淺談新工科背景下地方高校操作系統(tǒng)課程改革建議

陶玉婷 方旭明 楊樂嬋 梁穎紅

【摘要】針對操作系統(tǒng)課程抽象難懂卻極其重要的現(xiàn)狀，并以新時(shí)代對人才能力素質(zhì)的新需求為出發(fā)點(diǎn)，本文提出了新工科背景下地方高校操作系統(tǒng)課程改革的四條建議，并做到與時(shí)俱進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】新工科 地方高校 操作系統(tǒng) 課程改革

【基金項(xiàng)目】2017年江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)課題（2017JSJG263）“面向工程教育認(rèn)證的螺旋改進(jìn)小規(guī)模課程群建設(shè)——以軟件工程專業(yè)基礎(chǔ)編程能力課程群為例”。

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）09-0240-02

一、新工科概述

2017年2月以來，教育部先后召開新工科的研討會(huì)，分別提出了“復(fù)旦公識(shí)”和“天大行動(dòng)”[1]。其中，“復(fù)旦公識(shí)”將高校分成工科優(yōu)勢型、綜合型和地方型，并建議根據(jù)高校自身類型特點(diǎn)和社會(huì)需求，分類指導(dǎo)，形成各自的辦學(xué)特色和教學(xué)模式。而“天大行動(dòng)”[2]緊密結(jié)合當(dāng)前世界范圍內(nèi)第四次工業(yè)革命，將重點(diǎn)致力于以下幾條改革行動(dòng)：1）以應(yīng)對變化、塑造未來為指引，提出新范式，即從過去的專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，并推動(dòng)創(chuàng)新；2）以產(chǎn)業(yè)需求為源點(diǎn)，孕育新專業(yè)，并提出構(gòu)建新的專業(yè)結(jié)構(gòu)體系；3）根據(jù)行業(yè)需求，更新教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的批判思維及終身學(xué)習(xí)的意識(shí)；4）增加師生間的互動(dòng)，更新教學(xué)方式和教學(xué)手段；5）鼓勵(lì)校企合作，并將教師的科研成果運(yùn)用到教學(xué)中，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展。

從高校的角度，新工科產(chǎn)生了如人工智能、云計(jì)算等新興專業(yè)，也包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造和傳統(tǒng)教育理念的更新；從社會(huì)的角度，新工科強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)運(yùn)而生的新產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和新服務(wù)體系，比如智能制造、混合現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等?？傊?，新工科不是對傳統(tǒng)工科的否定和擯棄，而是在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上，加入新元素，使其更加符合科學(xué)發(fā)展規(guī)律，并適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要[1]。

二、地方高校的特點(diǎn)

地方高校的自身特點(diǎn)是[3]：1）群體龐大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國普通高等院校共2596所，其中開設(shè)工科專業(yè)的院校高達(dá)90%，地方本科院校（含民辦）則達(dá)到90.8%；2）服務(wù)面向地方。即地方高校的職能是為地方的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn)；3）培養(yǎng)應(yīng)用型人才。應(yīng)用涵蓋工程、技術(shù)和技能，換言之，這類人才是在生產(chǎn)實(shí)踐中參與直接勞動(dòng)和工作。

三、操作系統(tǒng)的地位作用及其課程現(xiàn)狀論述

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最核心、最基礎(chǔ)的軟件，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)和管理技術(shù)的結(jié)合[4]。幾乎所有的高校都將其納為專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課，同時(shí)它也是一門理論和實(shí)驗(yàn)并重的主干課。可是，該課知識(shí)點(diǎn)繁雜、理論抽象、邏輯性強(qiáng)，導(dǎo)致了實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生難學(xué)，老師難教的普遍現(xiàn)象[4-5]。本文將站在新工科時(shí)代背景的高度，以地方高校的辦學(xué)定位和培養(yǎng)目標(biāo)為著眼點(diǎn)，以“天大行動(dòng)”為指導(dǎo)方針，結(jié)合應(yīng)用型本科學(xué)校的學(xué)生現(xiàn)有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和實(shí)際理解水平，提出了以下四點(diǎn)改革建議。

1.以直觀的開場白強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)作用并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

教科書第1章介紹操作系統(tǒng)時(shí)，會(huì)涉及很多抽象的概念。比如操作系統(tǒng)的并發(fā)性和異步性，書上會(huì)說“多道程序引起了并發(fā)，并發(fā)導(dǎo)致了異步”。作為初學(xué)者，很多學(xué)生覺得難以理解，搞不清楚這門課對自己將來有什么用。他們只知道是專業(yè)核心課，盡管晦澀難懂，也要堅(jiān)持學(xué)完，整個(gè)學(xué)習(xí)過程不僅似懂非懂，而且態(tài)度也消極。

針對上述問題，筆者認(rèn)為，第1章屬于入門章節(jié)，不宜一口氣大量概括操作系統(tǒng)的方方面面，尤其要避免大量的抽象概念，否則初學(xué)者根本無法完全消化，反而會(huì)挫傷他們的學(xué)習(xí)積極性。相反，作為任課教師，一開始應(yīng)該形象地以windows電腦或者android手機(jī)為例，操作系統(tǒng)提供了友好的界面，可以保存文件，可以外插耳機(jī)等等。如果沒有操作系統(tǒng)，這一切皆不可能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)也要闡明，作為應(yīng)用型本科高校的學(xué)生，將來就業(yè)后肯定不可避免地要參與代碼的編寫，而操作系統(tǒng)則為代碼提供了運(yùn)行的環(huán)境。

以此直觀的開場白激發(fā)學(xué)生的興趣，驅(qū)動(dòng)他們接下來積極思考和學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)如何去實(shí)現(xiàn)組織和管理功能的。

2.打破章節(jié)順序并加大本課程內(nèi)外知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系

筆者認(rèn)為，教師在有限的理論課上不必灌輸所有的知識(shí)點(diǎn)，而是應(yīng)該站在整個(gè)系統(tǒng)的高度，把重要的知識(shí)點(diǎn)講得精、講得透，讓學(xué)生在腦海里形成各知識(shí)點(diǎn)相互配合的整體結(jié)構(gòu)，并能舉一反三。

（1）加強(qiáng)章節(jié)之間的交叉聯(lián)系

操作系統(tǒng)將諸多類別的軟件和硬件有機(jī)結(jié)合起來，保證整個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)部高效地、有條不紊地運(yùn)作。以打開文件為例，整個(gè)過程是根據(jù)文件路徑搜索，直到找到文件，并將其i結(jié)點(diǎn)從磁盤拷貝至內(nèi)存。除了文件本身的知識(shí)點(diǎn)外，教師可以結(jié)合其他若干章節(jié)內(nèi)容做更深刻的解釋。比如，打開文件是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，需要?jiǎng)?chuàng)建進(jìn)程來做；拷貝i結(jié)點(diǎn)需要讀磁盤（I/O操作中往內(nèi)存?zhèn)鬏斀凶髯x，反過來叫作寫）；打開文件屬于系統(tǒng)調(diào)用的一種（從用戶發(fā)出打開文件指令到系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)硬件去讀磁盤）。

（2）強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)與相關(guān)課程之間的聯(lián)系

作為銜接軟件和硬件的橋梁，操作系統(tǒng)貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，能涉及到的其他課程非常多。以內(nèi)存管理為例，內(nèi)存地址用二進(jìn)制比特表示并靠總線來控制指令的存取（硬件）；零散的內(nèi)存空閑區(qū)用鏈表來組織串聯(lián)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）；變量類型的定義其實(shí)就是分配內(nèi)存的過程（C語言）；內(nèi)存管理分為內(nèi)存分配、內(nèi)存回收、越界檢查等功能模塊（軟件工程）。

3.打破教科書內(nèi)容的局限并滲透批判思維

操作系統(tǒng)課程如何體現(xiàn)批判思維呢？筆者認(rèn)為，不能局限于教科書上的固定管理算法，而是要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，思維向外延伸。雖然操作系統(tǒng)本身對進(jìn)程、文件、硬件和內(nèi)存等這些資源的管理任務(wù)是固定不變的，但是沒有十全十美的管理算法，只能說不同的算法，適用于不同的應(yīng)用場合。硬件技術(shù)隨著時(shí)代的變遷在不斷發(fā)展，作為信息處理的載體，硬件（內(nèi)存和磁盤）可容納的數(shù)據(jù)量正呈現(xiàn)出非線性的增長趨勢。因此今后的操作系統(tǒng)，必將面臨大規(guī)模數(shù)據(jù)環(huán)境下資源管理的應(yīng)用場合，其管理算法也要做適當(dāng)修改，達(dá)到與之相適應(yīng)。比如，在講解內(nèi)存管理的時(shí)候，可以讓學(xué)生主動(dòng)思考：面對爆炸式增長的數(shù)據(jù)量，現(xiàn)有的哪些管理算法不再合適？該如何改進(jìn)？以內(nèi)存空閑塊管理為例，數(shù)量較少的空閑塊可以采取鏈?zhǔn)焦芾?，即把零散的空閑塊串聯(lián)成鏈表；但是當(dāng)數(shù)量多時(shí)，UNIX系統(tǒng)采用的是成組鏈接法。以此為參考，學(xué)生可以發(fā)揮自己的想象，思考教科書以外的其他改進(jìn)算法。畢竟，萬變不離其宗的是，操作系統(tǒng)的根本出發(fā)點(diǎn)在于統(tǒng)籌規(guī)劃，即采用合理的管理算法來提高資源的利用率、提高系統(tǒng)的整體吞吐量，以方便用戶的使用。

4.以對外交流促進(jìn)動(dòng)手能力培養(yǎng)和教學(xué)內(nèi)容更新

作為理論與實(shí)踐并重的主干課，傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程不僅重理論輕實(shí)驗(yàn)，而且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是淺層次的驗(yàn)證類型，而能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性的設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)卻很少[4]。筆者贊同這一點(diǎn)，但同時(shí)也認(rèn)為，設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)的增加不宜盲目，而是要借鑒和參考當(dāng)今的行業(yè)需求。以網(wǎng)絡(luò)空間安全為例，目前IT市場上有很多防御網(wǎng)絡(luò)病毒的技術(shù)都做進(jìn)了操作系統(tǒng)里。高校在開設(shè)操作系統(tǒng)課程時(shí)，對軟件工程、計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生可以增加這方面的理論知識(shí)；而對信息安全的學(xué)生，則要增加這方面的實(shí)驗(yàn)，比如緩存區(qū)溢出檢查、注入漏洞與檢測等等。

在國際交流方面，以澳大利亞的昆士蘭科技大學(xué)（QUT）的Computer Technology Fundamental為例，它看似是一門關(guān)于計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)課，涉及很多概念，但實(shí)際上要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，做出一個(gè)能在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行的東西。以此反思國內(nèi)的操作系統(tǒng)課，既然作為主干課，是不是更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)理論結(jié)合實(shí)際呢？筆者認(rèn)為，結(jié)合當(dāng)今Linux運(yùn)行平臺(tái)的廣泛使用性（Mac電腦、Android系統(tǒng)等），操作系統(tǒng)課程應(yīng)當(dāng)增加系統(tǒng)調(diào)用的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。因?yàn)?，增加和修改系統(tǒng)調(diào)用并重新編譯內(nèi)核，能讓學(xué)生深刻理解系統(tǒng)調(diào)用與一般函數(shù)調(diào)用的異同點(diǎn)，由此他們也更能體會(huì)到計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)上采用的層次結(jié)構(gòu)，及其對外界用戶的有限開放和對內(nèi)部重要指令的保護(hù)措施。

四、結(jié)束語

本文在新工科背景下，立足于地方高校的辦學(xué)定位中，以“天大行動(dòng)”為指導(dǎo)方針，對操作系統(tǒng)課程提出了四條改革建議?？傊?，面對當(dāng)今加速發(fā)展的新技術(shù)，地方高校的課程要從理論和實(shí)踐兩方面做到與時(shí)俱進(jìn)，以培養(yǎng)出具備動(dòng)手實(shí)踐能力、緊跟時(shí)代步伐且不斷提升自我的未來勞動(dòng)者。

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作者簡介：

陶玉婷，女，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)理論與方法、操作系統(tǒng)。