南京大學(xué)操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐國家精品課程建設(shè)

葉保留　費(fèi)翔林　駱斌　葛季棟

摘要：以操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐國家精品課程建設(shè)為背景，結(jié)合南京大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)定位，系統(tǒng)介紹該課程建設(shè)的基本思路、知識體系構(gòu)架，詳細(xì)描述課程資源建設(shè)，總結(jié)教學(xué)團(tuán)隊在教學(xué)方式與實(shí)施方面的舉措。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)原理；操作系統(tǒng)實(shí)驗；國家精品課程建設(shè)

1 課程定位與建設(shè)目標(biāo)

操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的核心和靈魂，是最基礎(chǔ)、最復(fù)雜的系統(tǒng)軟件。課程知識內(nèi)容具有以下特點(diǎn)：一方面理論性強(qiáng)、概念抽象難以理解；另一方面設(shè)計技巧高超、實(shí)現(xiàn)機(jī)制精妙、系統(tǒng)代碼量大，難以掌握。此外，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及分布并行技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)不斷更新，并與多個信息技術(shù)方向交叉。

從學(xué)生能力培養(yǎng)角度來看，操作系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)注重兩種融合：一是突出知識內(nèi)涵，深入剖析基本理論與核心技術(shù)，使學(xué)生消化吸收操作系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的精髓，實(shí)現(xiàn)拓寬基礎(chǔ)與強(qiáng)化實(shí)踐的融合；二是內(nèi)容涵蓋最新技術(shù)發(fā)展，反映技術(shù)演變趨勢，實(shí)現(xiàn)基本原理與技術(shù)演變的融合。

南京大學(xué)計算機(jī)學(xué)科包含計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和軟件工程兩個專業(yè)，培養(yǎng)目標(biāo)分為科學(xué)型和應(yīng)用型。其中科學(xué)型指面向本學(xué)科或交叉學(xué)科的學(xué)術(shù)型人才，應(yīng)用型指面向經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用領(lǐng)域建設(shè)需要的本學(xué)科或交叉學(xué)科應(yīng)用型人才。操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐課程…是上述兩個專業(yè)的必修課程，課程建設(shè)目標(biāo)包括以下方面。

（1）在操作系統(tǒng)基本原理方面，掌握操作系統(tǒng)的基本概念、原理、方法，理解操作系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)（硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件）中的定位和關(guān)鍵作用，為學(xué)生確立以操作系統(tǒng)為中心的計算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)的級認(rèn)識和整體性把握。

（2）在操作系統(tǒng)核心技術(shù)方面，掌握操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)核設(shè)計和實(shí)現(xiàn)機(jī)制，在宏觀上把握操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的方法與關(guān)鍵技術(shù)；在微觀上掌握操作系統(tǒng)各部件實(shí)現(xiàn)的具體機(jī)制；能夠立足于工程師觀點(diǎn)，對操作系統(tǒng)（乃至大型軟件系統(tǒng)）的設(shè)計做出折衷與決策。

（3）在操作系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用方面，注重對學(xué)生操作系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)級程序設(shè)計能力的培養(yǎng)，促使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)操作系統(tǒng)知識分析和解決問題，既擁有基本的操作系統(tǒng)源碼分析和重構(gòu)修改能力，又能夠有效利用API進(jìn)行系統(tǒng)級程序設(shè)計和并發(fā)程序設(shè)計。

2 課程知識體系建設(shè)思路

2.1 課程教學(xué)體系架構(gòu)

南京大學(xué)操作系統(tǒng)課程教學(xué)團(tuán)隊通過多年的教學(xué)實(shí)踐，提出了以“原理一技術(shù)一應(yīng)用”為主線，以“知識傳授、知識驗證和知識運(yùn)用”為手段，立體化開展課程教學(xué)活動的課程建設(shè)思路。其中知識傳授側(cè)重對概念、原理的講授，教師主要以課堂講授和課堂討論的方式進(jìn)行；知識驗證側(cè)重對基本技能的訓(xùn)練，主要以作業(yè)、編程和課外閱讀的方式開展；知識運(yùn)用側(cè)重對應(yīng)用能力的培養(yǎng)，主要以實(shí)驗和課外實(shí)踐的方式完成。為支持這3種教學(xué)手段為基礎(chǔ)的教學(xué)活動的開展，教學(xué)團(tuán)隊及時修訂、更新原有教材、積極開展實(shí)踐課程教材建設(shè)、不斷豐富網(wǎng)絡(luò)資源、適時調(diào)整教學(xué)計劃，推進(jìn)了操作系統(tǒng)課程教學(xué)的實(shí)施。

基于3種教學(xué)手段為基礎(chǔ)的教學(xué)模式，在保證學(xué)生系統(tǒng)全面地學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)理論與實(shí)例的同時，課程教學(xué)團(tuán)隊積極探索研究性學(xué)習(xí)、體驗式學(xué)習(xí)、自主性學(xué)習(xí)、互動式學(xué)習(xí)、案例式學(xué)習(xí)等多種教學(xué)方法，開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2.2 課程內(nèi)容規(guī)劃

操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐以“理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐強(qiáng)化理論、理論實(shí)踐并重”為教學(xué)指導(dǎo)思想，以“加強(qiáng)基礎(chǔ)、強(qiáng)化實(shí)踐、培養(yǎng)能力、注重創(chuàng)新”為教學(xué)理念。操作系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核評分方式等均圍繞這一教學(xué)指導(dǎo)思想和教學(xué)理念進(jìn)行系統(tǒng)化組織與設(shè)計，教學(xué)內(nèi)容兼顧基礎(chǔ)性和先進(jìn)性，實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)綜合性和探索性，實(shí)施多樣化教學(xué)方法和手段。具體而言，課程體系設(shè)計著重規(guī)劃以下幾點(diǎn)。

1）教學(xué)內(nèi)容選擇——注重基礎(chǔ)性、先進(jìn)性、系統(tǒng)觀。

既致力于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)基本概念、技術(shù)和方法的闡述，又融合現(xiàn)代操作系統(tǒng)最新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的討論，著眼于操作系統(tǒng)學(xué)科知識體系的基礎(chǔ)性、先進(jìn)性、系統(tǒng)觀。

2）教學(xué)內(nèi)容組織——注重系統(tǒng)性、完整性、關(guān)聯(lián)性。

提煉教學(xué)內(nèi)容的主線，以4種觀點(diǎn)為綱，綱舉目張，形成對操作系統(tǒng)全局清晰的框架，使得教學(xué)內(nèi)容條理清晰、脈絡(luò)分明，克服其內(nèi)容龐雜的弊病。

3）加強(qiáng)教學(xué)資源建設(shè)，提高教學(xué)質(zhì)量。

教材是課程建設(shè)和人才培養(yǎng)的核心之一，對改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量具有積極意義，是保證教學(xué)質(zhì)量的重要因素。課程教學(xué)采用筆者自編并已經(jīng)出版的教材《操作系統(tǒng)教程（第4版）》和《Linux操作系統(tǒng)實(shí)驗教程》，前者被列入普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，并被評為“國家精品教材”，已被全國50多所院校采用。

4）構(gòu)建創(chuàng)新型的操作系統(tǒng)實(shí)驗與課程設(shè)計。

實(shí)驗以“抽象原理一實(shí)現(xiàn)機(jī)制一編程能力”為主線，建立模擬類、內(nèi)核類及應(yīng)用類等3類實(shí)驗，并在此基礎(chǔ)上開展多位一體實(shí)踐教學(xué)活動。

3 課程資源建設(shè)

課程資源是實(shí)施操作系統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)，南京大學(xué)操作系統(tǒng)教學(xué)資源建設(shè)最早可追溯到20世紀(jì)70年代末，1980年由人民郵電出版社出版的《操作系統(tǒng)原理》及1987年由國防工業(yè)出版社出版的《分布式計算機(jī)系統(tǒng)》是我國最早一批操作系統(tǒng)課程教材。此后20多年來，我們不斷跟蹤操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐及時修訂和更新教材內(nèi)容，先后在高等教育出版社出版了5本操作系統(tǒng)課程教材。

以操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐國家精品課程建設(shè)為契機(jī)，教學(xué)團(tuán)隊從原理課程、實(shí)踐課程、網(wǎng)絡(luò)資源等方面進(jìn)一步凝練、優(yōu)化課程教學(xué)資源，滿足人才培養(yǎng)要求。

3.1 原理課程資源

3.1.1 原理課程資源建設(shè)方法

南京大學(xué)是國內(nèi)最先開展操作系統(tǒng)研究與教學(xué)的單位之一，多年來，教學(xué)團(tuán)隊及時將多項操作系統(tǒng)科研成果引入到操作系統(tǒng)教學(xué)中。例如，1980年出版的《操作系統(tǒng)原理》教材使用了我們研發(fā)的DJS220機(jī)操作系統(tǒng)作為實(shí)例。近年來，教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合安全操作系統(tǒng)方面的科研成果，在課程中又增加了“安全和保護(hù)”等章節(jié)，豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的結(jié)合。endprint

為配合操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐國家精品課程的建設(shè)，教學(xué)團(tuán)隊于2008年出版了《操作系統(tǒng)教程（第4版）》，在各知識單元內(nèi)融入了主流操作系統(tǒng)（如Windows、Linux）中的相關(guān)實(shí)例，有效支持了知識傳授。

除積極進(jìn)行原理教材建設(shè)外，教學(xué)團(tuán)隊還專門組織編寫了課程配套習(xí)題，創(chuàng)建了課外閱讀資源，先后設(shè)計了思考題300多道、應(yīng)用題200多道，作為技能訓(xùn)練內(nèi)容的一個重要方面，此外，安排和指導(dǎo)內(nèi)容豐富的課后閱讀，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力和課外閱讀能力。

3.1.2 原理教學(xué)內(nèi)容組織

教學(xué)團(tuán)隊從操作系統(tǒng)整體構(gòu)造的高度入手，圍繞“突出學(xué)生對操作系統(tǒng)為中心的計算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)級認(rèn)知，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對操作系統(tǒng)乃至大型軟件系統(tǒng)的設(shè)計能力”，提煉課程內(nèi)容主線，綱舉目張，優(yōu)化課程教學(xué)組織。教學(xué)團(tuán)隊凝煉出“2個角度、2種方法、4種觀點(diǎn)、6個問題、10個核心知識單元”的教學(xué)主線，組織和優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容。

圖1給出了操作系統(tǒng)原理教學(xué)內(nèi)容組織的主線，即面向“什么是操作系統(tǒng)，為什么要操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是做什么的，操作系統(tǒng)是如何做的，操作系統(tǒng)是如何使用的，操作系統(tǒng)是如何構(gòu)造的”6個問題，從2個角度出發(fā)，采用2種方法，基于4種觀點(diǎn)，梳理出10個核心知識單元，并從知識傳授、知識驗證和知識運(yùn)用3個側(cè)面立體化地開展操作系統(tǒng)的教學(xué)活動。操作系統(tǒng)講授的主要內(nèi)容其實(shí)質(zhì)就是：站在不同角度、采用不同方法、基于不同觀點(diǎn)來回答6個問題。其中“4種觀點(diǎn)是系統(tǒng)地講解操作系統(tǒng)原理的立論，也是操作系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)涵所在，也就是說，是觀察和研究操作系統(tǒng)的綱，綱舉目張。

3.2 實(shí)踐教學(xué)資源

3.2.1 實(shí)踐課程模式

多年來，教學(xué)團(tuán)隊一直致力于改善操作系統(tǒng)實(shí)驗環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性、綜合性和可操作性，以“促進(jìn)學(xué)生理性理解抽象原理、引導(dǎo)學(xué)生牢固掌握實(shí)現(xiàn)機(jī)制、推動學(xué)生切實(shí)提高應(yīng)用編程能力”為實(shí)踐教學(xué)的要求和目標(biāo)，提出了“精心設(shè)計實(shí)踐環(huán)節(jié)，優(yōu)化實(shí)驗內(nèi)容，建立‘三位一體實(shí)踐”的教學(xué)模式。

團(tuán)隊以“抽象原理一實(shí)現(xiàn)機(jī)制一編程能力”為主線，建立模擬類、內(nèi)核類及應(yīng)用類等3類實(shí)驗。表1給出了“三位一體”實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計思路。

模擬類實(shí)驗以設(shè)計性實(shí)驗為主，以輔助學(xué)生對基本原理建立理性認(rèn)識、促進(jìn)學(xué)生理解抽象原理為目標(biāo)。

內(nèi)核類實(shí)驗以Linux2.6內(nèi)核源碼驗證與設(shè)計性實(shí)驗相結(jié)合，涵蓋操作系統(tǒng)的核心模塊，以升華學(xué)生對抽象原理的理性理解、引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)現(xiàn)機(jī)制為目標(biāo)。

應(yīng)用類實(shí)驗以Linux操作系統(tǒng)為平臺，以推動學(xué)生牢固掌握實(shí)現(xiàn)機(jī)制、提高學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力為目標(biāo)。

在操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)過程中，團(tuán)隊還積極加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界合作，提升教學(xué)成效。例如，2007教育部Intel精品課程促進(jìn)了并發(fā)程序設(shè)計教學(xué)，微軟WinCE方面的課程建設(shè)項目促進(jìn)了嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)，國家Linux技術(shù)中心與Intel合作的Linux教材建設(shè)和IBM-Linux實(shí)驗室建設(shè)更是促進(jìn)了Linux為主體的操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)。

3.2.2 實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)計

基于上述操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)及實(shí)驗類型的分類策略，團(tuán)隊系統(tǒng)化地設(shè)計了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容時，強(qiáng)調(diào)知識點(diǎn)的涵蓋性、實(shí)驗題型的綜合性、實(shí)驗形式的多樣性，對不同類型實(shí)驗采取了不同的設(shè)計策略，具體說明如下。

模擬類實(shí)驗：實(shí)驗內(nèi)容設(shè)計強(qiáng)調(diào)與基本原理知識模塊的映射，注意知識點(diǎn)之間的銜接性及實(shí)驗?zāi)K之間的可集成性，學(xué)生在動手實(shí)現(xiàn)真實(shí)操作系統(tǒng)的過程中深化對概念的總體認(rèn)識和理解。

內(nèi)核類實(shí)驗：實(shí)驗內(nèi)容從剖析Linux內(nèi)核代碼入手，一方面注重與基本原理知識點(diǎn)的呼應(yīng)，另一方面強(qiáng)調(diào)與硬件體系結(jié)構(gòu)銜接，力求全方位透視實(shí)現(xiàn)機(jī)制，反映技術(shù)演變趨勢，促進(jìn)學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

應(yīng)用類實(shí)驗：實(shí)驗內(nèi)容以設(shè)計應(yīng)用問題為主，強(qiáng)調(diào)多項系統(tǒng)技術(shù)的滲透于綜合應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生分析技術(shù)難點(diǎn)，優(yōu)化程序設(shè)計思路，培養(yǎng)學(xué)生的綜合編程能力。

基于上述設(shè)想，教學(xué)團(tuán)隊系統(tǒng)地設(shè)計了實(shí)驗內(nèi)容，如圖2所示，相關(guān)內(nèi)容的具體介紹參見文獻(xiàn)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源

教學(xué)團(tuán)隊極為重視網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境建設(shè)，為課程提供良好支撐。先后開發(fā)了多媒體課件及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支持系統(tǒng)，全部教學(xué)資源已經(jīng)上網(wǎng)（網(wǎng)址見文獻(xiàn)[1]），向?qū)W生開放。課程網(wǎng)站提供豐富的課程資料、實(shí)驗資料等，同時為學(xué)生提供作業(yè)提交、批改、答疑、論壇交流等輔助個性化學(xué)習(xí)的支撐環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)環(huán)境有效促進(jìn)了學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，拓寬了學(xué)生的知識面和視野并激發(fā)了學(xué)生深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的興趣。

4 課程教學(xué)方法與實(shí)施

團(tuán)隊結(jié)合操作系統(tǒng)課程特點(diǎn)，針對教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，進(jìn)行教學(xué)改革，研究教學(xué)方法，融入教學(xué)過程，不斷優(yōu)化課程教學(xué)成效。教學(xué)團(tuán)隊在教學(xué)實(shí)施中的具體舉措包括以下幾點(diǎn)。

（1）在教學(xué)方式上，強(qiáng)調(diào)以教師為主的啟發(fā)式探究型教學(xué)與以學(xué)生為主的自主性研究型學(xué)習(xí)的結(jié)合。啟發(fā)式探究型教學(xué)以教師為主，主要講解思想和方法。在教學(xué)過程中通過提出問題，給出參考答案，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生尋找更好解決方案，來培養(yǎng)主動探索與研究精神，逐步掌握發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，并進(jìn)一步培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的能力。考慮到每個學(xué)生的基礎(chǔ)、能力及興趣的差異，我們在教學(xué)過程中還布置一些小型研究題，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生根據(jù)個性興趣開展自主式研究型學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生閱讀擴(kuò)展性資料培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、自主學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立研究能力。

（2）在教學(xué)內(nèi)容組織上，強(qiáng)調(diào)知識點(diǎn)前后連貫，融會貫通，注重案例教學(xué)，力求使學(xué)生建立操作系統(tǒng)全局和整體概念。為便于理解、突出重點(diǎn)，各個章節(jié)通常只圍繞一個功能或模塊進(jìn)行討論。我們調(diào)整內(nèi)容，把關(guān)系密切的知識點(diǎn)放在一起討論，貫徹點(diǎn)（知識點(diǎn)）一線（一串相關(guān)知識點(diǎn)）一面（應(yīng)用層面）的教學(xué)思路。為了讓學(xué)生建立對操作系統(tǒng)的系統(tǒng)級認(rèn)識和整體性把握，教學(xué)中注意把相關(guān)知識點(diǎn)前后相連。多個知識點(diǎn)前后連貫，融會貫通，串連成線，能使學(xué)生看到主線、看到聯(lián)系、看到整體，這對幫助學(xué)生建立操作系統(tǒng)全局和整體概念大有好處。

（3）在實(shí)驗教學(xué)上，建立“三位一體”實(shí)踐教學(xué)體系，改進(jìn)實(shí)驗教學(xué)效果。為推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)成效，建立了“模擬類一內(nèi)核類一應(yīng)用類”為主線的“三位一體”實(shí)踐教學(xué)體系，體現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)理念，并從實(shí)驗設(shè)計與考核機(jī)制進(jìn)行改革，強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育。模擬類實(shí)驗注重充分調(diào)動學(xué)生的想象力和潛能，在實(shí)驗項目的框架上，通過設(shè)計一個虛擬處理器，在虛擬處理器的基礎(chǔ)上模擬實(shí)現(xiàn)進(jìn)程管理與進(jìn)程調(diào)度，支持多道程序設(shè)計，模擬實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步與互斥、內(nèi)存分配、虛擬文件系統(tǒng)和虛擬設(shè)備管理，由此實(shí)現(xiàn)一個虛擬的操作系統(tǒng)內(nèi)核。內(nèi)核類實(shí)驗教學(xué)關(guān)注學(xué)生興趣，鼓勵學(xué)生開展探索。在實(shí)驗項目設(shè)計上，為每個知識單元設(shè)計了兩個不同難度系數(shù)的實(shí)驗題，供學(xué)生選擇。應(yīng)用類實(shí)驗強(qiáng)調(diào)對綜合知識及技能的融合，相關(guān)實(shí)驗設(shè)計特別關(guān)注實(shí)驗內(nèi)容對知識模塊的覆蓋率，強(qiáng)化學(xué)生分析問題、解決問題的綜合技能。

5 結(jié)語

操作系統(tǒng)在計算機(jī)領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，作為計算機(jī)學(xué)科中一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計算機(jī)專業(yè)課程體系中扮演著重要角色，是學(xué)生建立計算機(jī)系統(tǒng)整體觀及認(rèn)識其內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制的重要途徑。在操作系統(tǒng)原理與實(shí)踐精品課程建設(shè)過程中，教學(xué)團(tuán)隊通過多年的教學(xué)實(shí)踐，提出了以“原理一技術(shù)一應(yīng)用”為主線的課程建設(shè)思路，并以“知識傳授、知識驗證、知識運(yùn)用”為手段，立體化地開展課程教學(xué)活動。我們將進(jìn)一步結(jié)合課程實(shí)施成效情況來總結(jié)課程建設(shè)經(jīng)驗，不斷優(yōu)化課程教學(xué)，以更好地滿足專業(yè)人才培養(yǎng)需求。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：孫怡銘）endprint