思维导图在《操作系统》课程中的应用

2020-05-12李钧童莉汪婧唐肝翌

现代计算机 2020年10期

李钧，童莉，汪婧，唐肝翌

（安徽工程大学计算机与信息学院，芜湖 241000）

0 引言

《操作系统》是软件工程专业的必修课程之一，该课程是研究计算机操作系统的基本概念，主要原理和核心算法的一门工程核心基础课程，对培养本科生的系统能力起着至关重要的作用。课程主要从操作系统主要功能模块、资源分配及调度算法及各主要功能模块之间的联系来介绍操作系统的基本概念和原理，其涉及的知识面广、概念和原理较为抽象、知识点繁杂以及实践环节较为薄弱。学生在学习过程中，很难在操作系统各个知识点之间建立联系并构建完整和系统的知识体系，学习效率低，学习效果差。学生通过死记硬背来应付课程考试，知识掌握成碎片化，并缺乏逻辑，达不到理想的教学效果。在分析和解决软件设计中面临的问题时，学生无法正确运用操作系统课程的理论知识。由于上述原因，本文将思维导图应用于操作系统课程的教学过程中，强化知识与知识之间，知识与实际应用之间的联系，提高教学质量和效果。

1 思维导图及其在大学课程中的应用

英国教育学家及心理学家托尼·博赞根据大脑发散的思维方式，首先提出了思维导图（Mind Maps）这一有效的笔记记录方法[1]。思维导图利用色彩、图像、符号、线条以及文字来表述概念和思想。思维导图将核心概念放置在中心位置，由中心位置向四周发散出多个分支，每个分支是一个与核心概念相关联的子概念或关键字，由此将枯燥抽象的概念变成了丰富多彩的图。思维导图的制作过程就是发散性思维具体化的过程，思维导图不但可以帮助人们提高记忆和学习的效率，还能培养人们的发散思维和创新思维。

传统的操作系统理论教学主要以教师为中心，在课堂上教师倾倒知识，而学生在教室里被动接受。同时由于操作系统课程内容较为抽象，以原理、概念及算法为主，学生在学习过程中觉得较为枯燥，往往缺乏兴趣，学习主动性低，学习效果差。在操作系统课程教学中，将思维导图与多媒体课件结合在一起使用，可以将抽象的知识点生动形象化，减轻学生的认知压力，同时也帮助学生快速建立知识点与知识点之间的联系。学生在学习过程中不再是枯燥的去记忆概念，而是将概念与图形、颜色等建立起关联。通过听觉和视觉等多种感官刺激，学生在课堂上能够保持较高的专注力，能跟紧教师的讲课思路。

近年来，思维导图在本科通识课程和计算机相关专业的专业课程中的应用越来越受到重视。如潭珊燕、张虹等将思维导图引入到大学英语写作教学中，提高学生的语言组织能力和创造力[2,3]。吕梦雷等利用思维导图进行大学英语阅读教学,将思维导图与英语教学内容设计相结合,使英语知识结构化、系统化[4]。曹梦瑶等将思维导图引入到英语词汇教学，将思维导图与词汇记忆联系在一起，改善了教学效果[5,6]。张琼敏等将思维导图应用于计算机基础教学中，利用其整合知识点，提高教学质量[7]。高文超等在人工智能课程中应用思维导图来提高学生的学习兴趣和教学效率[8]。林莹等在电路与信号分析课程的教学各环节引入了思维导图，提升了学生的学习效果[9]。崔杰将思维导图融入到C语言程序设计的课程教学环节，用于培养学生的分析和解决问题的能力[10]。

2 思维导图在《操作系统》课程教学的应用实践

2.1 将思维导图应用于课前备课过程

课前备课主要分为制定授课教学计划和教学设计这两个部分。授课教学计划反映了该门课程的整体规划，依据课程的教学大纲和教学内容安排教学顺序，教学学时和教学目标。教学设计是教师根据教学目标及学生学习现状，制定教学策略与方式和教学目标，明确教学目标和教学重点及难点。操作系统课程的教学内容涵盖计算机软硬件，概念抽象，且涉及知识繁杂且相互交叉。将思维导图应用于教师前期的备课过程中，有助于教师理清操作教学内容，明晰知识之间的联系，授课重点内容及难点内容，更为科学的分配教学学时。

如图1所示，通过思维导图制作的授课计划列出了每一章的教学内容、学习重点和学习难点，并用图标形象标注了优先级或难易度，同时也将教学内容与课程目标及毕业要求联系起来。与传统授课计划相比，新授课计划更清晰描述了课程知识点之间的脉络，帮助教师发现知识之间的关联。

如图2所示，在操作系统课程的有关虚拟存储这个知识点的教学设计中，将教学过程分为五个阶段：导入新课、教学内容讲解、课堂练习、归纳总结和效果评价。比如，我们在教学开始引入课程阶段，列出了“现代软件运行时对内存的需求大”这个学生日常在实际使用计算机时经常遇到的现象，让学生认识到内存资源的稀缺性。我们在引入阶段又给学生介绍了“90-10”规则，即大量软件在90%的运行时间内只使用了10%的代码和数据。通过结合上述两个实际经验知识，我们引入了本次教学的虚拟存储的基本设计思想。在教学内容讲解阶段，我们通过思维导图详细列出各个知识点以及教学时间规划。我们在教学实践中，通过思维导图来进行教学设计。与传统教学设计方法相比，基于思维导图的教学设计教师更好地规划各个教学环节的教学时间，课堂教学过程更为流畅，教学重点及难点更为清晰。

图1 操作系统课程教学计划思维导图

图2 基于思维导图的虚拟存储教学设计

2.2 将思维导图应用于课堂教学

在教学实践中，我们利用思维导图来组织课堂教学，教师在教学中通过思维导图以“图”的形式给学生展示所学知识点。在教学中应用思维导图与传统的线性板书相比，课件更为生动，更能激发学生的学习兴趣并有利于学生记忆相关知识点。如图3所示，首先从计算机运行过程中会产生死锁的现象来引入问题，在教学中例举PV操作使用不当，资源分配不当及进程推进顺序不当等例子来引导学生思考死锁产生的根源和条件；然后分析问题的本质，指出产生死锁的根本原因是在于资源有限性和进程的并发执行；接着讲解知识点，介绍死锁的定义和形成死锁四个必要条件；最后解决问题，运用银行家算法去预防死锁，给学生讲解银行家算法的基本思想，数据结构和代码实现。通过思维导图，我们在教学中明确了主题，然后以死锁为中心，并以分析和解决问题为导向进行教学，逐步添加教学内容，向学生清晰表达了所学内容的做总体结构，明晰了知识之间的联系。

2.3 将思维导图应用于课后复习

《操作系统》课程知识点繁杂，概念及主要算法抽象难懂，学生在课堂上用传统方法记录下来的笔记，难以帮助学生整理和记忆知识点，不能形成完整的知识体系，无法促进学生对知识的理解与记忆。我们在实际教学中引导学生使用思维导图进行复习，例如图4所示的进程调度算法的复习思维导图。图4所示的思维导图形象总结了主要进程调度算法的基本原理和优缺点，学生即掌握了知识点内容，又将知识有机结合起来，形成一个脉络清楚的知识体系。