基于計算思維的高職操作系統課程改革研究

徐晶晶++鄧單

摘要：自計算思維的概念提出后，全球的教育研究領域扭轉視線，開始著手基于計算思維的課程體系改革及教育轉型。操作系統作為高職計算機相關專業的核心基礎課程，其課程自身的特點與計算思維教學改革的目標相契合，且課程教學內容中也蘊含經典的計算思維理念。通過改革研究，課程選取、設計部分教學案例，將計算思維能力形成和培養貫穿于教學環節，在潛移默化中養成和訓練學生的計算思維能力，構建了新的以計算思維為導向的操作系統課程。

關鍵詞：計算思維；操作系統；課程改革；教學案例

中圖分類號：G710文獻標識碼：A文章編號：1005-1422（2016）02-0047-03

收稿日期：2015-12-25

作者簡介：徐晶晶（1982-），女，廣州番禺職業技術學院助教，碩士。主要研究方向：計算機網絡、信息安全。（廣東 廣州/511483）

鄧單（1981-），男，廣州番禺職業技術學院高級工程師，博士。主要研究方向：計算機網絡、信息安全。（廣東 廣州/511483）

基金項目：本文系廣州市教育科學“十二五”規劃面上一般課題（編號：1201431075）、廣東省高教學會云計算與大數據專委會科研課題（編號：GDYJSKT14-06）項目的成果。

一、引言

教學本身不僅是教書還要育人，教學的改革不光只是形而上學的課程標準與教學內容的變更，還更應體現出“授人以漁”的教學理念。而學習的過程則是知識的累積和思維方式形成的過程，教師在教學過程中應注意這兩者的融合與平衡，不能忽視學生思維方式的訓練和養成，也就是“漁”的方法。

在傳統的教育理念中，常見的思維方式包括有邏輯思維、辨證思維、數學思維等。隨著數字化、信息化在21世紀的迅猛發展，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授于2006年3月提出了基于計算機科學理論的“計算思維”理念，并獲得計算機界、教育界、哲學界以及相關領域專業人士的廣泛關注及認可。

計算思維突破傳統的思維方式，用計算機科學的方法論去提出問題、發現問題并解決問題，這是一個嶄新的課題，為當代計算機學科教育改革指明了新的方向。隨后在2008年就提出了在計算機導論課程中綁定有關計算思維的課程內容。2010年7月，國內“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”上，也明確將計算思維能力作為培養復合型創新人才的核心任務。此外，計算思維還影響著美國、英國甚至歐洲的教育，并已從計算機學科延伸到哲學、教育、物理、建筑、醫學、生物等不同的領域。

操作系統課程作為高職計算機網絡、信息安全、軟件開發等相關專業的專業必修課程，主要介紹操作系統的基本概念、原理及Linux系統平臺的基本管理操作，以理論為基礎指導實踐教學，為深入學習信息、計算機類專業知識以及服務器、系統軟件開發課程打下基礎。作為計算機相關專業承前啟后的專業核心課程，在課程改革上應緊跟教育轉型風向標，不僅在授課內容上要緊隨技術的發展，而且還要在教學環節中融合思維訓練——計算思維。

二、計算思維的概念與內涵

計算思維其實是運用計算機科學的基礎概念進行求解問題、設計系統和理解人類的行為，它涵蓋了計算機科學之廣泛性的一系列思維活動。計算思維通過約簡、嵌入、轉化、仿真的方法，把看似復雜的問題闡述成易于解決的問題。除了將問題簡化、降低難度之外，計算思維也可采用抽象、分解、建模的方式處理復雜的任務，或采用冗余、糾錯、折中的思想全面考慮問題，并善用遞歸思維和啟發式推理尋求解答。

雖然計算思維是一個嶄新的概念，但是很多人在工作和生活中都曾使用過計算思維去解決問題，比如運用并行處理的方式做飯，在煮飯的同時烹飪菜肴，以保證可以同時享用熱的飯菜；或者使用排序算法，由遠及近的拾回物品。在這里計算思維強調的是一種解決問題的思維能力，就像閱讀、寫作和算術能力一樣，計算思維應具有普適性，而并不僅屬于計算機學者或計算機行業的從業者。重要的區別在于——計算思維不等于計算機編程，前者屬于人的思維方式，后者屬于專業技能。

三、計算思維與操作系統課程改革切入點

操作系統作為高職計算機相關專業課程體系中的核心課程，具有內容龐雜、概念抽象、理論性強等特點，可“轉化”或“嵌入”成生活中常見的案例進行講解和分析；課程涉及數據結構、編譯原理、計算機組成等專業知識，可采用“抽象”和“分解”的方式簡化龐雜的學習內容；章節內容相對獨立容易造成顧此失彼的學習效果，可通過“建?！睂ⅹ毩热莼蛳嗨频闹R點串聯在一起。此外，課程理論部分的授課方式多以“灌輸式”教學為主，缺乏互動性和啟發性，可通過“啟發式推理”和“遞歸思維”訓練，激發學生的學習興趣。

此外，推進課程的教育改革及轉型，不僅需要從課程內容和特點上引入計算思維，更需要在人才培養模式上進行創新。引入以計算思維為指導的人才培養模式，以計算思維為核心，以操作系統原理為背景，將重點從學科方法論轉向學科的思維方式。

基于計算思維的高職操作系統課程改革研究

四、構建以計算思維為導向的操作系統課程

高職操作系統的課堂教學由理論教學和實驗教學兩部分組成：理論部分可從計算思維的視角規劃教學內容，先讓學生形成計算思維的概念，再培養學生計算思維的能力；實驗部分則可通過設計性實驗，達成計算思維的訓練目的。下面將以理論環節的教學案例為側重點，進行以計算思維為導向的課程構建。

1.選取教學案例，形成計算思維概念

操作系統課程主要介紹計算機系統資源管理的四大功能，理論部分重點由：進程管理、存儲管理、設備管理、文件管理四部分組成。下面將以計算思維為主線，對這四個重點理論單元重新組織教學，逐步建立學生計算思維的思維模式，并引導學生利用計算思維方法論去解決問題。

操作系統作為一個龐大、復雜的系統軟件，系統的設計遵循約簡的計算思維，采用模塊化的設計方法，根據系統管理的處理器、內存、外部設備和文件資源，將系統分解成四個相對簡單、獨立的資源管理模塊；教學內容也依此展開，脈絡清晰地形成了四個重點教學單元。

四個教學單元中重要知識點所蘊含的計算思維如表1中所示，下面將以各資源管理模塊為單位，例舉部分計算思維在教學內容中的體現，對計算思維能力的培養進行分析：

（1）進程管理單元主要介紹進程對CPU和其他資源的合理調配。以互斥和同步為例，進程的互斥是對獨享資源的競爭，可轉化成兩人相向過獨木橋的案例；進程的同步則是對資源使用先后順序的約束，可轉化成病人看病和化驗的案例。通過將抽象轉化成具體的案例，概念清晰易于理解。而系統中互斥和同步的實現，則可通過建模的方式通過鎖或信號燈機制進行約束和推進，最終通過算法實現。另外一個關于資源分配的難點——死鎖，可轉化成兩個孩子拿著各自的玩具又想要玩對方的玩具，卻一直僵持不下的情景。避免死鎖除去破壞必要條件之外，亦可采用冗余（銀行家算法）的思想預防最壞的情況發生。

（2）與CPU直接進行數據交換的硬件是內存，存儲管理單元就是針對內存的存取管理。虛擬存儲可借助抽象思維，屏蔽程序部分裝入內存即可運行的本質，用戶完全不用考慮虛擬存儲與內存空間分配和地址轉換的細節。存儲分配可分為首次適應、最佳適應和最壞適應三種算法，空閑存儲空間可依據地址或空間大小排序，算法的優劣取決于在存放數據時，看中是盡快找到大小合適的空閑分區，還是盡量減少較小碎片的產生，這則體現出計算思維折中的思想。

（3）設備管理負責系統中所有外部設備，而外部設備與CPU最大的矛盾則體現在速率不匹配，為了解決相互等待降低運行效率問題，在速率不匹配的設備間添加了緩沖，使系統在執行進程時看似并行運行。而緩沖區就好比水庫，從單緩沖到雙緩沖再到緩沖池，則體現了系統冗余的思維。

（4）為記錄文件在磁盤上的存放位置，從文件的物理結構入手，通過文件目錄的方式記錄下連續、串聯文件的存儲位置，為了更方便地存取或增減文件引入了索引文件，連續、串聯文件的目錄和索引表對文件的管理則體現出數據結構的思維。

課程通過典型的教學案例與計算思維有機結合，讓晦澀難懂的概念和原理變得易于理解和掌握，計算思維的概念也潛移默化地在授課過程中逐漸形成。

2.設計教學案例，培養計算思維能力

以進程調度和頁面置換兩個算法為例：進程由就緒轉為運行狀態需要排隊等候，程序從內存頁面中淘汰出來也需要進行排隊，可以看出兩個算法都體現出隊列的思想。那么究竟采用何種標準排隊，又如何去調度隊列中的進程和頁面對象呢？這就需要啟發學生的計算思維，引出不同的算法策略。

排隊的現象在日常生活中極為普遍，基于公平的原則，學生首先想到的是根據先來后到的順序進行排隊。進程的調度則可采用先來先服務的算法，將隊列中第一順位的進程調入CPU執行；頁面的置換也可類似地采取先進先出的淘汰算法，只不過是將最先調入頁面置換出內存。當排隊的人群中有人業務辦理時間短，有人業務復雜需要更長的處理時間，或者有老弱病殘的服務對象，讓學生通過情景的假設再進行進程調度。于是從提高服務效率的角度考慮，可以根據服務的時長讓短進程優先，或者根據服務對象的級別進行調度。類似的也可啟發學生進行推理，如果存儲于內存的某個頁面長時間未被使用，或者某個頁面永遠不需要或最長時間不需要訪問，為避免頻繁的頁面置換導致抖動的現象產生，如何預測或折中考慮將會引出新的頁面置換算法。

課程借助合理教學案例的設置，以啟發式推理的計算思維模式，讓學生通過互動的方式研究算法、評價性能、進行優化改進。在通過計算思維方式理解教學內容的同時，反過來引導并培養學生有意識的計算思維。

3.更新評價標準，引入計算思維考核

操作系統課程的評價標準采用過程性評價和終結性評價相結合的方式，以往過程性評價主要針對操作環節中的專業能力和職業素養，終結性評價只根據理論考核的筆試成績。以計算思維為導向的操作系統課程評價，應相應加入對計算思維能力的考核。

如表2所示，改革后的課程評價標準分別在理論和實驗教學環節中加入了對計算思維能力的過程性評價，并占到總分的20%。設計性實驗很容易體現思維方式，但理論教學環節則很難判斷學生是否具備了計算思維能力，教師可通過學生對知識點的掌握程度，以及課堂設置的提問、互動環節去了解學生分析、解決問題的思維方式，了解計算思維能力的養成效果。

五、小結

計算思維的提出已快10年，構建包含計算思維的課程體系已成為大學計算機基礎課程及計算機相關專業課程改革的共識。為避免單純給操作系統課程貼上計算思維的標簽，應將計算思維訓練融合在教學案例中，在操作系統原理容中滲透出計算思維。然而思維模式的養成并不是一蹴而就的，也不是某一門課程的職責，它將貫穿于整個教學、科研體系，并最終幫助人們發現并解決哲學、教育、物理、建筑、醫學、生物等不同領域的專業問題。

參考文獻：

[1]牟琴，譚良.計算思維的研究及其進展[J].計算機科學，2011，38（3）：10-11.

[2]九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明[J].中國大學教學，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.計算思維[J].教育創新與創新人才培養，2007（5）：111-113.

[5]許曉萍.高職《操作系統》課程教學改革的策略研究[J].云南社會主義學院學報，2014（4）：212.

[6]蒲曉蓉.“計算機操作系統”課程中的計算思維初探[J].工業和信息化教育，2013（6）：51-52.

責任編輯 何麗華