摘要：按照操作系統(tǒng)課程中存儲器管理的教學(xué)要求，緊密結(jié)合相關(guān)知識點的教學(xué)特點，設(shè)計了一種基于場景比擬的教學(xué)方案，能夠滿足存儲器管理教學(xué)過程中所涉及的一系列相關(guān)知識點的教學(xué)需要。場景比擬是將知識點比擬為現(xiàn)實中的場景，可以提升學(xué)習(xí)興趣，降低知識陌生感，具有連貫、系統(tǒng)、易于理解的特點，對比傳統(tǒng)的教學(xué)方式，可以有效降低教學(xué)和學(xué)習(xí)難度，對教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率的提升具有很好的促進作用。重點介紹了比擬場景設(shè)計原則、設(shè)計內(nèi)容并詳細闡述在教學(xué)過程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計算機操作系統(tǒng)；存儲器管理；場景比擬；教學(xué)方法；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0155-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

計算機操作系統(tǒng)是計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)的核心課程。其教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革是目前計算機高等教育研究的一個熱點領(lǐng)域[1]，目前課程教學(xué)中存在學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象、教學(xué)模式單一、理論與實踐結(jié)合不緊密等問題，導(dǎo)致學(xué)生存在畏難情緒、學(xué)習(xí)積極性不高等情況，傳統(tǒng)教學(xué)方式的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率并不理想，因此非常有必要引入比擬等教學(xué)技巧，給教學(xué)和學(xué)習(xí)過程帶來積極的幫助[2]。存儲器管理（即內(nèi)存管理） 是操作系統(tǒng)的重要功能，也是課程教學(xué)的重點和難點，該部分內(nèi)容抽象，不易理解，針對存儲器管理教學(xué)內(nèi)容，在長期教學(xué)實踐過程中總結(jié)出一種基于場景比擬的教學(xué)案例，可以有效降低學(xué)習(xí)難度，提升學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率，收到了良好的教學(xué)效果。

1 比擬場景

1.1 比擬場景設(shè)計

比擬場景的選擇和設(shè)計需遵循三個原則：一是生活化，盡量選取日常生活中常見、易于理解的場景[3]；二是適應(yīng)性，最大程度貼合內(nèi)存管理及分配的基本規(guī)則；三是系統(tǒng)化，能夠適用一系列相關(guān)的知識點教學(xué)需要，而不是僅僅針對孤立的知識點。總之通過場景比擬要變抽象為具體，使原理易于理解掌握，進而加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)[4]。

通過對日常事務(wù)的認真觀察和篩選，以電影放映廳為基礎(chǔ)設(shè)計比擬場景，將內(nèi)存比擬為電影院的放映廳，將多個進程比擬為進入放映廳的多個班級。放映廳管理與內(nèi)存管理的存在以下相似特點：一是放映廳連續(xù)的座椅編號，對應(yīng)內(nèi)存連續(xù)的物理地址；二是放映廳中以大小相同的座椅為單位進行分配，對應(yīng)內(nèi)存以字節(jié)為單位進行分配；三是班級成員的連續(xù)編號，對應(yīng)進程邏輯地址?；谝陨蠈?yīng)，可產(chǎn)生如表1所示的比擬關(guān)系。

1.2 比擬場景約定

為使得比擬場景設(shè)計更加貼合計算機內(nèi)存分配管理要求及特點，對比擬場景進行以下約定：

1） 放映廳24小時不間斷放映多部影片。

2） 以班級為單位進入放映廳觀看電影，每人1個座位。班級可以中途進場觀影，也可中途離開，也可連續(xù)觀看多場電影。

3） 放映廳座椅連續(xù)編號，班級成員連續(xù)編號，所有編號均從0開始。

2 教學(xué)應(yīng)用

計算機內(nèi)存管理可大體分為兩種模式：一是連續(xù)分配存儲管理模式，主要有單一連續(xù)分配等方式；二是離散分配存儲管理模式，主要有分頁、分段、段頁式3種方式。下面分別介紹這兩種管理模式的場景比擬及教學(xué)應(yīng)用，每個教學(xué)應(yīng)用均從“教學(xué)內(nèi)容概述”和“場景比擬講解”兩部分進行闡述。

2.1 連續(xù)分配存儲管理模式教學(xué)應(yīng)用

2.1.1 邏輯地址和物理地址

2.1.2 單一連續(xù)分配

2.1.3 固定分區(qū)分配

固定分區(qū)分配可以容納多個班級同時進入放映廳觀影，如圖1所示。3個班級分別進入不同區(qū)域，對應(yīng)在內(nèi)存管理中就可以實現(xiàn)進程的并發(fā)執(zhí)行，提升資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。

固定分區(qū)分配方式存在以下問題：一是區(qū)域中存在座椅閑置現(xiàn)象，對應(yīng)在內(nèi)存管理中即為分區(qū)碎片，導(dǎo)致內(nèi)存空間浪費；二是由于無法預(yù)知班級成員數(shù)量，因此無法設(shè)計最合理的座椅區(qū)域劃分方案。座椅區(qū)域劃分過大，可能導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)空閑座椅數(shù)量增加；同時導(dǎo)致座椅區(qū)域數(shù)量減少，能夠容納的班級數(shù)量減少。以上兩種現(xiàn)象對應(yīng)在內(nèi)存管理中就是空間浪費增加和并發(fā)程度降低。座椅區(qū)域過小，雖然可以減少浪費，但可能導(dǎo)致某些人數(shù)多的班級無法進入放映廳，對應(yīng)內(nèi)存管理就是無法容納大進程；三是可以將放映廳座椅劃分為大小不同的區(qū)域，大量的小區(qū)域，適量的中等區(qū)域，少量的大區(qū)域，以適應(yīng)不同班級需要。但是座椅區(qū)域的大小劃分沒有最合適的比例，并且仍然無法消除區(qū)域內(nèi)座椅空閑問題。

2.1.4 動態(tài)分區(qū)分配

隨著班級不斷進入和離場，放映廳內(nèi)可能會出現(xiàn)多個不連續(xù)的空閑座椅區(qū)域。如按照1班進入，2班進入，1班離場的順序，放映廳就產(chǎn)生2個空閑座椅區(qū)域，如圖2所示。

為實現(xiàn)空閑座椅區(qū)域的劃分，放映廳需要維護一個表格，標(biāo)明當(dāng)前放映廳哪些座椅區(qū)域為空閑及座椅數(shù)量，并在班級進入及離場后及時更新，對應(yīng)在內(nèi)存管理中就是空閑分區(qū)表或空閑分區(qū)鏈等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表6所示。在哪個空閑座椅區(qū)域為班級劃分座椅，是由分配算法所決定的。

2.1.5 動態(tài)可重定位分區(qū)分配

隨著班級不斷進入和離開放映廳，會出現(xiàn)多個大小不同的空閑區(qū)域，此時可能會出現(xiàn)一個矛盾的現(xiàn)象：某班級（20人） 想要進入放映廳，沒有任何一個空閑區(qū)域能夠容納20人，導(dǎo)致班級無法進入，但放映廳中多個區(qū)域的空閑座椅數(shù)量總和又超過20?！熬o湊”操作就是將已進入放映廳人員向同一方向進行移動，將多個小空閑區(qū)域“湊成”一個大的空閑區(qū)域，以容納更大的班級進入放映廳，如圖3所示。雖然“緊湊”操作有一定的好處，但是需要看到“緊湊”操作代價比較大，放映廳中大量人員需要移動，需要消耗很多時間，因此頻繁進行“緊湊”操作并不劃算。

班級成員是按照編號順序連續(xù)就座，班級成員的座椅編號可以通過“班級起始座椅號+班級內(nèi)部編號”來確定。如圖3所示，2班的座椅起始號碼為20，那么2班的3號成員的座椅號碼就為23（20+03） ；“緊湊”操作以后，2 班的起始座椅號碼變成了08，那么2班3號成員的座位號就為11（08+03） 。因此班級只需要記錄班級起始座椅號，并在位置移動后及時更新，就可以實現(xiàn)座椅編號的動態(tài)轉(zhuǎn)換，對應(yīng)內(nèi)存管理就是動態(tài)地址變換。

2.2 分頁存儲管理方式

連續(xù)存儲管理方式基于“連續(xù)”的分配原則，即班級成員坐在一起，座椅是連續(xù)的。但連續(xù)存儲管理方式存在難以克服的缺點，比如隨著進程不斷進入和退出，會在內(nèi)存中形成一些較小的空閑區(qū)域，難以利用，使用“緊湊”操作又會影響系統(tǒng)效率等。分頁存儲管理方式是基于“離散”原則的內(nèi)存管理方式，允許將進程存儲在內(nèi)存中多個不連續(xù)的區(qū)域，工作方式較連續(xù)分配更加復(fù)雜，需要對比擬場景進行進一步調(diào)整。

2.2.1 比擬設(shè)計調(diào)整

將班級按固定人數(shù)分為多個班級分組，如10人一組，最后一組人數(shù)可不足10人。放映廳座椅按同樣數(shù)量分為多個座椅分組，如圖4所示。

多個班級分組安排到放映廳中多個不連續(xù)的座椅分組中，可產(chǎn)生如表8所示比擬關(guān)系。

2.2.2 存儲空間分配

如班級有24人，編為3個組，組號為0-2，組內(nèi)成員編號為0-9。按照分頁存儲管理方式，不需要在放映廳中尋找24個連續(xù)的座椅，只需要找到3個空閑座椅分組即可。如圖5所示，0號班級分組分配2號座椅分組，1號班級分組分配6號座椅分組，2號班級分組分配1號座椅分組，并按照組內(nèi)編號順序就座。

2 號分組只有4人，導(dǎo)致1號座椅分組6個座椅空閑，對應(yīng)內(nèi)存管理中就是頁內(nèi)碎片。只有在最后一個班級分組才會產(chǎn)生座椅空閑，且空閑座椅數(shù)量一定小于10。2.2.3 地址結(jié)構(gòu)

2.2.3 地址結(jié)構(gòu)

2.2.4 頁表

由于班級的各個分組分散地坐在放映廳多個不連續(xù)的區(qū)域，因此班級需要維護一張表，記錄班級分組與放映廳座椅分組的對應(yīng)關(guān)系，格式如表12所示，對應(yīng)進程管理中的頁表。

2.2.5 地址變換

通過班級內(nèi)部編號，使用“座椅分組起始編號+座椅分組內(nèi)序號”就能計算出座椅編號。

由于班級分組和座椅分組大小相同且按照分組內(nèi)編號順序就座，所以班級內(nèi)部編號的第二部分，既是班組分組內(nèi)序號也是座椅分組內(nèi)序號。如班級編號18，是1號分組的8號成員，那么在座椅分組中也是8號座椅。

座椅分組連續(xù)編號且編號唯一，座椅分組大小相同，因此只要知道座椅分組號，就可以使用“座椅分組起始座椅編號=座椅分組編號*座椅分組大小”計算出座椅分組的起始座椅編號。班級分組編號對應(yīng)的座椅分組編號可以查詢頁表得到。

以班級成員編號18號為例，首先，將成員編號按照地址結(jié)構(gòu)分為兩部分，班級分組編號為1，組內(nèi)序號為8。查詢表12可知1號班級分組坐在6號座椅分組，因此起始座椅編號為60（6×10） ；組內(nèi)序號為8，說明該成員在座椅分組的序號為8，因此18號成員的座椅編號為68（60+8） 。

2.3 分段存儲管理方式

分段存儲管理方式與分頁存儲管理方式的主要區(qū)別在于段是一個信息的邏輯單位，具有特定的功能，段之間大小可以不同。因此可以約定班級要完成一個特定任務(wù)，根據(jù)任務(wù)需要，將班級成員按照任務(wù)分工劃分多個功能分組，功能分組大小可以不同，并對比擬場景及教學(xué)應(yīng)用進行一定調(diào)整，不再贅述。

3 場景比擬教學(xué)的特點

比喻、類比等教學(xué)方法已應(yīng)用于操作系統(tǒng)教學(xué)，場景比擬教學(xué)與之相比具有以下特點和優(yōu)點：一是更加完整，比擬場景涵蓋范圍較大，可以構(gòu)成一個較為完整的教學(xué)情景，其中往往包含多個比喻和類比；二是更加系統(tǒng)，在比擬場景中可以將一系列知識點關(guān)聯(lián)起來進行教學(xué)，知識點相互聯(lián)系，教學(xué)前后呼應(yīng)；三是應(yīng)用范圍更加廣泛，除了存儲器管理以外，還可以在文件系統(tǒng)管理、進程死鎖、進程通信、虛擬設(shè)備等方面也可以設(shè)計應(yīng)用案例，有助于提升課程整體教學(xué)效果。

4 優(yōu)缺點分析

4.1 優(yōu)點及應(yīng)用分析

通過上述教學(xué)案例可以看出，場景比擬可以較好地模擬計算機操作系統(tǒng)管理的過程，是一種效果良好的教學(xué)方法，具有理論結(jié)合實際、便于理解等許多優(yōu)點，除計算機操作系統(tǒng)外，在許多課程中都可以進行推廣應(yīng)用，并且可以基于場景比擬制作演示視頻，設(shè)計虛擬仿真課程，進一步提升應(yīng)用效果。需要注意的是，在案例設(shè)計和實踐應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)首先轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念理念[5]，要以學(xué)生為中心，從便于學(xué)生思考和理解的角度進行設(shè)計和實施，才能取得滿意效果；

4.2 局限性分析

場景比擬教學(xué)方法的應(yīng)用仍然存在一定的局限性：一是并非所有課程、所有的知識都適合采用該方法，一個比擬場景也無法滿足知識點的全部教學(xué)要求，如內(nèi)存的對換、虛擬存儲器等內(nèi)容，使用上面設(shè)計的比擬場景就比較牽強，因此應(yīng)針對不同的教學(xué)內(nèi)容，在遵循設(shè)計原則的基礎(chǔ)上探索設(shè)計新的比擬場景。如磁盤調(diào)度部分，就可以基于快遞派發(fā)設(shè)計比擬場景[6]；二是比擬場景與教學(xué)內(nèi)容只能是相似而不能完全一致，所以在學(xué)生理解比擬場景的教學(xué)知識點后，應(yīng)盡快拋棄比擬場景，從知識點本身角度進行思考，而不能再從比擬場景的角度進行思考，以免產(chǎn)生理解誤差。

5 結(jié)束語

本文對計算機操作系統(tǒng)課程教學(xué)中應(yīng)用場景比擬教學(xué)方法進行了探討，揭示這種教學(xué)方法的有效性，這種教學(xué)方法不僅提高了教學(xué)效率，還能有效提升學(xué)習(xí)效果和滿意度。本文對計算機其他專業(yè)課程中應(yīng)用場景比擬等新型教學(xué)方法提供了深入的見解和實際指導(dǎo)，具有較好的借鑒價值。

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【通聯(lián)編輯：王 力】

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“計算機專業(yè)課程思政教育實施路徑研究”（項目編號：202002273048）