基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學研究

【摘要】近年來，計算思維成為國際學術界普遍認可和倡導的理念，計算思維所倡導的抽象與分解、關注分離、啟發(fā)推理、協(xié)調同步、并行處理等思想與操作系統(tǒng)理論中的并發(fā)、虛擬、分時、同步、獨立性等概念和思想具有異曲同工之處。將計算思維的理念引入計算機操作系統(tǒng)課程的教學過程，既有利于降低操作系統(tǒng)課程的教學難度，提高學生的學習興趣，更有利于培養(yǎng)學生的計算思維能力。

【關鍵詞】操作系統(tǒng) 計算思維 教學研究

操作系統(tǒng)是計算機中最核心、最復雜的軟件系統(tǒng)，它管理計算機中的各類軟件和硬件資源，并在用戶與計算機之間起到橋梁作用[1]。對操作系統(tǒng)相關概念、理論和方法的研究，以及使用、分析、設計和開發(fā)操作系統(tǒng)，一直以來都是計算機領域中最主要的課題和任務之一。操作系統(tǒng)課程是計算機科學與技術及軟件工程專業(yè)的核心課程，在整個課程體系中具有十分重要的地位。在實際的教學過程中如何提高操作系統(tǒng)課程的教學效果，讓學生通過操作系統(tǒng)課程的學習能夠從更高的層面理解和掌握整個計算機系統(tǒng)設計和管理的相關原理和方法是學術界和教育界關心和關注的熱點問題。

1傳統(tǒng)教學方式的缺點

計算機操作系統(tǒng)的教學工作近年來深受廣大高等院校計算機相關專業(yè)的重視。但是，由于這門課程自身的特點，抽象的理論和概念較多，理論與實踐脫離，加之教學方法和教學手段的欠缺，導致操作系統(tǒng)這門課程的實際教學效果并不理想。目前，操作系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學模式主要存在以下幾個問題：

（1）概念和原理枯燥難懂。由于很多教材和課堂講解內容都很少與實際應用相聯(lián)系，加之傳統(tǒng)的教學大多采用“灌輸式”方法，難以調動學生學習的主動性，以至于學生對操作系統(tǒng)原理很難做到真正理解，更談不上實踐運用了。

（2）知識體系單一。當前，很多教師在“操作系統(tǒng)”系列課程的教學過程中，很容易忽視各相關課程之間的銜接與關聯(lián)。教師在講授計算機“操作系統(tǒng)”這門課程的時候，整個學期下來，講的全是計算機操作系統(tǒng)的內容，而對Linux操作系統(tǒng)、高級操作系統(tǒng)等其他相關課程的內容只字不提。結果，本來應相互重疊、相輔相成的幾門課程，就這樣被孤立開來，在對操作系統(tǒng)原理的深入理解上也給學生造成了巨大的障礙。[2]

（3）課程實踐與實際應用脫節(jié)。傳統(tǒng)的實驗環(huán)節(jié)通常是操作系統(tǒng)原理和實現(xiàn)方法的模擬或驗證，主要考察學生對所學內容的理解，而缺少設計性、綜合性實驗以及項目設計，忽略了對學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)。[3]

（4）課程的知識點比較細碎。并且重點理論和原理需要學生課后進行擴展性的知識學習。但目前的條件卻缺乏教師對學生課后學習的即時指導和及時的學習效果檢驗機制。

基于以上分析可以看出，操作系統(tǒng)教學需要一種更科學有效的教學體系和方法，以便充分調動學生自主學習的積極性，提高動手實踐和創(chuàng)新能力，而計算思維的出現(xiàn)為操作系統(tǒng)課程教學提供了一條新的思路。

2計算思維

計算思維（Computational Thinking）作為國際學術界近年來普遍認可和倡導的理念，關注將計算機學科解決問題的方式運用于其他學科和人們的日常生活，既有利于以類比形式開展教學，也有利于將特定學科和課程中的知識點進行拓展和深化[4，5]。國際上廣泛認同的計算思維定義來自周以真（Jeannette Wing）教授。周教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[6]。

計算思維中所倡導的抽象與分解、關注分離、啟發(fā)推理、協(xié)調同步、并行處理等，與操作系統(tǒng)中的并發(fā)、虛擬、分時、同步、獨立性等概念和思想具有異曲同工之妙。將計算思維的理念引入操作系統(tǒng)課程的教學，有利于降低操作系統(tǒng)的教學難度，提高學生的學習興趣，使學生高效、深入地理解和掌握操作系統(tǒng)的核心原理與設計精髓，同時具有運用相關原理和方法解決課程、學科以及日常生活中類似問題的能力。

3基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學研究的目標和思路

3.1基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學研究的目標

計算思維對客觀世界進行抽象化表述與研究，并將這個過程用自動化方式實現(xiàn)出來。基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學研究主要有兩個目標，一是降低課程學習的難度、提高學生的學習興趣、改進教學效果；二是引導學生將操作系統(tǒng)課程中的相關原理和方法拓展到其他課程、學科及日常生活，切實培養(yǎng)學生的計算思維能力。

3.2基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學的思路

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

1）基于計算思維所提倡的約簡、嵌入、轉化和仿真方法，通過引入日常生活中生動且學生喜聞樂見的實例，和生活中的日常行為動作進行類比，對操作系統(tǒng)的相關原理和設計思路進行形象化的講解和分析；

2）基于計算思維所提倡的抽象與分解、關注分離等思想，從資源的優(yōu)化使用與系統(tǒng)效能的最大化方面，對操作系統(tǒng)課程各個章節(jié)的內容進行綜合歸納與有機銜接，避免傳統(tǒng)操作系統(tǒng)教學中各知識點分散、學生各個背記的弊端；

3）增加理論實踐相結合的學時，更加注重動手實踐能力的培養(yǎng)，變單純的灌輸為系統(tǒng)知識與計算思維能力相結合的教學。

4基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學的方法

基于計算思維的操作系統(tǒng)課程的教學研究，圍繞操作系統(tǒng)課程的教學目標和思路，改進了與傳統(tǒng)的教學方法。操作系統(tǒng)課程的教學內容，主要存在“縱”“橫”兩條主要線索。“縱向線索”主要指設計思想、處理機制、系統(tǒng)結構的時間發(fā)展順序。以內存管理為例，從早期的固定分區(qū)，逐步發(fā)展到后來的可變分區(qū)，以及現(xiàn)代操作系統(tǒng)的虛擬存儲管理，以時間為軸可清晰地了解操作系統(tǒng)設計思想的發(fā)展變化過程。“橫向線索”主要指具體技術方法、不同環(huán)境下的實現(xiàn)差異。以進程管理為例，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)。不同的應用目標和環(huán)境條件約束著操作系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

采用“縱”、“橫”的教學思路，既能夠幫助學生了解操作系統(tǒng)原理思想以及技術方法的發(fā)展歷程，從而對未來發(fā)展趨勢有更準確的把握，同時又能夠在不同案例的對比剖析中形象直觀地詮釋技術方法的差別和設計策略的選擇，從而提升學生分析并解決現(xiàn)實問題的能力。在教學實施過程中，將知識體系劃分與案例剖析相互結合，使得學生既能夠明確所學內容在知識體系中的層次，同時，又能夠對技術方法細節(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內容可以劃分為以下三個層次。

第一層次：思想與策略。該層次的內容包括操作系統(tǒng)設計的問題提出與定義、問題解決思路的選擇、操作系統(tǒng)體系結構的規(guī)劃、不同操作系統(tǒng)模塊之間的關系和相互作用等。在講授過程中，通過對操作系統(tǒng)設計的思想和策略進行分析解釋，有助于學生能夠準確地抓住重點，同時培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析能力、問題關聯(lián)能力、根據現(xiàn)實環(huán)境選擇解決策略的能力。

例如，圖1所示為操作系統(tǒng)的抽象層次結構，是實現(xiàn)計算機的普適化方法，在I/O設備上鋪設I/O管理軟件。為了支持文件共享，保證信息安全，在I/O管理軟件之上鋪設文件管理軟件。這兩層軟件分別隱藏了對I/O設備和文件管理操作的具體細節(jié)。當在文件管理軟件層之上再鋪設窗口管理軟件后，用戶可在窗口環(huán)境中方便地使用計算機。在講授中可以借用計算思維所提倡的抽象理念，引導并啟發(fā)學生從原因、作用對象、作用范圍和結果等角度來分析進程調度、頁面置換和磁盤調度三

者的共性。經分析發(fā)現(xiàn)，它們都是由進程的選擇引起的。在進程爭奪處理機時，引起進程調度；在進程發(fā)生切換時，引起頁面置換；在進程需要磁盤上的資源時，引起磁盤調度。

第二層次：方法與機制。操作系統(tǒng)的體系結構非常復雜，很多問題的解決不能靠局部處理和某個具體的算法，而是必須建立完整的處理機制。很多教材采用條塊分割的方法介紹教學內容，孤立的知識點之間并未有效地關聯(lián)。在教學實踐中特別注重貫穿式的講解，對重要的方法和機制在不同的教學內容中反復多次講解分析，這樣既能夠為“思想與策略”的解讀提供充分論據，同時，又能夠幫助學生培養(yǎng)系統(tǒng)級的分析思維，從而提高專業(yè)教學的質量。

例如，表1所示，借用計算思維所提倡的約簡、嵌入、轉化和仿真方法，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場景進行類比，引入寓教于樂的教學方式。

第三層次：技術與實現(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，也無法體現(xiàn)設計者的思想內涵，在“思想與策略”、“方法與機制”的指導下講解具體技術實現(xiàn)過程，能夠有效地克服這一問題。在講解技術與實現(xiàn)的過程中，我們充分借助各種真實操作系統(tǒng)案例進行剖析，學生不僅直觀地了解了技術實現(xiàn)的過程，同時又強化了對操作系統(tǒng)設計策略、關鍵方法機制的理解，最終幫助學生建立完整的知識體系。

5結束語

計算思維的概念清晰化后，已在人們的科學研究、生產和學習中起到越來越明顯的作用。培養(yǎng)具有計算思維素養(yǎng)的現(xiàn)代化人才勢在必行。在操作系統(tǒng)課程教學中，基于計算思維的操作系統(tǒng)課程研究，將培養(yǎng)計算思維能力作為教學目標，既有利于提高學生的學習興趣、改進教學效果，也有利于培養(yǎng)學生的計算思維習慣和能力。

【參考文獻】

[l]Tanenbaum Andrew S.Modem Operating Systems[M].3rd ed.New Jersey：Prentice Hall，2007：2.

[2]顏宏文，王艷華，候利娟.基于卓越計劃的“操作系統(tǒng)”課程教學改革[J].中國電力教育，2013（14）：1.

[3]王玉鋒，劉寶旨，王猛.基于計算思維的操作系統(tǒng)課程建設[J].計算機教育，2013（15）：1.

[4]李曉明，蔣宗禮，王志英等.積極研究和推進計算思維能力的培養(yǎng)[J].計算機教育，2012（5）：1.

[5]梁正平，李炎然，王志強.計算思維導向的操作系統(tǒng)課程教學改革[J].計算機教育，2012（19）：1.

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

作者簡介：高輝（1980-），女，遼寧沈陽人，黑龍江科技大學計算機與信息工程學院，講師，主要研究方向：計算機網絡，圖像處理。（黑龍江 哈爾濱 150022）

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