操作系統是計算機系統的核心組成部分,是計算機系統硬件平臺中的第一層系統軟件,也是計算機及其相關專業的一門重要專業基礎理論課,這既使這門課程的教學學習存在非常大的困難和困惑,又使其無論在教學、科學研究和項目開發中都處於非常重要的地位。
一、課程教學難點
1.理論性強
該課程教學內容理論性強、概念抽象、涉及知識面廣,學生時其整體實現思想和技術往往難以理解,學習時有較大難度,大部分學生有一種畏難情緒。因此學生很容易陷入疲於記憶的狀態,忽略了對課程各部分間關係和課程教學目標的把握。因而該課程是計算機專業中教師“最難教”,學生“最難學”的課程之一。
2.學習效果見效不快
很多學生對學後有立竿見影效果的課程興趣較大,如程序設計語言,學生學會了便很快可以就某個問題編寫程序上機運行,頗有成就感;而對諸如操作系統這樣原理性強,實驗要求高,設計一個操作系統又不現實的課程,一些學生因感覺學習後效應不會立即顯現而對課程重視度較低。
二、教學目標
操作系統是目前最複雜、技術含量最高的軟件,在計算機專業軟、硬件課程的設置上起着承上啓下的作用,其中的許多設計思想、技術和算法都可以推廣和應用到大型的、複雜的系統設計,以及其他領域。因此,其教學目標應重在培養學生理解和掌握計算機操作系統的基本工作原理、設計技術及設計方法,培養學生開發系統軟件和大型應用軟件的意識和能力,同時還要讓學生了解現代操作系統的新思想、新技術和發展研究動向。
三、課程知識體系設計
鑑於以上課程教學難點,教師若能從繁雜抽象的理論中理出一個脈絡清晰的課程知識體系呈現給學生,將爲有效達到教學目標要求起到事半功倍的作用。該課程教學內容有縱、橫兩條主線,縱線主要指操作系統各功能的設計思想、處理機制,橫線主要指功能實現的具體技術方法、不同環境下的實現差異。因此,整個課程知識體系可按縱、橫兩條線展開,遵循知識、能力、素質協調發展的原則,從知識模塊、知識單元和知識點3個層次來設計。其中知識模塊代表特定學科子領域,可包括若干知識單元;知識單元代表知識模塊中的不同方向,可包括若干知識點;知識點代表知識模塊中單獨的主題,是教學活動中傳遞教學信息的基本單元。
1.縱向功能線
本文的縱向功能線是從資源管理功能出發來設計,通過基於操作資源管理功能的知識建構,學生能明確所學內容在知識體系中的層次、位置、關係。此處爲使結構更清晰,按操作系統資源管理功能出發的縱向功能線細化爲進程管理、處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理和用戶接口六個知識模塊,由此設計的縱向功能線知識結構如下:
(1)進程管理知識模塊包括進程概念、進程調度、進程互斥、進程同步、進程通信、進程死鎖各知識單元。進程概念包含進程特徵、進程狀態與轉換、進程控制各知識點;進程調度包含調度時機、調度算法、調度過程各知識點;進程互斥包含與時間有關的錯誤、臨界資源與臨界區、臨界區使用原則、臨界區互斥訪問的解決途徑、臨界區互斥訪問的解決途徑各知識點;進程同步包含信號量同步機制、生產者與消費者問題、讀者與寫者問題、哲學家進餐問題各知識點;進程通信包含忙等待策略、睡眠和喚醒策略、消息傳遞策略各知識點;進程死鎖包含產生原因、必要條件、解決途徑各知識點。
(2)處理機管理知識模塊包括分級調度、調度算法、算法評價各知識單元。分級調度包含作業調度、交換調度、進程調度各知識點;調度算法包含作業調度算法、進程調度算法各知識點;算法評價包含作業調度算法評價、進程調度算法評價各知識點。
(3)存儲器管理知識模塊包括存儲管理功能、存儲管理方案各知識單元。存儲管理功能包含內存分配與回收、地址映射、內存共享、內存保護、內存擴充各知識點;存儲管理方案包含分區存儲管理、頁式存儲管理、段式存儲管理、段頁式存儲管理各知識點。
(4)設備管理知識模塊包括數據傳送控制方式、並行技術各知識單元。數據傳送控制方式包含程序直接控制方式、中斷方式、DMA方式、通道控制方式各知識點;並行技術包含通道技術、中斷技術、緩衝技術、分配技術、虛擬技術各知識點。
(5)文件管理知識模塊包括文件結構、文件存儲空間管理、文件目錄管理、文件存取控制各知識單元。文件結構包含文件邏輯結構與文件存取、文件物理結構與存儲設備各知識點;文件存儲空間管理包含空閒文件目錄、空閒塊鏈、位示圖各知識點;文件目錄管理包含文件目錄形式、文件共享與保護、目錄檢索各知識點;文件存取控制包含文件存取控制方法。
(6)用戶管理知識模塊包括命令接口和系統調用知識單元。命令接口包含脫機控制命令、聯機控制命令知識點;系統調用包含設備管理類命令、文件管理類命令、進程管理類命令、存儲管理類命令、線程管理類命令各知識點。
2.橫向技術線
操作系統知識點看似繁雜,但究其原理,在對不同系統資源功能進行管理時,所採取的策略和方法有很多是相同的。因此通過對重要方法和機制進行貫穿式的橫向技術線,可使被條塊分割的教學內容有效關聯起來;通過橫縱交錯的連接,可使看似離散的知識有穩固而緊密銜接的結構。從操作系統四種重要實現技術出發的橫向技術線包括中斷技術、共享技術、虛擬技術和緩衝技術。當然,有些技術在其它相關課程中已有介紹,也可看出其在整個計算機系統中的重要程度,由此設計橫向技術線知識結構如下:
(1)中斷技術知識模塊是實現程序併發執行與設備並行操作的基礎,它包括中斷類型、中斷優先級、中斷事件各知識單元。中斷類型知識單元包括外中斷、內中斷知識點;中斷優先級知識點在不同的系統中有不同的規定;中斷事件知識單元包括進程創建與撤消、進程阻塞與喚醒、分時時間片、缺頁中斷與缺段中斷、I/O操作、文件操作各知識點。
(2)共享技術知識模塊是提高資源利用率的必然途徑,它包括處理機共享、存儲共享、設備共享、文件共享各知識單元。處理機共享包含進程的併發執行;存儲共享包含外存儲器共享、內存儲器共享知識點;設備共享包含SPOOLing系統;文件共享包含便於共享的文件目錄。:
(3)虛擬技術知識模塊是把一個物理實體變爲若干面向用戶的邏輯單元,使資源的用戶使用與系統管理相分離,從而提高資源利用率和安全性方,它包括虛擬處理機、虛擬存儲器、虛擬存儲器方法、虛擬設備、虛擬文件各知識單元。虛擬處理機包含多進程管理;虛擬存儲器包含地址轉換、中斷處理過程、置換知識點;虛擬存儲器方法包含頁式管理、段式管理、段頁式管理各知識點;虛擬設備包含設備共享;虛擬文件包含文件共享。
(4)緩衝技術知識模塊是異步技術的實現前提,可大大提高相關資源的.並行操作程度,它包括存儲管理緩衝技術、設備管理緩衝技術、文件管理緩衝技術各知識單元。存儲管理緩衝技術包含快表;設備管理緩衝技術包含硬緩衝、軟緩衝、SPOOLing系統中的輸入/輸出井知識點;文件管理緩衝技術包含記錄成組技術、文件表的打開。
四、課程知識體系操作
知識體系的設計顯然要有必要的操作作爲支持才能使其與學習者間進行互動,形成交流並達到知識的內化。依據上述的知識體系設計,該課程教學可採用以下兩個步驟進行操作,一是以“核心拓展”的方式進行縱向功能學習,二是以“小組學習和共同學習相結合”方式進行橫向技術綜合學習。
“核心拓展”方式中核心指六大知識模塊,它們也是該課程的核心內容,教師應結合具體系統的具體實例以講授方式進行,講授過程中對於一些關鍵算法一定要以具體實例加以講解,不能照本宣科。“小組學習和共同學習相結合”方式可採用將多次出現的具體技術單獨提出來,討論哪些功能應用了該技術。分小組,一個小組負責總結一項技術,然後以小組宣講共同討論的方式來加深技術對功能的應用。
通過這兩個步驟的操作,整個課程的知識體系便可以橫、縱兩條線的形式清晰地呈現在學生面前,爲培養學生從離散到系統性的學習和思維習慣創造條件。