應(yīng)用型本科院校操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

【摘 要】根據(jù)應(yīng)用型本科院校的辦學(xué)類型、培養(yǎng)目標(biāo)及需求，設(shè)計(jì)適合于應(yīng)用型本科院校的操作系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的編程能力。

【關(guān)鍵字】操作系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 應(yīng)用型本科院校

【中圖分類號(hào)】G【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2013）01C-0053-02

操作系統(tǒng)是本科院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要核心課程，也是一門教學(xué)難度很大的課程。操作系統(tǒng)課程具有以下特點(diǎn)：一方面理論性強(qiáng)、概念抽象，學(xué)生難以理解；另一方面設(shè)計(jì)技巧巧妙、實(shí)現(xiàn)機(jī)制精妙、系統(tǒng)代碼量大，學(xué)生難以掌握。如果單純進(jìn)行理論教學(xué)，學(xué)生會(huì)認(rèn)為課程概念晦澀、原理復(fù)雜、內(nèi)容枯燥，無法激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。因此，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是操作系統(tǒng)課程教學(xué)是否高效的關(guān)鍵。

為彌補(bǔ)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺失，各高校從多個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐，其中北京大學(xué)根據(jù)MIT課程，建立了自己的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系；清華大學(xué)專門設(shè)置了操作系統(tǒng)專題訓(xùn)練課程；南開大學(xué)提倡使用系統(tǒng)仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

一、當(dāng)前操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)

目前的操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)方式主要有以下幾種類型。

觀察與體驗(yàn)：這是最簡單的一種實(shí)驗(yàn)方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇一個(gè)實(shí)際的操作系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生通過觀察操作系統(tǒng)某個(gè)功能的具體運(yùn)行現(xiàn)象，體會(huì)操作系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)內(nèi)容。這種實(shí)驗(yàn)方式幾乎不需要編寫程序代碼，對(duì)真正理解操作系統(tǒng)內(nèi)在原理沒有什么幫助，現(xiàn)在一般都不采用這種實(shí)驗(yàn)方式。

算法模擬：選取課程中的一些典型算法，如進(jìn)程的創(chuàng)建與同步、死鎖的避免等，讓學(xué)生編寫程序來模擬實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的某些特定功能。這種實(shí)驗(yàn)方式與程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)基本類似，有利于學(xué)生在提高編程水平的基礎(chǔ)上加深對(duì)操作系統(tǒng)理論的理解。這種方式難度不是很高，適合于應(yīng)用型的本科院校。

擴(kuò)展設(shè)計(jì)：提供一個(gè)從無到有的漸進(jìn)式操作系統(tǒng)原型，由學(xué)生對(duì)其功能進(jìn)行完善和擴(kuò)充。如首先設(shè)計(jì)引導(dǎo)程序，然后再設(shè)計(jì)內(nèi)存的管理、外設(shè)管理等一系列實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生在漸進(jìn)式操作系統(tǒng)原型的基礎(chǔ)上完成實(shí)際的大部分功能、策略和算法等。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多以專用的操作系統(tǒng)為主，例如清華大學(xué)、北京大學(xué)采用Nachos、Minix等，同濟(jì)大學(xué)借助于WRK，搭建了類似的基于Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。擴(kuò)展設(shè)計(jì)的方式對(duì)學(xué)生的能力要求較高，適合于研究型的重點(diǎn)院校。

研究型重點(diǎn)院校操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且髮W(xué)生通過實(shí)驗(yàn)具備初步的開發(fā)小型操作系統(tǒng)的能力。應(yīng)用型本科院校學(xué)生的基礎(chǔ)和素質(zhì)相對(duì)不高，過分強(qiáng)調(diào)達(dá)到研究型大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程要求，只會(huì)適得其反，完不成教學(xué)預(yù)定目標(biāo)。

因此，應(yīng)用型本科院校操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)適合采用算法模擬的方式，但目前的算法模擬實(shí)驗(yàn)主要存在兩個(gè)問題。

一是操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)很大一部分是基于Linux系統(tǒng)下的程序，如父子進(jìn)程、進(jìn)程間通訊等。而應(yīng)用型本科院校的學(xué)生畢業(yè)后很少在Linux系統(tǒng)下編程，因此實(shí)驗(yàn)應(yīng)大部分基于Windows系統(tǒng)。學(xué)生可做少量的基于Linux系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，并和Windows系統(tǒng)下的編程進(jìn)行比較，以達(dá)到初步了解Linux系統(tǒng)編程的程度。二是基于Windows系統(tǒng)下的實(shí)驗(yàn)程序大部分過于龐大，代碼基本在100行以上，學(xué)生無法在兩節(jié)課的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，程序代碼必須精簡到50行左右。

二、應(yīng)用型本科院校操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

完整的實(shí)驗(yàn)體系包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)任務(wù)書、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)考核。實(shí)驗(yàn)前開設(shè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)課，說明和分析實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成、注意點(diǎn)，分析與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的算法。本門課程的先修課程是C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

（一）實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建

基于操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為一人一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

1.操作系統(tǒng)。學(xué)校用于教學(xué)的機(jī)器基本安裝有Windows系統(tǒng)，因此主要問題在于Linux系統(tǒng)的安裝，Linux系統(tǒng)的安裝可采用兩種方式：最簡單的方式是配置一臺(tái)專門的Linux服務(wù)器（服務(wù)器使用普通的PC機(jī)即可），學(xué)生機(jī)僅安裝Windows系統(tǒng)，學(xué)生通過telnet登錄到Linux系統(tǒng)來完成實(shí)驗(yàn)。另一種方式是一臺(tái)學(xué)生機(jī)上同時(shí)安裝Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)安裝在Vmware虛擬器上。這種方式對(duì)學(xué)生機(jī)的性能要求比較高，內(nèi)存至少1G以上。

2.程序設(shè)計(jì)軟件。Windows系統(tǒng)下使用VC6.0專業(yè)版或企業(yè)版，Linux系統(tǒng)下使用vi編輯器編寫程序，用gcc進(jìn)行編譯，安裝Linux時(shí)注意安裝要開發(fā)部分。

（二）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以Windows系統(tǒng)下為主，Linux系統(tǒng)為輔，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的原則是：

1.能夠幫助學(xué)生更好地掌握操作系統(tǒng)的原理，理解操作系統(tǒng)在此項(xiàng)功能上的重要作用。

2.基于Linux系統(tǒng)下的實(shí)驗(yàn)程序，設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)同樣功能的運(yùn)行于Windows系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)程序，例如，線程的創(chuàng)建、線程的同步、線程間的數(shù)據(jù)通訊等。使學(xué)生既可以了解Linux系統(tǒng)下的編程，也可以提高Windows系統(tǒng)下編程的能力。

3.實(shí)驗(yàn)難度適中，完成的時(shí)間適中。實(shí)驗(yàn)不能過多、過難，因此精簡現(xiàn)有的基于Windows系統(tǒng)下的實(shí)驗(yàn)程序，使學(xué)生能夠在兩節(jié)課的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，例如，處理機(jī)管理、死鎖實(shí)驗(yàn)、虛擬存儲(chǔ)器管理等。

經(jīng)過幾年的摸索和反饋，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容安排如表1，必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在課堂上完成，選做項(xiàng)目課后完成，課程實(shí)踐項(xiàng)目在16課時(shí)的課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中完成。

三、實(shí)驗(yàn)示例

目前的操作系統(tǒng)課程算法模擬實(shí)驗(yàn)一般都是基于Linux系統(tǒng)，而應(yīng)用型本科院校畢業(yè)的學(xué)生在工作中主要在Windows環(huán)境下編程，為了使學(xué)生在通過實(shí)驗(yàn)理解操作系統(tǒng)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，提高在Windows系統(tǒng)下的編程能力，專門設(shè)計(jì)了基于Windows的父子線程控制實(shí)驗(yàn)。

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.基于Windows系統(tǒng)的“父子線程控制實(shí)驗(yàn)”與Linux系統(tǒng)下“父子進(jìn)程控制實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相同，學(xué)生先完成Linux環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，再做Windows環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，可以感受到不同系統(tǒng)下編程方式的差異。

2.目前的大型應(yīng)用軟件都是多線程多任務(wù)處理，因此掌握多線程多任務(wù)的程序設(shè)計(jì)方法對(duì)每個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生都是很有必要的。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)適合于應(yīng)用型本科院校的操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)，突出應(yīng)用型特色，體現(xiàn)實(shí)踐性特點(diǎn)，使應(yīng)用型本科院校學(xué)生在掌握操作系統(tǒng)理論知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)一步提高在Windows環(huán)境下的編程能力，從而提高操作系統(tǒng)課程的教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]葉保留，費(fèi)翔林，葛季棟，駱斌.“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（4）

[2]陳渝，向勇.“操作系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（2）

[3]何宗鍵，張惠娟.基于Windows內(nèi)核的“操作系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（3）

[4]張旭.基于Windows的父子線程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].大眾科技，2011（12）

[5]張堯?qū)W.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程（第三版）習(xí)題解答與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006

【基金項(xiàng)目】2012年度廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院教學(xué)改革工程立項(xiàng)（2012B16）

【作者簡介】張 旭（1973- ），男，廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院信息與統(tǒng)計(jì)學(xué)院工程師，碩士。

（責(zé)編 丁 夢）