操作系统原理哲学思维与其在教学中运用查抄袭率

【摘要】结合操作系统课程本身概念原理较多、内容抽象难懂的特点及现有教学模式的不足,本文深入研究操作系统设计中若干哲学原理的体现,阐明操作系统作为人造学科其资源管理思想处处打下了人类管理思维模式的烙印,提出在课堂教学中正确运用哲学思维模式的几点实施建议。并结合上海市重点建设课程,提出在深入挖掘实际教学案例,实施研讨型互动教学模式方面的思考和实践。
【关键词】 操作系统哲学思维模式课程建设
1006-5962(2012)06(b)-0008-02
1课程现状
操作系统课程是计算2机科学与技术专业的一门重要的专业基础课程,是计算机系统中最重要的系统软件。该课程的特点是内容繁多,理论性强,概念、原理、算法比较抽象难懂,学生往往觉得看不见摸不着,影响了学习兴趣。再加上目前的授课模式普遍采用多媒体教学,这一方面使得知识的传递更加快捷,同时也带来了负面的影响,知识的交替太快,对于复杂难懂的概念、原理、算法,学生被动接受,极易造成接收脱节,直接影响了学生的学习积极性,最终导致学习效率、效果不佳。
操作系统是运行于计算机硬件之上的第一层软件,是控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程以及方便用户使用的程序集合。换句话说,操作系统是整个计算机资源的管理者,是计算机的灵魂;同时,操作系统是人开发的,其资源管理的思路必然会受到人类管理思维模式的影响,因此,操作系统中的许多重要的概念和技术及其发展历程都有着人类思维的烙印,因此,本文从生活哲学的角度来探讨操作系统课程的教学,通过联系生活的实际案例,从实际问题入手,深入浅出,注重启发式教学,激发学生学习兴趣,逐步引导学生自主学习,自我思考,真正掌握操作系统课程知识。
2操作系统原理中的哲学思维
计算机的功能和复杂性不断增加,操作系统所掌控的事情越来越多,越来越复杂,操作系统本身能够使用的资源也不断增多。作为计算机的管理者,操作系统的作用就是对计算机的各个组成部分进行管理,使计算机的使用更加便捷,运作更加有序。操作系统的管理思想是人类的管理智慧在计算机资源管理中的体现,操作系统的设计中遵循了若干哲学思维,最重要的核心是不同的哲学思维模式导致了不同的操作系统设计与构造。
*层次架构
操作系统的功能分为多个模块,如处理器调度、内存管理、文件系统、输入输出管理,这些模块按层次分解。下面一层向上面一层提供功能,而上面一层只能对直接下属进行控制。采用层次结构不仅使得操作系统的构造过程容易,也因为符合人类的行为习惯而更加易于理解,从而使操作系统的结构清晰。
*螺旋发展
以内存管理为例,从段式管理、页式管理再到段页式管理的发展遵循着螺旋式发展这样的哲学原理,最初的段式管理,它存在着很难增长内存空间,不能运行大于物理内存的程序以及外部碎片问题;为了克服这些缺点,引入了页式管理模式,页式管理解决了上述问题但有带来的新的问题,共享不方便、页表尺寸太大,不同进程段的增长可能会发生碰撞;所以又引入了逻辑分段,解决了共享困难的问题,但逻辑分段又将分段的缺点引入,所以又出现了段页式管理模式,因此几种内存管理模式逐级递进,不断发展,适合人类思维的发展过程。
*没有绝对的对错
就像现实生活中很多事情没有对错之分,只有好与不好,适合的场合各异类似。操作系统本身也无对错之分。比如我们不能说Windows是对的,Unix是错的。我们只能说,Windows更容易使用,而Unix不太好使用而已。因此,在设计操作系统时,只要达到功能、效率、公平、正确的平衡即可。例如,操作系统进程调度策略有很多,而每种调度策略有其适用的场景,我们不能说“时间片轮转是对的,而优先级调度是错误的”,但每一种调度策略都有其适用的场合。
*保留余地
页表在分页内存管理中起着举足轻重的作用。内存管理单元(MMU)依赖页表进行一切与页面有关的管理活动,因此,页表除了提供虚拟页面到物理地址的映射这一根本功能外,还记录页面的其他相关信息,包括判断页面号是否在内存,页面是否受到保护,页面是否有非法空间等。除此之外,页表记录条通常还会有一个保留区,为以后有需要时增加信息,比如Windows操作系统的页表设计即预留了保留区。否则,一旦要对分页系统进行改善,记录一些额外的信息,就会受到限制。
*时空转换
以页表的实现为例。由于页表的尺寸通常太大,占用内存过多,便将页表分级,只保留一部分页表在内存,而其他部分放置于磁盘上。这样,页表所占空间大为减少,但付出的代价就是时间成本;从虚拟地址转换为物理地址需要经过多级转换,从而导致转换时间增加,而为了控制这种时间的增加,操作系统又使用了快表提升转换的速度,而快表付出的代价正是空间的增加。
*追求简单
现实生活的各个领域,人们都是尽量追求简单,使用越简单的产品往往越容易受到青睐,越简单的设计经常可靠性越高,越简单的流程才能效率越高。如在操作系统设计中,文件存储的方式有网状组织、树状组织、记录流、数据块流和字节流等各种选择,而现代操作系统选择的都是最简单的字节流。
3哲学思维在课程教学中的具体实施
操作系统的设计中体现了若干的生活哲学,操作系统的许多原理来源于生活,比如通过引入金鱼喂养的生活实例,来说明进程同步与锁的概念;用三个和尚挑水的问题来启发学生强化信号量的概念等。对于教师来讲,如何把这些哲学原理运用到课堂教学中,用这些哲学思维引导我们的教学组织活动,克服操作系统课程难教、学生难学的被动局面;用哲学的思维指导我们的教学行为、梳理我们的教学思路,从操作系统原

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理与生活哲学的相似性角度深入浅出启发学生主动思考,充分挖掘其思维潜能,激发其学习兴趣和学习主动性,是我们最终追求的目的[3],在课程教学中的具体实施可体现在以下几个方面:

3.1通过科研和教学研究,提高业务水平

作为教学的主导方,教师必须及时更新自己的知识,不断学习,提高业务水平。这也是教师构建自己教学方法,提高教学认识的重要途径。将科研与教学相结合,跟踪操作系统的前沿技术发展,参与高层次教学研讨会及相关课题研究,并把其中的新技术和好经验用于实践教学,即提高了教师的学术水平,也通过教学实践,逐步加深对教学认识、看法和理解,逐步积累起自己的教学经验,进而形成独特的教学认识和特点,提高业务水平。

3.2整合教学内容,突出系统性和完整性

操作系统课程的内容庞杂,概念原理众多,课程知识显得零乱,难以形成整体概念,学生感觉抽象难懂。如何组织课程内容,使其成为一个有机整体,是教师必须解决的问题。
在教学内容的选取方面,应尽量注重基础性、实质性和先进性。以现代操作系统的多用户、多任务运行特征为主线,将操作系统的内容组织成一个完整的逻辑整体。在这条主线下,有一条动态的进程活动线,还有一条静态的系统资源管理线。针对前者,围绕多进程运行所带来的问题,以及所产生的方法与机制展开讨论;对后者,则针对多用户、多任务对系统资源的竞争,展开操作系统资源管理策略与方法的论述。另外,在教学中还融入操作系统的新技术和新发展,如多核、分布式操作系统等。将科研和教学改革的新成果融入教学中,把庞杂的操作系统内容整合成一个逻辑清晰的整体。

3.3注重教学手段,阐明概念之间的联系与区别

在教学方法和手段上,仍然遵循先总体后局部的教学原则,先突出总体结构,再深入讲解细节。先介绍操作系统的总体结构知识,包括基本功能、组成结构、用户接口等,然后按照操作系统的各功能模块划分章节,每一局部章节的介绍都先突出它们在总体结构中的地位和作用,后续功能模块与前面功能结构的内在关联性,再展开讲解功能模块的核心概念和原理。
操作系统的每个功能模块都涉及若干概念和技术,这些看似零乱的概念和技术其实遵循着一条技术随需求变化不断改进并发展的主线,通过这样一条主线,可以把这些看似独立难懂的概念贯穿起来,便于理解并掌握主旨。比如进程同步手段,为了控制进程的穿插以保证进程按照一定的规则执行,避免临界区资源竞争从而保证其正确性和效率。首先想到第一种同步机制-锁,通过开锁和闭锁两个基本操作预防临界区资源竞争;但是在锁上的繁忙等待时间太长,影响了效率,为解决这个问题,引入了另一种同步机制-睡觉与叫醒,但睡觉与叫醒机制解决了效率问题又带来了死锁的可能;为解决这个问题,我们又想到了可以把信号积累起来预防死锁的策略-信号量机制。所以操作系统的各种概念并不是毫无联系的,而是一环扣一环,具有严密的连贯性。通过事物是相互联系的思维模式,阐明操作系统概念之间的区别与联系,便于学生把零散的知识串联起来,更易深入理解和准确掌握。

3.4注重启发式教学[4],建立联系生活实际的深入浅出讲解模式

注意运用课堂提问和小组讨论的互动式教学方式,以主题、问题为核心,引导学生进行自主式、探究式学习,突出学生在学习过程中的主体和主人地位,充分发挥学生的主观能动性,逐步掌握发现问题、分析问题、解决问题的能力;操作系统的许多原理来源于生活,如进程同步与生活中约会的类似性;缓冲区与超市的类似性;层次结构与人类上层建筑的类似性等。通过把这些人类生活中常见的机制引入到教学中进行类比分析,深入浅出,使枯燥的操作系统原理变得生动有趣,激发学生主动学习、积极思维,提高学生的学习兴趣。

3.5课堂充分调动学生的积极性和创造性

课堂组织是否科学合理直接影响学生学习的质量和效果。要充分调动学生的积极主动性,教师起着非常重要的作用。在课堂组织过程中,遵循学生认知的客观规则,以小组的形式组成小团队,通过提出问题-启发引导-课题讨论的形式让学生融入课题,激发学生学习兴趣,引导学生自主学习。操作系统涉及的知识面很宽,要顺利组织课堂教学,达到预期效果,要考虑以下几个方面的要求:
1)设计问题时要考虑知识点的可扩展性和必要性,对具备可扩展性的重要知识点深入扩展,使学生循序渐进、由浅入深地掌握这些知识点的精髓;比如,在内存管理部分,通过设计以下几个问题:(1)为什么引入虚拟存储？(2)如何解决基本存储的缺点？(3)如何判定所需页面已在内存？(4)操作系统如何将所需页面调入内存？(5)当内存已满时,如何选择移除页面来一步步启发学生掌握虚拟存储的实质及请求分页存储管理的实现原理。
2)思考如何运用合理方

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式引导学生主动学习,主动思考,小组讨论跟课程考核进行有机结合,使学生在一定压力下积极融入课程讨论。
3)及时向学生介绍操作系统最新科研动态,培养热衷于该领域研究的学生,使其具备基本的科研创新能力。
4)坚持自我教学反思,完善个人教学体系。
有效的教师必然是反思性的教师,有效的教学必然是反思性的教学。教师需要经常性的反思自己的教学实践,在实践中反思,在反思中实践,自觉地有意识地审视自己教学中存在的认识问题和实践不足,总结经验和教训,培养自己的自我发展与自主发展能力。通过对自己原有的教学观念进行梳理、总结和反思,分析其长处和不足,对个人的教学体系的持续发展有重要意义。
4结语
本文分析了人类的哲学思维模式在操作系统设计中的体现,阐明操作系统作为人造学科处处打下了人类思维的烙印,提出了在课堂教学中的几点实施意见。结合上海市重点课程建设项目,后续将继续研究与探讨操作系统哲学原理层面的课堂教学方法,深入挖掘更加生动有趣的生活案例,应用到操作系统原理课程的教学中,变枯燥为有趣;设计教学主题,进一步实践课堂讨论的研讨型教学互动模式,以期营造课堂上积极发表见解和争论的良好氛围,大大提高学生的学习兴趣,积极培养学生的自主学习能力和创新思维能力。
参考文献
王坤庆.教育哲学---一种哲学价值论视角的研究[M].武汉:华中师范大学出版社,200

6.61.

邹恒明.计算机的心智:操作系统之哲学原理[M].北京:机械工业出版社,2009.
[3] 叶俊民,等.“操作系统原理”理论与实践课教学研究[J],实验技术与管理,No.9,Vol.27,2010.
[4] 李景峰,刘伟,郝耀辉,周会娟.操作系统课程的启发式教学研究与探讨[J]. 计算机教育,No.8,2010.