基于计算思维的操作系统课程教学研究

1/9基于计算思维的操作系统课程教学研究基于计算思维的操作系统课程教学研究操作系统是计算机中最核心、最复杂的软件系统，它管理计算机中的各类软件和硬件资源，并在用户与计算机之间起到桥梁作用1。对操作系统相关概念、理论和方法的研究，以及使用、分析、设计和开发操作系统，一直以来都是计算机领域中最主要的课题和任务之一。操作系统课程是计算机科学与技术及软件工程专业的核心课程，在整个课程体系中具有十分重要的地位。在实际的教学过程中如何提高操作系统课程的教学效果，让学生通过操作系统课程的学习能够从更高的层面理解和掌握整个计算机系统设计和管理的相关原理和方法是学术界和教育界关心和关注的热点问题。1传统教学方式的缺点计算机操作系统的教学工作近年来深受广大高等院校计算机相关专业的重视。但是，由于这门课程自身的特点，抽象的理论和概念较多，理论与实践脱离，加之教学方法和教学手段的欠缺，导致操作系统这门课程的实际教学效果并不理想。目前，操作系统课程的传统教学模式主2/9要存在以下几个问题概念和原理枯燥难懂。由于很多教材和课堂讲解内容都很少与实际应用相联系，加之传统的教学大多采用“灌输式”方法，难以调动学生学习的主动性，以至于学生对操作系统原理很难做到真正理解，更谈不上实践运用了。知识体系单一。当前，很多教师在“操作系统”系列课程的教学过程中，很容易忽视各相关课程之间的衔接与关联。教师在讲授计算机“操作系统”这门课程的时候，整个学期下来，讲的全是计算机操作系统的内容，而对LINUX操作系统、高级操作系统等其他相关课程的内容只字不提。结果，本来应相互重叠、相辅相成的几门课程，就这样被孤立开来，在对操作系统原理的深入理解上也给学生造成了巨大的障碍。2课程实践与实际应用脱节。传统的实验环节通常是操作系统原理和实现方法的模拟或验证，主要考察学生对所学内容的理解，而缺少设计性、综合性实验以及项目设计，忽略了对学生创新能力和工程实践能力的培养。33/9课程的知识点比较细碎。并且重点理论和原理需要学生课后进行扩展性的知识学习。但目前的条件却缺乏教师对学生课后学习的即时指导和及时的学习效果检验机制。基于以上分析可以看出，操作系统教学需要一种更科学有效的教学体系和方法，以便充分调动学生自主学习的积极性，提高动手实本文由论文联盟HTTP/收集整理践和创新能力，而计算思维的出现为操作系统课程教学提供了一条新的思路。2计算思维计算思维作为国际学术界近年来普遍认可和倡导的理念，关注将计算机学科解决问题的方式运用于其他学科和人们的日常生活，既有利于以类比形式开展教学，也有利于将特定学科和课程中的知识点进行拓展和深化4，5。国际上广泛认同的计算思维定义来自周以真教授。周教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动6。计算思维中所倡导的抽象与分解、关注分离、启发4/9推理、协调同步、并行处理等，与操作系统中的并发、虚拟、分时、同步、独立性等概念和思想具有异曲同工之妙。将计算思维的理念引入操作系统课程的教学，有利于降低操作系统的教学难度，提高学生的学习兴趣，使学生高效、深入地理解和掌握操作系统的核心原理与设计精髓，同时具有运用相关原理和方法解决课程、学科以及日常生活中类似问题的能力。3基于计算思维的操作系统课程教学研究的目标和思路基于计算思维的操作系统课程教学研究的目标计算思维对客观世界进行抽象化表述与研究，并将这个过程用自动化方式实现出来。基于计算思维的操作系统课程教学研究主要有两个目标，一是降低课程学习的难度、提高学生的学习兴趣、改进教学效果；二是引导学生将操作系统课程中的相关原理和方法拓展到其他课程、学科及日常生活，切实培养学生的计算思维能力。基于计算思维的操作系统课程教学的思路根据基于计算思维的操作系统课程教学的研究的目5/9标，在教学中改变传统教育方法和手段，采用如下教学思路1）基于计算思维所提倡的约简、嵌入、转化和仿真方法，通过引入日常生活中生动且学生喜闻乐见的实例，和生活中的日常行为动作进行类比，对操作系统的相关原理和设计思路进行形象化的讲解和分析；2）基于计算思维所提倡的抽象与分解、关注分离等思想，从资源的优化使用与系统效能的最大化方面，对操作系统课程各个章节的内容进行综合归纳与有机衔接，避免传统操作系统教学中各知识点分散、学生各个背记的弊端；3）增加理论实践相结合的学时，更加注重动手实践能力的培养，变单纯的灌输为系统知识与计算思维能力相结合的教学。4基于计算思维的操作系统课程教学的方法基于计算思维的操作系统课程的教学研究，围绕操作系统课程的教学目标和思路，改进了与传统的教学方法。6/9操作系统课程的教学内容，主要存在“纵”“横”两条主要线索。“纵向线索”主要指设计思想、处理机制、系统结构的时间发展顺序。以内存管理为例，从早期的固定分区，逐步发展到后来的可变分区，以及现代操作系统的虚拟存储管理，以时间为轴可清晰地了解操作系统设计思想的发展变化过程。“横向线索”主要指具体技术方法、不同环境下的实现差异。以进程管理为例，LINUX操作系统使用5种状态、WINDOWS操作系统使用7种状态，而一些简单的嵌入式操作系统只有3种甚至2种状态。不同的应用目标和环境条件约束着操作系统的设计与实现。采用“纵”、“横”的教学思路，既能够帮助学生了解操作系统原理思想以及技术方法的发展历程，从而对未来发展趋势有更准确的把握，同时又能够在不同案例的对比剖析中形象直观地诠释技术方法的差别和设计策略的选择，从而提升学生分析并解决现实问题的能力。在教学实施过程中，将知识体系划分与案例剖析相互结合，使得学生既能够明确所学内容在知识体系中的层次，同时，又能够对技术方法细节有更为深入的了解。操作系统的基本核心原理以及主要的教学内容可以划分为以下三个层次。7/9第一层次思想与策略。该层次的内容包括操作系统设计的问题提出与定义、问题解决思路的选择、操作系统体系结构的规划、不同操作系统模块之间的关系和相互作用等。在讲授过程中，通过对操作系统设计的思想和策略进行分析解释，有助于学生能够准确地抓住重点，同时培养学生的系统分析能力、问题关联能力、根据现实环境选择解决策略的能力。例如，图1所示为操作系统的抽象层次结构，是实现计算机的普适化方法，在I/O设备上铺设I/O管理软件。为了支持文件共享，保证信息安全，在I/O管理软件之上铺设文件管理软件。这两层软件分别隐藏了对I/O设备和文件管理操作的具体细节。当在文件管理软件层之上再铺设窗口管理软件后，用户可在窗口环境中方便地使用计算机。在讲授中可以借用计算思维所提倡的抽象理念，引导并启发学生从原因、作用对象、作用范围和结果等角度来分析进程调度、页面置换和磁盘调度三者的共性。经分析发现，它们都是由进程的选择引起的。在进程争夺处理机时，引起进程调度；在进程发生切换时，引起页面置换；在进程需要磁盘上的资源时，引8/9起磁盘调度。第二层次方法与机制。操作系统的体系结构非常复杂，很多问题的解决不能靠局部处理和某个具体的算法，而是必须建立完整的处理机制。很多教材采用条块分割的方法介绍教学内容，孤立的知识点之间并未有效地关联。在教学实践中特别注重贯穿式的讲解，对重要的方法和机制在不同的教学内容中反复多次讲解分析，这样既能够为“思想与策略”的解读提供充分论据，同时，又能够帮助学生培养系统级的分析思维，从而提高专业教学的质量。例如，表1所示，借用计算思维所提倡的约简、嵌入、转化和仿真方法，将操作系统课程中所使用的概念、算法等与日常生活中的相关场景进行类比，引入寓教于乐的教学方式。第三层次技术与实现。操作系统原理中包含大量的算法、优化方法，单纯讲解算法不但枯燥，也无法体现设计者的思想内涵，在“思想与策略”、“方法与机制”的指导下讲解具体技术实现过程，能够有效地克服这一问题。在讲解技术与实现的过程中，我们充分借助各种真实操作系统案例进行剖析，学生不仅直观地了解了技术实现的过9/9程，同时又强化了对操作系统设计策略