操作系统课程的教育刍议

基础理论教学

CC2004计划采用了知识领域、知识单元和知识点的方法描述知识体系。CC2004计划首次将嵌入式系统作为一个知识领域纳入到计算机工程的知识体系中，并规定了该知识领域中实时操作系统知识单元所包含的7个知识点。这些知识点只是涉及到了实时操作系统的基本概念和基本原理，没有包含具体实时操作系统实现和实时操作系统使用的内容。我们根据课程的教学目标，在CC2004计划的基础上，将嵌入式实时操作系统的理论教学内容扩充为8个知识单元。知识单元1是嵌入式实时操作系统历史和概述。知识点包括嵌入式实时操作系统发展历史、定义、组成、功能、应用领域和发展趋势等。通过本单元的讲解，使学生建立起对于嵌入式实时操作系统的全方位认识。知识单元2是实时嵌入式操作系统基本概念。知识点包括前后台系统、临界段、资源、互斥、共享资源、任务、任务切换、抢占式内核、不可抢占式内核、可重入性、优先级、优先级翻转、优先级继承、同步、通信、信号量、邮箱和消息队列等内容［2］。讲解本单元的目的是使学生建立对实时操作系统的初步认识，为后面内容的学习奠定基础。从知识单元3到知识单元7分别是内核的任务管理和调度、时间和中断管理、内存管理、任务间同步和通信以及内核移植。在讲解每一个知识单元时，采取的流程都是:先介绍基本概念和基本原理，再分析典型实时内核UC/OS中的具体实现，最后通过课堂实验学习其使用方法。例如，讲解实现任务间同步的内核对象—信号量时，首先介绍信号量在实时操作系统的作用、基本概念、实现机制和内核提供的关于信号量的基本服务和信号量的使用场景等基本概念［3］，接下来分析UC/OS内核中信号量机制的具体实现，最后通过课堂实验练习信号量的各种使用方法。知识单元8是基于RTOS的软件设计。讲解该单元时，先分析了几种常用的嵌入式软件体系结构［4］(前后台、函数队列调度、基于实时操作系统)及其优缺点对比，接下来重点解释使用RTOS开发应用软件的基本指导原则，最后通过分析典型开发案例点评利用RTOS开发嵌入式软件的主要设计流程以及指导原则的使用［5］。本单元所对应的实践环节是综合实验设计，通过该环节提高学生使用实时操作系统开发嵌入式应用软件的能力。

实践教学设计

该实验设备支持多种层次的实验，本课程所有实验均在该实验平台上完成。课堂实验设计本课程的实验包含了观察性实验和设计性实验两种类型，具体来讲，根据理论教学内容的前7个知识单元，共设计了13个课堂实验，在表中，编号1和2是观察性实验。这两个实验实现的功能相同，均将LCD屏幕划分为左上、右上、左下和右下四个对称区域，并将用户点击的区域填涂为特定颜色。这两个实验在讲解完知识单元1后上机练习，主要目的是使学生认识基于RTOS的软件结构与前后台系统的区别，加深对RTOS使用的整体认识。实验3到实验13均为设计性实验，工程项目源代码文件中的关键函数只给出了函数原型，学生需要根据课堂所学知识实现这些函数，完成实验过程。其中，实验3、5、6、9、11、13为内核模拟或改进实验，要求学生编程模拟UCOS的某个内核功能模块或者改写UCOS代码改进其不完善的功能模块。这些实验都属于内核层的实验。实验4、7、8、10、12为UCOS内核使用实验，要求学生使用UCOS内核提供的各种服务完成应用编程，这些实验属于内核应用实验。综上所述，课堂实验主要分成了两个层次:内核实验和内核应用实验。通过这两种层次的实验设计，实现了理论和实践的结合，达到了使学生理解内核实现和精通应用开发的教学目标。综合实验设计综合实验设计要求学生自行分组、分工合作，利用课下时间设计一个小规模的嵌入式应用软件，并在实验平台上完成调试运行。为了提高学生兴趣，共挑选了了8个游戏项目作为综合实验供学生选择:世界时钟、五子棋、电子菜单、科学计算器、汉诺塔、交通信号控制器、俄罗斯方块和五子棋。本课程也鼓励学生选择一些常见的其他娱乐游戏作为综合实验设计项目。我们在综合实验的说明书中，给出了功能要求、控制方式和注意事项等实验开发要求。学生根据选择的实验项目的具体要求，按着软件工程的流程开发软件并撰写项目文档。项目文档至少要包含需求分析、软件设计、软件测试、使用说明、运行结果、项目分工和总结讨论等内容。考核方式课堂实验、理论考试和综合实验在总成绩中分别占30%、40%和30%。课堂实验和理论考试由每个学生单独完成，因此对于每个学生的考核比较客观。在综合实验中，仅凭项目文档打分无法准确反映组内成员的真实水平。如何解决这一问题是我们下一步的工作。

结语

我校已建立了课程网站评估系统，学生可以课程结束后在网上对课程教学进行评估。评估内容涵盖了教学态度、教学内容、教学方式和教学效果等四个方面。从学生的评估结果来看，他们对于本课程的教学内容选择、教学方式和考核方式等非常满意，但部分学生认为实验课时过短，应该从12课时提高到16课时。还有一部分学生认为总课时数仅为40课时有点偏少，建议提高到60课时。总体来讲，根据学生评估结果以及结合学生的考核成绩来看，课程达到了教学目标的要求，但同时在实验课设计方面需要进一步提高。本课程连续多年评估结果均为优秀。

作者：艾云峰 姚郑 覃力 单位：中国科学院大学