計算機操作系統課程綜合性實驗建設探討

劉杰彥，李玉軍

（電子科技大學 計算機科學與工程學院，四川 成都 611731）

計算機操作系統課程綜合性實驗建設探討

劉杰彥，李玉軍

（電子科技大學 計算機科學與工程學院，四川 成都 611731）

針對計算機操作系統課程綜合性實驗建設較薄弱的教學實際，分析國內外高校該課程綜合性實驗開設的現狀以及實驗開設中存在的問題，在結合課程實際并借鑒國外高水平大學相關教學經驗的基礎上，提出計算機操作系統課程綜合性實驗建設的方案，從實驗規劃、實驗設計、實驗指導、實驗開設以及考核評價等方面對該課程的綜合性實驗建設進行探討。

計算機操作系統；綜合性實驗；系統化思維；資源管理

0 引 言

計算機操作系統課程主要介紹計算機操作系統如何對計算機資源進行有效管理和控制，以達到高效和充分利用計算機系統中軟硬件資源的目的[1]。它是計算機專業及相關專業的基礎課程和核心課程之一，在學生的計算機知識結構中有重要的地位和作用，是計算機及相關專業知識體系中不可或缺的重要基礎。對該課程的綜合性實驗開展建設，有助于培養學生的系統觀，能有效幫助學生建立完整的計算機操作系統知識體系。

1 國內外綜合性實驗開設現狀

國內外的知名大學都非常重視計算機操作系統課程的實踐建設，特別是綜合性實驗的建設。在國外，麻省理工大學針對內存管理、任務調度和文件系統都分別設計了系統級的實驗；哈佛、普林斯頓以及加州大學伯克利分校也都將進程管理和調度、虛擬內存和文件系統管理作為綜合性實驗來建設；美國加州大學爾灣分校也專門開設了計算機操作系統的實驗課程，針對操作系統的幾大功能，如進程管理、文件管理和存儲管理，分別設計并開展了綜合性的實驗。類似的，國內清華大學也專門開設了操作系統的專題訓練課程。

2 當前實驗教學的常見問題

目前國內大多數高校對該課程的綜合性實驗建設較為薄弱，以下問題普遍存在。

2.1 實驗內容相對零散

當前計算機操作系統課程的實驗內容通常以基礎實驗為主，以電子科技大學為例，實驗內容主要局限在進程調度算法設計、進程同步的設計、存儲管理頁面置換算法設計以及存儲管理地址轉換等基礎實驗，大多數實驗內容局限于對章節單一知識點的演繹，個體實驗間缺乏有機聯系。內容零散的實驗使得學生對操作系統的理解較片面，對系統缺乏宏觀的理解，難以建立完整的知識體系。盡管目前也以課程設計的形式開設了部分綜合性實驗，但是對實驗內容缺乏系統的規劃，零散的實驗內容不易培養學生建立完整的知識架構。

2.2 實驗組織與考核方式單一

國內高校的實驗實施，通常是教師下達實驗任務后就交由學生完成，教師對實驗的實施進度沒有細致的安排與跟蹤，缺乏對實驗各階段的任務分解與學生問題的反饋，這并不利于保證實驗效果和實驗質量。實驗考核主要基于最終實驗結果和實驗報告的質量，實驗考核標準單一，缺乏多元化的考核評價方法。

2.3 實驗指導較粗略

目前，教師的實驗指導方法通常是給出主要任務以及實驗過程的基本步驟，實驗指導內容較為粗略。同時，指導力量也較薄弱，以電子科技大學為例，一個老師要面對數十名學生，指導的深度和力度自然大打折扣。與國外大學相比，我們缺乏對具體設計過程的詳細指導，缺乏對軟硬件和算法各個模塊間聯系的分析指導。這種粗略的指導方式不利于學生順利完成具有一定難度和工作量的綜合性實驗。

2.4 學生系統化分析和解決問題的能力有待提高

由于缺乏綜合性、系統性設計的實戰經驗，學生對操作系統的知識點掌握零碎，知識結構也處于分散狀態，因此學生系統化的問題分析能力較薄弱，解決問題的能力也不強，有待通過綜合性實驗的開展和細致深入的指導來提升。

3 綜合性實驗建設的具體實施

基于上述分析，為了培養學生建立完整的操作系統的知識體系并提升實際問題的解決能力，縮短所學和所用的距離，我們通過借鑒國外高水平大學的經驗，同時結合課程實際，基于現有的實驗實踐工作基礎，對本課程的綜合性實驗規劃與建設進行探索，將系統化思維的教學模式[2-3]運用到實驗教學中，規劃與設計本課程的綜合性實驗，研究實驗的開設方式，并探索細致深入的實驗指導方法。具體而言，主要從以下幾個方面重點展開工作。

3.1 實驗規劃

計算機操作系統課程內容組織是基于操作系統的資源管理功能，即將計算機操作系統看作計算機軟硬件資源的管理器，資源的管理在宏觀上主要分為進程管理子系統（基于進程完成對CPU的管理）、內存管理子系統、設備管理子系統和文件管理子系統，如圖1所示。

因此，本課程綜合性實驗的規劃主要針對操作系統的4大功能，分別規劃與設計進程管理實驗、存儲管理實驗、文件管理實驗和設備管理實驗。針對每個功能，要從宏觀的角度出發，基于知識點之間的有機聯系，將系統化的思維模式運用到實驗規劃設計中，注重多個知識點的融會貫通，力求讓學生對操作系統形成從整體到局部，從宏觀到微觀的深入了解，建立完整的知識體系，培養學生對問題的綜合分析能力。

圖1 計算機操作系統功能模塊

以進程管理子系統實驗的規劃為例，進程管理是操作系統的主要功能，進程管理子系統主要包括進程控制、進程調度以及資源管理等基本模塊。在確定基本模塊的基礎上，對每個模塊作進一步細化，如進程控制模塊，包括進程的創建、撤銷、執行、阻塞、喚醒等子功能；進程調度模塊，要考慮采用什么進程調度算法，還要考慮與進程控制模塊的關系，因為調度過程中進程狀態會發生變化；資源管理模塊，需要包括資源的分配和回收等管理功能，同時要考慮在進程對資源進行互斥或共享訪問時，協調進程對資源的訪問順序，與進程控制模塊協作來完成進程之間的同步。

3.2 實驗設計

在實驗規劃的基礎上，對現有的基礎類實驗進行梳理，除了現有的實驗模塊，還需要增加其他模塊，并對各個模塊作有機整合與完善，展開綜合性實驗的設計實施。以電子科技大學為例，現有的進程管理實驗局限于對具體進程調度算法的模擬，或者是對同步問題的演繹，知識點零散。為了構建進程管理子系統的綜合性實驗，在實驗規劃的基礎上，我們將現有的進程調度算法實驗和進程同步實驗作為基礎，完善進程控制塊（PCB，process control block）結構，為進程設置不同的優先級，設計進程控制的各個功能函數，在現有的時間片輪轉調度算法基礎上，引入結合時間片輪轉和優先級的調度算法，同時增加資源管理模塊，在系統中設計不同的資源類型和資源數量，進程執行中隨機對資源提出申請和釋放，資源管理模塊基于進程對資源的申請和釋放來完成資源的分配和回收，同時能夠在資源不足時阻塞進程以及在資源釋放后喚醒進程。除上述設計外，還增加對I/O功能和中斷功能的模擬，即隨機產生I/O或中斷請求，系統在收到I/O或中斷請求后，根據請求類型，完成相應的進程調度、控制或狀態轉換功能，如調度進程執行或阻塞當前進程。

總之，在現有的實驗基礎上，通過添加相關功能模塊并對各個模塊有機整合，最終完成進程管理子系統綜合性實驗的設計。通過這種實驗的建設開展，讓學生將進程控制、調度和資源管理等零散的知識點有機結合起來，從而建立完整的操作系統進程管理功能的知識體系。

3.3 實驗指導

基于實驗內容，探索切實有效的實驗指導方式，提出細致深入的實驗指導方法，綜合性的實驗往往具有一定難度，因此詳細深入的實驗指導方式有助于學生順利完成實驗。我們注意到，國外大學的實驗指導非常細致深入，為此，可以借鑒國外高水平大學的經驗，對實驗指導作深入細化。指導內容不僅僅包括實驗的基本要求和主要步驟，還包括引導學生對各個模塊間的關系作分析、對相關數據結構作分析、對相關算法的流程作分析等。

為了完整地分析一個綜合性試驗的建設，我們以進程管理子系統綜合性實驗為例來闡述詳細深入的實驗指導方法。該實驗的目的是要設計實現一個進程管理子系統，為此，實驗指導首先給出進程管理子系統的基本功能需求、所包含的模塊以及各個模塊功能的詳細需求分析；然后，針對各模塊，分析相應的數據結構特點和各結構之間所存在的聯系，如進程控制塊（PCB）數據結構的設計、資源控制塊（RCB，resource control block）數據結構的設計、PCB 和RCB間的相互引用關系等；在此基礎上，基于各個模塊的功能，分析模塊間的聯系，包括分析進程控制模塊和進程調度模塊間的關系（如進程創建、撤銷、阻塞等事件的發生會促發進程調度）、分析進程調度模塊和資源管理模塊之間的關系（如進程執行中對資源的申請和釋放將調用資源管理模塊，而資源管理中對資源的分配和回收也可能促發進程調度）；最后，實驗指導還需要給出典型的測試用例，用例中要包含各種優先級進程的給定和各種資源分配情況的模擬，并分析各個測試用例的測試目標和預期測試結果。

除了給出深入細致的指導分析以外，還需加強實驗指導隊伍的建設，根據學生的數量按比例增加指導人員。以電子科技大學為例，我們通過一個教師配備多名研究生助教來增強指導力量，實驗前先對助教培訓，實驗中讓助教配合教師參與指導，實行助教責任制，保證助教認真負責若干學生的實驗指導，加強指導的深度和力度。在實驗過程中，教師通過分階段與學生以及助教交流，跟蹤學生的實驗進度，關注學生在具體實驗階段存在的問題，適時調整指導方法，直接或通過助教給予學生深入細致的指導，從而解決實驗中學生普遍存在的“實驗做什么，怎么做”的問題。

3.4 實驗開設與考核

基礎類的實驗主要針對單一的知識點，大部分實驗的工作量和難度都不高，因此以學生個體為單位開展。綜合性實驗的工作量和難度相對較大，可以以小組為單位開展，通過小組內部的分工協作來完成實驗。實驗的開設，以培養學生系統化的思維模式、實現對問題的宏觀把握和微觀分析為目標[4]。因此，可以結合課堂講授和課后實施來完成，具體流程如圖2所示。實驗開設前安排好實驗進度，課堂講授根據實驗內容分次進行，首次課堂講授給出實驗的主要任務和總體設計需求分析，讓學生從宏觀上總體把握問題，之后分次講解實驗的各模塊和相應的實施方法，引導學生從微觀上分析具體問題，每次根據講授內容給出本次任務要求并讓學生在課后開展。以進程管理子系統實驗為例來分析實驗的開設方法，該實驗的課堂教學可以安排3次，每次1～2學時：第1次介紹進程管理子系統的總體功能需求和總體設計所包含的進程控制、進程調度和資源管理等主要模塊，模塊間的關系和涉及的PCB和RCB等數據結構；第2次介紹各個模塊的具體功能分析、實現技術和模塊間的整合；第3次介紹進程管理子系統功能測試程序的編寫方法，涉及進程控制與調度、資源申請和釋放相關的測試用例和測試結果的分析。每次根據講授內容給學生布置相關任務，學生根據任務要求和個人能力情況，在小組內進行任務分工，在課后完成相應的實驗內容。每次課堂講授時，學生需要對上次任務的完成情況和目前存在問題作匯報，以便教師及時跟蹤學生的實驗進度，了解學生存在的問題，適時調整教學進度和教學內容。

圖2 實驗開設過程

實驗考核采用多元化的方式，對同一實驗內容設立不同的實驗工作量和難度等級要求，如針對進程管理子系統，可根據實驗中對進程種類和優先級的設置情況以及資源種類和數量的設置情況來決定不同的實驗工作量，根據死鎖問題的發現、解決來決定不同的實驗難度。不同工作量和不同難度的任務的要求有所不同，對應著不同的成績標準，學生在完成基本要求的基礎上，可根據自身情況決定是否進一步完成難度或工作量要求更高的任務。考核時對學生任務的總體完成情況、報告的質量、軟件的質量以及小組的分工協作情況等方面賦予不同的權重，分別針對各方面給予成績評價，并綜合各方面給予總評。

4 結 語

計算機操作系統是計算機專業及相關專業的專業基礎課程和核心課程之一。對該課程綜合性的實驗進行建設和開展，有助于培養學生的系統觀以及綜合的專業知識應用能力，這也是專業教學的目標。針對現有實驗教學的薄弱環節，可將系統化思維的教學模式應用到實驗教學中，規劃與設計計算機操作系統課程的綜合性的實驗，通過綜合性實驗的建設與開展，力求讓學生建立完整的操作系統知識體系，從而縮短學與用的距離。

[1] William Stallings. 操作系統: 精髓與設計原理(第七版)[M]. 陳向群, 陳渝, 譯. 北京:電子工業出版社, 2012: 38-76.

[2] 李朝霞, 付禾芳. 基于系統化思維培養的計算機基礎實踐教學[J]. 現代計算機: 專業版, 2010(8): 56-57.

[3] 楊曉敏, 吳煒, 劉志芳, 等.“計算機操作系統”課程教學改革之探索與實踐[J]. 教育教學論壇, 2015(7): 110-111.

[4] 劉杰彥, 向渝, 詹思瑜.“計算機網絡編程”的教學與實驗探討[J]. 實驗科學與技術, 2015(1): 115-118.

1672-5913(2017)11-0142-04

G642

電子科技大學教學改革研究項目(2016XJYYB024)；電子科技大學教師實驗教學研究項目(BKSJY-2016-49)；中央高校基本業務費項目(ZYGX2016J089)。

劉杰彥，女，副教授，研究方向為并行與分布式計算，liujy@uestc.edu.cn。

（見習編輯：景貴英）