操作系统课程的启发式教学研究与探讨

　　摘要：本文针对操作系统课程传统课堂教学方式存在的缺陷，通过分析启发式教学特点，指出在操作系统课程运用启发式教学模式的重要意义；并以请求分页存储器系统为例，详细说明启发式教学在操作系统课程中的实施方法；最后探讨了启发式教学对教师知识提出的新要求。
　　关键词：操作系统；启发式；虚拟存储器；请求分页存储器
　　文章编号：1672-5913(2010)08-0087-04
　　中图分类号：G642
　　文献标识码：B
　　
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　　问题背景
　　
　　操作系统课程是计算机专业的一门重要专业基础课，传统课程教学着重讲授计算机操作系统的基本概念和基本原理，课程内容主要包括进程管理、处理机调度、存储管理、设备管理、文件系统五大部分。作为计算机专业传统必修课，操作系统课程的重要性勿容置疑，但在传统教学模式中，课堂只是知识的倾倒处，教师是倾倒的操作员，学生是倾倒的被动容器。特别目前普遍存在的多媒体课件滥用现象，使“知识倾倒”变得更加快捷，教师满足于课上念，学生满足于课下读，极大地禁锢了教学双方的主动学习和思考意愿。加上操作系统课程内容枯燥，充斥大量原理及概念，学生往往觉得该课程抽象难懂，对课程学习缺乏兴趣，最后以死记硬背应付了事。
　　近年来，启发式教学模式已被逐渐应用于高等院校课程教学当中。和传统教学模式，启发式教学模式具备三个特点：一是强调学生是学习的主体。即以学习活动为基础，学生充当了学习的主体、认识的主体以及发展的主体，而教学内容则成为学习活动的客体。二是强调学生在掌握基础知识和技巧的同时，能够充分锻炼思维能力。即在启发式教学模式中，学生需要通过主动思考锻炼自身的独立思维能力，充分挖掘思维潜能。三是注重教学方法和学习方法的有机结合。即启发式教学更需要教师采用各种灵活多样的教学手段，引导学生采用不同的学习方法思考问题。
　　本文探讨了如何将启发式教学运用于操作系统课程教学中，通过“教师提出问题，学生主动思考问题，最终共同解决问题”的良性互动过程，充分发挥其优势，使教师成为火种，点燃学生思维的白纸，让学生能够真正实现自我学习、自我思考，真正掌握操作系统课程知识。
　　
　　
　　2　启发式教学的运用研究
　　
　　本节以操作系统课程中重要知识点之一——请求分页存储器系统为例，阐述启发式教学的实施方法。
　　
　　2，1启发式教学的目的
　　请求分页存储器系统包含的重要知识点包括：
　　(1)虚拟存储器的基本概念；
　　(2)请求分页存储器系统的基本思想：
　　(3)请求分页存储器系统的页表结构；
　　(4)请求分页存储器系统的地址变换结构；
　　(5)常见页面置换算法的基本原理和特点。
　　启发式教学的目的可以概括为：将课堂教学过程转变为“教师提出问题，学生主动思考问题，最终共同解决问题”的良性互动过程，使学生最终扎实掌握上述重要概念和关键技术。
　　
　　2，2启发式教学的实施
　　在学习虚拟存储器概念时，教师提出第一个问题：为什么要引入虚拟存储器?
　　随后启发学生回忆基本分页、基2f443a1078f38101d84e69bcee7a7b42本分段、基本段页式存储管理方式，都要求作业必须一次性全部装入内存，在其执行完毕之前，作业始终驻留内存，不会中途退出。启发学生主动思考，自行得出结论：基本存储系统的一次性、驻留性特点，既不利于大作业运行，也不利于提高多道程序度。
　　
　　此时，教师自然地提出第二个问题：如何解决基本存储系统的缺点?
　　再让学生自由讨论后提出可能的解决方法。有部分学生会考虑增加物理内存的解决方法，教师要解释清楚现代操作系统中内存容量的增长速度远远赶不上程序规模的增长速度，因此增加物理内存是不可行的。
　　也有部分学生会考虑让作业部分装入，教师可因势利导，首先肯定这种解决方法的可行性，然后介绍程序运行局部性原理。依据该原理，作业在运行前，没有必要全部装入内存，仅需将当前运行所需部分装入即可运行，其余部分暂时留在外存。若作业所需部分已装入，便可执行：否则，作业需调用操作系统提供的请求调入功能，将所需部分调入内存，才可继续执行。如果内存已满，作业需调用操作系统提供的置换功能，将内存中暂时不用的内容调至外存，再将所需部分调入内存，方能继续执行。这样一来，用户感觉能使用的内存容量比实际物理内存容量大得多，但这仅仅是用户的虚幻感觉，因此这种存储器就被称为虚拟存储器。
　　当得到虚拟存储器的基本概念后，教师必须指出，虚拟存储器仅仅是抽象的内存扩充思想，它只有和基本存储管理方式相结合，才能最终形成实用的存储器管理系统。请求分页存储器系统的基本思想正是以基本分页存储管理方式为基础，增加请求调页功能和页面置换功能，支持虚拟存储器功能。
　　采用请求分页存储器系统，就意味着作业执行所需页面既可能在内存，也可能不在内存。因此，教师提出第三个问题：如何判定所需页面是否已在内存?
　　接下来，启发学生回忆在基本分页存储管理方式中，操作系统是通过“页表”这一数据结构来维护页面所有相关信息的。因此，该问题似乎可以通过修改基本分页存储管理方式的页表项来解决。这里，我们添加了“状态位P”和“外存地址”字段，此时页表项如图1所示。
　　其中，“状态位P”指示页面是否已调入内存；“外存地址”指示调入页面所在的硬盘物理块号。
　　这时，学生可以得到结论：作业执行时，只需检查页表项中“状态位P”的值，就可以判定所需页面是否在内存。如果P=1，那么表示页面已调入内存，可以继续执行；如果P=0，那么作业可以请求操作系统根据“外存地址”将该页面从外存调入内存。
　　此时，教师紧接着提出第四个问题：操作系统如何将所需页面调入内存?
　　然后，启发学生回忆起微机原理课程中学习过的中断，它是计算机系统解决意外情况的最常用方法。事实上，请求分页存储器系统也是采用“缺页中断”通知操作系统，将作业执行所需页面调入内存。自然地，学生可以得出结论：缺页中断作为中断，和计算机系统中其他中断一样，也需经历诸如保护CPU环境、分析中断类型、转入对应的缺页中断处理程序进行处理、恢复CPU环境等步骤。在引入缺页中断概念后，教师利用幻灯给出请求分页存储器系统的地址变换机构，如图2所示。
　　从图2中可以看出，只有当页号对应页表项的状态位P=0时，才会触发一次缺页中断，在转入缺页中断处理程序(提醒学生这是软件实现)后，首先检查内存是否有空闲物理块，如果有，那么就根据外存地址读入所需页面，再调整该进程页表项和系统存储分配表等数据结构的值，最后重新启动被中断指令。但是，如果作业运行时间较久，内存已没有空闲物理块时，我们就需要从内存中移出一个页面，才能为当前所需页面腾出空闲物理块。如果要移出的这个页面在驻留内存过程中被修改过，那么为了保证数据一致性，操作系统必须按外存地址将移出的这一页写回外存。
　　如果该页没有被修改过，那么所需页面可以直接覆盖移出页面。那么如何检查页面是否被修改过呢?少数学生很自然地会提出再在页面项中添加新字段，即“修改位M”，如图3所示。
　　这时，教师向学生提出第五个问题：当内存已满时，如何选择移出页面?
　　再让学生们自由提出解决思路。根据经验，学生提出的思路主要包括：将作业再不会访问的页面移出、将最先进入内存的页面移出、将过去一段时间内很长时间没有被作业使用的页面移出。在讨论过程中，当有学生提出上述思路时，教师都要及时讲解对应的最佳置换算法、最近最久未使用页面置换算法以及先进先出页面置换算法的基本原理、优缺点。同时，以板书形式给出如表1所示的页面置换算法性能比较。
　　当讲解最近最久未使用页面置换算法时，教师须启发学生思考：作业如何知道在过去这段时间内，哪个页面最长时间没有被访问过?大部分学生都会回答在页面项中再添加新字段，即“访问字段A”，如图4所示。
　　至此，学生通过思考和讨论教师提出的问题，最终完成了对请求分页存储器系统所包含重要知识点的学习。
　　
　　3　启发式教学对教师的要求
　　
　　在启发式教学模式中，教师担负着引导学生成功进入启发式教学模式环境的重要角色。如果引导成功，那么学生和教师就能够享受启发式教学的良好效果，否则启发式教学就会成为空谈。因此，教师不但要熟练掌握课本知识，更需具备举一反三的能力，善于对课本中基础知识进行扩展，特别是能够将操作系统技术领域的最新科技动态引入课程教学活动。
　　操作系统课程涉及的知识面很宽，为顺利开展启发式教学，教师应达到以下四点要求：一是熟练掌握课程标准规定的所有授课内容，有能力把握要点和重点，将知识点进行有机归纳。二是考虑哪些知识点具有可扩展性和扩展必要性，对具备可扩展性的重要知识点深入扩展，使学生循序渐进、由浅入深地掌握这些知识点的精髓。三是要思考如何运用合理方式引导学生主动学习、主动思考，让学生真正理解透彻并能提出自己的观点，得出正确的结论。四是及时向学生介绍操作系统最新科研动态，培养热衷于该领域研究的学生，使其具备基本的科研创新能力。
　　
　　4　结语
　　
　　启发式教学是教师依据学习过程客观规律和学生认知结构，引导学生主动获取和掌握知识的有效教学模式。本文对启发式教学在操作系统课程中的运用进行了深入研究，以请求分页存储器系统为例给出了启发式教学实施方法，探讨了启发式教学对教师授课能力提出的新要求。在“请求分页存储器”章节教学中，我们通过采用启发式教学，调动学生成为教学活动的积极参与者，在课堂上营造出积极发表见解和争论的良好氛围，大大提高了学生的学习兴趣，教学效果明显改善，学生的主动思维能力和创新思维能力得到显著增