基于PBL的“團隊式”操作系統課程教學模式

韓彥嶺， 張 云， 周汝雁， 洪中華， 張明華， 徐利軍

(上海海洋大學 信息學院， 上海 201306)

0 引 言

操作系統是計算機系統中最重要的系統軟件，操作系統課程是計算機科學與技術專業的一門重要的專業基礎課程[1-2]。該課程的特點是內容繁多，理論性強，概念、原理、算法比較抽象難懂，再加上目前操作系統課程的授課模式大多是以教師講授為主，學生被動接收，對于復雜難懂的概念、原理、算法，極易造成接收脫節，直接影響了學生的學習積極性，最終導致學習效率、效果不佳。

與傳統的以學科為基礎的教學方法不同，以問題為導向的教學方法，是基于現實世界的以學生為中心的教育方式[3-4]。PBL強調以學生的主動學習為主，而不是傳統教學中的以教師講授為主；PBL將學習與更大的任務或問題掛鉤，使學習者投入于問題中；它設計真實性任務，強調把學習設置到邏輯連貫的、有意義的問題情景中，通過學習者的自主探究和合作來解決問題，從而學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能和自主學習的能力[5-6]。

另外，團隊精神是現代社會不可缺少的力量，是大局意識、協作精神的集中體現，它反映一個人與別人合作的精神和能力。團隊學習是團隊成員之間的互動學習行為，是互相配合、取長補短，密切合作的學習過程，可以鍛煉學生的團隊精神，并大大激發學生的學習主動性[7-10]。因此我們把團隊學習的優良模式和PBL教學方法引入到操作系統課程的教學中，嘗試改善傳統操作系統的枯燥模式，增強學生學習的積極性，改善學生課堂表現，進而提高學習效率和學習效果。

1 “團隊式”教學模式的實施過程

1.1 基于PBL的教學過程設計

PBL教學法強調以問題為學習的起點，學生的學習內容是以問題為主軸進行架構，本部分以操作系統課程的重要知識點之一：進程同步，闡述PBL教學方法的實施過程[11-12]。

1.1.1教學目的

進程同步是進程管理的最重要的概念，包含的重要知識點有：① 進程同步的必要性；② 進程同步的基本思想；③ 鎖機制、睡覺與叫醒、信號量機制提出背景、基本原理和特點。

基于PBL的教學方法的目的可以描述為：結合教學過程中的重要知識點，將課堂教學過程設計為“教師提出問題，學生主動思考，最終共同解決問題”的良性互動過程，最終使學生扎實掌握重要概念和知識。

1.1.2教學過程設計

在學習這部分內容時，我們結合以下幾個問題來進行：① 為什么需要進行進程同步？② 進程同步的基本思想？③ 鎖機制的基本思想及使用局限性。④ 睡覺與叫醒機制的基本思想及使用局限性？⑤ 信號量機制的提出背景、基本思想及實現。

教師需要提前布置學生進行預習和思考，在進行教學過程設計時可首先向學生提出第一個問題，為什么需要進行進程同步？經過預習小組成員已經具備預備知識，引導他們思考由于進程的異步性，導致進程執行結果的不可再現性，而這種執行結果的不確定是編程人員不希望看到的，所以有必要控制進程的執行及執行順序，這就是引入進程同步的必要性。

此時，教師再自然的提出第二個問題，如何進行進程同步？并結合一個生活中的簡單實例-金魚喂養問題來引導學生思考解決方案。

問題定義：Tom和Jack同住一室，想共同喂養金魚，金魚必須保證每天喂一次并且只喂一次，以保證魚既不能被餓死也不能被撐死。

這個貼近生活的實例會立刻引起大家的興趣，小組成員自由討論后會發現原始方案存在漏洞，魚有可能被撐死，小組成員繼續討論提出可能的解決辦法，比如可以讓每個人在喂魚之前留紙條，告訴對方自己將會檢查魚缸并在需要的時候喂魚。還有小組同學思考后會提出反例，證明這種做法會有特殊情況出現，魚仍然會有可能被撐死。于是大家繼續想辦法，改變留紙條和檢查紙條的順序，經過一番爭論證明，這種方法魚不會被撐死，但有可能被餓死；于是大家繼續補漏洞，如果留了紙條的情況下，必須選擇某個人來喂魚，直到確認魚被喂了才可以離開。至此，大家似乎認為問題解決了，魚既不會被撐死，也不會被餓死，但是大家感覺很累，證明這個問題的正確性需要花很多時間，而且從程序編寫上發現代碼不對稱，也很丑陋。

這時候，教師要在大家討論結果的基礎上及時總結，我們之前的辦法之所以解決不好金魚喂養的問題是因為我們始終站在比較低級的層面上，希望通過調整代碼的執行次序來解決進程同步，但程序執行過程中的進程穿插是難以控制的，所以導致這種局面。于是自然地提出我們是否可以提升關注的級別，不要只是在代碼級打轉，我們把抽象的層次提升到對代碼組的控制，給代碼組上鎖。在這個過程中，教師還須適時地引導學生掌握臨界資源是導致出現進程異步性的臨界區，要保證進程同步應從對臨界區的同步機制入手，通過總結，學生大致可以總結出：如果臨界區沒有進程，允許一個進程立即進入臨界區；當一個進程已經進入臨界區，其他試圖進入臨界區的進程必須等待；但是這種等待還需保證是有限等待，以避免出現“死等”；而不能進入臨界區的執行進程應放棄CPU執行權。從而因勢利導，教師總結出進程的4個同步機制：空閑讓進、忙則等待、有限等待和讓權等待。通過討論，連帶把基本概念進行講解。學生會不知不覺中加深對知識的認識和理解。

接著，教師提出第三個問題，鎖機制如何實現同步，小組成員會結合鎖實現同步的兩個操作lock和unlock，利用到金魚喂養問題中進行嘗試，發現確實可以解決進程同步問題，而且簡單美觀。然后我們再從4個同步機制原則引導學生發現鎖機制的局限性，鎖不能解決讓權等待問題，鎖存在著繁忙等待弊端。

于是，教師引出另一個生活中的實例:自動售貨機，自動售貨機不能容忍繁忙等待，由自動售貨機的操作流程，提出第四個問題，如何優化進程同步機制，解決繁忙等待，小組成員會提出不同的解決方案，如能否在消費完商品時向送貨人員發消息等。這時，向學生引入睡覺與叫醒機制，并結合操作系統中經典的生產者與消費者問題，介紹睡覺與叫醒機制的解決方案。通過代碼分析，再次引導學生發現生產者與消費者問題中存在的致命競爭，商品計數變量未受保護，可能造成死鎖，而這種死鎖的產生是因為睡覺與叫醒機制所發送的信號由于只發一次有可能造成丟失。這時候自然大家就想到，是否能把信號收集起來多發幾次。

由此解釋了信號量機制提出的背景，信號量既是把信號累加起來的機制，并自然引出第五個問題，信號量機制的基本思想？以及信號量機制的基本操作，引導學生用PV操作解決生產者消費者問題。

至此，小組成員通過思考和討論教師提出的問題，理清了進程同步的相關概念、每一種同步機制的提出背景、局限性并理清了幾種同步機制的發展歷程，通過這種聯系與發展的觀點來學習進程同步基礎知識，更容易建立這些概念之間的聯系，有利于學生深入掌握操作系統基本概念和原理。

1.2 基于PBL的“團隊式”教學模式的實施過程

1.2.1自由分組

團隊分組要按照自由組合的原則，給出基本分組原則后由學生根據個人意愿進行組織，每組人數以4～6人為宜，特殊情況也允許個別的少數人小組。自愿組織的小組成員相處比較融洽，學習成績的優劣差別有利于發揮團隊的凝聚力[13-14]。每個組選舉一個組長，組長負責本組成員的人員組織、任務分配、組內協調等工作。

1.2.2以小組為單位考核

學生分組后，以小組為單位考核。每個學生課堂上的表現，代表的是本組的表現，根據問題回答的優劣給予小組不同的成績。同時，小組的成績也是每個組內成員的成績。這樣，不管組內如何分工，但最終每個同學都需要掌握基礎知識，否則自己的表現會影響到組內其他人的成績，同時也使得每個同學都會建立集體意識和大局意識，組內成員必然會加強溝通交流，學習好的同學會主動幫助學習一般的同學，學習一般的同學也會有壓力去認真努力，主動向其他同學學習，大家一起溝通討論、團結合作，從而形成一種積極向上的主動學習氛圍。

小組考核內容除了課堂討論表現，還考慮課堂紀律、課堂出勤、作業上交、課堂講解及實驗內容[15]，見表1。每個同學的表現直接影響到所在小組的成績，另外，教師還組織學生進行角色互換，由小組學生來講解ppt，教師進行過程控制和點評，進一步培養學生學習的主動性和思維表達能力。學生最終的考試成績為：最終成績=期末卷面成績×60%+所在小組成績×40%，這種考核方式從一定程度上也督促了課程出勤率及學生的主動學習意識、團隊大局意識。

表1 考核計分內容(加減分值)

1.2.3小組管理

小組長一般由組內成員推選出威信度相對較高的同學，學生分組后，由組長負責協調小組成員，分配具體任務，調動組內成員積極性。不同成員的個性、興趣、能力差異由組長負責總體平衡管理，比如成績優良的同學負責主要學習內容的融會貫通；成績一般比較活躍的同學負責搜集資料，組間溝通；動手能力較強的同學負責編程實驗，組內成員各取所長，都能在組內找到適合自己的角色。

2 基于PBL的“團隊式”教學模式的分析

2.1 對教師的要求

在基于PBL的“團隊式”教學模式中，教師擔負著總體掌握進度、正確引導學生的重要角色，對教師也提出了較高的要求。① 從內容組織上，要結合課時要求和課程內容，選擇合適的章節開展課堂討論；② 要求教師熟練掌握課程知識，把握重點和難點，善于對課本知識進行擴展，具備舉一反三的能力；③ 統籌考慮采用何種方式引導學生展開課堂討論，既要活躍課堂氣氛又要及時把握課堂時間和課程進度。④ 嚴格按照考核內容進行小組考核，在期末考試中要有具體體現，不要流于形式影響學生積極性。

2.2 效果分析與改進措施

操作系統課程本身的理論性、綜合性較強，傳統的填鴨式教學阻礙了學生的學習積極性，因此改進教學方法，提高學生的主動學習意識非常重要。基于PBL的“團隊式”教學模式是我們正在探索的一種改進模式，通過在前面的教學實踐證明，這種教學模式從提高學生出勤率、變被動為主動學習、改善課堂氣氛、提高團隊合作意識等方面克服了傳統教學的種種弊端，是進行教學創新的有效途徑之一。同時，通過這種教學模式的實踐，我們倡導團隊學習，培養了學生的團隊意識，學生意識到每個人的力量是有限的，利用團隊力量可以優勢互補共同完成更加復雜的任務。所以課堂之外，同學往往會形成比較固定的小團隊，一起參加大學生創新項目、參與挑戰杯競賽、參與教師科研項目、準備考研復習等，在各類賽事及科研項目的鍛煉中進一步提高能力和主動學習意識，對于培養學生的綜合素質和創新能力具有非常重要的意義。

當然，在教學實踐過程中，我們也發現了一些問題，比如課堂討論容易造成課程進度拖后，小組內部分同學存在“打醬油”現象等，我們也采取了部分改進措施，比如精選課程內容減少較大規模的課堂討論(1課時之內討論)，舍棄部分不是很重要內容的課堂學習，改為課后自學；小組成員角色互換，回答問題及講解增加組內平時表現一般的同學的比例，通過促進優秀同學對后進同學的責任心，增加后進同學的學習壓力等規避這些問題。在后續的教學實踐中，我們會繼續進一步優化措施，獲得團隊學習的最大效果。

3 結 語

通過團隊式教學模式的實踐，發現不僅改善了學生對專業課程的學習熱情，而且對學生綜合素質的提高也具有重要意義。當代大學生基本都是90后，普遍優越的家庭條件和社會環境的影響，形成了這代大學生的時代共性，他們張揚個性，過于強調個人能力；他們思想活躍，但又缺乏吃苦精神；他們抱負遠大，卻又缺乏韌性和意志。基于PBL的“團隊式”教學模式使學生在共同學習的過程中鍛煉自己的表達能力，認識到個人能力的局限性，培養團隊集體意識，學會與他人溝通交流，在互相提高的過程中鍛煉自己的韌性、耐力和合作精神，逐漸從形式上的合作過渡到實質性的合作，提高學生的總體綜合素質，為將來走向社會打下良好的基礎。

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