以課程群建設為目標的操作系統實驗教學研究

孫昌立 趙艷芹

摘要：在分析國內外操作系統實驗教學的基礎上，總結出目前操作系統實驗教學存在內容難度不適應、課程群相關內容割裂以及就業導向不足等問題，并提出了針對性的解決方案：在一般應用型本科院校中進行以課程群建設為目標的操作系統實驗教學實踐，把操作系統實驗教學打造成操作系統課程群的基礎紐帶。初步實踐表明效果很好，值得進一步實踐和推廣。

關鍵詞：操作系統實驗教學；課程群建設；應用型人才培養

作者簡介：孫昌立（1976-），男，黑龍江尚志人，黑龍江科技大學計算機與信息工程學院，講師；趙艷芹（1975-），女，山東諸城人，黑龍江科技大學計算機與信息工程學院，副教授。（黑龍江 哈爾濱 150022）

基金項目：本文系黑龍江省教育科學規劃課題“高等院校信息與計算科學專業應用型人才培養模式研究”（課題編號：GBC1212076）、黑龍江科技大學教學研究項目“應用型操作系統課程群體系教改研究”（課題編號：JY13-114）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0131-02

操作系統是用戶和計算機之間最基本的接口。“操作系統”是計算機相關專業的核心基礎課程之一，作為專業必修課，其內容繁多且理論教學多，偏重于基本概念的講解和核心算法的剖析。“操作系統”實驗是該核心課程的實踐部分，只有通過這一實驗課程的實踐，學生才能加深理解操作系統的設計和實現的精髓原理。操作系統范疇的課程在計算機及相關專業的教學計劃中占有相當大的比重，這些課程之間是孤立、割裂的還是很好地前后貫通，“操作系統”實驗起著相當重要的作用。

一、操作系統實驗教學的現狀

1.國外

國外的諸多名牌高校都極其重視實驗環節，對操作系統實驗有著嚴格的要求。Princeton University的操作系統課程的6個實習項目就是用來構造真正的操作系統，課程結束時，學生將有一個小的、真正的操作系統內核。University of California at Berkeley的4個實習項目是在仿真MIPS平臺上構造操作系統，每個項目包括文檔和代碼兩部分，文檔占項目成績的40%，代碼占項目成績的60%。Brown University學生每人用C語言編寫一個簡單的單內核操作系統，所寫的操作系統在技術上等價現代的操作系統。Columbia University學生使用Nachos，要求分別完成一個操作系統的不同部分。總之，國外大學都對操作系統實驗有著嚴格的要求，有的要求完成一個小型的操作系統，有的要求獨立完成，有的建議合作完成。使用的基礎教學操作系統有Nachos、Minix、GeekOS、xv6、OS/161等等。線程（進程）、線程（進程）調度、虛存和文件系統是實習項目的主要內容。另外，國外大學對實驗成績都很重視，有的大學（如Princeton University）甚至只有實驗成績，而沒有期末考試。[1，2]

2.國內

《高等學校計算機科學與技術專業實踐教學體系與規范》要求在Linux平臺上進行7個專題的實驗：一是Linux配置與安裝（必修）；二是截獲Linux中斷（必修）；三是截獲Linux異常（必修）；四是實現新的系統調用（必修）；五是進程的創建、通信和同步（必修）；六是信號和定時器（必修）；七是簡單的Linux字符設備驅動（選修）。

在實際教學實踐中，不同學校的實驗設置存在著很大的區別。基本上，這些“操作系統”實驗課程可以分為觀察型實驗、模擬仿真型實驗、分析型實驗和設計型實驗四種類型。一般國內高校根據本校的實際情況，在“操作系統”的實驗教學環節選擇其中的一種。如清華大學使用基于xv6的擴展設計型；北京航空航天大學的實驗設置分別基于Linux和Windows，在仿真環境下構造操作系統，發現實際難度較大。一般高校的操作系統實驗設置多以基本的編程驗證型實驗為主，輔之以在實際操作系統上采用并發編程和模擬編程的方式。[3-5]

3.應用型本科院校的操作系統實驗教學現狀

以黑龍江科技大學為例，多年來在調研其他普通高校操作系統實驗教學的基礎上，本校開出的操作系統實驗課程與其他一般院校并無多大差別，也是以基本的編程驗證型實驗為主，輔之以在實際操作系統上進行并發編程體會和以及操作一些基本管理的算法仿真編程。

二、存在的問題

1.部分操作系統實驗內容難度較大

對于一般普通高校而言，《高等學校計算機科學與技術專業實踐教學體系與規范》規定的操作系統的實驗教學大綱中的個別實驗，或者某些院校盲目追趕國內外一流高校的操作系統設計型實驗，改進和設計層面的實驗內容難度較大，對教師和學生提出了過高的要求。需要教師在操作系統內核代碼領域有著豐富的實踐經驗，有足夠的精力去激發學生探索的興趣和解決出現的問題；隨著高等教育大眾化的普及，學苗素質已成為不爭的事實；更重要的是隨著時代的變遷，軟件業要求學生掌握的知識結構也逐漸重心上移，底層基礎類課時在減少、要求也有所降低，而應用層面的課程增多。

2.內容割裂、方式單一

操作系統有若干前導課、后續課，如“UNIX/Linux操作系統”、“網絡操作系統”、“嵌入式操作系統”、“UNIX編程”、“移動網絡編程”等（課程名稱以及開出門數在不同學校會有些差別），在實驗課程上有不少相通和接續的地方。而采用單一的觀察使用型或模擬仿真型實驗，很難體現出來這些課程的有機聯系，現有的教學實踐或多或少的造成了這部分內容的割裂。

3.就業導向不足

以黑龍江科技大學為例，其培養目標是培養應用型人才，絕大多數學生的學習目標是順利就業、高薪就業。但偏重理論、千篇一律的操作系統實驗課程內容的設置，會使學生提不起興趣。為了修夠學分學生只能消極應付，造成教師和學生的時間、精力的極大浪費。另外，應用型高校應徹底取消操作系統的實踐教學。

三、操作系統實驗教學的改革及實踐

1.操作系統實驗教學改革的總體思想

以就業為導向、以應用型人才為培養目標，調整操作系統實驗內容與實驗難度，拓展寬度，加入最新的應用開發引導，使實驗內容成為課程群的紐帶，把課程群相關課程的知識聯系和貫通起來，培養學生應用層面的技能，提高學生就業能力。

2.保證操作系統實驗的基本重點內容

保留基本的重點內容，如并發程序設計中熟練運用信號量等方法解決進程間通信問題、內存管理的分頁、分段以及虛存技術的算法等，使學生通過實驗掌握操作系統并發應用程序開發的能力，能夠對操作系統中的重要管理算法進行仿真模擬。將這些基本的重點內容凝練為6個左右的實驗，實驗時從中必選3個，其他課時增加應用層面的實驗內容，以提高學生的就業能力，激發其學習熱情，從而避免本課程的教學改革走入歧途。

3.增強學生就業能力的考慮

由于有些應用層面的課程學校還沒有開出，如Android操作系統上的應用開發、ios應用開發等，因此在操作系統實驗課程中應給學生以嘗試的機會，讓學生有選擇這些內容的機會，使他們嘗試感受這些應用開發的基本入門練習。這些內容可以凝練出6個左右的實驗，實驗時可以從中選擇1～2個。

4.將操作系統實驗建設成課程群的基礎紐帶

如圖1所示，把相關課程的實驗內容知識整合起來，編出一本“操作系統課程群實驗集成指導教程”，內容涵蓋計算機操作系統原理、UNIX/Linux和嵌入式操作系統等課程的全部實驗可選內容，并包括上述的Android操作系統上的應用開發、ios應用開發等內容。保證在操作系統原理課實驗上至少能夠在UNIX /Linux安裝配置、服務管理、嵌入式操作系統內核裁剪編譯、驅動編寫等方面有20多個可選實驗。而整本“操作系統課程群實驗集成指導教程”在不同實驗內容及相同內容的不同角度、方法等方面設計出了共計40個左右的可選實驗，使該教程成為操作系統課程群通用的實驗教材。在不同學期的操作系統課程群實驗課程上，學生可以通過選擇其中的實驗把相關知識溫故知新、融會貫通，并且有最新應用層面的入門內容。“操作系統課程群實驗集成指導教程”是一本對學生有吸引力并同時對教師和學生都有幫助的實驗教程。

通過該教程，使操作系統課程群的相關課程很好地、有機地聯系起來，學生和教師在實驗內容選擇方面有了更大的自由，這種自由極大促進了相關知識的貫通，因此該教程必成為操作系統課程群的良好紐帶。

四、結束語

“計算機操作系統”是計算機相關專業的一門重要核心課程，而實驗是學好該課程的必要手段。多年來課程建設追求的規范化、標準化使實驗課程的內容及難度與學校的人才培養目標不盡相符、也與時代的需求以及學生的具體情況不甚接洽，造成教學效果還有較大的提升空間。本次操作系統實驗教學研究是以課程群建設為目標，為課程群的貫通和聯系打造了一條強有力的基礎紐帶——操作系統課程群實驗集成指導教程。在課程群中，不同學期的不同課程都是從這本手冊式的教程中選擇實驗，而且有一定的自由范圍的選擇余地。實踐證明，這種教學改革能夠提高學生的學習興趣、達到很好的教學效果，對提升學生的就業能力有一定的促進作用，為課程群的建設打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1]王雷.國外操作系統課程分析[J].計算機教育，2008，（5）：85-87.

[2]William Stalling.Operating system： Internals and Design Principles[M].New Jersey：Prentice Hall，2012.

[3]謝謙，蔡坤，沈夏炯.一種面向應用的操作系統實驗設置[J].計算機教育，2012，（20）：107-110.

[4]李玉軍，侯孟書，周益民.《操作系統》實驗課程教學研究[J].實驗科學與技術，2012，10（3）：127-129.

[5]王春爽，王德廣，張雪，等.針對實踐的操作系統實驗教學研究[J].教育教學論壇，2012，（40）：280-281.

（責任編輯：孫晴）