工程教育背景下基于操作系統的計算機系統能力培養研究

郭玉華 鄭嘯

摘要：本文按照計算機系統能力培養的要求，提出了基于操作系統的層次系統能力目標，目標以并發與共享為中心，以此為基礎，提出與該系統能力層次相適應的課程體系，結合當前工程教育融合創新要求，提出了一系列基于本課程體系的創新措施。

關鍵詞：工程教育；融合創新；操作系統；計算機系統能力培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）26-0171-02

一、基于操作系統的計算機系統能力層次

計算機系統能力從提出到目前，經歷了復旦共識、天大行動到北京指南，各方的專家學者已經給出很多定義。第四屆高等院校計算機類專業系統能力培養高峰論壇上，國防科技大學王志英教授，將計算機系統劃分為三個層次——計算機基礎系統，計算機領域系統以及計算機應用系統[1]。操作系統屬于系統軟件，構造、分析與維護操作系統，是一種計算機的系統能力。各大語言及其工具，都提供了很多與底層系統方面的接口供開發設計人員使用。結合多年來的實踐，從操作系統來講，我們把與之相關的計算機系統能力分為三個類別層級。第一層次是應用軟件中的計算機系統能力：能解決應用軟件開發設計所涉及到的同步、互斥、進程、線程以及效率等問題；第二層次是維護系統能力：能利用操作系統提供的基礎設置完成系統模塊選取，部署軟件，監控資源，控制管理運行，配置等工作；第三層次是構造、分析設計系統能力：能在掌握理解操作系統的理念，架構，方法，理論，模塊，數據結構等基礎上，分析設計操作系統內部結構，解釋有關現象，甚至按要求修改內部結構，實現有關功能。

操作系統課程是我校計算機類專業的核心課程之一，多年來，完成了基于資源管理的操作系統關鍵概念等多項研究課題，也結合操作系統課程開展了大學生創新創業項目活動。結合多年來與企業合作開展軟件開發設計的實踐，明確了開展基于操作系統的計算機系統能力培養研究，對于工程教育在計算機科學專業中落地開花具有重要價值。

二、基于操作系統系統能力培養課程體系

為了達成操作系統各個層次系統能力的培養，需要建構新的課程體系。在該體系中，各課程內容緊密結合各層次要求。通過對這些課程內容的掌握，具備系統能力的基本要求。開設的課程見表1。另外，工程教育的精髓就是“融合與創新”[2]，因此在課程安排、內容選取以及教育方法與手段上，也要革新，不僅需要選取經典傳統的課程模塊，更要體現各個課程之間的有機聯系，打通“關節點”，真正讓操作系統成為一個完整的系統，而不是停留在支離破碎的模塊上。

上表1中列出了五門操作系統課程，在教學內容上，涉及到應用層次軟件設計與開發，也有底層硬件抽象層次上的系統軟件分析、設計與實現，這不僅是工程教育融合的本質體現，也是操作系統課程的本質要求。這是因為，操作系統本身處于軟硬系統之間，面向應用，面對用戶，傳遞管理與控制到底層，這就需要全方位、多層次、全視角來學習操作系統。在課程安排上，操作系統原理課程可以與Linux內核分析結合。

三、基于“融合創新”的計算機系統能力培養保證措施

“融合創新”是工程教育的核心靈魂，也是當今教育界討論的關鍵話題之一。結合操作系統課程群實際情況，可以采取以下措施：

1.參加創新創業等競賽，提高學習積極性。近年來，國家為了創新工程建設，在高等學校中開展了創新創業項目實踐活動，獲得批復的項目分為國家級、省級等層次，并按層次撥付一定的費用。我們基于操作系統課程，組織學生申報了《一種基于資源方的分布式互斥機制設計與實現》（2014）等多項國家級省級創新創業項目。另外，也組織學生參加了學校的挑戰杯競賽，《輕量級操作系統原型設計》獲得學校第8屆（2012年）挑戰杯三等獎。今年，再次組織學生以《64位的批處理操作系統原型設計》項目參加學校挑戰杯比賽。通過這些活動的開展，讓學生們感覺到了本課程學習的知識是有用處的，而不是僅僅停留在理論學習的架子上，也吸引了學生對課程的注意力，有效提高了學習興趣。最關鍵的是，通過項目的具體實施與展開，讓同學們明白了課本知識來源于實踐，同時又指導實踐的精髓。正如學生所述，通過參加這些項目，“讓我對計算機系統的理解更加深刻了100倍！”

2.加強實踐教學環節，強化課程考核方式，突出融合與創新要求。課程的考核方式一般就是期末筆試，這顯然與融合創新有點格格不入。在課程考核方面，強化了過程記錄與考核，如實驗檢查與批改作業關注“異樣”結果，在上課前，重點分析一下這些不一樣的地方，既肯定正確的方法，也指出錯誤之處，打破僵化，開拓思維。另外，提高了平時記錄對課程最終成績的影響因子。同時，課外也不定時的布置一些附加任務，如撰寫同步與互斥問題總結，對于能夠按時高質量完成任務的同學，適當增加平時記錄并獲得相應的平時成績分項。

3.強化學習交流，開展主動型學習。教學過程中，強調自學的重要性，分發一些資料或布置一些額外作業，要求學生利用課外時間完成，并通過課程班級QQ群與學生交流。交流過程中，注重提供方法，指明方向，而不是僅僅給出答案。

四、總結

本文結合我們在從事操作系統的教學經驗，結合當前工程教育的熱點，從本課程的角度，提出了操作系統課程為基礎的系統能力層次及其達成的課程體系內容。該課程體系以一個原型操作系統為基礎，與其他課程融會貫通，致力于培養計算機系統能力。最后，文中也提出了開展“融合創新”的一些具體措施。

致謝：本文受到安徽省教育研究項目《面向工程創新的計算機網絡類專業人才系統能力培養模式研究》（編號：RE17100022）以及安徽工業大學教育研究項目《工程教育背景下大學生計算機操作系統能力培養研究》（編號：RE17200024）資助，在此感謝！

參考文獻：

[1]王志英.新工科建設中的系統能力培養項目（ppt），第四屆高等院校計算機類專業系統能力培養高峰論壇[Z].2018，05-12.

[2]李茂國，朱正偉.工程教育范式：從回歸工程走向融合創新[J].中國高教研究，2017，（06）.