“計算機操作系統”課程教學改革的研究與實踐

文志強　朱艷輝　朱文球　鄧曉軍

摘要:本文從“計算機操作系統”課程教學、實踐教學等方面進行了探討和實踐,提出了優化課堂教學和加強實踐教學方法,并從理論教學的角度進行了有益的探索。最后,結合具體實踐闡述了如何引導學生正確看待課程學習的方法,為相關課程教學的改革提供參考。

關鍵詞:操作系統;理論教學;實踐教學

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1前言

“計算機操作系統”是計算機及相關專業的重要專業基礎課,所有高等院校中的計算機科學與技術專業都開設了“計算機操作系統”課程,并作為專業核心課程給予重點建設。該課程教學的目的在于使學生掌握操作系統的基本概念、原理、方法和技術,掌握和應用操作系統,使學生既能熟練掌握理論知識,又具有較強的動手能力,為今后的學習和工作打下堅實的基礎。“計算機操作系統”課程講述一類系統軟件的實現方法,具有概念多、理論性強、知識點多的特點,學生在學習過程中往往感到非常抽象和難以理解。隨著計算機技術的發展,操作系統的功能越來越強大,不斷涌現出各種新技術,同時,由于課時的有限性和教學內容的豐富性,因此,在教學活動中,如何盡可能清楚和全面地為學生講解操作系統的特點和新技術發展趨勢,對任課教師來說具有很大的挑戰性。另外,現實中學生的各種觀念,如“重技術輕理論”的思想,使得學生不重視對“計算機操作系統”等一些基礎理論課程的學習,出現經常逃課的現象。最后,在實際教學環節中,由于實踐的內容太難或實驗內容太多,學生難以在課內完成,學生的動手能力和創新能力得不到有效的培養。學生感覺到所學習的知識在后續課程中很少涉及,學習積極性差等。針對此,本文從理論教學和實踐教學兩方面進行了深入探討,目的在于提高學生的學習積極性和主動性,提高教學效果。

2優化課堂教學

2.1教學內容的選擇

操作系統是配置在計算機硬件上的第一層軟件,是對硬件的第一次擴充。其它所有的系統軟件和應用軟件都必須依賴于操作系統的支持。本課程主要從處理機管理,存儲管理,設備管理,文件管理和用戶接口的角度介紹操作系統的基本原理,并輔以Unix系統為實例進行介紹,以補充實踐知識。

2.2教學方法與教學手段的改進

(1) 教學方法的改進

在教學中,充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用,教師實行啟發式教學,把培養學生學習興趣作為入門向導,改變以教師為中心的課堂教學方式為教師控制下學生互動式課堂教學方式或師生合作探討式課堂教學方式。在學生的學習過程中,做到有疑問、有思考,帶著問題去學習,效果會更好,效率也高。以學生為中心的課堂教學模式,使教師由單一的知識傳授者改變為學生學習的指導者,活動的組織者。積極不斷地革新教學手段,重視現代信息技術和現代教育手段在教學中的應用。使多種先進的教學方法靈活運用,有效地調動學生的學習積極性,促進學生的積極思考,激發學生的潛能,加強對學生知識運用能力的考察。對課程中的難點我們開發了計算機輔助教學(CAI)課件幫助學生理解概念和算法。

(2) 教學手段的改進

“操作系統”作為一門理論性較強的課程,內容比較抽象而難懂,為了克服傳統教學方式中的弊病,使用多媒體投影方式進行課堂教學。電子教案內容簡明、重點突出、圖文并茂,并穿插有自制的或調用的圖形顯示、動畫演示等電子課件。清晰的大屏幕教學界面,教師不受講課順序的嚴格限制,可因材施教,自由往返某一講課內容。也可以方便的插入各種圖片及影音資料,這對突出教學重點,分析課程難點以及激發學生的學習興趣和吸引學生的注意力起到了意想不到的效果。課后輔以在線作業與考試系統,目的在于使學生在課外能及時復習,通過練習達到對理論的理解;網上的在線輔導,使學生的疑問能隨時、及時地得到解答。為讓學生深刻理解操作系統的工作原理創造了良好的環境,使他們不僅具備扎實的專業理論基礎,同時培養他們的實際動手能力。

3探索理論教學

在實踐理論教學中,為了提高學生對“計算機操作系統”課程的認識,主要從以下三個方面進行了有益的探索。

3.1從資源管理者的角度

操作系統是軟硬資源的控制中心,它以盡量合理有效的方法組織單個或多個用戶(進程)共享計算機的各種資源并提供使用接口。包含三層含義:說明操作系統是資源的管理者,主要功能是組織用戶使用各種資源,組織的方式是以接口形式提供服務。操作系統作為一個管理者如何來管理系統中的資源呢?使用類比的方法,如把操作系統類比為某軟件公司的總經理,總經理為了人盡其才,首先要了解員工的特點:如員工的學歷、專業、愛好和特長等,然后根據員工的特點安排恰當的崗位。總經理的人事安排是否合理的評價標準是公司是否穩定和諧,是否取得更大的經濟效益。那么對于操作系統來說也很類似,操作系統根據各資源不同的特點安排不同的使用機制,如資源有兩種共享使用的方法:時分和空分。時分就是指由多個用戶(進程)分時地使用該資源,典型設備有處理機、I/O控制器、網卡。所謂空分是針對存儲資源而言,存儲資源的空間可以被多個用戶(進程)共同以分割的方式占用,典型設備有內存儲器、外存儲器。而時分共享又有兩種不同的使用方法,獨占式共享使用和分時式共享使用。獨占式共享使用指多用戶(進程)分時使用,獨占則表示某用戶(進程)占用該資源后,執行了對資源的多個操作,使用了一個完整的周期,例如打印機的使用方式。分時式共享使用指用戶(進程)占用該資源無需使用一個邏輯上的完整周期,例如處理機使用和磁盤的I/O訪問方式。

教材所講述的內容包括這幾種資源共享使用方式。如處理機管理,需要讓一個程序沒有運行完畢就放棄CPU而讓另一個程序占用CPU,因此需要對程序的運行過程進行描述,因此引入了進程的概念,從而產生進程的狀態轉換。而進程狀態轉換時需要有進程的切換和進程的調度。對于內存存儲器的管理來說,主要涉及到三個問題:“取”、“放”和“替換”問題,在課堂上主要介紹“放”的問題,對于“放”來說,就有連續和非連續的問題,因此又有兩類“放”的方法,連續和非連續方法。講授時,主要體現存儲管理的空分特點。設備管理主要管理除了CPU和內存儲器以外的所以設備,設備種類多且復雜,因此需要對設備進行分類以便采取相應的管理措施。文件管理主要是針對外存儲空間上的文件管理,管理方式與內存管理相似,但由于文件數量大,涉及到目錄結構的問題。這樣找出每一部分的核心內容,學生對整個教材有一個全面的理解,有利于每部分的教學。

3.2從軟件開發的角度

“計算機操作系統”是一門理論性較強的課程,同時也是一門應用性較強課程。雖然教材中介紹了一些基本原理,方法和技術,但對于實際的操作系統(如Unix)來說,是一個系統軟件,也就是說是一個很大的軟件,涉及到軟件開發的方方面面。另一方面,對于學生來說,前修課程只學過C/C++語言等,熟悉的程序都很小很短的,從沒接觸過大型的程序,學生對操作系統的了解只是停留在操作上。因此,對于操作系統的學習,是一個很好了解實際大型軟件的機會,同時,也是一個理解大型軟件開發過程的機會。于是,在授課時,我們融入一些軟件開發的思想,讓學生具有軟件開發的概念。我們采用的如下方法。

(1) 要求學生了解Unix的源代碼(不一定要看懂),讓學生感受實際大型軟件的魅力,了解實際軟件與學生平時做作業時編寫程序的區別。

(2) 在介紹操作系統類型時,融入用戶需求分析的思想,使學生知道,不同類型適合于不同類型的用戶。在設計操作系統時要深入調查和研究,挖掘用戶的需求,用戶的需求也是促進操作系統發展的一個重要因素。

(3) 在介紹操作系統體系結構時,可結合當前流行的體系結構來一起學習和比較,并結合具體的操作系統(Unix操作系統),來介紹系統設計、數據結構設計、算法設計和系統實現等。

3.3從技術發展的歷史角度

“計算機操作系統”課程主要介紹操作系統的基本原理、方法和技術,這些方法技術都是從簡單到復雜,從低級到高級演化發展。因此在講授時,注重比較這些方法的優缺點,注重循序漸進,層層引導,最后介紹當前操作系統的新技術。比如存儲管理的講授,從連續空間的分配管理方法到不連續空間的分配管理方法(頁式管理,段式管理,段頁式管理),再到虛擬存儲管理,最后介紹Unix操作系統、Windows操作系統的管理方式,這樣給學生有一個很清晰的思路。

4強化實踐教學

4.1實踐教學的內容

“計算機操作系統”是一門實踐性很強的課程,只有通過實踐教學來加深學生對操作系統的理解,這是唯一的一條解決途徑,也是很有效的途徑。通過對操作系統某些很重要概念或技術的實驗來加深對操作系統原理的理解,可達到事半功倍的效果。而“操作系統”課程實驗是鞏固前修課程所學知識,加深對軟件的理解和認識的一個有效途徑。課堂的講解很抽象,經過實驗以后,可達到升華的效果。為了加強實踐性教學,我們在“計算機操作系統”課程中設有10個課時的實驗,而且還增開了“計算機操作系統課程設計”。

“計算機操作系統課程設計”是在完成專業基礎課和“計算機操作系統”課程的基礎上,設計實際操作系統的某些功能,旨在加深對計算機操作系統原理的認識,初步掌握操作系統組成模塊的功能及設計方法,提高工程設計和系統分析的能力,為畢業設計和以后的工程實踐打下良好的基礎。

課程設計的主要目標是:鞏固和加深對操作系統原理的理解,提高綜合運用本課程所學知識的能力;培養學生選用參考書、查閱手冊及文獻資料的能力,培養獨立思考、深入研究、分析問題、解決問題的能力;通過實際操作系統的分析設計、編程調試,掌握系統軟件的分析方法和工程設計方法;通過課程設計,培養學生嚴謹的科學態度,嚴肅認真的工作作風,和團隊協作精神。

“計算機操作系統課程設計”包括以下六個方面:(1)進程管理演示;(2)存儲管理系統設計;(3)編程序模擬銀行家算法;(4)磁盤調度算法的實現與分析;(5)文件系統演示;(6)其他與操作系統相關的內容。學生從上述內容中選取其中一個進行課程設計,具體安排由指導教師給出,如果選擇第(6)項,則需要經過任課老師的同意。課程設計的時間為一周,共24課時。課程設計的實驗環境可選用Linux操作系統和gcc編譯器,因為Linux系統的源代碼公開,且提供大量的系統調用函數可供設計時使用;目前也有大量介紹這方面的書籍,可供學生方便查找資料。

雖然在課程設計之前給出了具體的設計內容,但設計的方法是多種形式的。不同的操作系統具有不同的設計形式,這樣,學生可根據實際情況或自己感興趣的內容進行設計。如進程管理的演示,每種類型的操作系統具有不同的表現形式,學生可選擇其中一種,這就要求學生查找大量的資料,而且也可避免雷同的情形。除了指定的設計內容以外,學生可根據興趣選擇其他與操作系統相關的內容,如嵌入式操作系統的內容,設備驅動程序的設計等,同時,指導老師可結合科研的需要給出一些設計內容供學生選擇。指導老師也可根據學生的興趣和完成的情況,適當引導學生進行更深入的研究和實踐,或成立興趣小組,作為計算機作品來進行開發或作為畢業設計的內容。

4.2實踐方法的探索

(1) 課程組織形式

對于實驗來說,主要通過實驗講解和學生上機的方法來完成,每人一臺計算機,且獨立完成。對于課程設計,采用如下一些靈活的形式。

① 以分組的方式組織課程設計。按照一定的方式分組,每一組負責一個課程設計任務,并且每組設置組長負責課程設計內容的總體設計和組內任務分工,則內成員之間既是一種相互獨立的關系,又是一種相互協作的關系。

② 以組長為中心的課程設計管理方法。組長相當于實際軟件開發的項目經理。組長負責考勤、分工、主持組內討論、總結匯報等,同時也負責部分設計任務。

③ 以競賽的方式激勵學生的積極性。負責相同課程設計任務的組之間開展競賽,按時間的快慢,完成的程度,設計方法的優良來決定優勝,并給出相應的成績。

(2) 教師指導方法

針對課程設計的指導,主要指導形式如下:

① 整體講解,在開始課程設計之前,對每個設計內容、設計方法、設計步驟等進行整體講解,給學生有一個整體影響和開始設計的思路。

② 參與學生的討論,組長召開組內討論,可邀請指導老師參與,指導老師可針對學生提出的問題或者討論的結論給出一些指導性意見。

③ 組織組間討論,將進行相同內容課程設計的組組織起來進行討論和指導,主要討論一些普遍存在的一些問題或者難點問題。

④ 疑難解答,單獨指導,對于單個學生提出的疑點問題進行單獨輔導。

5正確引導學生看待課程學習

“操作系統”課程在計算機專業的知識體系結構中占據著非常重要的地位,它既需要“微機原理”、“程序語言設計”、“數據結構”等課程的支持,同時為“軟件工程”、“數據庫原理”、“計算機網絡”等課程的學習及軟件開發技能培養提供知識保障和鍛煉,是一門承上啟下的課程。在授課過程中,可先介紹課程學習的前續課程和后續課程及共同回顧需要的已學知識點,如需要數據結構中的鏈表、隊列、棧結構等方面的知識。另外,在實踐過程中,特別強調與C語言程序設計、數據結構的結合。在講授理論時,也會介紹某個方法的實現過程,以便學生能將學習的知識跟實踐聯系起來,提高學生對編程的理解。通過這種方式,在課堂上引導學生明白,對“計算機操作系統”課程的學習,不僅僅是學習新知識過程,而是一個綜合已學知識及其應用的過程。

6結束語

對大學教師來說,教學是教師很重要的任務,為了完成教學任務,提高教學質量,對教學改革的探索與實踐是很有意義的事情。教學改革不僅可以不斷提高授課技巧、積累教學經驗,而且還能獲得學生、學校和社會的認可。本文從課程教學改革方面進行了一些的探索,這種探索由于經驗和能力的有限,本身就不是很完善。本文的探索只是筆者在“操作系統”的教學過程中的一點心得體會,希望能與同行分享。

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