基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

牛 玲,丁新慧

(周口師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南周口466001)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最重要的系統(tǒng)軟件,用于有效管理計(jì)算機(jī)各種軟硬件資源[1]。操作系統(tǒng)(Operating System,以下簡稱OS)原理這門課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課;同時(shí)又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)課程。通過本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)掌握操作系統(tǒng)的內(nèi)部原理和體系結(jié)構(gòu)。由于操作系統(tǒng)近硬件、遠(yuǎn)用戶的特點(diǎn),用傳統(tǒng)的教學(xué)方式講授理論原理比較容易,而如何指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐相對(duì)較難。其結(jié)果致使部分學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣下降,即使記住其中的重要理論,也只知其然而不知其所以然,不能深刻地理解操作系統(tǒng)的本質(zhì),更不能在實(shí)際應(yīng)用中使用OS課程中所學(xué)知識(shí)和OS本身所提供的功能來解決實(shí)際問題。

筆者經(jīng)過近幾年的教學(xué)實(shí)踐,在課堂教學(xué)過程中,以具體的案例為主線,以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式引導(dǎo)學(xué)生自主探究,最終解決了上述問題。這種教學(xué)方法使學(xué)生更好地理解操作系統(tǒng)的基本原理、內(nèi)部機(jī)制和體系結(jié)構(gòu),并掌握其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方法,取得良好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)目標(biāo)的重新設(shè)定

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)的靈魂,是教學(xué)活動(dòng)預(yù)期達(dá)到的學(xué)習(xí)效果和標(biāo)準(zhǔn),是對(duì)完成教學(xué)活動(dòng)后學(xué)習(xí)者應(yīng)達(dá)到的行為狀態(tài)的具體描述,支配著教學(xué)的全過程,并規(guī)定教與學(xué)的方向[2]。因此,教師在教學(xué)之前,必須制定合理的教學(xué)目標(biāo)。

操作系統(tǒng)課程的總目標(biāo)是讓學(xué)生理解操作系統(tǒng)的基本功能,內(nèi)部工作原理,掌握操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。以往的實(shí)際教學(xué)中往往重視理論講解,學(xué)生動(dòng)手操作少。時(shí)間一長,學(xué)生覺得課程理論多、知識(shí)點(diǎn)碎、難學(xué),實(shí)用性也不強(qiáng),好像都是“背”的東西,學(xué)完后也不知道怎么用,從而很快喪失了學(xué)習(xí)興趣,更不用說學(xué)習(xí)效果。如何讓學(xué)生迅速對(duì)操作系統(tǒng)產(chǎn)生直觀、感性的認(rèn)識(shí);如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,參與到學(xué)習(xí)過程中是筆者一直探索的問題。筆者在本課程的教學(xué)改革嘗試過程中,先用一個(gè)操作系統(tǒng)方面的動(dòng)畫場(chǎng)景引入課程,引導(dǎo)學(xué)生思考什么是操作系統(tǒng),改變學(xué)生以往的慣性思維,告訴學(xué)生操作系統(tǒng)并非完全都是一些抽象的理論,更重要的是一種控制方法,一種解決問題的思路。然后再引導(dǎo)學(xué)生通過本課程的理論和實(shí)踐學(xué)習(xí),最終自己動(dòng)手創(chuàng)建一個(gè)實(shí)實(shí)在在的U盤啟動(dòng)系統(tǒng),以加深學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)理論的理解和領(lǐng)悟,同時(shí)提高他們的動(dòng)手能力。

在操作系統(tǒng)教學(xué)過程中,通過上述方式,可以將操作系統(tǒng)的理論和實(shí)踐緊密結(jié)合,把教學(xué)重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運(yùn)用操作系統(tǒng)原理解決實(shí)際問題的能力上。通過學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)生成一個(gè)操作系統(tǒng),能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生能切實(shí)地感受到操作系統(tǒng)的重要性和有用性,從而更有效地掌握操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。

2 “雙主”結(jié)合,改革教學(xué)結(jié)構(gòu)

一般情況下,操作系統(tǒng)的課堂教學(xué)常采用以教師為中心的教學(xué)結(jié)構(gòu)。在這種教學(xué)結(jié)構(gòu)下,一切都由教師來安排教學(xué)活動(dòng),學(xué)生圍著教師轉(zhuǎn),教師教什么,學(xué)生就學(xué)什么,學(xué)生只要按教師的要求學(xué)習(xí)就可以了。教師雖然可以很好地掌控課堂,但也很容易使教學(xué)變成獨(dú)角戲,提不起學(xué)生的興趣,教學(xué)效果不能及時(shí)地得到反饋,很難達(dá)到教學(xué)目的。

怎樣提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?如何調(diào)動(dòng)學(xué)生在教學(xué)過程中的主動(dòng)參與性?怎樣提高學(xué)習(xí)效果?這是教育工作者必須思考的問題。建構(gòu)主義理論認(rèn)為,學(xué)習(xí)者是知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者,是學(xué)習(xí)的主體,教師是整個(gè)學(xué)習(xí)過程的幫助者、促進(jìn)者和指導(dǎo)者[3,4]。學(xué)習(xí)者要成為真正意義上的主動(dòng)構(gòu)建者,教師必須充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,幫助學(xué)習(xí)者形成積極的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),引導(dǎo)他們學(xué)會(huì)主動(dòng)、探究學(xué)習(xí),在主動(dòng)查找學(xué)習(xí)資料的同時(shí),能把當(dāng)前的學(xué)習(xí)內(nèi)容和自己已知的知識(shí)聯(lián)系比較,提出問題并最終找到解決問題的方法。由此,筆者在操作系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐中,以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo),更新教學(xué)理念,不斷進(jìn)行改革探索。根據(jù)操作系統(tǒng)課程特點(diǎn),采用“教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體”的雙主教學(xué)結(jié)構(gòu),將教師、學(xué)生、操作系統(tǒng)教材及與教學(xué)、教材相關(guān)的專題教學(xué)網(wǎng)站、教學(xué)媒體有機(jī)結(jié)合起來,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用以及學(xué)生的主體作用。

3 改革傳統(tǒng)教學(xué)方法,采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)

在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學(xué)中,以教材為中心,以教師講授為主,學(xué)生思考少,課堂缺乏互動(dòng),不能吸引學(xué)生的注意力,教學(xué)效果不夠理想。為了改變教學(xué)現(xiàn)狀,讓學(xué)生理解操作系統(tǒng)理論的奧妙,本文采用一種基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的探究性教學(xué),將任務(wù)驅(qū)動(dòng)貫穿操作系統(tǒng)教學(xué)過程的始終,讓學(xué)生在“做”中學(xué),在實(shí)踐中領(lǐng)悟,在步步深入的任務(wù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行探究性學(xué)習(xí),既符合了建構(gòu)主義理論,又提高了學(xué)生的認(rèn)知思考能力和動(dòng)手解決問題的能力。

3.1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的內(nèi)涵

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)是指在教學(xué)過程中,以完成一個(gè)個(gè)具體的任務(wù)為線索,把教學(xué)內(nèi)容蘊(yùn)含在任務(wù)中,學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)完成任務(wù),在此過程中自主發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,主動(dòng)、輕松、愉快地掌握新知識(shí)和新技術(shù)[5]。

3.2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的任務(wù)設(shè)計(jì)及實(shí)施步驟

根據(jù)操作系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容,在教學(xué)過程中主要采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法,教學(xué)流程可分為任務(wù)的設(shè)計(jì)、學(xué)生探索和完成任務(wù)、師生評(píng)議以及對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)的重新修訂四個(gè)部分,如圖1所示。

圖1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)流程

在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中,任務(wù)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到教學(xué)效果,因此,任務(wù)的設(shè)計(jì)和安排非常重要。在教學(xué)實(shí)踐中,任務(wù)的設(shè)計(jì)要符合學(xué)生的特點(diǎn),既能吸引學(xué)生的注意和興趣,又能使學(xué)生在任務(wù)探索中解決問題,潛移默化實(shí)現(xiàn)知識(shí)地遷移。例如,操作系統(tǒng)課程第2章中的進(jìn)程概念、進(jìn)程分類、進(jìn)程控制等,抽象概念、原理比較多,學(xué)生不容易理解。擬定的學(xué)習(xí)任務(wù)是:讓學(xué)生課前觀看電影《黑客帝國》,找出下述電影情節(jié),并進(jìn)行相關(guān)分析。由于文章篇幅限制,舉幾個(gè)小例子:

1 )Neo,Agent具體是什么?引導(dǎo)學(xué)生探索思考的基礎(chǔ)上,給出提示性答案:Neo是一般進(jìn)程;A-gent是高級(jí)進(jìn)程,可以搶奪一般進(jìn)程的資源。此問題可更直觀地幫助學(xué)生理解什么是進(jìn)程,進(jìn)程的不同優(yōu)先權(quán)。

2 )為何飛機(jī)駕駛員看到Neo后,變成了A-gent,但被打死后,又變回了飛行駕駛員?引導(dǎo)學(xué)生探索思考的基礎(chǔ)上,給出提示性答案:飛行員只是一般進(jìn)程,當(dāng)時(shí)進(jìn)程的上下文環(huán)境是Neo所在的大樓樓頂,被高級(jí)進(jìn)程Agent搶占其資源,并進(jìn)行進(jìn)程切換后,于是變成了Agent。被打死的時(shí)候, Agent再次進(jìn)行切換又把飛行員進(jìn)程切換回來。此問題幫助學(xué)生理解進(jìn)程的構(gòu)成,進(jìn)程的不同優(yōu)先級(jí),以及進(jìn)程切換的概念。

3 )Neo為何開始打不贏Agent,后來被Agent打死后,運(yùn)行速度非常快,并可以看到代碼?引導(dǎo)學(xué)生探索思考的基礎(chǔ)上,給出提示性答案:Neo開始只是普通進(jìn)程,其運(yùn)行優(yōu)先權(quán)不如Agent高,故運(yùn)行速度較慢。但被Agent打死后,其內(nèi)部的The one代碼激活,成為更高級(jí)的內(nèi)核線程,故執(zhí)行效率更高,而且可以訪問所有的內(nèi)核空間以及用戶空間數(shù)據(jù),因此可以阻擋子彈,打敗Agent,也可以飛。此問題可以加深學(xué)生對(duì)進(jìn)程的分類的認(rèn)識(shí),以及CPU運(yùn)行于用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)的區(qū)別。

4 )Zion的作用是什么?引導(dǎo)學(xué)生探索思考的基礎(chǔ)上,給出提示性答案:Zion存放一些在母體中不穩(wěn)定的一般進(jìn)程,積累到一定數(shù)量,母體將之統(tǒng)一刪除。此問題幫助學(xué)生理解進(jìn)程的掛起和激活。

這些任務(wù)涉及了第二章前兩節(jié)所包含的知識(shí)點(diǎn)和學(xué)習(xí)難點(diǎn)。從電影劇情入手學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生得到任務(wù)后,會(huì)積極響應(yīng)并著手實(shí)施,鼓勵(lì)學(xué)生相互討論交流,勇于提出疑問,大膽猜想與探索,最終找到問題的答案。隨后,對(duì)學(xué)生的分析和實(shí)施結(jié)果給予相應(yīng)的評(píng)價(jià)。一般采用積極的肯定,鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)腦、多動(dòng)手實(shí)踐。最后,在師生的共同評(píng)議下,讓學(xué)生對(duì)原本抽象的理論有了一些感性的認(rèn)識(shí),并在逐漸完善答案的過程中,也加深了對(duì)理論的理解,使學(xué)生在總結(jié)修改中得到提高。另外,教師也可以在任務(wù)的實(shí)施過程中再次驗(yàn)證任務(wù)的設(shè)計(jì)是否恰當(dāng),如果不恰當(dāng),再次修訂任務(wù),最終實(shí)現(xiàn)師生教、學(xué)共贏。

4 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)課程教學(xué)不僅需要理解操作系統(tǒng)的概念、原理與方法,還要讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),才能讓學(xué)生真正理解操作系統(tǒng)的精髓。因此,在操作系統(tǒng)的每一章節(jié)都安排有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),利用現(xiàn)有的Windows操作系統(tǒng),在VM虛擬機(jī)中以Linux操作系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),讓學(xué)生做一系列的實(shí)驗(yàn),將操作系統(tǒng)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合,掌握操作系統(tǒng)的原理和開發(fā)方法。

例如,在初期的系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,先讓學(xué)生構(gòu)建和熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境,為了讓學(xué)生能親自動(dòng)手創(chuàng)建一個(gè)可啟動(dòng)的操作系統(tǒng),可以先提供給他們教師已編譯好的系統(tǒng)構(gòu)成文件,幫助他們用比較簡單的過程迅速構(gòu)建一個(gè)U盤啟動(dòng)系統(tǒng),激發(fā)學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)課程產(chǎn)生濃厚興趣。中期的操作系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)驗(yàn),可以根據(jù)每章的不同內(nèi)容及其學(xué)習(xí)重、難點(diǎn),設(shè)置具體不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù),力求簡單快捷,以幫助學(xué)生理解。最后的內(nèi)核實(shí)驗(yàn)部分是在學(xué)完整門課程的基礎(chǔ)上,指導(dǎo)學(xué)生自己完成相關(guān)代碼的編寫、文件的編譯等所有過程,最終自己親手創(chuàng)建U盤啟動(dòng)的完整操作系統(tǒng)。以此幫助學(xué)生理論指導(dǎo)實(shí)際,學(xué)以致用。

5 總結(jié)

綜上所述,在操作系統(tǒng)課程中采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法繼承了傳統(tǒng)教學(xué)法的諸多優(yōu)點(diǎn),讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體,在教師的指導(dǎo)下,以任務(wù)為驅(qū)動(dòng),在探索、解決任務(wù)的過程中實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)知識(shí)的遷移,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,取得了很好的教學(xué)效果。

[1]湯子瀛,梁紅兵,湯小丹.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)[M].3版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007:34-55.

[2]叢書編審委員會(huì).教學(xué)技能理論與實(shí)踐[M].北京:華文出版社,2008:37-38.

[3]何克抗.建構(gòu)主義革新傳統(tǒng)教學(xué)的理論基礎(chǔ)[J].中學(xué)語文教學(xué),2002(8):57-60.

[4]何克抗.教學(xué)結(jié)構(gòu)理論與教學(xué)深化改革(下)[J].電化教育研究,2007(8):22-27.

[5]楊洪雪.任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的特點(diǎn)及過程設(shè)計(jì)[J].教學(xué)與管理,2006(30):129-130.