計算機操作系統集成實驗與評價方法研究

劉剛 印桂生 楊靜 王紅濱 初妍

摘要：針對目前操作系統實驗教學只是根據理論課程進行一些簡單的驗證而缺乏具體的編程實驗教學，導致學生難以真正掌握操作系統的原理的問題，分析理論課程教學目標以及實驗課程教學方式，提出通過構建課程實驗、科研創新有機結合的實踐教學體系，從而使學生能夠理解操作系統所需要的知識及原理，達到更好的教學效果。

關鍵詞：操作系統；集成實驗；評價環境；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：B/A 文章編號：1674-9324（2018）15-0266-03

一、操作系統集成實驗與評價方法的意義和應用前景

1.操作系統集成實驗與評價方法的意義。計算機操作系統集成實驗與教學質量評價環境的建設對提高操作系統教學水平的意義體現在兩個方面：一是增加了操作系統實驗教學這門課程；二是提高了教師的教學水平。

學校現有的設備和軟件已不能滿足操作系統實驗教學的需要。所以建設操作系統實驗室是解決這一問題的必由之路。一流的優秀操作系統實驗方案提供商研發的操作系統實驗室方案還能提供操作系統實驗的教材，使得學校開設操作系統實驗課成為現實。

操作系統實驗室的建設也可以提高教師的教學水平。操作系統實驗室的建設改善了計算機操作系統實驗教學的條件，可以讓教師接觸到許多前沿的操作系統知識和技術，開闊思路和眼界，這些都提高了教師自身的操作系統技術方面的素養。正是有這樣的前提，教師才能提高操作系統理論和應用方面的教學水平。同時通過建設操作系統實驗室，教師可以和一流的操作系統廠商保持密切的技術上的聯系，從而及時跟進國際上最新最流行的操作系統技術，提高授課水平。

2.操作系統集成實驗與評價方法的應用前景。隨著計算機技術不斷發展，操作系統的復雜程度不斷加深，并且幾乎所有的應用程序也都是在操作系統上運行的。操作系統實驗室建成后，我院可開設與操作系統相關的課程和實驗，迅速提高操作系統原理課程的教學水平，改進實驗教學缺失的現狀。教師也可利用操作系統實驗室提供的良好條件，開設操作系統相關的課程設計和畢業設計，推動課程改革和精品課程建設。操作系統實驗室的建設也可以提高教師的科研水平，促進教師發表更高水平的論文。

二、國內外研究現狀分析

1.國內同類實驗教學的情況。當前，教授操作系統課程一般有三種方法：（1）“一般原理”法。這種方法詳細描述操作系統的基本原理，并引用若干操作系統作為示例，但是根據我們的經驗，大多數學生都無法獲得對實際操作系統的直接經驗。（2）“積木塊”法。這種方法使學生能夠設計并實現一個小型的可真正在計算機上運行的操作系統。很明顯這會對學生有很高的要求。所以，此方法只適用于少數頂尖高校。（3）“實例學習”法。這種方法引導學生詳細分析一個小型操作系統的實例，在充分理解操作系統原理的同時，對實際操作系統獲得直接經驗。

推薦“實例學習”法的理由是：為了滿足企業對人才的需求，國內高校必將越來越重視學生在校期間的實踐教學。

但是，國內高校在采用“實例學習”法教授操作系統課程的過程中遇到了三個比較棘手的問題：（1）缺少合適的操作系統實例。國外著名高校使用的面向教學的小型操作系統缺乏配套資料。商業化的UNIX/Linux/Windows代碼量巨大，結構復雜，并不適合作為教學實例。（2）缺少可視化的實驗環境。由于國內學生比較熟悉圖形化的操作界面，而UNIX/Linux操作系統中使用的工具多為命令行方式，學生接受起來比較困難。（3）缺少配套的實驗教材。缺少能夠引導學生在詳細分析一個小型操作系統實例的同時，又可以緊密結合操作系統原理進行實驗的優秀教材。

2.國外同類實驗教學的情況。下面介紹CC（Computing Curricula）2001有關操作系統的教學內容和國外高校操作系統的課程設置。

課程設置不僅強調了操作系統的使用，更強調它的設計和實現。對于計算機科學專業，其核心知識點為：操作系統概述、操作系統原理、并發性、調度與分派、內存管理。可選的知識點為：設備管理、安全與保護、文件系統、實時和嵌入式系統、容錯、系統性能評價和腳本。（1）教學內容和方法分析。一般國外大學授課學時數在30左右，但是要求學生課前必須閱讀教科書和大量的教學參考資料。授課方式采用課堂講授與討論相結合的方式。（2）教學實驗分析比較。國外大學都對操作系統實驗有著嚴格的要求，有的完成一個小型操作系統，有要求獨立完成的，也有建議合作的，實習基礎有Nachos，也有其他教學操作系統。（3）評分標準分析比較。通過分析國內外大學的評分標準可以看出，他們對實驗成績很重視，有的大學（如Princeton University）甚至只有實驗成績，而沒有期末考試。（4）教材。使用較多的教材有：Andrew S. Tanenbaum的Modern Operating Systems， Second Edition；Silberschatz and Galvin的Operating System Concepts； Andrew S. Tanenbaum的Operating Systems； Design and Implementation等。

通過上面的分析可以看出，國外“操作系統”教學有如下特點：重視實驗環節、教學內容靈活、教學方法多樣、課下閱讀量大、作業多。

三、方法應用過程中解決的主要教學問題

目前，操作系統課程的教學大多是以書本教學的模式為主[1-3]，所謂的“實驗教學”也是在計算機房進行一些簡單的理論驗證，從而導致學生難以真正掌握操作系統的原理、構造和編程方法[4，5]。

為了克服以上的瓶頸，本實驗室可以通過構建課程實驗、科研創新有機結合的實踐教學體系，引領學生完成積累知識、掌握技能、提高技術的全過程。

主要解決的教學問題：

1.構建合理的課程群教學體系，突出人才培養的目標。

2.優化教學內容、改進教學方法，對不同的實驗內容，采用多種教學手段，提高學生主動學習的意識。

3.加強實踐環節，建立校內實驗室，為學生提供實踐教學平臺。

4.撰寫能反映課程群發展和我校學生實際的教材、教輔材料等，形成以國內優質教材、國外原版經典教材為主，自編教材、實踐指導書、題庫為輔的教材體系。

5.合理制定考核方式，重視能力的培養。

6.建設內容豐富、能實現師生互動的課程網站，構建學生助學、教師助教的現代化教學平臺，拓展師生教與學的空間。

7.加強課程教學隊伍的建設，形成一支具有豐富的教學經驗和高昂的教學熱情，同時具備較高的教學研究和科學研究水平的教學隊伍。

操作系統實驗（OS Lab）的考核和評分與傳統課程存在的區別在于，課程以上機實驗作為教學內容，同時也作為考核內容。同時，引入的OS Lab實驗平臺可以導出學生實驗存檔，其記錄軌跡可以輔助進行考核判斷。因而需要提出一整套適應現行高校教學體制的OS Lab實驗考核解決方案。這樣解決的問題還包括：

1.構建操作系統集成實驗與評價環境平臺。

2.通過系統能夠采集、存儲各類課程信息，能夠對這些信息按照內容進行分類和管理。

3.該系統將支持OS Lab課程信息處理與智能信息處理技術與方法的進一步研究，評分模型方法研究，多源信息融合方法研究，以及信息處理系統軟件設計與研究。

四、具體實施方案

1.根據人才培養目標和課程對學生能力培養的不同，構建合理的課程實驗教學體系。結合我校學生的特點，對于計算機專業的學生，確立培養工程型人才的目標，形成理論教學+課程實驗+課程設計的課程教學體系。從課程內容上，依據不同專業的學生分層次教學。

2.優化實驗內容、改進實驗教學方法，對不同的實驗內容，采用多種實驗教學手段，提高學生主動學習的意識。依據專業的發展，適時地調整、優化教學內容，摒棄不適應發展需要的方法和技術，在此基礎上，制定了新的實驗教學大綱、授課順序以及重點和難點。采用多種教學手段來使學生提高主動參與意識，并注意增強學生的分析判斷能力和留給學生思考與討論的空間。

3.加強實踐環節，建立校內實驗室和學生實踐教學平臺。實踐環節是計算機專業核心課程中的重點。一般來說，計算機核心課程中的實踐從大的方面分為課程實驗和綜合型實驗。課程實驗又包括基礎性和驗證型實驗，由學生單獨來完成。在課程實驗進行時，教師根據課程的進度和知識內容，設計相應的實驗內容。

課程設計就相當于一個綜合型的實驗，要求由2、3個學生為一組共同完成。課程設計的題目都是為解決一個實際問題而設計的，旨在培養學生解決實際問題的能力以及溝通與團隊協作的能力。在學生課程設計結束后，不但要求形成軟件，還鼓勵學生撰寫相應論文。

在實驗環境方面，不僅有計算機的公共機房，還有與課程直接相關的開放實驗平臺。開發《操作系統集成實驗環境OS Lab》實驗平臺，通過該平臺可以開展高質量、全方位的操作系統實驗。該平臺可操作型強，能夠更好地使教師和學生互動，進一步激發學生的學習興趣。

4.結合計算機科學與技術專業的新發展和工程應用的需求，在調整和優化教學內容的基礎上，撰寫了能反映課程發展和我校學生實際的教材和教輔材料。

5.探索適合課程特點的多元化考核方式和方法。由于人才的需求更注重實踐、更注重綜合能力，因此應該采用常規的考試方式，根據實驗課程點，將課內和課外、口試和筆試、理論和實踐等，靈活有效地結合，形成適合各類實驗特點的多元化、規范化的考核方式和方法，更為合理地評定學生的學業水平和綜合能力，同時也成為激勵和鞭策學生努力鉆研、勇于創新的有效途徑。總體來說，課程的成績考核包括：出勤成績，完成成績，實驗報告成績等。

6.建設內容豐富、能師生互動的課程網站。包括課程介紹、師資隊伍、理論教學、教學大綱、教學計劃、授課錄像、電子教案、實驗交流、實驗演示、軟件下載等，每一部分都有豐富的內容支撐。學生可以在課程網站上跟教師交流，也可以在學生之間相互溝通，并且能夠依據網站上提供的實驗演示動畫，解決實驗中的難點和困難。

7.加強課程教學隊伍的建設。圍繞項目的建設，可促進師資力量的不斷進步，形成年齡結構、職稱結構、學歷結構相對合理的教學團隊。該團隊成員申請承擔校級教學研究項目，并發表教學研究論文。

五、成果的實施范圍及教學受益面

1.項目成果的實施范圍。（1）編寫教材和相應的教輔資料等在我校的計算機科學與技術專業、軟件工程專業、國家保密專業中廣泛使用。（2）自從2005年進行計算機操作系統精品課程建設以來，持續進行了13屆教學實踐，對學生對于精品課程的教學給予的評價和反饋進行評估，能動于教學過程。（3）通過建立的“操作系統”課程網站、操作系統集成實驗環境OS Lab，不僅使學生隨時隨地都可以輕松學習，還可以極大地提高學生的學習積極性與主動性；而且使學生的創新能力、實踐能力得到提升。（4）通過項目的建設和實施，構建一支教學經驗豐富的教學改革和科研團隊。（5）項目成果用于計算機科學與技術學院、軟件學院、國家保密學院每年10個本科班的實驗教學任務。（6）運用完成的操作系統實驗評分和課程管理系統實際進行學生實驗評價和提交實驗文檔管理，提高課程管理和評價效率的精確性、公平性。（7）對同一課程體系下的其他相關和類似實驗課程起到很好的示范效應。

2.項目成果的教學受益面。項目成果的教學受益面如表1所示。

參考文獻：

[1][英]Peter Abel. IBM PC匯編語言程序設計[M].第5版.沈美明，溫冬嬋，譯.北京：人民郵電出版社，2002：245-248.

[2]劉星.計算機接口技術[M].北京：機械工業出版社，2003：37-65.

[3]唐朔飛.計算機組成原理[M].北京：高等教育出版社，2000：63-79.

[4][希臘]Diomidis Spinellis.代碼閱讀方法與實踐[M].趙學良，譯.北京：清華大學出版社，2004：55-101.

[5]劉剛，趙鵬翀.操作系統實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2013：118-120.