基于CDIO模式的操作系統課程群教學改革與實踐

摘要：CDIO模式是近年來國際工程教育改革的最新研究成果。針對操作系統課程群的教學現狀，基于CDIO的工程教育模式，探討了課程群的教學改革與實踐，提出了整合操作系統課程群的知識結構和改革課程考核方式的具體措施。實踐表明，上述的教學改革取得了較好的效果，有效地保障了該課程群培養目標的實現。

關鍵詞：CDIO；操作系統；課程群；教學改革

作者簡介：邱劍鋒（1979-），男，安徽桐城人，安徽大學計算機科學與技術學院，講師。（安徽 合肥 230039）

基金項目：本文系安徽省省級教學研究項目（項目編號：2012jyxm383）、安徽大學本科教學工程教研項目（項目編號：JYXM201305）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0097-02

“操作系統”是計算機學科的重要分支之一，同時也是計算機科學與技術專業、軟件工程專業的核心課程，在計算機、軟件等相關專業人才培養中占有重要的地位。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，操作系統領域的新理論、新技術層出不窮，但未能及時地反映在教科書中。同時，傳統的以理論教學為主的教學方式，如“教師講，學生聽”，給學生真正理解操作系統中一些抽象的知識點造成一些困難，使學生很難將學習到的知識應用到實際工作中。這種過于重視理論教學，忽視學生的工程實踐和綜合素質培養的教學方式已經不能適應我國信息化發展的迫切需求，影響到對創新型人才的培養。因此，“操作系統”課程設置的合理與否，將直接影響到學生對操作系統內涵的理解以及其自身實踐能力、創新能力的提高。

本文通過對“操作系統”課程建設中存在的一些問題的分析，提出在操作系統課程群建設中引入CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）教育模式，以期利用該模式對“操作系統”課程的設置、能力培養及考核方式進行探討。

一、操作系統課程群的教學現狀及存在的問題

目前，安徽大學（以下簡稱“我?！保┎僮飨到y課程群包括“操作系統”、“操作系統課程設計”2門課程，其中“操作系統”側重對操系統基本概念和基本原理的介紹，包括進程管理、處理機管理、存儲器管理、文件管理和操作系統接口等方面?！安僮飨到y”課程設計作為一個實踐性教學環節，是在操作系統理論教學的基礎上，側重與對學生進行工程設計和系統分析等實踐能力的培養，為后續工程實踐打下良好的基礎。從整體上看，整個課程群可以分為兩個環節：一個是由“操作系統”構成的“理論”環節，一個是由“操作系統課程設計”構成的“實踐”環節。而在“操作系統”課程中又設置“上機實驗”部分，因此在目前的操作系統課程群的設置中充分認識到了實踐的重要性。但問題在于，盡管有上機實驗和課程設計，但是學生對操作系統的理解僅僅還停留在對概念的理解以及對一些算法的仿真上，對利用基本概念去解決一些實際問題有一定的困難，與計算機產業界的需求還存在一定的距離。教學效果，尤其是學生實踐能力，有待進一步加強。究其原因，目前計算機專業“操作系統”課程教學現狀主要存在以下幾個方面的問題：

第一，操作系統課程群中課程內容上的重復性。操作系統課程群中的每門課程，無論是從教材的編寫，內容的安排上都力求完整，各成體系?！安僮飨到y課程設計”中，在介紹實踐環節之前，必然需要對操作系統的基本原理做一闡述，而這些內容已經在“操作系統”課程已經講述過。而在“操作系統”中為了加深對基本概念的理解，必須要引入一些與應用相關的內容。因此，在操作系統課程群中存在內容重復、交叉的現象，也影響課時的有效利用。

第二，重理論，輕實踐?！安僮飨到y”課程知識點繁雜，原理抽象，教師需要花大量的時間去幫助學生理解、構建其知識框架，學生也需要去熟悉、掌握、理解其內涵，久而久之降低了學生的學習興趣。能力的提高固然需要扎實的理論基礎，但更需要在實踐中去應用理論，如果忽視了知識向能力轉化的過程，將會影響到學生的自主性、創造性、學習能力及適應能力的提高。

第三，目前的操作系統課程群中無論是“操作系統”課程中的上機實驗環節，還是“操作系統課程設計”，基本上都是以操作系統原理和實現方法的模擬或驗證，重點考查了學生對知識點的理解，忽略了對學生創新能力、工程實踐能力和團隊協作能力的培養。

二、CDIO的教育理念

CDIO模式是近年來國際工程教育改革的最新研究成果。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）與運行（Operate），它是“在實踐中學習”（Learn by doing）和“基于項目的教育和學習”（Project based education and learning）的集中表現，以工程項目從產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，培養他們的工程實踐能力、綜合的創新能力、與社會大環境的協調發展的能力。[1]這種能力不僅包括其學術能力、團隊能力，更重要的是他們的終身學習能力。為了適應新形勢下建設創新型國家的目標，加強對創新型人才的培養，在CDIO工程學科培養目標能力結構框架下，本文借助CDIO的教育模式，結合操作系統課程群特點及教學現狀，對操作系統群的課程建設和教學進行改革和實踐。

在整個計算機系統中，操作系統作為資源的管理者，不僅需要管理計算機內的各種軟硬件資源，同時也需要為各種軟件的運行提供高效的環境。因此，在“操作系統”的教學過程中，以課程群為單位，整體謀劃，注重在整個學習過程中結合具體案例引導學生深入理解操作系統的基本理論。在實踐階段，以“項目”為中心，培養學生的工程實踐能力，通過項目驅動的教學引導學生發現問題、分析問題和解決問題，最終實現學生的自我學習和創新能力。這些能力的培養與CDIO的教育理念是一致的，因此，結合操作系統課程群的教學現狀，以CDIO的教育理念去改革操作系統課程群，提高“操作系統”課程教學質量，提高學生的綜合素質是非常具有現實指導意義的。

三、面向CDIO的操作系統課程群教學改革

1.引入操作系統案例，進一步加強理論教學

“操作系統”的教學內容是理論教學的基礎。以往“操作系統”教學由于涉及的知識點多，難點多，以教師講、學生聽為主。受學時的影響，所采用的教材也是對操作系統基本原理的概述，缺少對具體實際的操作系統案例分析，盡管采用了多媒體教學方式，但是真正對提高學生的應用能力收效不大，學生對操作系統的理解還是比較模糊，更談不上去靈活運用。[2]借鑒CDIO的理念，在“操作系統”的教學中引入操作系統案例分析，幫助學生理解操作系統的概念，以及算法在實際的操作系統當中是如何實現的，使操作系統的理論教學不再“騰云駕霧”，而是落到實處，接了“地氣”。同時，安排一部分學時，引導學生自主學習，通過閱讀，分析源代碼，進而深入理解操作系統的基本概念，提高操作系統理論教學的效果。筆者以操作系統中的“進程調度”為例，說明其教學過程，如圖1所示：

筆者以操作系統中“進程”概念為例，“操作系統”課程中關于進程的基本狀態與具體到Linux操作系統中進程的狀態，在概念和具體實現上存在一定的差別。[3]例如：操作系統基本概念中進程的基本狀態中有個“就緒”狀態，而在Linux系統中，“就緒”狀態的概念被合并到一個稱之為“可運行狀態（TASK_RUNNING）”，處于該狀態的進程，要么正在運行、要么正準備運行，其中“正在運行”對應“操作系統”中的進程的“運行態”，而“正準備運行”代表了“操作系統”課程中進程的“就緒態”。在教學中，充分注意理論和實踐中概念上的差異，有助于學生實踐能力的培養。

2.優化實踐課程，培養學生的創新和實踐能力

相對于理論教學，“操作系統課程設計”作為一門實踐課程，是培養學生的實踐能力，提高分析問題和解決問題的一個重要的教學環節。在以往的教學中，在“重理論，輕實踐”的知識本位的影響下，淡化了對課程設計的要求，影響了操作系統實踐課程的教學效果。[3]對實踐能力的培養是CDIO教育模式中特別強調的能力之一，因此，在“操作系統課程設計”中，以CDIO的理念去改革設計實踐課程，以項目驅動的方式，以期提高“操作系統課程設計”這一操作系統課程群中對實踐能力提高最為重要的一個教學步驟。

“操作系統”作為一門專業核心課程，其實踐教學環節對培養學生的動手能力，分析問題、解決問題的能力至關重要，是整個教學環節重要的組成部分。在CDIO教育模式的指導下，理論和實踐相結合，構建“基礎—項目—系統”的三階段實踐教學體系，其整個教學過程可分為幾個層次，如圖2所示：

操作系統實踐教學的第一個層次屬于驗證型實驗，主要是對操作系統中的一些經典算法進行仿真、模擬。這一階段的實驗內容單一，學生在學習理論知識的同時可以完成上述第一階段的實驗，因此可以放在“操作系統”理論教學中的上機實驗的環節來完成。“項目實驗”和“系統實驗”這兩個階段的目的在于培養學生分析問題、解決問題的能力以及自主思考并進行創新性探索的能力，這兩個階段可以安排在“操作系統課程設計”課程中?！绊椖繉嶒灐蓖ㄟ^Linux源碼的分析，設計一些小的綜合性實驗，是學生從理論到實踐的過度階段?！跋到y實驗”在前述實驗環節的基礎上，進一步培養學生自主學習、自主創新的能力。

3.建立CDIO模式下的操作系統課程考核評價體系

長期以來，操作系統課程的考核評價體系重理論，輕實踐，將學習的過程變為追求分數和應付考試的過程。學生能力的獲得不僅需要有扎實的理論基礎，跟需要在實踐中培養出來的自我學習能力。因此需要對現行的考核方式進行調整，變單純對結果的考核為對學生整個學習過程中各個階段的考核，這也是提高實踐教學質量的一種有效措施。[4]

表1 考核內容及所占比例

考核項目考核內容分數比例

分比例總比例

項目研發過程評價出勤率50%10%

參與度50%

代碼運行結果評價運行結果的正確性50%30%

代碼書寫的規范性50%

課程設計報告文獻綜述及調研15%40%

技術原理概述15%

關鍵技術總結30%

所承擔的任務40%

答辯過程評價表達和總結能力50%20%

團隊合作50%

根據“操作系統課程設計”的課程要求，學生在完成第三個階段的“系統實驗”的實踐教學之后，需要提交的內容包括：以組為單位完成的項目的源程序，可執行程序和課程設計報告。在課程結束前安排各個項目小組針對課程的任務進行課程交流和分組答辯，考核評價的內容和比例見表1所示。指導教師根據每個小組的完成情況、實驗結果的正確性、現場答辯情況進行小組評分，作為該小組成員的最高得分；對組內各個成員評分，結合學生小組分工情況和組內評價進行評分，加權后確定個人成績。

四、總結

CDIO教育模式在構思、設計、實現和運行的指導下，在繼續強化對學生理論基礎知識學習的同時，更加注重其理論知識的應用能力，整個團隊的協作能力及自主學習、自主創新能力的培養。在建設創新型國家、創新型人才的背景下，將CDIO的理念引入到“操作系統課程群”建設中，以CDIO的教育模式去改革操作系統課程的實踐教學環節是切實可行的。通過改革，在操作系統教學實踐中，以“項目”為核心，鼓勵學生發揮主觀能動性，在實踐的過程中自我學習，自我創新，實現課程的教學目標，提高學生的學習興趣，為“操作系統”后續課程的學習打下扎實的理論和實踐基礎，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]雷環，湯威頤，Crawley E F.培養創新型、多層次、專業化的工程科技人才[J].高等工程教育研究，2009，（5）：29-35.

[2]邱劍鋒，謝娟，李龍澍，等.操作系統課程之“讀者—寫者”問題教學探討[J].計算機教育，2011，（22）：16.

[3]吳大親，么文學.CDIO 理念在 Linux 操作系統課程中的探索與實踐[J].吉林工商學院學報，2011，（3）：34.

[4]張璇，李彤.結合CDIO 教育理念與案例教學進行教學探索與實踐[J].教育與教學研究，2008，（24）：155-157.

（責任編輯：王意琴）