基于OBE理念的操作系統原理課程教學內容重組

張秋紅，劉楊濤

(南陽理工學院 計算機與軟件學院，河南 南陽 473004)

0 引言

在計算機科學與技術專業中，操作系統原理是專業核心課程，圍繞操作系統的教學內容、教學方法等教學改革多年來在國內外一直備受關注.傳統的操作系統課程內容主要圍繞操作系統的基本概念、基本原理和相關算法等進行介紹.這種傳統的教學內容中存在知識傳授與教學結果相背離的現象，學習結果不能很好地支撐畢業要求，導致教學目標難以實現.學生在完成操作系統課程學習后，雖然對課程涉及的概念和算法能夠較好地掌握，但卻難以將該門課程與相關課程的知識關聯，難以將所學內容進一步提升為操作系統的設計、實現、研究及創新等方面的能力.為了更好地實現課程的培養目標、適應時代發展的新趨勢和“一流課程”建設的需要，筆者引入了基于學習產出教育模式(Outcome-Based Education，OBE)的指導思想，對操作系統原理課程的知識體系進行了系統的梳理和優化[1].

1 OBE理念

OBE是指基于學習產出的教育模式，即成果導向教育.在OBE教育系統中，教育者必須對學生畢業時應達到的能力及其水平有清楚的構想，然后尋求設計適宜的教育結構來保證學生達到這些預期目標.

在傳統的教育中，主要以學科為導向，沒有注重專業需求,其設計過程是：設計課程體系→確定畢業要求→確定專業培養目標→社會需求，這個設計是正向的，但這個正向設計得到的教育結果不一定能滿足社會發展需要.而成果導向教育的設計是相反的，它的設計過程是：了解社會的需求→確定培養目標→確定畢業要求→確定專業的課程體系，而具體實施時又是正向進行的.這樣可以保證教育的目標與教育的結果一致.基于學習產出的教育模式是一種先進的教育理念，目前加拿大、英國和美國等國家已將其作為主流理念用于國家的教育改革，我們國家也于2016年在工程教育改革中引入，目前此理念在我國教育界掀起了一股新的熱潮[2].

2 操作系統原理課程內容重組

2.1 確定課程培養目標

根據OBE人才培養理念的要求，首先以社會及區域經濟發展的需要確定南陽理工學院計算機科學與技術專業的人才培養目標.教育部相關專家指出，新形勢下計算機專業人才培養目標需要圍繞“系統能力”的培養.按照操作系統原理課程在人才培養中的地位和作用，以人才培養目標為導向，明確操作系統原理課程所要實現的目標為：①掌握操作系統的基本概念、設計原理和相關技術；②深入理解計算機系統的軟硬件相互作用關系；③具備調研和分析操作系統實例的系統結構、對各功能模塊進行設計和模擬實現的能力；④具備對操作系統相關問題解決方案進行分析、比較和評價的能力.下面將圍繞以上目標對該課程內容進行重組.

2.2 梳理和優化課程內容

課程組以2018版本科培養方案的修訂為契機，按照培養要求和課程教學目標，根據OBE理念，對畢業要求指標點所基于的知識點進行梳理，重構知識體系.

首先對課程理論知識進行深入分析，以“橫向、縱向交叉”模式進行梳理[3]，建立一個脈絡清晰的課程內容框架.在縱向上以課程知識體系為線索組織教學內容，根據本課程的特點，主要從操作系統管理資源的角度出發，緊緊圍繞5大基本功能展開，具體包括：操作系統引論、進程管理、處理機調度與死鎖、存儲器管理、設備管理、文件管理、操作系統接口及系統安全性.章節的學時也根據需要進行了調整，比如進程管理、存儲器管理和文件管理等因引入關聯知識點等，適當增加了學時.系統接口一章，因為理論少、實踐多，因此減少了理論學時.在橫向上，以知識點為線索擴展教學內容，一是針對每個章節中的核心理論或算法，引入一些系統的內核源代碼(如Linux)作為實例，或者進行仿真演示，讓學生了解相關模塊的技術實現；二是引入其它課程的關聯知識點，合理拓展課程深度.通過“橫向、縱向交叉”模式梳理課程內容，使學生更好地把握知識的重難點，借助相關實例，使學生對知識的理解更加深入.

其次，優化實驗教學內容[4].在16版的操作系統原理大綱中只有4個實驗項目，為了讓學生更加深入、全面地掌握操作系統各模塊的相關算法和實現原理，在18版大綱中增設了兩個實驗，分別是進程間通信和處理機調度.重構后18版大綱的課程知識體系結構如下圖1所示.

圖1 重構后的課程知識體系結構

2.3 引入關聯知識點

針對系統能力的培養，國內外很多高校將數據結構、算法設計、操作系統、計算機組成原理、計算機系統結構等課程相關內容進行有機融合[5].在本校，操作系統作為專業核心課程，與其他支撐培養目標實現的課程相關知識間存在多方面、多層次的交叉和滲透.因此，在相關章節中引入其他課程的關聯知識點，構建“以綜合能力培養為主線，以基本概念、設計原理和相關技術為核心，以關聯知識為延伸”的操作系統原理課程知識體系[4,6-7].操作系統課程內容與其它課程知識關聯如下表1所列.

表1 《操作系統原理》課程內容與其它課程知識關聯

續表1：

針對以上關聯知識點，教學中不只是進行簡單的關聯和知識重復，要進行重構和優化，要保證知識的完整性、科學性、交叉性和發展性[5].

2.4 引入思政元素

按照“一流課程”建設要求，要促進專業教育與思想政治教育的有機融合，實現全方位育人，為社會發展培養專業技能與職業道德兼備的高素質人才[8].因此要將課程思政理念融入操作系統課程的教學實踐.

為推進課程思政建設的實施，促使教師開展課程思政教學設計，實現知識傳授、能力培養與價值引領有機統一的關鍵舉措就在于思政元素與專業課知識點的巧妙融合[9].下面將社會主義核心價值觀、大國崛起、科學精神與工匠精神、創新精神、折中與平衡的哲學思想等潛移默化地融入到操作系統的專業教學中，從而達到思政教育的目的.課題組成員提煉了課程思政點與專業知識點的融合，如下表2所列.

表2 《操作系統原理》課程專業知識點與思政融入點相契合的部分授課內容

續表1：

總之，“課程思政”是高校課程教學改革的必然趨勢，也是高校實現立德樹人目標的必然選擇.

2.5 引入前沿知識

積極引入科學技術發展的前沿知識.現在多核處理器的應用比較盛行，因此在講解處理機調度與死鎖章節時可以引入多核或者眾核操作系統.云計算也是現在的一種風尚，因此在課堂中引入了云操作系統的討論.在文件系統章節中引入分布式文件系統.針對現在嵌入式系統的應用前景非常廣泛，比如在交通管理、家庭智能管理、POS網絡及電子商務、環境工程與自然、機器人及工業控制等領域，因此在課堂中引入嵌入式操作系統的討論.另外，多媒體設備層出不窮，針對數字化的音頻和視頻等信息如何進行處理、存儲和傳輸，在教學中引入了多媒體操作系統的討論.隨著人們對信息安全越來越重視，很多國家都在開發自己的國產操作系統，因此在課堂中引入國產操作系統的現狀和發展等.通過前沿知識的引入，在教學內容中將經典與現代進行了融合，這樣既可以滿足一般學生對基礎知識學習的需要，又能為學有余力的學生提供學習和探索空間，激發學生學習興趣，培養學生自主學習能力.

3 實施方法

3.1 教學方式

重組后的操作系統原理課程，其知識體系關聯多門核心課程，相互間有內容的交叉和滲透.要求老師在授課過程中對其他課程的關聯知識點要做相應的拓展和延伸.在授課中采用多種教學方式，比如在講解操作系統的發展過程、處理機調度算法、程序的裝入和鏈接方式、分區分配算法、頁面置換算法及磁盤調度算法等內容時可采用“啟發式”教學：讓學生帶著問題學習，可結合課堂討論，在老師的引導和啟發下，逐步豐裕理論知識[5]；在講解進程同步問題、CPU調度、存儲管理、I/O管理及文件管理等內容時可采用“案例式”教學：借助Linux源碼，了解Linux操作系統的管理方法，以加深學生對操作系統原理的理解和掌握；在講解分區分配算法、頁面置換算法及I/O控制方式等內容時可采用“參與式”教學，鼓勵學生參與課堂教學，即學生可結合課本和課程網站中各知識點的視頻進行課前自學，課中分組展講、老師指導，課后測評和檢驗等[5].

雖然課堂學時有所增加，但增加學時畢竟有限，所以在老師授課之后，學生可根據自身掌握情況再自主查閱資料學習相關知識點，完成實驗項目和課后作業.老師在課后通過網絡平臺或其它通信工具為學生答疑輔導.將傳統以教師講授為主的方式過渡到“自學-講授-輔導”三位一體的教學模式，突出學生的自主性.

3.2 考核機制

建立多元化的考核評價體系，課程考核可結合學生參與度、在線章節測試、實驗及期末試卷考核等進行.

(1)學生參與度：可通過學生平時課堂回答問題情況和展講參與情況決定.

(2)在線章節測試：本課程有課程資源網站，網站上每個章節有章節測試題，每個章節學習完成后會要求學生在線完成章節測試，老師會提前為每章在線形成若干套試題，學生將隨機抽取到一套題進行在線作答.系統會為客觀題自動打分，主觀題老師在線打分.期末可從網站導出學生各個章節的測試成績及平均成績.

(3)實驗成績：本學院有自主研發的實驗管理系統，每次實驗課完成后學生可登錄實驗系統完成實驗報告的填寫，老師可從實驗目的和要求、實驗內容和步驟、實驗設計方案和程序清單、實驗總結等方面綜合打分.期末可從實驗系統導出學生各個實驗的成績及平均實驗成績.

(4)期末試卷考核：檢驗學生對本課程知識點的掌握程度.期末考題有選擇題、填空題、簡答題、綜合應用題等題型.考試分值比例應與各章節知識點占比基本一致.考題基本概念和知識題占總比例的80%左右，重點考查學生綜合應用能力試題分值占20%左右.

學生參與度和章節測試合計為平時成績，占總評成績的20%，實驗成績占總評成績的20%，期末考核成績占總評成績的60%.期末總評成績如下：

總評成績 = 平時成績(20%)+ 實驗成績(20%)+ 期末試卷成績(60%).

4 實踐效果

學校為“一流課程”的改革與建設有效實施提供了有力支持，該課程教學模式在18級計算機科學與技術專業本科生中開始實施.在新的教學內容及教學方式下，學生課堂學習的積極性明顯提高，學習氣氛高漲，大部分學生都積極參與到各類課堂活動中，比如回答問題、討論及展講等，能將被動學習變為主動學習；在章節測試完成方面，與往屆學生相比，題目的正確率大大提高；在實驗方面，與往屆學生相比，學生實驗課的積極性也顯著提高，大部分學生都能與同學及老師積極探討實驗方案，能根據自己對知識的理解大膽提出一些新的想法，積極完成實驗內容；在期末考試中，其難易度與往年不相上下，但與上一屆相比，平均末考成績及平均綜合成績都有大幅提高.總之，通過一學期的實踐，本課程的教學質量在各個方面都有所提升，取得了比較滿意的結果.

然而，新的教學模式也有不足的地方，由于課程內容有拓展和延伸，所以要學好這門課需要借助學生平時的自主學習，而極少數自主學習能力差的、平時也不愿意參與到課堂活動中的學生提升將會比較慢，所以在今后的教學改革中要注重這方面的改進，爭取讓所有學生都能夠積極參與到課程的學習中來.

5 結束語

本文提出的基于OBE理念的課程知識體系建設，以服務培養目標為目的，采用“橫向、縱向交叉”模式梳理、規劃課程教學內容，適當拓展課程深度、增加課程難度，引入學科前沿知識，教學內容中融入課程思政，從而培養了學生的高級思維及解決復雜問題的綜合能力,切實提高了課程教學質量.該課程教學模式的實施取得了顯著成果，也可為高校類似課程的建設和改革提供借鑒.