《操作系統》的邏輯創新培養教學探討

劉華俊

摘要：現有的高校《操作系統》的教學主要以知識的傳授為主線，教學過程忽視了對于創新性人才培養這一重要目標，導致學生在學習過程中難以主動思考知識之間的串聯，學習效率低下。針對此教學瓶頸問題，以內存碎片主題為教學主題，以邏輯創新思維改革的教學切入點進行教案的具體分析，提出了一種普適化計算機課程教學的邏輯化知識串聯講解思路，通過巧妙構造知識的串聯主線，提高了學生科學地思考問題能力。

關鍵詞：邏輯創新教學;高校計算機;操作系統;內存碎片;知識串聯

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）17-0146-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

隨著信息化技術的發展和需求，高校的計算機教育承擔著為我國培養新時代創新性人才的艱巨任務[1]。專業領域人才的培養不僅需要學生具有扎實的專業技能，同時需要培養其發現問題解決問題的創新能力[2]。因此，高校計算機課程培養不僅要以傳授學生知識為目標，而且要培養學生研究的興趣，啟發其科學思考的方法以及注重其創新能力的培養。高校教師如何根據課堂教授的主題，科學邏輯的組織知識之間的串聯，并培養學生思考問題的能力，恰恰是整個教學環節的重點內容。

高校現有的《操作系統》課程的教學，對于知識的講解主要圍繞主題技術（例如，處理器，內存，設備和文件等）來展開[3]，忽視了推動技術發展的邏輯科學聯系的講解，難以培養學生的創新性思維[4]。例如以操作系統中內存的講解為例，針對內存碎片的形成只能做到零散化的闡述，缺乏思考內存碎片形成機制與內存的使用方式之間的關聯分析，導致學生難以主動對知識做一個邏輯化的串聯，影響學生對問題的理解。針對此教學瓶頸問題，本文以內存碎片為主題講解入手，提出了一種新的邏輯化知識串聯講解思路，即從系統分析內存碎片形成的機理入手，以構造推動技術發展的本質內涵為主線，科學地串聯知識間的內在聯系，通過存儲方式的邏輯明暗三條主線啟發學生思考，對教學的重難點問題進行透徹講解。此講解方式針對計算機專業的兩個教學班進行了對比試驗，相較于傳統教學方式，采用邏輯創新思維為主線進行教學的班級，學生的學習積極性明顯提高，課后對于問題的思考更加主動，能更好地適應我國目前高校教育對于創新性人才的培養需求。

2 教學思路

針對內存碎片的講解，教學目標分為兩個層次：在知識層面，通過教學使學生理解內存碎片的種類以及碎片產生的原因，并掌握四種解決內存碎片的方法，包括拼接技術、分頁管理、分段管理、段頁式管理，理解四種方法的各自特點。在能力層面，需要培養學生對碎片種類的分析辨別能力，并能根據其特點將內存分配方式做相應地調整。因此，教學的問題變成如何將兩個教學層面做到有效地統一，而這一過程離不開對教學重點的把握和教學難點的剖析。

在內存碎片的教學過程中，教學的重點是解決內存碎片的方法，內存的高效化管理的技術。而教學的難點恰恰是內存碎片的分類，內部碎片和外部碎片是內存碎片中十分抽象的概念，在平常的教學中，學生十分容易混淆兩者之間的區別，不知曉區分的方法。

在傳統教學的過程中，內存碎片知識點的引入又難以調動學生對知識求知的積極性。因此，在主題的開始階段，我們會從學生生活中常見的例子入手，例如，手機使用過程中經常會出現內存不足的問題，啟發學生思考內存不足的原因，引出本節課的主題內存碎片，調動學生的求知欲。而具體內容的講解又是通過概述，形成機理分析以及解決技術三個層次來進行提出問題、分析問題、解決問題的創新培養思路來串聯知識的講解體系。

1）內存碎片的概述教學。首先通過操作系統對于資源利用率的追求，引出多道程序在內存中運行的實際現況，提出對于內存空間的分配和回收。但由于程序的大小不一，導致在分配和回收的過程中會出現內存空余空間分布零散，引出內存碎片的定義。此問題式教學方式給學生接受該問題鋪平道路。分析內存碎片的危害，并提出問題如何減少程序分配過程中產生的內存碎片？自然地引出內存碎片形成機理的剖析。

2）內存碎片的形成機理分析教學。首先由多道程序運行環境中各程序對自己的保護引出分區的概念。通過分區形式的分析，即固定式分區和動態式分區，引出內部碎片和外部碎片的含義，并從分配的歸屬性進行分析。內部碎片不能繼續利用，對其解決的思路是希望能將其盡量變小。外部碎片并沒有分配，可以被再次利用的，對其解決的思路是盡量消除。

因此，在了解了碎片形成的原因后，如何避免內存碎片的形成自然地引出解決的方法。

3）內存碎片的解決技術教學。此階段的教學會采用逐層深入方式對四種內存分配方法進行有效的串聯。

①提出提問，如何利用零散的外部碎片？并啟發學生從傳統作業存儲的連續性要求分析，引導學生思考將其拼接起來以便再次利用，即引出拼接技術。并分析其耗時缺點引導學生思考拼接的時機。

②采用遞進加啟發式教學，引導學生思考分析引起碎片的根本性問題是作業的連續存放要求。改變其連續性存放，即引出離散存放方式的代表技術之一，頁式存儲管理[5]。通過介紹其特點“先等分內存，再分程序”以及塊和頁之間的映射關系，分析內存碎片的存在形式是最后一頁存在內部碎片，但此種方式的缺點則是打亂了作業存放的邏輯性。

③采用漸進分析式教學，提出保存邏輯性的離散存放方式的代表技術，段式存儲管理[6]。 通過其特點的介紹“先按邏輯分程序，再分內存”，分析內存碎片的存在形式是外部碎片，但缺點是大小不等，管理不便。

④采用漸進啟發教學，綜合分析頁式存儲管理和段式存儲管理的優缺點，提出兩者的綜合方式，段頁式存儲管理[7]。 介紹其思想“程序分段，段內分頁”，分析內存碎片的存在形式是每段中的最后一頁可能存在內部碎片，并歸納四種內存分配方式的優缺點。

⑤在介紹完以上四種方式之后，啟發學生思考如何提出一種更加高效的內存管理模式，即如何將以上四種技術有效的組合在一起。教師可以介紹一種程序自適應存儲管理的方式思想。其與段頁式存儲管理相似，其原則仍然“程序分段，段內分頁”。而與其不同的是，段內分頁時以無內部碎片為前提，自適應選擇內存零散空間，以對其最大化利用為目標，這樣不同的段內頁面大小就會不同;然后根據段內的分塊對選擇的內存零散空間進行劃分利用，而程序和內存映射關系的建立和段頁式存儲管理相同。這種方式的優點是保證程序邏輯性的同時，無內部碎片，并且外部碎片也很小。而這一種管理模式是對以上方法的一個綜合性優點的總結。

在整個主題教學的最后，針對手機內存的使用，給出參考文獻[8]，不僅供學生繼續思考，而且呼應整節課開頭提出的手機內存不足的問題。前后呼應，形成一個閉環，供學生回味。

3 教學方法分析

1）傳統的教學方法是將內存碎片的講解和內存的管理方式割裂式教學，導致學生難以將兩者進行一個邏輯上的串聯，沒有分析內存碎片的形成機理，導致學生難以區分內部碎片和外部碎片，一直是教學中的難點內容。而本文提出的新的串聯思路中，強調了每種技術中對于內存碎片形成機理的教學，舉一反三，強化了學生的理解。

2）在教學的過程中采用了一條明線和兩條暗線來貫穿式教學。明線是內存碎片的分類，而一條暗線是連續和離散的存儲方式，另一條暗線是程序的邏輯性保留。明暗兩線交錯式講解將增加了知識間串聯的邏輯，也讓整個主題的教學更耐人尋味。

3）傳統的教學是知識的直接講解，缺少了對于問題的引入和呼應。本文提出的教學方法是從學生生活中常見的具體問題入手，降低學生對于知識接受的排斥性，增加了學生的求知欲，課程結束時參考文獻的介紹，使知識的教學形成了一個閉環，前后呼應。

4）傳統的教學將四種方法講解之后，并沒有將其有效的結合在一起進行分析，更沒有啟發學生思考設計的這個環節，因此難以加深學生對知識點的靈活應用。而本文的教學設計對于知識點的優劣點進行了分析，此外還增加了思考設計的環節，即一種自適應管理方式的思想，加深了學生對于知識的現學現用。

5）本文設計的教學思路中，強調了飲水思源的重要性，即對每一個推動內存碎片解決的技術，在講解的過程中我們都會提出其代表性文章，加強對于學生科學素養的培養，也體現了對于科學的尊重。

4 結論

本文針對現有《操作系統》課程教學知識點零散的缺點，提出了一種邏輯化的知識串聯講解方法，即本文教學思路中內存碎片的教學是提出問題，形成機理分析教學是分析問題，解決方式技術教學是解決問題，并通過分析解決技術中的科學邏輯內涵串聯知識。這種提升學生創新素養的科學性教學思路是培養學生科學研究的正確方向。

參考文獻：

[1] 黃俊.探析高校計算機教育改革思路[J]. 當代教研論叢，2018（12）：16.

[2] 舒敏.“互聯網+”時代高校計算機教學方式探討[J]. 中國多媒體與網絡教學學報，2019（2）：6-7.

[3] 李暢.提高《操作系統》教學質量的方法探討[J]. 電腦知識與技術，2019，15（ 3）：172-173.

[4] 王學春.高校計算機應用課程與創新創業教育融合研究[J]. 科技創業月刊，2018（12）：68-70.

[5] Collins， G.O. Experience in automatic storage allocation[J]. Communications of the ACM， 1961， 4（10） ：436-440.

[6] Randell， B. A note on storage fragmentation and program segmentation[J]. Communications of the ACM， 1969， 12（7） ：365-372.

[7] Fenton， J. S. and Payne， D. W. Dynamic storage allocation of arbitrary sized segments[C]. Proc. IFIP 74， Amsterdam， 1974：344-348.

[8] S.H. Kim， S. Kwon， J.S. Kim， Controlling physical memory fragmentation in mobile systems[J]. ACM Sigplan Notices， 2015， 50（11）：1-14.

【通聯編輯：王力】