“操作系統(tǒng)原理”課程實驗教學(xué)的研究與實踐

張龍翔

摘要:本文提出了以教學(xué)操作系統(tǒng)OS Lab為實驗教學(xué)平臺,利用Virtual PC模擬器調(diào)試和編譯,讓學(xué)生實際參與操作系統(tǒng)部分功能的設(shè)計,使學(xué)生能更好的理解操作系統(tǒng)的理論,從而達到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng)原理;實驗教學(xué);教學(xué)操作系統(tǒng);OS Lab

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1操作系統(tǒng)原理課程實驗現(xiàn)狀

操作系統(tǒng)是高等院校計算機專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課,也是眾所周知的教學(xué)難度很大的一門課,其難點主要在于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。

國內(nèi)高校因為師資力量、實驗環(huán)境及學(xué)生自身程序設(shè)計能力等因素的不同,對“操作系統(tǒng)”課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的要求也不一樣,有的要求運行操作系統(tǒng)觀察某些特定現(xiàn)象;有的要求對課程的一些重要算法進行模擬實現(xiàn),以加深對操作系統(tǒng)原理的理解;有的要求學(xué)生合作完成一個小型操作系統(tǒng)的設(shè)計的;有的要求學(xué)生剖析具體操作系統(tǒng)(如Linux)的實現(xiàn)機理,替換一些功能模塊。各高校在講授操作系統(tǒng)原理課程時,一般都會設(shè)置有8～24個學(xué)時同步進行的實驗。經(jīng)過對多所高校的學(xué)習(xí)訪問,總結(jié)歸納出操作系統(tǒng)原理課程的實驗方式目前主要分為以下幾種類型:

(1) 觀察與體驗

這是最簡單的實驗方式。即選擇一個實際的操作系統(tǒng)作為實驗環(huán)境,學(xué)生通過觀察操作系統(tǒng)某些特定的具體運行現(xiàn)象來體會操作系統(tǒng)原理的設(shè)計內(nèi)容。這種實驗教學(xué)過程幾乎不需要編寫程序代碼,對真正理解操作系統(tǒng)內(nèi)在原理效果不明顯。

(2) 算法模擬

這是部分高校采用的實驗方式。任課老師選取課程中的一些典型算法,如FCFS算法、讀者寫者問題等等,讓學(xué)生編寫程序來模擬實現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能。這種方式與程序設(shè)計課程的實驗環(huán)節(jié)基本類似,有利于加深學(xué)生對操作系統(tǒng)理論的理解,但達不到培養(yǎng)學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的整體設(shè)計思想的目的。

(3) 替換功能模塊

這是有一定難度的實驗方式。一般是以Linux操作系統(tǒng)為實驗平臺,讓學(xué)生首先閱讀相關(guān)系統(tǒng)代碼,在理解部分操作系統(tǒng)功能的實現(xiàn)原理后,再要求學(xué)生用自己設(shè)計的功能模塊替換其中相應(yīng)的功能。但Linux是一個龐大的商業(yè)操作系統(tǒng),對學(xué)校的師資和學(xué)生的能力要求都較高,一般高校實施的效果不是很好,也達不到培養(yǎng)學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的整體設(shè)計思想的目的,有的時候還容易讓學(xué)生對計算機學(xué)習(xí)產(chǎn)生了畏難情緒。

2OS Lab教學(xué)操作系統(tǒng)

教學(xué)實踐證明,最好的“操作系統(tǒng)”課程實踐平臺并不是實用的商業(yè)操作系統(tǒng),因為它過于龐大,設(shè)計復(fù)雜,短時間內(nèi)難于掌握。而應(yīng)該是一種與實際使用的操作系統(tǒng)比較接近,但規(guī)模又較小、易理解、便于調(diào)試的系統(tǒng),即面向教學(xué)的操作系統(tǒng)。最重要的是系統(tǒng)要符合課程的需要——可留出一些作為學(xué)生作業(yè)的練習(xí),幫助學(xué)生熟悉實際操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計。

由北京海西慧學(xué)科技有限公司開發(fā)的教學(xué)操作系統(tǒng)OS Lab 很好地解決了高校目前采用的實驗方案所遇到的各種問題,可以使學(xué)生在有限的時間內(nèi)深入操作系統(tǒng)內(nèi)核做真正的操作系統(tǒng)實驗,幫助學(xué)生加深對操作系統(tǒng)設(shè)計原理和算法的理解。它具有以下優(yōu)點:

(1)OS Lab安裝運行在Windows上,用于實驗的PC無需安裝多種操作系統(tǒng),大大降低實驗室的管理難度。

(2)OS Lab融合了Windows和Linux的設(shè)計理念,使用了對象技術(shù),其結(jié)構(gòu)介于微內(nèi)核和宏內(nèi)核之間,API和 Windows基本一致,可以使學(xué)生了解目前實際操作系統(tǒng)的技術(shù)。

(3)OS Lab的進程管理、內(nèi)存管理、IO管理等模塊間的耦合性極低,學(xué)生在做各模塊的實驗時,不必了解其它模塊,很容易入門。

(4)OS Lab支持C源碼級的內(nèi)核調(diào)試,支持反匯編,可在內(nèi)核中設(shè)置斷點,可隨意查看、修改內(nèi)核變量和 CPU 寄存器的值。

3OS Lab實驗項目設(shè)計

作為一個教學(xué)操作系統(tǒng)內(nèi)核,保持系統(tǒng)的簡單易實現(xiàn)是非常重要的。為了實現(xiàn)這一目的,在OS Lab設(shè)計時,僅保留操作系統(tǒng)最基本的功能,同時圍繞現(xiàn)代操作系統(tǒng)原理中的重要概念與方法,按照教學(xué)循序漸進的進度精心設(shè)計了10個項目。這些項目由淺入深,靈活性和可擴充性都很高,教師可以根據(jù)學(xué)生和教學(xué)情況動態(tài)調(diào)整實驗項目。

OS Lab教學(xué)操作系統(tǒng)為學(xué)生設(shè)計的項目內(nèi)容如表1所示。

采用OS Lab作為“操作系統(tǒng)原理”課程實驗平臺已經(jīng)有一個學(xué)期。結(jié)果證明大部分認真完成實驗項目的學(xué)生認為OS Lab對理解操作系統(tǒng)原理功能的設(shè)計與實現(xiàn)有很好的幫助,可以激發(fā)學(xué)習(xí)“操作系統(tǒng)原理”課程的興趣,提高編寫系統(tǒng)程序的能力。

4結(jié)束語

采用OS Lab作為“操作系統(tǒng)原理”課程實驗平臺已經(jīng)有一個學(xué)期。結(jié)果證明大部分認真完成作業(yè)的學(xué)生認為OS Lab對理解操作系統(tǒng)原理功能的設(shè)計與實現(xiàn)有很好的幫助,可以激發(fā)學(xué)習(xí)“操作系統(tǒng)原理”課程的興趣,提高編寫系統(tǒng)程序的能力。教師最好能根據(jù)學(xué)生的能力,以3到4個學(xué)生為一個小組,動態(tài)調(diào)整學(xué)生要具體完成的任務(wù)項目,以致于取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻:

[1] 黃廷輝,王宇英,崔更中.“操作系統(tǒng)”課程實踐教學(xué)的研究與實踐[J]. 計算機教育,2007(11): 18-20.

[2] 宋廣華,李善平,鄭扣根. 邊學(xué)邊干:操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革的探索與實踐[J]. 計算機教育,2006(7):27-29.

[3] 胡明慶,高巍,鐘梅. 操作系統(tǒng)教程與實驗[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2007.