摘要：本文通過分析30本操作系統(tǒng)教材，從核心內(nèi)容深度廣度、具體講授方法、教材章節(jié)安排、教材細(xì)節(jié)等方面指出存在的問題，其根本原因是對(duì)操作系統(tǒng)教學(xué)的相關(guān)研究工作太少，特別是缺乏課程標(biāo)準(zhǔn)方面的研究。
　　關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；教學(xué)方法；教材問題
　　文章編號(hào)：1672-5913(2010)08-0091-04
　　中圖分類號(hào)：G642
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　操作系統(tǒng)是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心骨干課程，是幫助學(xué)生建立對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理的系統(tǒng)化認(rèn)識(shí)的關(guān)鍵課程之一，此課程的學(xué)習(xí)過程是提高學(xué)生計(jì)算機(jī)水平的重要階段。但其教材和教學(xué)從歷史到現(xiàn)在一直存在很多問題需要探討解決。
　　20世紀(jì)80年代初期本人學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程用的教材是文獻(xiàn)，參考書是文獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)就感覺到操作系統(tǒng)空洞抽象，難以理解。20世紀(jì)80年代中期本人承擔(dān)操作系統(tǒng)課程教學(xué)前，翻遍了可選的教材(文獻(xiàn))，最終選用的教材是文獻(xiàn)，主要考慮該教材比較結(jié)合實(shí)際，另外UNIX系統(tǒng)代表操作系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)開始流行。但當(dāng)時(shí)學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)條件跟不上，教師經(jīng)驗(yàn)有限，再加上教材內(nèi)容繁雜，教學(xué)效果不夠理想。因此開始考慮選用講述操作系統(tǒng)一般原理的教材。
　　進(jìn)入90年代情況有所改觀，一些比較有特色的教材(文獻(xiàn))進(jìn)入了可選范圍：文獻(xiàn)篇幅很多、內(nèi)容詳盡，但考慮課時(shí)及學(xué)生的接受能力有限，最終沒有選作教材；文獻(xiàn)內(nèi)容略少一點(diǎn)：文獻(xiàn)和文獻(xiàn)內(nèi)容比較適中；經(jīng)過權(quán)衡最后選擇文獻(xiàn)作為教材，教學(xué)效果得以改善。
　　20世紀(jì)90年代本人參加過幾次全國操作系統(tǒng)教學(xué)研討會(huì)，交流中大家普遍感覺操作系統(tǒng)課程內(nèi)容繁雜，概念多且抽象，不易理解，教師和學(xué)生都感覺到困難。很多高校的教師一直在尋求更適合的教材和教學(xué)方法。
　　進(jìn)入21世紀(jì)又出現(xiàn)了一大批操作系統(tǒng)教材，文獻(xiàn)是其中的一部分，文獻(xiàn)講述操作系統(tǒng)的一般原理，文獻(xiàn)是講述UNIX／LINUX具體操作系統(tǒng)的。這些教材的作者在章節(jié)安排、講述內(nèi)容重點(diǎn)、講述方法等方面都在尋求創(chuàng)新或改變。但近期閱讀了從CNKI按照“操作系統(tǒng)教學(xué)”主題詞檢索出的30余篇關(guān)于操作系統(tǒng)教學(xué)和教材的文章(文獻(xiàn)為其代表)，發(fā)現(xiàn)大家目前依然普遍認(rèn)為操作系統(tǒng)還是一門比較難教難學(xué)的課程，大家還在尋求解決辦法。
　　筆者查閱、比較和分析了近30本操作系統(tǒng)教材的基礎(chǔ)上，歸納出了以下問題。
　　
　　1　核心內(nèi)容深度廣度及具體講授方法的問題
　　
　　CC2001、CCC2002乃至CC2004列出了操作系統(tǒng)課程的核心章節(jié)，但這些章節(jié)到底應(yīng)該包含哪些內(nèi)容、應(yīng)該如何講授、哪些需要重點(diǎn)講授、講授到什么程度等并不明確。以并發(fā)與共享這樣的核心內(nèi)容為例，該如何講授、要求理解和掌握到什么程度，很多教材之間差異很大。
　　圖1為完成基本文件拷貝功能的并發(fā)拷貝程序，是比較簡單的：圖2為展示該程序運(yùn)行過程的一種手段，對(duì)圖2的理解和掌握是檢驗(yàn)學(xué)生是否掌握操作系統(tǒng)核心內(nèi)容的很好方法。
　　
　　圖2中，假設(shè)D1讀比D2寫略快一點(diǎn)。其中D1、D2分別代表兩個(gè)不同的磁盤。s表示進(jìn)程調(diào)度切換；ID表示磁盤中斷處理；第i次讀源文件的系統(tǒng)調(diào)用read(fdr，…)分為Ri和Ri兩段完成：第i次讀管道文件的系統(tǒng)調(diào)用read(fdp[0]，…)分為RPi和RPi兩段完成，管道非空時(shí)RPi為空；第i次寫管道文件的系統(tǒng)調(diào)用write(fdp[1]，…)分為WPi和WPi兩段完成，管道非滿時(shí)WPi為空；Wi對(duì)應(yīng)第i次寫目的文件的系統(tǒng)調(diào)用write(fdw，…)。
　　操作系統(tǒng)核心內(nèi)容深度廣度及具體講授方法的問題還需要研究探討。這些在現(xiàn)有的各種操作系統(tǒng)教材中沒有見到。
　　
　　2　教材章節(jié)安排的問題
　　
　　盡管有了CC2001、CCC2002乃至CC2004，但操作系統(tǒng)教材的編者在決定教材的內(nèi)容、講述方法和深度廣度要求等方面具有較大的靈活性和自主性。文獻(xiàn)作為從國外引進(jìn)的操作系統(tǒng)的經(jīng)典之作，與CC2004(就操作系統(tǒng)課程來說CC2004與CC2001幾乎一樣)有較大差異，在章節(jié)安排上與國內(nèi)的操作系統(tǒng)教材也有較大差異。國內(nèi)的教材大多按照操作系統(tǒng)內(nèi)核的四大模塊組織教材章節(jié)的，把存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件(系統(tǒng))管理三個(gè)模塊各安排為一章，比較一致，但每章內(nèi)節(jié)的組織有較大差異，每節(jié)講述的內(nèi)容及講述的深度差異更大。在章這個(gè)層次，進(jìn)程管理部分的章節(jié)組織差異較大：如放在一章講授的教材有文獻(xiàn)(進(jìn)程和處理機(jī)管理)、文獻(xiàn)(處理機(jī)管理)、文獻(xiàn)(進(jìn)程管理)、文獻(xiàn)(進(jìn)程機(jī)制與并發(fā)程序設(shè)計(jì))、文獻(xiàn)(處理機(jī)管理)和文獻(xiàn)(進(jìn)程管理)；放在兩章講授的有文獻(xiàn)(進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度)、文獻(xiàn)(進(jìn)程及其管理、調(diào)度與死鎖)、文獻(xiàn)(處理機(jī)管理、進(jìn)程通信)和文獻(xiàn)(進(jìn)程與線程、處理機(jī)調(diào)度)；放在三章講授的有文獻(xiàn)(進(jìn)程描述與控制、并發(fā)控制——互斥與同步、死鎖處理)和文獻(xiàn)(進(jìn)程描述與控制、進(jìn)程同步與通訊、調(diào)度與死鎖)；放在四章講授的有文獻(xiàn)(進(jìn)程、線程與作業(yè)、中斷與處理機(jī)調(diào)度、互斥、同步與通訊、死鎖與饑餓)和文獻(xiàn)(進(jìn)程管理、中斷與處理機(jī)調(diào)度、并發(fā)性：互斥、同步和通信、并發(fā)性：死鎖)。這也反映了這部分內(nèi)容的講述方法差異較大。
　　在作業(yè)管理及用戶接口章節(jié)的分類與歸并方面教材之間差異較大。有作業(yè)管理的教材有文獻(xiàn)，14，19，21，23-24，261；無作業(yè)管理的教材有文獻(xiàn)[11，13，15，18，22，25-28](文獻(xiàn)[22]有“操作系統(tǒng)接口”；文獻(xiàn)[25]在“1_3，3 Windows XP／2003命令行的使用”中介紹了Windows系統(tǒng)的命令和命令行解釋器：文獻(xiàn)在“9.6 shell程序設(shè)計(jì)”中介紹了操作系統(tǒng)外殼和接口；文獻(xiàn)在“第2部分應(yīng)用和開發(fā)篇”介紹了UNIX系統(tǒng)的命令界面和使用；文獻(xiàn)有“第2章操作系統(tǒng)的界面”；文獻(xiàn)前五章講授UNIX系統(tǒng)的命令界面和使用方法)。作業(yè)管理的內(nèi)容是否沒有必要講?
　　
　　如果作業(yè)管理省略不講，那么用戶接口是否可以省略不講?用戶接口講述操作系統(tǒng)的使用手段和方法，幫助學(xué)生了解如何在不同的層次使用操作系統(tǒng)，建立對(duì)操作系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)。如果學(xué)生不會(huì)使用用操作系統(tǒng)，就很難理解原理。有了感性認(rèn)識(shí)才能加深理性認(rèn)識(shí)，筆者認(rèn)為，講解系統(tǒng)調(diào)用處理過程可以使學(xué)生理解系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)過程。
　　
　　3　教材的細(xì)節(jié)問題
　　
　　在一些細(xì)節(jié)問題的講授方面，教材之間的差異就更大一些。
　　
　　3，1文件系統(tǒng)
　　文件系統(tǒng)講述內(nèi)容及深淺差異很大。如沒有講述文件系統(tǒng)調(diào)用(打開、關(guān)閉、讀、寫)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的教材有文獻(xiàn)；有少量文件系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的教材有文獻(xiàn)：講述文件系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)內(nèi)容較多的教材有文獻(xiàn)；沒有講述記錄式文件結(jié)構(gòu)及查找方式的教材有文獻(xiàn)：講述記錄式文件結(jié)構(gòu)及存取方式的教材有文獻(xiàn)。
　　到底哪些內(nèi)容該講哪些內(nèi)容不該講?該講的內(nèi)容如何講?講到什么程度?筆者認(rèn)為記錄式文件的內(nèi)容應(yīng)該在數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中講述，UNIX等流行的操作系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)記錄式文件；而流式文件系統(tǒng)調(diào)用(打開、關(guān)閉、讀、寫)的實(shí)現(xiàn)的講授是基本的，是很有必要的。掌握這些內(nèi)容有利于更好地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但要把握好講解的粗細(xì)程度?！∫恍└拍钚g(shù)語的定義不統(tǒng)一，例如文件控制塊、文件目錄、文件目錄表、文件目錄項(xiàng)等。文件卷作為文件系統(tǒng)的基本概念，很多教材沒有介紹，只在文獻(xiàn)中出現(xiàn)過。另外RAID技術(shù)這樣的實(shí)用新內(nèi)容也只在文獻(xiàn)的設(shè)備管理一章出現(xiàn)。
　　
　　3，2進(jìn)程管理
　　互斥、同步和通信作為進(jìn)程管理模塊的基本概念和基本內(nèi)容很容易和現(xiàn)實(shí)生活中的事例進(jìn)行類比，應(yīng)該是比較容易講解也比較容易理解的，但有些教材把它們的描述復(fù)雜化了。例如文獻(xiàn)中第42-44頁介紹互斥概念所引用的例子讓人感覺一頭霧水。很多教材(文獻(xiàn)等)在介紹引出臨界區(qū)和互斥概念時(shí)都引用了不同進(jìn)程交替執(zhí)行修改共享變量的一條語句對(duì)應(yīng)的三條指令的例子，通過這樣一個(gè)最簡單例子的分析讓學(xué)生理解產(chǎn)生臨界區(qū)和互斥問題的根本原因，同時(shí)可以幫助學(xué)生加深理解進(jìn)程調(diào)度現(xiàn)場概念和進(jìn)程調(diào)度工作過程，但這些教材基本上都用到了R1和R2兩個(gè)寄存器，問題被人為復(fù)雜化了，也難以解釋。本來是一條語句編譯成的三條指令對(duì)應(yīng)的同一個(gè)程序段被不同進(jìn)程交替執(zhí)行所產(chǎn)生的問題，引用一個(gè)寄存器就可以講清楚，無需要引用兩個(gè)寄存器。在最先給出此例子的文獻(xiàn)中進(jìn)程調(diào)度章節(jié)內(nèi)容放在后面講述，在引出臨界區(qū)和互斥概念時(shí)因?yàn)閷W(xué)生沒有進(jìn)程調(diào)度現(xiàn)場概念也不了解進(jìn)程調(diào)度工作過程，不得不引用了R1和R2兩個(gè)寄存器，但有些后來出版的教材在進(jìn)程調(diào)度章節(jié)內(nèi)容放在前面講述的情況下仍引用了R1和R2兩個(gè)寄存器就說不通了，難免產(chǎn)生抄襲的嫌疑。實(shí)際的系統(tǒng)中不同進(jìn)程執(zhí)行例如countp=countp+1(甚至countp=countp－1)這樣一條語句對(duì)應(yīng)的三條指令必然只用同一個(gè)寄存器，要準(zhǔn)確清楚地講解臨界區(qū)和互斥問題必須要用到進(jìn)程調(diào)度現(xiàn)場概念和進(jìn)程調(diào)度工作過程知識(shí)，所以進(jìn)程調(diào)度的內(nèi)容應(yīng)該先講授。
　　關(guān)于并發(fā)程序的特性，文獻(xiàn)概括為“不可再現(xiàn)性、間斷性、通信性、獨(dú)立性”四點(diǎn)；文獻(xiàn)概括為“交叉性、非封閉性、不可再現(xiàn)性”三點(diǎn)；文獻(xiàn)概括為“間斷性、失去封閉性、不可再現(xiàn)性”三點(diǎn)；文獻(xiàn)概括為“動(dòng)態(tài)性、制約性、并發(fā)性”三點(diǎn)；文獻(xiàn)概括為“失去程序的封閉性、程序和計(jì)算不在一一對(duì)應(yīng)、不可再現(xiàn)性”三點(diǎn)等。這樣的不一致不應(yīng)該出現(xiàn)。
　　大多數(shù)教材對(duì)生產(chǎn)者消費(fèi)者問題及其解答的講述給學(xué)生的印象是信號(hào)量mutex用于生產(chǎn)者消費(fèi)者之間需要互斥，特別是文獻(xiàn)第35頁明確寫出“生產(chǎn)者消費(fèi)者之間還有互斥關(guān)系”。而實(shí)際上生產(chǎn)者消費(fèi)者之間的互斥已經(jīng)通過兩個(gè)同步信號(hào)量解決，而mutex實(shí)際上用于解決多個(gè)生產(chǎn)者之間互斥和多個(gè)消費(fèi)者之間互斥，這一點(diǎn)只在文獻(xiàn)中被明確指出。
　　
　　3，3存儲(chǔ)管理
　　現(xiàn)有的教材存在頁號(hào)、頁面號(hào)等名詞的所指不一致及虛地址空間、虛擬存儲(chǔ)器等概念的定義不一樣等問題，很多教材沒有明確指出頁表放在哪里，是存放在PCB中嗎?實(shí)際操作系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)程的頁表所占用的內(nèi)存是在堆上動(dòng)態(tài)分配，如果不明確指出這一點(diǎn)，會(huì)讓學(xué)生甚至教師感覺迷茫。
　　
　　4　結(jié)論
　　
　　CC2001、CCC2002乃至CC2004主要的成果是詳細(xì)設(shè)計(jì)了整個(gè)學(xué)科的核心課程，計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)方向知識(shí)體系劃分為知識(shí)領(lǐng)域、知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)三個(gè)層次，共有14個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，132個(gè)知識(shí)單元，560個(gè)核心學(xué)時(shí)。CC2004把CS-OS操作系統(tǒng)課程作為一個(gè)知識(shí)領(lǐng)域劃分為8個(gè)核心知識(shí)單元和4個(gè)選修知識(shí)單元，進(jìn)一步地還給出了每個(gè)知識(shí)單元的知識(shí)點(diǎn)和學(xué)習(xí)目標(biāo)。但這仍然是粗線條的。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)到底要講解到什么程度?要求學(xué)生掌握到什么深度?衡量標(biāo)準(zhǔn)是什么?評(píng)價(jià)指標(biāo)是什么?到底需要多少學(xué)時(shí)?細(xì)節(jié)問題：例如文件系統(tǒng)核心知識(shí)單元知識(shí)點(diǎn)中包含“文件中的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)”，“文件中的元數(shù)據(jù)”到底指什么?現(xiàn)有的操作系統(tǒng)教材中幾乎見不到這個(gè)概念，“元數(shù)據(jù)”是否是操作系統(tǒng)課程應(yīng)該講授的內(nèi)容?用戶接口或作業(yè)管理的內(nèi)容是否應(yīng)該講解?包含在哪一個(gè)知識(shí)單元里?
　　存在上述問題的根本原因是缺乏對(duì)操作系統(tǒng)的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究，解決問題的根本途徑是加強(qiáng)操作系統(tǒng)的教學(xué)研究工作，而這種研究還需要由國家級(jí)的專業(yè)教學(xué)委員會(huì)來組