張君

摘要：對于應用型的本?？圃盒碚f，操作系統(tǒng)原理課程是計算機科學與技術專業(yè)的一門專業(yè)核心課，強調理論與實踐的緊密配合，文中從操作系統(tǒng)課程的驗證性實驗談起，為了提高學生對操作系統(tǒng)知識的深刻認識，逐步貫徹和實施了綜合設計性實驗教學，列舉了設計性實驗的幾個經典實例。

關鍵詞：操作系統(tǒng)；驗證性實驗；設計性實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)02-0368-02

Teaching Reform of Operating System Principles Course Combining with Experiment

ZHANG Jun

(Hulunbeir College, Hulunbeir 021008, China)

Abstract: To applied undergraduate college and academy, operating system principles course is a professional core course in computer sci? ence and technology major, which emphasizes that theory and practice should combine closely with each other. In this paper, replication experiment of operating system course is firstly discussed in order to improve students profound understanding of operating system knowl? edge. Then comprehensive design experiment teaching is carried out and implemented gradually. At last several typical examples of design experiment have been listed.

Key words: operating system; replication experiment; design experiment

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，位于裸機和其它系統(tǒng)軟件之間，它是這樣一些程序模塊的集合-----它們管理和控制著計算機系統(tǒng)中的軟硬件資源，合理地組織計算機系統(tǒng)的工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴展的工作環(huán)境，在用戶和計算機之間起到接口的作用。操作系統(tǒng)是目前最復雜、技術含量最高的軟件，在計算機專業(yè)軟、硬件課程的設置上起著承上啟下的作用，其中的許多設計思想、技術和算法都可以推廣和應用到大型的、復雜的系統(tǒng)設計，以及其它領域。因此，其教學目標應重在培養(yǎng)學生理解和掌握計算機操作系統(tǒng)的基本工作原理、設計技術及設計方法，培養(yǎng)學生開發(fā)系統(tǒng)軟件和大型應用軟件的意識和能力，同時還要讓學生了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新思想、新技術和發(fā)展研究動向。操作系統(tǒng)實驗部分的教學比較重要，對理解操作系統(tǒng)的理論知識和具體實現(xiàn)技術，體驗該課程的抽象思維方法，培養(yǎng)規(guī)范的系統(tǒng)程序設計能力，都具有十分重要的意義。本文就呼院操作系統(tǒng)實驗課程分析了從驗證性實驗到綜合設計性實驗的過度，并提出了解決操作系統(tǒng)課程實驗困難的一些設想。

1呼院操作系統(tǒng)實驗課程改革的必要性

1.1操作系統(tǒng)課程教學的特點

1）操作系統(tǒng)原理教學以課堂講授為主，形成了一種“灌輸式”的教學方法，對啟發(fā)式、討論式和研究式的教學方法采用的比較少，進而導致學生創(chuàng)新能力不強。

2）操作系統(tǒng)原理教學內容理論性過強，實踐性較弱，這樣的教學形式不利于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生缺少自己動手分析具體操作系統(tǒng)實例的能力，課程設計和實現(xiàn)環(huán)節(jié)幾乎沒有，學生參與研究性學習的機會少，不能激發(fā)學生學習操作系統(tǒng)的興趣。

3）操作系統(tǒng)原理教學手段過于單一，僅局限于課程教學、多媒體教學、案例教學等少數教學手段，沒能充分利用實驗室環(huán)境的優(yōu)勢，進而影響了學生的學習興趣。

1.2我?，F(xiàn)狀

近幾年呼院計算機系都招收高職類的本科生，由于學生的類別是高職，所以操作系統(tǒng)課程的實驗只是開設一些驗證性的實驗和閱讀大量的現(xiàn)成源代碼。例如：了解Windows XP的系統(tǒng)信息與注冊表；winXP任務管理器的使用；FAT32與NTFS文件的區(qū)別等。隨著學生學習積極性的不斷提高和學生對專業(yè)知識需求的增加，只是開設這些簡單的驗證性實驗并不能滿足學生學習操作系統(tǒng)課程的需要，再加上操作系統(tǒng)課程理論教學本身的束縛，使得我們必須開設一些綜合設計性的實驗，利用學過的程序設計語言自己編一些程序，來配合完成操作系統(tǒng)理論課程和實驗課程的進一步強化。

2操作系統(tǒng)實驗課程改革與初步分析

2.1從課堂講授的“灌輸式”向實驗室的“互動式”轉變

“互動式”教學就是在教學過程中讓學生充分利用實驗室中的實驗環(huán)境而完成教學的方式。它培養(yǎng)了學生的參與意識、動手能力和思維能力，并能激發(fā)學生的學習興趣，也能對以前學過的語言進行鞏固和復習，是一種良好的教學方式。它符合素質教育所提倡的“教為主導，學為主體”的教學思想，使學生由被動變主動。

結合本校大學生自身的特點，采用“打比方-案例式-討論式”的模式，充分發(fā)揮其“學為主體”的作用。例如，在講授某個重點內容時，可讓同學先預習，再由老師通過案例提出一些問題，學生帶著這些問題去討論研究，然后在實驗室解決，從而將遺忘部分補足。而后，由老師就該內容做總結，提出重點部分和難點部分要求學生掌握，并請學生總結學習心得，寫出實驗報告，使其進一步透徹掌握該內容。最后，提出思考題和作業(yè)題給學生練習。經過這樣一套程序下來，盡管教師沒有逐條講授，但學生掌握的程度卻比平常高。同時還可以鼓勵學生參與課題研究。通過把與課程內容有關的科研課題進行分解，在授課過程中提出，讓學生自愿結成小組進行資料搜集和研究，充分發(fā)揮協(xié)作精神，促進教學相長。

2.2從以“理論”為中心向以“實踐”為中心的教學模式轉變

操作系統(tǒng)原理是一門理論性和實踐性都很強的課程，它來自于客觀需要，現(xiàn)正運行在各種不同類型的機器上。操作系統(tǒng)中的概念在實際操作系統(tǒng)中體現(xiàn)，操作系統(tǒng)的實現(xiàn)技術在實際操作系統(tǒng)中實施。因此，要加強該門課程的實踐教學環(huán)節(jié)。根據該門課程的特點，通過開拓思維、研究實例和實際實踐，培養(yǎng)學生從理論中來，到理論中去，再進一步升華為理論的創(chuàng)新能力。

1）建立“案例－原理－實踐”的教學模式。根據操作系統(tǒng)的特點，摒棄過去只注重書本內容的教學方法，引進實際工作的案例。通過案例分析，促使學生從實際出發(fā)，從現(xiàn)實的角度看待問題、分析問題、解決問題，不再局限于書本上的條條框框。而穿插于案例分析之中的原理介紹，使學生潛移默化地學會運用原理。對操作系統(tǒng)設計的親身實踐，使得學生把所學轉化為所用，并在所用中不斷加深與把握對操作系統(tǒng)的理解，避免高分低能的現(xiàn)象。

2）建立“與生活聯(lián)系起來”的深入淺出講解模式。由于操作系統(tǒng)的許多原理本來就來源于生活。如進程同步與生活中約會、乘車的類似性；緩沖區(qū)與超市、圖書館的類似性；層次結構與人類上層建筑、人際關系的類似性等。通過把這些人類生活中常見的機制引入到教學中進行類比分析，使枯燥的操作系統(tǒng)原理變得生動有趣，再結合著一些編程語言來實現(xiàn)，從而提高學生的學習興趣。

3）采用“模擬”教學法，為學生提供一個在仿真模擬環(huán)境中創(chuàng)新的機會。在實踐性教學環(huán)節(jié)上，可以通過和一些企業(yè)合作，使用最新的軟件工具，搭建項目實踐的先進實驗平臺。鼓勵學生在實踐環(huán)節(jié)上進行創(chuàng)新，提出自己的見解和設計，并在實驗室加以驗證，從根本上和底層次上深化對操作系統(tǒng)的理解和掌握。

4）以“趣味性”激起學習的興趣。通過第一線精英的現(xiàn)身說法，講解在設計過程中遇到的具體問題和采用的具體解決方法，將操作系統(tǒng)的原理在實踐中進行分析，促使學生從現(xiàn)實的角度分析和解決問題。穿插于案例分析之中的原理介紹，使學生潛移默化地學會運用原理、把握精髓、深入淺出，使學生真正清楚操作系統(tǒng)的奧妙，從而提高學生對操作系統(tǒng)的興趣。

2.3建立“驗證性”實驗到“綜合設計性”實驗的過度

作為普通本科院校，操作系統(tǒng)實驗課程按深度分為五個層次，即：使用級（指如何使用操作系統(tǒng)，包括對命令、系統(tǒng)調用和系統(tǒng)文件的使用）、觀察級（指通過使用級的接口，從外部觀察操作系統(tǒng)的內部工作過程和結構）、系統(tǒng)管理級（指系統(tǒng)或設備的安裝、配置和性能調整）、源碼閱讀級（指少量源代碼閱讀）和實現(xiàn)級（指實現(xiàn)一個操作系統(tǒng)某些模塊的子功能）。而我校由于知識體系的局限性只開設了前四個層次的實驗，對于實現(xiàn)級還沒真正落實和研究，而綜合設計性實驗必不可少，所以在此基礎上開設設計與實現(xiàn)的實驗迫在眉睫。開設綜合設計性的實驗要求學生具有很好的程序設計語言功底和邏輯思維能力，培養(yǎng)學生這方面的能力也是教師現(xiàn)在最主要的職責。

3科學地組織設計性實驗的教學內容

操作系統(tǒng)的功能分為處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理和用戶接口五個模塊，由此設計的實驗教學內容如下：

3.1處理機管理模塊

該模塊包括進程調度、進程互斥、進程同步、進程通信、進程死鎖子模塊。其中比較典型的同步算法有生產者與消費者問題、讀者與寫者問題、哲學家進餐問題、司機與售票員問題、圖書館管理問題、父親分水果問題等等。還有進程的創(chuàng)建（fork）、進程撤銷、進程掛起、進程激活、進程阻塞、進程喚醒等原語的實現(xiàn)都可以作為設計和實現(xiàn)的實驗題目。

3.2存儲器管理模塊

該模塊包括分區(qū)、分頁、分段、段頁式存儲管理方式，而現(xiàn)代操作系統(tǒng)主要以動態(tài)存儲分配方式來實現(xiàn)虛擬存儲，讓學生模擬一些替換存儲空間的算法，對該算法編程來實現(xiàn)相關操作。其中經常使用的算法有FIFO，LRU等。

3.3設備管理模塊

該模塊包括緩沖區(qū)隊列的管理，磁盤設備的管理等。因為I/O設備的低速與CPU設備的高速之間的速度不匹配，使得CPU的大量時間處于等待狀態(tài)，降低了CPU的利用率，所以設置緩沖區(qū)可以很好的解決這個矛盾。在此知識結構中可以實現(xiàn)編寫一個簡單的鍵盤驅動程序模塊等。

3.4文件管理和用戶管理模塊

該模塊包括文件存儲空間的管理，文件的相關操作命令。用戶管理模塊包括命令接口和系統(tǒng)調用。這兩個模塊知識簡單，屬于操作類，所以在這就不用設置綜合設計性的實驗。

4結束語

隨著計算機應用向縱深方向進一步拓展，計算機操作系統(tǒng)課程的重要性日益凸顯，然而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)原理教學模式重視理論知識的教授、忽略實踐的重要性、教學手段單一等缺陷，致使學生無法深入掌握操作系統(tǒng)原理的精髓，因此積極探索操作系統(tǒng)原理教學模式的實驗改革具有十分重要而深遠的意義。本文從三個角度提出了相應的改革措施，即從“灌輸式”教學模式向“互動式”實驗模式轉變，增強學生的自學能力和編程能力；從以“理論”為中心向“理論與實踐并重”的教學模式轉變，增強學生的動手能力和創(chuàng)新能力；從“驗證性”實驗到“綜合設計性”實驗教學模式的轉變，以期對操作系統(tǒng)原理教學和實驗模式改革有所啟發(fā)，使學生充分利用所學知識和技能，認識到操作系統(tǒng)課程在計算機科學領域中的重要地位和作用。

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