《操作系统原理课程设计》Curriculum Design of Operation System Principle教学大纲

制定时间：2025   年 3  月

一、课程基本信息

（一）适用专业：

软件工程，软件工程（3+2），物联网工程，物联网工程（3+2），计算机科学与技术，计算机科学与技术（3+2），智能科学与技术，智能科学与技术（3+2）

（二）课程代码：

3ZN1053A

（三）学分/课内学时：

1学分/16学时

（四）课程类别：

专业教育

（五）课程性质：

（必修）/（实践课）

（六）先修课程：

计算机科学导论，操作系统原理与实践，C语言程序设计及应用，数字逻辑与计算机组成，数据结构与算法，操作系统原理与实现

（七）后续课程：

（软件工程）创新实践环节，毕业设计

二、课程教学目标

《操作系统原理课程设计》是计算机类专业的实践类必修课程，是与《操作系统原理与实现》相配套的实践环节，旨在通过理论与实践相结合的方式，强化学生对操作系统核心模块的开发能力与应用能力。课程以成果导向教育（OBE）理念为指导，围绕进程管理、内存管理、文件系统等操作系统核心原理展开教学，要求学生通过设计与实现小型操作系统功能模块（如进程调度器、内存分配器），掌握操作系统开发的关键技术与工程方法。课程突出软件工程规范，强调模块化设计、版本控制等工程实践能力的培养，并通过团队协作完成综合性项目，提升学生的沟通协调与问题解决能力。课程深度融入思政元素，通过剖析国产操作系统（如OpenEuler）的技术突破与创新路径，培养学生的科技报国意识与民族自豪感；结合 “生产者 - 消费者问题” 等经典案例，引导学生思考资源分配的公平性与社会责任，强化网络安全与法律意识。课程通过项目开发全流程训练，使学生在掌握操作系统原理的同时，形成严谨的工程素养、系统思维与创新能力，为后续专业课程学习奠定坚实基础。

课程目标及能力要求具体如下：

（一）具体目标

目标1：学生能够基于OpenEuler开发环境与Linux 0.11内核源码，设计并实现操作系统核心模块的改进方案 （如调度算法优化、内存管理策略扩展等），并通过实验验证其功能与性能。 （对应毕业要求指标点4.1）

目标2：学生能够综合运用操作系统原理，解决多模块协同的复杂问题，并通过团队协作解决实际工程问题。（对应毕业要求指标点4.2）

（二）课程目标与毕业要求的对应关系

三、教学内容与方法

（一）教学内容及要求

（二）
教学方法

在本课程中，结合OBE理念与工程教育需求，建议教师采用以下分层递进、虚实结合的教学方法体系，确保学生在16学时内掌握核心原理并完成实践目标。

1. 分层递进式任务驱动法  

以“模块化实验+综合项目”为主线，建议将复杂内核功能分解为可操作的阶梯任务。在进程调度模块中，可要求学生通过注释Linux 0.11源码中的“schedule()”函数理解原始时间片轮转逻辑（基础层），逐步扩展为支持动态优先级调整的多级反馈队列（进阶层）。最终在所有模块完成后，全部整合至Linux0.11原码中进行联合调试和编译。这种设计符合认知规律，避免学生因代码量过大而丧失兴趣，同时通过“小步快走”的成就感维持学习动力。

2. 问题导向的逆向工程教学法  

针对操作系统底层机制抽象性强的特点，采用“缺陷修复”与“功能增强”两类问题驱动模式。在内存管理实验中，可提供一个存在内存泄漏的简化版“malloc()”实现，要求学生通过调试工具定位问题并改进分配算法；在文件系统设计中，建议设置“数据块链表遍历效率低下”的缺陷场景，引导学生通过引入算法优化存储性能。此类方法通过真实问题激发探究欲望。

3. 可视化的融合教学  

利用现代工具链增强实验的交互性与趣味性。可在系统引导实验中，通过“qemu+gdb”动态展示MBR加载过程，并要求学生修改引导代码实现彩色字符输出或进度条动画；在进程同步实验中，设计基于信号量机制的“哲学家就餐”模拟程序，通过日志输出与进程状态可视化工具观察死锁现象。

4. 协作式开源社区实践  

借鉴GitHub协作模式，建议要求学生将实验代码（如改进的调度算法）提交至课程仓库，通过Pull Request进行代码评审，并遵循真实开源项目规范编写文档。建议引入“调度算法性能竞赛”机制，对学生的调度器实现进行公平性与吞吐量排名，培养学生的团队协作能力，通过竞争机制强化工程实践意识。

四、考核及成绩评定

（一）考核内容及成绩构成

（填写说明：对应课程目标设计考核内容、成绩评定方式、目标分值，以及目标达成度计算方法。课程考核成绩包括实验过程、课程报告三个部分。实验过程可考核学生对课程设计的参与程度，可采用阶段成果提交等方式进行评定，阶段成果要求学生提交每个模块的对应代码和运行结果数据；课程报告则是课程设计实施过程及最终集成成果的总体记录。注意，高支撑课程相应目标的考核分值应高）

（二）考核成绩评定

实验：必做实验模块6次，支撑目标1、目标2，共占总评分40%，目标1占20%、目标20占10%。对应目标的评分标准如下：

五、参考学习资料

推荐教材1：《计算机操作系统》（慕课版），汤小丹，王红玲，姜华等，人民邮电大学出版社，2021年，第1版，ISBN：97875115561152

参考资料2：《操作系统原理及Linux内核分析》，李芳，刘晓春，李东海，清华大学出版社，2023年，第3版，ISBN：9787302631705

参考资料3：《操作系统原理、实现与实践》，李治军等，高等教育出版社，2018年，第1版，ISBN：9787040492453

参考资料4：《操作系统原理与实训教程》，范辉等，高等教育出版社，2015年，第3版，ISBN:9787040436921

参考资料5：《操作系统课程设计》，朱敏等，机械工业出版社，2021年，第2版，ISBN：9787111695721

参考资料5：《Linux 内核完全注释 20周年版》，赵炯，机械工业出版社，2023，ISBN：9787111740650