張紅光

摘要:本科“操作系統(tǒng)”教學(xué),包含著比較強(qiáng)的專業(yè)內(nèi)涵和比較廣泛的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),內(nèi)容更新快,抽象概念多。這些特點(diǎn)致使該課程的教學(xué)需要不斷地更新內(nèi)容,改革教學(xué)方法,需要特殊的措施保證教學(xué)質(zhì)量。文中對(duì)“操作系統(tǒng)”教學(xué)問題進(jìn)行了比較深入的闡述,提出了解決問題的方案和措施,并對(duì)這些方案的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:教學(xué)方法;認(rèn)知體系;工程化思想

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

操作系統(tǒng)的概念和設(shè)計(jì)技術(shù)在計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)體系中占有著舉足輕重的地位,操作系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)中包含著多層面的內(nèi)容,國內(nèi)、外大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)都會(huì)將“操作系統(tǒng)”課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課程設(shè)立,南開大學(xué)將本課程安排在本科三年級(jí)的第一學(xué)期開設(shè),計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修主干課,其他相關(guān)專業(yè)的必修或選修課。

“操作系統(tǒng)”課程難教、難學(xué)是著名的,這主要是由于其所涵蓋知識(shí)的寬度和廣度。在院、校兩級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的支持和培育下,我們對(duì)“操作系統(tǒng)”課程進(jìn)行了多年的教學(xué)方法改革和實(shí)踐探索。涉及到了教學(xué)方法、授課形式、課程內(nèi)容、考核方式等方面的內(nèi)容,提出并實(shí)施了一系列的有效的措施,取得了初步的成效,2007年該課程已被設(shè)立為“高教部——微軟精品課程”。

2課程特點(diǎn)分析

“操作系統(tǒng)”課程是對(duì)系統(tǒng)核心技術(shù)的學(xué)習(xí),因此學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)知識(shí)需要有多項(xiàng)計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),比如需要掌握計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的知識(shí),還需要了解軟件工程的思想,同時(shí)還應(yīng)掌握一些軟件設(shè)計(jì)的基本方法。

另外,操作系統(tǒng)在專業(yè)知識(shí)體系中有承上啟下的作用,她可以將之前學(xué)生所學(xué)知識(shí)貫通起來,形成一個(gè)比較完整的認(rèn)知體系。對(duì)于本科生來說,能否學(xué)好操作系統(tǒng)知識(shí)對(duì)學(xué)生未來發(fā)展有諸多影響。為了提高教學(xué)質(zhì)量,能夠抓住教學(xué)中的實(shí)質(zhì)問題,我們對(duì)“操作系統(tǒng)”課程進(jìn)行了比較全面的分析,根據(jù)受教群體的情況分析出我校操作系統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn),主要包括:

(1) 學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)了解不多

對(duì)于剛進(jìn)入大三的本科生來說,他們正處于學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的初期,雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí),但對(duì)于許多問題認(rèn)識(shí)還比較膚淺;大多數(shù)人幾乎未從事過比較深入的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作,對(duì)于計(jì)算機(jī)的大部分系統(tǒng)層知識(shí)僅僅是停留在對(duì)書本的理解和少量的實(shí)驗(yàn)課程理解上。

(2) 所學(xué)知識(shí)的貫通性差

在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)前,要求學(xué)生已經(jīng)掌握了計(jì)算機(jī)原理、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)語言等方面的知識(shí),但由于這些知識(shí)都可以自成體系,在學(xué)習(xí)時(shí)并不過多要求學(xué)生進(jìn)行知識(shí)間的穿插,因此學(xué)生掌握的知識(shí)相對(duì)孤立,并沒有將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通起來。另一方面,由于剛開始接觸專業(yè)課,難度加大,學(xué)生或多或少地存在忙于應(yīng)付課程作業(yè)的狀況,所掌握的知識(shí)并不牢靠,各種知識(shí)點(diǎn)處于分離狀態(tài)。

(3) 學(xué)生解決實(shí)際問題能力差

由于學(xué)生在大學(xué)的前兩年中,主要是在進(jìn)行基本概念和基本知識(shí)學(xué)習(xí),學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)普遍較少,無論是編程量還是涉及的問題復(fù)雜度都不夠。因此這個(gè)階段學(xué)生的編程能力普遍比較弱,更重要的是由于沒有獨(dú)立完成一項(xiàng)編程任務(wù)的經(jīng)歷,他們幾乎無法解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)中碰到的中等以上復(fù)雜度的問題。

(4) 沒有工程設(shè)計(jì)的概念

由于以上幾點(diǎn)原因,這個(gè)階段的學(xué)生幾乎沒有任何工程設(shè)計(jì)的思想和概念。這就使得學(xué)生在理解操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略和方法時(shí),會(huì)碰到許多困難。

3常見教學(xué)問題

本課程中的這些狀況具有一定的代表性,應(yīng)該有針對(duì)性的開展教學(xué)改革,倘若處理不當(dāng)就會(huì)使教學(xué)任務(wù)無法落實(shí),對(duì)以后的專業(yè)學(xué)習(xí)帶來不良影響。操作系統(tǒng)教學(xué)中可能出現(xiàn)的問題很多,針對(duì)不同的學(xué)生群體也會(huì)有不同的表現(xiàn),以下從幾方面分析教學(xué)中易出現(xiàn)的問題。

3.1建立的認(rèn)知體系不完整

由于操作系統(tǒng)知識(shí)涵蓋內(nèi)容廣泛,知識(shí)間層次關(guān)系也比較復(fù)雜,容易使學(xué)生無法建立起一個(gè)比較完整的操作系統(tǒng)認(rèn)知體系。這種情況有時(shí)會(huì)影響到初學(xué)者對(duì)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)知識(shí)的信心,產(chǎn)生為難或懼怕心里,對(duì)學(xué)習(xí)造成負(fù)面影響;最直接的情況是,課程學(xué)完后對(duì)操作系統(tǒng)的概念仍認(rèn)識(shí)不清,不了解操作系統(tǒng)技術(shù)中的典型問題處理方法和解決策略,認(rèn)識(shí)模糊、概念混亂。

3.2出現(xiàn)理解方法上的誤區(qū)

由于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所包含的內(nèi)核技術(shù)多,需要用到掌握多種算法和原理。而有些原理推導(dǎo)過程非常復(fù)雜、講解起來也很抽象,對(duì)于沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人來說理解起來就更困難。若不注意教學(xué)可能會(huì)陷入一種誤區(qū),即將教學(xué)重點(diǎn)放在了對(duì)抽象概念的推導(dǎo)和理解上,花費(fèi)大量的時(shí)間去教、去學(xué)這些理論和概念,從而偏離了學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的實(shí)際意義。

3.3所學(xué)知識(shí)不能學(xué)以致用

學(xué)生掌握知識(shí)不牢的原因有多種,是教與學(xué)多個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題后的結(jié)果,但我們這里主要談教學(xué)中的原因。由于教學(xué)方法不妥,可能致使學(xué)生對(duì)所學(xué)操作系統(tǒng)知識(shí)認(rèn)識(shí)非常淺薄,沒有形成深刻印象,在學(xué)習(xí)完這門課程后很快會(huì)將所學(xué)內(nèi)容丟在腦后,并不能對(duì)今后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生有益的影響。

另外,由于操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展歷程長(zhǎng),今天使用的許多技術(shù)是經(jīng)過復(fù)雜的演變過程形成的,而且由于每個(gè)階段要解決的問題又會(huì)有所不同,因此所采用的技術(shù)差異也會(huì)比較大。這就形成了一種矛盾,如果一味追求理論知識(shí)的完整性,很難在有限的教學(xué)時(shí)間中講清楚這些問題;另外,即便把這些問題都講清楚了,也很難對(duì)解決今天的實(shí)際問題有指導(dǎo)意義。若所學(xué)知識(shí)不能在實(shí)際中得以應(yīng)用,當(dāng)遇到問題時(shí)還是無從下手、不知所措,這就形成了嚴(yán)重的知識(shí)與實(shí)際相脫節(jié)的問題。

4 “操作系統(tǒng)”教學(xué)方法改進(jìn)與實(shí)踐

“操作系統(tǒng)”教學(xué)中存在的各種問題,是新時(shí)期對(duì)“操作系統(tǒng)”教學(xué)提出的新課題。近年來,對(duì)“操作系統(tǒng)”教學(xué)改革的話題一直未斷,大家也在進(jìn)行著各種方式的探索,而且也取得了許多良好的成效。但是,我認(rèn)為任何一種改革都應(yīng)該與本校的教學(xué)實(shí)際相結(jié)合,脫離了這個(gè)基礎(chǔ),教學(xué)改革將會(huì)事與愿違,一事無成。

多年來,我們結(jié)合本校的實(shí)際情況進(jìn)行了“操作系統(tǒng)”教學(xué)的研究與實(shí)踐,總結(jié)了一些教訓(xùn),也取得了一些經(jīng)驗(yàn)。

4.1用實(shí)際問題引導(dǎo)學(xué)生做角色轉(zhuǎn)換

我們知道興趣是掌握知識(shí)的有力武器。為了促使學(xué)生了解操作系統(tǒng)知識(shí),我們從調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣入手。學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理之前都或多或少的使用過計(jì)算機(jī)中的一些工具,比如完成一些作業(yè)編程和程序調(diào)試,但是他們對(duì)系統(tǒng)本身和所帶工具的設(shè)計(jì)問題很少考慮。大部分學(xué)生認(rèn)為系統(tǒng)或工具設(shè)計(jì)不是我應(yīng)該考慮的問題,或者認(rèn)為其中包含的技術(shù)難度高不可攀。我們以此作為切入點(diǎn),調(diào)動(dòng)大家的學(xué)習(xí)興趣。

我們采用的方法是角色轉(zhuǎn)換法,在課程開始時(shí)并不急于講述有關(guān)的基本概念,而是提出幾個(gè)實(shí)際問題讓大家來考慮。比如,程序在計(jì)算機(jī)中如何存放才是合理的?在編輯程序時(shí)所設(shè)立的程序規(guī)范格式是如何告訴計(jì)算機(jī)的?當(dāng)同時(shí)提交多項(xiàng)任務(wù)請(qǐng)求時(shí),計(jì)算機(jī)會(huì)不會(huì)記錯(cuò)了次序而產(chǎn)生混亂呢?當(dāng)無休止地提出請(qǐng)求時(shí),計(jì)算機(jī)會(huì)有多大的耐心呢?等等。所提問題有些是比較直觀的,也有些是需要在系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能拿出數(shù)據(jù)的。

這些問題,不僅增加了學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行演練的興趣,而且在演練中學(xué)生會(huì)派生出許多過去不曾想過的問題,這樣學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣也會(huì)被激發(fā)起來。當(dāng)學(xué)生在考慮這些問題時(shí),實(shí)際上就在進(jìn)行著一種角色的變換,原來認(rèn)為系統(tǒng)理所應(yīng)當(dāng)為自己完成的事情,現(xiàn)在需要自己來考慮了,盡管大多數(shù)同學(xué)對(duì)這些問題的解答是通過所使用的操作系統(tǒng)有關(guān)介紹了解到的,或者有些一時(shí)還無法考慮清楚,但這種換位思考的方式正是需要得到的效果,因?yàn)檫@些非常有利于提高對(duì)操作系統(tǒng)原理學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

學(xué)會(huì)了換位思考,學(xué)生就會(huì)加深對(duì)“操作系統(tǒng)”課程的認(rèn)識(shí),因?yàn)樗麄儠?huì)利用已經(jīng)掌握的知識(shí)或工具進(jìn)行各種有益的探索,會(huì)提出許多合理或不合理的解決方案。這時(shí)教師要根據(jù)學(xué)生提出的內(nèi)容進(jìn)行有益的歸納和總結(jié),然后再指出所提方案中的合理性和謬誤之處,進(jìn)而再給出“操作系統(tǒng)”課程總體任務(wù)描述,使學(xué)生很快理解了“操作系統(tǒng)”課程的實(shí)質(zhì)所在,建立起對(duì)該課程的一個(gè)比較完整的認(rèn)識(shí)。

4.2利用網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)環(huán)境強(qiáng)化教學(xué)效果

為了有效地進(jìn)行教學(xué),我們?cè)诿空率谡n中都會(huì)給出一個(gè)或若干個(gè)討論主題,讓大家在課后參與討論,并結(jié)合平時(shí)作業(yè)進(jìn)行解答。討論形式比較靈活,可以是個(gè)人意見,也可以按小組提出比較規(guī)范的見解。在這個(gè)階段我們采用的方法是,充分利用學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境,完成提問、解答、交互、爭(zhēng)論、探索、計(jì)分等項(xiàng)活動(dòng)。這種方法強(qiáng)化了教學(xué)效果,使學(xué)生有機(jī)會(huì)重復(fù)他所學(xué)過的知識(shí)。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境有許多優(yōu)勢(shì),比如可以統(tǒng)計(jì)學(xué)生參與討論的次數(shù),也可以根據(jù)討論問題的質(zhì)量為平時(shí)記分加權(quán)重。更重要的是,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是現(xiàn)代大學(xué)生非常依賴的信息獲取渠道,大家參與的興趣高,信息量大,信息交互效率高。這些有利于知識(shí)的掌握和鞏固。

4.3用大作業(yè)形式培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

我們認(rèn)為,對(duì)操作系統(tǒng)教學(xué)的最終目標(biāo),是培養(yǎng)學(xué)生可以用工程化的思想和方法來解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中需要解決的問題。按照這一目標(biāo),我們?cè)谡n程中設(shè)立了大作業(yè)制度,具體做法是:當(dāng)教學(xué)任務(wù)進(jìn)行到一半時(shí)就向?qū)W生下發(fā)若干個(gè)操作系統(tǒng)需要解決實(shí)際問題的大作業(yè),這些大作業(yè)中會(huì)包含一些具體任務(wù),同時(shí)又要求要能自成系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如大作業(yè)題目可以是構(gòu)建一個(gè)具有特定功能的文件管理系統(tǒng),或是編寫一個(gè)有特殊要求的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或存儲(chǔ)管理程序等等。大作業(yè)需要花費(fèi)的時(shí)間和精力都比較多,所以它們?cè)谡n程評(píng)價(jià)體系中所占評(píng)分比重也大。

在大作業(yè)提交中我們給出非常具體的要求,比如要求所完成的工作必須是可以在一個(gè)特定環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng),而且要求有完整的設(shè)計(jì)文檔和使用文檔;在大作業(yè)提交時(shí)必須在大課堂上進(jìn)行陳述,作者要講出所完成工作設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法和和測(cè)試用例,說明系統(tǒng)中存在的不足和進(jìn)一步改進(jìn)的策略等等。這樣做的目的是希望學(xué)生通過大作業(yè)訓(xùn)練,能真正感受到工程設(shè)計(jì)的真實(shí)過程,培養(yǎng)一些工程設(shè)計(jì)的思想和解決問題的能力。

學(xué)生在完成大作業(yè)時(shí)會(huì)碰到許多的困難,有時(shí)為了完成一項(xiàng)功能他們會(huì)費(fèi)盡心機(jī),查閱大量的資料。我認(rèn)為這個(gè)過程也是本課程教學(xué)的一部分,因?yàn)楸仨氁箤W(xué)生理解:對(duì)一個(gè)實(shí)際問題僅僅提出一種解決思路與真正地完成一個(gè)有部分功能的系統(tǒng)之間是有差距的,所付出的努力是不同的。能夠面對(duì)具體實(shí)現(xiàn)方法和完成過程,同樣是計(jì)算機(jī)專業(yè)中非常需要的技能,在調(diào)試一個(gè)系統(tǒng)中所經(jīng)歷的磨難,對(duì)學(xué)生日后的專業(yè)成長(zhǎng)經(jīng)歷受益無限。

5教學(xué)效果分析

由于在教學(xué)中采用了新的教學(xué)思想和方法,教學(xué)成果已逐漸顯現(xiàn)出來,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

5.1興趣帶動(dòng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性

新的教學(xué)方法使學(xué)生漸漸喜歡上了“操作系統(tǒng)原理”課程,學(xué)生由原來的被動(dòng)上課變成了主動(dòng)上課,很少出現(xiàn)逃課或課堂上走神的現(xiàn)象了。另外,大家對(duì)操作系統(tǒng)技術(shù)的研究表現(xiàn)出了極大的興趣。除了課程中的內(nèi)容外,同學(xué)們還會(huì)拿些他們平時(shí)碰到的各種問題來進(jìn)行討論,而且還會(huì)想方設(shè)法地建立程序測(cè)試環(huán)境,驗(yàn)證自己的解決思路的實(shí)現(xiàn)策略。

5.2可以用審視的目光看待現(xiàn)有系統(tǒng)

另一個(gè)效果是學(xué)生破除了對(duì)原有操作系統(tǒng)的迷信,學(xué)會(huì)運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想來審視系統(tǒng)中存在的問題了。更難能可貴的是,有些學(xué)生通過對(duì)所使用操作系統(tǒng)的各種表象提出了自己的改造策略,有些改造思想還被付諸了實(shí)踐。我認(rèn)為這一點(diǎn)也是非常重要的進(jìn)步,因?yàn)閷?duì)于一個(gè)從事計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的人員來說,就是應(yīng)該具備創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)沖動(dòng),這是專業(yè)人才的基本素質(zhì)。這些素質(zhì)可以促使學(xué)生不斷變革前人的工作,保持思想上和技術(shù)上的不斷創(chuàng)新,才有可能創(chuàng)造出計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中比較有價(jià)值的業(yè)績(jī)來。

5.3增強(qiáng)了系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)能力

另外一方面,由于在課程中進(jìn)行了大作業(yè)的訓(xùn)練,使同學(xué)們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和編程能力也得到了不同程度的鍛煉,學(xué)生學(xué)會(huì)了用工程化的思想來解決系統(tǒng)問題,認(rèn)識(shí)到在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中工程化思想的重要性和必要性。大作業(yè)使學(xué)生有機(jī)會(huì)了解到在完成一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的工作時(shí)應(yīng)采用怎樣的步驟和策略,這些是對(duì)他們實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

在完成“操作系統(tǒng)”課程的大作業(yè)訓(xùn)練中,有多人比較完整地對(duì)litel-OS系統(tǒng)進(jìn)行了各個(gè)管理子功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),有四人在完成大作業(yè)后又對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容做了進(jìn)一步的提煉和改造,申報(bào)了大學(xué)生百項(xiàng)工程題目,并在參賽中獲得了學(xué)校的一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)。

6結(jié)束語

目前學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)核心技術(shù)的熱情比較高,各種學(xué)習(xí)體會(huì)也很多,大多數(shù)人表示:“操作系統(tǒng)”這門課是他們本科階段花費(fèi)心思最多、收獲最大的課程之一。教師在教學(xué)中也有很多收獲,在理解學(xué)生需求和困惑的同時(shí),提升了“操作系統(tǒng)”的教學(xué)能力和駕馭“操作系統(tǒng)”課程的能力,這些會(huì)對(duì)本科教學(xué)產(chǎn)生直接、良好的影響。

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