《操作系统》的逻辑创新培养教学探讨

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　　摘要：现有的高校《操作系统》的教学主要以知识的传授为主线，教学过程忽视了对于创新性人才培养这一重要目标，导致学生在学习过程中难以主动思考知识之间的串联，学习效率低下。针对此教学瓶颈问题，以内存碎片主题为教学主题，以逻辑创新思维改革的教学切入点进行教案的具体分析，提出了一种普适化计算机课程教学的逻辑化知识串联讲解思路，通过巧妙构造知识的串联主线，提高了学生科学地思考问题能力。
　　关键词：逻辑创新教学;高校计算机;操作系统;内存碎片;知识串联
　　中图分类号：G642        文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）17-0146-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　1 概述
　　随着信息化技术的发展和需求，高校的计算机教育承担着为我国培养新时代创新性人才的艰巨任务[1]。专业领域人才的培养不仅需要学生具有扎实的专业技能，同时需要培养其发现问题解决问题的創新能力[2]。因此，高校计算机课程培养不仅要以传授学生知识为目标，而且要培养学生研究的兴趣，启发其科学思考的方法以及注重其创新能力的培养。高校教师如何根据课堂教授的主题，科学逻辑的组织知识之间的串联，并培养学生思考问题的能力，恰恰是整个教学环节的重点内容。
　　高校现有的《操作系统》课程的教学，对于知识的讲解主要围绕主题技术（例如，处理器，内存，设备和文件等）来展开[3]，忽视了推动技术发展的逻辑科学联系的讲解，难以培养学生的创新性思维[4]。例如以操作系统中内存的讲解为例，针对内存碎片的形成只能做到零散化的阐述，缺乏思考内存碎片形成机制与内存的使用方式之间的关联分析，导致学生难以主动对知识做一个逻辑化的串联，影响学生对问题的理解。针对此教学瓶颈问题，本文以内存碎片为主题讲解入手，提出了一种新的逻辑化知识串联讲解思路，即从系统分析内存碎片形成的机理入手，以构造推动技术发展的本质内涵为主线，科学地串联知识间的内在联系，通过存储方式的逻辑明暗三条主线启发学生思考，对教学的重难点问题进行透彻讲解。此讲解方式针对计算机专业的两个教学班进行了对比试验，相较于传统教学方式，采用逻辑创新思维为主线进行教学的班级，学生的学习积极性明显提高，课后对于问题的思考更加主动，能更好地适应我国目前高校教育对于创新性人才的培养需求。
　　2 教学思路
　　针对内存碎片的讲解，教学目标分为两个层次：在知识层面，通过教学使学生理解内存碎片的种类以及碎片产生的原因，并掌握四种解决内存碎片的方法，包括拼接技术、分页管理、分段管理、段页式管理，理解四种方法的各自特点。在能力层面，需要培养学生对碎片种类的分析辨别能力，并能根据其特点将内存分配方式做相应地调整。因此，教学的问题变成如何将两个教学层面做到有效地统一，而这一过程离不开对教学重点的把握和教学难点的剖析。
　　在内存碎片的教学过程中，教学的重点是解决内存碎片的方法，内存的高效化管理的技术。而教学的难点恰恰是内存碎片的分类，内部碎片和外部碎片是内存碎片中十分抽象的概念，在平常的教学中，学生十分容易混淆两者之间的区别，不知晓区分的方法。
　　在传统教学的过程中，内存碎片知识点的引入又难以调动学生对知识求知的积极性。因此，在主题的开始阶段，我们会从学生生活中常见的例子入手，例如，手机使用过程中经常会出现内存不足的问题，启发学生思考内存不足的原因，引出本节课的主题内存碎片，调动学生的求知欲。而具体内容的讲解又是通过概述，形成机理分析以及解决技术三个层次来进行提出问题、分析问题、解决问题的创新培养思路来串联知识的讲解体系。
　　1）内存碎片的概述教学。首先通过操作系统对于资源利用率的追求，引出多道程序在内存中运行的实际现况，提出对于内存空间的分配和回收。但由于程序的大小不一，导致在分配和回收的过程中会出现内存空余空间分布零散，引出内存碎片的定义。此问题式教学方式给学生接受该问题铺平道路。分析内存碎片的危害，并提出问题如何减少程序分配过程中产生的内存碎片？自然地引出内存碎片形成机理的剖析。
　　2）内存碎片的形成机理分析教学。首先由多道程序运行环境中各程序对自己的保护引出分区的概念。通过分区形式的分析，即固定式分区和动态式分区，引出内部碎片和外部碎片的含义，并从分配的归属性进行分析。内部碎片不能继续利用，对其解决的思路是希望能将其尽量变小。外部碎片并没有分配，可以被再次利用的，对其解决的思路是尽量消除。
　　因此，在了解了碎片形成的原因后，如何避免内存碎片的形成自然地引出解决的方法。
　　3）内存碎片的解决技术教学。此阶段的教学会采用逐层深入方式对四种内存分配方法进行有效的串联。
　　①提出提问，如何利用零散的外部碎片？并启发学生从传统作业存储的连续性要求分析，引导学生思考将其拼接起来以便再次利用，即引出拼接技术。并分析其耗时缺点引导学生思考拼接的时机。
　　②采用递进加启发式教学，引导学生思考分析引起碎片的根本性问题是作业的连续存放要求。改变其连续性存放，即引出离散存放方式的代表技术之一，页式存储管理[5]。通过介绍其特点“先等分内存，再分程序”以及块和页之间的映射关系，分析内存碎片的存在形式是最后一页存在内部碎片，但此种方式的缺点则是打乱了作业存放的逻辑性。
　　③采用渐进分析式教学，提出保存逻辑性的离散存放方式的代表技术，段式存储管理[6]。 通过其特点的介绍“先按逻辑分程序，再分内存”，分析内存碎片的存在形式是外部碎片，但缺点是大小不等，管理不便。
　　④采用渐进启发教学，综合分析页式存储管理和段式存储管理的优缺点，提出两者的综合方式，段页式存储管理[7]。 介绍其思想“程序分段，段内分页”，分析内存碎片的存在形式是每段中的最后一页可能存在内部碎片，并归纳四种内存分配方式的优缺点。 　　⑤在介绍完以上四种方式之后，启发学生思考如何提出一种更加高效的内存管理模式，即如何将以上四种技术有效的组合在一起。教师可以介绍一种程序自适应存储管理的方式思想。其与段页式存储管理相似，其原则仍然“程序分段，段内分页”。而与其不同的是，段内分页时以无内部碎片为前提，自适应选择内存零散空间，以对其最大化利用为目标，这样不同的段内页面大小就会不同;然后根据段内的分块对选择的内存零散空间进行划分利用，而程序和内存映射关系的建立和段页式存储管理相同。这种方式的优点是保证程序逻辑性的同时，无内部碎片，并且外部碎片也很小。而这一种管理模式是对以上方法的一个综合性优点的总结。
　　在整个主题教学的最后，针对手机内存的使用，给出参考文献[8]，不仅供学生继续思考，而且呼应整节课开头提出的手机内存不足的问题。前后呼应，形成一个闭环，供学生回味。
　　3 教学方法分析
　　1）传统的教学方法是将内存碎片的讲解和内存的管理方式割裂式教学，导致学生难以将两者进行一个逻辑上的串联，没有分析内存碎片的形成机理，导致学生难以区分内部碎片和外部碎片，一直是教学中的难点内容。而本文提出的新的串联思路中，强调了每种技术中对于内存碎片形成机理的教学，举一反三，强化了学生的理解。
　　2）在教学的过程中采用了一条明线和两条暗线来贯穿式教学。明线是内存碎片的分类，而一条暗线是连续和离散的存储方式，另一条暗线是程序的逻辑性保留。明暗两线交错式讲解将增加了知识间串联的逻辑，也让整个主题的教学更耐人寻味。
　　3）传统的教学是知识的直接讲解，缺少了对于问题的引入和呼应。本文提出的教学方法是从学生生活中常见的具体问题入手，降低学生对于知识接受的排斥性，增加了学生的求知欲，课程结束时参考文献的介绍，使知识的教学形成了一个闭环，前后呼应。
　　4）传统的教学将四种方法讲解之后，并没有将其有效的结合在一起进行分析，更没有启发学生思考设计的这个环节，因此难以加深学生对知识点的灵活应用。而本文的教学设计对于知识点的优劣点进行了分析，此外还增加了思考设计的环节，即一种自适应管理方式的思想，加深了学生对于知识的现学现用。
　　5）本文设计的教学思路中，强调了饮水思源的重要性，即对每一个推动内存碎片解决的技术，在讲解的过程中我们都会提出其代表性文章，加强对于学生科学素养的培养，也体现了对于科学的尊重。
　　4 结论
　　本文针对现有《操作系统》课程教学知识点零散的缺点，提出了一种逻辑化的知识串联讲解方法，即本文教学思路中内存碎片的教学是提出问题，形成机理分析教学是分析问题，解决方式技术教学是解决问题，并通过分析解决技术中的科学逻辑内涵串联知识。这种提升学生创新素养的科学性教学思路是培养学生科学研究的正确方向。
　　参考文献：
　　[1] 黄俊.探析高校计算机教育改革思路[J]. 当代教研论丛，2018（12）：16.
　　[2] 舒敏.“互联网+”时代高校计算机教学方式探讨[J]. 中国多媒体与网络教学学报，2019（2）：6-7.
　　[3] 李畅.提高《操作系统》教学质量的方法探讨[J]. 电脑知识与技术，2019，15（ 3）：172-173.
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　　[5] Collins， G.O. Experience in automatic storage allocation[J]. Communications of the ACM， 1961， 4（10） ：436-440.
　　[6] Randell， B. A note on storage fragmentation and program segmentation[J]. Communications of the ACM， 1969， 12（7） ：365-372.
　　[7] Fenton， J. S. and Payne， D. W. Dynamic storage allocation of arbitrary sized segments[C]. Proc. IFIP 74， Amsterdam， 1974：344-348.
　　[8] S.H. Kim， S. Kwon， J.S. Kim， Controlling physical memory fragmentation in mobile systems[J]. ACM Sigplan Notices， 2015， 50（11）：1-14.
　　【通聯编辑：王力】
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