基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革實(shí)踐

翟一鳴+張楠+任滿杰+劉其成

摘要：以畢業(yè)生能力驅(qū)動(dòng)課程體系建設(shè)是工程教育專業(yè)認(rèn)證核心內(nèi)容之一。針對(duì)當(dāng)前操作系統(tǒng)課程建設(shè)普遍存在的問題，本文以計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)為頂層目標(biāo)，提出了以該目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)教學(xué)改革和“以課程群為中心”的課程建設(shè)模式，并做了大量的相關(guān)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生能力有著重要意義。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)能力；課程群；課程建設(shè)；操作系統(tǒng)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）36-0128-02

進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，已經(jīng)成為新世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)計(jì)算為主要特征的新型網(wǎng)絡(luò)時(shí)代對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新能力提出了更高的要求，這其中就包括系統(tǒng)能力。操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，作為一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中扮演著重要角色，是學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀及認(rèn)識(shí)其內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制的重要途徑。在操作系統(tǒng)課程建設(shè)過程中，提高學(xué)生的系統(tǒng)能力應(yīng)該從實(shí)踐出發(fā)，結(jié)合課程群的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在內(nèi)容授課、討論、實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)中不斷融入相關(guān)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)基本概念及理論的理解，提高學(xué)生系統(tǒng)分析能力及動(dòng)手實(shí)踐能力。我們將進(jìn)一步結(jié)合課程實(shí)施成效情況來總結(jié)課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化課程教學(xué)，以更好地滿足專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)的需求。

一、教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題

在PC時(shí)代背景下，對(duì)操作系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)存在以下問題。

（1）操作系統(tǒng)課程與其他系統(tǒng)課程的銜接和關(guān)聯(lián)不夠。目前課程設(shè)置大多按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同層次上的內(nèi)容獨(dú)立開設(shè)課程，很少體現(xiàn)本層次與其他層次內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，學(xué)生難以形成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。教學(xué)內(nèi)容不夠與時(shí)俱進(jìn)，較少涉及近年來出現(xiàn)的多核處理器、分布式和并行計(jì)算模式等實(shí)際工作中遇到的內(nèi)容。

（2）大部分學(xué)生不能很好地建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念，缺乏系統(tǒng)觀。學(xué)生對(duì)于操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容掌握不夠，實(shí)踐能力不足，動(dòng)手意識(shí)薄弱，他們綜合分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力也較差，只能解決局部的編程和應(yīng)用問題，對(duì)于系統(tǒng)層面問題的解決無法勝任。

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革是一項(xiàng)綜合性的改革工程，重點(diǎn)在教學(xué)內(nèi)容、課程體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面探索新的方法和手段。

二、系統(tǒng)能力培養(yǎng)的技術(shù)途徑

1.以課程群為中心的建設(shè)模式。從系統(tǒng)能力培養(yǎng)的大方向出發(fā)，整合操作系統(tǒng)課程群中各項(xiàng)資源，我們提出統(tǒng)籌規(guī)劃課程內(nèi)容，使課程間和課程內(nèi)部知識(shí)緊密聯(lián)系，讓操作系統(tǒng)的整體教學(xué)過程和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不斷完善的漸進(jìn)過程。最終讓學(xué)生通過實(shí)踐鍛煉提高系統(tǒng)編程能力，真正鍛煉系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

以系統(tǒng)能力為培養(yǎng)目標(biāo)，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為統(tǒng)一視圖，充分利用操作系統(tǒng)課程群的優(yōu)勢(shì)來設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)課程體系。我們將操作系統(tǒng)、編譯原理、并行計(jì)算等課程整合成了操作系統(tǒng)課程群，充分發(fā)揮課程群的緊密耦合特性，共享資源，提高課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性。這樣不僅使課程群內(nèi)各課程之間構(gòu)成前后遞進(jìn)的層次關(guān)系，而且課程內(nèi)知識(shí)點(diǎn)之間也構(gòu)成遞進(jìn)的層次關(guān)系，從而改變以往課程間缺乏直接聯(lián)系的不足，實(shí)現(xiàn)了課程緊密聯(lián)系的整體教學(xué)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不斷完善的目標(biāo)。

比如在我校將編譯原理課程開設(shè)在操作系統(tǒng)課程之前，在編譯原理授課過程中，程序運(yùn)行時(shí)的存儲(chǔ)空間組織、目標(biāo)代碼生成及優(yōu)化與操作系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)組成原理課程相關(guān)，所以在講授操作系統(tǒng)課程時(shí)，有必要強(qiáng)調(diào)代碼在內(nèi)存中的存放形式以及進(jìn)程（任務(wù)）的執(zhí)行；又如與并行計(jì)算技術(shù)課程的銜接，這門課程的授課目的在于使學(xué)生能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)并發(fā)式程序，如使用MPI庫(kù)、多線程庫(kù)、多核編程等，關(guān)鍵在于讓學(xué)生掌握并行程序運(yùn)行特征。而這些概念以及相關(guān)問題，如同步、互斥、死鎖、進(jìn)程間通信，正是操作系統(tǒng)課程中最初引入的。因此，在操作系統(tǒng)課程的講授過程中，對(duì)進(jìn)程（線程）同步、互斥以及死鎖產(chǎn)生的原理要進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述，還增加了與并行程序設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容。

2.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改革和實(shí)驗(yàn)體系的建立。我院實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多年來一直使用Linux操作系統(tǒng)，它是業(yè)界公認(rèn)的優(yōu)秀開源平臺(tái)。但近些年來有相當(dāng)多的新技術(shù)在該平臺(tái)下涌現(xiàn)出來，這就需要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入部分最新的技術(shù)和方法。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)的涵蓋性、實(shí)驗(yàn)題型的綜合性、實(shí)驗(yàn)形式和難度的多樣性，對(duì)不同層次的實(shí)驗(yàn)采取了不同的設(shè)計(jì)策略，如驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)與基本原理知識(shí)模塊的映射，注意知識(shí)點(diǎn)之間的銜接性及實(shí)驗(yàn)?zāi)K之間的可集成性，學(xué)生在動(dòng)手實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)部分功能的過程中深化對(duì)概念的總體認(rèn)識(shí)和理解；而內(nèi)核類實(shí)驗(yàn)從剖析Linux內(nèi)核代碼入手，一方面注重與基本原理知識(shí)點(diǎn)的呼應(yīng)，另一方面強(qiáng)調(diào)與硬件體系結(jié)構(gòu)銜接，力求全方位透視實(shí)現(xiàn)機(jī)制，反映技術(shù)演變趨勢(shì)，促進(jìn)學(xué)生深入理解操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)則以設(shè)計(jì)應(yīng)用問題為主，強(qiáng)調(diào)多項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)的滲透與綜合應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生分析技術(shù)難點(diǎn)，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)學(xué)生的綜合編程能力。

另外，還加入了其他相關(guān)課程關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如并行計(jì)算與多核技術(shù)的部分算法設(shè)計(jì)、編譯原理的算法實(shí)現(xiàn)嘗試移到Linux平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，操作系統(tǒng)的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可以放在組成原理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下進(jìn)行等等。最終目標(biāo)就是讓學(xué)生能夠有一個(gè)系統(tǒng)整體概念，能在一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓其自主參與到教學(xué)活動(dòng)中來。在教學(xué)過程中教師根據(jù)當(dāng)前社會(huì)的實(shí)際需求設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，讓學(xué)生產(chǎn)生研究的興趣，鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)用到自己的研究?jī)?nèi)容中，如讓學(xué)生自己開發(fā)一個(gè)小型的Boot loader，或者一個(gè)文件系統(tǒng)，或一個(gè)小型的基于安卓的手機(jī)操作系統(tǒng)等等。這些內(nèi)容看似是操作系統(tǒng)的知識(shí)，其實(shí)關(guān)系到匯編、編譯、組成原理等軟硬件多門課程的內(nèi)容，可以最大限度地鍛煉學(xué)生綜合分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的系統(tǒng)能力。

4.因材施教，建立高中低多層次教學(xué)方案。在實(shí)踐教學(xué)方面，根據(jù)不同的水平和專業(yè)劃分高、中、低多檔次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，讓不同層次的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)都能提高自己的系統(tǒng)實(shí)踐能力。比如在課堂教學(xué)中涌現(xiàn)出對(duì)操作系統(tǒng)很感興趣的同學(xué)，我們給予他們從清華大學(xué)借鑒的ucore教學(xué)操作系統(tǒng)并安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)，讓他們參與到與清華大學(xué)操作系統(tǒng)的慕課教學(xué)過程中來，充分激發(fā)這些學(xué)有余力的同學(xué)的興趣，發(fā)揮他們的創(chuàng)造力。

5.建立完善的網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)。在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)課程網(wǎng)站基礎(chǔ)之上進(jìn)行改版，充分突出課程群緊密耦合、資源共享的特點(diǎn)，加入更豐富的教學(xué)文檔（大綱、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、課件、視頻等等），并加入清華大學(xué)學(xué)堂在線的操作系統(tǒng)慕課相關(guān)內(nèi)容，最大化地利用開放的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，讓學(xué)生在課下也可以自主學(xué)習(xí)，從而達(dá)到對(duì)課堂教學(xué)的輔助和補(bǔ)充作用。

三、教學(xué)效果

通過建設(shè)與實(shí)踐，操作系統(tǒng)課程從課程體系、課程內(nèi)容到實(shí)驗(yàn)環(huán)境、教學(xué)手段，都為學(xué)生自主學(xué)習(xí)及系統(tǒng)能力培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)，課程體系完整，課程群優(yōu)勢(shì)資源耦合，原理與實(shí)踐并重，系統(tǒng)能力培養(yǎng)為終極目標(biāo)。在實(shí)際教學(xué)中，獲得了顯著成效，本操作系統(tǒng)課程亦獲批山東省精品課程建設(shè)立項(xiàng)，“操作系統(tǒng)課程建設(shè)研究與實(shí)踐”獲得了山東省優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)。

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