基于PBL的“團(tuán)隊(duì)式”操作系統(tǒng)課程教學(xué)模式

韓彥嶺， 張 云， 周汝雁， 洪中華， 張明華， 徐利軍

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院， 上海 201306)

0 引 言

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-2]。該課程的特點(diǎn)是內(nèi)容繁多，理論性強(qiáng)，概念、原理、算法比較抽象難懂，再加上目前操作系統(tǒng)課程的授課模式大多是以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接收，對(duì)于復(fù)雜難懂的概念、原理、算法，極易造成接收脫節(jié)，直接影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率、效果不佳。

與傳統(tǒng)的以學(xué)科為基礎(chǔ)的教學(xué)方法不同，以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，是基于現(xiàn)實(shí)世界的以學(xué)生為中心的教育方式[3-4]。PBL強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，而不是傳統(tǒng)教學(xué)中的以教師講授為主；PBL將學(xué)習(xí)與更大的任務(wù)或問題掛鉤，使學(xué)習(xí)者投入于問題中；它設(shè)計(jì)真實(shí)性任務(wù)，強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到邏輯連貫的、有意義的問題情景中，通過學(xué)習(xí)者的自主探究和合作來(lái)解決問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力[5-6]。

另外，團(tuán)隊(duì)精神是現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的力量，是大局意識(shí)、協(xié)作精神的集中體現(xiàn)，它反映一個(gè)人與別人合作的精神和能力。團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)是團(tuán)隊(duì)成員之間的互動(dòng)學(xué)習(xí)行為，是互相配合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，密切合作的學(xué)習(xí)過程，可以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，并大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性[7-10]。因此我們把團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的優(yōu)良模式和PBL教學(xué)方法引入到操作系統(tǒng)課程的教學(xué)中，嘗試改善傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的枯燥模式，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改善學(xué)生課堂表現(xiàn)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。

1 “團(tuán)隊(duì)式”教學(xué)模式的實(shí)施過程

1.1 基于PBL的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

PBL教學(xué)法強(qiáng)調(diào)以問題為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容是以問題為主軸進(jìn)行架構(gòu)，本部分以操作系統(tǒng)課程的重要知識(shí)點(diǎn)之一：進(jìn)程同步，闡述PBL教學(xué)方法的實(shí)施過程[11-12]。

1.1.1教學(xué)目的

進(jìn)程同步是進(jìn)程管理的最重要的概念，包含的重要知識(shí)點(diǎn)有：① 進(jìn)程同步的必要性；② 進(jìn)程同步的基本思想；③ 鎖機(jī)制、睡覺與叫醒、信號(hào)量機(jī)制提出背景、基本原理和特點(diǎn)。

基于PBL的教學(xué)方法的目的可以描述為：結(jié)合教學(xué)過程中的重要知識(shí)點(diǎn)，將課堂教學(xué)過程設(shè)計(jì)為“教師提出問題，學(xué)生主動(dòng)思考，最終共同解決問題”的良性互動(dòng)過程，最終使學(xué)生扎實(shí)掌握重要概念和知識(shí)。

1.1.2教學(xué)過程設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，我們結(jié)合以下幾個(gè)問題來(lái)進(jìn)行：① 為什么需要進(jìn)行進(jìn)程同步？② 進(jìn)程同步的基本思想？③ 鎖機(jī)制的基本思想及使用局限性。④ 睡覺與叫醒機(jī)制的基本思想及使用局限性？⑤ 信號(hào)量機(jī)制的提出背景、基本思想及實(shí)現(xiàn)。

教師需要提前布置學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)和思考，在進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計(jì)時(shí)可首先向?qū)W生提出第一個(gè)問題，為什么需要進(jìn)行進(jìn)程同步？經(jīng)過預(yù)習(xí)小組成員已經(jīng)具備預(yù)備知識(shí)，引導(dǎo)他們思考由于進(jìn)程的異步性，導(dǎo)致進(jìn)程執(zhí)行結(jié)果的不可再現(xiàn)性，而這種執(zhí)行結(jié)果的不確定是編程人員不希望看到的，所以有必要控制進(jìn)程的執(zhí)行及執(zhí)行順序，這就是引入進(jìn)程同步的必要性。

此時(shí)，教師再自然的提出第二個(gè)問題，如何進(jìn)行進(jìn)程同步？并結(jié)合一個(gè)生活中的簡(jiǎn)單實(shí)例-金魚喂養(yǎng)問題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生思考解決方案。

問題定義：Tom和Jack同住一室，想共同喂養(yǎng)金魚，金魚必須保證每天喂一次并且只喂一次，以保證魚既不能被餓死也不能被撐死。

這個(gè)貼近生活的實(shí)例會(huì)立刻引起大家的興趣，小組成員自由討論后會(huì)發(fā)現(xiàn)原始方案存在漏洞，魚有可能被撐死，小組成員繼續(xù)討論提出可能的解決辦法，比如可以讓每個(gè)人在喂魚之前留紙條，告訴對(duì)方自己將會(huì)檢查魚缸并在需要的時(shí)候喂魚。還有小組同學(xué)思考后會(huì)提出反例，證明這種做法會(huì)有特殊情況出現(xiàn)，魚仍然會(huì)有可能被撐死。于是大家繼續(xù)想辦法，改變留紙條和檢查紙條的順序，經(jīng)過一番爭(zhēng)論證明，這種方法魚不會(huì)被撐死，但有可能被餓死；于是大家繼續(xù)補(bǔ)漏洞，如果留了紙條的情況下，必須選擇某個(gè)人來(lái)喂魚，直到確認(rèn)魚被喂了才可以離開。至此，大家似乎認(rèn)為問題解決了，魚既不會(huì)被撐死，也不會(huì)被餓死，但是大家感覺很累，證明這個(gè)問題的正確性需要花很多時(shí)間，而且從程序編寫上發(fā)現(xiàn)代碼不對(duì)稱，也很丑陋。

這時(shí)候，教師要在大家討論結(jié)果的基礎(chǔ)上及時(shí)總結(jié)，我們之前的辦法之所以解決不好金魚喂養(yǎng)的問題是因?yàn)槲覀兪冀K站在比較低級(jí)的層面上，希望通過調(diào)整代碼的執(zhí)行次序來(lái)解決進(jìn)程同步，但程序執(zhí)行過程中的進(jìn)程穿插是難以控制的，所以導(dǎo)致這種局面。于是自然地提出我們是否可以提升關(guān)注的級(jí)別，不要只是在代碼級(jí)打轉(zhuǎn)，我們把抽象的層次提升到對(duì)代碼組的控制，給代碼組上鎖。在這個(gè)過程中，教師還須適時(shí)地引導(dǎo)學(xué)生掌握臨界資源是導(dǎo)致出現(xiàn)進(jìn)程異步性的臨界區(qū)，要保證進(jìn)程同步應(yīng)從對(duì)臨界區(qū)的同步機(jī)制入手，通過總結(jié)，學(xué)生大致可以總結(jié)出：如果臨界區(qū)沒有進(jìn)程，允許一個(gè)進(jìn)程立即進(jìn)入臨界區(qū)；當(dāng)一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)入臨界區(qū)，其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程必須等待；但是這種等待還需保證是有限等待，以避免出現(xiàn)“死等”；而不能進(jìn)入臨界區(qū)的執(zhí)行進(jìn)程應(yīng)放棄CPU執(zhí)行權(quán)。從而因勢(shì)利導(dǎo)，教師總結(jié)出進(jìn)程的4個(gè)同步機(jī)制：空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待和讓權(quán)等待。通過討論，連帶把基本概念進(jìn)行講解。學(xué)生會(huì)不知不覺中加深對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。

接著，教師提出第三個(gè)問題，鎖機(jī)制如何實(shí)現(xiàn)同步，小組成員會(huì)結(jié)合鎖實(shí)現(xiàn)同步的兩個(gè)操作lock和unlock，利用到金魚喂養(yǎng)問題中進(jìn)行嘗試，發(fā)現(xiàn)確實(shí)可以解決進(jìn)程同步問題，而且簡(jiǎn)單美觀。然后我們?cè)購(gòu)?個(gè)同步機(jī)制原則引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)鎖機(jī)制的局限性，鎖不能解決讓權(quán)等待問題，鎖存在著繁忙等待弊端。

于是，教師引出另一個(gè)生活中的實(shí)例:自動(dòng)售貨機(jī)，自動(dòng)售貨機(jī)不能容忍繁忙等待，由自動(dòng)售貨機(jī)的操作流程，提出第四個(gè)問題，如何優(yōu)化進(jìn)程同步機(jī)制，解決繁忙等待，小組成員會(huì)提出不同的解決方案，如能否在消費(fèi)完商品時(shí)向送貨人員發(fā)消息等。這時(shí)，向?qū)W生引入睡覺與叫醒機(jī)制，并結(jié)合操作系統(tǒng)中經(jīng)典的生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題，介紹睡覺與叫醒機(jī)制的解決方案。通過代碼分析，再次引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題中存在的致命競(jìng)爭(zhēng)，商品計(jì)數(shù)變量未受保護(hù)，可能造成死鎖，而這種死鎖的產(chǎn)生是因?yàn)樗X與叫醒機(jī)制所發(fā)送的信號(hào)由于只發(fā)一次有可能造成丟失。這時(shí)候自然大家就想到，是否能把信號(hào)收集起來(lái)多發(fā)幾次。

由此解釋了信號(hào)量機(jī)制提出的背景，信號(hào)量既是把信號(hào)累加起來(lái)的機(jī)制，并自然引出第五個(gè)問題，信號(hào)量機(jī)制的基本思想？以及信號(hào)量機(jī)制的基本操作，引導(dǎo)學(xué)生用PV操作解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。

至此，小組成員通過思考和討論教師提出的問題，理清了進(jìn)程同步的相關(guān)概念、每一種同步機(jī)制的提出背景、局限性并理清了幾種同步機(jī)制的發(fā)展歷程，通過這種聯(lián)系與發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)學(xué)習(xí)進(jìn)程同步基礎(chǔ)知識(shí)，更容易建立這些概念之間的聯(lián)系，有利于學(xué)生深入掌握操作系統(tǒng)基本概念和原理。

1.2 基于PBL的“團(tuán)隊(duì)式”教學(xué)模式的實(shí)施過程

1.2.1自由分組

團(tuán)隊(duì)分組要按照自由組合的原則，給出基本分組原則后由學(xué)生根據(jù)個(gè)人意愿進(jìn)行組織，每組人數(shù)以4～6人為宜，特殊情況也允許個(gè)別的少數(shù)人小組。自愿組織的小組成員相處比較融洽，學(xué)習(xí)成績(jī)的優(yōu)劣差別有利于發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的凝聚力[13-14]。每個(gè)組選舉一個(gè)組長(zhǎng)，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)本組成員的人員組織、任務(wù)分配、組內(nèi)協(xié)調(diào)等工作。

1.2.2以小組為單位考核

學(xué)生分組后，以小組為單位考核。每個(gè)學(xué)生課堂上的表現(xiàn)，代表的是本組的表現(xiàn)，根據(jù)問題回答的優(yōu)劣給予小組不同的成績(jī)。同時(shí)，小組的成績(jī)也是每個(gè)組內(nèi)成員的成績(jī)。這樣，不管組內(nèi)如何分工，但最終每個(gè)同學(xué)都需要掌握基礎(chǔ)知識(shí)，否則自己的表現(xiàn)會(huì)影響到組內(nèi)其他人的成績(jī)，同時(shí)也使得每個(gè)同學(xué)都會(huì)建立集體意識(shí)和大局意識(shí)，組內(nèi)成員必然會(huì)加強(qiáng)溝通交流，學(xué)習(xí)好的同學(xué)會(huì)主動(dòng)幫助學(xué)習(xí)一般的同學(xué)，學(xué)習(xí)一般的同學(xué)也會(huì)有壓力去認(rèn)真努力，主動(dòng)向其他同學(xué)學(xué)習(xí)，大家一起溝通討論、團(tuán)結(jié)合作，從而形成一種積極向上的主動(dòng)學(xué)習(xí)氛圍。

小組考核內(nèi)容除了課堂討論表現(xiàn)，還考慮課堂紀(jì)律、課堂出勤、作業(yè)上交、課堂講解及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[15]，見表1。每個(gè)同學(xué)的表現(xiàn)直接影響到所在小組的成績(jī)，另外，教師還組織學(xué)生進(jìn)行角色互換，由小組學(xué)生來(lái)講解ppt，教師進(jìn)行過程控制和點(diǎn)評(píng)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和思維表達(dá)能力。學(xué)生最終的考試成績(jī)?yōu)椋鹤罱K成績(jī)=期末卷面成績(jī)×60%+所在小組成績(jī)×40%，這種考核方式從一定程度上也督促了課程出勤率及學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)、團(tuán)隊(duì)大局意識(shí)。

表1 考核計(jì)分內(nèi)容(加減分值)

1.2.3小組管理

小組長(zhǎng)一般由組內(nèi)成員推選出威信度相對(duì)較高的同學(xué)，學(xué)生分組后，由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)小組成員，分配具體任務(wù)，調(diào)動(dòng)組內(nèi)成員積極性。不同成員的個(gè)性、興趣、能力差異由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)總體平衡管理，比如成績(jī)優(yōu)良的同學(xué)負(fù)責(zé)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容的融會(huì)貫通；成績(jī)一般比較活躍的同學(xué)負(fù)責(zé)搜集資料，組間溝通；動(dòng)手能力較強(qiáng)的同學(xué)負(fù)責(zé)編程實(shí)驗(yàn)，組內(nèi)成員各取所長(zhǎng)，都能在組內(nèi)找到適合自己的角色。

2 基于PBL的“團(tuán)隊(duì)式”教學(xué)模式的分析

2.1 對(duì)教師的要求

在基于PBL的“團(tuán)隊(duì)式”教學(xué)模式中，教師擔(dān)負(fù)著總體掌握進(jìn)度、正確引導(dǎo)學(xué)生的重要角色，對(duì)教師也提出了較高的要求。① 從內(nèi)容組織上，要結(jié)合課時(shí)要求和課程內(nèi)容，選擇合適的章節(jié)開展課堂討論；② 要求教師熟練掌握課程知識(shí)，把握重點(diǎn)和難點(diǎn)，善于對(duì)課本知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，具備舉一反三的能力；③ 統(tǒng)籌考慮采用何種方式引導(dǎo)學(xué)生展開課堂討論，既要活躍課堂氣氛又要及時(shí)把握課堂時(shí)間和課程進(jìn)度。④ 嚴(yán)格按照考核內(nèi)容進(jìn)行小組考核，在期末考試中要有具體體現(xiàn)，不要流于形式影響學(xué)生積極性。

2.2 效果分析與改進(jìn)措施

操作系統(tǒng)課程本身的理論性、綜合性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，因此改進(jìn)教學(xué)方法，提高學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)非常重要。基于PBL的“團(tuán)隊(duì)式”教學(xué)模式是我們正在探索的一種改進(jìn)模式，通過在前面的教學(xué)實(shí)踐證明，這種教學(xué)模式從提高學(xué)生出勤率、變被動(dòng)為主動(dòng)學(xué)習(xí)、改善課堂氣氛、提高團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)等方面克服了傳統(tǒng)教學(xué)的種種弊端，是進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新的有效途徑之一。同時(shí)，通過這種教學(xué)模式的實(shí)踐，我們倡導(dǎo)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，學(xué)生意識(shí)到每個(gè)人的力量是有限的，利用團(tuán)隊(duì)力量可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)。所以課堂之外，同學(xué)往往會(huì)形成比較固定的小團(tuán)隊(duì)，一起參加大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、參與挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽、參與教師科研項(xiàng)目、準(zhǔn)備考研復(fù)習(xí)等，在各類賽事及科研項(xiàng)目的鍛煉中進(jìn)一步提高能力和主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有非常重要的意義。

當(dāng)然，在教學(xué)實(shí)踐過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如課堂討論容易造成課程進(jìn)度拖后，小組內(nèi)部分同學(xué)存在“打醬油”現(xiàn)象等，我們也采取了部分改進(jìn)措施，比如精選課程內(nèi)容減少較大規(guī)模的課堂討論(1課時(shí)之內(nèi)討論)，舍棄部分不是很重要內(nèi)容的課堂學(xué)習(xí)，改為課后自學(xué)；小組成員角色互換，回答問題及講解增加組內(nèi)平時(shí)表現(xiàn)一般的同學(xué)的比例，通過促進(jìn)優(yōu)秀同學(xué)對(duì)后進(jìn)同學(xué)的責(zé)任心，增加后進(jìn)同學(xué)的學(xué)習(xí)壓力等規(guī)避這些問題。在后續(xù)的教學(xué)實(shí)踐中，我們會(huì)繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化措施，獲得團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)的最大效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過團(tuán)隊(duì)式教學(xué)模式的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)不僅改善了學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)熱情，而且對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高也具有重要意義。當(dāng)代大學(xué)生基本都是90后，普遍優(yōu)越的家庭條件和社會(huì)環(huán)境的影響，形成了這代大學(xué)生的時(shí)代共性，他們張揚(yáng)個(gè)性，過于強(qiáng)調(diào)個(gè)人能力；他們思想活躍，但又缺乏吃苦精神；他們抱負(fù)遠(yuǎn)大，卻又缺乏韌性和意志。基于PBL的“團(tuán)隊(duì)式”教學(xué)模式使學(xué)生在共同學(xué)習(xí)的過程中鍛煉自己的表達(dá)能力，認(rèn)識(shí)到個(gè)人能力的局限性，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)集體意識(shí)，學(xué)會(huì)與他人溝通交流，在互相提高的過程中鍛煉自己的韌性、耐力和合作精神，逐漸從形式上的合作過渡到實(shí)質(zhì)性的合作，提高學(xué)生的總體綜合素質(zhì)，為將來(lái)走向社會(huì)打下良好的基礎(chǔ)。

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