基于概念知識樹構(gòu)建的操作系統(tǒng)教學(xué)實踐

于俊偉，劉 楠，馬宏琳，張玉宏

（1． 河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2． 信息工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，河南 鄭州 450001）

0 引 言

操作系統(tǒng)原理課程具有概念多、理論性強(qiáng)、知識面廣、概念較為抽象等特點，在實際教學(xué)過程中教師很難把握授課的要點和難點，學(xué)生也難以形成合理的知識體系。因此，有必要結(jié)合計算機(jī)學(xué)科的特點，綜合利用人工智能技術(shù)、教育心理學(xué)等學(xué)科成果，探索新的知識組織和教學(xué)實施模式[1]。

2015年1月，張堯?qū)W教授主持的“網(wǎng)絡(luò)計算的模式及基礎(chǔ)理論研究”獲得2014年度國家自然科學(xué)獎一等獎。這一被稱為“透明計算”的獲獎項目提出了一種將自治網(wǎng)絡(luò)虛擬成單機(jī)的新計算模式，實現(xiàn)了可管理自治網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種資源的超級操作系統(tǒng)。張堯?qū)W教授及其團(tuán)隊長期從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)方面的教學(xué)和研究，取得了不少重要的學(xué)術(shù)成果[2-3]。

操作系統(tǒng)原理課程常在春季開課，開課之初和學(xué)生討論每年1月舉行的國家自然科學(xué)技術(shù)頒獎大會，通過“透明計算”這一與操作系統(tǒng)學(xué)科密切相關(guān)的新聞進(jìn)行課程引入，必然能激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、追求科學(xué)的學(xué)習(xí)熱情。用6個疑問代詞表示的新聞要素（6W）是理解新聞和故事的要點，如果根據(jù)新聞要素組織教學(xué)內(nèi)容，也利于引導(dǎo)學(xué)生主動思考，幫助學(xué)生進(jìn)行知識、技能和方法的理解和總結(jié)。概念知識樹[4-5]是以解決人工智能基礎(chǔ)問題為目標(biāo)的知識表達(dá)框架體系，目前已在語義分析、知識庫管理等領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用，這種知識表示方式同樣也能應(yīng)用在智能教學(xué)系統(tǒng)中。

1 操作系統(tǒng)課程中的6W分析和表示

與國內(nèi)教材更注重知識點概括、容易進(jìn)行各種考題設(shè)計不同，國外教材更關(guān)注知識來龍去脈的介紹，內(nèi)容敘述也抓住了故事的關(guān)鍵要素，因而學(xué)起來更容易理解和接受。為提高課堂內(nèi)容的趣味性，操作系統(tǒng)的知識表示也可以從新聞要素中的 When（時間）、What（事件）、Who（人物）、Where（地點、平臺）、Why（原因）和How（原理、方法）方面考慮。

1.1 When要素的表示

When表示時間，是指具體事件發(fā)生的日期或階段。時間概念能幫助我們了解操作系統(tǒng)的發(fā)展歷史和未來趨勢。從20世紀(jì)50年代出現(xiàn)第一個簡單的批處理操作系統(tǒng)開始，各種操作系統(tǒng)出現(xiàn)的過程大致如下：人工操作→單道批處理系統(tǒng)→多道批處理系統(tǒng)→分時系統(tǒng)→實時系統(tǒng)→微機(jī)操作系統(tǒng)→多處理機(jī)操作系統(tǒng)→網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。另外，在某些時間節(jié)點上發(fā)生的標(biāo)志性事件也對操作系統(tǒng)的發(fā)展具有重要作用，如1965年Dijkstra提出避免死鎖的銀行家算法；1966年Belady提出虛擬內(nèi)存的最佳頁面置換算法；1973年Hansen和Hoare正式提出管程思想；1981年微軟開發(fā)的MS-DOS系統(tǒng)正式在IBM-PC上使用；1991年Linux系統(tǒng)首次在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布等。

1.2 What要素的表示

What表示核心事件或概念，它是使用概念知識樹進(jìn)行語義理解和知識管理的核心。What既可以表示操作系統(tǒng)中的抽象概念，又可以通過對事件本體的動作和狀態(tài)進(jìn)行描述來刻畫具體的事件；同時，When、Who、Where等其他新聞要素所表達(dá)的概念也與What密切相關(guān)。

操作系統(tǒng)課程涉及很多可以用What要素表示的概念，其中“操作系統(tǒng)”本身就是一個非常重要的概念[6]，可以從功能、特征、類型等幾個方面描述。操作系統(tǒng)課程還有不少能用來對比分析的概念，如進(jìn)程控制里的“程序”“進(jìn)程”和“線程”；內(nèi)存管理中的“邏輯地址”和“物理地址”，“分頁”和“分段”；I/O系統(tǒng)中的“中斷”和“陷入”，文件系統(tǒng)中的“文件”和“目錄”等。

1.3 Who要素的表示

Who表示人物或者組織，我們重點關(guān)注那些為操作系統(tǒng)做出杰出貢獻(xiàn)的人物和組織，如Dekker首次給出兩個進(jìn)程訪問臨界區(qū)問題的軟件解決方案；Coffman于1971年總結(jié)出產(chǎn)生死鎖的4個必要條件，也稱為Coffman條件；P. Denning提出支持虛擬內(nèi)存管理的局部性原理和工作集的概念；Linus Torvalds在學(xué)生宿舍里完成了操作系統(tǒng)內(nèi)核Linux，1991年10月Linux操作系統(tǒng)正式對外發(fā)布，此后吸引了成千上萬程序員進(jìn)行修改、增補(bǔ)和傳播，成為世界上成長最快的軟件。

Dijkstra在操作系統(tǒng)領(lǐng)域做出了非常突出的貢獻(xiàn)，他的很多思想和方法至今都是課堂教學(xué)和系統(tǒng)開發(fā)中繞不開的概念，如其參與計算機(jī)X1的設(shè)計工作，設(shè)計了實時中斷系統(tǒng)；開發(fā)了第一個具有分層結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)THE；在X1上編寫了ALGOL60編譯器，并因此獲得1972年的圖靈獎。他深入思考了多道程序設(shè)計的問題，提出了信號量（Semahpore）機(jī)制、管程思想、哲學(xué)家就餐問題、避免死鎖的銀行家算法等。

1.4 Where要素的表示

Where表示地點，它既可以表示某個事件發(fā)生的具體地點，又可以表示課程內(nèi)容所屬的范圍和操作系統(tǒng)平臺，如可以根據(jù)空間范圍將具體事件發(fā)生地點劃分為國內(nèi)和國外，也可以根據(jù)國籍將操作系統(tǒng)方面的專家學(xué)者劃分為中國、美國、荷蘭等。對于學(xué)生來說，應(yīng)該理解相關(guān)概念和知識所屬的背景范圍，如操作系統(tǒng)包含進(jìn)程控制、內(nèi)存管理、I/O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等知識模塊。

操作系統(tǒng)平臺包括Windows、Unix、Linux、Android、iOS等，其中Linux一直都是操作系統(tǒng)原理課程最常用的實驗平臺。學(xué)生經(jīng)常遇到與Windows操作系統(tǒng)存在切換麻煩、共享等問題，有的實驗室為此還需要采用系統(tǒng)引導(dǎo)、虛擬機(jī)、終端等方法重新搭建實驗平臺。Google公司于2008年提出的開源移動操作系統(tǒng)Android，帶動了很多基于Android的應(yīng)用和開發(fā)。美國Columbia大學(xué)在2010年就開始在Android系統(tǒng)上進(jìn)行教學(xué)和實踐[7]。目前，國內(nèi)很多畢業(yè)生在最后的實習(xí)和實踐環(huán)節(jié)，都愿意花大量的培訓(xùn)費學(xué)習(xí)Android開發(fā)。為擴(kuò)展學(xué)生的實踐平臺，并順應(yīng)移動系統(tǒng)開發(fā)潮流、提高學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力，河南工業(yè)大學(xué)操作系統(tǒng)教研組也嘗試在Android上進(jìn)行課程設(shè)計，主要實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)用、進(jìn)程同步和調(diào)度、虛擬內(nèi)存、文件系統(tǒng)等核心項目[8]。

1.5 Why要素的表示

Why表示原因，需要綜合多方面的知識對引起事件發(fā)生的原因進(jìn)行分析，對該要素的表達(dá)和分析也具有更大的難度，如為分析產(chǎn)生“死鎖”的原因，需要對系統(tǒng)使用資源的性質(zhì)、類型、使用方式等進(jìn)行分析，進(jìn)而得出“競爭資源”是形成死鎖的主要原因，又具體表現(xiàn)為“共享資源不足”和“進(jìn)程推進(jìn)的順序不當(dāng)”兩種情況。就“透明計算獲獎”這一事件來說，也可以引導(dǎo)學(xué)生從歷史對比、學(xué)術(shù)影響、技術(shù)特性、應(yīng)用推廣、國際認(rèn)可等方面分析其受質(zhì)疑的原因。

1.6 How要素的表示

How表示原理和方法，操作系統(tǒng)原理中大量的原理介紹和實現(xiàn)方法都可以使用How進(jìn)行表示，如處理機(jī)調(diào)度算法、避免死鎖的銀行家算法、內(nèi)存動態(tài)分區(qū)分配方法、虛擬內(nèi)存的頁面置換算法、存儲管理的磁盤調(diào)度算法等。對上述方法的模擬和實現(xiàn)，是理解操作系統(tǒng)工作原理的核心。另外，How還能表示實現(xiàn)特定功能的工具，如進(jìn)程間通信就可以借助以下幾種方式實現(xiàn)：管道、消息隊列、信號量、共享存儲區(qū)等。

2 基于概念知識樹的構(gòu)建與應(yīng)用

概念知識樹是以概念為基礎(chǔ)的知識表達(dá)體系，改變了傳統(tǒng)智能教學(xué)系統(tǒng)以語義網(wǎng)絡(luò)、謂詞、產(chǎn)生式規(guī)則等進(jìn)行知識表示的方式，反映了人類認(rèn)知和思維加工的過程。當(dāng)前課堂教學(xué)改革強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生對課程知識的學(xué)習(xí)就是在大腦中構(gòu)建系統(tǒng)的概念網(wǎng)絡(luò)。這種知識體系有利于學(xué)生對概念的鞏固和掌握，有利于形成成串和成塊的概念知識。借助概念網(wǎng)絡(luò)這一知識庫管理工具[9]，結(jié)合操作系統(tǒng)原理課程知識的新聞要素語義分析，首先建立抽象的、較高層次的知識節(jié)點，然后根據(jù)課程內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)知識節(jié)點的添加，建立相應(yīng)的概念知識庫。系統(tǒng)還需要知識管理模塊根據(jù)規(guī)則庫對知識節(jié)點進(jìn)行更新和維護(hù)，同時對采用的語義分析方法進(jìn)行管理。操作系統(tǒng)原理課程概念知識庫及管理模塊框圖如圖1所示。

圖1 OS概念知識庫及管理模塊框圖

教師可以將課程知識點與概念知識樹中的概念相對應(yīng)，通過6W要素等“屬性”進(jìn)行知識點的定義和描述，通過概念之間的“關(guān)系”將各知識點形成一個網(wǎng)狀或樹狀結(jié)構(gòu)，如對于“處理機(jī)調(diào)度和死鎖”這一章中“死鎖”的概念，就可以分解為4個新聞要素表示的概念知識：What——死鎖的定義；Why——產(chǎn)生死鎖的原因；Who——Coffman條件；How——死鎖的處理方法。

學(xué)生對知識概念掌握的程度，可以通過選擇題、問答題、計算題、程序設(shè)計等方式進(jìn)行檢驗，根據(jù)知識掌握情況建立學(xué)習(xí)知識樹的概率網(wǎng)絡(luò)，通過Bayesian網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)知識樹節(jié)點的動態(tài)調(diào)整。對課程中的重點和難點對應(yīng)的知識點，或者學(xué)生掌握得不好的知識節(jié)點，還可以通過推送講義、教案、微課視頻等多種教學(xué)資源進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，采用協(xié)同過濾（collaborative fi ltering）技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)內(nèi)容推送，根據(jù)概念樹知識節(jié)點的評分情況對關(guān)聯(lián)概念知識進(jìn)行推薦。這種方式就像購物網(wǎng)站總能根據(jù)你的購買記錄或感興趣的商品進(jìn)行精準(zhǔn)商品推薦一樣，概念知識樹管理平臺能夠根據(jù)學(xué)生各節(jié)點的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行學(xué)習(xí)內(nèi)容的個性化和自動化推送。

3 結(jié) 語

概念知識樹的構(gòu)建和使用是實現(xiàn)智能教學(xué)的重要組成部分，除了能幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)的知識概念，還能針對難以理解和掌握的知識點推送相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，促進(jìn)以學(xué)生為中心的概念知識體系的形成，這值得在移動網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和個性化學(xué)習(xí)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。后繼研究和教學(xué)應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在大量學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行知識要素屬性、關(guān)系和難易程度的自動分析。