操作系統課程體系建設

[摘要]筆者對國內高校計算機操作系統學科的建設和教學現狀進行了大量深入細致的調查研究。結合多年操作系統課程的教學改革經驗和體會，通過橫向對比，分析國內其他院校操作系統課程建設及教改的顯著成效，對操作系統學科課程體系建設形成整體思路，制定詳細的規劃與實施方案，并在河北北方學院教學實踐過程中取得了預期成果。

[關鍵詞]操作系統 學科發展 課程建設 課程體系 教學實踐

[作者簡介]李靜（1969- ），女，陜西興平人，河北北方學院信息工程學院，副教授，碩士，研究方向為教學設計、操作系統與軟件測試；趙志升（1965- ），女，河北張北人，河北北方學院信息工程學院，教授，碩士，研究方向為教學設計、軟件工程、數據挖掘。（河北 張家口 075000）

[基金項目]本文系2013年河北省高等學校科學技術研究重大項目“基于醫療云計算的大數據關鍵技術研究”（項目編號：ZD20131085）和2014年河北北方學院教學改革課題“操作系統課程體系建設與教學改革研究”（課題編號：ZD201420）的研究成果。

[中圖分類號]G642.3 [文獻標識碼]A [文章編號]1004-3985（2015）07-0082-02

一、操作系統學科的發展及其在高校專業課程體系中的重要地位

操作系統藍本始于1969年貝爾實驗室研制開發的UNIX系統，發展到如今的網絡環境下，已成為功能強大、運行穩定的現代操作系統。當今操作系統種類繁多，面向不同領域和應用市場，各具特色與優勢。在多計算機系統和分布式計算機系統上，出現了網絡操作系統、分布式操作系統、集群操作系統和網格操作系統等多種基于不同硬件環境和應用需求的研究版及商業版操作系統。隨著多核計算機系統的發展，多核操作系統成為當前操作系統發展的一個趨勢。操作系統的性能直接影響計算機系統的工作效率，是計算機領域中最活躍的學科之一，發展極為迅速。20世紀80年代初期，國內高校的計算機專業開始設立操作系統課程。發展至今，各高等院校在計算機、信息管理、電子信息以及通信等專業都將操作系統課程設置為必修的核心專業課程，并作為碩、博研究生選拔的專業考試科目之一，占據十分重要的地位。目前高校圍繞操作系統學科主要設立了操作系統原理與應用、UNIX操作系統、Linux操作系統、嵌入式Linux操作系統、分布式操作系統等多門課程，形成一個獨立的專業學科。

二、高校操作系統課程體系建設面臨的主要問題

1.課程設置和規劃。課程設置需要依循專業培養目標，做好先期課程安排以及輔助課程、延伸課程的設置與調整。另外，高校的專業課程設置必須注重面向市場應用和從業需求，累積學生的專業素養和職業素養，培養出復合型人才。在這兩個方面，筆者認為當前各高校之間仍需要相互借鑒先進經驗，做好學科規劃，不斷研究和探討如何圍繞操作系統學科建立一個整體的專業課程結構。

2.教學實施。目前國內高校在教學實施過程中普遍存在嚴重不足，最典型的問題如下：操作系統平臺的多樣化特點使得教材種類繁多，導致教學內容難以統一和規范化；教學手段和方法守舊單一，不能很好地結合現代操作系統的發展實施立體化和開放式教學，無法發揮出學科在整體專業教學中廣泛的基礎化和引導性特色；操作系統課程的實驗教學是最為薄弱的環節，普遍缺乏結合實踐的典型案例、應用性強的實踐項目和實踐平臺。實驗環境多為虛擬機，不能很好地支持物理設備，如對驗證內核裁剪和嵌入式開發等實驗內容無法按照要求實現。

3.科研項目支撐學科發展。計算機操作系統純粹的專業化與基礎化特色，使得高校面向操作系統學科很難找到創新課題。操作系統的技術推進大多依賴計算機領域商業化的成果。基本上主流操作系統平臺的開發創新由尖端的商業化技術團隊支撐，他們擁有專業開發環境、掌握開發項目以及商業渠道。尤其在國內，高等院校操作系統的學科建設基本上依靠較為系統的專業理論支撐，缺乏科研成果的推動和引領。

三、操作系統課程體系建設的整體規劃

1.課程設置。操作系統課程設置應圍繞操作系統設計思想與體系結構、內核、工作原理、操作管理、開發環境、項目實例等主要內容，以UNIX/Linux操作系統為實例，對比Windows和蘋果公司MAC系統等的特色與發展，建立一個完整的課程體系，使操作系統成為知識結構最系統、最基礎和廣泛的獨立學科，為其他相關學科與應用技術提供輔助與指導。第一，針對專業需要細化操作系統課程。從系統設計原理與應用開發兩個方向設立具體課程，包括“操作系統原理與設計”“UNIX/Linux操作系統”“嵌入式Linux操作系統”，面向工業與航天控制的“嵌入式實時操作系統”、面向移動數字平臺的“微型操作系統與開發”等課程。第二，針對課程需要安排先期課程。“計算機科學導論”“計算機組成原理”“高等數學”“專業英語”等是最主要的先期基礎課程。圍繞計算機網絡知識、應用技術（如圖形處理技術、Web開發技術）、計算機語言及編譯環境等相關內容設立的課程也應作為先期課程，形成一個正向漸進和倒栽式深入體會的雙向學習的專業課程結構。第三，結合操作系統平臺設置新技術應用課程作為選修課程。如當前大數據時代，典型的Hadoop集群操作系統已成為計算機與信息行業的高端應用，可設立為專業選修課程拓展操作系統的課程體系。構建專業課程體系，需要設置好基礎課與專業課、理論課與實踐課、必修課與選修課的比例關系，合理安排與協調課程相互間的分工與配合。

2.教學內容確立與教材選擇。首先教學內容要求規范化，適應新技術變化，知識結構合理規范，主要知識模塊必須做到專業內的統一。教學內容需要注重專業知識交叉與融匯。將操作系統課程的重要知識點，如存儲管理、進程管理、設備管理和文件系統管理、操作系統設計與開發過程等融匯到其他專業課程中。在教學中將操作系統的設計思想與工作原理廣泛滲透到所有的專業課程中，起到整體聯動效應，有利于學生系統化地掌握專業知識，把握專業方向。主教材與輔助教材選擇應結合規范的理論知識及應用性強的開發實例。把握專業領域的最新技術發展，及時更新教材和教學內容。當前國內外較有影響力的教材可按教學目標分兩類：面向計算機研究方向的綜合型大學教材，如湯曉丹、梁紅兵等編著的《計算機操作系統》，A Braham Siliberschatz等編著的Operating Syetem Concepts；面向計算機應用方向的工科院校教材，如張堯學、史美林編著的《計算機操作系統教程》。近兩年新版教材如張麗芬、劉美華編著的《操作系統原理教程》以及（美）埃爾瑪斯里等編著的《操作系統實用教程：螺旋方法》，結合主流操作系統設計原理和應用開發實例，是值得推薦的專業教材。嵌入式Linux開發與實時系統μC-OS類的教材適合于通信和電子信息專業，也可作為計算機專業教學實踐的輔助教材。在主要教材之外，要為學生提供更多的自主學習資料。按照教學計劃指導學生有目的、有選擇地閱讀專業書籍，匯總論點和典型實例，展開討論，開闊學生的眼界，培養學生獨立思考能力、邏輯分析能力和科研探索的精神。

3.教學模式與教學手段。特定的教學方法和手段形成特定的教學模式。在理論教學和實驗教學結合過程中，應借鑒國內外先進經驗，采用多樣化的教學方法與靈活的教學手段，形成規范化、統一、開放的教學模式，與國內外同等水平的學科教育良好銜接。良好的教學模式能夠保證學生的知識結構與應用能力達到高等教育和社會需求的統一水準。另外，在當今的網絡信息時代，充分利用網絡資源與遠程教育平臺是教學輔助不可或缺的手段。以Linux類操作系統為例，網站“Linux公社”提供所有免費的應用軟件以及開源的系統代碼，可做資源庫用于操作系統實例設計、核心程序驗證、修改以及應用開發。借助這個平臺能夠跟蹤最新技術，了解各種版本操作系統的開發與應用現狀。通過網站技術交流板塊，還可以強化專業知識和應用技能。

4.實驗教學規劃。2008年教育部就啟動了“高等學校計算機科學與技術專業核心課程（操作系統）教學實施方案研究”項目，給出了操作系統課程試驗和實踐體系的框架，從實驗難度上將實驗課程分成用戶層、內核初級、內核高級三層；從實驗類型上分為使用與管理、觀察與體驗、編程與修改、設計與實現四個等級。基于教育部教學改革要求，實驗教學規劃包括四個方面：一是實驗內容依照等級分為知識驗證性的基礎實驗、設計編程的實踐項目以及研究開發型科研項目。有效管理整體實驗過程，將實驗內容劃分模塊依照進度安排實施，并安排實踐項目作為階段性課程設計內容。實驗內容系統規范、實踐項目流程完整。二是實驗教材選擇以主教材的知識模塊為參照，結合基于UNIX/Linux平臺的項目開發實例教程，并結合操作系統的現實應用廣泛篩選輔助資料，設立實踐項目，豐富實驗教材的涵蓋面。三是建設綜合實驗環境。要搭建基于Windows，UNIX/Linux，MAC等當前主流操作系統平臺的綜合實驗環境，真正實現操作系統的應用和開發。四是拓展校企合作平臺，尋找基于新型操作系統的開發和新技術應用項目。如最新的Hadoop開發項目非常具有市場和前景，具有很強的可實踐性和重要意義。通過校企合作交流，培養學生的技術應用和技術創新能力、團隊合作精神和相互協作能力，為將來的就業和進一步深造奠定基礎。

5.建設標準化的考核體系。建立公共題庫，設立各項考核指標，規范考核內容。增加實驗項目、課程設計實踐項目的考核比例。學習西方經驗，注重日常評估。各部分考核內容的占比可以針對專業要求浮動。

6.創建開放的網絡教學管理平臺。學習和借鑒國外公開教學與課程管理模式，建立開放的網絡教學管理平臺。提供課程與專業培養要求介紹、課程體系規劃與專業方向介紹、教學大綱、教學計劃、教學課件、教學資料信息、考核方式、在線考核和提交作業等功能，并提供師生之間信息交流的方式。

7.強化師資隊伍。鼓勵教師放開眼界，積極參加國內外相關學術交流活動，參加大型公司重要項目實踐和培訓，學習和借鑒其他高校的學科建設經驗。發展師資力量，共同建設科學、完善的操作系統課程體系，提高教學水平。

8.設立學科建設研究小組，建立動態課程體系建設機制。計算機技術日新月異，圍繞計算機各學科的課程體系建設方案只能短期實施。操作系統與計算機軟、硬件技術是并行發展和急劇變化的。不論針對操作系統課程本身，還是關聯緊密的專業課程，都需要形成不斷革新、具有實際意義、明確方向和科學理論支撐的動態研究體系。

操作系統學科的課程體系建設對計算機專業的整體教學與發展至關重要。本文結合筆者與教研組多年的教學體會，以及十幾年學院實施教學模式改革、教學方案調整等經驗與成效，對操作系統學科的課程建設主要提出幾點建議：細化操作系統課程，建立動態課程體系建設機制，注重專業內容的交叉與融匯，建立標準化考核體系，建立開放的課程管理平臺。隨著計算機技術的迅速發展，操作系統課程建設必然是需要長期探索改進的過程，應積極推廣、不斷研究分析改革成果，與其他院校廣泛交流，增強課程體系建設的科學性和通用性，進一步推進高等院校計算機專業各學科的整體建設與發展。

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