符琦，蔣云霞

(湖南科技大學(xué) a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院; b.教務(wù)處，湖南 湘潭 411201)

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Linux環(huán)境下操作系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)模式探討

符琦a，蔣云霞b

(湖南科技大學(xué) a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院; b.教務(wù)處，湖南 湘潭 411201)

摘要：CDIO 是一種新型工程教育模式，它以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)生命周期為載體來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)人工程能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。針對(duì)操作系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了基于Ubuntu操作系統(tǒng)環(huán)境下，基于 CDIO 教學(xué)理念的操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)框架，并以工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)為教學(xué)中心，設(shè)計(jì)了操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)給出了具體案例分析，為實(shí)踐教學(xué)的改革提供了參考。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；Ubuntu；CDIO；實(shí)踐教學(xué)

CDIO (Conceive Design Implement Operate，構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行)是一種以工程教育理念和實(shí)施體系為基礎(chǔ)的新型教育模式，這種模式以工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)生命周期為載體來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，通過(guò)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新實(shí)踐的訓(xùn)練，達(dá)到“做中學(xué)”的教學(xué)目標(biāo)，具有廣泛的適應(yīng)性和實(shí)踐可操作性，有利于提高學(xué)生個(gè)人的終身學(xué)習(xí)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力[1]。

操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心專業(yè)課程，主要講授操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本原理和技術(shù)，而目前操作系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)中仍普遍存在重理論輕工程能力培養(yǎng)的問(wèn)題[2]。由于操作系統(tǒng)本身是一個(gè)抽象、復(fù)雜的軟件，學(xué)生要完全理解其設(shè)計(jì)原理，熟練掌握其實(shí)現(xiàn)技術(shù)并不容易，主要存在以下一些問(wèn)題：1) 基本概念和原理枯燥難懂，與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系較少，學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)缺乏興趣；2) 實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容較單一，難度和知識(shí)覆蓋面不足，缺少設(shè)計(jì)性實(shí)踐項(xiàng)目，不具備與學(xué)生互動(dòng)的功能；3)課程內(nèi)容容易滯后，與現(xiàn)有操作系統(tǒng)的發(fā)展成果存在脫節(jié)現(xiàn)象等。因此，在操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中引入CDIO工程教育理念，將需要掌握的課程核心內(nèi)容以“項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)”為教學(xué)中心，設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展性的綜合性課程項(xiàng)目，不僅有利于學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)性學(xué)習(xí)，也有利于提升教師自身的教學(xué)水平和教學(xué)方法，達(dá)到良好的教學(xué)相長(zhǎng)的效果，對(duì)計(jì)算科學(xué)科的理論教學(xué)和科研實(shí)踐均具有重要的意義。

1基于Linux的CDIO實(shí)踐教學(xué)模式

Linux 操作系統(tǒng)(如Ubuntu、CentOS、Fedora等)是經(jīng)典的免費(fèi)開(kāi)源系統(tǒng)軟件，具有極強(qiáng)的可定制性、可擴(kuò)展性和實(shí)踐性。因此，可考慮在該系統(tǒng)環(huán)境下，以CDIO理念為基礎(chǔ)，對(duì)操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用，在實(shí)際的操作系統(tǒng)環(huán)境中，鞏固和提升學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)理論課程知識(shí)的學(xué)習(xí)與開(kāi)發(fā)能力。

1.1Linux環(huán)境下的操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)框架

作者采用目前主流的開(kāi)源免費(fèi)Linux操作系統(tǒng)發(fā)行版——Ubuntu(烏班圖)作為操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該系統(tǒng)提供了GNU、Automake等一整套系統(tǒng)級(jí)與用戶級(jí)開(kāi)發(fā)所需要的開(kāi)源、免費(fèi)工具，從而為教師設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)相關(guān)項(xiàng)目提供支持，同時(shí)也為學(xué)生在該環(huán)境下進(jìn)行操作系統(tǒng)核心功能的學(xué)習(xí)與開(kāi)發(fā)提供了保障[3]。Linux環(huán)境下操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)框架如圖1所示(其中的每個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目均包括了案例實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等部分)，框架主要包括以下幾個(gè)部分：

1)開(kāi)源Linux操作系統(tǒng)層。該層主要由Ubuntu操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具和用于可自編譯、自裁剪的Linux內(nèi)核源碼組成，主要為實(shí)現(xiàn)基于CDIO的實(shí)踐教學(xué)提供軟件環(huán)境支撐。

2)內(nèi)核編譯與定制子項(xiàng)目。該子項(xiàng)目主要便于學(xué)生了解Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)，掌握內(nèi)核的定制與開(kāi)發(fā)。為了簡(jiǎn)化操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯時(shí)的復(fù)雜性和時(shí)間開(kāi)銷，采用了Linux較低版本的內(nèi)核(如2.6.x系列穩(wěn)定版)源碼進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最新版本的內(nèi)核所帶來(lái)的操作系統(tǒng)的新特性過(guò)于復(fù)雜，并不利于學(xué)生對(duì)核心操作系統(tǒng)功能的快速學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

圖1　Linux環(huán)境下操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)框架示意圖

3)進(jìn)程管理子項(xiàng)目。該子項(xiàng)目主要便于學(xué)生了解并掌握進(jìn)程、線程的創(chuàng)建與調(diào)度、并發(fā)與同步等功能相關(guān)算法與機(jī)制的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一些應(yīng)用工具，如自定義Shell工具，具有網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)能力的Shell工具等。

4)內(nèi)存管理子項(xiàng)目。該子項(xiàng)目主要便于學(xué)生了解并掌握內(nèi)存動(dòng)態(tài)分區(qū)、基本分頁(yè)、虛存分頁(yè)等功能相關(guān)算法與調(diào)度機(jī)制的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化，并以內(nèi)存管理工具等小型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來(lái)鞏固學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)。

5)文件系統(tǒng)子項(xiàng)目。該子項(xiàng)目主要便于學(xué)生了解并掌握常見(jiàn)文件系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與調(diào)度算法，并能對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn)與裁剪，并以此為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單虛擬文件系統(tǒng)和實(shí)際文件系統(tǒng)管理工具等應(yīng)用項(xiàng)目。

6)設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理子項(xiàng)目。該子項(xiàng)目主要便于學(xué)生了解并掌握Linux環(huán)境下的設(shè)備(如字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、優(yōu)化，以及磁盤I/O調(diào)度程序的開(kāi)發(fā)等，同時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備的相關(guān)管理工具，加強(qiáng)學(xué)生的工程能力。

1.2Linux環(huán)境下的操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)案例

以簡(jiǎn)單Shell工具——MyShell子項(xiàng)目為例，為了解操作系統(tǒng)程序接口和命令接口的功能，掌握與之相關(guān)進(jìn)程的創(chuàng)建、同步與通信，以Shell編程為基礎(chǔ)，可以為學(xué)生設(shè)計(jì)以下項(xiàng)目?jī)?nèi)容：

1)項(xiàng)目功能說(shuō)明設(shè)計(jì)：如MyShell應(yīng)該能支持程序的后臺(tái)運(yùn)行、管道通信、重定向、路徑與文件搜索、內(nèi)置命令(如創(chuàng)建目錄、文件，設(shè)置環(huán)境變量、啟動(dòng)與退出等)的使用等相關(guān)功能。這部分主要讓學(xué)生了解軟件需求說(shuō)明的構(gòu)成與撰寫。

圖2　MyShell項(xiàng)目功能框架示意圖

2)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖2所示，MyShell主要由交互界面、命令解析、內(nèi)(外)部命令執(zhí)行等幾個(gè)部分組成，這部分將提供給學(xué)生相關(guān)的參考資料以了解功能實(shí)現(xiàn)必須的編程知識(shí)。

3)程序框架：這部分主要為學(xué)生提供MyShell項(xiàng)目的部分程序源碼，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、函數(shù)的定義，但去掉了部分核心功能的實(shí)現(xiàn)，這部分功能將由學(xué)生來(lái)設(shè)計(jì)與完成，并由教師最后進(jìn)行測(cè)試，從而驗(yàn)證其結(jié)果的正確性，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。下面是MyShell項(xiàng)目的程序框架示例，MyShell項(xiàng)目工程文件主要由myShell.h和myShell.c兩個(gè)項(xiàng)目文件構(gòu)成，其中頭文件(myShell.h)部分的主要項(xiàng)目功能由學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目需求說(shuō)明來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：

3結(jié)語(yǔ)

在開(kāi)源的Linux系統(tǒng)軟件環(huán)境下，通過(guò)引入CDIO教育理念，以提升個(gè)人學(xué)習(xí)能力、工程能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力為目標(biāo)，來(lái)設(shè)計(jì)具有廣泛適應(yīng)性和良好可擴(kuò)展性的操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也為操作系統(tǒng)后續(xù)課程(如嵌入式系統(tǒng)等)提供了扎實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)也提升了教師的教育教學(xué)理論水平和技術(shù)手段方法，為理論與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jianhua G U, Zhou X S, Zhiwen Y U, et al. Teaching Practice of CDIO in Operating System Course[J]. The 3rd International Annual Conference on Teaching Management and Curriculum Construction,978-988-16309-5-7 ,2012 (2):174-178.

[2] 詹曉娟,姚登舉,周屹.CDIO教學(xué)模式在“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用[J]. 黑龍江教育(高教研究與評(píng)估),2014(11):32-33.

[3] 楊瑞.CDIO理念在“Linux操作系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用[J].信息與電腦(理論版), 2015(10):102-103.

(責(zé)任校對(duì)龍四清)

doi:10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.05.030

收稿日期：20151221

基金項(xiàng)目：2012年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(255) ；2013年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(240)

作者簡(jiǎn)介：符琦(1975-)，男，湖南湘潭人，教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：G423.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5884(2016)05-0100-03