刘刚 印桂生 杨静 王红滨 初妍

摘要：针对目前操作系统实验教学只是根据理论课程进行一些简单的验证而缺乏具体的编程实验教学，导致学生难以真正掌握操作系统的原理的问题，分析理论课程教学目标以及实验课程教学方式，提出通过构建课程实验、科研创新有机结合的实践教学体系，从而使学生能够理解操作系统所需要的知识及原理，达到更好的教学效果。

关键词：操作系统；集成实验；评价环境；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：B/A 文章編号：1674-9324（2018）15-0266-03

一、操作系统集成实验与评价方法的意义和应用前景

1.操作系统集成实验与评价方法的意义。计算机操作系统集成实验与教学质量评价环境的建设对提高操作系统教学水平的意义体现在两个方面：一是增加了操作系统实验教学这门课程；二是提高了教师的教学水平。

学校现有的设备和软件已不能满足操作系统实验教学的需要。所以建设操作系统实验室是解决这一问题的必由之路。一流的优秀操作系统实验方案提供商研发的操作系统实验室方案还能提供操作系统实验的教材，使得学校开设操作系统实验课成为现实。

操作系统实验室的建设也可以提高教师的教学水平。操作系统实验室的建设改善了计算机操作系统实验教学的条件，可以让教师接触到许多前沿的操作系统知识和技术，开阔思路和眼界，这些都提高了教师自身的操作系统技术方面的素养。正是有这样的前提，教师才能提高操作系统理论和应用方面的教学水平。同时通过建设操作系统实验室，教师可以和一流的操作系统厂商保持密切的技术上的联系，从而及时跟进国际上最新最流行的操作系统技术，提高授课水平。

2.操作系统集成实验与评价方法的应用前景。随着计算机技术不断发展，操作系统的复杂程度不断加深，并且几乎所有的应用程序也都是在操作系统上运行的。操作系统实验室建成后，我院可开设与操作系统相关的课程和实验，迅速提高操作系统原理课程的教学水平，改进实验教学缺失的现状。教师也可利用操作系统实验室提供的良好条件，开设操作系统相关的课程设计和毕业设计，推动课程改革和精品课程建设。操作系统实验室的建设也可以提高教师的科研水平，促进教师发表更高水平的论文。

二、国内外研究现状分析

1.国内同类实验教学的情况。当前，教授操作系统课程一般有三种方法：（1）“一般原理”法。这种方法详细描述操作系统的基本原理，并引用若干操作系统作为示例，但是根据我们的经验，大多数学生都无法获得对实际操作系统的直接经验。（2）“积木块”法。这种方法使学生能够设计并实现一个小型的可真正在计算机上运行的操作系统。很明显这会对学生有很高的要求。所以，此方法只适用于少数顶尖高校。（3）“实例学习”法。这种方法引导学生详细分析一个小型操作系统的实例，在充分理解操作系统原理的同时，对实际操作系统获得直接经验。

推荐“实例学习”法的理由是：为了满足企业对人才的需求，国内高校必将越来越重视学生在校期间的实践教学。

但是，国内高校在采用“实例学习”法教授操作系统课程的过程中遇到了三个比较棘手的问题：（1）缺少合适的操作系统实例。国外著名高校使用的面向教学的小型操作系统缺乏配套资料。商业化的UNIX/Linux/Windows代码量巨大，结构复杂，并不适合作为教学实例。（2）缺少可视化的实验环境。由于国内学生比较熟悉图形化的操作界面，而UNIX/Linux操作系统中使用的工具多为命令行方式，学生接受起来比较困难。（3）缺少配套的实验教材。缺少能够引导学生在详细分析一个小型操作系统实例的同时，又可以紧密结合操作系统原理进行实验的优秀教材。

2.国外同类实验教学的情况。下面介绍CC（Computing Curricula）2001有关操作系统的教学内容和国外高校操作系统的课程设置。

课程设置不仅强调了操作系统的使用，更强调它的设计和实现。对于计算机科学专业，其核心知识点为：操作系统概述、操作系统原理、并发性、调度与分派、内存管理。可选的知识点为：设备管理、安全与保护、文件系统、实时和嵌入式系统、容错、系统性能评价和脚本。（1）教学内容和方法分析。一般国外大学授课学时数在30左右，但是要求学生课前必须阅读教科书和大量的教学参考资料。授课方式采用课堂讲授与讨论相结合的方式。（2）教学实验分析比较。国外大学都对操作系统实验有着严格的要求，有的完成一个小型操作系统，有要求独立完成的，也有建议合作的，实习基础有Nachos，也有其他教学操作系统。（3）评分标准分析比较。通过分析国内外大学的评分标准可以看出，他们对实验成绩很重视，有的大学（如Princeton University）甚至只有实验成绩，而没有期末考试。（4）教材。使用较多的教材有：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。

通过上面的分析可以看出，国外“操作系统”教学有如下特点：重视实验环节、教学内容灵活、教学方法多样、课下阅读量大、作业多。

三、方法应用过程中解决的主要教学问题

目前，操作系统课程的教学大多是以书本教学的模式为主[1-3]，所谓的“实验教学”也是在计算机房进行一些简单的理论验证，从而导致学生难以真正掌握操作系统的原理、构造和编程方法[4，5]。

为了克服以上的瓶颈，本实验室可以通过构建课程实验、科研创新有机结合的实践教学体系，引领学生完成积累知识、掌握技能、提高技术的全过程。

主要解决的教学问题：

1.构建合理的课程群教学体系，突出人才培养的目标。

2.优化教学内容、改进教学方法，对不同的实验内容，采用多种教学手段，提高学生主动学习的意识。

3.加强实践环节，建立校内实验室，为学生提供实践教学平台。

4.撰写能反映课程群发展和我校学生实际的教材、教辅材料等，形成以国内优质教材、国外原版经典教材为主，自编教材、实践指导书、题库为辅的教材体系。

5.合理制定考核方式，重视能力的培养。

6.建设内容丰富、能实现师生互动的课程网站，构建学生助学、教师助教的现代化教学平台，拓展师生教与学的空间。

7.加强课程教学队伍的建设，形成一支具有丰富的教学经验和高昂的教学热情，同时具备较高的教学研究和科学研究水平的教学队伍。

操作系统实验（OS Lab）的考核和评分与传统课程存在的区别在于，课程以上机实验作为教学内容，同时也作为考核内容。同时，引入的OS Lab实验平台可以导出学生实验存档，其记录轨迹可以辅助进行考核判断。因而需要提出一整套适应现行高校教学体制的OS Lab实验考核解决方案。这样解决的问题还包括：

1.构建操作系统集成实验与评价环境平台。

2.通过系统能够采集、存储各类课程信息，能够对这些信息按照内容进行分类和管理。

3.该系统将支持OS Lab课程信息处理与智能信息处理技术与方法的进一步研究，评分模型方法研究，多源信息融合方法研究，以及信息处理系统软件设计与研究。

四、具体实施方案

1.根据人才培养目标和课程对学生能力培养的不同，构建合理的课程实验教学体系。结合我校学生的特点，对于计算机专业的学生，确立培养工程型人才的目标，形成理论教学+课程实验+课程设计的课程教学体系。从课程内容上，依据不同专业的学生分层次教学。

2.优化实验内容、改进实验教学方法，对不同的实验内容，采用多种实验教学手段，提高学生主动学习的意识。依据专业的发展，适时地调整、优化教学内容，摒弃不适应发展需要的方法和技术，在此基础上，制定了新的实验教学大纲、授课顺序以及重点和难点。采用多种教学手段来使学生提高主动参与意识，并注意增强学生的分析判断能力和留给学生思考与讨论的空间。

3.加强实践环节，建立校内实验室和学生实践教学平台。实践环节是计算机专业核心课程中的重点。一般来说，计算机核心课程中的实践从大的方面分为课程实验和综合型实验。课程实验又包括基础性和验证型实验，由学生单独来完成。在课程实验进行时，教师根据课程的进度和知识内容，设计相应的实验内容。

课程设计就相当于一个综合型的实验，要求由2、3个学生为一组共同完成。课程设计的题目都是为解决一个实际问题而设计的，旨在培养学生解决实际问题的能力以及沟通与团队协作的能力。在学生课程设计结束后，不但要求形成软件，还鼓励学生撰写相应论文。

在实验环境方面，不仅有计算机的公共机房，还有与课程直接相关的开放实验平台。开发《操作系统集成实验环境OS Lab》实验平台，通过该平台可以开展高质量、全方位的操作系统实验。该平台可操作型强，能够更好地使教师和学生互动，进一步激发学生的学习兴趣。

4.结合计算机科学与技术专业的新发展和工程应用的需求，在调整和优化教学内容的基础上，撰写了能反映课程发展和我校学生实际的教材和教辅材料。

5.探索适合课程特点的多元化考核方式和方法。由于人才的需求更注重实践、更注重综合能力，因此应该采用常规的考试方式，根据实验课程点，将课内和课外、口试和笔试、理论和实践等，灵活有效地结合，形成适合各类实验特点的多元化、规范化的考核方式和方法，更为合理地评定学生的学业水平和综合能力，同时也成为激励和鞭策学生努力钻研、勇于创新的有效途径。总体来说，课程的成绩考核包括：出勤成绩，完成成绩，实验报告成绩等。

6.建设内容丰富、能师生互动的课程网站。包括课程介绍、师资队伍、理论教学、教学大纲、教学计划、授课录像、电子教案、实验交流、实验演示、软件下载等，每一部分都有丰富的内容支撑。学生可以在课程网站上跟教师交流，也可以在学生之间相互沟通，并且能够依据网站上提供的实验演示动画，解决实验中的难点和困难。

7.加强课程教学队伍的建设。围绕项目的建设，可促进师资力量的不断进步，形成年龄结构、职称结构、学历结构相对合理的教学团队。该团队成员申请承担校级教学研究项目，并发表教学研究论文。

五、成果的实施范围及教学受益面

1.项目成果的实施范围。（1）编写教材和相应的教辅资料等在我校的计算机科学与技术专业、软件工程专业、国家保密专业中广泛使用。（2）自从2005年进行计算机操作系统精品课程建设以来，持续进行了13届教学实践，对学生对于精品课程的教学给予的评价和反馈进行评估，能动于教学过程。（3）通过建立的“操作系统”课程网站、操作系统集成实验环境OS Lab，不仅使学生随时随地都可以轻松学习，还可以极大地提高学生的学习积极性与主动性；而且使学生的创新能力、实践能力得到提升。（4）通过项目的建设和实施，构建一支教学经验丰富的教学改革和科研团队。（5）项目成果用于计算机科学与技术学院、软件学院、国家保密学院每年10个本科班的实验教学任务。（6）运用完成的操作系统实验评分和课程管理系统实际进行学生实验评价和提交实验文档管理，提高课程管理和评价效率的精确性、公平性。（7）对同一课程体系下的其他相关和类似实验课程起到很好的示范效应。

2.项目成果的教学受益面。项目成果的教学受益面如表1所示。

参考文献：

[1][英]Peter Abel. IBM PC汇编语言程序设计[M].第5版.沈美明，温冬婵，译.北京：人民邮电出版社，2002：245-248.

[2]刘星.计算机接口技術[M].北京：机械工业出版社，2003：37-65.

[3]唐朔飞.计算机组成原理[M].北京：高等教育出版社，2000：63-79.

[4][希腊]Diomidis Spinellis.代码阅读方法与实践[M].赵学良，译.北京：清华大学出版社，2004：55-101.

[5]刘刚，赵鹏翀.操作系统实验教程[M].北京：清华大学出版社，2013：118-120.