操作系统课程教学设计的思考与研究

杜慧平 史洋

武警警官学院 四川成都 610213

摘要：操作系统课程作为本科学历教育信息技术相关专业的一门核心基础课程。本文通过对操作系统课程教学目标的分析，分析操作系统课程教学过程中的教学内容，思考操作系统课程的教学方法与实验设计，从而进一步实现操作系统课程教学质量的提高。

关键词：教学目标；教学设计；实验设计

引言

操作系统课程的教学目标是理解操作系统的基本概念和主要功能，掌握常用操作系统使用和一般管理方法，具备操作系统的基本安全操作能力的一门必修考试课程，对信息技术人才培养目标具有重要支撑的作用，为从事信息技术工作奠定坚实的基础。如何让学生脱离枯燥的理论学习，同时如何能够激发学生主动学习的兴趣和不断探索的热情，这都成为当前操作系统教学中的研究内容。本文提出的操作系统的教学方法与实验设计是经过在多年的教学实践中验证的，具有良好的教学效果。

一、操作系统的教学设计

本文将操作系统课程设置为60课时，其中，理论教学50课时，实践教学10课时，共计5次实验，该课程在本科学历教育第四学期开设，下面对操作系统课程中的几个重要的部分：操作系统概述、进程管理、处理机调度与死锁和存储器管理进行教学设计，其余部分较为容易理解学习。

1.1 操作系统概述

操作系统的地位、目标和作用：通过分析介绍现有的几大类主流操作系统让学生对操作系统有个大致的初步认识，理解到操作系统的重要意义；操作系统的基本特征及其主要功能：通过对操作系统基本特征的讲解，包含并发、共享、虚拟、异步，对操作系统的主要功能处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、接口等有一个基本的理解。

1.2 进程管理

进程的基本概念，进程的描述方法、状态及其转换：通过案例引入进程的概念，分析进程的四个基本特征，进程的组成部分，进程控制块的概念与作用，通过案例分析进程的状态及转换：就绪状态、执行状态、阻塞状态及对应的进程三状态转换；添加创建状态、终止状态后形成的进程五状态转换；以及引入挂起操作后，将就绪状态分为活动就绪状态和静止就绪状态，将阻塞状态分为活动阻塞状态和静止阻塞状态的进程七状态转换。

进程的控制方法：主要是进程的创建、进程的终止、进程的阻塞与唤醒等，为第一次实验进程控制的实现方法打下理论基础；进程同步与互斥的概念和实现进程同步与互斥的方法：通过案例引入进程进程同步与互斥的概念，讲解临界资源的使用方法，通过经典问题生产者和消费者问题，分析同步机制应该遵循的规则，同时引入信号量实现进程同步与互斥，为第二次实验进程同步：生产者消费者问题打下理论基础。

进程通信的基本原理和线程概念：通过使用队列、管道、Socket三种方式实现进程间通信，为第三次实验进程通信打下理论基础，通过与进程对比引入线程的介绍，讲解线程的基本属性和特点。

实验部分：主要分为三次实验，第一次实验是进程控制的实现方法：通过代码实现进程的进程的创建、进程的终止、进程的阻塞与唤醒等操作，并且将进程运行中的参数打印出来，通过实验让学生对进程有个深刻的印象；第二次实验是进程同步：通过代码实现生产者消费者问题，让学生看到如何实现进程间的同步与互斥；第三次实验室进程通信：通过代码实现进程间的通信，尤其是使用Socket设计服务器端和客户端，先建立网络连接，然后实现进程间的信息传递。

1.3 处理机调度与死锁

处理机调度算法：首先讲解处理机调度的概念，调度算法的评价准则，通过案例介绍三个层次的处理机调度，高级调度、中级调度和低级调度，并且分析处理机调度算法的不同评价准则；然后讲解不同的处理机调度算法：先来先服务算法、轮转法、最短进程优先算法、最短剩余时间算法等不同算法，通过设置具体的场景计算不同算法的进程完成时间、周转时间和带权周转时间，从而实现不同算法的对比分析，让学生对每种算法有直观的感受；同时为第四次实验进程调度算法的模拟打下理论基础。

死锁相关内容：首先讲解死锁的概念，产生死锁的原因及必要条件，通过进程推进顺序不当引起死锁的案例分析死锁产生的原因，分析产生死锁的四个必要条件，得出处理死锁的四种不同方法和预防死锁的三种不同方法，关键在于深刻理解产生死锁的四个必要条件。然后讲解银行家算法避免死锁的方法，引入安全状态的概念和如何判断当前系统是否处于安全状态的方法，分析银行家算法的四种数据结构：可利用资源向量、最大需求矩阵、分配矩阵和需求矩阵，讲解银行家算法的步骤和安全性算法的步骤，通过具体的案例使用银行家算法判断当前系统是否安全，是否允许当前请求是否允许，银行家算法的资源分配表数据复杂不易计算；最后通过资源分配图分析死锁定理和解除死锁的方法。

实验部分：进程调度算法的模拟，通过设计进程控制块和显示不同时间片所有进程的状态，计算不同进程调度算法下进程的调度，并且通过打印语句显示不同算法下所有进程的完成时间、周转时间和带权周转时间，然后与理论课上讲的内容对比验证代码的正确性。

1.4 存储器管理

存储器管理基础：首先讲解存储器管理的基本概念，对比分析寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘存储器等不同存储设备，讲解四种不同的连续分区存储管理方式：单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配和动态可重定位分区分配，其中动态分区分配方式又分为首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法，该部分为第五次实验的理论内容，并分析内部碎片和外部碎片产生的原因。

内存离散分配的三种方式：分页式存储管理方式，分段式存储管理方式，段页式存储管理方式，通过讲解页和页框，页号和页表，分析使用分页式存储管理如何实现用户地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中的物理地址，以及两级页表的地址转换方法；通过分析分段的意义引入如何通过分段的方法实现分段系统地址转换方法，最后结合分页和分段的各自优势，讲解段页式存储管理方式，介绍如何使用段表和页表实现地址转换方法。

虚拟存储管理：首先分析虚拟存储器产生的原因，讲解虚拟存储管理的原理，然后讲解四种页面置换算法：最佳算法、最近最少使用算法、先进先出算法和时钟算法，通过案例对比分析不同算法的优缺点。

实验部分：动态分区分配方式的模拟，通过设计内存信息格式和显示不同时刻的内存状态信息：分配状态、分区号、起始地址、终止地址和分区大小等，代码实现首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法四种内存分配方法的模拟操作，让学生对内存分配产生直观的感受。

二、总结

操作系统课程的教学内容知识点多且不易理解，需要教师通过较多的案例和实验代码仿真实现辅助学生理解记忆。本文基于操作系统课程多年的教学经验，较为详细的教学设计讲授了教学中的操作系统课程教学设计，尤其是分析了每个部分的教学方法，对于提高操作系统课程的教学质量有一定的参考意义。

参考文献

[1] 孙增国. 操作系统课程“五维一体”全面信息化教学实践[J]. 软件导刊,2020

[2] 杨婷婷. 混合教学模式在“操作系统”中的研究与实践[J]. 无线互联科技,2020

[3] 任冬梅 以能力培养导向的操作系统课程混合式教学探索[J]. 教育教学论坛,2021