《操作系統(tǒng)》的邏輯創(chuàng)新培養(yǎng)教學(xué)探討

劉華俊

摘要：現(xiàn)有的高校《操作系統(tǒng)》的教學(xué)主要以知識(shí)的傳授為主線，教學(xué)過(guò)程忽視了對(duì)于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)這一重要目標(biāo)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以主動(dòng)思考知識(shí)之間的串聯(lián)，學(xué)習(xí)效率低下。針對(duì)此教學(xué)瓶頸問(wèn)題，以內(nèi)存碎片主題為教學(xué)主題，以邏輯創(chuàng)新思維改革的教學(xué)切入點(diǎn)進(jìn)行教案的具體分析，提出了一種普適化計(jì)算機(jī)課程教學(xué)的邏輯化知識(shí)串聯(lián)講解思路，通過(guò)巧妙構(gòu)造知識(shí)的串聯(lián)主線，提高了學(xué)生科學(xué)地思考問(wèn)題能力。

關(guān)鍵詞：邏輯創(chuàng)新教學(xué);高校計(jì)算機(jī);操作系統(tǒng);內(nèi)存碎片;知識(shí)串聯(lián)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）17-0146-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 概述

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和需求，高校的計(jì)算機(jī)教育承擔(dān)著為我國(guó)培養(yǎng)新時(shí)代創(chuàng)新性人才的艱巨任務(wù)[1]。專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)不僅需要學(xué)生具有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)技能，同時(shí)需要培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力[2]。因此，高校計(jì)算機(jī)課程培養(yǎng)不僅要以傳授學(xué)生知識(shí)為目標(biāo)，而且要培養(yǎng)學(xué)生研究的興趣，啟發(fā)其科學(xué)思考的方法以及注重其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。高校教師如何根據(jù)課堂教授的主題，科學(xué)邏輯的組織知識(shí)之間的串聯(lián)，并培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題的能力，恰恰是整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容。

高校現(xiàn)有的《操作系統(tǒng)》課程的教學(xué)，對(duì)于知識(shí)的講解主要圍繞主題技術(shù)（例如，處理器，內(nèi)存，設(shè)備和文件等）來(lái)展開(kāi)[3]，忽視了推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的邏輯科學(xué)聯(lián)系的講解，難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維[4]。例如以操作系統(tǒng)中內(nèi)存的講解為例，針對(duì)內(nèi)存碎片的形成只能做到零散化的闡述，缺乏思考內(nèi)存碎片形成機(jī)制與內(nèi)存的使用方式之間的關(guān)聯(lián)分析，導(dǎo)致學(xué)生難以主動(dòng)對(duì)知識(shí)做一個(gè)邏輯化的串聯(lián)，影響學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解。針對(duì)此教學(xué)瓶頸問(wèn)題，本文以內(nèi)存碎片為主題講解入手，提出了一種新的邏輯化知識(shí)串聯(lián)講解思路，即從系統(tǒng)分析內(nèi)存碎片形成的機(jī)理入手，以構(gòu)造推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)內(nèi)涵為主線，科學(xué)地串聯(lián)知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)存儲(chǔ)方式的邏輯明暗三條主線啟發(fā)學(xué)生思考，對(duì)教學(xué)的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行透徹講解。此講解方式針對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的兩個(gè)教學(xué)班進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式，采用邏輯創(chuàng)新思維為主線進(jìn)行教學(xué)的班級(jí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，課后對(duì)于問(wèn)題的思考更加主動(dòng)，能更好地適應(yīng)我國(guó)目前高校教育對(duì)于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)需求。

2 教學(xué)思路

針對(duì)內(nèi)存碎片的講解，教學(xué)目標(biāo)分為兩個(gè)層次：在知識(shí)層面，通過(guò)教學(xué)使學(xué)生理解內(nèi)存碎片的種類(lèi)以及碎片產(chǎn)生的原因，并掌握四種解決內(nèi)存碎片的方法，包括拼接技術(shù)、分頁(yè)管理、分段管理、段頁(yè)式管理，理解四種方法的各自特點(diǎn)。在能力層面，需要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)碎片種類(lèi)的分析辨別能力，并能根據(jù)其特點(diǎn)將內(nèi)存分配方式做相應(yīng)地調(diào)整。因此，教學(xué)的問(wèn)題變成如何將兩個(gè)教學(xué)層面做到有效地統(tǒng)一，而這一過(guò)程離不開(kāi)對(duì)教學(xué)重點(diǎn)的把握和教學(xué)難點(diǎn)的剖析。

在內(nèi)存碎片的教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)的重點(diǎn)是解決內(nèi)存碎片的方法，內(nèi)存的高效化管理的技術(shù)。而教學(xué)的難點(diǎn)恰恰是內(nèi)存碎片的分類(lèi)，內(nèi)部碎片和外部碎片是內(nèi)存碎片中十分抽象的概念，在平常的教學(xué)中，學(xué)生十分容易混淆兩者之間的區(qū)別，不知曉區(qū)分的方法。

在傳統(tǒng)教學(xué)的過(guò)程中，內(nèi)存碎片知識(shí)點(diǎn)的引入又難以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)知識(shí)求知的積極性。因此，在主題的開(kāi)始階段，我們會(huì)從學(xué)生生活中常見(jiàn)的例子入手，例如，手機(jī)使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足的問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考內(nèi)存不足的原因，引出本節(jié)課的主題內(nèi)存碎片，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲。而具體內(nèi)容的講解又是通過(guò)概述，形成機(jī)理分析以及解決技術(shù)三個(gè)層次來(lái)進(jìn)行提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的創(chuàng)新培養(yǎng)思路來(lái)串聯(lián)知識(shí)的講解體系。

1）內(nèi)存碎片的概述教學(xué)。首先通過(guò)操作系統(tǒng)對(duì)于資源利用率的追求，引出多道程序在內(nèi)存中運(yùn)行的實(shí)際現(xiàn)況，提出對(duì)于內(nèi)存空間的分配和回收。但由于程序的大小不一，導(dǎo)致在分配和回收的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存空余空間分布零散，引出內(nèi)存碎片的定義。此問(wèn)題式教學(xué)方式給學(xué)生接受該問(wèn)題鋪平道路。分析內(nèi)存碎片的危害，并提出問(wèn)題如何減少程序分配過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)存碎片？自然地引出內(nèi)存碎片形成機(jī)理的剖析。

2）內(nèi)存碎片的形成機(jī)理分析教學(xué)。首先由多道程序運(yùn)行環(huán)境中各程序?qū)ψ约旱谋Ｗo(hù)引出分區(qū)的概念。通過(guò)分區(qū)形式的分析，即固定式分區(qū)和動(dòng)態(tài)式分區(qū)，引出內(nèi)部碎片和外部碎片的含義，并從分配的歸屬性進(jìn)行分析。內(nèi)部碎片不能繼續(xù)利用，對(duì)其解決的思路是希望能將其盡量變小。外部碎片并沒(méi)有分配，可以被再次利用的，對(duì)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(nèi)存碎片的形成自然地引出解決的方法。

3）內(nèi)存碎片的解決技術(shù)教學(xué)。此階段的教學(xué)會(huì)采用逐層深入方式對(duì)四種內(nèi)存分配方法進(jìn)行有效的串聯(lián)。

①提出提問(wèn)，如何利用零散的外部碎片？并啟發(fā)學(xué)生從傳統(tǒng)作業(yè)存儲(chǔ)的連續(xù)性要求分析，引導(dǎo)學(xué)生思考將其拼接起來(lái)以便再次利用，即引出拼接技術(shù)。并分析其耗時(shí)缺點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生思考拼接的時(shí)機(jī)。

②采用遞進(jìn)加啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思考分析引起碎片的根本性問(wèn)題是作業(yè)的連續(xù)存放要求。改變其連續(xù)性存放，即引出離散存放方式的代表技術(shù)之一，頁(yè)式存儲(chǔ)管理[5]。通過(guò)介紹其特點(diǎn)“先等分內(nèi)存，再分程序”以及塊和頁(yè)之間的映射關(guān)系，分析內(nèi)存碎片的存在形式是最后一頁(yè)存在內(nèi)部碎片，但此種方式的缺點(diǎn)則是打亂了作業(yè)存放的邏輯性。

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

④采用漸進(jìn)啟發(fā)教學(xué)，綜合分析頁(yè)式存儲(chǔ)管理和段式存儲(chǔ)管理的優(yōu)缺點(diǎn)，提出兩者的綜合方式，段頁(yè)式存儲(chǔ)管理[7]。 介紹其思想“程序分段，段內(nèi)分頁(yè)”，分析內(nèi)存碎片的存在形式是每段中的最后一頁(yè)可能存在內(nèi)部碎片，并歸納四種內(nèi)存分配方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

⑤在介紹完以上四種方式之后，啟發(fā)學(xué)生思考如何提出一種更加高效的內(nèi)存管理模式，即如何將以上四種技術(shù)有效的組合在一起。教師可以介紹一種程序自適應(yīng)存儲(chǔ)管理的方式思想。其與段頁(yè)式存儲(chǔ)管理相似，其原則仍然“程序分段，段內(nèi)分頁(yè)”。而與其不同的是，段內(nèi)分頁(yè)時(shí)以無(wú)內(nèi)部碎片為前提，自適應(yīng)選擇內(nèi)存零散空間，以對(duì)其最大化利用為目標(biāo)，這樣不同的段內(nèi)頁(yè)面大小就會(huì)不同;然后根據(jù)段內(nèi)的分塊對(duì)選擇的內(nèi)存零散空間進(jìn)行劃分利用，而程序和內(nèi)存映射關(guān)系的建立和段頁(yè)式存儲(chǔ)管理相同。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是保證程序邏輯性的同時(shí)，無(wú)內(nèi)部碎片，并且外部碎片也很小。而這一種管理模式是對(duì)以上方法的一個(gè)綜合性優(yōu)點(diǎn)的總結(jié)。

在整個(gè)主題教學(xué)的最后，針對(duì)手機(jī)內(nèi)存的使用，給出參考文獻(xiàn)[8]，不僅供學(xué)生繼續(xù)思考，而且呼應(yīng)整節(jié)課開(kāi)頭提出的手機(jī)內(nèi)存不足的問(wèn)題。前后呼應(yīng)，形成一個(gè)閉環(huán)，供學(xué)生回味。

3 教學(xué)方法分析

1）傳統(tǒng)的教學(xué)方法是將內(nèi)存碎片的講解和內(nèi)存的管理方式割裂式教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生難以將兩者進(jìn)行一個(gè)邏輯上的串聯(lián)，沒(méi)有分析內(nèi)存碎片的形成機(jī)理，導(dǎo)致學(xué)生難以區(qū)分內(nèi)部碎片和外部碎片，一直是教學(xué)中的難點(diǎn)內(nèi)容。而本文提出的新的串聯(lián)思路中，強(qiáng)調(diào)了每種技術(shù)中對(duì)于內(nèi)存碎片形成機(jī)理的教學(xué)，舉一反三，強(qiáng)化了學(xué)生的理解。

2）在教學(xué)的過(guò)程中采用了一條明線和兩條暗線來(lái)貫穿式教學(xué)。明線是內(nèi)存碎片的分類(lèi)，而一條暗線是連續(xù)和離散的存儲(chǔ)方式，另一條暗線是程序的邏輯性保留。明暗兩線交錯(cuò)式講解將增加了知識(shí)間串聯(lián)的邏輯，也讓整個(gè)主題的教學(xué)更耐人尋味。

3）傳統(tǒng)的教學(xué)是知識(shí)的直接講解，缺少了對(duì)于問(wèn)題的引入和呼應(yīng)。本文提出的教學(xué)方法是從學(xué)生生活中常見(jiàn)的具體問(wèn)題入手，降低學(xué)生對(duì)于知識(shí)接受的排斥性，增加了學(xué)生的求知欲，課程結(jié)束時(shí)參考文獻(xiàn)的介紹，使知識(shí)的教學(xué)形成了一個(gè)閉環(huán)，前后呼應(yīng)。

4）傳統(tǒng)的教學(xué)將四種方法講解之后，并沒(méi)有將其有效的結(jié)合在一起進(jìn)行分析，更沒(méi)有啟發(fā)學(xué)生思考設(shè)計(jì)的這個(gè)環(huán)節(jié)，因此難以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的靈活應(yīng)用。而本文的教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行了分析，此外還增加了思考設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，即一種自適應(yīng)管理方式的思想，加深了學(xué)生對(duì)于知識(shí)的現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用。

5）本文設(shè)計(jì)的教學(xué)思路中，強(qiáng)調(diào)了飲水思源的重要性，即對(duì)每一個(gè)推動(dòng)內(nèi)存碎片解決的技術(shù)，在講解的過(guò)程中我們都會(huì)提出其代表性文章，加強(qiáng)對(duì)于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，也體現(xiàn)了對(duì)于科學(xué)的尊重。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)零散的缺點(diǎn)，提出了一種邏輯化的知識(shí)串聯(lián)講解方法，即本文教學(xué)思路中內(nèi)存碎片的教學(xué)是提出問(wèn)題，形成機(jī)理分析教學(xué)是分析問(wèn)題，解決方式技術(shù)教學(xué)是解決問(wèn)題，并通過(guò)分析解決技術(shù)中的科學(xué)邏輯內(nèi)涵串聯(lián)知識(shí)。這種提升學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的科學(xué)性教學(xué)思路是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的正確方向。

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【通聯(lián)編輯：王力】