面向系統能力培養的操作系統優質課程建設

翟高壽

（北京交通大學 計算機學院，北京 100044）

0 引 言

操作系統是計算機本科專業主干課程，國內外各高校計算機專業均對操作系統課程的教學研究和改革非常重視。特別地，操作系統作為北京交通大學計算機學院長期重點建設的核心課程，先后被評為校級精品課程/優質課程、教育部-英特爾精品課程（建設項目），現在正處于進一步提升優質課程建設水平的拔高階段。鑒于操作系統及計算機技術的迅猛發展，課程的教學內容須與時俱進和不斷完善。操作系統研發技術相對滯后,長期制約著我國基礎系統軟件的發展，而操作系統課程在我國高層次計算機專業人才的基礎知識傳授和實踐技能培養方面則具有不可替代的作用和特別重要的意義。需要強調的是，在國務院《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020年）》及“核高基”國家重大科技專項的實施過程中所折射出來的計算機專業人才培養問題說明，計算機系統能力培養亟待加強和改善，并是提高計算機專業本科教學質量和水平的一個重要方向[1]。為此，面向計算機系統能力培養目標，著力推進操作系統優質課程建設非常必要而且至關重要。

1 面向系統能力培養的教學理念

系統是指若干相互聯系和相互作用的部件或要素所構成的整體。系統結構則反映了系統各組成部件之間的聯系。系統之間的關系錯綜復雜，一般來說，在一個更高層面上，一個系統往往可能又是另一個更大系統的組成部分。對于計算機系統而言，存在如圖1所示的系統組成視圖，其中操作系統是最重要的核心系統之一。

圖1 計算機系統組成

對于計算機專業而言，相關系統能力應包含計算機各類軟/硬件系統的系統分析、系統設計、系統構建、系統測試、系統驗證的能力。特別地，操作系統課程應當逐步建立起并不斷完善涵蓋操作系統的分析、設計、構建、測試及驗證等能力培養的教學目標。其中，操作系統的分析能力既包括需求分析能力，也包括操作系統內核源碼分析能力；操作系統的設計能力和構建能力首先應瞄準操作系統的整體設計和構建，同時也包括處理機管理、內存管理、設備管理、文件管理等各子系統模塊的設計和構建；操作系統的測試能力主要傾向于功能、性能方面的測試和分析，而驗證能力則應把重心放在從理論上或結合測試手段開展有關功能和安全等方面的形式化分析驗證。對于本科生而言，應當把操作系統的設計能力、構建能力以及源碼分析能力培養作為重點，而操作系統的分析能力、測試能力、驗證能力則可作為研究生階段相關課程（如高級操作系統、安全操作系統等）的教學目標。

2 操作系統優質課程建設

2.1 教學內容完善及進度優化

操作系統是最重要的基礎系統軟件，是一組有效管理計算機各類硬件和軟件資源、合理地對各類任務進行調度以組織和控制系統工作流程，并方便用戶使用計算機的程序的集合。毋庸置疑，操作系統本身就是一類非常復雜的系統。需要指出的是，傳統的操作系統教學往往孤立地講授構成操作系統的處理機管理、內存管理、設備管理、文件管理等各個模塊，過多地強調進程、信號量、死鎖等概念和相關原理以及調度算法、分配算法、頁面置換算法等理論細節，而常常忽略了有關子系統自身的有機組成和內在聯系以及它們彼此之間的關聯關系，其間，操作系統自啟動過程及引導模塊設計也經常是被人遺忘的內容。同時，考慮到課程教學安排應遵循認知規律，以激發作為課程教學主體的學生的學習興趣和積極性，進而改善學生學習效果和提升課程教學質量，所以，應在凝練操作系統課程核心知識點和完善教學內容的同時，對課程教學內容講授先后次序進行適當的調整和優化（表1）。其中，根據教學安排的先后次序對知識單元從上到下以及核心知識點從左到右和從上而下進行了排列。

表1 操作系統課程核心知識點及教學進度規劃

2.2 實驗課題分類及層次化

計算機專業屬于工科專業，實踐編程能力對于學生就業競爭力的提升和在實際工作崗位發揮效用具有十分重要的意義。我國在以操作系統為核心的基礎系統軟件方面長期處于相對落后的狀況，并由此制約著計算機系統科研技術的發展和國家信息安全戰略的實施。為此，在操作系統優質課程建設提升水平的過程中，課程教學實踐環節及學生操作系統編程能力培養亟待進一步改善提高，面向系統能力培養應是關鍵所在。所以，從操作系統構建各關鍵模塊的實驗設計出發，面向國家核心系統軟件技術發展要求，并融入核心算法實現和開放源碼分析等兩類實驗作為有機補充，構建和完善適應國家操作系統及相關系統軟件開發人才需求的操作系統課程分層立體式實驗課題體系（圖2），可為確立學生計算機系統觀及培養綜合編程素質與能力奠定堅實基礎并產生深遠的影響。

考慮到學生興趣及其未來工作技能需求的多樣性客觀現實，操作系統課程實驗實踐環節應全面實施自主選擇實驗課題并貫徹分類分層次要求及因材施教的原則。在此基礎上，認真總結課程教學實踐經驗教訓并借鑒國內外各校操作系統課程實踐環節相關經驗，建立健全實驗課題指導書，規范完善實驗基礎材料，鼓勵優秀實驗成果當堂演講匯報及整理公布優秀實驗報告，示范引領學生整體實踐能力和綜合素質提升。

圖2 操作系統課程分層立體式實驗課題體系

2.3 課程間關系協同強化

操作系統課程與計算機專業開設的不少課程存在著密切聯系。鑒于絕大部分操作系統是采用C語言和匯編語言開發的，而計算機硬件系統又是構成操作系統的基本運行平臺，所以C程序設計、計算機組成原理、匯編與接口技術等課程為操作系統課程的先修課程。同一學期講授的計算機體系結構課程與操作系統課程在存儲器管理及設備管理等方面有共同關注的內容，按照計算機體系結構課程側重硬件內容、操作系統課程側重軟件內容的原則，由課程組之間協商討論和妥善解決。在貫徹操作系統研發能力培養的教學目標過程中，應把某些較高難度操作系統實驗課題納入高年級實踐類課程（如軟件系統課程設計、軟件綜合實踐）的實驗課題體系，實施傾向性鼓勵評分策略，設計合適的操作系統研發相關類本科畢業題目，為提高學生操作系統層面的編程和實踐能力創造有利條件。

2.4 課程資源及教材建設

學生是學習的主體，故而操作系統優質課程建設的核心目標（即改善學生學習效果和提高課程教學質量）的落實，關鍵在于充分調動學生學習的主動性、積極性及發揮其主觀能動性，為此構建和完善操作系統課程基礎教學資源尤為重要。操作系統課程組立足于北京交通大學思源教學平臺，我們不斷豐富完善操作系統課程平臺資源庫，持續改進課程課件、課堂音視頻資料、作業題庫、試題庫及優秀實驗成果示范報告庫，健全和完善學生自主學習支撐環境。與此同時，在錄制和整理課程課堂講授音視頻資料的基礎上，圍繞操作系統核心知識點，制作了部分操作系統慕課課程，開展實踐應用研究。在此基礎上，以課程平臺資源庫為紐帶，以理論作業和實驗課題為抓手，帶動學生自主學習、主動學習，形成了積極學習向上的氛圍，促進了課程學習效果的全面提升。

教材建設是課程建設上水平不可或缺的重要組成部分。操作系統課程組歷來重視教材建設，并為此不斷積累經驗和積聚實力。2008參與編寫《操作系統原理與實踐》（高等教育出版社出版）；現已翻譯完成國外教材《Operating Systems: A Spiral Approach》（《基于螺旋式方法的操作系統教程》，機械工業出版社出版）。另外，我們秉持知行理念的教材建設目標[2]，組織撰寫適應新時代計算機專業發展需求特色的自編操作系統教材，自2013年啟動編寫工作以來，業已形成初稿，并在課堂上多次試用相關內容，計劃進一步修改完善和在明年底之前最終定稿，計劃于后年出版發行。

2.5 教學實踐效果及學生反饋

課程教學進度規劃的優化和實驗課題分類及層次化要求的落實，極大地激發了學生學習操作系統課程的興趣和內在動力，而課程平臺資源庫的豐富完善則使他們在學習中如虎添翼，期末考試卷面成績同以往相比發生了較大的提高。不少學生坦言，有關系統類的實驗課題的完成盡管“比較吃力”“實在是不容易”“遇到了很多困難和挑戰”，但使他們“真正觸摸到了系統”“收獲很多”“學到了很多實實在在的東西”，對操作系統“概念比較抽象”的感覺也轉化成為“好像操作系統也沒有那么神秘了”的頓悟境界，甚至讓他們感到了“一點成就感”“學到了受益終生的知識”等。

3 結 語

面向系統能力培養教學目標，以完善優化操作系統課程內容、分類和層次化實驗課題、協同優化課程間關系、建設慕課及持續改進課程平臺資源庫、引進國外先進教學理念、加強操作系統教材建設等為抓手，著力強化操作系統優質課程建設，上述實踐取得了較好的教學效果。今后我們將進一步提升課程建設水平、優化課程教學效果、激發學生系統知識與技能的綜合發展，以期對北京交通大學計算機科學與技術專業建設及專業教育競爭力的提升產生積極的推動作用。

[1] 劉衛東, 張悠慧, 向勇, 等. 面向系統能力培養的計算機專業課程體系建設實踐[J].中國大學教學, 2014(8): 48-52.

[2] 翟高壽. 關于操作系統課程教材建設的幾點思考[C]∥北京市教育委員會、北京高等教育學會教材工作研究會. 構建高等教育教材建設體系, 提高高等教育教學與人才培養質量: 北京高校教材建設研究文集. 北京: 中國人民大學出版社, 2015: 36-40.