操作系統課程“五維一體”全面信息化教學實踐

孫增國，董彤緋

（陜西師范大學計算機科學學院，陜西西安 710119）

0 引言

作為高等院校計算機專業基礎課程，操作系統課程在計算機專業課程體系中占有重要而突出的地位，對于深入理解計算機軟硬件知識、開發系統軟件及應用軟件，進而精準把握計算機系統宏觀框架，具有重要意義［1］。但是，該課程需要較多先導課程支撐，且包含大量軟硬件知識及抽象概念和算法，課程內容體系較為龐雜，缺少直觀、明顯的規律性，教學難度較大，僅憑教師課堂講解，學生很難從整體上把握知識點內涵和外延、掌握不同知識點的內在聯系。傳統操作系統課程教學方法采用以教師為中心的講授法，不重視學生反饋，難以激發學生學習熱情，難以達成課程教學目標。

針對該問題，眾多學者對傳統講授法進行改進，并提出了多元化教學方法、分層次教學法、提問+反問式教學法等，力求以學生樂于接受的方式傳授知識。多元化教學方法［2］雖然解決了部分章節教學面臨的問題，但相對較為片面；分層次教學［3］指根據能力水平不同，將學生分為不同的層次，從而根據學生實際能力水平開展教學，該方法考慮了學生之間的差異，但需投入大量人力、物力，實踐難度較大；“提問+反問式”教學法由傳統的“老師問，學生答”變為“老師問學生答，學生再問老師”，這種教學方法雖然能夠激勵學生參與思考，但對于學生學科素質要求較高，不利于基礎薄弱的學生發展［4］；啟發式教學方法通過教師設問組織學生討論，引導學生積極主動尋找答案，培養學生自主學習的能力和團隊合作能力［5］。趙靜云等［6］對啟發式教學方法進行了研究與實踐，發現該方法可轉換學生學習方式，幫助學生從根源理解問題，提高學生獨立思考、團隊合作及創新能力。但是，傳統啟發式教學法受空間和時間限制，實施過程中不靈活，且沒有考慮到學生之間的差異，不利于因材施教。因此，探索合適的教學模式，提高教學質量和效率，培養創新型人才，成為操作系統課程教學當務之急。

近年來，隨著信息技術的日趨成熟，其在教育教學中的應用日益廣泛，信息技術支撐教學成為研究熱點［7］。2012 年，教育部頒發了《教育信息化十年發展規劃（2011-2020 年）》，首次提出“信息技術與教育教學深度融合”的目標；2018 年4 月出臺了《教育信息化2.0 行動計劃》，充分說明了信息化教學在提高教育教學質量和促進創新人才培養方面具有顯著的推動作用。目前全國眾多高校積極響應教育部號召，采用不同的方式展開信息化教學。但在信息化教學的實施過程中存在諸多問題。比如，信息化教學平臺搭建成功后使用效果并不理想，信息化教學平臺大多處于靜態展示的狀態，缺乏靈活、動態的應用，從而使信息化教學流于形式。

為提高教育教學質量、促進創新人才培養，本文針對操作系統課程特點，推行教學模式改革，提出“五維一體”的全面信息化教學方法，主要從資源信息化、平臺信息化、模式信息化、過程信息化及評價信息化5 個維度出發，深挖BB 平臺建課功能，創新翻轉課堂教學模式，形成“五維一體”的全面信息化教學模式，并以陜西師范大學計算機科學學院開設的專業必修課——操作系統課程進行教學實踐，改變以教師為中心的教學現狀，進而更好地服務于創新型人才培養。

1 “五維一體”全面信息化教學實踐

1.1 教學模式結構

“五維一體”的全面信息化教學指從資源信息化、平臺信息化、模式信息化、過程信息化以及評價信息化等5 個維度出發，將現代信息技術與教育教學深度融合，全面體現信息化教學精神，充分凸顯信息化教學對教學質量和人才培養的提升作用，如圖1 所示。在資源信息化方面，開發了多媒體課件、算法演示平臺、微視頻等數字化教學資源，為實現全面信息化教學提供充足的教學資源準備；在平臺信息化方面，依托學校BB 教學平臺，集成教學必備環節，如課程公告、教學資源、作業區、實驗區、討論區以及成績評定等；在模式信息化方面，創新翻轉課堂模式，提出“四步式”實現方案，突出成果分享環節，使翻轉課堂教學模式的效果落到實處，真正實現以“教師的教”為中心到以“學生的學”為中心的轉變；在過程信息化方面，充分利用BB 平臺，實現授課、作業、實驗、討論、評定等教學過程的全覆蓋，使教學過程便捷、高效；在評價信息化方面，設置多元成績評價機制，突出課堂有效討論，深挖BB 平臺建課功能，實現成績評價自動化。

圖1 “五維一體”全面信息化教學模式結構

1.2 教學實踐過程

1.2.1 教學資源信息化

資源信息化指課程資料不再局限于傳統書本形式，還包括一系列利用現代化信息技術開發的優質的、具有課程價值的數字化課程資源。在實施全面信息化教學的過程中，教學資源信息化是基礎和前提。因此，為實現“五維一體”的全面信息化教學，本次教學實踐充分利用現代信息技術，開發多種數字化課程資源，如微視頻、Flash 課件和算法演示平臺等實現教學資源信息化。

教學資源信息化具體實現過程為：首先進行微視頻開發，在本次實踐中充分利用陜西師范大學多媒體錄播教室，錄制涵蓋操作系統課程所有章節經典原理和算法，目前已錄制視頻總量共計30 段，大小超過5G；其次，操作系統課程自身復雜且課程體系龐大，導致部分重難點原理和算法過于抽象、學生學習難度較大，在本次研究中，嘗試利用Flash 語言開發一系列CAI 課件，如圖2（a）、（b）所示，通過動畫演示的方法，化抽象為具體，使學生直觀感受到算法運行過程；最后利用VC++、C#等編程語言開發既能演示典型算法原理，又能反映不同算法之間內在聯系的若干算法演示平臺，通過實際操作感受算法具體實現過程，使學生感受到操作系統的魅力，進一步加深學生對算法乃至操作系統的理解。

1.2.2 教學平臺信息化

教學平臺信息化指教學平臺不僅局限于線下課堂教學，而應當充分利用信息技術，依托BB 平臺，集成教學必備環節。

圖2 優質數字化教學資源

BB 平臺全稱為Blackboard 教學平臺，以課程為中心，集合文本、圖像、聲音等多種媒體內容，為教師、學生提供了強大的施教和學習的網上虛擬環境，實現對現有課堂教學的補充，成為師生溝通的橋梁［8］。針對操作系統課程特點及教學現狀，對BB 平臺主要搭建7 個模塊，分別為課程主頁、教學內容、作業區、實驗區、討論區、演示區和考前沖刺，整體框架如圖3 所示。BB 平臺搭建完成后的課程主頁如圖3 所示。

操作系統課程在BB 平臺中各模塊具體功能介紹如下。

（1）課程主頁。該模塊包括使用指南和課程公告兩部分，其中，使用指南提供平臺操作信息；課程公告主要用于教師實時通知學生課程和教學活動安排等事宜，學生可以通過登陸BB 平臺及時獲取相關信息，如臨時調課等。該功能不僅可有效增加師生互動，更提高了辦事效率。

（2）教學內容。該模塊包括討論題、PPT、Flash 課件、教學視頻和課程資料5 部分。該模塊為操作系統課程BB 平臺核心內容之一，其中包括種類豐富的學習資源，如文本、課件、視頻、音頻、圖片等，這些是實現教學資源信息化的基礎和前提。種類豐富的教學資源可滿足不同水平的學生需求，保證學生學習效果。學生可隨時隨地反復觀看學習，不受時間和空間限制，極大提高了學生學習效率和自主學習能力。

（3）作業區。對于教師而言，該模塊支持教師在線發布作業和批改作業，是利用信息技術對傳統作業環節的更新，可提高教學效率；對于學生而言，可登陸BB 平臺查看并完成作業，然后在線提交。該模塊的開發與利用不僅落實了無紙化教學，還加強了學生與教師的溝通，提高了教師工作效率，為教學評價信息化實現提供了保障。

（4）實驗區。該模塊包括實驗要求與實驗報告兩個部分。針對操作系統課程理論性強、知識復雜的特點，單獨加設本模塊以引起學生對于實驗部分的重視。在該模塊中，學生通過登陸BB 平臺查看實驗要求，根據實驗要求線下完成實驗，并撰寫實驗報告，最終通過BB 平臺線上提交；教師通過登錄BB 平臺批閱實驗報告，由成績評定中心自動統計成績。該模塊極大提高了教師工作效率和學生學習效率。

（5）討論區。該模塊可實現師生交流的功能。師生交流的主要內容包含3 方面，即“每周話題區”、“作業答疑區”和“教學建議區”。學生可以在討論區發布自己對于本周所學課程的疑惑、課后作業仍存疑的部分以及對操作系統課程教學過程中出現的問題等，教師可及時接收學生的反饋，對教學計劃做出相應調整。討論區的設立為師生交流、生生交流提供了極大便利，有利于積極引導學生開展自主性學習。

圖3 操作系統課程BB 平臺

（6）演示區。該模塊包括操作系統仿真演示平臺與前趨圖系統演示平臺兩個部分。該模塊既能演示典型算法原理，又能反映不同算法之間的內在聯系，便于學生理解更深層次的操作系統。

（7）考前沖刺。該模塊包含錯題匯總、歷年真題和知識點總結3 部分。該模塊為學生提供針對性學習資料，明確學習方向和要求，方便學生進行知識梳理和查漏補缺，可有效提高學生學習效率。

1.2.3 教學模式信息化

教學模式信息化是“五維一體”全面信息化教學模式的精髓所在。它指在教學過程中，依托Blackboard 教學管理平臺，開展基于翻轉課堂理念的混合式教學，即從翻轉課堂的特點及要求著手，結合操作系統課程學科屬性，構建一套完善、具體的課程翻轉課堂教學模式［9］。

近年來，翻轉課堂教學模式成為教育實踐熱點。翻轉課堂指重新調整課堂內外時間，將學習決定權從教師轉移給學生。翻轉課堂教學模式主要包含3 個方面，即課下觀看視頻、課堂分組討論和教師總結提升，徹底顛覆了傳統課堂教學模式，重新分配課堂時間，學生真正成為課堂“主人”。然而傳統翻轉課堂教學模式在實施過程中存在一定弊端。其弊端主要體現在課堂討論環節，在課堂討論時，由于缺少一系列保障措施，部分學生參與度較低，討論往往流于形式，不能真正起到思想交流和思維碰撞的作用。為更好地實現教學模式信息化，課題組對原有“三步式”翻轉課堂教學模式進行創新，提出“四步式”實現方案，即課下觀看視頻、課堂分組討論、分享討論成果和教師總結提升，如圖4 所示。其中突出成果分享環節，使每位同學均參與到課堂討論中，并積極展示、分享自己的觀點，從而真正實現以“教師的教”為中心到以“學生的學”為中心的轉變。

圖4 “四步式”翻轉課堂教學模式

操作系統課程“四步式”翻轉課堂教學模式具體步驟如下：

（1）課下觀看視頻。學生課下通過BB 平臺觀看微視頻，結合教師提出的問題學習相關內容。學生在微視頻和問題的引導下，初步完成課程內容自學，對于存疑的部分可重復觀看微視頻，若仍無法解決，則對疑問進行記錄，課上進行小組討論。通過觀看微視頻進行自主學習，不僅可調動學生學習主動性，更能提高學生自主學習能力。

（2）課堂分組討論。學生針對自學過程中仍存疑的部分進行分組討論，解答疑惑。該環節改變了傳統灌輸式教學方式，充分發揮學生主觀能動性，有利于啟發學生思維，培養其創新精神，提高團隊合作能力。

（3）分享討論成果。鼓勵學生站上講臺面向全班同學闡述自己小組的討論成果，并回答其他同學對展示成果的提問。該環節可提高學生參與度，充分調動學生學習積極性和主動性，體會學生在學習中的主體地位，同時實現交流與借鑒的作用，促進共同進步，最終實現共贏。

（4）教師總結提升。教師針對學生小組展示的成果及仍存在疑惑的部分進行講解，并在最后強調本節課重難點。該環節使學生加深對本節課內容的理解，從而進一步啟發學生思維并提高學生對于操作系統課程的學習興趣。

1.2.4 教學過程信息化

傳統教學過程大多是由教師課堂講授知識、學生課后復習并完成相關作業和教師批改作業并記錄成績3 部分組成。這種教學過程不僅造成了學生在學習中處于被動地位、缺乏學習興趣、師生之間缺乏互動等弊端，更重要的是已經無法滿足當今社會對于創新型人才的培養需求。為解決上述問題，本次教學實踐依托BB 平臺，建立教學過程完整的線上教學平臺，使其不僅能實現授課過程信息化，在公告、討論、作業、實驗和成績評定等方面也可實現信息化，最終實現教學過程全覆蓋。

教學信息化實現過程具體步驟如下：

（1）課程公告。課程公告的設置是為了解決師生間信息交流不便的問題，在該模塊中，教師可以通過登錄BB 平臺發布和課程內容相關課程公告，學生也可以通過BB 平臺及時了解相關信息，實現師生交流信息化。

（2）授課。為方便學生隨時隨地學習，從而節約課堂時間用于討論環節。教師利用錄播教室錄制了教學視頻并將其上傳至BB 平臺，學生根據自己的學習能力與學習狀況觀看教學視頻學習相關知識。通過微視頻進行學習，使教學過程中最重要的環節，即授課部分實現信息化。

（3）討論。在本研究中，課程內容討論不僅局限于線下課堂討論，在BB 平臺上還單獨增加1 個模塊即“討論區”用于學生之間交流心得體會并互相解答疑惑，極大提高了學生學習效率，線上線下討論并行，使同學盡可能參與到學習討論中，培養學生創新思維和批判精神。

（4）作業、實驗報告。學生可通過BB 平臺線上查看每一章節作業及實驗要求，按要求完成相關作業后線上提交課后作業和實驗報告，教師在BB 平臺線上批改作業。

1.2.5 教學評價信息化

教學評價信息化指改變由教師一人直接給出平時成績和期末考試成績的傳統方式，由BB 平臺提供明確的評價方案和完整的成績中心，如平時成績和期末成績占比，最終實現成績評價自動化。此外，還設置多元成績評價機制，力求全面衡量學生學習效果，加大信息化教學中學生有效討論和參與度在最終考核中所占的比重，激發學生學習主動性。在成績管理方面，采用多元化成績認定和管理方法，注重學生學習過程，加強實驗等實踐能力在成績認定中的作用，使成績認定具有較大科學性和較強可信度。

具體成績評價機制為總成績中40%為平時成績，60%為期末成績，如表1 所示。其中平時成績構成方式為考勤部分占20%，作業部分占30%，實驗部分占30%，BB 平臺有效討論占20%，除此之外，為鼓勵學生積極參與課堂教學活動，對于課堂積極參與討論的同學進行獎勵，在原有成績基礎上添加占比為10%的課堂有效討論，如表2 所示。

表1 總成績構成

表2 平時成績構成

教學評價信息化實現過程如圖5 所示，具體步驟如下：

（1）發帖統計。教師登錄BB 平臺，通過“學生行為管理中心”查看每位同學平臺登錄次數、學習時長以及發帖數量等，該模塊可大幅提高教師工作效率，保證統計結果準確性。

圖5 教學評價信息化實現過程

（2）作業評價。學生通過BB 平臺在線提交作業，教師在截止日期后登錄BB 平臺在線批改作業并給出分數。教師批改并給出分數后，由BB 平臺統計并錄入每位學生作業分數，并計入“完整的成績中心”。

（3）完整的成績中心。該模塊僅有考勤部分需教師根據學期內考勤情況手動輸入數據，其它部分（包括討論、作業以及實驗報告等）均由BB 平臺統計，BB 平臺根據算法生成每位學生總成績，最終實現教學評價信息化。

2 “五維一體”全面信息化教學模式評價

為獲得學生對操作系統課程“五維一體”全面信息化教學實踐的真實反饋，筆者對陜西師范大學計算機科學學院軟件工程1701 班學生進行匿名問卷調查，問卷內容掃描OSID 碼可得，調查結果如下。

2.1 教學效果分析

通過問卷調查對“五維一體”全面信息化教學實踐效果進行分析，如圖6 所示，92.5%的學生認為觀看微視頻對操作系統課程學習有不同程度的幫助，7.5%的學生不確定是否有幫助；87.5%的學生認為信息化教學有利于創新思維培養和提高，12.5%的學生認為信息化教學對于創新思維的培養和提高起到了一般作用。由此可見，使用平臺輔助學習有助于提升學生學習效果。

圖6 教學效果分析

2.2 教學認可度分析

教學認可度分析結果如圖7 所示。80%的學生喜歡現有信息化教學模式，15%的學生不確定自己是否喜歡，5%的學生不喜歡現有信息化教學模式；超過90%的人認為信息化教學設計合理，7.5%的人不確定這種信息化教學模式是否合理。總的來說，大多數學生基本上認同現有信息教學模式。

圖7 教學認可度分析

2.3 人才培養

“五維一體”全面信息化教學的最終目標是培養創新型人才。陜西師范大學教師于2016 年在計算機科學學院中積極展開“五維一體”的全面信息化教學，并在近3 年全面信息化教學實踐中培養出一批優秀的創新型人才。

（1）軟件工程專業。該專業以培養卓越工程師為主要目標，期待學生有能力從事計算機軟件教學、科學研究、軟件開發與項目管理等工作，最終培養符合“卓越計劃”標準的高層次、國際化、工程型具有國際競爭力的多層次復合型軟件實用人才。在該專業中，兩名同學在第一屆“航天天繪杯”高分應用解決方案大賽中獲得優秀創意獎。

（2）計算機科學與技術（創新實驗班）專業。該專業以培養創新、拔尖人才為目標，培養掌握計算機科學與技術學科基本理論、基本知識和基本技能與方法，掌握算法研究、軟件開發、網絡建設和信息安全等方面的人才。該專業有的同學成為中科院遙感所客座學生，從事SAR 圖像處理研究。

（3）計算機科學與技術（師范）專業。該專業以培養卓越教師為目標，培養學生創新精神、勇于探索并能運用專業知識解決實際問題，能成為從事信息技術學科基礎教育的卓越教師及其它信息技術行業的優秀工作者。該專業學生在2018 年全國計算機教育大會中榮獲等優秀論文獎。

（4）信息管理與信息系統專業。該專業以培養復合型應用人才為主要目標，該專業培養具備現代管理學理論基礎、計算機科學與技術知識及應用能力，掌握系統思想和信息系統分析與設計方法以及信息管理等方面的知識與能力的多層次復合型人才。該專業多名同學在本科期間申請專利和軟件著作權。

2.4 總結分析

根據調查問卷結果進行總結分析，應用于操作系統課程的“五維一體”全面信息化教學模式得到了絕大多數學生認可。更為重要的是全面信息化教學為創新型人才培養發揮了關鍵作用，為陜西師范大學計算機科學學院培養出了一批優秀的創新型人才。因此，應用于操作系統課程“五維一體”的全面信息化教學實踐取得了初步成功。

3 結語

信息技術在教育教學中發揮著日益重要的作用，信息技術支撐教學已成為高效教學的主要模式。本文根據操作系統課程自身特點及教學現狀，深挖BB 平臺建課功能，創新翻轉課堂教學模式，形成一種資源信息化、平臺信息化、模式信息化、過程信息化和評價信息化的“五維一體”的全面信息化教學模式，并在操作系統課程中進行實踐。實踐結果表明，“五維一體”全面信息化教學模式深受學生喜歡。本次教學實踐充分說明全面信息化教學模式不僅可改善操作系統課程現狀，有效增加師生互動，提高學生自主學習能力，還能培養學生團隊合作能力和創新思維，有利于創新型人才培養。由于該教學模式僅在操作系統課程進行實踐，是否同樣適用于其它課程，將在后續教學實踐中進一步探索。