工程教育背景下基于操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究

郭玉華 鄭嘯

摘要：本文按照計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的要求，提出了基于操作系統(tǒng)的層次系統(tǒng)能力目標，目標以并發(fā)與共享為中心，以此為基礎，提出與該系統(tǒng)能力層次相適應的課程體系，結合當前工程教育融合創(chuàng)新要求，提出了一系列基于本課程體系的創(chuàng)新措施。

關鍵詞：工程教育；融合創(chuàng)新；操作系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）26-0171-02

一、基于操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)能力層次

計算機系統(tǒng)能力從提出到目前，經歷了復旦共識、天大行動到北京指南，各方的專家學者已經給出很多定義。第四屆高等院校計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)高峰論壇上，國防科技大學王志英教授，將計算機系統(tǒng)劃分為三個層次——計算機基礎系統(tǒng)，計算機領域系統(tǒng)以及計算機應用系統(tǒng)[1]。操作系統(tǒng)屬于系統(tǒng)軟件，構造、分析與維護操作系統(tǒng)，是一種計算機的系統(tǒng)能力。各大語言及其工具，都提供了很多與底層系統(tǒng)方面的接口供開發(fā)設計人員使用。結合多年來的實踐，從操作系統(tǒng)來講，我們把與之相關的計算機系統(tǒng)能力分為三個類別層級。第一層次是應用軟件中的計算機系統(tǒng)能力：能解決應用軟件開發(fā)設計所涉及到的同步、互斥、進程、線程以及效率等問題；第二層次是維護系統(tǒng)能力：能利用操作系統(tǒng)提供的基礎設置完成系統(tǒng)模塊選取，部署軟件，監(jiān)控資源，控制管理運行，配置等工作；第三層次是構造、分析設計系統(tǒng)能力：能在掌握理解操作系統(tǒng)的理念，架構，方法，理論，模塊，數據結構等基礎上，分析設計操作系統(tǒng)內部結構，解釋有關現(xiàn)象，甚至按要求修改內部結構，實現(xiàn)有關功能。

操作系統(tǒng)課程是我校計算機類專業(yè)的核心課程之一，多年來，完成了基于資源管理的操作系統(tǒng)關鍵概念等多項研究課題，也結合操作系統(tǒng)課程開展了大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目活動。結合多年來與企業(yè)合作開展軟件開發(fā)設計的實踐，明確了開展基于操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究，對于工程教育在計算機科學專業(yè)中落地開花具有重要價值。

二、基于操作系統(tǒng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系

為了達成操作系統(tǒng)各個層次系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，需要建構新的課程體系。在該體系中，各課程內容緊密結合各層次要求。通過對這些課程內容的掌握，具備系統(tǒng)能力的基本要求。開設的課程見表1。另外，工程教育的精髓就是“融合與創(chuàng)新”[2]，因此在課程安排、內容選取以及教育方法與手段上，也要革新，不僅需要選取經典傳統(tǒng)的課程模塊，更要體現(xiàn)各個課程之間的有機聯(lián)系，打通“關節(jié)點”，真正讓操作系統(tǒng)成為一個完整的系統(tǒng)，而不是停留在支離破碎的模塊上。

上表1中列出了五門操作系統(tǒng)課程，在教學內容上，涉及到應用層次軟件設計與開發(fā)，也有底層硬件抽象層次上的系統(tǒng)軟件分析、設計與實現(xiàn)，這不僅是工程教育融合的本質體現(xiàn)，也是操作系統(tǒng)課程的本質要求。這是因為，操作系統(tǒng)本身處于軟硬系統(tǒng)之間，面向應用，面對用戶，傳遞管理與控制到底層，這就需要全方位、多層次、全視角來學習操作系統(tǒng)。在課程安排上，操作系統(tǒng)原理課程可以與Linux內核分析結合。

三、基于“融合創(chuàng)新”的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)保證措施

“融合創(chuàng)新”是工程教育的核心靈魂，也是當今教育界討論的關鍵話題之一。結合操作系統(tǒng)課程群實際情況，可以采取以下措施：

1.參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等競賽，提高學習積極性。近年來，國家為了創(chuàng)新工程建設，在高等學校中開展了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目實踐活動，獲得批復的項目分為國家級、省級等層次，并按層次撥付一定的費用。我們基于操作系統(tǒng)課程，組織學生申報了《一種基于資源方的分布式互斥機制設計與實現(xiàn)》（2014）等多項國家級省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。另外，也組織學生參加了學校的挑戰(zhàn)杯競賽，《輕量級操作系統(tǒng)原型設計》獲得學校第8屆（2012年）挑戰(zhàn)杯三等獎。今年，再次組織學生以《64位的批處理操作系統(tǒng)原型設計》項目參加學校挑戰(zhàn)杯比賽。通過這些活動的開展，讓學生們感覺到了本課程學習的知識是有用處的，而不是僅僅停留在理論學習的架子上，也吸引了學生對課程的注意力，有效提高了學習興趣。最關鍵的是，通過項目的具體實施與展開，讓同學們明白了課本知識來源于實踐，同時又指導實踐的精髓。正如學生所述，通過參加這些項目，“讓我對計算機系統(tǒng)的理解更加深刻了100倍！”

2.加強實踐教學環(huán)節(jié)，強化課程考核方式，突出融合與創(chuàng)新要求。課程的考核方式一般就是期末筆試，這顯然與融合創(chuàng)新有點格格不入。在課程考核方面，強化了過程記錄與考核，如實驗檢查與批改作業(yè)關注“異樣”結果，在上課前，重點分析一下這些不一樣的地方，既肯定正確的方法，也指出錯誤之處，打破僵化，開拓思維。另外，提高了平時記錄對課程最終成績的影響因子。同時，課外也不定時的布置一些附加任務，如撰寫同步與互斥問題總結，對于能夠按時高質量完成任務的同學，適當增加平時記錄并獲得相應的平時成績分項。

3.強化學習交流，開展主動型學習。教學過程中，強調自學的重要性，分發(fā)一些資料或布置一些額外作業(yè)，要求學生利用課外時間完成，并通過課程班級QQ群與學生交流。交流過程中，注重提供方法，指明方向，而不是僅僅給出答案。

四、總結

本文結合我們在從事操作系統(tǒng)的教學經驗，結合當前工程教育的熱點，從本課程的角度，提出了操作系統(tǒng)課程為基礎的系統(tǒng)能力層次及其達成的課程體系內容。該課程體系以一個原型操作系統(tǒng)為基礎，與其他課程融會貫通，致力于培養(yǎng)計算機系統(tǒng)能力。最后，文中也提出了開展“融合創(chuàng)新”的一些具體措施。

致謝：本文受到安徽省教育研究項目《面向工程創(chuàng)新的計算機網絡類專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式研究》（編號：RE17100022）以及安徽工業(yè)大學教育研究項目《工程教育背景下大學生計算機操作系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究》（編號：RE17200024）資助，在此感謝！

參考文獻：

[1]王志英.新工科建設中的系統(tǒng)能力培養(yǎng)項目（ppt），第四屆高等院校計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)高峰論壇[Z].2018，05-12.

[2]李茂國，朱正偉.工程教育范式：從回歸工程走向融合創(chuàng)新[J].中國高教研究，2017，（06）.