教學設計理論在操作系統課程中的運用與探討

袁紅麗　王雷　王艷艷

摘要：針對計算機“操作系統”課程的特點，通過分析加涅的教學設計理論，本著激發學生學習興趣，提高教學效果的原則，對課程進行了詳細的教學設計。本文以“信號量機制”這堂課為例，具體闡述了教學設計的具體應用。

關鍵詞：操作系統教學設計信號量機制

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）08（b）-0186-01

操作系統課程是計算機專業的核心課程，其理論性強，原理枯燥，乏味，學生不易理解，而且學生感覺學到的知識似乎“毫無用武之地”，因此學生對這門課的學習并不積極。如何提高學生對該課程的興趣，成為當務之急。筆者非常重視這個問題，經過反復查閱資料，除了研究大量的操作系統方面的書籍外，還包括教育心理學，深深感受到在了解學生學習心理的情況下，教學更容易進行。于是筆者經過仔細揣摩，將教學設計的相關理論與具體教學實踐相結合，果然可以得到不一樣的效果。

1教學設計的理論依據

加涅曾在《教學設計原理》（1988年）中界定為：“教學設計是一個系統化（system atic）規劃教學系統的過程。”教學設計就是指教師為了提高教學效率和教學質量，使學生在單位時間內能夠學到更多的知識，從而得到更好地發展，既而對教學活動進行的系統規劃。依據有四方面。

（1）現代教育理論。

（2）教學的實際需要。

（3）學生的特點。

（4）教師的個性和風格。

教學設計有許多階段，階段有即時的，也有長期的[1]。可以是對一門課程，一個教學單元，一堂課的設計，也可以是設計一個完整的教學系統。本文主要探討的是一堂課的教學設計。

2“信號量機制”課程的設計

筆者針對以上四個依據對這堂課做了如下的分析。

（1）教學手段：傳統教學和現代教育技術手段—— 多媒體教學相結合的方式

（2）教學目標。

①了解信號量的wait和signal操作如何實現；

②掌握整型信號量存在的不足，記錄型信號量是如何解決整型信號量的不足；

③重點掌握用信號量如何實現互斥，為什么wait和signal必須成對出現，否則會產生什么樣的后果。

（3）學生特點：學生對純理論知識比較抵觸，識記也比較困難，如能與生活實踐相結合，更能激發學生學習的興趣。

下面筆者以現代教育理論為指導，從教學目標出發，結合學生的特點，以“信號量機制”這一節課為例來探討一下，教學設計在操作系統中的應用。

2.1 結構設計

一堂課的知識點如果是分散的，學生就難以掌握，而且容易遺忘，如果將其看做是一個緊密聯系的整體的話，學生識記起來就比較容易，且知識也由“死”知識變成了“活”知識。因此在準備這節課的時候，首先應該縱觀全局，考慮這節課的知識點之間的聯系。這節課講述了四種信號量，整型信號量在執行過程中，只要信號量S小于等于0，就會不斷的進行測試。并沒有釋放CPU，使CPU處于忙等狀態，所以，這種機制不遵循“讓權等待”原則。為了提高CPU的利用率，使CPU擺脫忙等現象，因而引入記錄型信號量。記錄型信號量解決的是多個進程等待訪問同一個臨界資源的情況。但是有的進程需要先獲得兩種或多種資源以后才能執行任務，為此，引入AND型信號量。以上三種信號量都是一次申請一個資源，如果一次申請多個同種資源呢，針對這個情況，又引入信號量集機制。由上可看出四種信號量機制是一種遞進關系，后一種機制往往應前一種機制的不足，應運而生。在講解時，一定要注意內容的銜接過渡，使各部分的內容融為一個系統，連成網絡，便于學生掌握。

2.2 細節設計

2.2.1 開頭

高爾基說“文章的開頭為定調”，好的開頭是成功的一半，開好頭的關鍵是巧妙地提出問題，鉗住學生的思維，創造一種有疑待解的氣氛。

根據學生學習的特點，在“信號量機制”這節課中，筆者采用的是以例引理的方法。通過剖析現實事件—美國和俄羅斯太空飛船相撞事件來引出信號量機制。相對比圖片、講述，筆者認為視頻更能刺激學生學習。具體實施：首先，播放一段關于美國和俄羅斯衛星相撞的新聞視頻。這一事件引起了全世界的廣泛關注，很多專家稱在太空建立交通法已迫在眉睫。提出疑問：“兩個衛星為什么會相撞呢？”。很多學生都會迅速回答：“因為他們用一個軌道”。此時學生非常興奮，趁熱打鐵，緊接著將此事件與本節內容相聯系：美國和俄羅斯的衛星之所以相撞是因為他們爭用軌道，在這個事件中，兩個衛星就相當于進程，軌道相當于臨界資源，衛星爭用軌道會相撞，進程爭用臨界資源自然也會相撞，因此多個進程之間也需要有一個交通法來規范他們的運行，以避免相撞。信號量機制就是進程之間的交通規則。這樣自然而然引入本節要介紹的內容—— 信號量機制，并且讓學生立竿見影的明白信號量機制的用途。

2.2.2 過程設計

將實際應用和生活中人們熟悉的事物與枯燥、抽象的操作系統概念、基礎理論進行類比，有助于學生直觀、形象的理解操作系統的理論知識，激發學生的學習興趣。使教學過程變得簡單、明了。因此筆者在設計上選用了類比的方法。整型信號量機制到記錄型機制的發展，筆者將之與銀行辦業務情況的發展進行類比。這兩個信號量機制的發展特點是：整型信號量具有忙等待的缺點，而記錄型信號量用阻塞喚醒的方式使處理器不再忙等待。這種情況非常像銀行排隊辦業務情況的發展，以前只是單純排隊辦業務，站在那里等待，等待過程中，不能做其他事情，只是一味的等。而現在則變成取號，取號之后如果前邊有人在辦理，就可以休息片刻，相當于阻塞，聽到叫號之后再去辦理，相當于喚醒。在等待期間，可以做其他事情。

2.2.3 結尾設計

一個好的結尾可以起到畫龍點睛的作用，筆者在設計中，根據本節課所講內容提出問題，引出了下一節課的內容。如：這節課大家學習了信號量機制，那么在操作系統中是如何使用信號量機制來實現進程之間的共享和同步的呢？這就是下節課所要介紹的內容—— 生產者-消費者問題。

3結語

計算機操作系統課程是計算機專業的核心課程，講好這門課是任課教師的重要任務。針對本課程的特點，如何激發學生的興趣成了上課教師進行教學設計時必須考慮的重要問題之一。筆者在具體講述操作系統課程的實踐中，采用的就是上述方法，學生反映效果很好，實踐證明，生活中的實例確實能夠激起學生的學習興趣，尤其是當下的焦點新聞。因此，靈活的運用教學設計理論，可以創設良好的教學情境，從而達到教學目的，取得良好的教學效果。

參考文獻

[1] （美）R.M.加涅.教學設計原理[M].上海：華東師范大學出版社，1999，11：1-36.

[2] 湯子瀛，哲鳳屏，湯小丹.計算機操作系統[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001，8：41-44.