“操作系统”课程教材建设与教学实施探讨
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摘要:教材建设是课程建设和人才培养的核心,本文以作者编著出版的理论课教材《操作系统教程》(第4版)为背景,重点讨论“操作系统”讲什么?怎么讲?以及教材的总体规划与建设,文章还扼要介绍了“操作系统”课堂教学实施中的心得体会,为进一步提高“操作系统”课程教学质量“抛砖引玉”。
关键词:操作系统;课堂教学;教学实施
中图分类号:G642 文献标识码:B
1引言
操作系统是计算机系统的核心和灵魂,是最为基础的软件系统,构造极为复杂。“操作系统”课程是计算机相关专业的专业核心课程,通过该课程的学习不但要求学生掌握操作系统的基本理论和知识,具有剖析、设计和实现操作系统的基本能力,而且应该培养学生的软件开发能力、技术创新能力、科学作风与综合素质等。因此,计算机科学与技术专业的学生必须要学好这门专业课程。
由于操作系统理论性与实践性结合紧密,涉及学科抽象、理论、设计3个形态,与理论模型、算法设计、软件系统、工程实现、程序设计、领域应用等密切相关,具有理论性强、概念抽象、难以理解掌握,设计技巧高、实现机制精妙、代码量庞大,技术发展迅速、知识更新快、内容广泛且与多个方向交叉等特征,因此“操作系统”教学有相当难度。
多年来,我们积极开展“操作系统”课程建设,跟踪计算机科学与技术的新趋势、新技术、新方法,不断更新教学大纲、理论教材、实验教材、电子教案、教学方法、实验环节,革新课堂教学和实验教学的内容和手段,改进考核评分办法、探索加强能力培养的途径,组建和培养教学师资梯队,开发数字化网络支撑平台,多方位、立体化推进“操作系统”课程教学质量的提高。
教材建设是课程建设和人才培养的核心,本文以作者编著出版的理论课教材《操作系统教程》(第4版)为背景,结合教材的总体规划与建设,围绕“操作系统”讲什么?怎么讲?介绍多年来在“操作系统”课堂教学上的心得体会,以期抛砖引玉。
2操作系统理论教材的规划与建设
2.1教材建设历史
南京大学是国内最先开展操作系统研究与教学的单位之一,我校自1973年为计算机专业本课生开设“操作系统”课程开始,到2009年为止,30多年间,共出版操作系统教材7本。1980年出版《操作系统原理》(人民邮电出版社),1987年出版《分布式操作系统》(国防工业出版社),1989年出版《操作系统教程》(高教出版社)获1992年国家级优秀教材奖,1995年出版《操作系统教程(第2版)》获1997年江苏省二类优秀课程奖,2003年出版《操作系统教程(第3版)》获2004年江苏省优秀课程群奖,2008年出版《操作系统教程(第4版)》被评为2008年教育部精品教材。
2.2 《操作系统教程(第4版)》教材建设思路
操作系统是计算机领域最活跃的分支之一,尽管其基础理论与技术已基本成熟,进入二十世纪九十年代后,随着计算机技术突飞猛进,操作系统新概念、新技术、新方法层出不穷。“操作系统”课程一方面要适应这种发展的趋势,即时更新教学内容;另一方面,也必须抓住操作系统最基本的原理和技术,注重基础理论知识教学。
《操作系统教程(第4版)》(以下简称“第4版”)以“科学性、系统性、先进性、实用性”为教材编著指导思想,从理论、抽象、设计3个形态的高度来组织教学内容,将整个教材划分成十个知识单元:(1)概念与原理;(2)进程和线程;(3)同步、通信和死锁;(4)处理器管理和调度;(5)存储管理与虚拟存储器;(6)设备管理;(7)文件管理与虚拟文件系统;(8)安全与保护;(9)结构与设计、典型操作系统实例;(10)网络与分布式操作系统。教材安排布局和内容组织紧密围绕十个知识单元,有系统、有层次、有广度、有深度地展开全书内容。
第4版教材总体规划与建设过程中,着重考虑了以下几点:
(1) 既要涵盖传统操作系统的基本概念、技术和方法,又要融合现代操作系统的最新技术发展和应用。
(2) 注意理论联系实际,相关概念或原理内容,精选现代操作系统实例作剖析与对比,有益于学生深入理解基本概念和原理,牢固掌握设计与实现的技术和方法。
(3) 强调四讲:讲概念、讲原理,讲方法、讲编程。
以并发进程知识点为例,表1为进程通信知识点及层次安排,给出了自底向上构筑操作系统中“并发问题”解决方案的知识框架。从程序并发执行出现的与时间有关的错误问题出发,逐层深入、逐步展开与阐述,讲解并发程序设计从低级通信原语到高级通信原语,从面向指令的低级程序设计到面向语言的高级程序设计转化的过程,体现了操作系统并发性解决方案自底向上的构筑过程和不同层次。在每个层次上,不但讲概念和原理,也讲具体方法和用来求解经典同步问题的编程(伪代码)例子,使学生容易掌握这些重点与难点,既有利于学生正确理解概念和原理,又能培养学生的动手实践能力和分析解决问题的能力。
(4) 归纳综合、总结提高,从对概念和技术的散碎的感性认识,上升到系统的、理论的高度。资源管理是操作系统最重要的功能之一,目前所见国内外教科书都会讨论这些内容,但鲜有系统地论述的。第4版教材作了尝试与探索,归纳综合资源管理有关知识点,进行系统深化和总结提高。首先,给出资源管理的三种技术:复用技术、虚化技术和抽象技术,阐述每种技术的定义、用途和用法。其次,讨论操作系统中三种最基础抽象:进程抽象、虚存抽象和文件抽象,于是可面向进程而不是处理器、面向虚存而不是实存、面向文件而不是磁盘,也就是不直接面向硬部件进行处理,这样一来操作系统资源管理工作就会变得简单与有效。至此,就能从理论高度掌握资源管理技术,为教好学好操作系统打下良好基础。
(5) 注重基础知识,加强技能训练。确保基础理论和知识在课程中的地位,只有掌握理论和知识,才能为创新能力培养打好基础,这一点在第4版教材编写中予以关注。全书编写200多道应用题,作为实践和技能训练的内容之一。通过让学生多做各种类型应用题达到强化技能训练的目的,也是加强能力培养的一个重要方面。
(6) 注意与实验课教材的衔接。充分体现操作系统理工紧密结合,理论与实践紧密结合的特点。课堂教学以传授理论和知识为主,实验教学以操作和实验为主,理论可在实验中得到检验并指导实践,实验有利于对理论的理解并促进理论的发展。另外编写配套实验教材《Linux操作系统实验教程》,两本教材相辅相成完成“操作系统”教学任务。
3 “操作系统”课堂教学实施中的有关问题
如图1所示,操作系统观察和研究可以从两个角度、两种方法、四种观点出发,并围绕六个问题展开。其中,两个角度是:用户角度和系统角度;两种方法是:静态观察和动态观察方法;四种观点是:服务用户的观点、管理资源的观点、系统实现的观点和进程交互的观点;六个问题是:什么是操作系统?为什么要操作系统?操作系统是做什么的?操作系统是如何做的?操作系统是如何使用的?操作系统是如何构造的?
“操作系统”教学的主要内容就是站在不同角度、采用不同方法、使用不同观点来研究六个问题。其中四种观点是系统讲解操作系统原理的立论,也是操作系统设计的内涵所在,也就是说,是观察和研究操作系统的(总)纲,纲举目张,必须在教学过程中予以强调和渗透。有关四种观点的解释如图1: