（一）结构想象练习步骤一：让每位学生在一张纸上画两个形体，圆柱体、方体、圆锥体等，然后收上来；步骤二：收上来的纸张随机发给学生，要求学生对相应的形体设计出30种不同的组合关系形式。该练习主要为了训练学生对形结构的创造与探索，摆脱一成不变的形体设计方式，能够设计出丰富多彩的立体造型。
（二）形体结构变化练习步骤一：选取十款市场上的产品，观察并分析它的形体结构关系，并制成PPT解说。步骤二：选取其中一款产品对其结构变化练习：练习方向A：改变该产品形体之间的结构关系，研究其形体组合的不同可能性，并绘制出造型方案。练习方向B：设计一个形体替代该产品中的一个形体，探讨新形体与原有形体组合的合理性。完成相应的方案并制作模型。该练习需要学生对形的结构充分发挥想象的基础上，针对实际产品造型设计合理的结构关系。
二、形的特征课题练习设计者
在表达产品造型的创意时，总是通过对线条的反复琢磨与推敲来确定对象的造型形式，线条在设计者手上成了显示创意构思的重要表达工具。在产品造型征线是指那些对表现产品外形的特点有重要影响作用的线条。步骤一：选择5个产品，观察与分析这些产品造型，提取它们的特征线条；步骤二：选择其中一个产品，试着改变它的特征线，设计20个造型方案；步骤三：选择其中一个方案制作模型。特征的练习通过对产品特征线的分析与创造，培养学生对产品的线条理解能力和对空间线条的创造能力。四、形的组合过渡课题练习如果希望自己的设计能够吸引别人的研究，让这项设计看起来与众不同，那么对组合过渡形的认真理性思考，也许能成为设计的亮点，从而突出产品的特点。形的组合过渡主要有直接过渡、间接过渡及结构过渡。直接过渡表现为一个形体直接简单的的加到另一个形体上，两个形体之间没有出现另外的中间形。间接过渡是指形体组合时，有一个形作为过渡区域出现，将这些形态构成一个有机的整体。结构过渡指采用现成的机械结构或设计一个新的连接结构来过渡产品中的两个形体。
（一）间接过渡练习步骤一：每个学生画两个立体形，用橡皮泥制作好并收上来；步骤二：将步骤一种的立体形随机发给学生，要求学生在两个基本形之间设计20个过渡形。该练习目的希望学生通过对间接过渡形的设计创造，能够提高他们在产品设计中对细节设计的把握能力。
（二）结构过渡再设计练习步骤一：考察市面上有结构过渡的10个产品，分析它们的结构形式；步骤二：选择一款产品，重新设计20个过渡结构予以替代原有方案；步骤三：选择一个方案制作模型。该练习结合实际产品，旨在提高学生在具体的设计项目中过渡连接的设计能力。
算法初步是课改后的新加内容。新课标对这一部分的要求是：学习算法的一些基本知识，体会算法的基本思想，发展有条理的思考与表达的能力，进而提高逻辑思维能力。而循环结构正是实现这一目标的有效载体。
在一些算法中，经常会出现从某处开始，按照一定的条件反复执行某些步骤的情况，这就是循环结构，反复执行的步骤称为循环体［1］。既然按照一定的条件反复执行，我们可以设计一个算法步骤，将这些反复的操作的步骤交给计算机去完成，从而可以将人从重复的劳动中解脱出来。
循环结构有两种，一种是当型循环结构，
当型循环是这样执行的：首先是对循环的条件进行判断，如果满足条件，则执行循环体，否则执行循环体下面的步骤。
还有一种是直到型循环结构，
直到型循环是这样执行的：首先执行循环体，再判断是否满足条件，如果满足条件，则执行循环体下面的步骤，否则，返回去接着执行循环体。下面本文就通过几道典型例题，来探究循环结构，以期达到抛砖引玉的效果。
题型一、计算累加求和
例1（顺序和）：设计一个算法步骤，计算S=1+2+3+…+100的值。
算法分析：第一步，计算0+1=1，第二步，计算1+2=3，第三步，计算3+3=6，…,第100步，计算4950+100=5050，由于第i（i=1,2,3,…,100）步执行的步骤是Si=Si-1+i，即后一步的和是在前一步和的基础上再累加上变量i的值，所以可以用循环结构来实现。
算法步骤：
第一步，将计数变量i的值初始化为1，将求和变量S的值初始化为0；
第二步，将S+i的值仍赋值为S；
第三步，将i+1的值仍赋值为i；
第四步，判断i＞100是否成立，若是，则输出S的值，结束算法，否则，返回第二步。
评注1：当型循环结构的判断条件是执行循环体的条件，直到型循环结构的判断条件是跳出循环体的条件。本题采用的是直到型循环结构，s=s+i，i=i+1是循环体，i＞100是循环的终止条件。如果采用当型循环结构，则i≤100是循环的条件，s=s+i，i=i+1是循环体。
评注2：在含有循环结构的算法步骤中，第一步是对循环变量的初始赋值。在累加求和中，由于加“0”不改变求和的值。所以，一般对求和变量S的初始赋值为“0”。
例2（倒序和）：设计一个算法步骤，计算S=100+99+98+…+1的值。
算法分析：例2与例1的区别是例2求的是倒序和，所以解决本问题同样需要两个变量，计数变量i，累加变量S，只是变量i初始化为100，i的值是从大到小的方向变化，每次减少1，当i＜1时终止循环。
算法步骤：
第一步，将变量i初始化为100，将变量S初始化为0；
第二步，将S+i的值仍赋值为S；
第三步，将i-1的值仍赋值为i；
第四步，判断i＜1是否成立，若是，则输出S，结束算法，否则，返回第二步。
例3（交错和）：设计一个算法步骤，计算S=1-3+5-7+…-99。
算法分析：本题也可以看作累加求和，只不过是将变量i连同它前面的符号一起累加给求和变量S。当项数为奇数时，在变量S的基础上累加上变量i，当项数为偶数时，在变量S的基础上减去变量。当变量i＞99时终止循环。
算法步骤：
第一步，将累加变量i初始化为1，求和变量S初始化为0，符号变量k初始化为1，通项t初始化为1；
第二步，判断i≤99是否成立，若是，执行第三第六步，否则，输出S，结束算法。
第三步，将S+t的值仍赋值给S；
第四步，将i+2的值仍赋值给i；
第五步，将-k的值仍赋值给k；
第六步，将k与i的乘积赋值给t后返回第二步。
评注3：本问题也可以仿后面例6的循环结构内嵌套条件结构来实现。为此，需要引入三个变量，计数变量n（n=1,2,……,50），n从1开始，每次循环变化1；累加变量i，从0开始，每次循环变化2；求和变量S，S从0开始。当n为奇数时，在S的基础上累加上变量i，当n为偶数时，在S的基础上减去变量i，当n＞50时终止循环输出S。
题型二、计算累乘问题
例4：设计一个算法步骤，计算T=1×2×3×…×n的值。
算法分析：解决本问题需两个变量，计数变量i，累乘变量T。
算法步骤：
第一步，输入一个正整数n
第二步，将变量i初始化为1，变量T初始化为1；
第三步，判断i≤n是否成立，若是，执行第四第五步，否则，输出T，结束算法；
第四步，将T×i的值仍赋值给T；
第五步，将i+1的值仍赋值为i后返回第三步。
评注4：在累乘求积中，由于乘“1”不改变乘积的值。所以，一般对累积变量T的初始赋值为“1”。
题型三、求最大（最小）值问题
例5：设计一个算法步骤，输出满足1×2×3×…×n＞1000的最小正整数。
算法分析：本题的左端是一个累乘，所以可模仿上例的累乘问题来解决。但要特别注意的是循环的执行步骤是先计算累乘积T，再让变量的值增加1，所以，在执行最后一次循环时，虽然累乘变量T已经大于1000，但变量i的值又增加了1，因而，输出的最小整数n比此时的i值小1。
算法步骤：
第一步，将变量i初始化为1，将变量T初始化为1；
第二步，将T×i的值仍赋值给T；
第三步，将i+1的值仍赋值给i；
第四步，判断T＞1000是否成立，若是，执行下一步，否则返回第二步；
第五步，将i减1的值赋值给n；
第六步，输出n，结束算法。
题型四、计算加乘混合问题
例6:设计一个算法步骤，计算S=11！+12！+13！…+1n！的值。（其中n!=1×2×3×…×n）
算法分析：解决本题需三个变量，计数变量i，累乘变量T，累加变量S。
算法步骤：
第一步，输入一个正整数n；
第二步，将变量i初始化为1，将变量T初始化为1，将变量S初始化为0；
第三步，将T×i的值仍赋值给T，将S+1T的值仍赋值给S；
第四步，将i+1的值仍赋值给i；
第五步，判断i＞n是否成立，若是，则输出S，结束算法，否则，返回第三步。
题型五、循环结构内嵌套条件结构
例7：设计一个算法步骤，输出100以内所有能被3整除的正整数。
算法分析：解决本问题的思路是从i=1开始检验，如能被3整除，则输出这个数，否则，将变量i的值增加1以后再重新检验，当i＞100时结束检验。所以本题在对变量i循环的同时，还要对变量i是否能被3整除做出条件判断。
算法步骤：
第一步，将变量i的值初始化为1；
第二步，判断i能否被3整除，若是，则输出i，否则，转至第三步；
第三步，将i+1的值仍赋值给i；
第四步，判断i是否大于100，若是，则结束算法，否则，返回第二步。
题型六、循环结构内嵌套循环结构
例8:设计一个算法步骤，输出所有满足m+n＜10的正整数对（m,n）［2］。
算法分析：解决本问题需先定一个变量m，再从小到大搜索变量n，然后让变量m由小到大变化。因而，本题需两次用到循环结构。
算法步骤：
第一步，将变量m的值初始化为1；
第二步，判断m≤8是否成立，若是，执行第三 第六步；否则，结束算法；
第三步，将n的值初始化为1；
第四步，判断n≤9-m是否成立，若是，执行第五 第六步，否则，将m+1的值仍赋值给m后返回第二步；
第五步，输出m,n；
第六步，将n+1的值仍赋值给n后返回第四步。
评注4：应用循环结构内嵌套循环结构可解决二维数组的搜索、计算问题。
上述几道例题，基本可以包括循环结构的所有题型，相信通过上述的分析，你会对循环结构有更加深入的理解。只有在平时的学习中善于归纳总结，将知识系统化、条理化，我们才能将知识记得更久、记得更牢。不仅如此，学习循环结构，无论是对于了解算法思想，还是对于启迪智慧，都是大有裨益的。下面还给出了几道配套练习，供读者练习，以检测学习的效果。
练习1:设计一个算法步骤，求S=1+12+13+…+1100的值。
练习2:设计一个算法步骤，求S=1+(1+2)+(1+2+3)+…+(1+2+3+…+n)。（其中n为任意大于1的正整数）
练习3:设计一个算法步骤，求S=11×2+12×3+…+1n×(n+1)的值。（其中n为任意大于1的正整数）
练习4:设计一个算法步骤，输出满足1×2×3×…×n≤1000的最大正整数n。
练习5：设计一个算法步骤，输出1~100内所有被7除余1的正整数。
练习6：仿例8，用直到型循环结构，输出所有满足m+n≤10的正整数对（m,n）。
引言
目前，在煤矿业务系统中，业务数据量非常庞大[1];每次进行业务数据查询或统计时，持续时间比较长，消耗资源比较大。传统的查询和统计方式，是直接从业务数据表中进行处理，不仅影响应用系统的业务处理性能，而且查询和统计性能非常差。
为了提升查询或统计性能，采用定期将查询结果定期的增量归集到中间数据表的方式，在归集查询结果时，由于数据量比较大，为提升归集效率，不能采用全量归集的方式，而采用增量归集的方式来处理。这种方式，每次进行查询或统计时，只需要从中间数据表中进行展现即可，而不需要在查询过程中进行即时计算和归集，大大减少了查询的时间，降低了资源消耗，提高了查询效率。
1.系统设计
本文提出一种基于增量归集的大数据量的数据查询方法，通过定期把数据增量归集到中间结果表中的方式，提高大数据量查询的性能[2]。本文把基于单个数据表的增量结构称为增量单元（Increment Unit）;把增量数据的捕获规则称为增量包（Increment Package）。一个增量包由一个或者多个增量单元组成[3]。
一种基于增量归集的大数据量的数据查询方法，其特征在于包括以下四个步骤：A：增量规则设计;B：设置增量捕获调度执行计划;C：执行增量数据定期归集;D：执行数据统计结果查询。
在步骤A中，为实现定义增量数据捕获规则，它包括以下内容：
（1）定义增量单元
进一步说明，增量单元的结构包括增量单元对应的数据表、增量的内容字段、数据表的主键字段、数据表的时间戳字段，其中数据表的时间戳字段只用于时间戳模式的增量数据捕获模式[4]。
（2）定义增量包
进一步说明，增量包中需要指定增量数据的捕获模式，本发明中提供的捕获模式包括快照表模式、时间戳模式、触发器模式、数据库日志模式。
（3）启用增量包并做增量初始准备
进一步说明，在做增量初始过程中，要根据增量单元的结构，创建增量数据表，增量数据表的结构除了包括增量单元对应的内容字段和主键字段，还包括时时间戳字段。
（4）增量订阅
进一步说明，在订阅处理中要指定订阅的用途，订阅的增量包，订阅同步过程中需要生成的存储过程的名称及参数。
进一步说明，一个增量包可以由一个或多个增量单元组成，一个增量包可被多次订阅;增量单元、增量包、增量包的实体结构关系所示。
在步骤B中，定义调度计划，设置调度自动增量归集的任务，并设置任务执行的频率和时间周期以及相关的执行策略[5]。
在步骤C中，定期执行增量数据归集，它包括以下的步骤：
根据步骤A中定义的增量捕获规则捕获增量数据;
把增量数据加载到步骤A（3）中定义的增量数据表中;
根据步骤A中增量订阅的信息，生成增量数据同步到查询中间结果表中的存储过程;
执行步骤（3）中创建的存储过程，创建查询中间结果表，并把步骤（1）中捕获的增量数据同步到查询中间结果表中。
在步骤D中，输入查询统计的条件，从步骤C（4）中创建中查询中间结果表中分页取出数据进行展现。
2.系统优点
与现有技术相比，本文的优点是：
A.可以把复杂的数据统计查询过程包分解成两个过程，统计计算归集和实时查询;
B.把费时的统计计算归集过程放在后台运行，并且归集过程只归集增量数据;
C.大大提高了大数据量统计查询的执行效率。
本系统的设计中心思路是把复杂数据的统计查询过程分解为统计计算归集和实时查询;统计计算归集过程通过计划任务调度在后台执行，并且中间数据结果的归集进行增量归集，实时查询只实现从中间结果表中分页取出数据进行展现。
3.实际应用
应用系统A中对业务BizA的数据进行统计查询。实例特征：BizA的结构比较复杂，包括A_MainTable、A_SubTable、A_DetailTable三个表，A_MainTable是主表，A_SubTable是1级从表，A_DetailTable是2级从表;统计查询的数据量比较大。
BizA的数据结构如下：
BizA的主表：A_MainTable
字段：A_MainColID、A_MainCol1、A_MainCol2、 A_MainCol3、 A_MainCol4
数据类型：String、String、String、String、String
说明：A_MainColID为主键
BizA的1级从表：A_SubTable
字段：A_SubColID、A_SubCol1、A_SubCol2、 A_SubCol3、 A_SubCol4
数据类型：String、String、String、String、String
说明：A_SubColID为主键
BizA的2级从表：A_DetailTable
字段：A_DetailCol1、A_DetailCol2、A_DetailCol2、 A_DetailCol3、 A_DetailCol4
数据类型：String、String、String、String、String
说明：A_DetailColID为主键
该实例分解为以下四个步骤：
a.设计增量捕获规则;b.设置增量归集调度计划;c.执行增量数据归集d.执行数据统计结果查询。
（1）定义增量单元，由于BizA包括三个表，应该定义三个增量单元。
A_MainTable的增量单元，如下所示：
属性项：增量编号、增量名称、数据表、主键字段、内容字段
属性值：Inc_A_MainTable、Inc_A_MainTable、A_MainTable、A_MainColID、（A_MainCol1， A_MainCol2， A_MainCol3， A_MainCol4）
A_SubTable的增量单元，如下所示：
属性项：增量编号、增量名称、数据表、主键字段
属性值：Inc_A_SubTable、Inc_A_SubTable、A_SubTable、A_SubColID
A_DetailTable的增量单元，如下所示：
属性项：增量编号、增量名称、数据表、主键字段、内容字段
属性值：Inc_A_SubTable、Inc_A_SubTable、A_SubTable、A_SubColID、（A_DetailCol1， A_DetailCol2， A_DetailCol3， A_DetailCol4）
（2）定义增量包，增量包结构属性如下
属性项：增量包编号、增量名包称、捕获模式、增量单元
属性值：IncPkg_BizA、IncPkg_BizA、数据库日志、（Inc_A_MainTable， Inc_A_SubTable， Inc_A_DetailTable）
（3）启用并初始增量，该过程中分别创建3个增量数据表（Inc_A_MainTable， Inc_A_SubTable， Inc_A_DetailTable），用来存储捕获的增量数据
（4）订阅增量，订阅信息如下：
属性项：订阅用途、增量包、同步归集存储过程、存储过程参数字段
属性值：BizA的数据统计查询、IncPkg_BizA、SP_BizA_Synch、A_MainCol1，A_MainCol2
在步骤B中，设置计划调度信息，设置内容如下
属性项：计划类别、周期类别、执行开始时间
属性值：周期计划、每天执行、2012年2月21日 22：00：00
在步骤C中，执行增量数据归集，参照附图6，包括以下内容：
a.通过数据库日志表，抽取符合条件的增量数据;
b.把增量数据分别加载到增量数据表（Inc_A_MainTable， Inc_A_SubTable， Inc_A_DetailTable）中;
c.生成存储过程SP_BizA_Synch;
d.执行存储过程SP_BizA_Synch，（如果不存在）创建查询中间结果表（TempResult_BizA），并把增量数据表中的数据同步到查询中间结果表中。
在步骤D中，采用分页取数逻辑从查询中间结果表（TempResult_BizA）中取出查询结果进行展现。
4.结论
本文通过提供一种基于增量归集的大数据量的数据查询方法，进行了详细的描述和实际应用，该方法主要针对大量数据进行查询统计，可以提高大数据量的查询统计的性能和效率，在业务数据量非常庞大的系统中具有较高的应用价值。
参考文献
[1]刘秋香，张永胜.对XPath，XLink和XPointer的分析研究[J].微机发展，2005（10）：19-22.
[2]周兆滨.XSLT应用于数据编程的研究[J].制造业自动化，2003（12）：93-95.
[3]刘丽静.综合信息管理系统在煤炭生产集团中的应用[J].工矿自动化，2011（10）.
关键词：兰德型系统分析；教学内容；结构设计
Key words： RAND style systems analysis；instructional content；structure design
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0200-04
0 引言
系统分析是兰德公司在上世纪四十年代提出的一种解决军事运筹与决策问题的方法[1]。系统分析最初使用定量模型来解决问题，其主要要素有：目标、替代方案、费用和效益、模型、准则[2]。随着系统分析在公共政策、军事战略等领域的深化应用，其内涵和范畴不断扩展，逐步形成了一整套用于处理复杂综合性问题的框架性方法，我们称之为兰德型系统分析（RAND-Style Systems Analysis，RSSA）。RSSA涵盖了从认识问题到解决问题的完整决策过程，包括：问题分析、目标分析、分析、系统环境、功能、结构与行为的分析、方案设计、方案评价与决策等[3][4]。
RSSA是决策分析、系统工程、经济管理、公共政策、军事战略等类型课程的重要组成部分。但是，与聚焦某一类管理决策问题的课程（如项目管理）不同，RSSA研究对象的广泛性决定了它一方面是一种通用的方法；另一方面又是一种抽象和高层的方法，其运用方式随着领域、问题和对象的不同而大不一样，即，RSSA的框架下需要用大量的领域知识、领域经验和领域直觉来填充。不难发现，按照认知学习的观点[5]，RSSA的教学很容易停留在抽象层面，容易造成理论化、表面化和符号化，学生难以消化知识和形成具体意义，并进而运用RSSA解决实际问题，教学效果不容易保证。
按照认知学习专家布鲁纳的观点[5]，有效的教学内容设计要使知识结构化。可是，因为RSSA源于经验总结和实践领域众多的特点，目前作者尚没有找到一种权威、通用、完整、清晰和可执行性强的RSSA方法框架，给有效教学带来很大障碍。因此，本文的目标是剖析、删繁、归并和构建出RSSA的知识结构，包括概念、命题、方法和原理等知识要素及知识要素之间的关系。以下，本文将按RSSA从总到分的顺序逐步展开分析。
1 兰德型系统分析的整体的教学内容结构设计
在将兰德型系统分析（RSSA）分解为各个步骤之前，要先将其视为一个整体来开展教学内容设计，主要解决三个问题：“是什么”（What）、“为什么”（Why）和“何时”（When）。
从整体上看， RSSA是一种面向复杂综合性问题的决策分析方法，而决策是一种基本的管理职能[6]。因此，RSSA的整体定位需要紧密联系到复杂综合性系统的管理上，这就引出了管理、决策分析和复杂综合性系统三个关键概念。①管理可以概括为使系统中的人、事、物按照管理者的意图运行，达到预期目标的一系列活动的统称。②决策分析是管理的核心步骤，它相当于人的大脑活动，包括从问题提出到设计并决定解决方案的一系列过程，最终产生干预系统运行的指令。③复杂综合性系统则是要素种类多、关联关系复杂的系统。④以上三个关键概念可以合并用一个学生熟悉的例子来解释说明，例如可以考虑两弹一星建设和抗美援朝等重大决策问题。
RSSA的发起原因通常有两个方面：①首先，人们运营和管理的系统是靠各种资源输入和信息约束而存在的耗散结构系统，它不断发展变化处于动态平衡之中，不断发生各种问题是常态；②另外，系统的外部环境也在不断变化，它使得系统的发展方向不再符合需要。当系统内部结构变化使得发展方向偏离管理者的主要目标，或者系统外部环境剧烈变化使得目标无法实现时，就要发起RSSA，以对系统结构开展干预，使系统运行重回正常轨道。
2 兰德型系统分析各步骤的教学内容结构设计
与RSSA整体的教学内容结构设计停留在概念上不同，①首先，RSSA各步骤的教学内容结构设计要围绕其实施的步骤和方法等“程序性知识”来开展，如果可能的话，要在知识传授的基础上尽量做基本练习与变式练习，使得程序性知识可执行化，形成解决问题的能力；②第二，为了理解RSSA各个步骤的原理，应该用工程技术从问题中产生方法的基本逻辑，从问题出发阐明RSSA各步骤为什么要这样做，能达到什么效果，不这样做行不行等，自然而然的阐述RSSA的各个步骤和工作的原理；③第三，程序性知识和方法原理中涉及很多表述基本事实的知识，称为“陈述性知识”，这些知识也要纳入教学内容中。
RSSA是社会、经济和军事等各领域决策分析人员的成功经验和正确做法的抽象总结。尽管如此，抽象的讲授RSSA的各个步骤是枯燥无味的，需要结合具体例子才能将RSSA的各步骤包装得生动、具体和形象，融入学习者的体验。为了突出RSSA的内容，而不是陷入到理解例子的复杂细节中，不应该使用门槛较高，需要复杂专业知识的例子，而应该尽量使用常R性的经典例子。另外，RSSA的各个步骤最好使用同一个例子（例如雾霾治理），以便于学习者对各个步骤的区别与联系做出比较，从而形成更丰富和清晰的知识点间的认知关联结构，便于理解，记忆和提取运用。
2.1 整体流程
在介绍RSSA各步骤的细节前，要先开展RSSA整体流程的介绍。整体流程介绍定位于简单介绍各个步骤，以及各个步骤之间的输入输出关系，让学习者对于RSSA有整体了解。①步骤的简单介绍应该使用目标式和功能式的风格：目标式风格指的是只说每个步骤要做什么，而暂时不说怎么做的具体途径；功能式风格指的是只说每个步骤的输入条件与输出结果的对应关系，而两者之间的转换机制、内部细节和中间过程则暂时不去探究。②步骤之间的关系实际上是彼此间输入、输出和反馈迭代的关系，一方面，前步骤的输出是后步骤的输入；另一方面，后步骤出现矛盾性结果时，要反馈到前步骤做适当修正。
2.2 问题分析
2.2.1 基本概念
问题是现实状态与预期状态的差距与矛盾，其中有三个要素：现实状态、预期状态和较大的差距。现实状态表示在系统现有的要素组成与配置关系下，管理者预期会获得的结果。预期状态表示管理者期待获得的结果。较大差距的意思是：①差距不是由系统和环境的正常随机波动导致的；②想要消除该差距，无法通过现有运行方案的微调和修补来完成，而需要通过系统化、全面性的RSSA来科学的制定方案。
2.2.2 基本方法
问题分析的基本方法就是从问题的基本内涵出发，按照三要素来发现问题。问题分析的时机一般是由特定事件驱动的：一类是系统自身结构或者外部环境的重大事件或者变故；一类是系统和组织内部在做阶段总结的时候由决策者提出。很多情况下，决策者受到思维定势和思维惰性的干扰，不愿意正视问题。当问题隐约存在，但线索又不十分清楚时，应该带着问题意识观察系统运行，并参考切克兰德调查学习模式[6]，对系统中的人员做调查问卷分析，收集系统的关键参量数据，用定性与定量相结合的方法，学习并理解系统，找准其中的问题。
2.3 目标分析
2.3.1 基本概念
目标不同于问题，它要在考虑系统和组织的长远目标与各方面的关联因素的基础上，解决、改善或者缓解存在的问题。目标分析的开展在形式上比较简单，只提出要做什么，而暂时不考虑如何实现。然而，要说明的是，一方面目标直接决定RSSA最终提出的方案，影响很大；另一方面要将目标定准其实很难。因此，①首先，要全面横向地考虑看待问题的不同专业与利益角度，还要全面考虑问题的各种关联因素，防止按下葫芦浮起瓢；②第二，还要在解决问题中有效统筹考虑长远目标，以通过尽量少的干预和折腾达成最后的目标；③第三，在RSSA的初期，即使有经验的分析员和熟悉专业领域的人员也难以全面准确的考虑上述因素，所以，对于新问题，若干次数的目标调整是难以避免的。最后，当解决当前问题与组织长远目标不存在矛盾，也不存在其他因素的干扰时，目标就简化为只考虑解决当前问题。
2.3.2 基本方法
目标分析的基本方法是将抽象，高层的目标细化和具体化，得到具体、可检查和可验证的产品、成果和指标。这样的细化可以多层次反复迭代进行，细化到（且仅到）对象系统的输出产物与信息上，而不必深入到目标系统的内部细节。这个方法又叫做目标手段分析，其原理就是将大的、宏观的、不易验证的目标，以分解的方法，得到一系列小的、具体、可验证的目标，下层目标是上层目标的达成手段，最后得到一个树状的目标分解结构。
2.4 对象系统的环境、功能、结构和行为的分析
2.4.1 基本概念
对象系统（Objective System，OS）指的是产生我们预期的成果和产品，作为我们研究对象的系统。①环境是为OS的运作提供基本条件、输入原料和客观限制的，不可控制的因素的总和。②功能指的是OS以特定的内部机制，完成从输入原材料到输出产品的转变过程的能力，它只是一个表面化的描述，而不涉及系统内部机制的细节。③结构指的是OS的要素以及要素之间的关系的总和，是OS的静态呈现。④行为指的是OS的结构（主要是其中的要素的状态）随时间进行而发生的动态变化，以及物质、能量和信息的各种转化过程，是OS的动态呈现。综合来看，系统的结构是行为的基础，而环境与行为一同决定了功能，也就是最终决定了§2.3提出的目标能否实现。
2.4.2 基本方法
①环境分析包括环境要素的建模、不确定性的分析和发展趋势的预测。因为环境是不可控的，所以其不确定性变化和趋势性变化对于OS的输出结果影响很大，在开展后续分析之前，要分析清楚环境因素的不确定性变化规律和趋势性变化规律。一般来说，这类带不确定性的分析可以考虑概率统计和随机过程等模型。②功能分析可以采用集成化计算机辅助制造领域中的IDEF0图来描述。IDEF0提供了包括输入、输出、控制信息（约束）、机制（原材料、资源、工具、人力等）的完整功能描述框架。③结构分析可以考虑使用信息系统工程中的面向对象分析方法，例如UML等规范化分析技术，特别是以其中的类图来描述要素，并将结构关系设计成类之中的属性，又或者可以用概念图和思维导图等来做结构分析。④OS的动态行为分析可以采用UML中描述多个对象间交互的时序图，或者Petri网来描述，对于宏观性的问题，还可以用系统动力学模型来描述。
2.5 方案设计
2.5.1 基本概念
方案是调节、改进和变革OS的结构和行为，使得OS输出一定规格的产物，以达到特定目标的一系列可执行措施的统称。方案是针对OS的改进，分成三种类型：①调节型是不改变现有OS的基本结构，仅对其中的某些关系和要素加以加强或者减弱；②改进型是在原有方案的基础上，做一定程度的较大改进，但是基本的结构和原理不改变，并将改进前后的变动成本作为重要考虑；③变革型是在现有OS的机制存在根本性问题时，重新开展顶层设计，原有要素基本打散重组，新增大量新要素，淘汰大量旧要素。
方案的内容是对OS结构的变化，即OS要素和要素间关系的调整变化措施。RSSA对方案设计的主要要求是全面完整、协调配套、适应环境和切实可行。①全面完整是要包含所有目标对应的落实措施。②协调配套指的是方案是“组合拳”，各个措施之间要彼此配合，正合力最大，内耗和副作用最小。③适应环境是能够抵御外部环境一定范围内的变化风险，并且能够预先规划和适应外部环境的规律性变化趋势。④切实可行是指方案是要最终落实的，其实施所需的时间、金钱、技术、人力、管理等投入要尽可能小，要在满足目标要求的条件下尽量简单，反之，如果方案的可行性确实达不到要求，就要返回目标分析阶段，反思目标是否定的过高。
2.5.2 基本方法
方案设计的基本方法是目标牵引，环境适应，结构入手，综合设计。①目标牵引的含义是每个目标在方案中都要有对应的实现措施，为此，可以采用鱼骨图等因果关系分析的方法，完成从目标至方案措施的分解。②环境适应的含义是方案对于环境的不确定性因素要有一定的鲁棒性，能保持稳定的输出，另外要对环境的趋势性变化有调整适应能力。环境鲁棒性来自于设计方案时预留容量；环境适应性来自于设计方案时预留了环境变化下自身结构、参数等的调整方法和升级接口。③结构入手的含义是：方案达成目标的基本原理是对OS的要素与要素间关系做调整，包括增加、删除、修改等改进型操作；或者是全新的变革性设计。④综合设计的意思有三层：首先是各个措施要协同配套，不能彼此抵触；第二是要综合考虑方案达成各个目标的效果，以及方案本身的成本（包括实施可行性问题、时间金钱等耗费问题、副作用问题等），在成本与效果之间综合权衡；第三，要设计能够在成本、效果、可行性等标准之间有不同侧重点的多个备选方案，最后供决策者选择。
2.6 方案评价与决策
2.6.1 基本概念
尽管方案设计的过程中已经考虑了成本、效果等因素，可是这种方案设计阶段的考虑更多的是定性和概略的考虑。因此，在正式决定方案之前，有必要用一套科学完善的指标体系，对各个方案开展详尽、客观和定量的评价，淘汰掉明显劣的方案，保留满意方案或者选出最优方案。其中，指标体系要涵盖方案达成目标的程度、环境适应性程度、方案实施成本与实施难易程度等，其要求是必须意义明确，且易于计算或者比较。方案评价的核心工作是量化各个指标，由此得到方案的优劣判断：①劣方案的某些指标数值低于可接受下限，因此不予考虑；又或者每个指标都劣于某个方案，无保留必要。②满意方案则是切实可行和非劣的方案，事实上，决策者可以根据偏好来从满意方案中选择任意一个。③最优方案是综合所有量化指标并得到每个方案的总评分，选出其中最高者，即为最优方案。
考虑到RSSA所面临的问题的复杂综合性，有的指标的数值很难客观计算，此时，方案之间的指标优劣只能由决策者做主观比较来给出；另外，同一个方案下各个指标的相对重要性同样没有客观标准，也需要决策者做出主观价值判断。不难发现，对于RSSA的研究对象――复杂综合性系统――来说，方案评价的量化过程不可避免的需要引进决策者的价值判断，因而，方案评价与方案决策一般是无法分割的。
2.6.2 基本方法
方案评价与决策的基本过程是确定指标、指标量化、综合评价并做出决策。①确定指标是从目标达成度、环境适应度、方案实施成本、方案可行性等方面，确定一套完整、标准化、明确清晰和容易量化的指标。②指标量化是在OS的环境模型、结构模型、行为模型和功能模型的基础上开展的。当指标的数量关系明确且易解算时，可以建立数学模型并量化；当指标的数量关系明确但不易解算时，可以建立仿真模型并用计算机仿真法得到数值解；当指标的数量关系不明确时，可以利用决策者和分析师的经验，建立经验模型或近似模型，或者直接用主观意见来赋值。④综合评价是利用各种多属性评价方法，如AHP法、TOPSIS法、加权和法和ELECTRE法等，计算每个方案的相对重要度打分，最后选出最优解。需要注意的是，方案评价与决策中还是应该尽量避免决策者的主观判断，在确实需要主观判断的场合下，分析师应该配合决策者，慎重、规范和细致的进行。
3 案例研究
华北雾霾治理是一个社会热点，也是学生们普遍关心的问题。本文以此为例简单的展示RSSA的分析过程与每一步所得的结果。
问题分析：①现实状态是雾霾大面积频发，社会和人民关注度很高，迫切希望改进；②期望状态是空气质量的优良率高，人民总体满意；③显然，现实状态和期望状态的差距很大，且无法通过简单的加大环保监管力度来解决问题，而是要通过对产业结构、经济发展、战略布局等做通盘改进来解决。
目标分析：通过2014年的北京APEC蓝不难发现，单纯的治霾是简单的，只要停产限产就能做到。但是，长期减产的措施将带来重大经济损失，引发失业和危及整个社会经济的运行秩序，从而无法达到全面建设小康社会的目标。所以，现阶段的合理目标是长期推进经济和产业结构转型，短期内缓解和一定程度上改善大气污染状况。
对象系统（OS）环境、功能、结构和行为分析：①华北地区的地形、气候和大气环流条件等都是无法改变的，属于环境因素；②OS的功能是消耗能源和原材料，生成各种产品、就业岗位和经济价值等，同时产生大量的水、土壤和空气的污染；③OS的结构包括能源、矿藏、运输、原料、产业集群、人口、城市、经济和政策等一系列复杂的要素与要素之间的关系；④OS的行为可以用系统动力学来建模，以描述各种宏观量之间的复杂关联关系导致的复杂行为。
方案设计：为达到上边确定的雾霾治理目标，需要开展以下工作：①逐步减少重污染和高排放的过剩产能，关停淘汰高能耗低产出的小企业，新上项目应注意疏散配置，鼓励和补贴新兴产业，利用排污税费调节重污染企业；②逐步降低煤炭能源比重，新上核电和燃气等洁净能源项目，实施车辆油品升级；③加强环保监管，惩罚违法生产，特别是在空气质量较差的时期严格执行应急预案，实行停产限产，严格守住污染防治底线。
方案评价与决策：治理的投入和效果是治霾方案的两大核心评价指标。上述方案措施中，①产业结构转型的跨时很长，涉及部门很多，影响因素多，推进十分困难；②环保监管的难度很大：大气污染有其扩散性，其治理成效和污染过错都难以归至某地政府或某家企业，所以，政府和企业对环保法规的落实态度容易消极，监管落实成本较大；③新能源建设可以迅速的降低火电厂的燃煤消耗，但是其经济投入较大；④利用排污税费调节污染排放则有很好的经济性，但是治理效果不易保证。最后的结论是治霾方案基本可行，但是有见效较慢，转型难度较大的风险。
4 小结
本文提出了一个内容完整，结构清晰的兰德型系统分析（RSSA）教学内容体系，明确定义了RSSA每个步骤中涵盖的概念知识和基本方法知识，以及这些知识之间的关系。最后，通过一个雾霾治理的完整实例，展示了RSSA教学内容体系用于课堂教学和实践运用的实用性。
参考文献：
[1]兰德公司与美国的崛起[M]. Abella A.著，梁筱|，张小燕译.北京：新华出版社，2011.
[2]臧卫东，王芸.现代系统分析浅论[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，1996，19（1）：50-68.
[3]汪应洛主编.系统工程学[M].三版.北京：高等教育出版社，2007，2.
[4]张智光主编.决策科学与艺术[M].北京：科学出版社，2006，9.
文章编号:1004-373X(2010)18-0124-03
Analysis and VLSI Architecture for 1-D Discrete Wavelet Transform
XIN Qin, ZHONG Yan-hua, LIU Chun-feng, PAN Li-ming
(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: The introduction of lifting scheme makes the fast hardware implementation of DWT come true. The flipping structure speeds up further the computation for lifting-based architecture. The roundoff error of the flipping structure is analyzed. Based on the flipping structure, the lifting step is modified and an efficient hardware structure for DWT derived from flipping structure is proposed. Experimental results show that the proposed structure, which adopts the pipeline design, could effectively make full use of the arithmetic resources under the condition of the tight critical path.Keywords: discrete wavelet transform; lifting scheme; flipping structure; roundoff error
收稿日期:2010-05-21
0 引 言
离散小波变换(discrete wavelet transform,DWT) 良好的时频域局部化分析性能,使其在信号分析、图像压缩、视频压缩等领域成为一个应用广泛的DSP工具[1]。随着DWT研究与应用的日益普及,其硬件实现的需求日益迫切。Sweldens在Mallat算法基础上提出提升算法(lifting scheme)[2],为小波变换提供了一种快速实现方法,并且已经被应用于JPEG2000标准中。基于提升算法的DWT,可以有效地减少乘加法的运算量,比较适合VLSI(very large scale integration)[3-4]架构实现。最近有人提出了1种翻转结构(flipping structure)[5-7],它对提升结构的系数进行了巧妙的翻转和合并,使乘法和加法的运算量进一步降低。
本文在翻转结构的基础上,将两级“预测”步骤和“更新”步骤合并成┮桓霆单独的提升步骤,并引入2选1的多路选择器到缩放步骤中,有效调整了原始数据的路径,节省了硬件乘法器的资源,更利于硬件实施。同时还对翻转结构中乘法器引入的舍入误差进行了分析。
1 小波提升算法
任何完全重构的DWT滤波器组都可以分解成一系列有限长度的提升步骤。目标小波滤波器的多相矩阵(polyphase matrix)[8]可以分解成式(1)中lifting的实现方式,如:
P(z)=he(z)ge(z)
ho(z)go(z)=∏mi=11si(z)
01•
10
ti(z)1K0
01K(1)
式中:si(z)和ti(z)为罗朗多项式;si(z)是推举因子;ti(z)是对偶推举因子;k是1个非零常数,是归一化因子。
采用提升算法,(9,7)小波的多相位矩阵分解式为:
P(z)=1α(1+z-1)
0110
β(1+z)1•
1γ(1+z-1)
0110
δ(1+z)1ζ0
01ζ(2)
式中:Е=-1.586 134 342;β=-0.052 980 118;γ=0.882 911 076;δ=0.443 506 852;ζ=1.149 604 398。若不包括ζ和1/ζ的乘法,计算一级变换需要4次乘法,8次加法,考虑用流水线结构,则每个流水线的最小周期是1次乘法,2次加法。
基于翻转结构的离散小波变换仍是基于提升的结构,只是改变了系数的位置。对P(z)进行变形,提取┟扛鲋魈嵘和对偶提升过程的系数,实施矩阵的初等变换,翻转提升结构的系数,P(z)Э梢苑纸馕如下形式:
P(z)=11+z-1
0ab01+z1•
11+z-1
0cd01+z1k10
0k2(3)
式中:a=1/α;b=1/αβ;c=1/βγ;d=1/γδ;k1,k2是新生成的(9,7)小波变换翻转结构的系数,k1=αβγδζ;k2=αβγ/ζ。
由于翻转之后,将导致乘法溢出,运算使级联误差会随级联而增大;所需数据宽度也将随级联增加。为了解决上述问题,对系数进行移位。变形结果为:
P(z)=11+z-1
0a′b′0
(1+z)/161•
1(1+z-1)/2
0c′d′0
(1+z)/21k1′0
0k2′(4)
式中:a′=1/α;b′=1/16αβ;c′=1/32βγ;d′=1/4γδ;k1′=64αβγδζ;k2′=αβγ/ζ。翻转结构示意图如图1所示。
图1 (9,7)小波翻转结构
(9,7)小波提升的具体实现步骤如式(5)~式(12)所示,{xi|i∈Z}表示原始的输入数据序列,用s0i和d0i分别表示输入的奇数分量和偶数分量,用sni和dni(n=1,2)表示提升分解得到的中间值,用si和di分别表示信号的低频分量和高频分量输出。
(1) 分裂步骤(splitting step)
s0i=x2i(5)
d0i=x2i+1(6)
(2) 提升步骤(lifting step)
第一级提升步骤:
d1i=a′×d0i+s0i+s0i+1(7)
s1i=b′×s0i+(d1i+d1i-1)4(8)
第二级提升步骤:
d2i=c′×d1i+(s1i+s1i+1)1(9)
s2i=d′×s1i+(d2i+d2i-1)1(10)
(3) 缩放步骤(scaling step)
si=k1′×s2i(11)
di=k2′×d2i(12)
2 DWT的舍入误差分析
在实现DWT的硬件过程中,当算法采用定点表示时,引入的舍入误差将严重影响整个算法的运算精度,因此,对其进行精度分析是非常重要的。翻转结构的舍入误差主要由乘法器引起,图1结构图对应的舍入噪声模型如图2所示。
图2 舍入误差模型
图中:E2(n)表示第一级 “预测”步骤的舍入误差;yH(n)表示高频输出的舍入误差。其中,e1(n),e2(n),e3(n)和e4(n)是噪声信号。噪声信号e(n)可假定为独立同分布的白噪声,方差为σ2e;yH,lifting(n)是基于标准提升算法结构的高频舍入噪声;yH,flipping(n)是翻转结构的高频舍入噪声。现将二者进行比较:
yH,lifting(n)=e3(n)+0.882 91[e2(n)+e2(n-1)]-
0.046 78[e1(n)+e1(n-2)]+
0.906 44e1(n-1)
yH,flipping(n)=e3(n)+0.5[e2(n)+e2(n-1)]+
0.031 25[e1(n)+e1(n-2)]-
0.605 57e1(n-1)
因为均值都等于零,所以方差:
σ2q=E(X2)-E2(X)=E(X2)
E[y2H,lifting(n)]=3.385 07σ2e
E[y2H,flippting(n)]=1.868 67σ2e
由此可见,由于翻转结构使用了移位及乘法系数,翻转变小,其舍入误差比标准提升算法得到大大改善。
3 DWT的硬件实现
翻转结构是非常适合用于硬件流水线来实现DWT的。本节采用合并提升步骤的方法,先把每级“预测”步骤和“更新”步骤便合并成一个新的提升步骤,然后再把两级新得到的提升步骤合并成一个单独的提升步骤。
将式(7)代入式(8)中,从而第一级“预测”步骤和“更新”步骤合并成一个新的表达式,如式(13)所示;然后将式(9)代入式(10)中,同理可得到式(14),最后合并两级新得到的提升步骤,即将式(13)代入式(14)中,得到┦(15)。
第一级提升步骤:
s1i=b′×s0i+d1i+d1i-1=b′×s0i+a′×d0i+s0i+s0i+1+a′×d0i-1+s0i-1+s0i(13)
第二级提升步骤:
s2i=d′×s1i+d2i+d2i-1=d′×s1i+c′×d1i+s1i+s1i+1+c′×d1i-1+s1i-1+s1i(14)
合并两级提升步骤成一个新的表达式:
s2i=d′×(b′×s0i+a′×d0i+s0i+s0i+1 +a′×d0i-1+s0i-1+s0i)+c′×(a′×d0i+s0i+s0i+1+a′×d0i-1+s0i-1+s0i)
+b′×s0i+1+a′×d0i+1+s0i+1+s0i+2+b′×s0i+a′×d0i+s0i+s0i+1+a′×d0i+s0i+s0i+1+a′×d0i-1+s0i-1+s0i +
a′×d0i-1+s0i-1+s0i+a′×d0i-2+s0i-2+s0i-1+b′×s0i+a′×d0i+s0i+s0i+1 +b′×s0i-1+a′×d0i-1+s0i-1+s0i(15)
利用式(15),每4个时钟周期完成1次(9,7)离散小波变换的提升步骤。每4个时钟周期的第一个时钟周期完成一次滤波器常系数a′的乘法,同时完成2次加法操作。其中,新产生的中间结果存入Delay_reg1,同时从Delay_reg1读取中间结果,以供计算使用,最后利用Pipeline寄存器实现流水线处理,然后依次完成其他3个时钟周期的滤波器常系数乘法操作和加法操作。可见,(9,7)小波提升步骤具有4路相同的原始数据的运算路径,这样可以用几个4选1的多路选择器来控制原始数据运算路径。针对本文每个时钟周期输入1/2数据的特点,对缩放步骤引入2个二选一的多路选择器,节省了一个硬件乘法器。据此,可设计一个(9,7)小波提升步骤的流水线结构,如图3所示。
图3 (9,7)小波提升步骤的流水线结构
从结构中可以看到,在关键路径为Tm的约束条件下(Tm和Ta分别代表乘法器和加法器的计算延时),完成一次(9,7)小波的提升步骤,需要1个乘法器、2个加法器和8个内部寄存器。这样可以有效地调整原始数据的运算路径,更好地发挥算术运算资源的作用,节省硬件乘法器、硬件加法器和内部寄存器的资源。
综上可得,随着数据的连续输入,该硬件结构连续处理数据,这样可以充分利用硬件资源,利用率几乎可达到100%,而且控制非常简单,只是利用几个Pipeline寄存器即可实现滤波的流水线处理
。
表 1 1-D DWT性能比较
结构乘法器加法器寄存器关键路径
Direct[9]4864Tm +8Ta
Direct +fully pipeline[9] 4832Tm
Flipping+ no pipeline[10]484Tm +5Ta
Flipping+5 pipeline [10]4811Tm
本文算法228Tm
表1中文献[9]是直接基于卷积Direct结构,采用pipeline之后,关键路径降低,但需要消耗大量的硬件资源;文献[10]采用的是翻转架构,寄存器的数量比Direct结构进一步减少,关键路径也比较理想;通过比较,在关键路径的约束条件下,显然采用本算法的硬件结构,寄存器、内部存储器和硬件乘法器数量上会进一步的减少。
4 结 语
本文提出了一种有效的基于翻转结构DWT硬件实现架构。采用合并提升步骤和流水线设计的方法,并引入多路选择器到缩放步骤中,节约了硬件资源,降低了功耗。此外,本文还对比研究了标准提升算法和翻转结构中乘法器的舍入误差,并与其进行了比较。按本文思想,目前正在进行二维多级小波变换的设计。
参考文献
[1]LAI Yeong-Kang, CHEN Lien-Fei, SHIH Yui-Chih. A high-performance and memory-efficient VLSI architecture with parallel scanning method for 2-D lifting-based discrete wavelet transform[J]. IEEE Transaction on Consumer Electronics, 2009,55(2): 206-211.
[2]LIAN C J, CHEN K F, CHEN H H, et al. Lifting based discrete wavelet transform architecture for JPEG2000[J]. IEEE Int.Symp. Circuits Syst., 2001,2: 445-450.
[3]WANG Chao, WU Zhi-lin, CAO Peng, et al. An efficient VLSI architecture for lifting-based discrete wavelet transform[C]//ICME.[S.l.]: ICME, 2007: 1575-1578.
[4]SHIAU Y H, JOU J M, LIU C C. Efficient VLSI architectures for the biorthogonal wavelet transform by filter bank and lifting scheme[J]. IEEE Transactions, 2004,e87(7): 1867-1877.
[5]欧龙,张启衡,杨洪,等.基于FPGA的二维提升小波变换IP核设计[J].微计算机信息 2009,25(2):74-76.
[6]董文辉,刘明业.JPEG2000小波提升算法的硬件设计[J].电子学报,2003,31(11):1674-1677.
[7]郝燕玲,刘营,仲训昱.一种有效的基于翻转结构的DWT硬件结构[J].四川大学学报:工程科学版,2009(4):43-45.
一、本科学生毕业论文的目的和内容
二、管理信息系统开发的主要步骤
三、计算机专业所选开发工具和注意事项
四、计算机毕业论文撰写格式
五、毕业论文中正文的写法和注意事项
六、结束语的写法
七、参考文献列出毕业论文设计中主要参考书籍
八、附录的写法
九、论文评分的能用标准
一、本科学生毕业论文的目的和内容
本科学生在毕业之前必须做毕业论文，其目的是通过毕业论文，让学生独立开发一个具体的计算机应用项目，系统地进行分析总结和运用学过的书本知识，以巩固本科阶段所学的专业理论知识，并给予一个理论联系实际的机会。
为了便于实施和管理，规定网络学院计算机相关专业本科学生毕业论文主要以开发一个管理信息系统为毕业实践的课题，每个毕业生通过独立开发一个具体的管理信息系统，掌握开发一个比整完整的管理信息系统的主要步骤，并从中获得一定的实际经验。
二、管理信息系统开发的主要步骤
管理信息系统开发的主要步骤及各步骤的基本内容如下：
1、系统分析
主要工作内容有以下几项：确定系统目标，系统可行性分析
2、系统调查
系统的组织结构、职能结构和业务流程分析。其中系统的组织结构图应画成树状结构。
系统业务流程分析、业务流程图
3、数据流程分析
数据流程图（系统关联图、顶层图、一层数据流图、二层数据流图）、数据词典、代码设计
4、管理信息系统的功能设计
系统的功能结构图，每个功能模块的主要工作内容、输入输出要求等。
系统控制结构图
5、数据库设计
概念模型设计：实体、实体间的联系、E-R图
关系模式设计：E—R图->关系模式的转换规则
关系模式
数据库表设计：数据库表结构
6、系统物理配置方案
7、人机界面设计
8、模块处理概述
9、系统测试和调试：测试计划、测试用例、测试结果
三、开发工具和注意事项
1、开发工具
开发工具可由学生任选。如Delphi、FoxPro、VB、Access等，这些工具的使用全由学生自学。
2、注意事项
（1）项目开发步骤的完整性（系统需求分析、概念设计、物理设计、系统环境和配置、系统实施以及系统测试和调试等）
（2）每个开发步骤所得结果的正确性（业务流程图、数据流程图、数据词典、HIPO图、E-R图、关系模式、人机界面设计及模块处理等的详细分析和说明）
（3）论文整体结构的完整性（前言、各个具体步骤的叙述和分析、结语、参考文献和有关附录）
（4）提供软件系统的可执行盘片及操作说明书
（5）参考资料（列出必要的参考资料）
四、毕业论文撰写格式
注意：1．每个步骤都要有文字说明和论述2．各个步骤必须是有机的组合，不可以支离破碎不成一体。
一、封面
二、摘要用约200-400字简要介绍一下论文中阐述的主要内容及创新点
三、主题词用一、二个词点明论文所述内容的性质。（二和三要在同一页面上）
四、目录一般采用三级目录结构。例如第三章系统设计3.1系统概念结构3.1.1概念模型
五、正文
第一章前言
简要介绍：组织机构概况、项目开发背景、信息系统目标、开发方法概述、项目开发计划等。
第二章系统需求分析
本章应包含：
（1）现行业务系统描述
包括业务流程分析，给出业务流程图。
具体要求：业务流程图必须有文字说明，图要完整、一定要有业务传递的流程。
（2）现行系统存在的主要问题分析
指出薄弱环节、指出要解决的问题的实质，确保新系统更好，指出关键的成功因素。
（3）提出可能的解决方案
（4）可行性分析和抉择
包括技术可行性、经济可行性、营运可行性分析和抉择。
第三章新系统逻辑方案
针对用户需求，全面、系统、准确、详细地描述新系统应具备的功能。
（1）数据流程分析
最主要的是给出数据流程图，要求满足以下条件：
A．数据流程图必须包括系统关联图、系统顶层图、第一层分解图和第二层分解图组成。B．系统关联图确定了从外部项到系统的数据流和从系统向外部项的数据流，这些数据流在其它层次的数据流中不允许减少，也不允许增加。各层次内部的数据流不受关联图的限制。C.数据流应有名字。D.外部项和数据存储之间不得出现未经加工的数据流。E.数据流程图的分解中，必须保持每个分层同其上层加工中的外部项和输入输出流相一致。F.各加工之间一般不应出现未经数据存储的数据流。G.数据存储之间不得出现未经加工的数据流。H.数据存储可以分解。I.若有查询处理，应在数据流程图中表达。J.统计和打印报表不在数据流图中表达。
(2)数据词典描述
可采用图表格式或较紧凑的记录格式描述A、若采用图表格式，可只写出数据流、数据元素、加工、数据存储和外部项各一个表。B、若采用紧凑的记录格式，则应列出全部成分。如数据元素：编号名称存在于数据结构备注E1入库数据F1/F3/F11/F15入库单号日期货号数量E2出库数据F1/F3/F11/F15出库单号日期货号数量C、据流程图中系统顶层图的数据加工都必须详尽写出。
(3)基本加工小说明
可采用结构化语言、数学公式等描述各个基本加工。
第四章系统总体结构设计
（1）软件模块结构设计A、系统软件模块结构图，并由此导出功能分解图及层次式菜单结构。B、系统的模块结构应与数据流程图的顶层图的加工一致。
（2）数据库设计A、应按下列次序阐述各个元素：实体、实体的属性、实体间联系、E-R图、转换规则、关系模式。B、在介绍实体的属性时，不应包括联系属性，联系属性直至关系模式中才出现。C、数据流程图中的每个数据存储可隐含于E-R图中的多个实体。D、E-R图中的实体要与数据流程图中的数据存储相对应。每个实体要指出实体的标识码（主码）。对每个实体或联系应列出其应有的属性（用列举的方法）。E、E-R图中至少要有一个多对多的联系。F、必须严格按照转换规则从E-R图产生数据关系模式集，需要时作必要的优化，并说明理由。G、对于一对一的联系，只应把任一个实体的主码放在另一个实体中作为外码。H、一对多联系也可以产生新的关系模式，如要这样做，必须说明理由。I、多对多联系，或三元联系必须产生新的关系模式。J、关系模式的个数和名字要与E-R图中的实体和联系相一致。K.、每个关系模式中要用下横线标出主码，后随的符号“#”标出外码。L、若有代码对照表可在最后列出，需另加说明。
(3)计算机系统配置方案的选择和设计
给出硬件配置，系统软件配置，网络通信系统配置（可选）等内容。
(4)系统总体安全性、可靠性方案与措施。
第五章系统详细设计
（1）代码设计基本数据项的代码格式。
（2）人机界面设计给出人机界面视图（输入输出接口，屏幕格式设计等）
（3）模块处理过程根据软件环境做不同处理。可采用脚本、程序流程图、结构化的PDL语言等。
第六章实施概况
（1）实施环境和工具的比较选择
（2）编程环境、工具、实现与数据准备概况
（3）系统测试概况主要包括测试计划、测试用例、测试记录。
（4）系统转换方案及实现概况
（5）系统运行与维护概况
六、结束语
（1）系统特色、局限与展望
（2）实施中遇到的挫折、创新、体会与致谢
七、参考文献列出毕业论文设计中主要参考书籍
序号、书名或文章名、作者名、出版社或杂志名、出版日期或杂志期号。
八、附录
（1）列出部分有一定代表性的程序代码段
（2）操作说明书
九、论文评分标准
1、A等
系统正确无误，系统功能完善，设计步骤完整正确，实用性强，有一定的创新性，论文结构严谨，表述流畅。
2、B等
系统基本正确，系统功能基本完善，设计步骤基本完整正确，有一定的实用性，论文结构良好，表述基本流畅。
3、C等
系统有少量错误，系统功能不够完善，设计步骤欠完整，基本上没有实用性，论文结构一般，表述基本清楚。
中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2013）09-0019-02
在一次全市高二化学新课程研讨活动中，观摩了《有机化学基础》模块《未知有机物结构和性质的探究》一课的教学。授课教师从课标要求出发，以研究有机物的一般步骤和方法的应用为主线，以确定未知有机物（乳酸）的结构、性质为学习任务，通过自主学习、小组探究、合作交流，有效地将知识建构与探究过程融为一体，在凸显化学科学方法应用的同时，自然地实现情感态度与价值观的升华。
本课的主要教学过程由以下五个环节和相应问题构成：
一、整合教材，提升选修课程功能
本节课教学设计最为突出的是教师能够站在课程资源开发的高度，创造性整合教材，选取了应用价值深远的“乳酸”作为专题学习羧酸的内容，较人教版教材重复乙酸的学习具有开创性。
人教版高中化学选修5第三章《烃的含氧衍生物》、第三节《羧酸 酯》一节教材内容和必修2中《生活中两种常见的有机物——乙酸》进行比较，选修部分增加了三点：一是羧酸的分类；二是乙酸与苯酚酸性的比较研究；三是通过同位素示踪法认识酯化反应的机理。相比而言，苏教版《有机化学基础》模块专题4第三单元 《醛 羧酸》在内容上突出的是酯化反应在合成高分子材料中的应用，且作为教学资源给出的学习内容还涉及了对苯二甲酸乙二酯PET和聚乳酸PLA。考虑后续有机物转化的学习，苏教版展现酯化反应的应用更有优势。结合学情我们发现，学生从初中就开始学习乙酸，加上必修2和选修5前两章的学习，已烂熟乙酸酯化反应的实质，若再度以乙酸为课题设计探究教学，那肯定是假探究，势必造成学生的反感厌学，不会实现选修课程的模块目标。权衡以上诸多因素，选取乳酸为未知有机物进行探究，体现了以学生为本的教育思想，同时确保了知识的科学性和先进性。这样，既能让学生在经历研究未知有机物方法步骤的同时，加深对羟基、醛基、羧基、酯基的官能团性质的理解，也能在乳酸发生缩聚反应性质应用时，从容地达成情感态度与价值观这一目标。另一方面也帮助学生较好实现必修到选修在知识和方法上的螺旋上升，也为学习有机合成做好准备。
二、凸显过程、方法与知识建构的融合
本课以研究有机物一般步骤和方法的应用为主线，经历了五个环节。而这些环节的推进是按照研究有机物的一般步骤，即应用定量分析及质谱图确定分子式——应用红外光谱图、核磁共振氢谱确定可能结构——实验探究，确定结构式——利用结构、性质和用途的关系学习有机物。这样以未知物为研究对象的设计，能让学生自然地遵循化学科学研究的步骤方法，以科学家的姿态，在不断发现问题、解决问题的过程中，自主建构知识的模块学习目标，也为后继学习有机合成创造了良好条件，实现了教材编者在选修5开篇《认识有机化合物》阐明的旨意，使科学方法的学习有的放矢，不流于形式，不空洞说教。本课的板书体现了这一设计主旨：
三、自然地实现情感态度与价值观的升华
情感态度与价值观是理科教学中较难达成的课程目标。本课的第三个亮点正是较好地达成这一目标。这得益于本课伊始的情境创设，即选取2010年上海世博会德国馆工作人员穿的T恤可降解的视频资料，产生耳目一新的视觉冲击，让学生从中提炼了高质量的问题，“我们能不能合成类似这样的环保材料呢？怎么合成？”显然，能有这样强烈的愿望，达成“认识到有机化合物在人类生活和社会经济发展中的重要意义”这一目标，围绕这一情感需求，全课的学习活动逐步展开，直至课堂的最后一个环节——借助网络学习聚乳酸的性质用途，结合第二个视频资料“我国聚乳酸材料应用”，学生这种积极的情感体验从容地升华为运用所学改善、提高人类生活质量。
四、驱动性的问题设计是推动探究教学的灵魂
本课从实验式、分子式的确定到结构式的确定，从化学性质的验证到用途的网上查询，各环节都是按照探究教学必经的步骤展开的，探究的形式包括了讨论探究和实验探究。课上学生主动参与、情绪饱满、思维活跃、善于质疑、勇于发表个人见解、能够提出新的观点和方法，即使从参与时间、参与人数两个指标来考量，参与度也是很高的。比如课堂伊始，教师结合视频资料提出本课的主要问题：“上海世博会德国馆工作人员的T恤有何神奇之处？它的材料是什么？如何研究未知有机物？一般方法与步骤如何？”这些环环相扣的问题直指未知有机物研究的一般步骤和方法的应用，为学生的探究定下了方法引领的基调。值得一提的是，教师在教学过程中还善于以学生的回答为抓手，穷追不舍，敏锐地针对核心问题补充后续问题，让学生通过回想反思自己先前的作答，去伪存真、缩小研究范围。从而接近未知物的确切结构和性质。教学片断如下：
教师：刚才大家已确定了未知物的分子式为C3H6O3，那么根据价键规则，会有多少种结构呢？
学生：（展示18种可能的结构简式）
教师：今天我们研究的是哪一种？怎样入手进行确定？还需要什么证据？
学生：红外光谱以及核磁共振氢谱。
教师：PPT展示红外光谱及信息1：有机物A的红外光谱图上发现有C-H键、C-O键、O-H键、C=O键、C-C键。对你有什么帮助？
学生：不存在环状结构，排除环状结构。
教师：可能结构仍然很多，如何进一步筛选？还需要什么证据？
学生：核磁共振氢谱。
教师：PPT展示信息2：有机物A的核磁共振氢谱且吸收峰面积比1：1：1：3
学生：只有四种氢原子，必须有-CH3和-OH
教师：请大家筛选符合提示信息的可能结构，并工整地写在学案上。
学生：展示可能结构CH3CH（OH）COOH、HCOOCH（OH）CH3、CH3OCH（OH）CHO
教师：有机物A到底是哪一种？
学生：需要实验验证。
教师：怎样设计实验？
学生：从酯基的性质入手可以验证是否是HCOOCH（OH）CH3。
教师：一定要从酯基入手设计实验吗？请大家从寻找官能团差异入手，利用性质进行验证。
学生：醛基，可以把三种可能结构分为两组，若有机物有醛基，A就是HCOOCH（OH）CH3、CH3OCH（OH）CHO中的一个；若没有醛基，就是CH3CH（OH）COOH。
教师：还有其他设计方案吗？
企业信息化建设的核心驱动就是信息规划和特定应用的功能需求，通过对业务需求统计和分析，发现对于工作流而言，主要关注三个核心功能点。
一、用户友好的流程定义工具，就是说由业务用户对自己的流程进行定义，并且要求区分不同的类型和不同的组织机构，且各组构机构间流程能关联。通常对于业务系统集成而言的流程，因为与业务系统紧密相关，完全让用户设计一个流程是不现实的，而对于企业协同办公系统来讲，是可以做到的，且业务用户可以对已经建立好的流程进行改进，因此提供一个基于WEB，简单易用、用户友好的流程设计器是非常必要的。
二、表单自定义，就是说要有一个能定制表单的表单设计器，用户可以根据业务需求进行调整，或是新建表单，并配置表单是否组织外公开等属性。除了表单自定义外，还要能实现表单与流程步骤的轻松绑定及表单域权限访问设定，使不同环节的处理人能够能表单的不同域有不同的读写权限或是保密设置。
三、灵活的临时性动态需求，例如：驳回、委派、会签（包括加、减签，补签）、收回（撤消）等。之所以叫灵活的临时动态需求，就是因为有这些需求，存在的很强的人为个性化因素。
整体架构
系统架构中除了满足用户的常规功能情需求外，还要综合考虑各种非功能性需求，如扩展性、适应性、可管理性等。面向企业的具体应用场景，我们整理了工作流的整体架构，如图1，各模块分层组织，位于上层的模块依赖于底层的模块。正如你所看到的，表单定义模型和流程定义模型位于整个工作流系统的最低层，因为它是整个工作流系统的基础。
图一：系统结构图
一、流程定义模型：定义对流程进行描述的所有对象。因为对流程进行描述的本质就是利用这些模型进行建模，所以这些模型对象的实现直接决定着工作流系统对流程的描述能力。
二、组织结构适配器：工作流系统在与业务系统进行集成时，需要进行组织适配，组织和人员选择。具体实现时，工作流系统需要建立起自己的组织机构模型（包含在流程定义模型里），协同系统在实施时默认采用系统中的组织结构。
三、流程执行引擎：将流程定义模型解释为流程实例模型。利用这些流程实例模型完成流程的调度和执行。在工作流系统里，执行引擎是整个系统的核心。实现时不仅需要考虑各种流程调度的实现，还要考虑执行的效率、缓存、日志等等。
四、工作项引擎：即工作任务，根据流程定义中的步骤并结合流程实例进行解析和生成。同时完成用户对工作项的操作作出响应。
五、WEB应用：工作流系统的WEB展现。包括了新的申请、工作流管理、工作督办、工作结果监控和工作流查询等功能。
系统实现
一、流程设计器
系统中的流程设计器原始模型主界面如图2所示，实现上采用的HTML、CSS、JS等规范和技术。图形化流程显示界面利用VML标签以获良好的用户体验，考虑兼容其它浏览器，可以开发基于SVG、CANVAS图形模型。
图2：流程设计器
流程设计阶段所需实现的功能较为复杂，除了要提供良好的用户体验界面外，还需要实现核心的数据配置管理功能，如流程的基本属性设置、流程所涉及的处理节点（或是步骤）管理、节点经办权限设置、表单数据域与节点的配置关系、各节点转出的条件判断、分支节点转入的条件选择、条件表达式的编辑和管理、公共附件文档共享模式的配置等。
二、表单设计器
表单自定义是企业协同办系统中工作流系统的一项核心功能，系统中实现了以Html格式编辑器为表单设计器的基本设计载体，如图3所示，并辅助开发了“宏数据”功能，通过“宏数据”功能表单能在工作流执行过程中通过表单分析器实现按定义填充相关组织、用户、职权、日期等信息，很大程度提高了用户体验和办公效率。
图3：表单设计器
三、临时性动态需求
主要是指处理操作过程的异常而新增的功能需求或是特殊的个性化需求，具有很大的灵活性，同时工作流系统对此的实现程度也是衡量其适用性的重要指标。
第一，收回。收回是指在任务发送给下一个办理人时，发现任务发送错误，而且此时下一个办理人还没有接收作业任务进行办理，可以收回当前任务，经过错误纠正后重新选择其它人进行办理。收回在操作适用于各种不同的业务场景，且处理方式一致。此处以图4串行流程示意图为例进行业务处理说明。
图4：串行流程示意图
步骤2的办理人A，办理完成后将任务转交给了步骤3的办理人B，这时该任务就出现在B的待办事宜列表中，在B还没有签收之前，A发现表单中有项数据录入有误或是公共附件、会签意见有误，这时可以在可回收任务列表中将任务进行回收处理，处理完成后重新转交给B。此处理模式同样适用于在人为指派步骤办理人时，办理人选择错误，在对方没有签收前，同样可以收回进行重新指派。
一般水泵房所处的环境比较复杂，修建时，采用的施工方法及相应的结构形式多种多样。笔者选择江河和海边取水泵房应用最多的钢筋混凝土矩形沉井结构来作优化设计分析，推导优化设计公式和优化程序。
一、优化设计思路
优化设计的目标是使设计出来的结构在满足安全使用的条件下，造价最低，这样的结构才是最优结构。
对钢筋混凝土沉井结构，若设计出的每一构件的材料强度都得到充分利用，则这样的整个结构是最优结构。
基于上述的思路，可以把冻结内力方法和0．618法结合起来，进行沉井结构的优化设计。首先对拟设计结构方案进行一次内力分析，再把内力冻结起来，用0．618法对各个构件进行优化，得到新的方案；然后再进行内力重分析，重复上述步骤，直至前后两次计算结果充分接近为止。
二、结构部件的优化设计
钢筋混凝土沉井结构水泵房为板式结构、框架结构和井字梁结构的混合体。其受力工况很多，计算简图也依部位、工况而不同。但按钢筋混凝土构件分类，可分为纯弯板、偏压板、纯弯梁、偏压柱4种构件，下面就对此4种构件作优化设计推导。
1．纯弯板构件的优化设计
纯弯板优化可采用分单位板宽度来分析。
（1）目标函数
取目标函数为单位板宽、单位长度的材料和模板造价之和。与目标函数有关的变量有板厚、钢筋面积、模板面积。
（2）约束条件
应考虑抗弯方面的强度约束：① 最大正弯曲强度，② 板条两端最大负弯曲强度，③ 最大剪力强度，④ 最小、最大配筋率，⑤ 板厚最小要求。
（3）优化方法及步骤
板条的优化就是要寻求满足上述全部约束条件的目标函数的最小值。可以理解为：当造价值最小时，材料用量应该最省。考虑约束条件，在内力一定的条件下，对应于每一个板厚值X，可以算出配筋面积，故目标函数属一维搜索问题，用0．618法可以简便地求出X的最优解X，步骤如下：
①求X的上、下限作为一维搜索的区间：
X的上限：取板的端部弯矩和跨中弯矩的最小值代入约束条件①、②，再利用最小配筋率条件得X的上限值。
X的下限：与上面类似，取板的端部弯矩和跨中弯矩的最小值代入约束条件①、②，再利用最大配筋率条件得X的下限值。
②用0．618法在Xl、Xu区间搜索，与求出最小的目标函数所对应的X及对应的配筋量即为最优解。在优化计算中，对每一给定的X值，可由约束①～③取等式，求得相应的配筋量，再以约束条件④、⑤检验这4个量，取满足要求的值。然后以所取的配筋量的值代入约束条件①求目标函数。
计算中，弯矩、剪力内力均作为已知条件给出，这是根据计算简图预先算好的。
2．偏压板构件的优化设计
偏压板构件优化同样采取1m宽的板条来分析，其优化方法与上述纯弯板的优化方法基本相同，只是在约束条件中，须计入轴向力的作用。
（1）目标函数
取目标函数为单位长度板条的材料和模板造价的和。
（2）约束条件
① 最大弯曲压缩强度。
a）大偏心情况（即ξ≤ξb时）。
b）小偏心情况（即ξ≥ξb时）。
② 最大剪切强度。
③ 最小配筋率、最大配筋率。
④ 最小板厚度。
偏压板条的优化过程与纯弯板条相同，同样可通过对约束条件①、②取等代，使得对应于截面高度X的每一取值可算出配筋量，再利用条件③、④以确定符合所有条件的配筋量最小值，以代入求目标函数。实际上也是只有一个设计变量X的一维搜索问题。
（3）求X的上、下限
偏压板条的X上、下限求法与纯弯板条不同，应分大偏心和小偏心两种情况计算。
①大偏心情况。
此时X的上、下限Xu、Xl分别求解，即约束条件①相应于最小及最大配筋率的情况。
②小偏心的情况。
也取约束①相应于最小及最大配筋率的情况，Xu、Xl分别求解。
与约束④比较，取其较大者为Xl。
3．矩形截面梁的优化设计
同上述类推：
（1）目标函数
以梁本体材料和模板的造价为目标函数。
（2）约束条件
① 最大正弯曲强度。
② 梁两端最大负弯曲强度。
③ 最大剪应力强度。
④ 最小、最大配筋率。
⑤ 构造要求钢筋最小截面积。
⑥ 梁最小截面高度要求。
（3）优化方法及步骤
优化方法及步骤与上述基本相同。
4．矩形截面柱的优化设计，优化方法与上述基本相同
（1）目标函数
以柱本体材料和模板的造价为目标函数。
（2）约束条件
①最大弯曲压缩强度。
a）大偏心情况（即ξξb时）。
b）小偏心情况即ξξb时）。
②最大剪切强度。
③纵筋最小、最大配筋率。
④最小截面高度要求。
⑤构造要求钢筋最小截面积。
（3）优化方法及步骤
优化方法及步骤与偏压板条基本相同。转贴于 三、优化设计程序
沉井结构水泵房结构的总体布置一般都受工艺流程和施工要求控制。结构设计是在满足工艺要求和施工要求的条件下，布置合理的结构形式，并依此设计出各构件的尺寸。然而，板的跨度及梁柱的宽度往往也根据工艺或施工要求而定。由此可见，结构优化的主要任务是对板厚和梁、柱截面高度作优化。
优化程序依据前面思路：将冻结内力法与0．618法结合起来，对沉井结构水泵房进行优化设计。
具体步骤如下：
①给定结构的几何尺寸、荷载、材料性质参数；拟定各板厚度、梁截面高度、柱截面高度的初始值X0；根据初拟定的结构几何尺寸对结构在各种工况下进行内力分析，求出各荷载工况下所产生的内力，从中选取各构件中最不利的内力作为下一步优化计算的内力。
②用0．618法对每一纯弯板条、偏压板条、梁、柱构件进行优化，求得各构件的最优截面高度X 及相应的钢筋面积。计算每一个结构的目标函数。
C＝Ci
这一步骤中，认为各构件的内力不变，即冻结上一次结构分析所得的各构件内力。
以服务为宗旨、以就业为导向，突出职业能力培养，体现高职高专的办学定位；专业课程以岗位分析和具体工作过程为基础设计课程，是我国高职高专精品课程评估指标的明确要求。因此，基于职业岗位分析的专业设置和课程体系构建，基于工作过程导向的课程开发和基于行动导向的教学模式，成为目前高职教改的重点。
教材是进行教学的基本工具，体现了课程的教学设计、教学内容和教学方法，也是深入教学改革、提高教学质量的重要保证。因此，工作过程导向的教材建设是此类课程开发的关键因素，对于课程建设起到引领、规划、总结的作用。笔者借鉴国内外职教理论和成功经验，结合在高职教育中的探索和实践，提出工作过程导向的项目化教材建设的思路和做法。
1、工作过程导向的课程开发内涵及对配套教材的要求
1.1 工作过程导向的课程开发
对高职高专院校而言，校企合作是办学模式，工学结合是人才培养模式，工作过程系统化是在校企合作和工学结合前提下一个具体的课程模式。工作过程是综合的，时刻处于运动状态的，但结构相对固定的系统。
工作过程涵盖了工作任务、职业活动，凸显过程性的职业结构。不同职业、相同职业的不同岗位，完成工作过程的对象、内容、手段、组织、产品、环境这6要素，时刻处于运动状态，但是实现工作过程的咨询、决策、计划、实践、检查、评价6个步骤结构又是相对固定和完整的。
因此，高职教育不能指向科学中的子领域，而应指向岗位的工作过程。通过课程学习能够使学生在掌握知识、技能的同时，学会工作、学习、做人的综合能力。基于工作过程导向的课程开发的基本步骤为。
1）确定职业中的行动领域。每个职业都由若干行动领域构成，行动领域是根据岗位工作任务的复杂程度，整合典型的工作任务形成的能力领域。
2）确定学习领域，即课程。根据职业成长及认知规律，将行动领域重构为课程，每门课程对应某一行动领域，专业的课程体系涵盖了职业所需的所有行动领域。笔者认为，学习领域必须体现工作过程的6要素。
3）确定学习情境。学习情境是根据职业特征和思维的完整性，将学习领域分解为主题学习单元。课程的所有学习情境必须实现本学习领域对应行动领域的工作任务，这些情境之间以平行、递进、包容的方式共同完成任务。笔者认为，每个学习情境的设计必须体现工作过程的6个步骤。
从行动领域的归纳，到对应的基于工作过程6要素的学习领域的确定，再到基于工作过程6步骤的学习情境的设计，这样的课程开发才能体现工作过程的综合性、动态性和稳定性，从而有效实现高职课程的教学目标。
1.2 对配套教材的要求
工作过程导向的课程开发对配套教材提出了新的要求。传统的以理论知识逻辑排序的教材内容组织方式或单纯以项目开发流程排序的方式，都不能很好地体现工作过程的综合性、、动态性和稳定性。
编写工作过程导向的教材，首先要根据行动领域确定课程的学习领域，明确完成岗位特定工作任务的工作过程的6要素。其次要能够设计完成任务所必需的教学情境，每个教学情境按照特定岗位工作过程的步骤进行组织，其中包含情境的描述（既咨询环节），完成情境任务所必需的理论知识，情境的设计思路（既决策环节），情境的实施思路（既计划环节），情境任务的操作（既实践环节），完成情况的分析和测试（既检查评价环节）。这种教学情境的设计和工作过程与稳定的工作过程的6个步骤基本吻合。
因此，与工作导向课程配套的教材，必须满足3个基本要素。
1）根据行动领域确定课程的学习领域，学习领域的确定体现工作过程的6要素。
2）设计完成任务所必需的教学情境，每个教学情境体现工作过程的6步骤。
3）能以合理的次序对教学情境排序，有效实现行动领域的工作任务。
2、基于工作过程导向的“5步法”项日化教材建设
高职软件技术最基础的是完成各类软件项目，然后才能进入编码、测试、营销及更高级的设计领域。因此，课程的学习领域为各类项目的开发过程。如何确定课程的学习领域，如何设计教学情境的排序模式来完成项目，每个教学情境如何体现高职软件专业学生岗位，是编制本专业课程教材的要素。
在此，笔者提出了基于工作过程的“5步法”项目化教材设计思路。1）确定课程的目标定位；2）根据课程目标确定行动领域的工作任务；3）选用恰当的载体项目作为学习领域，体现工作工程的6要素；4）基于工作过程的6个步骤设计教学情境；5）按照项目设计逐步深化的方式排序各情境来实现行动领域的工作任务。具体情况如图1所示。
图1中前3点属于对学习领域的确定，后2点是教学情境的设计和排序。下面以“面向对象程序设计”课程的教材编写为例，阐述工作过程导向的项目化教材的设计。
2.1 课程的目标定位及行动领域的确定
课程的目标定位反映了此课程在专业课程体系中的地位和作用，在学习领域所指向的行动在岗位中的作用。因此，首先对课程进行目标定位，确定课程所必须包含的知识和技能，这些知识和技能必须被行动领域所包含，并转化为学习领域，通过课程实施教学。
高职软件专业主要培养软件外包产业中的编码开发人员，专业课程体系基于对此岗位的分析。目前，微软方向主流编程语言是面向对象程序设计语言C#；主流系统架构是3层架构。“面向对象程序设计”课程的定位是使学生熟练掌握开发语言C#，正确理解和构建基于3层架构的应用软件。该课程为后续课程“.NET应用软件开发”，打下坚实的语言和系统架构基础，也为学生今后的职业发展奠定坚实的关键技能基础。
Windows窗体类项目的开发是一个必需的工作任务。此类项目必需的知识和技能是能够应用Windows窗体应用程序和事件驱动机制，应用C#语言基础语法和面向对象程序设计（Obj ect Oriented Programming，OOP）基本概念中的封装，应用数据库访问技术，应用简单工厂模式、继承、多态。因此，课程行动领域的工作任务确定为应用以上知识和技能，构建基于Windows窗体界面的3层体系架构的应用软件。
2.2 载体项目的设计
行动领域确定后，应设计恰当的项目作为课程的载体，既明确课程的学习领域，又体现工作过程的6要素。在设计载体项目的用户、功能、技术手段、开发流程、开发环境时，必须考虑此项目实现所需的知识和技能应该就是行动领域的工作任务所需的知识和技能，此项目的难度和规模应符合课程的定位和岗位的需求，难度过高或过低，规模过大或过小，都会影响课程实施的效果。
Windows窗体类项目的规模和难度层次符合课程的目标定位，此类项目的必需知识为面向对象程序设计语言C#、事件驱动机制和3层的系统架构，是行动领域的工作任务所需的技术。因此，设计“面向对象程序设计”课程的载体为Windows窗体类项目“学生选课管理系统”。
项目有管理员和学生2类用户。管理员的功能需求是按管理员账号和密码登录后，能够开课（管理课程），能够管理学生，能查看目前选课情况。学生的功能需求是按学生学号和密码登录后，能够选课（必须满足课程班还有空额，自己还有空余学分的前提）和退选。项目开发采用基于C#.NET开发环境的3层体系架构的Windows窗体应用程序技术，采用软件工程的规范的软件开发流程。
此项目是课程基于项目的学习领域，在明确了软件项目的用户、功能、技术手段、开发流程、开发环境后，较完整地体现了工作过程的6要素。本项目的设计既体现了课程体系对本课程的学习目标要求，又体现了行动领域工作任务的需求，体现了课程载体设计的开放性。
2.3 教学情境的设计
每个教学情境的设计应体现完整的工作过程6步骤。因此，“面向对象程序设计”课程的教学情境，是仿真编码人员接受任务、理解任务、编码思路设计、编码实现、简单测试的典型工作过程。
每个情境基本包含了情境描述，作为任务的接收环节；业务流程分析，作为其任务的理解环节；相关知识与技能，作为其设计决策的依据；设计思路，引导学生应用知识，依据业务流程，设计实现思路，作为其设计环节；实施与分析，作为其编码实现和测试环节；相关拓展，在拓展中对经典的但没有包含在情境内的知识点或技能进行讲解和应用，以提升教材的普适性。每个教学情境都模拟工作过程的6步骤，使学生深入理解岗位的常态化工作步骤。
2.4 各情境排序模式的设计
每个教学情境的设计思路确定后，还必须考虑所有教学情境以什么方式组织在一起，完成学习领域所对应行动领域的工作任务。这些教学情境可以用并行、递进、包容的方式组织在教材中，组织的方式在很大程度上决定了课程教材的质量。
“面向对象程序设计”课程教学情境的组织原则是采用由点及面、由简到繁、由易到难，逐步重构项目的排序方式。情景所属模块的具体排序方式如下。
1）项目开发环境
包含情境Visual Studio 2010开发环境的安装，通过此情境使学生了解微软的visual studio开发框架。
2）C#语法基础和Windows窗体应用程序
包含欢迎软件、小学生加法运算练习软件、随机抽号游戏3个情境，这些情境使学生掌握C#语言的基础语法，理解Windows窗体项目的设计思路和事件驱动机制的应用。
3）面向对象编程基本理念
包含情境Person类的设计和应用，此情境使学生了解使学生理解面向对象程序设计中封装的基本概念和设计应用思路。
4）学生选课管理项目分析
包含项目的需求分析、项目的设计2个情境，这些情境使学生理解项目的需求和基于OOP的项目设计思路。
5）基于2层架构的课程管理模块
包含课程列表浏览、课程记录添加、基于自定义数据操作类的重构3个情境，这些情境使学生理解核心的数据库操作类，体会2层架构的软件设计，理解自定义数据操作类得设计和应用。
6）基于3层架构的课程管理模块的重构
包含3层架构划分原理、课程浏览的3层实现、课程添加的3层实现、课程删除的3层实现4个情境，这些情境把同一功能模块从2层重构为3层的架构，使学生巩固面向对象的设计理念，深入理解和体会3层架构的原理和实现方式。
7）基于3层架构的学生选课管理系统的其余模块。
包含登录模块、学生选课退选、管理员选课查询3个情境，这些情境使学生具备更深刻的面向对象设计、3层架构的经验和策略。
8）项目的数据库迁移
包含模块的需求分析和设计、模块的功能实现2个情境，这些情境使学生理解项目的数据库从ACCESS向SQL SERVER的迁移重构，并引入多态和简单工厂模式的概念。
9）项目的安装部署
包含安装包的制作、安装包的部署2个情境，这些情境介绍窗体类项目安装包的制作和部署。
10）知识梳理
由于本课程的所有知识都是根据项目情境需要而设置的，因此有必要在最后对理论知识进行系统地梳理，以便学生参考学习。
具体各模块的组织情况如图2所示。
这种从2层的模块由点到面、从易到难，逐步重构到目前最流行的基于简单工厂模式的商用系统，基于项目重构的情境排序方式，可以在重构过程中让学生不断加深对基本概念的理解，提高应用能力，自然而然地体会项目设计逐步高级化的过程，从而有效强化行动领域工作任务的实现效果，并能为学生的职业发展奠定坚实的基础，体现了课程载体项目设计的实用性和创新性。
教材配套建设了PPT、授课视频、习题集、项目代码等必需的现代化教学资源。
3、教材使用效果的评价
教材内容组织巧妙，有效地将理论和实践组合在一起，每个情境都体现1个工作任务的完整步骤，理论通俗易懂，在实践中的可参考性强。
在项目逐步重构的过程中对OOP的基本概念理解和掌握扎实深刻，对项目从简到难的设计和改进思路有自然和深入的理解，从而理解了3层架构的必要性和3层架构的实际构建技巧。
中图分类号：TN91934； TP274文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04016904
Design and verification of 2D wavelet transform image processing chip without splitting structure
CHEN Lizi, FENG Jingping, PANG Zhiyong, CHEN Dihu
(ASIC Design Center, School of Physics and Engineering, Sun Yatsen University 510275, China)
Abstract： The common structure of hardware implementation of 5/3 wavelet transform is to split first and then complete the transform of the prediction part and updated part according to the data collected after split, which needs a complicated control structure. The 5/3 wavelet transform formula recommended by JPEG2000 is adopted and a new structure without data split is proposed based on the row transform of lines. Such a structure abandons the data reading mode depending on addressing but adopts the input mode of reading the onedimensional data flow nodes. It reads the data which flows in proper order in several registers from its corresponding registers and omits the address control module for data input. The structure of wavelet transform control system is simplified due to the reduction the data split step, and the alternation of prediction and update steps. By employing the verification method of hardware/software cooperation, the picture input from a computer port was achieved, the wavelet transform in FPGA was implemented and the pictures was displayed on the computer monitor in combination with computer software and FPGA.
Keywords： wavelet transform; cooperation verification with software and hardware; FPGA; JPEG 2000
收稿日期：201109290引言
小波分析是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展的新领域，而近年来基于小波变换的图像压缩技术以硬件方式推向市场，图片压缩已成为小波变换极其重要的应用领域［12］。而在原有的小波变换的理论基础上发展的基于小波变换的更新算法，不采用Fourier变换作为主要的分析工具，这与经典小波变换相比具有小波构造简单、反变换容易实现、运算速度快和节省存储空间等优点。但其在硬件应用开发上，对中间数据量要求较大，占用较多寄存器，因而通过硬件结构的探索来减小寄存器的开销，成为小波变换图片处理的一个重要分支。
本文提出了无分裂步骤的5/3小波变换结构，完成了该结构的FPGA硬件实现，并结合计算机端Matlab软件，正确完成图片变换验证。
1硬件结构
1.1算法实现结构
本文采用JPEG2000推荐的5/3小波变换算法，算法公式如下：
y(2n+1)=x(2n+1)－x(2n)+x(2n+2)2
y(2n)=x(2n)+y(2n－1)+y(2n+1)+24常见的小波变化实现结构如图1所示，先完成分裂，再进行预测，最后完成更新步骤。分裂步骤是指通过对数据地址n的奇偶进行判断，将数据分裂为奇地址部分和偶地址部分。输入奇地址部分数据，进行预测部分运算，并输出细节数据；输入偶地址部分数据，完成更新部分运算，输出平滑数据。因此需要根据输入数据的地址，对数据进行分裂，或控制预测部分和更新部分交替工作［34］。
本文提出一种全新的运算结构，以一维数据流输入数据，无需数据分裂步骤，并且不需要控制预测部分和更新部分的运行和停止，通过对数据流固定节点取值，分别完成预测和更新步骤，并根据数据地址的变换，利用数据选择器从2个端替读取数据即能控制预测和更新步骤的运行。
1.2数据存取结构
本文采用基于行的列变化和流水线结构，完成二维小波变化数据处理。输入数据以一维数据流形式逐一输入，变化模块读取数据流中的数据进行数据计算，产生变化结果。
图1常见小波变换结构图1.2.1行变换数据存取结构
行变换模块输入数据读取方式，是用读取寄存器中数据流的方式代替地址寻址的数据读取模式。
数据依照输入顺序，在寄存器A，B，C，D中依次流动。变换模块在不同的时间分别从A，C和D中读取数据，进行预测和更新的变化步骤。变换后输出的数据存放在列变换模块的寄存器D1和FIFOA中。行变换模块结构图如图2所示。
图2行变换模块结构图1.2.2列变化数据存取结构
在进行列变换时，需要读取变换数据点临近行的同列数据。而完成该数据点变换后，进行的是同一行下一列的数据点的列变换。因此需要依次读出相邻4行的同列数据，行数不变，列数依次递增［56］。
为了简单的实现该数据读取的顺序，本文使用3个FIFO来保存连续3行的数据：当输入新一行的第1个数据时，3个FIFO释放出第1个数据（即之前3行每1行的第1个数据），刚好组成完成列变换的相邻4行的同列数据。同时，数据的新1行的数据进入FIFOA，FIFOA释放出的数据进入FIFOB，FIFOB释放出的数据进入FIFOC。之后，释放出第2列的数据，并重复上述步骤。
因此在完成数据变换的同时，数据在FIFOA,FIFOB,FIFOC中依次流动。完成该行的所有列数据的变换后，FIFOA中的数据依次寄存在FIFOB中，FIFOB的数据寄存在FIFOC中，而FIFOA则寄存了新1行的数据。当下1行的数据输入时，又依照上述顺序，开始下1行的列变换。
1.3变换模块结构
常见的小波变换结构是当输入奇数地址数据时完成预测步骤，当输入偶数地址数据时完成更新步骤。而本文提出的结构不进行数据分裂，直接对数据进行预测和更新，并同时输出到数据选择器。数据选择器对地址奇偶进行判断，选择输出数据，可以得到和常用结构相同的结果。列变换模块结构图如图3所示。
图3列变换模块结构图1.3.1行变换结构
本文提出了无分裂步骤的结构中，行变换时数据流输入后依次寄存在寄存器D1,D2,D3,D4中。如图4(a)，寄存器D1,D2,D3,D4中已分别寄存了输入数据X4,X3,X2,X1，而寄存器D5,D6,D7则分别寄存了数据Y2,Y1,Y0。此时利用寄存器D1,D2,D3中的数据X4,X3,X2经过预测步骤，得到预测结果y3=x3-(x2+x4)/2；此前已在寄存器D5,D6,D7中分别寄存了前3个时钟分别完成计算的结果Y2,Y1,Y0,则经过更新步骤可得y1=x1+(y0+y2+2)/4。此时通过数据选择器输出的值Y1是奇数地址，因此仅需要完成预测步骤运算的结果（即寄存器D6中的数据），也就是说输出寄存器D6中的Y1值，放弃更新步骤产生的Y1值。
在下一个时钟沿来临时，X4,X3,X2依次取代X3,X2,X1的位置，输入的X5则寄存在X4的位置，同理Y2,Y1依次取代Y1,Y0的位置，预测产生的Y3值则寄存在Y2，则下一次计算时，寄存器中的值如图4b，预测步骤产生Y4，更新步骤产生Y2，由于是偶数地址，所以通过数据选择器输出经过更新步骤的Y2值。
1.3.2列变换结构
列变换时，假设第m行的第n列完成行变换后的数据为X(m,n)，将该数据寄存在寄存器D1中，下个时钟沿来临时，FIFOA和FIFOB中分别释放出第m-1和m-2行的第n列的数据X(m-1,n)和X(m-2,n)，同D1中X(m,n)数据共同完成预测步骤生成Y(m,n)并寄存在D2中，同时从D1和FIFOA,FIFOB中释放出的数据X(m,n),X(m-1,n)和X(m-2,n)分别寄存进FIFOA,FIFOB,FIFOC。再下一个时钟沿来临时，完成第m行第n+1列的行变换，并寄存在D1中，之后即可按照上述步骤完成第m行第n+1列数据的预测和更新，得出结果Y(m,n+1)。当FIFO把第m行数据完全释放出时，已在该FIFO寄存了第m+1行的完整数据，可以开始下一行的列变换。同理，完成预测步骤的数据寄存在D2,FIFOD,FIFOE中，依据预测步骤相似的原理完成更新步骤。之后依据数据的列地址的奇偶，选择不同的Y值输出。
图4行变换数据变换图1.4控制结构
一般的变化模块，均采用状态机的控制方法，利用状态的跳转，来控制行变化和列变化之间的关系，完成预测和更新步骤。
而本文提出了全新的、更为灵活的直角坐标系控制法，即利用行坐标（rowc）和列坐标（colc）形成一个二维直角坐标系，并将图片映射到直角坐标系上，每一对坐标（rowc，colc）对应直角坐标系上图片的一个点，也对应该点的变换时刻。通过rowc，colc的值来判断正在进行变换的行列值，来决定FIFO和变化模块的动作。利用rowc，colc的末位来判断进行变换的行和列地址分别是奇数地址还是偶数地址，决定是进行预测步骤还是更新步骤。结合计数器，通过输入的图片的行像素值M和列像素值N，分别控制rowc和colc的跳变。因而可以简单的通过改变M,N值的大小来改变进行变换的图片的大小。
2结果验证
2.1采用软硬件协同验证的结构
本文采用软硬件协同工作的结构，如图5所示。利用计算机端的Matlab软件从FPGA芯片中读取变换后的RGB数据，并显示在计算机显示器上。
具体结构是将图片数据通过北翰科技公司的Verilink插件，从Matlab软件中送入FPGA芯片中的FIFO，小波变换模块从FIFO中依次读取数据，并进行变换，完成变换的数据通过FIFO送回Matlab软件，并显示在计算机的显示器上。
图5软硬件协同结构图2.2验证结果
本文采用128×128像素RGB图片作为变换图像源，在计算机的Matlab软件中，将图片转换成一维数据流，并依次通过Verilink插件送入FPGA芯片的FIFO中，在送入数据的同时，FPGA中的变换模块从FIFO中读出数据进行变换，并将变换结果通过输出的FIFO送至计算机端的Matlab软件。在完成全部数据变换后，在计算机端将获得的数据重新排列，并转换成128×128×3的RGB图片格式，并对比显示变换前和变换后的图片效果。变换前图片如图6(a)，变换并重排后图片如图6(b)，图片数据高频分量和低频分量分离正确无误。
3结语
本文提出了无分裂步骤的小波变换结构，简化了变换模块的控制系统，采用数据流模式输入数据，并且和软硬件协同的工作方式良好配对，利用FPGA和计算机完成了二维小波变换的板级验证。本文提出的结构在5/3小波变换中有效运行，并起到简化结构的关键作用，下一步将尝试把该结构运用于9/7小波变换的硬件结构实现中，并提出适合9/7小波变换硬件实现的结构。
图6验证结果图片对比参考文献
［1］CHRISTOPOULOS C, SKODRAS A, EBRAHINMI T. The JPEG2000 still image coding system: an overview \[J\]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2000, 46 (4): 11031127.
［2］SCHWARZ H, MARPE D, WIEGAND T. Overview of the scalable video coding extension of the H.264/AVC standard \[J\]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2007, 17 (9): 11031120.
［3］JOSE C, THOMAS L. Hardware implementation of 1D wavelet transform on an FPGA for infrasound signal classification \[J\]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008, 55 (1): 913.
［4］WU B F, LIN C F. A highperformance andmemoryefficient pipeline architecture for the 5/3 and9/7 discrete wavelet transform of JPEG 2000 codec \[J\]. IEEE Trans. on Circuits and Systems, 2005, 15 (12): 16281651.
［5］ACHARYA T, CHAKRABARTI C. A survey onliftingbased discrete wavelet transform architectures \[J\]. VLSI Signal Processing Systems, 2006, 42 (3): 321339.
［6］ANDRA K, CHAKRABARTI C, ACHARYA T. A VLSI architecture for liftingbased forward and inverse wavelet transform \[J\]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2002, 50 (4): 966977.
