操作系统课程的启发式教学研究与探讨

李芬

摘要：本文论述启发式教学在操作系统课程教学中的重要性，并以处理机调度算法为例，阐述启发式教学在操作系统课程教学中的运用。

关键词：操作系统；启发式教学；处理机调度算法

1. 引言

操作系统课程是计算机及其相关专业的基础核心课程，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，课程内容包括进程管理、处理机调度、存储管理、设备管理和文件系统管理五大功能部件，其内容涉及计算机硬件、软件多方面的知识，课程表现为概念多、内容庞杂、涉及面广、知识点难度跨度大等特点。高等教育的本根目的不在于教会学生多少知识，而是培养学生的学习能力和综合能力，因此如何在操作系统课程教学过程中结合本课程的特点激发学生的学习兴趣、培养学生思考问题与解决问题的能力是教师在教学过程中应该不断探索和研究的问题。本文根据积累的教学经验，对如何应用启发式教学引导学生思考，从而提高操作系统课程教学质量进行探讨与总结。

2. 操作系统课程中启发式教学的应用研究

2.1 操作系统课程的启发式教学思路

启发式教学是一种重要的教学方法，就是在教学中要求教师承认学生是学习的主体，进而调动他们的学习主动性，引导他们独立思考、积极探索，从而达到启迪思维、发展智力、提高分析问题和解决问题的能力。在教学中可以通过“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，使学生真正掌握操作系统课程的知识。

在运用启发式教学方法教授操作系统的过程中，教师可以通过如下思路实施教学过程：首先要确认教学目标，明确该知识点要解决的问题；接着选择日常生活中与该问题有共通点的情境，并提出思考性的问题；然后引导学生对生活中类似的情境进行思考与寻找解决问题的方案，之后后启发学生运用思考出的方案思路解决操作系统中的问题；最后进行反馈与总结[1]。

2.2 操作系统课程启发式教学的实施

本节以处理机管理中的重点内容：处理机调度算法为例，讲述如何在操作系统课程教学中运用启发式教学方法。

教材列出的典型的处理调度算法有：先来先服务调度算法、短进程优先调度算法、最高响应比调度算法、高优先权调度算法和基于时间片的轮转调度算法[3]91-97。教师在讲到这一部分的内容时，如果按照课本罗列出来的这些算法逐一讲述这些算法的实现过程、优点和缺点等内容，不管讲述得有多详细，都有枯燥乏味之嫌，学生是处于被动的接受教师所灌输的知识，学习的积极性不高，课堂效果也不好。因此教师在讲授这部分的内容时，不应只是逐个罗列出各种调度算法，而是通过启发的方式，让学生主动逐步想出各种调度算法的思路。

首先，教师先介绍在内存中可同时有多个进程处于就绪状态等待获得CPU并运行，而系统可以根据不同的策略选择一个最适合运行的进程使其占用CPU并运行，这个“策略”就是本次课要讲的调度算法，此时教师可以提出一个问题“那么到底常用的策略（即调度算法）有哪些呢？”以引起学生的注意。

接下来教师可以引入生活中与处理机调度有共通点的例子：顾客到银行去储蓄。可以假设一个储蓄窗口相当于一个CPU，为了与单处理机的调度算法相对应可以做一个限制性的假设，即假设只有一个储蓄窗口的情形。而要进行储蓄的顾客很多，多个顾客都想获得窗口的服务，用什么方法对顾客进行服务才显得比较公平呢？此时，很多学生自然会想到先来后到的办法，即排队，先到达的顾客排在队头先获得服务，后到达的顾客插入到队尾进行等待。此时教师可以引导学生“把这个思想用到进程的调度算法中就是先来先服务调度算法”。学生会觉得非常有道理，而且很容易就记住先来先服务调度算法的特点。

正当部分学生觉得先来先服务调度算法是比较公平的调度算法时（因为平时大家去银行储蓄的时候基本上都这么做），教师在原来的问题提出新的假设：如果排在队头的顾客（假设为A）需要储蓄的操作很麻烦估计用很多时间，例如几十分钟甚至几个小时，而他后面的顾客需要服务的时间很短只需几分钟，如果你是后面的顾客自己需要服务的时间仅为几分钟，却为了几分钟等上几个小时，你乐意不乐意？不少学生肯定强烈的表示不乐意，此时他们已经完全投入问题的讨论中，他们迫切的想知道在这种情况怎么解决才能显得比较公平。此时，若学生答不出社么好的方法，教师还可以在等待时间上作提示，从而引导学生提出解决的办法：即让储蓄时间少顾客先获得服务，最后才是储蓄时间大的顾客获得服务，这样大家等待的时间就相对少很多。这个思想运用到进程调度算法中就是最短进程优先调度算法。

介绍了最短进程调度算法后，教师可以让学生回到储蓄的问题上：如果需短时间储蓄的顾客源源不断的到来，在刚才的策略上A是否获得服务的机会？此时不少学生会猛然发现，按刚才的策略时间短的都先获得服务的机会，如果时间短顾客不断的来“插队”，那A岂不是永远没有获得服务的机会了吗？最短进程优先调度算法肯定有缺限，那用什么方法来解决呢？此时教师可以引导学生提出先来先服务调度算法和最短进程优先调度算法的折中办法，即最高响应比调度算法，并讲解响应比的计算公式，从公式中总结出最高相应比调度算法优先照顾小进程，但又不至于使的进程“饿死”，即大进程等待一定的时间后也会获得服务的机会。

此时，善于总结的学生就会有一个结论：最高响应比调度算法应该是最好的调度算法了吧？教师可以提出另一种假设：此时如果出现了一个VIP客户，怎么办？因为VIP客户有服务的优先权，其他的顾客就必须等待，此时就很自然的引出第四种调度算法，即高优先权调度算法。

讲了前面四种调度算法后，学生已经对进程的调度算法有了一定理解，此时教师可以提出另一种调度算法，它不考虑等待时间也不考虑优先权，而是把CPU的时间分成一定的时间片，各进程在时间片内轮流使用CPU，在时间片内没有执行完毕的进程必须放弃CPU并排到队尾重新申请CPU，这个算法就是基于时间片的轮转调度算法。

最后，教师对这几种调度算法的特点、优点和缺点进行总结，还可以举具体例子分别用前三种调度算法计算它们各自的平均周转时间和平均带权周转时间，以加深学生对这部分知识的理解。

3. 结束语

启发式教学是一种常用的教学方法，在操作系统课程实际的授课过程中，除了处理机调度算法这部分内容外，其他很多内容都可以采用启发式的教学方法，例如：进程同步与互斥、有关死锁的问题和请求页式存储管理等，都可以采用启发式的教学方法来讲课。在启发式教学中，教师将从单纯的知识转播者变为学生学习的促进者、组织者和领导者，而学生也将从单纯的知识接受者变为自主的学习者、研究者和创新者，正确采用启发式教学将会极大地促进教学质量的提高。

参考文献

【1】韦婷.启发式教学在操作系统课程中的应用.电脑知识与技术.2011-5,第7卷第13期.

【1】冯丽萍,焦莉娟. 基于启发式的《操作系统》课程教學改革探讨.福建电脑.2010年第5期.

【2】汤小丹等. 计算机操作系统（第三版）. 2007-5