Linux環境下操作系統課程實踐教學模式探討

符琦，蔣云霞

(湖南科技大學 a.計算機科學與工程學院; b.教務處，湖南 湘潭 411201)

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Linux環境下操作系統課程實踐教學模式探討

符琦a，蔣云霞b

(湖南科技大學 a.計算機科學與工程學院; b.教務處，湖南 湘潭 411201)

摘要：CDIO 是一種新型工程教育模式，它以項目開發生命周期為載體來培養學生的個人工程能力和團隊協作能力。針對操作系統課程實踐教學中存在的問題，提出了基于Ubuntu操作系統環境下，基于 CDIO 教學理念的操作系統實踐教學框架，并以工程項目開發為教學中心，設計了操作系統實踐教學課程相關實驗內容，同時給出了具體案例分析，為實踐教學的改革提供了參考。

關鍵詞：操作系統；Ubuntu；CDIO；實踐教學

CDIO (Conceive Design Implement Operate，構思、設計、實現與運行)是一種以工程教育理念和實施體系為基礎的新型教育模式，這種模式以工程項目開發生命周期為載體來培養學生的工程能力，通過團隊設計與創新實踐的訓練，達到“做中學”的教學目標，具有廣泛的適應性和實踐可操作性，有利于提高學生個人的終身學習能力與團隊協作能力[1]。

操作系統課程是計算機學科的核心專業課程，主要講授操作系統的設計與實現的基本原理和技術，而目前操作系統課程實踐教學中仍普遍存在重理論輕工程能力培養的問題[2]。由于操作系統本身是一個抽象、復雜的軟件，學生要完全理解其設計原理，熟練掌握其實現技術并不容易，主要存在以下一些問題：1) 基本概念和原理枯燥難懂，與實際應用相聯系較少，學生對課程學習缺乏興趣；2) 實踐教學的內容較單一，難度和知識覆蓋面不足，缺少設計性實踐項目，不具備與學生互動的功能；3)課程內容容易滯后，與現有操作系統的發展成果存在脫節現象等。因此，在操作系統實踐教學過程中引入CDIO工程教育理念，將需要掌握的課程核心內容以“項目開發設計”為教學中心，設計具有可擴展性的綜合性課程項目，不僅有利于學生進行主動性學習，也有利于提升教師自身的教學水平和教學方法，達到良好的教學相長的效果，對計算科學科的理論教學和科研實踐均具有重要的意義。

1基于Linux的CDIO實踐教學模式

Linux 操作系統(如Ubuntu、CentOS、Fedora等)是經典的免費開源系統軟件，具有極強的可定制性、可擴展性和實踐性。因此，可考慮在該系統環境下，以CDIO理念為基礎，對操作系統實踐教學環境的相關內容進行設計與應用，在實際的操作系統環境中，鞏固和提升學生對操作系統理論課程知識的學習與開發能力。

1.1Linux環境下的操作系統實踐教學框架

作者采用目前主流的開源免費Linux操作系統發行版——Ubuntu(烏班圖)作為操作系統實踐教學的實驗環境，該系統提供了GNU、Automake等一整套系統級與用戶級開發所需要的開源、免費工具，從而為教師設計操作系統實踐教學相關項目提供支持，同時也為學生在該環境下進行操作系統核心功能的學習與開發提供了保障[3]。Linux環境下操作系統實踐教學框架如圖1所示(其中的每個實踐項目均包括了案例實驗、綜合實驗和應用實驗等部分)，框架主要包括以下幾個部分：

1)開源Linux操作系統層。該層主要由Ubuntu操作系統、開發工具和用于可自編譯、自裁剪的Linux內核源碼組成，主要為實現基于CDIO的實踐教學提供軟件環境支撐。

2)內核編譯與定制子項目。該子項目主要便于學生了解Linux內核結構，掌握內核的定制與開發。為了簡化操作系統內核編譯時的復雜性和時間開銷，采用了Linux較低版本的內核(如2.6.x系列穩定版)源碼進行相關實踐項目的設計與實現。最新版本的內核所帶來的操作系統的新特性過于復雜，并不利于學生對核心操作系統功能的快速學習與應用。

圖1　Linux環境下操作系統實踐教學框架示意圖

3)進程管理子項目。該子項目主要便于學生了解并掌握進程、線程的創建與調度、并發與同步等功能相關算法與機制的設計、實現與測試，并在此基礎上靈活運用所學知識來設計并實現一些應用工具，如自定義Shell工具，具有網絡訪問能力的Shell工具等。

4)內存管理子項目。該子項目主要便于學生了解并掌握內存動態分區、基本分頁、虛存分頁等功能相關算法與調度機制的設計、實現與優化，并以內存管理工具等小型項目的設計與實現來鞏固學生所學的理論知識。

5)文件系統子項目。該子項目主要便于學生了解并掌握常見文件系統的相關設計結構與調度算法，并能對現有算法進行改進與裁剪，并以此為基礎來設計、實現簡單虛擬文件系統和實際文件系統管理工具等應用項目。

6)設備驅動管理子項目。該子項目主要便于學生了解并掌握Linux環境下的設備(如字符設備、塊設備、網絡設備等)驅動程序的相關設計與開發、優化，以及磁盤I/O調度程序的開發等，同時設計并實現實際設備的相關管理工具，加強學生的工程能力。

1.2Linux環境下的操作系統實踐教學案例

以簡單Shell工具——MyShell子項目為例，為了解操作系統程序接口和命令接口的功能，掌握與之相關進程的創建、同步與通信，以Shell編程為基礎，可以為學生設計以下項目內容：

1)項目功能說明設計：如MyShell應該能支持程序的后臺運行、管道通信、重定向、路徑與文件搜索、內置命令(如創建目錄、文件，設置環境變量、啟動與退出等)的使用等相關功能。這部分主要讓學生了解軟件需求說明的構成與撰寫。

圖2　MyShell項目功能框架示意圖

2)軟件總體結構設計：如圖2所示，MyShell主要由交互界面、命令解析、內(外)部命令執行等幾個部分組成，這部分將提供給學生相關的參考資料以了解功能實現必須的編程知識。

3)程序框架：這部分主要為學生提供MyShell項目的部分程序源碼，如數據結構的定義、函數的定義，但去掉了部分核心功能的實現，這部分功能將由學生來設計與完成，并由教師最后進行測試，從而驗證其結果的正確性，達到教學相長的目的。下面是MyShell項目的程序框架示例，MyShell項目工程文件主要由myShell.h和myShell.c兩個項目文件構成，其中頭文件(myShell.h)部分的主要項目功能由學生根據項目需求說明來進行設計與實現：

3結語

在開源的Linux系統軟件環境下，通過引入CDIO教育理念，以提升個人學習能力、工程能力和團隊協作能力為目標，來設計具有廣泛適應性和良好可擴展性的操作系統實踐教學項目，不僅提高了學生的學習積極性，也為操作系統后續課程(如嵌入式系統等)提供了扎實的理論和實踐基礎，同時也提升了教師的教育教學理論水平和技術手段方法，為理論與實踐教學的有機結合提供了借鑒。

參考文獻：

[1] Jianhua G U, Zhou X S, Zhiwen Y U, et al. Teaching Practice of CDIO in Operating System Course[J]. The 3rd International Annual Conference on Teaching Management and Curriculum Construction,978-988-16309-5-7 ,2012 (2):174-178.

[2] 詹曉娟,姚登舉,周屹.CDIO教學模式在“操作系統”課程教學改革中的應用[J]. 黑龍江教育(高教研究與評估),2014(11):32-33.

[3] 楊瑞.CDIO理念在“Linux操作系統”課程中的應用[J].信息與電腦(理論版), 2015(10):102-103.

(責任校對龍四清)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.05.030

收稿日期：20151221

基金項目：2012年湖南省普通高等學校教學改革研究項目(255) ；2013年湖南省普通高等學校教學改革研究項目(240)

作者簡介：符琦(1975-)，男，湖南湘潭人，教授，博士，主要從事計算機應用技術研究。

中圖分類號：G423.04

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5884(2016)05-0100-03