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摘要:操作系统实践教学为学生提供一个实验环境,帮助学生理解抽象的操作系统原理和机制,培养学生应用操作系统知识的能力。从专业特点出发,分析了操作系统实践教学的目标,阐述了具体实验项目及其设计理念,在传统方法基础上,结合实践经验,提出了以专业为导向的“梯度式”实践教学模式。
关键词:操作系统;实践教学;梯度式
作者简介:侯利娟(1973-),女,河南博爱人,长沙理工大学计算机与通信工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:数据挖掘。(湖南 长沙 410004)
基金项目:本文系长沙理工大学教改项目(项目编号:JG1003z)、湖南省教育厅普通高校教学改革研究项目(湘教通[2010]243号文件第133号项目)的研究成果。
操作系统是计算机最基础的系统软件,与软件、硬件密切关联,在计算机专业软、硬件课程的设置上,它起着承上启下的作用。但“操作系统”同时也是学生们认为比较难学的专业课程之一。其原因有二:一是“操作系统”课程讲述的是计算机资源管理的原理和机制,其中包含了许多抽象的概念和算法;二是操作系统作为最底层的核心软件,深藏于“用户界面”之下,学生们难以找到学习内容的参照对象。因此,操作系统实践教学作为教学辅助环节十分重要,通过动手做实验,帮助学生解决从抽象理论到具体对象的认识问题,培养学生应用知识解决实际问题的能力。[1]
目前,“操作系统”是计算机科学与技术、软件工程专业的核心主干课程,也是网络工程、信息安全、自动化等各专业学生必须学习和掌握的基础课程。因为学生的层次不相同,有些接受能力强、基础扎实,而有些仅仅掌握了操作系统原理中最基本的知识。按照传统的教学习惯,设计一个操作系统是“操作系统”课程实践的教学目标。这个目标看起来很合乎情理,却给“操作系统”的课程实验带来了严重的困难。现代操作系统结构越来越复杂,功能越来越完美,规模越来越庞大,设计它的工作量通常是以年为单位来计算的。要求各专业的学生在一门课程有限时间内设计一个小规模的具有相对完整功能的操作系统几乎是行不通的,因此有必要针对不同的教学对象和教学要求提出“梯度式”的实践教学模式。
以开源的Linux操作系统和WMware虚拟机作为实践平台,并通过在虚拟机上配置网络,在不改变用户计算机大多采用Windows系统的前提下,通过提供一个Linux服务器,构建了一个基于校园网的、开放的“操作系统”教学实践环境。[2]
一、多层次、多类型的课程体系现状
根据不同学科、专业对操作系统知识的要求不同,以及所具备的不同的专业基础,目前开设了多层次的课程体系。
(1)Linux 操作系统——针对全校本科生的选修课。
(2)操作系统(B)——针对网络工程、信息安全、自动控制等专业本科学生。
(3)操作系统(A)——针对计算机科学与技术、软件工程专业本科学生。
(4)操作系统分析与设计——针对软件工程本科学生、计算机应用技术及计算机软件与理论研究生。
不同的专业需要达到的实践水平是不一样的,因此针对专业方向设置相应的实践教学是要考虑的目标。
二、实践教学目标
操作系统实践教学作为辅助教学环节,有两个主要目标。
1.帮助学生理解操作系统的基本概念、原理和机制
操作系统包含了许多抽象的基本概念如进程、线程和虚存,也包含了复杂的资源管理算法和机制,如进程调度和页式存储管理。这些知识对于本科学生而言是比较难以理解的,因为他们平时使用的是操作系统的用户界面,很少也很难窥视到操作系统的内部。“操作系统”的实践教学应该让学生了解一个真实操作系统的内部实现,从而帮助学生更好地理解操作系统的基本概念、原理和机制。
2.培养学生应用操作系统知识的能力
不同专业的学生毕业后从事的职业不同,面临的问题就不同,因而所具备的操作系统知识的应用能力也不同。系统管理员需要根据操作系统知识和用户的需求,合理地配置系统资源,需要及时了解系统运行状态,调整资源管理策略,使系统性能达到最佳;应用程序员则需要正确理解操作系统的功能和资源管理策略,编写出高效率且安全的应用软件;系统程序员需要详细了解操作系统的内核结构、资源管理机制和功能模块接口,为操作系统添加新功能或编写设备驱动程序……“操作系统”的实践教学必须考虑到上述不同能力培养的特点,以满足学生未来任职需要。
三、实验项目设计
在上述实践教学目标的指导下设计了多个实验项目,内容涵盖了操作系统的主要知识点,包括用户界面、进程通信、proc文件系统、系统调用机制、进程调度、驱动程序接口等。考虑到学生的知识和经验背景,实验项目的安排从简到难,从依靠指导到自主设计,为有能力的学生提供更多的学习空间。[3]下面分别介绍“梯度式”实践项目。
“梯度式”实践项目包括三部分:基础部分、中级部分和高级部分。
1.基础部分
(1)Linux的基本操作。要求学生熟练掌握Linux安装,Linux的基本命令,如进程控制命令、显示命令、文件和目录操作命令、网络命令和Linux下Web服务器、Ftp服务器、邮件服务器、DNS服务器等服务器的配置,使用proc文件系统等。
现在大部分学生习惯用Windows操作系统,普遍存在的现象是没有鼠标就不知道如何使用计算机了。通过设置这个实验项目,培养学生熟练使用字符界面,熟悉各个命令的使用,使学生能够从使用客户端Windows操作系统熟练转换成使用服务器Linux操作系统。
(2)Linux编程基础。要求学生熟练掌握Linux编程环境,编辑工具,编译命令gcc的用法;学习使用命令程序语言shell进行简单的编程,从而理解命令解释程序的工作过程。此实验项目的目的是要求学生掌握Linux下C语言的编程和批处理程序的编程方法。
(3)巩固操作系统原理的实验。要求学生熟练掌握Linux进程的创建,进程间消息队列通信、共享内存通信和管道通信,线程的创建和线程的同步与互斥。
通过使用Linux下的fork、pipe、msget、shmat等系统调用,加深对进程、进程通信机制等概念的理解。
2.中级部分
(1)掌握Linux内核的组成。要求学生掌握进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间通信模块和网络接口模块每个模块的功能、Linux源代码的目录结构。因为Linux内核是一种单内核模式系统,其中所有的程序都有紧密的联系,它们之间的依赖和调用关系非常密切。
(2)分析Linux的部分源代码。要求学生通过阅读和理解Linux的进程调度函数schedule()、进程数据结构task_struct等内核源码,分析和研究Linux的进程调度算法和策略,评价Linux的调度策略并提出改进意见,在分析阅读源代码基础上修改调度算法,从而可以用同样的方法分析内核其他模块的源代码,培养学生分析和研究问题的能力。
3.高级部分
(1)修改Linux内核。包括Linux内核编译、添加系统调用、增加可动态加载模块、驱动程序设计等。
Linux内核编译实验的目的是学习如何生成新内核,为后面进行操作系统内核编程的实验做准备。添加系统调用实验的目的是让学生理解操作系统的重要机制——系统调用机制的工作过程,学习如何添加系统调用。增加可动态加载模块实验的目的是学习动态增加内核功能的方法。因为内核模块动态加载/卸载是操作系统的另一重要机制,它使用户不仅能动态裁剪内核功能,还能通过自己编写内核模块或使用第三方软件来动态增加内核功能。驱动程序设计实验的目的是使学生了解设备驱动程序模块的结构与组成,学会编写设备驱动程序。
此部分的实验是在熟悉内核的基础上,培养学生进行操作系统级别部分代码的设计能力。从阅读源代码到设计部分代码,对学生来说是个质的飞跃。
实验项目与专业课程的对应关系如图1所示。
四、结论
“操作系统”实践的梯度式教学涵盖了Linux的使用、基本程序开发、内核开发等,因此对于培养学生的实践技能,提高他们的学习兴趣有着很好的作用。实践表明,所有学生都能在较少的课时里完成所属专业层次的实验,大部分学生也能够在较高层次上进行一些尝试。仅仅掌握了基础部分知识的学生可以担任系统管理员的角色,掌握了基础部分和中级部分知识的学生可以从事应用程序员的职业,而掌握三部分的学生可以从事系统程序员的职业。每个学生都可以给自己定个位,根据自己的实际情况着重培养某种实践技能,以满足任职的需要。
但目前还存在一些问题有待于进一步研究和探索。例如,如何与课堂教学互补,如何进一步激发学生学习操作系统的兴趣,如何通过构建实验平台将操作系统中更多的内核机制(中断机制、内存管理机制等)呈现给学生,如何设计更为实用、学生自主性更强的实验项目等等。
参考文献:
[1]罗宇,张颖蓓,叶常春.本科操作系统课程设置及教学体会[J].计算机教育,2006,(1):39-40.
[2]张新有,祁玉,杨燕.基于Linux的操作系统课程网络实验环境设计[J].计算机教育,2008,(10):36-38.
[3]熊齐.Linux程序开发实践与操作系统原理实验相结合的探讨[J].电脑知识与技术,2008,(32).
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:操作系统;实践教学;梯度式
作者简介:侯利娟(1973-),女,河南博爱人,长沙理工大学计算机与通信工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:数据挖掘。(湖南 长沙 410004)
基金项目:本文系长沙理工大学教改项目(项目编号:JG1003z)、湖南省教育厅普通高校教学改革研究项目(湘教通[2010]243号文件第133号项目)的研究成果。
操作系统是计算机最基础的系统软件,与软件、硬件密切关联,在计算机专业软、硬件课程的设置上,它起着承上启下的作用。但“操作系统”同时也是学生们认为比较难学的专业课程之一。其原因有二:一是“操作系统”课程讲述的是计算机资源管理的原理和机制,其中包含了许多抽象的概念和算法;二是操作系统作为最底层的核心软件,深藏于“用户界面”之下,学生们难以找到学习内容的参照对象。因此,操作系统实践教学作为教学辅助环节十分重要,通过动手做实验,帮助学生解决从抽象理论到具体对象的认识问题,培养学生应用知识解决实际问题的能力。[1]
目前,“操作系统”是计算机科学与技术、软件工程专业的核心主干课程,也是网络工程、信息安全、自动化等各专业学生必须学习和掌握的基础课程。因为学生的层次不相同,有些接受能力强、基础扎实,而有些仅仅掌握了操作系统原理中最基本的知识。按照传统的教学习惯,设计一个操作系统是“操作系统”课程实践的教学目标。这个目标看起来很合乎情理,却给“操作系统”的课程实验带来了严重的困难。现代操作系统结构越来越复杂,功能越来越完美,规模越来越庞大,设计它的工作量通常是以年为单位来计算的。要求各专业的学生在一门课程有限时间内设计一个小规模的具有相对完整功能的操作系统几乎是行不通的,因此有必要针对不同的教学对象和教学要求提出“梯度式”的实践教学模式。
以开源的Linux操作系统和WMware虚拟机作为实践平台,并通过在虚拟机上配置网络,在不改变用户计算机大多采用Windows系统的前提下,通过提供一个Linux服务器,构建了一个基于校园网的、开放的“操作系统”教学实践环境。[2]
一、多层次、多类型的课程体系现状
根据不同学科、专业对操作系统知识的要求不同,以及所具备的不同的专业基础,目前开设了多层次的课程体系。
(1)Linux 操作系统——针对全校本科生的选修课。
(2)操作系统(B)——针对网络工程、信息安全、自动控制等专业本科学生。
(3)操作系统(A)——针对计算机科学与技术、软件工程专业本科学生。
(4)操作系统分析与设计——针对软件工程本科学生、计算机应用技术及计算机软件与理论研究生。
不同的专业需要达到的实践水平是不一样的,因此针对专业方向设置相应的实践教学是要考虑的目标。
二、实践教学目标
操作系统实践教学作为辅助教学环节,有两个主要目标。
1.帮助学生理解操作系统的基本概念、原理和机制
操作系统包含了许多抽象的基本概念如进程、线程和虚存,也包含了复杂的资源管理算法和机制,如进程调度和页式存储管理。这些知识对于本科学生而言是比较难以理解的,因为他们平时使用的是操作系统的用户界面,很少也很难窥视到操作系统的内部。“操作系统”的实践教学应该让学生了解一个真实操作系统的内部实现,从而帮助学生更好地理解操作系统的基本概念、原理和机制。
2.培养学生应用操作系统知识的能力
不同专业的学生毕业后从事的职业不同,面临的问题就不同,因而所具备的操作系统知识的应用能力也不同。系统管理员需要根据操作系统知识和用户的需求,合理地配置系统资源,需要及时了解系统运行状态,调整资源管理策略,使系统性能达到最佳;应用程序员则需要正确理解操作系统的功能和资源管理策略,编写出高效率且安全的应用软件;系统程序员需要详细了解操作系统的内核结构、资源管理机制和功能模块接口,为操作系统添加新功能或编写设备驱动程序……“操作系统”的实践教学必须考虑到上述不同能力培养的特点,以满足学生未来任职需要。
三、实验项目设计
在上述实践教学目标的指导下设计了多个实验项目,内容涵盖了操作系统的主要知识点,包括用户界面、进程通信、proc文件系统、系统调用机制、进程调度、驱动程序接口等。考虑到学生的知识和经验背景,实验项目的安排从简到难,从依靠指导到自主设计,为有能力的学生提供更多的学习空间。[3]下面分别介绍“梯度式”实践项目。
“梯度式”实践项目包括三部分:基础部分、中级部分和高级部分。
1.基础部分
(1)Linux的基本操作。要求学生熟练掌握Linux安装,Linux的基本命令,如进程控制命令、显示命令、文件和目录操作命令、网络命令和Linux下Web服务器、Ftp服务器、邮件服务器、DNS服务器等服务器的配置,使用proc文件系统等。
现在大部分学生习惯用Windows操作系统,普遍存在的现象是没有鼠标就不知道如何使用计算机了。通过设置这个实验项目,培养学生熟练使用字符界面,熟悉各个命令的使用,使学生能够从使用客户端Windows操作系统熟练转换成使用服务器Linux操作系统。
(2)Linux编程基础。要求学生熟练掌握Linux编程环境,编辑工具,编译命令gcc的用法;学习使用命令程序语言shell进行简单的编程,从而理解命令解释程序的工作过程。此实验项目的目的是要求学生掌握Linux下C语言的编程和批处理程序的编程方法。
(3)巩固操作系统原理的实验。要求学生熟练掌握Linux进程的创建,进程间消息队列通信、共享内存通信和管道通信,线程的创建和线程的同步与互斥。
通过使用Linux下的fork、pipe、msget、shmat等系统调用,加深对进程、进程通信机制等概念的理解。
2.中级部分
(1)掌握Linux内核的组成。要求学生掌握进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间通信模块和网络接口模块每个模块的功能、Linux源代码的目录结构。因为Linux内核是一种单内核模式系统,其中所有的程序都有紧密的联系,它们之间的依赖和调用关系非常密切。
(2)分析Linux的部分源代码。要求学生通过阅读和理解Linux的进程调度函数schedule()、进程数据结构task_struct等内核源码,分析和研究Linux的进程调度算法和策略,评价Linux的调度策略并提出改进意见,在分析阅读源代码基础上修改调度算法,从而可以用同样的方法分析内核其他模块的源代码,培养学生分析和研究问题的能力。
3.高级部分
(1)修改Linux内核。包括Linux内核编译、添加系统调用、增加可动态加载模块、驱动程序设计等。
Linux内核编译实验的目的是学习如何生成新内核,为后面进行操作系统内核编程的实验做准备。添加系统调用实验的目的是让学生理解操作系统的重要机制——系统调用机制的工作过程,学习如何添加系统调用。增加可动态加载模块实验的目的是学习动态增加内核功能的方法。因为内核模块动态加载/卸载是操作系统的另一重要机制,它使用户不仅能动态裁剪内核功能,还能通过自己编写内核模块或使用第三方软件来动态增加内核功能。驱动程序设计实验的目的是使学生了解设备驱动程序模块的结构与组成,学会编写设备驱动程序。
此部分的实验是在熟悉内核的基础上,培养学生进行操作系统级别部分代码的设计能力。从阅读源代码到设计部分代码,对学生来说是个质的飞跃。
实验项目与专业课程的对应关系如图1所示。
四、结论
“操作系统”实践的梯度式教学涵盖了Linux的使用、基本程序开发、内核开发等,因此对于培养学生的实践技能,提高他们的学习兴趣有着很好的作用。实践表明,所有学生都能在较少的课时里完成所属专业层次的实验,大部分学生也能够在较高层次上进行一些尝试。仅仅掌握了基础部分知识的学生可以担任系统管理员的角色,掌握了基础部分和中级部分知识的学生可以从事应用程序员的职业,而掌握三部分的学生可以从事系统程序员的职业。每个学生都可以给自己定个位,根据自己的实际情况着重培养某种实践技能,以满足任职的需要。
但目前还存在一些问题有待于进一步研究和探索。例如,如何与课堂教学互补,如何进一步激发学生学习操作系统的兴趣,如何通过构建实验平台将操作系统中更多的内核机制(中断机制、内存管理机制等)呈现给学生,如何设计更为实用、学生自主性更强的实验项目等等。
参考文献:
[1]罗宇,张颖蓓,叶常春.本科操作系统课程设置及教学体会[J].计算机教育,2006,(1):39-40.
[2]张新有,祁玉,杨燕.基于Linux的操作系统课程网络实验环境设计[J].计算机教育,2008,(10):36-38.
[3]熊齐.Linux程序开发实践与操作系统原理实验相结合的探讨[J].电脑知识与技术,2008,(32).
(责任编辑:麻剑飞)