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摘要：针对操作系统课程教学存在的问题，论述启发式教学在操作系统课程教学中的重要作用。并以处理机调度算法为例，阐述在操作系统课程中运用启发式教学法的教学过程。实践证明，启发式教学法是提高教学质量的有效方法。
关键词：启发式教学；操作系统；处理机调度
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)13-3223-02
Application of Heuristic Teaching in Operating System Course
WEI Ting
(Department of Computer Engineering, Guangzhou Auto College South China University of Technology, Guangzhou 510800, China)
Abstract: According to the problem in the Operating System Course teaching, the important effect of heuristic teaching is discussed. Then, processor scheduling is taken as an example to demonstrate the implementation process using heuristic teaching. It is proved from practice that heuristic teaching is an effective way to improve the teaching quality of Operating System Course.
Key words: heuristic teaching; operating system; processor scheduling
操作系统课程是计算机及其相关专业的基础核心课程，其内容涉及计算机硬件、软件多方面的知识，对于学生理解计算机的运作、进而提高编程层次、完善对整个计算机学科的理解起着承上启下、举足轻重的作用。然而操作系统课程本身涉及的概念多、原理性强、内容抽象，若采用传统的照本宣科式的教学方式，学生对内容难以理解，对操作系统课程无法提起学习兴趣，而只停留在死记硬背的学习层次，未能真正理解操作系统的原理[1]。为了让学生深入理解操作系统的工作原理，并在学习原理的同时提高运用合适算法解决问题的能力，本文根据累积的教学经验，对如何应用启发式教学方式引导学生思考，从而提高操作系统课程教学质量进行探讨与总结。
1 启发式教学的理论依据
启发式教学，是指教师根据教学目标，遵循教学规律，在教学过程中依据学习过程的客观规律，通过引导、指导、开导、启示、激发学生的学习兴趣，使学生主动地、自觉地、积极地学习和思考，并主动实践的一种教学方法[2]。根据认知派学习理论著名教育家布鲁纳的认知—发现说，学习的实质是主动地形成认知结构，提倡发现学习法。学习的目的在于以发现学习的方式，使学科的基本结构转变为学生头脑中的认知结构[3]。运用启发式教学，虽然学生学习的知识是已有的知识，但学生自己主动思考引发出这些知识的过程，对学生而言他自己就成为了发现者，既有助于提高学生的学习兴趣，又有利于学生把认知的知识在脑中整理成适合他的知识体系结构。
启发式教学法的“启”体现的是教师在教学中的主导、导向地位，“发”体现的是学生在教学中自主的认知方法，“启”和“发”正是“教”与“学”的辩证统一。为了让学生能顺利的自主发现知识，教师在教学中如何恰如其分的启迪与引导，正是启发式教学法实施过程要探讨的关键内容。
2 操作系统课程的启发式教学过程
2.1 操作系统课程的启发式教学思路
操作系统课程虽然具有概念性、理论性、抽象性强的特点，然而，学习操作系统的目的一方面是掌握其原理，另一方面是要让学生培养用计算机的的思维解决问题的能力。操作系统本身的形成与发展正是一个遇到问题解决问题的过程。操作系统是人设计出来的，设计者解决问题的思路也来源于日常的生活[4]。因此，在应用启发式教学法的过程中，运用日常生活解决问题的思路来引导学生解决计算机操作系统中的问题，能使学生感到亲切而易于思考，从而达到良好的启发效果。
在应用启发式教授操作系统的过程中，教师可按如下步骤实施教学过程：首先明确该知识点要解决的问题，确认教学目标；接着选择日常生活中与该问题有共通点的情境，并提出思考性问题；然后引导学生对生活中类似的情境思考与寻找解决问题的方案；之后启发学生运用思考出的方案思路解决操作系统中的问题；最后進行反馈与总结。
2.2 启发式教学的应用
本节以处理机管理中的重要知识点：处理机的调度算法为例，讲述如何在操作系统课程中应用启发式教学法。
对于不同的系统和系统目标，操作系统可以采用不同的处理机调度算法[5]。运用启发式教学法的过程中，教师并不是直接逐个罗列出各种调度算法，而是通过启发的方式，让学生自己逐步主动想出各种调度算法的思路。
教师首先让学生明确处理机调度的任务是在多道程序中选择出一个来获得处理机执行。同时明确调度的总目标是按照可以优化系统行为的方式分配处理机时间。
在学习调度算法时，教师引入生活中与处理机调度有共通点的情境：学校食堂的打饭情境。全校学生的下课时间统一，食堂会在同一时间涌现非常多学生，而每个打饭窗口每次只能为一名学生提供打饭服务。为了与单处理机的调度算法更好的类比，设置一个限制性假设，食堂只有一个打饭窗口供学生打饭。
教师对生活中的上述实例提出问题：有如此多的学生，食堂应该采用怎样的策略，才能使学生都有序的获得打饭窗口打饭呢？由于食堂打饭问题是与学生日常生活息息相关的问题，学生很自然的迅速能想出排队策略，谁先来谁排在队伍的前面。教师顺势引导学生：对于多个进程都就绪等待处理机，可用怎样的策略使进程都能有序的获得处理机执行呢？学生有了前面打饭问题的启示，自然能顺利的想到采用类似的排队算法，哪个进程先到，哪个进程排在队伍的前面先获得处理机执行。教师在对学生的算法思路进行肯定的同时，引入这种调度算法的专业名称叫先来先服务调度算法。
正当有部分学生认为先来先服务调度算法已能极好的解决处理机调度问题时，教师在原问题的基础上引入新的情形提问：假设排队在你前面的同学要帮他们全班同学打30盒饭，排在队伍后面的你是否感到不乐意呢？学生此时必定反应强烈的表示不乐意。而且此时学生也因切身的体会，已完全投入到问题的讨论中。教师进而让学生思考：应采用怎样的策略，对只打一盒饭的学生更公平。大部分学生都能想出应该让只打一盒饭的学生排在队伍的前面，而思维更完善的部分学生会提出让需要打饭盒数少的学生排在队伍的前面。教师此时引导学生把类似算法思路运用于处理机调度的问题上：对于多个进程，有些进程需要执行的时间长，有些则比较短，应怎样设计算法更公平？学生把打饭问题的解决策略迁移到处理机调度问题上，因而想出了应该让执行时间短的进程先执行。教师采用这种启发式的方法让学生主动想出了这种短进程优先调度算法。教师再进而分析这种算法的优点是缩短了整个系统的等待时间，提高了系统的吞吐量。
接下来教师让学生回到打饭问题再思考：刚才的方法是否仍有不妥，要打30盒饭的同学能否顺利完成打饭任务？学生们会猛然发现上述算法会让打饭盒数多的学生根本无法获取到打饭窗口打饭。教师顺势引导学生，如何让打饭盒数多和少的学生都比较公平？有部分学生会提出让每位排队的学生都打一盒饭就回到队伍后面重新排队的方案。教师肯定这种思路的同时，启示学生对于处理机调度问题是否也能采用类似策略。学生们此时较容易的能想出让每个排队的进程每次只执行一定的时间，若仍未执行完，则必须回到队尾重新排队。教师肯定学生思路的正确，指出每次执行的这段时间可称为时间片，并明确这种算法称为时间片轮转算法，同时分析时间片轮转算法中时间片长短是可选择的，最好能使大多数进程能在一个时间片内完成，这就类似于食堂打饭时每位同学的打饭时间限制应该能使大多数同学只排队一次就能完成打饭任务。此时，学生在教师借用生活实例的启发下，主动的逐步改进思路，想出了三种调度算法。
教师再采用类似的方式启发学生，通过在食堂打饭问题中增加可能出现校长光临的情境，引发学生想出应让校长先打饭的策略，进而引入处理机调度算法中让优先权高的进程先执行的优先权调度算法。并融合以上各种算法的思路，引入真实的UNIX系统中使用到的多级反馈队列调度算法：以先来先服务原则在第一个队列中排队调度，若时间片内未执行完，则调到第二个队列的队尾等待，只有当第一个队列为空，才调度第二个队列中的进程；系统有多级这样的队列，策略以此类推。教师小结这种算法以排队为基础，既考虑了优先权问题，又兼具了时间片轮转的公平，达到了较好的调度效果。
至此，学生在教师的启发与引导下，在逐步思考与发现的过程中，自觉主动的学习与掌握了处理机调度的各种算法。并且对各种算法的设计思路来源有了清晰的认识。
2.3 总结与反馈
教师最后对各种调度算法的优缺点、及其适用场合进行分析与总结。同时，赞扬学生通过积极参与和自主思考完成了对处理机调度算法的学习，并且鼓励学生在其他知识点的学习中也应学会联系生活情境、活跃思维、勤思考，学习操作系统将不再是被动的接受过程，而是主动发现学习的有趣过程。
3 结束语
启发学生思维与提高教学质量是相辅相成的过程。把启发式教学法应用于操作系统的教学过程中，让学生在持续的思考与自主发现中掌握操作系统的知识，既提高了学生学习操作系统的兴趣，又有效的提高了操作系统课程的教学质量。而学习质量的提升又反过来促进学生有更高的积极性活跃思维，培养了学生开拓思维解决问题的能力。
参考文献：
[1] 曹玲,葛艷.操作系统课程教学模式的思考与实践[J].计算机时代,2010(4):65-66.
[2] 王道俊,王汉澜.教育学[M].北京:人民教育出版社,1999.
[3] 张积家,陈俊.高等教育心理学[M].北京:高等教育出版社,2009.
[4] 邹恒明.计算机的心智:操作系统之哲学原理[M].北京:机械工业出版社,2009.
[5] 汤子瀛.计算机操作系统（修订版）[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.
关键词：启发式教学；操作系统；处理机调度
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)13-3223-02
Application of Heuristic Teaching in Operating System Course
WEI Ting
(Department of Computer Engineering, Guangzhou Auto College South China University of Technology, Guangzhou 510800, China)
Abstract: According to the problem in the Operating System Course teaching, the important effect of heuristic teaching is discussed. Then, processor scheduling is taken as an example to demonstrate the implementation process using heuristic teaching. It is proved from practice that heuristic teaching is an effective way to improve the teaching quality of Operating System Course.
Key words: heuristic teaching; operating system; processor scheduling
操作系统课程是计算机及其相关专业的基础核心课程，其内容涉及计算机硬件、软件多方面的知识，对于学生理解计算机的运作、进而提高编程层次、完善对整个计算机学科的理解起着承上启下、举足轻重的作用。然而操作系统课程本身涉及的概念多、原理性强、内容抽象，若采用传统的照本宣科式的教学方式，学生对内容难以理解，对操作系统课程无法提起学习兴趣，而只停留在死记硬背的学习层次，未能真正理解操作系统的原理[1]。为了让学生深入理解操作系统的工作原理，并在学习原理的同时提高运用合适算法解决问题的能力，本文根据累积的教学经验，对如何应用启发式教学方式引导学生思考，从而提高操作系统课程教学质量进行探讨与总结。
1 启发式教学的理论依据
启发式教学，是指教师根据教学目标，遵循教学规律，在教学过程中依据学习过程的客观规律，通过引导、指导、开导、启示、激发学生的学习兴趣，使学生主动地、自觉地、积极地学习和思考，并主动实践的一种教学方法[2]。根据认知派学习理论著名教育家布鲁纳的认知—发现说，学习的实质是主动地形成认知结构，提倡发现学习法。学习的目的在于以发现学习的方式，使学科的基本结构转变为学生头脑中的认知结构[3]。运用启发式教学，虽然学生学习的知识是已有的知识，但学生自己主动思考引发出这些知识的过程，对学生而言他自己就成为了发现者，既有助于提高学生的学习兴趣，又有利于学生把认知的知识在脑中整理成适合他的知识体系结构。
启发式教学法的“启”体现的是教师在教学中的主导、导向地位，“发”体现的是学生在教学中自主的认知方法，“启”和“发”正是“教”与“学”的辩证统一。为了让学生能顺利的自主发现知识，教师在教学中如何恰如其分的启迪与引导，正是启发式教学法实施过程要探讨的关键内容。
2 操作系统课程的启发式教学过程
2.1 操作系统课程的启发式教学思路
操作系统课程虽然具有概念性、理论性、抽象性强的特点，然而，学习操作系统的目的一方面是掌握其原理，另一方面是要让学生培养用计算机的的思维解决问题的能力。操作系统本身的形成与发展正是一个遇到问题解决问题的过程。操作系统是人设计出来的，设计者解决问题的思路也来源于日常的生活[4]。因此，在应用启发式教学法的过程中，运用日常生活解决问题的思路来引导学生解决计算机操作系统中的问题，能使学生感到亲切而易于思考，从而达到良好的启发效果。
在应用启发式教授操作系统的过程中，教师可按如下步骤实施教学过程：首先明确该知识点要解决的问题，确认教学目标；接着选择日常生活中与该问题有共通点的情境，并提出思考性问题；然后引导学生对生活中类似的情境思考与寻找解决问题的方案；之后启发学生运用思考出的方案思路解决操作系统中的问题；最后進行反馈与总结。
2.2 启发式教学的应用
本节以处理机管理中的重要知识点：处理机的调度算法为例，讲述如何在操作系统课程中应用启发式教学法。
对于不同的系统和系统目标，操作系统可以采用不同的处理机调度算法[5]。运用启发式教学法的过程中，教师并不是直接逐个罗列出各种调度算法，而是通过启发的方式，让学生自己逐步主动想出各种调度算法的思路。
教师首先让学生明确处理机调度的任务是在多道程序中选择出一个来获得处理机执行。同时明确调度的总目标是按照可以优化系统行为的方式分配处理机时间。
在学习调度算法时，教师引入生活中与处理机调度有共通点的情境：学校食堂的打饭情境。全校学生的下课时间统一，食堂会在同一时间涌现非常多学生，而每个打饭窗口每次只能为一名学生提供打饭服务。为了与单处理机的调度算法更好的类比，设置一个限制性假设，食堂只有一个打饭窗口供学生打饭。
教师对生活中的上述实例提出问题：有如此多的学生，食堂应该采用怎样的策略，才能使学生都有序的获得打饭窗口打饭呢？由于食堂打饭问题是与学生日常生活息息相关的问题，学生很自然的迅速能想出排队策略，谁先来谁排在队伍的前面。教师顺势引导学生：对于多个进程都就绪等待处理机，可用怎样的策略使进程都能有序的获得处理机执行呢？学生有了前面打饭问题的启示，自然能顺利的想到采用类似的排队算法，哪个进程先到，哪个进程排在队伍的前面先获得处理机执行。教师在对学生的算法思路进行肯定的同时，引入这种调度算法的专业名称叫先来先服务调度算法。
正当有部分学生认为先来先服务调度算法已能极好的解决处理机调度问题时，教师在原问题的基础上引入新的情形提问：假设排队在你前面的同学要帮他们全班同学打30盒饭，排在队伍后面的你是否感到不乐意呢？学生此时必定反应强烈的表示不乐意。而且此时学生也因切身的体会，已完全投入到问题的讨论中。教师进而让学生思考：应采用怎样的策略，对只打一盒饭的学生更公平。大部分学生都能想出应该让只打一盒饭的学生排在队伍的前面，而思维更完善的部分学生会提出让需要打饭盒数少的学生排在队伍的前面。教师此时引导学生把类似算法思路运用于处理机调度的问题上：对于多个进程，有些进程需要执行的时间长，有些则比较短，应怎样设计算法更公平？学生把打饭问题的解决策略迁移到处理机调度问题上，因而想出了应该让执行时间短的进程先执行。教师采用这种启发式的方法让学生主动想出了这种短进程优先调度算法。教师再进而分析这种算法的优点是缩短了整个系统的等待时间，提高了系统的吞吐量。
接下来教师让学生回到打饭问题再思考：刚才的方法是否仍有不妥，要打30盒饭的同学能否顺利完成打饭任务？学生们会猛然发现上述算法会让打饭盒数多的学生根本无法获取到打饭窗口打饭。教师顺势引导学生，如何让打饭盒数多和少的学生都比较公平？有部分学生会提出让每位排队的学生都打一盒饭就回到队伍后面重新排队的方案。教师肯定这种思路的同时，启示学生对于处理机调度问题是否也能采用类似策略。学生们此时较容易的能想出让每个排队的进程每次只执行一定的时间，若仍未执行完，则必须回到队尾重新排队。教师肯定学生思路的正确，指出每次执行的这段时间可称为时间片，并明确这种算法称为时间片轮转算法，同时分析时间片轮转算法中时间片长短是可选择的，最好能使大多数进程能在一个时间片内完成，这就类似于食堂打饭时每位同学的打饭时间限制应该能使大多数同学只排队一次就能完成打饭任务。此时，学生在教师借用生活实例的启发下，主动的逐步改进思路，想出了三种调度算法。
教师再采用类似的方式启发学生，通过在食堂打饭问题中增加可能出现校长光临的情境，引发学生想出应让校长先打饭的策略，进而引入处理机调度算法中让优先权高的进程先执行的优先权调度算法。并融合以上各种算法的思路，引入真实的UNIX系统中使用到的多级反馈队列调度算法：以先来先服务原则在第一个队列中排队调度，若时间片内未执行完，则调到第二个队列的队尾等待，只有当第一个队列为空，才调度第二个队列中的进程；系统有多级这样的队列，策略以此类推。教师小结这种算法以排队为基础，既考虑了优先权问题，又兼具了时间片轮转的公平，达到了较好的调度效果。
至此，学生在教师的启发与引导下，在逐步思考与发现的过程中，自觉主动的学习与掌握了处理机调度的各种算法。并且对各种算法的设计思路来源有了清晰的认识。
2.3 总结与反馈
教师最后对各种调度算法的优缺点、及其适用场合进行分析与总结。同时，赞扬学生通过积极参与和自主思考完成了对处理机调度算法的学习，并且鼓励学生在其他知识点的学习中也应学会联系生活情境、活跃思维、勤思考，学习操作系统将不再是被动的接受过程，而是主动发现学习的有趣过程。
3 结束语
启发学生思维与提高教学质量是相辅相成的过程。把启发式教学法应用于操作系统的教学过程中，让学生在持续的思考与自主发现中掌握操作系统的知识，既提高了学生学习操作系统的兴趣，又有效的提高了操作系统课程的教学质量。而学习质量的提升又反过来促进学生有更高的积极性活跃思维，培养了学生开拓思维解决问题的能力。
参考文献：
[1] 曹玲,葛艷.操作系统课程教学模式的思考与实践[J].计算机时代,2010(4):65-66.
[2] 王道俊,王汉澜.教育学[M].北京:人民教育出版社,1999.
[3] 张积家,陈俊.高等教育心理学[M].北京:高等教育出版社,2009.
[4] 邹恒明.计算机的心智:操作系统之哲学原理[M].北京:机械工业出版社,2009.
[5] 汤子瀛.计算机操作系统（修订版）[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.