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        基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)研究

        2014-04-29 00:00:00高輝廉龍穎張劍飛田淑梅
        儷人·教師版 2014年14期

        【摘要】近年來,計算思維成為國際學(xué)術(shù)界普遍認可和倡導(dǎo)的理念,計算思維所倡導(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、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(xué)過程,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)習興趣,更有利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

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

        操作系統(tǒng)是計算機中最核心、最復(fù)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(guān)概念、理論和方法的研究,以及使用、分析、設(shè)計和開發(fā)操作系統(tǒng),一直以來都是計算機領(lǐng)域中最主要的課題和任務(wù)之一。操作系統(tǒng)課程是計算機科學(xué)與技術(shù)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(xué)過程中如何提高操作系統(tǒng)課程的教學(xué)效果,讓學(xué)生通過操作系統(tǒng)課程的學(xué)習能夠從更高的層面理解和掌握整個計算機系統(tǒng)設(shè)計和管理的相關(guān)原理和方法是學(xué)術(shù)界和教育界關(guān)心和關(guān)注的熱點問題。

        1傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺點

        計算機操作系統(tǒng)的教學(xué)工作近年來深受廣大高等院校計算機相關(guān)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(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問題:

        (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)動學(xué)生學(xué)習的主動性,以至于學(xué)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(xué)過程中,很容易忽視各相關(guān)課程之間的銜接與關(guān)聯(lián)。教師在講授計算機“操作系統(tǒng)”這門課程的時候,整個學(xué)期下來,講的全是計算機操作系統(tǒng)的內(nèi)容,而對Linux操作系統(tǒng)、高級操作系統(tǒng)等其他相關(guān)課程的內(nèi)容只字不提。結(jié)果,本來應(yīng)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(xué)生造成了巨大的障礙。[2]

        (3)課程實踐與實際應(yīng)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(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解,而缺少設(shè)計性、綜合性實驗以及項目設(shè)計,忽略了對學(xué)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(xué)生課后進行擴展性的知識學(xué)習。但目前的條件卻缺乏教師對學(xué)生課后學(xué)習的即時指導(dǎo)和及時的學(xué)習效果檢驗機制。

        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)動學(xué)生自主學(xué)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(xué)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(xué)術(shù)界近年來普遍認可和倡導(dǎo)的理念,關(guān)注將計算機學(xué)科解決問題的方式運用于其他學(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(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計,以及人類行為理解的涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動[6]。

        計算思維中所倡導(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、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(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)計精髓,同時具有運用相關(guān)原理和方法解決課程、學(xué)科以及日常生活中類似問題的能力。

        3基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)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(xué)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?;谟嬎闼季S的操作系統(tǒng)課程教學(xué)研究主要有兩個目標,一是降低課程學(xué)習的難度、提高學(xué)生的學(xué)習興趣、改進教學(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,切實培養(yǎng)學(xué)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(xué)的思路

        根據(jù)基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)的研究的目標,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)基于計算思維所提倡的約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真方法,通過引入日常生活中生動且學(xué)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(guān)原理和設(shè)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(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,對操作系統(tǒng)課程各個章節(jié)的內(nèi)容進行綜合歸納與有機銜接,避免傳統(tǒng)操作系統(tǒng)教學(xué)中各知識點分散、學(xué)生各個背記的弊端;

        3)增加理論實踐相結(jié)合的學(xué)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(jié)合的教學(xué)。

        4基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)的方法

        基于計算思維的操作系統(tǒng)課程的教學(xué)研究,圍繞操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目標和思路,改進了與傳統(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?!翱v向線索”主要指設(shè)計思想、處理機制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時間發(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(shè)計思想的發(fā)展變化過程?!皺M向線索”主要指具體技術(shù)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(yīng)用目標和環(huán)境條件約束著操作系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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(shù)方法的差別和設(shè)計策略的選擇,從而提升學(xué)生分析并解決現(xiàn)實問題的能力。在教學(xué)實施過程中,將知識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)容在知識體系中的層次,同時,又能夠?qū)夹g(shù)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(xué)內(nèi)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(nèi)容包括操作系統(tǒng)設(shè)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(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。在講授過程中,通過對操作系統(tǒng)設(shè)計的思想和策略進行分析解釋,有助于學(xué)生能夠準確地抓住重點,同時培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析能力、問題關(guān)聯(lián)能力、根據(jù)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(jié)構(gòu),是實現(xiàn)計算機的普適化方法,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I/O設(shè)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(shè)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(dǎo)并啟發(fā)學(xué)生從原因、作用對象、作用范圍和結(jié)果等角度來分析進程調(diào)度、頁面置換和磁盤調(diào)度三

        者的共性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),它們都是由進程的選擇引起的。在進程爭奪處理機時,引起進程調(diào)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(diào)度。

        第二層次:方法與機制。操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(xué)內(nèi)容,孤立的知識點之間并未有效地關(guān)聯(lián)。在教學(xué)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(xué)內(nèi)容中反復(fù)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(jù),同時,又能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)系統(tǒng)級的分析思維,從而提高專業(yè)教學(xué)的質(zhì)量。

        例如,表1所示,借用計算思維所提倡的約簡、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)場景進行類比,引入寓教于樂的教學(xué)方式。

        第三層次:技術(shù)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(shè)計者的思想內(nèi)涵,在“思想與策略”、“方法與機制”的指導(dǎo)下講解具體技術(shù)實現(xiàn)過程,能夠有效地克服這一問題。在講解技術(shù)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(xué)生不僅直觀地了解了技術(shù)實現(xiàn)的過程,同時又強化了對操作系統(tǒng)設(shè)計策略、關(guān)鍵方法機制的理解,最終幫助學(xué)生建立完整的知識體系。

        5結(jié)束語

        計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(xué)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(xué)目標,既有利于提高學(xué)生的學(xué)習興趣、改進教學(xué)效果,也有利于培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(shè)[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(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程教學(xué)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(xué)計算機與信息工程學(xué)院,講師,主要研究方向:計算機網(wǎng)絡(luò),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(xué)教學(xué)研究項目(JY14-117)”和“黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃項目(GBD1213039)”的研究成果。

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