多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)原理教學(xué)體系的構(gòu)建

裴利沈 趙雪專

摘要：操作系統(tǒng)原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)核心基礎(chǔ)課程。針對該課程本身及教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問題，我們構(gòu)建了“學(xué)一練一做一講”多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系，各級(jí)活動(dòng)的教學(xué)方式靈活多變，而且每級(jí)教學(xué)任務(wù)均驅(qū)動(dòng)著前幾級(jí)活動(dòng)的進(jìn)行。該體系能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的整體素質(zhì)。近年教學(xué)實(shí)踐標(biāo)明，該教學(xué)體系能夠有效提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)原理;多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng);教學(xué)體系;教學(xué)方式;整體素質(zhì)

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

文章編號(hào)：1009-3044（2019）35-0137-02

1 概述

操作系統(tǒng)原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，是系統(tǒng)硬件向系統(tǒng)軟件擴(kuò)充的第一個(gè)層次，亦是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)開發(fā)的理論基礎(chǔ)。該課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程體系中具有非常重要的地位。該課程所涉及的教學(xué)內(nèi)容是構(gòu)建計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)體系不可或缺的重要內(nèi)容。

目前，操作系統(tǒng)原理被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中比較難學(xué)難教的課程[1]之一。這是由多方面的原因[2，3]造成的，我們會(huì)在第二部分“存在問題分析”部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。通過對這些問題的分析與梳理，結(jié)合我們在教學(xué)實(shí)踐中經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)，針對操作系統(tǒng)原理這門課程，我們提出了一套新的多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系。該教學(xué)體系共包含“學(xué)一練一做一講”四個(gè)等級(jí)的學(xué)習(xí)過程。

2 存在問題分析

造成操作系統(tǒng)原理這門課程難教難學(xué)的原因是多方面的[4，5]。簡而言之，我們可以將其概括為兩個(gè)方面，內(nèi)部原因與外部原因。

內(nèi)因主要是由于操作系統(tǒng)原理這門課程的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所處地位決定的。該課程涵蓋的知識(shí)面非常廣泛、涉及的計(jì)算機(jī)術(shù)語與算法亦非常多，且理論性比較強(qiáng)。在教授學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生會(huì)覺得知識(shí)非常抽象，很難引起其興趣，提高其學(xué)習(xí)的積極性。此外，操作系統(tǒng)緊貼系統(tǒng)硬件之上，所有其他軟件之下的地位，決定了它要實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的協(xié)同合作，這要求學(xué)生具備一定的軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)跨越軟硬件兩個(gè)層次，使得操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)更加困難。

外因主要是由于缺乏科學(xué)完整的教學(xué)體系造成的。教學(xué)過程中，缺乏合理的知識(shí)組織架構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、過程、方法設(shè)計(jì)不合理，教學(xué)結(jié)果評價(jià)設(shè)計(jì)不完善等容易導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃、熱情不高、積極性不強(qiáng)等問題[6]。此外，通過大量調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)眾多本科院校在操作系統(tǒng)原理這門課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，嚴(yán)重缺乏對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的重視，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)非常少。操作系統(tǒng)原理是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的缺失，將影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、并降低其對理論知識(shí)的理解層次。

本文提出的多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系，綜合考慮了這兩個(gè)方面的因素，來提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果。該體系將操作系統(tǒng)原理的學(xué)習(xí)過程劃分為了四個(gè)等級(jí)層次，每一層次的學(xué)習(xí)都被以后各層次的任務(wù)所驅(qū)動(dòng)，前一層次的學(xué)習(xí)效果直接影響了以后各層次任務(wù)的進(jìn)行。這四級(jí)層次遞進(jìn)地加深了學(xué)生對基礎(chǔ)理論的理解程度，并將理論知識(shí)逐步融于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，最后，通過抽選學(xué)生講解習(xí)題與實(shí)驗(yàn)，將其所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己具備的技能，并可通過該過程來評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)體系的構(gòu)建

操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟硬件資源的管理者，該課程涵蓋的知識(shí)面非常廣泛，涉及的原理算法也比較多且都需對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)，這是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。本科階段操作系統(tǒng)原理的教學(xué)目標(biāo)是：讓學(xué)生理解操作系統(tǒng)是如何工作的以及明了其工作方式;掌握操作系統(tǒng)內(nèi)部的算法和使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);根據(jù)對操作系統(tǒng)發(fā)展過程中遇到問題、解決問題的處理流程與思路的借鑒與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用操作系統(tǒng)中的典型技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。為了實(shí)現(xiàn)該教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生構(gòu)建該課程的知識(shí)架構(gòu)體系，我們提出了多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系。

該教學(xué)體系共包含四個(gè)任務(wù)等級(jí)層次，每一層次的學(xué)習(xí)都被以后幾個(gè)層次任務(wù)所驅(qū)動(dòng)，并為下一層次的進(jìn)行打下基礎(chǔ)。該教學(xué)體系，首先，通過“學(xué)”階段的理論教學(xué)，讓學(xué)生理解操作系統(tǒng)原理的基本原理;其次，通過“練”階段的習(xí)題演練，讓學(xué)生更深入的掌握核心算法原理;然后，通過“做”階段的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，讓學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì);最后，通過“講”階段的知識(shí)輸出實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向技能的轉(zhuǎn)化，利用該過程亦可評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3.1“學(xué)”——理解基本概念與理論

“學(xué)”主要指對基本概念和理論原理的學(xué)習(xí)。操作系統(tǒng)原理這門課程涉及的知識(shí)點(diǎn)非常多，涉及的理論知識(shí)面也比較廣，如果按照一般的方法進(jìn)行記憶學(xué)習(xí)，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒，亦難以調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)興趣。然而，該課程主要包括引論、進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度與死鎖、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理、磁盤存儲(chǔ)器管理這幾部分，各部分的知識(shí)點(diǎn)邏輯關(guān)系非常明確。那么我們可以首先對各部分的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡單講解，然后根據(jù)其邏輯關(guān)系對其進(jìn)行梳理，構(gòu)建其知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，然后依據(jù)該圖進(jìn)行針對性的學(xué)習(xí)。

知識(shí)結(jié)構(gòu)圖是指，將知識(shí)點(diǎn)表示為節(jié)點(diǎn)，通過連線建立知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，以某一知識(shí)主體為中心，將所有的知識(shí)用完整的系統(tǒng)的圖來表示知識(shí)之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系的知識(shí)表達(dá)方法。該方法能夠直觀有層次的表征各知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系。我們可以對操作系統(tǒng)原理的每一部分的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，構(gòu)建其知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。這種方法不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，方便學(xué)生記憶，還可以提高學(xué)習(xí)成績，增強(qiáng)教學(xué)效果。

3.2“練”——掌握核心理論算法

“練”主要指進(jìn)行相關(guān)習(xí)題的練習(xí)，該階段的任務(wù)驅(qū)動(dòng)了前一層次的理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，只有對基礎(chǔ)的理論知識(shí)有了一定的理解之后才能進(jìn)行習(xí)題的練習(xí)。而習(xí)題的練習(xí)加深了對核心理論知識(shí)的理解。

該層次的學(xué)習(xí)方式比較多樣，可以博采眾長。根據(jù)課時(shí)安排，我們可以隨堂練習(xí)亦可利用學(xué)校提供的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)布置成作業(yè)或測驗(yàn)。亦可通過混合式的網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)進(jìn)行練習(xí)，并使用常用的QQ、微信等交流工具獲得教師或同學(xué)的及時(shí)指導(dǎo)，以提升學(xué)習(xí)效率。

3.3“做”——理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

“做”主要指做相應(yīng)的理論算法的程序化實(shí)現(xiàn)，即做實(shí)驗(yàn)。做實(shí)驗(yàn)之前必須掌握相應(yīng)的算法理論，該層次的任務(wù)驅(qū)動(dòng)著“學(xué)”“練”這兩個(gè)層次的學(xué)習(xí)活動(dòng)。而實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行又強(qiáng)化了對理論基礎(chǔ)的理解。

根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，我們由易到難對實(shí)驗(yàn)[7]進(jìn)行組織。此外，學(xué)生的動(dòng)手能力存在很大差異，并且對于一般的同學(xué)，僅僅利用實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)來學(xué)好操作系統(tǒng)編程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，那么我們可以利用學(xué)校提供的網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)或其他網(wǎng)絡(luò)工具發(fā)布實(shí)驗(yàn)資源[8]，以便學(xué)生利用課外時(shí)間進(jìn)行自主的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

為了照顧所有學(xué)生，我們基于教學(xué)大綱，設(shè)計(jì)了不同層級(jí)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生可以根據(jù)自己的接受程度，一步步地從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)和強(qiáng)化。對于一些能力強(qiáng)的學(xué)生，可以引導(dǎo)他們基于學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與對開源的linux操作系統(tǒng)源碼的學(xué)習(xí)，組隊(duì)去開發(fā)簡單的操作系統(tǒng)。

3.4“講”——知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能

“講”即對自己所學(xué)的理論知識(shí)、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解。知識(shí)有沒有掌握，最顯著的一個(gè)指標(biāo)就是能否用自己的語言表達(dá)出來，即能夠講解。該任務(wù)驅(qū)動(dòng)著“學(xué)”“練”“做”三個(gè)等級(jí)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并反過來強(qiáng)化鞏固了前面三個(gè)階段的學(xué)習(xí)。并可以通過該步驟考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

該實(shí)踐過程的設(shè)置呈現(xiàn)了多樣化的特點(diǎn)，我們可以根據(jù)章節(jié)的特點(diǎn)、學(xué)生能力的差異、課時(shí)的多寡等進(jìn)行靈活設(shè)置?？梢猿檫x不同能力的學(xué)生分別對理論、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)的講解;亦可以利用在線網(wǎng)絡(luò)交互系統(tǒng)設(shè)置備選的問題讓學(xué)生分別自主的進(jìn)行分組講解。

4 總結(jié)

針對操作系統(tǒng)原理這門課程知識(shí)面廣、概念算法多、理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低等特點(diǎn)，以及目前教學(xué)體系中存在的知識(shí)組織架構(gòu)不合理、教學(xué)方式單一、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐強(qiáng)度不夠等問題，我們構(gòu)建了一個(gè)由淺入深循序漸進(jìn)的多級(jí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系。該體系劃分為“學(xué)一練一做一講”四個(gè)等級(jí)，該教學(xué)設(shè)計(jì)依次加深了學(xué)生對理論知識(shí)的理解，通過理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的結(jié)合，令學(xué)生掌握了主要技術(shù)的應(yīng)用，最終通過知識(shí)輸出的方式，將所掌握的知識(shí)轉(zhuǎn)化為了技能。伴隨著新的教學(xué)方法與教育理念的出現(xiàn)，對應(yīng)的各等級(jí)階段的教學(xué)過程使用的方法和技術(shù)手段可以進(jìn)行相應(yīng)的更新和完善，該教學(xué)體系具有很大的機(jī)動(dòng)適應(yīng)性。近幾年的操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)實(shí)踐表明，利用該教學(xué)體系，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績與教學(xué)評價(jià)效果都有了明顯的提升。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2019-09-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金（61806073）;中國民航大學(xué)省部級(jí)科研機(jī)構(gòu)開放基金（CAAC-ITRB-201607）;河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（科技攻關(guān)）項(xiàng)目基金（192102210097，192102210126）;鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院教學(xué)科研基金項(xiàng)目（2018048）。

作者簡介：裴利沈（1988-），女，河南濮陽人，講師，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺，行為識(shí)別;趙雪專，講師，博士。