淺談新工科背景下地方高校操作系統課程改革建議

陶玉婷 方旭明 楊樂嬋 梁穎紅

【摘要】針對操作系統課程抽象難懂卻極其重要的現狀，并以新時代對人才能力素質的新需求為出發點，本文提出了新工科背景下地方高校操作系統課程改革的四條建議，并做到與時俱進。

【關鍵詞】新工科 地方高校 操作系統 課程改革

【基金項目】2017年江蘇省高等教育教改研究立項課題（2017JSJG263）“面向工程教育認證的螺旋改進小規模課程群建設——以軟件工程專業基礎編程能力課程群為例”。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）09-0240-02

一、新工科概述

2017年2月以來，教育部先后召開新工科的研討會，分別提出了“復旦公識”和“天大行動”[1]。其中，“復旦公識”將高校分成工科優勢型、綜合型和地方型，并建議根據高校自身類型特點和社會需求，分類指導，形成各自的辦學特色和教學模式。而“天大行動”[2]緊密結合當前世界范圍內第四次工業革命，將重點致力于以下幾條改革行動：1）以應對變化、塑造未來為指引，提出新范式，即從過去的專業分割轉向跨界交叉融合，并推動創新；2）以產業需求為源點，孕育新專業，并提出構建新的專業結構體系；3）根據行業需求，更新教學內容，培養學生對知識點的批判思維及終身學習的意識；4）增加師生間的互動，更新教學方式和教學手段；5）鼓勵校企合作，并將教師的科研成果運用到教學中，推動產學研融合發展。

從高校的角度，新工科產生了如人工智能、云計算等新興專業，也包括對傳統工科專業的改造和傳統教育理念的更新；從社會的角度，新工科強調的是應運而生的新產業結構和新服務體系，比如智能制造、混合現實、物聯網等。總之，新工科不是對傳統工科的否定和擯棄，而是在傳統工科的基礎上，加入新元素，使其更加符合科學發展規律，并適應新經濟發展的需要[1]。

二、地方高校的特點

地方高校的自身特點是[3]：1）群體龐大。據統計，2016年我國普通高等院校共2596所，其中開設工科專業的院校高達90%，地方本科院校（含民辦）則達到90.8%；2）服務面向地方。即地方高校的職能是為地方的社會經濟發展做貢獻；3）培養應用型人才。應用涵蓋工程、技術和技能，換言之，這類人才是在生產實踐中參與直接勞動和工作。

三、操作系統的地位作用及其課程現狀論述

操作系統是計算機系統中最核心、最基礎的軟件，也是計算機技術和管理技術的結合[4]。幾乎所有的高校都將其納為專業基礎課和必修課，同時它也是一門理論和實驗并重的主干課。可是，該課知識點繁雜、理論抽象、邏輯性強，導致了實際教學過程中學生難學，老師難教的普遍現象[4-5]。本文將站在新工科時代背景的高度，以地方高校的辦學定位和培養目標為著眼點，以“天大行動”為指導方針，結合應用型本科學校的學生現有的學習基礎和實際理解水平，提出了以下四點改革建議。

1.以直觀的開場白強調操作系統作用并激發學生的學習興趣

教科書第1章介紹操作系統時，會涉及很多抽象的概念。比如操作系統的并發性和異步性，書上會說“多道程序引起了并發，并發導致了異步”。作為初學者，很多學生覺得難以理解，搞不清楚這門課對自己將來有什么用。他們只知道是專業核心課，盡管晦澀難懂，也要堅持學完，整個學習過程不僅似懂非懂，而且態度也消極。

針對上述問題，筆者認為，第1章屬于入門章節，不宜一口氣大量概括操作系統的方方面面，尤其要避免大量的抽象概念，否則初學者根本無法完全消化，反而會挫傷他們的學習積極性。相反，作為任課教師，一開始應該形象地以windows電腦或者android手機為例，操作系統提供了友好的界面，可以保存文件，可以外插耳機等等。如果沒有操作系統，這一切皆不可能實現。同時也要闡明，作為應用型本科高校的學生，將來就業后肯定不可避免地要參與代碼的編寫，而操作系統則為代碼提供了運行的環境。

以此直觀的開場白激發學生的興趣，驅動他們接下來積極思考和學習操作系統如何去實現組織和管理功能的。

2.打破章節順序并加大本課程內外知識點之間的聯系

筆者認為，教師在有限的理論課上不必灌輸所有的知識點，而是應該站在整個系統的高度，把重要的知識點講得精、講得透，讓學生在腦海里形成各知識點相互配合的整體結構，并能舉一反三。

（1）加強章節之間的交叉聯系

操作系統將諸多類別的軟件和硬件有機結合起來，保證整個計算機內部高效地、有條不紊地運作。以打開文件為例，整個過程是根據文件路徑搜索，直到找到文件，并將其i結點從磁盤拷貝至內存。除了文件本身的知識點外，教師可以結合其他若干章節內容做更深刻的解釋。比如，打開文件是一個動態過程，需要創建進程來做；拷貝i結點需要讀磁盤（I/O操作中往內存傳輸叫作讀，反過來叫作寫）；打開文件屬于系統調用的一種（從用戶發出打開文件指令到系統內核驅動硬件去讀磁盤）。

（2）強調操作系統與相關課程之間的聯系

作為銜接軟件和硬件的橋梁，操作系統貫穿整個計算機專業領域，能涉及到的其他課程非常多。以內存管理為例，內存地址用二進制比特表示并靠總線來控制指令的存取（硬件）；零散的內存空閑區用鏈表來組織串聯（數據結構）；變量類型的定義其實就是分配內存的過程（C語言）；內存管理分為內存分配、內存回收、越界檢查等功能模塊（軟件工程）。

3.打破教科書內容的局限并滲透批判思維

操作系統課程如何體現批判思維呢？筆者認為，不能局限于教科書上的固定管理算法，而是要讓學生在學習的過程中，思維向外延伸。雖然操作系統本身對進程、文件、硬件和內存等這些資源的管理任務是固定不變的，但是沒有十全十美的管理算法，只能說不同的算法，適用于不同的應用場合。硬件技術隨著時代的變遷在不斷發展，作為信息處理的載體，硬件（內存和磁盤）可容納的數據量正呈現出非線性的增長趨勢。因此今后的操作系統，必將面臨大規模數據環境下資源管理的應用場合，其管理算法也要做適當修改，達到與之相適應。比如，在講解內存管理的時候，可以讓學生主動思考：面對爆炸式增長的數據量，現有的哪些管理算法不再合適？該如何改進？以內存空閑塊管理為例，數量較少的空閑塊可以采取鏈式管理，即把零散的空閑塊串聯成鏈表；但是當數量多時，UNIX系統采用的是成組鏈接法。以此為參考，學生可以發揮自己的想象，思考教科書以外的其他改進算法。畢竟，萬變不離其宗的是，操作系統的根本出發點在于統籌規劃，即采用合理的管理算法來提高資源的利用率、提高系統的整體吞吐量，以方便用戶的使用。

4.以對外交流促進動手能力培養和教學內容更新

作為理論與實踐并重的主干課，傳統的操作系統課程不僅重理論輕實驗，而且大多數實驗是淺層次的驗證類型，而能夠調動學生積極性的設計型和綜合型實驗卻很少[4]。筆者贊同這一點，但同時也認為，設計型和綜合型實驗的增加不宜盲目，而是要借鑒和參考當今的行業需求。以網絡空間安全為例，目前IT市場上有很多防御網絡病毒的技術都做進了操作系統里。高校在開設操作系統課程時，對軟件工程、計算機專業的學生可以增加這方面的理論知識；而對信息安全的學生，則要增加這方面的實驗，比如緩存區溢出檢查、注入漏洞與檢測等等。

在國際交流方面，以澳大利亞的昆士蘭科技大學（QUT）的Computer Technology Fundamental為例，它看似是一門關于計算機技術的基礎課，涉及很多概念，但實際上要求學生結合所學的知識，做出一個能在Linux系統上運行的東西。以此反思國內的操作系統課，既然作為主干課，是不是更應該強調理論結合實際呢？筆者認為，結合當今Linux運行平臺的廣泛使用性（Mac電腦、Android系統等），操作系統課程應當增加系統調用的設計實驗。因為，增加和修改系統調用并重新編譯內核，能讓學生深刻理解系統調用與一般函數調用的異同點，由此他們也更能體會到計算機在設計上采用的層次結構，及其對外界用戶的有限開放和對內部重要指令的保護措施。

四、結束語

本文在新工科背景下，立足于地方高校的辦學定位中，以“天大行動”為指導方針，對操作系統課程提出了四條改革建議。總之，面對當今加速發展的新技術，地方高校的課程要從理論和實踐兩方面做到與時俱進，以培養出具備動手實踐能力、緊跟時代步伐且不斷提升自我的未來勞動者。

參考文獻：

[1]李華，胡娜，游振聲. 新工科：形態、內涵與方向[J]. 高等工程教育研究，2017年（第4期）：16-19.

[2]中華人民共和國教育部.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL]/[2017-04-08].

[3]夏建國，趙軍. 新工科建設背景下地方高校工程教育改革發展芻議[J]. 高等工程教育研究，2017（第3期）：15-19.

[4]何菊. 操作系統課程多角度教學改革探索與實踐[J]. 計算機時代，2017年（第5期）：75-78.

[5]王英，王鑫，左萬利.操作系統課程改革的啟發和思考[J]. 計算機教育，2017年（第2期）：34-37.

作者簡介：

陶玉婷，女，講師，研究方向為計算機理論與方法、操作系統。