结合实验的操作系统原理课程的教学改革

张君

摘要：对于应用型的本专科院校来说，操作系统原理课程是计算机科学与技术专业的一门专业核心课，强调理论与实践的紧密配合，文中从操作系统课程的验证性实验谈起，为了提高学生对操作系统知识的深刻认识，逐步贯彻和实施了综合设计性实验教学，列举了设计性实验的几个经典实例。

关键词：操作系统；验证性实验；设计性实验

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：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

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，位于裸机和其它系统软件之间，它是这样一些程序模块的集合-----它们管理和控制着计算机系统中的软硬件资源，合理地组织计算机系统的工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，在用户和计算机之间起到接口的作用。操作系统是目前最复杂、技术含量最高的软件，在计算机专业软、硬件课程的设置上起着承上启下的作用，其中的许多设计思想、技术和算法都可以推广和应用到大型的、复杂的系统设计，以及其它领域。因此，其教学目标应重在培养学生理解和掌握计算机操作系统的基本工作原理、设计技术及设计方法，培养学生开发系统软件和大型应用软件的意识和能力，同时还要让学生了解现代操作系统的新思想、新技术和发展研究动向。操作系统实验部分的教学比较重要，对理解操作系统的理论知识和具体实现技术，体验该课程的抽象思维方法，培养规范的系统程序设计能力，都具有十分重要的意义。本文就呼院操作系统实验课程分析了从验证性实验到综合设计性实验的过度，并提出了解决操作系统课程实验困难的一些设想。

1呼院操作系统实验课程改革的必要性

1.1操作系统课程教学的特点

1）操作系统原理教学以课堂讲授为主，形成了一种“灌输式”的教学方法，对启发式、讨论式和研究式的教学方法采用的比较少，进而导致学生创新能力不强。

2）操作系统原理教学内容理论性过强，实践性较弱，这样的教学形式不利于对学生创新能力的培养。学生缺少自己动手分析具体操作系统实例的能力，课程设计和实现环节几乎没有，学生参与研究性学习的机会少，不能激发学生学习操作系统的兴趣。

3）操作系统原理教学手段过于单一，仅局限于课程教学、多媒体教学、案例教学等少数教学手段，没能充分利用实验室环境的优势，进而影响了学生的学习兴趣。

1.2我校现状

近几年呼院计算机系都招收高职类的本科生，由于学生的类别是高职，所以操作系统课程的实验只是开设一些验证性的实验和阅读大量的现成源代码。例如：了解Windows XP的系统信息与注册表；winXP任务管理器的使用；FAT32与NTFS文件的区别等。随着学生学习积极性的不断提高和学生对专业知识需求的增加，只是开设这些简单的验证性实验并不能满足学生学习操作系统课程的需要，再加上操作系统课程理论教学本身的束缚，使得我们必须开设一些综合设计性的实验，利用学过的程序设计语言自己编一些程序，来配合完成操作系统理论课程和实验课程的进一步强化。

2操作系统实验课程改革与初步分析

2.1从课堂讲授的“灌输式”向实验室的“互动式”转变

“互动式”教学就是在教学过程中让学生充分利用实验室中的实验环境而完成教学的方式。它培养了学生的参与意识、动手能力和思维能力，并能激发学生的学习兴趣，也能对以前学过的语言进行巩固和复习，是一种良好的教学方式。它符合素质教育所提倡的“教为主导，学为主体”的教学思想，使学生由被动变主动。

结合本校大学生自身的特点，采用“打比方-案例式-讨论式”的模式，充分发挥其“学为主体”的作用。例如，在讲授某个重点内容时，可让同学先预习，再由老师通过案例提出一些问题，学生带着这些问题去讨论研究，然后在实验室解决，从而将遗忘部分补足。而后，由老师就该内容做总结，提出重点部分和难点部分要求学生掌握，并请学生总结学习心得，写出实验报告，使其进一步透彻掌握该内容。最后，提出思考题和作业题给学生练习。经过这样一套程序下来，尽管教师没有逐条讲授，但学生掌握的程度却比平常高。同时还可以鼓励学生参与课题研究。通过把与课程内容有关的科研课题进行分解，在授课过程中提出，让学生自愿结成小组进行资料搜集和研究，充分发挥协作精神，促进教学相长。

2.2从以“理论”为中心向以“实践”为中心的教学模式转变

操作系统原理是一门理论性和实践性都很强的课程，它来自于客观需要，现正运行在各种不同类型的机器上。操作系统中的概念在实际操作系统中体现，操作系统的实现技术在实际操作系统中实施。因此，要加强该门课程的实践教学环节。根据该门课程的特点，通过开拓思维、研究实例和实际实践，培养学生从理论中来，到理论中去，再进一步升华为理论的创新能力。

1）建立“案例－原理－实践”的教学模式。根据操作系统的特点，摒弃过去只注重书本内容的教学方法，引进实际工作的案例。通过案例分析，促使学生从实际出发，从现实的角度看待问题、分析问题、解决问题，不再局限于书本上的条条框框。而穿插于案例分析之中的原理介绍，使学生潜移默化地学会运用原理。对操作系统设计的亲身实践，使得学生把所学转化为所用，并在所用中不断加深与把握对操作系统的理解，避免高分低能的现象。

2）建立“与生活联系起来”的深入浅出讲解模式。由于操作系统的许多原理本来就来源于生活。如进程同步与生活中约会、乘车的类似性；缓冲区与超市、图书馆的类似性；层次结构与人类上层建筑、人际关系的类似性等。通过把这些人类生活中常见的机制引入到教学中进行类比分析，使枯燥的操作系统原理变得生动有趣，再结合着一些编程语言来实现，从而提高学生的学习兴趣。

3）采用“模拟”教学法，为学生提供一个在仿真模拟环境中创新的机会。在实践性教学环节上，可以通过和一些企业合作，使用最新的软件工具，搭建项目实践的先进实验平台。鼓励学生在实践环节上进行创新，提出自己的见解和设计，并在实验室加以验证，从根本上和底层次上深化对操作系统的理解和掌握。

4）以“趣味性”激起学习的兴趣。通过第一线精英的现身说法，讲解在设计过程中遇到的具体问题和采用的具体解决方法，将操作系统的原理在实践中进行分析，促使学生从现实的角度分析和解决问题。穿插于案例分析之中的原理介绍，使学生潜移默化地学会运用原理、把握精髓、深入浅出，使学生真正清楚操作系统的奥妙，从而提高学生对操作系统的兴趣。

2.3建立“验证性”实验到“综合设计性”实验的过度

作为普通本科院校，操作系统实验课程按深度分为五个层次，即：使用级（指如何使用操作系统，包括对命令、系统调用和系统文件的使用）、观察级（指通过使用级的接口，从外部观察操作系统的内部工作过程和结构）、系统管理级（指系统或设备的安装、配置和性能调整）、源码阅读级（指少量源代码阅读）和实现级（指实现一个操作系统某些模块的子功能）。而我校由于知识体系的局限性只开设了前四个层次的实验，对于实现级还没真正落实和研究，而综合设计性实验必不可少，所以在此基础上开设设计与实现的实验迫在眉睫。开设综合设计性的实验要求学生具有很好的程序设计语言功底和逻辑思维能力，培养学生这方面的能力也是教师现在最主要的职责。

3科学地组织设计性实验的教学内容

操作系统的功能分为处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口五个模块，由此设计的实验教学内容如下：

3.1处理机管理模块

该模块包括进程调度、进程互斥、进程同步、进程通信、进程死锁子模块。其中比较典型的同步算法有生产者与消费者问题、读者与写者问题、哲学家进餐问题、司机与售票员问题、图书馆管理问题、父亲分水果问题等等。还有进程的创建（fork）、进程撤销、进程挂起、进程激活、进程阻塞、进程唤醒等原语的实现都可以作为设计和实现的实验题目。

3.2存储器管理模块

该模块包括分区、分页、分段、段页式存储管理方式，而现代操作系统主要以动态存储分配方式来实现虚拟存储，让学生模拟一些替换存储空间的算法，对该算法编程来实现相关操作。其中经常使用的算法有FIFO，LRU等。

3.3设备管理模块

该模块包括缓冲区队列的管理，磁盘设备的管理等。因为I/O设备的低速与CPU设备的高速之间的速度不匹配，使得CPU的大量时间处于等待状态，降低了CPU的利用率，所以设置缓冲区可以很好的解决这个矛盾。在此知识结构中可以实现编写一个简单的键盘驱动程序模块等。

3.4文件管理和用户管理模块

该模块包括文件存储空间的管理，文件的相关操作命令。用户管理模块包括命令接口和系统调用。这两个模块知识简单，属于操作类，所以在这就不用设置综合设计性的实验。

4结束语

随着计算机应用向纵深方向进一步拓展，计算机操作系统课程的重要性日益凸显，然而传统的操作系统原理教学模式重视理论知识的教授、忽略实践的重要性、教学手段单一等缺陷，致使学生无法深入掌握操作系统原理的精髓，因此积极探索操作系统原理教学模式的实验改革具有十分重要而深远的意义。本文从三个角度提出了相应的改革措施，即从“灌输式”教学模式向“互动式”实验模式转变，增强学生的自学能力和编程能力；从以“理论”为中心向“理论与实践并重”的教学模式转变，增强学生的动手能力和创新能力；从“验证性”实验到“综合设计性”实验教学模式的转变，以期对操作系统原理教学和实验模式改革有所启发，使学生充分利用所学知识和技能，认识到操作系统课程在计算机科学领域中的重要地位和作用。

参考文献：

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