基于計(jì)算思維的高職操作系統(tǒng)課程改革研究

徐晶晶++鄧單

摘要：自計(jì)算思維的概念提出后，全球的教育研究領(lǐng)域扭轉(zhuǎn)視線，開(kāi)始著手基于計(jì)算思維的課程體系改革及教育轉(zhuǎn)型。操作系統(tǒng)作為高職計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其課程自身的特點(diǎn)與計(jì)算思維教學(xué)改革的目標(biāo)相契合，且課程教學(xué)內(nèi)容中也蘊(yùn)含經(jīng)典的計(jì)算思維理念。通過(guò)改革研究，課程選取、設(shè)計(jì)部分教學(xué)案例，將計(jì)算思維能力形成和培養(yǎng)貫穿于教學(xué)環(huán)節(jié)，在潛移默化中養(yǎng)成和訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力，構(gòu)建了新的以計(jì)算思維為導(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；操作系統(tǒng)；課程改革；教學(xué)案例

中圖分類(lèi)號(hào)：G710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-1422（2016）02-0047-03

收稿日期：2015-12-25

作者簡(jiǎn)介：徐晶晶（1982-），女，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士。主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全。（廣東 廣州/511483）

鄧單（1981-），男，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級(jí)工程師，博士。主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全。（廣東 廣州/511483）

基金項(xiàng)目：本文系廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃面上一般課題（編號(hào)：1201431075）、廣東省高教學(xué)會(huì)云計(jì)算與大數(shù)據(jù)專(zhuān)委會(huì)科研課題（編號(hào)：GDYJSKT14-06）項(xiàng)目的成果。

一、引言

教學(xué)本身不僅是教書(shū)還要育人，教學(xué)的改革不光只是形而上學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)內(nèi)容的變更，還更應(yīng)體現(xiàn)出“授人以漁”的教學(xué)理念。而學(xué)習(xí)的過(guò)程則是知識(shí)的累積和思維方式形成的過(guò)程，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意這兩者的融合與平衡，不能忽視學(xué)生思維方式的訓(xùn)練和養(yǎng)成，也就是“漁”的方法。

在傳統(tǒng)的教育理念中，常見(jiàn)的思維方式包括有邏輯思維、辨證思維、數(shù)學(xué)思維等。隨著數(shù)字化、信息化在21世紀(jì)的迅猛發(fā)展，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授于2006年3月提出了基于計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的“計(jì)算思維”理念，并獲得計(jì)算機(jī)界、教育界、哲學(xué)界以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的廣泛關(guān)注及認(rèn)可。

計(jì)算思維突破傳統(tǒng)的思維方式，用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法論去提出問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，這是一個(gè)嶄新的課題，為當(dāng)代計(jì)算機(jī)學(xué)科教育改革指明了新的方向。隨后在2008年就提出了在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中綁定有關(guān)計(jì)算思維的課程內(nèi)容。2010年7月，國(guó)內(nèi)“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”上，也明確將計(jì)算思維能力作為培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的核心任務(wù)。此外，計(jì)算思維還影響著美國(guó)、英國(guó)甚至歐洲的教育，并已從計(jì)算機(jī)學(xué)科延伸到哲學(xué)、教育、物理、建筑、醫(yī)學(xué)、生物等不同的領(lǐng)域。

操作系統(tǒng)課程作為高職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全、軟件開(kāi)發(fā)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課程，主要介紹操作系統(tǒng)的基本概念、原理及Linux系統(tǒng)平臺(tái)的基本管理操作，以理論為基礎(chǔ)指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)，為深入學(xué)習(xí)信息、計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及服務(wù)器、系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)課程打下基礎(chǔ)。作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)承前啟后的專(zhuān)業(yè)核心課程，在課程改革上應(yīng)緊跟教育轉(zhuǎn)型風(fēng)向標(biāo)，不僅在授課內(nèi)容上要緊隨技術(shù)的發(fā)展，而且還要在教學(xué)環(huán)節(jié)中融合思維訓(xùn)練——計(jì)算思維。

二、計(jì)算思維的概念與內(nèi)涵

計(jì)算思維其實(shí)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真的方法，把看似復(fù)雜的問(wèn)題闡述成易于解決的問(wèn)題。除了將問(wèn)題簡(jiǎn)化、降低難度之外，計(jì)算思維也可采用抽象、分解、建模的方式處理復(fù)雜的任務(wù)，或采用冗余、糾錯(cuò)、折中的思想全面考慮問(wèn)題，并善用遞歸思維和啟發(fā)式推理尋求解答。

雖然計(jì)算思維是一個(gè)嶄新的概念，但是很多人在工作和生活中都曾使用過(guò)計(jì)算思維去解決問(wèn)題，比如運(yùn)用并行處理的方式做飯，在煮飯的同時(shí)烹飪菜肴，以保證可以同時(shí)享用熱的飯菜；或者使用排序算法，由遠(yuǎn)及近的拾回物品。在這里計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是一種解決問(wèn)題的思維能力，就像閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)能力一樣，計(jì)算思維應(yīng)具有普適性，而并不僅屬于計(jì)算機(jī)學(xué)者或計(jì)算機(jī)行業(yè)的從業(yè)者。重要的區(qū)別在于——計(jì)算思維不等于計(jì)算機(jī)編程，前者屬于人的思維方式，后者屬于專(zhuān)業(yè)技能。

三、計(jì)算思維與操作系統(tǒng)課程改革切入點(diǎn)

操作系統(tǒng)作為高職計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程體系中的核心課程，具有內(nèi)容龐雜、概念抽象、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，可“轉(zhuǎn)化”或“嵌入”成生活中常見(jiàn)的案例進(jìn)行講解和分析；課程涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理、計(jì)算機(jī)組成等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，可采用“抽象”和“分解”的方式簡(jiǎn)化龐雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容；章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立容易造成顧此失彼的學(xué)習(xí)效果，可通過(guò)“建?！睂ⅹ?dú)立內(nèi)容或相似的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)在一起。此外，課程理論部分的授課方式多以“灌輸式”教學(xué)為主，缺乏互動(dòng)性和啟發(fā)性，可通過(guò)“啟發(fā)式推理”和“遞歸思維”訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，推進(jìn)課程的教育改革及轉(zhuǎn)型，不僅需要從課程內(nèi)容和特點(diǎn)上引入計(jì)算思維，更需要在人才培養(yǎng)模式上進(jìn)行創(chuàng)新。引入以計(jì)算思維為指導(dǎo)的人才培養(yǎng)模式，以計(jì)算思維為核心，以操作系統(tǒng)原理為背景，將重點(diǎn)從學(xué)科方法論轉(zhuǎn)向?qū)W科的思維方式。

基于計(jì)算思維的高職操作系統(tǒng)課程改革研究

四、構(gòu)建以計(jì)算思維為導(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程

高職操作系統(tǒng)的課堂教學(xué)由理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分組成：理論部分可從計(jì)算思維的視角規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，先讓學(xué)生形成計(jì)算思維的概念，再培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的能力；實(shí)驗(yàn)部分則可通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，達(dá)成計(jì)算思維的訓(xùn)練目的。下面將以理論環(huán)節(jié)的教學(xué)案例為側(cè)重點(diǎn)，進(jìn)行以計(jì)算思維為導(dǎo)向的課程構(gòu)建。

1.選取教學(xué)案例，形成計(jì)算思維概念

操作系統(tǒng)課程主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源管理的四大功能，理論部分重點(diǎn)由：進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理四部分組成。下面將以計(jì)算思維為主線，對(duì)這四個(gè)重點(diǎn)理論單元重新組織教學(xué)，逐步建立學(xué)生計(jì)算思維的思維模式，并引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算思維方法論去解決問(wèn)題。

操作系統(tǒng)作為一個(gè)龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循約簡(jiǎn)的計(jì)算思維，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)管理的處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和文件資源，將系統(tǒng)分解成四個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單、獨(dú)立的資源管理模塊；教學(xué)內(nèi)容也依此展開(kāi)，脈絡(luò)清晰地形成了四個(gè)重點(diǎn)教學(xué)單元。

四個(gè)教學(xué)單元中重要知識(shí)點(diǎn)所蘊(yùn)含的計(jì)算思維如表1中所示，下面將以各資源管理模塊為單位，例舉部分計(jì)算思維在教學(xué)內(nèi)容中的體現(xiàn)，對(duì)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)進(jìn)行分析：

（1）進(jìn)程管理單元主要介紹進(jìn)程對(duì)CPU和其他資源的合理調(diào)配。以互斥和同步為例，進(jìn)程的互斥是對(duì)獨(dú)享資源的競(jìng)爭(zhēng)，可轉(zhuǎn)化成兩人相向過(guò)獨(dú)木橋的案例；進(jìn)程的同步則是對(duì)資源使用先后順序的約束，可轉(zhuǎn)化成病人看病和化驗(yàn)的案例。通過(guò)將抽象轉(zhuǎn)化成具體的案例，概念清晰易于理解。而系統(tǒng)中互斥和同步的實(shí)現(xiàn)，則可通過(guò)建模的方式通過(guò)鎖或信號(hào)燈機(jī)制進(jìn)行約束和推進(jìn)，最終通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)關(guān)于資源分配的難點(diǎn)——死鎖，可轉(zhuǎn)化成兩個(gè)孩子拿著各自的玩具又想要玩對(duì)方的玩具，卻一直僵持不下的情景。避免死鎖除去破壞必要條件之外，亦可采用冗余（銀行家算法）的思想預(yù)防最壞的情況發(fā)生。

（2）與CPU直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的硬件是內(nèi)存，存儲(chǔ)管理單元就是針對(duì)內(nèi)存的存取管理。虛擬存儲(chǔ)可借助抽象思維，屏蔽程序部分裝入內(nèi)存即可運(yùn)行的本質(zhì)，用戶完全不用考慮虛擬存儲(chǔ)與內(nèi)存空間分配和地址轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)。存儲(chǔ)分配可分為首次適應(yīng)、最佳適應(yīng)和最壞適應(yīng)三種算法，空閑存儲(chǔ)空間可依據(jù)地址或空間大小排序，算法的優(yōu)劣取決于在存放數(shù)據(jù)時(shí)，看中是盡快找到大小合適的空閑分區(qū)，還是盡量減少較小碎片的產(chǎn)生，這則體現(xiàn)出計(jì)算思維折中的思想。

（3）設(shè)備管理負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有外部設(shè)備，而外部設(shè)備與CPU最大的矛盾則體現(xiàn)在速率不匹配，為了解決相互等待降低運(yùn)行效率問(wèn)題，在速率不匹配的設(shè)備間添加了緩沖，使系統(tǒng)在執(zhí)行進(jìn)程時(shí)看似并行運(yùn)行。而緩沖區(qū)就好比水庫(kù)，從單緩沖到雙緩沖再到緩沖池，則體現(xiàn)了系統(tǒng)冗余的思維。

（4）為記錄文件在磁盤(pán)上的存放位置，從文件的物理結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)文件目錄的方式記錄下連續(xù)、串聯(lián)文件的存儲(chǔ)位置，為了更方便地存取或增減文件引入了索引文件，連續(xù)、串聯(lián)文件的目錄和索引表對(duì)文件的管理則體現(xiàn)出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的思維。

課程通過(guò)典型的教學(xué)案例與計(jì)算思維有機(jī)結(jié)合，讓晦澀難懂的概念和原理變得易于理解和掌握，計(jì)算思維的概念也潛移默化地在授課過(guò)程中逐漸形成。

2.設(shè)計(jì)教學(xué)案例，培養(yǎng)計(jì)算思維能力

以進(jìn)程調(diào)度和頁(yè)面置換兩個(gè)算法為例：進(jìn)程由就緒轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)需要排隊(duì)等候，程序從內(nèi)存頁(yè)面中淘汰出來(lái)也需要進(jìn)行排隊(duì)，可以看出兩個(gè)算法都體現(xiàn)出隊(duì)列的思想。那么究竟采用何種標(biāo)準(zhǔn)排隊(duì)，又如何去調(diào)度隊(duì)列中的進(jìn)程和頁(yè)面對(duì)象呢？這就需要啟發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維，引出不同的算法策略。

排隊(duì)的現(xiàn)象在日常生活中極為普遍，基于公平的原則，學(xué)生首先想到的是根據(jù)先來(lái)后到的順序進(jìn)行排隊(duì)。進(jìn)程的調(diào)度則可采用先來(lái)先服務(wù)的算法，將隊(duì)列中第一順位的進(jìn)程調(diào)入CPU執(zhí)行；頁(yè)面的置換也可類(lèi)似地采取先進(jìn)先出的淘汰算法，只不過(guò)是將最先調(diào)入頁(yè)面置換出內(nèi)存。當(dāng)排隊(duì)的人群中有人業(yè)務(wù)辦理時(shí)間短，有人業(yè)務(wù)復(fù)雜需要更長(zhǎng)的處理時(shí)間，或者有老弱病殘的服務(wù)對(duì)象，讓學(xué)生通過(guò)情景的假設(shè)再進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。于是從提高服務(wù)效率的角度考慮，可以根據(jù)服務(wù)的時(shí)長(zhǎng)讓短進(jìn)程優(yōu)先，或者根據(jù)服務(wù)對(duì)象的級(jí)別進(jìn)行調(diào)度。類(lèi)似的也可啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行推理，如果存儲(chǔ)于內(nèi)存的某個(gè)頁(yè)面長(zhǎng)時(shí)間未被使用，或者某個(gè)頁(yè)面永遠(yuǎn)不需要或最長(zhǎng)時(shí)間不需要訪問(wèn)，為避免頻繁的頁(yè)面置換導(dǎo)致抖動(dòng)的現(xiàn)象產(chǎn)生，如何預(yù)測(cè)或折中考慮將會(huì)引出新的頁(yè)面置換算法。

課程借助合理教學(xué)案例的設(shè)置，以啟發(fā)式推理的計(jì)算思維模式，讓學(xué)生通過(guò)互動(dòng)的方式研究算法、評(píng)價(jià)性能、進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在通過(guò)計(jì)算思維方式理解教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，反過(guò)來(lái)引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生有意識(shí)的計(jì)算思維。

3.更新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引入計(jì)算思維考核

操作系統(tǒng)課程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，以往過(guò)程性評(píng)價(jià)主要針對(duì)操作環(huán)節(jié)中的專(zhuān)業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，終結(jié)性評(píng)價(jià)只根據(jù)理論考核的筆試成績(jī)。以計(jì)算思維為導(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程評(píng)價(jià)，應(yīng)相應(yīng)加入對(duì)計(jì)算思維能力的考核。

如表2所示，改革后的課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中加入了對(duì)計(jì)算思維能力的過(guò)程性評(píng)價(jià)，并占到總分的20%。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)很容易體現(xiàn)思維方式，但理論教學(xué)環(huán)節(jié)則很難判斷學(xué)生是否具備了計(jì)算思維能力，教師可通過(guò)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，以及課堂設(shè)置的提問(wèn)、互動(dòng)環(huán)節(jié)去了解學(xué)生分析、解決問(wèn)題的思維方式，了解計(jì)算思維能力的養(yǎng)成效果。

五、小結(jié)

計(jì)算思維的提出已快10年，構(gòu)建包含計(jì)算思維的課程體系已成為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程及計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程改革的共識(shí)。為避免單純給操作系統(tǒng)課程貼上計(jì)算思維的標(biāo)簽，應(yīng)將計(jì)算思維訓(xùn)練融合在教學(xué)案例中，在操作系統(tǒng)原理容中滲透出計(jì)算思維。然而思維模式的養(yǎng)成并不是一蹴而就的，也不是某一門(mén)課程的職責(zé)，它將貫穿于整個(gè)教學(xué)、科研體系，并最終幫助人們發(fā)現(xiàn)并解決哲學(xué)、教育、物理、建筑、醫(yī)學(xué)、生物等不同領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。

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責(zé)任編輯 何麗華