《操作系統(tǒng)》教與學(xué)模式改革

王星，唐曉亮，陳吉，戴喆

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島;125105;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)軟件學(xué)院，葫蘆島125105;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，阜新123000）

《操作系統(tǒng)》教與學(xué)模式改革

王星1，唐曉亮2，陳吉1，戴喆3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島;125105;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)軟件學(xué)院，葫蘆島125105;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，阜新123000）

結(jié)合自身《操作系統(tǒng)》課程的教與學(xué)模式改革的歷程，詳細(xì)分析當(dāng)前《操作系統(tǒng)》在教和學(xué)兩個(gè)方面存在的問題。在此基礎(chǔ)上，提出有關(guān)操作系統(tǒng)教與學(xué)的四項(xiàng)改革措施。首先，以第一堂課為契機(jī)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；接著提出基于全覆蓋式提問的講授方法；然后結(jié)合實(shí)例深入開展情景式教學(xué)；最后把教師的研究方向和研究?jī)?nèi)容融入到教與學(xué)的過程中，使科研服務(wù)于教學(xué)。以上措施的運(yùn)用使《操作系統(tǒng)》相關(guān)內(nèi)容真正落地并為學(xué)生所掌握，達(dá)到此次教與學(xué)模式改革的預(yù)期目標(biāo)。

操作系統(tǒng);教與學(xué);模式改革;全覆蓋式提問;學(xué)習(xí)興趣

0 引言

人才培養(yǎng)模式改革是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而教與學(xué)模式可以認(rèn)為是人才培養(yǎng)模式具體而集中的體現(xiàn)[1]。要做好人才培養(yǎng)模式改革這篇大文章，首先就要對(duì)現(xiàn)有教與學(xué)模式進(jìn)行改革和創(chuàng)新。遼寧工程技術(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)積極響應(yīng)學(xué)校對(duì)教與學(xué)模式改革的指示精神，對(duì)《操作系統(tǒng)》課程進(jìn)行了卓有成效的改革。

《操作系統(tǒng)》[2]是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要核心基礎(chǔ)課程之一，對(duì)于本科生從總體上領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)知識(shí)起著至關(guān)重要的作用。而且，操作系統(tǒng)是許多公司、企業(yè)筆試面試的主要內(nèi)容之一，也是許多學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生入學(xué)考試的科目之一。因此，如何讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到《操作系統(tǒng)》的重要性，如何學(xué)好《操作系統(tǒng)》成為此次教與學(xué)模式改革的重要內(nèi)容。

1 《操作系統(tǒng)》教與學(xué)的現(xiàn)狀

《操作系統(tǒng)》是一門硬軟結(jié)合、更側(cè)重軟件的課程。它涉及較多的概念、原理和算法，對(duì)教師的教和學(xué)生的學(xué)帶來較大的挑戰(zhàn)性。

1.1 教的現(xiàn)狀

在多輪的授課中發(fā)現(xiàn)，操作系統(tǒng)具有較多的概念和原理，學(xué)生們很難在較短的時(shí)間將其消化，部分學(xué)生只能孤立的理解知識(shí)點(diǎn)，無法結(jié)合知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系來聯(lián)想記憶。即使是消化了，也很難將其與具體的算法和應(yīng)用結(jié)合起來。在消化的過程中，無法使學(xué)生對(duì)《操作系統(tǒng)》產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。我們還發(fā)現(xiàn)，有些學(xué)生在學(xué)習(xí)概念和原理的過程中很難較長(zhǎng)時(shí)間的集中注意力。此外，《操作系統(tǒng)》的實(shí)踐環(huán)節(jié)還偏薄弱，多數(shù)學(xué)生覺著能把每個(gè)章節(jié)的算法實(shí)現(xiàn)一遍就不錯(cuò)了，很難在課程結(jié)束的時(shí)候做出一個(gè)較為完整的簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)。此外，科研應(yīng)該服務(wù)于教學(xué)，把教師的研究方向融入相應(yīng)的章節(jié)中會(huì)使授課內(nèi)容更加充實(shí)，更加豐滿。

如何把知識(shí)點(diǎn)講透并使概念、原理落地，重視實(shí)踐，通過什么的方法使學(xué)生們對(duì)《操作系統(tǒng)》產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，怎么才能在授課過程中使學(xué)生們保持較長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)注度，如何把教師自己的研究方向與操作系統(tǒng)中的內(nèi)容結(jié)合在一起等成為教的過程中需要解決的問題。

1.2 學(xué)的現(xiàn)狀

在學(xué)習(xí)該課程之前，經(jīng)過調(diào)研和提問發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們對(duì)操作系統(tǒng)的了解僅限于知道操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件，包括一些常見的圖形界面接口，對(duì)諸如操作系統(tǒng)的功能包括哪些，操作系統(tǒng)能起什么作用知之甚少。機(jī)械式記憶概念和原理，無法做到融會(huì)貫通。特別是在結(jié)合課后題理解知識(shí)點(diǎn)的過程中，有些學(xué)生甚至認(rèn)為操作系統(tǒng)是一門背誦的課程。在學(xué)習(xí)概念原理的過程中，學(xué)生們很難保持長(zhǎng)時(shí)間的集中精力，走神現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。此外，當(dāng)學(xué)生們想學(xué)習(xí)一些跟書本知識(shí)相關(guān)的更為前沿的內(nèi)容時(shí)，不知如何下手。

學(xué)生們?cè)趺床拍軐?duì)操作系統(tǒng)產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，怎么在上課過程中提高學(xué)習(xí)效率，如何才能學(xué)習(xí)到更多的相關(guān)知識(shí)是學(xué)這個(gè)過程中急需解決的問題。

2 改革措施

2.1 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

科學(xué)巨匠愛因斯坦說過：興趣是最好的老師。對(duì)一門課程感興趣與否直接影響教與學(xué)的進(jìn)程和效果。如何激發(fā)學(xué)習(xí)興趣成為教與學(xué)改革中非常重要的一環(huán)。此次改革主要采取了以下四項(xiàng)措施：

（1）上好第一堂課，為以后教與學(xué)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。學(xué)生能否對(duì)操作系統(tǒng)課感興趣，第一堂課很重要，教師的授課內(nèi)容和技巧顯得尤為重要。首先，在PPT上給學(xué)生們呈現(xiàn)出多個(gè)操作系統(tǒng)標(biāo)志（包括微軟、谷歌、小紅帽、烏班圖、安卓、蘋果等），吸引學(xué)生們注意力和興趣，讓學(xué)生們適度討論并舉手回答；然后，對(duì)于學(xué)生們不太熟悉的操作系統(tǒng)進(jìn)行歷史講解；最后，鼓勵(lì)學(xué)生們?cè)谧约旱臋C(jī)器上安裝烏班圖和小紅帽，能夠調(diào)試程序后給全班同學(xué)講解使用感受。

（2）把如何學(xué)操作系統(tǒng)和要達(dá)到的層次闡述明白[3]。首先，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到操作系統(tǒng)的重要性：沒有操作系統(tǒng)，人們操作裸機(jī)的困難性是可想而知的。接著，講解好基礎(chǔ)課程、理論內(nèi)容（原理性內(nèi)容等）、實(shí)踐（包括實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)訓(xùn)）三個(gè)方面的關(guān)系，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的不同階段各有側(cè)重；最后，把牢記概念與原理、熟練運(yùn)用命令以及編寫簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)作為學(xué)好操作系統(tǒng)的三個(gè)檔次，讓學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)中樹立好短期目標(biāo)和長(zhǎng)期目標(biāo)，并分階段加以實(shí)現(xiàn)。

（3）在思想上適度弱化學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的難度。在教與學(xué)過程中，隨著知識(shí)點(diǎn)的講解，展示一些往年的考研題，深度分析考點(diǎn)和出題人思路，讓學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)有主觀認(rèn)識(shí)：學(xué)好它不是非常困難的事情。

（4）采取一定的獎(jiǎng)勵(lì)或激勵(lì)措施，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在平時(shí)成績(jī)中，增加上講臺(tái)展示操作系統(tǒng)使用感受、程序編寫過程、知識(shí)點(diǎn)講解等方面的加分獎(jiǎng)勵(lì)。讓同學(xué)們養(yǎng)成自發(fā)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的習(xí)慣，并長(zhǎng)期堅(jiān)持下去。

2.2 采用全覆蓋式提問

全覆蓋式提問是指隨機(jī)大范圍對(duì)與授課內(nèi)容相關(guān)的已學(xué)過內(nèi)容（復(fù)習(xí)）和待學(xué)內(nèi)容（預(yù)習(xí)）進(jìn)行提問。全覆蓋式提問有三個(gè)特點(diǎn)：（1）知識(shí)面的覆蓋性：每次課15-20分鐘提問學(xué)過的重點(diǎn)和難點(diǎn)；（2）授課過程的覆蓋性：每次課從開始、進(jìn)行到結(jié)束的全周期；（3）學(xué)生人數(shù)的覆蓋性：每次課能提問20人左右。一定程度上也節(jié)省了點(diǎn)名的時(shí)間。此外，在提問的過程中，時(shí)刻注意學(xué)生的眼神和面部表情，對(duì)于多名學(xué)生都有疑惑的問題在提問結(jié)束后進(jìn)行再次講解，達(dá)到查缺補(bǔ)漏的目的。全覆蓋式提問有助于使學(xué)生養(yǎng)成課前復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)的好習(xí)慣：每次一上課首先回答問題的是上次課沒答好的同學(xué)強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的記憶：經(jīng)過教師第一次講解、學(xué)生回答（當(dāng)學(xué)生回答不完全正確時(shí)，教師復(fù)述）、課后題三個(gè)過程使同學(xué)們集中精力，緊張起來，提高學(xué)習(xí)效率；保持良好的課堂秩序；也有助于將章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系和區(qū)別講解明白：比如講到內(nèi)存連續(xù)分配的第四種分配方式重定位時(shí)提問：前面學(xué)習(xí)的章節(jié)中有沒有涉及到重定位，在哪里？還可以順帶提一下重定向的定義，以做出相似概念的區(qū)分。

2.3 情景式案例教學(xué)

情景式教學(xué)是教與學(xué)模式的重要組成部分。它包括創(chuàng)設(shè)問題情境，小組討論并公布方案，師生進(jìn)行質(zhì)疑，教師最后總結(jié)等幾個(gè)階段，有利于學(xué)生真正參與到教與學(xué)的整個(gè)過程中來。下面以同步機(jī)制中的互斥問題為例展開闡述。

問題情境：二人同向經(jīng)過每次僅允許一人通過的教室入口的問題。要求：采用軟件方法實(shí)現(xiàn)（引導(dǎo)學(xué)生使用變量或/和標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)）。

實(shí)質(zhì)：進(jìn)程Pi與Pj互斥訪問某資源的問題。

最終解決思路之一（總結(jié)時(shí)呈現(xiàn)給學(xué)生）：i:小弟，你先過（虛的，其實(shí)大哥想先過）；

j:大哥，還是你先過（此時(shí)小弟想：大哥想先過，那就讓他先過）；

i:那我就先過了（大哥想：這小弟還是比較懂事的）。

實(shí)現(xiàn)過程：學(xué)生們充分討論和醞釀之后得出的解決方案包括以下幾種：

（1）用變量實(shí)現(xiàn)，如設(shè)置整形變量turn，先檢查再修改。

圖1 變量實(shí)現(xiàn)

存在的問題：強(qiáng)制輪流進(jìn)入大門。

（2）設(shè)立一個(gè)標(biāo)志數(shù)組flag[]：描述進(jìn)程是否在臨界區(qū)，初值均為false，同樣是先檢查再修改。

圖2 標(biāo)志數(shù)組實(shí)現(xiàn)（先判斷再修改）

存在的問題：即在檢查對(duì)方flag之后和切換自己flag之前有一段時(shí)間，結(jié)果都檢查通過。

（3）設(shè)立一個(gè)標(biāo)志數(shù)組flag[]：描述進(jìn)程是否在臨界區(qū)，初值均為false，先修改后檢查。

存在的問題：都進(jìn)不去。

（4）結(jié)合（1）和（3），綜合運(yùn)用 turn和標(biāo)志數(shù)組 flag[]。

圖3 標(biāo)識(shí)數(shù)組實(shí)現(xiàn)（先修改再判斷）

圖4 變量與數(shù)組結(jié)合實(shí)現(xiàn)

結(jié)論：達(dá)到了誰先想過誰先過的目的，很好地解決了該互斥問題，實(shí)質(zhì)為“虛假謙讓”。

通過該問題情境的設(shè)置以及討論等，最終使學(xué)生們非常愉快并深刻理解了互斥問題的解決方法。

2.4 授課內(nèi)容與研究方向相結(jié)合

授課過程中，注重講授內(nèi)容與教師研究方向的結(jié)合，使學(xué)生們感受學(xué)科前言知識(shí)和發(fā)展動(dòng)態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，達(dá)到科研服務(wù)于教學(xué)的目的。下面以內(nèi)存連續(xù)分配中的知識(shí)點(diǎn)為例展開闡述。

圖5 位置敏感哈希示意圖

知識(shí)點(diǎn)：內(nèi)存連續(xù)分配方式中用哈希函數(shù)建索引來檢索空閑塊。

鋪墊：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的哈希[4]（即散列），讓學(xué)生們回憶散列的含義。

講解知識(shí)點(diǎn)：使學(xué)生們了解散列在連續(xù)分配中的作用和此種連續(xù)分配的具體形式。

問題：還有沒有其他的哈希？（給學(xué)生們布置任務(wù)，通過多種檢索方法查找相關(guān)論文）

引入：數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析中的哈希，初步講解哈希，包括哈希函數(shù)的構(gòu)建和哈希桶呈現(xiàn)方式（如圖5[5]所示）以及當(dāng)前世界范圍內(nèi)研究哈希的兩個(gè)分支：局部敏感哈希[6]和基于學(xué)習(xí)的哈希[7]，并指出它們與散列的不同。鼓勵(lì)學(xué)生們重現(xiàn)文獻(xiàn)中的相關(guān)算法，理解算法的構(gòu)造機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)。

此外，在講課的間歇，介紹教師參加過的學(xué)術(shù)會(huì)議情況（如中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)CNCC 2016、智能數(shù)學(xué)與工程論壇2016等），讓學(xué)生們了解到學(xué)科前沿的知識(shí)和動(dòng)態(tài)，拓寬學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的視野。

3 結(jié)語

《操作系統(tǒng)》是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要專業(yè)核心課程之一。本文在分析操作系統(tǒng)教與學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以操作系統(tǒng)教與學(xué)模式改革為契機(jī)，創(chuàng)造性提出全覆蓋式提問，采用激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開展情景教學(xué)，把教師的研究方向和研究?jī)?nèi)容與教與學(xué)的內(nèi)容相結(jié)合等四項(xiàng)措施，使《操作系統(tǒng)》的內(nèi)容真正為學(xué)生所接受和掌握，并達(dá)到以科研促教學(xué)，讓科研為教學(xué)服務(wù)的目的。改革過程所采用的這四項(xiàng)措施在教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)揮了較好的作用，得到了學(xué)生的認(rèn)可，并被認(rèn)真執(zhí)行，同時(shí)改革措施被學(xué)院部分同事積極采納。未來工作方面，我們將遵循“摳細(xì)節(jié)，以小看大；抓實(shí)踐，舉重若輕”的中心思想對(duì)操作系統(tǒng)課程進(jìn)行更加深入的教與學(xué)模式改革。

[1]周潔貞.三種教與學(xué)模式改革的實(shí)踐探索[J].新疆廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào),2004,7(24):1-5.

[2]湯小丹,梁紅兵等.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)(第四版)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2014.

[3]晏杰.《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》教學(xué)的改革[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2007,49-51.

[4]嚴(yán)蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語言版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

[5]LSH算法原理.http://blog.csdn.net/fuyangchang/article/details/5631547.

[6]A.Andoni and P.Indyk.Near-optimal Hashing Algorithms for Approximate Nearest Neighbor in High Dimensions[J].Communications of the ACM,51(1):117-122,2008.

[7]J.Brandt.Transform Coding for Fast Approximate Nearest Neighbor Search in High Dimensions[C].Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,1815-1822,2010.

Abstract：

Combined with the process of teaching and learning model reform on Operation System course,analyzes the questions of teaching and learn?ing in details.Based on the above,proposes four reform measures of Operation System course.Firstly,with the help of the content of the first class,stimulates students'learning interest.Secondly,proposes a method which is called full cover questioning.Thirdly,combining samples,carries out situational teaching.Finally,blends the research directions and content into teaching and learning,which means that scientific research can serve teaching and learning.Applies the four measures above in the process of teaching and learning,which achieves the aims of the teaching and learning model reform.

Keywords：

Operating System;Teaching and Learning;Model Reform;Full Cover Questioning;Learning Interest

Reform on Teaching and Learning Model of Operating System Course

WANG Xing1,TANG Xiao-liang2,CHEN Ji1,DAI Zhe3
（1.School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105 2.School of Software,Liaoning Technical University,Huludao 125105；3.School of Science,Liaoning Technical University,Fuxin 123000）

1007-1423（2017）18-0016-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.004

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61402212、No.61401185）、遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（No.LJQ 2015045）、中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目（No.2016M591452)、遼寧省自然基金面上項(xiàng)目（No.2015020098)

王星（1983-），男，山東泰安人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)分析、智能數(shù)據(jù)與知識(shí)工程等

唐曉亮（1980-），男，遼寧阜新人，博士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)等

陳吉（1981-），女，山東臨沂人，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析

戴喆（1979-），男，遼寧阜新人，講師，研究方向?yàn)橹R(shí)管理

2017-04-10

2017-06-18