面向电子商务专业的《操作系统》实验教学

基金项目：国家自然科学基金(11005081)；浙江省自然科学基金项目(Y1110322)；浙江省高校本科计算机科学与技术教学指导委员会专项教学改革项目(2011-4)

[摘 要]针对电子商务专业课程偏重应用的特点,提出了一套新颖的《操作系统原理》实验教学方案.本方案分为四个层次：首先,构建基于UbuntuLinux和QtCreator的全新实验平台,学生可借助Qt开发包在Linux系统上简便地编写出带GUI界面的程序；其次,在本实验平台上模拟教材中的若干重要算法；然后借用Qemu虚拟机和Eclipse实现对Linux内核代码的调试,让学生深入了解内核代码结构；最后要求学生修改部分内核代码并重新生成内核.本方案较传统教学方法提供了有吸引力的实验平台,增加了对内核代码结构的调试、分析和修改.教学实践结果表明本方案极大地提高了学生的学习兴趣和动手能力,实现了学以致用的目标.

[关 键 词]操作系统,实验教学改革,Linux,Qt,

一、前言

《操作系统原理》不仅是计算机科学与技术专业的核心课程,通常也是电子商务、信息管理与信息系统等计算机相关专业的必修课.学好该课程,对于掌握计算机原理和底层编程技术具有重要的意义.然而,该课程普遍存在理论与实践相脱节的问题,与电子商务专业注重务实的需求相悖.无论教材还是教学过程,都过于强调概念和算法的掌握,将操作系统这个复杂的系统软件过于抽象化、模型化,导致学生普遍感觉该课程枯燥无味、所学知识与实际系统相距甚远,进而导致学生对该课程不感兴趣.参考国外先进教学经验不难发现,该课程的重点在于实践.许多国外著名大学在开设该课程时都要求学生编写或修改系统内核,不只是停留在对原型系统的理解层面上.因此,本教学改革将内核分析引入实验教学,期望学生在掌握原理的同时还可以融入内核的开发维护工作.另外,为了提高学生的学习兴趣,还将构造一个新颖的、具有较强吸引力的实验平台.

二、四个层次的实验教学方案

本教学方案遵照循序渐进的原则将实验教学分成四个层次,由低到高分别为：实验平台层、算法仿真层、内核调试层和内核构建层.实验系统为Ubuntu11.10,集成开发环境为QtCreator,虚拟机为Qemu,内核版本为3.0.3,内核代码调试器为Eclipse.

1.实验平台层

Ubuntu是当前最主流的一种Linux发行版,具有近似于Windows的友好界面及丰富的软硬件支持.由于现行教材绝大多数以Unix/Linux为蓝本,将Ubuntu作为实验系统有利于理论联系实际.QtCreator是基于Qt开发包（开源）的C++集成开发环境,具有运行速度高、占用资源少等优点,借助其可简便地设计出带GUI界面的程序.为了帮助学生掌握QtCreator,以MySQL作为后台数据库开发了一个数据库示例程序,实现了Ubuntu平台下简单的物流管理.将Ubuntu和QtCreator结合作为实验平台,提升了用户体验和编程效率,不仅使得原本枯燥的算法模拟变得生动清晰,还促进了该课程与《数据结构》、《面向对象程序设计》、《数据库原理》等课程的融会贯通.

2.算法仿真层

该层是传统实验教学的重点,以模仿各种重要算法的实现为目标.以LRU页面置换算法为例,检测设有n次页面访问、分配给进程的页面数固定为m,那么首先在窗体上设计出具有m个单元的堆栈,每个单元存放一个最近访问过的页面号.若被访页面号在堆栈中存在,便将其抽出堆栈再压回栈顶；反之,淘汰栈底再将新页面号压至栈顶.整个过程在GUI界面上展示,学生可以非常直观地掌握该算法.

3.内核调试层

利用EclipseCDT（C++开发包）和Qemu虚拟机可轻松地实现对内核代码的远程调试,有助于学生深入了解内核代码结构.首先对内核代码执行Make命令生成内核配置（config）文件；然后在Eclipse中建立基于内核源代码的工程,并运用Make命令生成内核镜像bzImage；接着在Qemu虚拟机中按照调试模式运行该内核镜像,即：启动虚拟机时要“冻住”虚拟机,等待调试器发出继续运行的命令；最后回到上述Eclipse工程,任意设置断点并按Debug模式跟踪代码执行流程.

4.内核构建层

内核构建指的是通过修改内核代码实现对内核的维护和开发.与内核调试层相似,首先在Eclipse中建立一个基于内核源代码的工程；然后修改内核代码并运用Make命令生成新内核；最后将新内核拷贝到/boot目录下,修改/etc/lilo.conf中关于内核镜像的设置以启用新内核.

三、小结

本文提出的《操作系统原理》实验教学方案以培养学生的学习兴趣和动手能力为宗旨,满足电子商务专业课程注重务实的需求.所构建的实验平台新颖、有吸引力,通过代码调试分析内核结构提高了学生的实践水平,实现了学以致用的目标.然而,由于教学时间有限,如何进一步提炼教学内容、提升教学效率是下一步探索的目标.