圍繞計算思維能力培養(yǎng)的操作系統(tǒng)課程教學研究

摘 要：計算思維是一種新的應用計算機科學的思想和方法進行問題求解的思維方式，是目前計算機教育中的研究熱點之一。針對傳統(tǒng)操作系統(tǒng)課程教學中存在的問題和不足，提出了基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學方法，并從理論教學和實踐教學兩個方面分別討論了在操作系統(tǒng)課程教學中應用計算思維的思路和措施。

關鍵詞：計算思維；操作系統(tǒng)教學；理論教學；實踐教學

中圖分類號：TP311.1-4

1 問題的提出

操作系統(tǒng)課程是計算機科學與技術專業(yè)的核心必修課程之一，隨著計算機技術的應用越來越廣泛和深入，其他相關專業(yè)也相繼把操作系統(tǒng)作為必修課程或選修課程[1]。由于操作系統(tǒng)課程涉及的知識點多且雜、概念抽象、理論性和實踐性都很強[2]，因此，學生在學習這門課程的過程中感覺十分困難，老師在教授的過程中也容易側(cè)重于操作系統(tǒng)的理論教學，很難協(xié)調(diào)好理論教學和實踐教學之間的關系，教學效果往往不太理想?？偟膩碚f，當前操作系統(tǒng)課程教學中存在的問題和不足有：（1）理論教學與實踐教學聯(lián)系不緊密。這是該門課程教學中普遍存在的一個問題。由于操作系統(tǒng)課程所涉及的基礎性和原理性內(nèi)容很多，學生理解起來會很困難，消化起來需要花費較長時間，所以目前大部分高校把大量的課時分配給了理論教學。而每個學期的總學時是有限的，這樣導致分配給實踐教學的課時會明顯不足，很多知識點無法提供相應的實驗。這種重理論講解，忽視學生的動手實踐能力培養(yǎng)的教學方法，導致該門課程理論教學和實踐教學聯(lián)系很不緊密，學生學習起來會覺得很枯燥，實驗任務很難完成，期末考試結束之后，會出現(xiàn)立馬將所學知識還給老師的現(xiàn)象；（2）忽略了與其他課程之間的聯(lián)系。操作系統(tǒng)屬于系統(tǒng)軟件，但它又離計算機硬件最近，所以該門課程內(nèi)容既涉及計算機硬件方面的知識，又涉及軟件方面的課程，如：高級程序語言設計、數(shù)據(jù)結構、算法設計及計算機組成原理等。而教授該門課程的老師所熟悉和精通的課程數(shù)量是有限的，這樣導致教師在教學的過程中，很難做到利用其他課程內(nèi)容來進行觸類旁通的教學，進而忽視該課程與其他課程之間的聯(lián)系；（3）操作系統(tǒng)的最新發(fā)展未被及時反映。早期的操作系統(tǒng)由于受到當時硬件和軟件技術的限制，很多設計理念和實現(xiàn)方法和現(xiàn)代操作系統(tǒng)相比，顯得過時和不合理。而操作系統(tǒng)技術和硬件的發(fā)展十分迅猛，現(xiàn)代操作系統(tǒng)中用到的一些新的技術和方法，如觸摸屏技術、語音控制技術等，這些新的內(nèi)容往往在目前大部分操作系統(tǒng)教材中沒有及時地反映出來；（4）沒有真正理解操作系統(tǒng)課程的教學目的。操作系統(tǒng)課程和計算機專業(yè)的其他課程不太一樣，其教學目的不單純是讓學生簡單理解操作系統(tǒng)的工作原理，也不是為了讓學生學會編寫一個操作系統(tǒng)，而是要讓學生掌握操作系統(tǒng)管理計算機資源的方法，更重要的是學習一種思維能力[3]：一種分析問題、解決問題、評價問題解決方案優(yōu)劣，并能提出更優(yōu)解決方案的能力。而這種思維能力的培養(yǎng)在實際的教學過程中往往被忽略，抑或根本沒有被意識到，從而導致大家沒有真正地理解該門課程的教學目的。

通過以上分析可知，我們迫切需要一種新的科學有效的教學方法來改變這種現(xiàn)狀。為此，本文提出了一種基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學方法：該方法將計算思維這種新型的思維方式貫穿于操作系統(tǒng)課程的理論教學和實踐教學兩個方面中，讓學生學會并習慣用計算機科學的思路和方法來發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和求解問題，培養(yǎng)學生自主實踐及創(chuàng)新的能力，實現(xiàn)操作系統(tǒng)課程教學的真正目的。

2 基于計算思維的操作系統(tǒng)課程教學方法

2.1 計算思維

2006年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學周以真教授在美國計算機權威期刊Communications of the ACM上首次提出了“計算思維”的概念[4]。她指出：計算思維就是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。為了更好的理解，周教授又將計算思維解釋為幾種具體的思維方法：約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、保護、冗余、容錯、糾錯和恢復，利用啟發(fā)式推理來尋求解決方案，在不確定情況下進行規(guī)劃、學習和調(diào)度等[5]。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，周教授將其基本特征總結為以下幾點：（1）計算思維是概念化，不是程序化。計算機科學不單指計算機編程，更重要的是要像計算機科學家那樣去思維，且能在抽象的多個層次上思維；（2）計算思維是人的，不是計算機的思維。計算思維是人類求解問題的一種途徑，人們可以利用計算機工具和自己的智慧去解決那些計算機時代之前不敢嘗試的問題；（3）計算思維是思想，更重要的是計算的概念。這種概念可以用于人們進行問題求解及日常生活的管理；（4）計算思維是根本的，不是刻板的、機械的技能。根本的技能是指每個人為了在社會中發(fā)揮其職能而必須掌握的技能，刻板的技能則指機械的、重復的技能；（5）計算思維是數(shù)學思維和工程思維的互補和融合。計算機科學的本質(zhì)來源于數(shù)學思維，而計算機科學又從本質(zhì)上源自工程思維。我們的目的是建造能與現(xiàn)實世界互動的系統(tǒng)，而基本計算設備的限制則迫使計算機科學家必須計算性的思考。

同時，周教授認為，計算思維和人類應具備的3R（Reading，wRiting and aRithmetic）能力，即閱讀、寫作和算術能力一樣，同樣屬于每個人應該掌握的基本技能，而不僅僅屬于計算機科學家，對于我們計算機專業(yè)的學生來說，更是如此。下面本文以操作系統(tǒng)課程為載體，分別從理論教學和實踐教學兩個方面詳細討論如何將計算思維貫穿到操作系統(tǒng)課程的日常教學過程中，以改善該門課程的教學效果。

2.2 理論教學

操作系統(tǒng)是一門綜合軟件和硬件應用的課程，其理論課涉及的基本原理、思想和知識點很多。為了把這些紛繁復雜的知識點講解得深入且全面，我們在組織教學內(nèi)容時，始終堅持一個原則：緊緊圍繞操作系統(tǒng)的四大基本功能——處理機管理、存儲管理、設備管理和文件管理展開教學，注重基礎性和先進性相結合，同時注意與時俱進，及時給學生補充時下最新的軟、硬件技術及其發(fā)展趨勢。在設計教學方法時，我們將計算思維這種新的教學思路引入到課堂教學中，引導學生積極參與知識發(fā)現(xiàn)的過程，讓學生弄清楚問題的起源、發(fā)展、解決過程和實現(xiàn)方法，以及將后來還需要有怎樣的改進等。通過這種教學方式，讓學生的被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，讓原本枯燥的理論課變得生動有趣，讓學生明白那些難以理解的思想和原理其實就是人類認識問題、解決問題的正常的思維過程。

以操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷為例，我們可以這樣給學生講述：人們在進行科學實驗和社會實踐中總會有大量問題需要求解，在解決這些問題時，人們正常的思維是先分析所研究的對象，提出對問題的形式化定義，即數(shù)學建模；然后給出求解方法的形式化描述，即確定算法；最后是尋找實現(xiàn)算法的工具或設施。在計算機時代之前，這些工具或設施經(jīng)歷了古代的算盤、近代的加法器和計算器，其計算過程都需要手工進行干預，并未實現(xiàn)計算自動化。直到現(xiàn)代計算機出現(xiàn)之后，才使計算實現(xiàn)了真正意義上的自動化。早期的計算機由于受當時硬件功能的限制，其解題過程只能采用手工操作方式，故稱之為手工操作系統(tǒng)階段，即無操作系統(tǒng)階段。隨著硬件技術和功能的不斷提高，計算機的運算速度也隨著迅速提高，這樣使得手工操作的慢速度和計算機運算的高速度之間形成了一種所謂的“人-機矛盾”，而且這種矛盾隨著計算機速度的不斷提高，變得越來越嚴重，為了解決這個矛盾，人們只有設法去掉人工干預，讓機器自己來控制計算過程，于是就出現(xiàn)了“操作系統(tǒng)”這個角色，它是用一種軟件方法實現(xiàn)運算控制全程自動化的技術，即用軟件程序來代替人工干預的過程。

當我們把這段經(jīng)歷給學生說明之后，學生就會立馬恍然大悟，原來操作系統(tǒng)是由于人們的客觀需求出現(xiàn)的，是和人們的生活實踐息息相關的。然后我們按此方法接著給學生講述每一個發(fā)展階段里所出現(xiàn)的新的問題或矛盾，人們又是如何想辦法解決這些問題和矛盾的。通過這種方法，一步一步地將操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷引導出來。采用這種分析前因后果，側(cè)重事物之間的內(nèi)在聯(lián)系的方法進行教學，學生不但不會覺得枯燥，而且記憶深刻。這就是將計算思維融入到該門課程教學中的優(yōu)勢，作為教師，我們要時刻記住培養(yǎng)和訓練學生這種新的科學素養(yǎng)。

2.3 實踐教學

操作系統(tǒng)是一門理論和實踐融為一體的課程。理論教學中涉及的基本原理、技術和算法需要通過實驗課來驗證、理解和吸收。對于操作系統(tǒng)實驗內(nèi)容的設計，結合我校實際情況，采用了“驗證性”和“設計性”兩種性質(zhì)的實驗。驗證性質(zhì)的實驗主要是要求學生從用戶或應用軟件開發(fā)人員的角度去體會和驗證操作系統(tǒng)提供的功能。設計性質(zhì)的實驗要求學生在理解操作系統(tǒng)中所用算法和技術的基礎上，能嘗試自己提出算法改進意見或設計出不同效果的算法。考慮到學時限制及學生的總體水平，兩種性質(zhì)的實驗數(shù)量比例控制在7：3左右。除此之外，我們還在下一學期安排了操作系統(tǒng)課程設計實驗課程，要求學生能夠綜合運用本課程及相關課程知識解決實際問題，為將后來開發(fā)較大規(guī)模的軟件奠定基礎。在實驗教學方法的設計上，我們將計算思維的觀點引入到日常的實驗教學中，要求學生帶著問題去開始每一次的實驗。在弄清楚實驗要求和目的的基礎上，積極尋找解決問題的方法，理順思路，確定最終解決方案，然后著手開始上機驗證，并詳細記錄驗證過程中碰到的困難和問題以及相應的解決方法。最后，要求學生認真完成書面實驗報告，并上交老師審閱。通過采用這種發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、構建解決問題的模型并找出相應問題解決算法的思維方式來完成每一次的實驗任務，能很好地提高學生上機的熱情，較好地完成上機作業(yè)，并加深學生對理論知識的理解和感性認識。在考核方面，我們嚴格檢查學生的實驗設計報告，加大平時考勤及上機實驗成績在總評成績中的比例。要求學生積極參加課堂討論，按時完成實驗作業(yè)，高質(zhì)量完成實驗報告，這樣才能在最后的總評成績中得到較高分數(shù)。

3 結束語

操作系統(tǒng)課程是計算機專業(yè)中非常重要的專業(yè)基礎課，在整個計算機專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。由于該門課程所涉及的理論體系龐大且抽象，使得該門課程顯得晦澀難懂。為此，本文提出將計算思維這種新的科學有效的思維方式應用到該門課程的實際教學過程中，通過有效地組織理論教學內(nèi)容，有層次地設計實驗教學內(nèi)容，嚴格考核，可以起到激發(fā)學生學習積極性，提高學生實踐和創(chuàng)新能力，改善實際教學效果的作用。當然，教學是一個長期的不斷實踐的過程，這其中還有許多問題有待我們進一步努力解決。

參考文獻：

[1]龐麗萍.操作系統(tǒng)原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2008.

[2]葉俊民，喻瑩，李源.“操作系統(tǒng)原理”理論與實踐課教學研究[J].計算機教育，2009（15）：73-74.

[3]鄭麗潔，陳利.操作系統(tǒng)教學中的計算思維能力培養(yǎng)[J].計算機教育，2013（15）：82-84.

[4]Wing J M.Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006（03）：33-35.

[5]周以真.計算思維[J].中國計算機學會通訊，2007（11）：83-85.

作者簡介：李瓊（1981-），女，湖北天門人，講師，碩士，研究方向：中文信息處理、計算機應用；陳利（1961-），女，湖北武漢人，教授，研究方向：中文信息處理、計算機應用。

作者單位：漢口學院 計算機科學與技術學院，武漢 430212

基金項目：2014年漢口學院校級教學研究項目“操作系統(tǒng)課程教學中計算思維能力的培養(yǎng)研究”。