基于場景比擬的存儲器管理教學設計及應用

摘要：按照操作系統課程中存儲器管理的教學要求，緊密結合相關知識點的教學特點，設計了一種基于場景比擬的教學方案，能夠滿足存儲器管理教學過程中所涉及的一系列相關知識點的教學需要。場景比擬是將知識點比擬為現實中的場景，可以提升學習興趣，降低知識陌生感，具有連貫、系統、易于理解的特點，對比傳統的教學方式，可以有效降低教學和學習難度，對教學效果和學習效率的提升具有很好的促進作用。重點介紹了比擬場景設計原則、設計內容并詳細闡述在教學過程中的應用。

關鍵詞：計算機操作系統；存儲器管理；場景比擬；教學方法；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

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

0 引言

計算機操作系統是計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程等專業的核心課程。其教學內容和教學方式的改革是目前計算機高等教育研究的一個熱點領域[1]，目前課程教學中存在學習內容抽象、教學模式單一、理論與實踐結合不緊密等問題，導致學生存在畏難情緒、學習積極性不高等情況，傳統教學方式的教學效果和學習效率并不理想，因此非常有必要引入比擬等教學技巧，給教學和學習過程帶來積極的幫助[2]。存儲器管理（即內存管理） 是操作系統的重要功能，也是課程教學的重點和難點，該部分內容抽象，不易理解，針對存儲器管理教學內容，在長期教學實踐過程中總結出一種基于場景比擬的教學案例，可以有效降低學習難度，提升學習積極性和學習效率，收到了良好的教學效果。

1 比擬場景

1.1 比擬場景設計

比擬場景的選擇和設計需遵循三個原則：一是生活化，盡量選取日常生活中常見、易于理解的場景[3]；二是適應性，最大程度貼合內存管理及分配的基本規則；三是系統化，能夠適用一系列相關的知識點教學需要，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，進而加強學生的自主學習能力培養[4]。

通過對日常事務的認真觀察和篩選，以電影放映廳為基礎設計比擬場景，將內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。放映廳管理與內存管理的存在以下相似特點：一是放映廳連續的座椅編號，對應內存連續的物理地址；二是放映廳中以大小相同的座椅為單位進行分配，對應內存以字節為單位進行分配；三是班級成員的連續編號，對應進程邏輯地址。基于以上對應，可產生如表1所示的比擬關系。

1.2 比擬場景約定

為使得比擬場景設計更加貼合計算機內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，也可連續觀看多場電影。

3） 放映廳座椅連續編號，班級成員連續編號，所有編號均從0開始。

2 教學應用

計算機內存管理可大體分為兩種模式：一是連續分配存儲管理模式，主要有單一連續分配等方式；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應用，每個教學應用均從“教學內容概述”和“場景比擬講解”兩部分進行闡述。

2.1 連續分配存儲管理模式教學應用

2.1.1 邏輯地址和物理地址

2.1.2 單一連續分配

2.1.3 固定分區分配

固定分區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域，對應在內存管理中就可以實現進程的并發執行，提升資源利用率和系統吞吐量。

固定分區分配方式存在以下問題：一是區域中存在座椅閑置現象，對應在內存管理中即為分區碎片，導致內存空間浪費；二是由于無法預知班級成員數量，因此無法設計最合理的座椅區域劃分方案。座椅區域劃分過大，可能導致區域內空閑座椅數量增加；同時導致座椅區域數量減少，能夠容納的班級數量減少。以上兩種現象對應在內存管理中就是空間浪費增加和并發程度降低。座椅區域過小，雖然可以減少浪費，但可能導致某些人數多的班級無法進入放映廳，對應內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域，大量的小區域，適量的中等區域，少量的大區域，以適應不同班級需要。但是座椅區域的大小劃分沒有最合適的比例，并且仍然無法消除區域內座椅空閑問題。

2.1.4 動態分區分配

隨著班級不斷進入和離場，放映廳內可能會出現多個不連續的空閑座椅區域。如按照1班進入，2班進入，1班離場的順序，放映廳就產生2個空閑座椅區域，如圖2所示。

為實現空閑座椅區域的劃分，放映廳需要維護一個表格，標明當前放映廳哪些座椅區域為空閑及座椅數量，并在班級進入及離場后及時更新，對應在內存管理中就是空閑分區表或空閑分區鏈等數據結構，如表6所示。在哪個空閑座椅區域為班級劃分座椅，是由分配算法所決定的。

2.1.5 動態可重定位分區分配

隨著班級不斷進入和離開放映廳，會出現多個大小不同的空閑區域，此時可能會出現一個矛盾的現象：某班級（20人） 想要進入放映廳，沒有任何一個空閑區域能夠容納20人，導致班級無法進入，但放映廳中多個區域的空閑座椅數量總和又超過20。“緊湊”操作就是將已進入放映廳人員向同一方向進行移動，將多個小空閑區域“湊成”一個大的空閑區域，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，就可以實現座椅編號的動態轉換，對應內存管理就是動態地址變換。

2.2 分頁存儲管理方式

連續存儲管理方式基于“連續”的分配原則，即班級成員坐在一起，座椅是連續的。但連續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，會在內存中形成一些較小的空閑區域，難以利用，使用“緊湊”操作又會影響系統效率等。分頁存儲管理方式是基于“離散”原則的內存管理方式，允許將進程存儲在內存中多個不連續的區域，工作方式較連續分配更加復雜，需要對比擬場景進行進一步調整。

2.2.1 比擬設計調整

將班級按固定人數分為多個班級分組，如10人一組，最后一組人數可不足10人。放映廳座椅按同樣數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的座椅分組中，可產生如表8所示比擬關系。

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，并按照組內編號順序就座。

2 號分組只有4人，導致1號座椅分組6個座椅空閑，對應內存管理中就是頁內碎片。只有在最后一個班級分組才會產生座椅空閑，且空閑座椅數量一定小于10。2.2.3 地址結構

2.2.3 地址結構

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的區域，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關系，格式如表12所示，對應進程管理中的頁表。

2.2.5 地址變換

通過班級內部編號，使用“座椅分組起始編號+座椅分組內序號”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編號順序就座，所以班級內部編號的第二部分，既是班組分組內序號也是座椅分組內序號。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構分為兩部分，班級分組編號為1，組內序號為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，根據任務需要，將班級成員按照任務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應用進行一定調整，不再贅述。

3 場景比擬教學的特點

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

4 優缺點分析

4.1 優點及應用分析

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

4.2 局限性分析

場景比擬教學方法的應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要求，如內存的對換、虛擬存儲器等內容，使用上面設計的比擬場景就比較牽強，因此應針對不同的教學內容，在遵循設計原則的基礎上探索設計新的比擬場景。如磁盤調度部分，就可以基于快遞派發設計比擬場景[6]；二是比擬場景與教學內容只能是相似而不能完全一致，所以在學生理解比擬場景的教學知識點后，應盡快拋棄比擬場景，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，以免產生理解誤差。

5 結束語

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

參考文獻：

[1] 袁競.OBE教學理念在操作系統課程中的應用研究[J].電腦知識與技術，2024，20（2）：178-180.

[2] 趙華，張金泉，樊建聰.多元化教學方法在操作系統教學中的應用[J].計算機教育，2013（15）：36-38.

[3] 熊晶，高峰，王愛民，等.計算機操作系統課程教學設計探討[J].計算機教育，2011（11）：64-67.

[4] 劉艷君，宋麗麗.應用型本科院校《操作系統原理》課程教學探索[J].電腦知識與技術，2022，18（18）：134-135，150.

[5] 楊曉文，張元，熊風光，等.面向系統能力培養的操作系統課程教學改革實踐探究[J].電腦知識與技術，2024，20（16）：159-162.

[6] 刁春娟，羅曉清.操作系統課程的多元化教學[J].計算機教育，2015（13）：103-105.

【通聯編輯：王 力】

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“計算機專業課程思政教育實施路徑研究”（項目編號：202002273048）