基于系統能力培養的操作系統課程改革和建設

摘要：針對現有操作系統課程中存在的問題，分析本科國際課程指南CS2013，提出基于系統能力培養的操作系統課程改革和建設方案，包括改革教學手段、優化課程內容、強化課程間的縱向聯系、建設多層實踐教學體系以及培養學生的系統思維能力和軟硬協同的計算機系統研究、開發和應用能力。

關鍵詞：操作系統課程；系統能力；系統觀；系統思維

1.背景

操作系統是計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程等相關專業的專業核心課，在人才培養中占有重要的地位。操作系統課程的教學目標是讓學生掌握操作系統的基本概念、整體結構和運行機制以及操作系統各功能模塊實現中涉及的基本算法、方法和技術；通過課程教學進而培養學生具有較好的專業素養，包括系統思維的能力和工程思維的能力。所謂系統思維，即為簡化對事物的認知，建立整體觀的思維方法。

美國ACM協會和IEEE協會共同編著的本科國際課程指南CS2013m進一步強調了系統知識和系統能力的培養，調整和新增了4個知識域，分別是系統基礎（SF）、并行和分布計算（PD）、基于平臺的開發（PBD）以及信息保障和安全（IAS）。這4個知識域均涉及系統級內容。國內教育部計算機專業教學指導分委員會也曾經組織過對計算機專業學生能力培養和實踐教學體系的研究。

目前，操作系統課程主要教授操作系統基本概念、基本理論和基本算法。學生對操作系統的理解主要還停留在基本概念的理解和基本算法的模擬仿真上，不能很好地建立操作系統的完整概念，缺乏系統觀；對于操作系統的核心內容掌握不夠，沒有很好地建立知識點之間內容的橫向關聯以及與其他課程的縱向關聯，因而學生的綜合分析、設計和應用能力也較差。此外，系統性綜合實踐環節的缺乏也導致學生的實踐動手能力較差。

2.基于系統能力培養的教學理念

系統能力是計算機專業學生區別于非專業學生的核心能力之一。相比較其他專業學生的計算機基礎和應用能力，計算機專業學生的核心特點和需求是更強調計算機系統能力。在后PC時代，移動互聯網、云計算、大數據中心、物聯網等計算機應用都對系統能力提出了更高的需求。

系統能力培養是一件系統工程。系統能力培養內容體系需要精雕細琢，培養過程應滲透到教、學的所有環節。由于目前計算機專業教學對系統化方面的重視不夠，因此培養的學生在系統能力方面存在一些問題。當前，計算機專業學生最重要的是加強系統能力培養。操作系統課程在系統能力培養方面占有重要的地位。

基于系統能力的培養首先應培養學生具有系統觀。具有系統觀的人才能夠站在系統的高度考慮和解決應用問題，具有系統層面的認知和設計能力，包括對軟件和硬件功能進行合理劃分、對系統不同層次進行抽象和封裝、對系統的整體性能進行分析和調優、對系統各層面的錯誤進行調試和修正、對用戶程序進行準確的性能評估和優化、根據不同的應用要求合理構建系統框架等能力。

系統觀教學旨在培養學生熟練運用所掌握的計算系統基本原理，開發及構建以計算技術為核心的應用系統，使學生的知識體系得以更新與擴展，系統設計創新能力同步得到強化與提升。

3.改革和建設內容

3.1改革教學手段，優化課程內容

操作系統課程涉及的知識點廣，內容瑣碎，學生反映需要記憶的內容很多。改革教學手段，變堆砌知識點為運用知識點，引導學生變死記硬背為理解運用。例如，在介紹信號量機制時，不是簡單地介紹整型信號量、記錄型信號量、AND型信號量和信號量集機制4種信號量機制；而是首先介紹信號量是一個工具，工具經歷從簡單到復雜的演化過程，一開始的工具簡單粗陋，存在一些缺陷，為了克服缺陷，提出改進，產生新的工具，然后發現新的工具也存在局限性，進而繼續改進，構建新的工具，不斷反復，這樣工具逐步完善。

在講授知識點的同時，教師還要不斷引導學生思考現有工具存在的問題，如何改進，然后介紹教材上的改進方法。對于同樣一個工具，我們可以巧妙地利用工具某一個或者某些屬性完成不同的任務，如利用信號量的哪些屬性實現進程的互斥，實現進程間的前趨關系以及進程間的通訊。在介紹存儲器管理中的高速緩存時，可以首先介紹日常生活中商場購物柜臺和倉庫的特點以及它們之間的關系，然后將柜臺和倉庫分別映射為高速緩存和內存，將購物時商品的流通情況類比數據訪問時，數據在內存和高速緩存中的查詢讀取過程。這樣精心設置授課內容，從學生熟悉的生活實例出發，將知識點連接融合，引發學生思考，從全局系統的角度理解運用，可以避免對孤立的知識點死記硬背。

3.2強化課程間的縱向聯系

操作系統是計算機系統各類資源的大管家，涉及的知識面廣，與其他課程內容有著廣泛的聯系。在授課過程中，教師可以深挖課程間知識點的聯系，對課程內容進行縱向融合，培養學生從整體、系統的角度深刻理解計算機硬件和計算機軟件。

例如，在講授信號量的知識點時，教師可結合程序設計和數據結構課程，引導學生根據信號量的邏輯屬性，在程序設計中選擇相應的數據類型定義信號量，利用程序設計技巧實現抽象模型；在介紹存儲管理中程序的鏈接和裝入過程時，教師可以結合高級語言程序設計和編譯原理，加深學生對程序執行過程的理解；在講授緩存的工作原理時，可以給出以下實例：分析以下代碼中循環2比循環1快多少？

第1個循環對數組中的每個元素都乘以3，而第2個循環對每隔16個元素的數據乘以3。學生根據以往的知識結構得出，第2個循環只做了第1個循環大約6%的計算量，因此第2個循環比第1個循環快15倍。然而，在現代計算機上，這兩個for循環運行的時間差不多相等，這是為什么？

提出問題之后，我們引入緩存的工作原理，通過對工作原理的分析，進而講授由于內存訪問和性能，這兩個循環幾乎耗費相同時間。這些循環的運行時間主要由訪問數組內存來決定，而不是整數乘法，并且硬件對這兩個循環執行相同的主存儲器訪問。CPU并不是逐個字節地訪問內存，而是以（典型的）64字節的塊為單位取內存，稱作緩存行（cache lines）。當程序讀取一個特定的內存地址時，整個緩存行都被從主內存取到緩存中，并且此時讀取同一個緩存行中的其他數值非常快。因為16個整數占用了64字節（一個緩存行），所以步長從1到16的for循環都必須訪問相同數量的緩存行，即數組中的所有緩存行，但是如果步長是32，CPU只需要訪問約1/2的緩存行；步長是64時，只有1/4。該實例的講解過程中，既可講授操作系統緩存的工作原理，又能引導學生從更深層次和更系統的角度看待和理解程序設計過程中遇到的問題，進而使學生逐步形成和建立系統觀。

3.3建設多層實踐教學體系

實踐教學是系統能力培養的重要環節。學生主動參與課程實踐，可以對所授知識點有更為直觀、深入的認識，有助于提高學習興趣，進而提高學習的主動性和積極性，從而形成積極思考、探索問題、提高解決問題的系統能力。現有的操作系統課程教育側重理論講授，雖然也設置操作系統實驗，但是多為算法的簡單模擬。為了提高學生的系統能力，加強實踐教學，教師需要深入開展“系統”級別的實踐訓練，建設多層實踐教學體系，在干中學，從觀察系統到仿制系統，再到定制系統，最終進入創造系統，培養學生的系統能力，形成系統觀。

構件級學習和訓練是整體級學習和訓練的基石。教師除了在實驗課程內容安排上保留少量經典的驗征性基礎實驗內容外，還應主要將基本技能融入綜合實驗中，增加綜合與設計性實驗，而在實驗內容方面更注重于分析設計和編程能力的鍛煉；將實踐教學內容分為3個層次：基礎驗證性實驗、綜合實驗和設計實驗。安徽大學計算機科學與技術學院操作系統課程實踐教學內容見表1。

4.結語

高素質的計算機專業人才必須具備良好的系統能力。為適應計算機行業的快速發展，培養滿足社會需求的和具有良好計算機系統能力的專業人才，是當前計算機教育中亟須解決的核心問題之一。操作系統課程在學生系統能力培養中占有重要地位，筆者分析了基于系統能力培養的教育理念，根據操作系統課程特點提出基于系統能力培養的操作系統課程改革和建設方案，提高了學生對計算機系統整體的深入理解和解題能力，實現了培養具有良好系統能力的高素質計算機專業人才的目標。