張麗 朱青 張靜

摘要：本文對數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)中計算機知識相關(guān)的基礎(chǔ)課程內(nèi)容進行了調(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)計了課程實驗，實現(xiàn)了在有限的課時內(nèi)促進學(xué)生理解關(guān)鍵概念、提高動手能力，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);實驗設(shè)計;計算機基礎(chǔ)知識;內(nèi)在邏輯

中圖分類號：G642.4? 文獻標(biāo)識碼：A? 論文編號：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)與計算機技術(shù)課程融合發(fā)展的專業(yè)，計算機技術(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)的計算機理論和實踐課程。但該專業(yè)的計算機基礎(chǔ)知識需求不同于計算機科學(xué)專業(yè)，照搬計算機科學(xué)專業(yè)的課程內(nèi)容并不可行。因而，筆者對該專業(yè)計算機基礎(chǔ)知識的需求進行了梳理，對計算機科學(xué)專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)課程內(nèi)容進行了調(diào)整優(yōu)化，最終形成了一門名為“計算機系統(tǒng)平臺”的課程。該課程內(nèi)容涵蓋計算機組成、操作系統(tǒng)原理以及計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)相關(guān)知識，其中，操作系統(tǒng)原理和計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)是課程的重點核心內(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)置了實驗環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生從感性上認(rèn)識關(guān)鍵概念，同時鍛煉學(xué)生的實踐能力，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，實驗內(nèi)容的設(shè)計難度較大，既要在有限的課時內(nèi)完成，還要配合理論知識，促進概念的理解和掌握，提高實踐能力，且內(nèi)容之間還要銜接有序，有合理的內(nèi)在邏輯，能有機地結(jié)合在一起形成一門課程的實驗體系。在這種情況下，通過對課程目標(biāo)、課程內(nèi)容以及專業(yè)需求的分析，筆者從以下幾個方面著手，設(shè)計出了一套完整的實驗內(nèi)容，力圖在有限的課時內(nèi)達(dá)到促進學(xué)生理解關(guān)鍵概念、提高動手能力，引導(dǎo)學(xué)生興趣，為進一步自學(xué)打好基礎(chǔ)的目標(biāo)。

● 針對專業(yè)需求，進行廣度的內(nèi)容覆蓋

在計算機基礎(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，以及能夠進行程序設(shè)計，如游戲程序的開發(fā)。因此，筆者把第一個實驗設(shè)置為Shell編程，通過該實驗讓學(xué)生熟悉Linux操作系統(tǒng)接口，熟練使用Linux操作系統(tǒng)，同時希望學(xué)生對脫機接口概念有感性的認(rèn)識。

對于數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)來說，程序設(shè)計很大一部分是通過腳本來實現(xiàn)，因此掌握腳本編程，對數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)生很重要。Shell編程實驗從語法上讓學(xué)生學(xué)會腳本的寫法，練習(xí)核心的循環(huán)結(jié)構(gòu)和分支結(jié)構(gòu)，同時讓學(xué)生理解腳本程序的運行過程。

其中，進程是操作系統(tǒng)最核心的一個概念。多進程/多線程編程對數(shù)字媒體的應(yīng)用是至關(guān)重要的基礎(chǔ)。理論上的進程概念和進程調(diào)度，對學(xué)生來說過于抽象，而且進程的動態(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)建多進程程序的實驗內(nèi)容，完成該實驗的學(xué)生認(rèn)為，“本次試驗讓我對進程調(diào)度的方法、原理、效果有了更深的認(rèn)識。本次試驗既是對課堂學(xué)習(xí)知識的檢驗，也是對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的一個考驗”。

另外，數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的學(xué)生需要對計算機網(wǎng)絡(luò)有基本的了解，因為將來可能要設(shè)計網(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現(xiàn)的，要很好地使用傳輸層的接口，學(xué)生需要對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)計了網(wǎng)絡(luò)分層的動機及網(wǎng)絡(luò)參考模型的介紹，并重點介紹了TCP協(xié)議的實現(xiàn)機制，配合學(xué)生理解概念，以及為設(shè)計網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序奠定基礎(chǔ)。此外，筆者還設(shè)計了實現(xiàn)簡化版的文件服務(wù)器和客戶端的實驗，以期通過該實驗讓學(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)通信的實現(xiàn)手段，同時實踐C/S模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)。

● 針對學(xué)生基礎(chǔ)，設(shè)計適度的實驗難度

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

筆者的實驗設(shè)置從最簡單的Shell編程開始，通過一個簡單的腳本實驗讓學(xué)生迅速進入計算機系統(tǒng)知識體系。學(xué)生在完成實驗的過程中，不斷試錯，不斷探索，很有成就感。通過實驗，學(xué)生掌握了Shell編程的方式，在練習(xí)中對獲取進程信息和篩選進程也有了一定的了解，并進一步地認(rèn)識了之前學(xué)習(xí)到的關(guān)于Shell編程、命令、運算、條件、循環(huán)語句的內(nèi)容。

創(chuàng)建多進程程序?qū)嶒?，從?nèi)容上看非常簡單，只是用系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建特定數(shù)目的進程。學(xué)生對此會感覺比較容易完成，不會產(chǎn)生對進程概念的為難情緒。但實際上該實驗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)計的創(chuàng)建進程的數(shù)量要求，讓學(xué)生無法在一開始就達(dá)到實驗?zāi)康?，必須通過不斷修正程序才能達(dá)到實驗?zāi)康摹?/p>

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

學(xué)生通過多個進程的運行順序，能體會操作系統(tǒng)的進程調(diào)度和含義，并從將單進程運行模式的思維轉(zhuǎn)換多進程的關(guān)系上，體會進程是不同的任務(wù)調(diào)度實體，進程調(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)生按照單進程程序順序執(zhí)行的思想會發(fā)現(xiàn)，新創(chuàng)建的子進程并不一定按照創(chuàng)建的順序執(zhí)行。這時他們首先想到的是哪里出現(xiàn)了問題，通過進一步思考，學(xué)生可以理解各個子進程和父進程是同等地位，進程的運行是由操作系統(tǒng)的調(diào)度程序決定的。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象并想清楚時，教師要進一步引導(dǎo)學(xué)生思考，如果用戶希望控制多個子進程的運行順序，應(yīng)該怎么實現(xiàn)呢？在學(xué)生的認(rèn)知里，這些進程是在同一個程序里，可以通過控制語句來實現(xiàn)這個目標(biāo)，但嘗試卻發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不在他們的控制中。教師可通過該實驗讓學(xué)生理解，進程的運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，同時讓學(xué)生明白，雖然子進程是父進程創(chuàng)建的，但它并不是原來進程的一部分，而是一個獨立的競爭CPU的實體。另外，在實驗過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考程序員想控制進程的運行順序應(yīng)該怎樣做，讓學(xué)生明白這需要借助操作系統(tǒng)提供的進程同步手段，從而讓學(xué)生加深對互斥與同步相關(guān)的理論內(nèi)容的理解。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計是一個比較復(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)計能力。因此，筆者設(shè)置了一個簡單的文件服務(wù)器設(shè)計的實驗作為基礎(chǔ)。該文件服務(wù)器的實現(xiàn)具有完整的C/S架構(gòu)，需要實踐主要的網(wǎng)絡(luò)編程接口，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。通過該實驗，學(xué)生能夠體會完整的網(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)計算法，但實驗總體邏輯和服務(wù)功能比較簡單，與學(xué)生目前的基礎(chǔ)和認(rèn)知相匹配。

● 針對廣度內(nèi)容，進行合理的內(nèi)在邏輯設(shè)計

筆者把第一個實驗設(shè)置成Shell編程，其后的進程程序創(chuàng)建實驗則是一個C語言程序設(shè)計。這樣設(shè)計遵循了循序漸進的原則，學(xué)生通過Shell編程熟悉操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進一步熟悉和使用程序開發(fā)環(huán)境和工具。Shell編程實驗是進程創(chuàng)建實驗的基礎(chǔ)。這兩個實驗可以讓學(xué)生理解腳本程序與編譯后二進制程序運行的區(qū)別。

簡化版文件服務(wù)器和客戶端實驗要求學(xué)生通過并發(fā)來解決服務(wù)器可擴展性問題。服務(wù)進程的創(chuàng)建是建立在前面進程創(chuàng)建實驗基礎(chǔ)上的。文件服務(wù)器實驗要求學(xué)生畫出服務(wù)器的多進程執(zhí)行流程圖，并通過流程圖進一步確定學(xué)生理解進程的獨立性以及進程調(diào)度的含義，鞏固進程創(chuàng)建實驗的知識點。

服務(wù)器的設(shè)計涉及運用信號機制對僵尸子進程的處理，這從實踐角度讓學(xué)生對進程間通信機制有了更深入的理解。同時，在實驗設(shè)計和調(diào)試過程中，讓學(xué)生體會網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和單機應(yīng)用程序設(shè)計和調(diào)試上的區(qū)別，體會服務(wù)器和客戶端程序的不同設(shè)計考慮。在服務(wù)器和客戶端數(shù)據(jù)交互過程中，教師要重點向?qū)W生強調(diào)基于流的概念，并通過具體語句的實現(xiàn)讓學(xué)生理解可靠服務(wù)的實現(xiàn)手段，以及基于連接的概念。

● 結(jié)語

通過這一系列的設(shè)計考慮，筆者借助看似簡單的、有限的實驗內(nèi)容對重點課程理論內(nèi)容進行了有效支撐，同時鍛煉了學(xué)生的實踐能力，并通過實驗過程提高了學(xué)生的自學(xué)能力。

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