“操作系統”課程教學方法的探索與實踐

胡龍志 鄧紅衛 俞曉潤 王承龍 彭亞云

摘? 要： 針對傳統教學方法已不適應“操作系統”課程教學的現狀，提出了實物展示教學法、溯源教學法、操作引導教學法，深化啟發式教學法和任務驅動教學法。文章介紹了各種教學方法的操作步驟，這些教學方法在教學實踐中降低了學生學習操作系統理論知識的難度，增強了學生的學習主動性，提高了學生學習的興趣，取得了很好的教學效果。

關鍵詞： 操作系統; 實物展示教學法; 溯源教學法; 操作引導教學法; 啟發式教學法; 任務驅動教學法

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）12-97-04

Abstract： In view of the current situation that the traditional teaching methods are not suitable for the teaching of "Operating System" course， this paper proposes the physical display teaching method， traceability teaching method， operation guidance teaching method， deepened heuristic teaching method， task-driven teaching method， and the operation steps of each teaching method are introduced. With these teaching methods， the difficulty of learning the theoretical knowledge of the operating system is reduced， the learning initiative of the students is enhanced， and the interest of students is increased， to have achieved a very good teaching result.

Key words： operating system; physical display teaching method; traceability teaching method; operation guidance teaching method; heuristic teaching method; task-driven teaching method

0 引言

操作系統是計算機系統中最重要的核心軟件，它管理著計算機系統的軟硬件資源，組織各種資源合理利用，為用戶提供服務。操作系統是國家的基礎設施，各國政府和各國企業都在努力設計、開發、推廣自己的操作系統，它是大國競爭的利器。

“操作系統”課程是計算機相關專業的一門基礎理論課程[1]，主要介紹操作系統的基本原理和實現技術[2-3]，幫助學生理解計算機系統深層次理論和整體架構，為學生以后的學習、工作和研究打下基礎[4]。為了推動操作系統產業的進步和提高學生的專業水平，“操作系統”課程授課老師，需要不斷完善教學方法，提高教學效率和教學質量。

1 “操作系統”課程教學現狀

“操作系統”課程理論性強、內容繁多、概念抽象、原理復雜、理解困難[5]。傳統教學模式一般采用集中“灌輸式”的課堂授課、以知識講解為主，老師在教學過程中強調以課堂為中心，以教師為中心，以教材為中心，即所謂“三中心”，教師教什么學生就學什么[6]，在這個過程中，知識的傳授是單向的，講授形式單一枯燥，忽視了學生積極性、主動性的發揮，學生被置于被動地位，學生無法真正地了解操作系統的內部運作機理，只能機械地記憶。老師以理論講授為主，很少在課堂上“閱讀源代碼和編寫代碼”，學生只聽講概念，不知道概念背后真實的代碼和真實的產品。這樣的教學現狀，自然教學效果不理想，畢業生與企業的期望有不少距離。

本文打破傳統的教學模式，提出實物展示教學法、溯源教學法、操作引導教學法并深化啟發式教學法、任務驅動教學法，創新地建立一套“操作系統”課程教學模式，從而提高教學效果。

2 課程教學方法探討與實踐

2.1 實物展示教學法

“操作系統”是一門十分抽象的課程，設備名稱非常多，例如CPU、內存、硬盤、主板、顯卡等等。傳統的教學模式，老師在課堂上講CPU、內存等等設備時，一般是口述這些名詞，偶爾會在PPT上展示一些設備的圖片，學生只知道這些名稱概念，不知道具體實物，沒有直觀的感受。

實物展示教學法是老師攜帶CPU、內存條、磁盤、顯卡、主板等設備到課堂，在講課時給學生展示，讓學生親手拿著CPU、內存條、磁盤、顯卡、主板等詳細地看，課程氣氛活躍，學生好奇心被激發，學生不再憑空想象這些設備，而是實實在在地看著和摸著這些設備。比如在講授“操作系統”概述時，把所有這些設備帶到課堂，然后展示這些設備，并提出問題，例如“哪個是內存條”、“哪個是CPU”、“哪個是磁盤”、“哪個是顯卡”、“哪個是主板”、“內存條和磁盤的區別是什么”、“大家指出哪個設備掉電后還能保存數據”等等，讓學生直觀形象地學習這些設備概念。

一般來說，老師在講授某一章節時，就帶著與這一章節相關聯的設備，然后在課堂上展示和講解。

通過實物展示教學法，可以讓學生深刻理解課本上的設備名稱，避免計算機專業畢業生“不認識CPU、不認識內存條、不認識磁盤”等尷尬現象，同時降低了學生學習設備名詞的難度，激發了學生學習的興趣。

2.2 溯源教學法

溯源教學法是把知識的來源介紹給學生，讓學生知道教材上學習的知識是從哪里來的，帶領學生閱讀原始的資料，引導學生理解理論知識點抽象的過程。在傳統的教學模式中，老師一般在PPT上展示理論的邏輯圖，至于邏輯圖是從哪里抽象出來的，一般不做解釋。溯源教學法按照“教材→知識原始資料→教材→知識原始資料→……”的思路進行教學，解釋了“知識從哪里來、又用于何處”的問題，讓學生知其然，也知其所以然，讓學生更加深刻地理解教材中的理論知識。

本小節介紹兩種操作系統課程的知識來源：Linux內核源代碼和Intel/AMD等硬件產商的產品幫助手冊。Linux操作系統的內核是開源的，每個人都可以免費獲取源代碼。為了理解操作系統的原理，老師帶領學生閱讀Linux內核源代碼，比如講到“進程”這一章時，老師可以在課堂上帶領學生閱讀task_struct結構體，并解釋task_struct結構體中state、mm、pid、fs、files等重要域的含義，讓學生既能看懂教材中的抽象邏輯圖，又能看到真實的內核代碼，還可以回顧以前學習過的C語言知識，讓學生體會到“原來教材中的知識點就是把內核的具體代碼抽象成理論來的”。

在講到“內存分頁管理”章節時，老師打開Intel的幫助手冊《Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals》，找到Intel技術文檔中關于內存分頁管理的位置，引領學生閱讀其中重要的圖例。由于教材把內存分頁管理描述得很抽象，一般配置了幾張抽象邏輯圖，難以理解，而在溯源教學法中，老師帶領學生閱讀Intel官方的技術文檔，可以讓學生找到教材的邏輯圖背后的真實的CPU設計。由于Intel官方技術文檔十分詳細，如果一些同學想要更深入學習和理解CPU管理的細節，那么他們可以更細致地來閱讀這些文檔。

由上述案例可知，溯源教學法不僅把知識的結果告訴學生，也把知識的來源告訴學生。溯源教學法要求老師不僅知道教材內容，還要知道教材知識的來源之處。溯源教學法能夠讓理論知識“接地氣”，教會了學生知識，也教會了學生學習的方法，即：學習教材→尋找知識的源頭→學習教材→……，或者，理論→真實代碼、真實產品→理論→……，實現了“授人以魚不如授人以漁”的教學理念，學生可以根據這樣的學習方法，繼續深入研究這些知識。溯源教學法讓學生接觸了產業界，拓寬學生的眼界，使得書本理論和企業生產產生聯系，巧妙地解決了當前“學校教育與企業需求存在一定脫鉤”的困境;再者，溯源教學法可以活躍課堂氣氛，與學生今后就業關聯起來了，從而提高學生學習興趣，增強學生學習主動性，然后達到提高教學質量的目標。

2.3 操作引導教學法

傳統教學法一般以“口述”為主，很少動手操作演示，從口述到口述。目前的實驗課中老師也很少親自動手帶領學生寫代碼。這樣的教學方式，學生難以入門，只知道概念，動手能力差，對知識理解不深刻。操作引導教學法，老師親自操作來引導學生動手做實驗，能夠幫助學生迅速入門。這樣的教學法能夠增強學生學習信心，培養學生學習興趣。操作引導教學法分為兩種：命令操作和完整的程序操作。

操作引導教學法中命令操作，是老師在課堂上把命令輸入，能夠立刻看到命令運行后的結果，避免了純粹的口述，讓學生馬上學習命令的功能以及使用方法。例如，老師在課堂上輸入命令ls、cp、chmod、pwd、cd等等命令，讓學生不僅看到這些命令的運行結果，而且還能學會命令的輸入方法和使用語法。

操作引導教學法中的完整程序操作，老師在課堂上現場編寫程序，這樣能夠迅速吸引學生的注意力，接著，老師帶領學生編譯鏈接程序，編譯鏈接過程中如果有錯誤和警告，領帶學生分析“錯誤和警告”發生的原因，然后修改代碼，再次編譯鏈接，最后運行程序，觀察結果。這種教學法，能夠快速引導學生入門，避免學生“上完半學期課程還不會動手做實驗”的尷尬，與傳統的實驗課模式非常不同，這樣的教學法主動引導學生學習，增強學生對老師的信任，打消學生對老師“光說不練、會說不會做”的質疑，拉近學生跟老師的距離，讓學生從內心更加佩服老師。老師在傳授知識的同時教會了學生“良好的編程規范和職業習慣”，課本知識、職業知識并進，拉近了課堂教學和企業需求之間的距離。比如，老師在講授進程時，帶領學生編寫一個調用fork等函數的完整的程序。除了寫程序，也要寫清楚各種注釋，比如作者、時間、功能描述、版權等等，使得整個程序符合編程規范。老師根據學生的學習進度適時地讓學生獨立完成程序。這樣可以讓學生迅速學會使用fork等函數，理解進程的概念，同時提高了動手能力。

操作引導教學法實踐了“教與做相結合”的教育理念，也貫穿著“實踐→理論→實踐→……”的哲學，避免了“一說到底”的教學模式。只要能夠巧妙設計與教學內容相匹配的操作命令、程序，然后在課堂上操作，就能降低學生動手操作的難度，對幫助學生理解和掌握知識點有很大作用，增強學生學習的信心，提高學習興趣。操作引導教學法對授課老師提出了更高的要求。

2.4 啟發式教學法

以教師為主體的教學模式不易調動學生的積極性。啟發式教學法，充分考慮教學的本質，強調以學生為學習的主體[6]，老師在教學過程中，充當引導者的角色，巧妙恰當地為學生創建問題情境，讓學生發現問題，試圖找到解決問題的方法，在強調系統性學習知識的同時，培養學生的獨立思考能力[4，7]，從而激發學生內在的學習動力，提高其自學能力。本節分析啟發式教學法的兩種實現方式：生活實例啟發式教學法和程序實例啟發式教學法。

生活實例啟發式教學法，是指利用生活中的實際事情，設計出各種問題，啟發學生來思考解決問題的方法。由于這樣的事例就是學生身邊的，學生感到熟悉，同時這些事例在現實生活中已經有了正確的答案，因此難度也很一般，學生容易找到解決問題的方案，這樣可以提高學生的學習信心。接著，老師將這些問題引導到計算機理論原理，用生活實例來幫助學生理解計算機復雜的概念和理論。

程序實例啟發式教學法，需要巧妙地設計程序，然后在課堂上編譯、運行程序，用程序運行結果來引導學生思考問題。在講授新內容時，老師課前設計好程序，然后在課堂上閱讀、編譯鏈接這個程序。在運行程序前，老師向學生提問，這個程序運行的結果是什么，啟發學生獨立思考。然后，課堂現場運行程序，展示運行結果。需向學生提出問題“為什么是這樣的結果？”，選擇幾位同學回答。這樣的教學法可以迅速抓住學生的注意力，整節課都是為了“解釋程序運行結果”，這樣的課堂是有目的性的，有很強的針對性，可以提高學生的學習興趣，把這個知識點在學生腦海中形成深刻的印象。例如，在講授“存儲管理”章節時，“邏輯地址”和“物理地址”是難以區分的概念。在講授原理前，編寫兩個程序，分別為pro1.c和pro2.c，如表1所示。

如分別編譯、連接和運行兩個程序，結果如圖1和圖2所示。向學生提出問題“發現什么問題了嗎”。接著引導學生看實驗現象，pro1中的變量num與pro2中的變量num的地址都是0x7000004，為什么它們的值是不一樣的;pro1中的main函數與pro2中的main函數的地址都是0x60000ed，為什么它們運行的代碼不一樣，然后帶著這些啟發式問題來講授物理地址和邏輯地址的概念。

由上述案例可知，只要能夠合理地設計生活事例和程序實例，啟發式教學法既能聯系社會生活，又能聯系計算機編程，能夠活躍課堂氛圍，極大地吸引學生注意力，培養學生的獨立思考能力，激發學生學習的能動性，提高教學效果。

2.5 任務驅動教學法

任務驅動教學方法是老師把教學內容設計成一個或多個具體的任務，讓學生通過完成這些任務來掌握教學內容，以達到教學目標[8]。傳統的教學模式下，老師把教學內容拆分為一個一個知識點，然后依次講授每個知識點，是以“知識點”為中心。任務驅動教學法打破了傳統教學方法中的注重學習的循序漸進和積累的模式，而是以“任務”為中心，學生為實現任務目標而努力學習。這種教學模式以“任務”為目標導向，具有很強的綜合性。

為了實現任務，學生用到的知識來源于：①已經學習的知識點;②還未學習的知識點;③已經學習的知識點的創新思想。通過三種不同來源的知識達到三個不同的教學目標：①復習和鞏固已經學習的知識點，把各個知識點聯系起來，理清它們之間的邏輯關系，然后把理論知識應用于實際工作任務中;②尋找未學習的新知識，方法包括使用網絡搜索引擎、請教老師和查看論文等等，讓學生熟練掌握尋找知識的常用途徑，增強學生自學能力;③培養學生對知識的活學活用的能力，開拓新思維，產生對知識新的認識和理解，進而增強創新能力，并掌握一套創新方法，為以后工作和深造打下堅實的基礎。

3 結束語

操作系統是一門抽象的課程，要充分發揮老師在實踐教學中的優勢，切實做好理論和實踐相結合的教學方法。針對不同的教學知識，在不同的教學階段，恰當地使用本文的新教學方法，在教學實踐中有效地調動了學生學習的主動性，收到了很好的教學效果。我們還需要繼續探索操作系統課程的建設方案，設計更好的啟發式代碼實例和更好的完整的程序實例，以更好地為學生、為企業、為社會服務。

參考文獻（References）：

[1] 李莉.操作系統課程教學方法的探索[J].金陵科技學院學報，2010.1：27-30

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[4] 王知非，羅秋濱，石研.操作系統課程教學與學生能力培養[J].計算機教育，2008.14：73

[5] 李凌云，田生文.操作系統課程多元化教學方法探討[J].中國現代教育裝備，2019.1：47-48，54

[6] 趙靜文，劉翔，石蘊玉等.操作系統課程啟發式教學方法探索[J].教育教學論壇，2020.10：240-241

[7] 李景峰，劉偉，郝耀輝等.操作系統課程的啟發式教學研究與探討[J].計算機教育，2010.8：93-96

[8] 黃澤偉，黎兵.“任務式”教學法在Linux操作系統教學中的應用探討[J].重慶電力高等專科學校學報，2007.3：58-61