“計算機操作系統”實驗教學的改革與創新

摘要：本文結合“計算機操作系統”課程的特點，分析了發達國家實驗教學開設的狀況，有針對性地提出了計算機操作系統實驗的設計思想、教學內容及其教學模式。

關鍵詞：計算機操作系統；實驗教學；工程能力培養；創新能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0061-03

1引言

計算機操作系統課程是理論性和實踐性都很強的學科，計算機操作系統實驗教學作為課堂教學的繼續，不僅是計算機教學中不可缺少的重要環節，也是計算機教學成效的初步體現。近年來我院計算機實驗教學中心從多方面加強計算機操作系統的實驗教學工作，措施之一就是改進和優化實驗課程的設置，分層次、立體化地安排實驗課程的內容，從而加強對學生動手能力的培養，促進了學生基本技能和工程實踐能力的提高。

2發達國家大學實驗教學狀況

美國密歇根大學工學院機械系三、四年級共開設15門課程記56個學分，其中：主干課6門(6×4)，設計課3門(3×4)，大實驗課2門(2×4)、其他課程4門(4×3)。由此可見，其中設計課程、實驗課程共計5門20個學分，占課程總數的1/3，占學分總數的1/3強。

麻省理工學院(MIT)加強學生工程實踐能力訓練的辦法是讓學生利用課余及假期進入科研或直接參與企業的某一項目。為此分別擬訂了不同的實踐計劃，目前實施的計劃有：

(1) 本科研究導向計劃(UROP)：該計劃要求學生在教授指導下完成某些研究性實驗，有70％~80％的本科生進入該計劃；

(2) 本科實踐導向計劃(UPOP)：該計劃與企業結合，組織學生參與企業中的某項設計或工程實踐，有30％本科生進入該計劃；

(3) 技術創業計劃：該計劃只有少數優秀學生參與，著重強調探索與創新，甚至允許學生自己辦個小公司去實施。

從以上的例證中我們可以發現以下幾個共同點：

(1) 實驗課程的課時和學分比例都在全部課程的1/3以上；

(2) 實驗教學完全面向具體工程，培養學生的動手能力和創新能力；

(3) 實驗教師有豐富的工程實踐經驗；

(4) 實驗教學計劃是動態的，修改的依據是實際工程需要。

3精心構建“計算機操作系統”課程實驗體系

為使學生更好地掌握操作系統知識，針對該課程內容復雜、涉及面廣、實踐性強等特點，課程組不斷跟蹤國內外著名計算機專業教學計劃，結合實際教學經驗，精心構建操作系統課程體系和實驗體系。以“計算機操作系統”為核心配套形成豐富的實驗內容，將實踐教學分為三個層次四種類型，具體包括：操作系統基礎實驗、操作系統原理實驗、基于操作系統程序設計和操作系統內核綜合實驗，如圖1所示。課程內容與實驗間相互促進，理論與實際緊密結合，由淺入深、循序漸進，覆蓋主流系統平臺，結合應用編程，取得了理解、抽象、思考、實驗、設計和掌握知識結構和應用技術的成功。

本課程的實踐教學環節包括三個層次，即課程實驗、應用實驗和綜合實驗。在實踐過程中，充分發揮師生互動的作用，充分利用“實驗室課堂”和“案例庫”，完成相應實踐過程，達到能力訓練和啟發創新的目的。

1) 課程實驗

含系統上機操作等過程，是一種體驗性的實踐，實踐平臺包括當前主流操作系統(Windows和Unix/Linux)。

2) 應用實驗

主要完成模塊設計和程序設計，是難度較大的實踐環節，通過案例復現和模塊替換實驗等，掌握技術實現和模塊設計的方法與技巧。

3) 綜合實驗

較大型的綜合實驗，可以與操作系統應用技術結合，可以以學生團隊方式參加。根據情況，部分課題可以拓展到本科畢業設計課題完成。

根據不同的實驗層次，設計了四種實驗類型，即操作驗證型、技術應用型、模塊設計型、綜合型四種類型：

1) 操作驗證型實驗屬于操作系統實際操作，目的是讓學生熟悉目前流行的多用戶、多任務操作系統，激發學習興趣，為理論課程的學習提供基礎。包括系統配置、命令使用、Shell語言、系統安裝等；

2) 技術應用型實驗是操作系統原理技術實現，從系統軟件和結構的基礎上理解設計和實現過程，聯系Windows/UNIX兩類主流操作系統，理解系統整體框架、各種不同算法、軟件設計架構、功能實現特點、安全機制實施等內容，使抽象能夠與設計結合，與實際的操作系統相聯系，去除操作系統的神秘感和復雜感，隨課開設的操作系統原理實驗指導學生設計系統中的各種數據結構及算法，比較算法性能，使學生理解和重視設計原理。包括算法設計、結構編程、模塊替換等；

3) 模塊設計型實驗是操作系統的模塊設計，引入開放系統和開放源碼技術，利用Shell設計和C對系統核心編程，掌握并積累基于現代操作系統環境的編程經驗。包括調度、分配、并發、管理等；

4) 綜合型實驗(含課程設計)是操作系統應用設計，是在前面實驗的基礎上對學生綜合能力的訓練，供有一定基礎、并對操作系統有關內容感興趣的學生選擇。本實驗在前面知識的基礎上，有重點地分析開源Linux系統內核源代碼并設計出相關系統模塊，培養學生的綜合設計能力，激發學生的創新能力，達到對本課程內涵的深入理解和靈活運用。

通過分類型和階段的實踐過程，加強了學生系統編程與內核模塊設計的能力，使學生對課程的重點和難點，如多道程序、進程調度和切換、并行與并發、資源分配和沖突的解決、系統對外的連接、系統軟件的架構和應用切入模式等都有了更加深入的認識，加深了課程內容的理解和運用，創新效果明顯。

4實驗體系的特點與創新

1) 注重實踐環節，強調能力培養，合理進行學生考核

計算機實驗教學中心利用較好的實驗室條件，開設“實驗室課堂”，構建“操作系統案例庫”，結合課程實驗、應用實驗和綜合實驗加強學生系統編程與內核模塊設計的能力。這些案例既作為教學，也供學生自行設計或復現，優秀作品又進入案例庫循環，使學生能即學即用，及時發現和解決問題，對抽象概念通過實踐環節理解，拓展深層次思考，對學生的能力訓練收到很好的效果。

2) 立體化、分層次設計實驗體系，全面培養學生創新能力

本課程的實踐教學分為三個層次四種類型。其中，課程實驗主要解決學生對“計算機操作系統”中主要技術原理、算法的理解和設計問題。應用實驗主要訓練學生對典型操作系統的具體實現技術的掌握；綜合設計實驗(含課程設計)主要訓練學生面對實際的操作系統進行綜合分析、方案設計和具體設計操作系統的綜合解決能力。

3) 實驗環節面向具體操作系統，強調工程化設計

根據目前發達國家對學生工程教育的培養，結合我國學生大學畢業后普遍存在動手能力較弱和缺乏工程實踐能力問題，提出以計算機操作系統中的具體工程技術問題為主線開發設計實驗，使開發出的實驗具有很強的工程性、實踐性和實用性。

4) 實驗形式以項目方式下達和管理，體現設計性和工程性

對于綜合設計型實驗，在實踐教學中沒有給出學生具體的實驗方法步驟，也不要求學生按某個固定方法步驟進行實驗。而是以項目方式下達實驗任務，學生按照任務書的要求，利用軟件工程的設計方法，自行進行需求分析、擬定項目規劃設計方案并組織實施，從而體現了實驗過程的設計性和工程性，培養和鍛煉了學生的獨立工作能力和創造性思維能力。

5結束語

為加強“計算機操作系統”課程的教學效果、提高課程教學質量，使內容具有系統性，形成積極的、充滿生機活力的教學機制，在實踐教學過程中建設了與課程配套的多層次的實驗內容，充分發揮師生互動的作用，利用優良的實驗環境，設計新的實驗教學模式，完成相應實踐過程，從而達到對學生能力訓練和啟發創新的目的。

參考文獻

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