羅　宇　鄒　鵬　吳慶波　毛曉光　尹俊文　鄧勝蘭　寧　洪　文艷軍

摘要:本文重點介紹國防科大計算機學院“操作系統”課程特色及主要建設成果,全面總結了我院“操作系統”教學實施的經驗。

關鍵詞:操作系統;教學;精品課程

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

從1980年開始為文革后恢復高考的第一批本科生開設了“操作系統原理”課程。此后,我們依托銀河系列操作系統開發(fā)的科研優(yōu)勢,及時將操作系統的新概念、新思想和新技術引入到教學內容中,制定教學大綱、開展教學改革、改編教材和引進實驗,全面而系統地進行了“操作系統”課程建設。

1課程特色

(1) 依托國家大型科研項目建設操作系統教師隊伍,具有豐富實踐和工程經驗的教師為原理和理論賦予了靈活、生動的真實感。

(2) 原理和實踐相結合,是國內最早開設“操作系統綜合課程設計”的院校之一?？缭郊夹g、合訓等多種需求和不同應用目標的學員,形成了教學實踐環(huán)節(jié)的綜合性、設計性和自主性的特色。

(3) 發(fā)揮計算機軟件與理論國家重點學科優(yōu)勢,適應學校的人才培養(yǎng)目標的調整,與國際先進技術同步更新教學內容,持續(xù)性的教材建設蘊含技術發(fā)展和學校發(fā)展的節(jié)奏感。

2課程建設主要成果

“操作系統”課程建設二十多年來,從課程設置到教學環(huán)節(jié),從教學內容到教學方式方法各方面的教改教研工作從未停止過。近五年的教改教研成果概括起來主要有以下幾個方面。

2.1針對操作系統新技術的發(fā)展變化,統籌建設“操作系統”系列課程

通過認真分析UC Berkeley、Stanford、MIT、CMU等名校的操作系統有關課程,根據ACM/IEEE的CC2001、2004和敎指委CCC2002等指導性文件的知識點,結合近年來操作系統在網絡化、高可信、多核、虛擬化等技術的飛速發(fā)展,我們梳理了本科生、研究生操作系統方面的課程設置。特別對教學內容進行了梳理,隨著一些技術的成熟,將一些教學內容下移到本科生的課程中來。目前我們設立了“操作系統”、“操作系統課程設計”本科生課程,設立了“高級操作系統”、“操作系統內核實現”、“分布式系統”、“實時系統”等研究生課程。課程設置涵蓋了操作系統和分布式操作系統、操作系統高級技術、實用操作系統實現技術各個方面。充分強調了實踐及實用課程的設置,滿足我院不同類型學員培養(yǎng)的需要?！安僮飨到y”系列課程建設內容為我院教改成果“計算機科學與技術課程體系創(chuàng)新建設與實踐”的主要內容,2006年獲“軍隊和國家教學成果”一等獎。

2.2結合銀河系列巨型機操作系統的重大工程,以科研促教學,不斷提升教學水平

“操作系統”課程是一門工程性強的基礎課程,我校的“操作系統”課程是隨著銀河巨型機的發(fā)展而建設的,銀河系列巨型機是我國重大科技攻關項目,難度大,操作系統的很多技術都可以在工程中得到充分驗證和體現。課程組的許多老師都先后主持了銀河巨型機的操作系統研制工作,以及主持過銀河智能機操作系統研制,他們曾經是或當前還是研制銀河系列機操作系統的一線骨干,積累了豐富的工程經驗,從而為深化“操作系統”課程內容改革提供了良好的技術支撐,確保該課程的技術內容與時俱進,始終站在國際最前沿。許多老師都獲得過國家及部委級科技獎勵。

2.3抓住國家操作系統戰(zhàn)略發(fā)展機遇,依托教育部國產基礎軟件工程中心、操作系統湖南省工程研究中心,對“操作系統”實驗教學進行改革,學生屢獲國際國內大獎

十五期間國家設立了軟件重大專項,旨在突破國產操作系統關鍵技術,計算機學院承擔了銀河麒麟操作系統的研制工作,是目前國內安全等級最高的操作系統,為此,教育部批準了國防科大計算機學院成立教育部國產基礎軟件工程中心,為人才培養(yǎng)服務。湖南省發(fā)改委還批復國防科大計算機學院成立了操作系統湖南省工程研究中心,希望國防科大通過國家重大專項為湖南省培養(yǎng)更多優(yōu)秀的人才,并且能不斷轉化操作系統產品。針對國家、省里的要求,我們在不同教學層次上對“操作系統”實驗環(huán)節(jié)教學進行改革。在改進現有“操作系統”課程實驗的基礎上,又精心設計并開設了“操作系統課程設計”本科生課程,涉及操作系統內核的綜合實驗,強化綜合性和設計性。我們的改革既符合國際潮流,也為國內高校實驗課程設置作出了表率。在培養(yǎng)學生的動手實踐能力方面成績斐然,學生在操作系統方面獲得了一系列獎項:褚瑞的“Windows加速器”獲得“全國第七屆挑戰(zhàn)杯”一等獎、汪黎的Linux項目獲首屆“中國開源軟件競賽”銀獎、章文嵩的LVS被Linux國際社區(qū)接納為Linux內核標配,我院學員在“全國開源大賽”中兩次獲得團體冠軍。由老師和畢業(yè)學生參與的銀河麒麟操作系統2005年獲“教育部高校十大科技進展”。

2.4積極將科研成果和國際權威操作系統教材新版內容反映到教材建設當中,進一步加強操作系統教材建設

從80年老一輩王鴻武老師出版第一本操作系統教材,教材內容更新不斷線。歷年出版的自編教材如表1所示。其中王鴻武老師編寫的《操作系統》教材以實際操作系統為背景,引領了國內案例教學教材建設;鄒鵬老師編寫的《操作系統原理與方法》把當時國外教學先進內容引入自編教材;2000年以后我們根據課程設置的調整以及強化實踐環(huán)節(jié),我們編寫了Linux操作系統綜合實驗的有關教材,根據技術進步和操作系統開發(fā)需要出發(fā)大幅調整操作系統教材內容;2003年出版的《操作系統》一書從操作系統工程的角度對相關原理和技術進行了介紹,并于2007年更新為第二版;2009年出版的《操作系統》一書則主要面向應用型的操作系統教學需要。

2.5通過與國內外一流高校、研究機構密切交流與合作,借助開源軟件社區(qū),進行操作系統技術和教學交流

邀請Berkeley大學、清華大學、北京大學、微軟公司、Intel公司、Sun公司、聯想公司、華為公司和麒麟操作系統研制人員給老師和學生上課或作技術講座,不但提高老師的知識面,同時也吸引學生學習操作系統的興趣。老師也積極參與國內外會議進行教學和技術交流。

2.6總結了一套因材施教的教學方法

在教學方式上進行不斷探索。針對學生特點采用不同教學方法、考核評價方法,使學生更好、更扎實地掌握知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。通過提出要解決的問題,使用啟發(fā)式教學引導學生思考解決問題的辦法;在批判式講解比較簡單算法的基礎上,讓學生找問題并進行算法改進;在實驗課程設置、課后實驗、課堂舉例三個層次進行案例式教學;另外充分利用操作系統實用程序、工具演示操作系統概念、原理、技術和方法;引入多種評價方法,考試實驗并重。通過各種方法的綜合應用,取得了較好的教學效果。

3本科“操作系統”課程教學的一些具體措施與方法

操作系統系統龐大、概念以及功能實現復雜。傳統的講授要不就是層次太高抽象難懂,要不就是只看到局部算法不能理解全局處理過程。課程小組在本科“操作系統”課程講授過程中采取了如下措施,以提高課程學習的效果。

3.1注重以實踐(實例)幫助知識理解

我們強調實踐環(huán)節(jié)對操作系統概念、方法的理解作用,對“操作系統”的實驗環(huán)節(jié)教學進行改革。除獨立設立“操作系統課程設計”本科生課程,涉及操作系統內核的綜合實驗,以幫助學生綜合利用操作系統專業(yè)知識進行操作系統內核設計外,同時“操作系統”課程也必須做一個綜合性、設計性實驗,如實現一個命令解釋器,通過實驗學生體會了并行程序設計思想,使用了操作系統內核的功能。在每一堂課的教學過程中,還需要用操作系統工具及界面演示操作系統的概念和處理過程。在講解一般算法的同時還進行舉例說明。

3.2豐富教學手段

本課程的建設以能力與素質的綜合培養(yǎng)為目標,因此,課程采取了豐富的教學手段以培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力:課堂教學堅持采取討論式、啟發(fā)式、批判式、案例式、類比式教學方法,改變滿堂灌的教學方式,活躍課堂氣氛,激發(fā)學生的創(chuàng)新意識,改進教學效果;通過設計綜合實驗,為學生提供綜合運用知識、培養(yǎng)科研素質的機會,鍛煉了學生的自主性;綜合實驗的驗收采取演示、講解和答辯相結合方式,使學生的科研能力和人文素質得到全方位的鍛煉;通過使用多媒體網絡教學環(huán)境,學生與教師可以在課外進行流暢而生動的溝通,教師利用多媒體交互手段指導學生開展自學活動。

3.3課程重點、難點教學說明

我們根據學院操作系統開發(fā)人才必備知識要求及學生后續(xù)課程要求等,確定了以下重點教學內容:

(1) 操作系統運行機制,中斷/異常處理過程,系統調用及系統使用接口。在課堂重點說明操作系統內核功能程序的運行機制,用與日常生活類比方法講解中斷作用及實現技術,用實際操作系統界面演示操作系統實用程序,在課后實驗中讓學生編寫一個shell命令解釋器理解系統使用接口并在編程中使用系統調用。

(2) 進程概念、進程切換和進程調度。利用實際操作系統演示進程創(chuàng)建和結束,利用操作系統工具觀察系統中進程的屬性和進程的輪換運行,課堂講解強調進程調度切換時機和方法,在課后實驗中實現多進程編程。

(3) 同步互斥原語及應用。啟發(fā)式講解同步互斥原語的引入,給出一些不完善的互斥實現,引導學生找出并發(fā)受限或不能互斥的不足或錯誤,并尋找有效解決辦法。采用實例反復講解原語應用。

(4) 頁式虛擬存儲管理中的地址轉換及頁面替換。從方便用戶編程的角度提出需求,從充分利用內存的角度引入技術,啟發(fā)學生理解存儲虛擬化技術實現。

(5) 驅動程序的構成、功能和接口,磁盤驅動及請求優(yōu)化,緩存技術。利用實際操作系統驅動程序文件來增強學生印象,利用操作系統讀寫文件、執(zhí)行程序的延遲或加速現象說明磁盤請求優(yōu)化和緩存技術。

(6) 文件系統的目錄結構和文件存儲、訪問權限機制。用與存儲管理類比的方法引出文件系統,強調文件系統的持久性特點,歸納總結存儲的安全性訪問機制,引導學生對操作系統資源虛擬化技術的認識。

(7) 線程概念和線程實現。課堂利用實際操作系統演示線程,強調線程與進程差別,實驗提倡使用線程進行多道程序設計,比較多線程與多進程編程的開銷和安全性差異。

4總結

我們的“操作系統”課程在2008年被評為國家精品課程,但是“操作系統”教學內容與效果應該還需要不斷充實與改進,我們希望拋磚引玉,進一步學習國內外高?！安僮飨到y”課程建設的寶貴經驗,把我院“操作系統”課程建設提高到一個新的臺階。