邊學(xué)邊干：操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

宋廣華　李善平　鄭扣根

摘要以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，探討了新形勢(shì)下操作系統(tǒng)課程改革的思路；提出了“邊學(xué)邊干”的教學(xué)理念；闡述了在課程設(shè)置與教材建設(shè)、多元化教學(xué)手段、師資隊(duì)伍建設(shè)等方面的探索與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞操作系統(tǒng)Linux教學(xué)手段邊學(xué)邊干

操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心支撐軟件，從來都是各院校計(jì)算機(jī)專業(yè)課程建設(shè)中的核心專業(yè)課程。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用向縱深方向的進(jìn)一步拓展，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程的重要性日益突出。早期計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，往往局限于基本理論知識(shí)的掌握和一些典型算法的實(shí)踐，那時(shí)候，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)去了解操作系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。當(dāng)前，開放源代碼軟件日益深入人心，以Linux為代表的開放源代碼操作系統(tǒng)軟件，已成為大學(xué)生尤其是研究型大學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)、研究計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)支撐軟件的首選。這為大學(xué)操作系統(tǒng)課程教學(xué)提供了更好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但也提出了更高的要求。

本文討論了浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐。

1 課程的培養(yǎng)目標(biāo)

圍繞著浙江大學(xué)以“知識(shí)（Knowledge）、能力（Ability）、素質(zhì)（Quality）”（簡稱KAQ模式）為目標(biāo)的辦學(xué)理念，該校計(jì)算機(jī)學(xué)院操作系統(tǒng)課程在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中的定位與課程目標(biāo)是：

（1）以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力為宗旨，堅(jiān)持“理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐強(qiáng)化理論”的指導(dǎo)思想，走“邊學(xué)邊干”的教學(xué)路線；

（2）針對(duì)本學(xué)院學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實(shí)、英文功底強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，采用國外優(yōu)秀的原版教材，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握最先進(jìn)的操作系統(tǒng)原理、算法及技術(shù)；

（3）培養(yǎng)學(xué)生“主動(dòng)學(xué)習(xí)”的興趣與能力，在要求學(xué)生完成基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)、吸引學(xué)生學(xué)習(xí)、研究乃至改進(jìn)最新的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從而激發(fā)他們的研究創(chuàng)新能力。

2 課程內(nèi)容與教材建設(shè)

2.1課程內(nèi)容

操作系統(tǒng)原理是操作系統(tǒng)課程建設(shè)中的基礎(chǔ)。類似于其他計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)也經(jīng)歷了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的變更與發(fā)展。早期的操作系統(tǒng)由于受硬件、程序設(shè)計(jì)語言及軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的限制，一些設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)相比較于現(xiàn)代操作系統(tǒng)來講已經(jīng)過時(shí)或不合理了。因此，在確定操作系統(tǒng)原理授課內(nèi)容時(shí)，我們積極跟蹤國外最新的操作系統(tǒng)原理教材，摒棄掉傳統(tǒng)操作系統(tǒng)原理中那些過時(shí)的知識(shí)，取而代之的是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中普遍采用的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。譬如，我們摒棄了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的作業(yè)及作業(yè)管理的概念，強(qiáng)化了進(jìn)程及線程的概念。這樣一方面可以充分利用有限的授課時(shí)間，向?qū)W生介紹最新的操作系統(tǒng)原理與技術(shù)，另一方面可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理的積極性和主動(dòng)性，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

為了充分貫徹“邊學(xué)邊干”的教學(xué)理念，我們圍繞現(xiàn)代操作系統(tǒng)原理中的重要概念與方法，設(shè)計(jì)了基于Linux的七個(gè)主題實(shí)驗(yàn)，這些主題涵蓋了Linux的內(nèi)核重建與shell、系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程同步、進(jìn)程調(diào)度、虛擬存儲(chǔ)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)及文件系統(tǒng)，其中兩個(gè)是必做題，其余五個(gè)主題要求學(xué)生選擇其中至少三個(gè)主題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或至少選擇其中的兩個(gè)主題，然后再自行確定一個(gè)自己認(rèn)為有意義的主題。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以分小組進(jìn)行，每個(gè)小組人數(shù)一般不超過三人，實(shí)驗(yàn)后要求學(xué)生按組提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告及相應(yīng)的代碼，如果時(shí)間允許，還可以有選擇性地安排部分小組在課堂上進(jìn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)交流。

這些實(shí)驗(yàn)由淺入深，既有Linux使用環(huán)境與使用技能等基本內(nèi)容，又有圍繞Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)機(jī)制展開的深入內(nèi)容。通過這些實(shí)驗(yàn)，既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)Linux的興趣和主動(dòng)性，又訓(xùn)練了學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力，起到了非常好的效果。

在確定課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為了強(qiáng)化實(shí)踐，我們?cè)趪鴥?nèi)率先開展了Linux操作系統(tǒng)源代碼分析實(shí)驗(yàn)并開設(shè)了專門的實(shí)驗(yàn)課程。目前，本科生操作系統(tǒng)原理與實(shí)驗(yàn)已單獨(dú)開課，課程名稱分別為“操作系統(tǒng)原理”和“操作系統(tǒng)分析與實(shí)驗(yàn)”，均為專業(yè)必修課，分別為3學(xué)分和2學(xué)分。為了讓學(xué)生真正能“邊學(xué)邊干”，在課程安排上，我們將“操作系統(tǒng)原理”安排在秋、冬兩學(xué)期（浙江大學(xué)已對(duì)全校本科生、研究生全面實(shí)行四學(xué)期制），將“操作系統(tǒng)分析與實(shí)驗(yàn)”安排在冬學(xué)期。這樣，學(xué)生在秋學(xué)期有充裕的時(shí)間系統(tǒng)地學(xué)習(xí)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本原理，而在冬學(xué)期，就可以“邊學(xué)邊干”，很好地貫徹“理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐強(qiáng)化理論”的教學(xué)思想。

2.2教材建設(shè)

我們?cè)诜e極跟蹤國內(nèi)外優(yōu)秀操作系統(tǒng)教材的基礎(chǔ)上，確定采用國外的影印版教材，目前本科生采用的是《Operating System Concepts，6th edition》。為了讓學(xué)生不至于產(chǎn)生枯燥、乏味的學(xué)習(xí)情緒，我們?cè)诳偨Y(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合浙江省兄弟院校操作系統(tǒng)原理的骨干教師，編寫了操作系統(tǒng)原理學(xué)習(xí)輔助教材——《操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與考試指導(dǎo)》。該輔導(dǎo)教材收集整理了大量的操作系統(tǒng)原理習(xí)題及解答方法，且涵蓋了教材中的絕大部分習(xí)題的解答方法。學(xué)生可以有選擇地做其中的習(xí)題，起到了鞏固知識(shí)、總結(jié)學(xué)習(xí)成效的作用，同時(shí)提高了學(xué)生的考試“實(shí)戰(zhàn)”能力，為日后參加研究生入學(xué)考試打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于目前國內(nèi)尚缺乏有針對(duì)性的基于Linux的操作系統(tǒng)分析與實(shí)驗(yàn)教材，我們?cè)诳偨Y(jié)多年的Linux教學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，編寫了一本Linux操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教材——《邊干邊學(xué)：Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)指導(dǎo)》。本科生、研究生以此實(shí)驗(yàn)教材為基礎(chǔ)，開展Linux相關(guān)實(shí)驗(yàn)與內(nèi)核研究，取得了良好的效果。

另外，結(jié)合課程團(tuán)隊(duì)各教師多年來開展的與操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等的科研成果，我們編寫出版了大量的與Linux實(shí)驗(yàn)相關(guān)的著作，如《Linux 2.4內(nèi)核源代碼分析大全》、《Linux與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等，并把它們介紹給學(xué)生，作為操作系統(tǒng)課程的參考書，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，并使學(xué)生對(duì)Linux實(shí)驗(yàn)的重要性有更深的認(rèn)識(shí)。

3 多元化的教學(xué)手段

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)的理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象。授課時(shí)，常采用集中的“灌輸式”課堂授課，缺乏實(shí)踐。學(xué)生在實(shí)際使用計(jì)算機(jī)時(shí)，也很難找到這些抽象理論在實(shí)際操作系統(tǒng)中的應(yīng)用。這使得學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)理論難以理解和實(shí)踐。這種教學(xué)方式已不能適應(yīng)新形勢(shì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的教學(xué)要求。

圍繞操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目的，我們展開了教學(xué)方式的大膽嘗試，采用了多元化的教學(xué)手段。

3.1靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法，培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力

教學(xué)中強(qiáng)調(diào)個(gè)性化教學(xué)，開放式課堂。將師生的交流，從傳統(tǒng)的課堂拓展到課堂、網(wǎng)絡(luò)討論、電子郵件、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房。注重討論式及啟發(fā)式教學(xué)。在研究生課程中，安排三分之二的課時(shí)組織討論班。由學(xué)生自由組合項(xiàng)目，自主選則項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、開發(fā)，并在討論班上交流研發(fā)成果。

教學(xué)方法和手段不拘形式，只要有利于教學(xué)，全部充分利用。目前采用的教學(xué)手段包括：多媒體教室、多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)課件、Internet、電子郵件、原版英文教材、雙語教學(xué)、網(wǎng)上作業(yè)、網(wǎng)上答疑、BBS論壇、操作系統(tǒng)資源網(wǎng)站等。另外，學(xué)生利用自備電腦查資料、作實(shí)驗(yàn)，吸收學(xué)生參加操作系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目，引薦學(xué)生去公司實(shí)習(xí)等，都正在采用。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境方面，http://linux.zju.edu.cn已在校園網(wǎng)內(nèi)部運(yùn)行數(shù)年，提供課程資料、Linux內(nèi)核代碼閱讀工具、操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)資料下載、通知發(fā)布等服務(wù)。2003年新建立的操作系統(tǒng)資源網(wǎng)站http://os.zju.edu.cn面向全國，學(xué)生即使在校外也能充分地享用豐富的教學(xué)資源。網(wǎng)站中新增的服務(wù)包括：習(xí)題布置、提交、批改，網(wǎng)上答疑，論壇，F(xiàn)AQ，下載實(shí)驗(yàn)樣例、教學(xué)大綱、課程簡介、教學(xué)日歷、授課教案、課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、參考文獻(xiàn)，考試題庫。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)這一先進(jìn)手段，大大提高了教學(xué)效率，營造出了教師與學(xué)生良好的溝通氛圍。

3.2教學(xué)中強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)教研結(jié)合

主講老師帶領(lǐng)所有學(xué)生，運(yùn)用剛剛學(xué)到的操作系統(tǒng)理論，深入學(xué)習(xí)、分析Linux 內(nèi)核源碼，進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)。相應(yīng)的，考核內(nèi)容既有操作系統(tǒng)原理，又有Linux實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生除了完成操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)外，還被積極吸引、參與到計(jì)算機(jī)學(xué)院老師的相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)方向、應(yīng)用服務(wù)器、集群計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等項(xiàng)目的研究和開發(fā)工作中。這些學(xué)以致用的實(shí)踐活動(dòng)，不僅為學(xué)生操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了難得的機(jī)會(huì)，而且也提高了浙大計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在研發(fā)能力方面的競爭力。例如，學(xué)生自發(fā)組織的“自主操作系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)”、“Gonux操作系統(tǒng)的開發(fā)和代碼解釋”等項(xiàng)目得到了浙江大學(xué)的SRTP計(jì)劃資助，立項(xiàng)開發(fā)新一代操作系統(tǒng)。

4 教師隊(duì)伍的建設(shè)

優(yōu)秀的教師隊(duì)伍是保證課程教學(xué)質(zhì)量的先決條件。早在上世紀(jì)80年代初期，浙江大學(xué)操作系統(tǒng)課程教師組就開設(shè)了以Unix核心代碼為對(duì)象的源代碼分析實(shí)驗(yàn)，在國內(nèi)同行中產(chǎn)生了很大的影響。20多年來，操作系統(tǒng)課程教師隊(duì)伍不斷充實(shí)，教師的業(yè)務(wù)素質(zhì)不斷提高。在保持高水平的教師隊(duì)伍方面，我們采取的重要舉措有下面幾點(diǎn)。

4.1“邊教邊研”，提高教師業(yè)務(wù)水平

擔(dān)任操作系統(tǒng)課程教學(xué)的教師是學(xué)院的科研一線隊(duì)伍，基本上都承擔(dān)了嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與集群計(jì)算、應(yīng)用服務(wù)器等方向的科研項(xiàng)目。這些科研項(xiàng)目與操作系統(tǒng)技術(shù)緊密相關(guān)。通過這些項(xiàng)目的開發(fā)與研究，教師“邊教邊研”，在操作系統(tǒng)尤其是Linux方面始終站在技術(shù)的前沿。

4.2加強(qiáng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，提高教學(xué)水平

課程組經(jīng)常派教師參加全國高校操作系統(tǒng)課程研討會(huì)、微軟操作系統(tǒng)技術(shù)研討會(huì)等各類教學(xué)研討會(huì)，學(xué)習(xí)、吸收同行的先進(jìn)教學(xué)方法。主講教師多次在IBM大學(xué)活動(dòng)周、Motorola大學(xué)等各種會(huì)議被邀介紹經(jīng)驗(yàn)。在2003年全國高校操作系統(tǒng)教學(xué)研討會(huì)上，課程組詳細(xì)介紹了我們的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，得到了全國高校同行的廣泛肯定。

4.3競爭機(jī)制的引入

引入合理、有效的競爭機(jī)制是提高教師業(yè)務(wù)水平的重要手段。早在1994年，操作系統(tǒng)課程教師就進(jìn)行了較大的變動(dòng)，以目前的課程負(fù)責(zé)人為主，通過公開試講并由教學(xué)委員會(huì)表決的方式，成立了由充滿活力、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)的中青年骨干教師組成的課程教師隊(duì)伍。十多年來，教師隊(duì)伍的建設(shè)始終堅(jiān)持這樣的競爭機(jī)制，適時(shí)地吸收了那些在操作系統(tǒng)領(lǐng)域業(yè)務(wù)能力強(qiáng)、學(xué)歷高、教學(xué)認(rèn)真負(fù)責(zé)的青年教師。

近幾年，又引入了學(xué)生自由選擇任課教師的機(jī)制，選課人數(shù)少的教師將暫停開課，這給任課教師帶來了直接的壓力。現(xiàn)在，任課教師都投入大量的精力來提升自己的業(yè)務(wù)水平。

5 結(jié)束語

經(jīng)過十多年的探索與實(shí)踐，操作系統(tǒng)課程已成為浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的特色專業(yè)課。然而，操作系統(tǒng)是一門抽象的課程，掌握最新操作系統(tǒng)原理、提高對(duì)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的實(shí)踐能力，依賴于教、學(xué)雙方的不懈努力和教學(xué)方法的不斷創(chuàng)新。為適應(yīng)新形式下我國信息技術(shù)加速發(fā)展的需要，計(jì)算機(jī)科學(xué)中的核心課程教學(xué)必須大膽創(chuàng)新、敢于實(shí)踐，開創(chuàng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新局面。

參考文獻(xiàn)

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