關(guān)注內(nèi)在邏輯的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張麗 朱青 張靜

摘要：本文對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)中計(jì)算機(jī)知識(shí)相關(guān)的基礎(chǔ)課程內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，并從廣度、難度以及內(nèi)在邏輯的合理性方面設(shè)計(jì)了課程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在有限的課時(shí)內(nèi)促進(jìn)學(xué)生理解關(guān)鍵概念、提高動(dòng)手能力，學(xué)生興趣，培養(yǎng)自學(xué)能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí);內(nèi)在邏輯

中圖分類號(hào)：G642.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）08-0105-03

數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)是數(shù)字媒體藝術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)課程融合發(fā)展的專業(yè)，計(jì)算機(jī)技術(shù)是該學(xué)科的基礎(chǔ)，所以數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)需要設(shè)置相應(yīng)的計(jì)算機(jī)理論和實(shí)踐課程。但該專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)需求不同于計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，照搬計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的課程內(nèi)容并不可行。因而，筆者對(duì)該專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的需求進(jìn)行了梳理，對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)課程內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，最終形成了一門名為“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)”的課程。該課程內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)原理以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)相關(guān)知識(shí)，其中，操作系統(tǒng)原理和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)是課程的重點(diǎn)核心內(nèi)容。為了讓學(xué)生能更好地理解和掌握課程內(nèi)容，筆者設(shè)置了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生從感性上認(rèn)識(shí)關(guān)鍵概念，同時(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，為后續(xù)其他專業(yè)課程奠定必要的基礎(chǔ)。

由于該課程內(nèi)容涉及面比較廣，跨度比較大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)難度較大，既要在有限的課時(shí)內(nèi)完成，還要配合理論知識(shí)，促進(jìn)概念的理解和掌握，提高實(shí)踐能力，且內(nèi)容之間還要銜接有序，有合理的內(nèi)在邏輯，能有機(jī)地結(jié)合在一起形成一門課程的實(shí)驗(yàn)體系。在這種情況下，通過對(duì)課程目標(biāo)、課程內(nèi)容以及專業(yè)需求的分析，筆者從以下幾個(gè)方面著手，設(shè)計(jì)出了一套完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，力圖在有限的課時(shí)內(nèi)達(dá)到促進(jìn)學(xué)生理解關(guān)鍵概念、提高動(dòng)手能力，引導(dǎo)學(xué)生興趣，為進(jìn)一步自學(xué)打好基礎(chǔ)的目標(biāo)。

● 針對(duì)專業(yè)需求，進(jìn)行廣度的內(nèi)容覆蓋

在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)方面，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學(xué)生首先需要掌握操作系統(tǒng)的使用，進(jìn)一步了解操作系統(tǒng)的功能，理解操作系統(tǒng)的行為，這樣才能更好地在操作系統(tǒng)平臺(tái)上使用數(shù)字媒體相關(guān)軟件，如視頻剪輯與合成，以及能夠進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，如游戲程序的開發(fā)。因此，筆者把第一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置為Shell編程，通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟悉Linux操作系統(tǒng)接口，熟練使用Linux操作系統(tǒng)，同時(shí)希望學(xué)生對(duì)脫機(jī)接口概念有感性的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)來說，程序設(shè)計(jì)很大一部分是通過腳本來實(shí)現(xiàn)，因此掌握腳本編程，對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生很重要。Shell編程實(shí)驗(yàn)從語法上讓學(xué)生學(xué)會(huì)腳本的寫法，練習(xí)核心的循環(huán)結(jié)構(gòu)和分支結(jié)構(gòu)，同時(shí)讓學(xué)生理解腳本程序的運(yùn)行過程。

其中，進(jìn)程是操作系統(tǒng)最核心的一個(gè)概念。多進(jìn)程/多線程編程對(duì)數(shù)字媒體的應(yīng)用是至關(guān)重要的基礎(chǔ)。理論上的進(jìn)程概念和進(jìn)程調(diào)度，對(duì)學(xué)生來說過于抽象，而且進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性使學(xué)生更加難以掌握，常與靜態(tài)的程序混淆。因此，筆者設(shè)置了創(chuàng)建多進(jìn)程程序的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成該實(shí)驗(yàn)的學(xué)生認(rèn)為，“本次試驗(yàn)讓我對(duì)進(jìn)程調(diào)度的方法、原理、效果有了更深的認(rèn)識(shí)。本次試驗(yàn)既是對(duì)課堂學(xué)習(xí)知識(shí)的檢驗(yàn)，也是對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的一個(gè)考驗(yàn)”。

另外，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學(xué)生需要對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有基本的了解，因?yàn)閷砜赡芤O(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，如在線游戲、智能APP等。因此，學(xué)生首先要掌握網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的概念，如C/S結(jié)構(gòu)、B/S結(jié)構(gòu)、P2P結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序的通信是在傳輸層的支持下實(shí)現(xiàn)的，要很好地使用傳輸層的接口，學(xué)生需要對(duì)傳輸層有基本了解和行為理解，需要清楚傳輸層給應(yīng)用層提供的基本支持，理解其行為，進(jìn)而掌握網(wǎng)絡(luò)接口的功能和使用方法。而這需要學(xué)生先了解網(wǎng)絡(luò)分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基本概念。為此，筆者在課程內(nèi)容中設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)分層的動(dòng)機(jī)及網(wǎng)絡(luò)參考模型的介紹，并重點(diǎn)介紹了TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，配合學(xué)生理解概念，以及為設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序奠定基礎(chǔ)。此外，筆者還設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化版的文件服務(wù)器和客戶端的實(shí)驗(yàn)，以期通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生首先了解傳輸層接口的基本形式，引入socket的概念，讓學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)手段，同時(shí)實(shí)踐C/S模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)。

● 針對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)適度的實(shí)驗(yàn)難度

由于是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)類課程的實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和難度都要與之匹配，不能照搬計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

筆者的實(shí)驗(yàn)設(shè)置從最簡(jiǎn)單的Shell編程開始，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的腳本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生迅速進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中，不斷試錯(cuò)，不斷探索，很有成就感。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了Shell編程的方式，在練習(xí)中對(duì)獲取進(jìn)程信息和篩選進(jìn)程也有了一定的了解，并進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)了之前學(xué)習(xí)到的關(guān)于Shell編程、命令、運(yùn)算、條件、循環(huán)語句的內(nèi)容。

創(chuàng)建多進(jìn)程程序?qū)嶒?yàn)，從內(nèi)容上看非常簡(jiǎn)單，只是用系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建特定數(shù)目的進(jìn)程。學(xué)生對(duì)此會(huì)感覺比較容易完成，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)進(jìn)程概念的為難情緒。但實(shí)際上該實(shí)驗(yàn)的完成并不像表面上看起來那樣能夠一蹴而就。教師可設(shè)置特別設(shè)計(jì)的創(chuàng)建進(jìn)程的數(shù)量要求，讓學(xué)生無法在一開始就達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模仨毻ㄟ^不斷修正程序才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

例如，教師可通過對(duì)循環(huán)創(chuàng)建進(jìn)程過程的控制，讓學(xué)生理解子進(jìn)程與父進(jìn)程的關(guān)系，理解動(dòng)態(tài)產(chǎn)生出來的子進(jìn)程是什么，理解子進(jìn)程產(chǎn)生出來之后處于什么狀態(tài)以及進(jìn)程的程序執(zhí)行到的位置。然后要求學(xué)生創(chuàng)建四個(gè)子進(jìn)程，在學(xué)生嘗試的過程中，使其理解“子進(jìn)程復(fù)制全部父進(jìn)程代碼、子進(jìn)程的運(yùn)行是從剛剛創(chuàng)建的語句返回”的含義。

學(xué)生通過多個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行順序，能體會(huì)操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度和含義，并從將單進(jìn)程運(yùn)行模式的思維轉(zhuǎn)換多進(jìn)程的關(guān)系上，體會(huì)進(jìn)程是不同的任務(wù)調(diào)度實(shí)體，進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)的任務(wù)，而不是用戶程序所能夠控制的。例如，學(xué)生按照單進(jìn)程程序順序執(zhí)行的思想會(huì)發(fā)現(xiàn)，新創(chuàng)建的子進(jìn)程并不一定按照創(chuàng)建的順序執(zhí)行。這時(shí)他們首先想到的是哪里出現(xiàn)了問題，通過進(jìn)一步思考，學(xué)生可以理解各個(gè)子進(jìn)程和父進(jìn)程是同等地位，進(jìn)程的運(yùn)行是由操作系統(tǒng)的調(diào)度程序決定的。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象并想清楚時(shí)，教師要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考，如果用戶希望控制多個(gè)子進(jìn)程的運(yùn)行順序，應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)呢？在學(xué)生的認(rèn)知里，這些進(jìn)程是在同一個(gè)程序里，可以通過控制語句來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但嘗試卻發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不在他們的控制中。教師可通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解，進(jìn)程的運(yùn)行順序是由操作系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)的，是不被用戶左右的，同時(shí)讓學(xué)生明白，雖然子進(jìn)程是父進(jìn)程創(chuàng)建的，但它并不是原來進(jìn)程的一部分，而是一個(gè)獨(dú)立的競(jìng)爭(zhēng)CPU的實(shí)體。另外，在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考程序員想控制進(jìn)程的運(yùn)行順序應(yīng)該怎樣做，讓學(xué)生明白這需要借助操作系統(tǒng)提供的進(jìn)程同步手段，從而讓學(xué)生加深對(duì)互斥與同步相關(guān)的理論內(nèi)容的理解。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，學(xué)生需要在其后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中不斷完善和提高該設(shè)計(jì)能力。因此，筆者設(shè)置了一個(gè)簡(jiǎn)單的文件服務(wù)器設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)。該文件服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)具有完整的C/S架構(gòu)，需要實(shí)踐主要的網(wǎng)絡(luò)編程接口，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠體會(huì)完整的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)算法，但實(shí)驗(yàn)總體邏輯和服務(wù)功能比較簡(jiǎn)單，與學(xué)生目前的基礎(chǔ)和認(rèn)知相匹配。

● 針對(duì)廣度內(nèi)容，進(jìn)行合理的內(nèi)在邏輯設(shè)計(jì)

筆者把第一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置成Shell編程，其后的進(jìn)程程序創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)則是一個(gè)C語言程序設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)遵循了循序漸進(jìn)的原則，學(xué)生通過Shell編程熟悉操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步熟悉和使用程序開發(fā)環(huán)境和工具。Shell編程實(shí)驗(yàn)是進(jìn)程創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生理解腳本程序與編譯后二進(jìn)制程序運(yùn)行的區(qū)別。

簡(jiǎn)化版文件服務(wù)器和客戶端實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過并發(fā)來解決服務(wù)器可擴(kuò)展性問題。服務(wù)進(jìn)程的創(chuàng)建是建立在前面進(jìn)程創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。文件服務(wù)器實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生畫出服務(wù)器的多進(jìn)程執(zhí)行流程圖，并通過流程圖進(jìn)一步確定學(xué)生理解進(jìn)程的獨(dú)立性以及進(jìn)程調(diào)度的含義，鞏固進(jìn)程創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)。

服務(wù)器的設(shè)計(jì)涉及運(yùn)用信號(hào)機(jī)制對(duì)僵尸子進(jìn)程的處理，這從實(shí)踐角度讓學(xué)生對(duì)進(jìn)程間通信機(jī)制有了更深入的理解。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，讓學(xué)生體會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和單機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和調(diào)試上的區(qū)別，體會(huì)服務(wù)器和客戶端程序的不同設(shè)計(jì)考慮。在服務(wù)器和客戶端數(shù)據(jù)交互過程中，教師要重點(diǎn)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)基于流的概念，并通過具體語句的實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生理解可靠服務(wù)的實(shí)現(xiàn)手段，以及基于連接的概念。

● 結(jié)語

通過這一系列的設(shè)計(jì)考慮，筆者借助看似簡(jiǎn)單的、有限的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)重點(diǎn)課程理論內(nèi)容進(jìn)行了有效支撐，同時(shí)鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，并通過實(shí)驗(yàn)過程提高了學(xué)生的自學(xué)能力。

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