新工科背景下基于OBE的操作系統原理教學研究

黃金洲 李勇 徐德剛

摘要：在新工科教育改革的大背景下，該文分析了操作系統原理教學的現狀，提出了基于OBE理念的操作系統原理課程的教學研究。以培養學生自主學習能力為目標，優化課程目標設計，梳理本課程的教學內容，探索“以生為本”的課堂教學模式，探討“以生為本”的教學理念的創新思路，并提出本課程的評價方案。通過全方位的課程建設和教學方式改革，在地方本科高校人才培養實踐中取得了較好的成效。

關鍵詞：OBE理念;以生為本;操作系統;翻轉課堂;教學研究

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0128-02

1 引言

教育部在2017年提出面向國際競爭新形勢、立德樹人新要求，號召高校開展“新工科”的研究實踐，推進“新工科”的建設與深化工程教育改革，強調人才培養的實際應用能力。

操作系統原理是計算機科學與技術專業的核心課程，然而多年來一直是一門教材厚、知識點多、自學困難的課程，學生的掌握情況不理想，圍繞操作系統的教學方法的教學改革一直備受國內外學者的關注。傳統的課堂教學方式以教師為中心，教學目標和教學內容設計主要圍繞操作系統的基本概念、原理和算法等進行講解，將課程切割為一個個獨立的知識單元，而忽略了知識的系統性、整體性、多學科整合等特性，存在知識傳授和教學效果相背離的現象。教學與考核不能很好地反映學習效果，學生通過課堂學習雖然可以很好地掌握基本概念和知識，但是很難做到學以致用，導致教學目標難以實現，需對操作系統課程進行教學模式改革，改變課程設計理念，加強學生的參與度，全面提升學生對操作系統原理課程的設計、研究和創新能力。

2 OBE理念簡介

OBE理念起源于歐美教育體系，一種以學生為中心的學習成果（Learning Outcomes） 為導向的教育理念，以目標為基礎的教育標準和理論，踐行以終為始的教育方法。因此，OBE理念要求授課教師必須對學生畢業時應達到的能力及其水平有清楚的構想和認知，然后設計合適的教學方案來保證學生教育經歷結束后，能夠達到預期目標[1]。所以在OBE理念下，教學目標明確，課堂教學和風格具有很高的自由度，教師按照制定的教學目標可以扮演教練、培訓師、指導者等多種角色，學生不僅僅是聽眾，還可以是講授者等身份。在國際上，OBE理念和教育方法被公認為是現代教育的追求教學質量的有效方法，受到國內外高校的廣泛青睞[2]。

3 操作系統原理教學及現狀分析

操作系統原理是計算機專業的核心課程，具有綜合性強、內容范圍廣、實踐性強的特點，在計算機知識體系具有承上啟下的重要作用。本課程旨在全面介紹計算機運行的底層系統邏輯，通過本課程的學習，學生可以掌握操作系統的基本概念和功能，引導學生理解大型系統軟件的基本結構、模型和算法，包括操作系統的歷史、進程管理、處理機調度算法、死鎖、同步/互斥通信機制、分頁/分段的內存管理、設備管理、文件系統管理等，幫助學生建立系統的知識體系，掌握各類系統的集成應用[3]。

自從2016年6月，在我國加入《華盛頓協議》以來，我國工程教育專業認證以OBE為核心理念，操作系統原理教學研究的探索不斷涌現。我國的操作系統原理課程教學研究取得了很大的發展，但在仍然存在課程設計和實際操作的效果不匹配、教學體系缺乏整體考慮和布局、以生為本的課堂教學模式的手段缺乏等問題。因此，文章針對這些問題，提出以生為本的教學思路的探索，從而提高操作系統原理課程的教學效果和效率。

4 基于OBE的操作系統原理課程教學探索

4.1 著力培養OBE人才的課程目標設計

按照OBE人才培養理念的要求，課程以襄陽市區域經濟發展的需要確定湖北文理學院計算機工程學院的人才培養目標。課程著重學生系統觀的培養，通過重點講述操作系統的內部結構、工作原理及典型技術的實現，使學生建立起對操作系統的整體認識，從而系統地掌握計算機系統的專業知識，進一步提升學生的軟件開發乃至系統軟件開發能力，為后續相關課程的學習打下良好基礎，為后續職業發展奠定基石。

課程的教學目標：通過本課程的學習，培養和提高學生計算思維能力、算法分析及設計能力、大規模軟件設計與實現能力，以及計算機軟硬件系統的認知、分析、設計與應用能力。課程目標及能力要求如下：

目標1：掌握現代計算機操作系統的基本概念、功能組成、系統結構及運行環境配置和優化，具備理解計算機系統復雜工程問題的能力。

目標2：理解多道程序并發環境中各種異步事件產生的原因，掌握多道程序處理系統中各類問題和沖突的解決方案，培養學生初步的系統分析與設計能力。

目標3：理解并掌握分時操作系統各功能模塊設計原理以及主要算法的實現方法，具有從程序員視角理解計算機系統設計，從系統設計的視角理解程序設計與執行的思想，建立完整的計算機系統概念，進行高效的和系統化的程序設計的能力。

4.2 梳理和優化課程內容

課程組按照OBE理念，設計培養要求和課程教學目標，對學生畢業要求指標點所基于的知識點進行梳理，重構知識體系，建立一個脈絡清晰的課程內容框架。結合本課程的特點，圍繞操作系統的五大基本功能，構建知識體系結構，具體包括操作系統概述、進程管理、處理機管理、存儲管理、文件管理和設備管理。各個章節的學時與課堂教學需進行一定的調整，比如進程管理、存儲管理等需要學生重點掌握，適當增加學時。同時，在重點章節中，引入線上線下、翻轉課堂、分組討論等課堂教學模式探索，利用生活事例引入關聯知識點，合理拓展課程深度，使學生對知識的理解更加深入。然后，課程優化實驗教學內容，提高學生的實驗動手能力，對操作系統的重點內容適當增加實驗學時，從而進一步加強學生對課程的理解和掌握。課程的知識體系結構如下圖所示：

4.3 “以生為本”的課堂教學模式探索

（1） 知識拓展

知識的學習目的就在于應用，尤其是在計算機非常普及的情況下，學生對操作系統的應用并不陌生，但是對于操作系統原理中涉及的技術就不一定理解。應當積極運用生活中的例子來闡述原理，啟發學生的學習熱情和積極性，同時積極引入技術前沿知識，激發學生的創新熱情。

隨著云計算的興起，在課堂中除了將知識傳授給學生，還可以引入云操作系統的討論。如今智慧家居、物聯網技術、人工智能技術的高速發展，應當引入嵌入式操作系統在當前應用背景下的廣泛用途，比如智能家居中的傳感器智能管理、智慧城市中交通運輸網絡、自動駕駛技術中的萬物互聯、機器人及工業控制等生活中各個領域。隨著信息安全問題越來越受到重視，應當在適當時候引入國產操作系統的發展現狀，鼓勵學生積極參與到國產操作系統的研發，培養學生自主學習能力。

（2） 線上線下混合

線上線下混合的教學模式采用了在線課堂和線下課堂相結合的方式[4]，充分發揮了互聯網的優勢，將教學的時間和空間維度擴大，加強學生自學力度，通過互聯網查找資料，對知識進行深度整合運用，使得學生從被動接受知識轉化為學生主動學習，有利于實現OBE教學理念，培養學生自我學習能力、整合知識能力以及實踐應用能力。

線下線上混合教學模式通常包括線上預習自學、線下課堂討論和答疑、線下實踐操作、線上作業鞏固四部分內容[5]。線上學習由學生課外時間完成，主要包括學生預習、自學、線上作業。線下課堂主要進行操作系統原理重難點知識的串講、答疑、討論，采用啟發式教學模式，激發學生主動學習的興趣，通過線上線下混合的教學模式，可以培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，引導學生主動通過實踐和自學汲取知識。

（3） 翻轉課堂

在操作系統原理課程中引入翻轉課堂的教學模式，就是將教學過程分為課前準備、課中活動和課后評測三個階段[6]。在上課前，教師梳理本課程教學內容，將其劃分為若干知識點，制作課件和視頻，然后讓學生自學，學生通過觀看視頻初步學習知識點，這樣的教學方式可以滿足不同層次學生的個性化需求;在課堂上，教師不再是教授課程知識，而是由學生與教師共同參與問題討論，解答課前準備階段學生存在的疑惑和問題，這樣能夠促進學生的知識的內化，激發學生的學習熱情和積極性;在上課后，采用課后評測的方式及時鞏固所學知識，通過課后作業方式的強化學生對知識的理解，及時了解學生的學習效果，判斷是否達成教學目標，進而調整后續課程內容和教學活動安排，從而提高教學質量。

（4） 分組試講

鑒于學生自學能力的差異化，應當因材施教，采用課堂講授和翻轉課堂相結合的方式。可以考慮將學生分成若干個小組，然后按照課程內容的設計，給每個小組選擇一個章節內容重點學習，由小組內部推舉一位同學作為小組長，并成為本章節內容的授課講師，其他同學作為輔助，幫助該組長一起完成本章節內容的課堂講授。教師可以作為教練的身份，督促組長完成講課準備工作，并在課堂講課過程及時掌握教學效果。通過這個分組試講的方式，可以有效地培養學生的獨立思考、組織溝通能力，同時也調動了學生的學習主動性，引導學生更加全面地掌握知識。

4.4 “以生為本”的教學創新思路的探討

OBE理念的核心思想是以生為本，關鍵還是要學生能夠主動學習，積極參與。如何在操作系統原理課程教學中，充分發揮學生為主體性作用，是一個值得深思的問題。

（1） 教師要踐行“以生為本”的教學理念

與傳統的“師本位”教學理念不同，以生為本的教學理念強調學生的主動性，將學生的學習興趣、學習需求作為課堂教學的出發點和落腳點。因此，教師要在教學過程中，時刻牢記這一點，不要越俎代庖，時刻圍繞學生的“學”展開自己的教學工作。

（2） 增強學生自學能力的培養

在“以生為本”的教學模式下，學生的自學能力非常關鍵。然而，由于傳統教育模式的根深蒂固，很多學生不會自學，或者說自學的方式方法不對，沒有自學能力。因此，讓學生自學不是放任不管，而是要從旁引導，循序漸進地幫助學生養成良好的自學習慣。而且要允許一部分自學能力不強的同學也能夠有參與課堂討論的機會，能夠充分調動學習的積極性。

（3） 加強對學生自學情況的線上答疑和指導

對于翻轉課堂而言，最重要一點就是發揮學生主體性作用，提高課堂教學的應用性和知識輸出的效果，這有賴于教師的課堂引導、課外學習與答疑的全過程支持。因此，以生為本的教學需要教師除重視課堂教學效果外，還要在課外積極鼓勵學生主動學習、積極提問、廣泛交流以外，并加強對學生課外答疑輔導，幫助學生樹立良好的自主學習意識和提問、解決問題的能力。

（4） 完善學生主體性學習效果評價體系

基于OBE的教學理念，關鍵是時刻以目標為導向，所有的教學手段和過程都是圍繞教學目標開展的。評價可以分為兩個方面，一方面是學習自主性學習的效果，另一個方面是教師引導學生自主性學習過程的方法和作用。因此，這不僅僅是在考查學生的學習質量，也是在考察教師的教學質量。當前高校課堂教學過程中學生主體性作用評價缺失，以及教師的評價體系不完善，需要探索完善的學生主體性作用發揮情況和教師的教學質量評價內容和方法。

5 教學實踐與評價方案

5.1 教學模式的應用實踐

針對以上“以生為本”的課堂教學模式的探索，在操作系統原理課程授課中采用多種教學方式相結合，始終堅持以目標為導向，開展有針對性的教學方法。比如，在講解操作的發展過程、進程調度等知識點的時候，可以采用知識拓展的方法，更好地激發學習的學習興趣。比如在講授進程調度、處理機調度、存儲管理等重點章節的時候，采用線上線下相結合與翻轉課堂的方式，讓學生線上自學，然后帶著問題，結合課堂答疑和討論，在教師的引導和啟發下，更加深入地掌握知識。在講解進程同步、設備管理、文件管理等內容的時候，可以采用分組試講的方式，同時結合生活中實例，讓學生能夠找到學以致用的樂趣，從而激發學習潛力。在講存儲管理中分區分配算法、頁面置換算法時，可采用多種教學方式聯動，因材施教的方式，讓學生能夠自主學習，提高學習興趣和質量。然后，通過課后指導，調查和反饋等方式及時了解學習的學習效果。

5.2 課程考核與學業評價方案

基于OBE的教學理念，建立多元化的考核評價體系，課程考核可結合平時成績、實驗考核和期末試卷考核等進行。（1） 平時成績：主要考查學生參與度，包括學生的自學打卡情況、課堂討論參與度、回答問題的情況、分組試講效果等決定。（2） 實驗成績：針對本課程設計了6個實驗，學生可以自主分組開展實驗，每次實驗完成相應的需要完成實驗報告，教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評分。期末記錄成績時，可以取6次實驗的平均成績為實驗成績。（3） 期末試卷考核：檢驗學生對本課程知識點的掌握程度，按照課程目標選擇考核的內容，期末考試的題型分為有簡答分析題、計算題、分析計算題、綜合分析題等四種題型，全部都采用主觀題型，著重考查學生對知識的理解掌握能力。考試分值比例應與各章節知識點占比基本一致，簡答分析題主要考察基本概念，分值占20%;計算題和分析計算題主要考查學生對算法的理解程度，分值占50%;綜合分析題重點考查學生綜合應用能力，分值占30%。最后的總成績中，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%） 。

6 結論

本文提出了基于OBE理念的操作系統原理課程的教學研究和探索，以培養學生的學習能力為主要目標，梳理本課程的教學內容，并優化和設計了教學目標，探索了“以生為本”的課堂教學模式，探討了如何踐行“以生為本”的教學理念，最后提出本課程的評價方案。本課程通過全方位的課程建設和教學方式改革，在實施中取得了較好的成效。

然而，這種新的教學方式也存在一些不足的地方。一個顯著的問題就是學生的自主學習能力有差異，部分學習自學能力差的學生無所適從，不愿意參與到翻轉課堂、分組試講等課堂活動中去，導致對知識的理解和掌握比較慢。因此，針對這一部分學生，教師應該適時地進行引導，并結合學生的表現、反饋進行適當干預，提高他們自主學習的積極性，協助學生達到課程的培養目標。

參考文獻：

[1] 張秋紅，劉楊濤.基于OBE理念的操作系統原理課程教學內容重組[J].蘭州文理學院學報（自然科學版），2021，35（2）：107-112.

[2] 王新穎，張國平，屈俊峰.基于OBE的Web應用軟件開發實訓教學改革與實踐[J].輕工科技，2021，37（2）：151-152.

[3] 張玉琢，肖飛，向宇.計算機操作系統“課程思政”教學實踐探索[J].科學咨詢（科技·管理），2020（8）：71-72.

[4] 金虎.課程思政的探索與實踐——以“操作系統”課程為例[J].黑龍江教育（理論與實踐），2020（1）：1-2.

[5] 馮誠，夏添，景維鵬.基于OBE理念的“操作系統”課程線下線上混合教學模式改革[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2021（7）：55-56.

[6] 李燕歌.翻轉課堂教學在《Linux操作系統》課程中的應用[J].電腦知識與技術，2021，17（4）：113-114，144.

【通聯編輯：聞翔軍】