新工科背景下基于OBE教育模式的操作系統教學改革研究與實踐

摘? 要：傳統的操作系統課程教學以知識導向為主，難以有效提高學生分析和解決較復雜操作系統問題的能力。在教育部積極推進“新工科”建設的大背景下，本文采用基于成果導向的教育理念（Outcomes-Based Education，OBE），以培養學生創新思維、分析和解決較復雜問題的能力為目標，對操作系統課程的教學內容、教學方式和考核方式進行了改革和探索，采用了翻轉課堂、智慧教室、雨課堂等先進的教學方法、教學設施和軟件工具進行了教學改革實踐并取得了較好的實踐效果。

關鍵詞：新工科;OBE;操作系統;雨課堂;智慧教室

中圖分類號：TP316? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：Traditional course teaching of the operating system is mainly knowledge-oriented，which is difficult to effectively improve students' ability to analyze and solve complex operating system problems.Under the background of the construction of New Engineering，which is actively promoted by the Ministry of education，this paper adopts the ideas of outcome-based education（OBE） to cultivate students' capability of innovative thinking，analysis and solving complex problems.This paper reforms and explores the teaching content，teaching method and assessment method of operating system course，and use the advanced teaching methods，teaching facilities，and software tools such as flipped classroom，intelligent classroom，and rain classroom to carry out the teaching reform practice and achieve good practical results.

Keywords：new engineering;OBE;operating system;rain classroom;smart classroom

1? ?引言（Introduction）

隨著國家不斷推動創新驅動發展，以新技術、新業態、新模式、新產業為特點的新經濟得以蓬勃發展，進而對工程科技人才培養提出了更高要求，迫切需要進一步推進工程教育的改革創新。2017年2月以來，教育部提出了積極推進“新工科”建設的重大教育改革舉措，其指導思想是以市場對人才的實際需求為導向，大力培養能解決復雜工程問題的工科人才[1]。在此背景下，操作系統的設計與開發作為工業革命4.0的核心技能之一，操作系統課程業已成為工科院校軟件工程專業的必修課程之一。為適應時代發展和“新工科”建設的新要求，我們引入基于成果導向的OBE教育模式，對操作系統課程進行了全方位的教學改革。

2? ?OBE理念（OBE concept）

OBE是基于成果或產出為導向的一種教育模式，最初是美國和澳大利亞等國在其基礎教育改革中開始應用。它以學生預期的學習產出為中心來組織、實施和評價教育活動[2]。從20世紀90年代開始，《華盛頓協議》的成員國美國、英國和加拿大等國將OBE模式作為其教育改革的主流理念，并完全應用于工程教育的專業認證中[3]。2016年6月，我國正式成為《華盛頓協議》的會員國，拉開了具有國際實質等效的工程教育專業認證的帷幕。工程教育專業認證有三個基本理念：成果導向、以學生為中心和持續改進。采用成果導向的教育模式開展工程教育改革，對于培養解決復雜工程問題能力的工科人才具有重要的現實意義[4]。

OBE教育理念強調學生的學習成果，注重教學過程的輸出而不是其輸入，需要我們以學生的學習產出為出發點，反向設計教學活動和評價標準[5]。如何構建科學的課程教學體系，以學生為中心進行研究型的教學，并制定多元化和梯次的教學效果評價方法來實現學生學習成果的規范化評估，是OBE教育理念實踐中亟待解決的關鍵問題。本文在新工科建設的大背景下，基于OBE教育理念對操作系統課程進行了教學改革實踐，探索如何構建符合OBE理念的軟件工程專業操作系統課程的教學體系和多元、量化的教學效果評價方法，以期不斷改進和提升操作系統課程的教學實踐水平。

3? ?操作系統課程教學現狀（The current situation of operating system teaching）

操作系統課程的系統性和理論性較強，所包含的概念多且較為抽象，相關原理的講解也較困難，學生對知識點的理解往往不夠透徹。課程的實踐環節往往也較為薄弱，學生對操作系統技術方面的細節所知甚少，對操作系統的工作原理和實現機制大多缺乏深入的理解[6]。在以往的教學過程中也是以知識傳授為主，重點關注的是學生掌握現有課程知識的情況，忽視了對學生獨立分析和解決較復雜問題能力的考核，不利于學生系統綜合分析、設計和實踐能力的提升。

4? 基于OBE的操作系統課程教學改革（Teaching reform of operating system course based on OBE）

4.1? ?教學方式改革

在操作系統課程中我們不斷嘗試和創新教學方法，活躍課堂氣氛，以學生為課堂的主體，在教師的引導下，學生積極、主動參與教學活動，取得良好的教學效果。

（1）翻轉課堂教學法

該方法以學生為中心，培養學生獨立思考、自主學習和分析研究解決問題的能力。教師在課前提供相關的教學視頻及適當的閱讀材料，要求學生在課前自學課程的內容，在課堂上則不再詳細地從頭講解課程內容，而主要是重點講解核心的概念，啟發課堂討論，解答學生在自學過程中遇到的問題，同時做一些相應的測試來鞏固和加深學生對相關知識的理解。

為了實施“翻轉課堂”需要制作較好的視頻材料，在此次教改中，我們將主要的精力放在如何組織課堂的設計上，視頻素材主要參考了清華大學的向勇副教授和北京大學的陳向群教授的相關視頻。因為學生事先學習了相關的課程視頻，在課堂上一些概念性的內容和基本的原理可快速地進行介紹，如何支配較傳統課堂上多出來的時間成為我們課堂教學的一個關鍵點。翻轉課堂強調課前的預習和課堂教學的結合，可充分利用現代網絡信息技術的優勢，教師不能照本宣科地完成課堂教學任務，而需要根據學生情況來靈活地安排課堂對話與討論，對于授課教師提出了更高的要求。此次教改我們僅對操作系統存儲管理的部分內容采用了翻轉課堂的教學方式。

通過以微視頻的形式讓學生預習課堂內容，可以讓學生帶著問題進課堂，老師在課堂上主要是針對性地解答學生的疑問和組織學生開展充分的互動交流。老師在課堂上只是起到一個輔助教學的作用，課堂以學生作為中心，老師從旁指導，把課堂上更多的時間留給學生進行討論和互動，充分體現了學生的課堂主體地位。而對于課堂上的對話與討論，則需要授課教師事先進行精心的準備。老師在課前需查找大量資料，準備討論的問題和測試的練習題，以及在課堂上因勢力導地現場發現問題開展討論，進而構建富有成效的面對面互動教學活動。

例如在講解內存管理部分內容時，我們采用了翻轉課堂的教學方式，事先提供了北京大學陳向群教授的教學視頻和一些閱讀材料讓學生自學，在課堂上主要是解答學生的問題并組織學生討論，然后通過課堂小測試發現學生的問題并開展針對性的教學，而不是單純地由教師傳授信息，極大地調動了課堂氣氛，取得了較滿意的教學效果。

（2）智慧課堂教學法

學校教務處近年來投入大量資金建設了多間智慧教室，來促進合作式的探究學習、增進課堂高效互動和幫助學生激發潛能、發展智慧。在操作系統的課程教學中，我們多次使用智慧教室來實現動態開放的課堂教學，增強學生學習的獨立性、自主性，通過智慧課堂的方式幫助學生地積極參與到課堂中來表達自己的見解，在課堂上采用分組討論、合作探究的方式就教學的重點和難點問題開展深入的互動交流和探索，培養和激發學生的創新思維，同時通過智慧教室可及時了解學生的學習反饋，并給予及時的引導和幫助，有力地促進了學生的個性化學習。

（3）雨課堂教學法

為更好地掌握學生的學習過程情況，實現數據驅動的教學，提升學生學習知識的興趣和效率，我們在操作系統課程教學過程中，使用了清華大學研發的雨課堂軟件。

雨課堂將學生中普遍使用的微信和課堂教學的PPT進行了融合，搭建起了課堂教學和課外學習的溝通橋梁，實現了課堂互動的24小時在線。授課教師通過雨課堂可將各類教學資源便捷地放入幻燈片，也可隨時隨地將授課PPT、練習題、微視頻等教學資源通過微信推送給學生。學生只要掃二維碼或輸入課堂暗號進入課堂，就可以非常便捷地在微信小程序中查看老師實時推送的各種學習資料。對于不理解的幻燈片，學生還可以在該頁幻燈片上點擊“不懂”按鈕進行標注反饋，教師可以根據學生點擊不懂的幻燈片的人數和頁數掌握學生在學習過程中存在的問題并及時地進行答疑，進而為這些學生提供個性化的指導。

學生通過雨課堂可及時地找到老師提供的各種學習資料，還可以匿名或實名的方式給老師提建議，靈活地與教師開展全天候的互動。授課教師通過雨課堂給學生發送練習題和測試問卷，實時地了解學生對知識的掌握情況，進而及時調整授課的節奏，還可通過開啟課堂彈幕和學生進行實時的溝通，極大地拓展了教學的趣味性和實用性。

通過雨課堂提供的全周期的教學數據分析，授課老師對于課前、課堂和課后的學生學習情況都可以及時地獲取相應的數據，從而為幫助學生掌握理解知識、增強分析和解決問題的能力提供了強有力地支撐。

（4）采用任務驅動教學法

為培養學生文獻查閱能力、團結協作能力和解決問題能力，操作系統課程采用了任務驅動教學法[5]對虛擬機的安裝與使用、進程通信機制、多線程應用和經典同步問題等內容組織了小班討論。要求學生以小組為單位，分工協作、查閱資料、編寫演示程序和撰寫書面報告，并在課堂上分享討論。通過課堂上的分析與辯論激發新思想，促進學生深入地掌握知識、鍛煉團隊合作和自主解決問題的能力。

在教學過程中我們始終以學生為中心，強調研究型的教學模式，注重教學過程中的輸出，把難度較低的知識內容留給學生自學，教師主要關注核心概念和重要算法的講解，強調培養學生獨立分析解決問題，尤其是復雜系統問題的能力。同時在課程實驗環節將實驗內容融入實際的操作系統，以學習產出為導向，加強學生解決復雜工程問題的能力訓練。

4.2? ?教學內容改革

在教學內容方面，我們強調學生對操作系統整體知識和邏輯體系的把握，并加大實踐內容的學習和訓練，具體從兩個方面進行了改革。首先，課程組在教材方面選擇國內外廣泛認可的亞伯拉罕·西爾伯沙茨等編著的《Operating System Concepts， 9th Edition》作為主要教材，并將北京大學陳向群教授等譯的《操作系統—精髓與設計原理》作為教學參考書。

基于軟件工程專業工程認證的要求，課程教學組結合OBE教學理念對課程的教學目標進行了全面的定位與規劃，如表1所示。

根據課程的教學目標我們對課程的教學計劃進行了重新規劃，課程共計80學時，48學時的理論授課，16學時的小班討論，16學時的課程實驗，共計16周。課程教學計劃如表2所示。

其次，在實驗教學方面我們將傳統的驗證型實驗調整為設計型或綜合性的應用型實驗，如《向Linux內核增加系統調用》的實驗等，將學生對Linux操作系統的基本原理從知識理解層面提升到實踐應用層面，注重增強學生的綜合分析設計能力和實際開發能力。

4.3? ?考核方式改革

課程采用了多元化、梯次的考核方式，避免了以期未考試一考定成績的情況。課程利用學校提供的課程中心平臺，建立了課程網站及課程的習題庫，利用習題庫進行了分章節的網上測試，同時利用課程網站的網上論壇增強師生之間，以及同學之間的互動，對互動較積極的同學給予必要的平時成績獎勵。課程綜合了課堂平時情況成績、期中考試成績、網上測試成績和小班分組討論成績、實驗成績和期末考試成績來確定學生的最終課程成績，獲得了較好的學習成果評定效果。

5? ?結論（Conclusion）

在新工科建設的大背景下，我們基于OBE成果導向的教育理念，主要從教學內容、教學方式和考核方式三個方面探索了操作系統課程教學的改革。雖然在課程教改實踐的初期學生感覺學習難度和壓力較大，并有一些報怨情緒，但在課程結束后，學生們普遍反映在知識獲取和能力提高上獲益非淺。基于OBE模式的操作系統教學改革，有效地提高了學生分析和解決較復雜操作系統問題的能力。

參考文獻（References）

[1] Chen Rongrong，Zhan Guohua，Li Zhihua.Research on Software Service Outsourcing Competition and Talent Cultivation Under the Background of New Engineering[C].2018 13th International Conference on Computer Science & Education （ICCSE），2018：314-318.

[2] Abhya Tiwari，Aishwarya Singh，Shivangi Shukla，et al.Outcome-Based Education（OBE） Academic Planning-An Insight into All Round Development of an Engineer[C].2018 5th IEEE Uttar Pradesh Section International Conference on Electrical，Electronics and Computer Engineering （UPCON），2018：1-5.

[3] 梁正平，朱澤軒，王志強.OBE導向全程緊張的操作系統教學改革[J].計算機教育，2018（6）：61-64.

[4] Liping Li，Na Wang，Shan Tang.OBE-Based Reform for Software Project Management Curriculum[C].2019 14th International Conference on Computer Science & Education （ICCSE），2019：1075-1079.

[5] 殷俊，胡夏蕓，王曉軍.OBE理念下操作系統原理課程目標達成度評價方法研究[J].計算機時代，2019（9）：84-87.

[6] 徐曼，殷脂，徐建平.操作系統原理課程的沉浸式課堂的設計與實施[J].軟件工程，2019，22（5）：53-56.

作者簡介：

周軍海（1974-），男，博士，助理教授. 研究領域：軟件工程，無線傳感器網絡.