基于任务驱动的操作系统课程教学改革研究与实践

2012-12-12丁新慧

周口师范学院学报 2012年2期

牛玲,丁新慧

(周口师范学院计算机科学与技术学院,河南周口466001)

操作系统是计算机中最重要的系统软件,用于有效管理计算机各种软硬件资源[1]。操作系统(Operating System,以下简称OS)原理这门课程是计算机专业及相关专业的专业基础课;同时又是一门实践性很强的技术课程。通过本课程的学习,学生应掌握操作系统的内部原理和体系结构。由于操作系统近硬件、远用户的特点,用传统的教学方式讲授理论原理比较容易,而如何指导学生进行实践相对较难。其结果致使部分学生对本课程的学习兴趣下降,即使记住其中的重要理论,也只知其然而不知其所以然,不能深刻地理解操作系统的本质,更不能在实际应用中使用OS课程中所学知识和OS本身所提供的功能来解决实际问题。

笔者经过近几年的教学实践,在课堂教学过程中,以具体的案例为主线,以任务驱动的方式引导学生自主探究,最终解决了上述问题。这种教学方法使学生更好地理解操作系统的基本原理、内部机制和体系结构,并掌握其设计实现的方法,取得良好的教学效果。

1 教学目标的重新设定

教学目标是教学的灵魂,是教学活动预期达到的学习效果和标准,是对完成教学活动后学习者应达到的行为状态的具体描述,支配着教学的全过程,并规定教与学的方向[2]。因此,教师在教学之前,必须制定合理的教学目标。

操作系统课程的总目标是让学生理解操作系统的基本功能,内部工作原理,掌握操作系统的设计思想和实现方法。以往的实际教学中往往重视理论讲解,学生动手操作少。时间一长,学生觉得课程理论多、知识点碎、难学,实用性也不强,好像都是“背”的东西,学完后也不知道怎么用,从而很快丧失了学习兴趣,更不用说学习效果。如何让学生迅速对操作系统产生直观、感性的认识;如何调动学生的积极性,参与到学习过程中是笔者一直探索的问题。笔者在本课程的教学改革尝试过程中,先用一个操作系统方面的动画场景引入课程,引导学生思考什么是操作系统,改变学生以往的惯性思维,告诉学生操作系统并非完全都是一些抽象的理论,更重要的是一种控制方法,一种解决问题的思路。然后再引导学生通过本课程的理论和实践学习,最终自己动手创建一个实实在在的U盘启动系统,以加深学生对操作系统理论的理解和领悟,同时提高他们的动手能力。

在操作系统教学过程中,通过上述方式,可以将操作系统的理论和实践紧密结合,把教学重点放在培养学生的学习兴趣和运用操作系统原理解决实际问题的能力上。通过学生亲自动手设计生成一个操作系统,能激发学生的学习兴趣,让学生能切实地感受到操作系统的重要性和有用性,从而更有效地掌握操作系统的设计思想和实现方法。

2 “双主”结合,改革教学结构

一般情况下,操作系统的课堂教学常采用以教师为中心的教学结构。在这种教学结构下,一切都由教师来安排教学活动,学生围着教师转,教师教什么,学生就学什么,学生只要按教师的要求学习就可以了。教师虽然可以很好地掌控课堂,但也很容易使教学变成独角戏,提不起学生的兴趣,教学效果不能及时地得到反馈,很难达到教学目的。

怎样提高学生的学习兴趣?如何调动学生在教学过程中的主动参与性?怎样提高学习效果?这是教育工作者必须思考的问题。建构主义理论认为,学习者是知识意义的主动建构者,是学习的主体,教师是整个学习过程的帮助者、促进者和指导者[3,4]。学习者要成为真正意义上的主动构建者,教师必须充分调动学生的学习热情,帮助学习者形成积极的学习动机,引导他们学会主动、探究学习,在主动查找学习资料的同时,能把当前的学习内容和自己已知的知识联系比较,提出问题并最终找到解决问题的方法。由此,笔者在操作系统课程教学实践中,以建构主义理论为指导,更新教学理念,不断进行改革探索。根据操作系统课程特点,采用“教师为主导,学生为主体”的双主教学结构,将教师、学生、操作系统教材及与教学、教材相关的专题教学网站、教学媒体有机结合起来,充分发挥教师的主导作用以及学生的主体作用。

3 改革传统教学方法,采用任务驱动教学

在传统的操作系统教学中,以教材为中心,以教师讲授为主,学生思考少,课堂缺乏互动,不能吸引学生的注意力,教学效果不够理想。为了改变教学现状,让学生理解操作系统理论的奥妙,本文采用一种基于任务驱动的探究性教学,将任务驱动贯穿操作系统教学过程的始终,让学生在“做”中学,在实践中领悟,在步步深入的任务驱动下进行探究性学习,既符合了建构主义理论,又提高了学生的认知思考能力和动手解决问题的能力。

3.1 任务驱动教学的内涵

任务驱动教学是指在教学过程中,以完成一个个具体的任务为线索,把教学内容蕴含在任务中,学生运用已有知识完成任务,在此过程中自主发现问题,解决问题,主动、轻松、愉快地掌握新知识和新技术[5]。

3.2 任务驱动教学的任务设计及实施步骤

根据操作系统课程的教学内容,在教学过程中主要采用任务驱动教学法,教学流程可分为任务的设计、学生探索和完成任务、师生评议以及对任务设计的重新修订四个部分,如图1所示。

图1 任务驱动教学流程

在任务驱动教学法中,任务设计的好坏直接影响到教学效果,因此,任务的设计和安排非常重要。在教学实践中,任务的设计要符合学生的特点,既能吸引学生的注意和兴趣,又能使学生在任务探索中解决问题,潜移默化实现知识地迁移。例如,操作系统课程第2章中的进程概念、进程分类、进程控制等,抽象概念、原理比较多,学生不容易理解。拟定的学习任务是:让学生课前观看电影《黑客帝国》,找出下述电影情节,并进行相关分析。由于文章篇幅限制,举几个小例子:

1 )Neo,Agent具体是什么?引导学生探索思考的基础上,给出提示性答案:Neo是一般进程;A-gent是高级进程,可以抢夺一般进程的资源。此问题可更直观地帮助学生理解什么是进程,进程的不同优先权。

2 )为何飞机驾驶员看到Neo后,变成了A-gent,但被打死后,又变回了飞行驾驶员?引导学生探索思考的基础上,给出提示性答案:飞行员只是一般进程,当时进程的上下文环境是Neo所在的大楼楼顶,被高级进程Agent抢占其资源,并进行进程切换后,于是变成了Agent。被打死的时候, Agent再次进行切换又把飞行员进程切换回来。此问题帮助学生理解进程的构成,进程的不同优先级,以及进程切换的概念。

3 )Neo为何开始打不赢Agent,后来被Agent打死后,运行速度非常快,并可以看到代码?引导学生探索思考的基础上,给出提示性答案:Neo开始只是普通进程,其运行优先权不如Agent高,故运行速度较慢。但被Agent打死后,其内部的The one代码激活,成为更高级的内核线程,故执行效率更高,而且可以访问所有的内核空间以及用户空间数据,因此可以阻挡子弹,打败Agent,也可以飞。此问题可以加深学生对进程的分类的认识,以及CPU运行于用户态和系统态的区别。

4 )Zion的作用是什么?引导学生探索思考的基础上,给出提示性答案:Zion存放一些在母体中不稳定的一般进程,积累到一定数量,母体将之统一删除。此问题帮助学生理解进程的挂起和激活。

这些任务涉及了第二章前两节所包含的知识点和学习难点。从电影剧情入手学习本节内容,充分调动了学生的学习热情。学生得到任务后,会积极响应并着手实施,鼓励学生相互讨论交流,勇于提出疑问,大胆猜想与探索,最终找到问题的答案。随后,对学生的分析和实施结果给予相应的评价。一般采用积极的肯定,鼓励学生多动脑、多动手实践。最后,在师生的共同评议下,让学生对原本抽象的理论有了一些感性的认识,并在逐渐完善答案的过程中,也加深了对理论的理解,使学生在总结修改中得到提高。另外,教师也可以在任务的实施过程中再次验证任务的设计是否恰当,如果不恰当,再次修订任务,最终实现师生教、学共赢。

4 加强实践教学环节

操作系统是计算机系统中的系统软件。操作系统课程教学不仅需要理解操作系统的概念、原理与方法,还要让学生动手进行相应的操作系统实验,才能让学生真正理解操作系统的精髓。因此,在操作系统的每一章节都安排有相应的实验,利用现有的Windows操作系统,在VM虚拟机中以Linux操作系统为实验平台,让学生做一系列的实验,将操作系统理论与实践紧密结合,掌握操作系统的原理和开发方法。

例如,在初期的系统启动实验中,先让学生构建和熟悉实验环境,为了让学生能亲自动手创建一个可启动的操作系统,可以先提供给他们教师已编译好的系统构成文件,帮助他们用比较简单的过程迅速构建一个U盘启动系统,激发学生对操作系统课程产生浓厚兴趣。中期的操作系统内部实验,可以根据每章的不同内容及其学习重、难点,设置具体不同的实验任务,力求简单快捷,以帮助学生理解。最后的内核实验部分是在学完整门课程的基础上,指导学生自己完成相关代码的编写、文件的编译等所有过程,最终自己亲手创建U盘启动的完整操作系统。以此帮助学生理论指导实际,学以致用。