新工科视角下操作系统原理课程教学内容体系重构

2024年1月22日发(作者：)

•

i果酲教字新工科视角下操作系统原理

课程教学内容体系重构颜庆茁林丽娜(集美大学诚毅学院福建•厦门361021)摘要操作系统管理着底层庞杂的硬件，代码量巨大，算法设计精妙,是“中国制造2025”智能化核心要素，学生

掌握它具有挑战性。新工科课程建设背景下，为推动教学质量再提升，在操作系统基本原理、技术和实践应用三个

方面重构操作系统原理课程教学内容体系。借鉴国内外名校课程的知识体系，在教材的基础上拔高，突出内涵，涵

盖最新技术，强化创新实践，着眼于计算思维、工程思维、系统级编程能力的培养。教学原则基于成果导向，以学生

为中心，应用启发式探究型的教与学生自主研究型的学相结合，关注学生面向未来的创新创业能力的养成。关键词新工科操作系统原理体系重构中图分类号:G424 文献标识码:A

DOI: 10.16400/.2021.12.031Reconstruction of Pedagogical Content and Structure of the Course

Principles of Operating System under the New Engineering PerspectiveYAN Qingzhuo, LIN Lina(Chengyi College, Jimei University, Xiamen, Fujian 361021)Abstract

The

operating

system

manages

the

complex

hardware

at

the

bottom,

with

huge

code

volume

and

excellent

algorithm

design.

It

is

the

core

element

of

intelligent

"made

in

China 2025".

Students

have

the

challenge

to

master

it.

Under

the

background

of

the

new

engineering

curriculum

construction,

in

order

to

promote

the

teaching

quality

and

improve

again,

the

teaching

content

system

of

operating

system

principle

course

is

reconstructed

in

three

aspects:

the

basic

principle,

technology

and

practical

application

of

the

operating

system.

Learning

from

the

knowledge

system

of

famous

courses

at

home

and

abroad,

we

should

take

the

teaching

materials

as

the

basis,

highlight

the

connotation,

cover

the

latest

technologies,

strengthen

the

innovation

practice,

and

focus

on

the

cultivation

of

computing

thinking,

engineering

thinking

and

system

level

programming

ability.

Based

on

the

results

oriented

teaching

principle,

students

as

the

center,

the

heuristic

inquiry

teaching

and

students'

independent

research-oriented

learning

are

combined

to

pay

attention

to

the

cultivation

of

students'

innovation

and

entrepreneurship

ability

facing

the

ds

new

engineering;

principles

of

operating

system;

pedagogical

content

and

structure

reconstruction〇引言合课程和生源特点，借鉴国内外知名高校操作系统课程的

新工科是当下中国高等工程教育创新创业改革发展

知识体系，吸纳先进的课程实践项目，重构操作系统原理

的政策焦点和战略部署。为推动高教质量再提升，新工科

课程教学内容。建设正进入踏踏实实五个“再深化”阶段,其中之•就是打 1课程建设的目标造一流本科课程“双万计划”。m在此背景下，操作系统是

新工科建设落实到人才培养能力的提升上，是以新兴

“中国制造2025”智能化核心要素，是计算机科学研宄的

产业和技术发展的需求为导向，大力培养具有前瞻交叉思

基石之一，是实施计算机系统编程能力培养的核心课程。

维的卓越工程创新人才。而课程是人才培养的基本单位，

操作系统原理课程理论性强、概念多且抽象，学生掌握操

121课程质量决定了人才培养质量。操作系统原理课程是计

作系统具有挑战性。操作系统原理课程教学团队依据新

算机专业的主干课程，综合了多门课程的知识。操作系统

型工程科技人才培养理念与要求，立足未来战略需求，结管理底层庞杂的硬件，为用户提供便捷的服务，其代码量92 2021年/第12期/4刀（下)

巨大，算法设计精巧高效。操作系统不仅仅是关于并发性

和琐碎的调度算法，它与硬件配合，如何让中断、异常、上

下文切换等真正有效，它着眼于从系统和全局上权衡时间

和空间、性能和可预测性、公平和性能。随着系统硬件和

并行技术的发展，操作系统也在不断演化，并与多学科交

叉融合。研制含金量高的教学内容，是实现课程教学提升

的关键。新工科视角下的课程体系建设目标主要包括以

下三个方面。在基本原理层面上，掌握操作系统的基本概念、原理与

方法。131掌握线程、进程、CPU调度、并发、同步、互斥，信号

量、锁、死锁、地址空间、按需调用，文件系统、设备驱动、

TCP/IP网络、分布式系统等关键知识点。操作系统在计算

机系统中位于硬件之上其他软件之下，为应用程序提供一

致的抽象视图；在多个应用程序之间管理资源的共享。让

学生形象地理解操作系统在计算机系统中的地位和作用就

像是裁判、造梦师、系统服务的胶合剂。在操作系统的技术层面，掌握操作系统的宏/微/混

合体系架构，内核设计原则与算法思想和实现。从系

统程序员的角度，深入理解操作系统的数据结构与算

法在设计上的精巧，学以致用，学习解决复杂问题的思

路与方法。在操作系统课程的实践应用层面，侧重对课程知识的

验证与应用，以作业、编程、课外阅读等多种形式开展。设

计系统开发类和核心算法实现类实验内容，在Linux环境

下使用Glibc库和P0S1X库来完成,培养学生利用操作系

统库进行并发程序设计和系统软件编程能力。阅读并分析

核心Linux源代码，学习设计思想并加以灵活应用。剖析

像清华大学uCore

OSw和一些小型精简的OS掌握其设计

精髓，尝试设计一个小的0S加深体验。2课程教学内容建设思路教学团队基于成果为导向的人才培养理念，借鉴国内

外著名高校课程的内容，以学生发展为中心、反向设计、持

续改进151教学知识体系。从基础性、系统性、先进性等方面

注重内容的选取,在教材的基础上拔高，突出内涵，除旧纳

新，涵盖最新技术，兼顾广度和深度，形成操作系统清晰的

全局知识框架。强化创新实践，以项目学习为牵引助力学

生突破知识结构。课程建设的重点是注重学生计算思维、

工程思维、系统编程思维能力的培养，关注学生面向未来的

创新创业能力的养成。2.1原理课程资源建设多年来,教学团队选用左万力编著的《计算机操作系统

教程》国家级、省级规划教材，推荐国内外广泛认可的《操作CURRICULUM TEACHING系统概念》《现代操作系统》《OSTEP》等作为主要参考书。

精心挑选互联网上最新的操作系统课程资源，包括：

GitHub、大学慕课、公开课，知乎、微博等。引导学生充分利

用网络资源来学习教材之外的前沿知识，了解新兴产业的

操作系统设计上的需求，拓宽了学生视野，激发了学生学习

动力和激情。根据新工科的人才培养需求，课程教学团队对课程

目标和教学计划进行重新的规划，编写课程教材、PPT资

源和实验项目，拟构筑操作系统原理全方位复合型的知

识结构。表1 操作系统原理课程教学目标目标类别课程目标描述1. 掌握操作系统的基本概念、体系结构和硬件运行环境知识2. 掌握操作系统内核核心原理和关键技术3. 了解操作系统新技术和新思想1. 掌握操作系统的设计方法，能分析和设计简单的操作系能力2. 掌握操作系统库函数进行系统级程序设计和并发程序设3. 初步掌握源代码阅读、分析和重构修改能力表2操作系统原理课程教学计划周 授课内容1什么是操作系统2四个基本的操作系统概念3抽象h线程和进程(程序员的视角）4抽象2:文件和!/0(程序员的视角）5抽象3:IPC、管道和套接字(程序员的视角）6进程同步丨：并发和互斥7进程同步2:信号量、锁和原子指令8进程同步3:管程读者/写者9进程同步4:进程结构设备驱动程序10进程调度11进程死锁12地址变换缓存TLBs按需调页13I/O存储设备14文件系统15TCP/IP网络16分布式系统2.2实践教学资源建设实践性教学是培养学生系统开发实践技能的主要教学

环节和手段。教学团队设计各个核心模块的实验内容，包

括系统级应用开发类、系统模拟类、核心算法实现类、l6iLin-

ux源代码和ucore

OS源代码分析类实验课题。根据操作

系统原理课程关键模块的内容，构建的实践课题如表3

所示。2021年/第12期/4月（下）93统计

•课酲教字表3操作系统原理实践课題进程同步Peterson软件算法和硬件算法(汇编）系统级应用开发基于Linux的典型进程同步问题的模拟实现：（生产者/消费者问题、

各类读者/写者问题、无死锁哲学家就餐问题）进程管理模拟设计系统模拟实现内存管理模拟设计文件系统模拟设计处理机调度算法实现银行家算法实现核心算法实现类死锁检测算法实现页面淘汰算法实现内核初始化分析Linux5.0、ucore

os内核进程创建分析Linux5.0、ucore

os源代码分析内核调度机制分析Linux5.0、ucoreos内核文件系统分析Linux5.0、ucoreos

内核设备驱动分析Linux5.0、ucore

os实践教学让学生能够更深入理解操作系统的抽象原

理、运行机制和设计思想，也促进学生系统级编程能力的

提高。3课程教学方法与实施在操作系统教学课程中，团队不断探索教学方法，致

力改善教学成效。教学原则以学生为中心，对于课程教

学内容的重点与难点，应用启发式探宄型的教学法由浅

入深、循序渐进地讲授，让学生自主研宄地学习、领会、

融会贯通。课堂凝聚在学生积极投入、思索、探宄的学

习过程。教学内容组织上，团队凝练出操作系统的四个基本概

念:线程、地址空间、进程、双模式/保护，17]以此为主线层层

深入，建立系统的整体视野。操作系统的要旨：控制程序

的运行，从编辑程序开始，然后编译、加载到最后的运行都

离不开操作系统背后的支持。虚拟化技术是理解课程的

一个关键，课程的内容主要围绕各个抽象展开：线程是

CPU核的抽象、地址空间是内存的抽象、文件是磁盘的抽

象、套接字是网络的抽象及机器是进程的抽象。对操作系

统各个子系统核心模块，精讲算法设计思想，剖析算法的

精妙，引领学生去思考设计思路:设计的缘由，做了什么事,

如何做，达到什么效果，不足之处如何改进等。课程涉及

具体的软硬件技术，如，Intel 64

and 1A-32架构、ARM体

系、Linux内核的库函数API等参考官方技术手册来寻找

第一手精准答案。针对操作系统原理课程大量晦涩难懂94 2021卒/第12期/ 4月（下)的概念和原理，教学团队精心设计了丰富的小实例。如

vcpu虚拟化、内存虚拟化、并发等一些小例子;又比如系统

调用，用c语言的0S库和汇编语言分别编写一个系统调

用的代码，并用strace工具测试，让学生对看不到的系统调

用有了直观的感受。教学团队注重操作系统内核源代码

的分析，将抽象的原理化为具体的示例。例如Linux进程

创建fork,通过源代码跟踪，让学生真实感受fork都做了

哪些事。再比如Linux中断处理，考察源代码中断相关的

的数据结构和内核函数，学生真切体会到中断处理的整个

流程，对如何编写一个中断处理程序有一个清晰的逻辑。

教学团队也注重项目驱动式案例教学，通过创设情境，提

出问题、分析问题、解决问题来提高学生的兴趣，加深概念

的理解记忆。教学方式上，改变满堂灌的传授知识模式，注重学生自

主探宄式的学。课前分发多媒体课件、视频、课程阅读材料

让学生预习。课中突出内涵，讲述重点内容，展开分组合作

式讨论学习，鼓励提问，活跃课堂气氛,增进教学互动。课

后要求学生对所学知识加以巩固、加以验证和灵活应用，训

练学生举一反三，个性化地“造轮子”,促进创新创业能力的

养成。教学团队一直致力改善操作系统课程的教学效果，

尝试翻转课堂、智慧课堂181等授课模式，应用课堂派软件、

QQ教学群等工具进行辅助教学，对教学设计进行创造性

的建设。4结束语新工科的核心是以市场的需求为导向，大力培养具

有面向未来的卓越工程创新人才。在新工科视角下，人

才培养能力的提升落实到课程建设上来。操作系统是计

算机专业的主干课程，是实施计算机系统能力培养的核

心和着力点，同时也是最复杂的系统软件。诚毅学院操

作系统原理教学团队基于成果为导向，以学生为中心，通

过吸收国内外名校课程的知识体系，突出课程内涵，涵盖

新技术，强化实践，从操作系统基本原理、技术和实践应

用三个方面重构课程教学内容。操作系统课程的教学改

革，力图建立一个好的课程知识体系让学习不再盲目，有

效地引导学生更顺畅地学习操作系统,更深入、全面地掌

握地操作系统的设计思想，重点训练学生的计算思维、工

程思维、系统编程思维能力，关注学生面向未来的创新创

业能力的养成。★基金项目：202001福建国科信息科技有限公司教育

部“产学合作协同育人”（新工科视角下网络专业产教融合

建设）(下转第97页)

CURRICULUM TEACHING解析几何创新创业査阅资料

解析几何方法

数学软件科技创新i果题论提出问题分析问题几何模型解决问题文|推广实践创新竞赛提炼新问题图3 “解析几何”与创新创业融合实践和创新型教学团队。创融合”,在“解析几何”的专业教育中培养学生的创意意识

2 “解析几何”专业课教育与创新创业教育融合模式的和创新能力。实践★项目：2019年度陕西高等教育教学教改研究项目：

以培养学生创新能力为中心，以“专业知识+课程实

师范专业认证背景下数学与应用数学专业综合改革研究与

践”为途径，对实际问题建立几何模型，通过数学软件进行

实践(编号19ZY013);教育部产学合作协同育人项目：“互

求解进而解决实际问题并进行推广实践，指导学生发表科

联网+”背景下与数学专业融合的创新创业教育实践(编号

技创新论文，参加各类创新创业竞赛。目前己经按照创新

2);陕西理工大学校级一流专业子项目：创新

创业教育与专业教育融合模式，基于创新创业教育理念和

创业教育与“解析几何”专业课教肓融合模式研究方法对“解析几何”的课程大纲、教学内容、教学方法(线上

线下结合)进行了修改，在超星学习通上自建“解析几何”课

参考文献程，己经上传了课程的教学大纲、授课教案。“解析几何”教

[1]

和斌涛互联网+”背景下创新创业教育与数学专业教育的融合

学团队参加了学校的“金课”评选，以创新创业的理念打造

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解析几何和创新创业的完美结合，本课程教学团队近年来

策略[•!].黑河学院学报，2019,10(丨2):131-134.指导学生参加全国数学建模竞赛、计算机设计大赛等获省

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罗天琦.数学软件在解析几何教学中的应用研宂[D].西南大学级一等奖5项,二等奖8项，指导学生完成国家级大创项目

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徐德明.高中解折几何知识中数学思想方法的教学策略研究[D].

2项，省级大创项目4项。哈尔滨师范大学,2019.3结语[6]

秦闻聆,何治艳，戴榕.CT图像重建计算机模拟实验研究m.硅谷,

本文从教学内容、教学方法、课程实验、教学团队四个

2014,7(15):45-48,方面讨论了如何在“解析几何”专业课教学中进行创新创业

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