“操作系統原理”課程實驗教學的研究與實踐

張龍翔

摘要:本文提出了以教學操作系統OS Lab為實驗教學平臺,利用Virtual PC模擬器調試和編譯,讓學生實際參與操作系統部分功能的設計,使學生能更好的理解操作系統的理論,從而達到更好的教學效果。

關鍵詞:操作系統原理;實驗教學;教學操作系統;OS Lab

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1操作系統原理課程實驗現狀

操作系統是高等院校計算機專業的一門重要基礎課,也是眾所周知的教學難度很大的一門課,其難點主要在于實驗教學環節。

國內高校因為師資力量、實驗環境及學生自身程序設計能力等因素的不同,對“操作系統”課程實驗教學環節的要求也不一樣,有的要求運行操作系統觀察某些特定現象;有的要求對課程的一些重要算法進行模擬實現,以加深對操作系統原理的理解;有的要求學生合作完成一個小型操作系統的設計的;有的要求學生剖析具體操作系統(如Linux)的實現機理,替換一些功能模塊。各高校在講授操作系統原理課程時,一般都會設置有8～24個學時同步進行的實驗。經過對多所高校的學習訪問,總結歸納出操作系統原理課程的實驗方式目前主要分為以下幾種類型:

(1) 觀察與體驗

這是最簡單的實驗方式。即選擇一個實際的操作系統作為實驗環境,學生通過觀察操作系統某些特定的具體運行現象來體會操作系統原理的設計內容。這種實驗教學過程幾乎不需要編寫程序代碼,對真正理解操作系統內在原理效果不明顯。

(2) 算法模擬

這是部分高校采用的實驗方式。任課老師選取課程中的一些典型算法,如FCFS算法、讀者寫者問題等等,讓學生編寫程序來模擬實現操作系統的功能。這種方式與程序設計課程的實驗環節基本類似,有利于加深學生對操作系統理論的理解,但達不到培養學生掌握操作系統的整體設計思想的目的。

(3) 替換功能模塊

這是有一定難度的實驗方式。一般是以Linux操作系統為實驗平臺,讓學生首先閱讀相關系統代碼,在理解部分操作系統功能的實現原理后,再要求學生用自己設計的功能模塊替換其中相應的功能。但Linux是一個龐大的商業操作系統,對學校的師資和學生的能力要求都較高,一般高校實施的效果不是很好,也達不到培養學生掌握操作系統的整體設計思想的目的,有的時候還容易讓學生對計算機學習產生了畏難情緒。

2OS Lab教學操作系統

教學實踐證明,最好的“操作系統”課程實踐平臺并不是實用的商業操作系統,因為它過于龐大,設計復雜,短時間內難于掌握。而應該是一種與實際使用的操作系統比較接近,但規模又較小、易理解、便于調試的系統,即面向教學的操作系統。最重要的是系統要符合課程的需要——可留出一些作為學生作業的練習,幫助學生熟悉實際操作系統的結構和設計。

由北京海西慧學科技有限公司開發的教學操作系統OS Lab 很好地解決了高校目前采用的實驗方案所遇到的各種問題,可以使學生在有限的時間內深入操作系統內核做真正的操作系統實驗,幫助學生加深對操作系統設計原理和算法的理解。它具有以下優點:

(1)OS Lab安裝運行在Windows上,用于實驗的PC無需安裝多種操作系統,大大降低實驗室的管理難度。

(2)OS Lab融合了Windows和Linux的設計理念,使用了對象技術,其結構介于微內核和宏內核之間,API和 Windows基本一致,可以使學生了解目前實際操作系統的技術。

(3)OS Lab的進程管理、內存管理、IO管理等模塊間的耦合性極低,學生在做各模塊的實驗時,不必了解其它模塊,很容易入門。

(4)OS Lab支持C源碼級的內核調試,支持反匯編,可在內核中設置斷點,可隨意查看、修改內核變量和 CPU 寄存器的值。

3OS Lab實驗項目設計

作為一個教學操作系統內核,保持系統的簡單易實現是非常重要的。為了實現這一目的,在OS Lab設計時,僅保留操作系統最基本的功能,同時圍繞現代操作系統原理中的重要概念與方法,按照教學循序漸進的進度精心設計了10個項目。這些項目由淺入深,靈活性和可擴充性都很高,教師可以根據學生和教學情況動態調整實驗項目。

OS Lab教學操作系統為學生設計的項目內容如表1所示。

采用OS Lab作為“操作系統原理”課程實驗平臺已經有一個學期。結果證明大部分認真完成實驗項目的學生認為OS Lab對理解操作系統原理功能的設計與實現有很好的幫助,可以激發學習“操作系統原理”課程的興趣,提高編寫系統程序的能力。

4結束語

采用OS Lab作為“操作系統原理”課程實驗平臺已經有一個學期。結果證明大部分認真完成作業的學生認為OS Lab對理解操作系統原理功能的設計與實現有很好的幫助,可以激發學習“操作系統原理”課程的興趣,提高編寫系統程序的能力。教師最好能根據學生的能力,以3到4個學生為一個小組,動態調整學生要具體完成的任務項目,以致于取得更好的教學效果。

參考文獻:

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