围绕计算思维能力培养的操作系统课程教学研究
中图分类号：TP311.1-4
1 问题的提出
操作系统课程是计算机科学与技术专业的核心必修课程之一，随着计算机技术的应用越来越广泛和深入，其他相关专业也相继把操作系统作为必修课程或选修课程[1]。由于操作系统课程涉及的知识点多且杂、概念抽象、理论性和实践性都很强[2]，因此，学生在学习这门课程的过程中感觉十分困难，老师在教授的过程中也容易侧重于操作系统的理论教学，很难协调好理论教学和实践教学之间的关系，教学效果往往不太理想。总的来说，当前操作系统课程教学中存在的问题和不足有：（1）理论教学与实践教学联系不紧密。这是该门课程教学中普遍存在的一个问题。由于操作系统课程所涉及的基础性和原理性内容很多，学生理解起来会很困难，消化起来需要花费较长时间，所以目前大部分高校把大量的课时分配给了理论教学。而每个学期的总学时是有限的，这样导致分配给实践教学的课时会明显不足，很多知识点无法提供相应的实验。这种重理论讲解，忽视学生的动手实践能力培养的教学方法，导致该门课程理论教学和实践教学联系很不紧密，学生学习起来会觉得很枯燥，实验任务很难完成，期末考试结束之后，会出现立马将所学知识还给老师的现象；（2）忽略了与其他课程之间的联系。操作系统属于系统软件，但它又离计算机硬件最近，所以该门课程内容既涉及计算机硬件方面的知识，又涉及软件方面的课程，如：高级程序语言设计、数据结构、算法设计及计算机组成原理等。而教授该门课程的老师所熟悉和精通的课程数量是有限的，这样导致教师在教学的过程中，很难做到利用其他课程内容来进行触类旁通的教学，进而忽视该课程与其他课程之间的联系；（3）操作系统的最新发展未被及时反映。早期的操作系统由于受到当时硬件和软件技术的限制，很多设计理念和实现方法和现代操作系统相比，显得过时和不合理。而操作系统技术和硬件的发展十分迅猛，现代操作系统中用到的一些新的技术和方法，如触摸屏技术、语音控制技术等，这些新的内容往往在目前大部分操作系统教材中没有及时地反映出来；（4）没有真正理解操作系统课程的教学目的。操作系统课程和计算机专业的其他课程不太一样，其教学目的不单纯是让学生简单理解操作系统的工作原理，也不是为了让学生学会编写一个操作系统，而是要让学生掌握操作系统管理计算机资源的方法，更重要的是学习一种思维能力[3]：一种分析问题、解决问题、评价问题解决方案优劣，并能提出更优解决方案的能力。而这种思维能力的培养在实际的教学过程中往往被忽略，抑或根本没有被意识到，从而导致大家没有真正地理解该门课程的教学目的。
通过以上分析可知，我们迫切需要一种新的科学有效的教学方法来改变这种现状。为此，本文提出了一种基于计算思维的操作系统课程教学方法：该方法将计算思维这种新型的思维方式贯穿于操作系统课程的理论教学和实践教学两个方面中，让学生学会并习惯用计算机科学的思路和方法来发现问题、分析问题和求解问题，培养学生自主实践及创新的能力，实现操作系统课程教学的真正目的。
2 基于计算思维的操作系统课程教学方法
2.1 计算思维
2006年，美国卡内基?梅隆大学周以真教授在美国计算机权威期刊Communications of the ACM上首次提出了“计算思维”的概念[4]。她指出：计算思维就是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。为了更好的理解，周教授又将计算思维解释为几种具体的思维方法：约简、嵌入、转化、仿真、保护、冗余、容错、纠错和恢复，利用启发式推理来寻求解决方案，在不确定情况下进行规划、学习和调度等[5]。计算思维的本质是抽象和自动化，周教授将其基本特征总结为以下几点：（1）计算思维是概念化，不是程序化。计算机科学不单指计算机编程，更重要的是要像计算机科学家那样去思维，且能在抽象的多个层次上思维；（2）计算思维是人的，不是计算机的思维。计算思维是人类求解问题的一种途径，人们可以利用计算机工具和自己的智慧去解决那些计算机时代之前不敢尝试的问题；（3）计算思维是思想，更重要的是计算的概念。这种概念可以用于人们进行问题求解及日常生活的管理；（4）计算思维是根本的，不是刻板的、机械的技能。根本的技能是指每个人为了在社会中发挥其职能而必须掌握的技能，刻板的技能则指机械的、重复的技能；（5）计算思维是数学思维和工程思维的互补和融合。计算机科学的本质来源于数学思维，而计算机科学又从本质上源自工程思维。我们的目的是建造能与现实世界互动的系统，而基本计算设备的限制则迫使计算机科学家必须计算性的思考。
同时，周教授认为，计算思维和人类应具备的3R（Reading，wRiting and aRithmetic）能力，即阅读、写作和算术能力一样，同样属于每个人应该掌握的基本技能，而不仅仅属于计算机科学家，对于我们计算机专业的学生来说，更是如此。下面本文以操作系统课程为载体，分别从理论教学和实践教学两个方面详细讨论如何将计算思维贯穿到操作系统课程的日常教学过程中，以改善该门课程的教学效果。
2.2 理论教学
操作系统是一门综合软件和硬件应用的课程，其理论课涉及的基本原理、思想和知识点很多。为了把这些纷繁复杂的知识点讲解得深入且全面，我们在组织教学内容时，始终坚持一个原则：紧紧围绕操作系统的四大基本功能――处理机管理、存储管理、设备管理和文件管理展开教学，注重基础性和先进性相结合，同时注意与时俱进，及时给学生补充时下最新的软、硬件技术及其发展趋势。在设计教学方法时，我们将计算思维这种新的教学思路引入到课堂教学中，引导学生积极参与知识发现的过程，让学生弄清楚问题的起源、发展、解决过程和实现方法，以及将后来还需要有怎样的改进等。通过这种教学方式，让学生的被动学习变为主动学习，让原本枯燥的理论课变得生动有趣，让学生明白那些难以理解的思想和原理其实就是人类认识问题、解决问题的正常的思维过程。 以操作系统的发展经历为例，我们可以这样给学生讲述：人们在进行科学实验和社会实践中总会有大量问题需要求解，在解决这些问题时，人们正常的思维是先分析所研究的对象，提出对问题的形式化定义，即数学建模；然后给出求解方法的形式化描述，即确定算法；最后是寻找实现算法的工具或设施。在计算机时代之前，这些工具或设施经历了古代的算盘、近代的加法器和计算器，其计算过程都需要手工进行干预，并未实现计算自动化。直到现代计算机出现之后，才使计算实现了真正意义上的自动化。早期的计算机由于受当时硬件功能的限制，其解题过程只能采用手工操作方式，故称之为手工操作系统阶段，即无操作系统阶段。随着硬件技术和功能的不断提高，计算机的运算速度也随着迅速提高，这样使得手工操作的慢速度和计算机运算的高速度之间形成了一种所谓的“人-机矛盾”，而且这种矛盾随着计算机速度的不断提高，变得越来越严重，为了解决这个矛盾，人们只有设法去掉人工干预，让机器自己来控制计算过程，于是就出现了“操作系统”这个角色，它是用一种软件方法实现运算控制全程自动化的技术，即用软件程序来代替人工干预的过程。
当我们把这段经历给学生说明之后，学生就会立马恍然大悟，原来操作系统是由于人们的客观需求出现的，是和人们的生活实践息息相关的。然后我们按此方法接着给学生讲述每一个发展阶段里所出现的新的问题或矛盾，人们又是如何想办法解决这些问题和矛盾的。通过这种方法，一步一步地将操作系统的发展经历引导出来。采用这种分析前因后果，侧重事物之间的内在联系的方法进行教学，学生不但不会觉得枯燥，而且记忆深刻。这就是将计算思维融入到该门课程教学中的优势，作为教师，我们要时刻记住培养和训练学生这种新的科学素养。
2.3 实践教学
操作系统是一门理论和实践融为一体的课程。理论教学中涉及的基本原理、技术和算法需要通过实验课来验证、理解和吸收。对于操作系统实验内容的设计，结合我校实际情况，采用了“验证性”和“设计性”两种性质的实验。验证性质的实验主要是要求学生从用户或应用软件开发人员的角度去体会和验证操作系统提供的功能。设计性质的实验要求学生在理解操作系统中所用算法和技术的基础上，能尝试自己提出算法改进意见或设计出不同效果的算法。考虑到学时限制及学生的总体水平，两种性质的实验数量比例控制在7：3左右。除此之外，我们还在下一学期安排了操作系统课程设计实验课程，要求学生能够综合运用本课程及相关课程知识解决实际问题，为将后来开发较大规模的软件奠定基础。在实验教学方法的设计上，我们将计算思维的观点引入到日常的实验教学中，要求学生带着问题去开始每一次的实验。在弄清楚实验要求和目的的基础上，积极寻找解决问题的方法，理顺思路，确定最终解决方案，然后着手开始上机验证，并详细记录验证过程中碰到的困难和问题以及相应的解决方法。最后，要求学生认真完成书面实验报告，并上交老师审阅。通过采用这种发现问题、分析问题、构建解决问题的模型并找出相应问题解决算法的思维方式来完成每一次的实验任务，能很好地提高学生上机的热情，较好地完成上机作业，并加深学生对理论知识的理解和感性认识。在考核方面，我们严格检查学生的实验设计报告，加大平时考勤及上机实验成绩在总评成绩中的比例。要求学生积极参加课堂讨论，按时完成实验作业，高质量完成实验报告，这样才能在最后的总评成绩中得到较高分数。
3 结束语
操作系统课程是计算机专业中非常重要的专业基础课，在整个计算机专业课程体系中起着承上启下的作用。由于该门课程所涉及的理论体系庞大且抽象，使得该门课程显得晦涩难懂。为此，本文提出将计算思维这种新的科学有效的思维方式应用到该门课程的实际教学过程中，通过有效地组织理论教学内容，有层次地设计实验教学内容，严格考核，可以起到激发学生学习积极性，提高学生实践和创新能力，改善实际教学效果的作用。当然，教学是一个长期的不断实践的过程，这其中还有许多问题有待我们进一步努力解决。
