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1、文章编号： 中图分类号：G642 文献标识码：B/A操作系统原理课堂教学方法探讨郭永艳1，边继东2，李燕君3 (浙江工业大学计算机学院，浙江省杭州市 邮编)摘 要：操作系统原理是计算机学科的专业必修课程，针对课程涉及面广、知识点多、信息量大等特点，提出抓主线、抽丝剥茧、“5+30+10”课堂模式、联系教学等来提高课堂教学效果。关键词：操作系统原理；抓主线；“5+30+10”课堂模式；联系教学引言操作系统原理是计算机学科的一门核心专业课，课程内容主要围绕“操作系统是什么？”、“操作系统做什么？”、“操作系统如何做？”展开。在内容组织上，主要包括进程管理、处理机管理、内存管理、设备管理、文件管理五
2、部分。课程涉及面广、知识点多、信息量大，对学习者的理解能力及逻辑思维能力有较高的要求。如何在有限的课时内进行高效教学，对任课教师来说是一项具有挑战性的任务。经过多年的教学实践深刻体会到：必须树立“形散神不散”的意识，同时引导学生找出贯穿课程的主线来组织学习。只有厘清课程架构、找出主线，学习的过程中才不会出现“知识越多越糊涂，剪不断理还乱”的情况。同时必须激发学习兴趣并充分发挥其主观能动性、对难点和重点进行抽丝剥茧及用联系的观点进行教学。1 讲好“第一堂课”1.1 厘清课程架构，明确课程主线第一堂课是操作系统概论，必须明确指出课程的主线是什么。课程主要是从资源管理者的角度来研究操作系统的。从系统
3、角度来讲，操作系统是系统资源管理者，其设计目标是提高计算机系统的资源利用率和系统吞吐量，而这两点正是本课程的一条主线。每当学习到一种新概念、新方法、新技术时都要想想它们是从哪方面提高资源利用率或吞吐量的，又是如何提高的。唯有明确课程主线，才能“清醒自如地徜徉在知识的海洋中”。1.2 树立“形散神不散”的意识曾有学生戏言：操作系统原理就是专业课中的“毛邓”课，言外之意是课程知识点太多。在学习过程中，要有“形散神不散”的意识，这里的“神”指的是目标，“形”指的是各种具体的技术及算法等。在具体知识点的学习过程中，一定要清楚它们的期望目标是什么。例如，内存的连续分配方式、离散分配方式、虚拟离散分配方式
4、等都期望能提高内存利用率以容纳更多进程同时进入内存，并最终提高系统吞吐量。在明白这个大目标的基础上进行学习时，理解起来会有的放矢，更容易理解同时理解得也会更透彻。具体地讲，学习到某概念、原理、方法及技术时，要先问自己三个问题：为什么要提出？追求的目标是什么？是如何做的？更理想的状态是：学习完之后，进一步思考其还有什么改进的余地？1.3 找好切入点，激发学习兴趣操作系统跟学生的日常生活息息相关，能激发其学习兴趣的事例比比皆是。例如：如表1所示，对二维数组进行初始化时，是更经常采用程序A还是程序B的结构？学生异口同声地回答：是程序A的结构。那么，为什么不是程序B呢？学生都摇摇头，只知其然，不知其所
5、以然。我们卖个关子，告诉学生，答案在内存管理一章揭晓。表1 二维数组初始化程序A程序Bfor(i=0;i100;i+)for(j=0;j100;j+) aij=0;for(j=0;j100;j+)for(i=0;i100;i+) aij=0;再比如，为什么应用程序太多的情况下，系统会死机？死机时我们为什么首先选择把那些未响应的程序关掉？更严重的情况下，我们为什么必须得选择重启。这里描述的情形是每一个学生都遇到过的，这些做法也是每一个学生都采用过的。如何从专业层面认识这些日常的普通的行为呢？我们告诉学生，这属于进程管理部分的知识点。这样的例子还有很多。司空见惯的现象或习以为常的行为背后到底隐藏了
6、什么样的理论知识？又如何从专业的角度解释？学生的好奇心被激发了，从而将“要我学”变为“我要学”。当然，只要时机成熟都应该积极主动地去激发学生的好奇心，而不仅仅是在第一堂课上这么做。2 如何学习数目繁多的算法思考、分析、评价是逻辑思维能力中很重要的三部分。在课程的学习过程要有意识地让学生进行实践。本课程涉及了大量的算法，其中多数算法难度系数不高，如果仍然采用传统的“灌输式”教学法，学生感觉不到挑战性，学习兴致会降低，那么课堂上昏昏欲睡或精神缺席的情况是避免不了的。我们根据算法难度系数的不同，采用了两种教学方法。2.1 采用“5+30+10”课堂模式学习难度系数不高的算法 “5+30+10”教学模
7、式，也即将45分钟分为5分钟+30分钟+10分钟。以学习调度算法为例：其中5分钟用于“导”，由教师指出学习调度算法的方法：认识算法、分析其优点及适用范围、分析其不足并提出自己的改进方案。接下来的30分钟交给学生进行自主学习及合作探究。最后10分钟由教师对学生提交的问题进行解惑或对学生学习成果进行测评。测评问题要精心设计，比如：先来先服务算法是对长作业有利还是对短作业有利？如何解决进程或作业的饥饿问题？为什么生活中最常采用的是先来先服务算法等等。2.2 对有一定难度系数的算法要求进行评价对有一定难度系数的算法，由教师负责讲解，由学生对算法进行评价。评价算法可以就两方面进行：该算法是否可行？是否有
8、改进的余地？比如，讲完银行家算法后，我们直接给出一句否定性结论：该算法在多道程序环境下实际上是根本不可行的。然后，请同学们思考讨论。学生懵了，都在用怀疑的眼神看着我。我们对学生进行启发：进程是动态的，多道程序环境下进程数目并不是一个确定的值。经过思考讨论之后，学生找到了算法可不行的原因：银行家算法中假设进程数是一个固定值，而进程数目在多道程序系统中却是动态变化的的，而且，一个进程在其运行之前就能知道其所需资源的最大值也几乎是不可能的。接下来我们指出，UNIX系统中对待死锁问题采用的是“鸵鸟”政策，即像鸵鸟一样对死锁视而不见。但其前提是系统比较稳定，发生死锁是小概率事件。评价环节可以让学生充分意
9、识到算法的应用是其终极目标，既能减弱对算法的畏惧，又能激发对算法进行深入理解。3 多角度、多层次理解知识点何旭明教授指出：教学的艺术在于用最浅显的例子、最直白的语言来讲解高深的理论；用最深邃的理论来解释最简单、最平常的现象1。换句话说，简单的知识点其实大有讲头。如何深入理解需要教师的指引和点拨。例如，“多道程序设计”这六个字可以从不同角度不同层面讲解。本课程介绍的各种原理技术基本上都是基于多道程序设计基础。因为，在第一堂课就强调资源利用率的大目标，所以当提问多道程序设计的优点是什么时，学生就像小和尚念经似得齐刷刷地回答：能提高资源利用率。进一步追问：为什么能提高资源利用率呢？到底是提高了哪些资
10、源的利用率呢？这时多数学生哑然。要分析这些问题得先把多道程序设计的含义理解透彻。多道程序环境下，并发进程的执行以“走走停停”的方式运行。具体地讲，某进程由于I/O请求而主动释放CPU时，系统就可以将CPU分配给另外的进程，也即各进程对CPU和I/O的使用在时间上重叠起来了，从而提高了CPU的利用率。这样讲解仍然属于抽象层面，难以理解。确切的数据往往更有说服力，我们接下来通过计算题的形式用定量的方法来强化理解：有甲、乙两道计算题，每道均需执行1小时，其中处理器的工作时间为12分钟。若它们在单道系统中执行，则处理器的利用率为 % ；若在两道系统中，甲、乙两道总共需执行80分钟，则处理器的利用率达到
11、了 %。经分析计算：甲、乙单道执行时，CPU利用率为：（12+12）/(60+60) *100%=20% ；甲、乙并发执行时，CPU利用率为：（12+12）/80 *100%=30% 。从数据上来看，很显然，CPU利用率从单道执行时的20%提高到并发执行时的30%。之后我们可以再将这个问题进一步引申，在多道程序环境下，一个作业反复执行多次，运行时间都相同吗？有不少同学直接回答是不相同的。我们让学生再仔细想想。然后指出，并发进程的走走停停影响的是作业的周转时间而非运行时间。至于什么是周转时间，周转时间受哪些因素影响我们会让后续章节中讲解。相当于在此处埋下一个伏笔。再接着，我们给出一个问题：CPU
12、利用率是不是越高越好呢？这个问题学生根据自己的生活体会都能给出正确答案：否。那么深层次的原因是什么呢？此处再埋一个伏笔。从不同角度不同层面分析知识点，知识点的理解才会更深入。同时，学生在学习的过程中才会更有挑战性，学习兴趣才会相应提高，主观能动性自然也就提高了。4 用联系的观点进行教学教学中为了便于理解、突出重点、各个章节通常只围绕一个功能进行讨论。关联教学2强调：提到某个知识点时不但能理解能从本章角度理解，还能从其他章节的视角及层面理解，甚至还可以跳出课程，从学科的角度理解。教学过程中应该用联系的观点看待各知识点。要由此及彼，将整本书串起来。把相关知识点串连成线。使得学生看到主线、看到联系、
13、看到整体，帮助学生建立操作系统全局和整体概念。下面以讲解“中断”这个知识点为例来阐述如何用联系的观点教学。学生已经在先修课程计算机组成原理中详细学习了中断。那么在本课程中要做的就是如何从操作系统的角度重新认识中断。我们首先对中断做了一个简单回顾，然后从本课程角度提问了几个问题。第一，是先有中断技术还是先有多道程序设计技术？第二，中断技术是怎样提高CPU利用率的？第三，现场保护要保护哪些内容？第四，缺页中断和普通中断的区别是什么？第一个问题的答案隐藏在操作系统概论部分，虽然有的教材中并没有明确指出，但是学生经过自己的分析是能够得出正确的结论的。第二个问题是从中断解决了忙-等问题角度提出的，可以看
14、成是设备管理部分的知识点。第三个问题，是从进程控制块PCB的内容上来理解中断的具体实现的。第四个问题中的缺页中断是虚拟内存管理技术造成的一种特殊中断。这四个问题涉及到不同的章节，唯有用联系的方式教学及学习，对知识点的理解才会更全面更透彻，知识点也不再是单薄的。结束语合适的教学方法不但能最大限度地避免学生的“显性逃课”（即缺席课堂），更能最大限度地避免学生的“隐性逃课”（即精神在课堂上的缺席）。实践证明：学生缺课率很低，上课精神饱满，思维处于活跃状态，愿意参与课堂活动。教无定法，如何提高课堂教学的有效性仍然需要进一步研究探索。参考文献1 何旭明. 通俗_大学有效教学的关键J. 中国大学教学，2009（8）：542 王海红. 操作系统原理课程关联教学方法研究J. 计算机教育，2013（8）：10郭永艳，浙江工业大学计算机学院，讲师， gyy，边继东，浙江工业大学计算机学院，讲师， bjd，李燕君，浙江工业大学计算机学院，副教授，yjli， 通信地址： 浙江省杭州市西湖区留和路翰墨香林苑36幢1单元802室 郭永艳