“操作系统”课程教学中的几点体会

摘要:“操作系统”课程是计算机科学与技术专业的重要专业基础课之一,也是该专业研究生入学考试的四门专业统考课程之一,使学生很好地掌握这门课程的相关知识显得尤为重要。本文总结了笔者多年的教学实践经验,提出抓住主线、注意与前导课程的关系、紧密联系实际的操作系统、注重课程的实验环节、关注操作系统理论与实践的发展前沿,是讲好这门课的关键。

关键词:操作系统教学;教学实践;教学体会

中图分类号:G642 文献标识码:B

“操作系统”课程是计算机科学与技术专业的重要专业基础课之一,教育部规定从2009年起把它列为计算机专业研究生入学考试的四门专业统考课程之一,由此可见“操作系统”这门课的重要性。“操作系统”是门理论性和实践性都十分强的课程,由于操作系统在计算机系统中的特殊地位使得它既看不到又摸不到,又是处在不断地变化过程中,这样导致人们在感性上接受它比较困难,进而在理论上理解它存在较大难度,从而使得“操作系统”门课程变得不易理解和掌握。如何把这门课程讲好,让学生很好地理解并掌握操作系统的相关概念、原理、方法、技术和实现是十分重要的。经过多年的教学实践深刻体会到讲好这门课必须抓住这门课的主线、注意与前导课程的关系、紧密联系实际的操作系统、注重课程的实验环节,同时关注操作系统理论与实践的发展前沿。

1抓主线

研究操作系统的主要观点有资源管理的观点、进程的观点、用户的观点、微内核观点等。在这些观点中,由于学生学过计算机的相关基础课程对计算机的组成十分了解,因而把资源管理作为主线进行课程的讲授是比较容易理解和掌握的。

计算机是由处理器、存储器(分为内存和外存)、输入/输出设备组成,这些组成部分即是计算机系统的资源,对这些资源的管理正好同资源管理的观点相吻合,即操作系统的管理对象是计算机系统的资源,操作系统是管理系统资源的程序集合,把操作系统分为处理机管理、存储管理(即内存管理)、设备管理和文件管理(即外存管理),另外还需要对用户提交的待处理的任务(即作业)进行管理——作业管理;把这5类管理有机地组织起来就构成了操作系统的主要内容。在对这些资源进行管理时共性的问题是首先要设计数据结构分别记录这些资源的动态使用情况,其次要采取相应的策略和原则进行资源的分配和回收,另外采取一定的方法对资源进行逻辑上的扩充等。对于不同的资源还有其个性问题,在分别进行介绍。这样就使学生对操作系统这门课的内容有一个整体认识。

另外进程(线程)是现代操作系统中的一个十分重要的概念,在进程(线程)创建、状态转换和撤销这一过程中,涉及资源的分配和回收,这样就把两种研究操作系统的观点有机地联系在一起。各种研究观点之间都是存在着有机地联系的。这样就使学生认识到各种研究观点是相辅相成的,而不是相互对立的,让学生充分体会到操作系统的本质,这样才能真正理解操作系统理论及实际操作系统。

2注重与前导课的关系

作为“操作系统”课程的前导课程主要有“数据结构”、“计算机组成原理”、“计算机体系结构”、“程序设计语言”。在教学过程中注意与前导课程的联系,可使课程的内容前后衔接,由前导知识自然过渡到要介绍的操作系统中,既可以使学生较好地理解操作系统知识,加深对前导课程的理解与运用,又可以使学生体会各门课程之间的内在联系,让学生把各门课程的只是有机地联系在一起,使知识点连成知识线,再由知识线组成知识面,进而由知识面构成知识体,从而提高学生自学的能力、知识运用能力和科学研究能力。

操作系统归根到底是一组程序,而程序=算法+数据结构。由此可见操作系统与数据结构和程序设计语言之间的关系是密不可分的。在操作系统中,有一些管理是以算法为中心即根据算法确定或选择数据结构,而还有一些是根据确定了的数据结构设计算法。分区存储管理中的分配方法就是根据算法确定或选择数据结构的一个典型案例,而页式存储管理和设配管理中的分配回收就是典型的确定了的数据结构设计算法的实例。

在“计算机组成原理”介绍中断和外设与主机进行数据交换等的相关问题,而这些问题也是在操作系统要介绍的内容。由此在“操作系统”课程中就可以把这些内容与“计算机组成原理”课程中的相关问题进行比较介绍。同样“操作系统”与“计算机体系结构”这两门课程也有一些相关问题,也可以采用比较介绍的方法。这样既可使学生对课程之间的相关性有更深的了解,使学生加深对知识的理解程度,又能节省一部分课时。

3紧密联系实际的操作系统

操作系统既可代表一门课程,又可指一种实际运行的一组程序——实际操作系统,因此在讲授“操作系统”这门课的过程中,不但要从理论上介绍操作系统,即介绍操作系统的基本概念、原理、方法、算法和相关的数据结构等,还应该把这些理论知识同实际的操作系统联系起来,让学生感受到这些理论知识在实际中是如何被应用的,这样既可以使学生更深刻地理解理论知识,同时又使他们体会到知识的运用过程,理论与实际的相辅相成的关系。通过分析实际的操作系统还可以提高学生分析程序的能力,理解实际操作系统研制过程中对实际情况的充分考虑和一些实现技巧,而不仅仅只是理论的“翻版”。

目前作为“操作系统”教学案例的实际操作系统主要有Linux 操作系统、Unix操作系统、Windows操作系统,以及几年来SUN公司在教育界大力推行的Solaris操作系统。选择哪种操作系统作为教学案例主要看开源的程度和研究人员对它剖析和整理的程度。如果有条件可以选择多种操作系统作为案例,这样可以进行相互比较。但由于教学时数的限制,一般只能选择一种操作系统中比较典型的部分进行剖析,如Linux中进程的创建、调度、并发/同步/互斥控制等,以及内存管理和文件系统等。

4注重实验教学

为了使学生更好地理解操作系统、掌握相关的知识,在介绍操作系统的理论和实际操作系统的基础上,还应让学生亲自动手编制操作系统程序,通过编写操作系统或操作系统的一部分或操作系统一部分的模拟(仿真)程序,可使学生更进一步理解和掌握操作系统的相关知识、获得更多的感性认识、对计算机系统程序及其运行有着更深刻地理解,提高学生编程能力、观察问题能力、分析问题能力。

由于学时、编制操作系统的复杂程度、学生实际能力、实验条件和环境等的限制,不可能编制一个简单的操作系统,只能从可进行实验的部分当中选择几个典型部分进行实验。进行的实验可以分为两类。一类实验是对某一实际操作系统的实际运行情况的跟踪和分析,通过这类实验可以使学生观察并更好地理解操作系统的实际运行情况、各种资源/对象状态的变化,在感性上认识和理解操作系统的工作原理,进而在理论上认识并理解它,例如在Linux操作系统运行下,实时观察进程的创建、状态转换、撤销,进程的同步/互斥/通信,内存的分配和使用情况等。另一类实验是针对操作系统的某一个具体方法进行编程来模拟操作系统的功能,例如进程调度、动态页式存储管理、二级文件系统、设备驱动等的模拟;通过这些实验提高学生数据结构的设计能力、编程能力,同时让学生从感性上进一步认识和理解操作系统的工作原理。

5关注操作系统的发展前沿

操作系统无论是作为理论还是作为实际运行系统都是在不断地发展变化的,跟踪操作系统的发展变化,适时地向学生做以介绍,使学生可以了解操作系统的前沿理论和技术以及新推出的操作系统,拓宽了他们得视野,培养学生不断接受新思想、新知识、新技术的学习习惯和学习自觉性,激发、培养学生的兴趣点,为学生将来的工作奠定一定的基础。并行操作系统、分布操作系统、网络下的操作系统、多媒体环境下的操作系统、操作系统内核呈现出多平台统一的趋势、功能将不断增加,中间件发展趋势、嵌入式系统及其软件技术发展趋势、行业性嵌入式软件开发平台、嵌入式开发工具将向高度集成、编译优化、具有系统设计、可视化建模、仿真和验证功能方向发展、嵌入式中间件等都是操作系统研究的热点和方向。

操作系统的理论实践在不断地发展变化着、教师面对的学生也在不断的变化,因而“操作系统”这门课的讲授内容、方式和实验项目都应随着进行不断地调整,以适应发展变化的需要。

参考文献:

[1] 史志才,毛玉萃.操作系统原理——Linux 技术实现[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 汤子氵赢,哲凤屏,汤小丹.计算机操作系统[M].2版.西安:电子科技大学出版社,2002.

[3] 潭耀铭.操作系统[M].北京:中国人民大学出版社,1999.

[4] 马季兰,彭新光.Linux操作系统[M].北京:电子工业出版社,2002.

[5] 张尧学.计算机操作系统教程——习题解答与实验指导[M].2版. 北京:清华大学出版社,2000.

[6] 陈新河.未来5-10年操作系统发展趋势[N/OL].[2007-06-19]. http://news.ccidnet.com/art/1032/20070619/1117459_1.html.