比较教学法在操作系统教学中的应用与实践

摘要:针对操作系统课程相似概念难懂、易混淆所造成知识点之间产生负迁移的问题,本文提出将位于不同层次、不同模块的相似知识点放在一起进行比较的教学方法。从课程教学内容中选择出涉及系统功能、设计技术、存储资源管理、安全保护和硬件支持等五个方面的典型相似概念、算法和技术,结合讨论式和启发式等多种教学方式,分辨其异同,分析其联系,使学生从整体上把握操作系统的结构原理和设计技术,教学实践表明其教学效果很好。

关键词:操作系统;比较教学法;正迁移;教学研究

操作系统对计算机系统资源实施全面管理,是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口,被公认为计算机系统中最重要的核心软件。因而,操作系统课程是计算机类专业知识体系的重要组成部分,一直被ACM/IEEE列为计算机专业的主干课程之一[1],并在计算机专业软、硬件课程的设置上,起着承上启下的作用。

操作系统的发展过程,是计算机专业人员在应用需求的驱动下,基于计算机体系结构和硬件技术最新发展,不断提出和设计新的理论、技术、结构和算法,使操作系统在功能、性能、安全保护方面不断增强,而用户接口变得日益方便的过程。操作系统涉及的基本概念多、密度大、抽象,对与下层硬件相关的背景知识要求高,专业术语涉及的知识面广,给课程教学带来困难。在教学过程中,教师采用包括比较教学法在内的多种教学方法[2-3],通过对现有设计方法的评价和分析,发现问题,引出改进措施,提出新方法,并进行新旧方法的对比,来建立知识点间的联系,更好地促进知识的正迁移。

然而,由于很多名称相似的概念分布在课程知识体系不同的层次和位置,容易给学生思维造成混乱,使知识点之间互相产生负迁移,致使一些重要概念和技术的实现思想难于理解,导致课程知识的整体结构

难以为学生所把握。

本文提出将位于不同层次、不同模块,具有共同属性的概念、算法和技术进行比较,分析其属性同异、性能优劣、关联模式,进而揭示各自的本质特征,鉴别形同质异的概念,以获得对操作系统理论及其设计技术的规律性认识,从整体上把握课程的知识结构。

1比较教学法及其实施过程

根据文献[4],比较教学法是指在一定的条件下,将教学活动中的两个或两个以上的认识对象,按照某种标准进行对照比较,以确定认识对象属性的同异、地位的主次、作用的大小、性能的优劣、关联的模式或问题的难易,以达到辨识、了解和把握认识对象本质特征的一种方法。比较教学法包含比较对象、比较标准、比较方法和比较结果四个要素。

比较教学实验的实施可按以下步骤进行。

(1) 制定教学目标。根据教学实际存在的问题和解决设想,明确要达到的教学目标。

(2) 选择比较对象。根据教学目标,可选择的比较对象有:两个或两个以上处于同一层次或同一类别事物,处于不同层次或不同阶段的事物,相类似易混淆的概念,具有共同属性存在相互关联关系的对象。

基金项目:广东省本科高等教育改革立项项目(BKJG200756)。

作者简介:徐钦桂(1967-),男,副教授,研究生,研究方向为计算机信息安全和计算机性能评测;杨桃栏(1945-),男,教授,研究方向为系统软件和编译技术。

(3) 确定比较内容。包括各对象的共同属性、特殊属性、属性值的差异、对象间关联模式、对象使用场合和优劣评价等。

(4) 实施比较教学。使用比较教学法不能直接公布全部比较结果,而应创设不同情境,逐步给出暗示线索信息,结合问题驱动、启发式、课堂讨论和类比等教学方法,启迪学生进行思考和分析,探寻辨别比较对象,从多个方面、多个角度鉴别对象的本质属性,并总结出规律性的认识。

(5) 评价和总结。通过评价,把对学生及其行为的认识和教师的情感倾向,自觉或不自觉地传导给学生。通过正面评价增强学生学习的自尊心和自信心,提高学习积极性。对成绩较好的学生,可以提些稍难的问题,在表扬的同时要指出其不足,以防止产生骄傲情绪。应有效利用评价方法,捕捉学生学习的闪光点,多表扬、少批评,多肯定、少否定,使每个学生在一种既轻松愉快又热烈紧张的状态下,以最佳状态进行学习。

比较教学法不但在英语等文科课程中被广泛使用[5],还在数据库和程序设计等计算机课程中取得了成功应用[6-7]。

2比较教学法用于操作系统教学

本节以让学生从整体上理解操作系统工作原理和设计技术为目标,针对教学过程中遇到的难懂概念和设计技术不易理解的问题,基于已有知识和计算机使用经验,从多种角度对其进行比较和分析,通过多种教学方法相互渗透,使学生能清晰地辨别相似知识点的异同点,以从整体上把握操作系统的知识体系。根据教学实践,笔者认为应从系统功能、设计技术、存储资源管理、安全保护和硬件支持等五个方面对容易混淆的概念、属性、技术、算法和机制进行比较。

2.1系统功能的类比分析

操作系统的模块结构和模块功能是必须掌握的知识点,从计算机系统构成和按功能划分模块的原则,容易理解操作系统应由处理器管理、内存管理、设备管理、文件管理和用户接口五大功能模块构成。用户接口模块的功能较易理解,前四个功能模块各对应一类系统资源的管理,可抽象成资源分配、资源回收和资源使用等功能属性,对应于各模块的具体功能可依据已有知识和计算机使用经验的回顾得到,如表1所示。

表1操作系统功系统功能

模块功能资源分配与回收资源使用

处理器管理处理器调度进程控制、进程同步、进程间通信

存储器管理内存分配与回收地址变换、内存保护、内存扩充

设备管理设备分配与回收缓冲管理、设备控制与操作、设备驱动、设备中断处理等

文件管理磁盘空间分配与回收目录管理、文件操作、文件保护

2.2设计技术的比较与评价

根据课程组多年教学实践经验,我们认为课程基本知识体系中较难掌握的知识点包括处理器调度、缓存缓冲和虚拟化技术等。为讲授有关技术,教师必须通过类比和生活实例等方法让学生理解操作系统的一个重要设计原则是操作系统在满足应用需求的条件下,应尽可能提高资源利用率,降低管理开销,并以此作为比较和评价设计技术优劣的标准,还应据此进行算法和技术的改进。

2.2.1处理机调度

我们可在学生已经理解作业和进程状态转换关

系的基础上,采用比较和图示方法使学生理解三级调度的功能及管理关系:作业调度将作业装入内存,并为之创建进程,为处理器分派做准备;进程调度将处理器实际分派给进程使用,使程序代码获得实际运行的机会;交换调度是为提高内存利用率,将暂时不具备执行条件的进程代码和数据交换到外存上,以腾出内存空间给具备运行条件的进程使用。

在理解分级调度概念基础上,对多种处理机调度算法进行比较和评价,比较标准包括算法提出背景、优缺点、适用场景、改进方向等,如表2所示,可帮助学生较完整理解不同调度算法的特征。

表2处理机调度算法

调度算法提出背景优缺点适用场景改进方向

FCFS日常生活排队规则算法简单,但对短作业不公平与其他算法配合允许部分作业优先执行

短作业优先解决FCFS中的问题吞吐率高,但长作业可能饿死负荷较小的应用给长作业允许机会

响应比高者优先适当照顾长作业兼顾长短作业,但不灵活负荷较大场合改进调度策略

轮转法交互作业需求兼顾长短作业,未区别紧迫性分时系统与优先级算法结合

多级反馈队列满足多种应用需求动态优先级+轮转调度应用广泛按应用需求设计算法