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論啟發(fā)式教學(xué)法在計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生系統能力培養的運用論文
引言
2013 年，教育部計算機科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導委員會(huì )系統研究組提出要加強學(xué)生系統能力培養，明確指出學(xué)生的系統能力核心是：“在掌握計算系統基本原理的基礎上，熟悉如何進(jìn)一步開(kāi)發(fā)構建以計算技術(shù)為核心的應用系統�！蓖瑫r(shí)建議把計算機專(zhuān)業(yè)課程分成三個(gè)層次，即：計算機系統基礎課程、重組內容的核心課程和側重不同計算系統的若干相關(guān)平臺應用課程。操作系統課程被劃分到第二層次，是計算機系統能力培養最基本的核心課程。
操作系統課程具有概念抽象、系統性差、原理性強等特點(diǎn)，教師授課難度較大，學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中也往往感到非常抽象和難以理解。要將課程中抽象的原理與具體繁瑣的操作系統實(shí)現技術(shù)有機結合起來(lái)，并以比較直觀(guān)的、易于理解和易于掌握的形式展現，就必須輔以相應的實(shí)驗。然而，以知識傳授為核心的靜態(tài)實(shí)驗教學(xué)方式(即教師在課堂上把實(shí)驗原理、目的、步驟及注意事項均詳細講解一遍，學(xué)生只需按部就班地操作，用不著(zhù)查資料，也不需思考實(shí)驗中還有沒(méi)有需要改進(jìn)的地方。)會(huì )使學(xué)生完全處于被動(dòng)狀態(tài)，壓抑他們的學(xué)習興趣和主動(dòng)參與實(shí)驗的積極性�！皢l(fā)式”教學(xué)法與傳統的灌輸式教學(xué)不同，它更強調學(xué)生在教師的引領(lǐng)和啟示下，主動(dòng)參與到發(fā)現問(wèn)題、尋求答案的過(guò)程中，從而提高他們獨立思考、解決問(wèn)題的能力。下面以操作系統原理中經(jīng)典的“生產(chǎn)者-消費者”實(shí)驗為例，對在實(shí)驗課中應用“啟發(fā)式”教學(xué)法培養學(xué)生的系統能力進(jìn)行初步探索。
1 問(wèn)題描述
“生產(chǎn)者-消費者”是一個(gè)著(zhù)名的進(jìn)程同步問(wèn)題。它描述的是：有一群生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品提供給消費者進(jìn)程去消費。為使生產(chǎn)者進(jìn)程和消費者進(jìn)程能并發(fā)執行，在兩者之間設置了一個(gè)具有n 個(gè)緩沖區的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程可以將其所生產(chǎn)的產(chǎn)品放入一個(gè)緩沖區中;消費者進(jìn)程可從一個(gè)緩沖區中取走產(chǎn)品去消費。盡管所有的生產(chǎn)者進(jìn)程和消費者進(jìn)程都是以異步方式運行的，但它們之間必須保持同步，既不允許消費者進(jìn)程到一個(gè)空緩沖區去取產(chǎn)品，也不允許生產(chǎn)者進(jìn)程向一個(gè)已裝滿(mǎn)產(chǎn)品且尚未被取走的緩沖區中投放產(chǎn)品。
“生產(chǎn)者-消費者”實(shí)驗安排在“經(jīng)典的進(jìn)程同步問(wèn)題”理論課之后。通過(guò)學(xué)習，學(xué)生已經(jīng)熟悉“生產(chǎn)者-消費者”模型，知道各進(jìn)程應該互斥地使用緩沖池，且生產(chǎn)者進(jìn)程和消費者進(jìn)程之間需要用信號量同步。
2 組織實(shí)施
為減少學(xué)生對教師的依賴(lài)，加大他們在實(shí)驗中的參與度，培養他們的系統能力，我們把“生產(chǎn)者-消費者”實(shí)驗的組織劃分為三個(gè)階段：課前布置任務(wù)、課內檢查引導、課后收集反饋。
2.1 課前布置任務(wù)
為加大學(xué)生對實(shí)驗的參與度，我們在實(shí)驗課前向學(xué)生明確實(shí)驗任務(wù)并提供相關(guān)API 函數的簡(jiǎn)單說(shuō)明，要求學(xué)生學(xué)習資料并思考“生產(chǎn)者-消費者”模型實(shí)現的方法。
2.1.1 明確實(shí)驗任務(wù)
在理解“生產(chǎn)者-消費者”模型的基礎上，利用多線(xiàn)程技術(shù)模擬實(shí)現一組生產(chǎn)者和消費者;并假設這些生產(chǎn)者和消費者等效，即：只要緩沖池未滿(mǎn)，生產(chǎn)者就可將產(chǎn)品送入緩沖池;只要緩沖池非空，消費者就可以從中取產(chǎn)品進(jìn)行消費。
2.1.2 提供學(xué)習資料
由于大多數學(xué)生在本次實(shí)驗前未接觸過(guò)多線(xiàn)程編程，因此我們向學(xué)生提供一些與偽代碼中各操作相對應的WindowsAPI�！吧a(chǎn)者-消費者”實(shí)驗涉及到創(chuàng )建生產(chǎn)者與消費者、操作信號量及使用臨界資源。我們整理了與之對應的三類(lèi)函數供學(xué)生預習，分別是多線(xiàn)程操作函數、信號量操作函數和互斥量操作函數(通過(guò)互斥量保證生產(chǎn)者和消費者對臨界資源互斥訪(fǎng)問(wèn))。多線(xiàn)程操作函數包括創(chuàng )建線(xiàn)程的函數_beginthreadex()和等待多個(gè)線(xiàn)程結束的函數WaitForMultipleObject()。信號量操作函數包括創(chuàng )建信號量的函數CreateSemaphore()、申請信號量的函數WaitForSingleObject() 和釋放信號量的函數ReleaseSemaphore()�；コ饬坎僮骱瘮蛋▌�(chuàng )建互斥量的函數CreateMutex()、申請互斥量的函數WaitForSingleObject()和釋放互斥量的函數ReleaseMutex()。當生產(chǎn)者和消費者完成所有工作后，需要銷(xiāo)毀線(xiàn)程、信號量和互斥量等資源。線(xiàn)程、信號量和互斥量都是內核級資源，用CloseHandle()函數銷(xiāo)毀。需要注意的是，我們只對上述函數進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，學(xué)生需要借助互聯(lián)網(wǎng)等資源學(xué)習它們的具體使用方法。
2.1.3 提出具體要求
提供預習資料的同時(shí)要求學(xué)生思考：實(shí)現“生產(chǎn)者-消費者”模型應考慮哪些技術(shù)細節?
2.2 課內檢查引導
與教師詳細講解實(shí)驗原理、目的、步驟及注意事項，學(xué)生只需按部就班地操作不同，啟發(fā)式教學(xué)法注重發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗課上的主動(dòng)性，積極引導學(xué)生思考并對學(xué)生的結論進(jìn)行總結，從而完成實(shí)驗。本階段又可分為預習成果檢查和總結引導兩部分。
2.2.1 預習成果檢查
實(shí)驗課開(kāi)始時(shí)我們通過(guò)提問(wèn)檢查學(xué)生的預習情況，重點(diǎn)考察他們對實(shí)驗中可能會(huì )遇到的技術(shù)問(wèn)題的思考。檢查預習的好處在于：一方面，教師的監督可以強迫學(xué)生獨立思考，減少學(xué)生對教師的依賴(lài);另一方面，通過(guò)提問(wèn)教師能夠了解學(xué)生對實(shí)驗的理解程度，有助于總結引導。
2.2.2 總結引導
根據經(jīng)驗，大部分學(xué)生會(huì )對實(shí)驗中可能遇到的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行思考，但可能不夠全面。因此，在聽(tīng)取學(xué)生對問(wèn)題的回答后，應進(jìn)行總結，并進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生。我們以共用緩沖池(包含10個(gè)緩沖區)的二個(gè)生產(chǎn)者和二個(gè)消費者為例，實(shí)現該“生產(chǎn)者-消費者”模型需要考慮以下三個(gè)技術(shù)細節。
�、� 該模型使用的數據結構;
�、� 程序的流程;
�、� 實(shí)現生產(chǎn)者和消費者的具體操作。
以上三個(gè)技術(shù)細節的實(shí)現是本實(shí)驗的關(guān)鍵。學(xué)生在課前已經(jīng)對相關(guān)函數進(jìn)行了預習，因此我們并不立即給出答案，而是啟發(fā)學(xué)生基于預習和已有的編程知識，嘗試解決這三個(gè)問(wèn)題。
問(wèn)題一：由表1 中偽代碼可知，生產(chǎn)者和消費者之間通過(guò)信號量同步，并互斥地訪(fǎng)問(wèn)緩沖池。因此，信號量和臨界區是實(shí)現該模型必不可少的數據結構。
問(wèn)題二：程序的流程在main 函數中設定。具體可分為數據結構的初始化、創(chuàng )建多線(xiàn)程和資源回收。其中，資源的初始化及回收可以直接調用相關(guān)函數，較為復雜的是創(chuàng )建多線(xiàn)程。講解創(chuàng )建多線(xiàn)程的方法時(shí)可以這樣啟發(fā)學(xué)生：每調用一次_beginthreadex()函數可以創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程(用來(lái)模擬生產(chǎn)者或消費者)，因此，創(chuàng )建多個(gè)生產(chǎn)者和消費者要多次調用_beginthreadex()，這種重復執行相同的動(dòng)作顯然要用循環(huán)結構，從而引導學(xué)生寫(xiě)出創(chuàng )建多線(xiàn)程的語(yǔ)句。創(chuàng )建2 個(gè)生產(chǎn)者和2 個(gè)消費者的示例代碼如下。
HANDLE thread;
for(i=0;i<2;i++)
thread[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ProducerFun,
NULL,0,NULL);
for(i=2;i<4;i++)
thread[i]=(HANDLE)_beginthreadex(NULL,0,ConsumerFun,
NULL,0,NULL);
WaitForMultipleObjects(4,thread,true,INFINITE);
上述代碼中的ProducerFun 和ConsumerFun 分別是生產(chǎn)者和消費者線(xiàn)程的入口函數，即生產(chǎn)者和消費者將執行的具體操作，需要重點(diǎn)實(shí)現。
問(wèn)題三：實(shí)現生產(chǎn)者和消費者的具體操作，即編程實(shí)現函數ProducerFun()和ConsumerFun()。由于生產(chǎn)者和消費者類(lèi)似，我們以實(shí)現ProducerFun()函數為例，啟發(fā)學(xué)生在此基礎上獨立完成ConsumerFun()函數的編寫(xiě)。
在本例中，信號量empty 的初始值為10，full 的初始值為0，它們的最大值與緩沖池中緩沖區的個(gè)數相同(都為10);互斥量mutex 保證緩沖池被互斥地訪(fǎng)問(wèn)�？筛鶕a(chǎn)者的偽代碼對應寫(xiě)出源程序。
2.3 課后收集反饋
學(xué)生的課后反饋是對實(shí)驗課的重要補充�？捎烧n代表收集學(xué)生對本次實(shí)驗的感受和仍存在的疑問(wèn)，統一反饋給教師。這種反饋能夠加強教師和同學(xué)之間的聯(lián)系，幫助教師掌握學(xué)生的整體情況，并對教學(xué)手段進(jìn)行改進(jìn)。在此階段，可以向編程基礎較差的學(xué)生提供示例代碼，并對其輔導，盡量照顧到各層次的學(xué)生。
3 結束語(yǔ)
以知識傳授為核心的靜態(tài)實(shí)驗教學(xué)方式要求學(xué)生按教師講解的步驟按部就班進(jìn)行實(shí)驗，容易使學(xué)生陷于被動(dòng)，失去對實(shí)驗課的興趣。本文針對操作系統課程的特點(diǎn)，提出了適用于操作系統實(shí)驗課的“啟發(fā)式”教學(xué)方法，并以“生產(chǎn)者-消費者”實(shí)驗為例，闡述了該方法在教學(xué)過(guò)程中的應用。經(jīng)驗證，采用啟發(fā)式教學(xué)法能夠加大學(xué)生在實(shí)驗課中的參與度，提高學(xué)生的獨立思考能力，對學(xué)生系統能力的培養取得了初步成效。同時(shí)，該方法對計算機操作系統課程其他問(wèn)題及實(shí)驗的講解具有一定的借鑒作用。
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