侯一凡　戚旭衍

摘要:“操作系統(tǒng)”是一門涉及面很廣的專業(yè)基礎(chǔ)課程,理論性強(qiáng),知識(shí)點(diǎn)多,講授過(guò)程中相對(duì)較難理解。本文結(jié)合作者多年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了類比法教學(xué)、動(dòng)畫支持的多媒體教學(xué)和討論互動(dòng)教學(xué)等一系列通俗易懂的教學(xué)方法。實(shí)踐證明,此類教學(xué)方法,能為廣大學(xué)生接受,效果顯著。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);類比法;多媒體動(dòng)畫;討論與互動(dòng)

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

計(jì)算機(jī)“操作系統(tǒng)”課的教學(xué)一直在計(jì)算機(jī)學(xué)科的教學(xué)計(jì)劃中占據(jù)重要地位。在美國(guó)IEEE-CS和ACM 聯(lián)合專題組發(fā)表的CC2001報(bào)告中,提出了14個(gè)知識(shí)領(lǐng)域,操作系統(tǒng)便是其中之一。中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)教育委員會(huì)、全國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)教育研究所所提出的“計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃1993”也把“操作系統(tǒng)”列為一門主要的課程。因而,“操作系統(tǒng)”教學(xué)一直受到各個(gè)學(xué)校的重視,在國(guó)內(nèi)有很多人從事這方面的研究,探討了教學(xué)過(guò)程中的教材、實(shí)驗(yàn)、考核等環(huán)節(jié)。

“操作系統(tǒng)”課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課程之一,其內(nèi)容是由各種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法和相關(guān)理論綜合而形成的。它是一門承上啟下、理論性和實(shí)踐性兼?zhèn)涞膶I(yè)基礎(chǔ)課。它涉及的基本概念多、密度大、抽象、易混淆;專業(yè)術(shù)語(yǔ)涉及的知識(shí)面廣,某些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思想難以理解。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展變化日新月異,作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心組成部分的操作系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的新思想和新方法不斷出現(xiàn),使操作系統(tǒng)的內(nèi)涵和外延發(fā)生了巨大的改變。在“操作系統(tǒng)”的教學(xué)活動(dòng)中,如何盡可能清楚和全面地為學(xué)生展現(xiàn)當(dāng)代操作系統(tǒng)的本質(zhì)、特點(diǎn)和發(fā)展方向,用通俗易懂的教學(xué)方法,傳授課程的知識(shí)點(diǎn),對(duì)任課教師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

本文結(jié)合作者在“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了以類比法教學(xué)、動(dòng)畫支持的多媒體教學(xué)和討論互動(dòng)教學(xué)等為代表的新穎教學(xué)方法。這些教學(xué)方法重視教學(xué)中教師與學(xué)生之間的相互作用,能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和首創(chuàng)精神,達(dá)到了預(yù)期的授課效果。

2“操作系統(tǒng)”課程特點(diǎn)

“操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門主干課程,該課程的主要目的是使學(xué)生了解并掌握計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)以及基本實(shí)現(xiàn)方法,使學(xué)生系統(tǒng)科學(xué)地受到分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的訓(xùn)練,為以后進(jìn)行深層的軟件研制與開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在作者的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)該課程存在以下三個(gè)特點(diǎn)。

2.1操作系統(tǒng)本身發(fā)展迅速

類似于其他計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展,操作系統(tǒng)也經(jīng)歷了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的變更與發(fā)展。早期的操作系統(tǒng)由于受硬件、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的限制,一些設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)相比于現(xiàn)代操作系統(tǒng)來(lái)講已經(jīng)是過(guò)時(shí)或不合理了。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)課程授課內(nèi)容提出了新的要求。這就需要授課老師能緊跟當(dāng)前國(guó)內(nèi)外操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的前沿,適時(shí)地對(duì)教材的內(nèi)容進(jìn)行修訂,從發(fā)展中找出規(guī)律和創(chuàng)新思路,以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入地創(chuàng)新活動(dòng)。

2.2課程理論知識(shí)性強(qiáng)

“操作系統(tǒng)”課程理論性較強(qiáng),部分知識(shí)點(diǎn)抽象難理解,學(xué)生難以掌握其核心內(nèi)容,所以在學(xué)習(xí)過(guò)程中易出現(xiàn)逃避和害怕心理。如何將課程中抽象內(nèi)容和現(xiàn)實(shí)生活中客觀實(shí)例結(jié)合起來(lái),是提高授課質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3實(shí)踐操作內(nèi)容要求高

學(xué)習(xí)操作系統(tǒng),不只為了掌握其基本原理,關(guān)鍵在于運(yùn)用掌握的原理進(jìn)行操作系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn),甚至設(shè)計(jì)。從基本程序、子系統(tǒng)到多道程序系統(tǒng)、進(jìn)程、進(jìn)間通信與同步,再到文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì),直至構(gòu)造一個(gè)真正的、簡(jiǎn)單的、有一定功能的操作系統(tǒng)。這對(duì)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)提出了最高要求,然而這需要老師在其中切實(shí)充當(dāng)好領(lǐng)路人,通過(guò)互動(dòng)討論等方法將學(xué)生 “扶上馬,送一程”。

3類比法教學(xué)

“操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容龐雜,涉及面廣,是由其在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中承擔(dān)的任務(wù)決定的。要使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握它有一定困難。為提高教學(xué)質(zhì)量和水平,作者嘗試在教學(xué)過(guò)程中采用類比教學(xué)法,將抽象理論和概念轉(zhuǎn)化為學(xué)生容易理解的具體現(xiàn)象,用通俗易懂的方法完成課程教學(xué)。

3.1類比教學(xué)法概念

根據(jù)作者的教學(xué)實(shí)踐,總結(jié)出欲將一系列復(fù)雜問(wèn)題,通過(guò)簡(jiǎn)單明了的方式表達(dá)出來(lái),進(jìn)而達(dá)到授課目的,類比教學(xué)法是其中一個(gè)行之有效的方法。

所謂類比教學(xué)法,就是根據(jù)類比法的特點(diǎn)而組織起來(lái)的教學(xué),包括用類比法設(shè)計(jì)教案、課件、教學(xué)等,在教學(xué)過(guò)程中向?qū)W生滲透類比思想。類比教學(xué)法是創(chuàng)設(shè)真實(shí)生動(dòng)情景的有效工具之一,教師運(yùn)用類比法創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題情景,能有效地促使學(xué)生發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、新方法,讓學(xué)生沉浸在問(wèn)題情景中,將要探索的問(wèn)題與已有經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái),找到類比的對(duì)象,進(jìn)而運(yùn)用對(duì)此類比對(duì)象的研究所取得的成功經(jīng)驗(yàn)、方法和結(jié)果等進(jìn)行分析比較,建構(gòu)類比以尋求規(guī)律,大膽猜想并找出證明思路,為建構(gòu)知識(shí)意義打下良好的基礎(chǔ)。

3.2類比法的應(yīng)用

類比是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象有一部分屬性相類似,從而推出這兩個(gè)對(duì)象其他屬性亦相類似的一種推理方法。人們認(rèn)識(shí)事物和理解一個(gè)新問(wèn)題很容易從一個(gè)客觀可見的實(shí)體出發(fā),然后通過(guò)自己感官認(rèn)識(shí)并理解它。在授課過(guò)程中,可將操作系統(tǒng)相關(guān)概念和生活中的事例結(jié)合起來(lái)分析。下面以實(shí)例來(lái)說(shuō)明類比法的好處。

首先以操作系統(tǒng)概念為例。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)軟件,它負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)系統(tǒng)的資源并組織用戶協(xié)調(diào)使用這些資源,使計(jì)算機(jī)高效地工作。為更好理解這一概念,在闡述操作系統(tǒng)定義時(shí),可以把它理解為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的大管家,類似于一個(gè)大的集團(tuán)公司的“主管人員”。為確保一個(gè)集團(tuán)公司的目標(biāo)要得以有效實(shí)現(xiàn),必須通過(guò)層層分解,將任務(wù)落實(shí)到各個(gè)部門,直至組織的每個(gè)成員身上。而操作系統(tǒng)有五大功能,分別是:處理機(jī)管理,存儲(chǔ)器管理,設(shè)備管理,文件管理和用戶接口管理;類似于主管人員的五個(gè)部門主管,如銷售、研發(fā)、人力資源等。通過(guò)此類比,學(xué)生立刻就明白了操作系統(tǒng)的概念,并可延伸其至管理方法。

類比法教學(xué)不僅有助于學(xué)生理解操作系統(tǒng)相關(guān)概念,還有助于指導(dǎo)他們?cè)谡n程學(xué)習(xí)中創(chuàng)新。如講述“資源管理”這一知識(shí)點(diǎn)時(shí),可將CPU資源比喻成餐館,而將欲占用CPU資源的進(jìn)程比喻成顧客。顧客為了就餐,必須按照到餐館的時(shí)間順序進(jìn)行排隊(duì),這是操作系統(tǒng)中處理多個(gè)進(jìn)程的基本方法。那么有的學(xué)生提出,可以擴(kuò)大餐館的規(guī)模,于是引出進(jìn)程并行的方法。另一個(gè)問(wèn)題是,往往由于某個(gè)進(jìn)程等待某一資源,而拼命地“空轉(zhuǎn)”,不斷地查詢當(dāng)前CPU的狀態(tài),造成資源的浪費(fèi)。而類似的,餐館中服務(wù)員叫號(hào)的方法,等待期間顧客可以忙自己的事情,而不必進(jìn)行查詢,叫號(hào)后由服務(wù)員喚醒當(dāng)前正在等待的顧客,于是又引出操作系統(tǒng)中中斷的機(jī)制。其實(shí),很多操作系統(tǒng)中采取的策略,均來(lái)自生活,因而用類比方法授課,可達(dá)到很好的效果。

上述是作者在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用類比教學(xué)法的個(gè)別案例。在操作系統(tǒng)中還有很多問(wèn)題可用生活中的事例去類比講解。如“優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法”,本義是指從進(jìn)程就緒隊(duì)列中挑選優(yōu)先級(jí)別高的進(jìn)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(yōu)先的例子;還有“死鎖”的概念可比喻成生活中交通堵塞的問(wèn)題;臨界區(qū)資源可比喻成在電話亭排隊(duì)打電話等。這些恰當(dāng)?shù)谋扔鞫寄軒椭鷮W(xué)生理解和掌握抽象的概念和原理。想在教學(xué)中用好類比教學(xué)法,首先要求教師能深刻透徹理解問(wèn)題的本質(zhì);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(fēng)趣的語(yǔ)言把二者巧妙結(jié)合在一起,分析二者本質(zhì)上的相似點(diǎn),以此讓學(xué)生掌握問(wèn)題的本質(zhì),否則效果會(huì)適得其反。

4動(dòng)畫支持的多媒體教學(xué)

隨著科技的發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展本身也促進(jìn)了現(xiàn)代教學(xué)方法的進(jìn)步,傳統(tǒng)的粉筆加黑板的教學(xué)模式已經(jīng)難以適應(yīng)信息化時(shí)代的需求。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,使多媒體技術(shù)在課程教學(xué)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,也取得了越來(lái)越好的效果。

筆者還在國(guó)防科技大學(xué)就讀時(shí),在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的課堂上,曾被張晨曦教授用“網(wǎng)動(dòng)王”所設(shè)計(jì)的課件震撼。張教授以動(dòng)畫形式展示了流水線各個(gè)階段的全過(guò)程,非常通俗、清晰地說(shuō)明了所有問(wèn)題,使原本難以理解的流水線問(wèn)題變得簡(jiǎn)單。這就是動(dòng)畫技術(shù)的特點(diǎn)。于是當(dāng)筆者成為一名老師時(shí),便開始了在“操作系統(tǒng)”課程授課中探索多媒體、動(dòng)畫教學(xué)的歷程。

在教學(xué)中,筆者常將操作系統(tǒng)中理論性強(qiáng)、極其抽象的內(nèi)容制作成Flash動(dòng)畫。例如在講述死鎖這一內(nèi)容時(shí),對(duì)多個(gè)進(jìn)程死鎖的產(chǎn)生和進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)等,用Flash動(dòng)畫來(lái)演示,以便在課上形象講解各個(gè)進(jìn)程需要占用的資源,競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)生,死鎖產(chǎn)生的原因及依賴關(guān)系等。課程講述過(guò)程中,可采用PowerPoint和動(dòng)畫結(jié)合的課件模式,能用動(dòng)畫的絕不用靜態(tài)表示方法,能用圖片表示的絕不用文字等,切實(shí)給學(xué)生以直觀印象,加深他們對(duì)課程內(nèi)容的理解。尤其是對(duì)一些較難的算法必須編寫教學(xué)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示。用動(dòng)畫技術(shù)展示算法的全過(guò)程,加深學(xué)生理解。

實(shí)踐證明,采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段,用生動(dòng)活潑的表現(xiàn)形式展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,可以化抽象為直觀,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,強(qiáng)化教學(xué)效果。

5討論互動(dòng)式教學(xué)

現(xiàn)代教育呼喚人的主體精神,高等教育的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)也必須實(shí)現(xiàn)從以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變,使學(xué)生和教師同時(shí)成為課堂的真正主人,更好地鞏固教學(xué)效果。而“討論互動(dòng)式”教學(xué)方法正好符合這一要求。

5.1討論互動(dòng)式教學(xué)的必要性

“討論互動(dòng)式”教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力為宗旨,以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)為目的,通過(guò)開展課堂討論、課堂辯論、網(wǎng)上討論、小組討論等教學(xué)活動(dòng),使學(xué)生對(duì)專題問(wèn)題有進(jìn)一步的理解,能夠引發(fā)對(duì)不同角度與方法的探討,增強(qiáng)學(xué)生的主體意識(shí),增進(jìn)學(xué)生的協(xié)作意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在“操作系統(tǒng)”課程中開展“討論互動(dòng)式”教學(xué),具有一定的必要性,主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面。

首先,“操作系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)適合開展“討論互動(dòng)式”教學(xué)方法?！安僮飨到y(tǒng)”是一門理論性和綜合性較強(qiáng)的課程,涉及的概念較抽象,有一定深度和難度,學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒,進(jìn)而缺乏接受課程的自信心,對(duì)參與各種教學(xué)活動(dòng)有畏懼心理。通過(guò)討論和適當(dāng)互動(dòng),能對(duì)學(xué)生正確引導(dǎo),消除他們的畏懼心理,使其投入到學(xué)習(xí)中去。

其次,大部分學(xué)生缺少參與意識(shí)。高等教育的教學(xué)實(shí)踐必須實(shí)現(xiàn)從以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變,學(xué)生應(yīng)成為課堂的真正主人。而目前仍然有部分學(xué)生頭腦中存在著傳統(tǒng)教學(xué)觀念,習(xí)慣在課堂上充當(dāng)被動(dòng)接受的角色。

再次,部分學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)自信。沒(méi)有自信心,也就喪失了學(xué)習(xí)的興趣和樂(lè)趣,越是自卑越不想學(xué),進(jìn)而導(dǎo)致惡性循環(huán)。經(jīng)常采用課堂討論、課堂辯論、網(wǎng)上討論、小組討論等形式進(jìn)行教學(xué),促進(jìn)師生及同學(xué)問(wèn)的雙向交流,在培養(yǎng)學(xué)生信心的同時(shí),也增強(qiáng)了學(xué)生的主體性。

5.2討論互動(dòng)式教學(xué)的實(shí)施

正所謂“溫故而知新”,對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行及時(shí)的溫習(xí),可達(dá)到事半功倍的效果。在作者的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中主要采取以下兩種互動(dòng)形式進(jìn)行教學(xué)。

(1) 課堂隨機(jī)提問(wèn)。上課時(shí),若學(xué)生知道老師要發(fā)問(wèn),聽講會(huì)更認(rèn)真。提問(wèn)內(nèi)容一部分是對(duì)授課內(nèi)容的簡(jiǎn)單回顧,以考察學(xué)生的掌握情況;一部分則是對(duì)課程內(nèi)容的適當(dāng)延伸,激發(fā)大家的創(chuàng)新意識(shí),使所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。

(2) 在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)講授完畢后,隨機(jī)抽學(xué)生上講臺(tái)做“十分鐘老師”。這種做法以學(xué)生為主體,能充分調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性,學(xué)生在講課過(guò)程中也能對(duì)老師的授課方式產(chǎn)生許多有益啟發(fā)。實(shí)踐證明,此方法效果顯著。

6結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合作者實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn),分析了“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)中的一般性問(wèn)題,結(jié)合課程的特點(diǎn)和教育心理學(xué)的方法,探索性提出了類比法教學(xué)、動(dòng)畫支持的多媒體技術(shù)教學(xué)、互動(dòng)討論式教學(xué)等在本課程中的應(yīng)用,討論了如何用通俗易懂的方法講述“操作系統(tǒng)”課程,以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生學(xué)習(xí)信心,改善本課程教學(xué)效果。我們要努力積極行動(dòng)、認(rèn)真實(shí)踐,鍥而不舍,不斷向前。本研究得到信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院院教學(xué)改革立項(xiàng)的支持,在這里感謝。

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