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論啟發(fā)式教學(xué)法在計算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的運用論文
引言
2013 年，教育部計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會系統(tǒng)研究組提出要加強學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)，明確指出學(xué)生的系統(tǒng)能力核心是：“在掌握計算系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，熟悉如何進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)建以計算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)�！蓖瑫r建議把計算機(jī)專業(yè)課程分成三個層次，即：計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程、重組內(nèi)容的核心課程和側(cè)重不同計算系統(tǒng)的若干相關(guān)平臺應(yīng)用課程。操作系統(tǒng)課程被劃分到第二層次，是計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)最基本的核心課程。
操作系統(tǒng)課程具有概念抽象、系統(tǒng)性差、原理性強等特點，教師授課難度較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)過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(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，并以比較直觀的、易于理解和易于掌握的形式展現(xiàn)，就必須輔以相應(yīng)的實驗。然而，以知識傳授為核心的靜態(tài)實驗教學(xué)方式(即教師在課堂上把實驗原理、目的、步驟及注意事項均詳細(xì)講解一遍，學(xué)生只需按部就班地操作，用不著查資料，也不需思考實驗中還有沒有需要改進(jìn)的地方。)會使學(xué)生完全處于被動狀態(tài)，壓抑他們的學(xué)習(xí)興趣和主動參與實驗的積極性�！皢l(fā)式”教學(xué)法與傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)不同，它更強調(diào)學(xué)生在教師的引領(lǐng)和啟示下，主動參與到發(fā)現(xiàn)問題、尋求答案的過程中，從而提高他們獨立思考、解決問題的能力。下面以操作系統(tǒng)原理中經(jīng)典的“生產(chǎn)者-消費者”實驗為例，對在實驗課中應(yīng)用“啟發(fā)式”教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力進(jìn)行初步探索。
1 問題描述
“生產(chǎn)者-消費者”是一個著名的進(jìn)程同步問題。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(zhí)行，在兩者之間設(shè)置了一個具有n 個緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程可以將其所生產(chǎn)的產(chǎn)品放入一個緩沖區(qū)中;消費者進(jìn)程可從一個緩沖區(qū)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)程到一個空緩沖區(qū)去取產(chǎn)品，也不允許生產(chǎn)者進(jìn)程向一個已裝滿產(chǎn)品且尚未被取走的緩沖區(qū)中投放產(chǎn)品。
“生產(chǎn)者-消費者”實驗安排在“經(jīng)典的進(jìn)程同步問題”理論課之后。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉“生產(chǎn)者-消費者”模型，知道各進(jìn)程應(yīng)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 組織實施
為減少學(xué)生對教師的依賴，加大他們在實驗中的參與度，培養(yǎng)他們的系統(tǒng)能力，我們把“生產(chǎn)者-消費者”實驗的組織劃分為三個階段：課前布置任務(wù)、課內(nèi)檢查引導(dǎo)、課后收集反饋。
2.1 課前布置任務(wù)
為加大學(xué)生對實驗的參與度，我們在實驗課前向?qū)W生明確實驗任務(wù)并提供相關(guān)API 函數(shù)的簡單說明，要求學(xué)生學(xué)習(xí)資料并思考“生產(chǎn)者-消費者”模型實現(xiàn)的方法。
2.1.1 明確實驗任務(wù)
在理解“生產(chǎn)者-消費者”模型的基礎(chǔ)上，利用多線程技術(shù)模擬實現(xiàn)一組生產(chǎn)者和消費者;并假設(shè)這些生產(chǎn)者和消費者等效，即：只要緩沖池未滿，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(xí)資料
由于大多數(shù)學(xué)生在本次實驗前未接觸過多線程編程，因此我們向?qū)W生提供一些與偽代碼中各操作相對應(yīng)的WindowsAPI�！吧a(chǎn)者-消費者”實驗涉及到創(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(yīng)的三類函數(shù)供學(xué)生預(yù)習(xí)，分別是多線程操作函數(shù)、信號量操作函數(shù)和互斥量操作函數(shù)(通過互斥量保證生產(chǎn)者和消費者對臨界資源互斥訪問)。多線程操作函數(shù)包括創(chuàng)建線程的函數(shù)_beginthreadex()和等待多個線程結(jié)束的函數(shù)WaitForMultipleObject()。信號量操作函數(shù)包括創(chuàng)建信號量的函數(shù)CreateSemaphore()、申請信號量的函數(shù)WaitForSingleObject() 和釋放信號量的函數(shù)ReleaseSemaphore()�；コ饬坎僮骱瘮�(shù)包括創(chuàng)建互斥量的函數(shù)CreateMutex()、申請互斥量的函數(shù)WaitForSingleObject()和釋放互斥量的函數(shù)ReleaseMutex()。當(dāng)生產(chǎn)者和消費者完成所有工作后，需要銷毀線程、信號量和互斥量等資源。線程、信號量和互斥量都是內(nèi)核級資源，用CloseHandle()函數(shù)銷毀。需要注意的是，我們只對上述函數(shù)進(jìn)行簡單說明，學(xué)生需要借助互聯(lián)網(wǎng)等資源學(xué)習(xí)它們的具體使用方法。
2.1.3 提出具體要求
提供預(yù)習(xí)資料的同時要求學(xué)生思考：實現(xiàn)“生產(chǎn)者-消費者”模型應(yīng)考慮哪些技術(shù)細(xì)節(jié)?
2.2 課內(nèi)檢查引導(dǎo)
與教師詳細(xì)講解實驗原理、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)生在實驗課上的主動性，積極引導(dǎo)學(xué)生思考并對學(xué)生的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，從而完成實驗。本階段又可分為預(yù)習(xí)成果檢查和總結(jié)引導(dǎo)兩部分。
2.2.1 預(yù)習(xí)成果檢查
實驗課開始時我們通過提問檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，重點考察他們對實驗中可能會遇到的技術(shù)問題的思考。檢查預(yù)習(xí)的好處在于：一方面，教師的監(jiān)督可以強迫學(xué)生獨立思考，減少學(xué)生對教師的依賴;另一方面，通過提問教師能夠了解學(xué)生對實驗的理解程度，有助于總結(jié)引導(dǎo)。
2.2.2 總結(jié)引導(dǎo)
根據(jù)經(jīng)驗，大部分學(xué)生會對實驗中可能遇到的技術(shù)問題進(jìn)行思考，但可能不夠全面。因此，在聽取學(xué)生對問題的回答后，應(yīng)進(jìn)行總結(jié)，并進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生。我們以共用緩沖池(包含10個緩沖區(qū))的二個生產(chǎn)者和二個消費者為例，實現(xiàn)該“生產(chǎn)者-消費者”模型需要考慮以下三個技術(shù)細(xì)節(jié)。
�、� 該模型使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);
�、� 程序的流程;
�、� 實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者的具體操作。
以上三個技術(shù)細(xì)節(jié)的實現(xiàn)是本實驗的關(guān)鍵。學(xué)生在課前已經(jīng)對相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了預(yù)習(xí)，因此我們并不立即給出答案，而是啟發(fā)學(xué)生基于預(yù)習(xí)和已有的編程知識，嘗試解決這三個問題。
問題一：由表1 中偽代碼可知，生產(chǎn)者和消費者之間通過信號量同步，并互斥地訪問緩沖池。因此，信號量和臨界區(qū)是實現(xiàn)該模型必不可少的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
問題二：程序的流程在main 函數(shù)中設(shè)定。具體可分為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化、創(chuàng)建多線程和資源回收。其中，資源的初始化及回收可以直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)，較為復(fù)雜的是創(chuàng)建多線程。講解創(chuàng)建多線程的方法時可以這樣啟發(fā)學(xué)生：每調(diào)用一次_beginthreadex()函數(shù)可以創(chuàng)建一個線程(用來模擬生產(chǎn)者或消費者)，因此，創(chuàng)建多個生產(chǎn)者和消費者要多次調(diào)用_beginthreadex()，這種重復(fù)執(zhí)行相同的動作顯然要用循環(huán)結(jié)構(gòu)，從而引導(dǎo)學(xué)生寫出創(chuàng)建多線程的語句。創(chuàng)建2 個生產(chǎn)者和2 個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)者和消費者線程的入口函數(shù)，即生產(chǎn)者和消費者將執(zhí)行的具體操作，需要重點實現(xiàn)。
問題三：實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者的具體操作，即編程實現(xiàn)函數(shù)ProducerFun()和ConsumerFun()。由于生產(chǎn)者和消費者類似，我們以實現(xiàn)ProducerFun()函數(shù)為例，啟發(fā)學(xué)生在此基礎(chǔ)上獨立完成ConsumerFun()函數(shù)的編寫。
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(qū)的個數(shù)相同(都為10);互斥量mutex 保證緩沖池被互斥地訪問�？筛鶕�(jù)生產(chǎn)者的偽代碼對應(yīng)寫出源程序。
2.3 課后收集反饋
學(xué)生的課后反饋是對實驗課的重要補充�？捎烧n代表收集學(xué)生對本次實驗的感受和仍存在的疑問，統(tǒng)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(chǔ)較差的學(xué)生提供示例代碼，并對其輔導(dǎo)，盡量照顧到各層次的學(xué)生。
3 結(jié)束語
以知識傳授為核心的靜態(tài)實驗教學(xué)方式要求學(xué)生按教師講解的步驟按部就班進(jìn)行實驗，容易使學(xué)生陷于被動，失去對實驗課的興趣。本文針對操作系統(tǒng)課程的特點，提出了適用于操作系統(tǒng)實驗課的“啟發(fā)式”教學(xué)方法，并以“生產(chǎn)者-消費者”實驗為例，闡述了該方法在教學(xué)過程中的應(yīng)用。經(jīng)驗證，采用啟發(fā)式教學(xué)法能夠加大學(xué)生在實驗課中的參與度，提高學(xué)生的獨立思考能力，對學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)取得了初步成效。同時，該方法對計算機(jī)操作系統(tǒng)課程其他問題及實驗的講解具有一定的借鑒作用。
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