面向應(yīng)用型本科的操作系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐與探索

張麗曉，楊 平

（上海杉達(dá)學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201209）

面向應(yīng)用型本科的操作系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐與探索

張麗曉，楊 平

（上海杉達(dá)學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201209）

針對操作系統(tǒng)難學(xué)、難教的情況，面向應(yīng)用型本科教學(xué)，提出在教學(xué)過程中融入多種教學(xué)方法,并一一闡述這些方法在教學(xué)中的實(shí)施辦法和運(yùn)用過程，最后說明加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要性并說明具體措施。

操作系統(tǒng)；應(yīng)用型人才；關(guān)聯(lián)；設(shè)計(jì)哲學(xué)

0 引 言

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)最核心的系統(tǒng)軟件，管理著計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，是一款功能強(qiáng)大和設(shè)計(jì)復(fù)雜的程序。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展以及用戶需求的變化，操作系統(tǒng)呈現(xiàn)出越來越強(qiáng)大、越來越復(fù)雜的趨勢。

對于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，操作系統(tǒng)課程是專業(yè)核心課，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)是他們必須掌握的基礎(chǔ)知識[1]，然而，學(xué)生普遍認(rèn)為操作系統(tǒng)課理論性強(qiáng)、概念抽象、知識點(diǎn)多而雜[25]。通過多年的探索，我們在教學(xué)過程中運(yùn)用多種教學(xué)方法，試圖通過學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課，讓學(xué)生不僅可以了解隱藏在技術(shù)層面之后的原理，還可以通過認(rèn)識和理解經(jīng)典算法和成熟設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)自身的抽象思維、邏輯推理和實(shí)踐動(dòng)手能力[5]，而嚴(yán)謹(jǐn)有序的思維能力是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生需要加強(qiáng)的。

1 明確教學(xué)目標(biāo)，組織教學(xué)內(nèi)容，融入教學(xué)意圖

面對如此強(qiáng)大和復(fù)雜的軟件，操作系統(tǒng)課教什么或?qū)W生學(xué)什么？操作系統(tǒng)教學(xué)的意義不一定是教會學(xué)生編寫一個(gè)自己的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)太復(fù)雜，對于普通應(yīng)用型本科的學(xué)生來說，他們沒有能力實(shí)現(xiàn)一個(gè)全新的操作系統(tǒng)，設(shè)置這樣的教學(xué)目標(biāo)不適合。社會對應(yīng)用型人才的要求是具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識和實(shí)踐能力以及一定的創(chuàng)新能力。計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，具體的技術(shù)可能會過時(shí)，因此操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該放在教授學(xué)生通用的知識，培養(yǎng)其將知識應(yīng)用于實(shí)踐的綜合能力以及適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[6]。

操作系統(tǒng)課程要講授的內(nèi)容是操作系統(tǒng)發(fā)展過程中保留下來的精華，體現(xiàn)了操作系統(tǒng)理論和技術(shù)中最核心、最令人鼓舞的創(chuàng)新內(nèi)容。教師需要在授課中將發(fā)展中的精彩片段以及睿智的思想呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生體會到成果的偉大，進(jìn)而理解經(jīng)典并從中汲取創(chuàng)新的智慧。

操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其實(shí)蘊(yùn)含著一種哲學(xué)——折中和平衡。算法在性能指標(biāo)中尋求平衡，作業(yè)調(diào)度中的每種調(diào)度算法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，主要是根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的算法，有時(shí)還要在性能和復(fù)雜度之間尋求平衡;時(shí)間換空間與空間換時(shí)間的折中，虛擬存儲器的實(shí)現(xiàn)是時(shí)間換空間，即將進(jìn)程的一部分放在外存，從而在邏輯上增加可用的內(nèi)存空間，但是執(zhí)行過程中，將需要的程序或數(shù)據(jù)從外存調(diào)人內(nèi)存將花費(fèi)更多的時(shí)間。設(shè)計(jì)任何的工程系統(tǒng)，包括軟件系統(tǒng)，都是一個(gè)權(quán)衡的過程，理解這種設(shè)計(jì)思想或哲學(xué)，可以用于解決實(shí)際工作問題。

操作系統(tǒng)的發(fā)展史就是操作系統(tǒng)的理論和技術(shù)不斷創(chuàng)新的歷史過程，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和用戶不斷變化的需求是操作系統(tǒng)發(fā)展的兩大推動(dòng)力，因此，教師在教學(xué)過程中要注重培養(yǎng)學(xué)生用發(fā)展的眼光看待事物，對新技術(shù)、新方向具有敏銳的觀察力和判斷力。例如，多核、多處理機(jī)的出現(xiàn)會導(dǎo)致操作系統(tǒng)向充分發(fā)揮多核、多處理機(jī)性能的方向發(fā)展;隨著云計(jì)算產(chǎn)品的普及，相適應(yīng)的云操作系統(tǒng)也會出現(xiàn)等。此規(guī)律推廣到手機(jī)和其他智能設(shè)備也同樣適用。如果學(xué)生能將這種發(fā)展的意識內(nèi)化為自身素質(zhì)的一部分，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)也將容易實(shí)現(xiàn)。此外，操作系統(tǒng)中的資源管理方式如獨(dú)占資源虛擬化、采用調(diào)度的方式，并發(fā)、并行、鎖等概念也能夠在許多其他場合得到重用。

2 多種教學(xué)方法貫穿教學(xué)過程

操作系統(tǒng)自身的復(fù)雜性導(dǎo)致操作系統(tǒng)課程的概念和算法較多，教師在教學(xué)過程中不僅需要運(yùn)用多種教學(xué)方法和教學(xué)手段，還要幫助學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理。

2.1 一條紅線

首先，告訴學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)要掌握“一條紅線”，即操作系統(tǒng)的任務(wù)是管理計(jì)算機(jī)資源、提高資源利用率和滿足用戶需求，這是貫穿整個(gè)系統(tǒng)的一條主線。整個(gè)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如內(nèi)存管理，首先要為運(yùn)行的程序分配內(nèi)存并保證其能正確運(yùn)行，程序運(yùn)行結(jié)束后回收內(nèi)存;隨著內(nèi)存容量變大，在發(fā)現(xiàn)總是有剩余內(nèi)存空間后，為了提高內(nèi)存資源利用率，提出同時(shí)加載多個(gè)程序到內(nèi)存，內(nèi)存管理從單一存儲分配方式發(fā)展為分區(qū)存儲管理方式，之后發(fā)展為分頁存儲管理方式。這樣，在保障用戶能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序和提高資源利用率的同時(shí)，也提高了用戶滿意度。整個(gè)操作系統(tǒng)的發(fā)展史也體現(xiàn)了這一主線，隨著硬件的發(fā)展，如內(nèi)存越來越大、處理器速度越來越快，為了提高資源利用率，操作系統(tǒng)從單道發(fā)展到多道，交互需求使操作系統(tǒng)在批處理之后出現(xiàn)了分時(shí)系統(tǒng)等。

2.2 關(guān)聯(lián)教學(xué)，理清關(guān)系

操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)組成原理等多門課程的知識，教師在講授過程中將這些課程間的知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，將使學(xué)生對知識融會貫通大有好處，也有利于學(xué)生從整體上理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)的C語言和Java語言，如可利用Java語言中的線程創(chuàng)建、線程互斥和文件緩沖進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)，不僅可以幫助驗(yàn)證和理解操作系統(tǒng)的概念，還能鍛煉學(xué)生的編程能力，實(shí)現(xiàn)課程間的橫向關(guān)聯(lián)。此外，教師也應(yīng)該向?qū)W生說明操作系統(tǒng)教材各個(gè)章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生在開始就有一個(gè)整體認(rèn)識。操作系統(tǒng)的功能可以概括為四大管理（處理機(jī)管理、存儲管理、設(shè)備管理和文件管理）和一個(gè)用戶接口，大部分的教材基本上也是按照這5部分安排內(nèi)容。四大管理功能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成是對應(yīng)的，計(jì)算機(jī)硬件主要包括處理機(jī)、內(nèi)存和輸人輸出設(shè)備，而計(jì)算機(jī)軟件的體現(xiàn)形式是文件，從計(jì)算機(jī)的組成部分著手，學(xué)生較容易記住操作系統(tǒng)的功能。

操作系統(tǒng)課程內(nèi)容是一個(gè)有機(jī)整體，除了章節(jié)之間有關(guān)聯(lián)外，知識點(diǎn)之間還有關(guān)聯(lián)。在教學(xué)過程中，教師要注意將這些知識點(diǎn)串聯(lián)起來，講解后面的知識點(diǎn)時(shí)應(yīng)該將前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行回顧。例如，關(guān)于進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)程的狀態(tài)部分會介紹進(jìn)程狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件;通過信號量進(jìn)行同步和互斥時(shí)，P、V操作也提到進(jìn)程在運(yùn)行、阻塞及就緒狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換;進(jìn)程調(diào)度算法部分，也會講到進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)間片到了之后進(jìn)程狀態(tài)會發(fā)生轉(zhuǎn)換;在分頁存儲管理方式中，如果發(fā)生缺頁，進(jìn)程也會進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.3 what ，why和 how

雖然操作系統(tǒng)非常復(fù)雜，但是在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)每一部分的過程中，學(xué)生如果能試著從解決“what，why和how”3個(gè)問題著手，就可以較容易地理清內(nèi)容之間的關(guān)系，了解設(shè)計(jì)的來龍去脈并一步步深人理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，如處理機(jī)調(diào)度部分，要依次弄清楚什么是處理機(jī)調(diào)度、為什么要進(jìn)行處理機(jī)調(diào)度和怎么進(jìn)行調(diào)度;再如存儲器管理部分，為什么會出現(xiàn)分頁存儲管理方式、什么是分頁存儲管理方式以及這種存儲管理方式是如何工作的。如果站在設(shè)計(jì)者的角度去學(xué)習(xí)和思考，對一些概念或算法的記憶不再只是單純的死記硬背，那么學(xué)習(xí)也會更加容易。

2.4 寓教于樂，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，普遍認(rèn)為操作系統(tǒng)理論性強(qiáng)、概念抽象，知識點(diǎn)和原理的講授比較枯燥，因此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣非常重要。教師可采用多種教學(xué)手段，如多媒體教學(xué)和板書相結(jié)合的方式，講解時(shí)適當(dāng)采用動(dòng)態(tài)演示以加深學(xué)生學(xué)習(xí)的印象，對輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法、死鎖問題、動(dòng)態(tài)分區(qū)存儲管理等內(nèi)容可以采用動(dòng)畫形式;課堂上也可以用操作系統(tǒng)工具觀察簡單的操作系統(tǒng)現(xiàn)象，如運(yùn)行和關(guān)閉一個(gè)程序查看任務(wù)管理器中進(jìn)程的變化，觀察線程列，進(jìn)行虛擬內(nèi)存的設(shè)置。

教師可在教學(xué)過程中利用類比，形象地講解抽象的操作系統(tǒng)概念和算法。將操作系統(tǒng)的許多經(jīng)典算法和原理與生活中的現(xiàn)實(shí)問題關(guān)聯(lián)起來，能夠加深學(xué)生對原理的理解[7];也可以提出類似的體驗(yàn)式教學(xué)方法，如調(diào)度算法可類比醫(yī)院排隊(duì)或銀行排隊(duì)。另外，進(jìn)程的生命周期及狀態(tài)可與人的生命周期及狀態(tài)類比，人也有生老病死、順利、挫折等不同狀態(tài);講到最近最久未使用頁面置換算法時(shí)，可舉例說如果教室座位已滿，有人要進(jìn)來聽課則需要請一個(gè)出去才行，選擇哪個(gè)人出去好呢？可以選擇長時(shí)間沒有抬頭聽課的學(xué)生（相當(dāng)于很長時(shí)間沒有被訪問的頁面）出去，而這樣往往也可以達(dá)到調(diào)動(dòng)課堂氣氛的效果;銀行家算法中操作系統(tǒng)相當(dāng)于銀行家，申請資源的進(jìn)程相當(dāng)于向銀行申請貸款的客戶，同審批貸款類似，在分配資源前，操作系統(tǒng)同樣要審核，以確定是否會影響系統(tǒng)安全。

2.5 循序漸進(jìn)，遵循認(rèn)知規(guī)律

教師可先從較簡單的問題人手，待學(xué)生理解和掌握后再一步步增加問題的復(fù)雜度，這樣學(xué)生往往容易接受，如生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，先講解一個(gè)生產(chǎn)者、一個(gè)消費(fèi)者、一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)信號量應(yīng)該怎么設(shè)置→一個(gè)生產(chǎn)者、一個(gè)消費(fèi)者、多個(gè)緩沖區(qū)時(shí)信號量的設(shè)置→多個(gè)生產(chǎn)者、多個(gè)消費(fèi)者、多個(gè)緩沖區(qū)時(shí)信號量的設(shè)置。

3 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

實(shí)踐的目的是提高學(xué)生動(dòng)手能力及加深其對概念的理解，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)要與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)并與學(xué)生的能力相適應(yīng)[8]。將操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分成5個(gè)層次，即了解操作系統(tǒng)、使用操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)編程、操作系統(tǒng)改進(jìn)和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大部分的普通大學(xué)進(jìn)行前3層的實(shí)驗(yàn)即可。

從輔助操作系統(tǒng)教學(xué)的角度，我們利用Windows和Linux兩大主流操作系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，供學(xué)生理解操作系統(tǒng)的相關(guān)知識點(diǎn);使用學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的C語言和Java語言實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在Linux下使用C語言編程，在Windows下采用Java語言編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，難易結(jié)合，利用已學(xué)過的編程語言，既能鞏固已有知識和加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)踐環(huán)節(jié)的具體實(shí)施采用翻轉(zhuǎn)課堂方式[9]，即指定自學(xué)材料（如課件、視頻等）布置任務(wù)，由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生充分理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒆龊贸浞譁?zhǔn)備后再實(shí)施上機(jī)，這樣得到的教學(xué)效果比實(shí)驗(yàn)課時(shí)由教師指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟要好。

4 結(jié) 語

操作系統(tǒng)是非常重要的一門課，希望不同層次的學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)后，都能在多方面得到啟發(fā)。在當(dāng)今技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，教師要根據(jù)普通應(yīng)用型本科學(xué)生的特點(diǎn)及應(yīng)用型人才的現(xiàn)實(shí)需求，選擇講授經(jīng)典的設(shè)計(jì)和理念，并力圖使學(xué)生在經(jīng)典中汲取知識和創(chuàng)新。操作系統(tǒng)的概念多和理論抽象也是師生所共識的，采用多種教學(xué)方法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣也至關(guān)重要。

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（編輯：宋文婷）

1672-5913(2017)01-0099-03

G642

上海市民辦高校重點(diǎn)項(xiàng)目（2016-SHNGE-01ZD）。

張麗曉，女，講師，研究方向?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)、軟件工程和操作系統(tǒng)，lxzhang@sandau．edu．cn。