系统科学的原理
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系统科学的原理范文第1篇
论文摘要：舒尔曼提出的“学科教学知识”推动了教育研究与实践的向前发展。高校《通信原理》课程学科教学的知识结构与内容框架主要包括通信原理课程教学模式等七个方面，对《通信原理》课程教学策略的知识应用进行论述，具有较强的理论和现实意义。
一、教师的学科教学知识
在20世纪80年代的西方教师专业化运动中，美国斯坦福大学的Shulman教授，针对当时在对教师的资格认证中，将教师的教学能力简单理解为教师具备的学科知识和教学知识的问题，指出对教师知识的分析是推动我们对教师行为分析的最主要的因素，提出了“学科教学知识”(pedagogical content knowledge/PCK，也有人译为教育学内容知识、教学学科知识、教学专业知能、学科内容教学知识等)这一重要概念。舒尔曼认为，学科教学知识是学科知识和教育学知识的特殊混合体，是教师对学科知识独特的专业理解，为教师所特有，是“教师对如何帮助学生理解具体学科内容而做出的理解”。学科教学知识使教师学会如何组织和呈现具体学科的主题、问题、结果，使之与学习者多样的兴趣与能力相适应，从而组织教学。学科教学知识的提出，为教师的专业化发展提供了理论基础。
学科教学知识是教师在教学中将特定的学科教学内容加工转化而形成的能为学生接受的知识。学科教学知识的形成需要教师对学科知识、教学知识、学生知识、情景知识等进行整合，并对教学经验不断归纳、总结与调整。因此，学科教学知识具有实践性、情景性和个体性。学科教学知识的形成揭示了教师教学能力发展的复杂过程，使对教师教学能力的研究更为深人与科学。
舒尔曼提出的“学科教学知识”概念引起了学者们对与教师教学实践相关知识的重视，学者们进行了大量的论述与研究，“学科教学知识”理论成为教师教育、课堂教学行为分析、科学教育等学科教育研究的重要内容与基础框架。后经过修改和补充，舒尔曼又进一步阐释了学科教学知识的框架。以此为基础，学者根据自己的理解，提出了学科教学知识的内涵;尽管不同的学者有不同的见解，但大同小异，基本上都认为学科教学知识包括:教师教育信念、学科知识、教育学知识、关于学生的知识、教学情境知识等几个方面。
二、《通信原理》课程教师的学科教学知识
现代社会是信息社会，电子与通信类专业从而也成为极为热门的专业。在电子与通信类专业的课程结构中，《通信原理》是极为重要的专业基础课程。此课程的主要任务在于研究通信系统中的基本概念和基本原理，让学生掌握通信系统的基本组成、理论原理、实现方法和系统性能，能够在后续课程的学习和工作中灵活应用，并激发他们对通信学科方面的学习兴趣和热情，使他们有足够的自信和能力来适应这一日新月异的领域。该课程内容涉及随机过程、复变函数与积分变换、信息论、信号与系统、数字信号处理等多方面的知识。高等教育是人才培养的主渠道，而教师则是决定学校教育质量的关键。在创新人才教育的大背景下，有必要对《通信原理》课程教师的知识结构框架进行分析、研究。
对于教师学科教学知识框架，除理论研究之外，也要进行实证研究，如调查分析、测量、比较等;而教师知识结构必然会涉及学科和专业。以往的研究多涉及基础教育领域的教师;近年来，高等教育专业的教师学科教学知识也开始受到重视。笔者在理论分析、听课、亲历教学的基础上，提出了高校《通信原理》课程教师的学科教学知识框架。高校《通信原理》课程教师的学科教学知识应该包括如下主要内容:
(一)《通信原理》课程教学模式知识
《通信原理》课程教学方法因课程中具体内容的性质而有所不同，常用的教学模式有:仿专家思考模式，是要求学生像通信专家一样思考，强调学术严谨，以传授专业知识为主的教学模式。概念转换模式，是通过使学生产生情景上的冲突，改变学生原有的概念，帮助他们建立通信科学概念的模式。探究模式，包括一般意义上的探究和以学习共同体为中心、分工负责、利用实验室条件进行研究的“小组合作学习”或“合作探究”模式。基于项目或课题的教学模式，即以“导向”性的问题为中心，围绕一个主题组织概念、原理，指导学生通过实验和调查得出解决方案等。
在熟悉《通信原理》课程教学模式的基础上，应根据本科和高职专科的《通信原理》课程教学目标的不同和学生基础的不同，采用不同的课程教学模式。根据作者的经验，本科教学中适合采用仿专家思考模式、概念转换模式、探究模式;高职专科教学中，则宜运用基于项目或课题的教学模式和探究模式。这些模式在教学中还需要灵活交替使用。不论采用何种教学模式，《通信原理》课程的教师都应当具备体现《通信原理》课程特点的教学策略。笔者在教学中大量使用了理论教学与实验、实习相结合，以及案例教学的策略。
(二)通信专业课程专业培养目标和教学目标知识
通信专业的培养目标是:培养一批具有坚实的理论基础、很强的创新意识和动手能力的人才，主要培养德智体全面发展、基础扎实、知识面宽、素质高、富有创新意识、在通信领域内获得专业训练的高级技术人才，以适应国家加速信息化发展对人才的需要。专业是以通信技术为主，结合计算机应用的宽口径专业。根据教学目标，我们应该重点围绕通信系统设计、智能信息处理、无线通信及测控、现代交换技术、光通信技术、计算机视觉与图像处理等展开教学应用型人才的培养。
只有从总体上理解了通信专业课程专业培养目标和教学目标，才能在课程教学中处理好《通信原理》和其他课程的关系，达到预期的专业培养目标。为此，我们需要根据创新人才教育的大思路，从高等教育特点和各学校具体条件出发，结合各个专业的特点，加强专业理论教学、实验教学、实践教学活动。
(三)《通信原理》课程目标与内容知识
为了适应新世纪的需要，《通信原理》课程的培养目标是:培养具有厚基础、宽口径、高素质、强能力，特别是具有工程实践能力和创新能力的科技人才。通过本课程的学习，使学生获得必要的信息通信与传输方面的基础理论知识和基本技能，为后续专业课程的学习打下扎实的理论基础和动手能力;使学生在模拟和数字通信方面建立清晰的系统概念，掌握通信系统的一般分析方法，并具备一定的通信系统设计能力;使学生了解通信技术的最新发展方向，从而把握通信学科发展脉络，激发学生的主动性与创新性，提高学生的综合素质和创新能力，为培养能够解决挑战性问题的新一代工程师打下坚实的基础。
《通信原理》课程内容具体包括:通信的概念、通信系统基本组成、数字通信系统、信道简介;信息嫡的基本概念;AWGN信道下香农信道容量理论;信号的频域分析方法，自相关函数与功率谱密度，互相关函数与互谱密度;Hillbert变换，解析信号，等效基带分析;随机信号与平稳随机信号，窄带平稳随机信号，高斯白噪声过程;模拟调制;模拟信号的数字化;高斯白噪声信道中的数字传输;带限AWGN信道下的数字传输等。对这些内容的深入了解和精深掌握是做好《通信原理》课程教学的前提条件。
除了对这些基础知识的牢固掌握以外，教师还应该对通信的研究史和发现史、学科研究与开发最新进展，特别是光电子通信有较多的了解，并在教学中适当进行最新研究与开发成果介绍。
(四)学生对本专业知识的理解能力知识
通信专业教师应该了解学生对具体专业知识的理解能力，包括学生学习需要和学习困难的知识。所谓学生学习需要的知识指的是学生在学习某个通信原理课程内容之前必备的专业知识和技能。学生的学科理解能力是影响教学效果的重要原因。只有深人了解学生学习《通信原理》课程需要哪些预备知识、难点是哪些等，才能有的放矢，提高学生学习的积极性，提高教学效果。学生学习《通信原理》课程时，较难理解和接受的知识包括通信的抽象概念、随机过程概念、信息熵、Hillbert变换，教师教学中应该努力让学生掌握这些方面的内容。
(五)通信安全意识
通信安全涉及国家、单位，以及个人的通信秘密保障，关乎国家、社会征集、经济、军事等各方面的安全。现有的《通信原理》课程教材都不涉及通信安全教育，这是一个很大的缺陷。《通信原理》课程教师不仅自己应该具有一定的通信安全知识和相关思考，更应该将其渗透于《通信原理》课程的教学之中。
三、《通信原理》课程学科教学知识的运用
《通信原理》课程教师应该具备上述学科教学知识，并能熟练地运用于教学实践活动中。作者在自己的教学实践中对《通信原理》课程学科教学知识进行了灵活运用。下面对其中的教学策略知识的运用举例说明如下:
(一)学科知识传授方面，教学重点放在数字通信系统部分
《通信原理》内容包括通信的基本理论、模拟调制、数字传输、编码技术几个大部分。由于现代通信的发展方向是数字通信，因此，教学重点在数字通信系统部分。在课程的开始阶段，让学生准确把握数字通信系统的组成、各模块的功能，使得学生能够把本课程的内容有机地组合起来，在学习具体知识点时能明确它们在通信系统中所起的作用，收到“既见树木，又见森林”的效果。《通信原理》是一门理论和实践并重的课程，在理论教学方面，要让学生掌握通信系统的基本组成、理论原理、分析方法。为了提高教学效果，在课堂上采用设问思考和逆向思考提问等教学方法，启发学生思考、诱发学生的思维、激起学生的求知欲望。在教学过程中注重考虑学生的学习方法和接受能力，在备课时，采用换位思考方法，感受学生的困惑，考虑讲解的技巧，以在最短的时间内收到最佳的教学效果。同时根据不同的教学内容和教学对象，注意将学生自学和精讲重点、难点结合起来。在每章及每小节结束时，注意进行课程总结，让学生及时巩固所学内容，便于继续学习新的内容。
(二)通过介绍新技术进展，提高学生学习的兴趣
《通信原理》是通信专业的基础课程，涉及的最新技术不多，而本院电子信息与科学技术专业通信方面的后续课程也不多。而且，在中国的高等教育中，工科教育的一个较明显的缺陷是最新科研与开发成果很难及时在教材中体现，用什么教材讲什么内容的传统也使得最新科研与开发成果很难在教师的授课过程中被包括进来。通信的发展日新月异，新技术层出不穷，如何在有限的课时里让学生掌握通信基本理论的同时，尽量了解更多关于通信方面的新理论和新技术是教学中需要解决的问题之一。作者在教学中采用课内附带介绍最新进展的形式来实现。例如，在讲解基本内容的同时，附带介绍了移动通信的发展状况、移动通信中常用多址方式、3G技术及其现状等内容，既能提高学生的学习兴趣，开拓其视野，也能为他们将来从事这方面的研究和开发指明方向。
(三)通过CAI和仿真辅助教学，加深对理论的理解
大量使用多媒体进行教学，并在课件设计上注意突破简单的演示型模式，体现知识的建构过程，重视知识要点的剖析，提高学生主体的参与程度;在课堂讲解上，注意将重点内容在黑板上列出，避免让学生有看电影的感觉，同时便于学生理解掌握原理，从而弥补了传统教学和多媒体教学各自的不足;同时，利用仿真软件对通信系统进行仿真观察，提高了学生对理论的理解能力，培养了学生的系统观念。
(四)加强教学实践，巩固所学内容
《通信原理》是一门实验性很强的课程，为了帮助学生巩固所学的内容，加深理解，笔者在教学中采用两种方法来进行教学实践。其一，精心设计实验，利用本系现有的实验设备，设计实验内容;其二，利用MATLAB仿真软件，编写仿真程序，采用课堂演示的方法。比如，通过仿真实现多种解调方式的误码率曲线，可以让学生们直观地了解它们的性能差异，体会“面对面”交流的乐趣。而编程基础比较好的同学可以开发一个简单的数字通信系统，重点让学生练习使用信源编码信道及接收机的仿真实现等。这样，既提高了学生的编程能力，也加深了其对整个通信系统的理解。
系统科学的原理范文第2篇
关键词：计算机仿真；教学改革；通信系统原理；创新能力
中图分类号：G642.0？摇 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0201-02
随着计算机的广泛应用和通信技术的不断发展和更新，通信系统的复杂度迅速增长，这就要求掌握现代通信理论和技术的高级技术人才日益增多。因此，如何让本科学生更好地掌握现代数字通信中以调制解调技术和通信信道的性能分析为代表的新技术及其应用能力，适应市场需要，拓宽就业渠道，是电子信息工程专业实践教学面临的紧迫任务。因此，在普通高校我们的教育目标就是要培养具有扎实的专业理论基础、有较宽领域的工程技术基础和有一定专业知识的高级工程技术人才，尤其是作为电子信息工程专业的学生，他们将来是国家信息科学技术行业的中流砥柱，因此，他们不仅要掌握好电子专业方面的基础知识和实用技术，还必须要掌握一些有关通信技术方面的基础知识和实用技术。考虑到通信技术的发展和更新速度，采取以往购买硬件实验设备来提高学生实践能力的方式，一方面购买设备需要申报的时间相对较长，往往难以跟得上学生的实际需求；另一方面购入的设备淘汰较快，容易造成浪费。如某大学在进行本科教学评估时购入了价值400万的通信原理教学实验设备，不到4年这批设备已面临淘汰的困境。因此，解决上述问题的一个有效方法是采用虚拟技术来实现，即采用计算机仿真实验技术来实现。也就是通过建立器件、部件乃至系统的模型，并用模型在计算机上进行仿真，利用计算机的高速运算处理能力，完成对通信设备与系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。更为重要的是由于采用软件技术仿真实现实验项目，实验项目的更新更容易。有专家指出利用计算机进行建模理论和方法是推动仿真技术进步发展的重点研究方向。美国等发达国家在仿真领域一直是将建模理论和方法的研究工作列为重中之重。计算机仿真实验技术的优良特性，将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。
一、教学中存在的问题
目前在大多数开设通信原理实验课的高校，所有的通信原理实验仍然全部采用实验箱来完成，但是由于实验设备的性能问题，在实验操作过程中会导致某些实验无法得出正确的结果，而且学生也无法对实验原理框图进行逐点的波形分析，实验效果并不理想。而且综合性创新性实验项目很少，无法给学生提供更大的实验平台，更谈不上创新能力的培养。采用实验箱做实验属于传统实验，实验的正确与否依靠实验箱的性能，而实验箱设备由于操作的学生较多，出现损坏的情况比较严重，而厂家来维修的时间有限，所以会导致上实验课能用的实验箱的数目大大减少，极大地影响了实验课的教学质量。而如果采用虚拟实验来做这些实验项目，它与传统实验相比，虚拟实验除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。此外，传统的通信原理实验主要通过硬件电路实现各功能模块，由信号发生器产生信号，用示波器观察各点波形。由于实验条件的限制，往往得不到准确的实验结果，而且学生面对复杂的电路板难以从系统的观点去分析各点波形关系。因此，设计出一套与传统实验相配合的虚拟实验软件，采用软件模拟的方法，通过灵活调节各个实验参数，灵活控制实验进程，便可很好地弥补传统通信原理实验的不足，同时可降低实验设备成本和节省经费，实现在没有购买新模块的情况下完成实验项目。
二、教学改革探索
1.教学内容的改革。《通信系统原理实验》课所包含的内容很广，里面涉及有基础性实验内容和综合性创新性实验内容，实验学时又短，如何在学时有限的情况下，掌握如此多的实验内容，如果采用传统的实验箱来做，是全部完成不了的，只有选取有代表性的实验来完成，而如果采用计算机仿真来实现的话，就有大量的时间来完成，而且即使上课时间完成不了，学生还可以回家继续来完成。这样对掌握基础理论知识提供了强有力的实验支持。目前，虽然传统通信实验中有部分实验采用计算机仿真来实现，但只是采用软件编译出结果，看不到原理框图，无法进行全面分析。为了让教学内容更丰富多彩，在实验教学内容中将所有的实验内容采用统一软件仿真平台，全部实验内容采用计算机仿真的方法在同一个平台下进行调用来完成。学生在该软件平台下完成课程大纲所要求的基础性实验项目，而且能根据教师要求完成综合性创新性实验项目的仿真，并能根据不断出现的新技术如3G等，及时实现计算机仿真，让学生真正掌握通信原理技术。软件平台界面如图1所示。
基本实验有眼图实验、AMI/HDB3编译码过程实验、抽样定理与PAM调制解调实验、PCM编译码实验、？荪M实验、FSK实验、BPSK实验等。针对现代调制解调新技术实验项目仿真，包括GSM蜂窝移动通信使用的GMSK技术，CDMA使用的QPSK和扩频技术，无线局域网用到的QAM等。综合性实验项目有计算机数据传输通信系统综合实验，使学生适应不断发展的通信技术，帮助通信专业的学生在通信系统领域建立一个较为完整的框架体系，有利于对其所学的知识进行综合和提高。创新性实验项目要求学生根据教师要求自动建模，提高学生的创新能力和动手能力。
2.教学手段的改革。采用软件仿真的实验手段突破了传统的实验教学模式，由于将通信原理实验课程大纲所要求的实验项目采用计算机仿真来实现，提高了学生应用计算机仿真软件的能力，而且它与实验箱配合起来使用可以使学生更好地掌握通信系统的构成及原理。①教学方式的改革：在教学实验过程中，教师在上课前指导学生先进行理论知识的复习，在每个实验的软件仿真界面中都有理论的内容；教师根据实验内容让学生进行框图的搭建，让学生可以从系统的观点去分析原理框图中各点的波形图及各点之间关系，而且还可以灵活设置各个实验参数，进而分析不同参数为何会有不同的结果，最后写出分析报告。②增加通信新技术的虚拟仿真，使学生适应现代通信技术的发展，满足社会对这方面人才的需求。③利用计算机网络的优势，虚拟实验可以实现实验项目的远程操作，弥补了实验场地和实验时间的不足。使学生上实验课不再受时间、地点及实验设备的限制，从而提高了学生学习的主动性，提高教师的教学效率。④考核方式：采用上课提问和分析报告两项来给成绩，而不是采用以前那种实验报告的方式，杜绝了学生抄袭的行为，真正做到公平公正，从而促进学生真正动手动脑去做实验。
随着科学技术的不断发展和社会竞争的日益激烈，我们教学的总目标就是要让学生能够真正学到知识，并在今后的工作中能学以致用，成为国家所需的高级工程技术人才，因此在教学过程中教师要不断地根据实际情况对教学内容和教学方法作一些改进，培养学生综合应用能力，增强分析问题、解决问题和动手的能力。通过自己在任教实践过程中对《通信系统原理实验》课进行的一些改革探索，在教学中也取得了一定的效果，但是，课程教学改革是一项长期而艰巨的任务，目前还只处于探讨和实践阶段，并不完善，需要在今后的工作实践中不断地加以总结和完善。
参考文献：
[1]张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安电子科技大学出版社，2003.
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[3]达新宇，等.现代通信新技术[M].西安电子科技大学出版社，2002.
[4]沈连丰，等.通信新技术及其实验[M].北京：科学出版社，2004.
系统科学的原理范文第3篇
关键词：员工绩效管理 科学合理 建立 绩效评估
随着科学技术的不断发展，科学技术已经成为了拉动社会经济发展的重要动力，而作为科学技术研发主体的人，对经济发展的所起到的能动作用是显而易见的，社会发展的知识经济时代已经到来。所谓的知识经济，从根本上说就是人才经济，有知识、有技术、有能力、敢创新的人才是推动世界经济与科技发展最核心的动力。在市场竞争日及激烈的现代社会，企业要发展就必须重视起对企业内部人才的重视，让其发挥对企业发展的巨大推动作用，提高企业的核心竞争力。员工绩效管理系统对有效提高企业工作人员素质具有重要的作用。
一、科学的员工绩效管理系统
员工绩效管理主要是指企业在对其自身的战略目标进行设计与规划时，要将这一目标逐层分解到企业内部的各个单位和部门中去，切实落实到每一个员工的工作中去。
员工绩效管理是一种十分有效的企业管理方法，它不是一种间断的、孤立的工作，而是一个需要不断持续、沟通与交流的过程。企业的管理者和企业员工之间要时刻保持双向交流，协调配合，为了同一个工作目标而不断努力。在具体的实施工程中，企业的管理者要在了解员工基本情况基础上对其工作内容与工作质量进行监督与管理。管理者要使员工对企业的价值、基本目标、企业文化等企业的基本情况进行充分的理解，在此基础上提醒员工发现自己在工作中存在的问题与缺陷，并帮助其提高工作的能力，鼓励员工进行创新与学习，提高自身文化素质，使企业内部形成一种团结、奋进、积极、互帮互助、善于学习与创新的良好氛围，从而有效推动企业的进一步发展。
二、如何建立起科学的员工绩效管理系统
良好的员工绩效管理系统的建立，对完善企业的内部管理制度、调动员工的工作积极性、提高员工的素质与工作能力等都具有重要的意义，是提高企业核心竞争力、增加企业经济效益的有效途径。然而，由于我国的员工绩效管理系统在具体的实行过程中存在着诸如对企业员工的技术培训不合理、绩效指标结构不科学、绩效管理系统没有充分的落实到实处、发挥效用不大等许多问题，严重制约着我国企业的进一步发展，因此，建立起科学合理的员工绩效管理系统是十分必要的。
1.明确员工与管理者的责任。在制定企业的员工绩效管理计划时，要首先明确好管理者与员工各自所肩负的责任。员工的主要责任应包括理解企业的长远与既定战略，了解企业各部门的工作与分工及其与自身业务的关系、制定好自己的工作计划与绩效计划、让企业的管理者及时了解自己的工作状况（如工作的进展、变动、遇到的困难等），当企业管理者提出批评与改进建议时及时改正等。而管理者的责任是让员工明确企业的发展规划与战略目标、及时对员工的工作状态进行了解，根据企业的发展情况与其他因素，完善员工绩效管理的各项标准（如奖励机制、评优评奖资格标准等）、对员工工作中遇到的困难给予指导并提出改进意见等。
2.绩效指导与强化。这一步骤常常被许多公司忽略，然而，绩效指导与强化工作作为企业管理者与员工之间的一项重要交流与沟通过程，对提高员工的效绩管理工作水平具有重要意义。企业通过管理者对员工的绩效指导，能够更加详细地掌握员工现阶段的工作状态，解决员工工作中存在的问题，并可以此为依据确定企业的下一步培训管理计划。通过对员工进行集中知识培训的方式，提高员工的文化素质与工作能力，提高员工的工作效率。
3.员工绩效评估及回报。设置此项员工绩效管理工作内容的主要意义在于，企业管理者可以通过将企业计划绩效与员工的实际绩效相对比的方式，对那些出色完成本职工作的员工给予适当的物质奖励与精神奖励，提高员工的工作积极性。与此同时，员工也可以根据现阶段的绩效评估来对自己的工作进行评价，重新制定出符合自己的工作计划，提高自己的工作效率。
总之，建立起科学合理的员工绩效管理体系作为企业人力资源管理开发中的一个重要组成部分，对进一步调动员工的工作积极性、提高员工的工作效率、培养员工的创新意识等都有重要意义。只有实现我国企业员工绩效管理系统的科学建立，才能让企业在激烈的市场竞争中脱颖而出，推动企业的平稳快速发展。
参考文献
[1]（美）哈罗德・孔茨，海因茨・韦里克.管理学（第十版）[M].经济科学出版社，2010，15（2）：45-48
[2]（英）理查德・威廉姆斯著，赵正斌，胡蓉译.业绩管理[M].东北大学出版社，2012，14（6）：87-94
系统科学的原理范文第4篇
《操作系统原理》是计算机专业的核心课程，具有很强的实践性与实用性。大多学生都认为该课程容易学，就是掌握一些算法，比如进程调度算法、死锁避免算法、磁盘调度算法等。这反映出目前计算机教学中普遍存在的一些问题，即课程与课程之间相对独立，课程的章节之间相对独立，使得大部分学生缺乏系统结构观，只注重解决局部的编程和应用问题[1]。笔者发现，对《操作系统原理》课程的学习如果仅注重于细节的算法，难以真正培养学生的系统思维能力。让学生通过该课程的学习，构建大型软件的系统和结构化思维至关重要。
在课程体系中，操作系统论文被安排在程序设计、数据结构、汇编语言、计算机组成原理等课程之后，是第一门侧重研究大型计算机软件组成结构的课程。目前，计算机专业的系统能力培养已经被国内计算机教育专家所重视[1]，有条件的学校已进行了课程体系重构，而对目前尚未改革的学校而言，操作系统课程可以担当起该职责。
本文结合笔者在教学中的体会，提出应在操作系统原理教学过程强化结构概念和培养结构思维，从多方面探讨操作系统课程中无处不在的结构概念及其对教学的作用。
1结构的含义
操作系统是一个大型系统，所谓系统，是由相互作用和相互依赖的若干要素结合而成的、具有特定功能的有机整体[2]。所谓结构，是指系统内部各组成要素之间在时间或空间上排列和组合的具体形式。与结构相对应，系统的外延是系统对外呈现的功能，例如操作系统作为用户接口和服务提供者、操作系统作为资源管理者和控制者，都是从功能角度来阐述操作系统的外在表现。“结构决定功能”。系统论认为，功能是系统内部固有能力的外部表现，它终究是由系统的内部结构所决定。对于操作系统这样的大型软件而言，结构的好坏决定了软件的可移植性、可靠性、健壮性和可扩展性。
结是结合之义，构是构造之义。在科学研究和工程设计中，人们总是孜孜不倦地追求通过定义最小的本元集合和构造规则来产生某个目标系统。老子言：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”这与中国古代人讲究的“金、木、水、火、土”一样，都是朴素的探索世界结构的例子。这些与现代科学的认知殊途而同归。现代科学表明，物质都由相同的最基本粒子构成，结构的差异产生不同的物质，碳原子的同素异形体石墨和钻石便是最好的诠释。在计算机科学中，这一方法也被广泛应用，例如：程序由数据结构和控制结构决定。数据结构的本元是基本数据类型，而通过线性构造规则、层次构造规则和网状构造规则可以创建任意复杂的数据类型。控制程序的基本要素是语句，理论上通过顺序结构、分支结构和循环结构可以构造出任何程序。
结构在人类的认知过程中也扮演着非常重要的角色。结构化思维方法是以事物的结构为思维对象，以对事物结构的积极建构为思维过程，力求得出事物客观规律的一种思维方法。认知结构学习理论的创立者布鲁纳指出“掌握事物的结构，就是以使许多别的东西与它有意义地联系起来的方式去理解它。简单而言，学习结构是指学习事物是如何相互关联的。
综上所述，结构一方面强调构造，另一方面强调联系。因此，在教学过程中，应该重视结构概念和结构思维，注重操作系统各要素的组合方式和相互之间的联系，引导学生掌握操作系统构造的一般性规律。
2操作系统中结构的概念
可以说，结构贯穿于操作系统原理课程教学的始终。有效识别《操作系统原理》课程中的结构并理解其对操作系统原理教学的重要作用对于提高学生的认知效率非常关键。
2.1操作系统整体结构
操作系统的结构方面，较为普遍的是如图1所示的自底向上的由硬件、操作系统、应用程序等组成的层次化静态结构图。从静态的角度看，一个计算机系统由各种物理特性和传输速度各异的硬件、实现不同功能的资源管理模块和众多应用程序组成。这些是计算机系统的基本要素。抽象和分层将这些要素组合成一个有机整体。在这一结构图中，以内核为基准，向下，通过硬件驱动程序屏蔽具体硬件的类型差异，使内核能够独立于纷繁芜杂的硬件设备而演化；向上，提供统一的系统调用接口，作为运行于用户态的应用程序访问内核功能的门户，从而使上层应用程序可以独立于内核而演化。无论是Windows XP操作系统、Unix操作系统、还是Android操作系统，都可以看作是这一基本结构的演化。
2.2内核结构
具体到内核本身，其发展历程中也经历了多种结构的演变，从早期的整体式单内核结构到后来的层次式单内核结构再到微内核结构。Unix和Linux都是单内核结构，而Windows XP和Mach属于微内核结构。图2给出了层次式单内核和微内核的结构示意图[3]。鉴于操作系统软件的复杂性，内核的结构对操作系统软件的正确性、效率、可扩展性、可移植性等具有重要作用，是“结构决定功能”的典型范例。
整体式结构存在于上世纪50年代，当时对结构的关心甚少，内核被划分成功能相对独立的模块，而模块之间可以不加控制地自由调用。这一结构的优点是结构紧密、组合方便、系统效率高，但缺点也很明显，即模块之间调用关系复杂，系统结构不清晰，可移植性差，当系统规模变大时难以保证正确性。
层次式结构则将模块依照功能的调用次序排列成若干层次，各层之间单向调用。其优点是接口少而简单，下层模块的正确性为上层模块的正确性提供了基础。然而，严格的层次难以界定，严格的分层也降低了系统效率。此外，由于一层包括了非常多的功能，对于某个层次进行大的增删可能会对相邻层产生意想不到的影响。因此，很难在某个操作系统基础上通过适当增/删功能实现定制的操作系统，而这一点正是微内核的初衷。
微内核认为只有最核心的操作系统功能（例如进程切换、消息传递、设备驱动等）需要运行于内核态，而其它服务可以建立在微内核之上，作为服务进程运行在用户态，相互之间依赖于微内核的消息传递进行交互。通过这一结构的改变，微内核操作系统具备了可扩展性强、移植性好、可靠性高和易于支持分布式实现等诸多优点。
2.3进程结构
2.3.1内核功能组织和进程映像逻辑结构
在教学过程中，笔者发现部分学生会将操作系统看作是一种独立而神秘的特殊程序。确实，操作系统有其特殊性，例如其运行在内核态。但更重要的是，操作系统程序和普通程序一样，需要获得处理器后才能执行；操作系统程序并不一直占用处理器，只要有可能，就会主动放弃对处理器的控制。为了深入理解操作系统程序和普通程序的异同，则必须理解操作系统内核功能的组织模型和进程映像结构。
在多道程序操作系统中，用户程序被组织为进程在用户模式执行，而操作系统的功能是否也需要被组织成独立的进程，则有不同的选择。一种早期的组织方式是，操作系统的功能运行在任何进程之外，拥有自己独立的地址空间和运行栈。第二种组织方式是让大部分内核功能在用户进程内执行，将OS看成是一组用户进程经常会调用的常用功能的集合。为此，每个进程映像不仅包括用户程序执行所需的环境，还需要包含为执行操作系统内核程序执行所需的代码、数据和堆栈。这一执行模型很好地诠释了进程和程序的关系并非是1对1的。在同一个进程内，可以执行用户程序和操作系统程序，而在不同进程中执行的操作系统程序是相同的（通过共享地址空间共享）。最后一种方式是将大部分操作系统功能也组织成进程，与用户进程一样可被独立调度。这种方式的好处在于一些非关键的操作系统功能可以按照某个优先级和其它进程交错运行，同时，在多处理器环境下，也便于操作系统服务在不同的处理器中运行，从而提高性能。图3为上述3种操作系统的内核功能组织方式。这一差别导致了进程映像逻辑结构的不同，如图4所示。在教学的过程中，学生经常难以理解为何用户进程映像还需要包括内核栈，在对内核功能的组织方式和进程映像结构有了基本了解后，应该可以释疑。
2.3.2多线程环境下的进程结构
引入线程后，进程成为地址分配和保护的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位。为了让学生更深入理解同一进程中的多个线程对进程地址空间的共享和线程切换的代价，有必要对多线程环境的进程结构有所了解。图5给出了单线程进程和多线程进程的结构示意图。当引入线程后，多个线程共享进程的地址空间，因此一个线程对数据所做的改变对其它线程可见，这要求多个线程之间采用某种互斥/同步机制以解决线程并发可能造成的数据不一致问题，为后续并发并同步相关内容教学作好铺垫。
引入线程后，原有的进程控制块相关信息进一步分解，与进程有关的如存储管理信息、打开文件列表等依然保存在进程控制块中，而线程执行相关的寄存器上下文则保存在各线程控制块中。当在同一个进程内进行线程切换时，仅需保存线程控制块中的信息即可，进程控制块中的信息无需保存，因此线程的切换开销更小。
2.4存储管理中的结构
在存储管理相关内容的教学过程中，笔者发现学生虽然能够掌握复杂的存储管理策略的地址转换方法，但对地址转换的发生时刻却仍然模糊。观察发现，如果让学生对程序生命周期的编译、链接、装入和运行这4个阶段的关系有明确的认识，学生会对整个存储管理结构更加了解。图6给出了源程序经过编译、链接和装入后变成内存可执行程序的过程。编译和链接后的程序都使用逻辑地址空间，链接同时会进行全部或部分的符号解析。逻辑地址和物理地址的转换既可以在装入时即发生（静态重定位），也可以在运行时发生（动态重定位）。由于动态重定位能支持进程运行过程中在内存移动（例如进程被挂起后又被激活，页面/分段在虚拟存储管理中被替换出内存后又被载入），因此广受青睐。
虚拟内存是存储管理中的另一项重点教学内容。理解虚拟内存首先必须理解由于技术和经济因素决定的层次化存储系统设计和各个存储层次之间的联系，图7给出了一个现代的多核处理器的层次化存储结构。在这一层次化结构中，每个上层的存储设备都可以被看成是下层存储设备的缓存。在此基础上，进一步掌握虚拟地址空间、内存映射表、物理内存和外部磁盘存储器的关系。在理解层次结构和各组成要素关系的基础上，掌握虚拟内存的管理就会变得更加容易。
2.5文件系统结构
文件的逻辑结构和物理结构是文件系统教学的一大重点。文件的逻辑结构是指文件的逻辑组织方式，从构成文件的基本元素而言，有字节和记录两种。流式文件指将文件看成由字节按顺序排列而成，记录式文件指将文件看成由记录按顺序排列而成，而索引文件则将记录按照某种规则排序，并建立记录的索引项提供快速的文件检索。现代操作系统大部分都支持流式文件，而将记录的重构交给应用程序完成。从结构的角度而言，流式文件仅支持最本元的字节操作，无法体现任何语义，但其也具有最大的灵活性。
文件的物理结构则是文件的物理组织方式，与物理磁盘的结构紧密相关。物理文件的基本组成单元是磁盘块。物理文件的结构指逻辑上连续的字节以物理磁盘块为基础单位的排列组合方式，也即逻辑文件到物理文件的映射方式。文件的物理结构决定了对文件进行修改和扩充的能力、对文件进行顺序访问和随机访问的性能等。连续文件需要以物理上连续的磁盘块来存储文件，因此文件难以扩充和修改，但类似于数组，顺序访问和随机访问效率高。连接文件允许以离散的磁盘块存放逻辑上连续的字节，易于修改和扩充，但类似于链表，需要按序读取，随机访问效率低。FAT文件简单地将这些离散的以链接方式存储的映射信息集中起来存放，在文件被访问时载入内存，因此较之连接文件访问速度大大提升。索引文件同样是将映射信息集中存放，但是以索引表的方式，因此既方便文件的修改和扩充，也能支持快速的随机存取。
文件系统的另一项重点教学内容是文件的目录结构及物理实现方式。文件目录采用哪种结构决定了文件系统中文件保护和共享的能力。例如，早期的单级或两级目录结构不利于文件的共享和保护；纯粹的树形结构能实现文件保护，但不利于文件共享；而DAG（Directed Acyclic Graph）结构有利于文件共享；更通用的图结构则不利于文件检索。
3教学过程中的结构思维培养
《操作系统原理》课程教学中，教学人员一般都会对上述结构予以讲解，但为何会出现本文开篇所提及的学生在学完课程后普遍认为《操作系统原理》就是学算法的课程，这一点值得深思。笔者认为，没有强化结构概念是导致这一结果的原因之一。操作系统的教学人员已经认识到应该在操作系统教学过程中帮助学生建立整体概念[45]，强化结构概念和注重结构思维培养是帮助建立整体概念的主要途径。
一般而言，教学过程都遵循自顶向下的原则，即先介绍整体结构，再介绍局部功能以及提高该局部性能的具体算法。但这一方法的问题在于，在初次介绍整体结构时，学生并未能对结构中的构成元素产生感性认知，因此对结构的作用感受不深。笔者建议按照图8的方法来加强学生对结构的认识。首先，通过自顶向下的结构分解建立学生对操作系统结构的初步印象；其次，在具体层次的功能讲解过程中，对存在的结构进行强化教学，注重各要素之间的联系；再次，对于重要的结构概念，注重在不同的教学单元进行交叉强化。例如，图7所示的层次化存储结构可以在不同的章节得到强化，包括进程七态模型的挂起态、多核CPU的进程或线程调度算法、存储管理中的快表、虚拟存储、文件系统的磁盘缓冲区和内存映射I/O等。进程的系统上下文概念也可以在进程映像结构、存储管理、I/O管理和文件管理中得到强化；最后，在讲授完主要层次后，通过自底向上的方式再次完成操作系统整体结构的重构。例如，图9给出了操作系统中的三大概念（进程、虚拟存储和文件系统）之间的结构关系。文件系统建立在I/O的基础上，对上层软件简化了外设操作。虚拟内存则是对包括主存和外存在内的存储进行抽象，从而使得用户可以按照内存操作的方式来访问文件。更进一步，进程则是对处理器资源和存储资源管理的抽象，构成了操作系统的核心概念。这一结构关系的重构可以在讲授完文件管理之后开展。基于图8所示的教学方法对结构概念从不同角度予以强化，学生对操作系统的整体认识将会产生由量变到质变的过程。
4结语
本文以“结构”作为《操作系统原理》课程教学的抓手，在教学过程中注重操作系统各要素的组合方式和相互之间的联系，引导学生掌握操作系统构造的一般性规律，探讨了操作系统中无处不在的结构概念，通过自顶向下分解、单元教学强化、交叉强化和自顶向上重构4个过程，深化了学生对操作系统结构的认识。
参考文献参考文献：
系统科学的原理范文第5篇
关键词：土地资源管理专业；地理信息系统课程；教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）37-0146-02
地理信息系统是由计算机硬件、软件以及不同方法组成的系统，用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示[1]。其英文表达多数称为Geographic Information System或Geo-Information System，实际工作中一般简称为GIS，是一门集计算机科学、地理科学、测绘科学、遥感等学科和技术于一体的新兴学科。自从20世纪60年代萌芽以来，至今已发展了四十多年的历程。地理信息系统已经从少数专业领域（地图学、地理科学）的应用，扩展到众多学科领域，在大部分专业中均有涉及，如环境科学、农业资源环境、生态学、遥感、森林经理等，目前在政府农业部门、林业部门、环境保护部门、渔业部门、水利部门、气象部门、国土部门，甚至公安部门和军事部门都有了很广泛的应用。可以说地理信息系统深入到社会各个领域[2]。
随着对GIS认识的不断增强，众多高校开设了地理信息系统课程，我校的土地资源管理专业、农业资源与环境专业、环境科学专业、生态学专业、环境生态工程专业、林学专业、农学专业、海洋资源与环境专业等都分别以必修课或选修课的形式开设了相关GIS课程。从实际情况来看，地理信息系统课程建设尚需要若干工作完成，在课程进行的过程中有些内容仍然亟需完善，是摆在我们面前的一个重要任务。因此，本文以“山东省特色名校工程”――应用型人才培养为契机，探讨土地资源管理专业中地理信息系统教学的设置和改革具有较好的实践价值。
一、GIS在土地资源管理专业中的地位和教学要求
土地资源管理专业学生主要学习土地资源调查、规划、管理等方面的内容。专业要求之一就是培养学生具备运用现代技术手段进行调查分析和实际操作的能力。地理信息系统作为一项新兴技术，是集计算机、地学理论等于一体的新兴交叉学科，同遥感和全球定位技术一样，都需要学生熟练的掌握运用。因而我校土地资源管理专业将地理信息系统课程设置为主干课程，是必修课程之一[3]。
地理信息系统课程要求土地资源管理专业学生能够熟练的运用常见的GIS软件解决土地资源的调查、建库、评价、分析、模拟等问题。学好这些需要学生既要有扎实的计算机文化基础知识，又要有地图学的基础，还要具备土地资源学及土地管理学方面的知识。因此，在理论教学的同时，开展实验和实习实践教学相统一[4-5]。
二、GIS课程在土地资源管理教学中的体系设置
考虑到地理信息系统是一门交叉学科，单纯的讲述相关内容，学生可能不容易掌握，又因为许多概念和原理比较难懂，十分抽象，因而需要合理的设置地理信息系统课程在专业课程设置中的位置。
我院根据教学实际，首先在土地资源管理专业大一课程设置《计算机文化基础知识》，了解计算机相关知识，掌握基本的计算机操作理念。在大二上学期开设《地图学》课程，让学生掌握地图计算机制图学的地理参考理论和方法。在大二下学期开设《地理信息系统》课程，同时开出《基础遥感》课程，这样学生在学习地理信息系统的同时，能够同时掌握遥感科学的技术和知识，起到互补的作用。因为地理信息系统是导论式的教学内容，针对专业特点，大三又开设《土地信息系统》课程，专门作为地理信息系统在土地行业的专题应用课程。大四开设《GPS技术》，让学生了解数据获取时地理坐标的表达和建立过程。
整个结构框架，很好的保证了地理信息系统课程的进行，更容易让学生掌握其知识、原理，熟悉地理信息系统在整个学习中的结构。
三、GIS教学中的具体措施
有了上述结构上的良好的保证，我们在教学过程中，从以下几个方面进一步进行课程的进行和改革。
（一）借助多媒体教学
多媒体技术在教学中的应用体现了众多的优势[6]。在地理信息系统教学过程中，由于涉及到的概念往往都很抽象，诸如“矢量数据结构、栅格数据结构”等，学生一般不太能够接受、理解这样的概念，所以对这方面知识的理解也就减弱。再如“数据采集内容中的图层”概念等，之前学生一般都没有接触过，头脑中无法形成对应的理解，所以更无从谈及对此内容的掌握。因此，在教学中，我们主要以多媒体教学为主，利用生动的图件、动画等，让学生感受到鲜活的知识，直观的体会相关知识，有助于理解抽象的原理等。
（二）利用模型进行演示教学
在多媒体教学的同时，教研室购买了一批教学模具，一些难以用语言、动画表达的概念，可以借助模具来展示。如在地图投影内容讲解过程中，我们可以用地球仪和屏幕的相对关系来表达地图投影的概念，通过两者之间的关系表达投影的类型等。讲授地理信息系统产品内容时，产品类型有数字地图和纸质地图两种类型，数字地图部分我们利用计算机屏幕显示一幅相关图件，而纸质地图部分我们可以给大家展示一幅某地区的土壤图或土地利用图，学生立刻就有了明确的对比。
（三）加强实验、实践教学
理论教学的同时开设同步的实验课程，地理信息系统实验课程的学时保证达到24学时。实验课程的内容主要涵盖了数据的采集、处理、数据库建设、空间分析、输出等地理信息系统主干内容，具体的实验例子以国土事例为主。实验教学过程主要是在机房，通过投影仪给学生演示基本的实验操作步骤，然后布置作业让学生自己完成。部分综合性比较强的实验，通过任务驱动式的方式进行[7]，既能够加强操作技能，又把所学的课程知识连贯起来。通过24个学时的实验课程，一方面学生掌握了各项实际的操作技能技巧，另一方面加深了对理论知识的理解。
GIS课程结合基础遥感课程联合开设了1周的课程实习，以GIS和RS所学基本知识为基础，布置实习任务，让学生分组完成相应的地学任务。通过教学实习，增强学生感性认识，促进学生对GIS技术的理解和应用。
（四）多种教学方法综合运用
越来越多的研究发现，教师在上课的同时并不是只应用一种教学方法或者方式，而是多种方法的综合应用。在地理信息系统的教学中，可以利用教师的科研项目作为案例进行教学，既可以增加学生的学习兴趣，又达到了与实际相结合的目的。另外在教学中，可以阶段性的提出几个问题，通过课堂讨论，对培养学生的创新思维。对于部分内容，让学生参与讲授，通过课下准备和课堂演讲，锻炼学生的课件制作能力和口头表达能力。
（五）充分发挥网络教学的作用
随着互联网的广泛应用，许多课程也开展了网络化的教学研究工作。越来越多的实践证明网络在教学资源共享方面起到了巨大的作用。与此同时，我校开发了网络教学平台，教师可以上传相关教学资料、课程练习题、批改作业，学生可以通过平台与教师进行咨询、上交作业等互动。我院地理信息系统课程制作了精美的课件，连同教案、练习题、教学大纲、参考文献等内容一同上传至网络教学平台，为学生提供课下自学和练习的素材。同时，土地资源管理专业的地理信息系统课程通过录播教室进行全程录像，制作了高清晰的课堂视频，学生可以利用视频在课下加深对相关内容的理解。
四、小结
《地理信息系统》课程在土地资源管理专业中是一门非常重要的主干课程，学生在专业学习的过程中需要掌握地理信息系统这门工具，通过掌握相关技术完成土地资源的调查与管理。在教学中，我们应该设置好地理信息系统课程在整个学科专业中的架构。以现代化多媒体技术教学为主，综合运用多种教学方法和模式。注重实验教学和实践教学，提高学生对地理信息系统操作技能的掌握能力。大力开发网络教学平台，促进课程的网络交流与互动，加大对地理信息系统学习的力度。多种途径、综合完成对土地资源管理专业学生在GIS课程中的培养。
参考文献：
[1]黄杏元.地理信息系统概论[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]邬伦.地理信息系统―原理、方法和应用[M].北京：科学出版社，2001.
[3]陈明利，刘佩茹.基于GIS的土地资源管理专业实验教学体系建设探[J].人才资源开发，2015，（11）.
[4]尚颖娟，刘秀华，谷达华.土地资源管理专业地理信息系统课程实验教学改革[J].西南农业大学学报（社会科学版），2011，9（5）.
[5]常胜.资环专业地理信息系统课程教学改革研究[J].中国现代教育装备，2010，（17）.
