基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的操作系統(tǒng)課程改革和建設(shè)

摘要：針對現(xiàn)有操作系統(tǒng)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(tǒng)能力培養(yǎng)的操作系統(tǒng)課程改革和建設(shè)方案，包括改革教學(xué)手段、優(yōu)化課程內(nèi)容、強(qiáng)化課程間的縱向聯(lián)系、建設(shè)多層實踐教學(xué)體系以及培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力和軟硬協(xié)同的計算機(jī)系統(tǒng)研究、開發(fā)和應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)課程；系統(tǒng)能力；系統(tǒng)觀；系統(tǒng)思維

1.背景

操作系統(tǒng)是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課，在人才培養(yǎng)中占有重要的地位。操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握操作系統(tǒng)的基本概念、整體結(jié)構(gòu)和運行機(jī)制以及操作系統(tǒng)各功能模塊實現(xiàn)中涉及的基本算法、方法和技術(shù)；通過課程教學(xué)進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生具有較好的專業(yè)素養(yǎng)，包括系統(tǒng)思維的能力和工程思維的能力。所謂系統(tǒng)思維，即為簡化對事物的認(rèn)知，建立整體觀的思維方法。

美國ACM協(xié)會和IEEE協(xié)會共同編著的本科國際課程指南CS2013m進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，調(diào)整和新增了4個知識域，分別是系統(tǒng)基礎(chǔ)（SF）、并行和分布計算（PD）、基于平臺的開發(fā)（PBD）以及信息保障和安全（IAS）。這4個知識域均涉及系統(tǒng)級內(nèi)容。國內(nèi)教育部計算機(jī)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會也曾經(jīng)組織過對計算機(jī)專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)和實踐教學(xué)體系的研究。

目前，操作系統(tǒng)課程主要教授操作系統(tǒng)基本概念、基本理論和基本算法。學(xué)生對操作系統(tǒng)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(tǒng)的完整概念，缺乏系統(tǒng)觀；對于操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容掌握不夠，沒有很好地建立知識點之間內(nèi)容的橫向關(guān)聯(lián)以及與其他課程的縱向關(guān)聯(lián)，因而學(xué)生的綜合分析、設(shè)計和應(yīng)用能力也較差。此外，系統(tǒng)性綜合實踐環(huán)節(jié)的缺乏也導(dǎo)致學(xué)生的實踐動手能力較差。

2.基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)理念

系統(tǒng)能力是計算機(jī)專業(yè)學(xué)生區(qū)別于非專業(yè)學(xué)生的核心能力之一。相比較其他專業(yè)學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)和應(yīng)用能力，計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的核心特點和需求是更強(qiáng)調(diào)計算機(jī)系統(tǒng)能力。在后PC時代，移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)等計算機(jī)應(yīng)用都對系統(tǒng)能力提出了更高的需求。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是一件系統(tǒng)工程。系統(tǒng)能力培養(yǎng)內(nèi)容體系需要精雕細(xì)琢，培養(yǎng)過程應(yīng)滲透到教、學(xué)的所有環(huán)節(jié)。由于目前計算機(jī)專業(yè)教學(xué)對系統(tǒng)化方面的重視不夠，因此培養(yǎng)的學(xué)生在系統(tǒng)能力方面存在一些問題。當(dāng)前，計算機(jī)專業(yè)學(xué)生最重要的是加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)。操作系統(tǒng)課程在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面占有重要的地位。

基于系統(tǒng)能力的培養(yǎng)首先應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生具有系統(tǒng)觀。具有系統(tǒng)觀的人才能夠站在系統(tǒng)的高度考慮和解決應(yīng)用問題，具有系統(tǒng)層面的認(rèn)知和設(shè)計能力，包括對軟件和硬件功能進(jìn)行合理劃分、對系統(tǒng)不同層次進(jìn)行抽象和封裝、對系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行分析和調(diào)優(yōu)、對系統(tǒng)各層面的錯誤進(jìn)行調(diào)試和修正、對用戶程序進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評估和優(yōu)化、根據(jù)不同的應(yīng)用要求合理構(gòu)建系統(tǒng)框架等能力。

系統(tǒng)觀教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生熟練運用所掌握的計算系統(tǒng)基本原理，開發(fā)及構(gòu)建以計算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，使學(xué)生的知識體系得以更新與擴(kuò)展，系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新能力同步得到強(qiáng)化與提升。

3.改革和建設(shè)內(nèi)容

3.1改革教學(xué)手段，優(yōu)化課程內(nèi)容

操作系統(tǒng)課程涉及的知識點廣，內(nèi)容瑣碎，學(xué)生反映需要記憶的內(nèi)容很多。改革教學(xué)手段，變堆砌知識點為運用知識點，引導(dǎo)學(xué)生變死記硬背為理解運用。例如，在介紹信號量機(jī)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(jī)制4種信號量機(jī)制；而是首先介紹信號量是一個工具，工具經(jīng)歷從簡單到復(fù)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(jìn)，產(chǎn)生新的工具，然后發(fā)現(xiàn)新的工具也存在局限性，進(jìn)而繼續(xù)改進(jìn)，構(gòu)建新的工具，不斷反復(fù)，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(dǎo)學(xué)生思考現(xiàn)有工具存在的問題，如何改進(jìn)，然后介紹教材上的改進(jìn)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(wù)，如利用信號量的哪些屬性實現(xiàn)進(jìn)程的互斥，實現(xiàn)進(jìn)程間的前趨關(guān)系以及進(jìn)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(guān)系，然后將柜臺和倉庫分別映射為高速緩存和內(nèi)存，將購物時商品的流通情況類比數(shù)據(jù)訪問時，數(shù)據(jù)在內(nèi)存和高速緩存中的查詢讀取過程。這樣精心設(shè)置授課內(nèi)容，從學(xué)生熟悉的生活實例出發(fā)，將知識點連接融合，引發(fā)學(xué)生思考，從全局系統(tǒng)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(qiáng)化課程間的縱向聯(lián)系

操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)各類資源的大管家，涉及的知識面廣，與其他課程內(nèi)容有著廣泛的聯(lián)系。在授課過程中，教師可以深挖課程間知識點的聯(lián)系，對課程內(nèi)容進(jìn)行縱向融合，培養(yǎng)學(xué)生從整體、系統(tǒng)的角度深刻理解計算機(jī)硬件和計算機(jī)軟件。

例如，在講授信號量的知識點時，教師可結(jié)合程序設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)信號量的邏輯屬性，在程序設(shè)計中選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型定義信號量，利用程序設(shè)計技巧實現(xiàn)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(jié)合高級語言程序設(shè)計和編譯原理，加深學(xué)生對程序執(zhí)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(huán)2比循環(huán)1快多少？

第1個循環(huán)對數(shù)組中的每個元素都乘以3，而第2個循環(huán)對每隔16個元素的數(shù)據(jù)乘以3。學(xué)生根據(jù)以往的知識結(jié)構(gòu)得出，第2個循環(huán)只做了第1個循環(huán)大約6%的計算量，因此第2個循環(huán)比第1個循環(huán)快15倍。然而，在現(xiàn)代計算機(jī)上，這兩個for循環(huán)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(jìn)而講授由于內(nèi)存訪問和性能，這兩個循環(huán)幾乎耗費相同時間。這些循環(huán)的運行時間主要由訪問數(shù)組內(nèi)存來決定，而不是整數(shù)乘法，并且硬件對這兩個循環(huán)執(zhí)行相同的主存儲器訪問。CPU并不是逐個字節(jié)地訪問內(nèi)存，而是以（典型的）64字節(jié)的塊為單位取內(nèi)存，稱作緩存行（cache lines）。當(dāng)程序讀取一個特定的內(nèi)存地址時，整個緩存行都被從主內(nèi)存取到緩存中，并且此時讀取同一個緩存行中的其他數(shù)值非常快。因為16個整數(shù)占用了64字節(jié)（一個緩存行），所以步長從1到16的for循環(huán)都必須訪問相同數(shù)量的緩存行，即數(shù)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(tǒng)緩存的工作原理，又能引導(dǎo)學(xué)生從更深層次和更系統(tǒng)的角度看待和理解程序設(shè)計過程中遇到的問題，進(jìn)而使學(xué)生逐步形成和建立系統(tǒng)觀。

3.3建設(shè)多層實踐教學(xué)體系

實踐教學(xué)是系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)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(rèn)識，有助于提高學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)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(tǒng)能力。現(xiàn)有的操作系統(tǒng)課程教育側(cè)重理論講授，雖然也設(shè)置操作系統(tǒng)實驗，但是多為算法的簡單模擬。為了提高學(xué)生的系統(tǒng)能力，加強(qiáng)實踐教學(xué)，教師需要深入開展“系統(tǒng)”級別的實踐訓(xùn)練，建設(shè)多層實踐教學(xué)體系，在干中學(xué)，從觀察系統(tǒng)到仿制系統(tǒng)，再到定制系統(tǒng)，最終進(jìn)入創(chuàng)造系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力，形成系統(tǒng)觀。

構(gòu)件級學(xué)習(xí)和訓(xùn)練是整體級學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的基石。教師除了在實驗課程內(nèi)容安排上保留少量經(jīng)典的驗征性基礎(chǔ)實驗內(nèi)容外，還應(yīng)主要將基本技能融入綜合實驗中，增加綜合與設(shè)計性實驗，而在實驗內(nèi)容方面更注重于分析設(shè)計和編程能力的鍛煉；將實踐教學(xué)內(nèi)容分為3個層次：基礎(chǔ)驗證性實驗、綜合實驗和設(shè)計實驗。安徽大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院操作系統(tǒng)課程實踐教學(xué)內(nèi)容見表1。

4.結(jié)語

高素質(zhì)的計算機(jī)專業(yè)人才必須具備良好的系統(tǒng)能力。為適應(yīng)計算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，培養(yǎng)滿足社會需求的和具有良好計算機(jī)系統(tǒng)能力的專業(yè)人才，是當(dāng)前計算機(jī)教育中亟須解決的核心問題之一。操作系統(tǒng)課程在學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)中占有重要地位，筆者分析了基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教育理念，根據(jù)操作系統(tǒng)課程特點提出基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的操作系統(tǒng)課程改革和建設(shè)方案，提高了學(xué)生對計算機(jī)系統(tǒng)整體的深入理解和解題能力，實現(xiàn)了培養(yǎng)具有良好系統(tǒng)能力的高素質(zhì)計算機(jī)專業(yè)人才的目標(biāo)。