以课程群建设为目标的操作系统实验教学研究

孙昌立 赵艳芹

摘要：在分析国内外操作系统实验教学的基础上，总结出目前操作系统实验教学存在内容难度不适应、课程群相关内容割裂以及就業导向不足等问题，并提出了针对性的解决方案：在一般应用型本科院校中进行以课程群建设为目标的操作系统实验教学实践，把操作系统实验教学打造成操作系统课程群的基础纽带。初步实践表明效果很好，值得进一步实践和推广。

关键词：操作系统实验教学；课程群建设；应用型人才培养

作者简介：孙昌立（1976-），男，黑龙江尚志人，黑龙江科技大学计算机与信息工程学院，讲师；赵艳芹（1975-），女，山东诸城人，黑龙江科技大学计算机与信息工程学院，副教授。（黑龙江 哈尔滨 150022）

基金项目：本文系黑龙江省教育科学规划课题“高等院校信息与计算科学专业应用型人才培养模式研究”（课题编号：GBC1212076）、黑龙江科技大学教学研究项目“应用型操作系统课程群体系教改研究”（课题编号：JY13-114）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0131-02

操作系统是用户和计算机之间最基本的接口。“操作系统”是计算机相关专业的核心基础课程之一，作为专业必修课，其内容繁多且理论教学多，偏重于基本概念的讲解和核心算法的剖析。“操作系统”实验是该核心课程的实践部分，只有通过这一实验课程的实践，学生才能加深理解操作系统的设计和实现的精髓原理。操作系统范畴的课程在计算机及相关专业的教学计划中占有相当大的比重，这些课程之间是孤立、割裂的还是很好地前后贯通，“操作系统”实验起着相当重要的作用。

一、操作系统实验教学的现状

1.国外

国外的诸多名牌高校都极其重视实验环节，对操作系统实验有着严格的要求。Princeton University的操作系统课程的6个实习项目就是用来构造真正的操作系统，课程结束时，学生将有一个小的、真正的操作系统内核。University of California at Berkeley的4个实习项目是在仿真MIPS平台上构造操作系统，每个项目包括文档和代码两部分，文档占项目成绩的40%，代码占项目成绩的60%。Brown University学生每人用C语言编写一个简单的单内核操作系统，所写的操作系统在技术上等价现代的操作系统。Columbia University学生使用Nachos，要求分别完成一个操作系统的不同部分。总之，国外大学都对操作系统实验有着严格的要求，有的要求完成一个小型的操作系统，有的要求独立完成，有的建议合作完成。使用的基础教学操作系统有Nachos、Minix、GeekOS、xv6、OS/161等等。线程（进程）、线程（进程）调度、虚存和文件系统是实习项目的主要内容。另外，国外大学对实验成绩都很重视，有的大学（如Princeton University）甚至只有实验成绩，而没有期末考试。[1，2]

2.国内

《高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范》要求在Linux平台上进行7个专题的实验：一是Linux配置与安装（必修）；二是截获Linux中断（必修）；三是截获Linux异常（必修）；四是实现新的系统调用（必修）；五是进程的创建、通信和同步（必修）；六是信号和定时器（必修）；七是简单的Linux字符设备驱动（选修）。

在实际教学实践中，不同学校的实验设置存在着很大的区别。基本上，这些“操作系统”实验课程可以分为观察型实验、模拟仿真型实验、分析型实验和设计型实验四种类型。一般国内高校根据本校的实际情况，在“操作系统”的实验教学环节选择其中的一种。如清华大学使用基于xv6的扩展设计型；北京航空航天大学的实验设置分别基于Linux和Windows，在仿真环境下构造操作系统，发现实际难度较大。一般高校的操作系统实验设置多以基本的编程验证型实验为主，辅之以在实际操作系统上采用并发编程和模拟编程的方式。[3-5]

3.应用型本科院校的操作系统实验教学现状

以黑龙江科技大学为例，多年来在调研其他普通高校操作系统实验教学的基础上，本校开出的操作系统实验课程与其他一般院校并无多大差别，也是以基本的编程验证型实验为主，辅之以在实际操作系统上进行并发编程体会和以及操作一些基本管理的算法仿真编程。

二、存在的问题

1.部分操作系统实验内容难度较大

对于一般普通高校而言，《高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范》规定的操作系统的实验教学大纲中的个别实验，或者某些院校盲目追赶国内外一流高校的操作系统设计型实验，改进和设计层面的实验内容难度较大，对教师和学生提出了过高的要求。需要教师在操作系统内核代码领域有着丰富的实践经验，有足够的精力去激发学生探索的兴趣和解决出现的问题；随着高等教育大众化的普及，学苗素质已成为不争的事实；更重要的是随着时代的变迁，软件业要求学生掌握的知识结构也逐渐重心上移，底层基础类课时在减少、要求也有所降低，而应用层面的课程增多。

2.内容割裂、方式单一

操作系统有若干前导课、后续课，如“UNIX/Linux操作系统”、“网络操作系统”、“嵌入式操作系统”、“UNIX编程”、“移动网络编程”等（课程名称以及开出门数在不同学校会有些差别），在实验课程上有不少相通和接续的地方。而采用单一的观察使用型或模拟仿真型实验，很难体现出来这些课程的有机联系，现有的教学实践或多或少的造成了这部分内容的割裂。

3.就业导向不足

以黑龙江科技大学为例，其培养目标是培养应用型人才，绝大多数学生的学习目标是顺利就业、高薪就业。但偏重理论、千篇一律的操作系统实验课程内容的设置，会使学生提不起兴趣。为了修够学分学生只能消极应付，造成教师和学生的时间、精力的极大浪费。另外，应用型高校应彻底取消操作系统的实践教学。

三、操作系统实验教学的改革及实践

1.操作系统实验教学改革的总体思想

以就业为导向、以应用型人才为培养目标，调整操作系统实验内容与实验难度，拓展宽度，加入最新的应用开发引导，使实验内容成为课程群的纽带，把课程群相关课程的知识联系和贯通起来，培养学生应用层面的技能，提高学生就业能力。

2.保证操作系统实验的基本重点内容

保留基本的重点内容，如并发程序设计中熟练运用信号量等方法解决进程间通信问题、内存管理的分页、分段以及虚存技术的算法等，使学生通过实验掌握操作系统并发应用程序开发的能力，能够对操作系统中的重要管理算法进行仿真模拟。将这些基本的重点内容凝练为6个左右的实验，实验时从中必选3个，其他课时增加应用层面的实验内容，以提高学生的就业能力，激发其学习热情，从而避免本课程的教学改革走入歧途。

3.增强学生就业能力的考虑

由于有些应用层面的课程学校还没有开出，如Android操作系统上的应用开发、ios应用开发等，因此在操作系统实验课程中应给学生以尝试的机会，让学生有选择这些内容的机会，使他们尝试感受这些应用开发的基本入门练习。这些内容可以凝练出6个左右的实验，实验时可以从中选择1～2个。

4.将操作系统实验建设成课程群的基础纽带

如图1所示，把相关课程的实验内容知识整合起来，编出一本“操作系统课程群实验集成指导教程”，内容涵盖计算机操作系统原理、UNIX/Linux和嵌入式操作系统等课程的全部实验可选内容，并包括上述的Android操作系统上的应用开发、ios应用开发等内容。保证在操作系统原理课实验上至少能够在UNIX /Linux安装配置、服务管理、嵌入式操作系统内核裁剪编译、驱动编写等方面有20多个可选实验。而整本“操作系统课程群实验集成指导教程”在不同实验内容及相同内容的不同角度、方法等方面设计出了共计40个左右的可选实验，使该教程成为操作系统课程群通用的实验教材。在不同学期的操作系统课程群实验课程上，学生可以通过选择其中的实验把相关知识温故知新、融会贯通，并且有最新应用层面的入门内容。“操作系统课程群实验集成指导教程”是一本对学生有吸引力并同时对教师和学生都有帮助的实验教程。

通过该教程，使操作系统课程群的相关课程很好地、有机地联系起来，学生和教师在实验内容选择方面有了更大的自由，这种自由极大促进了相关知识的贯通，因此该教程必成为操作系统课程群的良好纽带。

四、结束语

“计算机操作系统”是计算机相关专业的一门重要核心课程，而实验是学好该课程的必要手段。多年来课程建设追求的规范化、标准化使实验课程的内容及难度与学校的人才培养目标不尽相符、也与时代的需求以及学生的具体情况不甚接洽，造成教学效果还有较大的提升空间。本次操作系统实验教学研究是以课程群建设为目标，为课程群的贯通和联系打造了一条强有力的基础纽带——操作系统课程群实验集成指导教程。在课程群中，不同学期的不同课程都是从这本手册式的教程中选择实验，而且有一定的自由范围的选择余地。实践证明，这种教学改革能够提高学生的学习兴趣、达到很好的教学效果，对提升学生的就业能力有一定的促进作用，为课程群的建设打下了良好的基础。

参考文献：

[1]王雷.國外操作系统课程分析[J].计算机教育，2008，（5）：85-87.

[2]William Stalling.Operating system： Internals and Design Principles[M].New Jersey：Prentice Hall，2012.

[3]谢谦，蔡坤，沈夏炯.一种面向应用的操作系统实验设置[J].计算机教育，2012，（20）：107-110.

[4]李玉军，侯孟书，周益民.《操作系统》实验课程教学研究[J].实验科学与技术，2012，10（3）：127-129.

[5]王春爽，王德广，张雪，等.针对实践的操作系统实验教学研究[J].教育教学论坛，2012，（40）：280-281.

（责任编辑：孙晴）