葉俊民　朱　凱　李　蓉　金　聰　王敬華　楊　艷　周　偉　李　敏

摘要:本文結(jié)合“操作系統(tǒng)”精品課程的建設(shè)經(jīng)驗,從“操作系統(tǒng)原理”教學(xué)中遇到的問題,以及“操作系統(tǒng)”精品課程建設(shè)中遇到的問題出發(fā)進行研究,從理論教學(xué)手段、實驗設(shè)計、教學(xué)項目申報、教學(xué)大綱的重組與整合、教學(xué)平臺的建設(shè)、學(xué)生能力培養(yǎng)和師資培養(yǎng)等方面探索問題的處理方法。實踐表明,這些處理方法有效地擴展學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識,增強其分析問題和動手編程能力。

關(guān)鍵詞:計算機操作系統(tǒng);精品課程;實踐教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1基本情況

“操作系統(tǒng)原理”是計算機學(xué)科最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。該課程介紹操作系統(tǒng)的基本原理和實現(xiàn)技術(shù),是理解計算機系統(tǒng)工作、用戶與計算機系統(tǒng)交互和設(shè)計開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)等基本知識結(jié)構(gòu)的重要途徑。通過本課程的學(xué)習(xí),要求學(xué)生理解操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位、作用和特征,能夠熟練掌握和運用操作系統(tǒng)原理中的軟硬件資源管理中的概念、思想、策略和算法等,能結(jié)合實際操作系統(tǒng)開展應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),了解操作系統(tǒng)的發(fā)展方向和趨勢。

我校計算機系于1985年開始開設(shè)“操作系統(tǒng)原理”課程,是湖北地區(qū)較早開設(shè)本課程的高校之一。在計算機軟件專業(yè)的第一個教學(xué)計劃中,即將操作系統(tǒng)原理列為專業(yè)必修課,采用了當時西北電訊工程學(xué)院的湯子瀛教授編著的教材,由于當時操作系統(tǒng)資料相對較少,實驗資料主要是翻譯學(xué)校引進設(shè)備時隨機所帶的系列資料,如根據(jù)MV6000機操作系統(tǒng)資料翻譯的相關(guān)的操作系統(tǒng)使用手冊,對操作系統(tǒng)及其他課程的教學(xué)起到了積極的促進作用。1987年開始,我系采用以UNIX操作系統(tǒng)為主的新版《操作系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》。1992-2006年期間,本課題組在操作系統(tǒng)教學(xué)中,根據(jù)當時教學(xué)需要,相繼采用過華中理工大學(xué)龐麗萍教授編著的《操作系統(tǒng)原理》(1版-3版)、清華大學(xué)張堯?qū)W教授編著的《操作系統(tǒng)教程》、北京大學(xué)陳向群教授編著的《操作系統(tǒng)原理》,以及陳向群教授等人翻譯的《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》等國內(nèi)外著名教材。

從80年代末,在“操作系統(tǒng)原理”教學(xué)中引入了操作系統(tǒng)使用和算法實驗。從1996年開始設(shè)置了“操作系統(tǒng)原理”實驗,1998年開始設(shè)置“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”課程,為此我們編寫了內(nèi)部用的操作系統(tǒng)原理實驗教材,包括教師指導(dǎo)書和學(xué)生實驗指導(dǎo)書。這些實踐環(huán)節(jié)的加入,大大加強了學(xué)生的實踐動手能力。同年本課題組開始采用多媒體設(shè)備進行“操作系統(tǒng)原理”教學(xué)研究,為此制作了操作系統(tǒng)課堂教學(xué)軟件,后該軟件獲得了湖北省組織的CAI課件比賽三等獎。從2000年起,本課題組初步開發(fā)并建設(shè)了操作系統(tǒng)題庫和考試系統(tǒng)。

1999年本課程組所申請的“操作系統(tǒng)原理”課程列為校級主干課建設(shè)行列,在課程組全體老師的共同努力下,經(jīng)過不斷的努力和建設(shè),于2004年通過學(xué)校驗收,并被評為校級優(yōu)秀主干課,2005年本課程進入校級精品課程建設(shè)。

該課程經(jīng)過20多年的建設(shè),逐步形成了一個知識結(jié)構(gòu)和年齡結(jié)構(gòu)合理的教學(xué)團隊,從1986年起,先后有5位教授、7位副教授和多名年輕教師先后擔(dān)任過“操作系統(tǒng)”課程的主講教師或?qū)嶒炚n程教師。通過科研與教學(xué)相結(jié)合,形成了一支學(xué)術(shù)造詣高、知識與年齡結(jié)構(gòu)合理、勇于探索且具有團結(jié)協(xié)作精神的教學(xué)團隊。

2“操作系統(tǒng)原理”課程中的若干問題及其解決方案

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最底層的系統(tǒng)軟件,其重點是并發(fā)性、調(diào)度與分派、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、安全與保護和文件系統(tǒng)等內(nèi)容?！安僮飨到y(tǒng)”課程主要講授對計算機資源控制與管理的實現(xiàn)原理及方法、系統(tǒng)的設(shè)計思想、系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的效率分析。

從資源管理的觀點出發(fā),該課程的核心知識單元包括:

(1) 操作系統(tǒng)的基本概念(3學(xué)時):操作系統(tǒng)定義與組成,操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程,操作系統(tǒng)的功能和特征,操作系統(tǒng)的類型及特點,操作系統(tǒng)性能,常用操作系統(tǒng)介紹,操作系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ);

(2) 進程管理(21學(xué)時):進程的概念、進程的表示和調(diào)度狀態(tài)、進程的控制、進程調(diào)度、進程同步、信號量、進程通信、死鎖;

(3) 內(nèi)存管理(12學(xué)時):存儲管理的基本概念、內(nèi)存映射機制、早期的存儲管理、分頁存儲管理、虛擬存儲管理、請求分頁存儲管理、分段存儲管理、段頁式存儲管理;

(4) 文件管理系統(tǒng)(12學(xué)時):文件管理系統(tǒng)、文件結(jié)構(gòu)和存取法、文件的目錄結(jié)構(gòu)、文件存儲空間的管理、文件的存取控制、文件系統(tǒng)與用戶的接口;

(5) 設(shè)備管理(6學(xué)時):設(shè)備管理、輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備驅(qū)動與驅(qū)動調(diào)度、設(shè)備分配程序、I/O設(shè)備處理程序。

我們認為,該課程的重點包括:

(1) 操作系統(tǒng)中的基本概念、原理、算法與策略;

(2) 系統(tǒng)調(diào)用接口及其使用;

(3) 計算機系統(tǒng)中的處理機管理、存儲管理、設(shè)備管理和文件管理方法;

(4) 計算機死鎖的檢測與預(yù)防;

(5) 操作系統(tǒng)實例研究,如UNIX/ Linux系統(tǒng)。

該課程的難點包括:

(1) 并發(fā)程序設(shè)計、進程創(chuàng)建、進程撤銷、進程間的同步與互斥;

(2) 存儲管理策略與實現(xiàn)方法;

(3) 文件系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法;

(4) 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計。

對于以上各類重點難點、本課程在組織理論課程教學(xué)中,主要采取以下幾種解決辦法:

(1) 組織集體備課等各類教學(xué)活動,對重點、難點進行研討,根據(jù)學(xué)生實際,提出解決方案;

(2) 采用案例教學(xué),提倡啟發(fā)式、交互式的教學(xué)方法,教師的講解要點、方法、思路、原理與策略,層層剖析。從抽象到具體,在從具體到抽象,引導(dǎo)學(xué)生積極思考,提出問題,激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)主動性;

(3) 將傳統(tǒng)教學(xué)手段和多媒體技術(shù)結(jié)合起來,采用多媒體課件和網(wǎng)絡(luò)課件等輔助教學(xué)手段,結(jié)合板書進行教學(xué),增強教學(xué)效果;

(4) 倡導(dǎo)學(xué)生的自學(xué)精神,使學(xué)生從“聽懂”到“學(xué)會”,最后達到“融會貫通”與提高學(xué)生的動手能力。

與此同時,我們將“操作系統(tǒng)原理”實踐教學(xué)設(shè)計為四個層次,即預(yù)備層、概念層、原理層和應(yīng)用層。預(yù)備層為流行操作系統(tǒng)的主要命令使用及其上的程序設(shè)計;以及以Linux的基本Shell程序設(shè)計方法;概念層主要涉及操作系統(tǒng)原理中的相關(guān)概念實現(xiàn),如PCB和信號燈等;原理層為“操作系統(tǒng)原理”中的主要算法、策略和原理的驗證性實驗和部分綜合性實驗,包括進程的創(chuàng)建和撤銷、內(nèi)存空閑塊管理策略、作業(yè)與進程調(diào)度策略、分區(qū)分配管理、內(nèi)存淘汰策略等基本算法的設(shè)計與實現(xiàn);應(yīng)用層是以上述算法為基礎(chǔ)的課程設(shè)計,以體現(xiàn)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理后的應(yīng)用價值,例如實現(xiàn)火車票網(wǎng)上訂購系統(tǒng)等。前兩個層次的內(nèi)容,要求全體學(xué)生均要參加,第三、四個層次的內(nèi)容供部分學(xué)生在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計時選擇。

在課程設(shè)計時,我們強調(diào)學(xué)生在實際操作系統(tǒng)環(huán)境下,進行系統(tǒng)核心算法的設(shè)計與調(diào)試,學(xué)生在完成這些內(nèi)容時,必然涉及系統(tǒng)程序設(shè)計的諸多問題,在解決這些問題的過程中,培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)程序設(shè)計能力,使學(xué)生真正學(xué)到了操作系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)和系統(tǒng)程序設(shè)計方法。學(xué)生們通過操作系統(tǒng)多個教學(xué)環(huán)節(jié),不僅真正學(xué)懂了操作系統(tǒng)的原理和理論,還掌握了剖析實際操作系統(tǒng)、實現(xiàn)并擴充操作系統(tǒng)功能模塊的基本技能。學(xué)生學(xué)到了多方面的知識,培養(yǎng)了綜合能力,有很大的收獲。

3 “操作系統(tǒng)原理”精品課程建設(shè)中的若干問題及其解決策略

在“操作系統(tǒng)原理”精品課程建設(shè)過程中,我們遇到了一系列有待解決的具體問題,主要涉及如何分層次進行理論和實踐教學(xué);教學(xué)研究項目的申報和研究;課堂多媒體教學(xué)研究與實踐;課程及其資源建設(shè);在夯實基礎(chǔ)教學(xué)的同時,如何培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力;師資隊伍建設(shè)和青年教師培養(yǎng),等等。下面就解決這些問題進行一些探討。

針對上述教學(xué)改革和研究中出現(xiàn)的相關(guān)問題,我們主要采用了如下解決策略或方案。

(1) 構(gòu)建分層次的理論教學(xué)內(nèi)容。建立了層次化的“操作系統(tǒng)原理”課程體系,改革了傳統(tǒng)的“操作系統(tǒng)原理”課程體系,在原有課程的基礎(chǔ)之上,根據(jù)培養(yǎng)層次,增加了先導(dǎo)課程“基于Linux程序設(shè)計”,提出了“操作系統(tǒng)”課程群思想,該課程群主要包括“C語言程序設(shè)計”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“匯編語言程序設(shè)計”、“基于Linux的程序設(shè)計”、“計算機組成原理”、“操作系統(tǒng)原理”和“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”等課程,并在研究生層次上開設(shè)了“分布式操作系統(tǒng)”等課程。課程內(nèi)容體系建設(shè)已初見成效,使得該課程不再是一個點,而是一個以點帶面,以面促體的活體。這個點就是“操作系統(tǒng)”理論課程,這個面就是操作系統(tǒng)算法實驗,這個體就是以操作系統(tǒng)算法實驗為基礎(chǔ)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。

(2) 構(gòu)建分層次的實踐教學(xué)內(nèi)容。課程組長期堅持教學(xué)改革,其宗旨在于在傳統(tǒng)單一傳授專業(yè)知識的基礎(chǔ)上,注重培養(yǎng)學(xué)生正確的學(xué)習(xí)方法和良好的自學(xué)能力,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和健全人格,使學(xué)生具備適應(yīng)快速變化的社會環(huán)境的綜合素質(zhì)和能力。課程組改革了“操作系統(tǒng)”實驗課程體系,重點研究了課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié),在原有“操作系統(tǒng)原理”實驗的基礎(chǔ)上,增加了“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”,并將相關(guān)實驗按難易程度劃分為初、中、和課程設(shè)計四個層次,形成了課程實驗、應(yīng)用實驗和綜合實驗層次。在實施過程中,充分發(fā)揮師生互動的作用,完成相應(yīng)實踐過程,達到能力訓(xùn)練和啟發(fā)創(chuàng)新的目的。試行結(jié)果表明,學(xué)生開放實驗室對促進學(xué)生個性發(fā)展、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到了積極的作用。學(xué)生創(chuàng)新能力明顯增強,學(xué)風(fēng)有了較大好轉(zhuǎn),使得學(xué)生每年參加的ACM等各類比賽中,均獲得了好成績。

(3) 重視教學(xué)研究項目的申報和研究。課程組一貫重視參與、申報、建設(shè)各級教學(xué)改革項目,先后主持或參與湖北省以及華中師范大學(xué)校級等各級各類教改項目數(shù)項,有的已順利完成,通過了驗收。階段性成果已多次獲獎。具不完全統(tǒng)計,近三年中,課程組教師獲得“湖北省高等教育教學(xué)成果獎”各2項、“多媒體教學(xué)課件獎”1項、“湖北省科技進步獎”1項(三等獎)、“武漢市科技進步獎”2項(二等獎和三等獎各一項)。

(4) 對“操作系統(tǒng)”的教學(xué)大綱和實驗大綱進行了重組和整體優(yōu)化。完善了教學(xué)大綱和實驗大綱,編寫了實驗指導(dǎo)書和實驗報告書,建立了以“操作系統(tǒng)原理”為核心,以“操作系統(tǒng)算法實驗”、“操作系統(tǒng)課程設(shè)計”為突破口,以帶動畢業(yè)設(shè)計選題和考研為目標的層次課程體系;在該課程的培養(yǎng)效果上,由單一化發(fā)展為多樣化;由單純的課堂教育走向包括課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計在內(nèi)的多種形式教學(xué);從近三年我系畢業(yè)生考研中的“操作系統(tǒng)原理”考試效果分析看,平均及格率達到70%,其中平均優(yōu)良(85分以上)率達35%,這充分說明了該課程教學(xué)的效果。

(5 )建立了以多媒體、網(wǎng)絡(luò)為核心的教學(xué)平臺,將現(xiàn)代教育技術(shù)和手段應(yīng)用到教學(xué)過程中。開發(fā)了以“操作系統(tǒng)原理”為核心的多媒體教學(xué)軟件、多媒體課件、多媒體遠程課件、網(wǎng)上答疑系統(tǒng)、網(wǎng)上在線考試系統(tǒng)和試卷(題)庫系統(tǒng)在內(nèi)的一系列軟件,形成了本課程體系的特色項目,這樣不僅提供了網(wǎng)絡(luò)課堂,而且實現(xiàn)了對包括作業(yè)布置、批閱、成績記載等教學(xué)環(huán)節(jié)在內(nèi)的整個教學(xué)過程的有效管理。

(6) 教學(xué)研究和課程資料建設(shè)。具不完全統(tǒng)計,近年來,課程組教師共編寫編譯出版4部教材。這些教材均由國內(nèi)有影響的出版社正式出版發(fā)行,并被許多高校選為教學(xué)用書或教學(xué)參考書。在本課題建設(shè)過程中,我們共發(fā)表教學(xué)科研論文50篇以上,其中教學(xué)研究方面的論文17篇以上;教材教法、課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和雙語教學(xué)等論文2篇以上,教學(xué)實踐方面的論文2篇以上;教學(xué)管理及其相關(guān)研究方面的論文近2篇以上。

(7) 在加強基礎(chǔ)的前提下,就如何培養(yǎng)學(xué)生的資料收集能力、歸納總結(jié)能力、發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力進行了探索,并取得了可喜的成績。這從我系大學(xué)生在ACM比賽(2006-2008年中,在ACM亞洲區(qū)中國賽區(qū)的系列比賽中,共獲得6塊銅牌,其中的很多比賽算法都利用到操作系統(tǒng)原理中的相關(guān)算法思想)、挑戰(zhàn)杯、數(shù)學(xué)建模大賽和大學(xué)生科研獲獎人數(shù)上可以得到佐證。

(8) 采取有力措施,持續(xù)加強師資隊伍建設(shè)。這一點將從我們采用的青年教師培養(yǎng)措施和執(zhí)行情況上進行說明。

① 培養(yǎng)措施

本課程組一向重視教師隊伍建設(shè)和對青年教師的培養(yǎng)和提高,通過采用積極鼓勵措施提高其業(yè)務(wù)知識和科研能力,如青年教師教學(xué)導(dǎo)師制度、教師上崗前的試講制度、每年一次的青年教師授課比賽制度等,同時我們分期分批安排主講老師利用暑期時間參加短期師資培訓(xùn)(參加暑假計算機骨干教師課程培訓(xùn),以及參加Sun公司的Solaris操作系統(tǒng)實驗培訓(xùn)等)和參加全國操作系統(tǒng)學(xué)術(shù)會議(如從2005年以來,我們先后安排多位教師參加了第八屆全國操作系統(tǒng)教學(xué)和第九屆全國操作系統(tǒng)教學(xué)會議),積極鼓勵教師攻讀博士學(xué)位,近3年來,課程組先后有5人在職攻讀博士學(xué)位,其中有2為教師獲得了工學(xué)博士學(xué)位。堅持青年教師深入教學(xué)第一線,讓青年教師獨立承擔(dān)一門課程,使他們盡快成長;積極開展教學(xué)研究和研討活動,盡快提升青年教師的教學(xué)水平;鼓勵青年教師參加教材講義編寫,提高教學(xué)總結(jié)和寫作能力;努力創(chuàng)造環(huán)境,加速提高青年教師的科研能力。

② 執(zhí)行情況

本課題組根據(jù)系里的規(guī)定,堅持青年教師教學(xué)導(dǎo)師制度,對每位新上崗的青年教師指派一位有經(jīng)驗的教師作為教學(xué)導(dǎo)師,導(dǎo)師將在為人、工作態(tài)度、教學(xué)規(guī)范和教學(xué)經(jīng)驗多方面給予指導(dǎo)。在教師相互聽課制度的基礎(chǔ)上,我們還利用教研室活動時間,組織有經(jīng)驗的老師對青年教師的教學(xué)進行點評,以及開展青年教師之間相互評課的活動,有效地提高了青年教師的教學(xué)質(zhì)量。我系還堅持新教師上崗前的試講制度等一系列措施保證教師課堂教學(xué)的質(zhì)量。

本課題組根據(jù)我系每年組織一次青年教師授課比賽的傳統(tǒng),積極推薦青年教師參加比賽,將比賽獲勝者推薦到學(xué)校參加校級青年教師教學(xué)大賽,對在青年教師大賽中的獲獎?wù)呓o與相應(yīng)的獎勵,并規(guī)定只有獲得學(xué)校青年教師大賽的獲獎?wù)卟拍苋〉觅Y格擔(dān)任主干課的教學(xué)工作,這樣有力地確保了本課題組的教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)學(xué)科發(fā)展形勢,本課程組專門設(shè)置了實驗課程教師,由具有副教授職稱的教師具體負責(zé)和實施,吸收了具有博士學(xué)位的青年教師參加本課題組建設(shè),使得課程理論與實驗教學(xué)后繼有人。

4結(jié)束語

從教學(xué)效果上看,從1997年起,本科生參加“操作系統(tǒng)原理”課程的算法實驗和課程設(shè)計綜合實驗,有多屆學(xué)生選擇了與操作系統(tǒng)選題相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文題目。這些實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和論文,極大提高學(xué)生的程序設(shè)計能力、動手能力。很多同學(xué)在畢業(yè)后從事的開發(fā)工作中,感到了“操作系統(tǒng)”等課程對其動手能力提高所帶來的潛移默化的作用;部分學(xué)生攻讀研究生期間,深感本科階段的“操作系統(tǒng)”系列課程,對其研究能力的提高所帶來的影響和幫助。

參考文獻:

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