基于场景比拟的存储器管理教学设计及应用

摘要：按照操作系统课程中存储器管理的教学要求，紧密结合相关知识点的教学特点，设计了一种基于场景比拟的教学方案，能够满足存储器管理教学过程中所涉及的一系列相关知识点的教学需要。场景比拟是将知识点比拟为现实中的场景，可以提升学习兴趣，降低知识陌生感，具有连贯、系统、易于理解的特点，对比传统的教学方式，可以有效降低教学和学习难度，对教学效果和学习效率的提升具有很好的促进作用。重点介绍了比拟场景设计原则、设计内容并详细阐述在教学过程中的应用。

关键词：计算机操作系统；存储器管理；场景比拟；教学方法；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）01-0155-04 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

计算机操作系统是计算机科学与技术、软件工程、网络工程等专业的核心课程。其教学内容和教学方式的改革是目前计算机高等教育研究的一个热点领域[1]，目前课程教学中存在学习内容抽象、教学模式单一、理论与实践结合不紧密等问题，导致学生存在畏难情绪、学习积极性不高等情况，传统教学方式的教学效果和学习效率并不理想，因此非常有必要引入比拟等教学技巧，给教学和学习过程带来积极的帮助[2]。存储器管理（即内存管理） 是操作系统的重要功能，也是课程教学的重点和难点，该部分内容抽象，不易理解，针对存储器管理教学内容，在长期教学实践过程中总结出一种基于场景比拟的教学案例，可以有效降低学习难度，提升学习积极性和学习效率，收到了良好的教学效果。

1 比拟场景

1.1 比拟场景设计

比拟场景的选择和设计需遵循三个原则：一是生活化，尽量选取日常生活中常见、易于理解的场景[3]；二是适应性，最大程度贴合内存管理及分配的基本规则；三是系统化，能够适用一系列相关的知识点教学需要，而不是仅仅针对孤立的知识点。总之通过场景比拟要变抽象为具体，使原理易于理解掌握，进而加强学生的自主学习能力培养[4]。

通过对日常事务的认真观察和筛选，以电影放映厅为基础设计比拟场景，将内存比拟为电影院的放映厅，将多个进程比拟为进入放映厅的多个班级。放映厅管理与内存管理的存在以下相似特点：一是放映厅连续的座椅编号，对应内存连续的物理地址；二是放映厅中以大小相同的座椅为单位进行分配，对应内存以字节为单位进行分配；三是班级成员的连续编号，对应进程逻辑地址。基于以上对应，可产生如表1所示的比拟关系。

1.2 比拟场景约定

为使得比拟场景设计更加贴合计算机内存分配管理要求及特点，对比拟场景进行以下约定：

1） 放映厅24小时不间断放映多部影片。

2） 以班级为单位进入放映厅观看电影，每人1个座位。班级可以中途进场观影，也可中途离开，也可连续观看多场电影。

3） 放映厅座椅连续编号，班级成员连续编号，所有编号均从0开始。

2 教学应用

计算机内存管理可大体分为两种模式：一是连续分配存储管理模式，主要有单一连续分配等方式；二是离散分配存储管理模式，主要有分页、分段、段页式3种方式。下面分别介绍这两种管理模式的场景比拟及教学应用，每个教学应用均从“教学内容概述”和“场景比拟讲解”两部分进行阐述。

2.1 连续分配存储管理模式教学应用

2.1.1 逻辑地址和物理地址

2.1.2 单一连续分配

2.1.3 固定分区分配

固定分区分配可以容纳多个班级同时进入放映厅观影，如图1所示。3个班级分别进入不同区域，对应在内存管理中就可以实现进程的并发执行，提升资源利用率和系统吞吐量。

固定分区分配方式存在以下问题：一是区域中存在座椅闲置现象，对应在内存管理中即为分区碎片，导致内存空间浪费；二是由于无法预知班级成员数量，因此无法设计最合理的座椅区域划分方案。座椅区域划分过大，可能导致区域内空闲座椅数量增加；同时导致座椅区域数量减少，能够容纳的班级数量减少。以上两种现象对应在内存管理中就是空间浪费增加和并发程度降低。座椅区域过小，虽然可以减少浪费，但可能导致某些人数多的班级无法进入放映厅，对应内存管理就是无法容纳大进程；三是可以将放映厅座椅划分为大小不同的区域，大量的小区域，适量的中等区域，少量的大区域，以适应不同班级需要。但是座椅区域的大小划分没有最合适的比例，并且仍然无法消除区域内座椅空闲问题。

2.1.4 动态分区分配

随着班级不断进入和离场，放映厅内可能会出现多个不连续的空闲座椅区域。如按照1班进入，2班进入，1班离场的顺序，放映厅就产生2个空闲座椅区域，如图2所示。

为实现空闲座椅区域的划分，放映厅需要维护一个表格，标明当前放映厅哪些座椅区域为空闲及座椅数量，并在班级进入及离场后及时更新，对应在内存管理中就是空闲分区表或空闲分区链等数据结构，如表6所示。在哪个空闲座椅区域为班级划分座椅，是由分配算法所决定的。

2.1.5 动态可重定位分区分配

随着班级不断进入和离开放映厅，会出现多个大小不同的空闲区域，此时可能会出现一个矛盾的现象：某班级（20人） 想要进入放映厅，没有任何一个空闲区域能够容纳20人，导致班级无法进入，但放映厅中多个区域的空闲座椅数量总和又超过20。“紧凑”操作就是将已进入放映厅人员向同一方向进行移动，将多个小空闲区域“凑成”一个大的空闲区域，以容纳更大的班级进入放映厅，如图3所示。虽然“紧凑”操作有一定的好处，但是需要看到“紧凑”操作代价比较大，放映厅中大量人员需要移动，需要消耗很多时间，因此频繁进行“紧凑”操作并不划算。

班级成员是按照编号顺序连续就座，班级成员的座椅编号可以通过“班级起始座椅号+班级内部编号”来确定。如图3所示，2班的座椅起始号码为20，那么2班的3号成员的座椅号码就为23（20+03） ；“紧凑”操作以后，2 班的起始座椅号码变成了08，那么2班3号成员的座位号就为11（08+03） 。因此班级只需要记录班级起始座椅号，并在位置移动后及时更新，就可以实现座椅编号的动态转换，对应内存管理就是动态地址变换。

2.2 分页存储管理方式

连续存储管理方式基于“连续”的分配原则，即班级成员坐在一起，座椅是连续的。但连续存储管理方式存在难以克服的缺点，比如随着进程不断进入和退出，会在内存中形成一些较小的空闲区域，难以利用，使用“紧凑”操作又会影响系统效率等。分页存储管理方式是基于“离散”原则的内存管理方式，允许将进程存储在内存中多个不连续的区域，工作方式较连续分配更加复杂，需要对比拟场景进行进一步调整。

2.2.1 比拟设计调整

将班级按固定人数分为多个班级分组，如10人一组，最后一组人数可不足10人。放映厅座椅按同样数量分为多个座椅分组，如图4所示。

多个班级分组安排到放映厅中多个不连续的座椅分组中，可产生如表8所示比拟关系。

2.2.2 存储空间分配

如班级有24人，编为3个组，组号为0-2，组内成员编号为0-9。按照分页存储管理方式，不需要在放映厅中寻找24个连续的座椅，只需要找到3个空闲座椅分组即可。如图5所示，0号班级分组分配2号座椅分组，1号班级分组分配6号座椅分组，2号班级分组分配1号座椅分组，并按照组内编号顺序就座。

2 号分组只有4人，导致1号座椅分组6个座椅空闲，对应内存管理中就是页内碎片。只有在最后一个班级分组才会产生座椅空闲，且空闲座椅数量一定小于10。2.2.3 地址结构

2.2.3 地址结构

2.2.4 页表

由于班级的各个分组分散地坐在放映厅多个不连续的区域，因此班级需要维护一张表，记录班级分组与放映厅座椅分组的对应关系，格式如表12所示，对应进程管理中的页表。

2.2.5 地址变换

通过班级内部编号，使用“座椅分组起始编号+座椅分组内序号”就能计算出座椅编号。

由于班级分组和座椅分组大小相同且按照分组内编号顺序就座，所以班级内部编号的第二部分，既是班组分组内序号也是座椅分组内序号。如班级编号18，是1号分组的8号成员，那么在座椅分组中也是8号座椅。

座椅分组连续编号且编号唯一，座椅分组大小相同，因此只要知道座椅分组号，就可以使用“座椅分组起始座椅编号=座椅分组编号*座椅分组大小”计算出座椅分组的起始座椅编号。班级分组编号对应的座椅分组编号可以查询页表得到。

以班级成员编号18号为例，首先，将成员编号按照地址结构分为两部分，班级分组编号为1，组内序号为8。查询表12可知1号班级分组坐在6号座椅分组，因此起始座椅编号为60（6×10） ；组内序号为8，说明该成员在座椅分组的序号为8，因此18号成员的座椅编号为68（60+8） 。

2.3 分段存储管理方式

分段存储管理方式与分页存储管理方式的主要区别在于段是一个信息的逻辑单位，具有特定的功能，段之间大小可以不同。因此可以约定班级要完成一个特定任务，根据任务需要，将班级成员按照任务分工划分多个功能分组，功能分组大小可以不同，并对比拟场景及教学应用进行一定调整，不再赘述。

3 场景比拟教学的特点

比喻、类比等教学方法已应用于操作系统教学，场景比拟教学与之相比具有以下特点和优点：一是更加完整，比拟场景涵盖范围较大，可以构成一个较为完整的教学情景，其中往往包含多个比喻和类比；二是更加系统，在比拟场景中可以将一系列知识点关联起来进行教学，知识点相互联系，教学前后呼应；三是应用范围更加广泛，除了存储器管理以外，还可以在文件系统管理、进程死锁、进程通信、虚拟设备等方面也可以设计应用案例，有助于提升课程整体教学效果。

4 优缺点分析

4.1 优点及应用分析

通过上述教学案例可以看出，场景比拟可以较好地模拟计算机操作系统管理的过程，是一种效果良好的教学方法，具有理论结合实际、便于理解等许多优点，除计算机操作系统外，在许多课程中都可以进行推广应用，并且可以基于场景比拟制作演示视频，设计虚拟仿真课程，进一步提升应用效果。需要注意的是，在案例设计和实践应用过程中，应当首先转变教学观念理念[5]，要以学生为中心，从便于学生思考和理解的角度进行设计和实施，才能取得满意效果；

4.2 局限性分析

场景比拟教学方法的应用仍然存在一定的局限性：一是并非所有课程、所有的知识都适合采用该方法，一个比拟场景也无法满足知识点的全部教学要求，如内存的对换、虚拟存储器等内容，使用上面设计的比拟场景就比较牵强，因此应针对不同的教学内容，在遵循设计原则的基础上探索设计新的比拟场景。如磁盘调度部分，就可以基于快递派发设计比拟场景[6]；二是比拟场景与教学内容只能是相似而不能完全一致，所以在学生理解比拟场景的教学知识点后，应尽快抛弃比拟场景，从知识点本身角度进行思考，而不能再从比拟场景的角度进行思考，以免产生理解误差。

5 结束语

本文对计算机操作系统课程教学中应用场景比拟教学方法进行了探讨，揭示这种教学方法的有效性，这种教学方法不仅提高了教学效率，还能有效提升学习效果和满意度。本文对计算机其他专业课程中应用场景比拟等新型教学方法提供了深入的见解和实际指导，具有较好的借鉴价值。

参考文献：

[1] 袁竞.OBE教学理念在操作系统课程中的应用研究[J].电脑知识与技术，2024，20（2）：178-180.

[2] 赵华，张金泉，樊建聪.多元化教学方法在操作系统教学中的应用[J].计算机教育，2013（15）：36-38.

[3] 熊晶，高峰，王爱民，等.计算机操作系统课程教学设计探讨[J].计算机教育，2011（11）：64-67.

[4] 刘艳君，宋丽丽.应用型本科院校《操作系统原理》课程教学探索[J].电脑知识与技术，2022，18（18）：134-135，150.

[5] 杨晓文，张元，熊风光，等.面向系统能力培养的操作系统课程教学改革实践探究[J].电脑知识与技术，2024，20（16）：159-162.

[6] 刁春娟，罗晓清.操作系统课程的多元化教学[J].计算机教育，2015（13）：103-105.

【通联编辑：王 力】

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“计算机专业课程思政教育实施路径研究”（项目编号：202002273048）