“操作系统原理”课程实验教学的研究与实践

张龙翔

摘要:本文提出了以教学操作系统OS Lab为实验教学平台,利用Virtual PC模拟器调试和编译,让学生实际参与操作系统部分功能的设计,使学生能更好的理解操作系统的理论,从而达到更好的教学效果。

关键词:操作系统原理;实验教学;教学操作系统;OS Lab

中图分类号:G642 文献标识码:B

1操作系统原理课程实验现状

操作系统是高等院校计算机专业的一门重要基础课,也是众所周知的教学难度很大的一门课,其难点主要在于实验教学环节。

国内高校因为师资力量、实验环境及学生自身程序设计能力等因素的不同,对“操作系统”课程实验教学环节的要求也不一样,有的要求运行操作系统观察某些特定现象;有的要求对课程的一些重要算法进行模拟实现,以加深对操作系统原理的理解;有的要求学生合作完成一个小型操作系统的设计的;有的要求学生剖析具体操作系统(如Linux)的实现机理,替换一些功能模块。各高校在讲授操作系统原理课程时,一般都会设置有8～24个学时同步进行的实验。经过对多所高校的学习访问,总结归纳出操作系统原理课程的实验方式目前主要分为以下几种类型:

(1) 观察与体验

这是最简单的实验方式。即选择一个实际的操作系统作为实验环境,学生通过观察操作系统某些特定的具体运行现象来体会操作系统原理的设计内容。这种实验教学过程几乎不需要编写程序代码,对真正理解操作系统内在原理效果不明显。

(2) 算法模拟

这是部分高校采用的实验方式。任课老师选取课程中的一些典型算法,如FCFS算法、读者写者问题等等,让学生编写程序来模拟实现操作系统的功能。这种方式与程序设计课程的实验环节基本类似,有利于加深学生对操作系统理论的理解,但达不到培养学生掌握操作系统的整体设计思想的目的。

(3) 替换功能模块

这是有一定难度的实验方式。一般是以Linux操作系统为实验平台,让学生首先阅读相关系统代码,在理解部分操作系统功能的实现原理后,再要求学生用自己设计的功能模块替换其中相应的功能。但Linux是一个庞大的商业操作系统,对学校的师资和学生的能力要求都较高,一般高校实施的效果不是很好,也达不到培养学生掌握操作系统的整体设计思想的目的,有的时候还容易让学生对计算机学习产生了畏难情绪。

2OS Lab教学操作系统

教学实践证明,最好的“操作系统”课程实践平台并不是实用的商业操作系统,因为它过于庞大,设计复杂,短时间内难于掌握。而应该是一种与实际使用的操作系统比较接近,但规模又较小、易理解、便于调试的系统,即面向教学的操作系统。最重要的是系统要符合课程的需要——可留出一些作为学生作业的练习,帮助学生熟悉实际操作系统的结构和设计。

由北京海西慧学科技有限公司开发的教学操作系统OS Lab 很好地解决了高校目前采用的实验方案所遇到的各种问题,可以使学生在有限的时间内深入操作系统内核做真正的操作系统实验,帮助学生加深对操作系统设计原理和算法的理解。它具有以下优点:

(1)OS Lab安装运行在Windows上,用于实验的PC无需安装多种操作系统,大大降低实验室的管理难度。

(2)OS Lab融合了Windows和Linux的设计理念,使用了对象技术,其结构介于微内核和宏内核之间,API和 Windows基本一致,可以使学生了解目前实际操作系统的技术。

(3)OS Lab的进程管理、内存管理、IO管理等模块间的耦合性极低,学生在做各模块的实验时,不必了解其它模块,很容易入门。

(4)OS Lab支持C源码级的内核调试,支持反汇编,可在内核中设置断点,可随意查看、修改内核变量和 CPU 寄存器的值。

3OS Lab实验项目设计

作为一个教学操作系统内核,保持系统的简单易实现是非常重要的。为了实现这一目的,在OS Lab设计时,仅保留操作系统最基本的功能,同时围绕现代操作系统原理中的重要概念与方法,按照教学循序渐进的进度精心设计了10个项目。这些项目由浅入深,灵活性和可扩充性都很高,教师可以根据学生和教学情况动态调整实验项目。

OS Lab教学操作系统为学生设计的项目内容如表1所示。

采用OS Lab作为“操作系统原理”课程实验平台已经有一个学期。结果证明大部分认真完成实验项目的学生认为OS Lab对理解操作系统原理功能的设计与实现有很好的帮助,可以激发学习“操作系统原理”课程的兴趣,提高编写系统程序的能力。

4结束语

采用OS Lab作为“操作系统原理”课程实验平台已经有一个学期。结果证明大部分认真完成作业的学生认为OS Lab对理解操作系统原理功能的设计与实现有很好的帮助,可以激发学习“操作系统原理”课程的兴趣,提高编写系统程序的能力。教师最好能根据学生的能力,以3到4个学生为一个小组,动态调整学生要具体完成的任务项目,以致于取得更好的教学效果。

参考文献:

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[3] 胡明庆,高巍,钟梅. 操作系统教程与实验[M]. 北京:清华大学出版社,2007.