建構主義指導下的“操作系統”實驗設計

摘要：本文探討了基于建構主義的操作系統實驗教學策略設計、實驗教學內容設計、實驗教學情景設計、實驗教學方法設計、實驗效果評價設計，并以支架式建構方法給出了進程通信實驗的過程及步驟。

關鍵詞：操作系統；建構主義；實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1672-5913 (2007) 22-0100-04

“操作系統”課程的教學與實驗一直在計算機學科的教學計劃中占據重要位置，我們進行了一些嘗試和探索，摸索了用建構主義教學理論進行教學實驗的一些方法，提出了操作系統實驗的教學模式。

1建構主義指導實驗的理論和方法

建構主義提倡在教師指導下的、以學習者為中心的學習實驗，也就是說，既強調學習者的認知主體作用，又不忽視教師的指導作用。學生要成為意義的主動建構者，就要求學生在實驗過程中從以下幾個方面發揮主體作用：

●要用探索法、發現法去建構知識的意義；

●在建構意義過程中要求學生主動去搜集并分析有關的信息和資料，對所做實驗的問題要提出各種假設并努力加以驗證；

●要把當前實驗內容所反映的事物盡量和自己已經知道的事物相聯系，并對這種聯系加以認真的思考。

教師要成為學生建構意義的幫助者，就要求教師在實驗過程中從以下幾個面發揮指導作用：

●激發學生的實驗興趣，幫助學生形成做實驗動機；

●通過創設符合實驗內容要求的情境和提示相關知識之間聯系的線索，幫助學生建構當前實驗知識的意義；

●為了使意義建構更有效，教師應在可能的條件下組織協作實驗(開展討論與交流)，并對協作實驗過程進行引導使之朝有利于意義建構的方向發展。

教師在現代教育技術的幫助下，努力創造條件，更多地讓學生主動思考、主動發現、主動探索，從而形成一種更好地教育教學效果。就操作系統課程實驗的教學與實施而言，實驗本身要求要在一定的情境之下才能開展，通過學生與學生、學生與教師之間的協作，完成學習資料的搜集與分析、實驗操作驗證、對實驗結果或現象的仔細觀察、分析來形成新的認識，加深對實驗原理、該實驗所反映出的概念和規律的認識和理解。

2建構操作系統實驗的設計

2.1實驗教學策略的設計

在建構主義理論指導下，操作系統實驗可依據具體的情況采用以下兩種教學策略：

(1) 支架式教學策略

支架式教學為學習者建構對知識的理解提供一種概念框架。這種框架中的概念是為發展學習者對問題的進一步理解所需要的，為此，事先要把復雜的學習任務加以分解，以便于把學習者的理解逐步引向深入[1]。實驗教學中教師圍繞當前實驗主題，按要求建立概念框架。將學生引入一定的問題情境，讓學生獨立探索。探索開始時要先由教師啟發引導，然后讓學生自己去分析；探索過程中教師要適時提示，幫助學生沿概念框架逐步攀升。然后可以進行小組協商、討論，在共享集體思維成果的基礎上達到對當前實驗比較全面、正確的理解，最終完成對所學知識的意義建構。這種策略主要應用在設計性實驗。

(2) 拋錨式教學策略

拋錨式教學要求建立在有感染力的真實事件或真實問題的基礎上。確定這類真實事件或問題被形象地比喻為“拋錨”，因為一旦這類事件或問題被確定了，整個教學內容和教學進程也就被確定了[1]。實驗教學中教師在具體的實驗情境里，選擇出與當前實驗密切相關的問題作為學習的中心內容，教師不直接告訴學生應當如何去解決面臨的問題，而是給學生提供解決該問題的有關線索，并特別注意發展學生的“自主學習”能力，引導學生利用以前的知識建構模塊，通過協作學習來解決問題。這種策略主要應用在驗證性實驗。

2.2實驗教學內容的設計

實驗教學內容主要是由實驗課程目標和學生的特征決定的。操作系統實驗課程目標是：通過實驗的練習，掌握操作系統相關的基本原理和調度算法，掌握現代操作系統的設計思想和方法，并具有動手設計相關功能的能力。因此，操作系統實驗內容的設計應以培養學生設計現代操作系統特征的思想和方法為主線，培養學生設計和驗證相關功能為主要目的。設計教學實驗內容的時候，我們從基本功能的設計著手，用結構化設計的思想培養學生系統設計的能力。根據學生的知識能力、邏輯思維能力和自我建構能力以及學生的特征，我們將操作系統實驗分層設置，分為驗證實驗和設計實驗，驗證實驗部分是操作系統中必須掌握的基本原理及技術，設計實驗則由學生根據實驗要求自己的選擇設計路線和方法。

2.3實驗教學情景的設計

目前實驗室只有微機沒有多用戶環境的計算機，不能提供真實的情景實驗環境，為了讓學生在真實的情景下進行學習，減少知識與解決問題之間的差距，我們引入虛擬操作系統的實驗環境，讓學生在虛擬的實驗環境中完成實驗的最終建構。同時，我們還引導學生利用互聯網創設有豐富資源的學習情景，通過網絡搜尋，得到許多不同情景的應用實例、設計方法和有關的信息資料等等，以便學習者根據自己的興趣、愛好去主動發現和探索。在具體的教學情景中，依據實驗內容創設由淺入深的問題，讓學生在實驗中學習，引導學生進行探究性學習，激發學習興趣，培養創造性思維能力，使他們在發現問題、探索問題及解決問題的過程中不斷獲取知識、鞏固知識。在實際情景教學中，應該營造同學間的互動、交流氛圍，提倡合作學習、自主學習，從而達到主動建構知識意義的目的。同時為學習者提供有援學習環境，當他們遇到問題時應給予有效的援助和支持[4]。

2.4實驗方法、協作實驗的設計

通過實驗內容的學習，學生能了解實驗背景、實驗原理、實驗操作過程等內容。通過演示實例使學生對即將進行的實驗有感性認識，并引發對提出問題的思考，激發他們對實驗的興趣。在已有知識的基礎上進行實地實驗，自主探索，在真實實驗中培養學生的科學實驗素質。

在真實實驗過程中，提倡學生就實驗過程中出現的疑點和難點進行組內和組外討論交流，老師只在學生協作學習過程中加以引導和控制。教師組織學生相互交流彼此的感受，能達到共同學習，取長補短的目的。同時，教師與學生之間也可展開討論、平等交流。在實驗的各個階段中不斷反饋實驗信息，教師針對反饋信息迅速分析出學生在學習中碰到的疑點難點，將這些疑點難點提出來，引導全班學生進行討論。這樣達到讓學生在做實驗的過程中知道實驗中的重點和難點，了解實驗的真正目的。

2.5實驗效果評價的設計

在實驗結束后，老師結合理論技術對實驗情況和實驗目標作出一個評價，讓學生體驗成功的感覺。老師評價要有藝術，主要從激發學生的學習熱情著手，讓每個學生都成為自己學習的勝利者。教師就實驗的重點內容和疑點難點進行總結，使學生能夠重新對原先探究的實驗內容進行梳理、回顧和總結。

學生將整個實驗過程中所獲得的實驗知識和數據進行整理，做出實驗報告。報告中學生可以寫出自己的啟發和感想，自己對知識的創新，甚至后續的探究問題。教師給出評價，引導學生產生探究興趣，培養創造性思維，鼓勵學生自己進行設計性實驗。

3建構操作系統實驗實例

課程實驗是教學活動的重要環節。實驗不僅僅是對理論的驗證，重要的是技術訓練和能力培養，包括動手能力、分析、解決問題能力、協作能力等。它可以彌補課堂教學的不足，加深對理論過程的理解，啟發學生深入思考，敢于創新，達到良好的理論聯系實際的教學效果。對于操作系統課程，如果只是在課堂講授操作系統概念、原理和結構，沒有十分有力的實踐環節加以配套支持，學生學完操作系統后仍然對操作系統究竟如何實現感到茫然，難于真正掌握其設計技術。基于建構理論和原則，以建立多用戶文件系統管理為例，以學生的知識和技能進行建構設計。設計過程中采用支架式建構方法，如圖1所示。

(1) 進程通信的工作方式

建立基于消息緩沖通信，設計客戶/服務器處理方式。通過客戶和服務器進程的設計，模擬進程請求發送的工作過程，加深對操作系統結構、進程的運行、進程通信、線程等概念的理解。客戶進程對文件系統操作提出請求，服務器進程實現對文件的操作[5]。

(2) 進程通信的層次建構

實驗的層次建構如圖2所示。

(3) 進程通信的數據結構

消息緩沖通信涉及的數據結構有：消息結構(發送消息的進程標識符、消息長度、消息正文、消息緩沖區的指針)、進程控制塊(消息隊列隊指針、消息隊列互斥信號量、消息的個數)。設計中讓學生自己獨立探索，以數據結構課程中學過的知識選用適當數據結構來組織數據、存放數據，可以是線性表、隊列和數組等。探索開始時先由教師啟發引導，然后讓學生自己去分析，探索過程中教師要適時提示，幫助學生沿概念框架逐步攀升。

(4) 進程通信的實現

實現過程就是按照實驗計劃解決問題的過程。基于消息緩沖通信的功能，學生依據個人能力和素質特點，使用消息傳遞機制的系統調用，以合適的程序設計方法開發設計并在Linux系統下實現。

(5) 實驗效果評價

效果評價根據實驗建構的方法、實現的功能、需求的滿足給與評價定位。效果評價的重要意義在于依據實驗任務完成的情況分析學生的自學能力、觀察能力、實現技巧、思維能力等方面的特點和長處，通過學生之間的相互交流和評價，創造出一個開放式的評價機制。學生在交流和評價中鍛煉了能力，彌補了不足，使實際問題解決的質量和效果得以升華。通過多設計、多實驗，引導學生思考，訓練了學生的思維能力，促進了學生的動手能力。

4結束語

建構主義的教學思想與現代教育技術的結合，為高校實驗教學注入了新的活力。在實驗教學中培養了學生獨立設計、獨立操作的能力，同時使學生在愉快中主動地、積極地學習和思考，使學生在實驗中體驗、學習。加強了學生在實驗中創新意識、創新能力和實踐能力的培養，促進了學生的全面發展。應用建構主義學習理論改進傳統的操作系統實驗教學模式，能在較短時間內使學生有效地掌握計算機操作系統的基本知識和技能，從而使學生為進一步學習計算機相關知識打下深厚的基礎。

Operating System Experiment Design under the Guidance of Constructivism

Abstract: Based on the theory of constructivism， this paper elaborates the teacher-instructedstudent-centered operating system experiment teaching model. It discusses the operating system experiment teaching strategy design， experiment content design， experiment context design， experiment teaching method design and experiment effect evaluation design. It also offers the procedures and steps of process_communication experiment by applying scaffolding framework.

Keywords: Operating system；Constructivism；experiment

參考文獻

[1] 何克抗. 建構主義的教學模式、教學方法與教學設計[J]. 北京師范大學學報(社會科學版)，1997，(5).

[2] 李琳. 基于建構主義的“EDA技術”實驗教學設計[J]. 湘潭師范學院學報(自然科學版)，2006， 28(2).

[3] 黃剛. 計算機操作系統[M]. 北京郵電大學大學出版社， 1999.

作者簡介

黃剛(1961-)，男，江蘇南京人。南京郵電大學計算機學院副教授。主要研究方向為計算機理論和計算機多媒體應用。

通信地址：南京模范馬路66號 南京郵電大學計算機學院210003

E-mail：nj_huang@163.com

Tel：025-83492463(O)， 13390907318

基金項目：南京郵電大學教改項目“操作系統課程建設的研究與實踐”(JG00406JX17)