葉 暉，劉華富

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“操作系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用研究*

葉 暉，劉華富

（長(zhǎng)沙大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，湖南長(zhǎng)沙410022）

“操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)學(xué)科中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，因其知識(shí)點(diǎn)龐雜且原理抽象，傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式往往聯(lián)系實(shí)際不夠，導(dǎo)致授課內(nèi)容較為枯燥難于理解.采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，確立教學(xué)目標(biāo)，將理論教學(xué)內(nèi)容與設(shè)計(jì)任務(wù)模塊有機(jī)結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)積極性，并能幫助學(xué)生更好地理解操作系統(tǒng)內(nèi)部原理與運(yùn)行機(jī)制，取得了較好的教學(xué)效果.

任務(wù)驅(qū)動(dòng)；教學(xué)方法；操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件建立的基礎(chǔ)平臺(tái)，它在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處于承上啟下的關(guān)鍵地位.基于這個(gè)原因，“操作系統(tǒng)”一直是計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)的核心課程之一，也是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課［1］.在傳統(tǒng)研究型本科高校的操作系統(tǒng)課程教學(xué)模式中，大多數(shù)以理論知識(shí)的學(xué)習(xí)為主，著重講授計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本概念和基本原理，針對(duì)性的實(shí)踐性環(huán)節(jié)較少，有的甚至就沒有.而高職高專院校的教學(xué)有很多實(shí)際采用了windows操作為主要內(nèi)容，以掌握系統(tǒng)的應(yīng)用技能為主導(dǎo)向，疏忽了必要的理論學(xué)習(xí)，學(xué)生的分析問題、解決問題的能力較差.如何在必要的理論學(xué)習(xí)與相關(guān)的實(shí)踐應(yīng)用中找到平衡點(diǎn)，這是應(yīng)用型本科院?！安僮飨到y(tǒng)”課程教學(xué)的關(guān)鍵.

另一方面，“操作系統(tǒng)”課程內(nèi)容主要包括了進(jìn)程管理、處理機(jī)調(diào)度、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)等［2］，涉及的知識(shí)點(diǎn)非常多，包括有處理機(jī)管理的實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程的原理、調(diào)度、進(jìn)程同步互斥算法和性能分析；存儲(chǔ)器管理的實(shí)現(xiàn)、分頁機(jī)制、缺頁調(diào)度與性能分析；設(shè)備管理和設(shè)備相關(guān)硬件知識(shí)、磁盤管理等等.課程內(nèi)容龐雜，范圍面廣，概念抽象，理論性強(qiáng)，尤其涉及大量軟硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)于應(yīng)用型本科院校軟件專業(yè)的學(xué)生的教學(xué)而言有相當(dāng)?shù)碾y度，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，往往很難充分發(fā)揮積極性和主動(dòng)性，從而很容易導(dǎo)致學(xué)生喪失對(duì)學(xué)習(xí)的興趣，教學(xué)質(zhì)量與效果較低.因此有必要在教學(xué)方法及教學(xué)手段上做出相應(yīng)的改進(jìn)和創(chuàng)新.

1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在課程教學(xué)中的具體實(shí)施

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法是一種建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)方法［3］，具體指的是在教學(xué)的過程中，通過教師指導(dǎo)，圍繞一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的任務(wù)實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生主動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行自主解決和互相合作的一個(gè)過程.它將傳授知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的多維互動(dòng)式的教學(xué).任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法注重以學(xué)生為主體，在培養(yǎng)學(xué)生的理論研究能力的同時(shí)，也提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力.在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式下，教學(xué)流程可分為“任務(wù)設(shè)計(jì)”，“任務(wù)分析與細(xì)化”，“接受任務(wù)與自主實(shí)踐”，“評(píng)議與總結(jié)”四個(gè)部分，如圖1所示.下面對(duì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)在“操作系統(tǒng)”課程中的實(shí)施方法與步驟進(jìn)行具體闡述.

圖1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法流程

1.1任務(wù)設(shè)計(jì)

采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法中，任務(wù)設(shè)計(jì)提出目標(biāo)，基本而言任務(wù)設(shè)計(jì)要能和理論教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合.任務(wù)內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)造思維，鼓勵(lì)學(xué)生多角度、多層面的考慮問題.以“操作系統(tǒng)”課程中重要知識(shí)點(diǎn)之一——多進(jìn)程調(diào)度為例，我們的任務(wù)設(shè)計(jì)提供一個(gè)虛擬內(nèi)核平臺(tái)，該內(nèi)核能支持多任務(wù)管理.要求學(xué)生對(duì)該虛擬內(nèi)核進(jìn)行功能擴(kuò)展，完成創(chuàng)建進(jìn)程、終止進(jìn)程、進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)程調(diào)度，上下文切換等功能.該任務(wù)設(shè)計(jì)基本涵蓋了理論課程教學(xué)內(nèi)容中關(guān)于進(jìn)程的重要知識(shí)點(diǎn)，能促進(jìn)學(xué)生更好地理解掌握操作系統(tǒng)進(jìn)程的基本原理和運(yùn)行機(jī)制.

1.2任務(wù)分析與細(xì)化

任務(wù)分析與細(xì)化是任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法中的一個(gè)關(guān)鍵部分.在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師在分析任務(wù)的時(shí)候，應(yīng)該由教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究和討論，并根據(jù)學(xué)生的具體知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)細(xì)化.如多進(jìn)程調(diào)度這個(gè)任務(wù)，首先可以把這個(gè)大任務(wù)細(xì)分成幾個(gè)小任務(wù)，以降低總體難度，提高學(xué)生完成任務(wù)的信心和積極性.具體而言，可以分成虛擬內(nèi)核（VKernel）、命令解釋程序（Commander）、用戶程序（Application）、編譯函數(shù)（Compiler）四部分組成.VKernel是基礎(chǔ)平臺(tái)，首先運(yùn)行，并常駐內(nèi)存.Kernel啟動(dòng)后，創(chuàng)建Commander進(jìn)程.根據(jù)用戶請(qǐng)求創(chuàng)建多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程，之后多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程根據(jù)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度.在教師講清楚任務(wù)組成和基本運(yùn)行流程后，可以根據(jù)學(xué)生具體接受情況再對(duì)需要擴(kuò)展完成的功能進(jìn)行細(xì)化說明，其中Kernel為進(jìn)行功能擴(kuò)展則需要添加相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：系統(tǒng)時(shí)間片（Time），處理器狀態(tài)（CPUstate），進(jìn)程表（PCBTable），就緒隊(duì)列（ReadyState），等待隊(duì)列（Blocked-State），運(yùn)行進(jìn)程狀態(tài)（RunningState）.而對(duì)于調(diào)度算法，應(yīng)對(duì)學(xué)生說明調(diào)度算法的原則，如采用時(shí)間輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級(jí)調(diào)度混合算法等，讓學(xué)生獨(dú)立完成具體編碼實(shí)現(xiàn).該任務(wù)的子任務(wù)細(xì)化分析示例如下：

子任務(wù)1：設(shè)計(jì)一個(gè)命令解釋程序，負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行用戶程序中的語句，發(fā)送給內(nèi)核.

子任務(wù)2：在內(nèi)核中添加一個(gè)編譯函數(shù)，解釋執(zhí)行用戶程序中的語句.

子任務(wù)3：在內(nèi)核中添加一個(gè)調(diào)度函數(shù)，根據(jù)調(diào)度算法調(diào)度用戶進(jìn)程運(yùn)行.

子任務(wù)4：在內(nèi)核中添加一個(gè)上下文切換函數(shù)，負(fù)責(zé)進(jìn)程的切換.并在內(nèi)核中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，負(fù)責(zé)處理時(shí)間片.

通過上述任務(wù)內(nèi)容的分析，把總?cè)蝿?wù)分解成四個(gè)子任務(wù)后可以降低整體編程的難度.之后對(duì)任務(wù)中涉及到的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)例進(jìn)行講解，并引導(dǎo)學(xué)生回顧理論課時(shí)的原理與知識(shí)點(diǎn)，最后演示任務(wù)完成的總體效果，這樣可以給學(xué)生一個(gè)較強(qiáng)的感性認(rèn)識(shí)，并激起其動(dòng)手自主實(shí)踐完成任務(wù)的興趣.

1.3接受任務(wù)與自主實(shí)踐

在任務(wù)分析細(xì)化完畢之后，即可把任務(wù)布置給學(xué)生自主實(shí)踐完成.在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)注意及時(shí)跟蹤學(xué)生具體完成進(jìn)度及情況，引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生相互討論交流，培養(yǎng)他們分析問題與動(dòng)手解決問題的能力［4］.對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，應(yīng)引導(dǎo)他們進(jìn)行深入思考，有所創(chuàng)新.而對(duì)于部分基礎(chǔ)比較薄弱，接受能力比較差的學(xué)生，可以根據(jù)具體課堂情況將相應(yīng)任務(wù)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，如CPUstate應(yīng)包括程序計(jì)數(shù)器PC，累加器A、B，狀態(tài)寄存器F的值.而PCBTable的每一項(xiàng)是一個(gè)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊（PCB）.PCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)包含進(jìn)程的所有信息，如進(jìn)程號(hào)pid，進(jìn)程優(yōu)先數(shù)，進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)程時(shí)間片等.在完成任務(wù)的全過程中教師起到組織和解疑答惑的作用，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，整個(gè)過程并不參與學(xué)生的具體編程實(shí)踐.

1.4評(píng)議與總結(jié)

在這個(gè)環(huán)節(jié)，可將評(píng)議分為教師評(píng)價(jià)和學(xué)生評(píng)價(jià)兩個(gè)部分.教師對(duì)學(xué)習(xí)的總結(jié)評(píng)價(jià)主要包括兩方面內(nèi)容，一方面是對(duì)學(xué)生是否完成當(dāng)前問題的解決方案的過程和結(jié)果的評(píng)價(jià)，即所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的意義建構(gòu)的評(píng)價(jià)，而更重要的一方面是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及協(xié)作學(xué)習(xí)能力的評(píng)價(jià).學(xué)生評(píng)價(jià)是指學(xué)生之間的評(píng)價(jià)總結(jié)，促使學(xué)生更好地解決問題.

在總結(jié)過程中，教師應(yīng)采用積極的肯定鼓勵(lì)學(xué)生多總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，多分析問題，多動(dòng)腦創(chuàng)新.在這個(gè)過程中能夠逐步讓學(xué)生對(duì)“操作系統(tǒng)”課程中原本抽象的理論有較深感性的認(rèn)識(shí)，通過這種方式學(xué)生也能逐漸加深對(duì)理論的理解，幫助他們深入體會(huì)操作系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制與原理，切實(shí)掌握實(shí)際運(yùn)用這些知識(shí)的能力，而且可以培養(yǎng)學(xué)生良好的理論與實(shí)踐相結(jié)合的意識(shí)和習(xí)慣，全面提升學(xué)生的基本技能、工程實(shí)踐能力，對(duì)于創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成也有良好促進(jìn)作用.

2 結(jié)束語

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式具備如下三個(gè)特點(diǎn)：第一是強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)和技巧的同時(shí)，能夠充分鍛煉思維能力.即在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式中，學(xué)生需要通過主動(dòng)思考鍛煉自身的獨(dú)立思維能力，充分挖掘思維潛能.第二強(qiáng)調(diào)學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體.即以學(xué)習(xí)活動(dòng)為基礎(chǔ)，學(xué)生充當(dāng)了學(xué)習(xí)的主體、認(rèn)識(shí)的主體以及發(fā)展的主體，而教學(xué)內(nèi)容則成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的客體.第三注重教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)實(shí)踐方法的有機(jī)結(jié)合.在理論課中介紹的基本概念、原理和算法，要通過任務(wù)實(shí)踐加以理解和吸收.

本文以多進(jìn)程調(diào)度為例，具體闡述了采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在“操作系統(tǒng)”教學(xué)過程中的實(shí)踐應(yīng)用，通過這種方式可以將操作系統(tǒng)的理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，把教學(xué)重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運(yùn)用操作系統(tǒng)原理解決實(shí)際項(xiàng)目任務(wù)的能力上.讓學(xué)生能切實(shí)地感受到操作系統(tǒng)的重要性和有用性，從而更有效地掌握操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法.在實(shí)際教學(xué)過程中取得了較好的效果.

［1］張步忠，江偉.操作系統(tǒng)課程教學(xué)與教師素養(yǎng)研究［J］.中國電力教育，2010，（18）：11－12.

［2］李景峰，劉偉，郝耀輝，等.操作系統(tǒng)課程的啟發(fā)式教學(xué)研究與探討［J］.計(jì)算機(jī)教育，2010，（8）：34－37.

［3］楊洪雪.任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法的特點(diǎn)及過程設(shè)計(jì)［J］.教學(xué)與管理，2006，（4）：27－28.

［4］曹雪，王曉峰，鄒建偉，等.操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐體系的探索與構(gòu)建［J］.計(jì)算機(jī)教育，2010，（10）：41－43.

The Application of Task－driven Teaching Approach in the“Operating System”Course

YE Hui，LIU Huafu
（Department of Computer Science and Technology，Changsha University，Changsha Hunan 410022，China）

The operating system is an important basic course in computer science.It has a lot of knowledge and complex principles. Therefore，the teaching lecture is boring and difficult to be understood as generally the traditional teachingway can not connect the theory and practice enough.Using task－driven teaching approach can establish teaching objectives and combine theoretical teaching content and design taskmodules.Furthermore，it inspires students’enthusiasm for learning and help students better understand the internals of the operating system and operationmechanism.Good teaching effect is achieved by using this teaching approach.

task－driven；teaching approach；operating system

G424

A

1008－4681（2014）02－0122－02

（作者本人校對(duì)）

2014－02－27

湖南省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：11jj6059）資助項(xiàng)目；長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：K110717－11）.

葉暉（1979－），男，湖南長(zhǎng)沙人，長(zhǎng)沙大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系講師，博士.研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、可信計(jì)算.