范振鈞，齊 悅

(通化師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 通化 134002)

操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探析*

范振鈞，齊 悅

(通化師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 通化 134002)

論述了操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題，按照面向應(yīng)用，突出實(shí)踐能力培養(yǎng)的原則給出了課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路.并探討了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方面的改進(jìn)方法，以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

操作系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；vmare；分層次教學(xué)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)課程，這門(mén)課程的理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)，內(nèi)容豐富，概念抽象，涉及面廣，幾乎計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的所有主干課程都和操作系統(tǒng)有著密不可分的關(guān)系.操作系統(tǒng)課程的特點(diǎn)決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為該課程學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié).目前的操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單，形式呆板，主要以驗(yàn)證、仿真為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用.為了更好地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在操作系統(tǒng)教學(xué)中的作用，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，我院在操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了一系列的改革，取得了較好的效果.

1 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的主要問(wèn)題

由于種種原因，我院以往的操作系統(tǒng)課程教學(xué)離教學(xué)目標(biāo)的要求較遠(yuǎn)，存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題.

(1)缺乏真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境.在以往的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于受到機(jī)房管理的限制，大部分實(shí)驗(yàn)都在windows操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行，由于windows系統(tǒng)內(nèi)核不對(duì)外公開(kāi)，在實(shí)驗(yàn)課中只能利用windows提供的外部接口對(duì)其進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)所涉及的資源是實(shí)際不存在的，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法深入到操作系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，這種類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)只能有助于對(duì)操作系統(tǒng)原理的理解，學(xué)生較難體會(huì)到操作系統(tǒng)和硬件的交互，以及操作系統(tǒng)的框架和部分運(yùn)行機(jī)制(如中斷)的特點(diǎn).實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的作用，直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性.因此，創(chuàng)建一個(gè)相對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境成為課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵因素.

(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系.鑒于操作系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的教學(xué)條件下，設(shè)計(jì)出一個(gè)完善的操作系統(tǒng)基本不可能.缺少了一個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)課的效果必然打折扣.為了有一個(gè)好的教學(xué)效果必須在一個(gè)相對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，形成一個(gè)由淺入深的完整的實(shí)驗(yàn)體系.在我院以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于缺乏真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是圍繞教材中的幾個(gè)主要算法在windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行模擬驗(yàn)證，注重的是理論知識(shí)的檢驗(yàn)和證明，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有形成一個(gè)完整的整體，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)只是支離破碎地介紹了一些操作系統(tǒng)局部知識(shí)，學(xué)生很難將這些知識(shí)融會(huì)貫通，很難直觀地理解操作系統(tǒng)課程中眾多抽象的概念，更談不上把實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的方法和技能應(yīng)用到實(shí)際軟件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)工作中去.因此，形成一個(gè)多層次的、完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系成為我院操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急.

2 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課改革思路

教育教學(xué)改革的重要目標(biāo)就是培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才，這也是我院操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的努力方向.根據(jù)這個(gè)思想，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)課程的教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式上進(jìn)行了改革.

2.1 創(chuàng)建基于vmare的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境

Linux操作系統(tǒng)由于源代碼的開(kāi)放性，使其成為操作系統(tǒng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)首選研究對(duì)象.但是限于機(jī)房的條件，以及機(jī)房管理和其他課程實(shí)驗(yàn)的需求，windows操作系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室的首選操作系統(tǒng)，如何把操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境由windows系統(tǒng)變成linux系統(tǒng)，成為困擾我院操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的最大障礙.本學(xué)期，經(jīng)過(guò)努力，我們通過(guò)在windows操作系統(tǒng)下，使用vmare虛擬機(jī)模擬linux下的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生置身于真實(shí)的操作系統(tǒng)中，了解linux系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)情況，理論與實(shí)際結(jié)合，提高了教學(xué)效率.

采用虛擬機(jī)進(jìn)行操作系統(tǒng)教學(xué)，可以完成操作系統(tǒng)課程教學(xué)中的注冊(cè)表更改等對(duì)系統(tǒng)有較大影響的實(shí)驗(yàn)，還可以完成Linux下內(nèi)核編寫(xiě)、線程控制，存儲(chǔ)分配等實(shí)驗(yàn).采用vamre虛擬機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境，可以讓學(xué)生置身于真實(shí)的操作系統(tǒng)中，親身感受操作系統(tǒng)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)情況.即提高了操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，又不影響其它課程的實(shí)驗(yàn)，也便于機(jī)房的管理，一舉兩得.比如“進(jìn)程”的概念是貫穿整個(gè)課程的核心概念，進(jìn)程的概念是程序在數(shù)據(jù)集上的一次“執(zhí)行過(guò)程”，是個(gè)動(dòng)態(tài)的、抽象的、十分難以理解的概念.而在以往windows環(huán)境下，由于windows內(nèi)核不對(duì)外開(kāi)放，學(xué)生無(wú)法對(duì)進(jìn)程直接進(jìn)行操作，造成部分學(xué)生對(duì)進(jìn)程的概念缺乏感性認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致“進(jìn)程”概念理解困難，而后續(xù)的以“進(jìn)程”概念為基礎(chǔ)的，進(jìn)程之間并發(fā)執(zhí)行以及進(jìn)程間的通信等內(nèi)容就更是無(wú)法理解了.現(xiàn)在通過(guò)在vmare環(huán)境下模擬進(jìn)程的創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自己創(chuàng)建并刪除一個(gè)進(jìn)程，在創(chuàng)建進(jìn)程過(guò)程中可以親身體驗(yàn)到進(jìn)程的id，進(jìn)程可以創(chuàng)建子進(jìn)程，進(jìn)程和子進(jìn)程共享同一段代碼和變量，進(jìn)程和進(jìn)程之間可以互相通信，做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生就能夠真正了解進(jìn)程的概念和進(jìn)程之間的通信.

2.2 按照課程實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，由淺入深，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系列

為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，結(jié)合操作系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)其他院校的經(jīng)驗(yàn)，本著面向應(yīng)用，突出實(shí)踐能力培養(yǎng)的原則，精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)選中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行難易搭配，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)效果.具體做法是：從應(yīng)用級(jí)、系統(tǒng)管理級(jí)、系統(tǒng)行為觀察級(jí)、實(shí)現(xiàn)級(jí)和源碼閱讀級(jí)的不同層次，在Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)上，由淺入深地安排了五個(gè)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)題目，具體內(nèi)容見(jiàn)表1.

表1 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分類(lèi)表

應(yīng)用級(jí)和系統(tǒng)管理級(jí)的實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生能夠熟練的使用、管理和維護(hù)linux系統(tǒng)，并可以在linux系統(tǒng)下進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)，為學(xué)生將來(lái)從事linux一般性的管理工作打基礎(chǔ).

在系統(tǒng)行為觀察級(jí)實(shí)驗(yàn)里，學(xué)生可以用C語(yǔ)言或其他編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)并編程，設(shè)身處地地觀察linux系統(tǒng)下進(jìn)程異步并發(fā)及進(jìn)程通信等操作的執(zhí)行結(jié)果，進(jìn)一步加深了感性認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)教材中抽象概念的理解，提高了學(xué)習(xí)興趣.

在實(shí)現(xiàn)級(jí)實(shí)驗(yàn)里，對(duì)操作系統(tǒng)課程里的經(jīng)典算法進(jìn)行編程，在linux系統(tǒng)環(huán)境下，模擬實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型操作系統(tǒng)的部分功能，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

在源碼閱讀級(jí)實(shí)驗(yàn)里，指導(dǎo)學(xué)生閱讀現(xiàn)有操作系統(tǒng)內(nèi)核的源代碼，真正認(rèn)識(shí)現(xiàn)代操作系統(tǒng)，理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精髓，拓寬學(xué)生的視野.比如閱讀進(jìn)程調(diào)度程序s ch e d .h源碼文件，了解linux進(jìn)程調(diào)度原理，閱讀msg.c，sem.c和shm.c源碼文件，熟悉linux的通信機(jī)制.這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際理解能力，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行.

通過(guò)上述設(shè)置形成了完整的實(shí)驗(yàn)系列，改變了以往單一、零散的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深，很好的反映了操作系統(tǒng)課程的基本思想，有助于對(duì)課程的眾多抽象概念的理解.經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單應(yīng)用實(shí)驗(yàn)到綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初步具備了管理linux系統(tǒng)的能力，形成了利用操作系統(tǒng)思想解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題的能力.

2.3 因材施教，采用分層次教學(xué)

實(shí)驗(yàn)分為選做和必做，針對(duì)不同的學(xué)生制定不同的要求，對(duì)理解能力一般的同學(xué)，要求必須完成應(yīng)用級(jí)、系統(tǒng)管理級(jí)、系統(tǒng)觀察級(jí)的實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)linux操作系統(tǒng)的使用維護(hù)管理能力，為將來(lái)從事一般性的管理工作打基礎(chǔ).對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)，在掌握上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)，在教師指導(dǎo)下完成實(shí)現(xiàn)級(jí)和源碼閱讀級(jí)題目的實(shí)驗(yàn)，主要的目的在于培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行大型軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力.

3 結(jié)語(yǔ)

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，首先從改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境做起，通過(guò)采用虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建多操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即可滿(mǎn)足操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求，又可以利用有限的硬件資源，減輕機(jī)房負(fù)擔(dān)，改變了以往缺少實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的難題，讓學(xué)生置身于真實(shí)的操作系統(tǒng)中，可了解這些技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)情況，理論與實(shí)際結(jié)合，提高教學(xué)效率.其次精選了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成了完整的實(shí)驗(yàn)體系.最后采用分層次教學(xué)，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，重視綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足了不同層次學(xué)生的需要.

[1]張其亮，韓斌.操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探析[J].計(jì)算機(jī)教育，2010(4).

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[5]徐晶，梁子剛.操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].才智，2009(12).

[6]杜萍，范輝.應(yīng)用型本科操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J].計(jì)算機(jī)教育，2008(8).

(責(zé)任編輯:王前)

Experiment Teaching Reform of Operating System Course

FAN Zhen-jun, QI Yue

(CollegeofComputerScience,TonghuaNormalUniversity,Tonghua,Jilin134002,China)

The optimization of experiment project and enhancement of teaching efficiency by using Vmare as experiment teaching platform of operating system is discussed in this paper.

operating system; experiment teaching; Vmare; hierarchical teaching

2013-04-06

范振鈞(1968-)，男，吉林通化人，碩士，副教授.

通化師范學(xué)院院級(jí)教研項(xiàng)目.

G642

A

1008-7974(2014)01-0060-03