工程教育認證下“操作系統實驗”課程教學探討

史一民 陳玉華 王小妹

[摘 要] “操作系統”是計算機相關專業的專業核心課程，操作系統實驗教學是“操作系統”課程的重要環節。以工程教育理念為指引，提出操作系統課程方案，按照課程對應的畢業要求指標點確定課程目標和實驗內容，并采取有效的實施方法，保證了課程所支撐的畢業要求指標點的達成。

[關鍵詞] 工程教育認證;課程目標;實驗內容

[作者簡介] 史一民（1966—），女，遼寧大連人，碩士，大連海事大學信息科學技術學院副教授，主要從事智能信息處理研究;陳玉華（1965—），女，山東昌邑人，碩士，大連海事大學信息科學技術學院副教授，主要從事計算機網絡研究;王小妹（1981—），女，遼寧大連人，碩士，大連海事大學信息科學技術學院實驗師，主要從事計算機應用研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0391-02? ? [收稿日期] 2020-03-13

一、面向工程教育認證的操作系統課程方案

“操作系統”是計算機科學與技術等相關專業的專業核心課程，涉及較多的硬件和軟件知識，是一門理論性、實踐性和技術性很強的課程。當前“操作系統”教學中存在著重理論、輕實踐的問題，不符合工程教育專業認證的成果導向教育理念要求[1]。“操作系統”的理論教學內容應當與時俱進和不斷完善，相關實驗課的建設也要持續改進和拓展優化，以適應高層次計算機專業人才的實踐技能培養要求[2]。近年我校計算機科學與技術專業開展了工程教育專業認證[3]。按照工程教育專業認證的理念和要求，對人才培養目標、畢業要求和課程體系等重新進行規劃和調整。

我校以前“操作系統”課程總學時共72學時。為加強學生工程能力的培養，重新修訂教學大綱，將“操作系統”分成兩門課程：“操作系統”理論課48學時，“操作系統實驗”課24學時，實驗課與理論課同步進行。同時，為了強化學生系統能力的培養，新開設一門60學時的“操作系統課程實踐”，在“操作系統”課程結束后，采用兩周集中授課的形式。

操作系統實驗可以分為四種形式：模擬驗證型實驗、應用驗證型實驗、剖析驗證型實驗和擴展設計型實驗[4]。模擬驗證型實驗是編寫與具體操作系統無關的程序，模擬資源管理和調度的經典算法，脫離實際操作系統環境;應用驗證型實驗采用特定操作系統作為實驗環境，在程序中利用操作系統提供的各種系統調用，實現系統級程序設計，但無法涉及操作系統內部的實現細節;剖析驗證型實驗，分析一個具體的操作系統實現，通過實驗來替換或改變操作系統中已有的功能;擴展設計型實驗，提供一個從無到有的漸進式操作系統原型，由學生對其功能進行完善和擴充。后兩種實驗對目標操作系統的源代碼進行分析以及二次開發，使得學生能獲得設計及編寫實際操作系統的經驗，提升動手實踐能力，要求學生有很強的分析操作系統內核代碼的能力并投入相當大的精力和時間。

基于以上分析，我們將“操作系統”課程的實驗任務進行劃分，在“操作系統實驗”課程上進行模擬驗證型實驗和應用驗證型實驗;在后續的“操作系統課程實踐”上進行擴展設計型實驗。采用這種課程方案，能夠逐級深入，從用戶接口、程序接口到操作系統內核的各個層次遞進完成操作系統的相關實驗。

二、操作系統實驗課程目標

通過專業負責人和各課程組組長討論確定計算機科學與技術專業12大類畢業要求及下屬指標點劃分，進一步確定每門課程對畢業要求指標點的支撐關系。“操作系統實驗”對應的畢業要求指標點如下：

1.畢業要求 3-4 創新意識與制約因素考慮：能夠在設計方案中體現創新意識，并能綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等制約因素。

2.畢業要求 4-1 調研能力：能夠針對復雜計算機工程問題本身或其解決方案，通過調研確立實驗目標和研究路線。

3.畢業要求 4-2 實驗設計：能夠根據實驗目標和研究路線，設計完整的實驗方案。

4.畢業要求 5-2 軟件設計工具：能針對復雜計算機工程問題，選用適合的設計語言、開發技術、開發平臺、軟件工具等用于軟件設計，并能夠針對特定需求開發必要的軟件工具。

根據課程所支撐的畢業要求指標點，來制定該課程的教學目標，再根據課程目標確定教學內容。經深入分析后定確定“操作系統實驗”的課程目標如下：

課程目標 1：能夠掌握操作系統功能模塊設計和編程實現的方法。

課程目標 2：能夠在程序中通過系統調用訪問計算機系統中的各種資源。

課程目標 3：能夠理解操作系統的并發工作原理，掌握并發程序設計的方法。

課程目標 4：具有獨立分析問題和解決問題的能力，能夠綜合運用操作系統的原理和技術解決實際復雜工程應用問題。

課程目標 5：具有工程實踐開拓創新精神，能夠對實際工程問題提出多種解決方案。

三、操作系統實驗課程內容設置和實施

按照面向工程教育認證的操作系統課程方案，在“操作系統實驗”中設置模擬驗證型和應用驗證型兩種實驗，按照內容分為6個實驗，分別是：進程創建實驗、進程通信實驗、線程創建和線程同步互斥實驗、內存管理實驗、文件管理實驗和設備管理實驗。模擬驗證型實驗是在用戶態編寫應用程序模擬資源管理和調度的經典算法，避免內核編程和調試、相對簡單，而應用驗證型實驗則是在真實操作系統上利用系統調用控制進程和線程的運行，后者是學生真正理解操作系統內部各組件的運行機制和掌握并發程序開發的重要途徑。所以模擬驗證型實驗只設置了內存管理中的頁面置換算法和設備管理中的磁盤調度算法兩個。

在實驗課程的實施過程中，采取了因材施教、增設開放性實驗和交流討論相結合的方法。

因材施教。對同一實驗內容設立不同的難度要求。在進程通信實驗中，基本要求是實現某一種方式的進程通信，較高要求是將多種通信方式相結合，如將軟中斷和消息通信相結合，實現一個簡單的聊天工具。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較高要求，保證了不同層次學生都能在力所能及的范圍內完成一定的工作。

增設開放性實驗。如在內存管理實驗中，分別用標準C函數、文件系統調用和內存映射系統調用mmap對不同大小的文件進行讀寫，通過Linux下的strace、time函數得到系統調用時間、調用次數等信息，進而分析比較三種文件讀寫方式的性能。

交流和討論。每個實驗結束，選擇實驗完成情況好的同學在實驗課上演講，使他們的表達能力和歸納總結問題的能力得到提升，并獲得一定的成就感;同時老師和其他同學進行點評和提問，同學們也會受到啟發、拓展思路，進而改進自己的程序。課堂氣氛活躍，充分調動了全體同學的學習熱情，達到相互學習、激發創新思維和共同進步的目的。

四、結語

結合本校計算機科學與技術專業工程教育認證工作，將工程認證的核心理念貫徹到操作系統課程實驗教學的各個環節中，圍繞課程目標，從培養學生解決復雜工程問題能力出發，確定實驗教學內容，并通過有效的實施方法，保證了實驗課程教學目標的實現，取得了良好的教學效果。

參考文獻

[1]姚登舉，詹曉娟.面向工程教育專業認證的操作系統課程教學改革[J].高師理科學刊，2017，37（10）：91-93，96.

[2]翟高壽，許宏麗，楊昆，李德國.操作系統實驗課題拓展及支撐操作系統研發的教學生態圈構建初探[J].工業和信息化教育，2019（3）：44-50.

[3]楊永斌，李佩琳，劉曼君.世界工程教育認證的發展趨勢[J].高等工程教育研究，2019（5）：5-10.

[4]陳渝，向勇.“操作系統”課程實驗教學探討[J].計算機教育，2009（14）：135-136.