基于计算思维的高职操作系统课程改革研究

徐晶晶 邓 单



基于计算思维的高职操作系统课程改革研究

徐晶晶 邓 单

自计算思维的概念提出后，全球的教育研究领域扭转视线，开始着手基于计算思维的课程体系改革及教育转型。操作系统作为高职计算机相关专业的核心基础课程，其课程自身的特点与计算思维教学改革的目标相契合，且课程教学内容中也蕴含经典的计算思维理念。通过改革研究，课程选取、设计部分教学案例，将计算思维能力形成和培养贯穿于教学环节，在潜移默化中养成和训练学生的计算思维能力，构建了新的以计算思维为导向的操作系统课程。

计算思维；操作系统；课程改革；教学案例

一、引言

教学本身不仅是教书还要育人，教学的改革不光只是形而上学的课程标准与教学内容的变更，还更应体现出“授人以渔”的教学理念。而学习的过程则是知识的累积和思维方式形成的过程，教师在教学过程中应注意这两者的融合与平衡，不能忽视学生思维方式的训练和养成，也就是“渔”的方法。

在传统的教育理念中，常见的思维方式包括有逻辑思维、辨证思维、数学思维等。随着数字化、信息化在21世纪的迅猛发展，美国卡内基·梅隆大学的周以真教授于2006年3月提出了基于计算机科学理论的“计算思维”理念，并获得计算机界、教育界、哲学界以及相关领域专业人士的广泛关注及认可。

计算思维突破传统的思维方式，用计算机科学的方法论去提出问题、发现问题并解决问题，这是一个崭新的课题，为当代计算机学科教育改革指明了新的方向。随后在2008年就提出了在计算机导论课程中绑定有关计算思维的课程内容。2010年7月，国内“九校联盟(C9)计算机基础课程研讨会”上，也明确将计算思维能力作为培养复合型创新人才的核心任务。此外，计算思维还影响着美国、英国甚至欧洲的教育，并已从计算机学科延伸到哲学、教育、物理、建筑、医学、生物等不同的领域。

操作系统课程作为高职计算机网络、信息安全、软件开发等相关专业的专业必修课程，主要介绍操作系统的基本概念、原理及Linux系统平台的基本管理操作，以理论为基础指导实践教学，为深入学习信息、计算机类专业知识以及服务器、系统软件开发课程打下基础。作为计算机相关专业承前启后的专业核心课程，在课程改革上应紧跟教育转型风向标，不仅在授课内容上要紧随技术的发展，而且还要在教学环节中融合思维训练——计算思维。

二、计算思维的概念与内涵

计算思维其实是运用计算机科学的基础概念进行求解问题、设计系统和理解人类的行为，它涵盖了计算机科学之广泛性的一系列思维活动。计算思维通过约简、嵌入、转化、仿真的方法，把看似复杂的问题阐述成易于解决的问题。除了将问题简化、降低难度之外，计算思维也可采用抽象、分解、建模的方式处理复杂的任务，或采用冗余、纠错、折中的思想全面考虑问题，并善用递归思维和启发式推理寻求解答。

虽然计算思维是一个崭新的概念，但是很多人在工作和生活中都曾使用过计算思维去解决问题，比如运用并行处理的方式做饭，在煮饭的同时烹饪菜肴，以保证可以同时享用热的饭菜；或者使用排序算法，由远及近的拾回物品。在这里计算思维强调的是一种解决问题的思维能力，就像阅读、写作和算术能力一样，计算思维应具有普适性，而并不仅属于计算机学者或计算机行业的从业者。重要的区别在于——计算思维不等于计算机编程，前者属于人的思维方式，后者属于专业技能。

三、计算思维与操作系统课程改革切入点

操作系统作为高职计算机相关专业课程体系中的核心课程，具有内容庞杂、概念抽象、理论性强等特点，可“转化”或“嵌入”成生活中常见的案例进行讲解和分析；课程涉及数据结构、编译原理、计算机组成等专业知识，可采用“抽象”和“分解”的方式简化庞杂的学习内容；章节内容相对独立容易造成顾此失彼的学习效果，可通过“建模”将独立内容或相似的知识点串联在一起。此外，课程理论部分的授课方式多以“灌输式”教学为主，缺乏互动性和启发性，可通过“启发式推理”和“递归思维”训练，激发学生的学习兴趣。

此外，推进课程的教育改革及转型，不仅需要从课程内容和特点上引入计算思维，更需要在人才培养模式上进行创新。引入以计算思维为指导的人才培养模式，以计算思维为核心，以操作系统原理为背景，将重点从学科方法论转向学科的思维方式。

四、构建以计算思维为导向的操作系统课程

高职操作系统的课堂教学由理论教学和实验教学两部分组成：理论部分可从计算思维的视角规划教学内容，先让学生形成计算思维的概念，再培养学生计算思维的能力；实验部分则可通过设计性实验，达成计算思维的训练目的。下面将以理论环节的教学案例为侧重点，进行以计算思维为导向的课程构建。

1.选取教学案例，形成计算思维概念

操作系统课程主要介绍计算机系统资源管理的四大功能，理论部分重点由：进程管理、存储管理、设备管理、文件管理四部分组成。下面将以计算思维为主线，对这四个重点理论单元重新组织教学，逐步建立学生计算思维的思维模式，并引导学生利用计算思维方法论去解决问题。

操作系统作为一个庞大、复杂的系统软件，系统的设计遵循约简的计算思维，采用模块化的设计方法，根据系统管理的处理器、内存、外部设备和文件资源，将系统分解成四个相对简单、独立的资源管理模块；教学内容也依此展开，脉络清晰地形成了四个重点教学单元。

表1 以计算思维为导向的操作系统教学内容

四个教学单元中重要知识点所蕴含的计算思维如表1中所示，下面将以各资源管理模块为单位，例举部分计算思维在教学内容中的体现，对计算思维能力的培养进行分析：

(1)进程管理单元主要介绍进程对CPU和其他资源的合理调配。以互斥和同步为例，进程的互斥是对独享资源的竞争，可转化成两人相向过独木桥的案例；进程的同步则是对资源使用先后顺序的约束，可转化成病人看病和化验的案例。通过将抽象转化成具体的案例，概念清晰易于理解。而系统中互斥和同步的实现，则可通过建模的方式通过锁或信号灯机制进行约束和推进，最终通过算法实现。另外一个关于资源分配的难点——死锁，可转化成两个孩子拿着各自的玩具又想要玩对方的玩具，却一直僵持不下的情景。避免死锁除去破坏必要条件之外，亦可采用冗余(银行家算法)的思想预防最坏的情况发生。

(2)与CPU直接进行数据交换的硬件是内存，存储管理单元就是针对内存的存取管理。虚拟存储可借助抽象思维，屏蔽程序部分装入内存即可运行的本质，用户完全不用考虑虚拟存储与内存空间分配和地址转换的细节。存储分配可分为首次适应、最佳适应和最坏适应三种算法，空闲存储空间可依据地址或空间大小排序，算法的优劣取决于在存放数据时，看中是尽快找到大小合适的空闲分区，还是尽量减少较小碎片的产生，这则体现出计算思维折中的思想。

(3)设备管理负责系统中所有外部设备，而外部设备与CPU最大的矛盾则体现在速率不匹配，为了解决相互等待降低运行效率问题，在速率不匹配的设备间添加了缓冲，使系统在执行进程时看似并行运行。而缓冲区就好比水库，从单缓冲到双缓冲再到缓冲池，则体现了系统冗余的思维。

(4)为记录文件在磁盘上的存放位置，从文件的物理结构入手，通过文件目录的方式记录下连续、串联文件的存储位置，为了更方便地存取或增减文件引入了索引文件，连续、串联文件的目录和索引表对文件的管理则体现出数据结构的思维。

课程通过典型的教学案例与计算思维有机结合，让晦涩难懂的概念和原理变得易于理解和掌握，计算思维的概念也潜移默化地在授课过程中逐渐形成。

2.设计教学案例，培养计算思维能力

以进程调度和页面置换两个算法为例：进程由就绪转为运行状态需要排队等候，程序从内存页面中淘汰出来也需要进行排队，可以看出两个算法都体现出队列的思想。那么究竟采用何种标准排队，又如何去调度队列中的进程和页面对象呢？这就需要启发学生的计算思维，引出不同的算法策略。

排队的现象在日常生活中极为普遍，基于公平的原则，学生首先想到的是根据先来后到的顺序进行排队。进程的调度则可采用先来先服务的算法，将队列中第一顺位的进程调入CPU执行；页面的置换也可类似地采取先进先出的淘汰算法，只不过是将最先调入页面置换出内存。当排队的人群中有人业务办理时间短，有人业务复杂需要更长的处理时间，或者有老弱病残的服务对象，让学生通过情景的假设再进行进程调度。于是从提高服务效率的角度考虑，可以根据服务的时长让短进程优先，或者根据服务对象的级别进行调度。类似的也可启发学生进行推理，如果存储于内存的某个页面长时间未被使用，或者某个页面永远不需要或最长时间不需要访问，为避免频繁的页面置换导致抖动的现象产生，如何预测或折中考虑将会引出新的页面置换算法。

课程借助合理教学案例的设置，以启发式推理的计算思维模式，让学生通过互动的方式研究算法、评价性能、进行优化改进。在通过计算思维方式理解教学内容的同时，反过来引导并培养学生有意识的计算思维。

3.更新评价标准，引入计算思维考核

操作系统课程的评价标准采用过程性评价和终结性评价相结合的方式，以往过程性评价主要针对操作环节中的专业能力和职业素养，终结性评价只根据理论考核的笔试成绩。以计算思维为导向的操作系统课程评价，应相应加入对计算思维能力的考核。

表2 学生总评成绩评价表

如表2所示，改革后的课程评价标准分别在理论和实验教学环节中加入了对计算思维能力的过程性评价，并占到总分的20%。设计性实验很容易体现思维方式，但理论教学环节则很难判断学生是否具备了计算思维能力，教师可通过学生对知识点的掌握程度，以及课堂设置的提问、互动环节去了解学生分析、解决问题的思维方式，了解计算思维能力的养成效果。

五、小结

计算思维的提出已快10年，构建包含计算思维的课程体系已成为大学计算机基础课程及计算机相关专业课程改革的共识。为避免单纯给操作系统课程贴上计算思维的标签，应将计算思维训练融合在教学案例中，在操作系统原理容中渗透出计算思维。然而思维模式的养成并不是一蹴而就的，也不是某一门课程的职责，它将贯穿于整个教学、科研体系，并最终帮助人们发现并解决哲学、教育、物理、建筑、医学、生物等不同领域的专业问题。

[1]牟琴，谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学，2011，38(3):10-11.

[2]九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010(9):4.

[3]Bundy A.Computational Thinking is Pervasive[J].Journal of Scientific and Practical Computing,Noted Reviews,2007，1(2):67-69.

[4]周以真.计算思维[J].教育创新与创新人才培养，2007(5):111-113.

[5]许晓萍.高职《操作系统》课程教学改革的策略研究[J].云南社会主义学院学报，2014(4):212.

[6]蒲晓蓉.“计算机操作系统”课程中的计算思维初探[J].工业和信息化教育，2013(6):51-52.

责任编辑 何丽华

2015-12-25

徐晶晶(1982-)，女，广州番禺职业技术学院助教，硕士。主要研究方向：计算机网络、信息安全。(广东 广州/511483)

邓 单(1981-)，男，广州番禺职业技术学院高级工程师，博士。主要研究方向：计算机网络、信息安全。(广东 广州/511483)

本文系广州市教育科学“十二五”规划面上一般课题(编号：1201431075)、广东省高教学会云计算与大数据专委会科研课题(编号：GDYJSKT14-06)项目的成果。

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