以課程群建設(shè)為目標(biāo)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

孫昌立 趙艷芹

摘要：在分析國(guó)內(nèi)外操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出目前操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在內(nèi)容難度不適應(yīng)、課程群相關(guān)內(nèi)容割裂以及就業(yè)導(dǎo)向不足等問(wèn)題，并提出了針對(duì)性的解決方案：在一般應(yīng)用型本科院校中進(jìn)行以課程群建設(shè)為目標(biāo)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，把操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)打造成操作系統(tǒng)課程群的基礎(chǔ)紐帶。初步實(shí)踐表明效果很好，值得進(jìn)一步實(shí)踐和推廣。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程群建設(shè)；應(yīng)用型人才培養(yǎng)

作者簡(jiǎn)介：孫昌立（1976-），男，黑龍江尚志人，黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，講師；趙艷芹（1975-），女，山東諸城人，黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，副教授。（黑龍江 哈爾濱 150022）

基金項(xiàng)目：本文系黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“高等院校信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究”（課題編號(hào)：GBC1212076）、黑龍江科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“應(yīng)用型操作系統(tǒng)課程群體系教改研究”（課題編號(hào)：JY13-114）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）06-0131-02

操作系統(tǒng)是用戶和計(jì)算機(jī)之間最基本的接口?！安僮飨到y(tǒng)”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，作為專業(yè)必修課，其內(nèi)容繁多且理論教學(xué)多，偏重于基本概念的講解和核心算法的剖析?！安僮飨到y(tǒng)”實(shí)驗(yàn)是該核心課程的實(shí)踐部分，只有通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐，學(xué)生才能加深理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的精髓原理。操作系統(tǒng)范疇的課程在計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中占有相當(dāng)大的比重，這些課程之間是孤立、割裂的還是很好地前后貫通，“操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)起著相當(dāng)重要的作用。

一、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

1.國(guó)外

國(guó)外的諸多名牌高校都極其重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有著嚴(yán)格的要求。Princeton University的操作系統(tǒng)課程的6個(gè)實(shí)習(xí)項(xiàng)目就是用來(lái)構(gòu)造真正的操作系統(tǒng)，課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生將有一個(gè)小的、真正的操作系統(tǒng)內(nèi)核。University of California at Berkeley的4個(gè)實(shí)習(xí)項(xiàng)目是在仿真MIPS平臺(tái)上構(gòu)造操作系統(tǒng)，每個(gè)項(xiàng)目包括文檔和代碼兩部分，文檔占項(xiàng)目成績(jī)的40%，代碼占項(xiàng)目成績(jī)的60%。Brown University學(xué)生每人用C語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的單內(nèi)核操作系統(tǒng)，所寫(xiě)的操作系統(tǒng)在技術(shù)上等價(jià)現(xiàn)代的操作系統(tǒng)。Columbia University學(xué)生使用Nachos，要求分別完成一個(gè)操作系統(tǒng)的不同部分?？傊?，國(guó)外大學(xué)都對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有著嚴(yán)格的要求，有的要求完成一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，有的要求獨(dú)立完成，有的建議合作完成。使用的基礎(chǔ)教學(xué)操作系統(tǒng)有Nachos、Minix、GeekOS、xv6、OS/161等等。線程（進(jìn)程）、線程（進(jìn)程）調(diào)度、虛存和文件系統(tǒng)是實(shí)習(xí)項(xiàng)目的主要內(nèi)容。另外，國(guó)外大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)都很重視，有的大學(xué)（如Princeton University）甚至只有實(shí)驗(yàn)成績(jī)，而沒(méi)有期末考試。[1，2]

2.國(guó)內(nèi)

《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范》要求在Linux平臺(tái)上進(jìn)行7個(gè)專題的實(shí)驗(yàn)：一是Linux配置與安裝（必修）；二是截獲Linux中斷（必修）；三是截獲Linux異常（必修）；四是實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)調(diào)用（必修）；五是進(jìn)程的創(chuàng)建、通信和同步（必修）；六是信號(hào)和定時(shí)器（必修）；七是簡(jiǎn)單的Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)（選修）。

在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，不同學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)置存在著很大的區(qū)別?；旧?，這些“操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程可以分為觀察型實(shí)驗(yàn)、模擬仿真型實(shí)驗(yàn)、分析型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)四種類型。一般國(guó)內(nèi)高校根據(jù)本校的實(shí)際情況，在“操作系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)選擇其中的一種。如清華大學(xué)使用基于xv6的擴(kuò)展設(shè)計(jì)型；北京航空航天大學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置分別基于Linux和Windows，在仿真環(huán)境下構(gòu)造操作系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際難度較大。一般高校的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置多以基本的編程驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，輔之以在實(shí)際操作系統(tǒng)上采用并發(fā)編程和模擬編程的方式。[3-5]

3.應(yīng)用型本科院校的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

以黑龍江科技大學(xué)為例，多年來(lái)在調(diào)研其他普通高校操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，本校開(kāi)出的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程與其他一般院校并無(wú)多大差別，也是以基本的編程驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，輔之以在實(shí)際操作系統(tǒng)上進(jìn)行并發(fā)編程體會(huì)和以及操作一些基本管理的算法仿真編程。

二、存在的問(wèn)題

1.部分操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度較大

對(duì)于一般普通高校而言，《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系與規(guī)范》規(guī)定的操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中的個(gè)別實(shí)驗(yàn)，或者某些院校盲目追趕國(guó)內(nèi)外一流高校的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)和設(shè)計(jì)層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度較大，對(duì)教師和學(xué)生提出了過(guò)高的要求。需要教師在操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼領(lǐng)域有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有足夠的精力去激發(fā)學(xué)生探索的興趣和解決出現(xiàn)的問(wèn)題；隨著高等教育大眾化的普及，學(xué)苗素質(zhì)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)；更重要的是隨著時(shí)代的變遷，軟件業(yè)要求學(xué)生掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)也逐漸重心上移，底層基礎(chǔ)類課時(shí)在減少、要求也有所降低，而應(yīng)用層面的課程增多。

2.內(nèi)容割裂、方式單一

操作系統(tǒng)有若干前導(dǎo)課、后續(xù)課，如“UNIX/Linux操作系統(tǒng)”、“網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)”、“嵌入式操作系統(tǒng)”、“UNIX編程”、“移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)編程”等（課程名稱以及開(kāi)出門(mén)數(shù)在不同學(xué)校會(huì)有些差別），在實(shí)驗(yàn)課程上有不少相通和接續(xù)的地方。而采用單一的觀察使用型或模擬仿真型實(shí)驗(yàn)，很難體現(xiàn)出來(lái)這些課程的有機(jī)聯(lián)系，現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)踐或多或少的造成了這部分內(nèi)容的割裂。

3.就業(yè)導(dǎo)向不足

以黑龍江科技大學(xué)為例，其培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，絕大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)是順利就業(yè)、高薪就業(yè)。但偏重理論、千篇一律的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的設(shè)置，會(huì)使學(xué)生提不起興趣。為了修夠?qū)W分學(xué)生只能消極應(yīng)付，造成教師和學(xué)生的時(shí)間、精力的極大浪費(fèi)。另外，應(yīng)用型高校應(yīng)徹底取消操作系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)。

三、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革及實(shí)踐

1.操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的總體思想

以就業(yè)為導(dǎo)向、以應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標(biāo)，調(diào)整操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)難度，拓展寬度，加入最新的應(yīng)用開(kāi)發(fā)引導(dǎo)，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容成為課程群的紐帶，把課程群相關(guān)課程的知識(shí)聯(lián)系和貫通起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用層面的技能，提高學(xué)生就業(yè)能力。

2.保證操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本重點(diǎn)內(nèi)容

保留基本的重點(diǎn)內(nèi)容，如并發(fā)程序設(shè)計(jì)中熟練運(yùn)用信號(hào)量等方法解決進(jìn)程間通信問(wèn)題、內(nèi)存管理的分頁(yè)、分段以及虛存技術(shù)的算法等，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握操作系統(tǒng)并發(fā)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的能力，能夠?qū)Σ僮飨到y(tǒng)中的重要管理算法進(jìn)行仿真模擬。將這些基本的重點(diǎn)內(nèi)容凝練為6個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)從中必選3個(gè)，其他課時(shí)增加應(yīng)用層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以提高學(xué)生的就業(yè)能力，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，從而避免本課程的教學(xué)改革走入歧途。

3.增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)能力的考慮

由于有些應(yīng)用層面的課程學(xué)校還沒(méi)有開(kāi)出，如Android操作系統(tǒng)上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)、ios應(yīng)用開(kāi)發(fā)等，因此在操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中應(yīng)給學(xué)生以嘗試的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生有選擇這些內(nèi)容的機(jī)會(huì)，使他們嘗試感受這些應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本入門(mén)練習(xí)。這些內(nèi)容可以凝練出6個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以從中選擇1～2個(gè)。

4.將操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)建設(shè)成課程群的基礎(chǔ)紐帶

如圖1所示，把相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識(shí)整合起來(lái)，編出一本“操作系統(tǒng)課程群實(shí)驗(yàn)集成指導(dǎo)教程”，內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理、UNIX/Linux和嵌入式操作系統(tǒng)等課程的全部實(shí)驗(yàn)可選內(nèi)容，并包括上述的Android操作系統(tǒng)上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)、ios應(yīng)用開(kāi)發(fā)等內(nèi)容。保證在操作系統(tǒng)原理課實(shí)驗(yàn)上至少能夠在UNIX /Linux安裝配置、服務(wù)管理、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪編譯、驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)等方面有20多個(gè)可選實(shí)驗(yàn)。而整本“操作系統(tǒng)課程群實(shí)驗(yàn)集成指導(dǎo)教程”在不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及相同內(nèi)容的不同角度、方法等方面設(shè)計(jì)出了共計(jì)40個(gè)左右的可選實(shí)驗(yàn)，使該教程成為操作系統(tǒng)課程群通用的實(shí)驗(yàn)教材。在不同學(xué)期的操作系統(tǒng)課程群實(shí)驗(yàn)課程上，學(xué)生可以通過(guò)選擇其中的實(shí)驗(yàn)把相關(guān)知識(shí)溫故知新、融會(huì)貫通，并且有最新應(yīng)用層面的入門(mén)內(nèi)容。“操作系統(tǒng)課程群實(shí)驗(yàn)集成指導(dǎo)教程”是一本對(duì)學(xué)生有吸引力并同時(shí)對(duì)教師和學(xué)生都有幫助的實(shí)驗(yàn)教程。

通過(guò)該教程，使操作系統(tǒng)課程群的相關(guān)課程很好地、有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生和教師在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇方面有了更大的自由，這種自由極大促進(jìn)了相關(guān)知識(shí)的貫通，因此該教程必成為操作系統(tǒng)課程群的良好紐帶。

四、結(jié)束語(yǔ)

“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門(mén)重要核心課程，而實(shí)驗(yàn)是學(xué)好該課程的必要手段。多年來(lái)課程建設(shè)追求的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化使實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容及難度與學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)不盡相符、也與時(shí)代的需求以及學(xué)生的具體情況不甚接洽，造成教學(xué)效果還有較大的提升空間。本次操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究是以課程群建設(shè)為目標(biāo)，為課程群的貫通和聯(lián)系打造了一條強(qiáng)有力的基礎(chǔ)紐帶——操作系統(tǒng)課程群實(shí)驗(yàn)集成指導(dǎo)教程。在課程群中，不同學(xué)期的不同課程都是從這本手冊(cè)式的教程中選擇實(shí)驗(yàn)，而且有一定的自由范圍的選擇余地。實(shí)踐證明，這種教學(xué)改革能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、達(dá)到很好的教學(xué)效果，對(duì)提升學(xué)生的就業(yè)能力有一定的促進(jìn)作用，為課程群的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：孫晴）