高校操作系統(tǒng)課程教學(xué)創(chuàng)新模式的研究與實踐

滕艷平　王海珍　潘海珠

文章編號：1672-5913(2009)07-0101-03

摘要：本文就高校操作系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，分別從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法以及強化實驗教學(xué)等方面入手，提出該課程教學(xué)創(chuàng)新模式的一些構(gòu)想，使得操作系統(tǒng)理論知識與實際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，從而提高操作系統(tǒng)課程的教育教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；教學(xué)創(chuàng)新；教學(xué)方法；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1操作系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀

操作系統(tǒng)是計算機(jī)學(xué)科最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涉及理論、算法、技術(shù)、實現(xiàn)和應(yīng)用等多個方面，主要介紹操作系統(tǒng)的基本原理和實現(xiàn)技術(shù)，是理解計算機(jī)系統(tǒng)工作、用戶與計算機(jī)系統(tǒng)交互和設(shè)計開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)等知識結(jié)構(gòu)的重要途徑。傳統(tǒng)操作系統(tǒng)教材大多是以抽象的原理敘述為主，缺乏理論與實際應(yīng)用的融通，使得學(xué)生學(xué)完該課程后，難于把所學(xué)的知識與目前常用的操作系統(tǒng)聯(lián)系起來；授課教師也因此普遍反映操作系統(tǒng)課程難教。此外，隨著計算機(jī)技術(shù)、設(shè)備的迅速發(fā)展和應(yīng)用需求的擴(kuò)大，計算機(jī)操作系統(tǒng)課程的內(nèi)容需要不斷充實更新。

2構(gòu)建先進(jìn)的課程內(nèi)容體系

按照教育部確定高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)理論教育的三個層次(內(nèi)容取材、體系科學(xué)、突出知識點)教學(xué)體系的要求，應(yīng)將國內(nèi)外流行的操作系統(tǒng)Linux編入教材中，做到遵循教育和學(xué)習(xí)規(guī)律，優(yōu)先注重內(nèi)容在應(yīng)用上的層次性，適當(dāng)兼顧整體在理論上的系統(tǒng)性。以操作系統(tǒng)原理為核心，結(jié)合現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)架的教學(xué)理念，將該課程拓展到其他相關(guān)課程中，形成多層次、多類型的教學(xué)，并與實踐環(huán)節(jié)相互配合，使理論教學(xué)和實踐教學(xué)做到有機(jī)的結(jié)合。

在本課程內(nèi)容組織上，依據(jù)操作系統(tǒng)的資源管理功能，應(yīng)將操作系統(tǒng)看作計算機(jī)軟硬件資源的管理器。因此，課程組織在宏觀上規(guī)劃為CPU類計算資源對象、內(nèi)存資源對象、設(shè)備資源對象和文件資源對象。其中每項內(nèi)容的學(xué)習(xí)目標(biāo)又包括基本概念、基本原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和綜合性問題幾個方面。教師應(yīng)該首先幫助學(xué)生大致認(rèn)識操作系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，然后再介紹各部分的內(nèi)容。以計算資源內(nèi)容組織為例：①基本概念：進(jìn)程、線程、對換技術(shù)、響應(yīng)時間、周轉(zhuǎn)時間、截止時間、同步與互斥、死鎖；②數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：PCB、進(jìn)程隊列、信號量結(jié)構(gòu)；③算法：各種進(jìn)程調(diào)度算法(FCFS、RR、SPF、HPF、HRP、FB)和實時調(diào)度算法(EDF、LLF)、避免死鎖的銀行家算法。如果在教學(xué)中能確定這樣一條線路，學(xué)生的學(xué)習(xí)將更具有明確的方向性和目的性，學(xué)習(xí)效果會有明顯提高；同時，也使整個教學(xué)內(nèi)容的組織更加注重引導(dǎo)學(xué)生探討各種知識的內(nèi)在聯(lián)系，技術(shù)的引入背景，使學(xué)生更加注重對知識的理解，而非簡單的記憶。操作系統(tǒng)的理論課程體系結(jié)構(gòu)見表1所示。

3教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革與創(chuàng)新

操作系統(tǒng)課程教學(xué)創(chuàng)新模式的研究中應(yīng)注重改進(jìn)教學(xué)方式、實驗方式、教學(xué)輔導(dǎo)方式，實現(xiàn)課程教學(xué)多媒體化(多媒體課堂)、課程輔導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)化(校園教學(xué)網(wǎng))的教學(xué)方式，保障對該課程教學(xué)的需求，提高教學(xué)質(zhì)量。

(1) 多媒體教學(xué)方法。從傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”模式為主過渡到“計算機(jī)+大屏幕”為主的授課模式。授課的電子教案從靜態(tài)文字為主的幻燈片方式到動態(tài)算法演示為主的多媒體課件，用形象的動畫在大屏幕上展示各種抽象原理和算法的執(zhí)行過程，例如，進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程、分頁的地址變換等，輔之以板書交流，進(jìn)而增加了從教師到學(xué)生傳遞的信息量和信息種類，有助于建立從感性到理性的認(rèn)識以及相關(guān)技術(shù)的掌握。另外，在多媒體教學(xué)課件制作中，要融入新的教學(xué)理念，與教學(xué)內(nèi)容相匹配，與教師講解相呼應(yīng)。采用動態(tài)網(wǎng)頁方式框架，充分考慮網(wǎng)絡(luò)方式下超連接使用的接口，有利于發(fā)揮立體化教材的作用。

(2) 類比教學(xué)法。操作系統(tǒng)課程的重點和難點在于清晰講解經(jīng)典和抽象的設(shè)計原理、概念、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法。為此，在課堂講授中，將實際應(yīng)用和生活中人們熟悉的事物與枯燥、抽象的操作系統(tǒng)概念、基礎(chǔ)理論進(jìn)行類比，有助于學(xué)生直觀、形象地理解操作系統(tǒng)的理論知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，將進(jìn)程死鎖與交通阻塞聯(lián)系起來，將進(jìn)程調(diào)度與超市排隊結(jié)賬聯(lián)系起來，將信號量方法與交通燈聯(lián)系起來等等，以便收到好的教學(xué)效果。

(3) 自學(xué)探究教學(xué)法。由于傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)強調(diào)的教學(xué)方法是講練結(jié)合，忽視學(xué)生自主性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，壓抑學(xué)生的主動性和積極性，忽視學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的主體地位，因此該課程的教學(xué)應(yīng)采用自學(xué)探究教學(xué)法。學(xué)生的學(xué)習(xí)應(yīng)該是研究性學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)、協(xié)作性學(xué)習(xí)和自主性學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方法的整合，通過這種學(xué)習(xí)可達(dá)到掌握知識、發(fā)展能力、陶冶情操目的。操作系統(tǒng)的教學(xué)中更應(yīng)該貫穿能力本位的思想，目的不在于給學(xué)生灌輸了多少知識，而在于對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)法。操作系統(tǒng)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)輔導(dǎo)提供一個完善的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，它包括學(xué)生學(xué)習(xí)平臺，教師的教學(xué)和教學(xué)管理平臺等，提供在線課堂和視頻交流，即用于教師實時授課和組織實時討論交流提供虛擬課堂，在特定的時間段中，學(xué)生和教師同時在線討論。在線課堂提供授課模式和自由發(fā)言模式，可由教師選擇控制，在期末復(fù)習(xí)輔導(dǎo)時采用這種在線課堂的形式效果很好，師生互動的復(fù)習(xí)、答疑和討論，使學(xué)生積極主動參與對整個課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的總結(jié)和提煉，從整體上建立清晰的知識結(jié)構(gòu)框架。教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺是一項充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)，拓寬教學(xué)資源使用和學(xué)生受益范圍的舉措。也是讓學(xué)生能更大程度地獲得需要的信息和知識，了解整個課程教學(xué)過程，并參與到教學(xué)中來，形成師生共建、共促質(zhì)量的模式。

(5) 案例教學(xué)法。在操作系統(tǒng)教學(xué)中，要涉及大量的算法實例，這些實例執(zhí)行情況若以動態(tài)方式進(jìn)行演示，可以收到好的教學(xué)效果，為此，要構(gòu)建典型的案例庫，結(jié)合課程實驗和綜合實踐加強學(xué)生系統(tǒng)編程與內(nèi)核模塊設(shè)計的能力。例如，系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用、內(nèi)核模塊替換、操作系統(tǒng)補丁等。這些案例既可用作教學(xué)，也可以供學(xué)生自行設(shè)計，學(xué)生設(shè)計的優(yōu)秀案例可收入案例庫，使學(xué)生能即學(xué)即用，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，對抽象概念通過實踐環(huán)節(jié)理解，拓展深層次思考，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4實踐教學(xué)中的創(chuàng)新模式

操作系統(tǒng)課程是實踐性較強的課程，在實踐中應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生熟練使用操作系統(tǒng)，以及在維護(hù)操作系統(tǒng)工作中的分析問題和解決問題的能力。本課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括三大部分，即課程實驗、應(yīng)用實驗和綜合實驗。并分成高、中、低幾個層次。

“課程實驗”主要解決操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)后對原理、算法的理解和設(shè)計能力。課程實驗主要通過五個典型的題目來完成。第一個實驗是進(jìn)程管理(要求在Linux環(huán)境)，對于大多數(shù)只熟悉Windows操作系統(tǒng)的學(xué)生來說，這個實驗對認(rèn)識操作系統(tǒng)中進(jìn)程的并發(fā)、同步、通信是很有幫助的。第二至第五個實驗分別是單處理機(jī)的進(jìn)程調(diào)度、存儲器管理、設(shè)備管理和文件管理模塊設(shè)計，這些實驗側(cè)重于實踐技能訓(xùn)練和各種算法的模擬編程，加深對理論知識的學(xué)習(xí)和掌握。

“應(yīng)用實驗”主要介紹現(xiàn)代主流的操作系統(tǒng)(如UNIX/Linux等)及其系統(tǒng)編程技術(shù)。訓(xùn)練學(xué)生在操作系統(tǒng)平臺下的動手能力，并與IBM公司大型主機(jī)操作系統(tǒng)的認(rèn)證考試相聯(lián)系。鼓勵學(xué)生參加專業(yè)認(rèn)證培訓(xùn)，并能取得專業(yè)認(rèn)證證書。

“綜合實驗”(含課程設(shè)計)主要促使學(xué)生理解操作系統(tǒng)內(nèi)核、開源碼分析和應(yīng)用模塊設(shè)計等，通過案例復(fù)現(xiàn)和模塊替換實驗等，掌握技術(shù)實現(xiàn)和模塊設(shè)計的方法與技巧。具體分為四種不同層次與難度的子項，參見圖1所示。

在綜合實驗中，通過分類型和分階段的實踐過程，加強學(xué)生系統(tǒng)編程與內(nèi)核模塊設(shè)計能力，使學(xué)生對課程的重點和難點都有清晰的認(rèn)識。

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