淺談計算機操作系統(tǒng)課程知識體系設(shè)計

摘要: 操作系統(tǒng)課程理論性強且內(nèi)容繁雜,本文設(shè)計了基于資源管理功能和技術(shù)實現(xiàn)縱橫兩條線設(shè)計的課程知識體系,呈現(xiàn)給學生比較清晰的知識結(jié)構(gòu),為培養(yǎng)學生從離散到系統(tǒng)性的學習和思維習慣創(chuàng)造了條件。

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的核心組成部分,是計算機系統(tǒng)硬件平臺中的第一層系統(tǒng)軟件,也是計算機及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)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(fā)中都處于非常重要的地位。

一、課程教學難點

1.理論性強

該課程教學內(nèi)容理論性強、概念抽象、涉及知識面廣,學生時其整體實現(xiàn)思想和技術(shù)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于記憶的狀態(tài),忽略了對課程各部分間關(guān)系和課程教學目標的把握。因而該課程是計算機專業(yè)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

很多學生對學后有立竿見影效果的課程興趣較大,如程序設(shè)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(tǒng)這樣原理性強,實驗要求高,設(shè)計一個操作系統(tǒng)又不現(xiàn)實的課程,一些學生因感覺學習后效應(yīng)不會立即顯現(xiàn)而對課程重視度較低。

二、教學目標

操作系統(tǒng)是目前最復雜、技術(shù)含量最高的軟件,在計算機專業(yè)軟、硬件課程的設(shè)置上起著承上啟下的作用,其中的許多設(shè)計思想、技術(shù)和算法都可以推廣和應(yīng)用到大型的、復雜的系統(tǒng)設(shè)計,以及其他領(lǐng)域。因此,其教學目標應(yīng)重在培養(yǎng)學生理解和掌握計算機操作系統(tǒng)的基本工作原理、設(shè)計技術(shù)及設(shè)計方法,培養(yǎng)學生開發(fā)系統(tǒng)軟件和大型應(yīng)用軟件的意識和能力,同時還要讓學生了解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的新思想、新技術(shù)和發(fā)展研究動向。

三、課程知識體系設(shè)計

鑒于以上課程教學難點,教師若能從繁雜抽象的理論中理出一個脈絡(luò)清晰的課程知識體系呈現(xiàn)給學生,將為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(nèi)容有縱、橫兩條主線,縱線主要指操作系統(tǒng)各功能的設(shè)計思想、處理機制,橫線主要指功能實現(xiàn)的具體技術(shù)方法、不同環(huán)境下的實現(xiàn)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(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則,從知識模塊、知識單元和知識點3個層次來設(shè)計。其中知識模塊代表特定學科子領(lǐng)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(fā)來設(shè)計,通過基于操作資源管理功能的知識建構(gòu),學生能明確所學內(nèi)容在知識體系中的層次、位置、關(guān)系。此處為使結(jié)構(gòu)更清晰,按操作系統(tǒng)資源管理功能出發(fā)的縱向功能線細化為進程管理、處理機管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶接口六個知識模塊,由此設(shè)計的縱向功能線知識結(jié)構(gòu)如下:

(1)進程管理知識模塊包括進程概念、進程調(diào)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征、進程狀態(tài)與轉(zhuǎn)換、進程控制各知識點;進程調(diào)度包含調(diào)度時機、調(diào)度算法、調(diào)度過程各知識點;進程互斥包含與時間有關(guān)的錯誤、臨界資源與臨界區(qū)、臨界區(qū)使用原則、臨界區(qū)互斥訪問的解決途徑、臨界區(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(diào)度、調(diào)度算法、算法評價各知識單元。分級調(diào)度包含作業(yè)調(diào)度、交換調(diào)度、進程調(diào)度各知識點;調(diào)度算法包含作業(yè)調(diào)度算法、進程調(diào)度算法各知識點;算法評價包含作業(yè)調(diào)度算法評價、進程調(diào)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(nèi)存分配與回收、地址映射、內(nèi)存共享、內(nèi)存保護、內(nèi)存擴充各知識點;存儲管理方案包含分區(qū)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(shè)備管理知識模塊包括數(shù)據(jù)傳送控制方式、并行技術(shù)各知識單元。數(shù)據(jù)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;并行技術(shù)包含通道技術(shù)、中斷技術(shù)、緩沖技術(shù)、分配技術(shù)、虛擬技術(shù)各知識點。

(5)文件管理知識模塊包括文件結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)包含文件邏輯結(jié)構(gòu)與文件存取、文件物理結(jié)構(gòu)與存儲設(shè)備各知識點;文件存儲空間管理包含空閑文件目錄、空閑塊鏈、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(tǒng)調(diào)用知識單元。命令接口包含脫機控制命令、聯(lián)機控制命令知識點;系統(tǒng)調(diào)用包含設(shè)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(shù)線

操作系統(tǒng)知識點看似繁雜,但究其原理,在對不同系統(tǒng)資源功能進行管理時,所采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(shù)線,可使被條塊分割的教學內(nèi)容有效關(guān)聯(lián)起來;通過橫縱交錯的連接,可使看似離散的知識有穩(wěn)固而緊密銜接的結(jié)構(gòu)。從操作系統(tǒng)四種重要實現(xiàn)技術(shù)出發(fā)的橫向技術(shù)線包括中斷技術(shù)、共享技術(shù)、虛擬技術(shù)和緩沖技術(shù)。當然,有些技術(shù)在其它相關(guān)課程中已有介紹,也可看出其在整個計算機系統(tǒng)中的重要程度,由此設(shè)計橫向技術(shù)線知識結(jié)構(gòu)如下:

(1)中斷技術(shù)知識模塊是實現(xiàn)程序并發(fā)執(zhí)行與設(shè)備并行操作的基礎(chǔ),它包括中斷類型、中斷優(yōu)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(nèi)中斷知識點;中斷優(yōu)先級知識點在不同的系統(tǒng)中有不同的規(guī)定;中斷事件知識單元包括進程創(chuàng)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(shù)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(shè)備共享、文件共享各知識單元。處理機共享包含進程的并發(fā)執(zhí)行;存儲共享包含外存儲器共享、內(nèi)存儲器共享知識點;設(shè)備共享包含SPOOLing系統(tǒng);文件共享包含便于共享的文件目錄。

(3)虛擬技術(shù)知識模塊是把一個物理實體變?yōu)槿舾擅嫦蛴脩舻倪壿媶卧?使資源的用戶使用與系統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)備包含設(shè)備共享;虛擬文件包含文件共享。

(4)緩沖技術(shù)知識模塊是異步技術(shù)的實現(xiàn)前提,可大大提高相關(guān)資源的并行操作程度,它包括存儲管理緩沖技術(shù)、設(shè)備管理緩沖技術(shù)、文件管理緩沖技術(shù)各知識單元。存儲管理緩沖技術(shù)包含快表;設(shè)備管理緩沖技術(shù)包含硬緩沖、軟緩沖、SPOOLing系統(tǒng)中的輸入/輸出井知識點;文件管理緩沖技術(shù)包含記錄成組技術(shù)、文件表的打開。

四、課程知識體系操作

知識體系的設(shè)計顯然要有必要的操作作為支持才能使其與學習者間進行互動,形成交流并達到知識的內(nèi)化。依據(jù)上述的知識體系設(shè)計,該課程教學可采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(jié)合”方式進行橫向技術(shù)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(nèi)容,教師應(yīng)結(jié)合具體系統(tǒng)的具體實例以講授方式進行,講授過程中對于一些關(guān)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(jié)合”方式可采用將多次出現(xiàn)的具體技術(shù)單獨提出來,討論哪些功能應(yīng)用了該技術(shù)。分小組,一個小組負責總結(jié)一項技術(shù),然后以小組宣講共同討論的方式來加深技術(shù)對功能的應(yīng)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(xiàn)在學生面前,為培養(yǎng)學生從離散到系統(tǒng)性的學習和思維習慣創(chuàng)造條件。

參考文獻:

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