顏慶茁 林麗娜

摘 要 操作系統(tǒng)管理著底層龐雜的硬件，代碼量巨大，算法設計精妙，是“中國制造2025”智能化核心要素，學生掌握它具有挑戰(zhàn)性。新工科課程建設背景下，為推動教學質量再提升，在操作系統(tǒng)基本原理、技術和實踐應用三個方面重構操作系統(tǒng)原理課程教學內容體系。借鑒國內外名校課程的知識體系，在教材的基礎上拔高，突出內涵，涵蓋最新技術，強化創(chuàng)新實踐，著眼于計算思維、工程思維、系統(tǒng)級編程能力的培養(yǎng)。教學原則基于成果導向，以學生為中心，應用啟發(fā)式探究型的教與學生自主研究型的學相結合，關注學生面向未來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的養(yǎng)成。

關鍵詞 新工科 操作系統(tǒng)原理 體系重構

中圖分類號：G424?????????????????????????????????文獻標識碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.031

Abstract The operating system manages the complex hardware at the bottom， with huge code volume and excellent algorithm design. It is the core element of intelligent "made in China 2025". Students have the challenge to master it. Under the background of the new engineering curriculum construction， in order to promote the teaching quality and improve again， the teaching content system of operating system principle course is reconstructed in three aspects： the basic principle， technology and practical application of the operating system. Learning from the knowledge system of famous courses at home and abroad， we should take the teaching materials as the basis， highlight the connotation， cover the latest technologies， strengthen the innovation practice， and focus on the cultivation of computing thinking， engineering thinking and system level programming ability. Based on the results oriented teaching principle， students as the center， the heuristic inquiry teaching and students' independent research-oriented learning are combined to pay attention to the cultivation of students' innovation and entrepreneurship ability facing the future.

Keywords new engineering; principles of operating system; pedagogical content and structure reconstruction

0 引言

新工科是當下中國高等工程教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革發(fā)展的政策焦點和戰(zhàn)略部署。為推動高教質量再提升，新工科建設正進入踏踏實實五個“再深化”階段，其中之一就是打造一流本科課程“雙萬計劃”。[1]在此背景下，操作系統(tǒng)是“中國制造2025”智能化核心要素，是計算機科學研究的基石之一，是實施計算機系統(tǒng)編程能力培養(yǎng)的核心課程。操作系統(tǒng)原理課程理論性強、概念多且抽象，學生掌握操作系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性。操作系統(tǒng)原理課程教學團隊依據(jù)新型工程科技人才培養(yǎng)理念與要求，立足未來戰(zhàn)略需求，結合課程和生源特點，借鑒國內外知名高校操作系統(tǒng)課程的知識體系，吸納先進的課程實踐項目，重構操作系統(tǒng)原理課程教學內容。

1 課程建設的目標

新工科建設落實到人才培養(yǎng)能力的提升上，是以新興產(chǎn)業(yè)和技術發(fā)展的需求為導向，大力培養(yǎng)具有前瞻交叉思維的卓越工程創(chuàng)新人才。而課程是人才培養(yǎng)的基本單位，[2]課程質量決定了人才培養(yǎng)質量。操作系統(tǒng)原理課程是計算機專業(yè)的主干課程，綜合了多門課程的知識。操作系統(tǒng)管理底層龐雜的硬件，為用戶提供便捷的服務，其代碼量巨大，算法設計精巧高效。操作系統(tǒng)不僅僅是關于并發(fā)性和瑣碎的調度算法，它與硬件配合，如何讓中斷、異常、上下文切換等真正有效，它著眼于從系統(tǒng)和全局上權衡時間和空間、性能和可預測性、公平和性能。隨著系統(tǒng)硬件和并行技術的發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷演化，并與多學科交叉融合。研制含金量高的教學內容，是實現(xiàn)課程教學提升的關鍵。新工科視角下的課程體系建設目標主要包括以下三個方面。

在基本原理層面上，掌握操作系統(tǒng)的基本概念、原理與方法。[3]掌握線程、進程、CPU調度、并發(fā)、同步、互斥，信號量、鎖、死鎖、地址空間、按需調用，文件系統(tǒng)、設備驅動、TCP/IP網(wǎng)絡、分布式系統(tǒng)等關鍵知識點。操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中位于硬件之上其他軟件之下，為應用程序提供一致的抽象視圖;在多個應用程序之間管理資源的共享。讓學生形象地理解操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位和作用就像是裁判、造夢師、系統(tǒng)服務的膠合劑。

在操作系統(tǒng)的技術層面，掌握操作系統(tǒng)的宏/微/混合體系架構，內核設計原則與算法思想和實現(xiàn)。從系統(tǒng)程序員的角度，深入理解操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構與算法在設計上的精巧，學以致用，學習解決復雜問題的思路與方法。

在操作系統(tǒng)課程的實踐應用層面，側重對課程知識的驗證與應用，以作業(yè)、編程、課外閱讀等多種形式開展。設計系統(tǒng)開發(fā)類和核心算法實現(xiàn)類實驗內容，在Linux環(huán)境下使用Glibc庫和POSIX庫來完成，培養(yǎng)學生利用操作系統(tǒng)庫進行并發(fā)程序設計和系統(tǒng)軟件編程能力。閱讀并分析核心Linux源代碼，學習設計思想并加以靈活應用。剖析像清華大學uCore OS[4]和一些小型精簡的OS掌握其設計精髓，嘗試設計一個小的OS加深體驗。

2 課程教學內容建設思路

教學團隊基于成果為導向的人才培養(yǎng)理念，借鑒國內外著名高校課程的內容，以學生發(fā)展為中心、反向設計、持續(xù)改進[5]教學知識體系。從基礎性、系統(tǒng)性、先進性等方面注重內容的選取，在教材的基礎上拔高，突出內涵，除舊納新，涵蓋最新技術，兼顧廣度和深度，形成操作系統(tǒng)清晰的全局知識框架。強化創(chuàng)新實踐，以項目學習為牽引助力學生突破知識結構。課程建設的重點是注重學生計算思維、工程思維、系統(tǒng)編程思維能力的培養(yǎng)，關注學生面向未來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的養(yǎng)成。

2.1原理課程資源建設

多年來，教學團隊選用左萬力編著的《計算機操作系統(tǒng)教程》國家級、省級規(guī)劃教材，推薦國內外廣泛認可的《操作系統(tǒng)概念》《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》《OSTEP》等作為主要參考書。精心挑選互聯(lián)網(wǎng)上最新的操作系統(tǒng)課程資源，包括：GitHub、大學慕課、公開課，知乎、微博等。引導學生充分利用網(wǎng)絡資源來學習教材之外的前沿知識，了解新興產(chǎn)業(yè)的操作系統(tǒng)設計上的需求，拓寬了學生視野，激發(fā)了學生學習動力和激情。

根據(jù)新工科的人才培養(yǎng)需求，課程教學團隊對課程目標和教學計劃進行重新的規(guī)劃，編寫課程教材、PPT資源和實驗項目，擬構筑操作系統(tǒng)原理全方位復合型的知識結構。

2.2實踐教學資源建設

實踐性教學是培養(yǎng)學生系統(tǒng)開發(fā)實踐技能的主要教學環(huán)節(jié)和手段。教學團隊設計各個核心模塊的實驗內容，包括系統(tǒng)級應用開發(fā)類、系統(tǒng)模擬類、核心算法實現(xiàn)類、[6]Linux源代碼和ucore OS源代碼分析類實驗課題。根據(jù)操作系統(tǒng)原理課程關鍵模塊的內容，構建的實踐課題如表3所示。

實踐教學讓學生能夠更深入理解操作系統(tǒng)的抽象原理、運行機制和設計思想，也促進學生系統(tǒng)級編程能力的提高。

3 課程教學方法與實施

在操作系統(tǒng)教學課程中，團隊不斷探索教學方法，致力改善教學成效。教學原則以學生為中心，對于課程教學內容的重點與難點，應用啟發(fā)式探究型的教學法由淺入深、循序漸進地講授，讓學生自主研究地學習、領會、融會貫通。課堂凝聚在學生積極投入、思索、探究的學習過程。

教學內容組織上，團隊凝練出操作系統(tǒng)的四個基本概念：線程、地址空間、進程、雙模式/保護，[7]以此為主線層層深入，建立系統(tǒng)的整體視野。操作系統(tǒng)的要旨：控制程序的運行，從編輯程序開始，然后編譯、加載到最后的運行都離不開操作系統(tǒng)背后的支持。虛擬化技術是理解課程的一個關鍵，課程的內容主要圍繞各個抽象展開：線程是CPU核的抽象、地址空間是內存的抽象、文件是磁盤的抽象、套接字是網(wǎng)絡的抽象及機器是進程的抽象。對操作系統(tǒng)各個子系統(tǒng)核心模塊，精講算法設計思想，剖析算法的精妙，引領學生去思考設計思路：設計的緣由，做了什么事，如何做，達到什么效果，不足之處如何改進等。課程涉及具體的軟硬件技術，如，Intel 64 and IA-32 架構、ARM體系、Linux 內核的庫函數(shù)API等參考官方技術手冊來尋找第一手精準答案。針對操作系統(tǒng)原理課程大量晦澀難懂的概念和原理，教學團隊精心設計了豐富的小實例。如vcpu虛擬化、內存虛擬化、并發(fā)等一些小例子;又比如系統(tǒng)調用，用c語言的OS庫和匯編語言分別編寫一個系統(tǒng)調用的代碼，并用strace工具測試，讓學生對看不到的系統(tǒng)調用有了直觀的感受。教學團隊注重操作系統(tǒng)內核源代碼的分析，將抽象的原理化為具體的示例。例如Linux進程創(chuàng)建fork，通過源代碼跟蹤，讓學生真實感受fork都做了哪些事。再比如Linux中斷處理，考察源代碼中斷相關的的數(shù)據(jù)結構和內核函數(shù)，學生真切體會到中斷處理的整個流程，對如何編寫一個中斷處理程序有一個清晰的邏輯。教學團隊也注重項目驅動式案例教學，通過創(chuàng)設情境，提出問題、分析問題、解決問題來提高學生的興趣，加深概念的理解記憶。

教學方式上，改變滿堂灌的傳授知識模式，注重學生自主探究式的學。課前分發(fā)多媒體課件、視頻、課程閱讀材料讓學生預習。課中突出內涵，講述重點內容，展開分組合作式討論學習，鼓勵提問，活躍課堂氣氛，增進教學互動。課后要求學生對所學知識加以鞏固、加以驗證和靈活應用，訓練學生舉一反三，個性化地“造輪子”，促進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的養(yǎng)成。教學團隊一直致力改善操作系統(tǒng)課程的教學效果，嘗試翻轉課堂、智慧課堂[8]等授課模式，應用課堂派軟件、QQ教學群等工具進行輔助教學，對教學設計進行創(chuàng)造性的建設。

4 結束語

新工科的核心是以市場的需求為導向，大力培養(yǎng)具有面向未來的卓越工程創(chuàng)新人才。在新工科視角下，人才培養(yǎng)能力的提升落實到課程建設上來。操作系統(tǒng)是計算機專業(yè)的主干課程，是實施計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的核心和著力點，同時也是最復雜的系統(tǒng)軟件。誠毅學院操作系統(tǒng)原理教學團隊基于成果為導向，以學生為中心，通過吸收國內外名校課程的知識體系，突出課程內涵，涵蓋新技術，強化實踐，從操作系統(tǒng)基本原理、技術和實踐應用三個方面重構課程教學內容。操作系統(tǒng)課程的教學改革，力圖建立一個好的課程知識體系讓學習不再盲目，有效地引導學生更順暢地學習操作系統(tǒng)，更深入、全面地掌握地操作系統(tǒng)的設計思想，重點訓練學生的計算思維、工程思維、系統(tǒng)編程思維能力，關注學生面向未來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的養(yǎng)成。

基金項目：202001福建國科信息科技有限公司 教育部“產(chǎn)學合作協(xié)同育人”（新工科視角下網(wǎng)絡專業(yè)產(chǎn)教融合建設）

參考文獻

[1] 教育部.實施一流本科課程“雙萬計劃”讓本科課程優(yōu)起來[EB/OL].（2019-10-31）.https：//wenku.baidu.com/view/60cb4738a1116 c175f0e7cd184254b35eefd1a96.html

[2] 成長春.追求卓越 全面提高人才培養(yǎng)能力[N].中國教育報，2018-04-23（05）.

[3] 葉保留，費翔林，駱斌，等.南京大學操作系統(tǒng)原理與實踐國家精品課程建設[J].計算機教育，2014（7）：45-49.

[4] 陳渝.操作系統(tǒng)實驗：基于uCore OS [EB/OL].藍橋，2020.https：//www.lanqiao.cn/courses/221

[5] 姜曉坤，朱泓，李志義.新工科人才培養(yǎng)新模式[J].高教發(fā)展與評估，2018（2）：17-24.

[6] 翟高壽，許宏麗，楊昆，等.操作系統(tǒng)實驗課題拓展及支撐操作系統(tǒng)研發(fā)的教學生態(tài)圈構建初探[J].工業(yè)和信息化教育，2019（3）：44-49.

[7] Abraham Silberschatz，PeterBaerGalvin.操作系統(tǒng)概念[M].高等教育出版社，2010（1）：16-26.

[8] 周軍海.新工科背景下基于OBE教育模式的操作系統(tǒng)教學改革研究與實踐[J].軟件工程，2020，23（4）：51-53.