摘要：本文通過對操作系統(tǒng)實驗課教學(xué)內(nèi)容及實驗環(huán)境的分析，提出多實驗平臺下學(xué)生通過自由選擇實驗環(huán)境更有利于對課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)的觀點。同時結(jié)合多模式化的實驗教學(xué)方式，為不同能力不同基礎(chǔ)的學(xué)生提供更有效的實驗指導(dǎo)模式，使操作系統(tǒng)實驗教學(xué)盡可能發(fā)揮其輔助教學(xué)的最大作用。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；實驗教學(xué)；多模式化

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）02-0045-03

眾所周知，操作系統(tǒng)是計算機軟件領(lǐng)域中核心的工程性技術(shù)。特別是在現(xiàn)代計算機通信系統(tǒng)中，利用操作系統(tǒng)內(nèi)核所提供的強大功能進行大型通信軟件的設(shè)計、開發(fā)和維護是極其重要的[1]。

高校的操作系統(tǒng)實驗課，是通過對操作系統(tǒng)功能的模擬和對源代碼的分析實踐，以使學(xué)生深入了解操作系統(tǒng)的功能[2]，加深對操作系統(tǒng)所涉及的概念、原理的理解，體驗操作系統(tǒng)所涉及的抽象思維的具體實現(xiàn)，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的發(fā)展和嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛商業(yè)應(yīng)用，學(xué)生對實踐的渴望也越來越強烈。

因此，本文就操作系統(tǒng)實驗課實驗內(nèi)容的設(shè)置及實驗環(huán)境和教學(xué)方法加以分析探討。

1實驗內(nèi)容及實驗環(huán)境

目前國內(nèi)外有關(guān)操作系統(tǒng)的本科教材基本是圍繞存儲器管理、處理機管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶與操作系統(tǒng)的接口五大功能展開的，那么與理論相配套的實驗也必然是以這五部分為基點，設(shè)計相應(yīng)的實驗內(nèi)容。由于受到實驗室環(huán)境設(shè)備、課程安排和學(xué)生自身能力等因素的影響，為大學(xué)本科的操作系統(tǒng)課選擇合適的實驗內(nèi)容一直被認為是共性的難題。結(jié)合本院實驗教學(xué)經(jīng)驗，筆者對實驗內(nèi)容設(shè)置加以分析。

1.1 實驗內(nèi)容的設(shè)置

依據(jù)操作系統(tǒng)的五大功能和實驗平臺，設(shè)置了進程控制、進程調(diào)度與死鎖、虛擬存儲器管理、設(shè)備管理和文件系統(tǒng)5個基本實驗。實驗環(huán)境依照現(xiàn)在操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和實際應(yīng)用范圍，采用了與歐美大學(xué)一致的實驗平臺：Windows + Unix/Linux。上述的5個實驗都可以在兩種實驗環(huán)境下進行。當(dāng)然，在不同實驗環(huán)境下，同一個實驗雖然實驗重點相同，但在具體實現(xiàn)時是有很大不同的。所以，學(xué)生可以選定任一種操作系統(tǒng)完成實驗，求知欲和個人能力強的學(xué)生也可以選擇兩種操作系統(tǒng)。

在操作系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書中，除了寫明每個實驗的目的和要求等，還給出了每個實驗在不同實驗環(huán)境下的實驗重點和難點，以及相關(guān)的API函數(shù)、Linux常用命令和系統(tǒng)調(diào)用列表。

例如在進程控制實驗中：

首先，兩種實驗環(huán)境下，實驗?zāi)康亩际且浴吧a(chǎn)者—消費者問題”為模型，使學(xué)生對新進程的建立以及進程控制塊、進程隊列的概念有一個具體深入的理解，掌握進程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換、進程控制原語和基本的同步互斥算法。

其次，給出實驗內(nèi)容，即依照“生產(chǎn)者—消費者問題”模型，創(chuàng)建至少4個進程來模仿生產(chǎn)者和消費者，按照實驗指導(dǎo)書規(guī)定的生產(chǎn)和消費規(guī)則，采用信號量機制解決，最后輸出的結(jié)果至少可觀察到每個進程發(fā)出的讀寫操作申請。在實驗中教師會特別給出一個存在死鎖的特例，使學(xué)生看到，多個進程并發(fā)雖然可以改善系統(tǒng)的資源利用率，但由于共享資源的競爭可能造成一種僵局，使多個進程永遠都不能再向前推進。由此引出了死鎖的概念，為學(xué)生后面的學(xué)習(xí)作下了鋪墊。

再次，給出相應(yīng)實驗平臺的提示。在Windows環(huán)境下，給出相關(guān)的API進程管理類函數(shù)：CreateThread、CreatMutex、CreateSemaphore、WaitForSingleObject、ReleaseSemaphore、ExitProcess等詳細使用方法。提示學(xué)生利用Windows的性能監(jiān)視器提供的圖形窗口界面管理工具觀察系統(tǒng)的工作情況、資源使用情況和進程運行情況。在Linux環(huán)境下詳細給出相關(guān)進程、CPU的管理命令和管理類的系統(tǒng)調(diào)用，并提示學(xué)生重點是fork( )、execve( )和clone( )系統(tǒng)調(diào)用。由于大部分學(xué)生對Linux不是很熟悉，所以對利用有關(guān)命令觀察進程運行情況和CPU工作情況要單獨列出詳細操作方法。

最后，是給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序流程圖。

1.2 實驗環(huán)境選擇

是選擇Linux還是Windows操作系統(tǒng)，教師可能有不同的看法。大學(xué)本科操作系統(tǒng)實驗課中，在Windows環(huán)境下的實驗，基本以VC為開發(fā)工具。由于其內(nèi)核的不開放性，實驗重點放在Windows的應(yīng)用程序接口API的使用上，利用這些與操作系統(tǒng)原理直接相關(guān)的API函數(shù)，編寫一些實踐操作系統(tǒng)概念的程序，使學(xué)生能將抽象的原理與實際的應(yīng)用程序聯(lián)系起來，便于對抽象概念的理解和具體化。在Linux環(huán)境下的實驗，基本也是在系統(tǒng)調(diào)用的層次上對學(xué)生進行訓(xùn)練，所不同的是Linux是源代碼公開的免費操作系統(tǒng)，通過對它的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以對系統(tǒng)內(nèi)核代碼進行實際分析，可以無止境地深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的設(shè)計原理和技巧[3]。

所以，筆者認為無論哪種操作系統(tǒng)都各有長處，都將拓寬學(xué)生的視野，給學(xué)生帶來意想不到的收獲，所以在設(shè)計實驗內(nèi)容時同時采用了兩種實驗平臺。

2實驗教學(xué)多模式化

國內(nèi)高校操作系統(tǒng)的實踐教學(xué)已經(jīng)開始向國際先進模式發(fā)展。在這種趨勢的影響下，本院采用了多元化的實驗教學(xué)模式，操作系統(tǒng)實驗課采用了以下教學(xué)方法：

第一，夯實基礎(chǔ)，充分重視基礎(chǔ)性的實驗教學(xué)。沒有扎實的基本理論功底，要想進一步深入就無從談起，而操作系統(tǒng)基本原理和概念相對抽象，學(xué)生不易理解，所以，只有進行大量的基礎(chǔ)性實踐，才能使學(xué)生很好地接受操作系統(tǒng)工作的原理和實現(xiàn)方法，而且可以使學(xué)生在程序設(shè)計方面也得到基本的訓(xùn)練。為保證實驗教學(xué)質(zhì)量，我院還采取博士、碩士做TA的制度[4]，建立了一支具有較深專業(yè)水平的實驗教學(xué)梯隊。

第二，重視個性化培養(yǎng)，倡導(dǎo)層次教學(xué)法。由于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣的不同，對學(xué)生的要求也要分出層次。由于在操作系統(tǒng)課之前，學(xué)生已經(jīng)在Windows環(huán)境下用VC做完了高級語言程序設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實驗，所以要求學(xué)生至少要在Windows環(huán)境下用VC完成操作系統(tǒng)實驗。對于少數(shù)表現(xiàn)突出、求知欲強的學(xué)生，鼓勵使用兩個操作系統(tǒng)實現(xiàn)，當(dāng)然可以不要求學(xué)生在每個操作系統(tǒng)下把實驗都做完，這樣可以拓寬學(xué)生知識面并使之從中受益?？梢?，這種教學(xué)方法比較好地體現(xiàn)了“精英式”的個性化教學(xué)理念。

第三，積極開展第二課堂。如果單純做操作系統(tǒng)一個功能的實驗，容易使學(xué)生感到是在做數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作業(yè)，所以為了更好地使學(xué)生建立宏觀概念，用全局的觀念來理解操作系統(tǒng)，我院借鑒國外的先進經(jīng)驗，組織專門從事操作系統(tǒng)研究的實驗室成立了團隊形式的學(xué)生俱樂部。俱樂部主要實踐內(nèi)容是：操作系統(tǒng)源代碼分析和自行開發(fā)設(shè)計一個小而獨立的操作系統(tǒng)。俱樂部主要采取小團隊（通常三人一組）合作形式，在確定題目后，組內(nèi)每個人各自負責(zé)相應(yīng)的部分，并規(guī)定好完成任務(wù)的最后期限。在團隊作業(yè)的進行中，相關(guān)指導(dǎo)教師會定期組織成員進行問題解決方案的討論。因為每個成員都不希望因為自己的工作而影響團隊的最終成績，所以都會盡力完成自己的任務(wù)。在設(shè)計結(jié)束時，指導(dǎo)教師認真給出最后的評價，指出成績與不足。對于完成較好的團隊，給予獎勵，從側(cè)面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過學(xué)生俱樂部形式，既解決了由于實踐難度高而師資力量和數(shù)量不足的問題，又可以鍛煉學(xué)生的表達與組織能力，同時也是培養(yǎng)學(xué)生分工協(xié)作，增強團隊精神的有效方法，為學(xué)生今后獨立或合作開發(fā)研制計算機應(yīng)用軟件奠定了堅實的基礎(chǔ)。

經(jīng)實踐證明這種多模式的實驗教學(xué)方法，有利于學(xué)生理解和掌握操作系統(tǒng)原理，有利于學(xué)生提高編寫軟件系統(tǒng)的能力，有利于學(xué)生較全面的建立關(guān)于計算機系統(tǒng)的概念，是一種適應(yīng)我國國情的實驗教學(xué)方式。

3結(jié)論

本文從如何完善操作系統(tǒng)實驗課，使其能夠更好地幫助學(xué)生理解消化所學(xué)理論的角度出發(fā)，依據(jù)理論課內(nèi)容、操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和實際應(yīng)用范圍，制定了實驗內(nèi)容并為學(xué)生提供了兩種實驗平臺。并在結(jié)合本院自身情況下，提出一種多模式化的實驗教學(xué)方式，即通過設(shè)置TA、成立俱樂部等措施，來保證實驗質(zhì)量，同時解決了師資不足的問題。通過實際操作，取得了良好的效果。當(dāng)然，隨著操作系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展更新，我們要不斷總結(jié)實驗教學(xué)經(jīng)驗，進行改革和創(chuàng)新，使實驗教學(xué)更好的發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

參考文獻：

[1] 王希杰，王立新.《操作系統(tǒng)》教學(xué)中的幾點思考[J]. 邢臺學(xué)院學(xué)報， 2004，19(2):88-89.

[2] 羅宇.操作系統(tǒng)(第三版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 任愛華，李鵬，劉方毅. 操作系統(tǒng)實驗指導(dǎo)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2004.

[4] 廖明宏，徐曉飛. 論哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機教育金字塔體系[J]. 計算機教育，2006，(1):14-19.

投稿日期：2006-08-20

作者簡介：婁久（1977.12-），男（漢族），哈爾濱人，工程師，碩士，研究方向：嵌入式操作系統(tǒng)。