“操作系统”国家精品课程建设总结

罗　宇　邹　鹏　吴庆波　毛晓光　尹俊文　邓胜兰　宁　洪　文艳军

摘要:本文重点介绍国防科大计算机学院“操作系统”课程特色及主要建设成果,全面总结了我院“操作系统”教学实施的经验。

关键词:操作系统;教学;精品课程

中图分类号:G642 文献标识码:B

从1980年开始为文革后恢复高考的第一批本科生开设了“操作系统原理”课程。此后,我们依托银河系列操作系统开发的科研优势,及时将操作系统的新概念、新思想和新技术引入到教学内容中,制定教学大纲、开展教学改革、改编教材和引进实验,全面而系统地进行了“操作系统”课程建设。

1课程特色

(1) 依托国家大型科研项目建设操作系统教师队伍,具有丰富实践和工程经验的教师为原理和理论赋予了灵活、生动的真实感。

(2) 原理和实践相结合,是国内最早开设“操作系统综合课程设计”的院校之一。跨越技术、合训等多种需求和不同应用目标的学员,形成了教学实践环节的综合性、设计性和自主性的特色。

(3) 发挥计算机软件与理论国家重点学科优势,适应学校的人才培养目标的调整,与国际先进技术同步更新教学内容,持续性的教材建设蕴含技术发展和学校发展的节奏感。

2课程建设主要成果

“操作系统”课程建设二十多年来,从课程设置到教学环节,从教学内容到教学方式方法各方面的教改教研工作从未停止过。近五年的教改教研成果概括起来主要有以下几个方面。

2.1针对操作系统新技术的发展变化,统筹建设“操作系统”系列课程

通过认真分析UC Berkeley、Stanford、MIT、CMU等名校的操作系统有关课程,根据ACM/IEEE的CC2001、2004和敎指委CCC2002等指导性文件的知识点,结合近年来操作系统在网络化、高可信、多核、虚拟化等技术的飞速发展,我们梳理了本科生、研究生操作系统方面的课程设置。特别对教学内容进行了梳理,随着一些技术的成熟,将一些教学内容下移到本科生的课程中来。目前我们设立了“操作系统”、“操作系统课程设计”本科生课程,设立了“高级操作系统”、“操作系统内核实现”、“分布式系统”、“实时系统”等研究生课程。课程设置涵盖了操作系统和分布式操作系统、操作系统高级技术、实用操作系统实现技术各个方面。充分强调了实践及实用课程的设置,满足我院不同类型学员培养的需要。“操作系统”系列课程建设内容为我院教改成果“计算机科学与技术课程体系创新建设与实践”的主要内容,2006年获“军队和国家教学成果”一等奖。

2.2结合银河系列巨型机操作系统的重大工程,以科研促教学,不断提升教学水平

“操作系统”课程是一门工程性强的基础课程,我校的“操作系统”课程是随着银河巨型机的发展而建设的,银河系列巨型机是我国重大科技攻关项目,难度大,操作系统的很多技术都可以在工程中得到充分验证和体现。课程组的许多老师都先后主持了银河巨型机的操作系统研制工作,以及主持过银河智能机操作系统研制,他们曾经是或当前还是研制银河系列机操作系统的一线骨干,积累了丰富的工程经验,从而为深化“操作系统”课程内容改革提供了良好的技术支撑,确保该课程的技术内容与时俱进,始终站在国际最前沿。许多老师都获得过国家及部委级科技奖励。

2.3抓住国家操作系统战略发展机遇,依托教育部国产基础软件工程中心、操作系统湖南省工程研究中心,对“操作系统”实验教学进行改革,学生屡获国际国内大奖

十五期间国家设立了软件重大专项,旨在突破国产操作系统关键技术,计算机学院承担了银河麒麟操作系统的研制工作,是目前国内安全等级最高的操作系统,为此,教育部批准了国防科大计算机学院成立教育部国产基础软件工程中心,为人才培养服务。湖南省发改委还批复国防科大计算机学院成立了操作系统湖南省工程研究中心,希望国防科大通过国家重大专项为湖南省培养更多优秀的人才,并且能不断转化操作系统产品。针对国家、省里的要求,我们在不同教学层次上对“操作系统”实验环节教学进行改革。在改进现有“操作系统”课程实验的基础上,又精心设计并开设了“操作系统课程设计”本科生课程,涉及操作系统内核的综合实验,强化综合性和设计性。我们的改革既符合国际潮流,也为国内高校实验课程设置作出了表率。在培养学生的动手实践能力方面成绩斐然,学生在操作系统方面获得了一系列奖项:褚瑞的“Windows加速器”获得“全国第七届挑战杯”一等奖、汪黎的Linux项目获首届“中国开源软件竞赛”银奖、章文嵩的LVS被Linux国际社区接纳为Linux内核标配,我院学员在“全国开源大赛”中两次获得团体冠军。由老师和毕业学生参与的银河麒麟操作系统2005年获“教育部高校十大科技进展”。

2.4积极将科研成果和国际权威操作系统教材新版内容反映到教材建设当中,进一步加强操作系统教材建设

从80年老一辈王鸿武老师出版第一本操作系统教材,教材内容更新不断线。历年出版的自编教材如表1所示。其中王鸿武老师编写的《操作系统》教材以实际操作系统为背景,引领了国内案例教学教材建设;邹鹏老师编写的《操作系统原理与方法》把当时国外教学先进内容引入自编教材;2000年以后我们根据课程设置的调整以及强化实践环节,我们编写了Linux操作系统综合实验的有关教材,根据技术进步和操作系统开发需要出发大幅调整操作系统教材内容;2003年出版的《操作系统》一书从操作系统工程的角度对相关原理和技术进行了介绍,并于2007年更新为第二版;2009年出版的《操作系统》一书则主要面向应用型的操作系统教学需要。

2.5通过与国内外一流高校、研究机构密切交流与合作,借助开源软件社区,进行操作系统技术和教学交流

邀请Berkeley大学、清华大学、北京大学、微软公司、Intel公司、Sun公司、联想公司、华为公司和麒麟操作系统研制人员给老师和学生上课或作技术讲座,不但提高老师的知识面,同时也吸引学生学习操作系统的兴趣。老师也积极参与国内外会议进行教学和技术交流。

2.6总结了一套因材施教的教学方法

在教学方式上进行不断探索。针对学生特点采用不同教学方法、考核评价方法,使学生更好、更扎实地掌握知识、培养创新能力。通过提出要解决的问题,使用启发式教学引导学生思考解决问题的办法;在批判式讲解比较简单算法的基础上,让学生找问题并进行算法改进;在实验课程设置、课后实验、课堂举例三个层次进行案例式教学;另外充分利用操作系统实用程序、工具演示操作系统概念、原理、技术和方法;引入多种评价方法,考试实验并重。通过各种方法的综合应用,取得了较好的教学效果。

3本科“操作系统”课程教学的一些具体措施与方法

操作系统系统庞大、概念以及功能实现复杂。传统的讲授要不就是层次太高抽象难懂,要不就是只看到局部算法不能理解全局处理过程。课程小组在本科“操作系统”课程讲授过程中采取了如下措施,以提高课程学习的效果。

3.1注重以实践(实例)帮助知识理解

我们强调实践环节对操作系统概念、方法的理解作用,对“操作系统”的实验环节教学进行改革。除独立设立“操作系统课程设计”本科生课程,涉及操作系统内核的综合实验,以帮助学生综合利用操作系统专业知识进行操作系统内核设计外,同时“操作系统”课程也必须做一个综合性、设计性实验,如实现一个命令解释器,通过实验学生体会了并行程序设计思想,使用了操作系统内核的功能。在每一堂课的教学过程中,还需要用操作系统工具及界面演示操作系统的概念和处理过程。在讲解一般算法的同时还进行举例说明。

3.2丰富教学手段

本课程的建设以能力与素质的综合培养为目标,因此,课程采取了丰富的教学手段以培养学生综合运用知识的能力:课堂教学坚持采取讨论式、启发式、批判式、案例式、类比式教学方法,改变满堂灌的教学方式,活跃课堂气氛,激发学生的创新意识,改进教学效果;通过设计综合实验,为学生提供综合运用知识、培养科研素质的机会,锻炼了学生的自主性;综合实验的验收采取演示、讲解和答辩相结合方式,使学生的科研能力和人文素质得到全方位的锻炼;通过使用多媒体网络教学环境,学生与教师可以在课外进行流畅而生动的沟通,教师利用多媒体交互手段指导学生开展自学活动。

3.3课程重点、难点教学说明

我们根据学院操作系统开发人才必备知识要求及学生后续课程要求等,确定了以下重点教学内容:

(1) 操作系统运行机制,中断/异常处理过程,系统调用及系统使用接口。在课堂重点说明操作系统内核功能程序的运行机制,用与日常生活类比方法讲解中断作用及实现技术,用实际操作系统界面演示操作系统实用程序,在课后实验中让学生编写一个shell命令解释器理解系统使用接口并在编程中使用系统调用。

(2) 进程概念、进程切换和进程调度。利用实际操作系统演示进程创建和结束,利用操作系统工具观察系统中进程的属性和进程的轮换运行,课堂讲解强调进程调度切换时机和方法,在课后实验中实现多进程编程。

(3) 同步互斥原语及应用。启发式讲解同步互斥原语的引入,给出一些不完善的互斥实现,引导学生找出并发受限或不能互斥的不足或错误,并寻找有效解决办法。采用实例反复讲解原语应用。

(4) 页式虚拟存储管理中的地址转换及页面替换。从方便用户编程的角度提出需求,从充分利用内存的角度引入技术,启发学生理解存储虚拟化技术实现。

(5) 驱动程序的构成、功能和接口,磁盘驱动及请求优化,缓存技术。利用实际操作系统驱动程序文件来增强学生印象,利用操作系统读写文件、执行程序的延迟或加速现象说明磁盘请求优化和缓存技术。

(6) 文件系统的目录结构和文件存储、访问权限机制。用与存储管理类比的方法引出文件系统,强调文件系统的持久性特点,归纳总结存储的安全性访问机制,引导学生对操作系统资源虚拟化技术的认识。

(7) 线程概念和线程实现。课堂利用实际操作系统演示线程,强调线程与进程差别,实验提倡使用线程进行多道程序设计,比较多线程与多进程编程的开销和安全性差异。

4总结

我们的“操作系统”课程在2008年被评为国家精品课程,但是“操作系统”教学内容与效果应该还需要不断充实与改进,我们希望抛砖引玉,进一步学习国内外高校“操作系统”课程建设的宝贵经验,把我院“操作系统”课程建设提高到一个新的台阶。