对操作系统结构化教学的探索

李仲生 黄美玲

摘    要： 为理清操作系统课程各知识点之间的关联，降低课程抽象性，条理化课程的综合性，将操作系统知识集看成对象，依据基本概念和管理建成知识树，通过树的生长和回溯，让学生感悟课程的全貌、理清知识间的脉络关系，能学有所获。

关键词： 操作系统    知识点    知识树    结构化教学

操作系统作为软件在计算机系统中不可或缺，作为课程，它是计算机应用技术及其相关专业的骨干核心专业基础课程。它存在于一个十分关键的位置，向底层，它驱动着硬件，向上层，它支撑着软件，承上启下，充当着一个大当家的角色。从课程角度，它最亲密的前驱是计算机组成原理，极靠近的后继是软件工程，可说是软硬兼施，这就必然导致它的内容覆盖面宽，抽象度高，对于基本功不是很扎实的学生，要让他们在操作系统中学有所获，是一件有一定挑战性的工作。

为了做好这项工作，已有研究者作了一些有意义的探索，一些文献从教学细节上给出了颇具借鉴性的探讨，例如文[1]就对进程和线程作了剖析;另一些文献则从宏观上把握操作系统的教学，例如文[2]就从多个角度探索了操作系统的教学模式。下面笔者将整理数年来的操作系统教学的积累，从操作系统内部结构角度寻找一种让学生学有所获的途径。

1.操作系统的结构性分析

从不同的视点看待操作系统的结构，会有不同的观感。不同的观感，会衍生出不同的研究观点，比如资源管理观点、用户管理观点及进程管理观点等。若单以其中某个观点论操作系统，则必然导致盲人摸象式的缺失，顾此失彼，或弱彼。为让学生对操作系统有全面的把握，可暂忘观点、聚焦内容，对操作系统的内容作结构化分析。

操作系统横连硬软件，有很强的结构性。为表达这种结构性，不妨借用面向对象编程的概念，把操作系统看做是一个系统软件类的实例——对象。这个对象的成员变量大致可分为三类，一类是硬件成员变量，主要有：CPU，内存，外存，IO设备，嵌入式设备，网络设备;另一类是概念成员变量，主要有：操作系统，作业，进程，线程，文件，文件系统;第三类则是除上两类外的其他成员变量，主要是一些与管理调度有关的成员变量，如分区、段、页等。相应地，这个对象也有成员函数，其主要的成员函数大致可归纳为三大调度、三大管理，三大调度分别是作业调度、进程调度和线程调度，三大管理为存储管理、设备管理及文件管理。在操作系统延伸到嵌入式系统、分布式系统或网络后，这些基本的调度管理依旧存在。

以上对象结构是一种对操作系统宏观上的把握，有助于让学生对内容有全局把握，避免学生有“只在此山中，云深不知处”的茫然，增强学生的学习信心。正如人有大脑、手、脚等这些成员变量，有大脑思考、动手、舞脚这些成员函数一样，操作系统的成员、成员函数有机融合成一个整体，结构性很强。在教学中沿用、细化这种结构，有助于学生形成学习思路、横穿操作系统的宽覆盖面而学有所获。

2.结构化的操作系统教学

为在操作系统教学中引入前述对象结构，按照操作系统教材的一般编排顺序，在实际教学中首先理出一条主线，这条主线主要由四大基本概念组成，即操作系统概念、作业概念、进程概念和线程概念。强调这些概念，是因为这些概念的内涵与外延都其独特的知识覆盖性。不妨先看看操作系统的概念，它有四个层面的内容[3]：计算机系统中的硬软件资源的有效组织管理者;程序的执行流程的控制者;美观、方便、有效的用户界面的提供者;本身是一组程序模块的集合。其中的第一层的外延涵盖了存储管理、设备管理、文件管理，第二层直指作业调度、进程调度及线程调度，也就是说，操作系统概念本身就是对操作系统对象中的大部分成员和成员函数的一种归纳，以它作为主杆分枝细化，就可得到全操作系统。作业、进程、线程的概念与操作系统的概念类似，在各自的范围内，都有着很强的概括性，这种概括性意味着相应章节的基本内容可从概念本身加以推导。考虑这些基本的概念的覆盖能力，由它们构成的这条主线被称为操作系统内容结构中的树干。教学，将沿着这条树干步步上升。

《高等教育心理学》对学生在学习活动中的“理解”和“牢记”有如下描述：“理解”可通过掌握一个知识点的内涵与周边相关性达成，“牢记”要实现，需及时复习并理清知识的脉络。在操作系统教学中将主线看成树干，随着课程的步步推进，树干在节节长高，回顾和复习可沿着树干向下回溯，生枝发叶可沿着树干不断向上生长。比如生长，以作业为例，首先是概念：“用户在一次计算过程中或者一次事物处理过程中要求计算机系统所做的工作的集合”，这集合以作业控制块、数据集、程序的形式存在，可处在提交、收容、执行、停止四种状态的一种中，这些状态之间的转换由作业调度程序完成，接下来是作业调度算法的评价指标、作业调度算法种类和实现等，分枝散叶，沿着知识内容结构步步达到最细节的叶，最终让与作业相关的知识枝完善。向下回溯是向上生长的逆过程，不再赘述。

在概念主线走完后，树干可继续向上生长，进入管理主线——存储管理、设备管理、文件管理。管理主线的每一个分枝生长步骤类似于前面的概念主线：从基本概念起，挖内涵，找外延，讨论算法。管理主线走完，经典操作系统课程即进入尾声，只需在其上加一个树冠——操作系统的进一步发展就趋于完整。

采用以上树结构实施操作系统对象教学时，每堂课课前需沿树向下回溯，以达重复复习之效。由于时间有限，回溯时不必全讲，只需把主杆勾出，提醒学生主动沿着主杆去想枝念叶。此外，由于操作系统的全部知识已梳理成树，树枝之间可横向比较，以深化记忆。比如作业和进程，它们的概念、组成、调度算法，都有可比较性。又比如进程调度算法与页式管理的换页算法，也有可联想的余地。

概言之，采用结构化操作系统教学，就是要把操作系统看做 是一棵知识树，让学生有个全貌、理清脉络、反复回顾、自动比较。

无论多宽的原始森林只要修了路就不会再是迷途，任何复杂的问题只要找到了一种解法，其复杂性就随之直线下降，操作系统对学生尤其是对地方本科院校的学生来说，是有复杂性和综合性的，前文的目标，就是在这种复杂性和综合性中找到一条路，让学生学有所获。数年的教学实践证明，前文的方法强化了学生的学习成就感，增强了学习效果。

参考文献：

[1]王令群，韩彦岭，李净.操作系统中线程概念的教学方法研究[J].考试周刊，2012，9：109-111.

[2]左万历，赵东范，闫昭.操作系统课程的多角度教学模式探索[J].计算机教育，2011，12：103-106.

[3]刘振鹏，王煜，张明.操作系统（第三版）.中国铁道出版社，2013：3-4.

基金项目：湖南省教育科学“十二五”规划课题（项目号：XJK015BXX007）