PBL團隊式教學(xué)模式在銀行家算法教學(xué)中的實施

李仲生 黃美玲

摘 要： 銀行家算法要解決的通常是并發(fā)多進程、多種類資源環(huán)境下的死鎖避免問題，所處環(huán)境有隨機性、動態(tài)性的特點，算法采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多且復(fù)雜，這些因素易讓學(xué)生潛意識地產(chǎn)生畏難意識，為調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，基于PBL給出一種團隊教學(xué)模式。銀行家算法的實際教學(xué)顯示，這種教學(xué)模式挖掘?qū)W生的潛力，提升教學(xué)內(nèi)容的可理解性。

關(guān)鍵詞： PBL 團隊式教學(xué)模式 死鎖避免 主動學(xué)習(xí)

一方面，進程的同步與互斥是多進程并發(fā)執(zhí)行的基石，位于執(zhí)行的核心位置，是操作系統(tǒng)課程教學(xué)重點。另一方面，由于是多進程并發(fā)執(zhí)行，進程對資源的要求是動態(tài)的，難以預(yù)知，要避免死鎖發(fā)生，進程的同步與互斥必須提升到能反映這種動態(tài)性，內(nèi)容自然成為操作系統(tǒng)課程教學(xué)的難點。如果是單一資源的互斥或多個資源一次性分配互斥，采用PV原語利用信號量能可靠實現(xiàn)，如果是多進程多資源的異步多次分配，光依靠PV原語和信號量已無法確保死鎖不發(fā)生，此時，就需要專門死鎖避免算法。銀行家算法就是這樣一種算法。

銀行家算法面對的是多進程多資源的異步分配，算法實現(xiàn)涉及一系列向量和矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，抽象且復(fù)雜，有相當?shù)慕虒W(xué)難度。為降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，總結(jié)長期教學(xué)實踐，下文給出一種基于PBL（Problem-Based Learning）[1]團隊式教學(xué)模式。

1.PBL（Problem-Based Learning）團隊式教學(xué)

PBL即以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式，是基于現(xiàn)實世界以學(xué)生為中心的教育方式[2]。與傳統(tǒng)教師主講的教學(xué)方式不同，在PBL學(xué)習(xí)模式中，學(xué)生的行為不再是被動聽課，而是主動沿著問題展開學(xué)習(xí)； 問題，或者與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的任務(wù)，是學(xué)習(xí)者的起點、思路和前進方向； PBL學(xué)習(xí)模式給出真實性任務(wù)，并給出有意義、邏輯性強的一組問題，讓學(xué)生融入問題形成的學(xué)習(xí)氛圍中，自主探究或通過合作解答這些問題，揭示并學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識，潛移默化地提升自主學(xué)習(xí)能力，獲得解決問題的技能。

當前世界有一個共識，那就是“團隊協(xié)作”能促進發(fā)展，進而取得突破，甚至創(chuàng)造奇跡，科研如此，教學(xué)也如此。通過一般性分析可發(fā)現(xiàn)，團隊至少能給參與者帶來四方面好處，一是營造氛圍，二是自省，三是互醒，四是成就感。心理學(xué)研究表明，人有著強烈的從眾心理，大家在做什么，個體就認為自己也應(yīng)該做什么，大家穿什么，人就認為自己也該穿什么，等等，這種心理帶來的結(jié)果就是：團隊能營造氛圍。個體在團隊中看到別人的情況，比較自己的狀態(tài)，在比較中會發(fā)現(xiàn)自己的問題，此為自省。團隊集眾人之力，完成事情的效率肯定高于個體，能做的事情的范疇非個體可比，這種超越個體的收獲足以帶來更強的成就感，高成就感反過來使團體更加高效。

2.PBL團隊教學(xué)模式的實施

在銀行家算法教學(xué)中引入PBL團隊教學(xué)模式有三個基本步驟，一是分析算法面對的環(huán)境，提出一系列環(huán)環(huán)相扣的問題，二是將學(xué)生分成適當規(guī)模的團隊，并讓團隊如同電腦一般運行起來；三是反饋，即用銀行家算法理論知識反過來驗證團隊探討的問題。

第一步工作在備課時完成。銀行家算法要做的工作是針對多個進程需求多種資源、每種資源的數(shù)目不一定為一的情形，判定每一步資源分配的安全性，為化抽象為具體，不妨引入實例[3]。設(shè)有三個進程，分別是P1、P2、P3，另有兩類互斥資源，分別記為A、B，對應(yīng)的初始資源數(shù)目記為向量形式Avail0=（10，9）， 三個進程初始時未分配資源，它們的資源需求向量分別是P1■=（11，2）、P2■=（7，6）、P3■=（7，5），小團隊組長問：當前狀態(tài)安不安全？很直觀的，有同學(xué)發(fā)現(xiàn)P1進程的資源得不到滿足，沒有安全路徑，不安全。組長改一下，寫成P1■=（9，2）、P2■=（7，6）、P3■=（7，5），再問安不安全，同學(xué)討論一番，找到了數(shù)條安全路徑，答安全。運行開始，P3提出資源請求P3■=（2，4），問：P3的請求是不是合理？答：小于P3資源最大需求，合理。問：當前資源能不能滿足P3的請求？答：小于現(xiàn)有資源數(shù)量，能滿足。問：能不能進行分配？討論后答：分配后存在安全路徑，處于安全狀態(tài)，能分配。第一次分配后的資源需求向量變?yōu)镻1■=（9，2）、P2■=（7，6）、P3■=（5，1），三個進程得到資源的向量變?yōu)镻1■=（0，0）、P2■=（0，0）、P3■=（2，4），剩余資源數(shù)Avail■=（8，5）。接下來，P1提出請求P1■=（4，2），做合理性檢查，過；做能否滿足檢查，也過；做安全性檢查，發(fā)現(xiàn)一旦實施分配，剩余資源給三個進程中的任何一個都沒法執(zhí)行完，不存在安全路徑，不安全，阻塞P1進程……就這樣不斷重復(fù)，三項檢查通過時分配，不過時阻塞，直到完畢。

第二步工作是分組工作，為節(jié)省課時，可在課前由班干部預(yù)安排。根據(jù)設(shè)計的實例規(guī)模，每組六人，其中三人代表三個進程，兩人代表兩類資源，一人任組長，控制全程運行。課前需準備鉛筆和紙，以便以變化數(shù)據(jù)形式顯示執(zhí)行過程。協(xié)調(diào)六人動作，如同軟件測試中的模擬執(zhí)行一樣，讓三個進程動起來。

第三步是反饋，在分組執(zhí)行完成后進行，是理論上的反饋，相當于略詳細些的課后總結(jié)。具體內(nèi)容主要是根據(jù)剛才動態(tài)演示的過程，對比銀行家算法的各項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，加以映射比較，達到深化之效，比如：可利用資源向量，即最初始的資源向量；最大需求矩陣，即將每個進程的初始資源需求拼成一個矩陣；分配矩陣，即將每個進程得到的資源向量拼成一個矩陣；需求矩陣，即最大需求矩陣減去分配矩陣。在明確這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，進一步對進行安全檢測的臨時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加以歸納。

3.結(jié)語

為調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，降低銀行家算法的教學(xué)復(fù)雜度，基于以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式（PBL），給出了一種團隊教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下，每個同學(xué)都相當于一個計算機組件，每個問題相當于一條機器指令，整個學(xué)習(xí)過程在嚴密邏輯中、在同學(xué)們的主動參與下步步向前推進。從本質(zhì)上說，這種團隊教學(xué)模式并不僅限于銀行家算法教學(xué)，在操作系統(tǒng)的其他知識環(huán)節(jié)如PV原語、請求頁式調(diào)度算法中，都有這種PBL團隊教學(xué)模式的用武之地。更一般的，這種教學(xué)模式甚至不局限于操作系統(tǒng)這門課程，在未來教研工作中我們將證實這一點。

參考文獻：

[1]Howard S Barrows.How to design a problem-based curriculum for the preclinical years[M].New York： Springer Pub Co，1985.

[2]陳慶章，古輝，王子仁，等.PBL理論探討及教師角色認識[J].計算機教育，2011（9）：103-107.

[3]岳溥庥.實例教學(xué)法在操作系統(tǒng)原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].考試周刊，2013，94：173-174.

基金項目：湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（項目號：XJK015BXX007