“操作系统”实验课程分层教学探讨

骆斯文　吴京慧　廖国琼　蒋　剑

摘要:本文分析了我校“操作系统”实验教学的现状,针对存在的问题和课程实验教学改革的要求,提出了分层、分阶段的实验构想,以逐步引导和激发学生学习热情,并调动学生积极思维和提高创新能力。

关键词:操作系统;实验教学;分层体系结构

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

我校是一所以经济、管理类学科为主,法、工、文、理等学科协调发展的多科性大学。信息管理学院的计算机科学技术与信息管理专业开设了“操作系统”课程。近几年来,学院围绕着培养创业型人才的办学理念和专业课程建设的指导思想,在该课程的实验教学环节进行了诸多实践改革尝试和理论研讨。

“操作系统”是一门理论性很强的课程,教材原理性内容相对抽象,难以理解,因而必须辅以实验环节加深学生对理论知识的消化,进而深刻理解操作系统的本质,从而在未来的工作中利用所学到的知识解决实际的问题。为此,我校“操作系统”课程组围绕“大学计算机实验教学主要包括原理验证性实验、综合性实验和创新性实验三个环节”的指导思想进行了深入剖析,努力寻找一个适合我校实际情况的“操作系统”实验课程方案。本文将结合我校实际教学情况,探讨操作系统分层次实验教学方案。

2我校“操作系统”教学现状

虽然在以往“操作系统”课程的教学中我们取得了不少经验,但尚存在诸多不足,很多地方有待进一步的研讨及改善,针对实验环节存在的问题有以下几个方面。

(1) 理论课与实验性课程相对独立

长期以来,在专业课程的设置中,我们将“操作系统”课程教学分成两门课,一门是“操作系统”,属于专业必修课,在大二下学期开设,没有配置实验教学课时;另一门是“Linux操作系统”,属于专业选修课,在大三上学期开设。对于前者,教师在课堂内主要讲授操作系统原理相关内容,学生只在课余自行做一些验证性实验来消化理解部分理论知识。对后者,以Linux为实例全面介绍操作系统的管理功能进行教学,主要介绍Linux实现原理并配置32学时的实验课时,但实验内容未做系统规划,实验体系结构不完整,并缺少层次性。要求学生完成的只是一些基础验证性及简单应用性实验,无法让学生全面理解操作系统的本质。

(2) 专业课程设置学时不足

由于学校采用学分制,为了让学生能在前三年修满基本学分(使得学生在四年级时专注于毕业论文、实习和找工作),我校在制定教学计划时将大部分课程安排在前三学年,这种压缩式的安排对专业课程形成了冲击,使得教学计划中的专业课课时数不得不挤压(一部分课程压缩了实验课时)。同时,由于学生每学期所修课程较多,难以有时间和精力来完成复杂的综合性实验,而具有创新性的、工程项目式的设计性实验更是无法开展。

(3) 实验设置缺乏层次性

实验设置没有考虑实验对象群体的差异性以及实验内容上的循序渐进、难度逐渐增加的层次性,对学生创新能力的培养不利,未能体现素质教育的宗旨。主要内容停留在对主流操作系统(Windows和Unix/Linux) 的命令使用、系统配置管理等验证性实验,以及编写程序来模拟实现操作系统中的一些数据结构及算法。所有学生做相同实验,实验难度相同,学有余力的学生缺少激励,其潜能得不到挖掘。这些内容虽然对学生了解操作系统框架结构、去除操作系统的神秘感是有所裨益的,但对学生深入理解系统内核整体结构、内核的运作机理、系统综合设计能力的培养没有太多帮助。

(4) 专业课程设计缺少相应的内容

虽然针对高年级学生也开设了“专业课程设计”课,但学院对专业培养的目标定位在培养应用性人才上。学生选修课程设计时大部分并不选择操作系统这一方向(大部分学生选择应用软件的开发,如相对简单一些的MIS系统开发,这是一个不争的事实)。学生学习“操作系统”的目的停留在运用好操作系统,使得计算机系统的软、硬件资源利用率能最大化,以及维护系统的平稳运行等上面,而不去考虑将来如何去设计、开发和修改操作系统功能。

3我校“操作系统”实验教学内容分层体系的构想

针对我校“操作系统”教学目前的现状,“操作系统”课程组提出了从课程设置和实验内容上进一步改革课程体系、内容的方案。

教学计划的制定以“素质教育、能力培养”为指导思想,内容上要体现“以人为本,因人而异”。在“操作系统”教学大纲中增加实验环节内容,增加教师全程指导的课内实验课时。实验的体系结构从内容的选择、层次结构、实验平台三个角度来考虑。

(1) 实验内容的选择

在选择实验内容时,从操作系统的基本原理出发,将实验内容组织成四部分:验证性观察性实验、算法模拟性实验、利用系统调用进行应用性综合性实验和创新性设计性实验。

① 验证观察性实验主要包括:利用操作系统的shell命令完成系统的一些管理工作、利用系统提供的一些工具观察程序运行期间系统如何进行管理及调度(如Solaris中的MDB和DTrace工具)。通过这些实验学生可以体会系统的管理过程,加深对原理性内容的理解。

② 算法模拟性实验主要包括:利用C或C++程序设

计语言来模拟实现操作系统的部分功能(如进程的调度和内存分配),指导学生阅读分析Linux操作系统相应功能的开放源代码并进行分析比较,总结实验的得与失。将抽象的概念消融在具体的代码实现中,让学生加深对现代操作系统的认识理解和运用。

③ 应用性、综合性实验主要包括:利用操作系统提供的系统调用接口来编写并发程序,让学生选做一些网络应用程序,数据库应用、管理程序,或某些设备的驱动程序。通过这些实验将学生学习过的其它计算机课程知识与操作系统理论知识紧密联系起来,达到对计算机部分领域知识的融会贯通。

④ 创新性、设计性实验主要包括:对部分有能力的学生,鼓励、帮助他们大量阅读、分析操作系统源代码,使得他们掌握操作系统的整体结构和设计思想,安排他们尝试编写代码来替换或扩充具体操作系统的功能,甚至组织兴趣小组来试着构建一个简单、但功能完备的小型操作系统。

(2) 实验层次的划分

根据上面确立的实验内容,将试验划分成三个层次,内容由浅入深,并按层次组织实验对象单位,实验难度按层次由上向下逐渐增加,参与不同层次的实验对象所要求掌握的知识结构也有所不同,具体如图1所示。

第一层实验内容相对简单,实验安排在大二下学期“操作系统”课内实验计划中,全体专业学生都要选修。此时学生对程序设计语言工具掌握驾驭不足,可由课任教师负责指导、助教辅助组织实施。

第二层实验安排在大三上学期的“Linux操作系统”课内实验计划中,有兴趣选修的学生数量相对较减少,可将学生分组选题开展实验,由课任教师直接负责并组织实施。

第三层的实验难度大,留到大四学生有充足时间时开展,实行导师负责制。由导师出题,将学生组织成课外科研小组,结合当前主流操作系统开展研究性活动。对有一定价值的研究课题可直接转入到毕业设计范畴。

(3) 实验平台的选择

实验平台的选择应结合目前操作系统的发展趋势,并充分考虑学生将来的就业口径。

我们的专业是设置在财经院校的框架下,将来有很多的学生可能就业在金融业、电信业、保险业、商业等行业,这些行业选择用的操作系统是我们选择实验平台应优先考虑的,另一个因素是系统源代码是否开发、网络上的互动学习社区是否丰富。综合考虑这两点,我们选择了Linux和Solaris作为实验平台,而且它们都提供了交互式多任务的终端,易于学生观察分析现代操作系统的多线程机制。值得欣喜的是,它们还同属一个家族,学习的负担不至于太重。