西北工業(yè)大學(xué)“操作系統(tǒng)”課程改革實(shí)踐

谷建華　周興社

摘要:經(jīng)過多年的“操作系統(tǒng)”教學(xué)實(shí)踐,本文從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等幾個(gè)方面總結(jié)了“操作系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革。即確立了以學(xué)生為本、循序漸進(jìn)的四階段教學(xué)理念,教學(xué)過程中注重理論與實(shí)踐相結(jié)合、教學(xué)與科研相互補(bǔ)充,采用豐富多彩的教學(xué)手段,強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)了多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,形成了有機(jī)的課程體系。實(shí)踐證明,通過對(duì)課程實(shí)施上述改革,取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng);四階段學(xué)習(xí)方法;多層次實(shí)驗(yàn);

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程之一。內(nèi)容多而雜,涉及范圍廣,系統(tǒng)性不強(qiáng)。加之其處于計(jì)算機(jī)的內(nèi)核,看不見,摸不著,難講,難學(xué)。近年來課程團(tuán)隊(duì)成員潛心研究“操作系統(tǒng)”課程的教學(xué)體系,積極進(jìn)行教學(xué)改革,形成了我們獨(dú)特的教學(xué)思路、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

2循序漸進(jìn)的教學(xué)改革思路

根據(jù)“操作系統(tǒng)”課程的特點(diǎn),以及多年來對(duì)“操作系統(tǒng)”教學(xué)實(shí)踐的體會(huì),借鑒他人及國(guó)內(nèi)外在該課程教學(xué)上的經(jīng)驗(yàn)和成果,確定了如下“操作系統(tǒng)”教學(xué)改革的總思路。

(1) 以學(xué)生為本的教學(xué)理念

在教學(xué)時(shí)充分考慮學(xué)生在教學(xué)中的作用,逐步從以教師為中心的教學(xué)模式過渡到教師、學(xué)生并重,到最終實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。以學(xué)生為中心,就是要改變教師在教學(xué)中的位置,教師在教學(xué)中不再是一個(gè)主要的講解者,而更重要的是一個(gè)教學(xué)的組織者,讓學(xué)生更多的參與到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中去。堅(jiān)持以教授學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能為主,注重培養(yǎng)學(xué)生的分析問題,解決問題的能力,做到授之以漁而非授之以魚。

在“操作系統(tǒng)”的教學(xué)過程中,我們總會(huì)根據(jù)教學(xué)情況拿出一到兩次課的時(shí)間,讓學(xué)生就操作系統(tǒng)的有關(guān)問題

在全班做報(bào)告并組織學(xué)生討論。教師事先布置一些討論題目,供學(xué)生選擇;學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣選題。通過查閱資料、撰寫報(bào)告、制作報(bào)告課件、做報(bào)告等一系列環(huán)節(jié),可以培養(yǎng)學(xué)生的資料查閱、資料組織、文字組織、口頭表達(dá)等能力。學(xué)生報(bào)告后,教師組織學(xué)生討論,然后由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng),充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。實(shí)踐證明,這種方式大大地開闊了學(xué)生的視野,是對(duì)課堂教學(xué)的非常有益的補(bǔ)充,起到了很好的教學(xué)效果。

(2) 有機(jī)結(jié)合的課程體系

我們的“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”課程從最初的僅由“操作系統(tǒng)原理”單門課程,發(fā)展到涵蓋“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理”、“Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù)”(微軟精品課程)、“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”、“系統(tǒng)級(jí)程序設(shè)計(jì)”(引自美國(guó)卡耐基-美隆大學(xué))、“高級(jí)操作系統(tǒng)”等課程的課程群,形成了從操作系統(tǒng)基本原理(“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理”)、到實(shí)際操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)(“Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù)”)、到操作系統(tǒng)實(shí)踐(“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”及“系統(tǒng)級(jí)程序設(shè)計(jì)”),到高級(jí)操作系統(tǒng)技術(shù)(“高級(jí)操作系統(tǒng)”)的循序漸進(jìn)地、涵蓋原理、技術(shù)、設(shè)計(jì)、編程實(shí)踐的課程體系。這幾門課程相互銜接、相互補(bǔ)充、有機(jī)配合共同打造操作系統(tǒng)教學(xué)的課程體系。本科學(xué)生從三年級(jí)開始學(xué)習(xí)該課程群。

(3) 四階段學(xué)習(xí)方法

操作系統(tǒng)是學(xué)生使用計(jì)算機(jī)時(shí)最先接觸到的系統(tǒng),而且在今后的學(xué)習(xí)、工作和生活中會(huì)不斷地和操作系統(tǒng)打交道,所以操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)不僅僅是“操作系統(tǒng)”一門課的事情,而是與多門課程相關(guān)、需要長(zhǎng)期學(xué)習(xí)的過程。操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)的這種特點(diǎn)勢(shì)必要求操作系統(tǒng)的教學(xué)也應(yīng)該是一個(gè)階段性的、循序漸進(jìn)的過程,它應(yīng)該涉及包括“操作系統(tǒng)”課程在內(nèi)的多門課程以及與“操作系統(tǒng)”教學(xué)相關(guān)的很多環(huán)節(jié),是一個(gè)教學(xué)體系。

我們認(rèn)為,僅就操作系統(tǒng)知識(shí)體系的學(xué)習(xí)而言應(yīng)該包括四個(gè)階段:第一個(gè)階段是從學(xué)生學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”等課開始,通過這些課程的學(xué)習(xí)以及日常和各種課程的上機(jī)實(shí)習(xí),學(xué)生應(yīng)該對(duì)操作系統(tǒng)有一個(gè)初步的、直觀的了解。第二階段是“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理”課程及其它相關(guān)課程的學(xué)習(xí),學(xué)生可以系統(tǒng)、完整的學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成及其設(shè)計(jì)思想,并學(xué)習(xí)有關(guān)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。第三階段是“操作系統(tǒng)”教學(xué)的實(shí)踐課程,通過在具體操作系統(tǒng)(Unix或Windows)下的應(yīng)用實(shí)踐,對(duì)操作系統(tǒng)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有更深刻的認(rèn)識(shí),并有可能設(shè)計(jì)、開發(fā)出創(chuàng)新性的思想和軟件,從而提高學(xué)生分析、解決問題的能力。第四個(gè)階段就是在以后的工作和學(xué)習(xí)中對(duì)操作系統(tǒng)的使用和理解,這一階段有時(shí)候是終生的,一方面是操作系統(tǒng)在不斷的發(fā)展和演化,另一方面是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的使用和對(duì)其理解的相互補(bǔ)長(zhǎng)。其中第二、三階段應(yīng)該作為“操作系統(tǒng)”教學(xué)的主要階段,其他兩個(gè)階段是操作系統(tǒng)知識(shí)體系學(xué)習(xí)的必要補(bǔ)充。

(4) 理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法

操作系統(tǒng)處于整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的最底層,抽象而不易理解,如果僅僅在課堂教學(xué)中講解操作系統(tǒng)的原理,往往不易理解,甚至使人感到枯燥乏味。在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中我們地深深體會(huì)到,只有教學(xué)和實(shí)踐相結(jié)合,理論和實(shí)踐并重才能取得良好的教學(xué)效果。實(shí)踐中我們體會(huì)到,所謂理論和實(shí)踐相結(jié)合有兩方面的含義,其一是指講述操作系統(tǒng)的基本原理時(shí)必須與具體的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(Unix或Windows)相結(jié)合,使學(xué)生理解抽象的理論在具體的操作系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)的,有何異同;其二是指,學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí),一定要安排相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié),通過實(shí)踐加深對(duì)理論的理解,培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力。

(5) 教學(xué)、科研相互補(bǔ)充

西北工業(yè)大學(xué)的建校目標(biāo)就是要建設(shè)國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際知名的研究性大學(xué)。這就必然要求我們的教師要教學(xué)科研雙肩挑,使我們的學(xué)生不但能學(xué)到基本的專業(yè)理論知識(shí),而且能學(xué)到較新的知識(shí)、了解其發(fā)展動(dòng)態(tài)。我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師都是多年從事(嵌入式)操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件科研與開發(fā)的教師,主持或參加了多項(xiàng)國(guó)家或省部級(jí)項(xiàng)目、863項(xiàng)目、自然科學(xué)基金項(xiàng)目等,取得了多項(xiàng)科研成果。我們深深懂得教學(xué)與科研相長(zhǎng)的道理,以及教學(xué)和科研相結(jié)合的重要性。所以教學(xué)中把我們?cè)诳蒲兄腥〉玫某晒?如進(jìn)程實(shí)時(shí)調(diào)度算法、快速文件系統(tǒng)等,不斷的融入到教學(xué)當(dāng)中。

3豐富多彩的教學(xué)手段

經(jīng)過多年的建設(shè),教學(xué)模式已從最初的純理論教學(xué)改革為“課堂教學(xué)+課內(nèi)實(shí)驗(yàn)”,發(fā)展成為現(xiàn)在的“課堂教學(xué)+課內(nèi)實(shí)驗(yàn)+課程設(shè)計(jì)”,強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力以及分析和解決問題的能力;課程的教學(xué)手段已由傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”方式發(fā)展為全程多媒體的現(xiàn)代化教學(xué),不但增加了信息量,提高了教學(xué)效率,而且教學(xué)效果有了質(zhì)的飛躍。

(1) 雙語教學(xué)。根據(jù)當(dāng)前教學(xué)與國(guó)際接軌,培養(yǎng)國(guó)際化復(fù)合型人才的要求,我們?cè)谟?jì)算機(jī)學(xué)院和軟件學(xué)院的“操作系統(tǒng)” 教學(xué)中采用了雙語教學(xué)。參考了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)的資料,特別是國(guó)外權(quán)威的經(jīng)典教材,制作了電子教案。針對(duì)學(xué)生對(duì)全英文電子教案不能完全適應(yīng)的現(xiàn)實(shí),采用部分內(nèi)容中英文并舉的方式,取得了良好的教學(xué)效果。

(2) 多樣的授課方式。為了提高學(xué)生的自主性和積極性,讓學(xué)生積極地參與到教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中,在某些章節(jié)開設(shè)討論課,事先就某一內(nèi)容讓學(xué)生查找資料,準(zhǔn)備討論提綱,設(shè)計(jì)相關(guān)的算法。然后在課堂上組織學(xué)生講解,然后進(jìn)行討論。課堂上學(xué)生踴躍發(fā)言,獲得了較好的效果。為了鼓勵(lì)學(xué)生的積極性,把討論發(fā)言的成績(jī)記入學(xué)生的平時(shí)成績(jī)。

(3) 多樣化的教材體系。電子教案主要是用于教師教學(xué),把抽象的教學(xué)內(nèi)容通過動(dòng)畫等手段融入電子教案中,效果良好。與此同時(shí),學(xué)生也迫切需要相關(guān)的電子課件在課下學(xué)習(xí)。我們組織人員開發(fā)了“操作系統(tǒng)”多媒體教學(xué)課件,通過“操作系統(tǒng)小精靈”引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)課程,圖、文、聲并茂,激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)的操作系統(tǒng)的知識(shí),就某個(gè)知識(shí)點(diǎn)編程制作動(dòng)畫課件,使學(xué)生不但加深了對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)的理解,還提高了他們的編程能力。

(4) 寓教于樂,活躍課堂氣氛。操作系統(tǒng)的許多內(nèi)容抽象不易理解,所以打比方、尋找相關(guān)的生活實(shí)例就成了課堂內(nèi)外的重要工作之一。如操作系統(tǒng)的概念與社會(huì)大家庭,并發(fā)、并行與金庸筆下的快刀手,LRU算法與食堂排隊(duì)吃飯等等都出現(xiàn)在課堂中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)學(xué)生注意力不集中時(shí),故事、笑話、趣聞就成了活躍課堂氣氛的有力工具,但這些絕不脫離課堂的主題。

(5) 以身作則,言傳身教,自覺育人。課堂教學(xué)是體現(xiàn)教師教學(xué)態(tài)度、責(zé)任心的最直接場(chǎng)合,教師的一言一行都對(duì)學(xué)生起潛移默化的作用,學(xué)生會(huì)不自覺地以教師的行為作為自己行為的準(zhǔn)則。因此,課堂教學(xué)是教書育人的重要環(huán)節(jié)。教師必須以身作則,嚴(yán)格要求自己,以自己嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度,積極進(jìn)取的精神狀態(tài),兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)去感染學(xué)生、帶動(dòng)學(xué)生、教育學(xué)生,培養(yǎng)他們作為新世紀(jì)人才應(yīng)有的素質(zhì)和能力,并使他們?cè)谌松砷L(zhǎng)的重要時(shí)期樹立正確的人生觀。

(6) 課堂授課和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合。為充分利用網(wǎng)絡(luò)這個(gè)先進(jìn)的載體,我們已開發(fā)了“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)”,其功能主要包括教師教學(xué)資源的發(fā)布、作業(yè)的布置、課程安排公告、學(xué)生成績(jī)的統(tǒng)計(jì)和分析;輔導(dǎo)老師批改作業(yè)、上傳資料和答疑;學(xué)生下載資料、提交作業(yè)和課程論壇;網(wǎng)上教學(xué)課件的瀏覽、在線考試和試題庫查詢

等。網(wǎng)上系統(tǒng)對(duì)課堂教學(xué)起到了有機(jī)的補(bǔ)充作用。

4多層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)

(1) 指導(dǎo)思想

如何在短時(shí)間內(nèi)掌握操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法,并能把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)一直是“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)探索的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。為了使學(xué)生更深刻地理解操作系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)方法,掌握有關(guān)系統(tǒng)軟件的基本設(shè)計(jì)思想,加大課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的深度和難度,將更多的工程實(shí)際問題引入教學(xué)實(shí)驗(yàn),成為解決這一問題的關(guān)鍵。為此,我們把操作系統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)分成兩個(gè)階段:第一階段是“操作系統(tǒng)”課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),與“操作系統(tǒng)原理”在同一學(xué)期開設(shè)。第二個(gè)階段是“操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié),在“操作系統(tǒng)原理”的下一學(xué)期開設(shè)。該課程作為與“操作系統(tǒng)原理”課程相輔助的實(shí)踐環(huán)節(jié),是一門實(shí)踐類的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

通過實(shí)驗(yàn)課程,不僅可以使學(xué)生深入理解和掌握操作系統(tǒng)的知識(shí)和運(yùn)用這些知識(shí)的能力,而且可以深化學(xué)生對(duì)主流操作系統(tǒng)的理解、培養(yǎng)學(xué)生良好的理論與實(shí)際相結(jié)合的意識(shí)、提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

實(shí)踐性課程的基本指導(dǎo)思想是以操作系統(tǒng)實(shí)踐課程作為紐帶,將“操作系統(tǒng)原理”課程與實(shí)際的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)能力結(jié)合起來,加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí),從理論和實(shí)踐兩方面深化學(xué)生對(duì)軟硬件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的理解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排遵循由淺入深、循序漸進(jìn)、精講多練的原則,培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的深入理解,使學(xué)生全面了解操作系統(tǒng)的特點(diǎn),熟練掌握操作系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)工作原理。

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本著因材施教的原則,并依據(jù)實(shí)驗(yàn)的深度,將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三個(gè)層次:

① 體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn):使用操作系統(tǒng)的相關(guān)工具或編制簡(jiǎn)單的程序,觀察程序的運(yùn)行,了解操作系統(tǒng)的各種行為,從而體會(huì)操作系統(tǒng)的相關(guān)概念;

② 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn):通過分析有關(guān)操作系統(tǒng)的源碼,修改相關(guān)的程序或?qū)崿F(xiàn)教科書(參考資料)上的相應(yīng)算法,驗(yàn)證操作系統(tǒng)中的原理和算法;

③ 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn):結(jié)合具體操作系統(tǒng)源碼的分析,針對(duì)操作系統(tǒng)的某些算法的不足,對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)或提出新的算法并實(shí)現(xiàn)。

其中創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)選修“高級(jí)操作系統(tǒng)”的碩士研究生及部分優(yōu)秀的本科生。

通過研究其他院校的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和安排,吸收國(guó)外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合“循序漸進(jìn)、融會(huì)貫通、精講多練”的原則,確立了在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中以體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)為主、輔以驗(yàn)證應(yīng)實(shí)驗(yàn);在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主、輔以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方針。

實(shí)驗(yàn)安排上從體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)開始,可以使學(xué)生及時(shí)上手,排除畏難心理。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的安排上,把操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)級(jí)程序設(shè)計(jì)、軟件工程等相關(guān)課程的知識(shí)融為一體,把實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分為:應(yīng)用程序型的、模塊型的。使學(xué)生舉一反三,融會(huì)貫通。

實(shí)驗(yàn)前,給學(xué)生講解具體的實(shí)驗(yàn)安排,要求學(xué)生事先編好程序,自己做一次CPU,反復(fù)檢查程序,以提高上機(jī)實(shí)驗(yàn)的效率。

5加強(qiáng)國(guó)際合作,創(chuàng)立精品課程

計(jì)算機(jī)學(xué)科是一個(gè)發(fā)展非常迅猛的學(xué)科,目前,國(guó)際上主流的操作系統(tǒng)Windows和Unix的核心技術(shù)主要掌握在微軟、IBM、SUN等國(guó)外大公司的手里。站在巨人的肩膀上,學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)技術(shù)和教學(xué)手段是提高我們的教學(xué)質(zhì)量的捷徑。

為此我們積極申報(bào)微軟、SUN等國(guó)際知名大公司的有關(guān)操作系統(tǒng)的精品課程。已經(jīng)申請(qǐng)到教育部-微軟精品課程“基于WRK的操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”、微軟精品課程“Windows操作系統(tǒng)核心技術(shù)”和SUN公司的OpenSolaris項(xiàng)目。這些精品課程的建設(shè),使我們獲得了很多寶貴的教學(xué)資源和與國(guó)內(nèi)外同行交流的機(jī)會(huì),開闊了教師的視野,提升了教師的教學(xué)水平,大大地加快了操作系統(tǒng)課程群的改革步伐。

6結(jié)束語

通過多年的“操作系統(tǒng)”教學(xué)實(shí)踐,我們?cè)诮虒W(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等幾個(gè)方面實(shí)施了教學(xué)改革,提出了以學(xué)生為本、循序漸進(jìn)的四階段教學(xué)理念,形成了涵蓋操作系統(tǒng)原理、技術(shù)、設(shè)計(jì)、編程實(shí)踐多個(gè)方面的課程體系。教學(xué)過程中注重理論與實(shí)踐相結(jié)合、教學(xué)與科研相互補(bǔ)充,采用豐富多彩的教學(xué)手段,強(qiáng)化實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)了多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。取得了較好的教學(xué)效果。

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