多级任务驱动操作系统原理教学体系的构建

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　　摘要：操作系统原理是计算机专业核心基础课程。针对该课程本身及教学现状中存在的问题，我们构建了“学一练一做一讲”多级任务驱动的教学体系，各级活动的教学方式灵活多变，而且每级教学任务均驱动着前几级活动的进行。该体系能够有效激发学生学习兴趣，提升学生的整体素质。近年教学实践标明，该教学体系能够有效提升教学效果。
　　关键词：操作系统原理;多级任务驱动;教学体系;教学方式;整体素质
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）35-0137-02
　　1 概述
　　操作系统原理是计算机专业的核心基础课程，是系统硬件向系统软件扩充的第一个层次，亦是计算机专业人员进行技术开发的理论基础。该课程在计算机专业的课程体系中具有非常重要的地位。该课程所涉及的教学内容是构建计算机专业知识体系不可或缺的重要内容。
　　目前，操作系统原理被认为是计算机专业课程中比较难学难教的课程[1]之一。这是由多方面的原因[2，3]造成的，我们会在第二部分“存在问题分析”部分进行详细介绍。通过对这些问题的分析与梳理，结合我们在教学实践中经验的积累总结，针对操作系统原理这门课程，我们提出了一套新的多级任务驱动的教学体系。该教学体系共包含“学一练一做一讲”四个等级的学习过程。
　　2 存在问题分析
　　造成操作系统原理这门课程难教难学的原因是多方面的[4，5]。简而言之，我们可以将其概括为两个方面，内部原因与外部原因。
　　内因主要是由于操作系统原理这门课程的组成结构特点及其所处地位决定的。该课程涵盖的知识面非常广泛、涉及的计算机术语与算法亦非常多，且理论性比较强。在教授学习的过程中，学生会觉得知识非常抽象，很难引起其兴趣，提高其学习的积极性。此外，操作系统紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下的地位，决定了它要实现软件和硬件的协同合作，这要求学生具备一定的软硬件基础知识。同时跨越软硬件两个层次，使得操作系统的学习更加困难。
　　外因主要是由于缺乏科学完整的教学体系造成的。教学过程中，缺乏合理的知识组织架构、教学内容、过程、方法设计不合理，教学结果评价设计不完善等容易导致理论与实践脱节，造成学生学习兴趣不浓、热情不高、积极性不强等问题[6]。此外，通过大量调研，我们发现众多本科院校在操作系统原理这门课程的教学设计中，严重缺乏对实验教学环节的重视，该课程的实验教学课时非常少。操作系统原理是一门理论与实践相结合的课程，实验实践的缺失，将影响学生的学习效果、并降低其对理论知识的理解层次。
　　本文提出的多级任务驱动的教学体系，综合考虑了这两个方面的因素，来提升学生的学习兴趣与学习效果。该体系将操作系统原理的学习过程划分为了四个等级层次，每一层次的学习都被以后各层次的任务所驱动，前一层次的学习效果直接影响了以后各层次任务的进行。这四级层次递进地加深了学生对基础理论的理解程度，并将理论知识逐步融于实验实践中，最后，通过抽选学生讲解习题与实验，將其所学知识转化为自己具备的技能，并可通过该过程来评估学生的学习效果。
　　3 多级任务驱动教学体系的构建
　　操作系统是系统软硬件资源的管理者，该课程涵盖的知识面非常广泛，涉及的原理算法也比较多且都需对其进行实验程序设计，这是一门理论与实践相结合的课程。本科阶段操作系统原理的教学目标是：让学生理解操作系统是如何工作的以及明了其工作方式;掌握操作系统内部的算法和使用的数据结构;根据对操作系统发展过程中遇到问题、解决问题的处理流程与思路的借鉴与学习，培养学生灵活运用操作系统中的典型技术解决实际问题的能力。为了实现该教学目标，让学生构建该课程的知识架构体系，我们提出了多级任务驱动的教学体系。
　　该教学体系共包含四个任务等级层次，每一层次的学习都被以后几个层次任务所驱动，并为下一层次的进行打下基础。该教学体系，首先，通过“学”阶段的理论教学，让学生理解操作系统原理的基本原理;其次，通过“练”阶段的习题演练，让学生更深入的掌握核心算法原理;然后，通过“做”阶段的实验实践，让学生将所学理论知识转化为实际的操作系统程序设计;最后，通过“讲”阶段的知识输出实践，实现知识向技能的转化，利用该过程亦可评估学生的学习效果。
　　3.1“学”——理解基本概念与理论
　　“学”主要指对基本概念和理论原理的学习。操作系统原理这门课程涉及的知识点非常多，涉及的理论知识面也比较广，如果按照一般的方法进行记忆学习，学生容易产生畏难情绪，亦难以调动其学习兴趣。然而，该课程主要包括引论、进程管理、处理机调度与死锁、存储器管理、设备管理、文件管理、磁盘存储器管理这几部分，各部分的知识点逻辑关系非常明确。那么我们可以首先对各部分的知识点进行简单讲解，然后根据其逻辑关系对其进行梳理，构建其知识结构图，然后依据该图进行针对性的学习。
　　知识结构图是指，将知识点表示为节点，通过连线建立知识点之间的联系，以某一知识主体为中心，将所有的知识用完整的系统的图来表示知识之间的逻辑结构关系的知识表达方法。该方法能够直观有层次的表征各知识点之间的内在联系。我们可以对操作系统原理的每一部分的知识点进行梳理，构建其知识结构图。这种方法不仅可以培养学生的学习兴趣，方便学生记忆，还可以提高学习成绩，增强教学效果。
　　3.2“练”——掌握核心理论算法
　　“练”主要指进行相关习题的练习，该阶段的任务驱动了前一层次的理论知识的学习，只有对基础的理论知识有了一定的理解之后才能进行习题的练习。而习题的练习加深了对核心理论知识的理解。
　　该层次的学习方式比较多样，可以博采众长。根据课时安排，我们可以随堂练习亦可利用学校提供的网络教学平台布置成作业或测验。亦可通过混合式的网络交流平台进行练习，并使用常用的QQ、微信等交流工具获得教师或同学的及时指导，以提升学习效率。 　　3.3“做”——理论与实验相结合
　　“做”主要指做相应的理论算法的程序化实现，即做实验。做实验之前必须掌握相应的算法理论，该层次的任务驱动着“学”“练”这两个层次的学习活动。而实验的进行又强化了对理论基础的理解。
　　根据学习的理论知识，我们由易到难对实验[7]进行组织。此外，学生的动手能力存在很大差异，并且对于一般的同学，仅仅利用实验学时来学好操作系统编程是远远不够的，那么我们可以利用学校提供的网络教育平台或其他网络工具发布实验资源[8]，以便学生利用课外时间进行自主的实验学习。
　　为了照顾所有学生，我们基于教学大纲，设计了不同层级的实验任务，学生可以根据自己的接受程度，一步步地从验证性实验向设计性实验和综合性实验进行学习和强化。对于一些能力强的学生，可以引导他们基于学习的理论知识与对开源的linux操作系统源码的学习，组队去开发简单的操作系统。
　　3.4“讲”——知识转化为技能
　　“讲”即对自己所学的理论知识、习题、实验进行讲解。知识有没有掌握，最显著的一个指标就是能否用自己的语言表达出来，即能够讲解。该任务驱动着“学”“练”“做”三个等级的学习活动，并反过来强化巩固了前面三个阶段的学习。并可以通过该步骤考核学生的学习效果。
　　该实践过程的设置呈现了多样化的特点，我们可以根据章节的特点、学生能力的差异、课时的多寡等进行灵活设置。可以抽选不同能力的学生分别对理论、习题、实验的讲解;亦可以利用在线网络交互系统设置备选的问题让学生分别自主的进行分组讲解。
　　4 总结
　　针对操作系统原理这门课程知识面广、概念算法多、理论性强、内容抽象、学生学习兴趣低等特点，以及目前教学体系中存在的知识组织架构不合理、教学方式单一、实验实践强度不够等问题，我们构建了一个由浅入深循序渐进的多级任务驱动的教学体系。该体系划分为“学一练一做一讲”四个等级，该教学设计依次加深了学生对理论知识的理解，通过理论与实验实践的结合，令学生掌握了主要技术的应用，最终通过知识输出的方式，将所掌握的知识转化为了技能。伴随着新的教学方法与教育理念的出现，对应的各等级阶段的教学过程使用的方法和技术手段可以进行相应的更新和完善，该教学体系具有很大的机动适应性。近几年的操作系统原理课程的教学实践表明，利用该教学体系，学生的学习成绩与教学评价效果都有了明显的提升。
　　参考文献：
　　[1]李文娟，王李东，寿周翔，赵海丽.多层次实践驱动《操作系统原理》教学改革[J].电脑知识与技术，2018，14（5）：135-136，149.
　　[2]李畅.提高《操作系统》教学质量的方法探讨[J].电脑知识与技术，2019，15（3）：172-173.
　　[3]王英，王鑫，左万利.操作系统课程改革的启发和思考[J].计算机教育，2017（2）：34-37.
　　[4]聂斌.“操作系统”课程研究型教学改革与实践[J].科教导刊，2019，10（4）：121-123.
　　[5]马晓丹，尹淑欣，邰建华，刘桂阳，谢秋菊，路阳，王娜.操作系统课程知识体系构建及研究性教学探索[J]. 2019，39（1）：71-75.
　　[6]徐曼，殷脂，徐建平.操作系统原理课堂的沉浸式课堂的设计与实施[J].2019，22（5）：153-56.
　　[7]杨柳，张岩，孙强，陈丽敏，王炎.操作系统实验教学探讨[J].2019（3）：23.
　　[8]汪婧，李钧，童莉.“互联网+”背景下的操作系统教学模式研究[J].电脑知识与技术，2017，13（18）：131-132，137.
　　【通联编辑：王力】
　　收稿日期：2019-09-10
　　基金項目：国家自然科学青年基金（61806073）;中国民航大学省部级科研机构开放基金（CAAC-ITRB-201607）;河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目基金（192102210097，192102210126）;郑州航空工业管理学院教学科研基金项目（2018048）。
　　作者简介：裴利沈（1988-），女，河南濮阳人，讲师，博士，主要研究方向为计算机视觉，行为识别;赵雪专，讲师，博士。
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