面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索

朱小軍，王立松

（南京航空航天大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引 言

在每個學(xué)期操作系統(tǒng)課程的第一節(jié)課上，筆者都會向?qū)W生發(fā)問卷調(diào)查，其中一個問題是“你最想從本課程中學(xué)到什么”。每年都會有同學(xué)回答，想實現(xiàn)一個“麻雀雖小五臟俱全”的小型操作系統(tǒng)。在主流搜索引擎上搜索“如何學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)”，也會有大量建議是“讀一個小型操作系統(tǒng)的源碼”。因此，以一個小型操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)開展操作系統(tǒng)教學(xué)符合學(xué)生的期望，也是很多“過來人”的建議。

筆者探索了以修改小型操作系統(tǒng)內(nèi)核為內(nèi)容的實驗教學(xué)方案，同時修改理論教學(xué)內(nèi)容和方法，以期實現(xiàn)理論與實踐同步開展，相輔相成，強化教學(xué)效果。相對于傳統(tǒng)的以理論為中心的教學(xué)，筆者認為應(yīng)將側(cè)重點向?qū)嶒瀮A斜。

1 設(shè)計內(nèi)核實驗的起因和難點

目前在部分高校，如南京航空航天大學(xué)，操作系統(tǒng)課程理論部分講解的是“設(shè)計”操作系統(tǒng)，而課程的實踐部分以“用”操作系統(tǒng)為主，多是驗證性實驗，這不可避免地造成了矛盾。以信號量知識點為例，理論部分講解如何設(shè)計信號量以滿足進程同步的需求，而實驗部分則是用已經(jīng)實現(xiàn)的信號量去解決應(yīng)用問題。由于這種差異的存在，雖然操作系統(tǒng)的教學(xué)已探索出多種教學(xué)方法[1-3]，但是少有關(guān)注理論部分與實踐部分緊密結(jié)合的方案，甚至有教師提議直接舍棄實驗部分的教學(xué)[2]。為了將理論部分和實踐部分結(jié)合，需要將實踐部分從“用”改為“設(shè)計”，也即設(shè)計、修改一個操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

在設(shè)計內(nèi)核實驗時，面臨以下問題。

（1）雖然國外有大量教學(xué)案例，但無法直接應(yīng)用到國內(nèi)的教學(xué)中，因為國內(nèi)無法提供足夠的師資力量對學(xué)生進行輔導(dǎo)，國內(nèi)的學(xué)生也沒有足夠的時間完成課程任務(wù)。比如，MIT的操作系統(tǒng)課程逐步引導(dǎo)學(xué)生從零開始設(shè)計、實現(xiàn)一個操作系統(tǒng)，但MIT會為此配備足夠多的高質(zhì)量助教，而且每個學(xué)生在一個學(xué)期只修讀幾門課程（教務(wù)建議是每學(xué)期3～4門）。目前，這兩點在國內(nèi)無法做到。

（2）國內(nèi)能夠公開找到資料且是修改內(nèi)核的教學(xué)案例大多采用了發(fā)行版Linux內(nèi)核，實際教學(xué)效果有限。這是因為發(fā)行版內(nèi)核代碼量大，易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒無法通讀源碼。此外，代碼過多也增加了調(diào)試內(nèi)核的難度。

（3）內(nèi)核實驗需要和理論教學(xué)同步開展，筆者認為理想的情況是每個理論教學(xué)的知識點都有一個配套的內(nèi)核實驗，理論講授和實驗教學(xué)同步開展，同步結(jié)束。為達到預(yù)期目的，有兩個問題需要解決：一是，內(nèi)核實驗可能會影響理論教學(xué)中知識點的講授次序和講授方法；二是，部分理論教學(xué)的知識點可能沒有對應(yīng)的內(nèi)核實驗。當然，有的高校是在理論教學(xué)結(jié)束后單獨開設(shè)綜合性實驗課程[4]，但這樣延后安排的實驗無法促進理論教學(xué)，還可能出現(xiàn)學(xué)生遺忘理論課內(nèi)容的情況。

在經(jīng)過對比權(quán)衡后，筆者選擇了MIT開發(fā)的教學(xué)用操作系統(tǒng)xv6[5]。首先，xv6是開源免費軟件，只有約五千行代碼，學(xué)習(xí)和調(diào)試相對容易。其次，xv6只實現(xiàn)了內(nèi)核的基本功能，大量未實現(xiàn)的功能可作為實驗項目。最后，xv6有大量國內(nèi)外資料供參考，既減輕了教師設(shè)計新實驗的壓力，學(xué)生也有足夠的參考資源。

2 基于xv6的內(nèi)核實驗

內(nèi)核實驗的內(nèi)容及安排見表1，共6個實驗，其中部分實驗源自MIT的開放課程。每個實驗結(jié)束時學(xué)生需要提交一次源碼和項目報告，教師評分。學(xué)生的總成績由6個實驗加權(quán)求和得到。教師在布置實驗任務(wù)時，需要確保先導(dǎo)的理論知識已經(jīng)講授完畢。由于理論和實驗的緊密結(jié)合，如果二者分屬兩門課程，建議由同一個教師講授。每個實驗預(yù)計學(xué)生需要10個小時完成，所有實驗共60小時。從學(xué)生反饋的情況來看，雖然不同實驗的用時不同，但所有實驗的累計用時相差不大。

2.1 通過提示信息動態(tài)調(diào)整實驗的難度

由于課程的動態(tài)增減和多個先導(dǎo)課程持續(xù)不斷的教學(xué)改革，每年學(xué)生的基礎(chǔ)有所不同，所以內(nèi)核實驗的難度應(yīng)隨之動態(tài)改變，這可以通過增減提示信息來控制。例如實驗0的添加用戶命令部分，可以大致提示學(xué)生參考已有命令，也可以具體提示學(xué)生留意哪幾個文件的哪幾行代碼。提示信息的多少取決于學(xué)生的基礎(chǔ)，可以通過與學(xué)生的交流以及問卷調(diào)查獲得。事實上，實驗0較簡單，目的是讓學(xué)生熟悉環(huán)境，增加完成任務(wù)的信心。

2.2 通過問答題引導(dǎo)學(xué)生理解內(nèi)部原理

實際教學(xué)過程中會出現(xiàn)部分學(xué)生在對原理不理解的情況下依然完成了任務(wù)。有兩種情況，一是學(xué)生參考了xv6已有的類似實現(xiàn)，例如實驗0和實驗1中添加系統(tǒng)調(diào)用部分；二是參考了網(wǎng)上的代碼，例如實驗1中的定時任務(wù)部分。筆者不反對學(xué)生參考任何資源（只要不是相互間的抄襲），因為尋找資料本身就是學(xué)習(xí)，但希望學(xué)生能理解內(nèi)部原理。為此，建議在實驗中增加問答題，既是引導(dǎo)，也是強制要求。例如，實驗0或?qū)嶒?中可以要求學(xué)生使用GDB跟蹤一個系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行過程，并指出引起CPU內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)切換的具體指令。

2.3 通過及時總結(jié)強化實驗效果

在目前的教學(xué)體制下，學(xué)生一般更重視理論課。為此，在每個實驗項目批改結(jié)束后，建議在理論課上對其進行總結(jié)，并分析講解典型錯誤，以此為契機復(fù)習(xí)先導(dǎo)理論知識點。例如，實驗0結(jié)束后復(fù)習(xí)內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)以及系統(tǒng)調(diào)用。由于學(xué)生已經(jīng)閱讀過相應(yīng)的內(nèi)核源碼，所以此時復(fù)習(xí)有事半功倍的效果。再比如，信號量一直是理論課的教學(xué)難點，在實驗3完成后再次講解信號量，學(xué)生的認識將會更加透徹。

2.4 通過規(guī)范化項目文檔減輕學(xué)生負擔

需要對學(xué)生提交的實驗報告在格式和內(nèi)容上做出要求，以避免學(xué)生既要思考內(nèi)容又要調(diào)整格式。操作系統(tǒng)的實驗不可避免需要粘貼部分代碼，對一些學(xué)生而言這是負擔，因為普遍采用的word軟件不支持代碼的高亮顯示。如果報告的格式混亂，教師讀起來費力，學(xué)生自己也不愿仔細修改。此外，當課程結(jié)束需要將所有報告匯總時，學(xué)生又需要花費較多精力統(tǒng)一格式。為此，經(jīng)過往屆學(xué)生的建議，筆者統(tǒng)一要求學(xué)生用Markdown寫實驗報告，并給出模板，將學(xué)生從調(diào)格式的工作中解放出來，將注意力集中在報告內(nèi)容而不是格式上。由于報告看起來美觀，學(xué)生也愿意花精力寫報告。

2.5 通過引入適度的競爭增加學(xué)生的動力

為了提高學(xué)生的積極性，建議引入適度的競爭，并在成績上予以體現(xiàn)。例如，可以將思路清晰的報告在課堂上演示并予以表揚。實驗4中可以增設(shè)開放性實驗，讓學(xué)生自己實現(xiàn)其他節(jié)省物理內(nèi)存的技術(shù)，以節(jié)省物理內(nèi)存的數(shù)量對學(xué)生的實現(xiàn)進行排名，并邀請前幾名學(xué)生在課堂上分享經(jīng)驗。

3 理論課程的調(diào)整

為了與內(nèi)核實驗緊密結(jié)合，需要對理論課程的內(nèi)容作出調(diào)整。由于需要在理論課上總結(jié)實驗的內(nèi)容，所以需要對原有的部分理論知識點進行弱化，即減少教學(xué)時間。筆者采用的教材[6]建議弱化的知識點見表2。需要注意，不是因為這些知識點不重要，而是無法在有限的課堂時間內(nèi)全部覆蓋。

表2 理論知識點的調(diào)整

如第1節(jié)所述，如果理論知識點沒有配套的內(nèi)核實驗，則與筆者的初衷不符。在此采用的方法是減少這些知識點的課時。例如，關(guān)于死鎖有較多知識點，但目前主流操作系統(tǒng)，如Windows和Linux，均未處理死鎖。當然教師也不容易設(shè)計內(nèi)核實驗，考慮到教學(xué)效果，不建議在課堂上詳細講解關(guān)于死鎖的算法。此外，因為主流操作系統(tǒng)未采用，分段存儲管理及引申的存儲管理方法也無必要設(shè)計對應(yīng)內(nèi)核實驗（事實上xv6的早期版本采用了分段存儲管理，現(xiàn)已更新為分頁存儲管理）。

該理論和實驗教學(xué)方案自2016年春開始在南航計算機軟件培優(yōu)班試點，已試點兩年，圖1為試點前后學(xué)生對課程的評教成績。雖然不同年份學(xué)生不同、教師不同，但可以確定的是采用新方案后學(xué)生對課程的評價并沒有降低。學(xué)生雖然在新方案下的工作量較大，但從中學(xué)到了知識和技能，對課程的正面評價較多。

圖1 操作系統(tǒng)課程的學(xué)生評教成績（平均值±標準差）

4 結(jié) 語

操作系統(tǒng)課程是一門傳統(tǒng)的計算機類專業(yè)的核心課程，已有多種成熟的教學(xué)方法。近來一般認為應(yīng)當培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力，即結(jié)合組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理等核心課程，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀。筆者認為培養(yǎng)系統(tǒng)能力的關(guān)鍵在于以實驗為中心，通過實驗將各課程的知識點重新組織。為此，筆者探索了一系列基于xv6的內(nèi)核實驗，并相應(yīng)調(diào)整了理論課程的知識點。以此為主要組成部分的成果“計算機軟硬件協(xié)同貫穿式人才培養(yǎng)的創(chuàng)新與實踐”獲得2017年江蘇省教學(xué)成果二等獎。