操作系统教学中的计算思维能力培养
操作系统教学中的计算思维能力培
计算思维是指运用计算机科学的思想和方法来求解问题、设计系统和理解人类行为。
计算思维所关注的是将计算机学科解决问题的方式应用于其他学科和人们的日常生活中。
计算思维自从被周以真教授清晰而系统地提出后，如何培养学生的计算思维能力已经成为
教育界与众多学者关注的热点问题。计算思维是涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活
动。它与计算机和计算技术密切相关，系统化计算思维能力的培养可以贯穿在课程教学
中，计算机专业教育应该在计算思维能力培养方面做出表率。
1 新教学目标的确立
作为计算机系统中核心、复杂的系统软件，操作系统管理着计算机中的各种软件和硬
件资源，并在用户与计算机之间起到桥梁作用。国内外高校都本文由论文联盟 http:/
/收集整理将操作系统设置为计算机科学与技术、软件工程等专业的核心课
程。
在以往的教学模式中，计算思维的诸要素已经或多或少地渗透到操作系统课程的培养
方案和教学大纲中，但因计算思维的概念和培养目标不甚明朗，故执行的效果亦不甚理
想。因此在计算思维被明确提出后，计算思维能力的培养也应该随之具体化、清晰化，并
将其提升为操作系统课程教学中的一个新的教学目标。
2 计算思维能力的培养
计算思维的本质是抽象和自动化。计算思维对客观世界进行抽象化表述与研究，并将
这个过程用自动化方式实现出来。操作系统的设计原理在很多地方体现了这种抽象、启发
式推理、并行处理以及折中的思想。因此在课程教学中，教师应该引导学生体会其中的思
想，从而培养学生的计算思维能力。
抽象思维
抽象思维的本质是运用分析、判断、推理、比较等方式抽取事物本质或共性的思维。
对计算机系统资源的抽象，使用户不必了解下层实现细节。抽象模型层次越高，系统功能
就越强。例如，图 1所示为操作系统的抽象层次结构，是实现计算机的普适化方法，在
I/O设备上铺设 I/O管理软件。为了支持文件共享，保证信息安全，在 I/O管理软件之上
铺设文件管理软件。这两层软件分别隐藏了对 I/O设备和文件管理操作的具体细节。当在
文件管理软件层之上再铺设窗口管理软件后，用户可在窗口环境中方便地使用计算机。
操作系统课程教学中的抽象思维培养为引导并启发学生从原因、作用对象、作用范围
和结果等角度来分析进程调度、页面置换和磁盘调度三者的共性。经分析发现，它们都是
由进程的选择引起的。在进程争夺处理机时，引起进程调度；在进程发生切换时，引起页
面置换；在进程需要磁盘上的资源时，引起磁盘调度。
在教学过程中对教学内容进行分析并加以推理，寻找共性的学习方式，不仅有助于培
养学生的抽象思维能力，也有助于学生理解知识内容以掌握知识点之间的联系。
启发式推理思维
在操作系统课程教学中认真组织教学内容、分析管理对象和任务的特点、逐步提出合
理解决方法，可以培养学生的启发式推理思维。
在多道系统中，进程数目往往多于处理机数目，因此处理机就成为了进程竞争的主要
资源。在进程调度策略教学中，首先引入符合人类思维模式的先来先服务策略。该策略算
法简单，容易实现，但短进程的周转时间往往过长，导致系统吞吐量下降。针对先来先服
务策略的不足，引入短进程优先策略。该策略使进程平均周转时间减少，系统吞吐量增
加，但短进程优先策略没有考虑到进程任务的轻重缓急。按任务的工作特点设置进程的优
先级，级别高的进程优先使用处理机，即为高优先权调度算法。如果进程的任务紧急程
度、使用时间等接近，引入时间片轮转调度策略，让进程轮流在处理机上执行一个时间
片。
培养学生的启发式推理思维还可从相似情景人手。针对与处理机资源数目少于进程数
目类似的现实存在情景——银行柜台服务，采用启发式推理，接近现实情况。银行柜台有
限，在客户很多的情况下，可以采用先来先排队服务模式；有些客户办理的业务费时较
多，为了提高客户整体满意度，可为此类客户开设另一类服务窗口；有些客户经常办理金
额较大的业务，为照顾这类对银行效益影响大的群体，设置 VIP客户。
利用现实存在的情景实例进行启发式推理，有助于培养学生合理的启发式推理能力，
可以达到快速找到符合实际且合理的解决方法的目的。在进程运行时，若所访问信息不在
内存中，需将它们调入内存。如果内存无可用空间时，系统必须按照页面置换算法从内存
中调出一页。为了找到多任务共享的磁盘中的信息，需根据磁盘调度算法查找。操作系统
中页面置换算法、磁盘调度算法与进程调度算法的启发式推理思维举例见表 1。
并行处理思维
并行处理思维是一种最大化合理利用资源的思维。并发处理是并行处理思维的产物，
它的出现是不可避免的。
存储程序式计算机是以顺序计算为基础的计算机。为了充分利用计算机系统资源，要
在顺序计算为基础的计算机系统中引入并发处理。例如，在进程 A使用处理机进行计算
后，需要输入时，处理机处于闲置状态，I/O设备处于工作状态。此时可采用进程调度算
法使其他就绪进程 B使用处理机计算。I/O设备与处理机的关系见图 2。同一时刻，处理
机与 I/O设备都处于活动状态。当进程 B需要输入时，若进程 A就绪，调度就让进程 A占
用处理机继续计算。对同一个资源，在同一时刻，只有一个进程处于工作状态，见图 3。
并行思维可应用到人们的学习、生活、工作中。例如，工作中为提高效率，需要在最
短的时间内完成所有工作。当一个工作做到中途需要等待时，可先去做其他工作，直至这
个工作可继续执行。
折中思维
折中思维是指在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。
例如，微内核操作系统能有效地支持多处理机运行，故非常适用于分布式系统环境。如果
将操作系统的所有功能都加进内核却会导致模块性和扩展性变差。但如果把太多的功能移
出内核，作为用户线程提供，又会导致操作系统性能的下降。MINIX创始人 Andrew S，
Tanenbaum博士谈到，目前所谓的微内核操作系统实际上都是将性能的考虑和设计的优雅
性折中得到的产物。
折中思维是培养一种综合各种因素影响，最终达到最好效果的思维能力。在遇到二者
或多者不可兼得的情况时，应利用联想、发现，使用折中思维创造性的解决问题。操作系
统在设计时，参数选择、算法设计和使用的环境等都需要寻求折中点。观察世界上的著名
建筑也会发现，它们大都采用取众家之长的方式创造自己独一无二的风格，这是一种高水
平折中。学生在利用联想、发现培养得到的折中思维创造性解决问题的同时，会深刻理解
折中思维的内涵。
3 结语
计算思维的概念清晰化后，已在人们的科学研究、生产和学习中起到越来越明显的作
用。培养具有计算思维素养的现代化人才势在必行。在操作系统教学中，将培养计算思维
能力作为教学目标，既有利于系统地培养学生中的计算思维能力，又有利于学习、理解操
作系统的基本原理与方法
