操作系统课程教学模式初探

龙腾

摘要：文章结合信息工程的发展，根据课程的教学现状，以提高学生专业素养为目标，分析和探讨操作系统课程的教学方法。包括对现有课程的教学内容进行补充，教学知识中关注学科之间的融合，教学形式上进行变革，容纳多样化的教学手段等。

关键词： 操作系统；慕课；教学方法；课程实践；课程改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0134-02

Abstract： Based on the teaching status of operation system， this paper discusses the importance to reform in different aspects including context and methods.

Key words： Operation System； MOOC； Teaching Method； Course Practice； Curriculum Revolution

1 引言

操作系统课程[1-3]是软件工程的核心课程之一，该课程与算法设计与分析、数据结构等课程之间都有内容衔接。操作系统是计算机重要的软件体现，起到管理控制中心的作用，在计算机系统软件中处于中心地位。从某种意义上说，操作系统直接关系到整个计算机系统应用性能和用户应用计算机的方便程度，所以操作系统成为重要的专业基础课程之一。

随着信息工程技术的迅速发展，应用相关的问题愈发复杂，应用的领域更为广泛，需要有系统观的软件硬件协同设计的贯通人才。软件工程的人员需要编写适合不同平台的高效程序，必须对计算机系统有全面认识。

操作系统课程的教学目标：在操作系统教学过程中引导学生清楚地认识和了解系统的结构，为软件技术的设计、修改、移植等打下理论基础。

操作系统课程的人才培养目标：通过学习操作系统相关概念，帮助学生理解操作系统运行机制和重要设计思想，帮助学生进一步建立和强化宏观思维的能力。培养具备以下能力的人才：1）能对软硬件功能进行合理划分。2）能对系统不同层次进行抽象和封装。3）能对系统的整体性能进行分析和调优。4）能对系统各层面错误进行调试和修整。5）能对用户程序进行性能评估和优化。

2 现状分析

在教学实践中，发现操作系统课程的教学的效果距离教学目标，还有一定的难度。体现在以下几个方面：

2.1 课程内容

学生应通过操作系统课程学习，理解计算机软硬件协同工作，明确开发大型软件必需的操作系统支持，为大型应用软件和系统软件的设计和实现打下基础。操作系统课程内容主要分为进程管理、内存管理、设备管理、文件管理、系统安全及Linux系统等几大部分。这些部分相对来说知识连续性不是很高，而且传统的内容缺乏对流行的操作系统如Android操作系统等的介绍，学生的学习积极性得不到提高。该课程与后续的课程衔接，缺乏Linux系统下的软件开发等相关课程，影响学生对Linux系统深入学习的积极性。

2.2教学手段

互联网的发展为寻求各类知识提供了有效的搜索途径和广阔的资源。 但是由于电子设备的普及，会导致学生每遇到一个问题都依赖互联网的搜索寻找答案，而缺乏自己思考。操作系统课程学习停留在传统的课堂讲授的方法中，由于课程内容涉及范围的宽泛及相对枯燥，学生在课堂讲授部分获取的反馈有限。并且课程讲授依赖幻灯片，讲解从某种程度变成了幻灯片的播放。

2.3 课程实践

对于实验课程来说，其主要目的在于通过实验操作，让学生们能够对理论知识有所了解，在掌握具体知识的过程中，培养学生的动手能力，从而为后续学习打下坚实的基础。操作系统课程中的实验环节一般涉及：1进程管理，2存储器管理，3 SPOOLing技术等。以上实验重点的练习还是基于算法设计与实现，和现实中的操作系统相关的联系显得比较薄弱。而且在上机练习中，缺乏与最先进技术的衔接，一定程度影响教学效果。

综合以上情况，由于课程内容的设计及相关课程衔接的不到位，同时教学手段的单一及缺乏与时俱进的实践，影响学生对该课程学习的主动性，缺乏学习动力。从以上几个方面，需要思考相对应的改革方案，改进教学方法。

3 改革方案

针对操作系统课程教学现状的多个方面的分析，提出针对以上各个方面的改革方案：

3.1扩充课程内容

解决一个实际问题，如：由用户决定Windows任务管理器的CPU占用率，需要用到操作系统、算法设计与分析、数据结构等知识。由此可见操作系统课程的学习，离不开与多个课程的紧密联系。注重知识链的构建，让学生避免死记硬背，避免把操作系统课程当作文科课程来学习。

从课程内容出发增加先导知识，并从以下几个方面做适当的扩充和调配，使得课程衔接更为合理，更与时俱进。

1） 在操作系统引论的章节中，增加实时操作系统的介绍。

2） 基础介绍中，注重提炼知识链：

a） 环节1：操作系统中为提高CPU的利用率，引入多道编程，于是有了进程概念。

b） 环节2 ：为进一步减少进程上下文切换开销，以及支持对称对处理，形成进程/线程模型。

c） 环节3：线程仍会消耗大量的内核资源，主要为线程配备内核堆栈。

3） 在进程章节学习之前，增加介绍中断的内容。因为操作系统是中断驱动的，要了解操作系统的工作原理，首先就应该知道中断的基本原理，中断的基本概念、作用、类型，中断响应过程、处理过程等。

4） 在处理机调度章节中，增加最高响应比优先算法以及几种常用算法的比较，深入分析不同算法之间的区别。

5） 在内存管理章节中，虚拟存储管理中增加页面置换算法的介绍并对请求分页系统的性能进行分析。包括对有效访问时间、抖动现象、页面大小选择等几个方面的分析。

6） 在课程中后期，增加某种智能手机操作系统，如Android或IOS的介绍。

3.2 丰富教学手段

为帮助学生提高学习基础知识的积极性，从被动接受知识转变为主动学习，需要丰富的教学手段辅助教学。

1） 增加慕课学习。例如哈尔滨工业大学的《操作系统之基础》慕课， 以实际Linux操作系统为案例开展教学，将操作系统原理和操作系统编码实现进行贯通。该慕课对系统启动、系统调用、进程追踪、内核级线程实现、信号量实现、内存共享管理、文件系统等内容进行了全面实践。以上慕课的内容，能够弥补课程内容中Linux操作系统内核的相关知识和练习。在缺乏实验条件的情况下，能够辅助学生对该知识点具备较全面的认识。

2） 增加讨论环节。为了消除高科技融入教学时产生的注意力分散等问题，可以组织上课前查找相关资料，上课时候讨论基本问题。既能充分利用互联网中丰富、实时的资源，又能正确使用该资源辅助学生主动思考，从而解决问题。

3.3 注重素质培养

现在学生学习注重知识点的学习，忽视了知识链和知识网的搭建。缺少综合知识，看待具体问题缺乏系统观。教学过程中注重以下方面的知识链构建，培养具备计算机系统层面的认知和设计能力的学生，训练学生从计算机系统的高度考虑和解决问题。

1） 操作系统与信息安全： 反向思考如何实现入侵和防御系统。

2） 操作系统与与软件工程： 养成安全开发生命周期。

3） 操作系统与并行程序设计：同步、互斥、死锁、进程通信等概念是操作系统最先引入的，以上概念可以服务于并行程序设计、多线程多核编程中，体现并行程序运行特征。

4） 操作系统和编程的关联：操作系统作为一种软硬件复用和抽象模型的软件，为应用程序提供了运行模型和存储模型，其抽象模型直接制约了位于其上的应用程序的性能和编程效率。

5） 在实践训练中，培养学生实现高效算法，降低时间空间复杂度的意识。理解操作系统具体算法：调度、轮询算法的训练，强化调度中公平性、饥饿等概念。

4 结论

本文结合信息科学发展动态，从教学内容、教学手段、实验环节等方面分析操作系统课程的教学现状，以培养具备基本分析问题、解决问题的能力，全面掌握理论知识、原理、设计方法、基本实验技能的学生为目标，探讨操作系统课程教学的改革。从内容上，扩充现有课程的教学内容，并注重与先导课程及后续课程的衔接与融合；教学形式上，与时俱进，考虑与慕课资源的结合与互补，容纳多样化的教学手段等。

参考文献：

[1] 刘万伟，薛源，罗宇，李暾.计算机专业课程体系与操作系统课程的衔接[J].计算机教育， 2013（5）：1-3.

[2] 杨晓敏，吴炜，刘志芳，孔贵琴.《计算机操作系统》课程教学改革之探索与实践[J].教育教学论坛，2015（7）：110-111.

[3] 王昊翔.“操作系统”全英教学研究与实践[J].计算机工程与科学，2014（Z2）266-268.