操作系統(tǒng)課程教學(xué)模式初探

龍騰

摘要：文章結(jié)合信息工程的發(fā)展，根據(jù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)為目標(biāo)，分析和探討操作系統(tǒng)課程的教學(xué)方法。包括對(duì)現(xiàn)有課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，教學(xué)知識(shí)中關(guān)注學(xué)科之間的融合，教學(xué)形式上進(jìn)行變革，容納多樣化的教學(xué)手段等。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng)；慕課；教學(xué)方法；課程實(shí)踐；課程改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0134-02

Abstract： Based on the teaching status of operation system， this paper discusses the importance to reform in different aspects including context and methods.

Key words： Operation System； MOOC； Teaching Method； Course Practice； Curriculum Revolution

1 引言

操作系統(tǒng)課程[1-3]是軟件工程的核心課程之一，該課程與算法設(shè)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程之間都有內(nèi)容銜接。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)重要的軟件體現(xiàn)，起到管理控制中心的作用，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件中處于中心地位。從某種意義上說，操作系統(tǒng)直接關(guān)系到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用性能和用戶應(yīng)用計(jì)算機(jī)的方便程度，所以操作系統(tǒng)成為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。

隨著信息工程技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用相關(guān)的問題愈發(fā)復(fù)雜，應(yīng)用的領(lǐng)域更為廣泛，需要有系統(tǒng)觀的軟件硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的貫通人才。軟件工程的人員需要編寫適合不同平臺(tái)的高效程序，必須對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有全面認(rèn)識(shí)。

操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)：在操作系統(tǒng)教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)和了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為軟件技術(shù)的設(shè)計(jì)、修改、移植等打下理論基礎(chǔ)。

操作系統(tǒng)課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)相關(guān)概念，幫助學(xué)生理解操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和重要設(shè)計(jì)思想，幫助學(xué)生進(jìn)一步建立和強(qiáng)化宏觀思維的能力。培養(yǎng)具備以下能力的人才：1）能對(duì)軟硬件功能進(jìn)行合理劃分。2）能對(duì)系統(tǒng)不同層次進(jìn)行抽象和封裝。3）能對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行分析和調(diào)優(yōu)。4）能對(duì)系統(tǒng)各層面錯(cuò)誤進(jìn)行調(diào)試和修整。5）能對(duì)用戶程序進(jìn)行性能評(píng)估和優(yōu)化。

2 現(xiàn)狀分析

在教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)課程的教學(xué)的效果距離教學(xué)目標(biāo)，還有一定的難度。體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 課程內(nèi)容

學(xué)生應(yīng)通過操作系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)，理解計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同工作，明確開發(fā)大型軟件必需的操作系統(tǒng)支持，為大型應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)課程內(nèi)容主要分為進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理、系統(tǒng)安全及Linux系統(tǒng)等幾大部分。這些部分相對(duì)來說知識(shí)連續(xù)性不是很高，而且傳統(tǒng)的內(nèi)容缺乏對(duì)流行的操作系統(tǒng)如Android操作系統(tǒng)等的介紹，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得不到提高。該課程與后續(xù)的課程銜接，缺乏Linux系統(tǒng)下的軟件開發(fā)等相關(guān)課程，影響學(xué)生對(duì)Linux系統(tǒng)深入學(xué)習(xí)的積極性。

2.2教學(xué)手段

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為尋求各類知識(shí)提供了有效的搜索途徑和廣闊的資源。 但是由于電子設(shè)備的普及，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生每遇到一個(gè)問題都依賴互聯(lián)網(wǎng)的搜索尋找答案，而缺乏自己思考。操作系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)停留在傳統(tǒng)的課堂講授的方法中，由于課程內(nèi)容涉及范圍的寬泛及相對(duì)枯燥，學(xué)生在課堂講授部分獲取的反饋有限。并且課程講授依賴幻燈片，講解從某種程度變成了幻燈片的播放。

2.3 課程實(shí)踐

對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程來說，其主要目的在于通過實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生們能夠?qū)碚撝R(shí)有所了解，在掌握具體知識(shí)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，從而為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)課程中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)一般涉及：1進(jìn)程管理，2存儲(chǔ)器管理，3 SPOOLing技術(shù)等。以上實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)的練習(xí)還是基于算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，和現(xiàn)實(shí)中的操作系統(tǒng)相關(guān)的聯(lián)系顯得比較薄弱。而且在上機(jī)練習(xí)中，缺乏與最先進(jìn)技術(shù)的銜接，一定程度影響教學(xué)效果。

綜合以上情況，由于課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)及相關(guān)課程銜接的不到位，同時(shí)教學(xué)手段的單一及缺乏與時(shí)俱進(jìn)的實(shí)踐，影響學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力。從以上幾個(gè)方面，需要思考相對(duì)應(yīng)的改革方案，改進(jìn)教學(xué)方法。

3 改革方案

針對(duì)操作系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀的多個(gè)方面的分析，提出針對(duì)以上各個(gè)方面的改革方案：

3.1擴(kuò)充課程內(nèi)容

解決一個(gè)實(shí)際問題，如：由用戶決定Windows任務(wù)管理器的CPU占用率，需要用到操作系統(tǒng)、算法設(shè)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等知識(shí)。由此可見操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，離不開與多個(gè)課程的緊密聯(lián)系。注重知識(shí)鏈的構(gòu)建，讓學(xué)生避免死記硬背，避免把操作系統(tǒng)課程當(dāng)作文科課程來學(xué)習(xí)。

從課程內(nèi)容出發(fā)增加先導(dǎo)知識(shí)，并從以下幾個(gè)方面做適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充和調(diào)配，使得課程銜接更為合理，更與時(shí)俱進(jìn)。

1） 在操作系統(tǒng)引論的章節(jié)中，增加實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的介紹。

2） 基礎(chǔ)介紹中，注重提煉知識(shí)鏈：

a） 環(huán)節(jié)1：操作系統(tǒng)中為提高CPU的利用率，引入多道編程，于是有了進(jìn)程概念。

b） 環(huán)節(jié)2 ：為進(jìn)一步減少進(jìn)程上下文切換開銷，以及支持對(duì)稱對(duì)處理，形成進(jìn)程/線程模型。

c） 環(huán)節(jié)3：線程仍會(huì)消耗大量的內(nèi)核資源，主要為線程配備內(nèi)核堆棧。

3） 在進(jìn)程章節(jié)學(xué)習(xí)之前，增加介紹中斷的內(nèi)容。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)是中斷驅(qū)動(dòng)的，要了解操作系統(tǒng)的工作原理，首先就應(yīng)該知道中斷的基本原理，中斷的基本概念、作用、類型，中斷響應(yīng)過程、處理過程等。

4） 在處理機(jī)調(diào)度章節(jié)中，增加最高響應(yīng)比優(yōu)先算法以及幾種常用算法的比較，深入分析不同算法之間的區(qū)別。

5） 在內(nèi)存管理章節(jié)中，虛擬存儲(chǔ)管理中增加頁面置換算法的介紹并對(duì)請(qǐng)求分頁系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。包括對(duì)有效訪問時(shí)間、抖動(dòng)現(xiàn)象、頁面大小選擇等幾個(gè)方面的分析。

6） 在課程中后期，增加某種智能手機(jī)操作系統(tǒng)，如Android或IOS的介紹。

3.2 豐富教學(xué)手段

為幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的積極性，從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，需要豐富的教學(xué)手段輔助教學(xué)。

1） 增加慕課學(xué)習(xí)。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的《操作系統(tǒng)之基礎(chǔ)》慕課， 以實(shí)際Linux操作系統(tǒng)為案例開展教學(xué)，將操作系統(tǒng)原理和操作系統(tǒng)編碼實(shí)現(xiàn)進(jìn)行貫通。該慕課對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程追蹤、內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)、信號(hào)量實(shí)現(xiàn)、內(nèi)存共享管理、文件系統(tǒng)等內(nèi)容進(jìn)行了全面實(shí)踐。以上慕課的內(nèi)容，能夠彌補(bǔ)課程內(nèi)容中Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的相關(guān)知識(shí)和練習(xí)。在缺乏實(shí)驗(yàn)條件的情況下，能夠輔助學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)具備較全面的認(rèn)識(shí)。

2） 增加討論環(huán)節(jié)。為了消除高科技融入教學(xué)時(shí)產(chǎn)生的注意力分散等問題，可以組織上課前查找相關(guān)資料，上課時(shí)候討論基本問題。既能充分利用互聯(lián)網(wǎng)中豐富、實(shí)時(shí)的資源，又能正確使用該資源輔助學(xué)生主動(dòng)思考，從而解決問題。

3.3 注重素質(zhì)培養(yǎng)

現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)注重知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，忽視了知識(shí)鏈和知識(shí)網(wǎng)的搭建。缺少綜合知識(shí)，看待具體問題缺乏系統(tǒng)觀。教學(xué)過程中注重以下方面的知識(shí)鏈構(gòu)建，培養(yǎng)具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層面的認(rèn)知和設(shè)計(jì)能力的學(xué)生，訓(xùn)練學(xué)生從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度考慮和解決問題。

1） 操作系統(tǒng)與信息安全： 反向思考如何實(shí)現(xiàn)入侵和防御系統(tǒng)。

2） 操作系統(tǒng)與與軟件工程： 養(yǎng)成安全開發(fā)生命周期。

3） 操作系統(tǒng)與并行程序設(shè)計(jì)：同步、互斥、死鎖、進(jìn)程通信等概念是操作系統(tǒng)最先引入的，以上概念可以服務(wù)于并行程序設(shè)計(jì)、多線程多核編程中，體現(xiàn)并行程序運(yùn)行特征。

4） 操作系統(tǒng)和編程的關(guān)聯(lián)：操作系統(tǒng)作為一種軟硬件復(fù)用和抽象模型的軟件，為應(yīng)用程序提供了運(yùn)行模型和存儲(chǔ)模型，其抽象模型直接制約了位于其上的應(yīng)用程序的性能和編程效率。

5） 在實(shí)踐訓(xùn)練中，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)高效算法，降低時(shí)間空間復(fù)雜度的意識(shí)。理解操作系統(tǒng)具體算法：調(diào)度、輪詢算法的訓(xùn)練，強(qiáng)化調(diào)度中公平性、饑餓等概念。

4 結(jié)論

本文結(jié)合信息科學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等方面分析操作系統(tǒng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以培養(yǎng)具備基本分析問題、解決問題的能力，全面掌握理論知識(shí)、原理、設(shè)計(jì)方法、基本實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)生為目標(biāo)，探討操作系統(tǒng)課程教學(xué)的改革。從內(nèi)容上，擴(kuò)充現(xiàn)有課程的教學(xué)內(nèi)容，并注重與先導(dǎo)課程及后續(xù)課程的銜接與融合；教學(xué)形式上，與時(shí)俱進(jìn)，考慮與慕課資源的結(jié)合與互補(bǔ)，容納多樣化的教學(xué)手段等。

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