計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法研究

劉剛 印桂生 楊靜 王紅濱 初妍

摘要：針對(duì)目前操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是根據(jù)理論課程進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證而缺乏具體的編程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生難以真正掌握操作系統(tǒng)的原理的問題，分析理論課程教學(xué)目標(biāo)以及實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式，提出通過構(gòu)建課程實(shí)驗(yàn)、科研創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，從而使學(xué)生能夠理解操作系統(tǒng)所需要的知識(shí)及原理，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；集成實(shí)驗(yàn)；評(píng)價(jià)環(huán)境；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B/A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）15-0266-03

一、操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的意義和應(yīng)用前景

1.操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的意義。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)與教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)環(huán)境的建設(shè)對(duì)提高操作系統(tǒng)教學(xué)水平的意義體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是增加了操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)這門課程；二是提高了教師的教學(xué)水平。

學(xué)?，F(xiàn)有的設(shè)備和軟件已不能滿足操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。所以建設(shè)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室是解決這一問題的必由之路。一流的優(yōu)秀操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案提供商研發(fā)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方案還能提供操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教材，使得學(xué)校開設(shè)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課成為現(xiàn)實(shí)。

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也可以提高教師的教學(xué)水平。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)改善了計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，可以讓教師接觸到許多前沿的操作系統(tǒng)知識(shí)和技術(shù)，開闊思路和眼界，這些都提高了教師自身的操作系統(tǒng)技術(shù)方面的素養(yǎng)。正是有這樣的前提，教師才能提高操作系統(tǒng)理論和應(yīng)用方面的教學(xué)水平。同時(shí)通過建設(shè)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，教師可以和一流的操作系統(tǒng)廠商保持密切的技術(shù)上的聯(lián)系，從而及時(shí)跟進(jìn)國(guó)際上最新最流行的操作系統(tǒng)技術(shù)，提高授課水平。

2.操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷加深，并且?guī)缀跛械膽?yīng)用程序也都是在操作系統(tǒng)上運(yùn)行的。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建成后，我院可開設(shè)與操作系統(tǒng)相關(guān)的課程和實(shí)驗(yàn)，迅速提高操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)水平，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺失的現(xiàn)狀。教師也可利用操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室提供的良好條件，開設(shè)操作系統(tǒng)相關(guān)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，推動(dòng)課程改革和精品課程建設(shè)。操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也可以提高教師的科研水平，促進(jìn)教師發(fā)表更高水平的論文。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.國(guó)內(nèi)同類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況。當(dāng)前，教授操作系統(tǒng)課程一般有三種方法：（1）“一般原理”法。這種方法詳細(xì)描述操作系統(tǒng)的基本原理，并引用若干操作系統(tǒng)作為示例，但是根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)生都無法獲得對(duì)實(shí)際操作系統(tǒng)的直接經(jīng)驗(yàn)。（2）“積木塊”法。這種方法使學(xué)生能夠設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的可真正在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。很明顯這會(huì)對(duì)學(xué)生有很高的要求。所以，此方法只適用于少數(shù)頂尖高校。（3）“實(shí)例學(xué)習(xí)”法。這種方法引導(dǎo)學(xué)生詳細(xì)分析一個(gè)小型操作系統(tǒng)的實(shí)例，在充分理解操作系統(tǒng)原理的同時(shí)，對(duì)實(shí)際操作系統(tǒng)獲得直接經(jīng)驗(yàn)。

推薦“實(shí)例學(xué)習(xí)”法的理由是：為了滿足企業(yè)對(duì)人才的需求，國(guó)內(nèi)高校必將越來越重視學(xué)生在校期間的實(shí)踐教學(xué)。

但是，國(guó)內(nèi)高校在采用“實(shí)例學(xué)習(xí)”法教授操作系統(tǒng)課程的過程中遇到了三個(gè)比較棘手的問題：（1）缺少合適的操作系統(tǒng)實(shí)例。國(guó)外著名高校使用的面向教學(xué)的小型操作系統(tǒng)缺乏配套資料。商業(yè)化的UNIX/Linux/Windows代碼量巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不適合作為教學(xué)實(shí)例。（2）缺少可視化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于國(guó)內(nèi)學(xué)生比較熟悉圖形化的操作界面，而UNIX/Linux操作系統(tǒng)中使用的工具多為命令行方式，學(xué)生接受起來比較困難。（3）缺少配套的實(shí)驗(yàn)教材。缺少能夠引導(dǎo)學(xué)生在詳細(xì)分析一個(gè)小型操作系統(tǒng)實(shí)例的同時(shí)，又可以緊密結(jié)合操作系統(tǒng)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)秀教材。

2.國(guó)外同類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況。下面介紹CC（Computing Curricula）2001有關(guān)操作系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和國(guó)外高校操作系統(tǒng)的課程設(shè)置。

課程設(shè)置不僅強(qiáng)調(diào)了操作系統(tǒng)的使用，更強(qiáng)調(diào)它的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，其核心知識(shí)點(diǎn)為：操作系統(tǒng)概述、操作系統(tǒng)原理、并發(fā)性、調(diào)度與分派、內(nèi)存管理?？蛇x的知識(shí)點(diǎn)為：設(shè)備管理、安全與保護(hù)、文件系統(tǒng)、實(shí)時(shí)和嵌入式系統(tǒng)、容錯(cuò)、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和腳本。（1）教學(xué)內(nèi)容和方法分析。一般國(guó)外大學(xué)授課學(xué)時(shí)數(shù)在30左右，但是要求學(xué)生課前必須閱讀教科書和大量的教學(xué)參考資料。授課方式采用課堂講授與討論相結(jié)合的方式。（2）教學(xué)實(shí)驗(yàn)分析比較。國(guó)外大學(xué)都對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有著嚴(yán)格的要求，有的完成一個(gè)小型操作系統(tǒng)，有要求獨(dú)立完成的，也有建議合作的，實(shí)習(xí)基礎(chǔ)有Nachos，也有其他教學(xué)操作系統(tǒng)。（3）評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分析比較。通過分析國(guó)內(nèi)外大學(xué)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可以看出，他們對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)很重視，有的大學(xué)（如Princeton University）甚至只有實(shí)驗(yàn)成績(jī)，而沒有期末考試。（4）教材。使用較多的教材有：Andrew S. Tanenbaum的Modern Operating Systems， Second Edition；Silberschatz and Galvin的Operating System Concepts； Andrew S. Tanenbaum的Operating Systems； Design and Implementation等。

通過上面的分析可以看出，國(guó)外“操作系統(tǒng)”教學(xué)有如下特點(diǎn)：重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容靈活、教學(xué)方法多樣、課下閱讀量大、作業(yè)多。

三、方法應(yīng)用過程中解決的主要教學(xué)問題

目前，操作系統(tǒng)課程的教學(xué)大多是以書本教學(xué)的模式為主[1-3]，所謂的“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”也是在計(jì)算機(jī)房進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的理論驗(yàn)證，從而導(dǎo)致學(xué)生難以真正掌握操作系統(tǒng)的原理、構(gòu)造和編程方法[4，5]。

為了克服以上的瓶頸，本實(shí)驗(yàn)室可以通過構(gòu)建課程實(shí)驗(yàn)、科研創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，引領(lǐng)學(xué)生完成積累知識(shí)、掌握技能、提高技術(shù)的全過程。

主要解決的教學(xué)問題：

1.構(gòu)建合理的課程群教學(xué)體系，突出人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

2.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用多種教學(xué)手段，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)。

3.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，建立校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

4.撰寫能反映課程群發(fā)展和我校學(xué)生實(shí)際的教材、教輔材料等，形成以國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)教材、國(guó)外原版經(jīng)典教材為主，自編教材、實(shí)踐指導(dǎo)書、題庫(kù)為輔的教材體系。

5.合理制定考核方式，重視能力的培養(yǎng)。

6.建設(shè)內(nèi)容豐富、能實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)的課程網(wǎng)站，構(gòu)建學(xué)生助學(xué)、教師助教的現(xiàn)代化教學(xué)平臺(tái)，拓展師生教與學(xué)的空間。

7.加強(qiáng)課程教學(xué)隊(duì)伍的建設(shè)，形成一支具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和高昂的教學(xué)熱情，同時(shí)具備較高的教學(xué)研究和科學(xué)研究水平的教學(xué)隊(duì)伍。

操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（OS Lab）的考核和評(píng)分與傳統(tǒng)課程存在的區(qū)別在于，課程以上機(jī)實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也作為考核內(nèi)容。同時(shí)，引入的OS Lab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以導(dǎo)出學(xué)生實(shí)驗(yàn)存檔，其記錄軌跡可以輔助進(jìn)行考核判斷。因而需要提出一整套適應(yīng)現(xiàn)行高校教學(xué)體制的OS Lab實(shí)驗(yàn)考核解決方案。這樣解決的問題還包括：

1.構(gòu)建操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)環(huán)境平臺(tái)。

2.通過系統(tǒng)能夠采集、存儲(chǔ)各類課程信息，能夠?qū)@些信息按照內(nèi)容進(jìn)行分類和管理。

3.該系統(tǒng)將支持OS Lab課程信息處理與智能信息處理技術(shù)與方法的進(jìn)一步研究，評(píng)分模型方法研究，多源信息融合方法研究，以及信息處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與研究。

四、具體實(shí)施方案

1.根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的不同，構(gòu)建合理的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。結(jié)合我校學(xué)生的特點(diǎn)，對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，確立培養(yǎng)工程型人才的目標(biāo)，形成理論教學(xué)+課程實(shí)驗(yàn)+課程設(shè)計(jì)的課程教學(xué)體系。從課程內(nèi)容上，依據(jù)不同專業(yè)的學(xué)生分層次教學(xué)。

2.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)。依據(jù)專業(yè)的發(fā)展，適時(shí)地調(diào)整、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，摒棄不適應(yīng)發(fā)展需要的方法和技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，制定了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、授課順序以及重點(diǎn)和難點(diǎn)。采用多種教學(xué)手段來使學(xué)生提高主動(dòng)參與意識(shí)，并注意增強(qiáng)學(xué)生的分析判斷能力和留給學(xué)生思考與討論的空間。

3.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，建立校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。實(shí)踐環(huán)節(jié)是計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程中的重點(diǎn)。一般來說，計(jì)算機(jī)核心課程中的實(shí)踐從大的方面分為課程實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)。課程實(shí)驗(yàn)又包括基礎(chǔ)性和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生單獨(dú)來完成。在課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，教師根據(jù)課程的進(jìn)度和知識(shí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

課程設(shè)計(jì)就相當(dāng)于一個(gè)綜合型的實(shí)驗(yàn)，要求由2、3個(gè)學(xué)生為一組共同完成。課程設(shè)計(jì)的題目都是為解決一個(gè)實(shí)際問題而設(shè)計(jì)的，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力以及溝通與團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。在學(xué)生課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，不但要求形成軟件，還鼓勵(lì)學(xué)生撰寫相應(yīng)論文。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境方面，不僅有計(jì)算機(jī)的公共機(jī)房，還有與課程直接相關(guān)的開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開發(fā)《操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)環(huán)境OS Lab》實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過該平臺(tái)可以開展高質(zhì)量、全方位的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可操作型強(qiáng)，能夠更好地使教師和學(xué)生互動(dòng)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的新發(fā)展和工程應(yīng)用的需求，在調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，撰寫了能反映課程發(fā)展和我校學(xué)生實(shí)際的教材和教輔材料。

5.探索適合課程特點(diǎn)的多元化考核方式和方法。由于人才的需求更注重實(shí)踐、更注重綜合能力，因此應(yīng)該采用常規(guī)的考試方式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程點(diǎn)，將課內(nèi)和課外、口試和筆試、理論和實(shí)踐等，靈活有效地結(jié)合，形成適合各類實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)的多元化、規(guī)范化的考核方式和方法，更為合理地評(píng)定學(xué)生的學(xué)業(yè)水平和綜合能力，同時(shí)也成為激勵(lì)和鞭策學(xué)生努力鉆研、勇于創(chuàng)新的有效途徑?？傮w來說，課程的成績(jī)考核包括：出勤成績(jī)，完成成績(jī)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)等。

6.建設(shè)內(nèi)容豐富、能師生互動(dòng)的課程網(wǎng)站。包括課程介紹、師資隊(duì)伍、理論教學(xué)、教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、授課錄像、電子教案、實(shí)驗(yàn)交流、實(shí)驗(yàn)演示、軟件下載等，每一部分都有豐富的內(nèi)容支撐。學(xué)生可以在課程網(wǎng)站上跟教師交流，也可以在學(xué)生之間相互溝通，并且能夠依據(jù)網(wǎng)站上提供的實(shí)驗(yàn)演示動(dòng)畫，解決實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)和困難。

7.加強(qiáng)課程教學(xué)隊(duì)伍的建設(shè)。圍繞項(xiàng)目的建設(shè)，可促進(jìn)師資力量的不斷進(jìn)步，形成年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)相對(duì)合理的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)成員申請(qǐng)承擔(dān)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目，并發(fā)表教學(xué)研究論文。

五、成果的實(shí)施范圍及教學(xué)受益面

1.項(xiàng)目成果的實(shí)施范圍。（1）編寫教材和相應(yīng)的教輔資料等在我校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)、國(guó)家保密專業(yè)中廣泛使用。（2）自從2005年進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)精品課程建設(shè)以來，持續(xù)進(jìn)行了13屆教學(xué)實(shí)踐，對(duì)學(xué)生對(duì)于精品課程的教學(xué)給予的評(píng)價(jià)和反饋進(jìn)行評(píng)估，能動(dòng)于教學(xué)過程。（3）通過建立的“操作系統(tǒng)”課程網(wǎng)站、操作系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)環(huán)境OS Lab，不僅使學(xué)生隨時(shí)隨地都可以輕松學(xué)習(xí)，還可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性；而且使學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力得到提升。（4）通過項(xiàng)目的建設(shè)和實(shí)施，構(gòu)建一支教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教學(xué)改革和科研團(tuán)隊(duì)。（5）項(xiàng)目成果用于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、軟件學(xué)院、國(guó)家保密學(xué)院每年10個(gè)本科班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。（6）運(yùn)用完成的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)評(píng)分和課程管理系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和提交實(shí)驗(yàn)文檔管理，提高課程管理和評(píng)價(jià)效率的精確性、公平性。（7）對(duì)同一課程體系下的其他相關(guān)和類似實(shí)驗(yàn)課程起到很好的示范效應(yīng)。

2.項(xiàng)目成果的教學(xué)受益面。項(xiàng)目成果的教學(xué)受益面如表1所示。

參考文獻(xiàn)：

[1][英]Peter Abel. IBM PC匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].第5版.沈美明，溫冬嬋，譯.北京：人民郵電出版社，2002：245-248.

[2]劉星.計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：37-65.

[3]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京：高等教育出版社，2000：63-79.

[4][希臘]Diomidis Spinellis.代碼閱讀方法與實(shí)踐[M].趙學(xué)良，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2004：55-101.

[5]劉剛，趙鵬翀.操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：118-120.