張君

摘要：對(duì)于應(yīng)用型的本專(zhuān)科院校來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密配合，文中從操作系統(tǒng)課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)談起，為了提高學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)的深刻認(rèn)識(shí)，逐步貫徹和實(shí)施了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，列舉了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)經(jīng)典實(shí)例。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，位于裸機(jī)和其它系統(tǒng)軟件之間，它是這樣一些程序模塊的集合-----它們管理和控制著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟硬件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶(hù)提供一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便和可擴(kuò)展的工作環(huán)境，在用戶(hù)和計(jì)算機(jī)之間起到接口的作用。操作系統(tǒng)是目前最復(fù)雜、技術(shù)含量最高的軟件，在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)軟、硬件課程的設(shè)置上起著承上啟下的作用，其中的許多設(shè)計(jì)思想、技術(shù)和算法都可以推廣和應(yīng)用到大型的、復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及其它領(lǐng)域。因此，其教學(xué)目標(biāo)應(yīng)重在培養(yǎng)學(xué)生理解和掌握計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本工作原理、設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件和大型應(yīng)用軟件的意識(shí)和能力，同時(shí)還要讓學(xué)生了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新思想、新技術(shù)和發(fā)展研究動(dòng)向。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)比較重要，對(duì)理解操作系統(tǒng)的理論知識(shí)和具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)，體驗(yàn)該課程的抽象思維方法，培養(yǎng)規(guī)范的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)能力，都具有十分重要的意義。本文就呼院操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程分析了從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的過(guò)度，并提出了解決操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)困難的一些設(shè)想。

1呼院操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程改革的必要性

1.1操作系統(tǒng)課程教學(xué)的特點(diǎn)

1）操作系統(tǒng)原理教學(xué)以課堂講授為主，形成了一種“灌輸式”的教學(xué)方法，對(duì)啟發(fā)式、討論式和研究式的教學(xué)方法采用的比較少，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力不強(qiáng)。

2）操作系統(tǒng)原理教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)，實(shí)踐性較弱，這樣的教學(xué)形式不利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生缺少自己動(dòng)手分析具體操作系統(tǒng)實(shí)例的能力，課程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)幾乎沒(méi)有，學(xué)生參與研究性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)少，不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的興趣。

3）操作系統(tǒng)原理教學(xué)手段過(guò)于單一，僅局限于課程教學(xué)、多媒體教學(xué)、案例教學(xué)等少數(shù)教學(xué)手段，沒(méi)能充分利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2我校現(xiàn)狀

近幾年呼院計(jì)算機(jī)系都招收高職類(lèi)的本科生，由于學(xué)生的類(lèi)別是高職，所以操作系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)只是開(kāi)設(shè)一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)和閱讀大量的現(xiàn)成源代碼。例如：了解Windows XP的系統(tǒng)信息與注冊(cè)表；winXP任務(wù)管理器的使用；FAT32與NTFS文件的區(qū)別等。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的不斷提高和學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)需求的增加，只是開(kāi)設(shè)這些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)并不能滿(mǎn)足學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程的需要，再加上操作系統(tǒng)課程理論教學(xué)本身的束縛，使得我們必須開(kāi)設(shè)一些綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，利用學(xué)過(guò)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言自己編一些程序，來(lái)配合完成操作系統(tǒng)理論課程和實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)一步強(qiáng)化。

2操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程改革與初步分析

2.1從課堂講授的“灌輸式”向?qū)嶒?yàn)室的“互動(dòng)式”轉(zhuǎn)變

“互動(dòng)式”教學(xué)就是在教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境而完成教學(xué)的方式。它培養(yǎng)了學(xué)生的參與意識(shí)、動(dòng)手能力和思維能力，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能對(duì)以前學(xué)過(guò)的語(yǔ)言進(jìn)行鞏固和復(fù)習(xí)，是一種良好的教學(xué)方式。它符合素質(zhì)教育所提倡的“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”的教學(xué)思想，使學(xué)生由被動(dòng)變主動(dòng)。

結(jié)合本校大學(xué)生自身的特點(diǎn)，采用“打比方-案例式-討論式”的模式，充分發(fā)揮其“學(xué)為主體”的作用。例如，在講授某個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容時(shí)，可讓同學(xué)先預(yù)習(xí)，再由老師通過(guò)案例提出一些問(wèn)題，學(xué)生帶著這些問(wèn)題去討論研究，然后在實(shí)驗(yàn)室解決，從而將遺忘部分補(bǔ)足。而后，由老師就該內(nèi)容做總結(jié)，提出重點(diǎn)部分和難點(diǎn)部分要求學(xué)生掌握，并請(qǐng)學(xué)生總結(jié)學(xué)習(xí)心得，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使其進(jìn)一步透徹掌握該內(nèi)容。最后，提出思考題和作業(yè)題給學(xué)生練習(xí)。經(jīng)過(guò)這樣一套程序下來(lái)，盡管教師沒(méi)有逐條講授，但學(xué)生掌握的程度卻比平常高。同時(shí)還可以鼓勵(lì)學(xué)生參與課題研究。通過(guò)把與課程內(nèi)容有關(guān)的科研課題進(jìn)行分解，在授課過(guò)程中提出，讓學(xué)生自愿結(jié)成小組進(jìn)行資料搜集和研究，充分發(fā)揮協(xié)作精神，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。

2.2從以“理論”為中心向以“實(shí)踐”為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變

操作系統(tǒng)原理是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，它來(lái)自于客觀需要，現(xiàn)正運(yùn)行在各種不同類(lèi)型的機(jī)器上。操作系統(tǒng)中的概念在實(shí)際操作系統(tǒng)中體現(xiàn)，操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)在實(shí)際操作系統(tǒng)中實(shí)施。因此，要加強(qiáng)該門(mén)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)該門(mén)課程的特點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)拓思維、研究實(shí)例和實(shí)際實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生從理論中來(lái)，到理論中去，再進(jìn)一步升華為理論的創(chuàng)新能力。

1）建立“案例－原理－實(shí)踐”的教學(xué)模式。根據(jù)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，摒棄過(guò)去只注重書(shū)本內(nèi)容的教學(xué)方法，引進(jìn)實(shí)際工作的案例。通過(guò)案例分析，促使學(xué)生從實(shí)際出發(fā)，從現(xiàn)實(shí)的角度看待問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，不再局限于書(shū)本上的條條框框。而穿插于案例分析之中的原理介紹，使學(xué)生潛移默化地學(xué)會(huì)運(yùn)用原理。對(duì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的親身實(shí)踐，使得學(xué)生把所學(xué)轉(zhuǎn)化為所用，并在所用中不斷加深與把握對(duì)操作系統(tǒng)的理解，避免高分低能的現(xiàn)象。

2）建立“與生活聯(lián)系起來(lái)”的深入淺出講解模式。由于操作系統(tǒng)的許多原理本來(lái)就來(lái)源于生活。如進(jìn)程同步與生活中約會(huì)、乘車(chē)的類(lèi)似性；緩沖區(qū)與超市、圖書(shū)館的類(lèi)似性；層次結(jié)構(gòu)與人類(lèi)上層建筑、人際關(guān)系的類(lèi)似性等。通過(guò)把這些人類(lèi)生活中常見(jiàn)的機(jī)制引入到教學(xué)中進(jìn)行類(lèi)比分析，使枯燥的操作系統(tǒng)原理變得生動(dòng)有趣，再結(jié)合著一些編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3）采用“模擬”教學(xué)法，為學(xué)生提供一個(gè)在仿真模擬環(huán)境中創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)上，可以通過(guò)和一些企業(yè)合作，使用最新的軟件工具，搭建項(xiàng)目實(shí)踐的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出自己的見(jiàn)解和設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室加以驗(yàn)證，從根本上和底層次上深化對(duì)操作系統(tǒng)的理解和掌握。

4）以“趣味性”激起學(xué)習(xí)的興趣。通過(guò)第一線精英的現(xiàn)身說(shuō)法，講解在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題和采用的具體解決方法，將操作系統(tǒng)的原理在實(shí)踐中進(jìn)行分析，促使學(xué)生從現(xiàn)實(shí)的角度分析和解決問(wèn)題。穿插于案例分析之中的原理介紹，使學(xué)生潛移默化地學(xué)會(huì)運(yùn)用原理、把握精髓、深入淺出，使學(xué)生真正清楚操作系統(tǒng)的奧妙，從而提高學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)的興趣。

2.3建立“驗(yàn)證性”實(shí)驗(yàn)到“綜合設(shè)計(jì)性”實(shí)驗(yàn)的過(guò)度

作為普通本科院校，操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程按深度分為五個(gè)層次，即：使用級(jí)（指如何使用操作系統(tǒng)，包括對(duì)命令、系統(tǒng)調(diào)用和系統(tǒng)文件的使用）、觀察級(jí)（指通過(guò)使用級(jí)的接口，從外部觀察操作系統(tǒng)的內(nèi)部工作過(guò)程和結(jié)構(gòu)）、系統(tǒng)管理級(jí)（指系統(tǒng)或設(shè)備的安裝、配置和性能調(diào)整）、源碼閱讀級(jí)（指少量源代碼閱讀）和實(shí)現(xiàn)級(jí)（指實(shí)現(xiàn)一個(gè)操作系統(tǒng)某些模塊的子功能）。而我校由于知識(shí)體系的局限性只開(kāi)設(shè)了前四個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)級(jí)還沒(méi)真正落實(shí)和研究，而綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)必不可少，所以在此基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)迫在眉睫。開(kāi)設(shè)綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具有很好的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言功底和邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力也是教師現(xiàn)在最主要的職責(zé)。

3科學(xué)地組織設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容

操作系統(tǒng)的功能分為處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶(hù)接口五個(gè)模塊，由此設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如下：

3.1處理機(jī)管理模塊

該模塊包括進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程互斥、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、進(jìn)程死鎖子模塊。其中比較典型的同步算法有生產(chǎn)者與消費(fèi)者問(wèn)題、讀者與寫(xiě)者問(wèn)題、哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題、司機(jī)與售票員問(wèn)題、圖書(shū)館管理問(wèn)題、父親分水果問(wèn)題等等。還有進(jìn)程的創(chuàng)建（fork）、進(jìn)程撤銷(xiāo)、進(jìn)程掛起、進(jìn)程激活、進(jìn)程阻塞、進(jìn)程喚醒等原語(yǔ)的實(shí)現(xiàn)都可以作為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)題目。

3.2存儲(chǔ)器管理模塊

該模塊包括分區(qū)、分頁(yè)、分段、段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式，而現(xiàn)代操作系統(tǒng)主要以動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配方式來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)，讓學(xué)生模擬一些替換存儲(chǔ)空間的算法，對(duì)該算法編程來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。其中經(jīng)常使用的算法有FIFO，LRU等。

3.3設(shè)備管理模塊

該模塊包括緩沖區(qū)隊(duì)列的管理，磁盤(pán)設(shè)備的管理等。因?yàn)镮/O設(shè)備的低速與CPU設(shè)備的高速之間的速度不匹配，使得CPU的大量時(shí)間處于等待狀態(tài)，降低了CPU的利用率，所以設(shè)置緩沖區(qū)可以很好的解決這個(gè)矛盾。在此知識(shí)結(jié)構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序模塊等。

3.4文件管理和用戶(hù)管理模塊

該模塊包括文件存儲(chǔ)空間的管理，文件的相關(guān)操作命令。用戶(hù)管理模塊包括命令接口和系統(tǒng)調(diào)用。這兩個(gè)模塊知識(shí)簡(jiǎn)單，屬于操作類(lèi)，所以在這就不用設(shè)置綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用向縱深方向進(jìn)一步拓展，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程的重要性日益凸顯，然而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)原理教學(xué)模式重視理論知識(shí)的教授、忽略實(shí)踐的重要性、教學(xué)手段單一等缺陷，致使學(xué)生無(wú)法深入掌握操作系統(tǒng)原理的精髓，因此積極探索操作系統(tǒng)原理教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)改革具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。本文從三個(gè)角度提出了相應(yīng)的改革措施，即從“灌輸式”教學(xué)模式向“互動(dòng)式”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力和編程能力；從以“理論”為中心向“理論與實(shí)踐并重”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；從“驗(yàn)證性”實(shí)驗(yàn)到“綜合設(shè)計(jì)性”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，以期對(duì)操作系統(tǒng)原理教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母镉兴鶈l(fā)，使學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)和技能，認(rèn)識(shí)到操作系統(tǒng)課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的重要地位和作用。

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