1、基于計(jì)算思維的高職操作系統(tǒng)課程改革研究基于計(jì)算思維的高職操作系統(tǒng)課程改革研究一、引言教學(xué)本身不僅是教書還要育人，教學(xué)的改革不光只是形而上學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)內(nèi)容的變更，還更應(yīng)表達(dá)出授人以漁的教學(xué)理念。而學(xué)習(xí)的過(guò)程那么是知識(shí)的累積和思維方式形成的過(guò)程，老師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注意這兩者的交融與平衡，不能無(wú)視學(xué)生思維方式的訓(xùn)練和養(yǎng)成，也就是漁的方法。在傳統(tǒng)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(shù)學(xué)思維等。隨著數(shù)字化、信息化在21世紀(jì)的迅猛開展，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授于2022年3月提出了基于計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的計(jì)算思維理念，并獲得計(jì)算機(jī)界、教育界、哲學(xué)界以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的廣泛關(guān)注及

2、認(rèn)可。計(jì)算思維打破傳統(tǒng)的思維方式，用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法論去提出問題、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，這是一個(gè)嶄新的課題，為當(dāng)代計(jì)算機(jī)學(xué)科教育改革指明了新的方向。隨后在2022年就提出了在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中綁定有關(guān)計(jì)算思維的課程內(nèi)容。2022年7月，國(guó)內(nèi)九校聯(lián)盟9計(jì)算機(jī)根底課程研討會(huì)上，也明確將計(jì)算思維才能作為培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的核心任務(wù)。此外，計(jì)算思維還影響著美國(guó)、英國(guó)甚至歐洲的教育，并已從計(jì)算機(jī)學(xué)科延伸到哲學(xué)、教育、物理、建筑、醫(yī)學(xué)、生物等不同的領(lǐng)域。操作系統(tǒng)課程作為高職計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息平安、軟件開發(fā)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程，主要介紹操作系統(tǒng)的根本概念、原理及Linux系統(tǒng)平臺(tái)的根本管理操作，以理論為根底指

3、導(dǎo)理論教學(xué)，為深化學(xué)習(xí)信息、計(jì)算機(jī)類專業(yè)知識(shí)以及效勞器、系統(tǒng)軟件開發(fā)課程打下基矗作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)承前啟后的專業(yè)核心課程，在課程改革上應(yīng)緊跟教育轉(zhuǎn)型風(fēng)向標(biāo)，不僅在授課內(nèi)容上要緊隨技術(shù)的開展，而且還要在教學(xué)環(huán)節(jié)中交融思維訓(xùn)練計(jì)算思維。二、計(jì)算思維的概念與內(nèi)涵計(jì)算思維其實(shí)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的根底概念進(jìn)展求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真的方法，把看似復(fù)雜的問題闡述成易于解決的問題。除了將問題簡(jiǎn)化、降低難度之外，計(jì)算思維也可采用抽象、分解、建模的方式處理復(fù)雜的任務(wù)，或采用冗余、糾錯(cuò)、折中的思想全面考慮問題，并善用遞歸思維和

4、啟發(fā)式推理尋求解答。雖然計(jì)算思維是一個(gè)嶄新的概念，但是很多人在工作和生活中都曾使用過(guò)計(jì)算思維去解決問題，比方運(yùn)用并行處理的方式做飯，在煮飯的同時(shí)烹飪菜肴，以保證可以同時(shí)享用熱的飯菜；或者使用排序算法，由遠(yuǎn)及近的拾回物品。在這里計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是一種解決問題的思維才能，就像閱讀、寫作和算術(shù)才能一樣，計(jì)算思維應(yīng)具有普適性，而并不僅屬于計(jì)算機(jī)學(xué)者或計(jì)算機(jī)行業(yè)的從業(yè)者。重要的區(qū)別在于計(jì)算思維不等于計(jì)算機(jī)編程，前者屬于人的思維方式，后者屬于專業(yè)技能。三、計(jì)算思維與操作系統(tǒng)課程改革切入點(diǎn)操作系統(tǒng)作為高職計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程體系中的核心課程，具有內(nèi)容龐雜、概念抽象、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，可轉(zhuǎn)化或嵌入成生活中常見的案例

5、進(jìn)展講解和分析；課程涉及數(shù)據(jù)構(gòu)造、編譯原理、計(jì)算機(jī)組成等專業(yè)知識(shí)，可采用本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理抽象和分解的方式簡(jiǎn)化龐雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容；章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立容易造成顧此失彼的學(xué)習(xí)效果，可通過(guò)建模將獨(dú)立內(nèi)容或相似的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)在一起。此外，課程理論局部的授課方式多以灌輸式教學(xué)為主，缺乏互動(dòng)性和啟發(fā)性，可通過(guò)啟發(fā)式推理和遞歸思維訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，推進(jìn)課程的教育改革及轉(zhuǎn)型，不僅需要從課程內(nèi)容和特點(diǎn)上引入計(jì)算思維，更需要在人才培養(yǎng)形式上進(jìn)展創(chuàng)新。引入以計(jì)算思維為指導(dǎo)的人才培養(yǎng)形式，以計(jì)算思維為核心，以操作系統(tǒng)原理為背景，將重點(diǎn)從學(xué)科方法論轉(zhuǎn)向?qū)W科的思維方式。基于計(jì)算思維的高職操作系統(tǒng)課程改革

6、研究四、構(gòu)建以計(jì)算思維為導(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程高職操作系統(tǒng)的課堂教學(xué)由理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩局部組成：理論局部可從計(jì)算思維的視角規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，先讓學(xué)生形成計(jì)算思維的概念，再培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的才能；實(shí)驗(yàn)局部那么可通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，達(dá)成計(jì)算思維的訓(xùn)練目的。下面將以理論環(huán)節(jié)的教學(xué)案例為側(cè)重點(diǎn)，進(jìn)展以計(jì)算思維為導(dǎo)向的課程構(gòu)建。1.選取教學(xué)案例，形成計(jì)算思維概念操作系統(tǒng)課程主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源管理的四大功能，理論局部重點(diǎn)由：進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理四局部組成。下面將以計(jì)算思維為主線，對(duì)這四個(gè)重點(diǎn)理論單元重新組織教學(xué)，逐步建立學(xué)生計(jì)算思維的思維形式，并引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算思維方法論去解決問題。操作系統(tǒng)

7、作為一個(gè)龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循約簡(jiǎn)的計(jì)算思維，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)管理的處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和文件資源，將系統(tǒng)分解成四個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單、獨(dú)立的資源管理模塊；教學(xué)內(nèi)容也依此展開，脈絡(luò)明晰地形成了四個(gè)重點(diǎn)教學(xué)單元。四個(gè)教學(xué)單元中重要知識(shí)點(diǎn)所蘊(yùn)含的計(jì)算思維如表1中所示，下面將以各資源管理模塊為單位，例舉局部計(jì)算思維在教學(xué)內(nèi)容中的表達(dá)，對(duì)計(jì)算思維才能的培養(yǎng)進(jìn)展分析：1進(jìn)程管理單元主要介紹進(jìn)程對(duì)PU和其他資源的合理調(diào)配。以互斥和同步為例，進(jìn)程的互斥是對(duì)獨(dú)享資源的競(jìng)爭(zhēng)，可轉(zhuǎn)化成兩人相向過(guò)獨(dú)木橋的案例；進(jìn)程的同步那么是對(duì)資源使用先后順序的約束，可轉(zhuǎn)化成病人看病和化驗(yàn)的案例。通過(guò)將抽象轉(zhuǎn)化

8、成詳細(xì)的案例，概念明晰易于理解。而系統(tǒng)中互斥和同步的實(shí)現(xiàn)，那么可通過(guò)建模的方式通過(guò)鎖或信號(hào)燈機(jī)制進(jìn)展約束和推進(jìn)，最終通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)關(guān)于資源分配的難點(diǎn)死鎖，可轉(zhuǎn)化成兩個(gè)孩子拿著各自的玩具又想要玩對(duì)方的玩具，卻一直僵持不下的情景。防止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(yù)防最壞的情況發(fā)生。2與PU直接進(jìn)展數(shù)據(jù)交換的硬件是內(nèi)存，存儲(chǔ)管理單元就是針對(duì)內(nèi)存的存取管理。虛擬存儲(chǔ)可借助抽象思維，屏蔽程序局部裝入內(nèi)存即可運(yùn)行的本質(zhì)，用戶完全不用考慮虛擬存儲(chǔ)與內(nèi)存空間分配和地址轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)。存儲(chǔ)分配可分為首次適應(yīng)、最正確適應(yīng)和最壞適應(yīng)三種算法，空閑存儲(chǔ)空間可根據(jù)地址或空間大小排序，算法的

9、優(yōu)劣取決于在存放數(shù)據(jù)時(shí)，看中是盡快找到大小適宜的空閑分區(qū)，還是盡量減少較小碎片的產(chǎn)生，這那么表達(dá)出計(jì)算思維折中的思想。3設(shè)備管理負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有外部設(shè)備，而外部設(shè)備與PU最大的矛盾那么表達(dá)在速率不匹配，為理解決互相等待降低運(yùn)行效率問題，在速率不匹配的設(shè)備間添加了緩沖，使系統(tǒng)在執(zhí)行進(jìn)程時(shí)看似并行運(yùn)行。而緩沖區(qū)就好比水庫(kù)，從單緩沖到雙緩沖再到緩沖池，那么表達(dá)了系統(tǒng)冗余的思維。4為記錄文件在磁盤上的存放位置，從文件的物理構(gòu)造入手，通過(guò)文件目錄的方式記錄下連續(xù)、串聯(lián)文件的存儲(chǔ)位置，為了更方便地存取或增減文件引入了索引文件，連續(xù)、串聯(lián)文件的目錄和索引表對(duì)文件的管理那么表達(dá)出數(shù)據(jù)構(gòu)造的思維。課程通過(guò)典型的教

10、學(xué)案例與計(jì)算思維有機(jī)結(jié)合，讓晦澀難懂的概念和原理變得易于理解和掌握，計(jì)算思維的概念也潛移默化地在授課過(guò)程中逐漸形成。2.設(shè)計(jì)教學(xué)案例，培養(yǎng)計(jì)算思維才能以進(jìn)程調(diào)度和頁(yè)面置換兩個(gè)算法為例：進(jìn)程由就緒轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)需要排隊(duì)等候，程序從內(nèi)存頁(yè)面中淘汰出來(lái)也需要進(jìn)展排隊(duì)，可以看出兩個(gè)算法都表達(dá)出隊(duì)列的思想。那么終究采用何種標(biāo)準(zhǔn)排隊(duì)，又如何去調(diào)度隊(duì)列中的進(jìn)程和頁(yè)面對(duì)象呢？這就需要啟發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維，引出不同的算法策略。排隊(duì)的現(xiàn)象在日常生活中極為普遍，基于公平的原那么，學(xué)生首先想到的是根據(jù)先來(lái)后到的順序進(jìn)展排隊(duì)。進(jìn)程的調(diào)度那么可采用先來(lái)先效勞的算法，將隊(duì)列中第一順位的進(jìn)程調(diào)入PU執(zhí)行；頁(yè)面的置換也可類似地采取

11、先進(jìn)先出的淘汰算法，只不過(guò)是將最先調(diào)入頁(yè)面置換出內(nèi)存。當(dāng)排隊(duì)的人群中有人業(yè)務(wù)辦理時(shí)間短，有人業(yè)務(wù)復(fù)雜需要更長(zhǎng)的處理時(shí)間，或者有老弱病殘的效勞對(duì)象，讓學(xué)生通過(guò)情景的假設(shè)再進(jìn)展進(jìn)程調(diào)度。于是從進(jìn)步效勞效率的角度考慮，可以根據(jù)效勞的時(shí)長(zhǎng)讓短進(jìn)程優(yōu)先，或者根據(jù)效勞對(duì)象的級(jí)別進(jìn)展調(diào)度。類似的也可啟發(fā)學(xué)生進(jìn)展推理，假如存儲(chǔ)于內(nèi)存的某個(gè)頁(yè)面長(zhǎng)時(shí)間未被使用，或者某個(gè)頁(yè)面永遠(yuǎn)不需要或最長(zhǎng)時(shí)間不需要訪問，為防止頻繁的頁(yè)面置換導(dǎo)致抖動(dòng)的現(xiàn)象產(chǎn)生，如何預(yù)測(cè)或折中考慮將會(huì)引出新的頁(yè)面置換算法。課程借助合理教學(xué)案例的設(shè)置，以啟發(fā)式推理的計(jì)算思維形式，讓學(xué)生通過(guò)互動(dòng)的方式研究算法、評(píng)價(jià)性能、進(jìn)展優(yōu)化改良。在通過(guò)計(jì)算思維方式

12、理解教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，反過(guò)來(lái)引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生有意識(shí)的計(jì)算思維。3.更新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引入計(jì)算思維考核操作系統(tǒng)課程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，以往過(guò)程性評(píng)價(jià)主要針對(duì)操作環(huán)節(jié)中的專業(yè)才能和職業(yè)素養(yǎng)，終結(jié)性評(píng)價(jià)只根據(jù)理論考核的筆試成績(jī)。以計(jì)算思維為導(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程評(píng)價(jià)，應(yīng)相應(yīng)參加對(duì)計(jì)算思維才能的考核。如表2所示，改革后的課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中參加了對(duì)計(jì)算思維才能的過(guò)程性評(píng)價(jià)，并占到總分的20%。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)很容易表達(dá)思維方式，但理論教學(xué)環(huán)節(jié)那么很難判斷學(xué)生是否具備了計(jì)算思維才能，老師可通過(guò)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，以及課堂設(shè)置的提問、互動(dòng)環(huán)節(jié)去理解學(xué)生分析、解決問題的思維方式，理解計(jì)算思維才能的養(yǎng)成效果。五、小結(jié)計(jì)算思維的