刘建芳

(平顶山学院,河南 平顶山 467000)

“操作系统”课程教学改革与实践

刘建芳

(平顶山学院,河南 平顶山 467000)

针对操作系统课程存在课程内容复杂、概念抽象，缺乏教学设计，实践性环节薄弱，学生学习兴趣不高等问题，遵循“以学生为主体，以探索为主线，以生活为主题，以兴趣为主流”的教学理念，分析教学改革具体措施和方法，优化教学内容，改进教学方法，采用类比教学法和问题驱动法，有效提高课程教学质量和效果。

操作系统； 类比教学法； 问题驱动法

0 引言

操作系统课程是计算机专业、软件工程专业的必修课程，在整个学科教学计划中起着承上启下的作用。自2009年开始，该课程已成为计算机专业研究生入学考试国家统考科目。无论在教学、科学研究和项目开发中，操作系统课程都处于非常重要的地位。

尽管该课程在整个计算机学科中非常重要，但是笔者在教学过程中发现，学生普遍反映课程涉及面广、概念抽象、算法复杂、不好掌握。虽然历届任课教师都下了很多功夫进行讲解，但是学生的学习效果普遍不是很理想。目前课程教学中存在一些突出问题，影响了课程教学效果。

为了让学生能够扎实地掌握计算机操作系统的原理、技术和实现方法，培养学生开发系统软件和大型应用软件的意识和能力，提高学生创新创业技能，对操作系统课程当前的教学现状进行分析，找出能够提高教学质量的适当的教学方法和教学手段进行教学改革，从而调动学生的学习积极性，提高教学质量，具有重要意义。

1 教学改革主要内容和拟解决的关键性问题

经过实际教学过程，操作系统课程存在课程内容复杂、概念抽象，缺乏教学设计，实践性环节薄弱，学生学习兴趣不高等问题。

1.1 课程内容复杂、概念抽象

由于学习操作系统需要具备高级程序设计语言、数据结构、计算机组成原理等课程的先导知识，任何一门课程学不好，都会导致学生对操作系统课程的不理解，而这些课程也都有一定难度，导致学生学习效果不理想。另外，操作系统这门课程的很多概念都是抽象的，看不见也摸不着，比如信号量、页、段、磁头等等，比较艰涩难懂，这就要求教师在授课时采用适当的教学方法和教学设计。

1.2 缺乏教学设计

目前操作系统课程主要是采用传统的“填鸭式”教学方法，以课堂讲授理论知识为主，教师不停地讲，学生被动地接受知识。而且普遍存在课堂理论知识脱离实际应用的现象，是一种“灌输式”的教学方法。学生在学习中的主体地位被严重忽视，学生只是为了期末考试或者考研而学习。再者，操作系统涉及知识抽象，又缺乏对教学内容的设计。很少采用类比式、启发式、讨论式的教学方法，导致课程缺乏生动性。因此积极开展教学设计，采用先进优秀的教学方法，是改革的重要因素。

1.3 实践性环节薄弱

在我院本科各专业方向(移动互联网、数字媒体、网络工程)的操作系统课程中，均没有设置相应的实验课程，而实验是学生加深对操作系统原理的理解，也是理论课的验证过程。这就导致学生在学习抽象概念后，很难体会操作系统和软硬件之间的交互过程，比如同步、互斥、信号量、消息、管程等概念都只能是抽象理解。这也是影响学生学习兴趣和积极性的一个重要因素。因此，如何在理论课的同时加入实践环节，也是课程教学改革的一方面。

1.4 学生兴趣不高

学生学习兴趣不高的原因，一方面在于课程本身的特点，内容庞杂，涉及面广，理论性综合性比较强，许多概念非常抽象，要使学生在有限的时间内掌握它，的确有一定的困难。而另一方面，操作系统“无用论”的观念在学生中普遍存在。因为操作系统课程的抽象性，导致了它不像其他课程或某些应用软件，学习后会有“所见即所得”这样立竿见影的效果。比如学习了PhotoShop便能处理图片，学习Java Web便能做―个网站，学习android能开发手机应用软件，学习Cocas能实现手机游戏等，而学习了操作系统后要求学生设计一个操作系统是不现实的，也是难以实现的。因此，许多同学都轻视操作系统课程，认为原理理论学不学没有太大的关系，会使用就行。因此提高学生学习积极性，调动学生参与课堂是教学改革的关键因素。

2 教学改革思路

通过以上分析，本课程内容理论性较强，实践性环节薄弱，加上学生学习兴趣不浓，课堂参与度低。为了改善学生的学习现状，提高教学质量，本课程遵循“以学生为主体，以探索为主线，以生活为主题，以兴趣为主流”的教学理念，突出学生在教师点拨下的自主性学习，在教师指导下的研究性学习，在教师引导下的体验性学习，在教师调控下的愉快性学习，优化教学内容，改进教学手段，采用类比教学法，用生活中形象的事物类比操作系统中抽象的概念，创设真实生动的情景，让抽象的理论形象起来，使学生感到抽象的理论不再抽象，从而提高学生的学习积极性；采用问题驱动法，适时的抛出问题，引导学生积极主动的参与教学过程，分析解决问题，提高课堂的互动性。同时采用动画演示让学生更加直观的了解抽象事物。

3 教学改革具体措施和方法

针对操作系统课程的教学改革背景、存在的问题以及教学改革的思路，具体措施和方法如下。

3.1 优化教学内容

该课程在我院的教学安排涉及多个方向，如数字媒体方向、网络工程师方向、移动互联网方向均设有该课程，但培养目标各不相同，而课程本身又具有内容庞杂，知识抽象，涉及面广等特点，因此要想提高学生兴趣，首先要根据授课学生层次，并参考课程学时数、所选教材、实验条件以及课程教学大纲等因素，精选教学内容。

目前市面上操作系统教材种类繁多，侧重点各不相同。笔者在具体教学内容取舍和详略确定上，确定的操作系统领域的核心知识单元有：操作系统概述，操作系统原理，进程并发与控制，处理机调度，内存管理，设备管理，文件管理作为基本教学内容[1]。根据学生专业层次及课程学时数，确定各部分学时数及知识点讲授深度。

在教学重难点的设置上，笔者认为操作系统中的教学重点，不是哪个内容重要、哪个不重要，而是根据专业方向和学生层次相比较哪个更重要。整体遵循以下两个原则：

1) 基础内容最重要，效率优化次之

基础内容比高层内容更重要，授课过程中首先让学生掌握基本的内容，既可以提高知识传授的效率，增强学生自信心，又便于随后抛出效率方面的问题，引导学生逐步深入，激发学生学习兴趣。

2) 新的知识点比旧的更重要

这里的新是指现在仍在实际使用但未曾讲授过的技术(可能很早出现)。新的要多占课时，旧的不讲或略讲，一带而过。这样可以避免学生学习过程中产生“知识过时”的想法。特别是与实际应用相关的知识点要重点讲授，可有效地提高学生学习积极性。例如在讲解进程控制的方法上，软件方法已经过时，只需要给学生介绍软件方法的缺点即可，而不需要花费时间具体去研究软件方法的代码实现。在讲解信号量时，对于整型信号量可以一带而过，重点讲解记录型信号量和信号量集的实现原理。

接下来在教学过程中围绕确定的教学内容和重点，基本内容、重要内容对学生讲透，抽象、高层内容略讲或不讲，这样就可以解决学生认为课程“内容庞杂、抽象”的问题，引导学生由浅入深地掌握操作系统的基本原理。

3.2 改进教学方法

造成操作系统内容枯燥的原因之一是教学方法单一。改进教学方法是提高教学效果的有效途径。操作系统课程中许多抽象的知识点若采用类比、问题驱动等教学法，可以起到事半功倍的效果。

1) 类比教学法

所谓的类比教学法，是根据类比法的特点组织起来的教学活动，包括用类比法设计教案、课件、教学等，并在教学过程中向学生渗透类比思想。类比教学法是创设真实生动情景的有效工具之一，教师运用类比法创设的问题情景，能有效地促使学生发现新知识、新方法，让学生沉浸在问题情景中，将要探索的问题与已有经验联系起来，使得抽象的新知识更易于接受[2][3]。

操作系统中概念都很抽象，但有许多都可以用生活中的事物类比。例如在讲解记录型信号量时，首先以图片的形式给出记录型信号量的数据结构，让学生直观的理解记录型信号量的特点。然后引入“汽车进入停车位必须先申请停车证”这一生活情景，将数据结构中涉及的抽象概念与生活中的事物相关联，用汽车表示进程，用停车位表示系统某一类资源，用停车证表示记录型信号量的整型信号量值，用等候的汽车队列表示记录型信号量的进程链表。采用动画演示汽车进入停车位需要申请停车证模拟进程访问系统资源对记录型信号量的处理；采用动画演示汽车离开时需要释放停车位，队首等候的汽车方可进入停车位来模拟进程执行结束后释放资源，并唤醒等待进程。

通过类比教学，使学生感到抽象的理论不再抽象，从而很好的理解记录型信号量的数据结构及wait原语和signal原语的语法结构和作用，提高学生的学习积极性，进而提高教学质量。

2) 问题驱动法

亚里士多德说：“思维从问题、惊讶开始”。传统教学过程中，大都是教师讲，学生被动听，造成了学生学习兴趣不高、课堂参与度不高等问题。这是影响操作系统课程教学效果的原因之一。如果能以“问题”驱动教学，在教学中创设适宜于学生发现和提出问题的问题情境，培养学生的“问题意识”，引导学生积极主动地去分析问题和解决问题，则可以有效提高课堂的互动性[4]。

笔者在教学中尝试采用“问题驱动法”即提问式授课方式，每堂课开始提出一些与上次授课有关的内容，一方面可以了解学生课后的复习情况，另一方面可以更好地与新课内容衔接起来。在讲授新内容的时候，设计好各种问题，将原理用一个个问题引出来，在讲述答案之前，请学生自己考虑一下可用什么方法解决所提出的问题，通过提问，让学生主动去思考解决的方法，比较自己的解决方法和已有方法的不同，可以让学生学习到一些好的思维方式。

如在记录型信号量时，先带领学生回顾整型信号量的缺点—“忙等”，然后引出信号量发展的第二个阶段记录型信号量，提问学生记录型信号量是否能解决“忙等”的问题，如果能的话，是如何解决的？在讲解记录型信号量的数据结构的基础上，让学生结合进程的三个基本状态，分析得到结论记录型信号量能够解决“忙等”问题。在模拟演示完“汽车进入和离开停车位”的动画后，提出问题，进程对系统资源的访问是如何实现的？进而引出wait原语的语法和作用；同样的方法引出signal原语的语法和作用，并通过练习题，让学生思考总结记录型信号量的物理含义。讲解经典同步问题哲学家就餐时，通过问题描述、关系分析、思路整理、信号量设置，提问学生哲学家就餐的最佳情况和最坏情况，教师通过日常生活中的规则引导学生思考解决最坏情况带来死锁问题的方法。在给出的解决方案中，精心选择三种，一种规定限制就餐人数的方法，一种规定奇偶哲学家拿叉子顺序的方法，一种一次占用所有所需叉子的方法。通过第三种方法，提问和其他方法的不同，引出下次课的教学内容。

通过精心设计问题，以问题驱动方式引导学生主动思考，一步步地解决问题，这个过程也是讲授新知识的过程。实践证明，这种方法可以有效地将学生被动学习变为主动学习，提高课堂互动效果。

3.3 加强实践教学环节

实践教学一直是操作系统课程的弱项[5]。通过设置一些有针对性的实验，使学生既能够理解原理又能引发对操作系统的兴趣，消除操作系统无用的错误观念。

目前我院在操作系统课程没有设置实践教学环节，根据我校“面向应用”的办学方向，从“通过实践环节解决理论知识的理解和实际应用”的角度出发，在课堂上带领学生分析部分代码，并引导学生课后继续分析，为其以后从事科学研究打下基础。如在讲解哲学家就餐问题时，结合总结的三种方案，课堂上教师带领学生采用第一种方案给出算法和编程注意事项。然后引导学生课后自我探索完成第二种解决方案。将课堂教学引入课外，培养学生自我探究的学生精神。

4 总结

通过本学期前期的教学实践证明，本课程采用上述教学模式后能够明显提高课程教学质量和效果，可以有效提高学生的动手实践能力、课程的整体性和逻辑性把握的能力。类比教学法和问题驱动教学法的运用，提高了学生的学习积极性，有着事半功倍的效果。随着新技术在操作系统中的应用的不断进步，操作系统教学实施过程的各个环节还需要进一步完善和优化。

[1] 汤小丹等.计算机操作系统[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014.

[2] 刘瑜,郭天杰,张燕红.以应用为导向、以增加趣味性为目的的操作系统课程教学研究[J].计算机工程与科学,2014,36(A2):121-123.

[3] 徐远超,孙卫真,吴敏华.中美“操作系统”课程教学比较与思考[J].计算机教育,2015(19):57-59.

[4] 张鸿,罗宇翰.操作系统课程中抽象知识的可视化教学研究[J].计算机教育,2015(8):16.

[5] 黄萍.操作系统实验环节设置的探索[J].实验科学与技术,2015,13(3):113-115.

Teaching Reform and Practice of "Operating System" Course

Liu Jianfang

(Pingdingshan University, Pingdingshan 467000, China)

The content of "operating system" is complex and the concepts are abstract. At the same time, it lacks of teaching design and practice, and all these lead that students' learning interest is not high. To solve these problems, this article follows the teaching idea which is to take the students as the main body, the exploration as the main line, the life as the theme and the interest as the mainstream. This paper analyzes the specific measures and methods of teaching reform, optimizes the teaching content, improves teaching methods, uses analogical teaching method and problem driven method, and these measures effectively improve the quality and effectiveness of teaching.

Operating System; Analogy Teaching Method; Question Method

平顶山学院教学改革研究项目(2016-JY12)

刘建芳(1983-)，女,汉族，湖北宜城人，硕士，讲师,研究方向：图像处理，算法研究。

1007-757X(2017)05-0028-03

TP311

A

2016.12.20)