数字教育系统范文

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【论文关键词】SOA　Web服务　数字教育资源　一站式　协同

【论文摘 要】充分利用网络共享优质教育资源，是当前教育数字化深入发展需要解决的关键问题之一。本文对分布式数字教育资源协同的需求进行了分析，提出了SOA环境下数字教育资源协同共享框架模型（MERSCA），论述了系统的主要架构和关键技术实现。希望在对现有各资源站点改动最小的基础上解决资源的共享和增值应用问题，创新数字教育资源公共服务模式，提高资源的利用效率。

一、引言

数字教育通过实现教育从环境、资源到应用的数字化，使现实校园环境凭借信息系统在时间和空间上得到延伸[1]。SOA(Service Oriented Architecture，面向服务架构)是为解决分布式互联网环境下的资源共享和重用而提出的一种新型软件系统架构，它允许不同系统能够进行无缝通信和异构资源共享。

传统的网络教育资源使用模式降低了远程教育系统中的资源通用性能力，造成了大量资源浪费。建设开放共享的数字教育公共服务体系是国家实施现代远程教育工程的核心组成部分，也是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》的重要主题[2]。SOA（面向服务架构）为数字教育服务体系建设提供了最佳支持，为构建开放的数字教育公共服务支撑平台，建立新型的面向数字教育的公共服务机制，国家支持实施了“数字化学习港与终身学习社会的建设与示范”、“数字教育公共服务示范工程”等多项重大项目，目前已经初步建立了“奥鹏”、“弘成”和“知金”三个覆盖全国的网络教育公共服务体系[3]。

在分布式教育资源服务的集成应用中，信息的交互、共享和数据的安全访问是关键内容[4]。设计一个全局的资源协同和访问框架来屏蔽资源平台差异，实现分布式资源的共享，以支持优质教育资源增值应用，构建开放和便捷的资源整合服务，成为SOA环境下教育资源数字化建设需要解决的首要问题。

本文在对分布式环境下数字教育资源协同的需求进行分析的基础上，设计了SOA环境下数字教育资源协同共享框架模型（MERSCA， Model of E-learning Resources Sharing andCoordination Architecture），然后从协同数字教育资源一站式访问和数字教育资源服务基于序关系的协同两个方面讨论了MERSCA实现的关键技术。实践研究表明，MERSCA模型是分布式数字教育资源协同共享系统建构中一种可行和实用的方案。

二、分布式数字教育资源协同需求分析

数字教育要达到的重要目标是信息共享和应用集成，需要经过一个长期的建设和完善过程[5]，涵盖资源建设、资源集成、知识处理、平台接入和运行、质量监控和资源评价等多个方面，所以在建设之初就应融入基于全局观点、具有可扩展性和新技术兼容等多个方面的考量。

SOA环境下数字教育资源协同共享框架及实现涉及资源协同的可扩展性、资源访问的便捷性、用户身份的管理以及认证、授权、加密等多项技术，框架的整体设计应满足以下目标：

（1）灵活性

数字教育服务架构通过通用性的服务接口调用来实现资源的跨域整合，个体原子服务独立于实现平台，具有松耦合、可扩展等特点，它们往往在不同时期由不同厂商开发，设计方法和开发技术也有所不同，各自拥有独立的用户认证体系，也因此导致了目前各个系统的用户数据分散，不能统一管理，难以共享数据的现状[6]。数字教育资源一站式协同架构需要从整体上灵活地鉴别用户，为这些多类型的安全服务提供基于整体访问的跨域安全集成，提供统一访问入口，从而提高优质资源整合的敏捷性。

（2）信任迁移

面向服务的思想使得资源应用逐渐趋向于分布式和相互合作的形式，用户的身份和授权也不再局限于某一特定的信任域。当资源来源于多个安全域，为保证资源交互活动安全，每次访问都需要对用户进行身份和权限准入确认，降低了资源使用效率[7]。因此需要一种信任迁移机制，能够提供一个整体的、运行时身份验证尽可能少的安全信息共享方案。资源访问主体只需要在某个安全域中进行一次身份认证，就可以访问其被授权的当前安全域其他资源或被当前安全域信任的其他域中的资源，不必通过多次身份验证操作来获得授权。

（3）可伸缩

模型应当能够提供开放式体系结构，实现可扩展的安全访问机制，框架应当将信息系统所面对的教育企业或机构从整体应用的角度统一对待，保持通过增加资源使服务价值产生线性增长的能力。当有新的应用需要部署或增加时，不需要对应用程序本身进行大量修改，通过考量安全方案规划技术发展因素，使新的安全技术和规范可以很方便地融入[8]。

三、数字教育资源一站式协同

架构模型（MERSCA）

SOA环境下数字教育资源协同共享框架模型结构如图1所示。MERSCA采用层次结构建模方法，从数字教育资源服务中协同资源一站式访问与基于序关系的动态协同两个核心技术构建资源的安全整合，把握用户对于教学设计逻辑和资源访问等个性化需求，在进行异构数字教育资源协同架构规划中兼顾目前和未来的发展。MERSCA模型从下至上分为资源管理层、通信层、资源组合层、资源协同层和应用层。

（1）资源管理层

我国教育数字化建设中的一个重要组成部分就是网络教育资源开发。为促进网络教育资源建设，国家投入了大量的人力、物力和财力，目前已经建立起了媒体素材、在线题库、网络课件、网上教学案例、网络课程等多种类型的数字教育资源[9]。

在MERSCA中，资源管理层从分布式的优质教育资源中提取类型资源共性，参照已定义好的统一接口标准，将资源属性对应于标准属性用XML格式字符串描述出来，形成统一的资源描述规范和服务接口。同时通过WSDL协议描述数字教育资源的服务，实现标准的接口绑定和异构资源的服务封装，并进行注册和功能分类的集中管理，在对现有各资源站点改动最小的基础上解决资源的共享和增值应用问题。资源管理层为通信层和资源服务组合层提供了资源的预处理功能，通过服务接口对外提供教育资源服务。

（2）通信层

通信层使用基于XML的SOAP协议（Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议）对教育资源交互信息进行描述。应用程序之间基于SOAP进行相互沟通时，不需要知道彼此是在哪一种操作平台上操作或是各自如何实现等细节信息。SOAP代表了一套资源如何呈现与延伸的共享规则，它是一个独立的信息，可以独自运作在不同的操作系统上面，并可以使用各种不同的通讯方式来传输，例如SMTP、MIME，或是HTTP等。

无论基于.net技术开发的教育资源系统，还是应用java技术开发的教育资源系统，通过SOAP协议，系统之间能够相互进行沟通和资源共享，资源系统之间的平台架构和实现细节是彼此透明的。

（3）教育资源服务组合层

资源组合层基于BPEL4WS业务流，在Web服务组合引擎所提供的质量控制、消息路由、信息管理、事务管理和流程管理等功能的支持下进行资源服务集成。通过可视化编排方式，资源组合层将不同的教育资源原子服务依据教学设计者设定的逻辑组合在一起，屏蔽底层信息基础设施的变迁，合理地安排这些服务的运行顺序，以形成大粒度的、具有内部流程逻辑的教育资源整合，充分发挥优质教育资源服务的潜力，形成“1+1>2”的服务资源集成增值效果。

BPEL4WS基于XML Schema、XPath及XSLT等规范，提供了一套标准化语法对业务流程所绑定的Web服务交互特性及控制逻辑进行描述。通过对业务流程中教育服务资源的交互行为建模，BPEL4WS以可视化和有序的方式协调它们之间的交互活动达成教育资源服务的组合应用目标。

（4）教育资源协同层

异构数字教育资源服务的协同应用过程涉及处于不同计算域下的多个资源提供者，当用户访问分布式的多域数字教育资源时，就会涉及安全边界跨越问题，需要登陆不同系统，接受多次安全身份验证，安全与访问效率都无法得到保证。

安全声明标记语言SAML是信息标准化促进组织（OASIS）为产生和交换使用者认证而制定的一项标准规范，它基于XML架构在不同的在线应用场景中决定请求者、请求内容以及是否有授权提出需求等，同时为交易的双方提供交换授权和确认的机制，达到可转移的信任。安全协同层基于SAML实现用户在多个资源提供者之间身份和安全信息的迁移，通过数字加密和签名技术保证系统消息之间的保密性。用户只需在网络中主动地进行一次身份认证登陆，不需再次登陆就能够在达成信任关系的成员单位之间无缝地访问授权资源。资源安全协同层所采用的一站式访问形式减少了认证次数，同时也降低了用户访问资源时的时间成本。

（5）应用层

应用层是系统功能和使用者交互的接口，提供安全管理入口、资源展示、资源新闻、知识宣传等功能。E-learning学习信息门户是应用层信息资源集成界面与终端使用者之间进行信息交互的桥梁，它通过一站式服务为学习者提供分布式数字教育资源集成服务中的核心业务。学习者通过信息门户模块进入学习环境，依据自身的需要和意愿选择合适的学习资源，来完成通过多个安全域中的分布式资源整合而形成的系列课程学习。

四、MERSCA模型的关键技术实现

依托国家“十一五”科技支撑计划课题“数字教育公共服务示范工程”，MERSCA模型已在实践应用环境中得到成功实施。MERSCA通过分布式的数字教育资源服务整合来凝聚分布于网络中的各种教育资源，实现了教育资源的共享和协同，并提供安全方便的资源访问模式。MERSCA的成功实施依赖于协同数字教育资源一站式访问和资源服务基于序关系的协同两个关键技术。

1．协同教育资源的一站式访问

协同资源一站式访问技术通过使用SAML安全信牌确保可移植的信任迁移，在分布式的教育资源提供者之间共享用户身份验证信息和授权信息，同时又保证资源提供者对资源的控制权。SAML安全信牌由身份认证权威生成，它的生命周期也由身份认证权威来管理。完整的一站式访问安全认证实现过程如图2所示，主要由六个步骤组成：

（1）学习者向身份认证权威的SOAP安全Agent提交身份验证信息，请求确认身份的合法性；

（2）在确认学习者身份为合法后，身份认证权威为学习者创建含有SAML合法性判决标识文件的安全信牌，并将该信牌返回给学习者；

（3）学习者在教学设计业务流程逻辑的引导下，通过点击目标资源地址的URL来试图访问某个协同学习资源，同时将合法性标识文件作为URL的一部分发送给资源站点，然后被重新定向到资源提供者；

（4）学习资源提供者的SOAP安全Agent收到步骤（3）传递来的信息，从合法性标识文件中解析出身份认证权威的地址信息，然后向身份认证权威的SOAP安全Agent发送包含合法性标识文件的SAML请求；

（5）身份认证权威的SOAP安全Agent收到SAML请求后，从请求中包含的合法性引用信息找到相关认证，然后将认证信息封装在SOAP包中，以SAML响应方式传送给资源提供者；

（6）资源提供者的SOAP安全Agent检查学习者安全信牌信息，如果检查成功则将学习者重新定向到数字学习资源所在的URL，并将所需资源发送到学习者浏览器，否则将拒绝用户访问。

在步骤（2）～（6）中，由于在重定位URL后附有与学习者认证相关的安全信息，可采用签名和加密的方式来保障认证信息的机密性和完整性。为确保发送方和接收方身份的真实性，步骤（4）和（5）中资源提供者和身份认证权威需要进行双向认证，它们在传输身份声明的过程中对学习者是透明的。

协同资源一站式访问的实现让学习者在访问不同的服务资源时避免身份重复认证，节省了学习者的学习时间，提高了系统资源的服务效率。

2. 资源服务基于序关系的协同

资源服务基于序关系的协同技术将分布式环境下的教育资源服务看作独立的功能模块，通过BPEL4WS（Web服务业务流程执行语言）流程活动绑定这些资源模块，通过结构化业务流程活动来定义资源服务活动之间基于序的逻辑关系，实现数字教育资源协同，组成大粒度增值应用服务。BPEL4WS流程引擎为业务流程所绑定的资源提供了控制与管理支持。教育资源设计者可以方便地依据教学设计思想采取可视化的方式编排资源协同关系，更方便地适应学习者的个性化学习需求。

图3展示了一个基于BPEL4WS的简易资源协同实例，BPEL4WS业务该流程通过三个基本活动分别绑定了由不同提供者提供的“C语言基本知识和测试服务”、“C语言高阶知识服务”和“C语言基本知识巩固服务” 分布式资源，基于教学设计序逻辑组成“C语言知识集成服务”组合服务。当E-learning学习门户接收到学习者的服务请求时，组合服务资源主要协同过程描述如下：

（1）流程“Receive”协同服务接口接收开始信息启动业务流程，启动一个资源协同实例；

（2）“C语言基本知识和测试服务”通过基础知识服务接口为学习者提供C语言基础知识学习资源，通过测试接口对学习者进行知识测试；

（3）“C语言基本知识和测试服务”将测试结果得分提交给BPEL4WS学习流程；

（4）BPEL4WS流程对学习者的学习绩效进行逻辑判决；

（5）当学习者得分小于60时，学习流程引导学习者进入“知识巩固服务”，进行知识巩固；当学习者得分大于60时，学习流程将引导学习者进行高阶知识学习；

（6）学习者知识学习结束，学习流程通过“Reply”协同服务输出接口发送终止信息终止业务流程，结束学习过程。

五、结论与展望

屏蔽资源平台差异、构建便捷的一站式数字教育资源整合服务是开放环境下数字教育服务建设需要解决的核心问题之一。本文提出了一种面向SOA环境的数字教育资源一站式协同架构模型MERSCA，MERSCA采用分层结构，通过对数字教育资源的服务包装，实现了资源的共享和可重用；通过基于SAML的安全信息共享技术，实现了一站式访问；通过BPEL4WS绑定，实现数字教育资源基于教学设计思想的增值协同。MERSCA具有良好的扩展性、集成性以及与平台无关等特点，适用于数字教育资源跨部门协同应用中的信息共享和资源整合。模型的实现过程证明，该方案具有可行性和实用性。这些特点在笔者参与的国家科技支撑计划课题“数字教育公共服务示范工程”实践应用中得到了证明。未来的工作将主要集中在业务流程级别安全性的设计与实现方面，以便提供一个更完善的数字教育资源集成服务安全体系。

参考文献

[1] 余胜泉. 从知识传递到认知建构、再到情境认知——三代移动学习的发展与展望[J]. 中国电化教育，2007，（6）：07-19.

[2] 冯琳，郝丹. 现代教育服务业与数字化学习港——第十五次“中国远程教育学术圆桌”综述[J]. 中国远程教育，2007，（9）：05-17.

[3] 杨宗凯. 数字教育服务体系和环境的构建[J]. 中国远程教育，2007，（10）：57-58.

[4] 钟志贤，王觅，林安琪. 论远程学习者的资源管理[J]. 远程教育杂志，2008，（6）：48-52.

[5] 罗勇为. 基于生态学视角的基础教育信息化可持续发展研究[J].中国远程教育，2010，（6）：22-26.

[6] Shang Chao wang，Liu Qing tang，etc.Requirement Driven Learning Management Architecture Based on BPEL [J].Journal of DongHua University，2010，(02): 263- 267.

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1 定位为基础核心课程

“数字逻辑与数字系统”课程是计算机科学与技术专业及相关专业的基础核心课程，首先定位要明确，对于刚入校的低年级学生来讲，教师一定要有打好其扎实基础的信心、责任与方法，教师不仅要有教好本课程的责任，还要有引导学生入门计算机科学与技术专业的方法与责任，故教人者同时兼顾着指引学习者进大门（计算机学科）与入小门（数字逻辑与数字系统）的责任。

（1）对不同的学校、专业来说，无论是硬件、软件、应用或其他相关专业，各校有自身的基础、底蕴，故对各专业的分类，要求会有所偏重，但“基础”、“核心”应该不可动摇。

（2）无论是本科、专科，还是其他层次类型的学校（公办、民办、独立学院、自考、函授、高职院校）都应重视本基础核心课程的教学。

对“数字电路与数字系统”，教育部在各类相关的教学大纲中均规定为必开课程（其重要性在此也不必多说）。

2 领导的重视程度

各高校计算机院、系领导安排此课程的相对重视程度至关重要。

（1）主讲教师、助教、实验课技师要安排精兵强将。我们可比喻上课效果按下棋的段位来分，教授上课未必是九段，讲师也可以是九段。即要由那些课上得棒并且有责任心的人员进行教学。

（2）有较稳定的教学、研究小组。现在较普遍的问题是有些教师搞科研或因其他原因，常常出差，出现换、停课次数较多的现象，必然影响教学效果。应该建立一些制度，如带实验临时由研究生轮流带不行；教师常出差不行；课程从头至尾必须由固定的老师完成，不能像办讲座式地轮换人员。

（3）领导、教师、实验技师经常要注意学生的反馈意见，随时掌握教与学、示范与动手过程中出现的问题，并及时解决。本课程既要学理论，又要动手做实验，各环节要环环套上。

（4）选一本恰当的教材，在充分尊重主讲教师的基础上，给予一定的把关。虽然计算机及相关专业要开设数字电路课程，但是由于不同的学校、专业的要求，着重点、学生的层次有所不同，在选择教材时也有所区别。这里强调的是“恰当”，即适合学生的层次并经过实践证明选用此教材达到了好的效果。比如我们南京大学计算机系选用的是由科学出版社出版的新世纪高等学校计算机专业教材系列中的《数字逻辑与数字系统》（白中英主编）教材，这是针对普通高校本科生使用的获奖教材，经过论证和试用到正式选定使用，取得了较好的效果。

3 主讲教师一定要负责

选定有丰富教学经验的且有责任心的主讲教师（同时也是相关教研小组的负责人）是关键的一环。

（1）主讲教师要经常与实验师、助教、学生沟通。

（2）相对来说，各角色要分工明确。

①主讲教师是主线、核心队员。

②实验师首先要教会每个学生真正自己动手（这是一道坎，有人会用别人做好的东西去冒充，硬件上手和软件上手不一样，现在电脑很普及，软件上手实践机会多，而硬件要有相应的实验条件提供）做好基础实验；其次才是谁做得更复杂、更好的问题。

③对助教主要要求他发现、总结学生作业及实验中的问题，特别是带有普遍性的问题。

（3）教研小组负责人对各类人员要有考核，亲自与学生沟通，及时了解本教学小组成员的工作成效，比如耐心程度，对学生的态度，设备、器材的损坏率等。

（4）积极与院、系领导打交道，以便保持本课程在获得支持、重视程度、投资更新等方面的地位。

4 结合调查意见

结合学校、教务处等有关部门对学生的教学抽样意见调查，将本课程的得分、评价与其他课程作比较，以便相互促进、提高，本作者所主讲的数字逻辑电路课程在综合评分中总是名列前茅。本课程有自身的独到之处，讲课、实验做得好具有得分优势，而如果不重视实验，做得不好结果正相反。

5 课时的安排要适当

各学校要根据自身的情况及所选用教材的建议课时，综合考虑实际课时的确定。比如我校计算机系所选用的教材参考课时为64学时，我们认为这是最低课时数，我们是偏重软件的学校，对于为数不多的硬件课程要保质保量，主讲教师要根据情况增加课时，应在正常顺序教课的基础上，对于：（1）学生学习中存在的普遍性问题；（2）习题中带普遍性的问题；（3）增加的某些内容、补充的典型例题等由主讲教师在课堂上讲效果好。另一个要注意的问题是现在普遍采用电化教育，上课放投影，教师如果不掌握好进度（往往难以掌握），学生会无所适从，应给一定时间要求学生记笔记，并给予反应上的缓冲时间。我们试过两个班级做记笔记与不记笔记的对比，最终有一定时间记笔记的班级在学习效果、考试成绩方面均优于不记笔记的班级，现在学生普遍不愿记笔记、不愿动手，这是要引起注意的一种新的惰性。

6 激发学生的学习兴趣，调动其积极性

在整个教学的各个环节上要设法激发学生的学习兴趣，从而调动起同学们对本课程的学习、动手作实验的积极性。

（1）通过形象的比喻（要结合内容与进度）激发学生兴趣

比如学习基本逻辑运算及电路时，将其比喻为建高楼，需要先了解砖、钢筋、水泥等基础建筑材料；当学生学到可以设计一些较为简单的电路时，既要肯定又要激励，可比喻为，你可以用砖等基础材料搞创作了，不过还仅仅停留在搭个羊圈、盖个马棚的水平，必须进一步学下去；而在教材基本上讲完后，可比喻为，你现在相当于可以建造人住的普通房屋了，但你要造高楼大厦，建筑精品还需努力学下去。这样类似的比喻学生印象深，已有不止一个已毕业的学生遇见我闲谈时提到教师比喻建筑之事，有的学生对我姓什么都有些模糊，但建筑之事不忘。

（2）激发学生的好胜心

现在的学生普遍好表现，好展示自己，给他舞台，他会用十足的心思。比如讲触发器时，对主从J―K触发器的基本逻辑图，我对学生说，谁5分钟看懂并能正确讲给我听就封他为高手，10分钟看懂水平还可以，15分钟还未看懂就别自己看了；而对维持阻塞D触发器的逻辑图，谁8分钟看懂是高手，12分钟看懂还可以，18分钟还闹不明白就别自己看了。

学生说他学到了相关知识，并能做题目了，我封他水平还可以；要做高手必须用尽量短的时间讲得让别人听懂，这对教师也存在挑战，教师自己懂的东西能否尽快让学生也懂，这是个考验。

（3）结合就业

告诉学生现在硬件越来越重要，其应用范围越来越广，就业机会和工资待遇大有提高，现各大学计算机专业毕业的学生动手能力普遍不够，会编大型程序的人不多，会硬件设计的人就更少了，若想粮袋里的粮食多一些，那就先跟老师把数字逻辑电路这一基础课学好。如果学生拿着自己设计的硬件作品去找工作，往往比拿一软件作品还管用（别人一看你硬件都会设计，那么普通编程也应该没问题）。

7 目前国内高校本门课程普遍存在的一些问题

作者经过对国内各层次的高校数字逻辑电路课程的教学、实践及相关教材的调研，发现了一些问题。

（1）使用教材较为陈旧，讲授内容缺乏时代性。

①教材不少，但更新较慢，有的教师有惰性，不愿轻意换教材或使用更新版本，这与教师太忙，学校重科研、轻教学等多种原因有关。

②出版社与作者对如何更新已有版本的教材缺少沟通。比如涉及到报酬如何算等问题。实际上如果使用同一书的更新版本，既节省教师的备课时间，又有延续性，出版社书的销量也可以增加，这样效果较好，所以出版社应与相关作者建立长期的合作关系。

（2）只讲授“功能部件”级范围，不涉及“数字系统”级范围。

①与教学计划的革新、课时安排有关。

②与主讲教师、助教、实验技师的观念、水平的提高，知识的更新有关。

③与学校设备、器材的经费投入有关（这不完全是任课教师的问题）。

（3）不少院校将本课程交给电子系教师讲授，因而与后续课程不易衔接（理论教学、实践教学都会存在问题）。

①外系教师的责任感通常与本系教师有差别。实验师、助教的配备也有问题，有的学校还可能是私下请的，无工作量、无考核，只给课时费了结；有的可能连实践课内容都砍掉了。

②对不同专业的后续课，培训人才的侧重点会有较大的偏差，比如对软、硬件设计的结合等问题。

③我们应该偏重围绕计算机这一专门的数字系统进行研究，可称是一种纵深研究，而电子系是一种横向的广泛的研究。

（4）硬件设计语言本科生采用ABEL-HDL语言较易掌握，效果较好，而用VHDL语言效果相对差些。

（5）所用实验设备较为落后，这会涉及到经费的投入问题，有的学校微机购置了许多，而数字电路实验设备却很陈旧，甚至没有。

（6）硬件课程受到挤压，有的地方把数字电路和模拟电路课程合并，有的甚至作为讲座性质或干脆砍掉不上了。这些都是有待规范、解决的问题。

总之，应在把“数字逻辑与数字系统”课程真正作为计算机专业基础核心课的原则下，各校结合自己的情况，在教学、实践的各个环节上引起足够的重视，认识到基石与空中楼阁的含义，如果没有学好先行的基础课，那么后续的专业课也是无法学好的。

8 小结

本文是作者根据自己在多年的教学中对数字电路课程的地位、授课过程中所经历的课程内、外的某些相关问题而进行的总结，以及一些较为成功的经验，并提出了自己的一些独特看法、观点。同时对国内一些不同层次的学校作了调查、研究，借鉴了一些经验，并指出了存在且有待克服的问题，对于那些正在讲授数字电路课程的青年教师或即将讲授本课程的教师是值得一读的。作者自认为是从事计算机教育教学实践中取得的一个小小成果，且具有普遍意义。

参考文献

[1] 白中英. 数字逻辑与数字系统. 北京：科学出版社，2003.

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在数字系统中，功能级电路是由能完成某种特定的逻辑功能的单元电路所组成的，而单元电路主要分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。对于单元电路的分析与设计，则是建立在真值表、卡诺图和状态表基础上。这些只是在数字系统教学中要求学生应知应会的基本概念，而针对我院（成都市技师学院）五高层次高年级学生、三高层次及预备技师班学生的话，则应再上一个层次，在教授了基本概念的基础上，将重点讨论规模更大、功能更复杂的数字系统，介绍数字系统的概念、分析与设计，以简单的实例说明数字系统的分析和设计过程，让高职学生了解数字系统的基本知识、分析和设计方法，进一步加深对单元电路的理解，使他们掌握更专业的知识，在就业方面具有更多的优势。

一、数字系统概念的教学

数字系统涉及的工程问题很多，如：机械工程学、有无机化学、电力电子学、传感器原理、自动控制学等等。凡是以离散形式表示的，具有处理、存储、传输数字信息能力的逻辑子系统的集合，称之为数字系统。数字系统一般由三部分组成：输入接口电路、输出接口电路、数据处理和控制器。而五高层次高年级学生、三高层次及和预备技师班的学生在学习类似直流输入接口电路、继电器输出接口电路以及集成数据处理电路等结构的电路时，具有一定的难度。通过我们团队的研究讨论及教学实践，发现从基本原理入手，重点讲解电路的分析方法，避开电路的内部结构和内部结构的分析方法，更能让学生理解电路的工作原理。这样一来，学生在学习时感觉较为简单，从而提高了学生学习的积极性。输入、输出接口电路主要用来实现数字系统和外界的信息交换。而处理器则对输入信号进行传送和加工处理，同时接收控制器的信息，并将处理过程中产生的状态信号提供给控制器（如图1所示）。控制器是数字系统的核心部分，也是数字系统设计的重要部分。在控制器的作用下，系统内部各模块按一定顺序工作。针对学生对框图的理解比较困难，在教学过程中可进行具体举例，来说明电路的工作原理。举个例子：输入接口电路采用射极跟随器（如图2所示）。射极跟随器指的是信号从基极输入，从发射极输出的放大器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级；也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。说明这就是一个接口电路的原理，集成起来就是接口电路。有无控制器是区分子系统和数字系统的一个重要标志，凡是包含控制器并且能够按顺序进行操作的系统，不论其规模大小，都称之为数字系统。存储器规模大，但不能按照规定程序进行操作，只能称之为子系统部件或功能模块。对于子系统，定义为子系统是一种模型元素，它具有包（其中可包含其他模型元素）和类（其具有行为）的语义。子系统的行为由它所包含的类或其他子系统提供。子系统实现一个或多个接口。这种易混淆概念，通过对比讲述的方法，学生接受程度较高。

二、数字系统分析

随着大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，越来越多的电路被集成在一片半导体芯片上。尽管如此，对于若干芯片组合而成的数字系统的分析仍是需要的。掌握数字系统的基本分析方法，分析系统内部信号之间的逻辑关系，以便了解复杂数字系统的工作原理和系统功能。分析给定数字系统的逻辑功能，通常可以按照以下的步骤进行。1、了解系统的功能在具体分析数字系统的逻辑功能之前，首先应根据所给数字系统的资料，了解系统的用途，实现什么功能。这对进一步分析各模块或各个组成部分的功能起到指导作用。比如在分析数字系统的逻辑功能时可以用图3中的框图来解释。由于框图的分析在前面已经学过，在此基础上，学生进行系统功能的分析时就比较轻松。2、查阅系统所用器件的功能在分析复杂数字系统的组成时，需查阅相关器件手册，了解系统中使用的中、大规模集成电路的型号、逻辑功能及其连接方式等。芯片手册动辄几百上千页，没有必要将芯片手册都读完一遍再开始查询。故可将其可视为工具书，当需要实现某个功能或不清楚怎样实现时再进行查阅。而查阅时可先对芯片进行作用的分类，分类细化后，根据目录查询起来就快而准确。3、系统划分，画出分解后的逻辑框图根据所学的基本知识，按照信号的流向及其完成的基本功能，将系统划分成若干个功能块，分析每个功能块输入和输出信号之间的逻辑关系。例如在分析SA7111A系统的逻辑功能时，先将该系统细化成五个功能块，然后再依次分析各块之间的逻辑关系。整个过程虽然有些复杂，但是仔细分析，学生理解起来并不难。4、系统功能的分析连接各个功能模块，进一步分析系统从输入到输出的完整工作过程。必要时画出系统工作的状态转换图或时序图。数字系统功能的分析步骤，有以下几个方面：列出各功能模块的逻辑功能；不必从模块内部电路分析，把各模块看成黑箱处理；根据给出的电路图理清各模块之间的连接关系或控制关系；根据给定条件，分析各模块的工作状态以及整个系统的工作状态；列出整个系统的功能表或状态转换图或者画出其时序图；说明整个系统的逻辑功能。具体数字系统的分析时，应根据数字系统的具体组成情况灵活应用分析方法，并不一定拘泥于上述分析步骤。在特殊的情况下，根据实际情况，画出流程图，就可以直接画出电路图，也可以用应用软件直接画出电路图。例如用Proteus就可以进行。Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等。Proteus软件从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。通过在教学中采用Proteus软件，不仅可以吸引学生的注意力，提高课堂效率，还可以激发学生的学习兴趣。

三、数字系统的设计方法

采用真值表、卡诺图、状态转换表和状态转换图等传统方法设计或描述数字电路的逻辑功能，适用于输入变量、输出变量以及状态变量较少、规模较小且功能较为简单的数字电路设计。当数字系统的输入变量、输出变量以及状态变量较多、功能较为复杂时，需要采用更加有效的设计方法，以适应于各种类型的数字系统设计。数字系统的设计方法通常分为两类：自上而下的设计方法和自下而上的设计方法。1、自下而上的设计方法自下而上的设计是一种试探法，设计者根据实践经验将复杂的数字系统划分成若干个子模块，一直分解到可以用传统方法进行设计为止。子模块设计完成后，再组装系统，调试系统以达到设计要求。自下而上的设计方法主要依靠设计者的实践经验和设计技巧，用逐步试探的方法完成系统的设计。系统的指标如何在系统构成后才能测试，如果不能达到要求，需要重新修改子模块设计，因此设计周期长，资金投入较大。随着计算机技术和设计手段的发展，自下而上的设计方法正逐渐被自上而下的设计方法取代。2、自上而下的设计方法自上而下的设计方法从整个系统的逻辑功能出发，明确系统要求，进行最上层的系统设计，将系统按照逻辑要求划分为控制器和处理器，采用ASM图或其他语言描述控制器和处理器。如果控制器和处理器仍然复杂，可以进行多重逻辑划分。

通过对数字系统的概念、分析与设计循序渐进、举一反三的理论教学，在加上在教学过程中，在实验室进行电路的装接、连接、测试、分析和PROTEUS软件的使用，使学生既学到了知识，又增加了分析和动手能力，从而提高了教学的效率。

作者:谢彩云 唐 敏 王文川 单位:成都市技师学院

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中图分类号： TN919?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）06?0045?03

0 引 言

当前各高校的数字校园数据交换多采用ETL或者SOA的解决方案。ETL可以实现数据的抽取、转移、清洗、加载功能，能够实现异构数据库的数据交换，问题是一般只能在每天的深夜进行一次数据的交换，此方案满足不了学校对实时数据交换的需要，不利于数据交换的扩展，同时对数据库的直接写入操作给各数据交换的业务应用系统的稳定运行带来了安全隐患。SOA是一种构造分布式系统的方法，它将业务应用功能以松耦合的服务接口的形式提供给最终用户或其他服务，利用服务描述语言（WSDL）描述服务接口。通过服务重用的方法SOA能够大幅提高软件资源的适应性和开发效率，是解决异构系统集成的有效手段。SOA可以看作是客户/服务器模式，也就是一个“客户端”通过查询注册中心的服务信息之后，再去调用另一个“服务器”端提供的服务。那么，业务处理的路由逻辑也被加入了服务接口中，每个客户端都要定义自己的处理过程，而对于数据交换的处理过程都是类似的，这样造成了大量的重复开发，提高了成本，降低了效率。

企业服务总线（Enterprise Service Bus，ESB）的定义为：企业服务总线是由中间件技术实现并支持面向服务的体系架构（Service Oriented Architecture，SOA）的一组基础架构功能，支持异构环境中的协议转换以及基于事件的服务、消息的交互，并且具有适当的服务级别和可管理性。ESB[1]为集成提供了高效的分布式集成环境，将SOA的服务定义与服务描述和服务调用分开，使每个节点集成接口模块化插入集成环境，保证能够保证每个节点在整个集成环境中的本地控制和自治；通过将服务和消息的集成将复杂的过程集中处理、集中路由，降低了每个节点的复杂程度，最小化节点集成接口的成本。

所有主要的JEE供应商（IBM，Oracle）都有ESB产品，如WebSphere平台的Webspere ESB Server等。Mule是一款开源、轻量级的ESB系统软件，它不像商业软件那样只让开发者关注于集成的更高层实现，Mule让开发者能够处理集成的每个细节，面对用户独特的集成环境时更加灵活；并且Mule有很好的文档供其研究，使得对Mule有更深入的理解。

1 Mule的技术架构

服务架构处理流程是：

（1）Mule通过Endpoint接收到消息之后，决定是否需要协议转换，如果需要则进行协议转换，否则流向下一步；

（2）Inbound Router接收到消息之后，决定集成逻辑处理的组件，或者跳过这些组件，直接发送给Outbound Router；

（3）由Outbound决定经过集成逻辑处理的消息发送的目的地址。

2 基于Mule数字校园数据集成设计

该模型中包含Mule，ETL，WebService三部分。Mule各业务系统之间的数据交换功能，各业务系统增加Web Service接口实现个业务系统的数据抽取、数据转换、数据加载、变化捕捉等功能；对于建设时间较长，无法增加Web Service接口的系统，部署ETL工具实现数据交换。Mule支持同步（请求/响应）和异步（/订阅）的消息处理机制。订阅机制实现预约增量数据更新的功能，保证数据源变化更新能够以增量的形式最快的发送给目的业务系统，以实现数据的即时共享。

（1）请求者发送数据请求报文，即预约报文；

（2）确定由处理请求消息的组件流；

（3）存入消息队列；

（4）从消息队列中获取消息，如果是预约增量数据，就需要反复的轮询执行；

（5）确定目的端地址；

（6）调用响应者的Web Service接口；

（7）返回数据报文；

（8）高校业务系统的建设时间不同，代码规定也不同，需要进行一对一的代码转换；

（9）如果请求者没有Web Service接口，需要转换成它能接收的格式；

（10）将消息推送给数据请求者。

4 结 语

随着高校数字校园建设的逐步推进，基于ESB的集成技术必将作为界面集成、数据集成和应用集成的主要技术手段。由于管理体制、经济成本、应用环境等因素的限制，高校数字校园集成尚处在起步阶段。本文结合工作实际，对基于Mule的数据集成进行了实践，取得了一些成果和经验。如何让ESB在集成的其他领域得到更加深入的应用，将是下一步研究的重点问题。

参考文献

[1] CHAPPELL D. Enterprise service bus [M]. [S.l.]： O’Reilly Publishing， 2004.

[2] DIRKSEN Jos. Open source ESBs in action [M]. [S.l.]： Manning Publications Co.， 2009.

[3] DOSSOT David. Mule in action [M]. [S.l.]： Manning Publications Co.， 2010.

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近几年来，随着高校的学生数量不断增多，全国高等院校也崛地而起，发展迅速，规模不断壮大，主校区对应的分校区比比皆是，管理也随之混乱，管理分散。而多校区管理的现象使得学校不得不发生变化，这样就需要了一种新型的教育管理模式，而数字艺术教学管理系统就是在这样的背景下研究出来的。这样的系统可以供校领导、师生的交流，可以查阅管理信息资料，提高管理效率，可以有效的实现教学互动。

1国内外研究的现状

数字艺术教育主要是培养学生将新兴技术和理念结合起来，培养学生运用数字媒体技术的能力，使其符合社会需求的人才。

在现阶段，国外的技术相对于我国较为先进，软件使用率也较高。而在欧洲等发达国家，数字教育已经趋于完善。

在国内，我国的数字教育还很缓慢，而我们的也在不断更新和突破，向现代化靠拢。由于国内外的文化与接受的程度不同，我国数字艺术教育更是进程缓慢。为了适应国内人才需求，我们也在不断的吸取国内外的经验，发展一条适应我们自己的改革之路。同时，我国内也有一些教学管理软件也得到了突飞猛进的成果。

2交互理论

交互是指人与人之间的相互影响和作用。而在教学中的交互指的是教师与学生之间的交流，双方都具有主观能动性，借助虚拟化的数字艺术教学系统进行沟通与联系。这样的功能软件可以拉近师生的距离，促进沟通。

系统中的交互可以理解为用户与用户之间利用数字艺术教学系统进行沟通和交流，既是老师与学生的交流和反馈（课程的指导，资料的借阅等）

3系统设计七大模块

该系统通过建立七大模块，分别是：用户管理；教师信息管理；课程管理；选课管理；成绩管理；信息管理；教学互动管理模块的设计，用于记录师生、课程等基本信息，用于存放学生选课等关系，建立良好的数据库，便于师生方便快捷查阅课程资料，完成学校的课程学习。

（1）用户管理设计：由于系统所涉及的用过甚多，这就需要有一个程序用于整合资源，功能模块多样化，对不同人群的权限有所区别，来保障数据库的安全。

（2）教??信息管理：教师信息管理设计主要用于修改学生信息，录入成绩，查寻教师信息等，通过该模块，可以查寻教师的授课情况以及资历。

（3）课程管理：课程管理是教学的基础，该模块可以展示课程的介绍，采用先进的3D数字技术展示课程介绍，以便于学生更直观的了解自己所学的课程。

（4）选课管理：根据学生专业计划，供学生选择选修的课程，学生可以在网上选择自己所要学习的课程，从而体现了学生学习的自主性。

（5）成绩管理：该模块是体现学生对学习课程掌握程度的好坏，是非常重要的环节，是学生能够顺利完成学业的重要考评。学生可以用于查询学分，老师用于考评学生学分进行统计，衡量一个学生能否顺利通过该考试的重要凭证。

（6）信息管理：信息管理是记录了学校、师生的个人信息等，涵盖非常广泛，该模块注重信息的更新与维护。实时更新学校近期动向，教师调动以及学生课程安排情况等。

（7）教学互动管理：教学互动管理是数字艺术教学系统的核心模块，该模块可以是教师更好的引导学生下载良好的适合学生学习的知识，而学生可以很好地利用该模块，学习教师分享的知识，更好吸收和消化，学生可以在该模块提问，教师进行答疑，真正的实现了教学互动。

4系统的实现