操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系的探索與構(gòu)建_曹雪

1、第 10期 計(jì) 算 機(jī) 教 育2010年 5月 25日 Computer EducationNo.10 May 25,2010 129文章編號(hào):1672-5913(201010-0129-03 中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐體系,通過(guò)分析南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院操作系統(tǒng)課程設(shè) 計(jì)的實(shí)施方法,探討該課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系的特色。關(guān)鍵詞

2、:操作系統(tǒng);課程設(shè)計(jì);實(shí)踐體系計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理課程是計(jì)算機(jī)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(duì)于計(jì) 算機(jī)專業(yè)的學(xué)生十分重要。 同時(shí), 操作系統(tǒng)原理課程 是計(jì)算機(jī)學(xué)科理論與實(shí)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(shí)現(xiàn)來(lái)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(guò)實(shí)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(shuō)明 “該課程涉及內(nèi) 容通常要求包括課程實(shí)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(jì)正是該課程實(shí)踐環(huán) 節(jié)的集中體現(xiàn), 不僅可以使學(xué)生在實(shí)踐中深入體會(huì)操 作系統(tǒng)原理, 切

3、實(shí)掌握實(shí)際運(yùn)用這些知識(shí)的能力, 而 且可以培養(yǎng)學(xué)生良好的理論與實(shí)踐相結(jié)合的意識(shí)和 習(xí)慣, 全面提升學(xué)生的基本技能、 工程實(shí)踐能力、 創(chuàng) 新能力和科學(xué)素養(yǎng)。本文分別對(duì)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐現(xiàn)狀和發(fā) 展趨勢(shì)、 如何構(gòu)建合理的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系以及該實(shí) 踐體系的特點(diǎn)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(jì)的實(shí)踐現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)操作系統(tǒng)課程實(shí)踐性很強(qiáng), 課程設(shè)計(jì)是對(duì)理論知 識(shí)的必要實(shí)踐和深化, 是整個(gè)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(shí)踐環(huán) 節(jié),麻省理工大學(xué) (MIT的操作系統(tǒng)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)包 含 6個(gè)主要部分, 分別對(duì)應(yīng)操作系統(tǒng)的 6大功能, 其 中學(xué)

4、生自己要單獨(dú)完成前 5個(gè), 最后一個(gè)可以通過(guò)分 組討論團(tuán)隊(duì)完成, 最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的操作系統(tǒng)。 卡 耐基梅隆大學(xué) (CMU的課程實(shí)踐重視操作系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn), 主要由 4個(gè)編程項(xiàng)目和 4個(gè)家庭作業(yè)組成, 編程項(xiàng)目是在 Yalnix 上進(jìn)行。耶魯大學(xué) (YALE課程 實(shí)踐也主要包括 6個(gè)項(xiàng)目,主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程和線程模 型,并對(duì)其進(jìn)行調(diào)度和通信。從實(shí)踐內(nèi)容中看,以 MIT 為代表的歐美高校在課程實(shí)踐上重視學(xué)生動(dòng)手 能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng), 他們一般要求通過(guò)個(gè)人完成 和團(tuán)隊(duì)完成相結(jié)合的方式 (主要是由個(gè)人完成 ,讓每 個(gè)學(xué)生從頭到尾設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的可以實(shí)際運(yùn)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(jī)中閱讀參考資料,同他人討論,項(xiàng)目設(shè)計(jì) 和文檔都占有一定的比例,更加重視實(shí)踐的過(guò)程 1-4。 我國(guó)操作系統(tǒng)課程對(duì)于實(shí)踐也越來(lái)越重視, 一直 在加強(qiáng)教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)和動(dòng)手能力的培 養(yǎng)。 但是國(guó)內(nèi)高校因?yàn)閹熧Y力量、 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及學(xué)生自 身程序設(shè)計(jì)能力等因素的影響, 實(shí)踐內(nèi)容大多停留一 些使用、 觀察與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。 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(kuò) 展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),引進(jìn)了一些教學(xué)用操作系統(tǒng) 3,5-6?；痦?xiàng)目:南京理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究課題:加強(qiáng)“操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng) 新能力(AB42628。作者簡(jiǎn)

6、介:曹雪(1975-,女,講師,碩士,研究方向?yàn)閳D像識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)行為學(xué)。計(jì) 算 機(jī) 教 育Computer Education130 2010由于操作系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)間內(nèi), 設(shè) 計(jì)一個(gè)即使是小規(guī)模的具有相對(duì)完整功能的操作系 統(tǒng)幾乎是行不通的, 即使是單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)模塊也不太 可能。 因此, 必須要從搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、 設(shè)計(jì)合理的課 程設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)踐體系。2 構(gòu)建合理的操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系高校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的操作系統(tǒng)課程不僅要設(shè) 置實(shí)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(diǎn) 來(lái)選擇合適的實(shí)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(jì)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(shí)踐 內(nèi)容, 使學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)能更全面、 深入地掌握, 提 高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。 同時(shí)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(shí)和團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)踐體系過(guò)程中, 我們主要從以下四個(gè)方面來(lái) 考慮。首先, 如何科學(xué)合理地搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 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(shí)驗(yàn)平臺(tái), 可以使得學(xué)生 能更好理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)能力, 并及 時(shí)了解操作系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向和趨勢(shì)。 因此, 我們搭建 了 Windows XP和 Red Hat Linux實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境和配 套的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。其次, 如何在短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 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(jì)學(xué)分少、 時(shí)間短, 并且很多學(xué)生第一次接觸 到 Windows 的核心,對(duì) Linux 更是只有耳聞。因此, 為了使學(xué)生能更快地熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境, 我們有針對(duì)性地 編寫課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)講義, 該講義分為兩部分, 分別對(duì)

9、 應(yīng)兩種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(duì)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(duì)象和文件對(duì)象等。在 Linux 部分,從 Linux 的安裝出發(fā), 介紹系統(tǒng)管理、 簡(jiǎn)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(jì)的程序例子。 為了使得學(xué)生能盡快地熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái),熟悉編程環(huán) 境, 更快地開展實(shí)驗(yàn), 我們安排 8個(gè)小時(shí)的課堂講授, 在講授過(guò)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(shí)。 學(xué)生課下 通過(guò)自學(xué)指

10、導(dǎo)講義、 分組討論、 上機(jī)調(diào)試教師提供的 例子來(lái)觀察和體會(huì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果, 以達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán) 境和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解并掌握相關(guān)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)的目的。 第三, 如何設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容, 使其緊跟先進(jìn)的 操作系統(tǒng)技術(shù), 并鼓勵(lì)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。 如何 使得設(shè)計(jì)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(wèn)題的 關(guān)鍵。近年來(lái),微處理器走“多核”之路,對(duì)計(jì)算機(jī)專 業(yè)的學(xué)生, 或者希望能夠高效率使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解決 其領(lǐng)域內(nèi)工程問(wèn)題的學(xué)生來(lái)說(shuō), 面對(duì) “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(tái)設(shè)計(jì)

11、實(shí)驗(yàn)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?cè)O(shè)計(jì)了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容, 比如創(chuàng)建多進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)命令解釋器、 利用軟件方 法解決臨界區(qū)問(wèn)題、利用 Win32提供的同步對(duì)象解 決有限緩沖問(wèn)題和自己實(shí)現(xiàn) PV 操作等。 這樣學(xué)生通 過(guò)循序漸進(jìn)的幾個(gè)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(jì)算 平臺(tái)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(jì)以 Linux 作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的, 是 使得學(xué)生能學(xué)會(huì)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(guò)程, 并加深對(duì)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(tái)下我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的編寫模塊程序并 進(jìn)一步加載該模塊、 嘗試設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)和通過(guò) 原生方法查看軟盤信息的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這樣, 在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下, 針對(duì)不同平臺(tái)的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從簡(jiǎn)單到復(fù)雜, 具有層次化, 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容具有多樣化。 同時(shí)這些實(shí)驗(yàn)案例又分別對(duì)應(yīng)操作系 統(tǒng)原理課程中的進(jìn)程管理、 存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容中更 好地理解操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)機(jī)理。曹 雪,等:操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)踐課程考核體系, 促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能

13、力的提升。 我們打破最終 成績(jī)?nèi)珣{程序代碼的慣例,對(duì)學(xué)生的最終成績(jī)的評(píng) 定, 采取過(guò)程性、 多維度的考核方法。 在布置實(shí)驗(yàn)題 目的過(guò)程中, 每個(gè)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(shí)我們注重學(xué)生的 學(xué)習(xí)過(guò)程, 對(duì)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(yàn)收時(shí), 每個(gè)學(xué)生都要進(jìn)行答辯, 回答 老師提出的有關(guān)問(wèn)題。 最終, 學(xué)生要提供一份詳細(xì)的 實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 最后的成績(jī)就是按照選擇題目、 平時(shí)表現(xiàn)、 程序完成和答辯情況以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫情況給出。 這種多維度、 過(guò)程性、 公開答辯的成績(jī)?cè)u(píng)定方法, 強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)的積累過(guò)程, 體現(xiàn)了學(xué)生的綜合能力, 同 時(shí)提高了學(xué)

14、生的交流表達(dá)能力。3 課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系的特色我們所設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系具有 3個(gè)特色。第一, 以國(guó)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(shí)踐內(nèi)容上反映計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的 科研成果和研究方向,本課程設(shè)計(jì)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(shí)踐環(huán)節(jié), 吸收國(guó)際先進(jìn)的計(jì) 算機(jī)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(jì)實(shí)踐體系。第二, 強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)。 操作系統(tǒng)課程設(shè) 計(jì)課堂講授課時(shí)為 8學(xué)時(shí), 教師在課堂上更多的是演 示應(yīng)用示例, 講解技術(shù)難點(diǎn), 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(shí)間認(rèn) 真學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義,分組討論,進(jìn)行算法設(shè)計(jì)等。 第三, 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神, 加強(qiáng)交流表達(dá) 能力。 學(xué)生在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中, 通過(guò)程序分析 和分組討論等模式鼓勵(lì)學(xué)生討論學(xué)習(xí), 加強(qiáng)軟件研發(fā) 中的團(tuán)隊(duì)合作精神。 并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示和公開答辯等形 式加強(qiáng)學(xué)生的交流表達(dá)能力, 以適應(yīng)社會(huì)上對(duì)計(jì)算機(jī) 專業(yè)學(xué)生的需求。從 2007和 2008年開設(shè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn), 并 能根據(jù)自身的能力選擇不同難度的實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)實(shí)踐過(guò) 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(shí)又提高了自己的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。4 結(jié)語(yǔ)經(jīng)過(guò)三年的操

16、作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐, 使教 師和學(xué)生都感受到了課程設(shè)計(jì)開設(shè)的必要性。 教師通 過(guò)構(gòu)建合理的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)體系, 改進(jìn)課程設(shè)計(jì) 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(shí)了解 操作系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向和趨勢(shì), 提高學(xué)生分析問(wèn)題和解 決問(wèn)題的能力, 全面提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。參考文獻(xiàn):1 朱貴良. 國(guó)外若干知名大學(xué)操作系統(tǒng)課程教學(xué)設(shè)計(jì)特點(diǎn)研究J. 許昌師專學(xué)報(bào),2006,20(5:102-104.2 朱貴良,陳向群. 美國(guó)若干個(gè)知名大學(xué)操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的比較性研究J. 計(jì)算機(jī)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(shí)習(xí)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)J. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2006(5:105-107.4 閻巍,尹俊文. 美國(guó)知名大學(xué)本科“操作系統(tǒng)”課程設(shè)置情況的對(duì)比和分析J. 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)教育,2006(7:14-16.6 葉保留,費(fèi)翔林,葛季棟,等. “操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與教學(xué)探討J. 計(jì)算機(jī)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.