“操作系統”課程教學改革與實踐

劉建芳

(平頂山學院,河南 平頂山 467000)

“操作系統”課程教學改革與實踐

劉建芳

(平頂山學院,河南 平頂山 467000)

針對操作系統課程存在課程內容復雜、概念抽象，缺乏教學設計，實踐性環節薄弱，學生學習興趣不高等問題，遵循“以學生為主體，以探索為主線，以生活為主題，以興趣為主流”的教學理念，分析教學改革具體措施和方法，優化教學內容，改進教學方法，采用類比教學法和問題驅動法，有效提高課程教學質量和效果。

操作系統； 類比教學法； 問題驅動法

0 引言

操作系統課程是計算機專業、軟件工程專業的必修課程，在整個學科教學計劃中起著承上啟下的作用。自2009年開始，該課程已成為計算機專業研究生入學考試國家統考科目。無論在教學、科學研究和項目開發中，操作系統課程都處于非常重要的地位。

盡管該課程在整個計算機學科中非常重要，但是筆者在教學過程中發現，學生普遍反映課程涉及面廣、概念抽象、算法復雜、不好掌握。雖然歷屆任課教師都下了很多功夫進行講解，但是學生的學習效果普遍不是很理想。目前課程教學中存在一些突出問題，影響了課程教學效果。

為了讓學生能夠扎實地掌握計算機操作系統的原理、技術和實現方法，培養學生開發系統軟件和大型應用軟件的意識和能力，提高學生創新創業技能，對操作系統課程當前的教學現狀進行分析，找出能夠提高教學質量的適當的教學方法和教學手段進行教學改革，從而調動學生的學習積極性，提高教學質量，具有重要意義。

1 教學改革主要內容和擬解決的關鍵性問題

經過實際教學過程，操作系統課程存在課程內容復雜、概念抽象，缺乏教學設計，實踐性環節薄弱，學生學習興趣不高等問題。

1.1 課程內容復雜、概念抽象

由于學習操作系統需要具備高級程序設計語言、數據結構、計算機組成原理等課程的先導知識，任何一門課程學不好，都會導致學生對操作系統課程的不理解，而這些課程也都有一定難度，導致學生學習效果不理想。另外，操作系統這門課程的很多概念都是抽象的，看不見也摸不著，比如信號量、頁、段、磁頭等等，比較艱澀難懂，這就要求教師在授課時采用適當的教學方法和教學設計。

1.2 缺乏教學設計

目前操作系統課程主要是采用傳統的“填鴨式”教學方法，以課堂講授理論知識為主，教師不停地講，學生被動地接受知識。而且普遍存在課堂理論知識脫離實際應用的現象，是一種“灌輸式”的教學方法。學生在學習中的主體地位被嚴重忽視，學生只是為了期末考試或者考研而學習。再者，操作系統涉及知識抽象，又缺乏對教學內容的設計。很少采用類比式、啟發式、討論式的教學方法，導致課程缺乏生動性。因此積極開展教學設計，采用先進優秀的教學方法，是改革的重要因素。

1.3 實踐性環節薄弱

在我院本科各專業方向(移動互聯網、數字媒體、網絡工程)的操作系統課程中，均沒有設置相應的實驗課程，而實驗是學生加深對操作系統原理的理解，也是理論課的驗證過程。這就導致學生在學習抽象概念后，很難體會操作系統和軟硬件之間的交互過程，比如同步、互斥、信號量、消息、管程等概念都只能是抽象理解。這也是影響學生學習興趣和積極性的一個重要因素。因此，如何在理論課的同時加入實踐環節，也是課程教學改革的一方面。

1.4 學生興趣不高

學生學習興趣不高的原因，一方面在于課程本身的特點，內容龐雜，涉及面廣，理論性綜合性比較強，許多概念非常抽象，要使學生在有限的時間內掌握它，的確有一定的困難。而另一方面，操作系統“無用論”的觀念在學生中普遍存在。因為操作系統課程的抽象性，導致了它不像其他課程或某些應用軟件，學習后會有“所見即所得”這樣立竿見影的效果。比如學習了PhotoShop便能處理圖片，學習Java Web便能做―個網站，學習android能開發手機應用軟件，學習Cocas能實現手機游戲等，而學習了操作系統后要求學生設計一個操作系統是不現實的，也是難以實現的。因此，許多同學都輕視操作系統課程，認為原理理論學不學沒有太大的關系，會使用就行。因此提高學生學習積極性，調動學生參與課堂是教學改革的關鍵因素。

2 教學改革思路

通過以上分析，本課程內容理論性較強，實踐性環節薄弱，加上學生學習興趣不濃，課堂參與度低。為了改善學生的學習現狀，提高教學質量，本課程遵循“以學生為主體，以探索為主線，以生活為主題，以興趣為主流”的教學理念，突出學生在教師點撥下的自主性學習，在教師指導下的研究性學習，在教師引導下的體驗性學習，在教師調控下的愉快性學習，優化教學內容，改進教學手段，采用類比教學法，用生活中形象的事物類比操作系統中抽象的概念，創設真實生動的情景，讓抽象的理論形象起來，使學生感到抽象的理論不再抽象，從而提高學生的學習積極性；采用問題驅動法，適時的拋出問題，引導學生積極主動的參與教學過程，分析解決問題，提高課堂的互動性。同時采用動畫演示讓學生更加直觀的了解抽象事物。

3 教學改革具體措施和方法

針對操作系統課程的教學改革背景、存在的問題以及教學改革的思路，具體措施和方法如下。

3.1 優化教學內容

該課程在我院的教學安排涉及多個方向，如數字媒體方向、網絡工程師方向、移動互聯網方向均設有該課程，但培養目標各不相同，而課程本身又具有內容龐雜，知識抽象，涉及面廣等特點，因此要想提高學生興趣，首先要根據授課學生層次，并參考課程學時數、所選教材、實驗條件以及課程教學大綱等因素，精選教學內容。

目前市面上操作系統教材種類繁多，側重點各不相同。筆者在具體教學內容取舍和詳略確定上，確定的操作系統領域的核心知識單元有：操作系統概述，操作系統原理，進程并發與控制，處理機調度，內存管理，設備管理，文件管理作為基本教學內容[1]。根據學生專業層次及課程學時數，確定各部分學時數及知識點講授深度。

在教學重難點的設置上，筆者認為操作系統中的教學重點，不是哪個內容重要、哪個不重要，而是根據專業方向和學生層次相比較哪個更重要。整體遵循以下兩個原則：

1) 基礎內容最重要，效率優化次之

基礎內容比高層內容更重要，授課過程中首先讓學生掌握基本的內容，既可以提高知識傳授的效率，增強學生自信心，又便于隨后拋出效率方面的問題，引導學生逐步深入，激發學生學習興趣。

2) 新的知識點比舊的更重要

這里的新是指現在仍在實際使用但未曾講授過的技術(可能很早出現)。新的要多占課時，舊的不講或略講，一帶而過。這樣可以避免學生學習過程中產生“知識過時”的想法。特別是與實際應用相關的知識點要重點講授，可有效地提高學生學習積極性。例如在講解進程控制的方法上，軟件方法已經過時，只需要給學生介紹軟件方法的缺點即可，而不需要花費時間具體去研究軟件方法的代碼實現。在講解信號量時，對于整型信號量可以一帶而過，重點講解記錄型信號量和信號量集的實現原理。

接下來在教學過程中圍繞確定的教學內容和重點，基本內容、重要內容對學生講透，抽象、高層內容略講或不講，這樣就可以解決學生認為課程“內容龐雜、抽象”的問題，引導學生由淺入深地掌握操作系統的基本原理。

3.2 改進教學方法

造成操作系統內容枯燥的原因之一是教學方法單一。改進教學方法是提高教學效果的有效途徑。操作系統課程中許多抽象的知識點若采用類比、問題驅動等教學法，可以起到事半功倍的效果。

1) 類比教學法

所謂的類比教學法，是根據類比法的特點組織起來的教學活動，包括用類比法設計教案、課件、教學等，并在教學過程中向學生滲透類比思想。類比教學法是創設真實生動情景的有效工具之一，教師運用類比法創設的問題情景，能有效地促使學生發現新知識、新方法，讓學生沉浸在問題情景中，將要探索的問題與已有經驗聯系起來，使得抽象的新知識更易于接受[2][3]。

操作系統中概念都很抽象，但有許多都可以用生活中的事物類比。例如在講解記錄型信號量時，首先以圖片的形式給出記錄型信號量的數據結構，讓學生直觀的理解記錄型信號量的特點。然后引入“汽車進入停車位必須先申請停車證”這一生活情景，將數據結構中涉及的抽象概念與生活中的事物相關聯，用汽車表示進程，用停車位表示系統某一類資源，用停車證表示記錄型信號量的整型信號量值，用等候的汽車隊列表示記錄型信號量的進程鏈表。采用動畫演示汽車進入停車位需要申請停車證模擬進程訪問系統資源對記錄型信號量的處理；采用動畫演示汽車離開時需要釋放停車位，隊首等候的汽車方可進入停車位來模擬進程執行結束后釋放資源，并喚醒等待進程。

通過類比教學，使學生感到抽象的理論不再抽象，從而很好的理解記錄型信號量的數據結構及wait原語和signal原語的語法結構和作用，提高學生的學習積極性，進而提高教學質量。

2) 問題驅動法

亞里士多德說：“思維從問題、驚訝開始”。傳統教學過程中，大都是教師講，學生被動聽，造成了學生學習興趣不高、課堂參與度不高等問題。這是影響操作系統課程教學效果的原因之一。如果能以“問題”驅動教學，在教學中創設適宜于學生發現和提出問題的問題情境，培養學生的“問題意識”，引導學生積極主動地去分析問題和解決問題，則可以有效提高課堂的互動性[4]。

筆者在教學中嘗試采用“問題驅動法”即提問式授課方式，每堂課開始提出一些與上次授課有關的內容，一方面可以了解學生課后的復習情況，另一方面可以更好地與新課內容銜接起來。在講授新內容的時候，設計好各種問題，將原理用一個個問題引出來，在講述答案之前，請學生自己考慮一下可用什么方法解決所提出的問題，通過提問，讓學生主動去思考解決的方法，比較自己的解決方法和已有方法的不同，可以讓學生學習到一些好的思維方式。

如在記錄型信號量時，先帶領學生回顧整型信號量的缺點—“忙等”，然后引出信號量發展的第二個階段記錄型信號量，提問學生記錄型信號量是否能解決“忙等”的問題，如果能的話，是如何解決的？在講解記錄型信號量的數據結構的基礎上，讓學生結合進程的三個基本狀態，分析得到結論記錄型信號量能夠解決“忙等”問題。在模擬演示完“汽車進入和離開停車位”的動畫后，提出問題，進程對系統資源的訪問是如何實現的？進而引出wait原語的語法和作用；同樣的方法引出signal原語的語法和作用，并通過練習題，讓學生思考總結記錄型信號量的物理含義。講解經典同步問題哲學家就餐時，通過問題描述、關系分析、思路整理、信號量設置，提問學生哲學家就餐的最佳情況和最壞情況，教師通過日常生活中的規則引導學生思考解決最壞情況帶來死鎖問題的方法。在給出的解決方案中，精心選擇三種，一種規定限制就餐人數的方法，一種規定奇偶哲學家拿叉子順序的方法，一種一次占用所有所需叉子的方法。通過第三種方法，提問和其他方法的不同，引出下次課的教學內容。

通過精心設計問題，以問題驅動方式引導學生主動思考，一步步地解決問題，這個過程也是講授新知識的過程。實踐證明，這種方法可以有效地將學生被動學習變為主動學習，提高課堂互動效果。

3.3 加強實踐教學環節

實踐教學一直是操作系統課程的弱項[5]。通過設置一些有針對性的實驗，使學生既能夠理解原理又能引發對操作系統的興趣，消除操作系統無用的錯誤觀念。

目前我院在操作系統課程沒有設置實踐教學環節，根據我校“面向應用”的辦學方向，從“通過實踐環節解決理論知識的理解和實際應用”的角度出發，在課堂上帶領學生分析部分代碼，并引導學生課后繼續分析，為其以后從事科學研究打下基礎。如在講解哲學家就餐問題時，結合總結的三種方案，課堂上教師帶領學生采用第一種方案給出算法和編程注意事項。然后引導學生課后自我探索完成第二種解決方案。將課堂教學引入課外，培養學生自我探究的學生精神。

4 總結

通過本學期前期的教學實踐證明，本課程采用上述教學模式后能夠明顯提高課程教學質量和效果，可以有效提高學生的動手實踐能力、課程的整體性和邏輯性把握的能力。類比教學法和問題驅動教學法的運用，提高了學生的學習積極性，有著事半功倍的效果。隨著新技術在操作系統中的應用的不斷進步，操作系統教學實施過程的各個環節還需要進一步完善和優化。

[1] 湯小丹等.計算機操作系統[M].西安:西安電子科技大學出版社,2014.

[2] 劉瑜,郭天杰,張燕紅.以應用為導向、以增加趣味性為目的的操作系統課程教學研究[J].計算機工程與科學,2014,36(A2):121-123.

[3] 徐遠超,孫衛真,吳敏華.中美“操作系統”課程教學比較與思考[J].計算機教育,2015(19):57-59.

[4] 張鴻,羅宇翰.操作系統課程中抽象知識的可視化教學研究[J].計算機教育,2015(8):16.

[5] 黃萍.操作系統實驗環節設置的探索[J].實驗科學與技術,2015,13(3):113-115.

Teaching Reform and Practice of "Operating System" Course

Liu Jianfang

(Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China)

The content of "operating system" is complex and the concepts are abstract. At the same time, it lacks of teaching design and practice, and all these lead that students' learning interest is not high. To solve these problems, this article follows the teaching idea which is to take the students as the main body, the exploration as the main line, the life as the theme and the interest as the mainstream. This paper analyzes the specific measures and methods of teaching reform, optimizes the teaching content, improves teaching methods, uses analogical teaching method and problem driven method, and these measures effectively improve the quality and effectiveness of teaching.

Operating System; Analogy Teaching Method; Question Method

平頂山學院教學改革研究項目(2016-JY12)

劉建芳(1983-)，女,漢族，湖北宜城人，碩士，講師,研究方向：圖像處理，算法研究。

1007-757X(2017)05-0028-03

TP311

A

2016.12.20)