摘 要：計(jì)算思維是一種新的應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想和方法進(jìn)行問題求解的思維方式，是目前計(jì)算機(jī)教育中的研究熱點(diǎn)之一。針對(duì)傳統(tǒng)操作系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題和不足，提出了基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法，并從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面分別討論了在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算思維的思路和措施。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；操作系統(tǒng)教學(xué)；理論教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP311.1-4

1 問題的提出

操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心必修課程之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛和深入，其他相關(guān)專業(yè)也相繼把操作系統(tǒng)作為必修課程或選修課程[1]。由于操作系統(tǒng)課程涉及的知識(shí)點(diǎn)多且雜、概念抽象、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)[2]，因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的過程中感覺十分困難，老師在教授的過程中也容易側(cè)重于操作系統(tǒng)的理論教學(xué)，很難協(xié)調(diào)好理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間的關(guān)系，教學(xué)效果往往不太理想?？偟膩碚f，當(dāng)前操作系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題和不足有：（1）理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系不緊密。這是該門課程教學(xué)中普遍存在的一個(gè)問題。由于操作系統(tǒng)課程所涉及的基礎(chǔ)性和原理性內(nèi)容很多，學(xué)生理解起來會(huì)很困難，消化起來需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，所以目前大部分高校把大量的課時(shí)分配給了理論教學(xué)。而每個(gè)學(xué)期的總學(xué)時(shí)是有限的，這樣導(dǎo)致分配給實(shí)踐教學(xué)的課時(shí)會(huì)明顯不足，很多知識(shí)點(diǎn)無法提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。這種重理論講解，忽視學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，導(dǎo)致該門課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)聯(lián)系很不緊密，學(xué)生學(xué)習(xí)起來會(huì)覺得很枯燥，實(shí)驗(yàn)任務(wù)很難完成，期末考試結(jié)束之后，會(huì)出現(xiàn)立馬將所學(xué)知識(shí)還給老師的現(xiàn)象；（2）忽略了與其他課程之間的聯(lián)系。操作系統(tǒng)屬于系統(tǒng)軟件，但它又離計(jì)算機(jī)硬件最近，所以該門課程內(nèi)容既涉及計(jì)算機(jī)硬件方面的知識(shí)，又涉及軟件方面的課程，如：高級(jí)程序語言設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)組成原理等。而教授該門課程的老師所熟悉和精通的課程數(shù)量是有限的，這樣導(dǎo)致教師在教學(xué)的過程中，很難做到利用其他課程內(nèi)容來進(jìn)行觸類旁通的教學(xué)，進(jìn)而忽視該課程與其他課程之間的聯(lián)系；（3）操作系統(tǒng)的最新發(fā)展未被及時(shí)反映。早期的操作系統(tǒng)由于受到當(dāng)時(shí)硬件和軟件技術(shù)的限制，很多設(shè)計(jì)理念和實(shí)現(xiàn)方法和現(xiàn)代操作系統(tǒng)相比，顯得過時(shí)和不合理。而操作系統(tǒng)技術(shù)和硬件的發(fā)展十分迅猛，現(xiàn)代操作系統(tǒng)中用到的一些新的技術(shù)和方法，如觸摸屏技術(shù)、語音控制技術(shù)等，這些新的內(nèi)容往往在目前大部分操作系統(tǒng)教材中沒有及時(shí)地反映出來；（4）沒有真正理解操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目的。操作系統(tǒng)課程和計(jì)算機(jī)專業(yè)的其他課程不太一樣，其教學(xué)目的不單純是讓學(xué)生簡(jiǎn)單理解操作系統(tǒng)的工作原理，也不是為了讓學(xué)生學(xué)會(huì)編寫一個(gè)操作系統(tǒng)，而是要讓學(xué)生掌握操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)資源的方法，更重要的是學(xué)習(xí)一種思維能力[3]：一種分析問題、解決問題、評(píng)價(jià)問題解決方案優(yōu)劣，并能提出更優(yōu)解決方案的能力。而這種思維能力的培養(yǎng)在實(shí)際的教學(xué)過程中往往被忽略，抑或根本沒有被意識(shí)到，從而導(dǎo)致大家沒有真正地理解該門課程的教學(xué)目的。

通過以上分析可知，我們迫切需要一種新的科學(xué)有效的教學(xué)方法來改變這種現(xiàn)狀。為此，本文提出了一種基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法：該方法將計(jì)算思維這種新型的思維方式貫穿于操作系統(tǒng)課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)并習(xí)慣用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思路和方法來發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和求解問題，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐及創(chuàng)新的能力，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)課程教學(xué)的真正目的。

2 基于計(jì)算思維的操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法

2.1 計(jì)算思維

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊Communications of the ACM上首次提出了“計(jì)算思維”的概念[4]。她指出：計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。為了更好的理解，周教授又將計(jì)算思維解釋為幾種具體的思維方法：約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，利用啟發(fā)式推理來尋求解決方案，在不確定情況下進(jìn)行規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度等[5]。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，周教授將其基本特征總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）計(jì)算思維是概念化，不是程序化。計(jì)算機(jī)科學(xué)不單指計(jì)算機(jī)編程，更重要的是要像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維，且能在抽象的多個(gè)層次上思維；（2）計(jì)算思維是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維。計(jì)算思維是人類求解問題的一種途徑，人們可以利用計(jì)算機(jī)工具和自己的智慧去解決那些計(jì)算機(jī)時(shí)代之前不敢嘗試的問題；（3）計(jì)算思維是思想，更重要的是計(jì)算的概念。這種概念可以用于人們進(jìn)行問題求解及日常生活的管理；（4）計(jì)算思維是根本的，不是刻板的、機(jī)械的技能。根本的技能是指每個(gè)人為了在社會(huì)中發(fā)揮其職能而必須掌握的技能，刻板的技能則指機(jī)械的、重復(fù)的技能；（5）計(jì)算思維是數(shù)學(xué)思維和工程思維的互補(bǔ)和融合。計(jì)算機(jī)科學(xué)的本質(zhì)來源于數(shù)學(xué)思維，而計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維。我們的目的是建造能與現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)的系統(tǒng)，而基本計(jì)算設(shè)備的限制則迫使計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須計(jì)算性的思考。

同時(shí)，周教授認(rèn)為，計(jì)算思維和人類應(yīng)具備的3R（Reading，wRiting and aRithmetic）能力，即閱讀、寫作和算術(shù)能力一樣，同樣屬于每個(gè)人應(yīng)該掌握的基本技能，而不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，對(duì)于我們計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，更是如此。下面本文以操作系統(tǒng)課程為載體，分別從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面詳細(xì)討論如何將計(jì)算思維貫穿到操作系統(tǒng)課程的日常教學(xué)過程中，以改善該門課程的教學(xué)效果。

2.2 理論教學(xué)

操作系統(tǒng)是一門綜合軟件和硬件應(yīng)用的課程，其理論課涉及的基本原理、思想和知識(shí)點(diǎn)很多。為了把這些紛繁復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)講解得深入且全面，我們?cè)诮M織教學(xué)內(nèi)容時(shí)，始終堅(jiān)持一個(gè)原則：緊緊圍繞操作系統(tǒng)的四大基本功能——處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理和文件管理展開教學(xué)，注重基礎(chǔ)性和先進(jìn)性相結(jié)合，同時(shí)注意與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)給學(xué)生補(bǔ)充時(shí)下最新的軟、硬件技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)教學(xué)方法時(shí)，我們將計(jì)算思維這種新的教學(xué)思路引入到課堂教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生積極參與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生弄清楚問題的起源、發(fā)展、解決過程和實(shí)現(xiàn)方法，以及將后來還需要有怎樣的改進(jìn)等。通過這種教學(xué)方式，讓學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，讓原本枯燥的理論課變得生動(dòng)有趣，讓學(xué)生明白那些難以理解的思想和原理其實(shí)就是人類認(rèn)識(shí)問題、解決問題的正常的思維過程。

以操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷為例，我們可以這樣給學(xué)生講述：人們?cè)谶M(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和社會(huì)實(shí)踐中總會(huì)有大量問題需要求解，在解決這些問題時(shí)，人們正常的思維是先分析所研究的對(duì)象，提出對(duì)問題的形式化定義，即數(shù)學(xué)建模；然后給出求解方法的形式化描述，即確定算法；最后是尋找實(shí)現(xiàn)算法的工具或設(shè)施。在計(jì)算機(jī)時(shí)代之前，這些工具或設(shè)施經(jīng)歷了古代的算盤、近代的加法器和計(jì)算器，其計(jì)算過程都需要手工進(jìn)行干預(yù)，并未實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化。直到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后，才使計(jì)算實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動(dòng)化。早期的計(jì)算機(jī)由于受當(dāng)時(shí)硬件功能的限制，其解題過程只能采用手工操作方式，故稱之為手工操作系統(tǒng)階段，即無操作系統(tǒng)階段。隨著硬件技術(shù)和功能的不斷提高，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也隨著迅速提高，這樣使得手工操作的慢速度和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的高速度之間形成了一種所謂的“人-機(jī)矛盾”，而且這種矛盾隨著計(jì)算機(jī)速度的不斷提高，變得越來越嚴(yán)重，為了解決這個(gè)矛盾，人們只有設(shè)法去掉人工干預(yù)，讓機(jī)器自己來控制計(jì)算過程，于是就出現(xiàn)了“操作系統(tǒng)”這個(gè)角色，它是用一種軟件方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)算控制全程自動(dòng)化的技術(shù)，即用軟件程序來代替人工干預(yù)的過程。

當(dāng)我們把這段經(jīng)歷給學(xué)生說明之后，學(xué)生就會(huì)立馬恍然大悟，原來操作系統(tǒng)是由于人們的客觀需求出現(xiàn)的，是和人們的生活實(shí)踐息息相關(guān)的。然后我們按此方法接著給學(xué)生講述每一個(gè)發(fā)展階段里所出現(xiàn)的新的問題或矛盾，人們又是如何想辦法解決這些問題和矛盾的。通過這種方法，一步一步地將操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷引導(dǎo)出來。采用這種分析前因后果，側(cè)重事物之間的內(nèi)在聯(lián)系的方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生不但不會(huì)覺得枯燥，而且記憶深刻。這就是將計(jì)算思維融入到該門課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，作為教師，我們要時(shí)刻記住培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生這種新的科學(xué)素養(yǎng)。

2.3 實(shí)踐教學(xué)

操作系統(tǒng)是一門理論和實(shí)踐融為一體的課程。理論教學(xué)中涉及的基本原理、技術(shù)和算法需要通過實(shí)驗(yàn)課來驗(yàn)證、理解和吸收。對(duì)于操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，結(jié)合我校實(shí)際情況，采用了“驗(yàn)證性”和“設(shè)計(jì)性”兩種性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)主要是要求學(xué)生從用戶或應(yīng)用軟件開發(fā)人員的角度去體會(huì)和驗(yàn)證操作系統(tǒng)提供的功能。設(shè)計(jì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在理解操作系統(tǒng)中所用算法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，能嘗試自己提出算法改進(jìn)意見或設(shè)計(jì)出不同效果的算法。考慮到學(xué)時(shí)限制及學(xué)生的總體水平，兩種性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)量比例控制在7：3左右。除此之外，我們還在下一學(xué)期安排了操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用本課程及相關(guān)課程知識(shí)解決實(shí)際問題，為將后來開發(fā)較大規(guī)模的軟件奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的設(shè)計(jì)上，我們將計(jì)算思維的觀點(diǎn)引入到日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要求學(xué)生帶著問題去開始每一次的實(shí)驗(yàn)。在弄清楚實(shí)驗(yàn)要求和目的的基礎(chǔ)上，積極尋找解決問題的方法，理順?biāo)悸?，確定最終解決方案，然后著手開始上機(jī)驗(yàn)證，并詳細(xì)記錄驗(yàn)證過程中碰到的困難和問題以及相應(yīng)的解決方法。最后，要求學(xué)生認(rèn)真完成書面實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并上交老師審閱。通過采用這種發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、構(gòu)建解決問題的模型并找出相應(yīng)問題解決算法的思維方式來完成每一次的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，能很好地提高學(xué)生上機(jī)的熱情，較好地完成上機(jī)作業(yè)，并加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和感性認(rèn)識(shí)。在考核方面，我們嚴(yán)格檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告，加大平時(shí)考勤及上機(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)诳傇u(píng)成績(jī)中的比例。要求學(xué)生積極參加課堂討論，按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)，高質(zhì)量完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這樣才能在最后的總評(píng)成績(jī)中得到較高分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)束語

操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)中非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。由于該門課程所涉及的理論體系龐大且抽象，使得該門課程顯得晦澀難懂。為此，本文提出將計(jì)算思維這種新的科學(xué)有效的思維方式應(yīng)用到該門課程的實(shí)際教學(xué)過程中，通過有效地組織理論教學(xué)內(nèi)容，有層次地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，嚴(yán)格考核，可以起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，改善實(shí)際教學(xué)效果的作用。當(dāng)然，教學(xué)是一個(gè)長(zhǎng)期的不斷實(shí)踐的過程，這其中還有許多問題有待我們進(jìn)一步努力解決。

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作者簡(jiǎn)介：李瓊（1981-），女，湖北天門人，講師，碩士，研究方向：中文信息處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用；陳利（1961-），女，湖北武漢人，教授，研究方向：中文信息處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位：漢口學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430212

基金項(xiàng)目：2014年漢口學(xué)院校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“操作系統(tǒng)課程教學(xué)中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)研究”。