“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)方法研究

代仕芳　李燕

摘 要： 操作系統(tǒng)是一門(mén)綜合性課程，具有概念多且抽象、理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)。針對(duì)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的一些常見(jiàn)問(wèn)題，如局部思維方式、知識(shí)儲(chǔ)備不足以致代碼實(shí)現(xiàn)能力差等，提出三點(diǎn)改進(jìn)：理論與實(shí)踐相結(jié)合、整體與局部相結(jié)合和層次式教學(xué)，以提高操作系統(tǒng)教學(xué)的效果，提高學(xué)生綜合能力。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng)； 教學(xué)方法； 層次式教學(xué)； 理論與實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）03-64-03

Research on teaching method of operating system course

Dai Shifang， Li Yan

（College of Information and Engineering， Nanjing University of Finance and Economics， Nanjing， Jiangsu 210003， China）

Abstract： Operating system is a comprehensive course with the characteristics of more concepts and abstract， strong theoretical， more knowledge points and so on. This paper aiming at the common problems in theory teaching and experiment teaching， such as the local way of thinking， the shortage of knowledge reserve that result in the poor code realization ability， puts forward three improvements： combination of theory and practice， combination of global and local， and the hierarchical teaching， in order to improve the teaching effect of the operating system course， and improve students' comprehensive ability.

Key words： operating system； teaching method； hierarchical teaching； theory and practice

0 引言

操作系統(tǒng)是對(duì)計(jì)算機(jī)的各類(lèi)軟、硬件資源進(jìn)行管理以充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各類(lèi)資源，并向用戶提供良好的工作環(huán)境和運(yùn)行界面的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)作為在計(jì)算機(jī)硬件上鋪設(shè)的第一層軟件，提供了用戶使用計(jì)算機(jī)的接口。因此，操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員既具有軟件開(kāi)發(fā)方面的知識(shí)，也要了解硬件的相關(guān)知識(shí)。操作系統(tǒng)是一門(mén)綜合性課程，它由許多概念、設(shè)計(jì)思想及算法等構(gòu)成，因此，具有概念抽象、理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)主干課，其教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)硬件和軟件的關(guān)系、掌握操作系統(tǒng)各種功能的實(shí)現(xiàn)算法，注重通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)抽象的理論知識(shí)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)大型軟件的思維和方法，提高學(xué)生軟件開(kāi)發(fā)能力。因此，操作系統(tǒng)這門(mén)課程配有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。

然而在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該課程并未能有效的提高學(xué)生獨(dú)立開(kāi)發(fā)軟件的能力，僅僅實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生了解操作系統(tǒng)的構(gòu)成及功能實(shí)現(xiàn)這一基本教學(xué)目標(biāo)。這個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)與我們課程特點(diǎn)密不可分。首先，課程設(shè)置偏向理論，課程內(nèi)容偏向軟件設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)，雖配套有實(shí)驗(yàn)課程，但比例較低，不利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力。其次，操作系統(tǒng)涉及到各類(lèi)軟硬件資源，因此，需要專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，否則，直接采用傳統(tǒng)的編碼和調(diào)試方法及有可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。最后，對(duì)于操作系統(tǒng)這種大型軟件的開(kāi)發(fā)，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的編程開(kāi)發(fā)能力，實(shí)際上，很多學(xué)生并不能快速有效地將算法轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行程序，少數(shù)學(xué)生雖能快速實(shí)現(xiàn)局部功能但對(duì)軟件的整體思維和開(kāi)發(fā)能力欠缺，目前大部分的實(shí)驗(yàn)工作主要集中與操作系統(tǒng)部分子系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。本文對(duì)操作系統(tǒng)理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)而探討培養(yǎng)學(xué)生的軟件整體開(kāi)發(fā)思維和方法，提高學(xué)生的獨(dú)立軟件開(kāi)發(fā)能力。

1 問(wèn)題歸納

1.1 局部思維方式

所謂局部思維方式是指學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)知識(shí)時(shí)，只關(guān)注當(dāng)前學(xué)習(xí)或?qū)嵺`的內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)，很少能將當(dāng)前知識(shí)與前面的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，這導(dǎo)致學(xué)習(xí)完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，學(xué)生很可能不知道該知識(shí)點(diǎn)是為了解決什么樣的問(wèn)題。這樣的局部思維方式是學(xué)生長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)過(guò)程中養(yǎng)成的不良習(xí)慣，不僅在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)這門(mén)課程中出現(xiàn)，在其他課程的學(xué)習(xí)中也同樣存在。

操作系統(tǒng)是一個(gè)整體性軟件，各章節(jié)的知識(shí)都是相互關(guān)聯(lián)的，因此，在這門(mén)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，這種局部思維方式帶來(lái)的問(wèn)題就更加明顯。下面總結(jié)了幾種由局部性思維帶來(lái)的普遍性問(wèn)題。

關(guān)注知識(shí)細(xì)節(jié)，忽視知識(shí)的宏觀應(yīng)用。實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中常常發(fā)生一葉障目的現(xiàn)象，通常的表現(xiàn)是學(xué)習(xí)了當(dāng)前的知識(shí)點(diǎn)后，不知道學(xué)習(xí)該內(nèi)容的目的，或者不知道該知識(shí)是用于實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的哪部分的功能的，因此，常常在學(xué)期結(jié)束后詢問(wèn)學(xué)生什么是操作系統(tǒng)，它有哪些構(gòu)成和基本功能，很多學(xué)生還是一頭霧水。這些主要是由于學(xué)生缺少以宏觀的視角來(lái)看待和解決問(wèn)題的能力，不能正確認(rèn)識(shí)每個(gè)細(xì)小知識(shí)點(diǎn)在整個(gè)宏觀問(wèn)題中所處的位置。這就好比學(xué)生們仔細(xì)認(rèn)真的觀察了一磚一瓦（各個(gè)細(xì)小知識(shí)點(diǎn)）卻不知道磚瓦是用來(lái)蓋房子（開(kāi)發(fā)大型的系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)）的，或者即使知道使用磚瓦來(lái)蓋房子，也不知道在什么地方什么時(shí)候使用什么材料來(lái)蓋房子，概其主要原因就是學(xué)生過(guò)于關(guān)注一磚一瓦的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)而忘記關(guān)注磚瓦的使用過(guò)程，即只關(guān)注微觀的知識(shí)細(xì)節(jié)，而忘記學(xué)習(xí)宏觀的知識(shí)應(yīng)用方式，這也是現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)中的普遍性問(wèn)題。

關(guān)注知識(shí)點(diǎn)個(gè)體，忽視整體聯(lián)系。操作系統(tǒng)課程中，每個(gè)章節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)部分子功能的實(shí)現(xiàn)，每個(gè)子功能相互協(xié)作才能構(gòu)成一個(gè)完整的操作系統(tǒng)軟件。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中較多關(guān)注每個(gè)子功能的實(shí)現(xiàn)，而忽視了它們之間的聯(lián)系，因此，無(wú)法有效的將各個(gè)子功能拼接成一個(gè)完整的系統(tǒng)軟件。例如，學(xué)生不清楚I/O系統(tǒng)與用戶之間的接口在哪，如何讓處理機(jī)管理系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)等協(xié)同工作，等等。

1.2 知識(shí)儲(chǔ)備不足

實(shí)際教學(xué)中，除了上述局部性思維方式外，學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備不足也是影響課程學(xué)習(xí)的另一主要原因。我們知道操作系統(tǒng)是一門(mén)綜合性課程，想要學(xué)好操作系統(tǒng)，既要了解軟件開(kāi)發(fā)的相關(guān)知識(shí)，也要有硬件的基礎(chǔ)，因此，知識(shí)儲(chǔ)備不足會(huì)直接影響操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。其表現(xiàn)歸納如下。

⑴ 常見(jiàn)的概念模糊。例如，邏輯地址空間與物理地址空間、程序的鏈接、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、虛擬化等等常見(jiàn)概念的理解模糊。還有很多同學(xué)不了解內(nèi)存單元的地址，更不知道內(nèi)存地址的作用是什么，因此，在介紹地址映射、數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存的過(guò)程需要花費(fèi)大量的時(shí)間去補(bǔ)充基礎(chǔ)知識(shí)。

⑵ 硬件基礎(chǔ)薄弱。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件組成知識(shí)薄弱，不了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程，不了解計(jì)算機(jī)常見(jiàn)硬件的基本功能和基本特性。

⑶ 代碼實(shí)現(xiàn)能力差。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中看到學(xué)生的編程能力普遍較差，且沒(méi)有軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)和思維方式，很多學(xué)生只注重功能的實(shí)現(xiàn)，不關(guān)注各個(gè)部分的接口，導(dǎo)致各子系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，但是，無(wú)法拼接成完整系統(tǒng)。主要表現(xiàn)為編碼隨意，亂用GOTO語(yǔ)句，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義不規(guī)范，指針使用隨意。例如，通過(guò)printf（“%d＼n”，i），學(xué)生編寫(xiě)輸入語(yǔ)句scanf（“%d＼n”，&i），而實(shí)際規(guī)范的語(yǔ)句應(yīng)為scanf（"%d"，&i）。

2 操作系統(tǒng)課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考

基于上述問(wèn)題，本文針對(duì)操作系統(tǒng)教學(xué)提出幾點(diǎn)改進(jìn)意見(jiàn)。

2.1 理論與實(shí)踐相結(jié)合

注重理論教學(xué)的同時(shí)，也要加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力的提高?，F(xiàn)在的學(xué)生更加看重知識(shí)的實(shí)用性，將自己所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主要內(nèi)在推動(dòng)力。單純的進(jìn)行理論教學(xué)，會(huì)讓學(xué)生感覺(jué)操作系統(tǒng)是一門(mén)生澀枯燥毫無(wú)用處的一門(mén)課程。

在教學(xué)中，我們將理論和實(shí)踐相互結(jié)合，詳細(xì)闡述理論知識(shí)，讓學(xué)生充分理解相關(guān)工作原理及實(shí)現(xiàn)算法，再通過(guò)配套實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)這一轉(zhuǎn)化過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)用性的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生自我學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力。理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)逐漸發(fā)現(xiàn)只有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)積累才能快速的轉(zhuǎn)化成實(shí)踐，提高了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的重視程度，從而形成理論指導(dǎo)實(shí)踐，再由實(shí)踐去反思理論的良性循環(huán)。

在理論轉(zhuǎn)化成實(shí)踐的過(guò)程中，學(xué)生能夠?qū)⒖辗旱母拍盥涞骄唧w實(shí)處加深印象和理解，例如，內(nèi)存的物理地址空間，可以通過(guò)編碼的調(diào)試過(guò)程查看每個(gè)內(nèi)存單元的存儲(chǔ)內(nèi)容，充分理解內(nèi)存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及變化。除此之外，通過(guò)理論轉(zhuǎn)化代碼實(shí)現(xiàn)的過(guò)程能夠快速有效的提高學(xué)生的編程能力，發(fā)現(xiàn)自己在編碼方面的不足和問(wèn)題，以及提高自身的軟件設(shè)計(jì)能力。

2.2 整體與局部相結(jié)合

建立學(xué)生對(duì)于操作系統(tǒng)的整體概念，關(guān)于處理機(jī)管理、存儲(chǔ)器管理、I/O設(shè)備管理、文件管理及用戶接口等模塊都是操作系統(tǒng)的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)對(duì)各種軟硬件資源進(jìn)行管理并為用戶提供良好工作環(huán)境的功能。

教學(xué)中充分強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，在對(duì)整體結(jié)構(gòu)和功能充分了解以后，再介紹操作系統(tǒng)的模塊劃分。透徹講解每模塊的設(shè)計(jì)思想和功能實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生在潛移默化中學(xué)習(xí)軟件開(kāi)發(fā)的思維方式和解決方案，逐漸提高學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的設(shè)計(jì)思想解決問(wèn)題的能力。只有對(duì)每個(gè)子模塊具體功能原理和實(shí)現(xiàn)方法充分掌握后才能快捷迅速的將它們從理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成代碼，也只有在每個(gè)子功能的代碼都能充分實(shí)現(xiàn)的情況下，才有可能將它們連接成一個(gè)完整的大型的操作系統(tǒng)軟件。

整體是由局部組成，只有每一子模塊都實(shí)現(xiàn)了才有可能連接成整體，而整體不是對(duì)每個(gè)子模塊的簡(jiǎn)單拼湊，各個(gè)模塊之間如何相互協(xié)調(diào)共同完成用戶任務(wù)是需要在一開(kāi)始的軟件整體設(shè)計(jì)中考慮的問(wèn)題，此外，軟件設(shè)計(jì)之初我們還需考慮各子模塊之間的接口。因此，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，我們遵循“整體-局部-整體”的一個(gè)教學(xué)過(guò)程。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，讓學(xué)生充分了解整體與部分之間的相互關(guān)系，加深理解。

2.3 層次式教學(xué)

操作系統(tǒng)課程是按年級(jí)統(tǒng)一開(kāi)課的，但是同一個(gè)年級(jí)，不同學(xué)生的差別也很大，比如，他們各自的知識(shí)儲(chǔ)備、自身的理解力和領(lǐng)悟力、興趣愛(ài)好，比如有的善于思考而有的喜歡動(dòng)手編程等等。因此，對(duì)不同學(xué)生采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)顯然是不合適的，對(duì)于能力強(qiáng)、精力充沛的學(xué)生，這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)不能激發(fā)他們的潛能，而對(duì)于知識(shí)儲(chǔ)備相對(duì)較弱、能力稍差的學(xué)生，這樣的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)又會(huì)打擊自信心。因此，對(duì)于操作系統(tǒng)無(wú)論是理論教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都建議采用層次式教學(xué)，對(duì)于不同水平的學(xué)生提出不同要求。

在理論教學(xué)中，我們將掌握操作系統(tǒng)的基本概念、設(shè)計(jì)思想和算法作為基本教學(xué)目標(biāo)，對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生在教學(xué)中提示一些課本中沒(méi)有的知識(shí)點(diǎn)去拓展知識(shí)空間和思維方法，比如：在學(xué)習(xí)了用戶空間和內(nèi)核空間的基本概念后，讓有能力的學(xué)生了解用戶空間的數(shù)據(jù)如何與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)交互的方法有哪些。而對(duì)于那些動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生可以引導(dǎo)他們用1～2種方式去實(shí)現(xiàn)將用戶空間的數(shù)據(jù)傳遞到內(nèi)核空間內(nèi)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基本的教學(xué)目標(biāo)是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中的基本算法，如進(jìn)程同步、進(jìn)程調(diào)度算法、銀行家算法及內(nèi)存的分配回收算法等等。對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生可以引導(dǎo)他們?nèi)プx一些開(kāi)源linux操作系統(tǒng)的源代碼，有選擇的對(duì)部分功能模塊進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，然后再編譯鏈接，最終將該改進(jìn)植入操作系統(tǒng)中，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)束語(yǔ)

操作系統(tǒng)課程的教學(xué)不僅需要教師不斷更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)工具，還要求教師能夠根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)因材施教。本文總結(jié)了歸納操作系統(tǒng)在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的一些常見(jiàn)問(wèn)題，如局部思維方式問(wèn)題和知識(shí)儲(chǔ)備不足代碼實(shí)現(xiàn)能力差的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題提出三點(diǎn)改進(jìn)建議：強(qiáng)調(diào)整體與局部之間的相互關(guān)系，形成整體-局部-整體的教學(xué)模式；要求理論聯(lián)系實(shí)際，將理論知識(shí)應(yīng)用到具體實(shí)踐中去，從理論到代碼實(shí)踐，再通過(guò)代碼實(shí)踐過(guò)程反思理論方法的有效的教學(xué)方法；針對(duì)不同學(xué)生采用層次式教學(xué)手段，設(shè)定基本教學(xué)目標(biāo)，對(duì)于完成基本教學(xué)目標(biāo)的同學(xué)引導(dǎo)其完成更高層教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和能力。

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