“計算機操作系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的研究與實踐

文志強　朱艷輝　朱文球　鄧曉軍

摘要:本文從“計算機操作系統(tǒng)”課程教學(xué)、實踐教學(xué)等方面進行了探討和實踐,提出了優(yōu)化課堂教學(xué)和加強實踐教學(xué)方法,并從理論教學(xué)的角度進行了有益的探索。最后,結(jié)合具體實踐闡述了如何引導(dǎo)學(xué)生正確看待課程學(xué)習(xí)的方法,為相關(guān)課程教學(xué)的改革提供參考。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);理論教學(xué);實踐教學(xué)

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1前言

“計算機操作系統(tǒng)”是計算機及相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課,所有高等院校中的計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)都開設(shè)了“計算機操作系統(tǒng)”課程,并作為專業(yè)核心課程給予重點建設(shè)。該課程教學(xué)的目的在于使學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的基本概念、原理、方法和技術(shù),掌握和應(yīng)用操作系統(tǒng),使學(xué)生既能熟練掌握理論知識,又具有較強的動手能力,為今后的學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)?！坝嬎銠C操作系統(tǒng)”課程講述一類系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)方法,具有概念多、理論性強、知識點多的特點,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往感到非常抽象和難以理解。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,操作系統(tǒng)的功能越來越強大,不斷涌現(xiàn)出各種新技術(shù),同時,由于課時的有限性和教學(xué)內(nèi)容的豐富性,因此,在教學(xué)活動中,如何盡可能清楚和全面地為學(xué)生講解操作系統(tǒng)的特點和新技術(shù)發(fā)展趨勢,對任課教師來說具有很大的挑戰(zhàn)性。另外,現(xiàn)實中學(xué)生的各種觀念,如“重技術(shù)輕理論”的思想,使得學(xué)生不重視對“計算機操作系統(tǒng)”等一些基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí),出現(xiàn)經(jīng)常逃課的現(xiàn)象。最后,在實際教學(xué)環(huán)節(jié)中,由于實踐的內(nèi)容太難或?qū)嶒瀮?nèi)容太多,學(xué)生難以在課內(nèi)完成,學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力得不到有效的培養(yǎng)。學(xué)生感覺到所學(xué)習(xí)的知識在后續(xù)課程中很少涉及,學(xué)習(xí)積極性差等。針對此,本文從理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩方面進行了深入探討,目的在于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性,提高教學(xué)效果。

2優(yōu)化課堂教學(xué)

2.1教學(xué)內(nèi)容的選擇

操作系統(tǒng)是配置在計算機硬件上的第一層軟件,是對硬件的第一次擴充。其它所有的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件都必須依賴于操作系統(tǒng)的支持。本課程主要從處理機管理,存儲管理,設(shè)備管理,文件管理和用戶接口的角度介紹操作系統(tǒng)的基本原理,并輔以Unix系統(tǒng)為實例進行介紹,以補充實踐知識。

2.2教學(xué)方法與教學(xué)手段的改進

(1) 教學(xué)方法的改進

在教學(xué)中,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用,教師實行啟發(fā)式教學(xué),把培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣作為入門向?qū)?改變以教師為中心的課堂教學(xué)方式為教師控制下學(xué)生互動式課堂教學(xué)方式或師生合作探討式課堂教學(xué)方式。在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中,做到有疑問、有思考,帶著問題去學(xué)習(xí),效果會更好,效率也高。以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)模式,使教師由單一的知識傳授者改變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者,活動的組織者。積極不斷地革新教學(xué)手段,重視現(xiàn)代信息技術(shù)和現(xiàn)代教育手段在教學(xué)中的應(yīng)用。使多種先進的教學(xué)方法靈活運用,有效地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,促進學(xué)生的積極思考,激發(fā)學(xué)生的潛能,加強對學(xué)生知識運用能力的考察。對課程中的難點我們開發(fā)了計算機輔助教學(xué)(CAI)課件幫助學(xué)生理解概念和算法。

(2) 教學(xué)手段的改進

“操作系統(tǒng)”作為一門理論性較強的課程,內(nèi)容比較抽象而難懂,為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方式中的弊病,使用多媒體投影方式進行課堂教學(xué)。電子教案內(nèi)容簡明、重點突出、圖文并茂,并穿插有自制的或調(diào)用的圖形顯示、動畫演示等電子課件。清晰的大屏幕教學(xué)界面,教師不受講課順序的嚴格限制,可因材施教,自由往返某一講課內(nèi)容。也可以方便的插入各種圖片及影音資料,這對突出教學(xué)重點,分析課程難點以及激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和吸引學(xué)生的注意力起到了意想不到的效果。課后輔以在線作業(yè)與考試系統(tǒng),目的在于使學(xué)生在課外能及時復(fù)習(xí),通過練習(xí)達到對理論的理解;網(wǎng)上的在線輔導(dǎo),使學(xué)生的疑問能隨時、及時地得到解答。為讓學(xué)生深刻理解操作系統(tǒng)的工作原理創(chuàng)造了良好的環(huán)境,使他們不僅具備扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ),同時培養(yǎng)他們的實際動手能力。

3探索理論教學(xué)

在實踐理論教學(xué)中,為了提高學(xué)生對“計算機操作系統(tǒng)”課程的認識,主要從以下三個方面進行了有益的探索。

3.1從資源管理者的角度

操作系統(tǒng)是軟硬資源的控制中心,它以盡量合理有效的方法組織單個或多個用戶(進程)共享計算機的各種資源并提供使用接口。包含三層含義:說明操作系統(tǒng)是資源的管理者,主要功能是組織用戶使用各種資源,組織的方式是以接口形式提供服務(wù)。操作系統(tǒng)作為一個管理者如何來管理系統(tǒng)中的資源呢?使用類比的方法,如把操作系統(tǒng)類比為某軟件公司的總經(jīng)理,總經(jīng)理為了人盡其才,首先要了解員工的特點:如員工的學(xué)歷、專業(yè)、愛好和特長等,然后根據(jù)員工的特點安排恰當?shù)膷徫??？偨?jīng)理的人事安排是否合理的評價標準是公司是否穩(wěn)定和諧,是否取得更大的經(jīng)濟效益。那么對于操作系統(tǒng)來說也很類似,操作系統(tǒng)根據(jù)各資源不同的特點安排不同的使用機制,如資源有兩種共享使用的方法:時分和空分。時分就是指由多個用戶(進程)分時地使用該資源,典型設(shè)備有處理機、I/O控制器、網(wǎng)卡。所謂空分是針對存儲資源而言,存儲資源的空間可以被多個用戶(進程)共同以分割的方式占用,典型設(shè)備有內(nèi)存儲器、外存儲器。而時分共享又有兩種不同的使用方法,獨占式共享使用和分時式共享使用。獨占式共享使用指多用戶(進程)分時使用,獨占則表示某用戶(進程)占用該資源后,執(zhí)行了對資源的多個操作,使用了一個完整的周期,例如打印機的使用方式。分時式共享使用指用戶(進程)占用該資源無需使用一個邏輯上的完整周期,例如處理機使用和磁盤的I/O訪問方式。

教材所講述的內(nèi)容包括這幾種資源共享使用方式。如處理機管理,需要讓一個程序沒有運行完畢就放棄CPU而讓另一個程序占用CPU,因此需要對程序的運行過程進行描述,因此引入了進程的概念,從而產(chǎn)生進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。而進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換時需要有進程的切換和進程的調(diào)度。對于內(nèi)存存儲器的管理來說,主要涉及到三個問題:“取”、“放”和“替換”問題,在課堂上主要介紹“放”的問題,對于“放”來說,就有連續(xù)和非連續(xù)的問題,因此又有兩類“放”的方法,連續(xù)和非連續(xù)方法。講授時,主要體現(xiàn)存儲管理的空分特點。設(shè)備管理主要管理除了CPU和內(nèi)存儲器以外的所以設(shè)備,設(shè)備種類多且復(fù)雜,因此需要對設(shè)備進行分類以便采取相應(yīng)的管理措施。文件管理主要是針對外存儲空間上的文件管理,管理方式與內(nèi)存管理相似,但由于文件數(shù)量大,涉及到目錄結(jié)構(gòu)的問題。這樣找出每一部分的核心內(nèi)容,學(xué)生對整個教材有一個全面的理解,有利于每部分的教學(xué)。

3.2從軟件開發(fā)的角度

“計算機操作系統(tǒng)”是一門理論性較強的課程,同時也是一門應(yīng)用性較強課程。雖然教材中介紹了一些基本原理,方法和技術(shù),但對于實際的操作系統(tǒng)(如Unix)來說,是一個系統(tǒng)軟件,也就是說是一個很大的軟件,涉及到軟件開發(fā)的方方面面。另一方面,對于學(xué)生來說,前修課程只學(xué)過C/C++語言等,熟悉的程序都很小很短的,從沒接觸過大型的程序,學(xué)生對操作系統(tǒng)的了解只是停留在操作上。因此,對于操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí),是一個很好了解實際大型軟件的機會,同時,也是一個理解大型軟件開發(fā)過程的機會。于是,在授課時,我們?nèi)谌胍恍┸浖_發(fā)的思想,讓學(xué)生具有軟件開發(fā)的概念。我們采用的如下方法。

(1) 要求學(xué)生了解Unix的源代碼(不一定要看懂),讓學(xué)生感受實際大型軟件的魅力,了解實際軟件與學(xué)生平時做作業(yè)時編寫程序的區(qū)別。

(2) 在介紹操作系統(tǒng)類型時,融入用戶需求分析的思想,使學(xué)生知道,不同類型適合于不同類型的用戶。在設(shè)計操作系統(tǒng)時要深入調(diào)查和研究,挖掘用戶的需求,用戶的需求也是促進操作系統(tǒng)發(fā)展的一個重要因素。

(3) 在介紹操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時,可結(jié)合當前流行的體系結(jié)構(gòu)來一起學(xué)習(xí)和比較,并結(jié)合具體的操作系統(tǒng)(Unix操作系統(tǒng)),來介紹系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、算法設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)等。

3.3從技術(shù)發(fā)展的歷史角度

“計算機操作系統(tǒng)”課程主要介紹操作系統(tǒng)的基本原理、方法和技術(shù),這些方法技術(shù)都是從簡單到復(fù)雜,從低級到高級演化發(fā)展。因此在講授時,注重比較這些方法的優(yōu)缺點,注重循序漸進,層層引導(dǎo),最后介紹當前操作系統(tǒng)的新技術(shù)。比如存儲管理的講授,從連續(xù)空間的分配管理方法到不連續(xù)空間的分配管理方法(頁式管理,段式管理,段頁式管理),再到虛擬存儲管理,最后介紹Unix操作系統(tǒng)、Windows操作系統(tǒng)的管理方式,這樣給學(xué)生有一個很清晰的思路。

4強化實踐教學(xué)

4.1實踐教學(xué)的內(nèi)容

“計算機操作系統(tǒng)”是一門實踐性很強的課程,只有通過實踐教學(xué)來加深學(xué)生對操作系統(tǒng)的理解,這是唯一的一條解決途徑,也是很有效的途徑。通過對操作系統(tǒng)某些很重要概念或技術(shù)的實驗來加深對操作系統(tǒng)原理的理解,可達到事半功倍的效果。而“操作系統(tǒng)”課程實驗是鞏固前修課程所學(xué)知識,加深對軟件的理解和認識的一個有效途徑。課堂的講解很抽象,經(jīng)過實驗以后,可達到升華的效果。為了加強實踐性教學(xué),我們在“計算機操作系統(tǒng)”課程中設(shè)有10個課時的實驗,而且還增開了“計算機操作系統(tǒng)課程設(shè)計”。

“計算機操作系統(tǒng)課程設(shè)計”是在完成專業(yè)基礎(chǔ)課和“計算機操作系統(tǒng)”課程的基礎(chǔ)上,設(shè)計實際操作系統(tǒng)的某些功能,旨在加深對計算機操作系統(tǒng)原理的認識,初步掌握操作系統(tǒng)組成模塊的功能及設(shè)計方法,提高工程設(shè)計和系統(tǒng)分析的能力,為畢業(yè)設(shè)計和以后的工程實踐打下良好的基礎(chǔ)。

課程設(shè)計的主要目標是:鞏固和加深對操作系統(tǒng)原理的理解,提高綜合運用本課程所學(xué)知識的能力;培養(yǎng)學(xué)生選用參考書、查閱手冊及文獻資料的能力,培養(yǎng)獨立思考、深入研究、分析問題、解決問題的能力;通過實際操作系統(tǒng)的分析設(shè)計、編程調(diào)試,掌握系統(tǒng)軟件的分析方法和工程設(shè)計方法;通過課程設(shè)計,培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度,嚴肅認真的工作作風(fēng),和團隊協(xié)作精神。

“計算機操作系統(tǒng)課程設(shè)計”包括以下六個方面:(1)進程管理演示;(2)存儲管理系統(tǒng)設(shè)計;(3)編程序模擬銀行家算法;(4)磁盤調(diào)度算法的實現(xiàn)與分析;(5)文件系統(tǒng)演示;(6)其他與操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容。學(xué)生從上述內(nèi)容中選取其中一個進行課程設(shè)計,具體安排由指導(dǎo)教師給出,如果選擇第(6)項,則需要經(jīng)過任課老師的同意。課程設(shè)計的時間為一周,共24課時。課程設(shè)計的實驗環(huán)境可選用Linux操作系統(tǒng)和gcc編譯器,因為Linux系統(tǒng)的源代碼公開,且提供大量的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)可供設(shè)計時使用;目前也有大量介紹這方面的書籍,可供學(xué)生方便查找資料。

雖然在課程設(shè)計之前給出了具體的設(shè)計內(nèi)容,但設(shè)計的方法是多種形式的。不同的操作系統(tǒng)具有不同的設(shè)計形式,這樣,學(xué)生可根據(jù)實際情況或自己感興趣的內(nèi)容進行設(shè)計。如進程管理的演示,每種類型的操作系統(tǒng)具有不同的表現(xiàn)形式,學(xué)生可選擇其中一種,這就要求學(xué)生查找大量的資料,而且也可避免雷同的情形。除了指定的設(shè)計內(nèi)容以外,學(xué)生可根據(jù)興趣選擇其他與操作系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容,如嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)容,設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計等,同時,指導(dǎo)老師可結(jié)合科研的需要給出一些設(shè)計內(nèi)容供學(xué)生選擇。指導(dǎo)老師也可根據(jù)學(xué)生的興趣和完成的情況,適當引導(dǎo)學(xué)生進行更深入的研究和實踐,或成立興趣小組,作為計算機作品來進行開發(fā)或作為畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容。

4.2實踐方法的探索

(1) 課程組織形式

對于實驗來說,主要通過實驗講解和學(xué)生上機的方法來完成,每人一臺計算機,且獨立完成。對于課程設(shè)計,采用如下一些靈活的形式。

① 以分組的方式組織課程設(shè)計。按照一定的方式分組,每一組負責(zé)一個課程設(shè)計任務(wù),并且每組設(shè)置組長負責(zé)課程設(shè)計內(nèi)容的總體設(shè)計和組內(nèi)任務(wù)分工,則內(nèi)成員之間既是一種相互獨立的關(guān)系,又是一種相互協(xié)作的關(guān)系。

② 以組長為中心的課程設(shè)計管理方法。組長相當于實際軟件開發(fā)的項目經(jīng)理。組長負責(zé)考勤、分工、主持組內(nèi)討論、總結(jié)匯報等,同時也負責(zé)部分設(shè)計任務(wù)。

③ 以競賽的方式激勵學(xué)生的積極性。負責(zé)相同課程設(shè)計任務(wù)的組之間開展競賽,按時間的快慢,完成的程度,設(shè)計方法的優(yōu)良來決定優(yōu)勝,并給出相應(yīng)的成績。

(2) 教師指導(dǎo)方法

針對課程設(shè)計的指導(dǎo),主要指導(dǎo)形式如下:

① 整體講解,在開始課程設(shè)計之前,對每個設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計方法、設(shè)計步驟等進行整體講解,給學(xué)生有一個整體影響和開始設(shè)計的思路。

② 參與學(xué)生的討論,組長召開組內(nèi)討論,可邀請指導(dǎo)老師參與,指導(dǎo)老師可針對學(xué)生提出的問題或者討論的結(jié)論給出一些指導(dǎo)性意見。

③ 組織組間討論,將進行相同內(nèi)容課程設(shè)計的組組織起來進行討論和指導(dǎo),主要討論一些普遍存在的一些問題或者難點問題。

④ 疑難解答,單獨指導(dǎo),對于單個學(xué)生提出的疑點問題進行單獨輔導(dǎo)。

5正確引導(dǎo)學(xué)生看待課程學(xué)習(xí)

“操作系統(tǒng)”課程在計算機專業(yè)的知識體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)著非常重要的地位,它既需要“微機原理”、“程序語言設(shè)計”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”等課程的支持,同時為“軟件工程”、“數(shù)據(jù)庫原理”、“計算機網(wǎng)絡(luò)”等課程的學(xué)習(xí)及軟件開發(fā)技能培養(yǎng)提供知識保障和鍛煉,是一門承上啟下的課程。在授課過程中,可先介紹課程學(xué)習(xí)的前續(xù)課程和后續(xù)課程及共同回顧需要的已學(xué)知識點,如需要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的鏈表、隊列、棧結(jié)構(gòu)等方面的知識。另外,在實踐過程中,特別強調(diào)與C語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)合。在講授理論時,也會介紹某個方法的實現(xiàn)過程,以便學(xué)生能將學(xué)習(xí)的知識跟實踐聯(lián)系起來,提高學(xué)生對編程的理解。通過這種方式,在課堂上引導(dǎo)學(xué)生明白,對“計算機操作系統(tǒng)”課程的學(xué)習(xí),不僅僅是學(xué)習(xí)新知識過程,而是一個綜合已學(xué)知識及其應(yīng)用的過程。

6結(jié)束語

對大學(xué)教師來說,教學(xué)是教師很重要的任務(wù),為了完成教學(xué)任務(wù),提高教學(xué)質(zhì)量,對教學(xué)改革的探索與實踐是很有意義的事情。教學(xué)改革不僅可以不斷提高授課技巧、積累教學(xué)經(jīng)驗,而且還能獲得學(xué)生、學(xué)校和社會的認可。本文從課程教學(xué)改革方面進行了一些的探索,這種探索由于經(jīng)驗和能力的有限,本身就不是很完善。本文的探索只是筆者在“操作系統(tǒng)”的教學(xué)過程中的一點心得體會,希望能與同行分享。

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