CDIO教學模式在“操作系統”課程教學改革中的應用

詹曉娟，姚登舉，周屹

摘 要：操作系統是一門理論與實踐相結合的課程，文章從CDIO工程教學模式的內涵入手，分析了操作系統課程教學中存在的弊端，提出了基于CDIO教學模式的操作系統課程教學改革路徑。實踐表明，改革后的操作系統課程教學質量較之以前有了明顯的提高。

關鍵詞：操作系統；教學改革；CDIO模式

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2014）11-0032-02

“操作系統”是計算機和軟件工程專業的專業基礎課程，其課程特點是概念多且抽象、原理性強，傳統的教學普遍存在重理論輕實踐的情況，教學效果較差[1]。CDIO工程教育模式是當今世界高等工程教育研究的最新成果，將CDIO工程教育理念引入到“操作系統”課程教學中，通過改革教學理念、修訂教學設計、改進教學方法、增強實踐教學等措施，有利于培養學生的工程實踐能力、團隊協作能力和創新意識，使學生更好地理解和掌握操作系統的基本原理和實現技術。

一、CDIO工程教學模式的內涵

CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）四個英文單詞的縮寫，其核心思想是“做中學”和“基于項目教育和學習”[2]。CDIO以產品、過程和系統的構思、設計、實施、運行全生命周期為背景的教育理念為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習和獲取工程能力，包括個人的科學和技術知識、終身學習能力、交流和團隊工作能力，以及在社會及企業環境下建造產品和系統的能力[3]。CDIO教育理念自提出之日起就引起國際工程教育界的高度關注，2000—2004年，瑞典查爾姆斯技術學院等四所大學，成立了國際化CDIO合作組織[4]。2006年我國汕頭大學最先開始在國內推進CDIO教學改革并向全國推廣。2008和2010年，國家教育部先后選擇了39所高校進行CDIO工程教育人才培養模式改革試點。基于CDIO的課程教學圍繞學科進行組織，專業課程之間是相互交叉和相互支持的，知識模塊有機地融合于特定的工程項目，學生在教師的指導下以課堂討論和實驗室操作相結合的方式進行以主動性、實驗性、分組學習為特征的學習活動。

二、傳統“操作系統”課程教學存在的問題

（一）重理論、輕實踐

“操作系統”課程涉及的概念較多、原理復雜，傳統的教學模式受學時限制，往往把教學重點放在理論知識的講解上，而忽視了學生實踐能力的培養。通常實驗學時安排較少，且內容多是驗證性的。學生在課堂上對于理論知識理解并不透徹，而實驗只是簡單地運行一下現成的程序。學生懷著“以后也不會去做操作系統”的心理，缺乏學習興趣和動力，難以達到教學目標。

（二）教學內容孤立，缺少知識間有機融合

“操作系統”是一門系統性很強的課程，和程序設計、數據結構、計算機組成原理等課程有著密不可分的聯系。傳統的“操作系統”教學往往就操作系統講“操作系統”，學生對著繁雜的概念很難理清其中的頭緒。要使學生建立起系統的概念，就需要融合相關的知識，從系統開發的角度剖析操作系統原理，才能更好地理解操作系統的精髓。例如，“數據結構”課程中的基本數據結構及算法，對于學習和理解操作系統具有重要的影響。

（三）課程教學脫離實際應用，缺乏對學生進行科技創新興趣的培養

操作系統是計算機的心智，其工作原理和概念體現了人類智慧和人生哲學，比如排隊理論、“懶人”哲學、銀行家算法等等。傳統的教學往往脫離操作系統的應用背景——即人類發明的體現人類智慧的為人服務的軟件系統——來孤立地講授操作系統概念，導致學生感覺操作系統是一門非常枯燥的課程，失去了學習的興趣，從而影響教學效果。

三、基于CDIO的“操作系統”課程教學改革路徑

傳統的“操作系統”課程教學不利于培養學生的工程實踐能力。借鑒CDIO工程教育理論，對“操作系統”課程教學進行全方位的改革，是一項有意義的工作。筆者近年來對CDIO工程教育模式進行了系統的研究，并應用于“操作系統”教學實踐中，取得了較好的效果。

（一）轉變教學理念，變革教學模式

培養學生的工程實踐能力是工科學生的核心教學目標。CDIO的核心理念是“做中學”，為此，我們積極引導學生轉變把考試看作是課程學習的終極目標的錯誤觀念，課堂教學模式由以教師為中心轉變為以學生為中心。具體來說，在整個課程教學過程中，以Linux操作系統內核為教學案例，圍繞操作系統的相關原理和實現技術，開展項目驅動的教學實踐活動。課堂上，教師減少理論授課內容，組織學生開展研討式的學習活動，引導學生從系統設計的角度，去認識、理解操作系統，進而以項目小組的形式，引導學生利用所學習的知識自己構思、設計、實現并運作一個系統原型。這種項目驅動的教學方式要求教師和學生在課下都要進行充分的準備，通過自主研發和團隊競爭的方式，有利于激發學生的學習興趣，挖掘學生的創造力，同時加強培養學生的工程實踐能力、溝通交流能力與團隊合作精神。

（二）優化教學設計，增強課程知識間的融合

“操作系統”作為一門專業基礎課程，與程序設計、計算機組成原理、數據結構、軟件體系結構等課程有著密不可分的聯系。同時，操作系統的基本原理體現了人類處理問題的思維方式和方法，是人類管理方式的機器體現。基于系統性和模塊化的思想，我們對原有的“操作系統”教學設計進行了優化，將課程知識點整合成進程管理、存儲管理、設備管理、文件管理、系統接口等五大知識模塊，并增加了不同模塊和相關課程之間的聯系，結合實際使用的操作系統，在授課時讓學生了解相關知識的來龍去脈和應用場合，使學生在學習的過程中在頭腦里始終保留一個實際的操作系統輪廓，增強系統的完整性和形象性，從而提高學生的學習興趣和學習效果。

（三）加強實踐教學環節，推進理論與實踐相結合endprint

興趣是最好的老師，實踐是最好的學習方法，實踐教學對創新型人才的培養有著極其重要的作用。在實踐教學過程中，以CDIO理念為指導，采用算法模擬和功能模塊替換的方式使學生加深對操作系統基本概念的理解。算法模擬選取課程中的典型算法，如FCFS算法、讀者寫者問題、頁面置換算法等，要求學生課下搜集資料，自己實現或改進已有算法，在實驗課上對模擬算法進行驗證。功能模塊替換方式以Linux操作系統為實驗平臺，讓學生課下閱讀真實的系統代碼，在理解相關功能模塊的實現原理后，用自己設計的功能模塊替換其中相應的功能。通過這種方式，改變了以往學生只讀別人程序，不自己動手編寫程序的習慣，鍛煉學生的工程實踐能力、創新精神和專業自信。為了激發學生的積極性，學生的研究成果將計入平時成績中。

（四）優化教學方法，提高教學質量

有效的教學方法是實現教學目標的手段。要改變過去“灌輸式”、“填鴨式”的教學方法，積極推行“研討式”、“問題驅動”、團隊協作式的方式方法。充分利用課上課下兩個學習空間，發揮組內組間兩種交流途徑，本著“因人制宜、因材施教”的原則，讓每一個學生在學習活動中都能找到適合自己的角色，調動每一個學生的積極性和創造性。積極開展案例教學，在基本指令、功能命令、程序模塊、系統設計等層次上設計與教學內容相關的項目案例，引導學生通過觀察操作系統中某些特定的運行現象來體會操作系統原理。

（五）改革考核方式，注重能力考查

傳統的“操作系統”課程偏重理論知識考核。為了鼓勵學生積極動手實踐，我們改革了課程考核方式，將分析解決問題的能力、團隊協作能力等列入成績的評定指標中。調整期末考試和平時成績的比例，分別占60%和40%。調整平時成績的考核指標，從學習態度、應用能力、團隊協作、個人修養等四個方面進行評定，評定方式采取組內自評、組間互評和教師評價相結合的方式。通過考核方式改革，激發學生的學習熱情，引導學生從單純學習理論知識轉向理論與實踐相結合進行學習，有利于培養學生的工程實踐能力和綜合素質。

CDIO教學模式在強調理論基礎的同時，注重培養學生的實踐操作、創新思維、系統設計、團隊協作等綜合能力。本文針對傳統的“操作系統”課程教學過程中存在的問題，提出將CDIO理念引入到“操作系統”課程教學中，從改革教學理念、優化教學設計、加強實踐教學、改進教學方法、改革考核方式等方面介紹了教學改革的有效措施，取得了很好的教學效果。

參考文獻：

[1]楊柳，胡志剛.面向CDIO的“操作系統”教學改革探討與

實踐[J].計算機教育，2009，（14）.

[2]查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程

教育研究，2008，（3）.

[3]顧學雍.聯系理論與實踐的CDIO[J].高等工程教育研

究，2009，（1）.

[4]高雪梅，孫子文，紀志成.CDIO方法與我國高等工程教

育改革[J].江蘇高教，2008，（5）.endprint