工程教育認(rèn)證下“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)探討

史一民 陳玉華 王小妹

[摘 要] “操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程，操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“操作系統(tǒng)”課程的重要環(huán)節(jié)。以工程教育理念為指引，提出操作系統(tǒng)課程方案，按照課程對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)確定課程目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并采取有效的實(shí)施方法，保證了課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成。

[關(guān)鍵詞] 工程教育認(rèn)證;課程目標(biāo);實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

[作者簡(jiǎn)介] 史一民（1966—），女，遼寧大連人，碩士，大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事智能信息處理研究;陳玉華（1965—），女，山東昌邑人，碩士，大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究;王小妹（1981—），女，遼寧大連人，碩士，大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）40-0391-02? ? [收稿日期] 2020-03-13

一、面向工程教育認(rèn)證的操作系統(tǒng)課程方案

“操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)核心課程，涉及較多的硬件和軟件知識(shí)，是一門理論性、實(shí)踐性和技術(shù)性很強(qiáng)的課程。當(dāng)前“操作系統(tǒng)”教學(xué)中存在著重理論、輕實(shí)踐的問(wèn)題，不符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的成果導(dǎo)向教育理念要求[1]。“操作系統(tǒng)”的理論教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)和不斷完善，相關(guān)實(shí)驗(yàn)課的建設(shè)也要持續(xù)改進(jìn)和拓展優(yōu)化，以適應(yīng)高層次計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的實(shí)踐技能培養(yǎng)要求[2]。近年我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開展了工程教育專業(yè)認(rèn)證[3]。按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念和要求，對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和課程體系等重新進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整。

我校以前“操作系統(tǒng)”課程總學(xué)時(shí)共72學(xué)時(shí)。為加強(qiáng)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，重新修訂教學(xué)大綱，將“操作系統(tǒng)”分成兩門課程：“操作系統(tǒng)”理論課48學(xué)時(shí)，“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課與理論課同步進(jìn)行。同時(shí)，為了強(qiáng)化學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，新開設(shè)一門60學(xué)時(shí)的“操作系統(tǒng)課程實(shí)踐”，在“操作系統(tǒng)”課程結(jié)束后，采用兩周集中授課的形式。

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以分為四種形式：模擬驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、剖析驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)[4]。模擬驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是編寫與具體操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的程序，模擬資源管理和調(diào)度的經(jīng)典算法，脫離實(shí)際操作系統(tǒng)環(huán)境;應(yīng)用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)采用特定操作系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在程序中利用操作系統(tǒng)提供的各種系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)程序設(shè)計(jì)，但無(wú)法涉及操作系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié);剖析驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，分析一個(gè)具體的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)替換或改變操作系統(tǒng)中已有的功能;擴(kuò)展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，提供一個(gè)從無(wú)到有的漸進(jìn)式操作系統(tǒng)原型，由學(xué)生對(duì)其功能進(jìn)行完善和擴(kuò)充。后兩種實(shí)驗(yàn)對(duì)目標(biāo)操作系統(tǒng)的源代碼進(jìn)行分析以及二次開發(fā)，使得學(xué)生能獲得設(shè)計(jì)及編寫實(shí)際操作系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，提升動(dòng)手實(shí)踐能力，要求學(xué)生有很強(qiáng)的分析操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼的能力并投入相當(dāng)大的精力和時(shí)間。

基于以上分析，我們將“操作系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行劃分，在“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程上進(jìn)行模擬驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn);在后續(xù)的“操作系統(tǒng)課程實(shí)踐”上進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。采用這種課程方案，能夠逐級(jí)深入，從用戶接口、程序接口到操作系統(tǒng)內(nèi)核的各個(gè)層次遞進(jìn)完成操作系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

二、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)

通過(guò)專業(yè)負(fù)責(zé)人和各課程組組長(zhǎng)討論確定計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)12大類畢業(yè)要求及下屬指標(biāo)點(diǎn)劃分，進(jìn)一步確定每門課程對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐關(guān)系。“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)如下：

1.畢業(yè)要求 3-4 創(chuàng)新意識(shí)與制約因素考慮：能夠在設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，并能綜合考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化及環(huán)境等制約因素。

2.畢業(yè)要求 4-1 調(diào)研能力：能夠針對(duì)復(fù)雜計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題本身或其解決方案，通過(guò)調(diào)研確立實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和研究路線。

3.畢業(yè)要求 4-2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和研究路線，設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)方案。

4.畢業(yè)要求 5-2 軟件設(shè)計(jì)工具：能針對(duì)復(fù)雜計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題，選用適合的設(shè)計(jì)語(yǔ)言、開發(fā)技術(shù)、開發(fā)平臺(tái)、軟件工具等用于軟件設(shè)計(jì)，并能夠針對(duì)特定需求開發(fā)必要的軟件工具。

根據(jù)課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，來(lái)制定該課程的教學(xué)目標(biāo)，再根據(jù)課程目標(biāo)確定教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)深入分析后定確定“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”的課程目標(biāo)如下：

課程目標(biāo) 1：能夠掌握操作系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)的方法。

課程目標(biāo) 2：能夠在程序中通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種資源。

課程目標(biāo) 3：能夠理解操作系統(tǒng)的并發(fā)工作原理，掌握并發(fā)程序設(shè)計(jì)的方法。

課程目標(biāo) 4：具有獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，能夠綜合運(yùn)用操作系統(tǒng)的原理和技術(shù)解決實(shí)際復(fù)雜工程應(yīng)用問(wèn)題。

課程目標(biāo) 5：具有工程實(shí)踐開拓創(chuàng)新精神，能夠?qū)?shí)際工程問(wèn)題提出多種解決方案。

三、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置和實(shí)施

按照面向工程教育認(rèn)證的操作系統(tǒng)課程方案，在“操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”中設(shè)置模擬驗(yàn)證型和應(yīng)用驗(yàn)證型兩種實(shí)驗(yàn)，按照內(nèi)容分為6個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是：進(jìn)程創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、進(jìn)程通信實(shí)驗(yàn)、線程創(chuàng)建和線程同步互斥實(shí)驗(yàn)、內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn)、文件管理實(shí)驗(yàn)和設(shè)備管理實(shí)驗(yàn)。模擬驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是在用戶態(tài)編寫應(yīng)用程序模擬資源管理和調(diào)度的經(jīng)典算法，避免內(nèi)核編程和調(diào)試、相對(duì)簡(jiǎn)單，而應(yīng)用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)則是在真實(shí)操作系統(tǒng)上利用系統(tǒng)調(diào)用控制進(jìn)程和線程的運(yùn)行，后者是學(xué)生真正理解操作系統(tǒng)內(nèi)部各組件的運(yùn)行機(jī)制和掌握并發(fā)程序開發(fā)的重要途徑。所以模擬驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)只設(shè)置了內(nèi)存管理中的頁(yè)面置換算法和設(shè)備管理中的磁盤調(diào)度算法兩個(gè)。

在實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)施過(guò)程中，采取了因材施教、增設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)和交流討論相結(jié)合的方法。

因材施教。對(duì)同一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)立不同的難度要求。在進(jìn)程通信實(shí)驗(yàn)中，基本要求是實(shí)現(xiàn)某一種方式的進(jìn)程通信，較高要求是將多種通信方式相結(jié)合，如將軟中斷和消息通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的聊天工具。學(xué)生在完成基本要求的基礎(chǔ)上，可根據(jù)自身情況決定是否進(jìn)一步完成較高要求，保證了不同層次學(xué)生都能在力所能及的范圍內(nèi)完成一定的工作。

增設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)。如在內(nèi)存管理實(shí)驗(yàn)中，分別用標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)、文件系統(tǒng)調(diào)用和內(nèi)存映射系統(tǒng)調(diào)用mmap對(duì)不同大小的文件進(jìn)行讀寫，通過(guò)Linux下的strace、time函數(shù)得到系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間、調(diào)用次數(shù)等信息，進(jìn)而分析比較三種文件讀寫方式的性能。

交流和討論。每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，選擇實(shí)驗(yàn)完成情況好的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)課上演講，使他們的表達(dá)能力和歸納總結(jié)問(wèn)題的能力得到提升，并獲得一定的成就感;同時(shí)老師和其他同學(xué)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和提問(wèn)，同學(xué)們也會(huì)受到啟發(fā)、拓展思路，進(jìn)而改進(jìn)自己的程序。課堂氣氛活躍，充分調(diào)動(dòng)了全體同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到相互學(xué)習(xí)、激發(fā)創(chuàng)新思維和共同進(jìn)步的目的。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合本校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工程教育認(rèn)證工作，將工程認(rèn)證的核心理念貫徹到操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，圍繞課程目標(biāo)，從培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力出發(fā)，確定實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并通過(guò)有效的實(shí)施方法，保證了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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