操作系統(tǒng)課程多元化教學(xué)方法探討

李凌云 田生文

魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 山東煙臺(tái) 264025

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源，組織計(jì)算機(jī)的工作流程使之正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)為用戶提供方便的服務(wù)。操作系統(tǒng)涉及軟件和硬件兩方面的知識(shí)，原理復(fù)雜、概念抽象、理解困難。對(duì)于以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的地方院校來(lái)說(shuō)，多數(shù)學(xué)生反映課程枯燥難懂，學(xué)習(xí)沒(méi)有動(dòng)力，難以像學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言那樣有成就感。筆者從事操作系統(tǒng)教學(xué)多年，針對(duì)這種較為普遍的情況，在教學(xué)過(guò)程中也一直探索各種各樣的教學(xué)方法和教學(xué)藝術(shù)，總結(jié)了一些操作系統(tǒng)基本原理的教學(xué)方法。

1 多元化教學(xué)方法討論

1.1 進(jìn)程概念的講授法教學(xué)

針對(duì)操作系統(tǒng)抽象概念多、算法復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)中多采用講授法。德國(guó)哲學(xué)家雅斯貝爾斯說(shuō)過(guò)：教育是一棵樹撼動(dòng)另一棵樹，一片云推動(dòng)另一片云，一個(gè)心靈喚醒另一個(gè)心靈。講授法作為一個(gè)傳統(tǒng)的運(yùn)用最為廣泛的教學(xué)方法并不是一種被動(dòng)的、機(jī)械的、忽視學(xué)生的教學(xué)法。在慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等一些新型教學(xué)模式大行其道的今天，講授法教學(xué)希望學(xué)生“心動(dòng)”，仍然具有獨(dú)特的價(jià)值。講授法發(fā)揮教師的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，高效率、系統(tǒng)性把知識(shí)傳授給學(xué)生，對(duì)教師綜合素質(zhì)具有更高的要求。

為了對(duì)并發(fā)執(zhí)行的程序加以描述和控制，引入了“進(jìn)程”的概念。進(jìn)程概念沒(méi)有統(tǒng)一的定義，學(xué)生很難理解。進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，從靜態(tài)的角度描述包括三部分：程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和進(jìn)程控制塊。講授過(guò)程中可把程序比作靜態(tài)的、沒(méi)有飛行任務(wù)的飛機(jī)，進(jìn)程比作執(zhí)行飛行任務(wù)的航班，把進(jìn)程處理的數(shù)據(jù)比作乘客，而描述進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)以及管理進(jìn)程運(yùn)行的全部信息的進(jìn)程控制塊可以看作航空公司管理此次航班的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。只有當(dāng)飛機(jī)配備了要執(zhí)行飛行任務(wù)所需的資源，包括機(jī)長(zhǎng)、飛行員、服務(wù)員、航空燃油、食物補(bǔ)給等，開始飛行時(shí)才有航班的概念。進(jìn)程是有生命周期的，某特定班次的航班也有生命周期，從開始執(zhí)行飛行任務(wù)至到達(dá)目的地完成任務(wù)為止，這次航班就結(jié)束了。結(jié)束之后非消耗性資源比如機(jī)組人員等就撤離本次航班，還給航空系統(tǒng)，以便為另外的航班分配資源。而進(jìn)程創(chuàng)建成功后操作系統(tǒng)為分配執(zhí)行所需資源，進(jìn)程結(jié)束之后把占有的資源還給系統(tǒng)，以便分配給其他進(jìn)程。在講授過(guò)程中，把抽象的動(dòng)態(tài)進(jìn)程概念比喻成生活化的航班，這樣學(xué)生就更容易理解進(jìn)程的動(dòng)態(tài)特征，且有恍然大悟之感。

1.2 進(jìn)程互斥的情景教學(xué)法

進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性會(huì)使學(xué)生在初期接觸時(shí)有諸多疑惑。多道程序環(huán)境下，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程，由于資源共享，它們之間可能存在著間接制約關(guān)系。學(xué)生很難理解抽象的進(jìn)程之間的制約關(guān)系。在授課過(guò)程中，設(shè)置一個(gè)學(xué)生熟悉的情景來(lái)學(xué)習(xí)就比較容易理解了。對(duì)于間接制約關(guān)系，以學(xué)生每個(gè)假期回家都要乘坐的火車車廂為例，假設(shè)一節(jié)車廂只有一個(gè)衛(wèi)生間為車廂所有乘客所用，乘客代表進(jìn)程，那么衛(wèi)生間就成為乘客們的共享資源。乘客們之間不認(rèn)識(shí)，也沒(méi)有關(guān)聯(lián)制約關(guān)系，但是因?yàn)楣蚕硇l(wèi)生間這個(gè)公有資源，他們之間產(chǎn)生了間接制約關(guān)系：只要有一個(gè)人在使用衛(wèi)生間，其他有需求的乘客只能排隊(duì)等待。這樣乘客之間就產(chǎn)生了相互制約的關(guān)系。這種制約關(guān)系用廁所門鎖的“有人”“無(wú)人”開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣學(xué)生就能理解因?yàn)楣蚕矶a(chǎn)生的間接制約關(guān)系了。

1.3 虛擬內(nèi)存的類比教學(xué)法

虛擬存儲(chǔ)器是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中存儲(chǔ)管理的一項(xiàng)重要技術(shù)，可以讓比內(nèi)存空間更大的程序運(yùn)行。但是虛擬內(nèi)存并非是從物理上實(shí)際擴(kuò)大內(nèi)存的容量，而是從邏輯上實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存容量的擴(kuò)充[1]。這也是操作系統(tǒng)中比較難以理解的基本原理。如果采用類比法來(lái)學(xué)習(xí)就比較容易理解了。舉例說(shuō)明：假設(shè)有一間工廠，共有100個(gè)工人，老板說(shuō)能為100個(gè)人提供住宿，其實(shí)老板只能滿足50個(gè)人的住宿要求，但是他安排其中50人上白班，50人上夜班，那么100人輪流休息睡覺(jué)。這樣50個(gè)人的住宿資源就能滿足100人的休息要求。采用錯(cuò)開時(shí)間使用(時(shí)分)的辦法，從工人使用的角度看擴(kuò)充了住宿資源空間，提高了住宿資源的利用率。同樣對(duì)有限的內(nèi)存來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)把暫時(shí)不用的換出到外存，把要執(zhí)行的部分調(diào)入內(nèi)存，從邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存容量，使用戶看到的內(nèi)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際容量[1]。這樣就能在小的內(nèi)存中運(yùn)行大的作業(yè)或者提高多道程序度，能夠有效地改善內(nèi)存的利用率，還可以調(diào)高程序的并發(fā)程度，增加系統(tǒng)的吞吐量。通過(guò)這樣的類比，學(xué)生就能夠理解虛擬的基本含義了。

1.4 磁盤調(diào)度算法的研討法

磁盤存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的存儲(chǔ)設(shè)備，磁盤I/O速度的高低直接影響到系統(tǒng)的性能。為了減少對(duì)文件的訪問(wèn)時(shí)間，需要采用平均尋道時(shí)間最少的磁盤調(diào)度算法。學(xué)習(xí)磁盤調(diào)度算法的時(shí)候，可以采用研討法，通過(guò)師生的對(duì)話討論來(lái)共同思考、探究、理解和解決問(wèn)題。教師先提出問(wèn)題，比如有多個(gè)進(jìn)程提出磁盤訪問(wèn)請(qǐng)求，請(qǐng)學(xué)生討論可以采用什么樣的調(diào)度方法滿足進(jìn)程的請(qǐng)求。多數(shù)學(xué)生首先從公平的角度想到的是先來(lái)先服務(wù)的方法，簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開銷小。教師這時(shí)候可以進(jìn)一步請(qǐng)學(xué)生思考，如果外賣員要為學(xué)生公寓樓下的奶茶店送奶茶，公寓六層，每層都有不同數(shù)目的訂單，會(huì)怎么選擇路線效率比較高？這時(shí)候再選擇先來(lái)先服務(wù)是否合適？學(xué)生爭(zhēng)先恐后地討論當(dāng)然是就近原則，這樣他們就理解了最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法，而且印象深刻不容易遺忘。之后碰到類似的算法，他們也比較容易觸類旁通，同時(shí)也活躍了課堂氣氛，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。

1.5 舉例法學(xué)習(xí)抽象理論

操作系統(tǒng)中許多概念原理都很抽象。在授課過(guò)程中靈活運(yùn)用舉例法可以把抽象的概念、理論具體化，有助于學(xué)生的理解掌握。以邏輯地址、物理地址和文件存儲(chǔ)空間管理為例。內(nèi)存地址的集合稱為內(nèi)存空間或物理地址空間。內(nèi)存中每一存儲(chǔ)單元都與相應(yīng)的稱為內(nèi)存地址的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，內(nèi)存空間是一維線性空間。通常用戶編寫的源程序，首先由編譯程序編譯成CPU可執(zhí)行目標(biāo)代碼。一種方法是按照物理存儲(chǔ)器中的位置賦予實(shí)際物理地址，另一種方法是編譯連接程序把用戶源程序編譯后鏈接到一個(gè)以0地址為起始地址的虛擬地址空間[2]。因此實(shí)際物理地址需要由虛擬地址即邏輯地址到實(shí)際物理地址的變換得到。學(xué)生難以理解抽象的邏輯地址的概念?？梢杂门e例法解決這個(gè)問(wèn)題。例如有30個(gè)人的旅行團(tuán)安排住宿，為了管理方便編號(hào)為1～30，編號(hào)可以認(rèn)為是游客的邏輯地址，而具體住宿的房間號(hào)可以認(rèn)為是物理地址。這樣就把邏輯地址和物理地址之間的關(guān)系講清楚了。

磁盤存儲(chǔ)器容量大，存取速度快，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器和存放文件最理想的外存。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中無(wú)一例外地都配置了磁盤存儲(chǔ)器。因此成組鏈接法是管理大磁盤存儲(chǔ)空間的比較好的方法。但是討論成組鏈接法的數(shù)據(jù)塊組織時(shí)由于過(guò)于復(fù)雜，學(xué)生不好理解?？梢耘e例說(shuō)明：假設(shè)有很多學(xué)生上勞動(dòng)課，可以把學(xué)生分組，每組100人，共有n(1～n)組，然后把每組選出一個(gè)組長(zhǎng)，每個(gè)組長(zhǎng)負(fù)責(zé)記住他上一組100人的名字，最后一組沒(méi)有上一組，所以最后一組的名字放在一個(gè)盒子里(棧)里。需要分配學(xué)生出去干活的時(shí)候，就從盒子里拿出一個(gè)名字，盒子里如果只剩最后一個(gè)學(xué)生Y的名字，就請(qǐng)Y同學(xué)把他記得的下一組學(xué)生的名字放到盒子里，然后把Y分配出去。有學(xué)生干完回來(lái)了就把名字再放進(jìn)盒子里，如果盒子里放滿100個(gè)名字，又回來(lái)一個(gè)學(xué)生W，就請(qǐng)W記住盒子里的100個(gè)名字，把盒子里的名字清出去，把W的名字放入盒子。以此類推，循環(huán)往復(fù)。

通過(guò)舉例法把操作系統(tǒng)中復(fù)雜抽象的理論和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射到學(xué)生熟悉的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，學(xué)生就比較容易理解，而且也可以增加枯燥課程的趣味性，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代教學(xué)方法如雨后春筍，各有各的優(yōu)勢(shì)。教師是教學(xué)的“專業(yè)人員”，仍然是課程教學(xué)中最“核心”的要素。好的教學(xué)方法要根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容靈活選擇，突出學(xué)生的主體地位，突出課堂的交往互動(dòng)性，強(qiáng)調(diào)主體參與的多元化。同時(shí)教師可以根據(jù)自己的個(gè)性將教學(xué)方法藝術(shù)化，形成自己的教學(xué)風(fēng)格，使教學(xué)方法越來(lái)越具有情感性和審美性。本文列出的教學(xué)方法是筆者多年從事操作系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)。在以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目的的地方院校的教學(xué)實(shí)踐表明，多元化的教學(xué)方法能夠顯著提高課堂效率，活躍課堂氣氛，把抽象問(wèn)題具體化，增進(jìn)學(xué)生對(duì)枯燥理論的理解和掌握?？傊?，教無(wú)定法，只要能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，就是好的教學(xué)方法。