“操作系統(tǒng)”國家精品課程建設(shè)總結(jié)

羅　宇　鄒　鵬　吳慶波　毛曉光　尹俊文　鄧勝蘭　寧　洪　文艷軍

摘要:本文重點介紹國防科大計算機學(xué)院“操作系統(tǒng)”課程特色及主要建設(shè)成果,全面總結(jié)了我院“操作系統(tǒng)”教學(xué)實施的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);教學(xué);精品課程

中圖分類號:G642 文獻標(biāo)識碼:B

從1980年開始為文革后恢復(fù)高考的第一批本科生開設(shè)了“操作系統(tǒng)原理”課程。此后,我們依托銀河系列操作系統(tǒng)開發(fā)的科研優(yōu)勢,及時將操作系統(tǒng)的新概念、新思想和新技術(shù)引入到教學(xué)內(nèi)容中,制定教學(xué)大綱、開展教學(xué)改革、改編教材和引進實驗,全面而系統(tǒng)地進行了“操作系統(tǒng)”課程建設(shè)。

1課程特色

(1) 依托國家大型科研項目建設(shè)操作系統(tǒng)教師隊伍,具有豐富實踐和工程經(jīng)驗的教師為原理和理論賦予了靈活、生動的真實感。

(2) 原理和實踐相結(jié)合,是國內(nèi)最早開設(shè)“操作系統(tǒng)綜合課程設(shè)計”的院校之一。跨越技術(shù)、合訓(xùn)等多種需求和不同應(yīng)用目標(biāo)的學(xué)員,形成了教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的綜合性、設(shè)計性和自主性的特色。

(3) 發(fā)揮計算機軟件與理論國家重點學(xué)科優(yōu)勢,適應(yīng)學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)的調(diào)整,與國際先進技術(shù)同步更新教學(xué)內(nèi)容,持續(xù)性的教材建設(shè)蘊含技術(shù)發(fā)展和學(xué)校發(fā)展的節(jié)奏感。

2課程建設(shè)主要成果

“操作系統(tǒng)”課程建設(shè)二十多年來,從課程設(shè)置到教學(xué)環(huán)節(jié),從教學(xué)內(nèi)容到教學(xué)方式方法各方面的教改教研工作從未停止過。近五年的教改教研成果概括起來主要有以下幾個方面。

2.1針對操作系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展變化,統(tǒng)籌建設(shè)“操作系統(tǒng)”系列課程

通過認(rèn)真分析UC Berkeley、Stanford、MIT、CMU等名校的操作系統(tǒng)有關(guān)課程,根據(jù)ACM/IEEE的CC2001、2004和敎指委CCC2002等指導(dǎo)性文件的知識點,結(jié)合近年來操作系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化、高可信、多核、虛擬化等技術(shù)的飛速發(fā)展,我們梳理了本科生、研究生操作系統(tǒng)方面的課程設(shè)置。特別對教學(xué)內(nèi)容進行了梳理,隨著一些技術(shù)的成熟,將一些教學(xué)內(nèi)容下移到本科生的課程中來。目前我們設(shè)立了“操作系統(tǒng)”、“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”本科生課程,設(shè)立了“高級操作系統(tǒng)”、“操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)”、“分布式系統(tǒng)”、“實時系統(tǒng)”等研究生課程。課程設(shè)置涵蓋了操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)高級技術(shù)、實用操作系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)各個方面。充分強調(diào)了實踐及實用課程的設(shè)置,滿足我院不同類型學(xué)員培養(yǎng)的需要?！安僮飨到y(tǒng)”系列課程建設(shè)內(nèi)容為我院教改成果“計算機科學(xué)與技術(shù)課程體系創(chuàng)新建設(shè)與實踐”的主要內(nèi)容,2006年獲“軍隊和國家教學(xué)成果”一等獎。

2.2結(jié)合銀河系列巨型機操作系統(tǒng)的重大工程,以科研促教學(xué),不斷提升教學(xué)水平

“操作系統(tǒng)”課程是一門工程性強的基礎(chǔ)課程,我校的“操作系統(tǒng)”課程是隨著銀河巨型機的發(fā)展而建設(shè)的,銀河系列巨型機是我國重大科技攻關(guān)項目,難度大,操作系統(tǒng)的很多技術(shù)都可以在工程中得到充分驗證和體現(xiàn)。課程組的許多老師都先后主持了銀河巨型機的操作系統(tǒng)研制工作,以及主持過銀河智能機操作系統(tǒng)研制,他們曾經(jīng)是或當(dāng)前還是研制銀河系列機操作系統(tǒng)的一線骨干,積累了豐富的工程經(jīng)驗,從而為深化“操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容改革提供了良好的技術(shù)支撐,確保該課程的技術(shù)內(nèi)容與時俱進,始終站在國際最前沿。許多老師都獲得過國家及部委級科技獎勵。

2.3抓住國家操作系統(tǒng)戰(zhàn)略發(fā)展機遇,依托教育部國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件工程中心、操作系統(tǒng)湖南省工程研究中心,對“操作系統(tǒng)”實驗教學(xué)進行改革,學(xué)生屢獲國際國內(nèi)大獎

十五期間國家設(shè)立了軟件重大專項,旨在突破國產(chǎn)操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),計算機學(xué)院承擔(dān)了銀河麒麟操作系統(tǒng)的研制工作,是目前國內(nèi)安全等級最高的操作系統(tǒng),為此,教育部批準(zhǔn)了國防科大計算機學(xué)院成立教育部國產(chǎn)基礎(chǔ)軟件工程中心,為人才培養(yǎng)服務(wù)。湖南省發(fā)改委還批復(fù)國防科大計算機學(xué)院成立了操作系統(tǒng)湖南省工程研究中心,希望國防科大通過國家重大專項為湖南省培養(yǎng)更多優(yōu)秀的人才,并且能不斷轉(zhuǎn)化操作系統(tǒng)產(chǎn)品。針對國家、省里的要求,我們在不同教學(xué)層次上對“操作系統(tǒng)”實驗環(huán)節(jié)教學(xué)進行改革。在改進現(xiàn)有“操作系統(tǒng)”課程實驗的基礎(chǔ)上,又精心設(shè)計并開設(shè)了“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”本科生課程,涉及操作系統(tǒng)內(nèi)核的綜合實驗,強化綜合性和設(shè)計性。我們的改革既符合國際潮流,也為國內(nèi)高校實驗課程設(shè)置作出了表率。在培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力方面成績斐然,學(xué)生在操作系統(tǒng)方面獲得了一系列獎項:褚瑞的“Windows加速器”獲得“全國第七屆挑戰(zhàn)杯”一等獎、汪黎的Linux項目獲首屆“中國開源軟件競賽”銀獎、章文嵩的LVS被Linux國際社區(qū)接納為Linux內(nèi)核標(biāo)配,我院學(xué)員在“全國開源大賽”中兩次獲得團體冠軍。由老師和畢業(yè)學(xué)生參與的銀河麒麟操作系統(tǒng)2005年獲“教育部高校十大科技進展”。

2.4積極將科研成果和國際權(quán)威操作系統(tǒng)教材新版內(nèi)容反映到教材建設(shè)當(dāng)中,進一步加強操作系統(tǒng)教材建設(shè)

從80年老一輩王鴻武老師出版第一本操作系統(tǒng)教材,教材內(nèi)容更新不斷線。歷年出版的自編教材如表1所示。其中王鴻武老師編寫的《操作系統(tǒng)》教材以實際操作系統(tǒng)為背景,引領(lǐng)了國內(nèi)案例教學(xué)教材建設(shè);鄒鵬老師編寫的《操作系統(tǒng)原理與方法》把當(dāng)時國外教學(xué)先進內(nèi)容引入自編教材;2000年以后我們根據(jù)課程設(shè)置的調(diào)整以及強化實踐環(huán)節(jié),我們編寫了Linux操作系統(tǒng)綜合實驗的有關(guān)教材,根據(jù)技術(shù)進步和操作系統(tǒng)開發(fā)需要出發(fā)大幅調(diào)整操作系統(tǒng)教材內(nèi)容;2003年出版的《操作系統(tǒng)》一書從操作系統(tǒng)工程的角度對相關(guān)原理和技術(shù)進行了介紹,并于2007年更新為第二版;2009年出版的《操作系統(tǒng)》一書則主要面向應(yīng)用型的操作系統(tǒng)教學(xué)需要。

2.5通過與國內(nèi)外一流高校、研究機構(gòu)密切交流與合作,借助開源軟件社區(qū),進行操作系統(tǒng)技術(shù)和教學(xué)交流

邀請Berkeley大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、微軟公司、Intel公司、Sun公司、聯(lián)想公司、華為公司和麒麟操作系統(tǒng)研制人員給老師和學(xué)生上課或作技術(shù)講座,不但提高老師的知識面,同時也吸引學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的興趣。老師也積極參與國內(nèi)外會議進行教學(xué)和技術(shù)交流。

2.6總結(jié)了一套因材施教的教學(xué)方法

在教學(xué)方式上進行不斷探索。針對學(xué)生特點采用不同教學(xué)方法、考核評價方法,使學(xué)生更好、更扎實地掌握知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。通過提出要解決的問題,使用啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生思考解決問題的辦法;在批判式講解比較簡單算法的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生找問題并進行算法改進;在實驗課程設(shè)置、課后實驗、課堂舉例三個層次進行案例式教學(xué);另外充分利用操作系統(tǒng)實用程序、工具演示操作系統(tǒng)概念、原理、技術(shù)和方法;引入多種評價方法,考試實驗并重。通過各種方法的綜合應(yīng)用,取得了較好的教學(xué)效果。

3本科“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)的一些具體措施與方法

操作系統(tǒng)系統(tǒng)龐大、概念以及功能實現(xiàn)復(fù)雜。傳統(tǒng)的講授要不就是層次太高抽象難懂,要不就是只看到局部算法不能理解全局處理過程。課程小組在本科“操作系統(tǒng)”課程講授過程中采取了如下措施,以提高課程學(xué)習(xí)的效果。

3.1注重以實踐(實例)幫助知識理解

我們強調(diào)實踐環(huán)節(jié)對操作系統(tǒng)概念、方法的理解作用,對“操作系統(tǒng)”的實驗環(huán)節(jié)教學(xué)進行改革。除獨立設(shè)立“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”本科生課程,涉及操作系統(tǒng)內(nèi)核的綜合實驗,以幫助學(xué)生綜合利用操作系統(tǒng)專業(yè)知識進行操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計外,同時“操作系統(tǒng)”課程也必須做一個綜合性、設(shè)計性實驗,如實現(xiàn)一個命令解釋器,通過實驗學(xué)生體會了并行程序設(shè)計思想,使用了操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能。在每一堂課的教學(xué)過程中,還需要用操作系統(tǒng)工具及界面演示操作系統(tǒng)的概念和處理過程。在講解一般算法的同時還進行舉例說明。

3.2豐富教學(xué)手段

本課程的建設(shè)以能力與素質(zhì)的綜合培養(yǎng)為目標(biāo),因此,課程采取了豐富的教學(xué)手段以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識的能力:課堂教學(xué)堅持采取討論式、啟發(fā)式、批判式、案例式、類比式教學(xué)方法,改變滿堂灌的教學(xué)方式,活躍課堂氣氛,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識,改進教學(xué)效果;通過設(shè)計綜合實驗,為學(xué)生提供綜合運用知識、培養(yǎng)科研素質(zhì)的機會,鍛煉了學(xué)生的自主性;綜合實驗的驗收采取演示、講解和答辯相結(jié)合方式,使學(xué)生的科研能力和人文素質(zhì)得到全方位的鍛煉;通過使用多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境,學(xué)生與教師可以在課外進行流暢而生動的溝通,教師利用多媒體交互手段指導(dǎo)學(xué)生開展自學(xué)活動。

3.3課程重點、難點教學(xué)說明

我們根據(jù)學(xué)院操作系統(tǒng)開發(fā)人才必備知識要求及學(xué)生后續(xù)課程要求等,確定了以下重點教學(xué)內(nèi)容:

(1) 操作系統(tǒng)運行機制,中斷/異常處理過程,系統(tǒng)調(diào)用及系統(tǒng)使用接口。在課堂重點說明操作系統(tǒng)內(nèi)核功能程序的運行機制,用與日常生活類比方法講解中斷作用及實現(xiàn)技術(shù),用實際操作系統(tǒng)界面演示操作系統(tǒng)實用程序,在課后實驗中讓學(xué)生編寫一個shell命令解釋器理解系統(tǒng)使用接口并在編程中使用系統(tǒng)調(diào)用。

(2) 進程概念、進程切換和進程調(diào)度。利用實際操作系統(tǒng)演示進程創(chuàng)建和結(jié)束,利用操作系統(tǒng)工具觀察系統(tǒng)中進程的屬性和進程的輪換運行,課堂講解強調(diào)進程調(diào)度切換時機和方法,在課后實驗中實現(xiàn)多進程編程。

(3) 同步互斥原語及應(yīng)用。啟發(fā)式講解同步互斥原語的引入,給出一些不完善的互斥實現(xiàn),引導(dǎo)學(xué)生找出并發(fā)受限或不能互斥的不足或錯誤,并尋找有效解決辦法。采用實例反復(fù)講解原語應(yīng)用。

(4) 頁式虛擬存儲管理中的地址轉(zhuǎn)換及頁面替換。從方便用戶編程的角度提出需求,從充分利用內(nèi)存的角度引入技術(shù),啟發(fā)學(xué)生理解存儲虛擬化技術(shù)實現(xiàn)。

(5) 驅(qū)動程序的構(gòu)成、功能和接口,磁盤驅(qū)動及請求優(yōu)化,緩存技術(shù)。利用實際操作系統(tǒng)驅(qū)動程序文件來增強學(xué)生印象,利用操作系統(tǒng)讀寫文件、執(zhí)行程序的延遲或加速現(xiàn)象說明磁盤請求優(yōu)化和緩存技術(shù)。

(6) 文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)和文件存儲、訪問權(quán)限機制。用與存儲管理類比的方法引出文件系統(tǒng),強調(diào)文件系統(tǒng)的持久性特點,歸納總結(jié)存儲的安全性訪問機制,引導(dǎo)學(xué)生對操作系統(tǒng)資源虛擬化技術(shù)的認(rèn)識。

(7) 線程概念和線程實現(xiàn)。課堂利用實際操作系統(tǒng)演示線程,強調(diào)線程與進程差別,實驗提倡使用線程進行多道程序設(shè)計,比較多線程與多進程編程的開銷和安全性差異。

4總結(jié)

我們的“操作系統(tǒng)”課程在2008年被評為國家精品課程,但是“操作系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容與效果應(yīng)該還需要不斷充實與改進,我們希望拋磚引玉,進一步學(xué)習(xí)國內(nèi)外高?！安僮飨到y(tǒng)”課程建設(shè)的寶貴經(jīng)驗,把我院“操作系統(tǒng)”課程建設(shè)提高到一個新的臺階。