面向新工科的《操作系統》課程改革研究

曹建芳 武曉軍

摘要：《操作系統》是網絡工程專業一門重要的專業必修課程。為適應新工科建設需要，對《操作系統》課程教學環節進行改革。通過分析《操作系統》課程教學現狀和存在的問題，提出基于工程實踐能力培養的《操作系統》課程改革方案。首先，以工程教育理念為指引，確定課程教學目標和核心知識點;然后采用翻轉課堂改革理論教學方式，制定進階式實驗項目更新實踐環節;最后提出新的課程考核內容與方式。實踐表明，該教學改革方案有效提高了學生的專業實踐創新能力，取得了一定成效。

關鍵詞：網絡工程;操作系統;新工科;教學改革

DOI：10.11907/ejdk.191193開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0209-04

0引言

基于國家戰略發展的新需求、國際競爭的新形勢和立德樹人的新要求，教育部在2017年4月公布了《新工科建設行動路線》，旨在推動現有工科專業內涵式改革創新，提升高校創新創業人才培養能力，構建工程科技人才培養的新模式和新體系。我國網絡工程專業自教育部獲批開始招生僅有10余年時間，屬較新的專業。但該專業工程實踐性很強，所涉及的專業知識不僅包括計算機、電子信息等專業基礎課程，還與IT產業、尤其是網絡技術發展現狀密切相關。《操作系統》作為網絡工程專業一門非常重要的專業必修課，網絡設備的智能化、復雜化發展趨勢和新工科建設對該課程教學都提出了新的要求。然而，目前在大多數高校網絡工程專業人才培養方案中，《操作系統》課程教學大綱還基本上沿用計算機科學與技術專業的教學內容。林峰等嘗試采用項目驅動對《嵌入式操作系統》課程進行教學改革;楊健兵等采用基于工作過程對《Windows Server 2008操作系統》課程教學方法進行改革;邱劍鋒等將OBE教育理念引入《操作系統》課程，將教學內容驅動轉變為學習結果驅動。上述研究對不同類型的操作系統課程進行了一定的改革，但大部分只針對課程某一方面進行改革嘗試，并沒有專門針對網絡工程專業的學生進行研究。網絡工程專業在課程教學中需要使用各種類型的網絡設備，這些設備對操作系統需求不一樣，遠遠比傳統的操作系統復雜。隨著網絡和通信技術的飛速發展，操作系統的變化會愈來愈明顯。顯然，如果繼續按照傳統操作系統的教學大綱對網絡工程專業的學生進行教學，已經不能滿足該專業人才培養需求。因此，結合新工科人才培養理念和需求，改革網絡工程專業操作系統課程的教學模式迫在眉睫。筆者多年從事《操作系統》課程教學，經驗豐富，基于新工科建設理念，對網絡工程專業《操作系統》課程教學改革進行探討，提出了相應的教學改革措施。

1《操作系統》課程教學現狀及存在的問題

《操作系統》屬于網絡工程專業的核心課程，目前大部分高校都采用西安電子科技大學出版社出版的《計算機操作系統》作為主要教材，沿用計算機科學與技術專業教學大綱，60-70學時，其中講授40-50學時，實驗20學時，主要以驗證性實驗為主;考核以期末筆試成績為主，占70%-80%，平時成績和實驗成績占20%-30%;一般安排在本科第四學期或第五學期講授。通過該課程學習，旨在讓學生掌握計算機系統的整體概念和操作系統的設計方法，深刻理解計算機操作系統的運行機制并指導后續專業課程學習。這是一門理論性和實踐性均很強的課程，對于工程實踐性很強的網絡工程專業，如果只是按照上述安排講解《操作系統》基本概念和原理，很難達到新工科建設要求。

1.1概念原理多，知識點繁雜，內容抽象

《操作系統》課程涉及的概念和原理較多，而且知識點繁雜，大多數內容均與計算機底層硬件相關，較為抽象。如在多道程序設計中引入進程概念，虛擬存儲器管理中引入邏輯地址和物理地址概念，而且在進程調度和頁面置換中涉及多種算法，這些內容均需學生在掌握《數據結構》、《計算機組成原理》等課程的相關知識后才能領會。而一般情況下，學生在學習《操作系統》課程時，這些課程剛結束，或是《計算機組成原理》與《操作系統》兩門課程同時開設，相關基礎知識較差，導致大部分學生認為課程內容抽象、難以理解。而網絡工程專業是一個以工程實踐為主的專業，課程中涉及的概念、原理應該與工程實踐相結合才能增加課程的趣味性。

1.2以驗證性實驗為主

教師在講解《操作系統》課程理論部分時強調的是操作系統本身的設計，而在實驗時以操作系統應用為主，大多都是驗證性實驗。如在講授信號量機制時，理論內容講解的是如何設計信號量以實現進程之間的同步，而實驗部分則是讓學生仿真生產者一消費者問題以更好地理解信號量機制，這導致理論與實踐脫節。因此，《操作系統》課程應增加設計性、綜合性實驗，以提升學生的實踐創新能力。

1.3理論、實踐學時比例失調

以忻州師范學院計算機系網絡工程專業為例，該課程共68學時，其中講授52學時，實驗16學時。這樣的學時比例分配，實踐環節非常薄弱，明顯重理論輕實踐，導致學生認為課程枯燥無味。理論部分內容在實驗中無法得到應用，學生的實踐能力難以得到提高。

2課程改革方案

2.1確定課程教學目標與核心知識點

根據工程教育理念對人才培養目標做出調整，將網絡工程專業人才培養目標定位為“滿足互聯網+時代IT產業需求的應用型網絡工程技術人才”。

根據《高等學校網絡工程專業規范》對《操作系統》課程教學內容的指導性意見和課程畢業要求，確定《操作系統》課程總體教學目標為：①深刻領會操作系統的基本概念、原理和內部結構;②掌握傳統和現代操作系統設計的關鍵技術和實現方法;③能夠按照系統設計原理剖析常見的操作系統實例;④能夠使用高級程序設計語言分析和實現操作系統中的核心算法;⑤能夠分析、比較和評價操作系統的各種常見算法實現。

修改后的課程教學目標與專業規范中涉及到的《操作系統》課程要求指標之間的對應關系如表1所示。

《操作系統》課程教學的主要目標是：學生在掌握計算機相關工程知識基礎上，掌握系統軟件開發解決方案，具備從事工程實踐的能力，具備終身學習能力。學生畢業后可從事系統設計、分析、開發與維護等。該課程在專業人才培養的核心課程中起著承上啟下的作用，其先修課程主要包括《高級語言程序設計》、《數據結構》、《計算機組成原理》，后續課程包括《計算機網絡》和《嵌入式系統設計》等，課程總體框架如圖l所示。

《操作系統》課程主要包括進程管理、存儲器管理、設備管理和文件管理4部分內容。進程管理部分核心知識點有：進程的同步與通信機制、處理機調度與死鎖問題;存儲器管理的核心知識點包括內存分配與回收、虛擬存儲器實現方法、頁面置換算法;設備管理部分核心知識點有I/O系統、I/O控制方式和中斷處理;文件管理部分核心知識點主要包括文件結構和組織形式、文件的存儲方式以及共享和保護。

2.2改革教學方法

2.2.1采用翻轉課堂

《操作系統》課程涵蓋內容多，而且大部分內容與計算機底層硬件相關，較為抽象。如果僅僅依靠有限的理論講授學時，難以全面學習操作系統理論內容;而且對于抽象、枯燥的理論，單純依靠教師講授很難達到理想的教學效果。結合中國大學MOOC上提供的在線課程，采用翻轉課堂和任務驅動式教學，課前布置任務，安排學生利用MOOC在線資源預習，提出問題;課堂上，教師重點講解抽象的原理和方法，并以小組的形式組織學生分組討論、解決預習過程中存在的問題;課后安排學生在MOOC上參與交流討論，通過與在線學習的學生溝通，激發學習興趣;引導學生自主查閱相關文獻資料，逐步提高科學研究能力。通過這些方法，變被動學習為主動學習，學生分析問題和解決問題的能力得到快速提升。如在學習進程同步相關內容時，課前布置預習任務，讓學生提前了解進程同步的概念、機制，課堂上教師著重講授信號量機制解決具體問題的步驟和方法，并引導學生共同討論，分析解決進程同步問題;課后安排學生通過學習MOOC在線資源和查閱文獻資料，編程實現進程同步問題。

2.2.2制定進階式實驗項目

在實踐環節，為培養學生的系統分析和設計能力，需要有針對性地、循序漸進地設置實驗項目。因此，嘗試制定進階式實驗項目，逐步提高學生的實踐創新能力，如表2所示。

第一層級為基礎的驗證性實驗，目的是驗證《操作系統》課程涉及的核心知識與原理，將抽象的原理在實驗中形象化，幫助學生鞏固課堂講授的重點內容;第二層級為設計性實驗，是對第一層級驗證性實驗的拓展。主要分析通用操作系統的核心原理與技術，引導學生使用所學知識分析操作系統核心原理實現過程，逐步提高專業實踐能力和素養;第三層級為綜合性實驗，主要分析Linux操作系統內核，加深學生對操作系統結構的理解，同時提升團隊協作和溝通能力;第四層級為創新性實驗，主要通過搭建虛擬實驗平臺和構建實驗案例，讓學生將所學理論知識應用于實踐，了解操作系統構思、設計到最后實現與運行的全過程，培養學生的創新能力。通過進階式實驗，學生的專業實踐創新能力在潛移默化中得到大幅度提升。

2.3注重過程性考核，更新考核內容與方式

改革之前，《操作系統》課程采用“平時成績x（20%-30%）+期末筆試成績x（70%-80%）”的考核方式。根據新工科建設要求，對課程考核內容與方式進行改革。首先，加大平時成績比例，將平時成績占比提高到40%;其次注重過程性考核，更新考核內容，將平時成績分為課堂表現、小作業、大作業和實驗成績4項，各占比10%，學生的課堂表現不僅僅考核出勤情況，還增加了參與課堂討論、回答問題，課后線上交流、發帖等情況考核;另外對期末考試內容也做了調整，從原來考核學生對理論知識的掌握情況，轉變為重點考核學生對所學知識的理解和應用能力上?！恫僮飨到y》課程考核內容和方式的改革，更好地體現了新工科建設對學生工程實踐能力的要求，有助于提升學生的實踐創新能力。

3課程改革成效

《操作系統》課程改革方案自2017年春季在忻州師范學院計算機系網絡工程專業開始試行，經過兩年多的實踐，取得了一些成效。

3.1學生在線學習情況分析

圖2是近年來忻州師范學院計算機系網絡工程專業學生使用中國大學MOOC平臺選修《操作系統》課程人數比例情況。

從圖2可以看出，在未實施改革前，學生很少利用在線學習資源學習，自2017年《操作系統》課程實施改革之后，使用中國大學MOOC平臺選修《操作系統》課程學習的人數大幅度增加，這說明課改之后學生的自主學習能力逐步增強，學習已不完全依賴于課堂。網絡學習平臺打破了傳統學習方式在時間和空間上的限制，受到學生的青睞。

3.2學生評教情況分析

表3是《操作系統》課程評教的平均成績統計。

從表3可以看出，雖然每年上課的學生和任課教師有所不同，但2015年和2016年學生的評教成績相對不高，究其原因是大部分學生認為《操作系統》課程枯燥、難學，不感興趣;從2017年開始，在理論和實踐環節改革之后，學生評教成績有了較大提高，對課程的學習興趣逐漸增強，相應的實踐創新能力也有了一定提高。

4結語

為提升網絡工程專業的工程實踐能力，根據新工科建設要求，本文探討了《操作系統》課程理論和實踐教學環節改革方案，并進行了改革實踐。以工程教育理念為指引，確定課程教學目標和核心知識點，采用翻轉課堂改革理論教學方式，制定進階式實驗項目，更新實踐環節，采用新的課程考核內容和方式。通過在線學習情況和評教情況檢驗改革成效。數據分析結果表明，課改取得了良好效果。

在推進新工科建設進程中，學生工程實踐能力的培養還需要產業界、社會界與高校的深入合作，這也是今后教學改革過程中需要考慮的問題。