文章編號：1672-5913(2011)21-0098-04 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　
　　作者簡介：王宇英，女，講師，在讀博士，西北工業(yè)大學(xué)操作系統(tǒng)國家精品課程骨干教師，研究方向為嵌入式軟件設(shè)計、驗證與仿真。
　　
　　摘 要：分析目前操作系統(tǒng)教學(xué)中存在的普遍問題，提出一種“三分四階兩依托”的差異化教學(xué)法。它將教學(xué)過程分為教學(xué)環(huán)節(jié)、實踐環(huán)節(jié)和考評環(huán)節(jié)三個部分，每個部分采用漸進式的四個階段教學(xué)，并依托學(xué)校的創(chuàng)新實驗室和嵌入式技術(shù)重點實驗室，開展嵌入式操作系統(tǒng)方面的創(chuàng)新項目探索，取得較好的教學(xué)效果。
　　關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；教學(xué)；嵌入式；實踐
　　
　　
　　計算機操作系統(tǒng)原理課程是計算機或相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課之一，也是進一步學(xué)習(xí)其他課程的基礎(chǔ)，兼具理論理解與實踐運用，在計算機專業(yè)教學(xué)中占有舉足輕重的地位。如何充分利用操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)增強學(xué)生實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程運用能力和創(chuàng)新能力，是需要深入思考的問題[1]。
　　1 教學(xué)中存在的問題
　　操作系統(tǒng)課程的教學(xué)受課程特點、環(huán)境設(shè)施、表達風(fēng)格、教師語言習(xí)慣等影響，普遍存在一些共性問題。
　　1) 教學(xué)生動性。由于操作系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容原理性較強、知識體系繁雜，在課程體系結(jié)構(gòu)上要有匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機組成原理等課程的先修基礎(chǔ)，對教師的教學(xué)生動性就提出了更高的要求，否則講概念就講成了單調(diào)的名詞解釋，講原理就講成了死板的照本宣科，講實踐就講成了空泛的代碼分析。加上課程本身涉及的概念、原理較繁雜，多數(shù)學(xué)生的反應(yīng)是似懂非懂。
　　2) 實驗有效性。從學(xué)生掌握運用課程知識的層面來說，實驗效果的好壞直接反映了學(xué)生真正學(xué)習(xí)效果的好壞。在實際教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)校將操作系統(tǒng)原理與操作系統(tǒng)實驗分成了兩門課，實際執(zhí)行時需要重視兩門課程在內(nèi)容上的連貫性和整個課程組的系統(tǒng)性。操作系統(tǒng)課程的重點突出了系統(tǒng)設(shè)計的基本原理，對實驗內(nèi)容的設(shè)計既要體現(xiàn)原理性，也要體現(xiàn)拓展性。否則，大多數(shù)學(xué)生將僅限于理解單個算法，對整個操作系統(tǒng)的工作機制缺乏系統(tǒng)全面的認識。
　　3) 考核靈活性。課程考評的目標不僅是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，更應(yīng)該調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。目前，各個高校的制度都比較完善，比如會區(qū)分學(xué)生的考勤占10%、作業(yè)完成情況占10%、考試成績占60%、實踐成績占20%等，操作系統(tǒng)課程的教學(xué)也大多采用了這種模式，但不足之處是無法靈活反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。以實驗課為例，現(xiàn)有的實驗內(nèi)容大多都是驗證性的、功能模擬類的科目，學(xué)生只要按部就班完成就行了，完成了一個微型操作系統(tǒng)、磁盤管理系統(tǒng)，對學(xué)生而言考評效果一樣，自然就降低了學(xué)生對更深入的拓展應(yīng)用的探索。
　　2 教學(xué)方法的改進與探索
　　在當前的教學(xué)體制下，改進操作系統(tǒng)的教學(xué)方法需要把握好教學(xué)、實踐、考評三個環(huán)節(jié)，根據(jù)對這三個環(huán)節(jié)的理解和把握，我們操作系統(tǒng)教學(xué)團隊摸索了“三分四階兩依托”差異化教學(xué)法。
　　2.1 教學(xué)過程中應(yīng)把握的環(huán)節(jié)
　　1) 教學(xué)環(huán)節(jié)。在整個教學(xué)過程中，學(xué)生對知識的理解掌握一般需要經(jīng)歷四個階段，首先是接觸概念定義，如什么是“進程”、什么是“管道”等。其次是對相似、類似概念進行區(qū)分，如程序與進程、緩存與緩沖等。然后是對基本原理進行理解掌握，如“內(nèi)存分頁式管理機制”的原理、“處理器調(diào)度機制”的原理等。最后才是整體融會貫通，從全局的角度去理解構(gòu)成一個完整操作系統(tǒng)運行各種要素之間的關(guān)聯(lián)、層次關(guān)系，才能夠真正學(xué)明白，懂原理，能運用。
　　2) 實踐環(huán)節(jié)。實驗在整個操作系統(tǒng)教學(xué)過程中舉足輕重，也是加深學(xué)生概念、原理理解，反映學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié)?？紤]到課程進度和學(xué)生學(xué)習(xí)入門的過程，需要分四步來逐步增強學(xué)生實踐能力。首先是驗證所學(xué)的概念。學(xué)生學(xué)了某個概念以后，首先希望知道其在操作系統(tǒng)中是什么東西，看起來是什么樣子的。比如，“進程”是什么樣子的，它都具備哪些要素，“PID”又是一個什么樣的數(shù)字等。第二步是驗證各種算法原理。比如學(xué)生在驗證進程管理算法時，希望可以直觀看到各個進程執(zhí)行的順序演示。第三步是功能聯(lián)合，也就是將多個算法、原理聯(lián)合起來，實現(xiàn)一個更大一級的功能。比如用進程調(diào)度和任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)一個進程管理的過程。第四步是在深入理解各個知識點的基礎(chǔ)上，自己進行操作系統(tǒng)算法的改進和實現(xiàn)，甚至于自己寫一個小型的可運行的操作系統(tǒng)。通過實驗，讓學(xué)生真正對操作系統(tǒng)產(chǎn)生感性的認識，真正掌握知識，會運用知識，這也才是操作系統(tǒng)教學(xué)的最終目的所在。
　　3) 考評環(huán)節(jié)?？荚u的最大難點在于兼顧各種學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，進行公正公平的差異化考評，比如有的學(xué)生書本知識學(xué)得很好，但動手能力差一些；還有一些學(xué)生參加常規(guī)考試的成績并不理想，但很有創(chuàng)造力，很善于將學(xué)過的東西運用到上機實驗中，實驗成績很不錯；還有一些學(xué)生可能并不太遵守課堂紀律，但自學(xué)能力很強，涉獵了很多國外的操作系統(tǒng)教材，最后也能取得很優(yōu)異的成績。因此，如何利用好考核這個杠桿，充分調(diào)動所有學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也是目前操作系統(tǒng)教學(xué)需要準確把握的問題。
　　2.2 “三分四階兩依托”差異化教學(xué)法
　　“三分四階”差異化教學(xué)法就是區(qū)分教學(xué)、實驗、考核三個環(huán)節(jié)，分初識、了解、掌握、運用四個階段，依托實驗平臺，充分運用考核杠桿，注重不同學(xué)生能力水平，以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，全方位提高學(xué)生操作系統(tǒng)知識水平為立足點的教學(xué)法，三個環(huán)節(jié)相互聯(lián)系，四個階段貫穿其中。
　　1) 教學(xué)環(huán)節(jié)。開展課程教學(xué)時，我們按照對知識點的初識、了解、掌握、運用的逐級遞進辦法來進行。具體來講，初識，首先是拋出與要講解的知識點相類似的一個例子或問題，并且例子盡量淺顯、和生活貼近，比如講信號量時，先問問學(xué)生過馬路的時候紅綠燈的作用，通過例子，讓學(xué)生對要講的知識點產(chǎn)生一種好奇和親切感，就是來自于生活中很普通的事情，消除對知識點的未知恐懼感。隨后，在明確了某個概念的確切字面含義后，盡量通過動畫或直觀的程序演示，讓學(xué)生對知識點有一個清晰明了的了解，包括該部分內(nèi)容在整個操作系統(tǒng)中的地位作用、與已學(xué)過概念的關(guān)聯(lián)、主要用途等。隨后，掌握階段，我們依托選定的嵌入式操作系統(tǒng)作為范例，借助代碼分析工具，進行功能的演示和講解，讓學(xué)生將所學(xué)的知識點與實際的操作系統(tǒng)立刻聯(lián)系起來，形成感性認識。最后，應(yīng)用階段，我們借助學(xué)校的創(chuàng)新實驗室，組織學(xué)生展開關(guān)于所學(xué)知識點的研究和討論，包括對嵌入式操作系統(tǒng)算法的改進、設(shè)計一個演示小項目等，將比較有價值的項目直接納入創(chuàng)新實驗室的課題申請中，讓學(xué)生在討論、思考的過程中探索對操作系統(tǒng)知識點的運用。每個章節(jié)的教學(xué)結(jié)束后，教師組織一次對章節(jié)內(nèi)容的小測驗，及時發(fā)現(xiàn)知識點掌握的薄弱環(huán)節(jié)，并利用一到兩個課時進行講解補充。
　　2) 實驗環(huán)節(jié)。實驗環(huán)節(jié)隨課程教學(xué)同步展開，且主要以對課程內(nèi)容的鞏固和運用為主。在設(shè)計實驗內(nèi)容時，我們同樣按照初識、了解、掌握、運用這四個層次來考慮，實驗內(nèi)容也對應(yīng)為四個部分。以進程為例，第一部分初識層次是概念驗證型題目，比如在資源管理器中查看進程、打印進程的PID值等；第二部分了解層次是過程演示型題目，比如創(chuàng)建一個進程、管理一個進程、管理多個進程、銷毀一個進程等；第三部分掌握層次是原理演示型題目，比如設(shè)計一個程序、演示操作系統(tǒng)中的進程管理機制；第四部分運用層次是創(chuàng)新拓展型題目，比如按照某種操作系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計一個小型的嵌入式操作系統(tǒng)，要求具備操作系統(tǒng)的各個要素，包括進程管理、文件管理等，可在實驗板上進行正常運行。通過實施這四個步驟，學(xué)生除了學(xué)習(xí)理論知識，還對知識點有了更立體全面的掌握，對知識點之間的聯(lián)系也比較明晰，也能準確把握知識如何運用。在整個實驗過程中，我們對不同階段的題目都設(shè)定了分值，等級越高，分值在整個實驗得分中占的比例越大。
　　
　　3) 考核環(huán)節(jié)?？己朔譃檎n程結(jié)束的考核和平時的考核，考核類型又分為試卷考核和實驗考核，各占一定的比例，試卷考核占60%，實驗占40%。其中，在平時和課程結(jié)束的考核中，以平時考核為主，占70%，因此，設(shè)平時成績?yōu)镻，平時課程成績?yōu)镻k，平時實驗成績?yōu)镻S，結(jié)課考核成績?yōu)镴，結(jié)課試卷成績?yōu)镴k，結(jié)課實驗成績?yōu)镴s，那么最終成績C的計算公式為 ，其中X(i)為每個章節(jié)在整個課程中所占的權(quán)重。這樣一個成績計算公式，既較好考慮了學(xué)生平時的努力，也考慮了學(xué)生結(jié)課考試時的臨場發(fā)揮，基本上較為真實地反映了學(xué)生的真實學(xué)習(xí)水平，也促使學(xué)生平時努力去學(xué)習(xí)。
　　在方法的實現(xiàn)上，依托于學(xué)校創(chuàng)新實驗室和陜西省嵌入式技術(shù)重點實驗室，我們以嵌入式操作系統(tǒng)貫穿教學(xué)始終，將嵌入式操作系統(tǒng)T-Engine作為教學(xué)操作系統(tǒng)來講解，該操作系統(tǒng)平臺、代碼開放，應(yīng)用廣泛，運行效率高。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生借助對該操作系統(tǒng)代碼和架構(gòu)的學(xué)習(xí)，既能夠清晰地看到所學(xué)知識的使用方法和其在整個系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，還可以依托學(xué)校創(chuàng)新實驗室的資源，發(fā)揮自己的聰明才智，進行創(chuàng)新項目申報。兩個平臺既促進了學(xué)生能力水平的提升，又能夠給創(chuàng)新實驗室?guī)砀嗟幕盍统晒?，達到相互推動和促進的效果。
　　3 嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)實踐
　　3.1 嵌入式操作系統(tǒng)的特點
　　嵌入式操作系統(tǒng)和傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相比，具有一些明顯的特點。首先是和硬件相關(guān)性很高。嵌入式系統(tǒng)一般都是作為某個電子產(chǎn)品的控制部分或針對某類特殊應(yīng)用而設(shè)計開發(fā)的，在體積、功耗、響應(yīng)速度等方面有著嚴格的限制[2]。同時，對運行于該硬件平臺上的嵌入式操作系統(tǒng)而言，更高的代碼執(zhí)行效率、更高的可靠性、更友好的人機界面都是硬性指標。可以說，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件需要更緊密的結(jié)合，更強調(diào)彼此依賴性。其次是體系結(jié)構(gòu)相對松散。由于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品功能往往需要根據(jù)用戶需要和實際情況進行系統(tǒng)裁剪和優(yōu)化，因此各個模塊在結(jié)構(gòu)上相對松散，可根據(jù)不同的硬件平臺、不同的應(yīng)用需求進行選擇性配置和優(yōu)化，具有更好的靈活性；但另一方面，由于是這種松散耦合的模式，也給系統(tǒng)之上的應(yīng)用開發(fā)帶來了一些不便，同樣的應(yīng)用，針對不同的平臺需要分別開發(fā)，代碼共用率低、效費比不高[3]。另外，嵌入式操作系統(tǒng)對開發(fā)人員有著更高的知識要求，除要具備操作系統(tǒng)知識，硬件設(shè)計、通信、自動控制等專業(yè)知識也是必備的。
　　3.2 嵌入式教學(xué)操作系統(tǒng)的選擇
　　從上世紀九十年代國外大學(xué)開設(shè)嵌入式操作系統(tǒng)課程以來，教學(xué)操作系統(tǒng)的選擇就一直是首先需要面臨的問題。選擇一個適合自己學(xué)校情況、又能符合社會人才培養(yǎng)需要的教學(xué)操作系統(tǒng)，有這樣幾個原則可以遵循。一是需求牽引，即依托研究課題或應(yīng)用開發(fā)背景需要來考慮，將教學(xué)和實踐融合統(tǒng)一起來，不“憑空造物”；二是應(yīng)用廣泛，這也意味著這樣的操作系統(tǒng)有著成熟的體系和大量的教材范例，能滿足各個階段學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐的需要，同時也能兼顧社會對人才的需求；三是造價低廉，對教學(xué)而言，需要考慮經(jīng)費投入的效費比和普及度，而實驗設(shè)施、硬件平臺等的構(gòu)設(shè)都需要大量的投入，因此用盡可能有限的經(jīng)費搭建更為普及的實驗環(huán)境；四是入手簡單，無論是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是編譯環(huán)境、模擬環(huán)境，太過復(fù)雜的系統(tǒng)既會給教學(xué)帶來難度，更可能打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，抹殺學(xué)習(xí)興趣。
　　我校的嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)采取了必修課和選修課相結(jié)合的方式進行課程設(shè)置，必修課以嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識為主，教學(xué)操作系統(tǒng)采取了較為普及的嵌入式Linux，實驗平臺采用了某型ARM架構(gòu)教學(xué)實驗箱。教學(xué)目的主要是培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)基本思維、嵌入式軟件設(shè)計和實踐能力，教學(xué)內(nèi)容主要包括實驗平臺的搭建、嵌入式Linux開發(fā)基礎(chǔ)、嵌入式應(yīng)用范例驗證、驅(qū)動程序設(shè)計、嵌入式Linux的移植和裁剪。選修課以嵌入式系統(tǒng)拓展運用為主，依托我校嵌入式創(chuàng)新實驗室開展實踐，嵌入式平臺選用了實時嵌入式開放標準平臺T-Engine，立足被廣泛應(yīng)用的TRON規(guī)范，以產(chǎn)品開發(fā)為背景，重點培養(yǎng)學(xué)生的操作系統(tǒng)實踐、運用能力，應(yīng)用軟件開發(fā)、調(diào)試能力，全面拓展學(xué)生工程實踐能力。
　　3.3 嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)需把握的環(huán)節(jié)
　　本文提出的“三分四階兩依托”差異化教學(xué)法，在我校的嵌入式操作系統(tǒng)課程教學(xué)中進行了初步實踐。下面的教學(xué)實踐內(nèi)容以選修課教學(xué)內(nèi)容為例展開。
　　T-Engine的前身是由日本東京大學(xué)坂村健博士于1984年提出的計算機操作系統(tǒng)規(guī)范TRON(The Real-time Operating system Nucleus)。目前，TRON已成為日本電子產(chǎn)業(yè)現(xiàn)行的基礎(chǔ)構(gòu)架，占據(jù)了全球微處理器操作系統(tǒng)市場超過60%的份額，涉及從消費電子、通信設(shè)備、工業(yè)控制到汽車電子等的廣泛領(lǐng)域[4]。T-Engine是一個開放的嵌入式系統(tǒng)標準開發(fā)平臺，由標準化硬件結(jié)構(gòu)T-Engine和標準開源實時操作系統(tǒng)核心T-Kernel組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　整個教學(xué)過程由理論講解和實踐運用兩部分同步展開，互相促進，共分4個階段，如圖2所示。
　　
　　理論講解上，首先是整體結(jié)構(gòu)了解，其次是分模塊原理學(xué)習(xí)，然后是功能組合機制學(xué)習(xí)，最后是在深入理解系統(tǒng)基礎(chǔ)上的拓展運用和應(yīng)用軟件設(shè)計。實踐運用上，首先是構(gòu)建環(huán)境，其次是單模塊功能驗證，然后是組合功能設(shè)計和開發(fā)，最后是基于應(yīng)用開發(fā)背景的系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化。兩個部分的各個階段相互促進，相互推動。
　　4 結(jié)語
　　我們提出的操作系統(tǒng)教學(xué)模式已在本校的嵌入式操作系統(tǒng)教學(xué)中進行了實踐。該模式更加注重實踐，更加強調(diào)結(jié)合社會需求培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，并靈活運用考核的杠桿，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。在實際教學(xué)過程中收到了良好的效果，也獲得了學(xué)生的好評。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 于紅，何南，馮艷紅，等.在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J]. 計算