基于工程教育認證的操作系統課程知識圖譜構建研究

熊曉蕓 劉秀燕

摘?要：操作系統是計算機專業重要的專業核心課程，學生在操作系統課程的教學過程中存在重概念與知識，能力不足的問題。在工程教育認證理念的指導下，提出以培養解決復雜工程問題的課程目標為核心，以培養解決復雜工程問題的能力為目標，以問題為驅動的方法構建操作系統課程的知識圖譜，將知識與問題關聯，通過解決問題支撐能力的培養，全面提高課程的教學質量。

關鍵詞：操作系統課程;知識圖譜;構建研究

我國早在2006年就積極參與到工程教育專業認證的工作中，計算機專業是首批試點專業[1]。經過十年的發展，2016年6月，我國正式加入國際工程教育《華盛頓協議》組織，現在已有越來越多的高校通過或正在進行工程教育認證，以OBE為核心的教育理念正在推動著教育供給側改革，使得原有的“以教師為中心”的教學結構過渡到“以學生為中心”的教學結構，從重視學生學習的知識轉變為重視學生具備的能力，在學生的整個培養過程中，通過直接與間接的評價方法監測學生培養質量，對教學過程產生不斷反饋，從而實現對自身教育質量持續改進的機制[2]。

在工程教育認證核心教學理念指導下，畢業要求服務于培養目標，課程體系支撐著畢業要求，課程體系每門課程的課程目標則相應支撐著畢業要求指標點，所有教學環節的設計與實施圍繞課程目標展開，最終以課程目標達成度作為評價，進行課程質量持續改進。因此，在課程教學與考核過程中，如何將課程中傳授的知識與課程目標評價中學生具備的能力、素質聯系起來，成為課程教學改革關注的重點。

1?操作系統課程的重要性與教學現狀

在工程教育認證標準要求下，課程體系中的專業核心課程承擔著培養學生解決復雜工程問題能力的重要職責。操作系統及其開發問題本身就是復雜工程問題，在課程教學過程中要求學生深入理解其中復雜的工程原理和理論，并能夠應用其解決復雜系統的設計與實現問題[3]。

操作系統是管理計算機系統中軟硬件資源的系統軟件，操作系統課程是高等院校計算機專業的專業核心課程之一，課程內容主要涉及操作系統的基本概念、處理機管理、存儲器管理、設備管理與文件系統，具有知識面涉及廣、概念多、算法多、原理抽象、理論性與實踐性并重的特點[4]。通過先修課程“計算機組成原理”與“數據結構”的學習，學生具備很好的軟硬件基礎，通過操作系統系統課程能將計算機的工作原理由內而外地串接起來。同時，操作系統作為一個大型系統軟件，學習操作系統的原理對學生今后設計大型應用程序有很大的幫助，一方面能夠通過合理分析大型軟件設計中的相互制約關系，高效解決設計中并發、并行帶來的資源管理問題;另一方面能夠通過科學分析制約程序運行性能的關鍵因素（CPU、內存、外設），提高代碼的運行效率。例如，瀏覽器的開發，單進程瀏覽器面對響應速度、魯棒性、安全性方面的挑戰，而多進程（線程）瀏覽器如何提高性能，在編程時多進程又是如何進行相互合作完成任務的，這些背后用到的都是操作系統中的知識與原理。因此，在操作系統教學過程中，將知識的傳授與能力、素質的培養銜接起來，同時將學生學習結果反饋到相應知識傳授環節就顯得尤其重要。

在以往的教學過程中，課程的教是以教師在課堂上按照材料章節講解概念與原理為主，部分學生對課程學習目標的定位是用考試成績衡量，在考試環節中體現出對知識前后關聯較弱，不但課程與課程之間存在知識壁壘，章節之間也存在知識壁壘，造成學習效果不佳;在后續實踐環節中沒有將操作系統理論應用于項目的意識，只是關注于項目開發語言本身與單個功能、單個應用程序，而未考慮多道程序設計技術環境下，應用程序設計的復雜性與影響性能等的因素，這就造成了這部分的學生表面上看成績是合格的，但實際上能力還是存在欠缺，這與工程教育認證中畢業要求不相符。

2?操作系統課程目標

在工程教育認證通用標準與計算機專業補充標準的指導下，通過借鑒國內同類高校操作系統課程工程教育專業認證實踐經驗，結合我校計算機科學與技術專業發展特點，課程組對操作系統課程的課程目標進行了調整，以支撐人才培養目標中培養“具有較強創新能力的應用型計算機專業人才”的要求。

操作系統課程目標對應于本專業畢業要求中的“工程知識”“問題分析”“設計/開發解決方案”“使用現代工具”四個畢業要求，課程目標與畢業要求及相應指標點支撐關系如下表所列：

3?操作系統課程知識圖譜的構建

操作系統課程目標的核心問題是培養學生解決復雜工程問題的能力，所有的教學活動都是圍繞這個核心問題展開的，解決復雜工程問題的第一步是問題發現，后續在問題發現的基礎上進行分析、設計、評價、改進與實現，進而達到培養能力的這一目標。而在課程教學中，不管是授課內容，輔助學習的習題與訓練，考核都是以知識點為基本單位。如何將授課中的知識點與課程目標中培養的能力聯系起來，成為我們教學設計中重點關注的內容。

通過對操作系統課程中的知識點進行歸納、總結與分析，沿著能力培養這根主線，知識點支撐了問題的提出、問題的分解與問題的解決三個層次，通過知識的支撐，引導學生在理解、分析、分解與解決問題的過程中，達到了課程目標中培養能力的這個要求。如圖1所示，問題層是整個層次中承上啟下的核心層，其中知識點是其中重要的黏合劑，支撐著問題從提出到解決的全流程。

為了更好地描述上述關系結構圖，使得整個教學過程中基本單元的知識點能夠與畢業要求指標點，能夠與能力培養相關聯，我們采用知識圖譜全面刻畫知識點、問題、子問題、解決方法、課程目標之間的關聯與邏輯性，從而將能力培養的路徑清晰地描繪出來。在此基礎上，通過題庫將學生訓練與考核的結果能夠直接反饋到畢業要求指標點中所培養的能力，為解決課程教學中的“教”“學”“反饋”提供科學依據。基于此思想，課程知識圖譜的本體模型初步設計如圖2所示。

考慮到大部分學生的學習習慣是按照教材章節進行學習，為此在操作系統課程知識圖譜的構建過程中，我們增加了章節本體，章節與問題之間的關系為包含關系，每全章節都針對課程目標構建出支撐課程目標的問題，再將問題分解為若干子問題，對每個子問題提出相應的解決方法，最后建立不同抽象級別的知識點與問題、子問題、解決方法之間的關聯。問題的抽取既要考慮問題的聚焦性，又要考慮問題分解與解決方法間的層次，這項工作以教師提煉為主。

下面以“死鎖問題”為例，列出以問題為核心創建課程內容知識圖譜的一種思路。“死鎖問題”可以分解為三個子問題：“預防死鎖”“避免死鎖”“檢測并解除死鎖”，每個子問題又可以分解為若干個解決方法。該問題的知識圖譜可視化如圖3所示。

根據課程建設的需求，對知識圖譜中的本體，我們也進行了設計，每個本體的屬性可以根據教學設計、學生學習以及教學反饋不同環節的需求進行修改，通過這種方法，我們將前期課程建設中構建的題庫、實驗項目、知識點進行了導入，完成了課程知識圖譜的構建。

結語

本文選擇用知識圖譜將操作系統課程中的大量知識與課程目標產生關聯，將知識傳授通過一系列問題的解決，貫通為一條培養學生能力的主線，通過老師端的教學過程設計、學生端的學習路徑設計、教與學的持續改進循環，全面提升教學質量，使學生逐步具備解決復雜工程問題的能力。隨著知識圖譜與深度學習等新技術的整合，知識圖譜在課程建設，乃至課程體系、培養目標的修訂指導方面，能夠發揮更為重要的作用。

參考文獻：

[1]姚登舉，詹曉娟.面向工程教育專業認證的操作系統課程教學改革[J].高師理科學刊，2017，10（37）：9196.

[2]王憲蓮，安鳳平，陳貴賓.基于優慕課平臺與知識圖譜的微課課程設計及應用[J].教育現代化，2019，10（79）：195201.

[3]滕秀花.《算法與數據結構》線上線下混合模式的教學設計與實踐[J].高教學刊，2021（4）：109112.

[4]李暢.構建操作系統教程知識圖譜[J].電腦知識與技術，2020，01（16）：123124.

基金項目：本文系“2020年度青島理工大學本科教學建設與改革項目”（項目編號：F2020062，F2020061）的研究成果

作者簡介：熊曉蕓（1972—?），女，江西南昌人，副教授;劉秀燕（1987—?），女，山東德州人，講師，主要從事計算機科學與技術專業的本科核心課程的教學工作等。