操作系统课堂教学方法研究

操作系统课堂教学方法研究操作系统课堂教学方法讨论

操作系统课堂教学方法讨论

引言

操作系统是计算机系统的核论文联盟.LWlm.心部分，不仅是最基本的系统软件，而且是应用程序开发的基础，操作系统课程在计算机科学与技术专业本科生教学中具有重要地位。该课程既要讲授操作系统的基本概念，又要使同学把握计算机操作系统的基本原理与典型的实现技术。

AndrewS.Tanenbaum认为，对于操作系统这门课程，同学应当学习那些在实践中真正有用的概念，而不仅仅是寻求理论上的完善，WilliamStallings认为，单纯讲授概念和理论是远远不够的，必需通过详细的例子来说明这些概念。

1操作系统课堂教学的目标

操作系统是最基本也是最重要的系统软件，它掌握计算机的全部系统资源，是应用软件开发的基础。操作系统课程的教学不仅要强调操作系统的原理，更要强调它的设计与实现技术。通过该课程的学习，使同学在把握基本学问的同时，具有在相关领域连续深化学习的力量。

因此，首先需要依据计算机科学与技术专业人才培育的目标以及操作系统课程在专业培育目标中的定位，确立课程的教学目标。为了加强对同学设计和实现操作系统力量的培育，我校计算机科学与技术专业培育方案将操作系统的设计与实现作为课程设计单独设置。本文不涉及操作系统试验方面的讨论。

依据同学的不同爱好和力量，我们提出了以下三个层次的教学目标：

(1)基本目标。把握操作系统的基本概念、工作原理与典型的实现技术。这个目标是作为计算机科学与技术专业本科生必需要达到的目标，是操作系统这门课教学的基本要求。

(2)中级目标。在应用软件(特殊是大型软件)设计中能借鉴操作系统设计中的思想和方法，如时间与空间、性能与便利使用之间的权衡；在并发程序设计中能娴熟运用信号量等操作系统供应的进程间通信(InterProcessCommunication，IPC)机制。同学在应用软件设计中，可以借鉴操作系统设计中的思想或方法来解决相关问题，能设计进程同步算法，并具有综合运用所学学问对详细操作系统进行分析和设计的力量，

(3)高级目标。设计与实现详细的操作系统或剪裁实际的操作系统(如嵌入式操作系统)。要达到这个目标仍需要同学连续深化学习和进行大量的实践。因此，我们在本课

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程的教学中为同学推举深化学习和课外实践的参考资料以及实践内容。对于部分力量强的同学，通过课外实践，是可以初步达到这个目标的。对于多数同学，通过后续的操作系统课程设计，自己动手实现一个小型的操作系统，可以逐步达到该目标。

2操作系统课程的内容组织

操作系统课程具有原理多、概念相对抽象、内容涉及范围广等特点。教学内容包括操作系统内部工作原理、相关概念、实现技术与算法等，在有限的学时中要掩盖全部教学内容是不行能的。该课程的核心学问点包括：进程与线程的概念，进程同步，进程间通信，经典进程同步问题，死锁，进程调度，内存管

理，文件系统，I/O设备管理以及典型操作系统实例。可选的学问点有：操作系统平安与爱护、实时操作系统、嵌入式系统、容错、分布式操作系统等。因此必需合理设计教学内容以及讲授次序。

在教学内容的选择上我们坚持以下原则：

(1)明确教学目标，突出讲授重点，理论联系实际，不求面面俱到；

(2)强调详细实现技术，尽可能做到原理与实现技术的呼应；

(3)教学内容涵盖全国计算机科学与技术专业硕士讨论生统一入学考试大纲。

依据以上原则，我们在内容组织上实行如下思路：

(1)现代操作系统四大功能(进程管理、内存管理、文件系统、设备管理)的设计原理与实现技术构成操作系统课程的学问体系。围绕现代操作系统的四大功能绽开操作系统的教学，实例讨论选择以Linux为主，适当介绍Windows的实现原理。

(2)在整个课程的学时安排上，以进程管理为重点，特殊是并发与同步，占用最多的讲授学时，其次是内存管理，然后是文件系统、设备管理。

(3)进程同步算法是操作系统课程的重点，也是难点。现代计算机系统广泛采纳多任务环境，应用软件也日趋简单，其中涉及到资源的共享与竞争、多个任务之间的通信与同步等问题，全部这些问题的基础是并发。并发是程序员在开发简单多任务应用时必定要面临的问题。因此，进程同步不仅是操作系统设计中的重要问题，而且在简单并发软件开发中具有特别重要的实际应用价值，对于同学来说，把握这部分内容难度较大。因此，在课堂教学上不仅要讲清概念，而且要让同学真正把握其实现技术。例如，互斥与信号量的实现技术、经典进程同步算法设计方法与实

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例分析等。

(4)适当压缩进程调度与死锁的教学内容。拿死锁来说，很多内容在操作系统设计和实际应用软件开发中并不有用(例如银行家算法)，因此在教学内容上注意思想，不对细节进行介绍。

(5)在讲授次序上，不照搬教材。例如死锁部分，不同的教材采纳不同的次序，许多教材将其纳入进程管理部分。由于死锁涉及共享资源，而共享资源与内存管理、文件系统以及设备管理的相关学问有关，将死锁放在后面讲解更有利于同学的理解和把握。

3教学方法与手段

依据该课程概念多、抽象的特点，逐步形成了有自身特色的教学方法，主要体现在以下方面：

(1)"整体一局部一整体'的教学思路

课程开头时，在介绍"什么是操作系统'、"操作系统进展过程中形成的一些基本概念'、"操作系统对运行环境的要求'、"为什么要学习操作系统'之后，首先告知同学学习该课程要达到或尽力达到的三个目标，给出操作系统的整体学问结构，使同学首先建立该课程的整体框架。

在详细讲授操作系论文联盟.LWlm.统各部分基本原理和实现技术的过程中，始终结合这个整体框架来逐步绽开、细化，保持主线明确、思路清楚。

课程最终进行总结，将课程开头时建立的整体骨架落实，引导同学建立起该课程的整体概念和学问体系。

(2)"是什么、为什么、有什么用、如何实现相呼应'的内容组织

由于操作系统涉及的概念、原理多，许多概念比较抽象，同学不简单理解。因此，在讲授时除了说明"是什么'以外，注意从"为什么'、"有什么用'以及"如何实现'等多角度告知同学相关概念或原理的实质。例如，信号量是操作系统中一个特别重要而有实际应用价值的概念，也是本课程的一个难点，除了根据一般教科书上介绍的信号量基本概念之外，还要说明"信号量的物理意义：信号量的值表示可用资源的数量'、&l

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号量是为了从操作系统的层面上解决进程并发带来的结果不确定性问题'、"用信号量可以设计任何的进程同步算法'、"用忙等待或堵塞方式实现信号量的程序代码'、"从资源等待的角度动身去分析设计进程同步算法'等，并结合汇编语言说明互斥的实现方法。同时，要求同学在课外用C语言和汇编语言相结合，实现详细的论文联盟.LWlm.进程同步问题，使同学深化理解概念的本质并能敏捷应用去解决实际问题。

(3)"从操作系统设计者的角度去思索'的学习方法

操作系统是由人设计的，很多原理和技术不存在谁对谁错、甚至没有肯定的好坏之分，必需放在特定的环境和目标下去分析。因此，在教学过程中，对于很多内容，直接告知同学结果往往不重要，重要的是如何思索解决问题的方法。因此，在课堂教学过程中，始终贯穿一种学习方法：同学把自己看作一个操作系统的设计者，从设计者的角度去思索"我设计和实现操作系统时如何解决这个问题'、"为什么实行这种方法'等，尽量削减"死记硬背'，注意体会其中的重要思想。

(4)"课堂讲授、实践与争论相结合'的引导式教学形式

在课堂上，依据教学内容的特点，实行敏捷多样的教学形式。例如，对于设备管理中的"I/0数据传送方式'，由于同学具有先修课"计算机组成原理'的基础，这部分内容很简单理解，因此在课堂上直接进行精练的讲授，详细细节留给同学课后自学；对于经典的进程同步问题，假如只是由老师讲解如何设计以及设计出的结果，同学在遇到实际问题时往往不知道如何入手分析。因此，对于这部分内容，首先通过一个典型例子的讲解，告知同学设计同步算法时对问题的思索和分析方法，在此基础上，其他例子先由同学在课堂上自己设计，把结果写在黑板上，最终由任课老师对同学们的解决方案(往往

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是五花八门)进行点评，在实际教学中收到了良好的效果，也调动了同学学习的乐观性。当然，要求老师对这些内容要相当熟识、融会贯穿，由于同学们常常会给出一些预想不到的解决方案，虽然可能不正确，但对教学很有关心，是同学把握学问、提高解决实际问题力量的第一手素材。同时，给出一些课外实践性的作业，提高学问运用和实际动手力量。、

(5)"多媒体与板书有机结合'的教学手段

板书的优点是利于启发思索，但缺点是影响进度、信息量欠缺；多媒体课件的优点是利于扩大课堂的信息量，但不太利于启发同学的思索。因此，依据课程不同内容的特点，选择实行板书、多媒体以及多媒体课件与板书结合等形式。例如，在讲授算法的过程中，直接采纳多媒体不利于启发思索，讲授过程以板书为主，最终结果以多媒体给出，以节约时间。

在多媒体课件的设计与使用过程中，坚持一个理念：讲课不是做报告，虽然讲课有艺术的成分，但不是表演、不是放动画片。因此，在多媒体课件中，尽量做到文字精练、朴实，避开大段的文字，辅以适当