西北工业大学“操作系统”课程改革实践

谷建华　周兴社

摘要:经过多年的“操作系统”教学实践,本文从教学理念、教学内容、教学方法、实验教学等几个方面总结了“操作系统”课程的教学改革。即确立了以学生为本、循序渐进的四阶段教学理念,教学过程中注重理论与实践相结合、教学与科研相互补充,采用丰富多彩的教学手段,强化实践性教学环节,设计了多层次的实验内容,形成了有机的课程体系。实践证明,通过对课程实施上述改革,取得了较好的教学效果。

关键词:计算机操作系统;四阶段学习方法;多层次实验;

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

“计算机操作系统”是计算机专业的主干课程之一。内容多而杂,涉及范围广,系统性不强。加之其处于计算机的内核,看不见,摸不着,难讲,难学。近年来课程团队成员潜心研究“操作系统”课程的教学体系,积极进行教学改革,形成了我们独特的教学思路、教学内容、教学方法及实验设置。

2循序渐进的教学改革思路

根据“操作系统”课程的特点,以及多年来对“操作系统”教学实践的体会,借鉴他人及国内外在该课程教学上的经验和成果,确定了如下“操作系统”教学改革的总思路。

(1) 以学生为本的教学理念

在教学时充分考虑学生在教学中的作用,逐步从以教师为中心的教学模式过渡到教师、学生并重,到最终实现以学生为中心的教学模式。以学生为中心,就是要改变教师在教学中的位置,教师在教学中不再是一个主要的讲解者,而更重要的是一个教学的组织者,让学生更多的参与到教学的各个环节当中去。坚持以教授学生基础知识、基本技能为主,注重培养学生的分析问题,解决问题的能力,做到授之以渔而非授之以鱼。

在“操作系统”的教学过程中,我们总会根据教学情况拿出一到两次课的时间,让学生就操作系统的有关问题

在全班做报告并组织学生讨论。教师事先布置一些讨论题目,供学生选择;学生也可以根据自己的兴趣选题。通过查阅资料、撰写报告、制作报告课件、做报告等一系列环节,可以培养学生的资料查阅、资料组织、文字组织、口头表达等能力。学生报告后,教师组织学生讨论,然后由教师进行点评,充分发挥学生的主观能动性。实践证明,这种方式大大地开阔了学生的视野,是对课堂教学的非常有益的补充,起到了很好的教学效果。

(2) 有机结合的课程体系

我们的“计算机操作系统”课程从最初的仅由“操作系统原理”单门课程,发展到涵盖“计算机操作系统原理”、“Windows操作系统核心技术”(微软精品课程)、“计算机操作系统课程设计”、“系统级程序设计”(引自美国卡耐基-美隆大学)、“高级操作系统”等课程的课程群,形成了从操作系统基本原理(“计算机操作系统原理”)、到实际操作系统设计和实现技术(“Windows操作系统核心技术”)、到操作系统实践(“计算机操作系统课程设计”及“系统级程序设计”),到高级操作系统技术(“高级操作系统”)的循序渐进地、涵盖原理、技术、设计、编程实践的课程体系。这几门课程相互衔接、相互补充、有机配合共同打造操作系统教学的课程体系。本科学生从三年级开始学习该课程群。

(3) 四阶段学习方法

操作系统是学生使用计算机时最先接触到的系统,而且在今后的学习、工作和生活中会不断地和操作系统打交道,所以操作系统的学习不仅仅是“操作系统”一门课的事情,而是与多门课程相关、需要长期学习的过程。操作系统学习的这种特点势必要求操作系统的教学也应该是一个阶段性的、循序渐进的过程,它应该涉及包括“操作系统”课程在内的多门课程以及与“操作系统”教学相关的很多环节,是一个教学体系。

我们认为,仅就操作系统知识体系的学习而言应该包括四个阶段:第一个阶段是从学生学习“计算机导论”等课开始,通过这些课程的学习以及日常和各种课程的上机实习,学生应该对操作系统有一个初步的、直观的了解。第二阶段是“计算机操作系统原理”课程及其它相关课程的学习,学生可以系统、完整的学习操作系统的基本原理、构成及其设计思想,并学习有关操作系统的实现技术。第三阶段是“操作系统”教学的实践课程,通过在具体操作系统(Unix或Windows)下的应用实践,对操作系统的各个知识点有更深刻的认识,并有可能设计、开发出创新性的思想和软件,从而提高学生分析、解决问题的能力。第四个阶段就是在以后的工作和学习中对操作系统的使用和理解,这一阶段有时候是终生的,一方面是操作系统在不断的发展和演化,另一方面是因为操作系统的使用和对其理解的相互补长。其中第二、三阶段应该作为“操作系统”教学的主要阶段,其他两个阶段是操作系统知识体系学习的必要补充。

(4) 理论与实践相结合的教学方法

操作系统处于整个计算机系统软件的最底层,抽象而不易理解,如果仅仅在课堂教学中讲解操作系统的原理,往往不易理解,甚至使人感到枯燥乏味。在长期的教学实践中我们地深深体会到,只有教学和实践相结合,理论和实践并重才能取得良好的教学效果。实践中我们体会到,所谓理论和实践相结合有两方面的含义,其一是指讲述操作系统的基本原理时必须与具体的操作系统实现(Unix或Windows)相结合,使学生理解抽象的理论在具体的操作系统中是如何实现的,有何异同;其二是指,学习理论知识的同时,一定要安排相关的实践环节,通过实践加深对理论的理解,培养学生分析解决问题的能力。

(5) 教学、科研相互补充

西北工业大学的建校目标就是要建设国内一流、国际知名的研究性大学。这就必然要求我们的教师要教学科研双肩挑,使我们的学生不但能学到基本的专业理论知识,而且能学到较新的知识、了解其发展动态。我们教学团队老师都是多年从事(嵌入式)操作系统、系统软件科研与开发的教师,主持或参加了多项国家或省部级项目、863项目、自然科学基金项目等,取得了多项科研成果。我们深深懂得教学与科研相长的道理,以及教学和科研相结合的重要性。所以教学中把我们在科研中取得的成果,如进程实时调度算法、快速文件系统等,不断的融入到教学当中。

3丰富多彩的教学手段

经过多年的建设,教学模式已从最初的纯理论教学改革为“课堂教学+课内实验”,发展成为现在的“课堂教学+课内实验+课程设计”,强化了实践教学环节,培养了学生的动手能力以及分析和解决问题的能力;课程的教学手段已由传统的“粉笔+黑板”方式发展为全程多媒体的现代化教学,不但增加了信息量,提高了教学效率,而且教学效果有了质的飞跃。

(1) 双语教学。根据当前教学与国际接轨,培养国际化复合型人才的要求,我们在计算机学院和软件学院的“操作系统” 教学中采用了双语教学。参考了大量的国内外相关的资料,特别是国外权威的经典教材,制作了电子教案。针对学生对全英文电子教案不能完全适应的现实,采用部分内容中英文并举的方式,取得了良好的教学效果。

(2) 多样的授课方式。为了提高学生的自主性和积极性,让学生积极地参与到教学环节当中,在某些章节开设讨论课,事先就某一内容让学生查找资料,准备讨论提纲,设计相关的算法。然后在课堂上组织学生讲解,然后进行讨论。课堂上学生踊跃发言,获得了较好的效果。为了鼓励学生的积极性,把讨论发言的成绩记入学生的平时成绩。

(3) 多样化的教材体系。电子教案主要是用于教师教学,把抽象的教学内容通过动画等手段融入电子教案中,效果良好。与此同时,学生也迫切需要相关的电子课件在课下学习。我们组织人员开发了“操作系统”多媒体教学课件,通过“操作系统小精灵”引领学生学习课程,图、文、声并茂,激发了学生主动学习的积极性。鼓励学生利用所学的操作系统的知识,就某个知识点编程制作动画课件,使学生不但加深了对操作系统知识的理解,还提高了他们的编程能力。

(4) 寓教于乐,活跃课堂气氛。操作系统的许多内容抽象不易理解,所以打比方、寻找相关的生活实例就成了课堂内外的重要工作之一。如操作系统的概念与社会大家庭,并发、并行与金庸笔下的快刀手,LRU算法与食堂排队吃饭等等都出现在课堂中。当发现学生注意力不集中时,故事、笑话、趣闻就成了活跃课堂气氛的有力工具,但这些绝不脱离课堂的主题。

(5) 以身作则,言传身教,自觉育人。课堂教学是体现教师教学态度、责任心的最直接场合,教师的一言一行都对学生起潜移默化的作用,学生会不自觉地以教师的行为作为自己行为的准则。因此,课堂教学是教书育人的重要环节。教师必须以身作则,严格要求自己,以自己严谨求实的科学态度,积极进取的精神状态,兢兢业业的工作作风去感染学生、带动学生、教育学生,培养他们作为新世纪人才应有的素质和能力,并使他们在人生成长的重要时期树立正确的人生观。

(6) 课堂授课和网络教学相结合。为充分利用网络这个先进的载体,我们已开发了“计算机操作系统网上教学系统”,其功能主要包括教师教学资源的发布、作业的布置、课程安排公告、学生成绩的统计和分析;辅导老师批改作业、上传资料和答疑;学生下载资料、提交作业和课程论坛;网上教学课件的浏览、在线考试和试题库查询

等。网上系统对课堂教学起到了有机的补充作用。

4多层次的实践环节

(1) 指导思想

如何在短时间内掌握操作系统设计思想与系统软件设计方法,并能把所学知识应用于软件设计和开发一直是“操作系统”课程教学探索的难点和热点。为了使学生更深刻地理解操作系统原理与设计方法,掌握有关系统软件的基本设计思想,加大课程实验环节的深度和难度,将更多的工程实际问题引入教学实验,成为解决这一问题的关键。为此,我们把操作系统的实践环节分成两个阶段:第一阶段是“操作系统”课程的课内实验环节,与“操作系统原理”在同一学期开设。第二个阶段是“操作系统课程设计”环节,在“操作系统原理”的下一学期开设。该课程作为与“操作系统原理”课程相辅助的实践环节,是一门实践类的专业基础课程。

通过实验课程,不仅可以使学生深入理解和掌握操作系统的知识和运用这些知识的能力,而且可以深化学生对主流操作系统的理解、培养学生良好的理论与实际相结合的意识、提高学生分析问题和解决问题的能力。

实践性课程的基本指导思想是以操作系统实践课程作为纽带,将“操作系统原理”课程与实际的软件设计与开发能力结合起来,加强培养学生对计算机系统的整体认识,从理论和实践两方面深化学生对软硬件系统体系结构的理解。实验内容的安排遵循由浅入深、循序渐进、精讲多练的原则,培养学生对计算机操作系统的深入理解,使学生全面了解操作系统的特点,熟练掌握操作系统的基本设计方法和系统工作原理。

(2) 实验设置

本着因材施教的原则,并依据实验的深度,将实验内容分为三个层次:

① 体验性实验:使用操作系统的相关工具或编制简单的程序,观察程序的运行,了解操作系统的各种行为,从而体会操作系统的相关概念;

② 验证性实验:通过分析有关操作系统的源码,修改相关的程序或实现教科书(参考资料)上的相应算法,验证操作系统中的原理和算法;

③ 创新性实验:结合具体操作系统源码的分析,针对操作系统的某些算法的不足,对其进行改进或提出新的算法并实现。

其中创新性实验主要针对选修“高级操作系统”的硕士研究生及部分优秀的本科生。

通过研究其他院校的实验内容和安排,吸收国外先进的经验,并结合“循序渐进、融会贯通、精讲多练”的原则,确立了在课内实验环节中以体验性实验为主、辅以验证应实验;在课程设计教学中以验证性实验为主、辅以创新性实验教学方针。

实验安排上从体验性实验开始,可以使学生及时上手,排除畏难心理。在验证性实验的安排上,把操作系统的实验和系统级程序设计、软件工程等相关课程的知识融为一体,把实验进一步分为:应用程序型的、模块型的。使学生举一反三,融会贯通。

实验前,给学生讲解具体的实验安排,要求学生事先编好程序,自己做一次CPU,反复检查程序,以提高上机实验的效率。

5加强国际合作,创立精品课程

计算机学科是一个发展非常迅猛的学科,目前,国际上主流的操作系统Windows和Unix的核心技术主要掌握在微软、IBM、SUN等国外大公司的手里。站在巨人的肩膀上,学习他们的先进技术和教学手段是提高我们的教学质量的捷径。

为此我们积极申报微软、SUN等国际知名大公司的有关操作系统的精品课程。已经申请到教育部-微软精品课程“基于WRK的操作系统课程设计”、微软精品课程“Windows操作系统核心技术”和SUN公司的OpenSolaris项目。这些精品课程的建设,使我们获得了很多宝贵的教学资源和与国内外同行交流的机会,开阔了教师的视野,提升了教师的教学水平,大大地加快了操作系统课程群的改革步伐。

6结束语

通过多年的“操作系统”教学实践,我们在教学理念、教学内容、教学方法、实验教学等几个方面实施了教学改革,提出了以学生为本、循序渐进的四阶段教学理念,形成了涵盖操作系统原理、技术、设计、编程实践多个方面的课程体系。教学过程中注重理论与实践相结合、教学与科研相互补充,采用丰富多彩的教学手段,强化实践性教学环节,设计了多层次的实验内容。取得了较好的教学效果。

参考文献:

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