理論與實(shí)踐相融合的“操作系統(tǒng)原理”課程教學(xué)研究

徐向英

摘 要 針對(duì)操作系統(tǒng)課程理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)系松散的問題，筆者探索了理論和實(shí)踐相融合的教學(xué)方法。提出在理論授課時(shí)進(jìn)行實(shí)踐引導(dǎo)、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)任務(wù)相關(guān)聯(lián)、注重實(shí)踐問題反饋以及多課程知識(shí)融合等方案。

關(guān)鍵詞 操作系統(tǒng)原理 教學(xué)方法 理論與實(shí)踐相融合

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.10.049

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)高等工程教育改革的持續(xù)推進(jìn)，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力日益成為高等院校教學(xué)改革的重中之重。尤其是電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等工科類專業(yè)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題的能力是適應(yīng)信息化社會(huì)發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和新型工業(yè)化強(qiáng)國(guó)的人才培養(yǎng)方向。“操作系統(tǒng)原理”課程作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程等工科信息類專業(yè)的必修課程，是構(gòu)建專業(yè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)十分重要的組成部分。課程的教學(xué)內(nèi)容涉及面廣，聯(lián)系了信息系統(tǒng)的軟件和硬件系統(tǒng)，引入的概念抽象，且與多門先導(dǎo)課程聯(lián)系緊密。授課時(shí)，以理論教學(xué)為主，教師往往將大量的課堂時(shí)間花費(fèi)在講解操作系統(tǒng)模塊的運(yùn)行機(jī)制和原理、分析算法設(shè)計(jì)思路、演示算法步驟等環(huán)節(jié)，學(xué)生無法直觀地接觸所學(xué)內(nèi)容，易產(chǎn)生厭倦情緒，從而對(duì)理論失去興趣。在實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，往往具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（如Linux平臺(tái)）并非學(xué)生熟悉的Windows環(huán)境，需要花費(fèi)大量時(shí)間去熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，使真正用于驗(yàn)證理論的實(shí)驗(yàn)時(shí)間大大減少，影響了設(shè)計(jì)和開發(fā)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，從而造成理論和實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生無法實(shí)現(xiàn)理論到應(yīng)用的快速映射。如何避免枯燥乏味的課堂知識(shí)灌輸和倉(cāng)促應(yīng)付的實(shí)踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情是困擾“操作系統(tǒng)原理”課程教師的共同問題。而目前我國(guó)工程人才培養(yǎng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)正是理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合問題。[1]借鑒其他高校在這方面的探索經(jīng)驗(yàn)，[2-4]結(jié)合實(shí)驗(yàn)環(huán)境和學(xué)生特點(diǎn)，筆者進(jìn)行了一些有益的嘗試，取得了良好的效果。

2 理論與實(shí)踐融合

2.1 貫穿于課堂教學(xué)中的實(shí)踐引導(dǎo)

在教學(xué)過程中，教師對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)十分重要。所謂“身教大于言傳”，教師的實(shí)踐意識(shí)和動(dòng)手能力會(huì)潛移默化地影響和帶動(dòng)學(xué)生。理論教學(xué)時(shí)應(yīng)有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生去嘗試操作系統(tǒng)的各種功能，從而理解抽象概念。例如，理論授課通常借助于多媒體手段教學(xué)，可以將抽象的進(jìn)程概念用教室配備的Windows系統(tǒng)中的進(jìn)程進(jìn)行演示，讓學(xué)生理解“程序運(yùn)行一次產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程”的具體含義。通過Windows系統(tǒng)中“任務(wù)管理器”的“進(jìn)程”標(biāo)簽和“性能”標(biāo)簽讓學(xué)生了解進(jìn)程創(chuàng)建并不是那么抽象和難以理解，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生觀察進(jìn)程屬性，此外也可以設(shè)置問題，如“為什么有些程序運(yùn)行一次，系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)不變？”從而為后續(xù)線程的引入埋下伏筆。實(shí)踐證明，用學(xué)生們最熟悉的Windows環(huán)境進(jìn)行課堂演示，能直觀、及時(shí)地呈現(xiàn)概念，較好地消除學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)理論的距離感，同時(shí)由于多媒體教學(xué)手段的普及，這一方法的使用十分方便。

2.2 與實(shí)驗(yàn)任務(wù)相關(guān)聯(lián)的理論教學(xué)

除一些專用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外，目前的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多使用Linux平臺(tái)，受限于實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)數(shù)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所用Linux平臺(tái)往往望而生畏。剛接觸時(shí)覺得很新奇，但在練習(xí)命令接口和程序接口時(shí)便覺得無法適應(yīng)。以至于影響后續(xù)的實(shí)踐過程。由于實(shí)驗(yàn)課的間隔時(shí)間通常比理論課長(zhǎng)，上一次實(shí)驗(yàn)的操作到了下一次課可能已經(jīng)忘記，因此在理論課上，教師也應(yīng)經(jīng)常性地結(jié)合實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行理論講解，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得到及時(shí)復(fù)習(xí)，同時(shí)對(duì)新的理論進(jìn)行導(dǎo)入，形成理論——實(shí)踐知識(shí)鏈，再繼續(xù)通過新獲取的理論指導(dǎo)實(shí)踐，使這條知識(shí)鏈不斷迭代，最終可以形成完整的知識(shí)體系，如圖1所示。例如，將第一次實(shí)驗(yàn)課安排在引入進(jìn)程概念之前，使學(xué)生對(duì)Linux中的命令接口和程序接口已有所了解，在引入進(jìn)程時(shí)就可以Gcc程序的運(yùn)行為例，說明多個(gè)用戶要求使用Gcc這一程序編譯各自的C源程序，Gcc將產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)程。這就使學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)，復(fù)習(xí)了實(shí)驗(yàn)任務(wù)，同時(shí)提升了對(duì)新概念的理解，在下一次實(shí)驗(yàn)中又可以使用進(jìn)程這個(gè)概念指導(dǎo)新的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，從而形成知識(shí)鏈。

課堂理論教學(xué)可以作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)的先導(dǎo)，在介紹了理論知識(shí)后引入一個(gè)簡(jiǎn)短實(shí)例，而將實(shí)驗(yàn)任務(wù)作為該實(shí)例的擴(kuò)展，給學(xué)生提供一個(gè)通往更高目標(biāo)點(diǎn)的臺(tái)階。例如，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排了Shell腳本的編程，理論教學(xué)在介紹用戶接口的時(shí)候就可以在Windows環(huán)境下演示命令文件的創(chuàng)建和使用，通過批處理文件的操作，說明命令文件在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的作用，再布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓理論和實(shí)踐有很好的銜接。

2.3 注重實(shí)踐環(huán)節(jié)的問題反饋

無論是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還是課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，都有不少學(xué)生由于理論知識(shí)掌握不夠透徹而無法正確完成任務(wù)，如果忽略這一過程中存在的諸多問題，則會(huì)加大學(xué)生的困惑，問題的累積將最終導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程失去興趣甚至放棄深入學(xué)習(xí)。例如，盡管理論教學(xué)環(huán)節(jié)已明確了父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程的過程，介紹了調(diào)用函數(shù)fork，但進(jìn)程創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)中仍有不少學(xué)生無法分析進(jìn)程家族樹的建立過程。需要通過溝通和詢問才能發(fā)現(xiàn)不同學(xué)生的困惑所在，進(jìn)而對(duì)理論課的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步講解，加深學(xué)生對(duì)進(jìn)程創(chuàng)建過程的理解。因此，及時(shí)查看和詢問實(shí)踐報(bào)告，有針對(duì)性地進(jìn)行問題的探討，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)互動(dòng)將對(duì)課程的學(xué)習(xí)起到積極的助推作用。

3 多課程知識(shí)融合

“操作系統(tǒng)原理”課程自身實(shí)踐性強(qiáng)，與其他課程的交互也十分密切。操作系統(tǒng)軟件架設(shè)于硬件基礎(chǔ)之上，涉及計(jì)算機(jī)組成原理和微機(jī)原理課程的知識(shí)，其軟件模塊間的設(shè)計(jì)開發(fā)方法又是軟件工程和算法分析等課程的典型案例。理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)都會(huì)使用編程語言（如C語言）和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的基本知識(shí)。加強(qiáng)多課程間的知識(shí)融合，不僅能構(gòu)建信息學(xué)科相關(guān)理論的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，還能有效強(qiáng)化操作系統(tǒng)概念和原理的理解應(yīng)用，將課程知識(shí)體系龐雜的劣勢(shì)變?yōu)楦鏖T課程觸類旁通的優(yōu)勢(shì)。例如，在介紹管程概念時(shí)，使用Java管程作為案例就可以使學(xué)生在Java學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上理解管程的含義。在介紹虛擬內(nèi)存的頁(yè)面置換算法時(shí)，可與計(jì)算機(jī)組成原理中cache的置換方式進(jìn)行聯(lián)系。在介紹文件的結(jié)構(gòu)時(shí)可與數(shù)據(jù)庫(kù)中的表結(jié)構(gòu)比較。在介紹信號(hào)量機(jī)制時(shí)可與Java的線程鎖和數(shù)據(jù)庫(kù)的鎖機(jī)制相關(guān)聯(lián)。endprint

在實(shí)踐環(huán)節(jié)，尤其是課程設(shè)計(jì)階段，可以結(jié)合其它課程的理論知識(shí)，完成較為復(fù)雜的任務(wù)。例如，利用Java語言或C語言的進(jìn)程（線程）間通信機(jī)制模擬實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中客戶機(jī)和服務(wù)器之間的通信；利用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)文件存儲(chǔ)空間管理的模擬等。這些任務(wù)不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了多課程知識(shí)的聯(lián)合，為解決更加復(fù)雜的工程問題打下基礎(chǔ)。

4 注重能力培養(yǎng)

課程教學(xué)在注重實(shí)踐引導(dǎo)之外，還探索開展了研究型教學(xué)方法，將實(shí)際操作系統(tǒng)作為案例，選取一部分內(nèi)容布置學(xué)生分組研究。例如，布置學(xué)生分析Linux系統(tǒng)的內(nèi)存映射機(jī)制，讓學(xué)生在已有的地址映射基礎(chǔ)上更深入地分析復(fù)雜實(shí)際案例，從而為學(xué)生提供接觸實(shí)際系統(tǒng)，深入系統(tǒng)設(shè)計(jì)底層的機(jī)會(huì)。研究型教學(xué)的成果匯報(bào)是對(duì)學(xué)生研究能力、表達(dá)能力、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力的全方位鍛煉。

操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)了人類社會(huì)的架構(gòu)，[5]在教學(xué)中通過類比的方法，可將抽象的概念和算法思想與社會(huì)學(xué)考慮的公平、效率等理念相結(jié)合，使學(xué)生理解軟件設(shè)計(jì)必須符合社會(huì)的價(jià)值取向和推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)意識(shí)和責(zé)任意識(shí)。

通過教學(xué)網(wǎng)站、電子郵件和及時(shí)聊天工具等加強(qiáng)師生互動(dòng)，將歷年來的實(shí)踐環(huán)節(jié)優(yōu)秀作品（程序或設(shè)計(jì)報(bào)告）在網(wǎng)站公開展示，并鼓勵(lì)學(xué)生提出更好的方案。實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和理論采用單獨(dú)考核方式，尤其是實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的考核包含答辯和程序演示，且以個(gè)人而不是小組形式參加，使考核更能反映真實(shí)情況。

5 結(jié)語

理論與實(shí)踐相融合的教學(xué)方法不僅是“操作系統(tǒng)原理”課程需要研究的方法，也是培養(yǎng)工程類人才普遍需要采用的教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐證明，這一方法是實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的有效途徑。在今后的教學(xué)活動(dòng)中，需要進(jìn)一步挖掘理論與實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)，使學(xué)生能牢固地掌握操作系統(tǒng)原理知識(shí)并能靈活地加以應(yīng)用。

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