李凌云 田生文

鲁东大学信息与电气工程学院 山东烟台 264025

操作系统是计算机系统的核心软件，它负责管理计算机系统的软硬件资源，组织计算机的工作流程使之正常运转，同时为用户提供方便的服务。操作系统涉及软件和硬件两方面的知识，原理复杂、概念抽象、理解困难。对于以应用型人才培养为目标的地方院校来说，多数学生反映课程枯燥难懂，学习没有动力，难以像学习程序设计语言那样有成就感。笔者从事操作系统教学多年，针对这种较为普遍的情况，在教学过程中也一直探索各种各样的教学方法和教学艺术，总结了一些操作系统基本原理的教学方法。

1 多元化教学方法讨论

1.1 进程概念的讲授法教学

针对操作系统抽象概念多、算法复杂的特点，传统的教学中多采用讲授法。德国哲学家雅斯贝尔斯说过：教育是一棵树撼动另一棵树，一片云推动另一片云，一个心灵唤醒另一个心灵。讲授法作为一个传统的运用最为广泛的教学方法并不是一种被动的、机械的、忽视学生的教学法。在慕课、微课、翻转课堂等一些新型教学模式大行其道的今天，讲授法教学希望学生“心动”，仍然具有独特的价值。讲授法发挥教师的专业优势，高效率、系统性把知识传授给学生，对教师综合素质具有更高的要求。

为了对并发执行的程序加以描述和控制，引入了“进程”的概念。进程概念没有统一的定义，学生很难理解。进程是一个动态的概念，从静态的角度描述包括三部分：程序段、相关的数据结构和进程控制块。讲授过程中可把程序比作静态的、没有飞行任务的飞机，进程比作执行飞行任务的航班，把进程处理的数据比作乘客，而描述进程的当前状态以及管理进程运行的全部信息的进程控制块可以看作航空公司管理此次航班的相关数据信息。只有当飞机配备了要执行飞行任务所需的资源，包括机长、飞行员、服务员、航空燃油、食物补给等，开始飞行时才有航班的概念。进程是有生命周期的，某特定班次的航班也有生命周期，从开始执行飞行任务至到达目的地完成任务为止，这次航班就结束了。结束之后非消耗性资源比如机组人员等就撤离本次航班，还给航空系统，以便为另外的航班分配资源。而进程创建成功后操作系统为分配执行所需资源，进程结束之后把占有的资源还给系统，以便分配给其他进程。在讲授过程中，把抽象的动态进程概念比喻成生活化的航班，这样学生就更容易理解进程的动态特征，且有恍然大悟之感。

1.2 进程互斥的情景教学法

进程的动态性会使学生在初期接触时有诸多疑惑。多道程序环境下，对于一个系统中的多个进程，由于资源共享，它们之间可能存在着间接制约关系。学生很难理解抽象的进程之间的制约关系。在授课过程中，设置一个学生熟悉的情景来学习就比较容易理解了。对于间接制约关系，以学生每个假期回家都要乘坐的火车车厢为例，假设一节车厢只有一个卫生间为车厢所有乘客所用，乘客代表进程，那么卫生间就成为乘客们的共享资源。乘客们之间不认识，也没有关联制约关系，但是因为共享卫生间这个公有资源，他们之间产生了间接制约关系：只要有一个人在使用卫生间，其他有需求的乘客只能排队等待。这样乘客之间就产生了相互制约的关系。这种制约关系用厕所门锁的“有人”“无人”开关来实现。这样学生就能理解因为共享而产生的间接制约关系了。

1.3 虚拟内存的类比教学法

虚拟存储器是现代操作系统中存储管理的一项重要技术，可以让比内存空间更大的程序运行。但是虚拟内存并非是从物理上实际扩大内存的容量，而是从逻辑上实现对内存容量的扩充[1]。这也是操作系统中比较难以理解的基本原理。如果采用类比法来学习就比较容易理解了。举例说明：假设有一间工厂，共有100个工人，老板说能为100个人提供住宿，其实老板只能满足50个人的住宿要求，但是他安排其中50人上白班，50人上夜班，那么100人轮流休息睡觉。这样50个人的住宿资源就能满足100人的休息要求。采用错开时间使用(时分)的办法，从工人使用的角度看扩充了住宿资源空间，提高了住宿资源的利用率。同样对有限的内存来说，操作系统把暂时不用的换出到外存，把要执行的部分调入内存，从逻辑上扩充了内存容量，使用户看到的内存容量远远大于实际容量[1]。这样就能在小的内存中运行大的作业或者提高多道程序度，能够有效地改善内存的利用率，还可以调高程序的并发程度，增加系统的吞吐量。通过这样的类比，学生就能够理解虚拟的基本含义了。

1.4 磁盘调度算法的研讨法

磁盘存储器是计算机系统中最重要的存储设备，磁盘I/O速度的高低直接影响到系统的性能。为了减少对文件的访问时间，需要采用平均寻道时间最少的磁盘调度算法。学习磁盘调度算法的时候，可以采用研讨法，通过师生的对话讨论来共同思考、探究、理解和解决问题。教师先提出问题，比如有多个进程提出磁盘访问请求，请学生讨论可以采用什么样的调度方法满足进程的请求。多数学生首先从公平的角度想到的是先来先服务的方法，简单且容易实现，系统开销小。教师这时候可以进一步请学生思考，如果外卖员要为学生公寓楼下的奶茶店送奶茶，公寓六层，每层都有不同数目的订单，会怎么选择路线效率比较高？这时候再选择先来先服务是否合适？学生争先恐后地讨论当然是就近原则，这样他们就理解了最短寻道时间优先算法，而且印象深刻不容易遗忘。之后碰到类似的算法，他们也比较容易触类旁通，同时也活跃了课堂气氛，提高了学生学习的自主性。

1.5 举例法学习抽象理论

操作系统中许多概念原理都很抽象。在授课过程中灵活运用举例法可以把抽象的概念、理论具体化，有助于学生的理解掌握。以逻辑地址、物理地址和文件存储空间管理为例。内存地址的集合称为内存空间或物理地址空间。内存中每一存储单元都与相应的称为内存地址的编号相对应，内存空间是一维线性空间。通常用户编写的源程序，首先由编译程序编译成CPU可执行目标代码。一种方法是按照物理存储器中的位置赋予实际物理地址，另一种方法是编译连接程序把用户源程序编译后链接到一个以0地址为起始地址的虚拟地址空间[2]。因此实际物理地址需要由虚拟地址即逻辑地址到实际物理地址的变换得到。学生难以理解抽象的逻辑地址的概念。可以用举例法解决这个问题。例如有30个人的旅行团安排住宿，为了管理方便编号为1～30，编号可以认为是游客的逻辑地址，而具体住宿的房间号可以认为是物理地址。这样就把逻辑地址和物理地址之间的关系讲清楚了。

磁盘存储器容量大，存取速度快，可以实现随机存取，是当前实现虚拟存储器和存放文件最理想的外存。在现代计算机中无一例外地都配置了磁盘存储器。因此成组链接法是管理大磁盘存储空间的比较好的方法。但是讨论成组链接法的数据块组织时由于过于复杂，学生不好理解。可以举例说明：假设有很多学生上劳动课，可以把学生分组，每组100人，共有n(1～n)组，然后把每组选出一个组长，每个组长负责记住他上一组100人的名字，最后一组没有上一组，所以最后一组的名字放在一个盒子里(栈)里。需要分配学生出去干活的时候，就从盒子里拿出一个名字，盒子里如果只剩最后一个学生Y的名字，就请Y同学把他记得的下一组学生的名字放到盒子里，然后把Y分配出去。有学生干完回来了就把名字再放进盒子里，如果盒子里放满100个名字，又回来一个学生W，就请W记住盒子里的100个名字，把盒子里的名字清出去，把W的名字放入盒子。以此类推，循环往复。

通过举例法把操作系统中复杂抽象的理论和数据结构映射到学生熟悉的现实场景中，学生就比较容易理解，而且也可以增加枯燥课程的趣味性，引起学生的学习兴趣。

2 结语

随着信息技术的发展，现代教学方法如雨后春笋，各有各的优势。教师是教学的“专业人员”，仍然是课程教学中最“核心”的要素。好的教学方法要根据学生的特点和教学内容灵活选择，突出学生的主体地位，突出课堂的交往互动性，强调主体参与的多元化。同时教师可以根据自己的个性将教学方法艺术化，形成自己的教学风格，使教学方法越来越具有情感性和审美性。本文列出的教学方法是笔者多年从事操作系统教学实践的总结。在以应用型人才培养为目的的地方院校的教学实践表明，多元化的教学方法能够显著提高课堂效率，活跃课堂气氛，把抽象问题具体化，增进学生对枯燥理论的理解和掌握。总之，教无定法，只要能够激发学生的学习热情，促进学生的自主学习能力，提高学生的创新能力，就是好的教学方法。