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计算机操作系统课程综合性实验建设
计算机操作系统课程综合性实验建设探讨
刘杰彦,李玉军
（电子科技大学 计算机科学与工程学院,四川 成都 611731）
摘?要：针对计算机操作系统课程综合性实验建设较薄弱的教学实际,分析国内外高校该课程综合性实验开设的现状以及实验开设中存在的问题,在结合课程实际并借鉴国外高水平大学相关教学经验的基础上,提出计算机操作系统课程综合性实验建设的方案,从实验规划、实验设计、实验指导、实验开设以及考核评价等方面对该课程的综合性实验建设进行探讨.
关键词：计算机操作系统；综合性实验；系统化思维；资源管理
0引?言
计算机操作系统课程主要介绍计算机操作系统如何对计算机资源进行有效管理和控制,以达到高效和充分利用计算机系统中软硬件资源的目的[1].它是计算机专业及相关专业的基础课程和核心课程之一,在学生的计算机知识结构中有重要的地位和作用,是计算机及相关专业知识体系中不可或缺的重要基础.对该课程的综合性实验开展建设,有助于培养学生的系统观,能有效帮助学生建立完整的计算机操作系统知识体系.
1国内外综合性实验开设现状
国内外的知名大学都非常重视计算机操作系统课程的实践建设,特别是综合性实验的建设.在国外,麻省理工大学针对内存管理、任务调度和文件系统都分别设计了系统级的实验；哈佛、普林斯顿以及加州大学伯克利分校也都将进程管理和调度、虚拟内存和文件系统管理作为综合性实验来建设；美国加州大学尔湾分校也专门开设了计算机操作系统的实验课程,针对操作系统的几大功能,如进程管理、文件管理和存储管理,分别设计并开展了综合性的实验.类似的,国内清华大学也专门开设了操作系统的专题训练课程.
2当前实验教学的常见问题
目前国内大多数高校对该课程的综合性实验建设较为薄弱,以下问题普遍存在.
2.1实验内容相对零散
当前计算机操作系统课程的实验内容通常以基础实验为主,以电子科技大学为例,实验内容主要局限在进程调度算法设计、进程同步的设计、存储管理页面置换算法设计以及存储管理地址转换等基础实验,大多数实验内容局限于对章节单一知识点的演绎,个体实验间缺乏有机联系.内容零散的实验使得学生对操作系统的理解较片面,对系统缺乏宏观的理解,难以建立完整的知识体系.尽管目前也以课程设计的形式开设了部分综合性实验,但是对实验内容缺乏系统的规划,零散的实验内容不易培养学生建立完整的知识架构.
2.2实验组织与考核方式单一
国内高校的实验实施,通常是教师下达实验任务后就交由学生完成,教师对实验的实施进度没有细致的安排与跟踪,缺乏对实验各阶段的任务分解与学生问题的反馈,这并不利于保证实验效果和实验质量.实验考核主要基于最终实验结果和实验报告的质量,实验考核标准单一,缺乏多元化的考核评价方法.
2.3实验指导较粗略
目前,教师的实验指导方法通常是给出主要任务以及实验过程的基本步骤,实验指导内容较为粗略.同时,指导力量也较薄弱,以电子科技大学为例,一个老师要面对数十名学生,指导的深度和力度自然大打折扣.与国外大学相比,我们缺乏对具体设计过程的详细指导,缺乏对软硬件和算法各个模块间联系的分析指导.这种粗略的指导方式不利于学生顺利完成具有一定难度和工作量的综合性实验.
2.4学生系统化分析和解决问题的能力有待提高
由于缺乏综合性、系统性设计的实战经验,学生对操作系统的知识点掌握零碎,知识结构也处于分散状态,因此学生系统化的问题分析能力较薄弱,解决问题的能力也不强,有待通过综合性实验的开展和细致深入的指导来提升.
3综合性实验建设的具体实施
基于上述分析,为了培养学生建立完整的操作系统的知识体系并提升实际问题的解决能力,缩短所学和所用的距离,我们通过借鉴国外高水平大学的经验,同时结合课程实际,基于现有的实验实践工作基础,对本课程的综合性实验规划与建设进行探索,将系统化思维的教学模式[2-3]运用到实验教学中,规划与设计本课程的综合性实验,研究实验的开设方式,并探索细致深入的实验指导方法.具体而言,主要从以下几个方面重点展开工作.
3.1实验规划
计算机操作系统课程内容组织是基于操作系统的资源管理功能,即将计算机操作系统看作计算机软硬件资源的管理器,资源的管理在宏观上主要分为进程管理子系统（基于进程完成对CPU的管理）、内存管理子系统、设备管理子系统和文件管理子系统,如图1所示.
因此,本课程综合性实验的规划主要针对操作系统的4大功能,分别规划与设计进程管理实验、存储管理实验、文件管理实验和设备管理实验.针对每个功能,要从宏观的角度出发,基于知识点之间的有机联系,将系统化的思维模式运用到实验规划设计中,注重多个知识点的融会贯通,力求让学生对操作系统形成从整体到局部,从宏观到微观的深入了解,建立完整的知识体系,培养学生对问题的综合分析能力.
以进程管理子系统实验的规划为例,进程管理是操作系统的主要功能,进程管理子系统主要包括进程控制、进程调度以及资源管理等基本模块.在确定基本模块的基础上,对每个模块作进一步细化,如进程控制模块,包括进程的创建、撤销、执行、阻塞、唤醒等子功能；进程调度模块,要考虑采用什么进程调度算法,还要考虑与进程控制模块的关系,因为调度过程中进程状态会发生变化；资源管理模块,需要包括资源的分配和回收等管理功能,同时要考虑在进程对资源进行互斥或共享访问时,协调进程对资源的访问顺序,与进程控制模块协作来完成进程之间的同步.
3.2实验设计
在实验规划的基础上,对现有的基础类实验进行梳理,除了现有的实验模块,还需要增加其他模块,并对各个模块作有机整合与完善,展开综合性实验的设计实施.以电子科技大学为例,现有的进程管理实验局限于对具体进程调度算法的模拟,或者是对同步问题的演绎,知识点零散.为了构建进程管理子系统的综合性实验,在实验规划的基础上,我们将现有的进程调度算法实验和进程同步实验作为基础,完善进程控制块（PCB,process control block）结构,为进程设置不同的优先级,设计进程控制的各个功能函数,在现有的时间片轮转调度算法基础上,引入结合时间片轮转和优先级的调度算法,同时增加资源管理模块,在系统中设计不同的资源类型和资源数量,进程执行中随机对资源提出申请和释放,资源管理模块基于进程对资源的申请和释放来完成资源的分配和回收,同时能够在资源不足时阻塞进程以及在资源释放后唤醒进程.除上述设计外,还增加对I/O功能和中断功能的模拟,即随机产生I/O或中断请求,系统在收到I/O或中断请求后,根据请求类型,完成相应的进程调度、控制或状态转换功能,如调度进程执行或阻塞当前进程.
总之,在现有的实验基础上,通过添加相关功能模块并对各个模块有机整合,最终完成进程管理子系统综合性实验的设计.通过这种实验的建设开展,让学生将进程控制、调度和资源管理等零散的知识点有机结合起来,从而建立完整的操作系统进程管理功能的知识体系.
3.3实验指导
基于实验内容,探索切实有效的实验指导方式,提出细致深入的实验指导方法,综合性的实验往往具有一定难度,因此详细深入的实验指导方式有助于学生顺利完成实验.我们注意到,国外大学的实验指导非常细致深入,为此,可以借鉴国外高水平大学的经验,对实验指导作深入细化.指导内容不仅仅包括实验的基本要求和主要步骤,还包括引导学生对各个模块间的关系作分析、对相关数据结构作分析、对相关算法的流程作分析等.
为了完整地分析一个综合性试验的建设,我们以进程管理子系统综合性实验为例来阐述详细深入的实验指导方法.该实验的目的是要设计实现一个进程管理子系统,为此,实验指导首先给出进程管理子系统的基本功能需求、所包含的模块以及各个模块功能的详细需求分析；然后,针对各模块,分析相应的数据结构特点和各结构之间所存在的联系,如进程控制块（PCB）数据结构的设计、资源控制块（RCB,resource control block）数据结构的设计、PCB 和RCB间的相互引用关系等；在此基础上,基于各个模块的功能,分析模块间的联系,包括分析进程控制模块和进程调度模块间的关系（如进程创建、撤销、阻塞等事件的发生会促发进程调度）、分析进程调度模块和资源管理模块之间的关系（如进程执行中对资源的申请和释放将调用资源管理模块,而资源管理中对资源的分配和回收也可能促发进程调度）；最后,实验指导还需要给出典型的测试用例,用例中要包含各种优先级进程的给定和各种资源分配情况的模拟,并分析各个测试用例的测试目标和预期测试结果.
除了给出深入细致的指导分析以外,还需加强实验指导队伍的建设,根据学生的数量按比例增加指导人员.以电子科技大学为例,我们通过一个教师配备多名研究生助教来增强指导力量,实验前先对助教培训,实验中让助教配合教师参与指导,实行助教责任制,保证助教认真负责若干学生的实验指导,加强指导的深度和力度.在实验过程中,教师通过分阶段与学生以及助教交流,跟踪学生的实验进度,关注学生在具体实验阶段存在的问题,适时调整指导方法,直接或通过助教给予学生深入细致的指导,从而解决实验中学生普遍存在的“实验做什么,怎么做”的问题.
3.4实验开设与考核
基础类的实验主要针对单一的知识点,大部分实验的工作量和难度都不高,因此以学生个体为单位开展.综合性实验的工作量和难度相对较大,可以以小组为单位开展,通过小组内部的分工协作来完成实验.实验的开设,以培养学生系统化的思维模式、实现对问题的宏观把握和微观分析为目标[4].因此,可以结合课堂讲授和课后实施来完成,具体流程如图2所示.实验开设前安排好实验进度,课堂讲授根据实验内容分次进行,首次课堂讲授给出实验的主要任务和总体设计需求分析,让学生从宏观上总体把握问题,之后分次讲解实验的各模块和相应的实施方法,引导学生从微观上分析具体问题,每次根据讲授内容给出本次任务要求并让学生在课后开展.以进程管理子系统实验为例来分析实验的开设方法,该实验的课堂教学可以安排3次,每次1~2学时：第1次介绍进程管理子系统的总体功能需求和总体设计所包含的进程控制、进程调度和资源管理等主要模块,模块间的关系和涉及的PCB和RCB等数据结构；第2次介绍各个模块的具体功能分析、实现技术和模块间的整合；第3次介绍进程管理子系统功能测试程序的编写方法,涉及进程控制与调度、资源申请和释放相关的测试用例和测试结果的分析.每次根据讲授内容给学生布置相关任务,学生根据任务要求和个人能力情况,在小组内进行任务分工,在课后完成相应的实验内容.每次课堂讲授时,学生需要对上次任务的完成情况和目前存在问题作汇报,以便教师及时跟踪学生的实验进度,了解学生存在的问题,适时调整教学进度和教学内容.
实验考核采用多元化的方式,对同一实验内容设立不同的实验工作量和难度等级要求,如针对进程管理子系统,可根据实验中对进程种类和优先级的设置情况以及资源种类和数量的设置情况来决定不同的实验工作量,根据死锁问题的发现、解决来决定不同的实验难度.不同工作量和不同难度的任务的要求有所不同,对应着不同的成绩标准,学生在完成基本要求的基础上,可根据自身情况决定是否进一步完成难度或工作量要求更高的任务.考核时对学生任务的总体完成情况、报告的质量、软件的质量以及小组的分工协作情况等方面赋予不同的权重,分别针对各方面给予成绩评价,并综合各方面给予总评.
4结?语
计算机操作系统是计算机专业及相关专业的专业基础课程和核心课程之一.对该课程综合性的实验进行建设和开展,有助于培养学生的系统观以及综合的专业知识应用能力,这也是专业教学的目标.针对现有实验教学的薄弱环节,可将系统化思维的教学模式应用到实验教学中,规划与设计计算机操作系统课程的综合性的实验,通过综合性实验的建设与开展,力求让学生建立完整的操作系统知识体系,从而缩短学与用的距离.
计算机操作论文范文结:
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