基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)研究

【摘要】近年來(lái)，計(jì)算思維成為國(guó)際學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可和倡導(dǎo)的理念，計(jì)算思維所倡導(dǎo)的抽象與分解、關(guān)注分離、啟發(fā)推理、協(xié)調(diào)同步、并行處理等思想與操作系統(tǒng)理論中的并發(fā)、虛擬、分時(shí)、同步、獨(dú)立性等概念和思想具有異曲同工之處。將計(jì)算思維的理念引入計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程的教學(xué)過(guò)程，既有利于降低操作系統(tǒng)課程的教學(xué)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

【關(guān)鍵詞】操作系統(tǒng) 計(jì)算思維 教學(xué)研究

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最核心、最復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，它管理計(jì)算機(jī)中的各類軟件和硬件資源，并在用戶與計(jì)算機(jī)之間起到橋梁作用[1]。對(duì)操作系統(tǒng)相關(guān)概念、理論和方法的研究，以及使用、分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)操作系統(tǒng)，一直以來(lái)都是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中最主要的課題和任務(wù)之一。操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及軟件工程專業(yè)的核心課程，在整個(gè)課程體系中具有十分重要的地位。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中如何提高操作系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，讓學(xué)生通過(guò)操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)能夠從更高的層面理解和掌握整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理的相關(guān)原理和方法是學(xué)術(shù)界和教育界關(guān)心和關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺點(diǎn)

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的教學(xué)工作近年來(lái)深受廣大高等院校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的重視。但是，由于這門課程自身的特點(diǎn)，抽象的理論和概念較多，理論與實(shí)踐脫離，加之教學(xué)方法和教學(xué)手段的欠缺，導(dǎo)致操作系統(tǒng)這門課程的實(shí)際教學(xué)效果并不理想。目前，操作系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）概念和原理枯燥難懂。由于很多教材和課堂講解內(nèi)容都很少與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，加之傳統(tǒng)的教學(xué)大多采用“灌輸式”方法，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，以至于學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)原理很難做到真正理解，更談不上實(shí)踐運(yùn)用了。

（2）知識(shí)體系單一。當(dāng)前，很多教師在“操作系統(tǒng)”系列課程的教學(xué)過(guò)程中，很容易忽視各相關(guān)課程之間的銜接與關(guān)聯(lián)。教師在講授計(jì)算機(jī)“操作系統(tǒng)”這門課程的時(shí)候，整個(gè)學(xué)期下來(lái)，講的全是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的內(nèi)容，而對(duì)Linux操作系統(tǒng)、高級(jí)操作系統(tǒng)等其他相關(guān)課程的內(nèi)容只字不提。結(jié)果，本來(lái)應(yīng)相互重疊、相輔相成的幾門課程，就這樣被孤立開來(lái)，在對(duì)操作系統(tǒng)原理的深入理解上也給學(xué)生造成了巨大的障礙。[2]

（3）課程實(shí)踐與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通常是操作系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)方法的模擬或驗(yàn)證，主要考察學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，而缺少設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)，忽略了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。[3]

（4）課程的知識(shí)點(diǎn)比較細(xì)碎。并且重點(diǎn)理論和原理需要學(xué)生課后進(jìn)行擴(kuò)展性的知識(shí)學(xué)習(xí)。但目前的條件卻缺乏教師對(duì)學(xué)生課后學(xué)習(xí)的即時(shí)指導(dǎo)和及時(shí)的學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)機(jī)制。

基于以上分析可以看出，操作系統(tǒng)教學(xué)需要一種更科學(xué)有效的教學(xué)體系和方法，以便充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力，而計(jì)算思維的出現(xiàn)為操作系統(tǒng)課程教學(xué)提供了一條新的思路。

2計(jì)算思維

計(jì)算思維（Computational Thinking）作為國(guó)際學(xué)術(shù)界近年來(lái)普遍認(rèn)可和倡導(dǎo)的理念，關(guān)注將計(jì)算機(jī)學(xué)科解決問(wèn)題的方式運(yùn)用于其他學(xué)科和人們的日常生活，既有利于以類比形式開展教學(xué)，也有利于將特定學(xué)科和課程中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展和深化[4，5]。國(guó)際上廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來(lái)自周以真（Jeannette Wing）教授。周教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[6]。

計(jì)算思維中所倡導(dǎo)的抽象與分解、關(guān)注分離、啟發(fā)推理、協(xié)調(diào)同步、并行處理等，與操作系統(tǒng)中的并發(fā)、虛擬、分時(shí)、同步、獨(dú)立性等概念和思想具有異曲同工之妙。將計(jì)算思維的理念引入操作系統(tǒng)課程的教學(xué)，有利于降低操作系統(tǒng)的教學(xué)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生高效、深入地理解和掌握操作系統(tǒng)的核心原理與設(shè)計(jì)精髓，同時(shí)具有運(yùn)用相關(guān)原理和方法解決課程、學(xué)科以及日常生活中類似問(wèn)題的能力。

3基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)研究的目標(biāo)和思路

3.1基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)研究的目標(biāo)

計(jì)算思維對(duì)客觀世界進(jìn)行抽象化表述與研究，并將這個(gè)過(guò)程用自動(dòng)化方式實(shí)現(xiàn)出來(lái)。基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)研究主要有兩個(gè)目標(biāo)，一是降低課程學(xué)習(xí)的難度、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改進(jìn)教學(xué)效果；二是引導(dǎo)學(xué)生將操作系統(tǒng)課程中的相關(guān)原理和方法拓展到其他課程、學(xué)科及日常生活，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

3.2基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)的思路

根據(jù)基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)的研究的目標(biāo)，在教學(xué)中改變傳統(tǒng)教育方法和手段，采用如下教學(xué)思路：

1）基于計(jì)算思維所提倡的約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真方法，通過(guò)引入日常生活中生動(dòng)且學(xué)生喜聞樂(lè)見的實(shí)例，和生活中的日常行為動(dòng)作進(jìn)行類比，對(duì)操作系統(tǒng)的相關(guān)原理和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行形象化的講解和分析；

2）基于計(jì)算思維所提倡的抽象與分解、關(guān)注分離等思想，從資源的優(yōu)化使用與系統(tǒng)效能的最大化方面，對(duì)操作系統(tǒng)課程各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行綜合歸納與有機(jī)銜接，避免傳統(tǒng)操作系統(tǒng)教學(xué)中各知識(shí)點(diǎn)分散、學(xué)生各個(gè)背記的弊端；

3）增加理論實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)時(shí)，更加注重動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，變單純的灌輸為系統(tǒng)知識(shí)與計(jì)算思維能力相結(jié)合的教學(xué)。

4基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)的方法

基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程的教學(xué)研究，圍繞操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)和思路，改進(jìn)了與傳統(tǒng)的教學(xué)方法。操作系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容，主要存在“縱”“橫”兩條主要線索。“縱向線索”主要指設(shè)計(jì)思想、處理機(jī)制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)間發(fā)展順序。以內(nèi)存管理為例，從早期的固定分區(qū)，逐步發(fā)展到后來(lái)的可變分區(qū)，以及現(xiàn)代操作系統(tǒng)的虛擬存儲(chǔ)管理，以時(shí)間為軸可清晰地了解操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展變化過(guò)程。“橫向線索”主要指具體技術(shù)方法、不同環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)差異。以進(jìn)程管理為例，Linux操作系統(tǒng)使用5種狀態(tài)、Windows操作系統(tǒng)使用7種狀態(tài)，而一些簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)只有3種甚至2種狀態(tài)。不同的應(yīng)用目標(biāo)和環(huán)境條件約束著操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

采用“縱”、“橫”的教學(xué)思路，既能夠幫助學(xué)生了解操作系統(tǒng)原理思想以及技術(shù)方法的發(fā)展歷程，從而對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)有更準(zhǔn)確的把握，同時(shí)又能夠在不同案例的對(duì)比剖析中形象直觀地詮釋技術(shù)方法的差別和設(shè)計(jì)策略的選擇，從而提升學(xué)生分析并解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，將知識(shí)體系劃分與案例剖析相互結(jié)合，使得學(xué)生既能夠明確所學(xué)內(nèi)容在知識(shí)體系中的層次，同時(shí)，又能夠?qū)夹g(shù)方法細(xì)節(jié)有更為深入的了解。

操作系統(tǒng)的基本核心原理以及主要的教學(xué)內(nèi)容可以劃分為以下三個(gè)層次。

第一層次：思想與策略。該層次的內(nèi)容包括操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題提出與定義、問(wèn)題解決思路的選擇、操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)劃、不同操作系統(tǒng)模塊之間的關(guān)系和相互作用等。在講授過(guò)程中，通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和策略進(jìn)行分析解釋，有助于學(xué)生能夠準(zhǔn)確地抓住重點(diǎn)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析能力、問(wèn)題關(guān)聯(lián)能力、根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境選擇解決策略的能力。

例如，圖1所示為操作系統(tǒng)的抽象層次結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的普適化方法，在I/O設(shè)備上鋪設(shè)I/O管理軟件。為了支持文件共享，保證信息安全，在I/O管理軟件之上鋪設(shè)文件管理軟件。這兩層軟件分別隱藏了對(duì)I/O設(shè)備和文件管理操作的具體細(xì)節(jié)。當(dāng)在文件管理軟件層之上再鋪設(shè)窗口管理軟件后，用戶可在窗口環(huán)境中方便地使用計(jì)算機(jī)。在講授中可以借用計(jì)算思維所提倡的抽象理念，引導(dǎo)并啟發(fā)學(xué)生從原因、作用對(duì)象、作用范圍和結(jié)果等角度來(lái)分析進(jìn)程調(diào)度、頁(yè)面置換和磁盤調(diào)度三

者的共性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，它們都是由進(jìn)程的選擇引起的。在進(jìn)程爭(zhēng)奪處理機(jī)時(shí)，引起進(jìn)程調(diào)度；在進(jìn)程發(fā)生切換時(shí)，引起頁(yè)面置換；在進(jìn)程需要磁盤上的資源時(shí)，引起磁盤調(diào)度。

第二層次：方法與機(jī)制。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很多問(wèn)題的解決不能靠局部處理和某個(gè)具體的算法，而是必須建立完整的處理機(jī)制。很多教材采用條塊分割的方法介紹教學(xué)內(nèi)容，孤立的知識(shí)點(diǎn)之間并未有效地關(guān)聯(lián)。在教學(xué)實(shí)踐中特別注重貫穿式的講解，對(duì)重要的方法和機(jī)制在不同的教學(xué)內(nèi)容中反復(fù)多次講解分析，這樣既能夠?yàn)椤八枷肱c策略”的解讀提供充分論據(jù)，同時(shí)，又能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)系統(tǒng)級(jí)的分析思維，從而提高專業(yè)教學(xué)的質(zhì)量。

例如，表1所示，借用計(jì)算思維所提倡的約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真方法，將操作系統(tǒng)課程中所使用的概念、算法等與日常生活中的相關(guān)場(chǎng)景進(jìn)行類比，引入寓教于樂(lè)的教學(xué)方式。

第三層次：技術(shù)與實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)原理中包含大量的算法、優(yōu)化方法，單純講解算法不但枯燥，也無(wú)法體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的思想內(nèi)涵，在“思想與策略”、“方法與機(jī)制”的指導(dǎo)下講解具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，能夠有效地克服這一問(wèn)題。在講解技術(shù)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，我們充分借助各種真實(shí)操作系統(tǒng)案例進(jìn)行剖析，學(xué)生不僅直觀地了解了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，同時(shí)又強(qiáng)化了對(duì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略、關(guān)鍵方法機(jī)制的理解，最終幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)體系。

5結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維的概念清晰化后，已在人們的科學(xué)研究、生產(chǎn)和學(xué)習(xí)中起到越來(lái)越明顯的作用。培養(yǎng)具有計(jì)算思維素養(yǎng)的現(xiàn)代化人才勢(shì)在必行。在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中，基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程研究，將培養(yǎng)計(jì)算思維能力作為教學(xué)目標(biāo)，既有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改進(jìn)教學(xué)效果，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維習(xí)慣和能力。

【參考文獻(xiàn)】

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[6]Wing J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）：33—35.

作者簡(jiǎn)介：高輝（1980-），女，遼寧沈陽(yáng)人，黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，圖像處理。（黑龍江 哈爾濱 150022）

基金項(xiàng)目：本文系“2014年黑龍江科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（JY14-117）”和“黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（GBD1213039）”的研究成果。