《操作系统》教与学模式改革

王星，唐晓亮，陈吉，戴喆

（1.辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，葫芦岛;125105;2.辽宁工程技术大学软件学院，葫芦岛125105;3.辽宁工程技术大学理学院，阜新123000）

《操作系统》教与学模式改革

王星1，唐晓亮2，陈吉1，戴喆3

（1.辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，葫芦岛;125105;2.辽宁工程技术大学软件学院，葫芦岛125105;3.辽宁工程技术大学理学院，阜新123000）

结合自身《操作系统》课程的教与学模式改革的历程，详细分析当前《操作系统》在教和学两个方面存在的问题。在此基础上，提出有关操作系统教与学的四项改革措施。首先，以第一堂课为契机激发学生学习兴趣；接着提出基于全覆盖式提问的讲授方法；然后结合实例深入开展情景式教学；最后把教师的研究方向和研究内容融入到教与学的过程中，使科研服务于教学。以上措施的运用使《操作系统》相关内容真正落地并为学生所掌握，达到此次教与学模式改革的预期目标。

操作系统;教与学;模式改革;全覆盖式提问;学习兴趣

0 引言

人才培养模式改革是教学中的重点和难点，而教与学模式可以认为是人才培养模式具体而集中的体现[1]。要做好人才培养模式改革这篇大文章，首先就要对现有教与学模式进行改革和创新。辽宁工程技术计算机专业积极响应学校对教与学模式改革的指示精神，对《操作系统》课程进行了卓有成效的改革。

《操作系统》[2]是计算机专业的重要核心基础课程之一，对于本科生从总体上领悟计算机知识起着至关重要的作用。而且，操作系统是许多公司、企业笔试面试的主要内容之一，也是许多学校计算机专业研究生入学考试的科目之一。因此，如何让学生认识到《操作系统》的重要性，如何学好《操作系统》成为此次教与学模式改革的重要内容。

1 《操作系统》教与学的现状

《操作系统》是一门硬软结合、更侧重软件的课程。它涉及较多的概念、原理和算法，对教师的教和学生的学带来较大的挑战性。

1.1 教的现状

在多轮的授课中发现，操作系统具有较多的概念和原理，学生们很难在较短的时间将其消化，部分学生只能孤立的理解知识点，无法结合知识点之间的关系来联想记忆。即使是消化了，也很难将其与具体的算法和应用结合起来。在消化的过程中，无法使学生对《操作系统》产生浓厚的学习兴趣。我们还发现，有些学生在学习概念和原理的过程中很难较长时间的集中注意力。此外，《操作系统》的实践环节还偏薄弱，多数学生觉着能把每个章节的算法实现一遍就不错了，很难在课程结束的时候做出一个较为完整的简单操作系统。此外，科研应该服务于教学，把教师的研究方向融入相应的章节中会使授课内容更加充实，更加丰满。

如何把知识点讲透并使概念、原理落地，重视实践，通过什么的方法使学生们对《操作系统》产生浓厚的学习兴趣，怎么才能在授课过程中使学生们保持较长时间的关注度，如何把教师自己的研究方向与操作系统中的内容结合在一起等成为教的过程中需要解决的问题。

1.2 学的现状

在学习该课程之前，经过调研和提问发现，学生们对操作系统的了解仅限于知道操作系统是系统软件，包括一些常见的图形界面接口，对诸如操作系统的功能包括哪些，操作系统能起什么作用知之甚少。机械式记忆概念和原理，无法做到融会贯通。特别是在结合课后题理解知识点的过程中，有些学生甚至认为操作系统是一门背诵的课程。在学习概念原理的过程中，学生们很难保持长时间的集中精力，走神现象时有发生。此外，当学生们想学习一些跟书本知识相关的更为前沿的内容时，不知如何下手。

学生们怎么才能对操作系统产生学习兴趣，怎么在上课过程中提高学习效率，如何才能学习到更多的相关知识是学这个过程中急需解决的问题。

2 改革措施

2.1 激发学生学习兴趣

科学巨匠爱因斯坦说过：兴趣是最好的老师。对一门课程感兴趣与否直接影响教与学的进程和效果。如何激发学习兴趣成为教与学改革中非常重要的一环。此次改革主要采取了以下四项措施：

（1）上好第一堂课，为以后教与学打下坚实基础。学生能否对操作系统课感兴趣，第一堂课很重要，教师的授课内容和技巧显得尤为重要。首先，在PPT上给学生们呈现出多个操作系统标志（包括微软、谷歌、小红帽、乌班图、安卓、苹果等），吸引学生们注意力和兴趣，让学生们适度讨论并举手回答；然后，对于学生们不太熟悉的操作系统进行历史讲解；最后，鼓励学生们在自己的机器上安装乌班图和小红帽，能够调试程序后给全班同学讲解使用感受。

（2）把如何学操作系统和要达到的层次阐述明白[3]。首先，让学生认识到操作系统的重要性：没有操作系统，人们操作裸机的困难性是可想而知的。接着，讲解好基础课程、理论内容（原理性内容等）、实践（包括实验和综合实训）三个方面的关系，让学生在学习的不同阶段各有侧重；最后，把牢记概念与原理、熟练运用命令以及编写简单操作系统作为学好操作系统的三个档次，让学生们在学习中树立好短期目标和长期目标，并分阶段加以实现。

（3）在思想上适度弱化学习操作系统的难度。在教与学过程中，随着知识点的讲解，展示一些往年的考研题，深度分析考点和出题人思路，让学生对操作系统有主观认识：学好它不是非常困难的事情。

（4）采取一定的奖励或激励措施，进一步激发学习兴趣。在平时成绩中，增加上讲台展示操作系统使用感受、程序编写过程、知识点讲解等方面的加分奖励。让同学们养成自发学习操作系统的习惯，并长期坚持下去。

2.2 采用全覆盖式提问

全覆盖式提问是指随机大范围对与授课内容相关的已学过内容（复习）和待学内容（预习）进行提问。全覆盖式提问有三个特点：（1）知识面的覆盖性：每次课15-20分钟提问学过的重点和难点；（2）授课过程的覆盖性：每次课从开始、进行到结束的全周期；（3）学生人数的覆盖性：每次课能提问20人左右。一定程度上也节省了点名的时间。此外，在提问的过程中，时刻注意学生的眼神和面部表情，对于多名学生都有疑惑的问题在提问结束后进行再次讲解，达到查缺补漏的目的。全覆盖式提问有助于使学生养成课前复习和预习的好习惯：每次一上课首先回答问题的是上次课没答好的同学强化知识点的记忆：经过教师第一次讲解、学生回答（当学生回答不完全正确时，教师复述）、课后题三个过程使同学们集中精力，紧张起来，提高学习效率；保持良好的课堂秩序；也有助于将章节的知识点之间的联系和区别讲解明白：比如讲到内存连续分配的第四种分配方式重定位时提问：前面学习的章节中有没有涉及到重定位，在哪里？还可以顺带提一下重定向的定义，以做出相似概念的区分。

2.3 情景式案例教学

情景式教学是教与学模式的重要组成部分。它包括创设问题情境，小组讨论并公布方案，师生进行质疑，教师最后总结等几个阶段，有利于学生真正参与到教与学的整个过程中来。下面以同步机制中的互斥问题为例展开阐述。

问题情境：二人同向经过每次仅允许一人通过的教室入口的问题。要求：采用软件方法实现（引导学生使用变量或/和标志位来实现）。

实质：进程Pi与Pj互斥访问某资源的问题。

最终解决思路之一（总结时呈现给学生）：i:小弟，你先过（虚的，其实大哥想先过）；

j:大哥，还是你先过（此时小弟想：大哥想先过，那就让他先过）；

i:那我就先过了（大哥想：这小弟还是比较懂事的）。

实现过程：学生们充分讨论和酝酿之后得出的解决方案包括以下几种：

（1）用变量实现，如设置整形变量turn，先检查再修改。

图1 变量实现

存在的问题：强制轮流进入大门。

（2）设立一个标志数组flag[]：描述进程是否在临界区，初值均为false，同样是先检查再修改。

图2 标志数组实现（先判断再修改）

存在的问题：即在检查对方flag之后和切换自己flag之前有一段时间，结果都检查通过。

（3）设立一个标志数组flag[]：描述进程是否在临界区，初值均为false，先修改后检查。

存在的问题：都进不去。

（4）结合（1）和（3），综合运用 turn和标志数组 flag[]。

图3 标识数组实现（先修改再判断）

图4 变量与数组结合实现

结论：达到了谁先想过谁先过的目的，很好地解决了该互斥问题，实质为“虚假谦让”。

通过该问题情境的设置以及讨论等，最终使学生们非常愉快并深刻理解了互斥问题的解决方法。

2.4 授课内容与研究方向相结合

授课过程中，注重讲授内容与教师研究方向的结合，使学生们感受学科前言知识和发展动态，引导学生进行探究式学习，达到科研服务于教学的目的。下面以内存连续分配中的知识点为例展开阐述。

图5 位置敏感哈希示意图

知识点：内存连续分配方式中用哈希函数建索引来检索空闲块。

铺垫：数据结构中的哈希[4]（即散列），让学生们回忆散列的含义。

讲解知识点：使学生们了解散列在连续分配中的作用和此种连续分配的具体形式。

问题：还有没有其他的哈希？（给学生们布置任务，通过多种检索方法查找相关论文）

引入：数据挖掘和数据分析中的哈希，初步讲解哈希，包括哈希函数的构建和哈希桶呈现方式（如图5[5]所示）以及当前世界范围内研究哈希的两个分支：局部敏感哈希[6]和基于学习的哈希[7]，并指出它们与散列的不同。鼓励学生们重现文献中的相关算法，理解算法的构造机理和优缺点。

此外，在讲课的间歇，介绍教师参加过的学术会议情况（如中国计算机大会CNCC 2016、智能数学与工程论坛2016等），让学生们了解到学科前沿的知识和动态，拓宽学习计算机的视野。

3 结语

《操作系统》是计算机专业的重要专业核心课程之一。本文在分析操作系统教与学现状的基础上，以操作系统教与学模式改革为契机，创造性提出全覆盖式提问，采用激发学生学习兴趣，开展情景教学，把教师的研究方向和研究内容与教与学的内容相结合等四项措施，使《操作系统》的内容真正为学生所接受和掌握，并达到以科研促教学，让科研为教学服务的目的。改革过程所采用的这四项措施在教学环节中发挥了较好的作用，得到了学生的认可，并被认真执行，同时改革措施被学院部分同事积极采纳。未来工作方面，我们将遵循“抠细节，以小看大；抓实践，举重若轻”的中心思想对操作系统课程进行更加深入的教与学模式改革。

[1]周洁贞.三种教与学模式改革的实践探索[J].新疆广播电视大学学报,2004,7(24):1-5.

[2]汤小丹,梁红兵等.计算机操作系统(第四版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014.

[3]晏杰.《计算机操作系统》教学的改革[J].现代计算机,2007,49-51.

[4]严蔚敏,吴伟民.数据结构(C语言版)[M].北京:清华大学出版社,1997.

[5]LSH算法原理.http://blog.csdn.net/fuyangchang/article/details/5631547.

[6]A.Andoni and P.Indyk.Near-optimal Hashing Algorithms for Approximate Nearest Neighbor in High Dimensions[J].Communications of the ACM,51(1):117-122,2008.

[7]J.Brandt.Transform Coding for Fast Approximate Nearest Neighbor Search in High Dimensions[C].Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition,1815-1822,2010.

Abstract：

Combined with the process of teaching and learning model reform on Operation System course,analyzes the questions of teaching and learn⁃ing in details.Based on the above,proposes four reform measures of Operation System course.Firstly,with the help of the content of the first class,stimulates students'learning interest.Secondly,proposes a method which is called full cover questioning.Thirdly,combining samples,carries out situational teaching.Finally,blends the research directions and content into teaching and learning,which means that scientific research can serve teaching and learning.Applies the four measures above in the process of teaching and learning,which achieves the aims of the teaching and learning model reform.

Keywords：

Operating System;Teaching and Learning;Model Reform;Full Cover Questioning;Learning Interest

Reform on Teaching and Learning Model of Operating System Course

WANG Xing1,TANG Xiao-liang2,CHEN Ji1,DAI Zhe3
（1.School of Electronic and Information Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105 2.School of Software,Liaoning Technical University,Huludao 125105；3.School of Science,Liaoning Technical University,Fuxin 123000）

1007-1423（2017）18-0016-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.004

国家自然科学基金项目（No.61402212、No.61401185）、辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目（No.LJQ 2015045）、中国博士后基金面上项目（No.2016M591452)、辽宁省自然基金面上项目（No.2015020098)

王星（1983-），男，山东泰安人，博士，副教授，博士生导师，研究方向为数据分析、智能数据与知识工程等

唐晓亮（1980-），男，辽宁阜新人，博士，讲师，研究方向为机器学习等

陈吉（1981-），女，山东临沂人，工程师，研究方向为数据挖掘与数据分析

戴喆（1979-），男，辽宁阜新人，讲师，研究方向为知识管理

2017-04-10

2017-06-18