面向新工科的《操作系統(tǒng)》課程改革研究

曹建芳 武曉軍

摘要：《操作系統(tǒng)》是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程。為適應(yīng)新工科建設(shè)需要，對(duì)《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革。通過分析《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題，提出基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的《操作系統(tǒng)》課程改革方案。首先，以工程教育理念為指引，確定課程教學(xué)目標(biāo)和核心知識(shí)點(diǎn);然后采用翻轉(zhuǎn)課堂改革理論教學(xué)方式，制定進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更新實(shí)踐環(huán)節(jié);最后提出新的課程考核內(nèi)容與方式。實(shí)踐表明，該教學(xué)改革方案有效提高了學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新能力，取得了一定成效。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)工程;操作系統(tǒng);新工科;教學(xué)改革

DOI：10.11907/ejdk.191193開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）010-0209-04

0引言

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展的新需求、國際競爭的新形勢和立德樹人的新要求，教育部在2017年4月公布了《新工科建設(shè)行動(dòng)路線》，旨在推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)內(nèi)涵式改革創(chuàng)新，提升高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)能力，構(gòu)建工程科技人才培養(yǎng)的新模式和新體系。我國網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)自教育部獲批開始招生僅有10余年時(shí)間，屬較新的專業(yè)。但該專業(yè)工程實(shí)踐性很強(qiáng)，所涉及的專業(yè)知識(shí)不僅包括計(jì)算機(jī)、電子信息等專業(yè)基礎(chǔ)課程，還與IT產(chǎn)業(yè)、尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀密切相關(guān)。《操作系統(tǒng)》作為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)一門非常重要的專業(yè)必修課，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的智能化、復(fù)雜化發(fā)展趨勢和新工科建設(shè)對(duì)該課程教學(xué)都提出了新的要求。然而，目前在大多數(shù)高校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)大綱還基本上沿用計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容。林峰等嘗試采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)對(duì)《嵌入式操作系統(tǒng)》課程進(jìn)行教學(xué)改革;楊健兵等采用基于工作過程對(duì)《Windows Server 2008操作系統(tǒng)》課程教學(xué)方法進(jìn)行改革;邱劍鋒等將OBE教育理念引入《操作系統(tǒng)》課程，將教學(xué)內(nèi)容驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)結(jié)果驅(qū)動(dòng)。上述研究對(duì)不同類型的操作系統(tǒng)課程進(jìn)行了一定的改革，但大部分只針對(duì)課程某一方面進(jìn)行改革嘗試，并沒有專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行研究。網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)在課程教學(xué)中需要使用各種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)操作系統(tǒng)需求不一樣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)復(fù)雜。隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，操作系統(tǒng)的變化會(huì)愈來愈明顯。顯然，如果繼續(xù)按照傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的教學(xué)大綱對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，已經(jīng)不能滿足該專業(yè)人才培養(yǎng)需求。因此，結(jié)合新工科人才培養(yǎng)理念和需求，改革網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程的教學(xué)模式迫在眉睫。筆者多年從事《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)，經(jīng)驗(yàn)豐富，基于新工科建設(shè)理念，對(duì)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革進(jìn)行探討，提出了相應(yīng)的教學(xué)改革措施。

1《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

《操作系統(tǒng)》屬于網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的核心課程，目前大部分高校都采用西安電子科技大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》作為主要教材，沿用計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)大綱，60-70學(xué)時(shí)，其中講授40-50學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)20學(xué)時(shí)，主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主;考核以期末筆試成績?yōu)橹鳎?0%-80%，平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績占20%-30%;一般安排在本科第四學(xué)期或第五學(xué)期講授。通過該課程學(xué)習(xí)，旨在讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念和操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，深刻理解計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制并指導(dǎo)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)。這是一門理論性和實(shí)踐性均很強(qiáng)的課程，對(duì)于工程實(shí)踐性很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，如果只是按照上述安排講解《操作系統(tǒng)》基本概念和原理，很難達(dá)到新工科建設(shè)要求。

1.1概念原理多，知識(shí)點(diǎn)繁雜，內(nèi)容抽象

《操作系統(tǒng)》課程涉及的概念和原理較多，而且知識(shí)點(diǎn)繁雜，大多數(shù)內(nèi)容均與計(jì)算機(jī)底層硬件相關(guān)，較為抽象。如在多道程序設(shè)計(jì)中引入進(jìn)程概念，虛擬存儲(chǔ)器管理中引入邏輯地址和物理地址概念，而且在進(jìn)程調(diào)度和頁面置換中涉及多種算法，這些內(nèi)容均需學(xué)生在掌握《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》等課程的相關(guān)知識(shí)后才能領(lǐng)會(huì)。而一般情況下，學(xué)生在學(xué)習(xí)《操作系統(tǒng)》課程時(shí)，這些課程剛結(jié)束，或是《計(jì)算機(jī)組成原理》與《操作系統(tǒng)》兩門課程同時(shí)開設(shè)，相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)較差，導(dǎo)致大部分學(xué)生認(rèn)為課程內(nèi)容抽象、難以理解。而網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)是一個(gè)以工程實(shí)踐為主的專業(yè)，課程中涉及的概念、原理應(yīng)該與工程實(shí)踐相結(jié)合才能增加課程的趣味性。

1.2以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主

教師在講解《操作系統(tǒng)》課程理論部分時(shí)強(qiáng)調(diào)的是操作系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，而在實(shí)驗(yàn)時(shí)以操作系統(tǒng)應(yīng)用為主，大多都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。如在講授信號(hào)量機(jī)制時(shí)，理論內(nèi)容講解的是如何設(shè)計(jì)信號(hào)量以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的同步，而實(shí)驗(yàn)部分則是讓學(xué)生仿真生產(chǎn)者一消費(fèi)者問題以更好地理解信號(hào)量機(jī)制，這導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)。因此，《操作系統(tǒng)》課程應(yīng)增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，以提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1.3理論、實(shí)踐學(xué)時(shí)比例失調(diào)

以忻州師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)為例，該課程共68學(xué)時(shí)，其中講授52學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。這樣的學(xué)時(shí)比例分配，實(shí)踐環(huán)節(jié)非常薄弱，明顯重理論輕實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為課程枯燥無味。理論部分內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)中無法得到應(yīng)用，學(xué)生的實(shí)踐能力難以得到提高。

2課程改革方案

2.1確定課程教學(xué)目標(biāo)與核心知識(shí)點(diǎn)

根據(jù)工程教育理念對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)做出調(diào)整，將網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)定位為“滿足互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代IT產(chǎn)業(yè)需求的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)人才”。

根據(jù)《高等學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)規(guī)范》對(duì)《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)內(nèi)容的指導(dǎo)性意見和課程畢業(yè)要求，確定《操作系統(tǒng)》課程總體教學(xué)目標(biāo)為：①深刻領(lǐng)會(huì)操作系統(tǒng)的基本概念、原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu);②掌握傳統(tǒng)和現(xiàn)代操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法;③能夠按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理剖析常見的操作系統(tǒng)實(shí)例;④能夠使用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言分析和實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中的核心算法;⑤能夠分析、比較和評(píng)價(jià)操作系統(tǒng)的各種常見算法實(shí)現(xiàn)。

修改后的課程教學(xué)目標(biāo)與專業(yè)規(guī)范中涉及到的《操作系統(tǒng)》課程要求指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)的主要目標(biāo)是：學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)相關(guān)工程知識(shí)基礎(chǔ)上，掌握系統(tǒng)軟件開發(fā)解決方案，具備從事工程實(shí)踐的能力，具備終身學(xué)習(xí)能力。學(xué)生畢業(yè)后可從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、開發(fā)與維護(hù)等。該課程在專業(yè)人才培養(yǎng)的核心課程中起著承上啟下的作用，其先修課程主要包括《高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》，后續(xù)課程包括《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》和《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等，課程總體框架如圖l所示。

《操作系統(tǒng)》課程主要包括進(jìn)程管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理和文件管理4部分內(nèi)容。進(jìn)程管理部分核心知識(shí)點(diǎn)有：進(jìn)程的同步與通信機(jī)制、處理機(jī)調(diào)度與死鎖問題;存儲(chǔ)器管理的核心知識(shí)點(diǎn)包括內(nèi)存分配與回收、虛擬存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)方法、頁面置換算法;設(shè)備管理部分核心知識(shí)點(diǎn)有I/O系統(tǒng)、I/O控制方式和中斷處理;文件管理部分核心知識(shí)點(diǎn)主要包括文件結(jié)構(gòu)和組織形式、文件的存儲(chǔ)方式以及共享和保護(hù)。

2.2改革教學(xué)方法

2.2.1采用翻轉(zhuǎn)課堂

《操作系統(tǒng)》課程涵蓋內(nèi)容多，而且大部分內(nèi)容與計(jì)算機(jī)底層硬件相關(guān)，較為抽象。如果僅僅依靠有限的理論講授學(xué)時(shí)，難以全面學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)理論內(nèi)容;而且對(duì)于抽象、枯燥的理論，單純依靠教師講授很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。結(jié)合中國大學(xué)MOOC上提供的在線課程，采用翻轉(zhuǎn)課堂和任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，課前布置任務(wù)，安排學(xué)生利用MOOC在線資源預(yù)習(xí)，提出問題;課堂上，教師重點(diǎn)講解抽象的原理和方法，并以小組的形式組織學(xué)生分組討論、解決預(yù)習(xí)過程中存在的問題;課后安排學(xué)生在MOOC上參與交流討論，通過與在線學(xué)習(xí)的學(xué)生溝通，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;引導(dǎo)學(xué)生自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，逐步提高科學(xué)研究能力。通過這些方法，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)生分析問題和解決問題的能力得到快速提升。如在學(xué)習(xí)進(jìn)程同步相關(guān)內(nèi)容時(shí)，課前布置預(yù)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生提前了解進(jìn)程同步的概念、機(jī)制，課堂上教師著重講授信號(hào)量機(jī)制解決具體問題的步驟和方法，并引導(dǎo)學(xué)生共同討論，分析解決進(jìn)程同步問題;課后安排學(xué)生通過學(xué)習(xí)MOOC在線資源和查閱文獻(xiàn)資料，編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步問題。

2.2.2制定進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在實(shí)踐環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力，需要有針對(duì)性地、循序漸進(jìn)地設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。因此，嘗試制定進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，逐步提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，如表2所示。

第一層級(jí)為基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證《操作系統(tǒng)》課程涉及的核心知識(shí)與原理，將抽象的原理在實(shí)驗(yàn)中形象化，幫助學(xué)生鞏固課堂講授的重點(diǎn)內(nèi)容;第二層級(jí)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是對(duì)第一層級(jí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的拓展。主要分析通用操作系統(tǒng)的核心原理與技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生使用所學(xué)知識(shí)分析操作系統(tǒng)核心原理實(shí)現(xiàn)過程，逐步提高專業(yè)實(shí)踐能力和素養(yǎng);第三層級(jí)為綜合性實(shí)驗(yàn)，主要分析Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核，加深學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的理解，同時(shí)提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作和溝通能力;第四層級(jí)為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，主要通過搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和構(gòu)建實(shí)驗(yàn)案例，讓學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，了解操作系統(tǒng)構(gòu)思、設(shè)計(jì)到最后實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行的全過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新能力在潛移默化中得到大幅度提升。

2.3注重過程性考核，更新考核內(nèi)容與方式

改革之前，《操作系統(tǒng)》課程采用“平時(shí)成績x（20%-30%）+期末筆試成績x（70%-80%）”的考核方式。根據(jù)新工科建設(shè)要求，對(duì)課程考核內(nèi)容與方式進(jìn)行改革。首先，加大平時(shí)成績比例，將平時(shí)成績占比提高到40%;其次注重過程性考核，更新考核內(nèi)容，將平時(shí)成績分為課堂表現(xiàn)、小作業(yè)、大作業(yè)和實(shí)驗(yàn)成績4項(xiàng)，各占比10%，學(xué)生的課堂表現(xiàn)不僅僅考核出勤情況，還增加了參與課堂討論、回答問題，課后線上交流、發(fā)帖等情況考核;另外對(duì)期末考試內(nèi)容也做了調(diào)整，從原來考核學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握情況，轉(zhuǎn)變?yōu)橹攸c(diǎn)考核學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力上。《操作系統(tǒng)》課程考核內(nèi)容和方式的改革，更好地體現(xiàn)了新工科建設(shè)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的要求，有助于提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3課程改革成效

《操作系統(tǒng)》課程改革方案自2017年春季在忻州師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開始試行，經(jīng)過兩年多的實(shí)踐，取得了一些成效。

3.1學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況分析

圖2是近年來忻州師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生使用中國大學(xué)MOOC平臺(tái)選修《操作系統(tǒng)》課程人數(shù)比例情況。

從圖2可以看出，在未實(shí)施改革前，學(xué)生很少利用在線學(xué)習(xí)資源學(xué)習(xí)，自2017年《操作系統(tǒng)》課程實(shí)施改革之后，使用中國大學(xué)MOOC平臺(tái)選修《操作系統(tǒng)》課程學(xué)習(xí)的人數(shù)大幅度增加，這說明課改之后學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力逐步增強(qiáng)，學(xué)習(xí)已不完全依賴于課堂。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)打破了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式在時(shí)間和空間上的限制，受到學(xué)生的青睞。

3.2學(xué)生評(píng)教情況分析

表3是《操作系統(tǒng)》課程評(píng)教的平均成績統(tǒng)計(jì)。

從表3可以看出，雖然每年上課的學(xué)生和任課教師有所不同，但2015年和2016年學(xué)生的評(píng)教成績相對(duì)不高，究其原因是大部分學(xué)生認(rèn)為《操作系統(tǒng)》課程枯燥、難學(xué)，不感興趣;從2017年開始，在理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)改革之后，學(xué)生評(píng)教成績有了較大提高，對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力也有了一定提高。

4結(jié)語

為提升網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的工程實(shí)踐能力，根據(jù)新工科建設(shè)要求，本文探討了《操作系統(tǒng)》課程理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革方案，并進(jìn)行了改革實(shí)踐。以工程教育理念為指引，確定課程教學(xué)目標(biāo)和核心知識(shí)點(diǎn)，采用翻轉(zhuǎn)課堂改革理論教學(xué)方式，制定進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更新實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用新的課程考核內(nèi)容和方式。通過在線學(xué)習(xí)情況和評(píng)教情況檢驗(yàn)改革成效。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，課改取得了良好效果。

在推進(jìn)新工科建設(shè)進(jìn)程中，學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)還需要產(chǎn)業(yè)界、社會(huì)界與高校的深入合作，這也是今后教學(xué)改革過程中需要考慮的問題。