基于關(guān)聯(lián)案例教學(xué)法的教學(xué)設(shè)計(jì)

王立春 孔德慧 李敬華

[摘 要] 高校專業(yè)課程內(nèi)容通常是某個(gè)特定研究方向的理論及方法，因此課程涉及的知識(shí)點(diǎn)間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。授課過程中針對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)有類比或承繼關(guān)系的教學(xué)案例，有助于幫助學(xué)生辨析概念、構(gòu)建知識(shí)體系。以“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”課程為背景，針對(duì)存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)邏輯上由簡(jiǎn)至繁的系列案例，在課堂學(xué)習(xí)中逐步展開問題的分析和求解，一方面學(xué)生借助由解決簡(jiǎn)單問題獲取的經(jīng)驗(yàn)建立解決復(fù)雜問題的信心，另一方面系列問題之間既有的相似性和差異性，有助于激發(fā)學(xué)生解決更復(fù)雜問題的好奇心和興趣，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、提高學(xué)生的參與度。

[關(guān)鍵詞] 案例教學(xué)法;關(guān)聯(lián)案例教學(xué);操作系統(tǒng)

[基金項(xiàng)目] 2019年度北京工業(yè)大學(xué)研究生課程建設(shè)項(xiàng)目“真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”（CR201907）

[作者簡(jiǎn)介] 王立春（1975—），女，黑龍江綏化人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部教授，主要從事人工智能、人機(jī)交互研究;孔德慧（1968—），女，陜西吳堡人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部教授，主要從事多媒體技術(shù)研究;李敬華（1979—），女（滿族），遼寧錦州人，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部副教授，博士，主要從事模式識(shí)別、圖像處理研究。

[中圖分類號(hào)] TP316? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）42-0101-04? ?[收稿日期] 2021-04-30

一、引言

案例教學(xué)法以構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，通常利用一種真實(shí)的教學(xué)情境切入教學(xué)內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生在對(duì)情境進(jìn)行探討的過程中理解抽象、復(fù)雜的概念或原理[1]。關(guān)聯(lián)案例教學(xué)法強(qiáng)調(diào)教學(xué)案例與學(xué)生生活、專業(yè)相關(guān)聯(lián)，本文在考慮以上關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，針對(duì)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程中的進(jìn)程同步與互斥問題，通過設(shè)計(jì)生活相關(guān)且由簡(jiǎn)至繁的一系列案例引導(dǎo)學(xué)生漸進(jìn)地理解如何利用信號(hào)量及PV原語實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥或同步[2]。

“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、信息安全等信息類專業(yè)的核心和基礎(chǔ)課程[3]，對(duì)于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“計(jì)算機(jī)組成管理”“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”“網(wǎng)絡(luò)安全”等其他專業(yè)課有承上啟下的作用，充分理解操作系統(tǒng)課程中的概念和原理可以幫助學(xué)生更好地理解其他理論課程涉及的概念和原理。

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，提供硬件和其他軟件的接口、計(jì)算機(jī)和用戶的接口;控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的各種軟硬件資源;有效地組織和管理多道程序的運(yùn)行。在保證安全的前提下保障程序并發(fā)執(zhí)行和資源共享是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)，為了有效支持程序并發(fā)執(zhí)行和資源共享，現(xiàn)代操作系統(tǒng)使用進(jìn)程描述計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程并將進(jìn)程看作是資源分配的基本單位。因此，進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)的重要功能之一，透徹理解進(jìn)程管理有助于深入理解操作系統(tǒng)的工作原理。

二、進(jìn)程互斥/同步與信號(hào)量和PV原語

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源有限導(dǎo)致了進(jìn)程之間的資源競(jìng)爭(zhēng)和共享。一組并發(fā)進(jìn)程中的一個(gè)或多個(gè)程序段，因共享某一共有資源而導(dǎo)致它們必須以一個(gè)不允許交叉執(zhí)行的單位執(zhí)行，稱為進(jìn)程的互斥;異步環(huán)境下的一組并發(fā)進(jìn)程因直接制約而互相發(fā)送消息而進(jìn)行互相合作、互相等待，使得各進(jìn)程按一定的速度執(zhí)行的過程稱為進(jìn)程間的同步[4]。

信號(hào)量和PV原語是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥的重要手段，公用信號(hào)量描述多進(jìn)程共享的資源的使用情況，私用信號(hào)量描述同步進(jìn)程中先序進(jìn)程的完成情況，PV原語是用于信號(hào)量管理的原語。理解“基于信號(hào)量和PV原語實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥”是操作系統(tǒng)課程中“進(jìn)程管理”的重點(diǎn)內(nèi)容，也是難點(diǎn)之一。

進(jìn)程同步互斥的經(jīng)典案例有“生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題”“讀—寫者問題”“哲學(xué)家就餐問題”“過橋問題”等，這些問題分別描述了不同資源限制條件下的同步和互斥問題，以值分別為例講解進(jìn)程同步互斥時(shí)需要在不同應(yīng)用場(chǎng)景間切換，相比之下，分析單一應(yīng)用場(chǎng)景下不同條件的問題設(shè)置更容易建立問題與解決方案之間的關(guān)聯(lián)，更利于在講解過程中引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷邏輯漸進(jìn)復(fù)雜的問題場(chǎng)景，從而遞進(jìn)式地展開問題分析。

本文針對(duì)以上問題，對(duì)生活場(chǎng)景密切相關(guān)的“過橋問題”進(jìn)行修改，提出由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的一系列問題，使其在用于解釋進(jìn)程同步和互斥問題時(shí)便于展開由淺入深的分析。

三、漸進(jìn)復(fù)雜的進(jìn)程互斥案例設(shè)計(jì)

針對(duì)進(jìn)程同步問題，選擇生活場(chǎng)景密切關(guān)聯(lián)的“過橋”作為案例，考慮單向/雙向通過、以及允許1人通過/允許N人同時(shí)通過，設(shè)計(jì)漸進(jìn)復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)使用資源問題，以達(dá)到遞進(jìn)式分析問題的目的。

（一）單向—允許一人通過的過橋問題

過橋問題-1：一條河上架設(shè)了一座只允許單向通過的橋，且任意時(shí)刻橋上只能有一個(gè)人，過河的人只能沿著橋向前走而不能向后退，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)利用PV原語實(shí)現(xiàn)多人順利過河的算法。

問題分析：“任意時(shí)刻橋上只能有一個(gè)人”要求過橋的人互斥地通過橋，“只允許單向通過”以及“過河的人只能沿著橋向前走而不能向后退”的條件，意味著正在過橋的人只需要考慮同方向后續(xù)要過橋的人有共享公共資源的可能。

設(shè)置公用信號(hào)量semBridge表示橋是否可用，由于任意時(shí)刻橋上只能有一個(gè)人，因此該信號(hào)量初值為1。描述每個(gè)過橋人行為的偽碼如下。

（二）單向—允許N人同時(shí)通過的過橋問題

過橋問題-2：一條河上架設(shè)了一座只允許單向通過的橋，且任意時(shí)刻橋上最多可以有N個(gè)人，過河的人只能沿著橋向前走而不能向后退，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)利用PV原語實(shí)現(xiàn)多人順利過河的算法。

問題分析：與“過橋問題-1”相比，新的問題描述是“任意時(shí)刻橋上最多可以有N個(gè)人”，這意味著公共資源的數(shù)量從1增加為N。

設(shè)置公用信號(hào)量semPeople表示橋可容納的人數(shù)，由于任意時(shí)刻橋上最多可以有N個(gè)人，因此該信號(hào)量初值為N。

（三）雙向—允許N人同時(shí)通過的過橋問題

過橋問題-3：一條河上架設(shè)了一座橋，且任意時(shí)刻橋上最多可以有N個(gè)人，過河的人只能沿著橋向前走而不能向后退。過河時(shí)，只要對(duì)岸無人過橋，就可以過橋，但不允許河兩岸的人同時(shí)過橋。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)利用PV原語實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向多人順利過河的算法。（假定人源源不斷地到達(dá)）

問題分析：任意一個(gè)在橋上的人要考慮兩種互斥地使用橋的情況：同方向后續(xù)要過橋的人，對(duì)岸要過橋的人。為了方便描述過橋人的方向，設(shè)過橋的兩個(gè)方向記為正向和反向（后續(xù)問題采用相同記法）。

從第一個(gè)過橋人的角度分析，假定這個(gè)人的方向是正向，那么只有橋上沒有反向的過橋人的情況下，此人才可能過橋，因此正向第一個(gè)過橋的人擁有對(duì)橋的控制權(quán)，同理反向第一個(gè)過橋的人也擁有對(duì)橋的控制權(quán);同時(shí)為了使對(duì)立方向的人能夠獲得過橋的機(jī)會(huì)，正在過橋的這一方向最后一個(gè)過橋的人有必要釋放對(duì)橋的控制權(quán)。因此需要設(shè)置公用信號(hào)量semBridge表示橋是否可用，由于該信號(hào)量用于描述橋的控制權(quán)，因此初值為1。

由于是同方向第一個(gè)人獲得橋的控制權(quán)、最后一個(gè)人釋放橋的控制權(quán)，因此需要設(shè)置計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)過橋人的次序，又由于正向和反向都需要統(tǒng)計(jì)過橋人的次序，因此有必要設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器counterZ和counterF分別用于正向和反向的計(jì)數(shù)。對(duì)于正向的過橋人來說，計(jì)數(shù)器counterZ是所有正向過橋人互斥使用的公共資源，因此設(shè)置公用信號(hào)量semCounterZ，初值為1;反向計(jì)數(shù)器counterF的使用同理，設(shè)置公用信號(hào)量semCounterF，初值為1。

“任意時(shí)刻橋上最多可以有N個(gè)人”的條件仍然存在，即公共資源數(shù)量為N，因此設(shè)置公用信號(hào)量semPeople表示橋可容納的人數(shù)，初值為N。

描述正向每個(gè)過橋人行為的偽碼如下（反向過橋與正向過橋原理相同，此處省略偽碼）。

過橋問題-3中，如果正向的人開始過橋且過橋的人有無窮個(gè)人，則反方向的人永遠(yuǎn)也無法獲得過橋機(jī)會(huì)，不存在最后一個(gè)人來釋放橋，反向過橋情況亦然。

四、遞進(jìn)復(fù)雜的進(jìn)程同步案例設(shè)計(jì)

針對(duì)進(jìn)程同步問題，承接進(jìn)程互斥問題的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，考慮雙向通過時(shí)允許1人或N人交替通過的情況，設(shè)計(jì)漸進(jìn)復(fù)雜的同步且同時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)使用資源的情況。

（一）雙向—允許一人交替通過的過橋問題

過橋問題-4：一條河上架設(shè)了一座橋，且任意時(shí)刻橋上只能有一個(gè)人，過河的人只能沿著橋向前走而不能向后退。要求正向和反向的人交替過橋，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)利用PV原語實(shí)現(xiàn)多人順利過河的算法。

問題分析：與“過橋問題-1”相近，問題描述增加了“正向和反向的人交替過橋”，即正向過橋人和反向過橋人之間存在同步關(guān)系，因此分別為正向過橋人和反向過橋人設(shè)置私用信號(hào)量semPassF和semPassZ表示“反向已過橋”和“正向已過橋”。假定正向優(yōu)先過橋，則semPassF初值為1，semPassZ初值為0。由于“任意時(shí)刻橋上只能有一個(gè)人”，因此需要設(shè)置公用信號(hào)量semBridge表示橋是否可用，初值為1。

描述正向每個(gè)過橋人行為的偽碼如下（反向過橋與正向過橋原理相同，此處省略偽碼）。

（二）雙向—允許N人交替通過的過橋問題

過橋問題-5：一條河上架設(shè)了一座橋，且任意時(shí)刻橋上最多可以有N個(gè)人，過河的人只能沿著橋向前走而不能向后退。要求正向的N個(gè)人和反向的N個(gè)人交替過橋且正方先過橋，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)利用PV原語實(shí)現(xiàn)多人順利過河的算法。

問題分析：假定正向優(yōu)先過橋，則semPassF初值為N，semPassZ初值為0。此外，由于“正向的N個(gè)人和反向的N個(gè)人交替過橋”，因此正向或反向的第一個(gè)過橋的人擁有對(duì)橋的控制權(quán);同時(shí)正向或反向的第N個(gè)過橋的人釋放對(duì)橋的控制權(quán)。因此需要為正向和反向分別設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器，上橋計(jì)數(shù)器semCounterZup和semCounterFup用于記錄正向過橋和反向過橋的第一個(gè)人，下橋計(jì)數(shù)器semCounterZdown和semCounterFdown用于記錄正向過橋和反向過橋的第N個(gè)人，與前述問題中使用計(jì)數(shù)器相同，同方向的過橋人互斥地使用計(jì)數(shù)器，因此需要為每個(gè)計(jì)數(shù)器設(shè)置對(duì)應(yīng)的公用信號(hào)量。

描述正向每個(gè)過橋人行為的偽碼見下頁（反向過橋與正向過橋原理相同，此處省略偽碼）。

五、教學(xué)實(shí)施情況

以上提出的系列過橋問題，在相同應(yīng)用背景下逐漸增加問題的復(fù)雜度，有助于在教學(xué)過程中借助簡(jiǎn)單問題的解決方案逐步展開對(duì)更復(fù)雜問題的分析。

過橋問題-1條件最簡(jiǎn)單，在理解進(jìn)程互斥、信號(hào)量和PV原語的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生分析具體問題中的公共資源是什么、互斥使用公共資源的進(jìn)程有哪些，從而定義恰當(dāng)?shù)墓眯盘?hào)量及其初值;過橋問題-2中變化量只是公共資源的數(shù)量，學(xué)生可以輕易地提出解決方案;過橋問題-3描述的問題進(jìn)一步復(fù)雜化，有了解決前兩個(gè)過橋問題的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生更樂于參與對(duì)過橋問題-3的討論，提出各種解決方案，針對(duì)學(xué)生提出的解決方案分析利弊且在此過程中進(jìn)一步明確了公共資源、進(jìn)程互斥、信號(hào)量以及PV原語的概念。

討論了過橋問題-3之后，過橋問題-4的條件設(shè)定對(duì)學(xué)生來說不復(fù)雜，借用相同場(chǎng)景進(jìn)一步明確了進(jìn)程同步、信號(hào)量和PV原語的概念;過橋問題-5相比過橋問題-4復(fù)雜且與過橋問題-3有相似之處，相似又不同的問題設(shè)定吸引學(xué)生在課后繼續(xù)鉆研提供解決方案，較好地達(dá)到了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。

六、結(jié)語

本文針對(duì)操作系統(tǒng)課程中進(jìn)程同步與互斥設(shè)計(jì)的系列過橋問題，既考慮了案例問題與學(xué)生生活的關(guān)聯(lián)，也考慮了進(jìn)程同步與進(jìn)程互斥兩個(gè)既有知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。案例問題的條件由簡(jiǎn)單到繁難，學(xué)生通過解決簡(jiǎn)單問題獲得經(jīng)驗(yàn)，從而更有信心解決復(fù)雜問題;系列問題之間既有相似性也有差異性，激發(fā)學(xué)生解決復(fù)雜問題的好奇心和興趣，從而有利于通過分析系列問題幫助學(xué)生更深入地理解進(jìn)程同步、進(jìn)程互斥、信號(hào)量以及PV原語的概念。

參考文獻(xiàn)

[1]吳海珍，孟愛國.關(guān)聯(lián)案例教學(xué)法的研究與教學(xué)實(shí)踐[J].湖南財(cái)經(jīng)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008，24（113）：141-142.

[2]袁玲.關(guān)聯(lián)案例教學(xué)法在《C語言程序設(shè)計(jì)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].喀什師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，35（6）：66-68.

[3]中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002研究組.中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，

2002：8.

[4]張堯?qū)W，宋虹，張高.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013：10.

Teaching Design Based on Related Case Teaching Method： A Case Study of Process Synchronization and Mutual Exclusion

WANG Li-chun， KONG De-hui， LI Jing-hua

（Department of Information， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： The content of professional courses in colleges and universities is usually designed to teach the theory and method of a specific research direction， so there is strong correlations between the knowledge points involved in the courses. Designing cases with analogy or succession relationship for related knowledge points can help students differentiate concepts and construct knowledge system. Based on the course of Computer Operating System， and aiming at the knowledge points with correlation， this paper designs a series of cases from simple to complex， and gradually analyzes and solves problems in classroom learning. On the one hand， students can build confidence to solve complex problems with the experience obtained by solving simple problems; on the other hand， there are similarities and differences between the series of problems， which helps to stimulate students curiosity and interest for solving more complex problems， so as to mobilize students initiative and improve students participation degree.

Key words： case teaching method; related case teaching; operating system