微软WAP在“操作系统原理”实验教学中的应用探索

黎文伟 杨金民

摘要:本文以学生对实验教学内容的兴趣及需求分析为依据;提出了基于WAP的“操作系统原理”课程实验教学的方案设计和内容设计。应用WAP后,学生对“操作系统原理”课程实验兴趣增加,学习的主动性、动手能力得到提高,更深刻的理解掌握了课程内容。

关键词:操作系统;实验教学;WAP;WRK;CRK

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

“操作系统原理”课程的重要性可以用Avi Silberschatz在其经典教材《Operating Systems Concepts》中的描述来概括:“操作系统是任何计算机系统的基本组成部分,因而操作系统课程也是任何计算机科学相关教育的基本组成部分”。该课程主要讲述通用操作系统应该具备的功能、工作原理及相关算法。应该说课程内容并不艰深晦涩,但该课程却是一门公认的难教、难学的课程。难教的原因是其内容多且散、理论性强又抽象。难学的原因是教学内容看不见摸不到,学生难以理解掌握。

在理论教学时以学生常用的操作系统如Windows、Linux等作为案例进行分析对辅助学生掌握课程内容有一定作用。但由于理论课时有限,教学内容多,Windows、Linux等案例的分析很难展开;而且案例分析时学生看到的主要是程序代码,不能直观的反映教学内容。因此设计直观、合理的课程实验成为保证“操作系统原理”课程教学效果的重要手段。

国内外操作系统课程实验教学采用的系统有Minix、Nachos、ToyOS、Linux等。Minix、Nachos、ToyOS均不是通用操作系统,而是为教学目的而开发的,功能不完善,存在较多BUG,安装复杂,不宜作为操作系统课程实验平台。Linux是一个完整的通用操作系统,且开放源代码,是一个可行的实验平台。但目前大多数高校机房由于承担了多门课程的上机任务,往往安装的是Windows操作系统。若同时安装双系统则给机房管理造成困难,因此Linux的实验平台在建设上也存在困难。

Windows作为目前使用最普遍的操作系统,以之作为实验平台可极大的激发学生的学习兴趣。但Windows代码不公开,给课程实验设置带来困难。作为微软共享源代码计划的一部分,微软发布了WAP(Windows Academic Program),提供了一套简单但完整的操作系统内核源代码,老师和学生可以更清晰的了解Windows内核工作机制,并可以动手对之进行修改或添加新的底层功能,成为一个理想的操作系统课程实验平台。

在微软亚洲研究院资助下,我们开始了WAP在本科“操作系统原理”课程实验教学中的应用探索。本文以学生对实验教学内容的兴趣及需求分析为依据,介绍了基于WAP的“操作系统原理”课程实验教学的方案设计和内容设计。应用WAP后,学生对“操作系统原理”课程实验兴趣大大增加,学习的主动性、动手能力得到提高,也更深刻的理解掌握了课程内容。

2学生兴趣与需求调研

目前各高校普遍开设了“操作系统原理”课程实验,实验内容的设置也各有不同,为切实了解学生对于“操作系统原理”课程实验的兴趣与需求,从而有针对性的设置实验平台及实验内容,在2008年对正在开设“操作系统原理”课程的210名本科生进行了问卷调查,同样的调查也于2009年在部分本科生中开展。

图1是学生希望使用的实验平台情况。不出意料,绝大多数学生(93%)希望使用Windows作为实验平台,这与学生平时的使用经历有关,100%的学生在日常生活中就使用了Windows,所以他们也希望“操作系统原理”课程实验选择熟悉的Windows平台。虽然有4%的学生希望使用Linux或Unix,3%的学生希望使用Nachos或其它系统,但这些学生也比较熟悉Windows。此外,调查中,学生也普遍表现出对了解Windows的结构、工作原理的兴趣。因此,以Windows作为课程实验平台,符合了学生的意愿,能够最大程度的激发他们的学习兴趣,保证教学效果。

实验的目的是辅助学生形象深刻的理解课程重点,内容应涵盖课程的主要知识点。实验类型根据实验的难度、知识要求及对学生的辅助作用的不同,一般可分为验证性实验、设计性实验和综合性实验。为了达到实验效果,应该设置不同难度的实验以使学生循序渐进的掌握知识。 图2是学生希望的实验难度情况。有过半的学生希望实验能够有一定的难度,其中有10%的学生希望能有难度较大的实验,只有16%的学生希望实验能简单。这一结果对不同类型实验的设置有指导意义,考虑到大多数学生希望实验难度在中等以上,即使是验证性实验也必须考虑实验内容的设置要保证不能太简单;同时设计性实验和综合性实验可以有一定的难度,但只有10%的学生希望实验有较大难度,因此,难度也不能太大。

3WAP的应用

依据对学生的问卷调查结果,决定选择Windows作为课程实验平台。但Windows代码不公开,给课程实验设置带来困难。微软发布的WAP(Windows Academic Program)为解决这一困难提供了可行的途径。因此,最终确定基于WAP设计实验教学方案和内容设计,开展Windows平台下的“操作系统原理”课程实验教学的探索。

3.1WAP介绍

WAP是微软公司发布的一项让学生通过阅读Windows内核源码来学习“操作系统原理”的项目,它分为三部分:

(1) 课程资源包CRK(Curriculum Resource Kit)

CRK是一套Windows系统教学资源包,包括大量验证性实验、实验工具及Windows课程讲义。这些资源均以Windows XP和Windows 2003为基础。CRK基本覆盖了操作系统课程的所有知识点。但主要提供验证性实验。

(2)Windows研究内核WRK(Windows Research Kernel)

WRK是微软为高校操作系统课程提供的可修改和跟踪的操作系统实验教学平台。它给出了Windows内核的大部分代码,可以对其进行修改、编译,并且可以用这个内核启动Windows操作系统。这一平台是进行设计性或综合性实验的理想平台。

(3) 项目实验工具ProjectOZ

一套探索实际操作系统运行情况的工具,其实是一个运行在用户模式下的内核接口程序。在这个环境下学生可以查看实际运行的Windows的各种数据结构、处理过程等。同时提供了一个运行于其上的简单但完整的示例操作系统BasicOZ。全部程序以C和汇编语言源码形式提供。

3.2实验教学内容设计

以WAP为平台,对“操作系统原理”课程实验教学的方案和内容进行了设计。实验教学共计32学时,主要希望达到这样一些目的:

理解并掌握现代操作系统的工作原理和机制;

会分析和解读Windows操作系统内核源代码;

能从Windows内核源代码级修改和扩充操作系统功能。

根据难度的不同,每个实验或由学生单独进行或分组进行。为使学生重视,实验成绩占课程成绩30%,并且每个实验要求学生在给老师演示结果的同时提交实验报告和设计文档。实验教学内容设置了8个必做实验和一定数量的自选实验,覆盖了“操作系统原理”课程的基本内容,并具有不同的难度。必做实验如表1所示。

4结束语

以WAP作为“操作系统原理”课程实验教学平台已有两个学期。结果表明WAP平台极大的吸引了学生的兴趣,学生有很大的热情去阅读分析Windows的源代码,并尝试进行修改。大部分课堂较认真的学生基本能独立的完成所有实验。由于WAP平台所提供资源很丰富,下一步将探索在WAP下开设更多难度适中、学生有兴趣的实验;另外也将研究基于WAP平台开展“操作系统原理”课程设计。

参考文献:

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