基于PBL的“团队式”操作系统课程教学模式

韩彦岭， 张 云， 周汝雁， 洪中华， 张明华， 徐利军

(上海海洋大学 信息学院， 上海 201306)

0 引 言

操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，操作系统课程是计算机科学与技术专业的一门重要的专业基础课程[1-2]。该课程的特点是内容繁多，理论性强，概念、原理、算法比较抽象难懂，再加上目前操作系统课程的授课模式大多是以教师讲授为主，学生被动接收，对于复杂难懂的概念、原理、算法，极易造成接收脱节，直接影响了学生的学习积极性，最终导致学习效率、效果不佳。

与传统的以学科为基础的教学方法不同，以问题为导向的教学方法，是基于现实世界的以学生为中心的教育方式[3-4]。PBL强调以学生的主动学习为主，而不是传统教学中的以教师讲授为主；PBL将学习与更大的任务或问题挂钩，使学习者投入于问题中；它设计真实性任务，强调把学习设置到逻辑连贯的、有意义的问题情景中，通过学习者的自主探究和合作来解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力[5-6]。

另外，团队精神是现代社会不可缺少的力量，是大局意识、协作精神的集中体现，它反映一个人与别人合作的精神和能力。团队学习是团队成员之间的互动学习行为，是互相配合、取长补短，密切合作的学习过程，可以锻炼学生的团队精神，并大大激发学生的学习主动性[7-10]。因此我们把团队学习的优良模式和PBL教学方法引入到操作系统课程的教学中，尝试改善传统操作系统的枯燥模式，增强学生学习的积极性，改善学生课堂表现，进而提高学习效率和学习效果。

1 “团队式”教学模式的实施过程

1.1 基于PBL的教学过程设计

PBL教学法强调以问题为学习的起点，学生的学习内容是以问题为主轴进行架构，本部分以操作系统课程的重要知识点之一：进程同步，阐述PBL教学方法的实施过程[11-12]。

1.1.1教学目的

进程同步是进程管理的最重要的概念，包含的重要知识点有：① 进程同步的必要性；② 进程同步的基本思想；③ 锁机制、睡觉与叫醒、信号量机制提出背景、基本原理和特点。

基于PBL的教学方法的目的可以描述为：结合教学过程中的重要知识点，将课堂教学过程设计为“教师提出问题，学生主动思考，最终共同解决问题”的良性互动过程，最终使学生扎实掌握重要概念和知识。

1.1.2教学过程设计

在学习这部分内容时，我们结合以下几个问题来进行：① 为什么需要进行进程同步？② 进程同步的基本思想？③ 锁机制的基本思想及使用局限性。④ 睡觉与叫醒机制的基本思想及使用局限性？⑤ 信号量机制的提出背景、基本思想及实现。

教师需要提前布置学生进行预习和思考，在进行教学过程设计时可首先向学生提出第一个问题，为什么需要进行进程同步？经过预习小组成员已经具备预备知识，引导他们思考由于进程的异步性，导致进程执行结果的不可再现性，而这种执行结果的不确定是编程人员不希望看到的，所以有必要控制进程的执行及执行顺序，这就是引入进程同步的必要性。

此时，教师再自然的提出第二个问题，如何进行进程同步？并结合一个生活中的简单实例-金鱼喂养问题来引导学生思考解决方案。

问题定义：Tom和Jack同住一室，想共同喂养金鱼，金鱼必须保证每天喂一次并且只喂一次，以保证鱼既不能被饿死也不能被撑死。

这个贴近生活的实例会立刻引起大家的兴趣，小组成员自由讨论后会发现原始方案存在漏洞，鱼有可能被撑死，小组成员继续讨论提出可能的解决办法，比如可以让每个人在喂鱼之前留纸条，告诉对方自己将会检查鱼缸并在需要的时候喂鱼。还有小组同学思考后会提出反例，证明这种做法会有特殊情况出现，鱼仍然会有可能被撑死。于是大家继续想办法，改变留纸条和检查纸条的顺序，经过一番争论证明，这种方法鱼不会被撑死，但有可能被饿死；于是大家继续补漏洞，如果留了纸条的情况下，必须选择某个人来喂鱼，直到确认鱼被喂了才可以离开。至此，大家似乎认为问题解决了，鱼既不会被撑死，也不会被饿死，但是大家感觉很累，证明这个问题的正确性需要花很多时间，而且从程序编写上发现代码不对称，也很丑陋。

这时候，教师要在大家讨论结果的基础上及时总结，我们之前的办法之所以解决不好金鱼喂养的问题是因为我们始终站在比较低级的层面上，希望通过调整代码的执行次序来解决进程同步，但程序执行过程中的进程穿插是难以控制的，所以导致这种局面。于是自然地提出我们是否可以提升关注的级别，不要只是在代码级打转，我们把抽象的层次提升到对代码组的控制，给代码组上锁。在这个过程中，教师还须适时地引导学生掌握临界资源是导致出现进程异步性的临界区，要保证进程同步应从对临界区的同步机制入手，通过总结，学生大致可以总结出：如果临界区没有进程，允许一个进程立即进入临界区；当一个进程已经进入临界区，其他试图进入临界区的进程必须等待；但是这种等待还需保证是有限等待，以避免出现“死等”；而不能进入临界区的执行进程应放弃CPU执行权。从而因势利导，教师总结出进程的4个同步机制：空闲让进、忙则等待、有限等待和让权等待。通过讨论，连带把基本概念进行讲解。学生会不知不觉中加深对知识的认识和理解。

接着，教师提出第三个问题，锁机制如何实现同步，小组成员会结合锁实现同步的两个操作lock和unlock，利用到金鱼喂养问题中进行尝试，发现确实可以解决进程同步问题，而且简单美观。然后我们再从4个同步机制原则引导学生发现锁机制的局限性，锁不能解决让权等待问题，锁存在着繁忙等待弊端。

于是，教师引出另一个生活中的实例:自动售货机，自动售货机不能容忍繁忙等待，由自动售货机的操作流程，提出第四个问题，如何优化进程同步机制，解决繁忙等待，小组成员会提出不同的解决方案，如能否在消费完商品时向送货人员发消息等。这时，向学生引入睡觉与叫醒机制，并结合操作系统中经典的生产者与消费者问题，介绍睡觉与叫醒机制的解决方案。通过代码分析，再次引导学生发现生产者与消费者问题中存在的致命竞争，商品计数变量未受保护，可能造成死锁，而这种死锁的产生是因为睡觉与叫醒机制所发送的信号由于只发一次有可能造成丢失。这时候自然大家就想到，是否能把信号收集起来多发几次。

由此解释了信号量机制提出的背景，信号量既是把信号累加起来的机制，并自然引出第五个问题，信号量机制的基本思想？以及信号量机制的基本操作，引导学生用PV操作解决生产者消费者问题。

至此，小组成员通过思考和讨论教师提出的问题，理清了进程同步的相关概念、每一种同步机制的提出背景、局限性并理清了几种同步机制的发展历程，通过这种联系与发展的观点来学习进程同步基础知识，更容易建立这些概念之间的联系，有利于学生深入掌握操作系统基本概念和原理。

1.2 基于PBL的“团队式”教学模式的实施过程

1.2.1自由分组

团队分组要按照自由组合的原则，给出基本分组原则后由学生根据个人意愿进行组织，每组人数以4～6人为宜，特殊情况也允许个别的少数人小组。自愿组织的小组成员相处比较融洽，学习成绩的优劣差别有利于发挥团队的凝聚力[13-14]。每个组选举一个组长，组长负责本组成员的人员组织、任务分配、组内协调等工作。

1.2.2以小组为单位考核

学生分组后，以小组为单位考核。每个学生课堂上的表现，代表的是本组的表现，根据问题回答的优劣给予小组不同的成绩。同时，小组的成绩也是每个组内成员的成绩。这样，不管组内如何分工，但最终每个同学都需要掌握基础知识，否则自己的表现会影响到组内其他人的成绩，同时也使得每个同学都会建立集体意识和大局意识，组内成员必然会加强沟通交流，学习好的同学会主动帮助学习一般的同学，学习一般的同学也会有压力去认真努力，主动向其他同学学习，大家一起沟通讨论、团结合作，从而形成一种积极向上的主动学习氛围。

小组考核内容除了课堂讨论表现，还考虑课堂纪律、课堂出勤、作业上交、课堂讲解及实验内容[15]，见表1。每个同学的表现直接影响到所在小组的成绩，另外，教师还组织学生进行角色互换，由小组学生来讲解ppt，教师进行过程控制和点评，进一步培养学生学习的主动性和思维表达能力。学生最终的考试成绩为：最终成绩=期末卷面成绩×60%+所在小组成绩×40%，这种考核方式从一定程度上也督促了课程出勤率及学生的主动学习意识、团队大局意识。

表1 考核计分内容(加减分值)

1.2.3小组管理

小组长一般由组内成员推选出威信度相对较高的同学，学生分组后，由组长负责协调小组成员，分配具体任务，调动组内成员积极性。不同成员的个性、兴趣、能力差异由组长负责总体平衡管理，比如成绩优良的同学负责主要学习内容的融会贯通；成绩一般比较活跃的同学负责搜集资料，组间沟通；动手能力较强的同学负责编程实验，组内成员各取所长，都能在组内找到适合自己的角色。

2 基于PBL的“团队式”教学模式的分析

2.1 对教师的要求

在基于PBL的“团队式”教学模式中，教师担负着总体掌握进度、正确引导学生的重要角色，对教师也提出了较高的要求。① 从内容组织上，要结合课时要求和课程内容，选择合适的章节开展课堂讨论；② 要求教师熟练掌握课程知识，把握重点和难点，善于对课本知识进行扩展，具备举一反三的能力；③ 统筹考虑采用何种方式引导学生展开课堂讨论，既要活跃课堂气氛又要及时把握课堂时间和课程进度。④ 严格按照考核内容进行小组考核，在期末考试中要有具体体现，不要流于形式影响学生积极性。

2.2 效果分析与改进措施

操作系统课程本身的理论性、综合性较强，传统的填鸭式教学阻碍了学生的学习积极性，因此改进教学方法，提高学生的主动学习意识非常重要。基于PBL的“团队式”教学模式是我们正在探索的一种改进模式，通过在前面的教学实践证明，这种教学模式从提高学生出勤率、变被动为主动学习、改善课堂气氛、提高团队合作意识等方面克服了传统教学的种种弊端，是进行教学创新的有效途径之一。同时，通过这种教学模式的实践，我们倡导团队学习，培养了学生的团队意识，学生意识到每个人的力量是有限的，利用团队力量可以优势互补共同完成更加复杂的任务。所以课堂之外，同学往往会形成比较固定的小团队，一起参加大学生创新项目、参与挑战杯竞赛、参与教师科研项目、准备考研复习等，在各类赛事及科研项目的锻炼中进一步提高能力和主动学习意识，对于培养学生的综合素质和创新能力具有非常重要的意义。

当然，在教学实践过程中，我们也发现了一些问题，比如课堂讨论容易造成课程进度拖后，小组内部分同学存在“打酱油”现象等，我们也采取了部分改进措施，比如精选课程内容减少较大规模的课堂讨论(1课时之内讨论)，舍弃部分不是很重要内容的课堂学习，改为课后自学；小组成员角色互换，回答问题及讲解增加组内平时表现一般的同学的比例，通过促进优秀同学对后进同学的责任心，增加后进同学的学习压力等规避这些问题。在后续的教学实践中，我们会继续进一步优化措施，获得团队学习的最大效果。

3 结 语

通过团队式教学模式的实践，发现不仅改善了学生对专业课程的学习热情，而且对学生综合素质的提高也具有重要意义。当代大学生基本都是90后，普遍优越的家庭条件和社会环境的影响，形成了这代大学生的时代共性，他们张扬个性，过于强调个人能力；他们思想活跃，但又缺乏吃苦精神；他们抱负远大，却又缺乏韧性和意志。基于PBL的“团队式”教学模式使学生在共同学习的过程中锻炼自己的表达能力，认识到个人能力的局限性，培养团队集体意识，学会与他人沟通交流，在互相提高的过程中锻炼自己的韧性、耐力和合作精神，逐渐从形式上的合作过渡到实质性的合作，提高学生的总体综合素质，为将来走向社会打下良好的基础。

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