“操作系统”课程教学方法探索

2009-08-28侯一凡戚旭衍

计算机教育 2009年14期

侯一凡　戚旭衍

摘要:“操作系统”是一门涉及面很广的专业基础课程,理论性强,知识点多,讲授过程中相对较难理解。本文结合作者多年教学实践经验,总结了类比法教学、动画支持的多媒体教学和讨论互动教学等一系列通俗易懂的教学方法。实践证明,此类教学方法,能为广大学生接受,效果显著。

关键词:操作系统;类比法;多媒体动画;讨论与互动

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

计算机“操作系统”课的教学一直在计算机学科的教学计划中占据重要地位。在美国IEEE-CS和ACM 联合专题组发表的CC2001报告中,提出了14个知识领域,操作系统便是其中之一。中国计算机学会教育委员会、全国高等院校计算机教育研究所所提出的“计算机专业教学计划1993”也把“操作系统”列为一门主要的课程。因而,“操作系统”教学一直受到各个学校的重视,在国内有很多人从事这方面的研究,探讨了教学过程中的教材、实验、考核等环节。

“操作系统”课程是计算机专业的主干课程之一,其内容是由各种计算机操作系统的组织结构、设计思想、实现方法和相关理论综合而形成的。它是一门承上启下、理论性和实践性兼备的专业基础课。它涉及的基本概念多、密度大、抽象、易混淆;专业术语涉及的知识面广,某些技术的实现思想难以理解。

随着计算机技术的高速发展,计算机系统的发展变化日新月异,作为计算机系统核心组成部分的操作系统功能越来越强大。操作系统设计中的新思想和新方法不断出现,使操作系统的内涵和外延发生了巨大的改变。在“操作系统”的教学活动中,如何尽可能清楚和全面地为学生展现当代操作系统的本质、特点和发展方向,用通俗易懂的教学方法,传授课程的知识点,对任课教师来说是一项具有挑战性的任务。

本文结合作者在“操作系统”课程教学中的实践经验,总结了以类比法教学、动画支持的多媒体教学和讨论互动教学等为代表的新颖教学方法。这些教学方法重视教学中教师与学生之间的相互作用,能充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神,达到了预期的授课效果。

2“操作系统”课程特点

“操作系统”是计算机相关专业的一门主干课程,该课程的主要目的是使学生了解并掌握计算机操作系统的原理、结构以及基本实现方法,使学生系统科学地受到分析问题和解决问题的训练,为以后进行深层的软件研制与开发打下坚实的基础。在作者的教学实践过程中,发现该课程存在以下三个特点。

2.1操作系统本身发展迅速

类似于其他计算机软、硬件技术的发展,操作系统也经历了系统结构与实现技术的变更与发展。早期的操作系统由于受硬件、程序设计语言及软件设计技术的限制,一些设计原理与实现技术相比于现代操作系统来讲已经是过时或不合理了。操作系统设计技术的发展,对课程授课内容提出了新的要求。这就需要授课老师能紧跟当前国内外操作系统技术发展的前沿,适时地对教材的内容进行修订,从发展中找出规律和创新思路,以指导学生进行更深入地创新活动。

2.2课程理论知识性强

“操作系统”课程理论性较强,部分知识点抽象难理解,学生难以掌握其核心内容,所以在学习过程中易出现逃避和害怕心理。如何将课程中抽象内容和现实生活中客观实例结合起来,是提高授课质量的关键点。

2.3实践操作内容要求高

学习操作系统,不只为了掌握其基本原理,关键在于运用掌握的原理进行操作系统相关实验,甚至设计。从基本程序、子系统到多道程序系统、进程、进间通信与同步,再到文件系统、存储系统设计,直至构造一个真正的、简单的、有一定功能的操作系统。这对学生的课程学习提出了最高要求,然而这需要老师在其中切实充当好领路人,通过互动讨论等方法将学生 “扶上马,送一程”。

3类比法教学

“操作系统”课程内容庞杂,涉及面广,是由其在计算机系统中承担的任务决定的。要使学生在有限的时间内掌握它有一定困难。为提高教学质量和水平,作者尝试在教学过程中采用类比教学法,将抽象理论和概念转化为学生容易理解的具体现象,用通俗易懂的方法完成课程教学。

3.1类比教学法概念

根据作者的教学实践,总结出欲将一系列复杂问题,通过简单明了的方式表达出来,进而达到授课目的,类比教学法是其中一个行之有效的方法。

所谓类比教学法,就是根据类比法的特点而组织起来的教学,包括用类比法设计教案、课件、教学等,在教学过程中向学生渗透类比思想。类比教学法是创设真实生动情景的有效工具之一,教师运用类比法创设的问题情景,能有效地促使学生发现新知识、新方法,让学生沉浸在问题情景中,将要探索的问题与已有经验联系起来,找到类比的对象,进而运用对此类比对象的研究所取得的成功经验、方法和结果等进行分析比较,建构类比以寻求规律,大胆猜想并找出证明思路,为建构知识意义打下良好的基础。

3.2类比法的应用

类比是根据两个对象有一部分属性相类似,从而推出这两个对象其他属性亦相类似的一种推理方法。人们认识事物和理解一个新问题很容易从一个客观可见的实体出发,然后通过自己感官认识并理解它。在授课过程中,可将操作系统相关概念和生活中的事例结合起来分析。下面以实例来说明类比法的好处。

首先以操作系统概念为例。操作系统是计算机系统中的核心系统软件,它负责控制和管理整个系统的资源并组织用户协调使用这些资源,使计算机高效地工作。为更好理解这一概念,在阐述操作系统定义时,可以把它理解为计算机系统资源的大管家,类似于一个大的集团公司的“主管人员”。为确保一个集团公司的目标要得以有效实现,必须通过层层分解,将任务落实到各个部门,直至组织的每个成员身上。而操作系统有五大功能,分别是:处理机管理,存储器管理,设备管理,文件管理和用户接口管理;类似于主管人员的五个部门主管,如销售、研发、人力资源等。通过此类比,学生立刻就明白了操作系统的概念,并可延伸其至管理方法。

类比法教学不仅有助于学生理解操作系统相关概念,还有助于指导他们在课程学习中创新。如讲述“资源管理”这一知识点时,可将CPU资源比喻成餐馆,而将欲占用CPU资源的进程比喻成顾客。顾客为了就餐,必须按照到餐馆的时间顺序进行排队,这是操作系统中处理多个进程的基本方法。那么有的学生提出,可以扩大餐馆的规模,于是引出进程并行的方法。另一个问题是,往往由于某个进程等待某一资源,而拼命地“空转”,不断地查询当前CPU的状态,造成资源的浪费。而类似的,餐馆中服务员叫号的方法,等待期间顾客可以忙自己的事情,而不必进行查询,叫号后由服务员唤醒当前正在等待的顾客,于是又引出操作系统中中断的机制。其实,很多操作系统中采取的策略,均来自生活,因而用类比方法授课,可达到很好的效果。

上述是作者在教学过程中运用类比教学法的个别案例。在操作系统中还有很多问题可用生活中的事例去类比讲解。如“优先级调度算法”,本义是指从进程就绪队列中挑选优先级别高的进程,并且把CPU分配给它使用,可把它比喻成火车站售票窗口军人优先的例子;还有“死锁”的概念可比喻成生活中交通堵塞的问题;临界区资源可比喻成在电话亭排队打电话等。这些恰当的比喻都能帮助学生理解和掌握抽象的概念和原理。想在教学中用好类比教学法,首先要求教师能深刻透彻理解问题的本质;其次要求教师有丰富的生活阅历,具有敏锐的观察力;最后还要教师能够用精炼风趣的语言把二者巧妙结合在一起,分析二者本质上的相似点,以此让学生掌握问题的本质,否则效果会适得其反。

4动画支持的多媒体教学

随着科技的发展,计算机技术发展本身也促进了现代教学方法的进步,传统的粉笔加黑板的教学模式已经难以适应信息化时代的需求。计算机辅助设计技术的发展,使多媒体技术在课程教学中得到了越来越多的应用,也取得了越来越好的效果。

笔者还在国防科技大学就读时,在“计算机系统结构”的课堂上,曾被张晨曦教授用“网动王”所设计的课件震撼。张教授以动画形式展示了流水线各个阶段的全过程,非常通俗、清晰地说明了所有问题,使原本难以理解的流水线问题变得简单。这就是动画技术的特点。于是当笔者成为一名老师时,便开始了在“操作系统”课程授课中探索多媒体、动画教学的历程。

在教学中,笔者常将操作系统中理论性强、极其抽象的内容制作成Flash动画。例如在讲述死锁这一内容时,对多个进程死锁的产生和进程竞争等,用Flash动画来演示,以便在课上形象讲解各个进程需要占用的资源,竞争的产生,死锁产生的原因及依赖关系等。课程讲述过程中,可采用PowerPoint和动画结合的课件模式,能用动画的绝不用静态表示方法,能用图片表示的绝不用文字等,切实给学生以直观印象,加深他们对课程内容的理解。尤其是对一些较难的算法必须编写教学软件进行动态演示。用动画技术展示算法的全过程,加深学生理解。

实践证明,采用现代化的教学手段,用生动活泼的表现形式展现教学内容,可以化抽象为直观,激发学生学习兴趣,强化教学效果。

5讨论互动式教学

现代教育呼唤人的主体精神,高等教育的教学实践活动也必须实现从以教师为中心向以学生为中心的转变,使学生和教师同时成为课堂的真正主人,更好地巩固教学效果。而“讨论互动式”教学方法正好符合这一要求。

5.1讨论互动式教学的必要性

“讨论互动式”教学以培养学生自主学习能力为宗旨,以实现课程教学目标为目的,通过开展课堂讨论、课堂辩论、网上讨论、小组讨论等教学活动,使学生对专题问题有进一步的理解,能够引发对不同角度与方法的探讨,增强学生的主体意识,增进学生的协作意识,培养学生的创新意识。在“操作系统”课程中开展“讨论互动式”教学,具有一定的必要性,主要表现在几个方面。

首先,“操作系统”课程的特点适合开展“讨论互动式”教学方法。“操作系统”是一门理论性和综合性较强的课程,涉及的概念较抽象,有一定深度和难度,学生容易产生厌学情绪,进而缺乏接受课程的自信心,对参与各种教学活动有畏惧心理。通过讨论和适当互动,能对学生正确引导,消除他们的畏惧心理,使其投入到学习中去。

其次,大部分学生缺少参与意识。高等教育的教学实践必须实现从以教师为中心向以学生为中心的转变,学生应成为课堂的真正主人。而目前仍然有部分学生头脑中存在着传统教学观念,习惯在课堂上充当被动接受的角色。

再次,部分学生缺乏学习自信。没有自信心,也就丧失了学习的兴趣和乐趣,越是自卑越不想学,进而导致恶性循环。经常采用课堂讨论、课堂辩论、网上讨论、小组讨论等形式进行教学,促进师生及同学问的双向交流,在培养学生信心的同时,也增强了学生的主体性。

5.2讨论互动式教学的实施

正所谓“温故而知新”,对所学的知识进行及时的温习,可达到事半功倍的效果。在作者的教学实践过程中主要采取以下两种互动形式进行教学。

(1) 课堂随机提问。上课时,若学生知道老师要发问,听讲会更认真。提问内容一部分是对授课内容的简单回顾,以考察学生的掌握情况;一部分则是对课程内容的适当延伸,激发大家的创新意识,使所学知识融会贯通。

(2) 在每个知识点讲授完毕后,随机抽学生上讲台做“十分钟老师”。这种做法以学生为主体,能充分调动其学习的积极性,学生在讲课过程中也能对老师的授课方式产生许多有益启发。实践证明,此方法效果显著。

6结束语

本文结合作者实际教学经验,分析了“操作系统”课程教学中的一般性问题,结合课程的特点和教育心理学的方法,探索性提出了类比法教学、动画支持的多媒体技术教学、互动讨论式教学等在本课程中的应用,讨论了如何用通俗易懂的方法讲述“操作系统”课程,以培养学生学习兴趣,提高学生学习信心,改善本课程教学效果。我们要努力积极行动、认真实践,锲而不舍,不断向前。本研究得到信息工程大学测绘学院院教学改革立项的支持,在这里感谢。

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