操作系統(tǒng)課程中教學方法的綜合運用研究

李佳靜 閆 琰 張國英

（中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院 北京 100083）

0 引言

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的核心軟件，對計算機系統(tǒng)中的軟硬件資源進行管理，合理組織計算機的工作流程。操作系統(tǒng)是計算機專業(yè)的核心專業(yè)課程，圍繞操作系統(tǒng)的主要功能包括處理機管理、內存管理、文件管理，以及設備管理的實現原理展開。

進程是計算機操作系統(tǒng)當中最重要的概念。可以說，操作系統(tǒng)中的所有工作，都是圍繞著如何為進程服務進行的。進程不同于學生在之前編程時所掌握的“程序”，是一個動態(tài)的概念。并發(fā)系統(tǒng)的諸多進程，由于對資源的競爭和共享產生了不同的關系。如何理解進程以及進程之間的關系，一直是操作系統(tǒng)課程中的重點和難點，也是后續(xù)課程包括并行計算等的基礎。

進程的教學，具有抽象、復雜、概念繁多等特點，在教學中采用單一或有限的教學方法往往效果不佳，給學生的學習帶來了很大的困難，從而產生畏學情緒。在實際的教學中，根據以往的教學總結，針對不同的知識點的特點設計了多種教學方法。在這里以進程的互斥關系為例，說明這些教學方法的綜合運用，從不同的方面改善了教學效果。

1 多種教學方法在教學中的應用

在進程互斥關系的講解中，綜合運用了類比法、案例法、啟發(fā)法、圖表法、反證法和對比法等教學方法。這些方法具有各自的特點和應用場景，達到了不同的效果。

1.1 類比法

類比教學法利用學生熟悉的、生動直觀的知識與新知識之間的相似性來進行教學，能降低教學難度、提升學生的學習興趣。由于進程和進程之間的關系比較抽象，因此可以采用類比法進行講解。

進程是計算機中獨立運行的實體，而人是人類社會中的個體。因此在講解進程概念時，可以將“進程”與人類社會中的個體“人”進行類比，將“操作系統(tǒng)”與“人類社會”進行類比。可以從以下幾個方面進行類比：

（1）任何一個進程都是在計算機系統(tǒng)中存在和運行的，就像人在社會中存在和生存一樣；操作系統(tǒng)是進程執(zhí)行的全景，任何進程都不能脫離操作系統(tǒng)和其它并發(fā)進程的影響；

（2）人類社會中，生產資料等各種資源都是為人所使用；同樣操作系統(tǒng)中的資源管理都是圍繞著進程進行的，為進程服務的；

（3）人類社會中的各種社會形態(tài)，例如奴隸社會、封建社會是根據生產資料的分配形式決定的，同樣在操作系統(tǒng)在分配資源時也有不同的策略；

（4）在人類社會中，人和人之間存在著各種關系，同理在并發(fā)的計算機系統(tǒng)中的進程之間也存在著各種關系。例如兩個人之間不認識，對應的就是進程之間互斥關系；兩個人之間雖然不認識，例如圓通的兩個省份的快遞員可能不認識，但是可以合作完成一件事情即將一件快遞從一個省份到另一個省份，對應的就是進程之間的合作關系；兩個人之間認識可以互相認識并且直接通訊，這就是進程之間的通信關系。

通過將“進程”與人類社會中的每個個體“人”進行類比，將“操作系統(tǒng)”與“人類社會”進行類比，使得學生對于抽象的“進程”概念轉換成生動活潑的人類社會的理解，降低了學習難度。

1.2 案例法

案例教學法圍繞學習目標把實際中真實的情景加以典型化處理，形成供學生思考分析和決斷的案例。在進程互斥當中，以最直觀和具有代表性的聯網售票系統(tǒng)代碼作為一個貫穿始終的案例，將所有的知識點結合該案例進行講解。如表1所示：

表1：聯網售票進程偽碼

圍繞著聯網售票系統(tǒng)對一些關鍵的概念進行講解，例如并發(fā)進程，就是多個正在營業(yè)的售票網點；臨界資源，就是售票的數據庫；臨界區(qū)，就是聯網售票系統(tǒng)中對售票數據庫進行操作訪問的代碼部分。

聯網售票系統(tǒng)的代碼簡單，貼近大學生生活。在講解的時候，以學校東門和南門的兩個售票點的并發(fā)進程為例進行說明，富有生活氣息，學生表示非常容易接受。

1.3 啟發(fā)法

啟發(fā)式教學是在教學工作中依據知識點的內在聯系和學生的認識規(guī)律，由淺入深，由近及遠，由表及里，由易到難的逐步提出問題，解決問題。在進程互斥問題講解的過程中，以啟發(fā)式的方式向學生提問，引發(fā)學生的深入思考。例如向學生提出以下問題：

（1）東門的售票點今天是否營業(yè)對南門的售票點有影響嗎？

（2）東門的售票點售票需要等南門的售票點先售票完成嗎？

（3）東門的售票點是否知道南門售票點的存在？

學生基于常識會回答：

（1）東門的售票點是否營業(yè)對南門的售票點沒有影響；

（2）東門的售票點和南門售票點的售票沒有先后關系；

（3）東門的售票點不知道南門售票點的存在。

基于學生的這些回答，繼續(xù)啟發(fā)學生對進程之間的互斥關系進行總結：

（1）進程之間沒有相互依賴關系，一個進程是否運行對另外的進程沒有影響；

（2）進程之間沒有固定的順序關系，執(zhí)行順序是隨機的；

（3）進程之間相互不感知。

啟發(fā)式的教學過程中由淺入深的設計各種問題，讓學生有一種撥云見日漸入佳境的感覺，并完成從特殊到一般的歸納，從而掌握了進程互斥關系的實質。

1.4 圖表法

圖表教學法使教學內容直觀化和形象化，具有新穎性，富有吸引力。為了聯網售票程序執(zhí)行過程進行細致的講解，采用圖表法進行演示。如表2所示，表中的列表示系統(tǒng)中的若干個并發(fā)進程，行代表執(zhí)行中的若干時間點，表中的每一單元表示該進程在該時刻執(zhí)行的代碼。

表2：2個并發(fā)的聯網售票進程執(zhí)行序列圖

在這個表中假設系統(tǒng)中同時有兩個聯網售票進程 p1和p2，在T1時刻P1從數據庫中讀入，T2時刻P2從數據庫中讀入，T3時刻P2對數據庫進行修改，T4時刻T4對數據庫進行修改。在T4時刻，出現了“同一張票被賣了兩次”的錯誤。

在對該圖表的解釋過程當中，學生通常會產生“原來看起來這么簡單的程序，在執(zhí)行的過程中如果不加以控制就會產生很嚴重的錯誤”的想法，從而產生追問原因并尋求解決方案的愿望。圖表法能夠細致地展現進程的并發(fā)過程，對學生理解程序的進程互斥關系有非常大的幫助。

1.5 反證法

反證法通過判定與論題相矛盾的判斷的虛假來確立論題的真實性的論證方法。對于使用P，V原語和信號量來解決進程互斥問題的講解中，為了說明P，V原語的正確位置，采用反證法進行驗證。當P原語處于不當的位置時可能造成時間相關的錯誤；而當V原語處于不當的位置時，可能引起資源的浪費。反證法使得學生掌握了對于某種解決方案不知道是否正確的時候的一種驗證分析方法。

1.6 對比法

對比教學法，將一組具有一定關聯性而又有差別的概念進行細致的對比分析，從而幫助學生理解其中的聯系和不同。在進程關系的教學中，進程的關系包括互斥、同步和通信等關系。其中通信關系比較好理解，而互斥和同步關系的區(qū)別很容易給學生造成困擾。因此在講授過程中，從幾個方面將互斥和同步關系進行對比：

（1）進程之間是否互相感知？

（2）進程之間在使用資源時是否有時序的限制？

（3）一個進程的執(zhí)行結果是否影響另一個進程？

對于任何兩個進程，分別回答以上問題，然后對應互斥和同步的定義，則可以區(qū)分進程之間的關系。

2 結語

在進程的關系的教學中，綜合使用類比法、案例法、啟發(fā)法、圖表法、反證法和對比法等方法。類比法可以使用具體的貼近生活的知識來幫助對進程概念和進程間關系的理解；案例法可以將臨界區(qū)和臨界資源等概念聯系到實際的例子當中；啟發(fā)法可以幫助學生主動思考，發(fā)現進程間關系的本質；圖表法可以將程序執(zhí)行的過程進行細致的展現；反證法用于理解當錯誤的使用P，V原語和信號量時帶來的后果；對比法用于掌握不同進程關系的關聯和差異。這些教學方法的綜合使用，從多個方面提高了學生對知識的掌握和理解，改善了教學效果。在今后的操作系統(tǒng)課程教學過程當中，還將繼續(xù)嘗試角色扮演法、溯源法等多種其他教學方法，以滿足更多教學內容的需求。