基于OBE教育理念的操作系統(tǒng)教學(xué)改革與實踐

張 華，張素莉

(長春工程學(xué)院 計算機技術(shù)與工程學(xué)院，長春 130012)

一、引言

教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見中指出，要確立學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進的理念，提升課程的高階性，突出課程的創(chuàng)新性，增加課程的挑戰(zhàn)度。[1]在競爭日趨激烈的國際大環(huán)境中，在新工科背景下，采用成果或產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育模式(Outcomes-Based Education，簡稱OBE)開展工程教育改革，對于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的優(yōu)秀工科人才具有十分重要的現(xiàn)實意義。

OBE教育理念注重學(xué)生最終學(xué)習(xí)成果，教師需要清晰地了解學(xué)生在完成學(xué)業(yè)時應(yīng)具備的解決復(fù)雜工程問題的能力，以此為目標(biāo)，以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為出發(fā)點反向設(shè)計各種教學(xué)活動，包括教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)計劃、實驗計劃、評價體系和教學(xué)方法等，以保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，能夠順利實現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。如何構(gòu)建科學(xué)的課程教學(xué)體系，從傳統(tǒng)的以教師為中心、以教學(xué)內(nèi)容驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果驅(qū)動，并制定多元化的評價體系來評價學(xué)生學(xué)習(xí)成果，是OBE教育理念實踐中亟待解決的關(guān)鍵問題。本文基于OBE教育理念對操作系統(tǒng)課程進行了教學(xué)改革研究與實踐，探索構(gòu)建符合OBE教育理念的操作系統(tǒng)課程的教學(xué)體系、教學(xué)方式和多元化教學(xué)評價，從而不斷提升操作系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量。

二、操作系統(tǒng)課程特點及教學(xué)現(xiàn)狀

作為計算機學(xué)科的核心基礎(chǔ)課，操作系統(tǒng)課程在專業(yè)知識體系中處于承上啟下的地位，是進一步學(xué)習(xí)其他課程的基礎(chǔ)，具有理論性強、知識繁雜、概念抽象難懂、算法多、涉及的代碼量大、仿真困難等特點[2]。教學(xué)內(nèi)容主要涉及操作系統(tǒng)的核心概念和基本原理，包括進程管理、處理器調(diào)度、存儲管理、互斥與同步、死鎖與饑餓等。傳統(tǒng)教育模式教師授課辛苦，但教學(xué)效果往往不佳，學(xué)生學(xué)習(xí)主要是應(yīng)付考試，其中原理“知其然不知其所以然”，導(dǎo)致教學(xué)目標(biāo)難以實現(xiàn)。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)主要存在以下問題。

(一)晦澀抽象，教師講授困難，學(xué)生似懂非懂

操作系統(tǒng)課程大部分內(nèi)容都是概念和原理，繁雜且抽象，如程序、進程、線程的區(qū)別與相互關(guān)系，信號量與PV原語，生產(chǎn)者消費者、讀者寫者問題，頁式管理、段式管理與段頁式管理等。學(xué)生在學(xué)習(xí)時往往只是按照教材章節(jié)孤立地學(xué)習(xí)和理解某個知識點，無法根據(jù)知識點之間的聯(lián)系將其融會貫通，更不能做到舉一反三，以致于在所有課程教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生仍無法從整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)在邏輯上對操作系統(tǒng)有全面深入的理解，停留在似懂非懂、只學(xué)習(xí)到了理論知識、無法應(yīng)用于實踐的水平，對問題實質(zhì)和知識點理解不透徹，進而影響學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

(二)重理論，輕實踐，忽視能力培養(yǎng)

操作系統(tǒng)課程知識點多且理論性強，教學(xué)大綱中理論課與實踐課的學(xué)時分配比例基本是5∶1，理論講解占絕大部分，學(xué)生實踐學(xué)時極少，只能對特別重要的知識點，如：進程調(diào)度、PV原語等進行算法驗證，無法對操作系統(tǒng)知識進行系統(tǒng)、全面地實踐，忽視了學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。操作系統(tǒng)課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，以驗證實驗為主，在整體設(shè)計和開發(fā)方面鍛煉不足，使學(xué)生無法深入理解操作系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)、工作原理和實現(xiàn)機制，不能將理論與實踐有機地結(jié)合起來，無法將知識轉(zhuǎn)化為能力。在評價體系方面，教師忽視了對學(xué)生獨立分析和解決較復(fù)雜問題能力的考核，沒有積極開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維，不利于學(xué)生系統(tǒng)分析、設(shè)計和實踐能力的提升。

(三)以教學(xué)內(nèi)容為目標(biāo)，忽視學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)模式以教學(xué)內(nèi)容驅(qū)動教學(xué)過程，強調(diào)以教師為中心，學(xué)生按照教學(xué)計劃進行課程學(xué)習(xí)，被動地接受知識，缺乏對知識點的主動學(xué)習(xí)和深刻理解，整個教學(xué)過程以完成教學(xué)內(nèi)容為目標(biāo)，關(guān)注的重點是教師對教學(xué)內(nèi)容的講授與學(xué)生對課程知識的掌握，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺枯燥乏味，沒有代入感，對知識的理解也僅僅局限于淺層，無法應(yīng)用所學(xué)的知識來分析具體問題和解決實際問題。

三、基于OBE理念的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革

OBE理念的教學(xué)模式強調(diào)以學(xué)生為主體，倡導(dǎo)以學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果為驅(qū)動力，反向設(shè)計和評價教學(xué)活動，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實踐能力。為了適應(yīng)我國工程教育的需要，結(jié)合長春工程學(xué)院應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的要求和特點，在明確軟件工程專業(yè)的畢業(yè)要求指標(biāo)點后，將OBE理念引入操作系統(tǒng)課程教學(xué)，以學(xué)習(xí)結(jié)果為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面進行了基于OBE教育理念的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革與探索。

(一)教學(xué)內(nèi)容改革

在教學(xué)內(nèi)容方面，強調(diào)學(xué)生對操作系統(tǒng)整體知識和邏輯體系的把握，結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)，重構(gòu)教學(xué)大綱，整合教學(xué)內(nèi)容，明確學(xué)生學(xué)習(xí)能力要求。

1.明確課程目標(biāo)，重構(gòu)課程結(jié)構(gòu)

以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)，結(jié)合軟件工程專業(yè)的特點及人才培養(yǎng)目標(biāo)，對本課程的教學(xué)目標(biāo)進行了更精確的定位與表述，作者認(rèn)為操作系統(tǒng)課程的目標(biāo)是：掌握操作系統(tǒng)的基本概念、理論、算法、特點，了解操作系統(tǒng)的設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)，理解操作系統(tǒng)中進程調(diào)度、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理等主要算法和關(guān)鍵技術(shù)，掌握并研發(fā)程序設(shè)計的基本方法，具備較嚴(yán)密的思維能力和分析、初步構(gòu)造現(xiàn)代操作系統(tǒng)的能力，能用所學(xué)知識分析、解決問題。為了順利實現(xiàn)課程目標(biāo)，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程前必須先修面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、計算機組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程，具有一定的程序設(shè)計基礎(chǔ)。明確了課程目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生能力培養(yǎng)要求，重構(gòu)教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、理論授課計劃和實驗授課計劃。

2.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)模式

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，同時考慮學(xué)生整體基礎(chǔ)相對薄弱，以及部分學(xué)生進一步深造的需要，課程組選擇吉林大學(xué)左萬歷教授的《操作系統(tǒng)教程》作為主要教材，將Abraham Silberschatz等編著的《Operating System Concepts》、北京大學(xué)陳向群教授等譯的《操作系統(tǒng)——精髓與設(shè)計原理》等廣受國內(nèi)外認(rèn)可的經(jīng)典書籍作為教學(xué)參考書。在授課過程中，選擇現(xiàn)在較為流行的Windows10、Linux操作系統(tǒng)介紹當(dāng)代操作系統(tǒng)的本質(zhì)和特點。在OBE教育理念下，教師應(yīng)以學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果為目標(biāo)導(dǎo)向，對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化，講授內(nèi)容包括教材前九章，即概述、進程、線程與作業(yè)、中斷與處理機調(diào)度、互斥、同步與通信、死鎖與饑餓、主存儲器管理、虛擬存儲系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、設(shè)備與輸入輸出管理，這些內(nèi)容涵蓋了操作系統(tǒng)課程最核心的知識點，操作系統(tǒng)設(shè)計等后續(xù)章節(jié)由學(xué)生進行自學(xué)。

以具備一定的系統(tǒng)軟件分析、設(shè)計和開發(fā)能力為產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)，要求教師改變傳統(tǒng)教育模式，采用“理論學(xué)習(xí)—偽碼分析—算法仿真”的漸進式教學(xué)模式，使學(xué)生先理解基本理論，然后能將基本理論轉(zhuǎn)換為偽碼，最后實現(xiàn)算法仿真，這使得學(xué)生可以將理論與實踐相結(jié)合，用理論指導(dǎo)實踐，用實踐加深理論理解，實現(xiàn)將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為分析問題、解決問題的能力，為學(xué)生具備操作系統(tǒng)開發(fā)能力奠定堅實的基礎(chǔ)知識，使學(xué)生將來能夠開發(fā)、改進操作系統(tǒng)，或應(yīng)用操作系統(tǒng)知識解決其他相關(guān)工程實踐中遇到的問題。

3.改進實驗教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

以往的操作系統(tǒng)課程的實驗項目缺乏明確的產(chǎn)出導(dǎo)向設(shè)計，導(dǎo)致相關(guān)理論知識與核心算法理解較困難，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動積極性，實驗教學(xué)效果不佳。在基于產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)改革中，課程組主要在兩方面對實驗進行了調(diào)整與優(yōu)化：一方面，將理論知識與實際案例相結(jié)合，將晦澀難懂的原理理論“落地”實際生活層面，比如，將核心知識點PV原語融入生產(chǎn)者—消費者及讀者—寫者的實例中，借助這兩個易于理解的實際情況幫助學(xué)生理解并消化PV原語，將傳統(tǒng)的驗證型實驗調(diào)整為設(shè)計型或綜合性的應(yīng)用型實驗，充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性，開拓其創(chuàng)新思維，鼓勵學(xué)生以自己的方式方法解決實驗中給出的問題，增強其信心，同時鼓勵學(xué)生團隊合作、腦力風(fēng)暴、思維碰撞，將學(xué)生對操作系統(tǒng)的基本原理從知識理解層面提升到實踐應(yīng)用層面；另一方面，將全部實驗設(shè)計成一個有機整體，先進行進程調(diào)度算法的實驗，再完成進程同步算法實驗，最后加入內(nèi)存管理實驗，引導(dǎo)學(xué)生從第一個實驗開始逐步完善和修正這個整體，直到最后一個實驗完成，整體組裝完畢，這可以使學(xué)生以整體和動態(tài)的角度去理解操作系統(tǒng)，增強學(xué)生的綜合分析設(shè)計能力和實際開發(fā)能力。

(二)教學(xué)方式改革

在操作系統(tǒng)課程中引入“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)理念，將理論知識與實際任務(wù)融合，使用翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)的以教師為中心、學(xué)生被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為以教師引導(dǎo)、學(xué)生主動學(xué)習(xí)，實現(xiàn)教學(xué)融合、教學(xué)相長。

1.翻轉(zhuǎn)課堂

該方法以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主學(xué)習(xí)和分析研究解決問題的能力[3]。操作系統(tǒng)課程的視頻素材主要參考借鑒清華大學(xué)向勇、吉林大學(xué)左萬歷、華中科技大學(xué)蘇曙光老師的相關(guān)視頻。教師在課前使用超星等平臺提供相關(guān)的教學(xué)視頻及其他材料，并布置要完成的任務(wù)，要求學(xué)生在課前自學(xué)課程的內(nèi)容，這樣可以加快教師講授的速度，不再逐一講解每個內(nèi)容，而主要是講解重要部分，啟發(fā)課堂討論，學(xué)生在自學(xué)過程中遇到的問題可以通過課堂討論加以部分解決，使學(xué)生變被動為主動，積極思考、勇于創(chuàng)新，教師負(fù)責(zé)解答討論未能解決的問題，同時使用學(xué)習(xí)通APP發(fā)布一些相應(yīng)的測試來鞏固和加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解。

2.任務(wù)驅(qū)動

為培養(yǎng)學(xué)生文獻查閱能力、團結(jié)協(xié)作能力和解決問題能力，操作系統(tǒng)課程采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法。教師提前布置任務(wù)，要求學(xué)生2—3人為一組，分工協(xié)作、查閱資料、算法仿真和撰寫報告，帶著任務(wù)與問題進課堂，并在課堂上分析討論。通過課堂上的分析與討論進行思想大碰撞，激發(fā)新思路，使得學(xué)生能夠深入地掌握知識、鍛煉團隊合作和自主解決問題。

在教學(xué)過程中我們以學(xué)生為中心，注重教學(xué)過程中的輸出，以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，把難度較低的知識內(nèi)容留給學(xué)生自學(xué)，教師主要負(fù)責(zé)核心理論和重要算法的講解，強調(diào)學(xué)生的課堂主體地位，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析解決問題，加強學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力訓(xùn)練。

(三)考核方式改革

以學(xué)習(xí)結(jié)果為導(dǎo)向，依據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，建立多元化、多層次的評價體系[4]。課程采用形成性評價方式，關(guān)注教學(xué)的全過程，實行以能力為中心的考核方式，構(gòu)建多元化的評價方式，避免了以期末考試一考定成績的情況，符合OBE模式的評價要求。我們在學(xué)校超星平臺上建立了操作系統(tǒng)的線上課程，豐富了資料庫，尤其是習(xí)題庫，按照章節(jié)劃分所有習(xí)題，既能靈活進行章節(jié)測試也能方便進行綜合測試。在課堂上，使用學(xué)習(xí)通APP發(fā)起課程內(nèi)容討論，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，對積極互動的學(xué)生給予必要的平時成績獎勵。課程通過課堂平時成績、討論成績、作業(yè)成績、實驗成績、網(wǎng)上測試成績、期末考試成績多維度來確定學(xué)生的最終總評成績，評定效果良好。

以本校軟件工程專業(yè)為例，課程目標(biāo)評價內(nèi)容及符號意義說明如下：

字母A、B、C、D分別表示學(xué)生平時作業(yè)、平時實驗、階段測試、期末考試的實際平均得分：其中A=A1+A2，A1、A2分別為平時作業(yè)成績中對應(yīng)課程目標(biāo)1、2的內(nèi)容得分；B=B1+B2，B1、B2分別為平時實驗成績中對應(yīng)課程目標(biāo)1、2的內(nèi)容得分；C=C1+C2，C1、C2分別為階段測試中對應(yīng)課程目標(biāo)1、2的內(nèi)容得分；D=D1+D2，D1、D2分別為期末考試中對應(yīng)課程目標(biāo)1、2的內(nèi)容得分。平時成績和期末成績在各課程目標(biāo)中分值分配如表1所示。

表1 各項成績目標(biāo)分支及學(xué)生平均得分分配表

課程目標(biāo)達成度評價值計算具體說明如下(作業(yè)、實驗成績、階段測試各按照上表20%、40%和40%計入表2)。

表2 各項成績目標(biāo)分值及學(xué)生平均得分分配表

將此考核方式在本校軟件工程專業(yè)2018級進行應(yīng)用，得到的最終課程目標(biāo)達成度如下表3，課程目標(biāo)達成度為0.82，較好地完成了課程目標(biāo)。

表3 本校軟件工程專業(yè)2018級課程目標(biāo)達成度

四、結(jié)論

在新工科+工程教育大背景下，OBE教育理念是對傳統(tǒng)教育模式的革新，在教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)手段的更新以及評價體系的合理設(shè)置上有著重要的指導(dǎo)意義。課程組將OBE理念應(yīng)用到操作系統(tǒng)課程教學(xué)中，以學(xué)生產(chǎn)出為驅(qū)動力，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和評價體系三個方面進行了改革與探索，取得了較好的目標(biāo)達成度。在課程改革初期，學(xué)生接受度較低，但在課程結(jié)束后，學(xué)生普遍反映受益匪淺，通過此次改革探索，課程教學(xué)實現(xiàn)了有效地從操作系統(tǒng)理論知識到分析和解決較復(fù)雜工程問題能力的轉(zhuǎn)換，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，為后續(xù)工程實踐奠定了堅實基礎(chǔ)。