基于JiTT模式的操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法的研究與實踐

鄒青青，陳 晨

（蚌埠學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，安徽 蚌埠 233030）

基于JiTT模式的操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法的研究與實踐

鄒青青，陳 晨

（蚌埠學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，安徽 蚌埠 233030）

分析了適時教學(xué)（JiTT）與知識邏輯結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵與特征.以操作系統(tǒng)課程的知識邏輯結(jié)構(gòu)為依據(jù)，同時引入Solaris10的MDB工具作為JiTT的PUZZLE階段依托，探討了在JiTT模式的教學(xué)框架中，如何設(shè)計符合該模式的教學(xué)方案.最后，在理工科課堂教學(xué)環(huán)境中，闡述了JiTT方法應(yīng)用的不同之處.

JiTT；知識邏輯結(jié)構(gòu)；操作系統(tǒng)課程；Solaris MDB

計算機操作系統(tǒng)課程是計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的理論基礎(chǔ)課程，它討論了操作系統(tǒng)五大基本功能：進程管理、處理機調(diào)度、存儲管理、文件管理與設(shè)備管理，以及它們之間的聯(lián)系；同時論述了作為計算機硬件體系的直接軟件擴展，操作系統(tǒng)如何在硬件體系與用戶應(yīng)用之間起到承上啟下的作用[3].由此可見，操作系統(tǒng)課程涵蓋了計算機體系結(jié)構(gòu)中的許多概念與實現(xiàn)原理，與此同時，操作系統(tǒng)的發(fā)展曾經(jīng)歷過百家爭鳴的歷史過程，至今依然是百花齊放，如何從眾多的理論知識以及操作系統(tǒng)家族成員中找到一條技術(shù)主線，對于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)水平與素養(yǎng)有著非常重要的意義.

Just-in-Time Teaching（適時教學(xué)，簡稱JiTT）是一種建立在“基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)任務(wù)”（Web-based study assignment）和“學(xué)習(xí)者的主動學(xué)習(xí)課堂”（Active learner classroom）二者交互作用的基礎(chǔ)上的新型的教與學(xué)策略[1].本文研究了運行JiTT模式于操作系統(tǒng)課程的教學(xué)過程的相關(guān)問題，并提出了如何在教學(xué)過程中應(yīng)用該模式，設(shè)計基于知識邏輯結(jié)構(gòu)圖的課堂講授，從而使授課內(nèi)容脈絡(luò)清晰，形象深入.

1 JiTT模式下的內(nèi)涵與特征

Just-in-Time Teaching（國內(nèi)翻譯為“適時教學(xué)”或“及時教學(xué)”，簡稱“JiTT”）是二十世紀(jì)末在美國高校本科教學(xué)中出現(xiàn)的一種新型的教與學(xué)策略.由于這種教與學(xué)策略必須在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下（即要有信息技術(shù)手段的支持）才能夠?qū)嵤?，所以基于JiTT的教學(xué)過程也被稱之為信息技術(shù)與課程整合的一種教學(xué)模式，簡稱Just-in-Time Teaching模式（適時教學(xué)模式），或JiTT模式[1].

JiTT模式的實施具體包含了預(yù)習(xí)、反饋、適應(yīng)性調(diào)整課堂內(nèi)容、討論、難題探究五個步驟，針對性的、切合實際的教學(xué)，以達到適應(yīng)不同學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展水平與認(rèn)知發(fā)展特點的目標(biāo).

2 操作系統(tǒng)的知識邏輯結(jié)構(gòu)

分析知識邏輯結(jié)構(gòu)順應(yīng)大腦的自然思維方式，屬于思維導(dǎo)圖的范疇.基于知識本體之上的知識邏輯結(jié)構(gòu)居于教學(xué)的核心地位，它是深入到理論體系內(nèi)部的產(chǎn)物，是學(xué)習(xí)者在較短時間內(nèi)從總體上把握知識、持久記憶、靈活運用的可靠保證.

操作系統(tǒng)課程知識涉及了計算機體系結(jié)構(gòu)的各個部分，知識點豐富，不易于累積，然而課程知識之間存在邏輯關(guān)聯(lián).構(gòu)建操作系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容的整體知識邏輯結(jié)構(gòu)圖，需要教學(xué)者引領(lǐng)學(xué)習(xí)者站在一個全局的角度，通過剖析全部知識細節(jié)的內(nèi)在層次，抽象出知識節(jié)點對象以及對象上的關(guān)系，最后形成理論知識系統(tǒng)的有序圖.

在思維導(dǎo)圖理論的指導(dǎo)下，知識節(jié)點的組織形式可有多種，如概念型、類化型、輻射型、森林型等[2].針對理工科教學(xué)需要，在知識節(jié)點結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，JiTT的教學(xué)變得有方向性，所有的教學(xué)環(huán)節(jié)都是圍繞這個邏輯圖展開，對知識的闡述也是逐層遞進，這樣一來，JiTT作為一種信息技術(shù)整合的手段，有機的和授課內(nèi)容結(jié)合在一起，相輔相成.學(xué)習(xí)者也能夠獲取更有條理的概念，盡快抓住學(xué)習(xí)重點，隨著思維的不斷深入，厘清知識點之間的聯(lián)系，掌握原理的運用方法.

3 教學(xué)案例

操作系統(tǒng)中最核心的概念之一是進程，操作系統(tǒng)的其它所有內(nèi)容都圍繞著進程開展，因此，本案以計算機操作系統(tǒng)課程中“進程映像及其運行本質(zhì)”的教學(xué)過程為例，設(shè)計教學(xué)方案.首先，從宏觀概念上歸納出進程概念的認(rèn)知線索，分析進程及其運行時相關(guān)概念的邏輯關(guān)聯(lián)，確立邏輯結(jié)構(gòu)圖與理論框架；其次，以知識邏輯結(jié)構(gòu)為依據(jù)編排教學(xué)內(nèi)容，并與JiTT模式相結(jié)合，得出基于該模式的教學(xué)流程，形成完整的教學(xué)模型，深化操作系統(tǒng)理論知識，提高教學(xué)質(zhì)量；傳統(tǒng)JiTT信息技術(shù)手段中，包括一些已成功運用的結(jié)果，都將“預(yù)習(xí)內(nèi)容和要求”的設(shè)計作為適時教學(xué)模式成功實施的關(guān)鍵，因此，本案最后結(jié)合大學(xué)理工科課堂教學(xué)中的實際情況，探討并分析了JiTT教學(xué)模式應(yīng)具有不同的側(cè)重點.

3.1 基于JiTT的教學(xué)流程

JiTT模式的實施涉及的三個階段共五個步驟，其中第一、二、三步驟用于完成第一階段的“基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)任務(wù)”（預(yù)習(xí)和上課）；第四個步驟屬于第二階段，用于實現(xiàn)“學(xué)習(xí)者的主動學(xué)習(xí)課堂”；第五個步驟則用于完成第三階段的難題探究[1]，如圖1中帶箭頭的矩形框所示.圖1的中間一列描述了主要教學(xué)內(nèi)容（包括進程的定義、映像結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換）與教學(xué)思路.僅從文字概念的角度，學(xué)習(xí)者是不能夠體會進程這一正在運行的程序的抽象，以及在運行時的生動場面，因此，借助于進程控制塊（PCB）的源碼閱讀與MDB觀察工具，幫助完成對進程的認(rèn)識.整個對進程的教學(xué)與學(xué)習(xí)過程從五個層面進行，每個層次由表及里，逐層深入，最終教學(xué)目標(biāo)是促使學(xué)習(xí)者很好的消化進程的相關(guān)概念以及運行時的細節(jié)變化，并繪制出進程的知識節(jié)點邏輯結(jié)構(gòu)圖，以充分深入的描述出學(xué)習(xí)要點，并牢固掌握.

圖1 基于JiTT模式的教學(xué)流程

3.2 教學(xué)方案實施

在JiTT模式指導(dǎo)下，本案規(guī)劃了教師與學(xué)生所需要完成的任務(wù)及其在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中的參與情況，同時將課前預(yù)習(xí)、理論課堂教學(xué)與實踐課堂學(xué)習(xí)有機的融入JiTT各個階段與步驟中.根據(jù)圖1的流程示意，關(guān)于“進程映像及其運行本質(zhì)”的教案設(shè)計如下.

3.2.1 基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)任務(wù)（Web-based Study Assignment）

這是適時教學(xué)的第一階段，包含三個部分：預(yù)習(xí)、反饋與上課.預(yù)習(xí)及課堂教學(xué)的內(nèi)容是兩個基礎(chǔ)部分：進程的概念和模型，借以讓學(xué)習(xí)者對其形成初步的印象.具體要求是：

（1）進程的定義有多種，不同的科學(xué)家分別從不同的角度作出概念陳述，從而表達了進程的多種性質(zhì)，這需要學(xué)習(xí)者自己發(fā)現(xiàn)出這些特性的不同（與靜態(tài)的程序文件相區(qū)別，提出為什么程序需要以進程的身份來執(zhí)行）.

（2）在操作系統(tǒng)的使用過程中，哪些事件可歸為由進程完成的，這些進程是一個還是多個，可通過哪些手段來深入觀察進程（引入進程的管理與組織方法：隊列方式和索引方式，鋪墊進程的結(jié)構(gòu)）.

（3）倘若是一臺機器設(shè)備（如打印機），可以看見它的形態(tài)特征，那么進程的存在形式是什么.閱讀進程模型結(jié)構(gòu)的相關(guān)資料，為下階段的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ).

教師須在課前精心設(shè)計好每節(jié)課的預(yù)習(xí)內(nèi)容和要求，為此專門開發(fā)了基于Web的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)習(xí)內(nèi)容發(fā)布、學(xué)習(xí)情況的調(diào)查反饋、答疑等多項功能.該信息系統(tǒng)以圖表的方式統(tǒng)計學(xué)生反饋的信息，從而指導(dǎo)教師在課堂上調(diào)整授課內(nèi)容，例如在課程教學(xué)中增加實例來闡明問題.因此，調(diào)整后的授課內(nèi)容具有一定的適應(yīng)性，能夠根據(jù)實際情況滿足學(xué)習(xí)者的需求，實現(xiàn)按需施教；同時，使得信息技術(shù)與傳統(tǒng)課堂互為基礎(chǔ)，課內(nèi)課外形成有機互補，由此，體現(xiàn)了適時教學(xué)（Just-in-Time Teaching）的含義所在.

3.2.2 學(xué)習(xí)者的主動學(xué)習(xí)課堂（Active Learner Classroom）

在實現(xiàn)上述反饋環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，JiTT還要求教師利用課堂開展各種各樣的討論與辯論——包括教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間、全班性的或小組的討論與辯論[1]，以強調(diào)教學(xué)過程中的重要主體對象是學(xué)習(xí)者.與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)，該環(huán)節(jié)強調(diào)學(xué)生的參與及教師的指導(dǎo)，因此將“學(xué)習(xí)者的主動課堂”由“實踐”的方式來詮釋.

理論學(xué)習(xí)達到一定程度后，分配2課時的實驗課時間，由學(xué)生自行創(chuàng)建進程，運用UNIX操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用（如fork、exct、getpid、getppid等）書寫最簡單的程序說明問題，例如，閱讀進程控制塊的PROC表的源碼，創(chuàng)建多個進程，從程序的運行結(jié)果推測進程家族樹結(jié)構(gòu)以及父子進程間的關(guān)聯(lián)等.以動手實踐的方式來解釋教學(xué)內(nèi)容，加深了學(xué)習(xí)者對所學(xué)知識的掌握，學(xué)以至用.對本案例而言，操作系統(tǒng)中進程的組織方式以及進程間的關(guān)系躍然紙上，清晰可見.

3.2.3 難題研究（W rap-up Puzzles）

難題研究相當(dāng)于一項拓展訓(xùn)練，有一定挑戰(zhàn)性，要求學(xué)習(xí)者將某些較復(fù)雜、困難的問題作為專題探究.該環(huán)節(jié)的目的在于促進學(xué)習(xí)者高級、復(fù)雜認(rèn)知能力的發(fā)展，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新能力.一般的，難題研究的主題由教師提前擬定，其內(nèi)容在緊扣前一階段所學(xué)過的重要概念理論的基礎(chǔ)上延伸.

依照本案的設(shè)計思路，預(yù)習(xí)發(fā)布的第三個問題也是大多數(shù)學(xué)習(xí)者在探討進程概念過程中會遇到的問題：運行態(tài)的進程，在內(nèi)存中的組織結(jié)構(gòu)以及各數(shù)據(jù)項的實時數(shù)據(jù)值分別是什么，采用什么方法可以觀察進程的行為.該問題即是本案擬定的研究主題.要回答這些問題，需要借助一些工具，如Solaris系統(tǒng)的MDB（Modular Debugger）模塊調(diào)試器，可以分析操作系統(tǒng)，同時可以察看進程的地址空間，并將進程的各組成部分以易讀的格式輸出.在基礎(chǔ)技能方面，該實驗對學(xué)習(xí)者的基本功有較高要求，如要求學(xué)習(xí)者熟悉進程的PROC表及常用的結(jié)構(gòu)項、快速了解UNIX SHELL的使用方法、會利用GCC編譯工具編譯程序，了解MDB的調(diào)試模式及方法等，然后才能開始觀察實驗.該難題的挑戰(zhàn)性表現(xiàn)在：學(xué)習(xí)者的實踐能力和創(chuàng)新能力得到鍛煉；需要自行設(shè)計觀測過程，給學(xué)習(xí)者自由的發(fā)揮空間，激發(fā)創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進入更深刻的學(xué)習(xí)層面.在本案例的教學(xué)中，經(jīng)過最后一個步驟的探索和研究，學(xué)習(xí)者對進程動態(tài)特性得到更深刻的強化，而不只是停留在諸如“進程是程序的一次運行”等此類基礎(chǔ)概念的記憶上.

4 總結(jié)

本文描述了基于進程概念的JiTT教學(xué)模式在操作系統(tǒng)課程中的應(yīng)用與拓展，該模式仍可以與操作系統(tǒng)的其他教學(xué)章節(jié)內(nèi)容相結(jié)合.不論在JiTT的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)還是在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，甚至是難題探究部分，特別是一些對學(xué)習(xí)者實踐能力與創(chuàng)新思維培養(yǎng)要求較高的理工課程，都能夠?qū)で蟮揭环N以JiTT為依托的教學(xué)方法.因此，與JiTT的提出者[5]不同的是，在更注重工程能力訓(xùn)練的一些高教環(huán)節(jié)中，該模式的側(cè)重點在第二、三階段中，只有完成了動手實踐，才能把課堂知識理解得更透徹.

與操作系統(tǒng)課程相適應(yīng)的JiTT教學(xué)模式存在三方面的教學(xué)意義：第一，課程教學(xué)根據(jù)反饋完成，實現(xiàn)了因材施教，因需施教，調(diào)動了學(xué)習(xí)者更多的積極性；第二，設(shè)置與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)實驗不同的實驗內(nèi)容，提高了動手實踐能力，為學(xué)習(xí)者汲取更豐富的課外專業(yè)知識提供了途徑；第三，通過對操作系統(tǒng)內(nèi)核的探索，強化了對計算機體系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，對并行課程的理解有一定促進作用.

〔1〕何克抗,劉春萱.信息技術(shù)與課程整合的教學(xué)模式研究之六——“適時教學(xué)（JiTT）”模式[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008(18):9-13.

〔2〕楊炳儒,馬楠,謝永紅.知識邏輯結(jié)構(gòu)與思維形式注記教學(xué)法研究與探索[J].中國大學(xué)教育，2011（4）.

〔3〕湯小丹,梁紅兵,哲鳳屏,湯子瀛.計算機操作系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

〔4〕R ichard M cDougall, Jim M auro, Brendan Gregg.Solaris性能與工具[M].中國工程研究院譯.北京：機械工業(yè)出版社,2008.

〔5〕Gregor M.Novak.Just-in-Time Teaching [EB/OL].http://134.68.135.1/jitt/.

G642

A

1673-260X（2014）04-0031-03

本文為蚌埠學(xué)院教學(xué)研究項目（JYLY1219）的階段性成果