在新工科背景下計算機操作系統(tǒng)原理的教學改革探討與實踐

陸億紅 于明遠

摘? 要： 操作系統(tǒng)原理是計算機學科領域非常重要的一門專業(yè)基礎課，新工科背景下，課程內容需要與時俱進、教學方式需要提高“感性和趣味性”。在引導學生理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念和基本方法的基礎上，設置“差異化”教學內容與實踐環(huán)節(jié)，采用混合學習和掌握學習相結合的教學形式。將課程實踐與課程設計結合，注重知識的拓展，從而強化應用基礎性知識點，挖掘學生潛力。

關鍵詞： 操作系統(tǒng)原理; 新工科; 掌握學習; 混合學習; 教學改革探討

中圖分類號：G521? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）04-117-03

Abstract： "Principles of Operating System" is a very important basic course in the computer science specialty. For New Engineering Education， the courses content should keep pace with the times， and the teaching method needs to be improved on the "sensibility and interest". On the basis of guiding students to understand and master the basic concepts and methods of the operating system， the "targeted" teaching content and practice links are offered， as well as the teaching mode combined with blended learning and mastery learning is adopted. By combing course practice with course design and focusing on knowledge expansion， the application of basic knowledge can be enhanced， and students' potential can be exploited.

Key words： principles of operating system; New Engineering Education; mastery learning; blended learning; discussion on teaching reform

0 引言

“操作系統(tǒng)原理”課程的主要目的和任務是使學生能較深人地理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念、基本方法、主要功能及其實現(xiàn)技術，對典型操作系統(tǒng)的性能和組成有一定的了解。新工科是高等工程教育為了主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、 國內工程教育發(fā)展形勢和服務國家戰(zhàn)略而做出的符合中國特色的高等工程教育改革方案，新工科主要包括三個方面：①傳統(tǒng)工科的改造升級;②面向新經(jīng)濟產(chǎn)生的新的工科專業(yè);③工科與其他學科交叉融合產(chǎn)生的新專業(yè)[1]?！靶隆钡膬群皇切滦?，即對傳統(tǒng)及現(xiàn)有學科進行轉型、改造和升級形成的新學科[2]。“新工科”的提出為高等工程教育的改革探索提供了一個全新視角和“中國方案”[3]。

計算機學科作為典型的工程學科， 隨著信息化和通信技術的快速發(fā)展，面向新經(jīng)濟產(chǎn)生的人工智能和大數(shù)據(jù)等新的工科專業(yè)，特別是計算機學科與傳統(tǒng)機械、土木等其他學科交叉融合，賦予了交通、水利等傳統(tǒng)基建新內涵，形成了新基建內容。同時，計算機學科在新工科背景下，需要調整和主動適應，尤其是操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等最“經(jīng)典”、“最傳統(tǒng)”的專業(yè)課程，因此，如何充實教學內容、改變教學方式，從而提高教學質量，面臨新的挑戰(zhàn)。

本文結合教學實踐，在新工科背景下，探討操作系統(tǒng)原理課程內容與時俱進、教學方式“感性和趣味性”，在托底前提下實施“差異化”引導，從而強化應用基礎性知識點和挖掘學生潛力。在新工科理念下，以學生為中心，以提升學生能力為目標，進行教學改革實踐，取得了一定的成效。

1 “操作系統(tǒng)原理”課程的特點及教學內容拓展

“操作系統(tǒng)原理”是計算機學科領域非常重要的一門專業(yè)基礎課，具有“不變”與“變”、“經(jīng)典”與“現(xiàn)代”的特點?！安蛔儭笔侵福翰僮飨到y(tǒng)是負責管理計算機系統(tǒng)資源的最基本的系統(tǒng)軟件，計算機用戶是通過調用操作系統(tǒng)的功能來使用計算機的，操作系統(tǒng)功能實現(xiàn)的原理是基本“不變”的，這也是“經(jīng)典”所在?！白儭笔侵福翰僮飨到y(tǒng)在計算機系統(tǒng)中處于裸機與應用層之間，對下直接與硬件接口，對上提供方便的用戶接口，涉及面廣、錯綜復雜;而計算機硬件和接口等技術設備發(fā)展變化很快，現(xiàn)代技術層出不窮。

由于“操作系統(tǒng)原理”課程主要講授操作系統(tǒng)功能實現(xiàn)的原理，很多同學會覺得概念抽象、不易理解;上課內容很多是文字講述，不像程序或算法類課程可以讓學生即學即用以達到立竿見影的效果。另外，操作系統(tǒng)代碼很多都會涉及到硬件，代碼量大不方便課內舉例，代碼例子要花費很多時間講解，并且需要學生花大量課外時間才能吸收消化。很多學生在學習過程中感覺不到這門課程對自己編程或系統(tǒng)實現(xiàn)中的作用，部分學生會失去對“操作系統(tǒng)原理”課程的學習興趣。

國內的操作系統(tǒng)，基本由微軟的視窗操作系統(tǒng)、蘋果的ios操作系統(tǒng)及谷歌的安卓操作系統(tǒng)所掌控，三方居于市場壟斷地位。在中美貿(mào)易摩擦進一步加劇的環(huán)境下，操作系統(tǒng)的核心關鍵作用進一步凸顯，甚至成為競爭博弈的武器和籌碼，美國對華為斷供就是明證。我國操作系統(tǒng)企業(yè)規(guī)模較小，低效競爭的現(xiàn)象普遍存在，難以形成合力。國內創(chuàng)新投入依然不足，在開源生態(tài)中參與度與貢獻度較低，技術話語權不高。因此，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)亟待進一步優(yōu)化，國產(chǎn)操作系統(tǒng)的研發(fā)與使用迫在眉睫[4]。

目前國產(chǎn)操作系統(tǒng)均是基于 Linux內核進行的二次開發(fā)。Linux是一款由C語言編寫的免費開源系統(tǒng)內核。憑借其免費開源、安全穩(wěn)定、高模塊化程度、廣泛的硬件支持、支持多用戶多任務等特點，Linux獲得眾多開發(fā)者的推崇。但Linux也具備操作系統(tǒng)的共性，即具有進程管理、內存管理、設備管理和文件管理功能，這些在操作系統(tǒng)原理中都有敘述。

新工科背景下，學科交叉越來越緊密、技術與設備日新月異，“操作系統(tǒng)原理”課程的教學內容需要調整和主動適應。比如：基于我國自己的IT底層架構和標準，形成自有開放生態(tài)所需的基礎知識;PC端、服務器、嵌入式和PDA 手持終端操作系統(tǒng)的原理與應用拓展等。

2 強化應用基礎性知識點和激發(fā)學生潛力

2.1 教學模式設計

“操作系統(tǒng)原理”基于小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，簡稱SPOC），采用線上/線下混合教學模式，將SPOC平臺作為課堂教學的延伸渠道，學生通過SPOC平臺，獲取教學資源，按照自身水平在線下自學新知識;課堂在講授基礎知識的同時，進行“差異化”引導，從而強化應用基礎性知識點和挖掘學生潛力。

⑴ 課前準備階段

課前根據(jù)“操作系統(tǒng)原理”課程教學大綱，設置單元和具體知識點教學目標，上傳“學習資源包”至超星泛雅平臺（SPOC平臺），為學生預留出自學時間，“學習資源包”結合新工科背景下的學科交叉需求和知識拓展。并在超星泛雅平臺上設置相關的基礎認知型測試題，提供課前思考問題，布置課前作業(yè)。通過測試題，了解個人對知識點的掌握情況和自學效果。教師針對學生課前的學習狀況，安排本章節(jié)的課堂教學內容和進度。

學生認真完成超星泛雅平臺上上傳的“教學資源包”、課前測試和課前作業(yè)并思考課前問題;及時參與線上討論。教師監(jiān)督保障全體同學理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念和基本方法等;對部分基礎好、興趣廣泛的學生，開展更深入、更廣泛的“差異化”問題探討，不斷充實“教學資源包”中啟發(fā)性和挑戰(zhàn)性的內容。通過這三個方面的工作，學生在課前對新知識有了初步了解，這會大幅度提升課堂知識吸收效率。

課前教學模式設計體現(xiàn)了建構主義學習觀。建構主義學習觀的核心觀點認為，學習者在學習過程中不僅要吸收外部環(huán)境中的有關信息，還要有主動建構知識的過程，才能將新知識整合到自己原有認知結構之中[5]。課前教學模式設計突出了學生學習中的主體地位，并發(fā)揮教師教學中的引導作用，師生共同充實新工科背景下的學科交叉內容，豐富 “學習資源包”。

⑵ 課堂教學階段

在課堂實施中，采用情境教學和探究學習相結合的混合學習教學形式，引導學生在思考中解決課前學習中遇到的疑惑?？梢岳糜暾n堂來提高教學效率，借助雨課堂線上簽到提升課堂出勤率。雨課堂具有 PPT嵌入功能，其課件的共享性非常突出，在授課中方便學生根據(jù)自身的情況翻閱課件，既可以兼顧不同水平的學生，又可以增加學生的自主學習與參與課堂的能力，根據(jù)自身情況展開學習，體現(xiàn)“差異化”教學。雨課堂的彈幕功能可以隨時反饋學生的學習狀態(tài)，方便及時調整教學策略，啟發(fā)學生進行實時討論，降低課程的枯燥程度，增加“趣味性”;考慮到彈幕功能可能影響課堂的流暢性，盡量做些前期溝通和時段開放功能設置。雨課堂還有課堂測試功能，可以設置客觀題和主觀題。客觀題可自動統(tǒng)計;主觀題可通過問題反饋進行答案征集并統(tǒng)計，針對性的進行投屏講解。在課堂教學的最后五分鐘，對整節(jié)課的知識進行總結，突出重點內容。

課前學生已通過對“教學資源包”的自主學習實現(xiàn)了對知識的初步消化和吸收，在平臺測試中也發(fā)現(xiàn)了自己對知識點掌握的不足，形成了對知識的自我建構。因此，學生是帶著疑問進入課堂，在教師的引導下積極參與課堂學習。在課堂中，學生可通過彈幕功能提出自己的疑問，通過PPT嵌入功能共享課件，利用反饋功能標記課件中的疑惑，通過測試知道自己知識掌握的不足。這樣，就引導學生集中精力跟隨教師的總結，梳理本節(jié)課的知識，借此完善自己對新知識的建構，部分學生還能找到自己的興趣點和拓展方向。

課堂教學模式設計注重激發(fā)學生學習興趣和注重增加教學反饋環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了混合學習理論[6]和掌握學習理論[7]的綜合應用，有效地克服操作系統(tǒng)原理課程概念抽象、不易理解和乏味等難題。

⑶ 課后拓展和復習階段

課后依托超星泛雅平臺和QQ群與學生深入答疑，為學生布置個人或小組作業(yè)，每章布置專題測試題。對學生上傳的作業(yè)給予評價，通過分析作業(yè)結果對學生個性化指導，特別要關注那些基礎好、興趣廣泛的學生，開展更深入、更廣泛的“差異化”問題交流與探討，“差異化”引導和教學內容比傳統(tǒng)的“因材施教”更廣泛、更深入。在教學結束后，及時做教學反思，將問題匯總分類，適時擴充更新學習資源包。在課后學習鞏固階段需要在超星泛雅平臺按照教師要求以個人或小組形式上傳作業(yè)，完成每章專題測試題以鞏固知識，在積極探索中提高自主學習能力和解決實際問題的能力，完成自身對新知識的建構。

操作系統(tǒng)課程教學的一個難點問題是如何將理論與實踐緊密聯(lián)系起來，使學生將抽象的原理知識與具體的實現(xiàn)技術融會貫通。為了解決這個難題，除了設置課程實驗，還在操作系統(tǒng)設計課程中引入國內外名校廣泛使用的pintos操作系統(tǒng)，學有余力或感興趣的學生可以在上“操作系統(tǒng)原理”課程時即可著手進行Pintos實驗。Pintos實驗主要分成四部分：Thread、User Programs、Virtual Memory和File System。通過bochs加載pintos操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)會根據(jù)pintos的實現(xiàn)打印運行結果，通過比較標準輸出文檔和實際輸出，來判斷pintos實現(xiàn)是否符合要求。通過課程設計使學生對pintos這個操作系統(tǒng)的各種機制和實現(xiàn)有更深刻的理解，從而更好地理解和掌握操作系統(tǒng)原理，為能開發(fā)或改進操作系統(tǒng)打下扎實的理論基礎。

2.2 學習與教學評價

傳統(tǒng)教學過程，課堂上的相關學習與教學活動很難及時量化統(tǒng)計，從而導致傳統(tǒng)的學習與教學評價比較單一。借助超星泛雅平臺和雨課堂，可以將線上評價與課堂評價有機結合，通過將線上的參與度、線上測試成績、作業(yè)完成情況、線上互動統(tǒng)計等數(shù)據(jù)與線下的參與度、互動情況等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集，針對每一個學生產(chǎn)生針對性的學習報表，最終實現(xiàn)操作系統(tǒng)課程的多元化評價。

3 結束語

“操作系統(tǒng)原理”是計算機學科領域非常重要的一門專業(yè)基礎課，具有“不變”與“變”，“經(jīng)典”與“現(xiàn)代”的特點。新工科背景下，結合“操作系統(tǒng)原理”課程特點和內容拓展要求，教學方式上，開展“感性和趣味性”探討，在引導學生理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念和基本方法等基礎上，設置“差異化”教學內容與實踐環(huán)節(jié)，引導部分優(yōu)秀學生更深入、更全面地掌握操作系統(tǒng)的原理與應用拓展，強化應用基礎性知識點并提高課程“趣味性”，有助挖掘學生潛力。下一步為適應日新月異的硬軟件技術發(fā)展，教學實踐還需及時更新和拓展內容，激發(fā)學生興趣。

參考文獻（References）：

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[5] 何克抗.建構主義信息技術革新高校教學的理論基礎[R].1997年香港“教學技能與教學技術學術會議”特邀報告.

[6] 何克抗.從Blending Learning看教育技術理論的新發(fā)展[J].國家教育行政學院學報，2005.9：37-48，79

[7] 聞雪原.基于SPOC+翻轉課堂的全英文專業(yè)課教學研究——以“操作系統(tǒng)原理”課程為例[D].天津大學，2018.