操作系统原理的哲学思维及其在教学中的运用_一年级思维训练100题

　　【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
　　【中图分类号】G642 【文献标识码】 A 【文章编号】 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[1],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[2]。
　　*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: