基于计算思维的操作系统课程建设

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摘 要：计算思维是当前广为关注的一个重要概念,如何在计算思维启发下更好地调整教学思路是亟须考虑的问题.文章针对操作系统课程教学,从教学团队、教学内容、教材等方面提出一些思考和建议.

关 键 词：计算思维；计算机教学；课程建设

操作系统课程是计算机专业重要的核心基础课程,是计算机科学与技术人才素质框架的脊梁骨,在计算机专业课程体系中处于承上启下的重要地位.操作系统作为配置在裸机上的第一层软件,其功能实现不仅体现软件技术的最新发展,还体现计算机硬件和体系结构的最新成果.

1教学中存在的主要问题

操作系统课程的理论性和实践性都较强,概念多且抽象,涉及的知识面广,系统实现的思想和技术难于理解,实践环节难于操作,给实际教学活动带来诸多困难.该门课程的教学很难在课堂中得到良好的协调是普遍共识,其中存在的问题有以下几个方面.

1）孤立地讨论该课程,忽略与前导、后续课程的有机联系.

没有与程序设计、数据结构与算法等前导课程,Linux操作系统与程序设计、软件工程等后续课程相互联系.在具体教学过程中由于学时、学识等的限制,教师总是会割裂这些课程之间的联系,从而令操作系统的学习变得索然寡味.

2）理论与实践脱节.

由于操作系统课程内容庞杂,教师在教学中往往把主要精力用于理论讲解,忽略培养学生的动手实践能力,甚至存在“反正学生以后也不会去做操作系统,只要了解基本原理即可”的想法,结果导致课程抽象且枯燥,学生缺乏动力,被动学习.很多学生都没有分析和动手编写操作系统源码的经验,也没有看过操作系统进程之间的通信、内存的分配与回收等过程,认为只要完成相关课后习题和通过最后的考试,这门课程就成了“过去式”,这全然失去了学习该课程的意义.

3）操作系统内核的发展使得分析愈发困难.

操作系统发展迅速、规模巨大,用“覆压三百余里,隔离天日”形容似乎也不为过；其关系错综复杂,叫“廊腰缦画,檐牙高啄；各抱地势,钩心斗角”也非言过其实.这在客观上也增加了分析内核的困难,让人望而生畏,教师在实际教学过程尤其是实践教学中确实难以把握.

基于以上分析可以看出,操作系统教学需要一种更科学有效的教学体系和方法,以便充分调动学生自主学习的积极性,提高动手实践和创新能力；而计算思维的出现为我们提供了一条新的思路.计算思维（putationalthinking）是卡内基·梅隆大学周以真教授在于2006年3月在CommunicationsoftheACM上发表并定义的.她认为计算思维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；计算思维的本质是抽象和自动化.如同所有人都具备读、写、算能力一样,计算思维是每个人都必须具备的思维能力,而不仅仅属于计算机科学家.

2基于计算思维的教学实践

思维貌似神秘之物,看不见、摸不着,但它却是实实在在、有特点、有品质的普遍心理现象.只要我们在实际教学活动中持之以恒地坚持进行有目的、有计划的训练,就有可能帮助学生培养这一思维能力.基于这种考虑并借鉴其他高校操作系统课程建设的成功经验,我们开展了相关教学探索.

2.1成立相关课程教学团队

在前期我们有数据结构等课程组的建设经验,这为我们成立操作系统教学团队提供了极大帮助.教学团队全部由战斗在教学和科研一线的计算机专业课程教师组成,既有教学、科研经验丰富的教授、副教授,又有精力充沛、思维活跃的年轻讲师.师资队伍职称比例合理,且全部具有硕士及以上学位.我们认为团队的发展重在建设,而师资队伍建设则是重中之重.我们的目标是打造一支“科研有方向、学术有专攻、可持续发展能力强”的高水平团队,为此我们努力创造条件,通过“外引内培”,多渠道加强师资队伍建设.该团队建立了“青年教师培养教学、科研双导师制度”,将老教师的“传帮带”和青年教师勇于创新的特点有机结合起来；积极争取和创造条件,鼓励教师通过攻读博士学位,参加学术会议、访学进修和团队内定期研讨会等各种途径,不断提高团队教师的业务能力.

近3年来,我们引进博士一名；一位教师作为骨干教师由省教育厅资助做国内访问学者进修；一位教师在职攻读博士学位；一位教师远赴加拿大攻读博士学位；一位教师被评为山东省优秀员；一位教师被评为专业学科带头人.同时,团队所有成员都有自己主持的科研或教研课题,发表过相关论文,将“以科研促教学”当成团队共同的目标.

教学团队负责顶层设计,对于整个课程体系及教学内容的编排等问题,集思广益并进行讨论,以尽可能听到每个人的意见.在具体的授课过程中,我们强调“八仙过海、各显神通”,教师不必拘泥于某种固定模式,可大胆将自己的科研课题或体会融入到教学中,“和而不同”才能使整个团队保持活力.

2.2组织教学内容

操作系统作为计算机系统中最核心的系统软件,其发展是一日千里,因此相应教学内容的组织也要与时俱进.在教学内容的设计中,我们坚持一个原则：紧紧围绕操作系统的5大基本功能（处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、操作系统与用户接口）展开,在有限的学时内注意基础性和先进性相结合,重在引导,强调学生在课堂中的“主体”地位,培养学生的自主学习能力.

以汤小丹等老师编著的《计算机操作系统》（第三版）为例,我们将讲授的重点放在操作系统基本功能上,例如：经典进程同步问题的理解和扩展、处理机调度算法、死锁处理中的银行家算法、存储管理中的置换算法等.对于学生可“望文知意”的内容以及网络操作系统和系统安全性等章节,由于与计算机网络、信息安全等课程相关内容重复,则略去不讲,以学生课下自学为主.

同时,我们还适时补充一些“新鲜血液”：现在多核处理器已大行其道,我们就会讨论多核或众核操作系统,讨论多核环境下的处理机调度算法；云计算热炒多时,我们也会讨论云操作系统；在文件系统的学习中,我何会讨论分布式文件系统,如GFS（GoogleFileSystem）、MapReduce及BigTable等；针对现在手机、信息家电等智能化设备的普及现象,我们会讨论嵌入式操作系统；另外,考虑到操作系统很重要,关乎国家信息化建设的安全,我们还会讨论国产操作系统的发展等.这样,我们在教学内容上注意经典与现代相结合,既能满足一般学生的学习需要,又能为学有余力的学生提供发挥空间.2.3精选教材,开展双语教学

双语教学的开展是为了培养学生了解、跟踪前沿热点和知识的能力,提高学生的英语阅读和综合运用能力.我们选择的英文教材是由WilliamStallings博士所著,PrenticeHall出版的操作系统经典教材OperatingSystem：InternalsandDesignPrinciples.在双语教学的实施过程中,我们强调教师应努力营造一个“用英语而不是学英语”的环境,注重培养学生应用英语表达专业技术的能力,但绝不能以降低专业课程的教学质量为代价换取形式上的双语教学.考虑到济宁医学院教师和学生的具体情况,我们在课堂教学中没有采用全英文讲述,而是采用中、英文混合的方式：采用英文讲解一般性知识点及专业词汇；以中文方式讲解比较复杂的核心算法；任选中文或英文方式为学生解答问题.

2.4组织课堂教学

在课堂教学的组织上,我们尝试开展研究性教学,积极倡导自主学习的教学模式,鼓励学生敢于质疑,注重学生创新能力的培养.在课堂上,我们鼓励学生不要拘泥于教师或教材提供的解决方案,而要积极大胆地提出不同想法；告诉学生只有“懒惰的大脑”,没有“愚蠢的问题”.另外,我们选取SOSP（ACMSymposiumonOperatingSystemsPrinciples）、OSDI（SymposiumonOperatingSystemDesignandImplementation）、HotOS（WorkshoponHotTopicsinOperatingSystems）等操作系统领域顶级会议中发表的部分论文,让学生课后分小组阅读讨论,然后在课堂上为大家作演讲,既分享自己的成果,又能在更大范围内展开讨论；或者由学生根据当前热点或自己的兴趣自拟题目进行演讲,大家集体讨论,共同经历一次头脑风暴.

不管是前述的双语教学还是尝试开展的研究性学习和自主学习模式,对于传统的教学方式来说都是不小的改变.学生刚开始会感觉很累,授课教师也会感觉工作量陡然增加,但我们认为相对于讲授几个机械的知识点,获取知识的能力和解决问题的思维能力更重要.我们希望给学生一个“火种”,由他们自己把它变成“熊熊火炬”.

2.5开展实验教学

实验教学的核心是培养学生实践与创新能力.对于操作系统实验的设计,我们借鉴其他课程组的经验,采用“多渠道、多层次”的模式.

首先,我们将操作系统实验、操作系统课程设计、Linux程序设计3门课程的实验整合,进行一体化建设,前后呼应,分层次设置题目难度,由浅入深；剔除一些验证性实验,增加Linux内核分析的比重.实验内容以能解决实际问题为佳,适时融入教师的相关课题内容.另外,我们在实验中还强调“honorcode”和“teamwork”,毕竟相对于技术能力的提高,心智的成熟也需要不断磨炼.

其次,“以赛代练”是我们的一个成功经验.我们积极组织学生参加ACM大赛、数学建模大赛、齐鲁软件大赛、挑战杯或其他各类比赛,学生可以在比赛中不断磨炼和提高动手实践及解决问题的能力.同时,我们还设立开放实验室,为学有余力的学生打造—个可以“搞研究”的实验基地.

第三,加强校企合作,“借鸡生蛋”从而实现“产学双赢”,是我们另外一条拓展实验教学的道路.为此,我们2013年还积极申报山东省高等学校省级卓越工程师教育培养计划试点专业,希望能够借此平台在深度和广度上不断深化实验教学.

最后,抓好毕业设计.毕业设计是学生对自己4年所学知识的集成和仿真,我们杜绝诸如一般管理信息系统的题目,要求毕业设计题目既要有难度,又要有强度（工作量的要求）.课题组教师要注意引导,可以通过将毕业设计和前期操作系统实验相结合凝练出好的题目,以此指导学生作出好的设计.这对于操作系统实验教学来说,也不失为一个好的渠道.

3结语

计算思维的提出为当前计算机教育提供了一个全新的“魔法卷轴”,但是把计算思维落实在&

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