基于系统能力培养的《操作系统》课程教学改革实践

翟一鸣+张楠+任满杰+刘其成

摘要：以毕业生能力驱动课程体系建设是工程教育专业认证核心内容之一。针对当前操作系统课程建设普遍存在的问题，本文以计算机专业系统能力培养为顶层目标，提出了以该目标驱动的操作系统教学改革和“以课程群为中心”的课程建设模式，并做了大量的相关教学实践，对于提高教学质量、培养学生能力有着重要意义。

关键词：系统能力；课程群；课程建设；操作系统；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）36-0128-02

进入21世纪以来，信息产业持续快速发展，已经成为新世纪经济发展的驱动力。以移动互联网、物联网、云计算和大数据计算为主要特征的新型网络时代对计算机专业人才的知识结构与创新能力提出了更高的要求，这其中就包括系统能力。操作系统在计算机领域有着举足轻重的作用，作为一门承前启后的专业基础课程，在计算机专业课程体系中扮演着重要角色，是学生建立计算机系统观及认识其内部运行机制的重要途径。在操作系统课程建设过程中，提高学生的系统能力应该从实践出发，结合课程群的优势，以实际系统应用来进行驱动，在内容授课、讨论、实验等环节中不断融入相关内容，提高学生学习兴趣，加深学生对基本概念及理论的理解，提高学生系统分析能力及动手实践能力。我们将进一步结合课程实施成效情况来总结课程建设经验，不斷优化课程教学，以更好地满足专业人才系统能力培养的需求。

一、教学现状和存在的问题

在PC时代背景下，对操作系统教学现状进行分析发现，对学生的系统能力培养存在以下问题。

（1）操作系统课程与其他系统课程的衔接和关联不够。目前课程设置大多按照计算机系统不同层次上的内容独立开设课程，很少体现本层次与其他层次内容之间的关联，学生难以形成对计算机系统的全面认识。教学内容不够与时俱进，较少涉及近年来出现的多核处理器、分布式和并行计算模式等实际工作中遇到的内容。

（2）大部分学生不能很好地建立计算机系统的完整概念，缺乏系统观。学生对于操作系统的核心内容掌握不够，实践能力不足，动手意识薄弱，他们综合分析、设计和应用能力也较差，只能解决局部的编程和应用问题，对于系统层面问题的解决无法胜任。

面向系统能力培养的操作系统课程教学改革是一项综合性的改革工程，重点在教学内容、课程体系、实验内容等方面探索新的方法和手段。

二、系统能力培养的技术途径

1.以课程群为中心的建设模式。从系统能力培养的大方向出发，整合操作系统课程群中各项资源，我们提出统筹规划课程内容，使课程间和课程内部知识紧密联系，让操作系统的整体教学过程和实验目标设计实现不断完善的渐进过程。最终让学生通过实践锻炼提高系统编程能力，真正锻炼系统分析设计能力和创新能力。

以系统能力为培养目标，以系统设计为统一视图，充分利用操作系统课程群的优势来设计操作系统课程体系。我们将操作系统、编译原理、并行计算等课程整合成了操作系统课程群，充分发挥课程群的紧密耦合特性，共享资源，提高课程内容的关联性。这样不仅使课程群内各课程之间构成前后递进的层次关系，而且课程内知识点之间也构成递进的层次关系，从而改变以往课程间缺乏直接联系的不足，实现了课程紧密联系的整体教学计划和实验设计不断完善的目标。

比如在我校将编译原理课程开设在操作系统课程之前，在编译原理授课过程中，程序运行时的存储空间组织、目标代码生成及优化与操作系统或计算机组成原理课程相关，所以在讲授操作系统课程时，有必要强调代码在内存中的存放形式以及进程（任务）的执行；又如与并行计算技术课程的衔接，这门课程的授课目的在于使学生能设计和实现并发式程序，如使用MPI库、多线程库、多核编程等，关键在于让学生掌握并行程序运行特征。而这些概念以及相关问题，如同步、互斥、死锁、进程间通信，正是操作系统课程中最初引入的。因此，在操作系统课程的讲授过程中，对进程（线程）同步、互斥以及死锁产生的原理要进行较为详细的阐述，还增加了与并行程序设计相关的内容。

2.实验平台的改革和实验体系的建立。我院实验平台多年来一直使用Linux操作系统，它是业界公认的优秀开源平台。但近些年来有相当多的新技术在该平台下涌现出来，这就需要重新设计实验内容，引入部分最新的技术和方法。

设计实验内容时，强调知识点的涵盖性、实验题型的综合性、实验形式和难度的多样性，对不同层次的实验采取了不同的设计策略，如验证类实验设计强调与基本原理知识模块的映射，注意知识点之间的衔接性及实验模块之间的可集成性，学生在动手实现操作系统部分功能的过程中深化对概念的总体认识和理解；而内核类实验从剖析Linux内核代码入手，一方面注重与基本原理知识点的呼应，另一方面强调与硬件体系结构衔接，力求全方位透视实现机制，反映技术演变趋势，促进学生深入理解操作系统实现机制；设计型实验则以设计应用问题为主，强调多项系统技术的渗透与综合应用，引导学生分析技术难点，优化程序设计思路，培养学生的综合编程能力。

另外，还加入了其他相关课程关联的实验内容，如并行计算与多核技术的部分算法设计、编译原理的算法实现尝试移到Linux平台下实现；同时，操作系统的部分实验内容也可以放在组成原理的实验平台下进行等等。最终目标就是让学生能够有一个系统整体概念，能在一个统一平台上实现一个最小的计算机系统。

3.充分激发学生的学习兴趣，让其自主参与到教学活动中来。在教学过程中教师根据当前社会的实际需求设计操作系统相关的研究内容，让学生产生研究的兴趣，鼓励学生将所学的知识用到自己的研究内容中，如让学生自己开发一个小型的Boot loader，或者一个文件系统，或一个小型的基于安卓的手机操作系统等等。这些内容看似是操作系统的知识，其实关系到汇编、编译、组成原理等软硬件多门课程的内容，可以最大限度地锻炼学生综合分析、设计和应用的系统能力。

4.因材施教，建立高中低多层次教学方案。在实践教学方面，根据不同的水平和专业划分高、中、低多档次实验内容和课程设计内容，让不同层次的学生通过实验课和课程设计都能提高自己的系统实践能力。比如在课堂教学中涌现出对操作系统很感兴趣的同学，我们给予他们从清华大学借鉴的ucore教学操作系统并安排相关实验，让他们参与到与清华大学操作系统的慕课教学过程中来，充分激发这些学有余力的同学的兴趣，发挥他们的创造力。

5.建立完善的网上教学系统。在现有的操作系统课程网站基础之上进行改版，充分突出课程群紧密耦合、资源共享的特点，加入更丰富的教学文档（大纲、习题、实验指导书、课件、视频等等），并加入清华大学学堂在线的操作系统慕课相关内容，最大化地利用开放的网络教学资源，让学生在课下也可以自主学习，从而达到对课堂教学的辅助和补充作用。

三、教学效果

通过建设与实践，操作系统课程从课程体系、课程内容到实验环境、教学手段，都为学生自主学习及系统能力培养奠定了基础，课程体系完整，课程群优势资源耦合，原理与实践并重，系统能力培养为终极目标。在实际教学中，获得了显著成效，本操作系统课程亦获批山东省精品课程建设立项，“操作系统课程建设研究与实践”获得了山东省优秀教学成果奖。

参考文献：

[1].高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学，2014，（8）：53-57.

[2].刘卫东，等.面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J].中国大学教学，2014，（8）：48-52.

[3].王志英，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013，（9）：1-6.

[4].翟一鸣，等.计算机操作系统[M].北京：清华大学出版社，2012.endprint