胡艷華，崔亞楠，倪志平

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院 電氣與計(jì)算機(jī)工程系，廣西 柳州 545616）

獨(dú)立學(xué)院操作系統(tǒng)課程實(shí)例化教學(xué)的探索與實(shí)踐

胡艷華，崔亞楠，倪志平

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院 電氣與計(jì)算機(jī)工程系，廣西 柳州 545616）

從獨(dú)立學(xué)院對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合獨(dú)立學(xué)院的轉(zhuǎn)型發(fā)展，針對(duì)其課程特性，提出一種實(shí)例化教學(xué)方法，通過(guò)列舉現(xiàn)實(shí)生活的形象例子來(lái)類比操作系統(tǒng)的抽象概念，闡述如何在講授過(guò)程中引入模擬游戲、創(chuàng)設(shè)情景、案例驅(qū)動(dòng)、類比教學(xué)等多種教學(xué)方法，旨在引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其專業(yè)學(xué)習(xí)自信心。

操作系統(tǒng)；實(shí)例化教學(xué)；教學(xué)探索；實(shí)踐

0 引 言

獨(dú)立學(xué)院是普通高校與社會(huì)力量合辦的本科學(xué)院，其辦學(xué)性質(zhì)決定了其培養(yǎng)目標(biāo)為復(fù)合應(yīng)用型人才。如今，社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求不斷加大，合格的應(yīng)用技術(shù)人才需求缺口在急速增大。在此背景下，如何以獨(dú)立學(xué)院轉(zhuǎn)型為契機(jī)，不斷加強(qiáng)獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系的改革，開展教學(xué)方法的研究及改進(jìn)，從而切實(shí)提升IT專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量的要求尤其迫切。

1 操作系統(tǒng)知識(shí)的抽象性概述

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有軟、硬件資源，同時(shí)是用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口[13]，充當(dāng)管家和服務(wù)生的雙重角色，是計(jì)算機(jī)中既復(fù)雜又核心的軟件系統(tǒng)。對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)是一門重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，一般在大三第一學(xué)期開設(shè)，該課程的內(nèi)容理論性強(qiáng)、原理多且抽象。教師在講授這門課程時(shí)，若直接講授抽象概念，不便于學(xué)生理解、掌握與應(yīng)用。學(xué)生也無(wú)法像學(xué)習(xí)程序語(yǔ)言那樣，通過(guò)編寫代碼、得到運(yùn)行結(jié)果而獲得直觀的學(xué)習(xí)效果，學(xué)習(xí)起來(lái)較枯燥無(wú)味，我們通過(guò)對(duì)高年級(jí)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)該課程的理解、掌握及應(yīng)用效果欠佳。如何把枯燥、抽象的學(xué)習(xí)過(guò)程變得有趣并易于理解，是非常值得思考與研究的課題。

2 實(shí)例化教學(xué)

實(shí)例化教學(xué)法由哈佛大學(xué)提出的案例教學(xué)法發(fā)展而來(lái)，采用與傳統(tǒng)講授方法相反的教學(xué)思路[4]，即“實(shí)例、概念、理論”模式。該教學(xué)方法從形象、生動(dòng)的案例人手，由下而上深人剖析相關(guān)理論和概念，易于學(xué)生接受，往往能取得非凡的教學(xué)效果，近年來(lái)，該方法在國(guó)內(nèi)外教學(xué)改革中得到廣泛應(yīng)用[5]。筆者結(jié)合操作系統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中引人實(shí)例化教學(xué)，通過(guò)引人現(xiàn)實(shí)生活的具體實(shí)例，與操作系統(tǒng)的抽象概念和原理進(jìn)行類比，闡釋這些概念和原理，加深學(xué)生的理解，取得了較好的教學(xué)效果。

3 操作系統(tǒng)課程的實(shí)例化教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)程概念的實(shí)例化教學(xué)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[6]對(duì)進(jìn)程的基本概念以及3種基本狀態(tài)部分進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹，但是直接講解抽象概念，不利于學(xué)生理解和掌握。

本次課之前，學(xué)生已經(jīng)了解了計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本功能及發(fā)展過(guò)程，對(duì)操作系統(tǒng)的功能有直覺認(rèn)識(shí)和整體概念，但無(wú)從認(rèn)識(shí)和感受操作系統(tǒng)的具體功能，如何引導(dǎo)和切人進(jìn)程概念是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

A：while(1) {N=N+1;}

B：while(1) {print(N); N=0; }

并發(fā)程序A和B運(yùn)行速度不同。假設(shè)T0時(shí)刻N(yùn)=5，則T1可能出現(xiàn)以下情況：

（1）N=N+1;Print(N) ;N=0;此時(shí)得到的N值分別為6，6，0。

（2）Print(N) ;N=0;N=N+1;此時(shí)得到的N值分別為5，0，1。

（3）Print(N); N=N+1; N=0，此時(shí)得到的N值分別為5，6，0。

在多道程序環(huán)境下，兩個(gè)循環(huán)程序在并發(fā)執(zhí)行的時(shí)候出現(xiàn)不可再現(xiàn)性，當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境相同，多次執(zhí)行程序但結(jié)果不唯一，失去了程序執(zhí)行的意義。通過(guò)問(wèn)題描述，引發(fā)學(xué)生思考，然后引出進(jìn)程的概念。

進(jìn)程是指程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)程，是系統(tǒng)資源調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位，學(xué)生不太容易區(qū)分程序和進(jìn)程。筆者在講解時(shí)，通過(guò)引人列車（進(jìn)程）和火車（程序）實(shí)例進(jìn)行類比解釋，有助于把抽象概念變成具體問(wèn)題，使學(xué)生輕松理解程序和進(jìn)程的聯(lián)系與區(qū)別，如表1所示。

聯(lián)系：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，沒有程序就沒有進(jìn)程（列車只是執(zhí)行中的火車）。

區(qū)別：①進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的（列車）;②進(jìn)程的存在是暫時(shí)的，程序的存在是永久的（列車生命周期從起始站到終點(diǎn)站）;③并發(fā)（并行是同一時(shí)間不同的列車在不同的軌道行駛;并發(fā)是同一時(shí)間不同的列車在同一個(gè)軌道行駛，只能交替行駛）;④程序和進(jìn)程都存在一對(duì)多的關(guān)系，兩者無(wú)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系（一輛火車可以行駛不同的站點(diǎn)，同時(shí)從同一個(gè)站點(diǎn)出發(fā)的火車有多輛）。

表1 進(jìn)程和程序概念類比

3.2 進(jìn)程狀態(tài)的實(shí)例化教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者在講解進(jìn)程狀態(tài)時(shí)，通過(guò)建構(gòu)主義教學(xué)思想設(shè)計(jì)游戲情景假設(shè)，提高學(xué)生積極性，調(diào)節(jié)課堂氣氛，并引出進(jìn)程的3種狀態(tài)。

游戲角色：由甲、乙和丙3位學(xué)生扮演分時(shí)系統(tǒng)中正在運(yùn)行的不同進(jìn)程，其中乙同學(xué)扮演在運(yùn)行過(guò)程中需要等待打印操作（等待I/O操作）的進(jìn)程;丁同學(xué)充當(dāng)操作系統(tǒng)的角色，掌管CPU的分派;第一排第一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，10s為一個(gè)時(shí)間片，一個(gè)時(shí)間表結(jié)束會(huì)給出一個(gè)“到”信號(hào)提示。

游戲道具：圓球（扮演CPU）。

游戲規(guī)則：初始情況下，甲和丙站立，乙蹲下，三者均不能進(jìn)行其他任何動(dòng)作;丁按照甲、乙、丙的順序循環(huán)地分派圓球，若站立者得到圓球，可在黑板上畫自己的頭像，但蹲者因等待打印，不能活動(dòng)，將圓球歸還給丁。其中一個(gè)時(shí)間片結(jié)束、運(yùn)行結(jié)束或等待I/O操作時(shí)需要將圓球交給丁。

根據(jù)學(xué)生的行為表現(xiàn)，可歸納出兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖，見圖1。

圖1 兩狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

假如甲的時(shí)間片用完，而乙在等待打印，處于“未運(yùn)行”的進(jìn)程有乙和丙，這時(shí)丁把圓球分派給乙還是丙？通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生，進(jìn)一步得出3種狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖，如圖2所示。

圖2 三狀態(tài)模型轉(zhuǎn)化圖

3.3 進(jìn)程同步的實(shí)例化教學(xué)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[6]比較詳細(xì)地介紹了進(jìn)程同步與互斥，但稍繁瑣，故筆者課堂上重點(diǎn)講解信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥。

假如用戶A正在使用打印機(jī)，用戶B也要請(qǐng)求打印，只能等待A使用完畢，才能使用該打印機(jī)。用戶A、B相當(dāng)于2個(gè)并發(fā)進(jìn)程，并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程之間存在著相互制約關(guān)系。為了協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的相互制約關(guān)系，需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥，故引出該課主題。

進(jìn)程互斥：不同進(jìn)程不能同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)系統(tǒng)的臨界資源，只可互斥訪問(wèn)，如打印機(jī)的使用。本來(lái)毫無(wú)關(guān)系的進(jìn)程因?yàn)橄嗷ジ?jìng)爭(zhēng)臨界資源而產(chǎn)生了間接制約關(guān)系。實(shí)際執(zhí)行的進(jìn)程之間，還存在直接制約關(guān)系，如生產(chǎn)者（輸人進(jìn)程）生產(chǎn)產(chǎn)品放人緩沖區(qū)，消費(fèi)者（計(jì)算進(jìn)程）從緩沖區(qū)中取出產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)。因此，在進(jìn)程實(shí)際執(zhí)行的過(guò)程中，生產(chǎn)者必須先于消費(fèi)者執(zhí)行才能保證任務(wù)順利進(jìn)行;另外，如果緩沖區(qū)已滿，生產(chǎn)者必須等消費(fèi)者取走產(chǎn)品，才能繼續(xù)生產(chǎn)。進(jìn)程之間為了相互合作完成同一個(gè)任務(wù)，在執(zhí)行速度上必須相互協(xié)調(diào)，即進(jìn)程同步，如同流水線生產(chǎn)的各道工序、醫(yī)生開藥方與取藥。

通過(guò)對(duì)進(jìn)程同步與互斥的描述，引出臨界資源的概念。許多資源一次只能為一個(gè)進(jìn)程提供服務(wù)，這種一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源叫做臨界資源。

在每個(gè)進(jìn)程中，訪問(wèn)臨界資源的那段程序就是臨界區(qū)，對(duì)臨界區(qū)要進(jìn)行互斥訪問(wèn)。通過(guò)自動(dòng)取款機(jī)案例，得出不同進(jìn)程進(jìn)人臨界區(qū)，必須遵循4條準(zhǔn)則：空閑讓進(jìn)（當(dāng)取款的人操作完畢離開時(shí)，其他人才可以使用取款機(jī)）、忙則等待（一次只允許一個(gè)人使用自動(dòng)取款機(jī)，其他人必須等待）、有限等待（任何人都不能無(wú)限占用取款機(jī)）、讓權(quán)等待（若取款人未帶銀行卡，則必須讓出取款機(jī)）。

3.4 進(jìn)程調(diào)度算法的實(shí)例化教學(xué)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[6]對(duì)作業(yè)調(diào)度算法和進(jìn)程調(diào)度算法分開進(jìn)行闡述，篇幅過(guò)長(zhǎng)，且直接介紹調(diào)度算法，無(wú)具體案例分析，不便于學(xué)生理解和掌握。進(jìn)程先來(lái)先服務(wù)、短進(jìn)程優(yōu)先、高優(yōu)先級(jí)優(yōu)先調(diào)度算法均適合作業(yè)調(diào)度，故可推廣到作業(yè)調(diào)度算法。另外，處理機(jī)調(diào)度算法的目標(biāo)、周轉(zhuǎn)時(shí)間與平均周轉(zhuǎn)時(shí)間、帶權(quán)周轉(zhuǎn)與平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間也不再作為單獨(dú)一節(jié)進(jìn)行介紹，通過(guò)進(jìn)程調(diào)度算法案例引人這兩個(gè)概念。

首先，提出問(wèn)題讓學(xué)生思考：在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境，多個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行，但CPU只有一個(gè)，諸多進(jìn)程相互競(jìng)爭(zhēng)使用CPU，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)紊亂的現(xiàn)象？然后，通過(guò)全體n個(gè)人相互競(jìng)爭(zhēng)吃餅的案例，說(shuō)明多個(gè)進(jìn)程在并發(fā)執(zhí)行過(guò)程中，操作系統(tǒng)需要事先規(guī)定調(diào)度的原則，即進(jìn)程調(diào)度算法，從而引出本課主題。

先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法（FCFS），通過(guò)現(xiàn)實(shí)中移動(dòng)大廳或銀行網(wǎng)點(diǎn)辦理業(yè)務(wù)，引出該調(diào)度算法思想。該算法思想是進(jìn)程一直運(yùn)行到完成或因某種原因中斷才釋放處理機(jī)。比如一個(gè)飯量很大的大胖子得到了刀叉，他可能會(huì)霸占著餅連續(xù)吃很久很久，導(dǎo)致旁邊的人都在等待[7]。由此可見，F(xiàn)CFS算法比較有利于長(zhǎng)進(jìn)程，而不利于短進(jìn)程。

短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法（SPF），形如學(xué)生在考試答題時(shí)，先選擇解答簡(jiǎn)單、用時(shí)較短的題目。SPF算法即從就緒隊(duì)列中選出一個(gè)估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，將處理機(jī)分配給它，使它立即執(zhí)行直到完成，或發(fā)生某事件導(dǎo)致阻塞而放棄處理機(jī)時(shí)再重新調(diào)度。比如一個(gè)飯量很大的大胖子，只能看著飯量小的人吃餅。由此可見，SPF調(diào)度算法對(duì)長(zhǎng)進(jìn)程不利且導(dǎo)致了“餓死”現(xiàn)象?，F(xiàn)實(shí)情況中，用戶很難估計(jì)進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間，導(dǎo)致算法很難真正做到短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度。

以上兩種算法均未考慮輕重緩急，均不適合作為實(shí)時(shí)調(diào)度算法。

高優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法在進(jìn)程調(diào)度時(shí)，把處理機(jī)分配給就緒隊(duì)列中優(yōu)先權(quán)最高的進(jìn)程。比如，依據(jù)病人病重的程度分配優(yōu)先級(jí)，病情越重優(yōu)先級(jí)越高，可以讓病重的病人先治療。此調(diào)度算法可應(yīng)用于實(shí)時(shí)調(diào)度算法。

4 學(xué)生評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)5年多的教學(xué)實(shí)踐，從學(xué)生及同行評(píng)價(jià)得知，師生反映良好，操作系統(tǒng)考試通過(guò)率逐年增加，目前已達(dá)到95%以上，表明本改革取得了良好的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

從獨(dú)立學(xué)院對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)其院校學(xué)生的特點(diǎn)，結(jié)合目前學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展，針對(duì)操作系統(tǒng)課程理論性強(qiáng)、概念和原理多且抽象的教學(xué)特點(diǎn)，將實(shí)例化教學(xué)引人操作系統(tǒng)課程，引導(dǎo)學(xué)生探知生活中的實(shí)例，與操作系統(tǒng)的抽象概念和原理對(duì)接，降低知識(shí)的抽象性，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)具體問(wèn)題的理解，使其感受到用操作系統(tǒng)理論解釋現(xiàn)實(shí)案例帶來(lái)的喜悅，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其專業(yè)學(xué)習(xí)信心。

操作系統(tǒng)課程作為高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程，教學(xué)改革任重道遠(yuǎn)。課題組將繼續(xù)展開改革探索，如編寫適合我院的實(shí)例化操作系統(tǒng)教材、重視和強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)等，為不斷推動(dòng)獨(dú)立學(xué)院教育事業(yè)的發(fā)展而努力。

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（編輯：孫怡銘）

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廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“獨(dú)立學(xué)院中基于CDIO的卓越軟件工程師培養(yǎng)體系研究與實(shí)踐”(2015JGA426)；“基于服務(wù)區(qū)域信息產(chǎn)業(yè)園發(fā)展的應(yīng)用型本科院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)研究”(2016JGZ188)；廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“應(yīng)用技術(shù)型獨(dú)立學(xué)院IT類專業(yè)教學(xué)體系改革的研究與實(shí)踐” (2015LSJG05)。

胡艷華，女，講師，研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，19418601@qq．com。