操作系統(tǒng)課程的啟發(fā)式教學(xué)研究與探討

　　摘要：本文針對操作系統(tǒng)課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式存在的缺陷，通過分析啟發(fā)式教學(xué)特點(diǎn)，指出在操作系統(tǒng)課程運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)模式的重要意義；并以請求分頁存儲器系統(tǒng)為例，詳細(xì)說明啟發(fā)式教學(xué)在操作系統(tǒng)課程中的實(shí)施方法；最后探討了啟發(fā)式教學(xué)對教師知識提出的新要求。
　　關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；啟發(fā)式；虛擬存儲器；請求分頁存儲器
　　文章編號：1672-5913(2010)08-0087-04
　　中圖分類號：G642
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
　　
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　　問題背景
　　
　　操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)課程教學(xué)著重講授計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念和基本原理，課程內(nèi)容主要包括進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)五大部分。作為計(jì)算機(jī)專業(yè)傳統(tǒng)必修課，操作系統(tǒng)課程的重要性勿容置疑，但在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，課堂只是知識的傾倒處，教師是傾倒的操作員，學(xué)生是傾倒的被動(dòng)容器。特別目前普遍存在的多媒體課件濫用現(xiàn)象，使“知識傾倒”變得更加快捷，教師滿足于課上念，學(xué)生滿足于課下讀，極大地禁錮了教學(xué)雙方的主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考意愿。加上操作系統(tǒng)課程內(nèi)容枯燥，充斥大量原理及概念，學(xué)生往往覺得該課程抽象難懂，對課程學(xué)習(xí)缺乏興趣，最后以死記硬背應(yīng)付了事。
　　近年來，啟發(fā)式教學(xué)模式已被逐漸應(yīng)用于高等院校課程教學(xué)當(dāng)中。和傳統(tǒng)教學(xué)模式，啟發(fā)式教學(xué)模式具備三個(gè)特點(diǎn)：一是強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。即以學(xué)習(xí)活動(dòng)為基礎(chǔ)，學(xué)生充當(dāng)了學(xué)習(xí)的主體、認(rèn)識的主體以及發(fā)展的主體，而教學(xué)內(nèi)容則成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的客體。二是強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識和技巧的同時(shí)，能夠充分鍛煉思維能力。即在啟發(fā)式教學(xué)模式中，學(xué)生需要通過主動(dòng)思考鍛煉自身的獨(dú)立思維能力，充分挖掘思維潛能。三是注重教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法的有機(jī)結(jié)合。即啟發(fā)式教學(xué)更需要教師采用各種靈活多樣的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生采用不同的學(xué)習(xí)方法思考問題。
　　本文探討了如何將啟發(fā)式教學(xué)運(yùn)用于操作系統(tǒng)課程教學(xué)中，通過“教師提出問題，學(xué)生主動(dòng)思考問題，最終共同解決問題”的良性互動(dòng)過程，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，使教師成為火種，點(diǎn)燃學(xué)生思維的白紙，讓學(xué)生能夠真正實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)、自我思考，真正掌握操作系統(tǒng)課程知識。
　　
　　
　　2　啟發(fā)式教學(xué)的運(yùn)用研究
　　
　　本節(jié)以操作系統(tǒng)課程中重要知識點(diǎn)之一——請求分頁存儲器系統(tǒng)為例，闡述啟發(fā)式教學(xué)的實(shí)施方法。
　　
　　2，1啟發(fā)式教學(xué)的目的
　　請求分頁存儲器系統(tǒng)包含的重要知識點(diǎn)包括：
　　(1)虛擬存儲器的基本概念；
　　(2)請求分頁存儲器系統(tǒng)的基本思想：
　　(3)請求分頁存儲器系統(tǒng)的頁表結(jié)構(gòu)；
　　(4)請求分頁存儲器系統(tǒng)的地址變換結(jié)構(gòu)；
　　(5)常見頁面置換算法的基本原理和特點(diǎn)。
　　啟發(fā)式教學(xué)的目的可以概括為：將課堂教學(xué)過程轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熖岢鰡栴}，學(xué)生主動(dòng)思考問題，最終共同解決問題”的良性互動(dòng)過程，使學(xué)生最終扎實(shí)掌握上述重要概念和關(guān)鍵技術(shù)。
　　
　　2，2啟發(fā)式教學(xué)的實(shí)施
　　在學(xué)習(xí)虛擬存儲器概念時(shí)，教師提出第一個(gè)問題：為什么要引入虛擬存儲器?
　　隨后啟發(fā)學(xué)生回憶基本分頁、基2f443a1078f38101d84e69bcee7a7b42本分段、基本段頁式存儲管理方式，都要求作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存，在其執(zhí)行完畢之前，作業(yè)始終駐留內(nèi)存，不會中途退出。啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，自行得出結(jié)論：基本存儲系統(tǒng)的一次性、駐留性特點(diǎn)，既不利于大作業(yè)運(yùn)行，也不利于提高多道程序度。
　　
　　此時(shí)，教師自然地提出第二個(gè)問題：如何解決基本存儲系統(tǒng)的缺點(diǎn)?
　　再讓學(xué)生自由討論后提出可能的解決方法。有部分學(xué)生會考慮增加物理內(nèi)存的解決方法，教師要解釋清楚現(xiàn)代操作系統(tǒng)中內(nèi)存容量的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上程序規(guī)模的增長速度，因此增加物理內(nèi)存是不可行的。
　　也有部分學(xué)生會考慮讓作業(yè)部分裝入，教師可因勢利導(dǎo)，首先肯定這種解決方法的可行性，然后介紹程序運(yùn)行局部性原理。依據(jù)該原理，作業(yè)在運(yùn)行前，沒有必要全部裝入內(nèi)存，僅需將當(dāng)前運(yùn)行所需部分裝入即可運(yùn)行，其余部分暫時(shí)留在外存。若作業(yè)所需部分已裝入，便可執(zhí)行：否則，作業(yè)需調(diào)用操作系統(tǒng)提供的請求調(diào)入功能，將所需部分調(diào)入內(nèi)存，才可繼續(xù)執(zhí)行。如果內(nèi)存已滿，作業(yè)需調(diào)用操作系統(tǒng)提供的置換功能，將內(nèi)存中暫時(shí)不用的內(nèi)容調(diào)至外存，再將所需部分調(diào)入內(nèi)存，方能繼續(xù)執(zhí)行。這樣一來，用戶感覺能使用的內(nèi)存容量比實(shí)際物理內(nèi)存容量大得多，但這僅僅是用戶的虛幻感覺，因此這種存儲器就被稱為虛擬存儲器。
　　當(dāng)?shù)玫教摂M存儲器的基本概念后，教師必須指出，虛擬存儲器僅僅是抽象的內(nèi)存擴(kuò)充思想，它只有和基本存儲管理方式相結(jié)合，才能最終形成實(shí)用的存儲器管理系統(tǒng)。請求分頁存儲器系統(tǒng)的基本思想正是以基本分頁存儲管理方式為基礎(chǔ)，增加請求調(diào)頁功能和頁面置換功能，支持虛擬存儲器功能。
　　采用請求分頁存儲器系統(tǒng)，就意味著作業(yè)執(zhí)行所需頁面既可能在內(nèi)存，也可能不在內(nèi)存。因此，教師提出第三個(gè)問題：如何判定所需頁面是否已在內(nèi)存?
　　接下來，啟發(fā)學(xué)生回憶在基本分頁存儲管理方式中，操作系統(tǒng)是通過“頁表”這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來維護(hù)頁面所有相關(guān)信息的。因此，該問題似乎可以通過修改基本分頁存儲管理方式的頁表項(xiàng)來解決。這里，我們添加了“狀態(tài)位P”和“外存地址”字段，此時(shí)頁表項(xiàng)如圖1所示。
　　其中，“狀態(tài)位P”指示頁面是否已調(diào)入內(nèi)存；“外存地址”指示調(diào)入頁面所在的硬盤物理塊號。
　　這時(shí)，學(xué)生可以得到結(jié)論：作業(yè)執(zhí)行時(shí)，只需檢查頁表項(xiàng)中“狀態(tài)位P”的值，就可以判定所需頁面是否在內(nèi)存。如果P=1，那么表示頁面已調(diào)入內(nèi)存，可以繼續(xù)執(zhí)行；如果P=0，那么作業(yè)可以請求操作系統(tǒng)根據(jù)“外存地址”將該頁面從外存調(diào)入內(nèi)存。
　　此時(shí)，教師緊接著提出第四個(gè)問題：操作系統(tǒng)如何將所需頁面調(diào)入內(nèi)存?
　　然后，啟發(fā)學(xué)生回憶起微機(jī)原理課程中學(xué)習(xí)過的中斷，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解決意外情況的最常用方法。事實(shí)上，請求分頁存儲器系統(tǒng)也是采用“缺頁中斷”通知操作系統(tǒng)，將作業(yè)執(zhí)行所需頁面調(diào)入內(nèi)存。自然地，學(xué)生可以得出結(jié)論：缺頁中斷作為中斷，和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中其他中斷一樣，也需經(jīng)歷諸如保護(hù)CPU環(huán)境、分析中斷類型、轉(zhuǎn)入對應(yīng)的缺頁中斷處理程序進(jìn)行處理、恢復(fù)CPU環(huán)境等步驟。在引入缺頁中斷概念后，教師利用幻燈給出請求分頁存儲器系統(tǒng)的地址變換機(jī)構(gòu)，如圖2所示。
　　從圖2中可以看出，只有當(dāng)頁號對應(yīng)頁表項(xiàng)的狀態(tài)位P=0時(shí)，才會觸發(fā)一次缺頁中斷，在轉(zhuǎn)入缺頁中斷處理程序(提醒學(xué)生這是軟件實(shí)現(xiàn))后，首先檢查內(nèi)存是否有空閑物理塊，如果有，那么就根據(jù)外存地址讀入所需頁面，再調(diào)整該進(jìn)程頁表項(xiàng)和系統(tǒng)存儲分配表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的值，最后重新啟動(dòng)被中斷指令。但是，如果作業(yè)運(yùn)行時(shí)間較久，內(nèi)存已沒有空閑物理塊時(shí)，我們就需要從內(nèi)存中移出一個(gè)頁面，才能為當(dāng)前所需頁面騰出空閑物理塊。如果要移出的這個(gè)頁面在駐留內(nèi)存過程中被修改過，那么為了保證數(shù)據(jù)一致性，操作系統(tǒng)必須按外存地址將移出的這一頁寫回外存。
　　如果該頁沒有被修改過，那么所需頁面可以直接覆蓋移出頁面。那么如何檢查頁面是否被修改過呢?少數(shù)學(xué)生很自然地會提出再在頁面項(xiàng)中添加新字段，即“修改位M”，如圖3所示。
　　這時(shí)，教師向?qū)W生提出第五個(gè)問題：當(dāng)內(nèi)存已滿時(shí)，如何選擇移出頁面?
　　再讓學(xué)生們自由提出解決思路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生提出的思路主要包括：將作業(yè)再不會訪問的頁面移出、將最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面移出、將過去一段時(shí)間內(nèi)很長時(shí)間沒有被作業(yè)使用的頁面移出。在討論過程中，當(dāng)有學(xué)生提出上述思路時(shí)，教師都要及時(shí)講解對應(yīng)的最佳置換算法、最近最久未使用頁面置換算法以及先進(jìn)先出頁面置換算法的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，以板書形式給出如表1所示的頁面置換算法性能比較。
　　當(dāng)講解最近最久未使用頁面置換算法時(shí)，教師須啟發(fā)學(xué)生思考：作業(yè)如何知道在過去這段時(shí)間內(nèi)，哪個(gè)頁面最長時(shí)間沒有被訪問過?大部分學(xué)生都會回答在頁面項(xiàng)中再添加新字段，即“訪問字段A”，如圖4所示。
　　至此，學(xué)生通過思考和討論教師提出的問題，最終完成了對請求分頁存儲器系統(tǒng)所包含重要知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。
　　
　　3　啟發(fā)式教學(xué)對教師的要求
　　
　　在啟發(fā)式教學(xué)模式中，教師擔(dān)負(fù)著引導(dǎo)學(xué)生成功進(jìn)入啟發(fā)式教學(xué)模式環(huán)境的重要角色。如果引導(dǎo)成功，那么學(xué)生和教師就能夠享受啟發(fā)式教學(xué)的良好效果，否則啟發(fā)式教學(xué)就會成為空談。因此，教師不但要熟練掌握課本知識，更需具備舉一反三的能力，善于對課本中基礎(chǔ)知識進(jìn)行擴(kuò)展，特別是能夠?qū)⒉僮飨到y(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的最新科技動(dòng)態(tài)引入課程教學(xué)活動(dòng)。
　　操作系統(tǒng)課程涉及的知識面很寬，為順利開展啟發(fā)式教學(xué)，教師應(yīng)達(dá)到以下四點(diǎn)要求：一是熟練掌握課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有授課內(nèi)容，有能力把握要點(diǎn)和重點(diǎn)，將知識點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)歸納。二是考慮哪些知識點(diǎn)具有可擴(kuò)展性和擴(kuò)展必要性，對具備可擴(kuò)展性的重要知識點(diǎn)深入擴(kuò)展，使學(xué)生循序漸進(jìn)、由淺入深地掌握這些知識點(diǎn)的精髓。三是要思考如何運(yùn)用合理方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考，讓學(xué)生真正理解透徹并能提出自己的觀點(diǎn)，得出正確的結(jié)論。四是及時(shí)向?qū)W生介紹操作系統(tǒng)最新科研動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)熱衷于該領(lǐng)域研究的學(xué)生，使其具備基本的科研創(chuàng)新能力。
　　
　　4　結(jié)語
　　
　　啟發(fā)式教學(xué)是教師依據(jù)學(xué)習(xí)過程客觀規(guī)律和學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)獲取和掌握知識的有效教學(xué)模式。本文對啟發(fā)式教學(xué)在操作系統(tǒng)課程中的運(yùn)用進(jìn)行了深入研究，以請求分頁存儲器系統(tǒng)為例給出了啟發(fā)式教學(xué)實(shí)施方法，探討了啟發(fā)式教學(xué)對教師授課能力提出的新要求。在“請求分頁存儲器”章節(jié)教學(xué)中，我們通過采用啟發(fā)式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生成為教學(xué)活動(dòng)的積極參與者，在課堂上營造出積極發(fā)表見解和爭論的良好氛圍，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果明顯改善，學(xué)生的主動(dòng)思維能力和創(chuàng)新思維能力得到顯著增