基于知识发现的探究式操作系统课程教学分析

摘要：为了提高操作系统课程的教学效果，培养学生的创新能力，提出了基于知识发现的探究式操作系统课程教学模式。依据知识发现的过程，采用探究式的教学方法，学生能够投入到课堂教学中，在理解操作系统基本原理的基础上锻炼和培养了自己分析问题、解决问题的能力。教学实践证明，该教学模式能够提高操作系统课程的教学质量，培养学生的计算思维能力。

关键词：知识发现；探究式；操作系统；教学模式

作者简介：曾宪权（1970-），男，河南罗山人，许昌学院信息工程学院，副教授。（河南 许昌 461000）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0104-02

操作系统是计算机硬件层上的第一层软件，是现代计算机系统中最核心的基础软件。操作系统的作用是对计算机系统进行统一的调度和管理，提供各种强有力的系统服务，为用户创造既灵活又方便的使用环境。操作系统是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要得到操作系统提供的服务。操作系统质量的好坏，直接影响整个计算机系统的性能和用户对计算机的使用。为了更好地使用计算机系统，了解操作系统的内部工作原理是很有必要的，因此，目前国内外高校均把操作系统课程作为计算机及其相关专业的核心基础理论课程。操作系统课程不是讲授如何使用操作系统，而是深入操作系统内部，理解操作系统如何工作的，介绍现代操作系统的基本理论、内部算法及其数据结构以及现代操作系统设计过程中的问题、解决方案和折中权衡思想。

操作系统课程教学的目标是通过学生对计算机深层次理论的理解，建立系统、完整的计算机专业基础理论体系，培养学生初步的系统分析与设计能力以及计算思维、逻辑推理和实践动手能力，增强学生大型系统软件的开发能力，从而为学生以后的学习和工作奠定坚实的理论基础。但是操作系统课程内容体系繁多，涉及计算机软硬件的相关知识，理论性强，内容抽象，学生理解起来有一定难度，因而，学生学习兴趣不高，教学效果不理想，没有达到培养学生创新能力的教学目标。学生学完操作系统后不能深刻地理解操作系统的本质，也不能在实际应用中使用操作系统课程中所学知识和操作系统本身所提供的功能来解决实际问题。因此，探讨和研究操作系统课程教学模式和教学方法，提高操作系统教学的质量和效果是摆在高校操作系统课程教师面前的一个亟待解决的问题。

一、操作系统课程教学研究现状

由于操作系统课程理论性强，内容较为抽象，因此，目前的操作系统课程教学仍然采用传统的“灌输式”课堂教学模式。这种教学模式主要存在以下问题：一是教学方法和手段较为單一化，知识传输单向化，学生被动接受，教学效果不理想。二是教学内容陈旧过时，知识更新缓慢，难以与当前飞速发展的计算机理论和前沿技术保持同步，教学内容落后于该领域最新的研究成果与技术应用背景。三是理论与实践脱节，缺乏设计性、综合性实验以及项目设计，忽略了对学生创新能力和工程实践能力的培养。

针对操作系统教学的现状，国内许多专家和学者从不同的视野对操作系统课程教学进行了研究和探索。罗宇结合国防科大操作系统国家精品课程建设的经验，提出了因材施教的操作系统教学方法。针对学生特点采用不同教学方法、考核评价方法。通过提出问题，引导学生思考解决问题的办法；在批判式讲解比较简单算法的基础上，让学生找问题并进行算法改进。[1]杨柳探讨了基于CDIO教学理念的操作系统教学改革与实践，提出了以实践教学和项目设计为核心，课堂教学采用启发式的双语教学的多方位教学模式；[2]赵正德从教材的选用、教学目标和教学内容的确立以及教学方法和教学手段等方面对操作系统课程教学进行了改革；[3]胡一之针对操作系统课程难教难学的现状，探讨了如何调动学生学习的积极性，提高操作系统教学质量的方法；[4]金海东等以操作系统中进程同步与互斥问题为实例，探讨了如何从学习者的角度设计循序渐进的教学内容；[5]左万历介绍了采用多角度教学模式来提高学生对操作系统知识的理解掌握。[6]这些研究对操作系统课程教学方法进行了有益的探索和实践，在一定程度上提高了操作系统教学的效果和教学质量。

在深入研究操作系统教学现状的基础上，根据操作系统课程的地位以及教学目标，笔者提出了基于知识发现的探究式操作系统课程教学模式。通过设置问题，引导学生去探究和发现知识，进而提出相应的解决方案，然后与课本上解决方案进行比较，进而理解和掌握所学知识。教学实践证明，这种教学方法与传统的灌输式教学方法不同，通过对学生发现知识过程的引导，培养学生分析和解决问题的能力，从而达到培养学生创新能力的目的。

二、基于知识发现的探究式操作系统课程教学设计

1.基于知识发现的探究式教学的内涵

基于知识发现的探究式教学方法是指在教学活动中，尊重学生的思维模式和认知规律，将知识和知识发现结合起来，从实际问题出发，引导学生分析问题，找寻求解思路，引出问题所涉及的知识点，然后围绕问题讲解知识点，最后解决问题，同时建立起求解同类问题的模型，能够举一反三，达到迁移知识的目的。图1给出了基于知识发现的探究式教学的教学过程。

基于知识发现的探究式教学方法是融教育学、心理学、认知学为一体的综合性教学方法，也是融案例教学法、问题教学法、启发式教学法、讨论式教学法为一体的综合性教学方法。在这样的教学模式中，“教”和“学”的互动更紧密：教师提出问题，引发学生积极思考问题。教师留给学生一定思考时间，引导学生步入正确的思考方向。学生尝试从问题中剥离知识，教师在此基础上剖析问题，发现知识，修正学生建立的问题求解模型，最后总结知识点，举一反三，提出进一步的思考，引出下一个问题，层层推进。

2.基于知识发现的操作系统教学设计

操作系统主要从资源管理的角度介绍操作系统设计与实现中所用到的概念、原理与技术，内容广泛，与计算机软硬件的发展有着密切联系，对学生理解能力和逻辑能力提出了更高的要求，[7，8]传统的教学模式不能取得良好的教学效果。因此，笔者提出了基于知识发现的操作系统课程教学模式，将知识的传授过程和知识发现有机结合，培养学生的创新能力。

在讲解操作系统发展历史的时候，按照手工操作阶段——管理程序阶段——多道批处理阶段——实时系统和分时系统阶段——操作系统进一步发展的顺序讲解每一种操作系统的类型。在讲解每种操作系统类型的特点时，首先让学生分析该操作系统的优点和缺点，然后提出解决前一种操作系统不足的解决方案，进而引出下一个类型的操作系统。最后，让学生思考操作系统为什么是现在这个样子，发展的原因是什么。通过这样的一系列问题的解决过程，学生不仅回顾了计算机的发展历史，建立了计算机系统整体框架，也明白技术的发展的动力来源于用户的需求，从而形成了以用户为中心的理念。

进程是现代操作系统中的一个核心概念，进程管理是现代操作系统的一个基本功能，其性能的优劣直接影响整个系统的性能。在学习进程管理内容时，通过分析并发程序执行的过程，引导学生分析并发程序执行的条件以及特点，探讨程序这个概念能否准确描述程序的运行过程，进而引出进程的概念，分析其特点，提出下一个问题“如何准确描述进程在不同时刻的情况”，引出进程的状态概念。在理解进程概念的基础上，提出问题“系统如何管理并发进程”，从而引出进程的组成、控制和管理、调度等一系列进程管理问题。在讲解这些问题的过程，要注意总结和分析学生提出的解决方案与课本解决方案的差异，帮助他们理清知识脉络。通过积极思考，参与课堂教学，提出解决方案，学生不但理解了进程的相关知识，也锻炼和培养了学生的创新思维能力。

在学习存储管理时，在教授学生计算机系统层次存储结构和内存结构的基础上，让学生提出一种解决并发程序内存分配的策略，引出分区分配技术，并组织学生分析分区分配存在的问题以及原因，提出解决方案——离散分配，引出分页存储管理技术以及分段管理技术。在介绍了常规内存管理技术时，通过总结常规内存管理技术的不足，引出虚拟内存概念，展开虚拟内存的教学。在讲授文件管理时，在介绍了文件的基本概念后，提出问题“文件如何存在计算机磁盘上”，引导学生通过磁盘的结构以及内存管理的技术找出自己的解决方法，然后教授教材中的解决方法，在讲解的过程中注意分析与学生解决方法的差异性。在介绍文件目录和空白空间管理技术时，也可以通过提出问题引导学生探究式学习。

总之，在操作系统课程的教学过程中，采用知识发现的探究式教学方法将知识与知识的发现过程融合在一起，在传授知识的同时将知识中蕴含的思想、思维和技巧同步传输给学生，学生能够融会贯通，完成知识的迁移，自觉地运用所学知识来解决实际问题，不但掌握操作系统的相关知识，也能够综合其他计算机知识，创新意识和创新能力有所增强，达到了操作系统课程的教学目标。

三、基于知识发现的探究式操作系统课程教学的实践

当然，为了更好地实施基于知识发现的探究式操作系统教学，需要改革传统的操作系统教学模式，优化课程教学内容，建立立体化的教学资源库，提供丰富的共享资源引导学生从理论和实践上去探讨操作系统的奥秘。除此之外，还要改革操作系统课程的考核方式，建立了面向实践和实用的考核体系，重点考查学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力。

从2007年开始操作系统校级精品课程建设以来，课题组老师根据课程的教学目标，合理选择课程内容，改革课程教学方法，正确运用基于知识发现的探究式教学模式，取得较为理想的教学效果。第一，学生积极参与课堂教学，课堂气氛活跃，体现了以学生为主体，教师为主导的构建主义的教学要求，提升了学生的自主学习能力。第二，学生的计算思维和实践能力有了明显提高，能够自觉运用知识解决实际问题，促进了后续课程教学效果的提高。第三，学生普遍反映这种教学方式能够帮助他们理解操作系统的基本概念，建立计算机系统整体关键，提升系统程序和大型软件开发能力。第四，近年来学生操作系统课程考试成绩以及研究生入学考试专业课程成绩均有明显提高。许多毕业生反馈这种教学模式对于他们进一步深造和工作都很有帮助。

四、结束语

目前，传统的操作系统教学模式不能满足课程教学的要求，与实际的应用有一定的差距，学生的学习兴趣不高。针对操作系统教学中存在的问题，结合操作系统课程的教学目标，提出了基于知识发现的探究式操作系统课程教学模式，通过设置情景，引导学生去发现知识，进而提出问题的解决方案，再通过总结比较，培养学生分析问题的能力。多年的教学实践证明，这种教学模式提高了课程的教学效果，学生的创新意识和创新能力有了明显的提高。当然，由于计算机领域的新知识、新技术不断出现，在教学模式和教学内容的安排上还需要进一步探索。

参考文献：

[1]罗宇，邹鹏，吴庆波，等.“操作系统”国家精品课程建设总结[J].计算机教育，2009，（14）：39-41.

[2]杨柳，胡志刚，李玺. 面向CDIO的“操作系统”教学改革探讨与实践[J].计算机教育，2009，（14）：24-26.

[3]赵正德，吴绍春，陶永振.“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，（14）：16-18.

[4]胡一之. 调动学生积极性，提高“操作系统”课的教学质量[J].计算机教育，2009，（14）：92-93.

[5] 金海東，徐云龙.“操作系统”课程中进程同步互斥教学研究[J].计算机教育，2009，（14）：60-62.

[6]左万历，赵东范，闫昭.操作系统课程的多角度教学模式探索[J].计算机教育，2011，（12）：103-106.

[7]牛玲，丁新慧.基于任务驱动的操作系统课程教学改革研究与实践[J].周口师范学院学报，2012，29（2）：113-115.

[8]刘晓平，陈欣，李琳，等.面向操作系统课程的“启发—探究式”教学方法初探[J].计算机教育，2011，（2）：50-53.

（责任编辑：王意琴）