基于應用型人才培養的Unix實踐教學研究

摘要：針對集成電路設計與集成系統專業Unix操作系統實踐課程的特點，以實際工作需求為導向，以培養學生的實際應用能力為目標，研究探索應用型教學方法和教學手段。實踐證明，通過改革教學方法、構建模擬實際工作環境的實踐平臺以及強化案例教學可以有效激發學生的學習興趣，鍛煉學生對操作系統的應用能力，獲得了良好的教學效果。

關鍵詞：案例教學；Unix操作系統實踐；集成電路設計

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0085-02

Unix操作系統是目前使用的多用戶、多任務操作系統中發展最快、用途最廣的一種。與其他操作系統相比，其具有功能強大、技術成熟、可靠性高、網絡功能強以及開放性好等優點，可滿足各行各業實際應用的需要，受到企業用戶的歡迎。[1]從事集成電路設計的企業絕大部分都采用Unix/Linux系統，而且大多數集成電路設計工具都是在Unix/Linux環境下運行的，相應地，作為集成電路設計工程師，日常工作都是在Unix/Linux操作系統環境下完成的。作為集成電路設計與集成系統專業的學生就應該掌握Unix/Linux基本命令，能夠熟練操作Unix系統，了解一些shell編程方法，具備一定的Unix/Linux操作系統基本應用能力。

一、基于應用型人才培養選擇合適的教學方法

1.改革教學方法，激發學生興趣

Unix操作系統實踐課程的特點非常突出，內容豐富但課時數量有限。要想學有所獲，學生只有通過動手實踐才能真正掌握課程內容，提高自己對Unix系統的基本應用能力以及在Unix 下的C Shell腳本編程能力。目前，Unix/Linux操作系統課程已被很多高校作為計算機專業及相關專業的核心基礎課程，講解Unix/Linux操作系統基本原理及其內核實現方法。但是對于非計算機專業的學生來說，這顯然是不合適的，他們一般不會參與操作系統的開發，他們需要的是在掌握Unix/Linux操作系統基本操作的基礎上能夠熟練應用一些基本開發工具來完成日常工作。[2]因此，該課程的課堂講授應該簡明，并盡可能以直觀的演示、示范為主，提高學生們對課程的興趣。在教學過程中，注重討論式教學，注重引導學生進行自主式、探究式學習，培養學生對知識點的深層理解、分析、比較和融會貫通的綜合能力。同時要結合Linux操作系統系統實踐平臺，經過大量的上機實踐，讓學生掌握Linux操作系統的基本應用以及C SHELL腳本編程方法，培養學生的基本應用能力。在上機實踐過程中，可以根據不同的學習能力設置學習小組，每個小組2～3 人，包括學習能力較強和較弱的同學，通過鼓勵小組討論和布置小組任務的形式提高學習的效率。

2.構建模擬實際工作環境的實踐平臺

Unix/Linux操作系統是一門實踐性很強的課程，眾多的命令需要學生上機操作，且要求熟記命令的應用。根據課程的特點，學生需要經過大量的上機實踐來學習Unix/Linux操作系統的一些基本應用，因此需要為此搭建一個能模仿實際工作環境的實踐平臺。一般來說，學校公共機房基本上都是安裝Windows系統，很少有專門安裝Unix/Linux系統的機房。Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統，Linux兼容絕大部分Unix標準，能夠在個人計算機上實現全部的Unix特性，因此本課程實踐中采用虛擬機軟件VMware來構建虛擬的Linux操作系統實驗平臺，具體步驟如下[3]：選擇硬件配置較高的計算機作為Linux操作系統實驗平臺的主機；在主機上安裝VMware 虛擬機軟件；可以從網上下載一個Linux安裝鏡像文件（.iso），然后利用VMware 虛擬機軟件安裝Linux操作系統，在安裝過程中選擇從已下載的鏡像文件安裝，其他就利用默認選項，直到Linux操作系統安裝完畢；運行Linux虛擬操作系統，安裝并設置好集成電路設計相關的EDA軟件。至此，已經構建了一個能模擬實際工作環境的Linux操作系統實踐平臺。

3.強化案例教學，增強學生的時間能力

Unix操作系統實踐課程的定位是在介紹Unix操作系統基本操作的基礎上，通過學習C Shell腳本語言并進行程序設計，更好地運用Unix系統進行項目管理和開發工作，同時為后續的各門課程提供一個基礎研究平臺，是集成電路設計與集成系統專業的一門基礎課。該課程具有很強的理論性和實踐性，一方面需要學生學習Unix環境下常用命令以及C Shell編程的基本概念、設計方法，另一方面又須借助大量實踐才能掌握這些知識。因此，采用傳統的教師講授教學模式往往會使學生喪失學習興趣，也很難培養其實踐應用能力。引入案例教學法，將知識融入案例之中，重視實踐和工程經驗，可以大大激發學生的學習興趣，發揮其主動性和創造性，從而達到提高教學質量的目的。

二、Unix實踐教學案例策劃和案例設計

1.案例策劃

以大規模數字集成電路設計為例，在用Verilog HDL語言編寫好設計代碼后需要進行大量的仿真。針對每一種可能的輸入以及不同的參數都會有一個專門的測試文件（testbench）對編寫好的代碼進行仿真測試，仿真結束后對仿真結果（可能有文本記錄文件或者波形文件）進行分析。每一個仿真所花費的時間可能不同，短的可能只需幾分鐘，長的可能需要幾個小時，甚至幾十個小時。一般來說企業里的工程師們上班一天只有8小時，那么如何充分利用晚上的時間來做仿真測試呢？通常的做法就是自己編寫一個或一系列的C Shell腳本，讓腳本自動運行仿真測試程序，當一個仿真結束后自動保存該仿真的結果，然后繼續運行下一個仿真，直到全部仿真完成。這樣就可以充分利用非上班時間來自動完成仿真，工程師們只需要在仿真完成后查看一下仿真結果是否正確，而不需要關心一個仿真什么時候結束，什么時候該啟動下一個仿真，大大提高了工作效率。

2.案例設計

（1）設置教學案例仿真環境。在linux操作系統中，安裝好仿真軟件，需要仿真的相關設計文件均已準備好。仿真工具為“/home/user1/tools/bin/ncverilog”，需要仿真的設計文件已經列在“/home/user1/project/src/rtl_code.f”中，用于仿真驗證的行為模型文件為“/home/user1/project/model/behv_model.v”，仿真使用的庫文件為“/home/user1/project/lib/rtl_lib.v”，仿真測試文件有100個，存放在目錄“/home/user1/project/testbench”下，每個文件對應一種測試條件，文件名分別為：“pat_1.v”，“pat_2.v”，…，“pat_30.v”，“clk_1.v”，“clk_2.v”，…，“clk_50.v”，“case_1.v”，“case_2.v”，…，“case_20.v”。所有仿真結束后都會生成兩個結果文件，分別是一個仿真記錄文件“ncverilog.log”和一個波形“test.fsdb”。當一個仿真結束時需要將結果文件移至目錄“/home/user1/project/sim/result”下，并將其更名為與測試文件相同的名字，擴展名保持不變。

（2）編寫C Shell腳本。根據仿真環境以及所選案例需要完成的任務功能，編寫C Shell腳本，自動完成相應的工作。編好的C Shell腳本還需經過調試，確定腳本功能是否符合任務的要求。腳本具體內容如下：

#！/bin/csh

set TOOL = “/home/user1/tools/bin/ncverilog +access+rw ”

set SRC = “-f /home/user1/project/src/rtl_code.f”

set MODEL = “/home/user1/project/model/behv_model.v”

set LIB = “-v /home/user1/project/lib/rtl_lib.v”

set TESTBENCH_DIR = “/home/user1/project/testbench”

set RESULT_DIR = “/home/user1/project/sim/result”

#列出所有的測試文件名

set TEST_PATTERN = （pat_1 pat_2 … pat_30 clk_1 clk_2 … clk_50 case_1 case_2 … case_20）

echo “simulation start at `date` ” > run.log

foreach testname （$TEST_PATTERN）

echo “run simulation pattern： $testname ”

#啟動一次仿真

$TOOL $ TESTBENCH_DIR /$testname.v $SRC $MODEL $LIB

#如果仿真出現錯誤，在ncverilog.log文件中會出現“Error”字符，并提示

set ERROR = `grep Error ncverilog.log`

if（$ERROR == “”）then

echo “Pass！ test_pattern： $testname ”>> run.log

else

echo “Error！ Test_pattern： $testname ”>> run.log

endif

#保存仿真記錄文件和波形文件

mv ncverilog.log $ RESULT_DIR/$testname.log

mv test.fsdb $ RESULT_DIR/$testname.fsdb

end

（3）腳本運行結果。運行編好的C Shell腳本，自動完成所需要的仿真，大大提高工作效率，可以清楚地發現某個仿真過程是否出現錯誤。當所有仿真都完成后，首先可以查看運行記錄文件run.log文件，如：

simulation start at Sun May 4 14：42：07 CST 2014

Pass！ test_pattern： pat_1

Pass！ test_pattern： pat_2

Pass！ test_pattern： pat_3

Error！ test_pattern： pat_4

Pass！ test_pattern： pat_5

...

從中可以發現第4個仿真pat_4出現錯誤。此外，還可以在結果目錄（/result）下查看每一個仿真的記錄文件“.log”和波形文件“.fsdb”，詳細驗證該仿真結果是否正確。

3.案例教學效果

在本案例的教學過程中，開始給出需要解決的問題之后，鼓勵學生認真思考分析問題，并積極引導學生找出解決問題的方案，然后讓學生運用所學的Unix基本操作以及C Shell編程等知識來完成本案例的任務。通過這種方式選擇合適的教學案例就可以加深學生對Unix/Linux常用命令、C Shell語法（如：控制結構、循環結構）等內容的理解，讓學生學會將所學知識融會貫通，更好地為解決實際問題服務。總之，在案例的選擇上要選擇實際工作中遇到的問題，不能憑空臆造案例，同時要充分考慮到學生的興趣愛好，培養學生運用所學知識來分析并解決實際問題，提高學生的應用能力。[4]

三、結語

Unix/Linux操作系統的基本應用是集成電路設計從業人員必須具備的一項基本技能，而Unix操作系統實踐課程的目標也是為了培養學生對Unix/Linux操作系統的基本應用能力。實踐證明，通過改革教學方法、構建模擬實際工作環境的實踐平臺以及強化案例教學可以有效激發學生的學習興趣，鍛煉學生解決問題和實際應用能力，大大提高了教學效果。

參考文獻：

[1]姜暢.案例教學在Unix Shell 編程課程中的應用[J].江蘇教育學院學報（自然科學），2010，（4）：1-3.

[2]薛迎霄，王禹.高校Linux 課程教學研究[J].廣東技術師范學院學報，2004，（6）：78-79.

[3]趙艷紅，段漢根，沈峰.Linux操作系統實驗教學研究[J].農業網絡信息，2010，（8）：145-147.

[4]譚琨，劉春.基于Linux實驗教學提高IT專業應用型人才能力培養模式的研究與實踐[J].中國科教創新導刊，2011，（26）：48.

（責任編輯：王祝萍）