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1、基于“计算思维”能力培养的计算机操作系统课程教学改革 摘要：针对大学计算机操作系统课程的教学实际，分析计算机操作系统课程内容和计算思维的内在关系。从理论教学环节、实践教学内容和考核评价模式3方面着手，阐述将计算思维能力贯穿于计算机操作系统课程中的可行性，为深化课堂教学改革提供了新的思路。由近年来学生的考核成绩可知，基于“计算思维”能力培养的“操作系统”课程教学改革取得了良好的教学效果。 基金项目：山西省高校科技创新项目（2013150）；国家教育部计算机课程改革项目（2-4）；忻州师范学院教学改革研究项目（2012） 0引言 计算机操作系统是计算机相关专业开设的一门专业核心课程，涉及较多硬件和
2、软件知识，在计算机软、硬件课程设置上，起着承上启下的作用，其特点是概念多、较抽象、涉及的知识面广。通过教学，可以使学生了解计算机操作系统的发展特点，理解操作系统的基本概念、组成和各部分的功能，掌握计算机操作系统设计的基本原理和方法，理解常见操作系统的结构原理并能熟练使用1。学习操作系统课程不仅为后续课程奠定基础，而且其课程内容中所提供的一些把科学理论应用于实践的范例，能够培养学生的知识应用能力，提高学生在知识经济时代中的适应能力，同时该课程在培养学生创新能力、提高学生科研素质方面具有重要作用。但目前由于教学方法陈旧、课程理论性强、实验设计不合理等原因，导致大部分学生对该课程不感兴趣。因此，改革
3、传统的教学方法，使用现代教学思维理念进行计算机操作系统课程教学成为必然。 2006年，美国卡内基?梅隆大学的周以真教授提出了“计算思维”的概念，它是一种新的思维方式，要求用计算机科学的基本概念去解决问题、系统设计并理解人类的行为，是目前自然科学领域三大科学思维方式（计算思维、理论思维和实验思维）之一24。目前，普通高校的人才培养模式已向培养创新意识和创新能力的应用型人才转变，计算思维正是实现这一培养目标的重要手段。学会计算思维，是计算机科学创新的需要5。计算思维倡导抽象与分解、关注分离、启发推理、协调同步、并行处理等，这与操作系统课程中讲授的并发、虚拟、分时、同步、独立性等内容极其相似。因此，
4、改革传统的操作系统课程教学方法，将计算思维理念引入课堂教学，会大大降低教学难度，提高学生的学习主动性，让学生深层次地掌握操作系统的核心原理与设计精髓，同时学会运用相关原理和方法解决实际问题。 本文针对该课程在教学过程中面临的困境，提出了基于“计算思维”能力培养的计算机操作系统课程教学改革研究。从教学的各个环节进行改革，授课注重问题引导，加强实验环节训练，重点培养学生的计算思维能力，提升学生专业素养。 1着眼理论教学环节，提炼计算思维知识点 计算机操作系统是高校计算机相关专业开设的专业核心课程，让学生较全面系统地掌握计算机操作系统设计的原理与精髓，为后继硬软件课程的开设作好铺垫。图1给出了课程的
5、教学内容。它作为一门核心计算机专业必修课，为学生使用计算机解决实际问题奠定基础。通过该课程的学习，培养学生的抽象思维能力和问题解决能力，这正是计算思维能力培养的核心。培养学生的计算思维能力，关键是抽象和自动化。具体来讲，对于计算机专业的学生，就是要求其能够构建各种计算环境，求解基于构建环境的实际问题。 图1操作系统课程教学内容 上述教学内容表面看起来相互独立、理论性强，很难培养学生解决实际问题的能力。但计算思维为教师提供了重新定位操作系统课程理论教学内容的视角。图2是对各部分教学内容加以提炼所形成的计算思维理念的知识点。 图2教学内容中体现计算思维的知识点 从图2可以看出，在操作系统课程的各部
6、分教学内容中，都有体现计算思维理念的知识点。这就要求教师在授课过程中，把握该课程各章节之间的关系，讲授清楚各部分内容的具体应用，培养学生利用课程教学内容构建问题解决模型的能力，从而使抽象的内容形象化，让学生会更容易理解和接受，也符合计算思维能力培养的要求。 2抓好实践环节，训练计算思维 实践教学是培养学生创新能力的重要环节，是课堂理论讲授的实际应用。操作系统课程实验要求学生应用所学知识建立实际问题的数学模型，培养学生的数学建模能力、算法设计能力、程序编写能力和应用创新能力，使学生具备良好的软硬件开发能力。因此，在该课程的实践环节，应注重培养学生的计算思维能力。 2.1实验内容 针对操作系统课程
7、理论教学内容，结合地方高校的教学实际，根据培养学生面向计算思维解决实际问题能力的需要，设计了10个实验题目，全部为必做实验，分为虚拟仿真实验和综合设计实验两种，实验题目如表1所示。其中，虚拟仿真实验通过提供仿真平台，让学生更好地理解计算机操作系统的工作机理，例如，进程控制与通信、I/O控制方式等就是仿真实验部分。综合设计实验是通过实验来解决一个感兴趣的问题，激发学生的好奇心，培养其科学研究能力，要求学生应用讲授的知识点，自己动手上机解决实际问题，自行设计问题描述模型和实验方案，例如，进程同步、调度算法、死锁的避免与检测、存储器的分配与回收、页面置换算法与磁盘调度等都为综合设计实验。 表1实验设
8、计 实验题目 实验手段 实验题目 实验手段进程控制操作 虚拟仿真 死锁的处理 综合设计进程通信机制 虚拟仿真 存储器分区 综合设计调度算法 综合设计 页面置换算法 综合设计进程同步应用 综合设计 设备驱动策略 虚拟仿真进程互斥应用 综合设计 文件管理操作 虚拟仿真2.2实验方法 实验方法选择是培养学生计算思维能力的关键环节。对于虚拟仿真实验，主要是为了让学生更好地掌握计算机操作系统的工作机理，因此使用Flash软件开发平台进行虚拟动画演示，学生也可虚拟操作；对于综合设计实验，主要培养学生解决实际问题的能力，使用快速算法原型工具Raptor进行建模编程。Raptor是一个基于流程图的可视化编程环
9、境，专门用于解决非可视化环境的句法困难和缺点，允许用户用连接基本流程图符号来创建算法，然后在其环境下调试和运行算法，也可将算法直接转换为C+、C#、Java等高级程序设计语言。在实验过程中，注重算法模型的建立，将其转化为流程图来执行，略去编程的环节，这正是计算思维能力培养的真实体现，也可解决非计算机专业学生编写代码能力较低的问题。 例如，在处理死锁的基本方法部分，有使用银行家算法避免死锁的实验，要求学生能够根据现有进程的资源分配和需求情况，判断当有进程提出新的资源请求时，系统能否实施资源分配。图3给出了使用Raptor软件解决上述问题的银行家算法流程图主体部分，图4是安全性算法流程图主体部分，
10、图5是该流程图在下列条件下的执行结果。有5个进程（P1,P2,P3,P4,P5）,其最大资源需求和已分配的资源如下式所示，系统中可利用资源数量为（3,3,2），现P2提出新的资源请求（1,0,2），根据流程图的执行结果，说明P2进程的资源请求可以得到满足。 Max=7 5 3 3 2 2 9 0 2 2 2 2 4 3 3Allocation=0 1 0 2 0 0 3 0 2 2 1 1 0 0 2 从图3和图4可以看出，使用Raptor软件设计解决问题的流程图，可以清晰地将学生解决问题的思路表达出来，而无需写繁琐的程序代码，极大地提高了学生学习计算机操作系统课程的兴趣。更重要的是，通过这种
11、方法，很好地培养了大学生的计算思维能力，开发了学生的创新潜能。 3更新考核模式，检验计算思维 考核评价是教学活动中不可或缺的重要环节，是检验教学效果的重要手段。随着操作系统课程理论教学和实践教学方法的改革，该课程的考核评价模式也应随之改革。根据面向计算思维能力的培养要求，必须打破传统的只侧重于考查学生对理论知识点掌握程度的考核评价模式，建立真正体现学生计算思维能力的考核评价模式。传统的考核评价方法是：学生成绩=平时成绩20%+理论考试成绩80%。改革之后，学生成绩=平时成绩10%+理论考试成绩40%+实验成绩50%。其中，实验成绩=虚拟仿真实验成绩30%+综合设计实验成绩70%。可以看出，改革
12、之后的考核评价模式增加了实验成绩，重点考核学生运用计算思维能力分析问题和解决问题的能力。表2是近几学年操作系统课程改革之前和改革之后笔者所在院系计算机科学与技术专业学生的平均考试成绩。 图3银行家算法流程图主体部分 图4安全性算法流程图主体部分图5执行结果 表2逐年考试成绩对比 学年（改革之前） 平均成绩（分） 学年（改革之后） 平均成绩（分）20072008 72.6 20112012 83.920082009 75.3 20122013 88.120092010 74.620102011 75.9从表2可以看出，在操作系统课程中贯穿计算思维能力的培养之后，学生的考核成绩明显提高。通过对两届
13、学生进行问卷调查发现，课程改革之后，学生的学习兴趣和动手实践能力都大幅度提高。而且在笔者所在院系近两年举行的程序设计大赛中，学生的创新能力也有显著提高。 4结语 在不断应用现代教育技术理念的教学改革潮流中，新的教学方阵正在形成，计算思维作为人类的三大思维方式之一，在人们的工作和学习中发挥着愈来愈重要的作用。以计算思维能力培养为目标，改革操作系统课程的各个环节，注重提高学生运用计算思维方式分析问题和解决问题的能力，从而进一步激发学生学习的主观能动性，取得良好的教学效果。实践表明，新的教学模式得到了学生的认可和欢迎。操作系统课程所传授的思想和方法，将广泛应用于计算机专业的其它专业课程中，这将为学生更好地学习计算机专业其它相关课程奠定坚实的基础。