应用中发挥着重要的作用, 我们一定要大力推广, 充分的利用其教学价值, 为更多的教学工作服务, 提高教学效率。

参考文献

[1]杨彦明, 魏振钢, 吴为团, 迟忠惠.一种智能化电路与电子技术虚拟实验系统[A].2004计算机应用技术交流会议论文集[C].2004

操作系统实验教学研究篇10

操作系统是计算机及其相关专业的一门专业必修课, 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会也将其列为计算机科学与技术专业的核心课程之一。操作系统具有理论性强、实验教学难的特点, 操作系统课程的实验之所以教学难度大是因为实验环境搭建困难、学生程序设计能力弱等因素的影响。国内本科高校由低到高大致可以分为三个层次:应用型本科学校、工程型本科学校和研究型本科学校。针对不同学校培养目标的不同, 应设计不同的操作系统实验。

2 当前国内外操作系统系统实验的特点

2.1 国外操作系统系统实验简介

当前美国的一些计算机名校都要求学生实现一个功能较为完备的小型操作系, 例如, MIT采用xv6-2.0和JOS, 支持X86 SMP架构。Berkeley采用Nachos, 约1万行左右代码, java语言编写, 模拟MIPS架构。

2.2 国内操作系统系统实验现状

由于师资力量、硬件环境以及学生素质的差异, 目前国内本科高校由操作系统课程实验主要采取以下4种模式。

(1) 观察与使用

通过对具体操作系统的观察与使用。从外部观察操作系统的内部工作过程。

(2) 利用系统调用编程

选择某种操作系统 (W i n d o w s、L i n u x等) 作为实验环境, 利用系统调用来编写一些程序, 这种实验可以使学生置身于真实的操作系统中, 但对操作系统的内部细节了解不深。

(3) 算法模拟

选择操作系统中一些典型功能或算法, 如进程调度、进程同步、内存分配、页面置换、文件分配表、磁盘调度等, 编程模拟实现。这种算法模拟实验所涉及的软硬件资源和数据结构都是自建的, 并不对真实的硬件系统进行访问和修改。因此可以摆脱具体操作系统的限制和软硬件细节。该类型的实验有助于学生对于操作系统原理的理解, 但学生体会不到实际操作系统对计算机硬件的交互。

(4) 设计一个小型操作系统

理解操作系统的最佳办法是设计一个真正的操作系统, 国内一流研究型大学的操作系统实验开始要求学生实现一个功能较为完备的小型操作系统。例如, 清华大学采用小巧全面的操作系统xv6。

3 实验项目设计

根据教指委文件, 应用型本科学校的培养目标是:承担信息化建设的核心任务, 掌握各种计算机软/硬件系统的功能和性能, 善于系统的集成和配置, 有能力管理和维护复杂信息系统的运行。对于操作系统课程来说, 应用型本科学校培养的毕业生作为使用操作系统的专业技术人员, 应该熟练掌握操作系统的基本概念, 工作原理, 了解其内部结构, 掌握基于操作系统支持的系统软件和应用软件的设计原理和开发技术, 掌握国际主流操作系统的用户接口以及系统调用技巧。

针对应用型本科学校培养目标, 结合我校实际, 我们设计了四个实验层次, 六个实验项目, 如表1所示。

(1) 操作系统使用与管理:主要面向Linux或Windows XP实践操作基础较弱的学生, 通过对Linux的安装、使用、系统管理等实验, 使学生掌握L i n u x、Windows XP的基本操作, 基本用户接口和编程界面, 以及系统管理和服务的配置和维护。对于在学习本课程之前已经具有良好操作基础的学生, 可以免掉这部分实验。

(2) 操作系统内核的观察与体验:通过源码阅读, 及利用一些工具软件, 来观察与体验操作系统内核。

(3) 利用系统调用编程:在深入理解操作系统原理和实现技术的基础上, 培养学生基于操作系统的程序设计和开发能力。

(4) 算法模拟:模拟操作系统的一些典型功能或算法, 例如, 模拟内存页面的调度算法、模拟Linux文件系统。

4 实验项目介绍

4.1 Linux的安装与配置

1) .实验目的

了解Linux发展历史、功能和特点;学习和动手安装Linux操作系统。

2) .实验内容

在虚拟机上安装安装和配置目前流行的Linux操作系统, 例如Ubuntu。

4.2 Linux的基本命令

1) .实验目的

熟悉在Linux操作系统下的基本操作, 对Linux操作系统有一个感性认识;学会使用vi编辑器编辑简单的C语言程序, 并能对其编译和调试。

2) .实验内容

常用命令练习;使用vi编辑c语言源文件。

4.3 进程管理

1) .实验目的

加深对进程概念的理解, 明确进程和程序的区别;进一步认识并发执行的实质;分析进程争用资源的现象, 学习解决进程互斥的方法。

2) .实验内容

(1) 阅读linux的sched.h源码文件, 加深对进程管理概念的理解;阅读linux的fork.c文件, 分析进程的创建过程。

(2) 进程创建, 编写一段程序, 利用系统调用fork () 创建两个进程。当此程序运行时, 在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符:父进程显示字符“a”;子进程分别显示字符“b”和字符“c”。

(3) 进程控制, 修改已经编好的程序, 将每个进程输出一个字符改为每个进程输出一句话, 在观察程序执行时屏幕上出现的现象, 并分析原因。

(4) 在程序中使用系统调用lockf () 来给每一个进程加锁, 可以实现进程之间的互斥, 观察并分析出现的现象。

4.4 进程通信

1) .实验目的

理解进程处理信号的方法, 使用用户自定义的信号处理程序;分析进程竞争资源现象, 学习解决进程互斥的方法;了解linux系统中进程通信的基本原理。

2) .实验内容

(1) 软中断通信

编制一段程序, 使用系统调用fork () 创建两个子进程, 再用系统调用signal () 让父进程捕捉键盘上来的中断信号 (即按ctrl+c键) , 当捕捉到中断信号后, 父进程用系统调用kill () 向两个子进程发出信号, 子进程捕捉到信号后终止, 父进程等待两个子进程终止后终止。

(2) 进程的管道通信:编制一段程序, 实现进程的管道通信。

(3) 消息通信:使用系统调用msgget () , msgsnd () , msgrcv () 及msgct () 编制一长度为1K的消息发送和接收的程序。

4.5 存储管理

1) .实验目的

理解内存页面的调度机理;掌握几种理论页面置换算法的实现发法;通过实验比较各种调度算法的优劣。

2) .实验内容

设计一个虚拟存储区和内存工作区, 并使用先进先出算法 (FIFO) 、最近最少使用算法 (L R U) 、最佳淘汰算法、最少访问页面算法LFU、最近最不经常使用算法计算访问命中率。

4.6 文件系统

1) .实验目的

掌握文件系统的工作原理;理解文件系统的主要数据结构;学习较为复杂的linux编程。

2) .实验内容

设计并实现一个二级文件系统程序, 该系统具有如下功能:具备提供用户登录、文件创建与删除、目录创建与删除、文件读写、文件目录有权限控制。

5 结束语

本文结合应用型本科学校操作系统教学要求和目标, 提出了应用型本科操作系统实验教学的一些设想, 并进行了实践, 结果表明我们的“操作系统”实验设计能满足应用型本科学校操作系统教学要求。在后续工作中, 我们将进一步优化实验项目, 完善操作系统实验课程教学体系。

参考文献

[1]操作系统课程教学实施方案研制组.高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案[Z].2009.

[2]陈渝, 向勇.“操作系统”课程实验教学探讨[J].计算机教育.2009 (14) :135-136.

[3]叶保留, 费翔林等.“操作系统”实验课程建设与教学探讨[J].计算机教育.2009 (14) :122-125.

[4]陈向群.探索操作系统实践教学[J].计算机育.2008 (17) :45-47.

高校实验室网络管理系统研究篇11

摘要：建设基于网络环境的实验教学模式是教育研究领域的一个热点。本文采用数据库技术、计算机技术对目前实验教学方式进行改革，实现实验过程网上预约，实验内容网上查阅，实验报告网上批阅，并具有实验设备的登记、借用、归还等资产管理功能。该系统能提高工作效率，实现资源共享，具有推广使用价值。

关键词：实验教学;网上预约;网上批阅;资产管理

中图分类号：G717 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0143-03

随着互联网技术的普及，网络化、信息化等观念已经深入人心，国家也在大力提倡、资助各行业的信息化进程。目前国内大部分实验室都配备了局域网，各种实验设备的配置也很高，但是实验设备的使用率低和开放性差，实验教学缺乏灵活性，已经不适应素质教育的要求。研究实验室网络管理系统，实现实验室资源的开放和共享，是高校实验教学创新改革的主要方向，国内高等院校都在这方面积极进行探索和尝试。[1]

一、研究实验室网络管理系统意义

建立基于学校局域网的实验室网络管理系统，共享实验资源，实现实验教学手段和方式的改革创新，满足广大师生的迫切需求，其意义归结为以下几点：

（1）实现实验过程的无纸化操作，从实验任务→实验预约→预约审批→实验报告批改→实验结果查询等，全过程实现网络化操作，提高工作效率。

（2）实验室设备简介、开设实验、实验内容等信息都可以从网上查询，为实验室开放奠定了基础，通过完善实验资源库，学生在任何时间、任何地点都可以登录实验室网络管理系统进行学习。

（3）能跟踪和记录设备资产的使用情况，对固定资产的管理带来极大的便利。

二、实验室网络管理系统发展概述

1.实验室网络管理系统发展历史

20世纪60年代末，美国一些高等院校、研究所以及化学公司开始研究和使用大型计算机和局域网络系统分析化学数据，这是实验室信息管理系统（LIMS）的雏形。[2]到20世纪80年代，出现了商品化的LIMS产品，这标志着LIMS研究走出了理论和小范围应用的狭窄区域，有了更广泛的空间和商业价值，并出现了Client/Server架构和Brower/Server架构的开发方式，技术日益成熟，功能更加完备。

国内对于LIMS的研究相对于发达国家是滞后的，直到20世纪90年代中后期，国内才出现了LIMS产品，并成功地应用于石化等多个领域。目前国内的LIMS研究已经从最初学习和借鉴阶段，发展到了结合实验室的实际情况和具体需求进行自主开发的阶段，内容涉及标准规范、质量控制、开发技术和商业价值等多个方面。

2.实验室网络管理系统现状

综合应用数据库技术、网络技术、计算机技术开发实验室网络管理系统，基本上能实现实验室自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的，对实验室提高工作效率、降低运行成本具有重要意义。大多数实验室网络管理系统还是停留在数据存储、工作任务安排的水平上，少数能为实验室的管理者提供管理決策服务。

实验室网络管理软件在国内市场上非常得多，但每一种都依赖于特定的数据库结构，由于每个实验室的情况和需求各不相同，市场上的软件一般不能满足自身的需要，必须单独定制和开发，软件的通用性较差。实验室管理平台软件一般具备以下功能：实验室管理、教师队伍、实验室建设、实验教学、日常办公、低值易耗品、仪器设备、实验室评估、系统维护等。

我校实验室尚未建立实验室网络管理系统，目前实验室运作方式陈旧，设备利用率不高，实验计划、实验预约、报告批改等环节浪费了大量的人力、物力和财力，实验内容得不到网络公开，实验资源得不到网络共享，资产设备登记、借还、使用记录不详细，管理不完善，与国外院校和国内重点院校相比，处于落后状态。

3.实验室网络管理系统发展趋势

未来的实验室应当是高度数字化、专业化、智能化、系统化、自动化的。数字化的实验室除了自身专业技术的数字化，实验室的管理、运行都将是数字化的。目前，比较热门的GIS（地理信息系统）、电子商务、仪器远程控制、虚拟实验仪器等技术都将会在未来实验室得到应用。

三、实验室网络管理系统技术

1.ADO.NET技术

系统所采用的数据库SQL Server 2008，是一个关系型数据库系统，采用ADO.NET技术实现对数据库的连接和访问，具有可信任、高效、智能的特点。可信任体现在数据加密、外键管理和增强审查等面;高效体现在降低了开发和管理数据的时间和成本;而智能体现在其提供了一个全面的平台，可以在用户需要的时候发送观察信息。通过ADO.NET技术访问SQL Server数据库，主要包括连接、访问、关闭等操作。

（1）数据库连接。应用程序连接数据库时，通过调用sqlConnection方法，传递连接字符串，实现对数据库的远程访问，如sqlConnection conn = new sqlConnection（连接字符串）。连接字符串必须包括4项基本参数：服务器IP地址、数据库名称、数据库登录名、数据库登录密码。连接之后调用sqlConnection的Open（）方法打开数据库。

（2）数据库访问。执行数据库查询时，使用select语句访问数据库的表、视图、存储过程，得到数据集DataSet。执行数据库添加、修改、删除时，使用ExecuteNonQuery（）方法，分别传递insert、update、delete命令字符串，即可实现数据库操作。如下所示：

public int MyExecuteSQL（string 命令字符串）

{ cmdCommand = new SqlCommand（命令字符串，连接字符串）;

cmdCommand.ExecuteNonQuery（）;

}

（3）数据库关闭。数据库关闭时，只需调用数据库连接对象sqlConnection的Close（）方法即可。数据库的连接和关闭必须遵循“尽晚创建，尽早释放”的原则，这样能缩短应用程序占用系统资源的时间。

2.网络拓扑结构

图1所示是系统的网络拓扑结构图。系统包括数据服务器、实验室计算机、教师和学生使用的计算机，各终端通过学校的局域网络访问数据服务器。也可以采用环形冗余网络。

四、实验室网络管理系统开发

采用SQL Server 2008设计数据库，使用Visual Studio 2010进行管理软件开发，并通过配置数据服务器，借助学校网络，采用客户端/服务器（Client/Server）开发模式，搭建信息化、制度化、数字化的实验室网络管理系统。[3]

1.系统权限设计

系统权限分为管理员、实验教师、任课教师、学生4种，根据用户登录权限不同，进入不同的访问界面。

（1）管理员可管理所有数据，包括数据的添加、删除、修改、查询。

（2）实验教师可管理实验相关数据的添加、删除、修改，如实验室简介、实验审批、实验报告批改等，还包括所有数据的查询。

（3）任课教师可管理教学相关数据的添加、删除、修改，如实验预约、专业、班级、人数、资产借用等，还包括所有数据的查询。

（4）学生只能查看实验简介、实验内容及成绩，上传实验报告，预约开放的实验室等。

2.系统菜单设计

如图2所示，实验室网络管理系统菜单包括用户管理、实验室信息、实验教学、设备资产、门禁监控、帮助六大部分。

（1）用户管理包括教工管理、学生管理、用户退出，其中教工管理和学生管理分别具有添加、修改、删除、查询等功能。

（2）实验室信息包括实验室管理、实验室查询，实验室管理和实验室查询内容涉及实验室名称、实验室职责、基本设备、开设实验等。

（3）实验教学包括实验计划、实验预约、预约审批、报告批改、实验查询，实验预约信息包括专业、班级、人数、指导老师、预约时间等，实验查询信息包括实验内容、实验记录、实验成绩。

（4）设备资产包括资产分类、资产管理、资产查询，资产管理和资产查询内容涉及简介、登记、借用、归还等。

（5）门禁监控主要用于有刷卡或指纹考勤功能的实验室，加强对学生的管理功能。

（6）帮助包括使用说明、版权信息。

3.系统流程分析

通过对系统功能需求的分析，设计系统流程如图3所示。用户通过注册账号或分配账号登陆实验室网络管理系统，可进行实验预约，学生通过系统提交实验报告后，教师网上批阅学生提交的报告。此外，系统管理软件还可以管理设备资产信息，记录设备的使用过程。[4]

4.实验教学效果

（1）对学生来讲，软件学习的方式激发学生的学习兴趣。学生在课外通过自主学习，提前熟悉实验过程和实验内容，加快实验过程，提升了学生动手操作能力和掌握知识的程度。软件提交实验报告的方式，改变了以往提交纸质实验报告的做法，方便了学生，减少了纸张的浪费。

（2）对教师来讲，软件预约实验的方式。使其在软件上审批学生预约的实验，系统会自动显示是否为空闲时间，克服了依靠教师记忆安排实验的不足，降低了教师的劳动强度，更好的提高实验教学质量网上批改实验报告的方式，避免了整理堆积如山的实验报告。

（3）对实验室来讲，实验过程网上预约。实验内容网上查阅，实验报告网上批阅等方式，极大提高了实验室的开放程度和利用率，保障了实验室资源的共享。

五、结论

高校实验室网络管理系统具有安全性高、容错性强、操作简单、界面友好、使用方便等优点。通过实验室网络管理系统，学生具备了自主学习和主动实验的条件，提高了学生的能力和素质。网上实验预约、实验批阅、资产管理等功能，方便了广大师生，提高了学习和工作效率，实现了实验室资源共享。实验室网络管理系统利用校园网实现信息传播和沟通，不需要铺设专用通信网络，成本低，易于推广。实验室网络改革能提高和改进学校本科实验教学质量，是特色名校建设的重要组成部分之一。

参考文献：

[1]王萱.电子实验室网絡平台建设和教学改革的实践与设想[J].电子制作，2014，（4）：108.

[2]裴珊珊.高校实验室管理研究现状及存在问题分析[J].高校科技，2012，（16）：97-100.

[3]徐思东.实验室网络信息管理平台的构建与应用[D].江西：南昌大学，2007.

[4]刘文吉，洪英，范连生.网络平台在高等学校基础实验室建设中的应用[J].实验室科学，2012，15（3）：146-149.

操作系统实验教学研究篇12

但是通常的操作系统都是一个庞大而复杂的大型软件。例如, IBM公司的IBM360操作系统, 该系统共由700多位来自欧、美各国的软件技术人员参加开发, 历经4年时间才得以基本完成。因此, 操作系统课程在大学本科计算机专业的传统教学中, 经常会出现这样的现象:学生学完这门课程后, 对操作系统的理解、掌握还仅限于用户级的水平, 只能将操作系统当作一个资源管理者使用, 很难达到程序员级的水平, 把操作系统当作是一个与计算机硬件等价的可扩展、可开发的计算平台来使用。如何才能让学生真正学懂、掌握操作系统的体系结构理论, 并通过实验教学得以巩固提高, 为今后的学习、发展打下一个扎实的理论基础。针对这一目标, 我们根据在实验课教学中的经验和体会, 对改革Linux操作系统实验教学模式进行了认真的探讨与研究, 并且在实践中取得了预期的效果。

1 Linux操作系统的特点

Linux操作系统是一个自由的操作系统, 可以免费使用, 遵循GPL声明, 符合POSIX标准, 可以自由修改和传播。而且Linux系统包含了人们希望操作系统拥有的所有功能特性, 这些功能包括真正的多任务、虚拟内存、最快的TCP/IP驱动程序、共享库和多用户支持等。

Linux操作系统还具有强大的网络功能, 具有支持多种硬件设备的特性。由于Linux系统下的驱动程序开发比Windows系统下的驱动程序开发要简单得多, 因此, 开发者可以充分地发挥各种硬件设备的功能。同时Linux核心不仅可以运行在Intel系列PC机上, 还可以运行在Apple系列、DEC系列、MIPS和Motorola6800系列的计算机上。甚至其改进的嵌入式Linux核心还可以运行于手机、家电等设备上。这就为在实验教学课的实验项目选择上提供了广泛的空间。

Linux操作系统在开发模式上也有其鲜明的特点。它采取的是Bazaar“巴扎”模式, 在这种模式下, 程序员在一个软件项目中的作用不再是流水线上的工人, 只是按照“图纸”完成某个零部件的加工工作。程序员变成了独立的实体, 软件以平行排错、分头发展的方式快速演进, 开发人员的集体智慧得到充分发挥, 大大减少了不必要的重复劳动, 并使所开发软件的漏洞能得到及时发现和克服。

2 Linux操作系统实验课程设计

Linux操作系统是一门理论与实践性很强的专业课程。传统的教学模式主要是以理论学习为主, 实验教学只是为验证理论课的相关内容而设立, 所以, 在传统实验教学模式中主要存在以下问题:第一、学生对实验过程不求甚解;第二、学生缺乏对实验的主动思考;第三、没有很好地激发出学生的学习兴趣和创新能力。因此, 我们对原有的实验教学模式进行了改革, 将实验课分成“课程实验”和“综合应用实验”两个层次, 同时在实验进度安排上采用循序渐进的方式, 重视实验过程的具体规范, 突出清晰的实验思路, 并且为每个实验设置思考点, 使学生通过实验教学这个平台积极主动地思考, 激发学生的学习兴趣, 从而提高学生对所学知识的实际应用能力和创新能力。

2.1 课程实验

Linux操作系统课程实验要与理论课同步进行。实验内容是使学生熟悉Linux操作系统环境的用户接口部分, 掌握操作系统的最常用的几十个重要命令和这些命令中的主要选项参数, 掌握系统调用。从而了解操作系统的各部分管理技术, 逐步掌握操作系统的本质, 提高开发自己的系统软件和应用软件的能力。

例如, 在建设操作系统课程的实验环境中, 学生通过自己安装Linux系统来熟悉安装过程, 在熟悉基本的Linux命令的基础上解决一些基本的问题。学生通过对Linux的核心模块的剖析实验, 采用“替换式”实验模式去尝试对该系统的一些功能模块进行修改。如, 用C语言设计和实现将多道程序非抢占式调度内核转换为抢占式内核, 然后通过新生成的简单的、单内核系统进行观察检验。甚至可针对现代操作系统的主要部分来设计几个阶段项目 (如, 线程管理的实现, 多道程序设计, 虚存, 网络等) , 让学生几人一组分别设计实现各个项目, 最后得到一个小的、真正的操作系统。这样使学生在实践中真正体验操作系统的实现技术在实际操作系统中的应用。

(1) 实验项目与实验案例设计1:

实验项目:操作系统安装与用户界面。

实验案例:Linux系统安装与用户界面。

基本思路:加深认识操作系统的地位与作用, 培养学生安装和使用Linux操作系统的能力。

主要步骤:进行硬盘分区, 在主引导区上安装Linux操作系统, 根据所使用计算机的硬件与软件环境对系统进行配置与设置。练习控制台命令使用, 故障判断、查找、排除, 简单编程作业。

实验软件装置:①硬盘管理软件对硬盘进行分区和格式化;②各种版本的Linux安装盘, 提供操作系统代码和相关工具, 进行操作系统安装。

(2) 实验项目与实验案例设计2:

实验项目:进程与子进程。

实验案例:Linux系统的进程与子进程。

基本思路:加深对处理机 (CPU) 管理、单道程序设计与多道程序设计的理解, 了解提高处理机 (CPU) 的使用效率的基本思路和方法。掌握Linux中C语言中多道程序的设计机制的应用。

主要步骤:提出包含有生产者—消费者问题、同步—互斥问题的适用多进程技术解决的应用问题。进行单道程序技术编程、多道程序技术编程, 编译、调试。

实验软件装置:Linux系统的进程与子进程实验工程模版、测试用例文档;GCC环境或其它C语言环境, 提供多道程序设计的支持, 如, 支持fork () 、exit () 等系统调用。

(3) 实验项目与实验案例设计3:

实验项目:线程与子线程。

实验案例:Linux系统的线程与子线程。

基本思路:加深对如何减轻系统开销、减少系统资源占用的理念和思路的理解, 加深对进程与线程区别的理解。掌握Linux系统中C语言多线程机制的应用。

主要步骤:分别提出适用于内核级线程或用户级线程的多线程技术解决的应用问题。在进一步理解Linux为何将线程定义为“执行上下文”的含义的基础上, 进行单线程技术编程、多线程技术编程, 编译、调试。

实验软件装置:Linux系统的线程与子线程实验工程模版、测试用例文档;GCC环境或其它C语言环境, 提供多线程设计的支持, 如, 支持fork () 、clone () 等系统调用, 支持POSIX线程库。

在此实验教学层次中应采用案例教学法, 教师先演示操作一遍, 然后让学生自己重复、调试操作, 以便加深学生的印象。案例教学法可以使用不同章节的内容组合成一个案例, 尽量做到前后联系, 以求融会贯通。如, shell脚本编程, 其内容可以覆盖Linux教材多个章节的内容。通过具体实例的应用可以提高学生的学习积极性, 较快地提高学生的动手能力与理论水平。

2.2 综合应用实验

综合应用实验是在理论课程学习之后安排的综合实践训练。通过一定的综合设计实验, 使学生进一步掌握操作系统的整体框架和内核工作原理, 提高学生对所学知识的应用能力。特别是锻炼提高学生搜集有关资料, 在相关文档的帮助下, 运用Linux的基本知识以及常用的操作命令来解决实际问题的能力。

综合设计以一个实际应用程序系统或实际应用开发项目的运行、开发需求为背景, 以安装操作系统及相关软件包、配置网络、设置远程访问与管理的机制、设置运行环境、数据库的系统配置及安装、构建网络服务器、系统的安全配置等为基本内容, 设计Linux实训案例。

(1) 实验项目与实验案例设计4:

实验项目:TCP/IP网络管理。

实验案例:Linux系统网络服务功能的实现。

基本思路:加深对TCPIP网络管理功能以及基本网络服务概念的理解, 掌握网络编程接口Sockect的用途与用法, 掌握Linux系统的网络管理与Sockect编程操作和相关的数据结构。进而解决一些实际应用问题。

主要步骤:给出用Linux做防火墙、路由器、代理服务器等实际问题。针对每一问题先进行可行性分析, 然后对设计思想、设计目标与系统的整体结构进行详细的规划。在此基础上进行程序的编程、编译、调试, 最终做出一个完整的产品。

实验软件装置:Linux系统网络及相应的编程实验工程模版, 相应的软件包、硬件资源, 测试用例文档等。

(2) 实验项目与实验案例设计5:

实验项目:嵌入式Linux的应用。

实验案例:俄罗斯方块手机游戏设计。

基本思路:进一步加深对Linux操作系统特有的性能、功能和广泛的可用性的理解, 了解嵌入式系统的技术特点和应用前景。学习、理解、掌握嵌入式Linux系统在解决实际生产、生活中的应用问题的广泛用途与用法, 进而提高解决实际应用问题的能力。

主要步骤:根据嵌入式Linux手机游戏开发理论及俄罗斯方块手机游戏的功能要求, 先组织学生进行系统需求分析, 制定出系统目标、开发要求、手机游戏开发流程、设计约束、设计策略、功能需求、界面需求等文档。再进行系统总体设计, 系统模块设计, 详细设计, 如, 初始化模块、自动下移模块、操作响应模块、重绘窗口模块等。再根据制定出的设计要求、系统类结构、模块命名规则、各模块设计方案等进行程序的编程, 编译、测试、运行。最终做出一个完整的产品。

实验软件装置:PXA270开发板硬件资源, Linux嵌入式系统, Linux智能手机操作系统, C++语言, VI (VIM) 编译器, QTOPIA手机版。相应的软件包、硬件资源, 测试用例文档等。

在此实验教学层次中教师要由指导者变为初期参加者, 特别是在对项目进行系统需求分析、可行性分析, 制定设计思想、设计目标与系统整体结构时进行适时引导。在组织结构上将学生分成设计小组, 每个设计小组由3～4人组成。这样既可以布置工作量大、难度大的项目, 又可以在项目执行过程中强制性地培养、锻炼、提高学生的团队协作能力。并可使团队中理论强与动手能力强的同学间相互学习交流, 互取所长, 共同提高。

3 Linux操作系统实验课考核方式

Linux操作系统课是一门实践性很强的课程, 因此, 实验课的考核应在考核成绩中占有较大的比重。建议采用45-45-10的考核方案。即期末理论考试占45%, 实践考核占45% (实验30%, 期末测试15%) , 平时作业占10%。期末理论考试采用闭卷方式, 期末的实践技能测试重点考核学生应用Linux的能力。主要包括系统管理、网络配置、常用服务器的构建和一些常见故障的处理等。

4 Linux操作系统实验课的教学体会和经验

在Linux操作系统实验课教学中通过实际的教学活动, 得到以下几点经验:

1) 由于Linux是一个实际应用的操作系统, 学生们学有目的, 所以, 学习热情高涨, 能较好地理解课程内容。

2) 部分基础好、有兴趣的同学可进一步深入学习, 如, 研究Linux内核、Linux网络应用、嵌入式Linux的应用、Linux应用程序设计等。

3) 教学中的讲授内容应包括Linux系统结构、处理机管理、进程管理、存储管理、文件系统、处理机调度、设备管理、网络管理。

4) 在实验课内容的编排上应注重设计有助于提高学生实际应用能力和操作技巧水平的实验内容, 这样不仅能使学生较快地学会、学懂课程内容, 而且还可以较快地提高学生利用所学知识发现问题和解决问题的能力。

摘要：针对Linux操作系统课程的特点, 阐述了实验课教学模式改革的重要性。通过具体的实验课程案例设计, 重点探讨了如何提高学生的理论与实践结合能力、创新能力及综合素质的方法和途径。

关键词：Linux操作系统,实验教学,教学模式改革,创新能力

参考文献

[1]汤荷美, 董渊, 李莉.Linux基础教程 (1) [M].北京:清华大学出版社, 2001.

[2]杨海鹏, 魏巍.Linux操作系统的教学与实验研究[J].吉林工程技术师范学院学报, 2007 (9) .

[3]王波.Linux网络技术[M].北京:机械工业出版社, 2007.