操作系统原理课程教学改革与实践

[摘 要] 针对目前操作系统原理课程教学中存在的问题,从课程内容体系的组建、教学方法、教学手段的改进以及实践教学环节的合理制定等方面提出了课程教学改革的基本构想。

[关键词] 操作系统; 教学方法; 实践教学环节

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2010 . 21 . 035

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1673 - 0194(2010)21- 0067 - 03

操作系统原理课程是计算机及相关专业的重点课程,是一门理论与实践紧密结合的课程,学好该课程对认识整个计算机系统的工作原理有着重要的作用。为了让学生能扎实地掌握操作系统的原理、技术和实现方法,培养学生开发系统软件和大中型应用软件的意识和能力,进一步提高学生的综合技能,教师在教学过程中不仅要注意调动学生的学习积极性,还应当注重采取合适的教学和实践方法。

1操作系统原理课程教学现状及存在的问题

操作系统原理课程教学长期以来以理论讲解为主,仅辅以少量实践操作。对学生而言,学习过程难度较大,教学效果很难达到理想水平,传统的教学方法和教学手段已经难以适应当前新形势的需要,教学中存在的问题主要表现在以下几个方面[1]。

1.1教学方法陈旧

教学方法主要是以课堂讲授为主的“灌输式”教学方法,着重于教师讲授,学生被动接受知识,独立思考的时间和机会比较少。缺乏启发式、交互式、讨论式和案例式等教学方法,没有充分调动学生的主观能动性,忽略了学生的主体地位。

1.2理论与实践脱节,教学手段匮乏

目前高校教材的基本结构多由计算机操作系统的基本原理及五大组成部分加上对Unix System V的分析构成。重点偏向理论教学,教学内容与实际使用的Windows、Linux操作系统存在一定距离,学与用之间缺乏联系,从而导致学生对该课程失去兴趣甚至产生厌学情绪。部分高校教师目前仍采用“黑板+粉笔”的传统手段讲授枯燥的理论知识,难以激发学生的学习兴趣;即使有些教师使用了电子教案,也是单纯地播放理论知识课件,课堂枯燥乏味,学生失去参与思考的积极性。

1.3教学内容理论性较强,实践性环节薄弱

由于该课程知识点多,涉及面广,理论性较强且内容抽象,加之部分教师在教学过程中缺乏理论与实践相结合的具体内容讲解,授课枯燥抽象,使学生在学习过程中难以理解。另外,学生缺少自己动手分析或设计一个具体操作系统实例的过程,课程设计环节几乎没有,参与研究性学习的机会更少,学生学习兴趣降低,也不利于学生创新能力的培养。在实践教学中,主要采用验证性实验,实验课程依附于理论教学,教学内容陈旧且手段单一,学习内容较浅、知识面狭窄,达不到培养学生的思维方式和探索精神的要求[2]。

1.4教材内容较陈旧,更新较慢

近10年来计算机操作系统工程实践进展加快,新的开发思想和基本概念不断出现并应用到当前流行的操作系统产品中。目前教学过程中所使用的大部分教材却仍侧重基础理论介绍,对于具体操作系统的分析和设计的案例还较少,而且内容较为陈旧,难以和当前飞速发展的计算机操作系统理论和前沿技术保持同步。教材中繁杂的知识点抽象且难懂,导致学生只顾记忆知识点且易陷入疲于记忆的状态,忽略对问题实质的理解和掌握,忽略对课程各部分内容之间关系和课程教学目的的把握。从教学来看,教材是影响教学内容的一个非常重要的因素,教学内容远离实际应用且不能及时更新必然会影响学生的学习兴趣。

2操作系统原理课程教学改革的措施

针对操作系统原理课程教学现状及存在的问题,综合自身教学实践,本文就该课程的教学改革与实践活动提出了一些有意义的方法和具体措施[3]。

2.1建设系列课程,注重知识融合

操作系统原理课程一直坚持按照某重点大学计算机学院系列课程建设的目标来加强改革,课程知识点的安排力求体现系列课程建设的要求,充分考虑与相关课程在内容上的衔接和呼应。根据ACM & IEEE CC2001和CCC2002(中国计算机科学与技术学科教程)的知识点,理清本课程与数据结构、计算机原理与设计和数据库原理、编译原理等相关课程的关系,确定本课程应该覆盖的知识点。加强系列课程之间横向、纵向联系与分工的研究,协调本课程在计算机知识体系中与其他课程之间的关系,通过开设一些配套课程与选修课程,对本课程知识进行完善与补充。

2.2选用高质量的优秀教材和参考书,保持教学内容的实践性和先进性

现代操作系统工程实践和技术迅速发展,要求操作系统课程的教学内容必须及时更新以适应日益发展的科学技术,并达到学校培养人才的目标要求,而教材作为影响教学内容的重要因素承担着至关重要的作用。在教材方面,可选择由汤小丹、梁红兵、哲凤屏、汤子瀛编著的《计算机操作系统》(第三版)[4]作为课程的主教材,清华大学出版社张尧学主编的《计算机操作系统教程》、高教出版社孟静主编的《操作系统教程——原理和实例分析》以及为双语教学准备由Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne所著的《OPERATING SYSTEM CONCEPTS (6th Edition)》原版教材作为主要的参考教材[5]。教材百花齐放为学生学习提供了多重选择机会,但我们必须根据学生的实际情况来选择教材,选择一本既切合实际又能使学生学以致用的教材,这对于该课程的教学效果具有非常重要的作用[6]。

2.3优化教学内容

操作系统理论和技术发展极为迅速,教学内容需要跟踪理论和技术的发展,关注面向21世纪教学内容改革的新动向。操作系统的结构和功能也在逐步改进,一些新的概念、方法不断引入到操作系统中,这些前沿性的知识在教材上往往都没有介绍或者介绍不全。对此,教师应该根据课程教学目标的需要优化教学内容,摒弃传统操作系统原理中的过时知识,引入现代操作系统中的采用设计原理的实现技术,不断调整、更新、完善教材体系和教学知识结构,以适应现代化科学发展的需要。教学内容应该反映当前最新的研究热点,例如:网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统、多核技术、多线程技术和Linux系统研究与应用等这些在现实生活中应用广泛的内容需要增加,而那些内容比较陈旧或者在其他课程中已涉及的就少讲或略去不讲。

2.4科学系统地设计教学内容和方法

在教学过程中,把实用操作系统看作基础的教学平台。我们利用俯拾即是的案例,强调问题的提出,通过观察Windows蓝屏了解“现场”概念,通过使用任务管理器理解“并发”概念,通过分析“虚存文件”理解存储系统等等,不断启发学生思考可能的解决方法,深入分析和比较各种不同方法的差异和适用性,层层推进,在师生互动和共同思考中讲授和理解知识。不仅如此,教师还应注意在上机实践中鼓励学生自发地发现操作系统相关的问题和解决问题的各种方法,以加深其对知识点的理解和综合应用。

2.5改革课堂教学方法,充分调动学生的积极性和创造性

在课堂教学过程中,采用启发式、交互式、案例式和研究式等教学方法,加强课堂互动环节,鼓励学生大胆发言,激发学生的学习热情,充分发挥其个性和特长,营造一个宽松、和谐的课堂氛围。

(1) 开展启发式教学方法,激发学习兴趣。开展启发式教学方法,实现教学互动,通过培养学生的学习兴趣,引导学生进行研究性学习以达到良好的教学效果。课程教学采用启发式教学方法并通过示范、展示等形式解释操作系统概念、原理和方法,在课堂和实验中引导学生分析现实案例、发现新知识。课程中设置吃饭、坐车、买票等各种不同排队场景,以帮助学生理解操作系统中的任务、存储、磁盘、设备等管理策略和机制,进一步提出看病、飞机起降、火车运行停靠等各种情境,让学生自主发现操作系统的其他调度策略和机制。

(2) 精心准备,激情授课,强调交互式教学方法。教学方法需要强调讲课的高度激情,以教师高昂的情绪感染学生。以主题、问题为核心,注意运用课堂提问和课堂讨论的交互式教学方法,引导学生进行自主式、探究式学习,逐步提高发现问题、分析问题及解决问题的能力。例如:对于教材中介绍的一些算法和程序,采用小组讨论的方式让学生讨论。之后每组派代表上台讲述对于课程内容的理解,同时提出疑问让全班学生一起讨论,最后由教师点评。教师应当鼓励学生提问,根据学生反馈信息和问题,与学生探讨问题的解决办法。

(3) 案例化教学,知识拓展。以经典操作系统Unix为案例,介绍操作系统五大服务功能的实现方法和技术,从应用角度解释理论,帮助学生分析和理解基本原理;同时补充当前操作系统的新知识,如并行计算、多核技术,引导学生了解操作系统发展动向,领略该课程在科研和应用中的重要性。通过实例、图解、对比等方法,介绍进程调度算法、缓冲算法等算法的原理和流程,将复杂的算法变得简单易懂。例如,在讲解难点重点部分的时候,适当提出一些与问题相关的且学生容易理解的日常生活中的实例,将复杂的问题简单化,再进一步提出问题的解决方法。在讲授的过程中增强师生互动,既培养了学生独立思考问题解决问题的能力,也激发了学生学习该门课程的兴趣,如同步问题与十字路口信号灯的关系、移臂算法与电梯移动之间的关系等[7]。

2.6利用多种教学手段相结合

充分有效地利用多种教学手段进行课堂教学,增加课堂的生动性与学生学习的主动性,提高学习兴趣。在操作系统课程教学中采用电子教案实现陈述性较强的理论讲解,但对于需互动性讲解的复杂计算问题和逻辑推导过程,则保留传统的“黑板+粉笔”教学手段进行讲解。例如,在讲解磁盘的结构问题中,有关磁头、柱面、磁道和扇区之间的关系时,教师可以利用Flash制作一个相关的教学动画,把抽象的理论形象地表现出来;而讲解关于死锁避免的“银行家算法”实例时,应进行课堂讨论、板书讲解,结合提问将问题层层剖析、层层深入以达到师生互动的效果。另外,还应组织教师积极地参与开发操作系统原理电子多媒体教学软件,建立功能完善的自动化考试系统,从而有效推进该课程多样化教学手段的研究和实施。

2.7灵活运用现代化教学平台,提高教学质量

利用网络信息技术构建现代化教学平台,为学生营造一个良好的自主学习氛围,进一步激发学生学习兴趣,提高教学质量。教学网站作为教学平台建设的基础,拓宽了教学资源的使用范围和学生的受益范围,形成师生共建、共促质量的模式。教学网站中提供了大量的教学资源,包括本门课程的教学大纲、实验大纲、多媒体课件、模拟试题、课外学习资料以及重点章节的教学录像等。学生可以在线学习、在线测试及在线提交作业,也可以使用电子邮件和BBS论坛等方式与教师进行课外交流;同样,教师可以实现在线辅导答疑、在线命题与试卷生成。

2.8强调与时俱进,注重学术交流

随着计算机的迅速发展,计算机操作系统的更新换代也非常迅速,如何让学生接受最新的操作系统设计技术,成为当前面临的重大课题。因此,结合国内外操作系统领域的最新发展,参考国际著名大学最新推出的操作系统课程大纲,借鉴大公司在设计操作系统中获得的经验和教训,注重专业知识的前瞻性和国际性,以构建合理的教学内容。学术交流是提高课程教学质量的另一种途径,通过讲座方式邀请在操作系统设计上有建树的专家前来讲学,让学生了解现代操作系统发展的新趋势并接受最新技术,领略该课程在科学研究和实际应用中的重要作用,把操作系统的理论应用到操作系统最新发展的技术上。这样既开阔了学生的视野,又使学习目的更加明确[8]。

2.9强调思想、策略和方法,鼓励并培养学生的研究兴趣和能力

操作系统原理课程包含了很多重要的思想、设计策略和实现方法,在介绍操作系统各模块中使用到的各种模型、方法时,应着重强调从具体问题的提出到最终解决的过程和思路,并适当介绍科学实验的一般方法,启发学生思维,鼓励学生自主发现问题、提出解决办法以及验证并评价自己的办法,进一步培养学生的创新能力。

3结束语

近年来操作系统在理论和技术上的迅速发展,使原来的部分教学内容和方法显得有些陈旧、滞后,进行操作系统原理课程的教学改革非常必要。本文力图从教材选择、教学内容、教学方式、教学手段以及实践教学环节制定等多个方面对该课程进行深入改革,通过以上措施,有效地提高了该课程的教学质量,取得了较好的教学效果。

主要参考文献

[1] 季赛,岳健. 《操作系统》课程教学改革的探讨[J]. 气象教育与科技, 2008,31(1):18-22.

[2] 李广军. 操作系统教学方法初探[J]. 福建电脑,2007(11):186-187.

[3] 郝继升. 计算机操作系统原理课程的教学探索[J]. 教育与职业,2007(8):99-101.

[4] 汤小丹,梁红兵,哲凤屏,等. 计算机操作系统[M]. 第3版. 西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[5] 赵正德,吴绍春,陶永振,等.“操作系统”课程教学改革与建设的研究与实践[J].计算机教育,2009(7):16-18.

[6] 杨燕. 操作系统课程双语教学的探讨[J]. 北京大学学报:哲学社会科学版,2007(5):174-175.

[7] 陈琳.操作系统原理课程教学改革与实践[J].长江大学学报:自然科学版,2009,6(3):314-315.

[8] 张坤. “操作系统”课程的教学方法研究[J]. 高等工程教育研究,2007(z1):151-152.