對(duì)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化教學(xué)的探索

李仲生 黃美玲

摘 ? ?要： 為理清操作系統(tǒng)課程各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，降低課程抽象性，條理化課程的綜合性，將操作系統(tǒng)知識(shí)集看成對(duì)象，依據(jù)基本概念和管理建成知識(shí)樹，通過樹的生長(zhǎng)和回溯，讓學(xué)生感悟課程的全貌、理清知識(shí)間的脈絡(luò)關(guān)系，能學(xué)有所獲。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng) ? ?知識(shí)點(diǎn) ? ?知識(shí)樹 ? ?結(jié)構(gòu)化教學(xué)

操作系統(tǒng)作為軟件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺，作為課程，它是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的骨干核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。它存在于一個(gè)十分關(guān)鍵的位置，向底層，它驅(qū)動(dòng)著硬件，向上層，它支撐著軟件，承上啟下，充當(dāng)著一個(gè)大當(dāng)家的角色。從課程角度，它最親密的前驅(qū)是計(jì)算機(jī)組成原理，極靠近的后繼是軟件工程，可說是軟硬兼施，這就必然導(dǎo)致它的內(nèi)容覆蓋面寬，抽象度高，對(duì)于基本功不是很扎實(shí)的學(xué)生，要讓他們?cè)诓僮飨到y(tǒng)中學(xué)有所獲，是一件有一定挑戰(zhàn)性的工作。

為了做好這項(xiàng)工作，已有研究者作了一些有意義的探索，一些文獻(xiàn)從教學(xué)細(xì)節(jié)上給出了頗具借鑒性的探討，例如文[1]就對(duì)進(jìn)程和線程作了剖析;另一些文獻(xiàn)則從宏觀上把握操作系統(tǒng)的教學(xué)，例如文[2]就從多個(gè)角度探索了操作系統(tǒng)的教學(xué)模式。下面筆者將整理數(shù)年來的操作系統(tǒng)教學(xué)的積累，從操作系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度尋找一種讓學(xué)生學(xué)有所獲的途徑。

1.操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性分析

從不同的視點(diǎn)看待操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，會(huì)有不同的觀感。不同的觀感，會(huì)衍生出不同的研究觀點(diǎn)，比如資源管理觀點(diǎn)、用戶管理觀點(diǎn)及進(jìn)程管理觀點(diǎn)等。若單以其中某個(gè)觀點(diǎn)論操作系統(tǒng)，則必然導(dǎo)致盲人摸象式的缺失，顧此失彼，或弱彼。為讓學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)有全面的把握，可暫忘觀點(diǎn)、聚焦內(nèi)容，對(duì)操作系統(tǒng)的內(nèi)容作結(jié)構(gòu)化分析。

操作系統(tǒng)橫連硬軟件，有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。為表達(dá)這種結(jié)構(gòu)性，不妨借用面向?qū)ο缶幊痰母拍睿巡僮飨到y(tǒng)看做是一個(gè)系統(tǒng)軟件類的實(shí)例——對(duì)象。這個(gè)對(duì)象的成員變量大致可分為三類，一類是硬件成員變量，主要有：CPU，內(nèi)存，外存，IO設(shè)備，嵌入式設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;另一類是概念成員變量，主要有：操作系統(tǒng)，作業(yè)，進(jìn)程，線程，文件，文件系統(tǒng);第三類則是除上兩類外的其他成員變量，主要是一些與管理調(diào)度有關(guān)的成員變量，如分區(qū)、段、頁等。相應(yīng)地，這個(gè)對(duì)象也有成員函數(shù)，其主要的成員函數(shù)大致可歸納為三大調(diào)度、三大管理，三大調(diào)度分別是作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度和線程調(diào)度，三大管理為存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理及文件管理。在操作系統(tǒng)延伸到嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)后，這些基本的調(diào)度管理依舊存在。

以上對(duì)象結(jié)構(gòu)是一種對(duì)操作系統(tǒng)宏觀上的把握，有助于讓學(xué)生對(duì)內(nèi)容有全局把握，避免學(xué)生有“只在此山中，云深不知處”的茫然，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。正如人有大腦、手、腳等這些成員變量，有大腦思考、動(dòng)手、舞腳這些成員函數(shù)一樣，操作系統(tǒng)的成員、成員函數(shù)有機(jī)融合成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)。在教學(xué)中沿用、細(xì)化這種結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生形成學(xué)習(xí)思路、橫穿操作系統(tǒng)的寬覆蓋面而學(xué)有所獲。

2.結(jié)構(gòu)化的操作系統(tǒng)教學(xué)

為在操作系統(tǒng)教學(xué)中引入前述對(duì)象結(jié)構(gòu)，按照操作系統(tǒng)教材的一般編排順序，在實(shí)際教學(xué)中首先理出一條主線，這條主線主要由四大基本概念組成，即操作系統(tǒng)概念、作業(yè)概念、進(jìn)程概念和線程概念。強(qiáng)調(diào)這些概念，是因?yàn)檫@些概念的內(nèi)涵與外延都其獨(dú)特的知識(shí)覆蓋性。不妨先看看操作系統(tǒng)的概念，它有四個(gè)層面的內(nèi)容[3]：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬軟件資源的有效組織管理者;程序的執(zhí)行流程的控制者;美觀、方便、有效的用戶界面的提供者;本身是一組程序模塊的集合。其中的第一層的外延涵蓋了存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理，第二層直指作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度及線程調(diào)度，也就是說，操作系統(tǒng)概念本身就是對(duì)操作系統(tǒng)對(duì)象中的大部分成員和成員函數(shù)的一種歸納，以它作為主桿分枝細(xì)化，就可得到全操作系統(tǒng)。作業(yè)、進(jìn)程、線程的概念與操作系統(tǒng)的概念類似，在各自的范圍內(nèi)，都有著很強(qiáng)的概括性，這種概括性意味著相應(yīng)章節(jié)的基本內(nèi)容可從概念本身加以推導(dǎo)。考慮這些基本的概念的覆蓋能力，由它們構(gòu)成的這條主線被稱為操作系統(tǒng)內(nèi)容結(jié)構(gòu)中的樹干。教學(xué)，將沿著這條樹干步步上升。

《高等教育心理學(xué)》對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的“理解”和“牢記”有如下描述：“理解”可通過掌握一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵與周邊相關(guān)性達(dá)成，“牢記”要實(shí)現(xiàn)，需及時(shí)復(fù)習(xí)并理清知識(shí)的脈絡(luò)。在操作系統(tǒng)教學(xué)中將主線看成樹干，隨著課程的步步推進(jìn)，樹干在節(jié)節(jié)長(zhǎng)高，回顧和復(fù)習(xí)可沿著樹干向下回溯，生枝發(fā)葉可沿著樹干不斷向上生長(zhǎng)。比如生長(zhǎng)，以作業(yè)為例，首先是概念：“用戶在一次計(jì)算過程中或者一次事物處理過程中要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所做的工作的集合”，這集合以作業(yè)控制塊、數(shù)據(jù)集、程序的形式存在，可處在提交、收容、執(zhí)行、停止四種狀態(tài)的一種中，這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由作業(yè)調(diào)度程序完成，接下來是作業(yè)調(diào)度算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)、作業(yè)調(diào)度算法種類和實(shí)現(xiàn)等，分枝散葉，沿著知識(shí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)步步達(dá)到最細(xì)節(jié)的葉，最終讓與作業(yè)相關(guān)的知識(shí)枝完善。向下回溯是向上生長(zhǎng)的逆過程，不再贅述。

在概念主線走完后，樹干可繼續(xù)向上生長(zhǎng)，進(jìn)入管理主線——存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理。管理主線的每一個(gè)分枝生長(zhǎng)步驟類似于前面的概念主線：從基本概念起，挖內(nèi)涵，找外延，討論算法。管理主線走完，經(jīng)典操作系統(tǒng)課程即進(jìn)入尾聲，只需在其上加一個(gè)樹冠——操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展就趨于完整。

采用以上樹結(jié)構(gòu)實(shí)施操作系統(tǒng)對(duì)象教學(xué)時(shí)，每堂課課前需沿樹向下回溯，以達(dá)重復(fù)復(fù)習(xí)之效。由于時(shí)間有限，回溯時(shí)不必全講，只需把主桿勾出，提醒學(xué)生主動(dòng)沿著主桿去想枝念葉。此外，由于操作系統(tǒng)的全部知識(shí)已梳理成樹，樹枝之間可橫向比較，以深化記憶。比如作業(yè)和進(jìn)程，它們的概念、組成、調(diào)度算法，都有可比較性。又比如進(jìn)程調(diào)度算法與頁式管理的換頁算法，也有可聯(lián)想的余地。

概言之，采用結(jié)構(gòu)化操作系統(tǒng)教學(xué)，就是要把操作系統(tǒng)看做 是一棵知識(shí)樹，讓學(xué)生有個(gè)全貌、理清脈絡(luò)、反復(fù)回顧、自動(dòng)比較。

無論多寬的原始森林只要修了路就不會(huì)再是迷途，任何復(fù)雜的問題只要找到了一種解法，其復(fù)雜性就隨之直線下降，操作系統(tǒng)對(duì)學(xué)生尤其是對(duì)地方本科院校的學(xué)生來說，是有復(fù)雜性和綜合性的，前文的目標(biāo)，就是在這種復(fù)雜性和綜合性中找到一條路，讓學(xué)生學(xué)有所獲。數(shù)年的教學(xué)實(shí)踐證明，前文的方法強(qiáng)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王令群，韓彥嶺，李凈.操作系統(tǒng)中線程概念的教學(xué)方法研究[J].考試周刊，2012，9：109-111.

[2]左萬歷，趙東范，閆昭.操作系統(tǒng)課程的多角度教學(xué)模式探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2011，12：103-106.

[3]劉振鵬，王煜，張明.操作系統(tǒng)（第三版）.中國鐵道出版社，2013：3-4.

基金項(xiàng)目：湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（項(xiàng)目號(hào)：XJK015BXX007）