“操作系統”課程教學方法探索

侯一凡　戚旭衍

摘要:“操作系統”是一門涉及面很廣的專業基礎課程,理論性強,知識點多,講授過程中相對較難理解。本文結合作者多年教學實踐經驗,總結了類比法教學、動畫支持的多媒體教學和討論互動教學等一系列通俗易懂的教學方法。實踐證明,此類教學方法,能為廣大學生接受,效果顯著。

關鍵詞:操作系統;類比法;多媒體動畫;討論與互動

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

計算機“操作系統”課的教學一直在計算機學科的教學計劃中占據重要地位。在美國IEEE-CS和ACM 聯合專題組發表的CC2001報告中,提出了14個知識領域,操作系統便是其中之一。中國計算機學會教育委員會、全國高等院校計算機教育研究所所提出的“計算機專業教學計劃1993”也把“操作系統”列為一門主要的課程。因而,“操作系統”教學一直受到各個學校的重視,在國內有很多人從事這方面的研究,探討了教學過程中的教材、實驗、考核等環節。

“操作系統”課程是計算機專業的主干課程之一,其內容是由各種計算機操作系統的組織結構、設計思想、實現方法和相關理論綜合而形成的。它是一門承上啟下、理論性和實踐性兼備的專業基礎課。它涉及的基本概念多、密度大、抽象、易混淆;專業術語涉及的知識面廣,某些技術的實現思想難以理解。

隨著計算機技術的高速發展,計算機系統的發展變化日新月異,作為計算機系統核心組成部分的操作系統功能越來越強大。操作系統設計中的新思想和新方法不斷出現,使操作系統的內涵和外延發生了巨大的改變。在“操作系統”的教學活動中,如何盡可能清楚和全面地為學生展現當代操作系統的本質、特點和發展方向,用通俗易懂的教學方法,傳授課程的知識點,對任課教師來說是一項具有挑戰性的任務。

本文結合作者在“操作系統”課程教學中的實踐經驗,總結了以類比法教學、動畫支持的多媒體教學和討論互動教學等為代表的新穎教學方法。這些教學方法重視教學中教師與學生之間的相互作用,能充分發揮學生的主動性、積極性和首創精神,達到了預期的授課效果。

2“操作系統”課程特點

“操作系統”是計算機相關專業的一門主干課程,該課程的主要目的是使學生了解并掌握計算機操作系統的原理、結構以及基本實現方法,使學生系統科學地受到分析問題和解決問題的訓練,為以后進行深層的軟件研制與開發打下堅實的基礎。在作者的教學實踐過程中,發現該課程存在以下三個特點。

2.1操作系統本身發展迅速

類似于其他計算機軟、硬件技術的發展,操作系統也經歷了系統結構與實現技術的變更與發展。早期的操作系統由于受硬件、程序設計語言及軟件設計技術的限制,一些設計原理與實現技術相比于現代操作系統來講已經是過時或不合理了。操作系統設計技術的發展,對課程授課內容提出了新的要求。這就需要授課老師能緊跟當前國內外操作系統技術發展的前沿,適時地對教材的內容進行修訂,從發展中找出規律和創新思路,以指導學生進行更深入地創新活動。

2.2課程理論知識性強

“操作系統”課程理論性較強,部分知識點抽象難理解,學生難以掌握其核心內容,所以在學習過程中易出現逃避和害怕心理。如何將課程中抽象內容和現實生活中客觀實例結合起來,是提高授課質量的關鍵點。

2.3實踐操作內容要求高

學習操作系統,不只為了掌握其基本原理,關鍵在于運用掌握的原理進行操作系統相關實驗,甚至設計。從基本程序、子系統到多道程序系統、進程、進間通信與同步,再到文件系統、存儲系統設計,直至構造一個真正的、簡單的、有一定功能的操作系統。這對學生的課程學習提出了最高要求,然而這需要老師在其中切實充當好領路人,通過互動討論等方法將學生 “扶上馬,送一程”。

3類比法教學

“操作系統”課程內容龐雜,涉及面廣,是由其在計算機系統中承擔的任務決定的。要使學生在有限的時間內掌握它有一定困難。為提高教學質量和水平,作者嘗試在教學過程中采用類比教學法,將抽象理論和概念轉化為學生容易理解的具體現象,用通俗易懂的方法完成課程教學。

3.1類比教學法概念

根據作者的教學實踐,總結出欲將一系列復雜問題,通過簡單明了的方式表達出來,進而達到授課目的,類比教學法是其中一個行之有效的方法。

所謂類比教學法,就是根據類比法的特點而組織起來的教學,包括用類比法設計教案、課件、教學等,在教學過程中向學生滲透類比思想。類比教學法是創設真實生動情景的有效工具之一,教師運用類比法創設的問題情景,能有效地促使學生發現新知識、新方法,讓學生沉浸在問題情景中,將要探索的問題與已有經驗聯系起來,找到類比的對象,進而運用對此類比對象的研究所取得的成功經驗、方法和結果等進行分析比較,建構類比以尋求規律,大膽猜想并找出證明思路,為建構知識意義打下良好的基礎。

3.2類比法的應用

類比是根據兩個對象有一部分屬性相類似,從而推出這兩個對象其他屬性亦相類似的一種推理方法。人們認識事物和理解一個新問題很容易從一個客觀可見的實體出發,然后通過自己感官認識并理解它。在授課過程中,可將操作系統相關概念和生活中的事例結合起來分析。下面以實例來說明類比法的好處。

首先以操作系統概念為例。操作系統是計算機系統中的核心系統軟件,它負責控制和管理整個系統的資源并組織用戶協調使用這些資源,使計算機高效地工作。為更好理解這一概念,在闡述操作系統定義時,可以把它理解為計算機系統資源的大管家,類似于一個大的集團公司的“主管人員”。為確保一個集團公司的目標要得以有效實現,必須通過層層分解,將任務落實到各個部門,直至組織的每個成員身上。而操作系統有五大功能,分別是:處理機管理,存儲器管理,設備管理,文件管理和用戶接口管理;類似于主管人員的五個部門主管,如銷售、研發、人力資源等。通過此類比,學生立刻就明白了操作系統的概念,并可延伸其至管理方法。

類比法教學不僅有助于學生理解操作系統相關概念,還有助于指導他們在課程學習中創新。如講述“資源管理”這一知識點時,可將CPU資源比喻成餐館,而將欲占用CPU資源的進程比喻成顧客。顧客為了就餐,必須按照到餐館的時間順序進行排隊,這是操作系統中處理多個進程的基本方法。那么有的學生提出,可以擴大餐館的規模,于是引出進程并行的方法。另一個問題是,往往由于某個進程等待某一資源,而拼命地“空轉”,不斷地查詢當前CPU的狀態,造成資源的浪費。而類似的,餐館中服務員叫號的方法,等待期間顧客可以忙自己的事情,而不必進行查詢,叫號后由服務員喚醒當前正在等待的顧客,于是又引出操作系統中中斷的機制。其實,很多操作系統中采取的策略,均來自生活,因而用類比方法授課,可達到很好的效果。

上述是作者在教學過程中運用類比教學法的個別案例。在操作系統中還有很多問題可用生活中的事例去類比講解。如“優先級調度算法”,本義是指從進程就緒隊列中挑選優先級別高的進程,并且把CPU分配給它使用,可把它比喻成火車站售票窗口軍人優先的例子;還有“死鎖”的概念可比喻成生活中交通堵塞的問題;臨界區資源可比喻成在電話亭排隊打電話等。這些恰當的比喻都能幫助學生理解和掌握抽象的概念和原理。想在教學中用好類比教學法,首先要求教師能深刻透徹理解問題的本質;其次要求教師有豐富的生活閱歷,具有敏銳的觀察力;最后還要教師能夠用精煉風趣的語言把二者巧妙結合在一起,分析二者本質上的相似點,以此讓學生掌握問題的本質,否則效果會適得其反。

4動畫支持的多媒體教學

隨著科技的發展,計算機技術發展本身也促進了現代教學方法的進步,傳統的粉筆加黑板的教學模式已經難以適應信息化時代的需求。計算機輔助設計技術的發展,使多媒體技術在課程教學中得到了越來越多的應用,也取得了越來越好的效果。

筆者還在國防科技大學就讀時,在“計算機系統結構”的課堂上,曾被張晨曦教授用“網動王”所設計的課件震撼。張教授以動畫形式展示了流水線各個階段的全過程,非常通俗、清晰地說明了所有問題,使原本難以理解的流水線問題變得簡單。這就是動畫技術的特點。于是當筆者成為一名老師時,便開始了在“操作系統”課程授課中探索多媒體、動畫教學的歷程。

在教學中,筆者常將操作系統中理論性強、極其抽象的內容制作成Flash動畫。例如在講述死鎖這一內容時,對多個進程死鎖的產生和進程競爭等,用Flash動畫來演示,以便在課上形象講解各個進程需要占用的資源,競爭的產生,死鎖產生的原因及依賴關系等。課程講述過程中,可采用PowerPoint和動畫結合的課件模式,能用動畫的絕不用靜態表示方法,能用圖片表示的絕不用文字等,切實給學生以直觀印象,加深他們對課程內容的理解。尤其是對一些較難的算法必須編寫教學軟件進行動態演示。用動畫技術展示算法的全過程,加深學生理解。

實踐證明,采用現代化的教學手段,用生動活潑的表現形式展現教學內容,可以化抽象為直觀,激發學生學習興趣,強化教學效果。

5討論互動式教學

現代教育呼喚人的主體精神,高等教育的教學實踐活動也必須實現從以教師為中心向以學生為中心的轉變,使學生和教師同時成為課堂的真正主人,更好地鞏固教學效果。而“討論互動式”教學方法正好符合這一要求。

5.1討論互動式教學的必要性

“討論互動式”教學以培養學生自主學習能力為宗旨,以實現課程教學目標為目的,通過開展課堂討論、課堂辯論、網上討論、小組討論等教學活動,使學生對專題問題有進一步的理解,能夠引發對不同角度與方法的探討,增強學生的主體意識,增進學生的協作意識,培養學生的創新意識。在“操作系統”課程中開展“討論互動式”教學,具有一定的必要性,主要表現在幾個方面。

首先,“操作系統”課程的特點適合開展“討論互動式”教學方法。“操作系統”是一門理論性和綜合性較強的課程,涉及的概念較抽象,有一定深度和難度,學生容易產生厭學情緒,進而缺乏接受課程的自信心,對參與各種教學活動有畏懼心理。通過討論和適當互動,能對學生正確引導,消除他們的畏懼心理,使其投入到學習中去。

其次,大部分學生缺少參與意識。高等教育的教學實踐必須實現從以教師為中心向以學生為中心的轉變,學生應成為課堂的真正主人。而目前仍然有部分學生頭腦中存在著傳統教學觀念,習慣在課堂上充當被動接受的角色。

再次,部分學生缺乏學習自信。沒有自信心,也就喪失了學習的興趣和樂趣,越是自卑越不想學,進而導致惡性循環。經常采用課堂討論、課堂辯論、網上討論、小組討論等形式進行教學,促進師生及同學問的雙向交流,在培養學生信心的同時,也增強了學生的主體性。

5.2討論互動式教學的實施

正所謂“溫故而知新”,對所學的知識進行及時的溫習,可達到事半功倍的效果。在作者的教學實踐過程中主要采取以下兩種互動形式進行教學。

(1) 課堂隨機提問。上課時,若學生知道老師要發問,聽講會更認真。提問內容一部分是對授課內容的簡單回顧,以考察學生的掌握情況;一部分則是對課程內容的適當延伸,激發大家的創新意識,使所學知識融會貫通。

(2) 在每個知識點講授完畢后,隨機抽學生上講臺做“十分鐘老師”。這種做法以學生為主體,能充分調動其學習的積極性,學生在講課過程中也能對老師的授課方式產生許多有益啟發。實踐證明,此方法效果顯著。

6結束語

本文結合作者實際教學經驗,分析了“操作系統”課程教學中的一般性問題,結合課程的特點和教育心理學的方法,探索性提出了類比法教學、動畫支持的多媒體技術教學、互動討論式教學等在本課程中的應用,討論了如何用通俗易懂的方法講述“操作系統”課程,以培養學生學習興趣,提高學生學習信心,改善本課程教學效果。我們要努力積極行動、認真實踐,鍥而不舍,不斷向前。本研究得到信息工程大學測繪學院院教學改革立項的支持,在這里感謝。

參考文獻:

[1] 宋廣華,段健平,李善平. 邊學邊干,教研結合——談“操作系統”課程教學改革[J].電氣電子教學學報,2006,28(5):1-3.

[2] 朱貴良. 國外若干知名大學《操作系統》課程教學設計特點研究[J].許昌師專學報,2001,20(5):101-105.

[3] 龔玲,陸松年,薛質.“操作系統”課程教學探索[J].電氣電子教學報,2007,29(5):1-3.

[4] 郝繼升. 計算機操作系統原理課程的教學探索[J]. 教學理論,2007(8):99-101.

[5] 王群,喻勇,柯尊平. 操作系統課程改革與探索[J]. 物流工程與理.2008,30(11):125-126.

[6] 董飚. 《操作系統》課程中的“討論式"教學法[J]. 中國科技信息,2005(22):150.

[7] 陳曉紅. 信管專業《操作系統》課程教學探討[J]. 電腦知識與術,2007(4):272.

[8] 廖汗成.《操作系統》課程教學的探討[J]. 科技廣場,2007(1):233-235.

[9] 羅宇,張穎蓓,葉常春,等. 本科操作系統課程設置及教學體會[J],計算機教育,2006(1):39-40.

[10] 彭宗舉,沈明炘,趙一鳴. 類比教學法在操作系統教學中的應用研究[J].高等理科教育,2007(2):123-125.

[11] 江志華. 淺談類比教學法在操作系統教學中的應用[J]. 福建電腦,2008(8):203-204.

[12] 羅宇,鄒鵬,吳剛,等. 操作系統[M]. 北京:電子工業出版社,2003:19-22.

[13] 王東.高校《操作系統》課程教學法探索[J]. 福建電腦,2007(2):205-206.