基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)課程教學分析

摘要：為了提高操作系統(tǒng)課程的教學效果，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提出了基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)課程教學模式。依據(jù)知識發(fā)現(xiàn)的過程，采用探究式的教學方法，學生能夠投入到課堂教學中，在理解操作系統(tǒng)基本原理的基礎上鍛煉和培養(yǎng)了自己分析問題、解決問題的能力。教學實踐證明，該教學模式能夠提高操作系統(tǒng)課程的教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的計算思維能力。

關(guān)鍵詞：知識發(fā)現(xiàn)；探究式；操作系統(tǒng)；教學模式

作者簡介：曾憲權(quán)（1970-），男，河南羅山人，許昌學院信息工程學院，副教授。（河南 許昌 461000）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0104-02

操作系統(tǒng)是計算機硬件層上的第一層軟件，是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中最核心的基礎軟件。操作系統(tǒng)的作用是對計算機系統(tǒng)進行統(tǒng)一的調(diào)度和管理，提供各種強有力的系統(tǒng)服務，為用戶創(chuàng)造既靈活又方便的使用環(huán)境。操作系統(tǒng)是所有其他軟件與計算機硬件的唯一接口，所有用戶在使用計算機時都要得到操作系統(tǒng)提供的服務。操作系統(tǒng)質(zhì)量的好壞，直接影響整個計算機系統(tǒng)的性能和用戶對計算機的使用。為了更好地使用計算機系統(tǒng)，了解操作系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理是很有必要的，因此，目前國內(nèi)外高校均把操作系統(tǒng)課程作為計算機及其相關(guān)專業(yè)的核心基礎理論課程。操作系統(tǒng)課程不是講授如何使用操作系統(tǒng)，而是深入操作系統(tǒng)內(nèi)部，理解操作系統(tǒng)如何工作的，介紹現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本理論、內(nèi)部算法及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代操作系統(tǒng)設計過程中的問題、解決方案和折中權(quán)衡思想。

操作系統(tǒng)課程教學的目標是通過學生對計算機深層次理論的理解，建立系統(tǒng)、完整的計算機專業(yè)基礎理論體系，培養(yǎng)學生初步的系統(tǒng)分析與設計能力以及計算思維、邏輯推理和實踐動手能力，增強學生大型系統(tǒng)軟件的開發(fā)能力，從而為學生以后的學習和工作奠定堅實的理論基礎。但是操作系統(tǒng)課程內(nèi)容體系繁多，涉及計算機軟硬件的相關(guān)知識，理論性強，內(nèi)容抽象，學生理解起來有一定難度，因而，學生學習興趣不高，教學效果不理想，沒有達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的教學目標。學生學完操作系統(tǒng)后不能深刻地理解操作系統(tǒng)的本質(zhì)，也不能在實際應用中使用操作系統(tǒng)課程中所學知識和操作系統(tǒng)本身所提供的功能來解決實際問題。因此，探討和研究操作系統(tǒng)課程教學模式和教學方法，提高操作系統(tǒng)教學的質(zhì)量和效果是擺在高校操作系統(tǒng)課程教師面前的一個亟待解決的問題。

一、操作系統(tǒng)課程教學研究現(xiàn)狀

由于操作系統(tǒng)課程理論性強，內(nèi)容較為抽象，因此，目前的操作系統(tǒng)課程教學仍然采用傳統(tǒng)的“灌輸式”課堂教學模式。這種教學模式主要存在以下問題：一是教學方法和手段較為單一化，知識傳輸單向化，學生被動接受，教學效果不理想。二是教學內(nèi)容陳舊過時，知識更新緩慢，難以與當前飛速發(fā)展的計算機理論和前沿技術(shù)保持同步，教學內(nèi)容落后于該領(lǐng)域最新的研究成果與技術(shù)應用背景。三是理論與實踐脫節(jié)，缺乏設計性、綜合性實驗以及項目設計，忽略了對學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)。

針對操作系統(tǒng)教學的現(xiàn)狀，國內(nèi)許多專家和學者從不同的視野對操作系統(tǒng)課程教學進行了研究和探索。羅宇結(jié)合國防科大操作系統(tǒng)國家精品課程建設的經(jīng)驗，提出了因材施教的操作系統(tǒng)教學方法。針對學生特點采用不同教學方法、考核評價方法。通過提出問題，引導學生思考解決問題的辦法；在批判式講解比較簡單算法的基礎上，讓學生找問題并進行算法改進。[1]楊柳探討了基于CDIO教學理念的操作系統(tǒng)教學改革與實踐，提出了以實踐教學和項目設計為核心，課堂教學采用啟發(fā)式的雙語教學的多方位教學模式；[2]趙正德從教材的選用、教學目標和教學內(nèi)容的確立以及教學方法和教學手段等方面對操作系統(tǒng)課程教學進行了改革；[3]胡一之針對操作系統(tǒng)課程難教難學的現(xiàn)狀，探討了如何調(diào)動學生學習的積極性，提高操作系統(tǒng)教學質(zhì)量的方法；[4]金海東等以操作系統(tǒng)中進程同步與互斥問題為實例，探討了如何從學習者的角度設計循序漸進的教學內(nèi)容；[5]左萬歷介紹了采用多角度教學模式來提高學生對操作系統(tǒng)知識的理解掌握。[6]這些研究對操作系統(tǒng)課程教學方法進行了有益的探索和實踐，在一定程度上提高了操作系統(tǒng)教學的效果和教學質(zhì)量。

在深入研究操作系統(tǒng)教學現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)操作系統(tǒng)課程的地位以及教學目標，筆者提出了基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)課程教學模式。通過設置問題，引導學生去探究和發(fā)現(xiàn)知識，進而提出相應的解決方案，然后與課本上解決方案進行比較，進而理解和掌握所學知識。教學實踐證明，這種教學方法與傳統(tǒng)的灌輸式教學方法不同，通過對學生發(fā)現(xiàn)知識過程的引導，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，從而達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的目的。

二、基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)課程教學設計

1.基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式教學的內(nèi)涵

基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式教學方法是指在教學活動中，尊重學生的思維模式和認知規(guī)律，將知識和知識發(fā)現(xiàn)結(jié)合起來，從實際問題出發(fā)，引導學生分析問題，找尋求解思路，引出問題所涉及的知識點，然后圍繞問題講解知識點，最后解決問題，同時建立起求解同類問題的模型，能夠舉一反三，達到遷移知識的目的。圖1給出了基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式教學的教學過程。

基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式教學方法是融教育學、心理學、認知學為一體的綜合性教學方法，也是融案例教學法、問題教學法、啟發(fā)式教學法、討論式教學法為一體的綜合性教學方法。在這樣的教學模式中，“教”和“學”的互動更緊密：教師提出問題，引發(fā)學生積極思考問題。教師留給學生一定思考時間，引導學生步入正確的思考方向。學生嘗試從問題中剝離知識，教師在此基礎上剖析問題，發(fā)現(xiàn)知識，修正學生建立的問題求解模型，最后總結(jié)知識點，舉一反三，提出進一步的思考，引出下一個問題，層層推進。

2.基于知識發(fā)現(xiàn)的操作系統(tǒng)教學設計

操作系統(tǒng)主要從資源管理的角度介紹操作系統(tǒng)設計與實現(xiàn)中所用到的概念、原理與技術(shù)，內(nèi)容廣泛，與計算機軟硬件的發(fā)展有著密切聯(lián)系，對學生理解能力和邏輯能力提出了更高的要求，[7，8]傳統(tǒng)的教學模式不能取得良好的教學效果。因此，筆者提出了基于知識發(fā)現(xiàn)的操作系統(tǒng)課程教學模式，將知識的傳授過程和知識發(fā)現(xiàn)有機結(jié)合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

在講解操作系統(tǒng)發(fā)展歷史的時候，按照手工操作階段——管理程序階段——多道批處理階段——實時系統(tǒng)和分時系統(tǒng)階段——操作系統(tǒng)進一步發(fā)展的順序講解每一種操作系統(tǒng)的類型。在講解每種操作系統(tǒng)類型的特點時，首先讓學生分析該操作系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點，然后提出解決前一種操作系統(tǒng)不足的解決方案，進而引出下一個類型的操作系統(tǒng)。最后，讓學生思考操作系統(tǒng)為什么是現(xiàn)在這個樣子，發(fā)展的原因是什么。通過這樣的一系列問題的解決過程，學生不僅回顧了計算機的發(fā)展歷史，建立了計算機系統(tǒng)整體框架，也明白技術(shù)的發(fā)展的動力來源于用戶的需求，從而形成了以用戶為中心的理念。

進程是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的一個核心概念，進程管理是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個基本功能，其性能的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的性能。在學習進程管理內(nèi)容時，通過分析并發(fā)程序執(zhí)行的過程，引導學生分析并發(fā)程序執(zhí)行的條件以及特點，探討程序這個概念能否準確描述程序的運行過程，進而引出進程的概念，分析其特點，提出下一個問題“如何準確描述進程在不同時刻的情況”，引出進程的狀態(tài)概念。在理解進程概念的基礎上，提出問題“系統(tǒng)如何管理并發(fā)進程”，從而引出進程的組成、控制和管理、調(diào)度等一系列進程管理問題。在講解這些問題的過程，要注意總結(jié)和分析學生提出的解決方案與課本解決方案的差異，幫助他們理清知識脈絡。通過積極思考，參與課堂教學，提出解決方案，學生不但理解了進程的相關(guān)知識，也鍛煉和培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維能力。

在學習存儲管理時，在教授學生計算機系統(tǒng)層次存儲結(jié)構(gòu)和內(nèi)存結(jié)構(gòu)的基礎上，讓學生提出一種解決并發(fā)程序內(nèi)存分配的策略，引出分區(qū)分配技術(shù)，并組織學生分析分區(qū)分配存在的問題以及原因，提出解決方案——離散分配，引出分頁存儲管理技術(shù)以及分段管理技術(shù)。在介紹了常規(guī)內(nèi)存管理技術(shù)時，通過總結(jié)常規(guī)內(nèi)存管理技術(shù)的不足，引出虛擬內(nèi)存概念，展開虛擬內(nèi)存的教學。在講授文件管理時，在介紹了文件的基本概念后，提出問題“文件如何存在計算機磁盤上”，引導學生通過磁盤的結(jié)構(gòu)以及內(nèi)存管理的技術(shù)找出自己的解決方法，然后教授教材中的解決方法，在講解的過程中注意分析與學生解決方法的差異性。在介紹文件目錄和空白空間管理技術(shù)時，也可以通過提出問題引導學生探究式學習。

總之，在操作系統(tǒng)課程的教學過程中，采用知識發(fā)現(xiàn)的探究式教學方法將知識與知識的發(fā)現(xiàn)過程融合在一起，在傳授知識的同時將知識中蘊含的思想、思維和技巧同步傳輸給學生，學生能夠融會貫通，完成知識的遷移，自覺地運用所學知識來解決實際問題，不但掌握操作系統(tǒng)的相關(guān)知識，也能夠綜合其他計算機知識，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力有所增強，達到了操作系統(tǒng)課程的教學目標。

三、基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)課程教學的實踐

當然，為了更好地實施基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)教學，需要改革傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學模式，優(yōu)化課程教學內(nèi)容，建立立體化的教學資源庫，提供豐富的共享資源引導學生從理論和實踐上去探討操作系統(tǒng)的奧秘。除此之外，還要改革操作系統(tǒng)課程的考核方式，建立了面向?qū)嵺`和實用的考核體系，重點考查學生靈活運用所學知識解決實際問題的能力。

從2007年開始操作系統(tǒng)校級精品課程建設以來，課題組老師根據(jù)課程的教學目標，合理選擇課程內(nèi)容，改革課程教學方法，正確運用基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式教學模式，取得較為理想的教學效果。第一，學生積極參與課堂教學，課堂氣氛活躍，體現(xiàn)了以學生為主體，教師為主導的構(gòu)建主義的教學要求，提升了學生的自主學習能力。第二，學生的計算思維和實踐能力有了明顯提高，能夠自覺運用知識解決實際問題，促進了后續(xù)課程教學效果的提高。第三，學生普遍反映這種教學方式能夠幫助他們理解操作系統(tǒng)的基本概念，建立計算機系統(tǒng)整體關(guān)鍵，提升系統(tǒng)程序和大型軟件開發(fā)能力。第四，近年來學生操作系統(tǒng)課程考試成績以及研究生入學考試專業(yè)課程成績均有明顯提高。許多畢業(yè)生反饋這種教學模式對于他們進一步深造和工作都很有幫助。

四、結(jié)束語

目前，傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學模式不能滿足課程教學的要求，與實際的應用有一定的差距，學生的學習興趣不高。針對操作系統(tǒng)教學中存在的問題，結(jié)合操作系統(tǒng)課程的教學目標，提出了基于知識發(fā)現(xiàn)的探究式操作系統(tǒng)課程教學模式，通過設置情景，引導學生去發(fā)現(xiàn)知識，進而提出問題的解決方案，再通過總結(jié)比較，培養(yǎng)學生分析問題的能力。多年的教學實踐證明，這種教學模式提高了課程的教學效果，學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力有了明顯的提高。當然，由于計算機領(lǐng)域的新知識、新技術(shù)不斷出現(xiàn)，在教學模式和教學內(nèi)容的安排上還需要進一步探索。

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（責任編輯：王意琴）