操作系統(tǒng)課程設(shè)計實踐體系的探索與構(gòu)建_曹雪

1、第 10期 計 算 機 教 育2010年 5月 25日 Computer EducationNo.10 May 25,2010 129文章編號:1672-5913(201010-0129-03 中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A操作系統(tǒng)課程設(shè)計實踐體系的探索與構(gòu)建曹 雪,王曉峰,鄒建偉,張 宏(南京理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210094摘 要:文章闡述課程設(shè)計在操作系統(tǒng)教學(xué)中的重要性和目前的發(fā)展現(xiàn)狀,并從搭建實驗平臺、設(shè)計實驗內(nèi) 容和改進(jìn)考核方法等方面探索如何構(gòu)建合理的實踐體系,通過分析南京理工大學(xué)計算機學(xué)院操作系統(tǒng)課程設(shè) 計的實施方法,探討該課程設(shè)計實踐體系的特色。關(guān)鍵詞

2、:操作系統(tǒng);課程設(shè)計;實踐體系計算機操作系統(tǒng)原理課程是計算機科學(xué)與技術(shù) 及相關(guān)專業(yè)的核心課程之一, 該門課程的學(xué)習(xí)對于計 算機專業(yè)的學(xué)生十分重要。 同時, 操作系統(tǒng)原理課程 是計算機學(xué)科理論與實踐融為一體的一門課程, 不但 有相當(dāng)?shù)目茖W(xué)成分, 而且從實現(xiàn)來看工程技術(shù)的含義 更多。 在理論課中介紹的基本概念、 原理和算法, 一 定要通過實踐加以理解和吸收。 ACM 和 IEEE/CS制 定的操作系統(tǒng)課程大綱中就明確說明 “該課程涉及內(nèi) 容通常要求包括課程實踐環(huán)節(jié)以幫助學(xué)生更好的理 解操作系統(tǒng)” 。操作系統(tǒng)課程設(shè)計正是該課程實踐環(huán) 節(jié)的集中體現(xiàn), 不僅可以使學(xué)生在實踐中深入體會操 作系統(tǒng)原理, 切

3、實掌握實際運用這些知識的能力, 而 且可以培養(yǎng)學(xué)生良好的理論與實踐相結(jié)合的意識和 習(xí)慣, 全面提升學(xué)生的基本技能、 工程實踐能力、 創(chuàng) 新能力和科學(xué)素養(yǎng)。本文分別對操作系統(tǒng)課程設(shè)計的實踐現(xiàn)狀和發(fā) 展趨勢、 如何構(gòu)建合理的課程設(shè)計實踐體系以及該實 踐體系的特點進(jìn)行探索, 以達(dá)到提高操作系統(tǒng)教學(xué)質(zhì) 量的目的。1 操作系統(tǒng)課程設(shè)計的實踐現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢操作系統(tǒng)課程實踐性很強, 課程設(shè)計是對理論知 識的必要實踐和深化, 是整個操作系統(tǒng)課程體系中必 不可少的部分。歐美的很多一流名校都具有實踐環(huán) 節(jié),麻省理工大學(xué) (MIT的操作系統(tǒng)課程實踐環(huán)節(jié)包 含 6個主要部分, 分別對應(yīng)操作系統(tǒng)的 6大功能, 其 中學(xué)

4、生自己要單獨完成前 5個, 最后一個可以通過分 組討論團(tuán)隊完成, 最終實現(xiàn)一個小型的操作系統(tǒng)。 卡 耐基梅隆大學(xué) (CMU的課程實踐重視操作系統(tǒng)的設(shè) 計和實現(xiàn), 主要由 4個編程項目和 4個家庭作業(yè)組成, 編程項目是在 Yalnix 上進(jìn)行。耶魯大學(xué) (YALE課程 實踐也主要包括 6個項目,主要實現(xiàn)進(jìn)程和線程模 型,并對其進(jìn)行調(diào)度和通信。從實踐內(nèi)容中看,以 MIT 為代表的歐美高校在課程實踐上重視學(xué)生動手 能力和團(tuán)隊精神的培養(yǎng), 他們一般要求通過個人完成 和團(tuán)隊完成相結(jié)合的方式 (主要是由個人完成 ,讓每 個學(xué)生從頭到尾設(shè)計實現(xiàn)一個完整的可以實際運行 的小型操作系統(tǒng)或者完成部分功能模塊。 從

5、考核方式 看,最終成績中閱讀參考資料,同他人討論,項目設(shè)計 和文檔都占有一定的比例,更加重視實踐的過程 1-4。 我國操作系統(tǒng)課程對于實踐也越來越重視, 一直 在加強教學(xué)活動中學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)和動手能力的培 養(yǎng)。 但是國內(nèi)高校因為師資力量、 實驗環(huán)境及學(xué)生自 身程序設(shè)計能力等因素的影響, 實踐內(nèi)容大多停留一 些使用、 觀察與驗證性實驗。 在一些研究型院校, 比 如上海交通大學(xué), 北京航空航天大學(xué)等進(jìn)行了一些擴 展設(shè)計型實驗,引進(jìn)了一些教學(xué)用操作系統(tǒng) 3,5-6?；痦椖?南京理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究課題:加強“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”實驗教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng) 新能力(AB42628。作者簡

6、介:曹雪(1975-,女,講師,碩士,研究方向為圖像識別、網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)。計 算 機 教 育Computer Education130 2010由于操作系統(tǒng)是一個大型的系統(tǒng)軟件, 要求剛剛 學(xué)習(xí)完操作系統(tǒng)基本理論的學(xué)生在有限的時間內(nèi), 設(shè) 計一個即使是小規(guī)模的具有相對完整功能的操作系 統(tǒng)幾乎是行不通的, 即使是單獨設(shè)計一個模塊也不太 可能。 因此, 必須要從搭建實驗平臺、 設(shè)計合理的課 程設(shè)計題目和多維的考核方法等方面出發(fā)構(gòu)建合理 的課程設(shè)計實踐體系。2 構(gòu)建合理的操作系統(tǒng)課程設(shè)計實踐體系高校計算機相關(guān)專業(yè)的操作系統(tǒng)課程不僅要設(shè) 置實踐環(huán)節(jié), 還必須根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生自身的特點 來選擇合適的實踐教

7、學(xué)內(nèi)容和建立科學(xué)合理的考核 體系。 操作系統(tǒng)課程設(shè)計要體現(xiàn)融入新思想、 新內(nèi)容 和廣泛應(yīng)用背景等面向系統(tǒng)核心和工程應(yīng)用的實踐 內(nèi)容, 使學(xué)生對操作系統(tǒng)能更全面、 深入地掌握, 提 高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。 同時要采用合理的考 核體系,培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和團(tuán)隊合作精神。 我校屬于研究應(yīng)用型大學(xué), 根據(jù)我校操作系統(tǒng)課程設(shè) 計的教學(xué)大綱和培養(yǎng)目標(biāo), 結(jié)合學(xué)生畢業(yè)走向, 在具 體構(gòu)建實踐體系過程中, 我們主要從以下四個方面來 考慮。首先, 如何科學(xué)合理地搭建實驗平臺, 使其與現(xiàn) 代先進(jìn)的操作系統(tǒng)相結(jié)合。微軟公司的 Windows 和 公開源代碼的 Linux 是當(dāng)今廣為使用的兩種操作系 統(tǒng),

8、以這兩種操作系統(tǒng)作為實驗平臺, 可以使得學(xué)生 能更好理解操作系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)機理, 更好地 掌握各種典型算法, 培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力, 并及 時了解操作系統(tǒng)的發(fā)展動向和趨勢。 因此, 我們搭建 了 Windows XP和 Red Hat Linux實驗系統(tǒng)環(huán)境和配 套的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。其次, 如何在短時間內(nèi)讓學(xué)生了解實驗平臺, 熟 悉編程環(huán)境,理解教師提供的案例,掌握相關(guān)技術(shù)。 課程設(shè)計學(xué)分少、 時間短, 并且很多學(xué)生第一次接觸 到 Windows 的核心,對 Linux 更是只有耳聞。因此, 為了使學(xué)生能更快地熟悉實驗環(huán)境, 我們有針對性地 編寫課程設(shè)計指導(dǎo)講義, 該講義分為兩部分, 分別對

9、 應(yīng)兩種實驗平臺。在 Windows 這部分,我們從 Windows 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā), 介紹內(nèi)核對象、 Win32中 與進(jìn)程、線程和同步互斥相關(guān)的主要的 API 函數(shù)以 及同步對象和文件對象等。在 Linux 部分,從 Linux 的安裝出發(fā), 介紹系統(tǒng)管理、 簡單的命令、 安裝和卸 載文件系統(tǒng)以及各種編輯器和 GCC 編輯器的使用方 法等。與講義配套的還有教師精心設(shè)計的程序例子。 為了使得學(xué)生能盡快地熟悉實驗平臺,熟悉編程環(huán) 境, 更快地開展實驗, 我們安排 8個小時的課堂講授, 在講授過程中主要根據(jù)指導(dǎo)講義和程序例子, 邊講解 邊演示, 使得學(xué)生在感性上有初步的認(rèn)識。 學(xué)生課下 通過自學(xué)指

10、導(dǎo)講義、 分組討論、 上機調(diào)試教師提供的 例子來觀察和體會實驗內(nèi)容和結(jié)果, 以達(dá)到對實驗環(huán) 境和實驗內(nèi)容理解并掌握相關(guān)的實現(xiàn)技術(shù)的目的。 第三, 如何設(shè)計課程設(shè)計內(nèi)容, 使其緊跟先進(jìn)的 操作系統(tǒng)技術(shù), 并鼓勵學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。 如何 使得設(shè)計的課程內(nèi)容具有層次化、多樣化和一體化, 并結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)和操作系統(tǒng)是解決這一問題的 關(guān)鍵。近年來,微處理器走“多核”之路,對計算機專 業(yè)的學(xué)生, 或者希望能夠高效率使用計算機系統(tǒng)解決 其領(lǐng)域內(nèi)工程問題的學(xué)生來說, 面對 “多處理器環(huán)境” 開展系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的開發(fā)工作, 將是一種 “常 規(guī)”而不是一種“先進(jìn)”的工作。因此,在 Windows 平臺設(shè)計

11、實驗內(nèi)容, 我們更注重結(jié)合多核和多線程等 先進(jìn)技術(shù)。我們設(shè)計了從簡單到復(fù)雜的多個實驗內(nèi) 容, 比如創(chuàng)建多進(jìn)程來實現(xiàn)命令解釋器、 利用軟件方 法解決臨界區(qū)問題、利用 Win32提供的同步對象解 決有限緩沖問題和自己實現(xiàn) PV 操作等。 這樣學(xué)生通 過循序漸進(jìn)的幾個任務(wù)就可以更好地理解操作系統(tǒng) 提供的功能, 理解并發(fā)執(zhí)行, 為學(xué)生以后在并行計算 平臺上開發(fā)軟件打下基礎(chǔ)。公開源代碼的 Linux 也是現(xiàn)在廣為使用的操作 系統(tǒng), 本課程設(shè)計以 Linux 作為實驗平臺的目的, 是 使得學(xué)生能學(xué)會使用 Linux 操作系統(tǒng),了解在 Linux 環(huán)境下開發(fā)程序的大致方法和過程, 并加深對內(nèi)核模 塊加載、文

12、件系統(tǒng)和設(shè)備管理等的理解。因此,在 Linux 平臺下我們設(shè)計了一個簡單的編寫模塊程序并 進(jìn)一步加載該模塊、 嘗試設(shè)計簡單的文件系統(tǒng)和通過 原生方法查看軟盤信息的實驗內(nèi)容。這樣, 在兩個實驗平臺下, 針對不同平臺的特點, 設(shè)計的實驗內(nèi)容從簡單到復(fù)雜, 具有層次化, 實驗內(nèi) 容具有多樣化。 同時這些實驗案例又分別對應(yīng)操作系 統(tǒng)原理課程中的進(jìn)程管理、 存儲器管理、 設(shè)備管理和 文件管理, 自成一體, 使得學(xué)生從這些實驗內(nèi)容中更 好地理解操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)機理。曹 雪,等:操作系統(tǒng)課程設(shè)計實踐體系的探索與構(gòu)建 131第 10期最后,如何探索一種合理的實踐課程考核體系, 促進(jìn)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能

13、力的提升。 我們打破最終 成績?nèi)珣{程序代碼的慣例,對學(xué)生的最終成績的評 定, 采取過程性、 多維度的考核方法。 在布置實驗題 目的過程中, 每個題目都有一定的權(quán)重, 學(xué)生可以根 據(jù)自己的能力選擇不同的題目, 同時我們注重學(xué)生的 學(xué)習(xí)過程, 對學(xué)生到課率, 學(xué)習(xí)態(tài)度等進(jìn)行詳細(xì)記錄 和跟蹤。 程序驗收時, 每個學(xué)生都要進(jìn)行答辯, 回答 老師提出的有關(guān)問題。 最終, 學(xué)生要提供一份詳細(xì)的 實驗報告。 最后的成績就是按照選擇題目、 平時表現(xiàn)、 程序完成和答辯情況以及實驗報告的書寫情況給出。 這種多維度、 過程性、 公開答辯的成績評定方法, 強調(diào)了學(xué)習(xí)的積累過程, 體現(xiàn)了學(xué)生的綜合能力, 同 時提高了學(xué)

14、生的交流表達(dá)能力。3 課程設(shè)計實踐體系的特色我們所設(shè)計的操作系統(tǒng)課程設(shè)計實踐體系具有 3個特色。第一, 以國際化教學(xué)和先進(jìn)技術(shù)的前瞻性開闊學(xué) 生視角。 為了在實踐內(nèi)容上反映計算機科學(xué)與技術(shù)的 科研成果和研究方向,本課程設(shè)計根據(jù) ACM 和 IEEE/CS制定的操作系統(tǒng)課程大綱并借鑒歐美一流 名校的操作系統(tǒng)課程的實踐環(huán)節(jié), 吸收國際先進(jìn)的計 算機教育理念、 模式、 體系, 提出符合我校的操作系 統(tǒng)課程設(shè)計實踐體系。第二, 強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識。 操作系統(tǒng)課程設(shè) 計課堂講授課時為 8學(xué)時, 教師在課堂上更多的是演 示應(yīng)用示例, 講解技術(shù)難點, 布置題目要求, 并給出 必要的思路和自學(xué)指導(dǎo)。 學(xué)生要

15、花大量的課余時間認(rèn) 真學(xué)習(xí)實驗指導(dǎo)講義,分組討論,進(jìn)行算法設(shè)計等。 第三, 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神, 加強交流表達(dá) 能力。 學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計的過程中, 通過程序分析 和分組討論等模式鼓勵學(xué)生討論學(xué)習(xí), 加強軟件研發(fā) 中的團(tuán)隊合作精神。 并通過現(xiàn)場演示和公開答辯等形 式加強學(xué)生的交流表達(dá)能力, 以適應(yīng)社會上對計算機 專業(yè)學(xué)生的需求。從 2007和 2008年開設(shè)實驗教學(xué)效果看, 學(xué)生普 遍反映較好, 能由淺入深、 循序漸進(jìn)地開展實驗, 并 能根據(jù)自身的能力選擇不同難度的實驗。 通過實踐過 程,學(xué)生能更加深入地理解操作系統(tǒng)的概念和原理, 同時又提高了自己的動手能力和實踐能力。4 結(jié)語經(jīng)過三年的操

16、作系統(tǒng)課程設(shè)計的教學(xué)實踐, 使教 師和學(xué)生都感受到了課程設(shè)計開設(shè)的必要性。 教師通 過構(gòu)建合理的課程設(shè)計實踐教學(xué)體系, 改進(jìn)課程設(shè)計 的教學(xué)方法, 能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 使學(xué)生更好 地理解和掌握操作系統(tǒng)的基本原理和算法, 及時了解 操作系統(tǒng)的發(fā)展動向和趨勢, 提高學(xué)生分析問題和解 決問題的能力, 全面提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。參考文獻(xiàn):1 朱貴良. 國外若干知名大學(xué)操作系統(tǒng)課程教學(xué)設(shè)計特點研究J. 許昌師專學(xué)報,2006,20(5:102-104.2 朱貴良,陳向群. 美國若干個知名大學(xué)操作系統(tǒng)課程設(shè)計的比較性研究J. 計算機科學(xué) , 2002(6:152-153.3 孫微微,劉才興.

17、 研究型大學(xué)操作系統(tǒng)課程實習(xí)項目的設(shè)計J. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2006(5:105-107.4 閻巍,尹俊文. 美國知名大學(xué)本科“操作系統(tǒng)”課程設(shè)置情況的對比和分析J. 計算機教育 , 2009(14:117-119.5 鄒恒明. 上海交通大學(xué)“操作系統(tǒng)”精品課程的立體化建設(shè)J. 計算機教育,2006(7:14-16.6 葉保留,費翔林,葛季棟,等. “操作系統(tǒng)”實驗課程建設(shè)與教學(xué)探討J. 計算機教育,2009(14:122-125.Exploration and Construction of Practice System for Course Design in Operating syst

18、emCAO Xue, WANG Xiao-feng, ZOU Jian-wei, ZHANG Hong(School of Computer Science and Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, ChinaAbstract: The progress and importance of course design in operating system teaching is presented. Several aspects, such as experimental platform construction, experimental content design, assessment method improvement ect., are considered to explore the way to build appropriate practice system.