計算機軟件專業(yè)論文分享
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基于Moodle的軟件技術(shù)專業(yè)課程教學實踐路徑探索
1 引言(Introduction)
從互聯(lián)網(wǎng)搜索的招聘職位來看，像手機游戲開發(fā)、Java工程師、網(wǎng)站建設(shè)等系列軟件技術(shù)行業(yè)的人才需求是很大的。但是，現(xiàn)實情況卻是軟件專業(yè)的大學生，尤其是高職院校的畢業(yè)生就業(yè)很困難。這就說明學校培養(yǎng)的人才，與社會需要的人才不相符。解決這個矛盾，勢必要更改學校的人才培養(yǎng)計劃，將社會需求與課堂、課后教學相結(jié)合起來，合理設(shè)置軟件技術(shù)專業(yè)課程體系。嚴格遵循“以就業(yè)為導向”，對目前的教學方法、教學模式進行改革，大力提高學生的必備的專業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務能力。
軟件技術(shù)發(fā)展是飛快的。很多知識剛掌握，就陳舊了，甚至不到一個月的時間。如我們常用的微軟的操作系統(tǒng)。只有不斷學習、自主學習、終生學習，才能追逐軟件技術(shù)的發(fā)展。因此，必須對軟件技術(shù)專業(yè)課程教學模式進行創(chuàng)新改革。經(jīng)過長時間的實踐探索，提出解決這個問題的有效方法之一，即構(gòu)建基于Moodle的教學平臺，為學生提供一個全新的、寬松的、自主的網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境。
2 基于Moodle平臺進行軟件技術(shù)課程教學的優(yōu)勢(The advantage for the software technology course teaching based on Moodle platform)
Moodle，即模塊化面向?qū)ο蟮膭討B(tài)學習環(huán)境，是目前世界上最流行的網(wǎng)絡(luò)課程管理平臺之一。它在2013年的“Top 100 Tools for Learning 2013 from Jane Hart”調(diào)查中，排在了11位，2012年也是排在了11位[1]。Moodle平臺充分利用建構(gòu)主義的理論，在教學實施中既要以學生為主體，又體現(xiàn)了教師的引導、監(jiān)控的主導作用，有效的將兩者結(jié)合起來。這種教學方式有效地改善軟件技術(shù)專業(yè)學生的學習方式，學習的主動性，增加了學生交流合作的機會，激發(fā)學習興趣。利用Moodle進行軟件技術(shù)專業(yè)課程的教學具有以下優(yōu)勢[2，3]：
(1)先進的教學理念
Moodle是遵循“社會建構(gòu)主義理論”建立的。在這個系統(tǒng)中每一處都體現(xiàn)了“以學生為中心”的教育理念。在這個平臺中，學生因為需要完成某個特定的任務而相互合作。在合作的過程中，不斷的交流、主動地獲取自己需要的知識。這就要求課程的設(shè)計者一定要將學習任務設(shè)置好，在Moodle平臺中教學設(shè)計的基本單位學習活動，一切的教學都是圍繞著學習活動的設(shè)計而展開。這樣的教學設(shè)計對教師提出了更高的要求，不能僅僅是關(guān)注教授知識，而是重點關(guān)注學習活動的設(shè)計、學習環(huán)境的設(shè)計。工作的核心任務是設(shè)計合理的學習活動、學習活動的評價和監(jiān)控規(guī)則，從而為學生學習提供一個既寬松的而又有紀律的學習環(huán)境，就像馬路上汽車可以從南向北開，也可以從東往西開，可以是60速，也可以是40速，但這些必須是在交法的規(guī)定下的自由行使。
(2)完善的教學平臺
Moodle平臺包括了資源、課程管理、測試、作業(yè)、聊天、論壇、wiki、投票和問卷調(diào)查等模塊。作為一個成熟的課程管理系統(tǒng)，為學校教學資源的整合提供了平臺;為教師信息化課程建設(shè)提供了環(huán)境;為學生提供了虛擬課堂的學習環(huán)境?？梢匀逃涗浗虒W活動，例如拿些學生訪問了這門課程，在線時間，進行了wiki貢獻，這樣方便教師的教學控制和分析。另外，Moodle平臺是開源代碼，在Moodle平臺社區(qū)中有很多可用的插件，可以免費下載，按需擴充平臺的功能。
3 基于Moodle平臺進行軟件技術(shù)課程教學的實施方案(The implementation plan for the software technology course teaching based on Moodle platform)
3.1 構(gòu)建基于Moodle的軟件技術(shù)課程的核心
在Moodle平臺上，學習活動組成了教學活動。一門課程設(shè)計的好與差，關(guān)鍵是學習活動的設(shè)計。軟件技術(shù)專業(yè)課程是有自身的特點的，所以基于Moodle網(wǎng)絡(luò)平臺的軟件技術(shù)課程教學活動的設(shè)計首先要分析課程的特點，然后分析社會的需求，接著確定課程目標，設(shè)計活動任務、實施活動任務、評價學習效果。在活動的實施過成中，利用Moodle資源、活動工具，設(shè)置多種任務驅(qū)動，例如案例驅(qū)動、任務驅(qū)動、情境驅(qū)動和角色驅(qū)動。
在整個教學過程中，教師利用Moodle平臺元素，提供像文本、圖像、動畫、視頻等多種學習資源和學習任務，為自主、協(xié)作學習提供優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。根據(jù)軟件技術(shù)課程的特點，設(shè)計案例驅(qū)動、任務驅(qū)動、情境驅(qū)動的任務。強調(diào)學生的設(shè)計和編寫程序的培養(yǎng)，強調(diào)溝通和協(xié)調(diào)能力，以實現(xiàn)自主學習目標。
3.2 基于Moodle 的軟件技術(shù)網(wǎng)絡(luò)教學平臺的教學活動設(shè)計
教學活動的設(shè)計對教師的要求是很高的。首先，教師要特別關(guān)注行業(yè)技術(shù)的發(fā)展情況，了解國內(nèi)外、省內(nèi)外甚至是市級區(qū)域軟件技術(shù)人才的需求狀況，從而制定軟件技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，確立軟件技術(shù)專業(yè)課程體系，設(shè)定軟件技術(shù)專業(yè)核心課程;然后，針對某一門課程設(shè)定合理的教學目標，教學進度;最后，利用Moodle平臺設(shè)計豐富多彩的教學活動。在活動中，充分展示課程的相關(guān)信息。同時也將教師的課程組織內(nèi)容放入平臺中，如課程標準、參考課件、相關(guān)視頻、參考文章、相關(guān)資源站點等。
在設(shè)計教學活動時，教師根據(jù)具體的課程進行教學內(nèi)容設(shè)計。可以是情境驅(qū)動型的，也可以是案例驅(qū)動型、或者是任務驅(qū)動型的。例如想介紹分支語句，傳統(tǒng)的教法直接給出if…的語法結(jié)構(gòu)，然后例子，“如果a>3，那么b=5”。這樣的例子沒有任何的情境，也沒有任何的意思。教師給以設(shè)定一定場景下，例如，“小王剛發(fā)完工資，看見工資條上有一項是“應繳納的稅收”，這項是如何計算的呢。”這種設(shè)置在現(xiàn)實生活的特定的活動，會讓學生覺得這項內(nèi)容在現(xiàn)實中是需要的，而不是僅僅的抽象的知識。在有實際意義的任務下，學生會積極主動的探討解決問題的方式。鍛煉他們對實際問題的分析能力、解決能力。在做需求分析設(shè)計時教師可以設(shè)計角色，包括用戶、項目組長、成員借助Wiki工具、博客或其他的交流工具，小組成員自行設(shè)計系統(tǒng)功能。在角色活動中，學生能夠體驗交流與溝通的魅力及其困難，鍛煉溝通協(xié)作能力。還有很多其他的案例，這些不同類型的任務不僅可以讓學生橫向思維，更可以激發(fā)學生的縱向思維能力，方便差別化學習與教學。
3.3 通過Moodle實施課程的教學
學生不僅可以在課堂上跟誰教師學習，還可以在課后進行自學。教師通過Moodle的教學監(jiān)控功能，隨時查看參與 自己課程學習的學生的基本狀況。不僅包括具體教學模塊的被訪問的次數(shù)、時間和場所，例如，學生下載了多少次教師的教案，在什么時間查看了多少次教學計劃等;還包括監(jiān)控教學模塊學生參與情況，例如，學號為111111的學生在討論交流時發(fā)了幾次言，以及發(fā)言的內(nèi)容、他的作業(yè)的提交數(shù)量等。由此可見，在學習的過程中，既能體現(xiàn)了學生主觀能動性、也發(fā)揮了教師引導監(jiān)督的作用，很好地處理了教師教學和網(wǎng)絡(luò)學習的關(guān)系。在教學的過程中采用任務與獎勵的，激發(fā)學生對軟件技術(shù)課程學習的自信心與積極性，充分體現(xiàn)了基于Moodle實施軟件技術(shù)專業(yè)課教學的優(yōu)越性。
在過去的一年中，軟件技術(shù)專業(yè)課程中有《C#程序設(shè)計》《網(wǎng)頁制作》《asp.net程序設(shè)計》進行了基于Moodle的網(wǎng)絡(luò)教學實踐，發(fā)現(xiàn)學生參與的積極性高，范圍廣泛，教學效果也很好。然而，Moodle并不是十全十美的，仍然存在一些問題需要改進，例如Moodle的外觀比較簡單，如果改進適應現(xiàn)代孩子的視覺效果，吸引他們的眼球;如何更好的設(shè)置活動，創(chuàng)建什么樣的情境能使老師與學生、學生與學生之間如同社區(qū)間的無障礙的進行交流等。
4 結(jié)論(Conclusion)
基于Moodle平臺的軟件技術(shù)專業(yè)課程的教學，打破了傳統(tǒng)的教學模式，為信息技術(shù)與課程相結(jié)合提供了有效的途徑。在這個平臺中，師生可以在社區(qū)中進行充分的交流，借助項目教學，任務驅(qū)動教學，提高了學生主動學習的意識，為自主學習創(chuàng)建了環(huán)境，同時也為軟件技術(shù)專業(yè)課程的教學改革提供了全新的理念。
參考文獻(References)
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基于DSP與BIOS內(nèi)核的運動控制器軟件技術(shù)創(chuàng)新
0 引 言
作為數(shù)控系統(tǒng)核心控制部件的運動控制器，市場上有基于單片機、基于ARM為主控處理+FPGA/CPLD作為輔控處理、基于DSP為主控處理+FPGA/CPLD作為輔控處理等多種硬件平臺的解決方案。在不同的硬件平臺上，軟件系統(tǒng)調(diào)度方案可以采用μC/OS?Ⅱ，BIOS，RT?Linux，VxWorks等多種實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，因而衍生出各種軟件系統(tǒng)的架構(gòu)方案。采用TI公司TMS320C6713系列DSP芯片為主控芯片+FPGA作為輔控芯片的硬件平臺的解決方案，其數(shù)據(jù)吞吐量和高速浮點運算上具有一般單片機不可比擬的優(yōu)勢。而采用TI公司的DSP芯片和CCS的開發(fā)平臺，可以使用配套的非開放源代碼的BIOS實時內(nèi)核，在中小型數(shù)控系統(tǒng)應用開發(fā)上，其更加專業(yè)，相比采用ARM硬件平臺而使用的開放性源代碼的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，采用DSP硬件平臺與BIOS內(nèi)核的運動控制器穩(wěn)定性更好，能夠節(jié)約實時操作系統(tǒng)移植和測試時間，縮短開發(fā)周期，因而其是一種合理有效的解決方案。
為了能夠在該平臺上進行有效的模塊化數(shù)控功能組件的開發(fā)、維護和移植，本文提出了一種標準化的軟件分層與接口架構(gòu)方案。該方案可作為一種設(shè)計模式，滿足不同用戶的基本功能與二次開發(fā)需求。
1 系統(tǒng)整體方案
1.1 運動控制器硬件實現(xiàn)平臺
本文采用的運動控制器的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，TMS320C6713系列DSP具有浮點運算器，能快速高效地完成工件加工軌跡插補計算。其集成外部擴展擴的EDMA和EMIF總線具有數(shù)據(jù)吞吐量大的特點。該DSP主頻為225 MHz，對應的指令周期為4.4 ns，相應的運算速度可達1 800 MIPS/1 350 MFLOPS，適用于中小型數(shù)控系統(tǒng)主控制器的需求。
ACTEL公司的A3P400系類FPGA是一種高密度，等效40萬門器件，其可配置的I/O可以兼容多種類型的數(shù)字電平。另外ACTEL公司提供的Libero集成開發(fā)工具，能提供數(shù)字PLL、高速FIFO等多種通用型軟核模塊，能夠節(jié)約開開發(fā)時間與成本，是作為運動控制器外部通信總線接口的一種可靠高效的硬件方案。
圖1 運動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖
1.2 系統(tǒng)軟件層次劃分
本文軟件系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)劃分，其層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 軟件架構(gòu)層次圖
(1) 用戶應用接口層?？筛鶕?jù)具體的用戶需求開發(fā)各種功能的數(shù)控應用模塊，并將各功能模塊作為組件通過接口嵌入到系統(tǒng)軟件中來。本文所開發(fā)的基礎(chǔ)用戶組件塊及其功能將在下一節(jié)詳細描述。
(2) BIOS內(nèi)核層。采用TI公司的CCS3.3提供的BIOS內(nèi)核以及其各種內(nèi)核組件，可有效縮短內(nèi)核移植和測試時間。CCS3.3提供圖形化界面接口，如圖3所示。其可對內(nèi)核各個組件進行配置和應用。它的內(nèi)核通過編譯后將在文件鏈接時植入程序，生成最后可執(zhí)行文件。
(3) 硬件驅(qū)動層。用于管理運動控制器板卡上與DSP相連的各個硬件設(shè)備的驅(qū)動，并為內(nèi)核與用戶應用層提供硬件訪問接口。板卡硬件包括：FIFO通信緩沖器、CNC脈沖發(fā)生器、UART總線控制器、SERCOS總線控制器等。外部模擬數(shù)字硬件設(shè)備采用FPGA或?qū)Ｓ肐C實現(xiàn)。
圖3 BIOS內(nèi)核圖形化配置界面
2 用戶應用軟件任務劃分
用戶應用軟件組件模塊可分為基礎(chǔ)組件和擴展組件?；A(chǔ)組件提供數(shù)控系統(tǒng)基本的加工、維護、調(diào)試、監(jiān)控等各種接口控制功能。擴展組件根據(jù)特定的用戶需求可選擇性裁剪安裝，一般擴展組件包括軟PLC編程接口，SERCOS總線、脈沖、TCP/IP、UART等各種通信協(xié)議數(shù)據(jù)包解析與格式轉(zhuǎn)換等功能。BIOS內(nèi)核是一款多任務實時內(nèi)核，可以在系統(tǒng)多個用戶基礎(chǔ)任務之間進行調(diào)度。本文所描述系統(tǒng)基本用戶組件任務劃分見圖4。
圖4 運動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖
2.1 HMI任務
HMI通信數(shù)據(jù)包幀格式如表1所示。HIM任務處理流程如圖5所示。
(1) 通信數(shù)據(jù)包格式。通信數(shù)據(jù)包格式固定，但功能信息結(jié)構(gòu)格式不固定。不同的信息，如調(diào)試信息、G代碼腳本信息的內(nèi)容等采用不同的信息格式，這樣用戶在增加新的功能組件時，只要自己編寫新的信息格式和編碼與解析方式，就能利用原有的通信協(xié)議進行開發(fā)，使得系統(tǒng)代碼能夠移植和重新利用。
表1 HMI數(shù)據(jù)包幀格式
圖5 HIM任務處理流程圖
(2) 數(shù)據(jù)包生成器。從已處理完的HMI信息隊列中按照不同約定信息格式讀取信息，并按照數(shù)據(jù)包的格式為其添加幀頭、物理地址、校驗碼等，生成一組數(shù)據(jù)幀，并將該數(shù)據(jù)幀通過EMIF總線寫入FPGA中的UART發(fā)送FIFO，待其轉(zhuǎn)換為對應數(shù)字電平發(fā)送給上位機。
(3) 數(shù)據(jù)包解析器。通過EMIF總線從在FPGA中實現(xiàn)的UART總線接收FIFO中讀取一個數(shù)據(jù)幀，并按照約定的用戶應用的解析方式解析成對應的信息，并將信息加載到HMI接收信息隊列，等待數(shù)據(jù)處理與交換任務啟動進行處理。
2.2 用戶數(shù)據(jù)處理與交換任務
用戶數(shù)據(jù)處理與交換任務流程如圖6所示。
本系統(tǒng)提供G代碼腳本解釋器、調(diào)試維護命令殼、系統(tǒng)錯誤診斷器三個基礎(chǔ)組件。用戶可根據(jù)特定需求植入新的組件，并編寫對應組件接口信息編碼與解析方式。
(1) G代碼腳本解釋器
數(shù)控G代碼解釋的方案很多。部分廠商采用在上位機解析成配置信息碼，并發(fā)送給運動控制器的方案。但此方案會增加數(shù)據(jù)通信量，使得通信時延增加。本系統(tǒng)采用的方案是：上位機以字符串格式將數(shù)控G代碼腳本信息打包發(fā)送給運動控制器，運動控制器對字符串進行重新組合，并通過識別組合碼配置數(shù)控參數(shù)控制塊。該方案可以減少通信負擔，減小通信延時，但是將增大DSP的運算處理量。因為DSP運算速度明顯要塊于通信傳輸速率，所以該方案是一種合理的折中方案。
圖6 用戶數(shù)據(jù)處理與交換任務流程圖
(2) 調(diào)試維護命令殼
該功能用于系統(tǒng)開發(fā)階段和系統(tǒng)維護階段。系統(tǒng)集成該功能夠之后，根據(jù)開發(fā)人員提供的維護指令手冊，在上位機輸入維護指令，返回運動控制器相應的關(guān)鍵系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)碼，能幫助維護人員快速地判斷系統(tǒng)運行中的故障，并為數(shù)控機床每個加工軸提供電機測試接口。
(3) 系統(tǒng)錯誤診斷器
負責管理和存儲數(shù)控系統(tǒng)需要監(jiān)控運行的重要模塊信息，一旦重要模塊運行發(fā)生故障，則把錯誤編碼保存在系統(tǒng)錯誤診斷器中，并在任務運行時將錯誤碼發(fā)送給上位機。
2.3 運動控制任務
運動控制任務是運動控 制器最核心的部分，也是BIOS內(nèi)核所管理的任務中優(yōu)先級最高的一個任務。不同廠商的控制器有不同的實現(xiàn)方案。為了能夠清晰理解與移植本文所述系統(tǒng)的運動控制程序，圖7給出了運動控制的行為與數(shù)據(jù)流框圖。
根據(jù)圖7所描述的運動控制行為，編寫的運動控制任務程序的流程圖如圖8所示。
圖7 運動控制的行為與數(shù)據(jù)流圖
圖8 運動控制任務流程圖
(1) 加工軌跡計算。加工軌跡計算控制器，綜合數(shù)控配置參數(shù)與實時的反饋數(shù)據(jù)，通過各種數(shù)值計算方法，進行各種數(shù)控插補計算，得到最終的加工數(shù)據(jù)，可以通過脈沖編碼格式或者SERCOS通信總線，發(fā)送給控制CNC的每個軸的伺服電機驅(qū)動器，控制電機的旋轉(zhuǎn)與進給。
(2) 電機驅(qū)動管理。實時地管理監(jiān)控CNC每個軸的電機驅(qū)動器。讀取驅(qū)動器的工作狀態(tài)，將需要上位機進行實時監(jiān)控的數(shù)控實時運行數(shù)據(jù)寫入CNC接收信息隊列，并通過數(shù)據(jù)交換控制任務，發(fā)送到上位機用于監(jiān)控。當有電機驅(qū)動器運行出現(xiàn)異常時，可以及時進行保護停止，并發(fā)送運行故障編碼。
3 軟件方案的驗證性測試
在本實驗室研發(fā)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)測試平臺如圖9所示。其中，HMI板通過JTAG接口與調(diào)試主機1相連，運動控制板通過JTAG接口與調(diào)試主機2相連。HMI板與運動控制板通過RS 422總線連接，并在采用UART協(xié)議進行通信。
由于電機運行軌跡與效果無法很好通過圖片展示，并且本實驗目的主要是驗證整個軟件系統(tǒng)架構(gòu)的可行性，并修補程序BUG。因而建議采用硬件模擬運行加Matlab仿真的驗證方法。
圖9 運動控制測試平臺
采用圓弧插補測試的方法，在上位機通過G代碼腳本格式導入測試指令腳本，運動控制器讀取數(shù)據(jù)包，解析出測試腳本信息后，進行處理和運算，得出的運算數(shù)據(jù)保存后，導入Matlab仿真軟件，生成運行軌跡圖，以便模擬仿真電機的實際運行軌跡。表2為CNC測試腳本的加工軌跡數(shù)據(jù)。
表2 測試加工軌跡數(shù)據(jù)
圖10為經(jīng)過系統(tǒng)運行得到的加工軌跡與原始測試數(shù)據(jù)的軌跡對照。
圖中點線：測試腳本數(shù)據(jù)擬合曲線;實線：DSP計算的加工數(shù)據(jù)擬合曲線。從方案驗證性測試實驗得到的模擬數(shù)據(jù)擬合圖像和原始腳本測試數(shù)據(jù)對比，可以驗證該軟件架構(gòu)方案和基礎(chǔ)用戶組件能在實驗室的CNC系統(tǒng)平臺上穩(wěn)定可靠地運行，因而驗證了該軟件架構(gòu)方案的可行性。
圖10 加工軌跡測試與模擬軌跡
4 結(jié) 語
本文基于TI公司的C6713系列DSP+FPGA作為硬件實現(xiàn)方案的運動控制器平臺，提出一種可移植性軟件架構(gòu)方案。通過三層軟件結(jié)構(gòu)模型的描述和基礎(chǔ)性用戶組件與接口的任務劃分，為用戶的功能的二次開發(fā)與軟件代碼的維護提供的一個基礎(chǔ)性平臺。并通過加工腳本測試驗證了方案的可行性與穩(wěn)定性。
參考文獻
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