“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

胡龍志 鄧紅衛(wèi) 俞曉潤 王承龍 彭亞云

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法已不適應(yīng)“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)的現(xiàn)狀，提出了實(shí)物展示教學(xué)法、溯源教學(xué)法、操作引導(dǎo)教學(xué)法，深化啟發(fā)式教學(xué)法和任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。文章介紹了各種教學(xué)方法的操作步驟，這些教學(xué)方法在教學(xué)實(shí)踐中降低了學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)理論知識(shí)的難度，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng); 實(shí)物展示教學(xué)法; 溯源教學(xué)法; 操作引導(dǎo)教學(xué)法; 啟發(fā)式教學(xué)法; 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）12-97-04

Abstract： In view of the current situation that the traditional teaching methods are not suitable for the teaching of "Operating System" course， this paper proposes the physical display teaching method， traceability teaching method， operation guidance teaching method， deepened heuristic teaching method， task-driven teaching method， and the operation steps of each teaching method are introduced. With these teaching methods， the difficulty of learning the theoretical knowledge of the operating system is reduced， the learning initiative of the students is enhanced， and the interest of students is increased， to have achieved a very good teaching result.

Key words： operating system; physical display teaching method; traceability teaching method; operation guidance teaching method; heuristic teaching method; task-driven teaching method

0 引言

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的核心軟件，它管理著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源，組織各種資源合理利用，為用戶提供服務(wù)。操作系統(tǒng)是國家的基礎(chǔ)設(shè)施，各國政府和各國企業(yè)都在努力設(shè)計(jì)、開發(fā)、推廣自己的操作系統(tǒng)，它是大國競爭的利器。

“操作系統(tǒng)”課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)理論課程[1]，主要介紹操作系統(tǒng)的基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[2-3]，幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)深層次理論和整體架構(gòu)，為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)、工作和研究打下基礎(chǔ)[4]。為了推動(dòng)操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和提高學(xué)生的專業(yè)水平，“操作系統(tǒng)”課程授課老師，需要不斷完善教學(xué)方法，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

1 “操作系統(tǒng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“操作系統(tǒng)”課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容繁多、概念抽象、原理復(fù)雜、理解困難[5]。傳統(tǒng)教學(xué)模式一般采用集中“灌輸式”的課堂授課、以知識(shí)講解為主，老師在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)以課堂為中心，以教師為中心，以教材為中心，即所謂“三中心”，教師教什么學(xué)生就學(xué)什么[6]，在這個(gè)過程中，知識(shí)的傳授是單向的，講授形式單一枯燥，忽視了學(xué)生積極性、主動(dòng)性的發(fā)揮，學(xué)生被置于被動(dòng)地位，學(xué)生無法真正地了解操作系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)理，只能機(jī)械地記憶。老師以理論講授為主，很少在課堂上“閱讀源代碼和編寫代碼”，學(xué)生只聽講概念，不知道概念背后真實(shí)的代碼和真實(shí)的產(chǎn)品。這樣的教學(xué)現(xiàn)狀，自然教學(xué)效果不理想，畢業(yè)生與企業(yè)的期望有不少距離。

本文打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提出實(shí)物展示教學(xué)法、溯源教學(xué)法、操作引導(dǎo)教學(xué)法并深化啟發(fā)式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，創(chuàng)新地建立一套“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)模式，從而提高教學(xué)效果。

2 課程教學(xué)方法探討與實(shí)踐

2.1 實(shí)物展示教學(xué)法

“操作系統(tǒng)”是一門十分抽象的課程，設(shè)備名稱非常多，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、主板、顯卡等等。傳統(tǒng)的教學(xué)模式，老師在課堂上講CPU、內(nèi)存等等設(shè)備時(shí)，一般是口述這些名詞，偶爾會(huì)在PPT上展示一些設(shè)備的圖片，學(xué)生只知道這些名稱概念，不知道具體實(shí)物，沒有直觀的感受。

實(shí)物展示教學(xué)法是老師攜帶CPU、內(nèi)存條、磁盤、顯卡、主板等設(shè)備到課堂，在講課時(shí)給學(xué)生展示，讓學(xué)生親手拿著CPU、內(nèi)存條、磁盤、顯卡、主板等詳細(xì)地看，課程氣氛活躍，學(xué)生好奇心被激發(fā)，學(xué)生不再憑空想象這些設(shè)備，而是實(shí)實(shí)在在地看著和摸著這些設(shè)備。比如在講授“操作系統(tǒng)”概述時(shí)，把所有這些設(shè)備帶到課堂，然后展示這些設(shè)備，并提出問題，例如“哪個(gè)是內(nèi)存條”、“哪個(gè)是CPU”、“哪個(gè)是磁盤”、“哪個(gè)是顯卡”、“哪個(gè)是主板”、“內(nèi)存條和磁盤的區(qū)別是什么”、“大家指出哪個(gè)設(shè)備掉電后還能保存數(shù)據(jù)”等等，讓學(xué)生直觀形象地學(xué)習(xí)這些設(shè)備概念。

一般來說，老師在講授某一章節(jié)時(shí)，就帶著與這一章節(jié)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，然后在課堂上展示和講解。

通過實(shí)物展示教學(xué)法，可以讓學(xué)生深刻理解課本上的設(shè)備名稱，避免計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生“不認(rèn)識(shí)CPU、不認(rèn)識(shí)內(nèi)存條、不認(rèn)識(shí)磁盤”等尷尬現(xiàn)象，同時(shí)降低了學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)備名詞的難度，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 溯源教學(xué)法

溯源教學(xué)法是把知識(shí)的來源介紹給學(xué)生，讓學(xué)生知道教材上學(xué)習(xí)的知識(shí)是從哪里來的，帶領(lǐng)學(xué)生閱讀原始的資料，引導(dǎo)學(xué)生理解理論知識(shí)點(diǎn)抽象的過程。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，老師一般在PPT上展示理論的邏輯圖，至于邏輯圖是從哪里抽象出來的，一般不做解釋。溯源教學(xué)法按照“教材→知識(shí)原始資料→教材→知識(shí)原始資料→……”的思路進(jìn)行教學(xué)，解釋了“知識(shí)從哪里來、又用于何處”的問題，讓學(xué)生知其然，也知其所以然，讓學(xué)生更加深刻地理解教材中的理論知識(shí)。

本小節(jié)介紹兩種操作系統(tǒng)課程的知識(shí)來源：Linux內(nèi)核源代碼和Intel/AMD等硬件產(chǎn)商的產(chǎn)品幫助手冊(cè)。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核是開源的，每個(gè)人都可以免費(fèi)獲取源代碼。為了理解操作系統(tǒng)的原理，老師帶領(lǐng)學(xué)生閱讀Linux內(nèi)核源代碼，比如講到“進(jìn)程”這一章時(shí)，老師可以在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生閱讀task_struct結(jié)構(gòu)體，并解釋task_struct結(jié)構(gòu)體中state、mm、pid、fs、files等重要域的含義，讓學(xué)生既能看懂教材中的抽象邏輯圖，又能看到真實(shí)的內(nèi)核代碼，還可以回顧以前學(xué)習(xí)過的C語言知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)到“原來教材中的知識(shí)點(diǎn)就是把內(nèi)核的具體代碼抽象成理論來的”。

在講到“內(nèi)存分頁管理”章節(jié)時(shí)，老師打開Intel的幫助手冊(cè)《Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals》，找到Intel技術(shù)文檔中關(guān)于內(nèi)存分頁管理的位置，引領(lǐng)學(xué)生閱讀其中重要的圖例。由于教材把內(nèi)存分頁管理描述得很抽象，一般配置了幾張抽象邏輯圖，難以理解，而在溯源教學(xué)法中，老師帶領(lǐng)學(xué)生閱讀Intel官方的技術(shù)文檔，可以讓學(xué)生找到教材的邏輯圖背后的真實(shí)的CPU設(shè)計(jì)。由于Intel官方技術(shù)文檔十分詳細(xì)，如果一些同學(xué)想要更深入學(xué)習(xí)和理解CPU管理的細(xì)節(jié)，那么他們可以更細(xì)致地來閱讀這些文檔。

由上述案例可知，溯源教學(xué)法不僅把知識(shí)的結(jié)果告訴學(xué)生，也把知識(shí)的來源告訴學(xué)生。溯源教學(xué)法要求老師不僅知道教材內(nèi)容，還要知道教材知識(shí)的來源之處。溯源教學(xué)法能夠讓理論知識(shí)“接地氣”，教會(huì)了學(xué)生知識(shí)，也教會(huì)了學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，即：學(xué)習(xí)教材→尋找知識(shí)的源頭→學(xué)習(xí)教材→……，或者，理論→真實(shí)代碼、真實(shí)產(chǎn)品→理論→……，實(shí)現(xiàn)了“授人以魚不如授人以漁”的教學(xué)理念，學(xué)生可以根據(jù)這樣的學(xué)習(xí)方法，繼續(xù)深入研究這些知識(shí)。溯源教學(xué)法讓學(xué)生接觸了產(chǎn)業(yè)界，拓寬學(xué)生的眼界，使得書本理論和企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生聯(lián)系，巧妙地解決了當(dāng)前“學(xué)校教育與企業(yè)需求存在一定脫鉤”的困境;再者，溯源教學(xué)法可以活躍課堂氣氛，與學(xué)生今后就業(yè)關(guān)聯(lián)起來了，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，然后達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

2.3 操作引導(dǎo)教學(xué)法

傳統(tǒng)教學(xué)法一般以“口述”為主，很少動(dòng)手操作演示，從口述到口述。目前的實(shí)驗(yàn)課中老師也很少親自動(dòng)手帶領(lǐng)學(xué)生寫代碼。這樣的教學(xué)方式，學(xué)生難以入門，只知道概念，動(dòng)手能力差，對(duì)知識(shí)理解不深刻。操作引導(dǎo)教學(xué)法，老師親自操作來引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生迅速入門。這樣的教學(xué)法能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)信心，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。操作引導(dǎo)教學(xué)法分為兩種：命令操作和完整的程序操作。

操作引導(dǎo)教學(xué)法中命令操作，是老師在課堂上把命令輸入，能夠立刻看到命令運(yùn)行后的結(jié)果，避免了純粹的口述，讓學(xué)生馬上學(xué)習(xí)命令的功能以及使用方法。例如，老師在課堂上輸入命令ls、cp、chmod、pwd、cd等等命令，讓學(xué)生不僅看到這些命令的運(yùn)行結(jié)果，而且還能學(xué)會(huì)命令的輸入方法和使用語法。

操作引導(dǎo)教學(xué)法中的完整程序操作，老師在課堂上現(xiàn)場編寫程序，這樣能夠迅速吸引學(xué)生的注意力，接著，老師帶領(lǐng)學(xué)生編譯鏈接程序，編譯鏈接過程中如果有錯(cuò)誤和警告，領(lǐng)帶學(xué)生分析“錯(cuò)誤和警告”發(fā)生的原因，然后修改代碼，再次編譯鏈接，最后運(yùn)行程序，觀察結(jié)果。這種教學(xué)法，能夠快速引導(dǎo)學(xué)生入門，避免學(xué)生“上完半學(xué)期課程還不會(huì)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)”的尷尬，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課模式非常不同，這樣的教學(xué)法主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)老師的信任，打消學(xué)生對(duì)老師“光說不練、會(huì)說不會(huì)做”的質(zhì)疑，拉近學(xué)生跟老師的距離，讓學(xué)生從內(nèi)心更加佩服老師。老師在傳授知識(shí)的同時(shí)教會(huì)了學(xué)生“良好的編程規(guī)范和職業(yè)習(xí)慣”，課本知識(shí)、職業(yè)知識(shí)并進(jìn)，拉近了課堂教學(xué)和企業(yè)需求之間的距離。比如，老師在講授進(jìn)程時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生編寫一個(gè)調(diào)用fork等函數(shù)的完整的程序。除了寫程序，也要寫清楚各種注釋，比如作者、時(shí)間、功能描述、版權(quán)等等，使得整個(gè)程序符合編程規(guī)范。老師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度適時(shí)地讓學(xué)生獨(dú)立完成程序。這樣可以讓學(xué)生迅速學(xué)會(huì)使用fork等函數(shù)，理解進(jìn)程的概念，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。

操作引導(dǎo)教學(xué)法實(shí)踐了“教與做相結(jié)合”的教育理念，也貫穿著“實(shí)踐→理論→實(shí)踐→……”的哲學(xué)，避免了“一說到底”的教學(xué)模式。只要能夠巧妙設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容相匹配的操作命令、程序，然后在課堂上操作，就能降低學(xué)生動(dòng)手操作的難度，對(duì)幫助學(xué)生理解和掌握知識(shí)點(diǎn)有很大作用，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，提高學(xué)習(xí)興趣。操作引導(dǎo)教學(xué)法對(duì)授課老師提出了更高的要求。

2.4 啟發(fā)式教學(xué)法

以教師為主體的教學(xué)模式不易調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。啟發(fā)式教學(xué)法，充分考慮教學(xué)的本質(zhì)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體[6]，老師在教學(xué)過程中，充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，巧妙恰當(dāng)?shù)貫閷W(xué)生創(chuàng)建問題情境，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，試圖找到解決問題的方法，在強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力[4，7]，從而激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高其自學(xué)能力。本節(jié)分析啟發(fā)式教學(xué)法的兩種實(shí)現(xiàn)方式：生活實(shí)例啟發(fā)式教學(xué)法和程序?qū)嵗龁l(fā)式教學(xué)法。

生活實(shí)例啟發(fā)式教學(xué)法，是指利用生活中的實(shí)際事情，設(shè)計(jì)出各種問題，啟發(fā)學(xué)生來思考解決問題的方法。由于這樣的事例就是學(xué)生身邊的，學(xué)生感到熟悉，同時(shí)這些事例在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)有了正確的答案，因此難度也很一般，學(xué)生容易找到解決問題的方案，這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。接著，老師將這些問題引導(dǎo)到計(jì)算機(jī)理論原理，用生活實(shí)例來幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)復(fù)雜的概念和理論。

程序?qū)嵗龁l(fā)式教學(xué)法，需要巧妙地設(shè)計(jì)程序，然后在課堂上編譯、運(yùn)行程序，用程序運(yùn)行結(jié)果來引導(dǎo)學(xué)生思考問題。在講授新內(nèi)容時(shí)，老師課前設(shè)計(jì)好程序，然后在課堂上閱讀、編譯鏈接這個(gè)程序。在運(yùn)行程序前，老師向?qū)W生提問，這個(gè)程序運(yùn)行的結(jié)果是什么，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考。然后，課堂現(xiàn)場運(yùn)行程序，展示運(yùn)行結(jié)果。需向?qū)W生提出問題“為什么是這樣的結(jié)果？”，選擇幾位同學(xué)回答。這樣的教學(xué)法可以迅速抓住學(xué)生的注意力，整節(jié)課都是為了“解釋程序運(yùn)行結(jié)果”，這樣的課堂是有目的性的，有很強(qiáng)的針對(duì)性，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，把這個(gè)知識(shí)點(diǎn)在學(xué)生腦海中形成深刻的印象。例如，在講授“存儲(chǔ)管理”章節(jié)時(shí)，“邏輯地址”和“物理地址”是難以區(qū)分的概念。在講授原理前，編寫兩個(gè)程序，分別為pro1.c和pro2.c，如表1所示。

如分別編譯、連接和運(yùn)行兩個(gè)程序，結(jié)果如圖1和圖2所示。向?qū)W生提出問題“發(fā)現(xiàn)什么問題了嗎”。接著引導(dǎo)學(xué)生看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，pro1中的變量num與pro2中的變量num的地址都是0x7000004，為什么它們的值是不一樣的;pro1中的main函數(shù)與pro2中的main函數(shù)的地址都是0x60000ed，為什么它們運(yùn)行的代碼不一樣，然后帶著這些啟發(fā)式問題來講授物理地址和邏輯地址的概念。

由上述案例可知，只要能夠合理地設(shè)計(jì)生活事例和程序?qū)嵗瑔l(fā)式教學(xué)法既能聯(lián)系社會(huì)生活，又能聯(lián)系計(jì)算機(jī)編程，能夠活躍課堂氛圍，極大地吸引學(xué)生注意力，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，提高教學(xué)效果。

2.5 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法是老師把教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成一個(gè)或多個(gè)具體的任務(wù)，讓學(xué)生通過完成這些任務(wù)來掌握教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)[8]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，老師把教學(xué)內(nèi)容拆分為一個(gè)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，然后依次講授每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，是以“知識(shí)點(diǎn)”為中心。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法打破了傳統(tǒng)教學(xué)方法中的注重學(xué)習(xí)的循序漸進(jìn)和積累的模式，而是以“任務(wù)”為中心，學(xué)生為實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)而努力學(xué)習(xí)。這種教學(xué)模式以“任務(wù)”為目標(biāo)導(dǎo)向，具有很強(qiáng)的綜合性。

為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)，學(xué)生用到的知識(shí)來源于：①已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn);②還未學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn);③已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)的創(chuàng)新思想。通過三種不同來源的知識(shí)達(dá)到三個(gè)不同的教學(xué)目標(biāo)：①復(fù)習(xí)和鞏固已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，把各個(gè)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來，理清它們之間的邏輯關(guān)系，然后把理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工作任務(wù)中;②尋找未學(xué)習(xí)的新知識(shí)，方法包括使用網(wǎng)絡(luò)搜索引擎、請(qǐng)教老師和查看論文等等，讓學(xué)生熟練掌握尋找知識(shí)的常用途徑，增強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力;③培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的活學(xué)活用的能力，開拓新思維，產(chǎn)生對(duì)知識(shí)新的認(rèn)識(shí)和理解，進(jìn)而增強(qiáng)創(chuàng)新能力，并掌握一套創(chuàng)新方法，為以后工作和深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

操作系統(tǒng)是一門抽象的課程，要充分發(fā)揮老師在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，切實(shí)做好理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法。針對(duì)不同的教學(xué)知識(shí)，在不同的教學(xué)階段，恰當(dāng)?shù)厥褂帽疚牡男陆虒W(xué)方法，在教學(xué)實(shí)踐中有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，收到了很好的教學(xué)效果。我們還需要繼續(xù)探索操作系統(tǒng)課程的建設(shè)方案，設(shè)計(jì)更好的啟發(fā)式代碼實(shí)例和更好的完整的程序?qū)嵗?，以更好地為學(xué)生、為企業(yè)、為社會(huì)服務(wù)。

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