《13015 计算机系统原理》第5章 程序的存储访问

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教案设计：《13015 计算机系统原理》第5章 程序的存储访问一、教学目标

• 知识目标：
  
  • 学生能够理解计算机存储系统的层次结构及其工作原理。
  • 学生能够掌握程序的存储访问过程，包括可执行文件的加载和执行机制。
  • 学生能够区分静态链接与动态链接的概念及其区别。
  • 学生能够理解并掌握虚拟存储器的概念、实现方式及其管理策略。
    
• 能力目标：
  

• 学生能够运用所学知识分析程序的存储访问过程，解决实际问题。
• 学生能够熟练使用调试工具观察程序的加载和执行过程，记录并分析关键信息。
• 学生能够编写简单的C/C++程序，理解并应用链接库的概念。
  

• 素质目标：
  

• 培养学生的逻辑思维能力和问题解决能力。
• 增强学生的实践动手能力和团队协作能力。
• 激发学生对计算机系统原理的兴趣和探究精神。
  

二、教学内容1. 存储系统的层次结构

• 介绍计算机存储系统的基本概念和层次结构，包括寄存器、高速缓存（Cache）、主存（RAM）、辅存（硬盘等）等。
• 分析各层次存储器的特点和作用，以及它们之间的数据传输方式和速度差异。
  

2. 程序的存储访问过程

• 阐述程序的执行流程，包括编译、链接、加载和执行等阶段。
• 详细介绍可执行文件的加载过程，包括操作系统如何读取可执行文件到内存、如何设置程序的初始执行环境等。
• 分析程序执行时如何访问内存中的数据，包括直接访问和间接访问两种方式。
  

3. 静态链接与动态链接

• 解释静态链接和动态链接的概念及其区别。
• 举例说明静态链接库和动态链接库在程序编译和运行时的作用和区别。
• 讨论静态链接和动态链接的优缺点，以及在实际开发中的应用场景。
  

4. 虚拟存储器

• 引入虚拟存储器的概念，解释其存在的必要性和作用。
• 介绍虚拟存储器的实现方式，包括分页存储管理和段式存储管理等。
• 分析虚拟地址到物理地址的转换过程，包括页表、段表等数据结构的作用和原理。
• 讨论虚拟存储器的管理策略，如页面置换算法、缺页中断处理等。
  

三、教学方法

• 讲授法：通过教师讲解和演示，使学生掌握基本概念和理论知识。
• 讨论法：组织学生进行小组讨论，鼓励学生发表自己的观点和见解，促进思维碰撞和知识共享。
• 实验法：安排学生进行实践操作，使用调试工具观察程序的加载和执行过程，加深对理论知识的理解和掌握。
• 案例教学法：选取典型的案例进行分析和讨论，帮助学生将理论知识应用于实际问题的解决中。
  

四、教学步骤1. 导入新课（5分钟）

• 通过一个实际问题或现象引出本章的学习内容，如“为什么大型程序能够在内存有限的计算机上运行？”等。
• 简要介绍本章的学习目标和重点难点，激发学生的学习兴趣和探究欲望。
  

2. 讲授新知（40分钟）

• 存储系统的层次结构（10分钟）：
  

• 介绍存储系统的基本概念和层次结构。
• 分析各层次存储器的特点和作用。
  

• 程序的存储访问过程（15分钟）：
  

• 阐述程序的执行流程。
• 详细介绍可执行文件的加载过程。
• 分析程序执行时如何访问内存中的数据。
  

• 静态链接与动态链接（10分钟）：
  

• 解释静态链接和动态链接的概念及其区别。
• 举例说明静态链接库和动态链接库的作用和区别。
• 讨论静态链接和动态链接的优缺点。
  

• 虚拟存储器（5分钟）：
  

• 引入虚拟存储器的概念。
• 简要介绍虚拟存储器的实现方式和管理策略。
  

3. 实践操作（30分钟）

• 分组实验：将学生分成若干小组，每组分配一台计算机和相应的调试工具。
• 实验任务：编写一个简单的C/C++程序，包含多个源文件和一个静态或动态链接库。通过编译和链接生成可执行文件，并使用调试工具观察其加载和执行过程。
• 实验指导：教师巡回指导，解答学生在实践过程中遇到的问题和困惑。
  

4. 讨论与总结（20分钟）

• 小组讨论：学生分组讨论实践操作中遇到的问题、解决方案及收获。
• 全班总结：教师引导学生总结本章学习的重点内容，包括存储系统的层次结构、程序的存储访问过程、静态链接与动态链接的区别以及虚拟存储器的概念等。
• 答疑解惑：教师解答学生在讨论与总结环节中提出的疑问，澄清可能存在的误解。
  

5. 拓展与深化（15分钟）

• 深入讨论：选取一个与本章内容紧密相关的前沿话题或技术进行深入讨论，如现代操作系统中的内存管理技术、虚拟内存与物理内存之间的优化策略、以及云计算和虚拟化技术中的存储访问优化等。
• 案例分析：通过具体案例分析，展示这些技术在实际应用中的效果和挑战，帮助学生理解理论知识如何应用于解决实际问题。
  

6. 布置作业（5分钟）

• 书面作业：
  

• 要求学生撰写一篇短文，总结本章学习的内容，包括存储系统的层次结构、程序的存储访问过程、静态链接与动态链接的区别、以及虚拟存储器的概念和管理策略等。短文应包含个人对知识点的理解和体会，以及在实际应用中的思考。
• 布置几道思考题，如“分析不同页面置换算法对程序执行效率的影响”、“探讨动态链接库在大型软件开发中的优势与挑战”等，要求学生结合所学知识进行回答。
  

• 实践作业：
  
  • 要求学生编写一个包含多个模块和动态链接库的C/C++程序，通过调试工具观察并记录程序的加载和执行过程，分析并解释观察到的现象。同时，要求学生尝试修改链接方式（静态链接或动态链接），观察并比较不同链接方式下程序的执行效率和资源占用情况。
    

五、教学评估1. 课堂表现评估

• 观察学生在课堂上的参与度，包括听讲、提问、讨论等环节的表现。评估学生是否积极参与课堂活动，是否能够主动思考和表达观点。
• 通过课堂小测验或即时问答，检查学生对知识点的掌握情况，及时发现并解决学生的学习问题。
  

2. 实践操作评估

• 检查学生提交的实践操作结果，包括编写的程序、调试记录和分析报告等。评估学生的实践动手能力和问题解决能力，看其是否能够独立完成任务并准确分析现象。
• 评估学生在实践操作中的创新性和探索精神，鼓励学生尝试新的方法和思路。
  

3. 书面作业评估

• 批改学生提交的书面作业，包括短文和思考题答案。评估学生对知识点的掌握程度、理解深度和表达能力，看其是否能够准确、清晰地阐述所学内容。
• 关注学生在作业中展现的独立思考和批判性思维能力，鼓励学生提出自己的观点和见解。
  

4. 自我评价与同伴评价

• 鼓励学生进行自我评价，反思自己在学习过程中的表现和不足，明确改进方向。
• 组织学生进行同伴评价，通过互评促进相互学习和交流，提高评价的客观性和全面性。同伴评价可以包括学习态度、团队协作能力、创新思维等方面的评价。
  

通过以上教学评估环节，教师可以全面了解学生的学习情况，及时调整教学策略和方法，确保教学质量和效果。同时，学生也能够通过评估反馈了解自己的学习成果和不足之处，有针对性地进行改进和提高。