“操作系統”實驗課程分層教學探討

駱斯文　吳京慧　廖國瓊　蔣　劍

摘要:本文分析了我校“操作系統”實驗教學的現狀,針對存在的問題和課程實驗教學改革的要求,提出了分層、分階段的實驗構想,以逐步引導和激發學生學習熱情,并調動學生積極思維和提高創新能力。

關鍵詞:操作系統;實驗教學;分層體系結構

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

我校是一所以經濟、管理類學科為主,法、工、文、理等學科協調發展的多科性大學。信息管理學院的計算機科學技術與信息管理專業開設了“操作系統”課程。近幾年來,學院圍繞著培養創業型人才的辦學理念和專業課程建設的指導思想,在該課程的實驗教學環節進行了諸多實踐改革嘗試和理論研討。

“操作系統”是一門理論性很強的課程,教材原理性內容相對抽象,難以理解,因而必須輔以實驗環節加深學生對理論知識的消化,進而深刻理解操作系統的本質,從而在未來的工作中利用所學到的知識解決實際的問題。為此,我校“操作系統”課程組圍繞“大學計算機實驗教學主要包括原理驗證性實驗、綜合性實驗和創新性實驗三個環節”的指導思想進行了深入剖析,努力尋找一個適合我校實際情況的“操作系統”實驗課程方案。本文將結合我校實際教學情況,探討操作系統分層次實驗教學方案。

2我校“操作系統”教學現狀

雖然在以往“操作系統”課程的教學中我們取得了不少經驗,但尚存在諸多不足,很多地方有待進一步的研討及改善,針對實驗環節存在的問題有以下幾個方面。

(1) 理論課與實驗性課程相對獨立

長期以來,在專業課程的設置中,我們將“操作系統”課程教學分成兩門課,一門是“操作系統”,屬于專業必修課,在大二下學期開設,沒有配置實驗教學課時;另一門是“Linux操作系統”,屬于專業選修課,在大三上學期開設。對于前者,教師在課堂內主要講授操作系統原理相關內容,學生只在課余自行做一些驗證性實驗來消化理解部分理論知識。對后者,以Linux為實例全面介紹操作系統的管理功能進行教學,主要介紹Linux實現原理并配置32學時的實驗課時,但實驗內容未做系統規劃,實驗體系結構不完整,并缺少層次性。要求學生完成的只是一些基礎驗證性及簡單應用性實驗,無法讓學生全面理解操作系統的本質。

(2) 專業課程設置學時不足

由于學校采用學分制,為了讓學生能在前三年修滿基本學分(使得學生在四年級時專注于畢業論文、實習和找工作),我校在制定教學計劃時將大部分課程安排在前三學年,這種壓縮式的安排對專業課程形成了沖擊,使得教學計劃中的專業課課時數不得不擠壓(一部分課程壓縮了實驗課時)。同時,由于學生每學期所修課程較多,難以有時間和精力來完成復雜的綜合性實驗,而具有創新性的、工程項目式的設計性實驗更是無法開展。

(3) 實驗設置缺乏層次性

實驗設置沒有考慮實驗對象群體的差異性以及實驗內容上的循序漸進、難度逐漸增加的層次性,對學生創新能力的培養不利,未能體現素質教育的宗旨。主要內容停留在對主流操作系統(Windows和Unix/Linux) 的命令使用、系統配置管理等驗證性實驗,以及編寫程序來模擬實現操作系統中的一些數據結構及算法。所有學生做相同實驗,實驗難度相同,學有余力的學生缺少激勵,其潛能得不到挖掘。這些內容雖然對學生了解操作系統框架結構、去除操作系統的神秘感是有所裨益的,但對學生深入理解系統內核整體結構、內核的運作機理、系統綜合設計能力的培養沒有太多幫助。

(4) 專業課程設計缺少相應的內容

雖然針對高年級學生也開設了“專業課程設計”課,但學院對專業培養的目標定位在培養應用性人才上。學生選修課程設計時大部分并不選擇操作系統這一方向(大部分學生選擇應用軟件的開發,如相對簡單一些的MIS系統開發,這是一個不爭的事實)。學生學習“操作系統”的目的停留在運用好操作系統,使得計算機系統的軟、硬件資源利用率能最大化,以及維護系統的平穩運行等上面,而不去考慮將來如何去設計、開發和修改操作系統功能。

3我校“操作系統”實驗教學內容分層體系的構想

針對我校“操作系統”教學目前的現狀,“操作系統”課程組提出了從課程設置和實驗內容上進一步改革課程體系、內容的方案。

教學計劃的制定以“素質教育、能力培養”為指導思想,內容上要體現“以人為本,因人而異”。在“操作系統”教學大綱中增加實驗環節內容,增加教師全程指導的課內實驗課時。實驗的體系結構從內容的選擇、層次結構、實驗平臺三個角度來考慮。

(1) 實驗內容的選擇

在選擇實驗內容時,從操作系統的基本原理出發,將實驗內容組織成四部分:驗證性觀察性實驗、算法模擬性實驗、利用系統調用進行應用性綜合性實驗和創新性設計性實驗。

① 驗證觀察性實驗主要包括:利用操作系統的shell命令完成系統的一些管理工作、利用系統提供的一些工具觀察程序運行期間系統如何進行管理及調度(如Solaris中的MDB和DTrace工具)。通過這些實驗學生可以體會系統的管理過程,加深對原理性內容的理解。

② 算法模擬性實驗主要包括:利用C或C++程序設

計語言來模擬實現操作系統的部分功能(如進程的調度和內存分配),指導學生閱讀分析Linux操作系統相應功能的開放源代碼并進行分析比較,總結實驗的得與失。將抽象的概念消融在具體的代碼實現中,讓學生加深對現代操作系統的認識理解和運用。

③ 應用性、綜合性實驗主要包括:利用操作系統提供的系統調用接口來編寫并發程序,讓學生選做一些網絡應用程序,數據庫應用、管理程序,或某些設備的驅動程序。通過這些實驗將學生學習過的其它計算機課程知識與操作系統理論知識緊密聯系起來,達到對計算機部分領域知識的融會貫通。

④ 創新性、設計性實驗主要包括:對部分有能力的學生,鼓勵、幫助他們大量閱讀、分析操作系統源代碼,使得他們掌握操作系統的整體結構和設計思想,安排他們嘗試編寫代碼來替換或擴充具體操作系統的功能,甚至組織興趣小組來試著構建一個簡單、但功能完備的小型操作系統。

(2) 實驗層次的劃分

根據上面確立的實驗內容,將試驗劃分成三個層次,內容由淺入深,并按層次組織實驗對象單位,實驗難度按層次由上向下逐漸增加,參與不同層次的實驗對象所要求掌握的知識結構也有所不同,具體如圖1所示。

第一層實驗內容相對簡單,實驗安排在大二下學期“操作系統”課內實驗計劃中,全體專業學生都要選修。此時學生對程序設計語言工具掌握駕馭不足,可由課任教師負責指導、助教輔助組織實施。

第二層實驗安排在大三上學期的“Linux操作系統”課內實驗計劃中,有興趣選修的學生數量相對較減少,可將學生分組選題開展實驗,由課任教師直接負責并組織實施。

第三層的實驗難度大,留到大四學生有充足時間時開展,實行導師負責制。由導師出題,將學生組織成課外科研小組,結合當前主流操作系統開展研究性活動。對有一定價值的研究課題可直接轉入到畢業設計范疇。

(3) 實驗平臺的選擇

實驗平臺的選擇應結合目前操作系統的發展趨勢,并充分考慮學生將來的就業口徑。

我們的專業是設置在財經院校的框架下,將來有很多的學生可能就業在金融業、電信業、保險業、商業等行業,這些行業選擇用的操作系統是我們選擇實驗平臺應優先考慮的,另一個因素是系統源代碼是否開發、網絡上的互動學習社區是否豐富。綜合考慮這兩點,我們選擇了Linux和Solaris作為實驗平臺,而且它們都提供了交互式多任務的終端,易于學生觀察分析現代操作系統的多線程機制。值得欣喜的是,它們還同屬一個家族,學習的負擔不至于太重。