新工科背景下《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革探索

馬立肖，許冀偉

（河北地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，石家莊050031）

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等新技術(shù)的發(fā)展推動了新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部積極推進“新工科”，建設(shè)工程教育強國、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)卓越工程技術(shù)人才，成為了我國高等教育機構(gòu)新的使命和價值追求[1-2]。新工科建設(shè)的推進，對包括計算機學(xué)科在內(nèi)的工程學(xué)科的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。《操作系統(tǒng)》課程是計算機科學(xué)教育的基本組成部分，在計算機專業(yè)課程體系中扮演著重要的角色，是學(xué)生建立計算機系統(tǒng)觀及認識其內(nèi)部運行機制的重要途徑[3]。如何在新工科工程教育理念的指導(dǎo)下，深刻理解《操作系統(tǒng)》課程內(nèi)涵、原理和結(jié)構(gòu)，更新《操作系統(tǒng)》課程的課程體系及教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，提升其解決復(fù)雜問題的系統(tǒng)能力，是《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)中需要思考和解決的問題。

1 《操作系統(tǒng)》課程面臨的挑戰(zhàn)

《操作系統(tǒng)》課程最主要的特點在于，知識內(nèi)容體系龐大復(fù)雜，具有較強的抽象性和理論性，學(xué)生理解起來較為困難，教師教授難度也比較大[5-6]。該課程教學(xué)現(xiàn)狀難以滿足操作系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)人才培養(yǎng)的社會需求，特別是“新工科”提出后，《操作系統(tǒng)》課程的教學(xué)更是面臨著諸多挑戰(zhàn)。

1.1 重知識輕思維難以培養(yǎng)創(chuàng)新能力

《操作系統(tǒng)》課程知識龐雜，教師多按章節(jié)模塊講解知識點，對于知識背后的思想方法挖掘不夠，作業(yè)的設(shè)置也多以知識點為核心，缺少發(fā)散性思維的訓(xùn)練，學(xué)生往往“知其然，不知其所以然”，無法真正認識和理解經(jīng)典算法和成熟設(shè)計思想，無法將抽象思維、哲學(xué)思想轉(zhuǎn)換為學(xué)生的內(nèi)在素質(zhì)，難以有效提升學(xué)生綜合設(shè)計能力以及適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新能力。

1.2 重理論輕實踐難以訓(xùn)練系統(tǒng)能力

《操作系統(tǒng)》課程理論性和實踐性都很強，但實際教學(xué)中，多數(shù)高校偏重理論教學(xué)，而輕視實踐教學(xué)，在實驗設(shè)置上無法達到真正理解并應(yīng)用操作系統(tǒng)原理技術(shù)的目標。大多數(shù)高校仍然側(cè)重于操作系統(tǒng)算法層面的訓(xùn)練，學(xué)生實踐能力不足，動手意識薄弱；實驗單元設(shè)置各自獨立，不能很好地建立計算機系統(tǒng)的完整概念，缺乏系統(tǒng)觀，綜合分析、設(shè)計和應(yīng)用能力較弱，不足以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力，解決復(fù)雜問題的能力。

1.3 知識死板無法激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

操作系統(tǒng)是計算機的大管家，從按下開機按鈕那一刻各管理模塊有條不紊開始工作，所以操作系統(tǒng)是一個富有生命力的動態(tài)的系統(tǒng)。而傳統(tǒng)教學(xué)中，普遍將操作系統(tǒng)的各個管理功能割裂，鮮有將進程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理融入到一個動態(tài)的系統(tǒng)中，使得本來邏輯嚴謹?shù)南到y(tǒng)軟件失去了生命力，無法喚起學(xué)生學(xué)習(xí)的真正興趣，更難以幫助學(xué)生建立起計算機系統(tǒng)的整機概念。

綜上，《操作系統(tǒng)》課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念上都有待進一步創(chuàng)新改革，以便更進一步切合新工科建設(shè)目標，加強學(xué)生計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

2 《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革設(shè)計

為了配合河北地質(zhì)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)“卓越班”的教學(xué)改革，我院在《操作系統(tǒng)》課程實踐教學(xué)上進行了深入的研究和探討[4]。隨著新工科教育理念的推進，課程組進一步完善理論和實踐教學(xué)體系，加強系統(tǒng)能力培養(yǎng)，融合了理論、思維、實踐的“三維一體”教學(xué)體系。

2.1 原則與思路

在教育部新工科教育理念指導(dǎo)下，結(jié)合課程的教學(xué)現(xiàn)狀，課程組對《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)改革提出應(yīng)遵循的幾個建議性原則：

（1）以建立“計算機系統(tǒng)”整機概念為目標構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容

《操作系統(tǒng)》是連接計算機軟硬件的系統(tǒng)軟件，無時無刻不在管理計算機資源，是計算機的大管家。因此從“計算機系統(tǒng)運行”這一動態(tài)視角去構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容體系和實踐教學(xué)體系，從開機啟動到處理機運行、內(nèi)存管理、文件及設(shè)備管理，始終圍繞一臺正在運行的計算機系統(tǒng)展開線索，幫助學(xué)生形成計算機整機概念。

（2）關(guān)注“知識背后的思維”，加強系統(tǒng)能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)

操作系統(tǒng)管理著計算機的軟件和硬件資源，是最復(fù)雜的系統(tǒng)軟件，其中包含了許多復(fù)雜的管理學(xué)思想，哲學(xué)思維[7]。教師需要在授課中將操作系統(tǒng)的精彩片段以及睿智的思想呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生體會并理解操作系統(tǒng)的強大并從中汲取創(chuàng)新的智慧，同時引導(dǎo)學(xué)生一起分析問題、發(fā)現(xiàn)其背后的思維模式，訓(xùn)練其解決實際問題的能力，從而增強學(xué)生的探索能力和研究精神，提升創(chuàng)新意識。

基于以上原則，在操作系統(tǒng)的理論和實踐教學(xué)安排上建立層次化、完整性、系統(tǒng)性、循序漸進的理論和實踐課程體系，課程總體設(shè)計框架圖如圖1 所示。

圖1 操作系統(tǒng)課程總體設(shè)計框架圖

2.2 “三維一體”操作系統(tǒng)教學(xué)新模式

“三維一體”教學(xué)模式旨在《操作系統(tǒng)》課程總體設(shè)計中，以計算機啟動及運行為線索，打通并融合“理論、思維、實踐”，基于理論訓(xùn)練思維，基于實踐培養(yǎng)系統(tǒng)能力，構(gòu)建操作系統(tǒng)理論和實踐教學(xué)體系，如圖2 所示。

圖2 “三維一體”教學(xué)新模式

2.3 理論——打?qū)嵗碚摶A(chǔ)

《操作系統(tǒng)》課程理論性極強，扎實的理論基礎(chǔ)，是提升計算思維和加強系統(tǒng)實踐能力的基石。在教學(xué)改革中，通過全面分析和理清課程內(nèi)容，提煉教學(xué)重點，參照如圖3 的邏輯，以計算機系統(tǒng)啟動運行為線索，在保證學(xué)生操作系統(tǒng)知識整體性基礎(chǔ)上，進行知識整合和模塊化，以動態(tài)的視角，抽取各模塊之間的聯(lián)系，保持模塊內(nèi)知識的完整，又體現(xiàn)模塊之間的關(guān)聯(lián)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加立體化，在頭腦中建立一臺正在運行的計算機系統(tǒng)的完整認知。

2.4 思維——訓(xùn)練計算思維提升創(chuàng)新意識

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在計算機軟硬件之間起到承上啟下的作用。其中融合了大量的管理學(xué)思維和優(yōu)化思想，例如同步互斥保證進程的并發(fā)或并行執(zhí)行，進程調(diào)度算法中的各種優(yōu)化思想，另外操作系統(tǒng)的設(shè)計還蘊含著折中和平衡的哲學(xué)思想，在各種算法的性能指標中尋求平衡，虛擬存儲中時間換空間與空間換時間的折中等。這些思想和方法既來源于生活，又將在實際問題的求解中起指導(dǎo)作用。在教學(xué)改革中，教師可參照圖4 所示，在教學(xué)過程中挖掘理論知識背后的思維和思想，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和哲學(xué)思維，將其內(nèi)化為自身素質(zhì)，并在實際的問題求解、系統(tǒng)設(shè)計中加以實踐，可有效地培養(yǎng)學(xué)生對新技術(shù)、新方向具有敏銳的觀察力和判斷力，以期達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目標。

圖3 理論知識模塊化整合

圖4 課程中思維及方法的挖掘

2.5 實踐——培養(yǎng)計算機系統(tǒng)能力

有效的實踐教學(xué)體系是操作系統(tǒng)課程培養(yǎng)計算機系統(tǒng)能力的重要保障。在該教學(xué)新模式中，實踐是進一步加深對理論的理解，內(nèi)化思維意識的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高教學(xué)質(zhì)量，在實驗教學(xué)中遵循“規(guī)模適中，降低難度，突出重點，強調(diào)整體”的原則，選擇最能反映操作系統(tǒng)的實驗方法與技能的核心實驗內(nèi)容，像“搭積木”一樣循序漸進地構(gòu)建一個微型操作系統(tǒng)。具體實驗單元內(nèi)容如表1 所示。

為了輔助實踐教學(xué)的順利開設(shè)，需要為學(xué)生提供基礎(chǔ)的內(nèi)核代碼框架、編碼規(guī)范、測試規(guī)范等。學(xué)生在此基礎(chǔ)上以“搭積木”的形式，完成各單元的設(shè)計，最終形成一個簡單的操作系統(tǒng)原型。在該實踐教學(xué)中，要緊密貼合理論知識要點，同時留有一定的空間給有能力的學(xué)生進行自主設(shè)計和創(chuàng)新，使得學(xué)生有機會去驗證操作系統(tǒng)理論及思維認識。

表1 實驗教學(xué)內(nèi)容體系

3 《操作系統(tǒng)》課程與其他密切相關(guān)課程的關(guān)系處理

參照系統(tǒng)科學(xué)所強調(diào)的整體與部分、部分與部分、系統(tǒng)本身與外部環(huán)境之間互相依存的觀點，我們除了在《操作系統(tǒng)》課程內(nèi)部，通過融合“理論、思維、實踐”的三維一體教學(xué)體系，深入挖掘和培養(yǎng)學(xué)生“計算機系統(tǒng)能力”之外，在當(dāng)前人工智能、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、新工科等外部環(huán)境所帶來的系統(tǒng)觀點的啟發(fā)下，我們還結(jié)合自身在教學(xué)、科研、服務(wù)社會等一系列工作中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，借助抽象、分析與綜合等方法，總結(jié)出《操作系統(tǒng)》課程與其他密切相關(guān)課程的關(guān)系和處理的一種方法：以存儲程序式的馮·諾依曼機體系結(jié)構(gòu)和工作原理為主線，把握以抽象代數(shù)中代數(shù)系統(tǒng)的對象、運算、態(tài)射為研究中心的構(gòu)造性思想內(nèi)涵，通過具體的計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中硬件層相關(guān)課程計算機組成原理、系統(tǒng)軟件層相關(guān)課程《操作系統(tǒng)》（尤其是存儲管理和進程管理的內(nèi)容）、應(yīng)用軟件層相關(guān)課程數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等課程外延實例的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，鼓勵和幫助學(xué)生自主建構(gòu)對課程體系的整體認知。其意義在于，在課時壓縮的現(xiàn)實下，通過消除冗余、求同存異的融合方式，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對現(xiàn)實世界復(fù)雜問題時的系統(tǒng)大局觀和系統(tǒng)行動力。

4 結(jié)語

新工科背景對《操作系統(tǒng)》課程教學(xué)既是機遇更是挑戰(zhàn)，針對當(dāng)前《操作系統(tǒng)》教學(xué)中面臨的一些問題，“三維一體”的教學(xué)新模式在教學(xué)體系中特別提煉了“理論、思維、實踐”三個環(huán)節(jié)，在教學(xué)內(nèi)容和形式上進行重構(gòu)，使學(xué)生在《操作系統(tǒng)》課程的學(xué)習(xí)中，以“計算機系統(tǒng)”整機概念的認識為核心，具備扎實的理論基礎(chǔ)、訓(xùn)練創(chuàng)新思維、培養(yǎng)實踐動手能力，訓(xùn)練其解決復(fù)雜問題的系統(tǒng)設(shè)計能力。課程教學(xué)改革在一定程度上能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的技能水平。在本文的最后，我們通過總結(jié)《操作系統(tǒng)》課程與其他密切相關(guān)課程的關(guān)系處理方法，指出了進一步工作的思路和研究方向。