多層次實踐驅動《操作系統原理》教學改革

李文娟　王李冬　壽周翔　趙海麗

摘要：操作系統原理是本科計算機科學與技術專業的主干課程，也是構建計算機專業知識體系的核心環節，然而傳統“重理論講授、輕實踐能力培養”的教學模式嚴重影響了該課程的教學效果。為此，本文在分析課程教學現狀、闡明傳統教學中存在的一系列問題的基礎上，提出了“源碼嵌入式”理論教學改革新模式。并以此為契機，構建了一套分層立體式驅動的實踐教學支撐體系。教學實踐表明，新的教學模式和方法能夠有效提高本課程的實際教學效果。

關鍵詞：教學改革；操作系統原理；多層次實踐教學體系；源碼嵌入式教學模式

1引言

操作系統是計算機系統的靈魂與核心，是底層硬件系統向軟件系統的第一層擴展、實現軟件和硬件協同工作的指揮棒，具有極其重要的地位和作用。《操作系統原理》課程的教學內容是架構完整的計算機專業知識體系不可或缺的重要組成部分，因而被ACM、IEEE和教指委列為計算機科學與技術專業的核心專業課。本科階段《操作系統原理》的教學目標是使得學生系統掌握操作系統的設計原理、各組成模塊的主要功能和實現技術，具有初步操作系統開發和維護的能力。然而事實是：操作系統已然成為計算機專業課中最難上難學的課程之一。其原因主要有兩點：一是課程涉及的知識面廣、概念和原理眾多，理論性強，如果教師缺乏足夠的駕馭能力，很容易將課程上成“偽政治課”，導致理論與實踐嚴重脫節，無法真正實現課程的培養目標；二是這門課程的實踐環節較難與實際應用項目掛鉤，理論與實踐存在較大距離，不易激發學生的學習興趣。

為了改變現狀，更好地完成《操作系統原理》的教學任務，提高學生動手實踐能力，幫助學生系統架設起學科知識體系，我們在教學實踐中，努力探索、總結經驗，提出了一套教學改革的新方法。首先，在理論教學中，我們提出了“源碼嵌入式教學法”，即在講授操作系統原理的過程中結合開源操作系統（Linux或minix）的源代碼幫助學生獲得實際操作系統設計的直觀感受。其次，我們設計了一套分層立體式實驗教學體系作為理論教學的有益支撐：通過實驗驗證基本原理、觀察操作系統現象、學習基于操作系統的應用和開發。從幾年的教學反饋來看，獲得了良好的教學評價和效果。

2存在問題分析

作為最底層的系統軟件，操作系統在計算機系統中的特殊位置決定了操作系統原理這門課在計算機科學與技術知識體系中的特殊地位。縱觀目前該課程的教學現狀，普遍存在如下主要問題：

2.1理論教學手段仍比較單一

盡管不斷有新的教學理念和教學模式出現，比如翻轉課堂、微課、慕課等，但大多數院校仍采用傳統的理論教學方法講授本課程。由于缺少先進的理論教學配套演示環境，使得任課教師大多數時候只能站在講臺上講著干巴巴的理論，這顯然很難激發學生的學習興趣。

另一方面，目前大部分操作系統教材內容比較陳舊、脫離新技術和新應用，讓學生有種學無所得的感覺。并且傳統操作系統教學往往僅從理論上講授操作系統的幾大主要功能模塊，忽略了對具體實現技術的分析。在這種教學模式下，教師對概念和原理的講解通常是晦澀抽象的，學生沒有真正理解概念或原理，更不要說消化吸收這些知識并加以應用于實際的操作中。而此時如果教師還一味地讓學生吸收課本上的內容，這很容易讓學生誤以為操作系統的知識是枯燥、乏味和無用的。

2.2缺少科學的實踐體系支撐

盡管《操作系統原理》是一門理論和實踐性都很強的課程，但長期以來在教學設計中往往對實驗環節缺乏足夠重視，實驗學時很少，少數院校甚至未設置實驗學時。即便開設實驗課的院校開出的實驗也大多是一些簡單的驗證性實驗，實驗內容陳舊，綜合設計類或探索創新類的實驗很少或是沒有，沒有形成能夠對理論教學起到良好支撐作用的實驗教學體系，無法很好地完成理論與實踐的銜接。這使得學生學習本課程很難獲得自主程序設計的快樂和成就感，最終僅接觸到操作系統的皮毛，嚴重影響了教學效果。

2.3學生的學習熱情普遍不高

在教學實施過程中我們發現，大多數學生對本課程的學習興趣不濃、積極性不高。經過仔細調研，我們發現主要有兩方面的原因：一是學生中存在“操作系統無用論”。由于操作系統原理的學習不像其他項目類課程，可以立馬看到學習成果。比如學生在學習網頁設計之后可以進行網頁制作，學習移動安卓開發之后可以進行簡單的APP設計。而學習完操作系統的本科生卻很難開發一個操作系統，因此有一部分學生認為操作系統學不學沒有太大關系。二是全面深入地學習操作系統難度較大。由于“操作系統原理”是一門理論性和綜合性都很強的課程，學好這門課需要具備較強的軟硬件知識基礎，以及較強的邏輯和抽象思維能力以及扎實的編程功底等，課程學習的難度無形中增加了學生的畏難情緒。

3“源碼嵌入式”理論教學模式

Linux操作系統的創始人Linus認為，要準確理解操作系統的運行機制必須閱讀其源代碼。盡管操作系統原理課講述了操作系統的基本工作原理，然而原理畢竟是原理，它省略了很多細節，而這些細節正如麻雀身上的羽毛，是構成一只完整的麻雀不可或缺的組成部分。因此，學好操作系統不僅應該學習操作系統的基本工作原理而且應該至少了解一款具體操作系統的實現方法。而閱讀源代碼正是學習系統實現的最佳途徑。目前開源操作系統Linux為我們學習操作系統具體實現提供了極大便利。在理論課講授操作系統各組成部分的工作原理時，我們向學生展示Linux對應功能模塊的內核源代碼，講解對應模塊的主要數據結構定義和功能函數的設計實現等，引導學生通過閱讀源代碼來深入領會操作系統原理的具體實現方法。此外，在課堂教學中，我們還輔以“問題情境法”，提出諸如“基本原理與具體實現有何對應關系”、“這個模塊或數據結構是否是必不可少的”、“有沒有優化的可能”等一系列具有啟發性的問題，鼓勵學生進行分組討論、深入分析和探索。在教學設計上我們依據從抽象到具體，又從具體提升到抽象的螺旋式上升的過程，引發學生進行全面思考，最終達到對操作系統原理和工作機制的深入理解。例如在講進程的概念時，我們向學生展示Linux任務數據結構task_struct，幫助學生理解PCB中包含的主要內容；在講系統調用時，給學生看Linux中包含系統調用編號的頭文件mlistd.h；在講解進程創建時，我們向學生展示fork0、vfork0與clone0函數的內核源碼。通過閱讀源碼，學生很容易領悟進程創建的實質、創建的主要流程，不同創建方法的差異等。

“源碼嵌入式”理論教學法在實踐中取得了良好的效果，因為通過閱讀源代碼，學生切實感覺到自己學習的并非是空洞的理論，而是實實在在的具體實現方法，從而大大提高學生對抽象知識及理論的認知程度。此外，為了配合理論課教學，我們還制作了內容豐富的電子教案、微課視頻和FLASH演示課件等。我們將諸如死鎖、進程狀態轉換、銀行家算法、經典進程同步問題等通過動畫呈現給學生，極大提高了學生的學習興趣。

4分層立體式實踐教學支撐體系

我們認為能夠對操作系統原理課程的理論教學起到有效支撐的實驗教學體系應包括三個遞進的層次：操作系統基礎實驗、設計提高實驗和基于操作系統的綜合開發實驗。為此，我們針對本科計算機科學與技術專業《操作系統原理》課程，編寫了配套實驗教材《計算機操作系統實訓》，配合理論課程的知識由淺入深地逐步展開。

4.1基礎實驗

1）用戶接口相關實驗

對于計算機專業的學生而言，學習操作系統的最低要求是能夠使用各類主流操作系統，能夠熟練使用操作系統提供的各類用戶接口。因此，基礎實驗部分，我們首先安排了Windows和Linux兩款操作系統用戶接口的相關實驗。Window部分包括常用的DOS命令、批處理程序，WIN-API編程基礎等；Linux則包括GNOME桌面環境、vi、SHELL命令和SHELL程序設計等。

2）操作系統的開發工具

操作系統提供了豐富的應用程序開發工具和開發平臺，包括文本處理工具、圖形圖像處理工具、軟件開發和維護工具等。而操作系統的先修課程大部分是以Windows系統的開發平臺為背景，故學生基本具備了Windows操作系統常用開發語言和開發平臺的基礎知識和編程能力。為此，本部分實驗將重點放在引導學生學習Linux操作系統的開發工具，包括語言編譯器GCC、調試工具GDB和大型程序的維護工具MAKE。

3）進程管理部分實驗

進程管理體現著操作系統對系統動態工作過程的把控，具有十分重要的作用。進程是本科操作系統原理課程的重要概念，也是影響學生對并發程序設計思想深入理解的重要環節。故在基礎部分安排了大量進程相關的實驗，主要包括進程的狀態及控制、并發現象的觀察、進程互斥，進程通信等。

4.2設計提高實驗

本課程更進一步的目標是使學生在掌握操作系統基本原理的基礎上，初步掌握操作系統模塊設計的方法，培養設計操作系統的能力。因而，本實驗模塊的教學內容涉及操作系統的體系結構、任務管理模型、資源管理模式、任務調度算法、虛擬存儲技術等，使學生通過實驗真正認識多進程/線程同步、調度策略設計、死鎖避免、文件系統、I/O方式等實現原理。

1）經典同步問題

經典同步問題是對操作系統在處理進程同步關系中常見復雜問題的模擬，具有較強的理論和實踐學習的價值。因此安排了一系列經典同步問題的仿真實驗，包括生產者一消費者問題、讀者一寫者問題、哲學家就餐問題和理發師睡眠問題等。

2）處理機調度算法

處理機調度策略是關系系統能否實現用戶和系統目標的關鍵因素。為了讓學生更加深入理解各種常見調度策略的本質，我們設計了一系列仿真實驗，包括先來先服務FIFO、短作業優先、最高響應比、優先級和輪轉法等幾種調度算法等。

3）死鎖問題

死鎖是計算機系統在由單道系統進化到多道系統之后，因為并發進程的相互牽制、資源不足，所導致的最嚴重的問題。為了更好的幫助學生理解死鎖的概念，理解死鎖處理的各種策略，此部分包含死鎖避免的銀行家算法實驗。

4）其他設計類實驗

除了上述主要類別外，還有模擬現代I/O方式的SPOOL-ING系統的仿真實驗、引導裝載程序、簡化的文件系統等設計類實驗。

4.3基于操作系統的綜合開發實驗

操作系統課程的終極目標是在熟練掌握操作系統原理和架構的基礎上，培養基于操作系統平臺的大型程序設計能力和較大規模項目開發的能力。因而本模塊是綜合性、創新性的實驗。我們針對Windows操作系統和Linux操作系統分別設計了對應的復雜程序開發實驗。Windows上主要包括數據庫應用開發，多線程應用等實驗。而Linux上主要包括SHELL與C的交叉應用、編寫自己的SHELL、Linux數據庫應用開發、QT編程等。