OBE理念下的操作系統課程教學改革與實踐

李 娜，李 征，王 鵬，劉 杰，王 磊

（陜西理工大學數學與計算機科學學院，陜西漢中 723000）

0 引言

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。2016 年，我國加入了國際工程教育《華盛頓協議》組織，標志著高等教育正式啟動工程教育改革。遵循成果導向、以學生為中心和持續改進原則是工程教育專業認證的核心。2017 年，教育部高教司推出了工程教育改革新工科計劃，其內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。在工程專業認證和新工科建設的新時代教育改革大背景下，計算機類專業的核心課程必須要加快改革進程，以滿足國家新時代人才培養需求。

在計算機類專業中，操作系統（Operating System，OS）是一門核心課程，與數據庫、編譯原理合稱“三座大山”。這三門課程的教學內容與方法等一直備受關注，其共同特點為內容抽象、教師難教、學生難學，是進行教學改革的重點和難點。因此，借助教育部實施一流本科課程“雙萬計劃”的時代機遇，以成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）為目標，打造計算機類線上線下混合式教學“金課”，是計算機專業核心課程改革的重要方向。

1 線上線下混合教學模式的必要性

傳統OS 課程的主要教學方式為線下教學+課程實驗，模式單一。課堂教學以教師講授為主，學生參與度低，學習主動性不足，效果較差；實踐教學環節以驗證性實驗為主，對學生動手能力、思辨能力、主動學習能力的培養不足；考核方式以期末閉卷考試為主，考試內容重知識輕能力、重理論輕實踐、重結果輕過程；課程內容缺乏創新實踐、交流協作、持續學習，課程思政等環節，對學生創新能力的培養不足。以上是OS 課程傳統教學方式面臨的主要問題，無法滿足新工科建設對于專業課程教學的要求。因此，根據實際情況，對計算機類核心課程進行線上線下混合式教學改革，重塑課程內容迫在眉睫。

當前關于OS 課程改革的研究較多，例如文獻［3］提出基于MOOC 的線上線下混合教學實踐應用于數據分析與數據挖掘課程，能夠保證學生知識獲取質量，滿足教師對學生學習過程的考察需求；文獻［4］采用課前預習、課堂互動和課后鞏固的混合式教學模式進行OS 課程改革，是一種新型高效的教學模式，能顯著提高教學質量；文獻［5］以OBE 教育理念為指導對OS 課程進行教學改革，學生學習成績穩步提升；文獻［6］從培養學生系統能力的角度出發設計了系統性模塊化教學內容和全覆蓋的知識體系；文獻［7］重構了OS 課程內容，提升了學生解決復雜問題的能力。

為建設一流本科課程，提升教學質量，本文借鑒前人經驗，并結合地方應用型高校學生的實際情況，研究了OBE 理念下多方位的OS 課程改革，從課程內容重塑、線上線下教學資源構建、教學模式設計等多個環節進行改革實踐。

2 OBE 理念在計算機類專業核心課程中的引入

OBE 理念倡導以學生為中心，以成果為導向。2013 年6 月，我國加入“華盛頓協議”，同時引入OBE 理念進行工程教育改革，至今已取得豐碩成果，對高校工科類專業教育水平的提高起著巨大的推動作用。在工程教育改革大背景下，在計算機類專業核心課程中引入OBE 教育理念進行教學改革勢在必行。計算機類專業的特點為理論與實踐并重，傳統與創新兼顧，這就要求任課教師圍繞OBE 教育理念進行課程體系構建，以滿足工程教育對計算機類專業的要求。

3 課程教學內容重塑

計算機科學體系主要分為硬件和軟件兩個部分。OS處于所有硬件的最上層和所有軟件的最下層，是連接兩者的跨界角色。OS課程主要研究的是OS內核。為提升教學質量，建設一流線上線下混合式OS 課程，課程組在課程內容、形式方面持續改進，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系。課程組以陜西理工大學計算機科學與技術專業2018 版本科培養方案修訂為契機，按照培養目標和畢業要求，根據以學生為中心的教育理念，對OS 課程內容、知識點進行梳理和優化，重塑知識體系，并構建支持線上線下混合教學模式的學習資源。

3.1 課程內容優化

OS 課程內容優化主要從理論和實踐兩個方面展開。OS 最重要的功能為對軟硬件資源進行管理，圍繞該功能對課程理論知識進行深入分析，建立脈絡清晰的課程內容框架。OS 課程的主要教學內容包括操作系統引論、進程描述與控制、處理機調度與死鎖、存儲器管理、虛擬存儲器、輸入輸出系統、文件管理、磁盤存儲器管理以及操作系統接口，教學的3 個核心為進程、內存和存儲。課程共計54 學時，其中理論課為42 學時，實驗課為12 學時。綜合課程總體情況、教學重點以及教學學時3 方面因素優化該課程知識體系結構，具體如圖1所示。

首先，全面梳理并重新構建課程理論知識內容。進程是操作系統中比較抽象的概念，課本中花了大量篇幅介紹其基本內涵。但對于學生來說，單純的文字內容過于抽象，不易理解和應用。在內容優化過程中，課程組從進程的功能著手，先略過晦澀的進程概念部分，重點使學生弄清進程與CPU 的對應關系，即計算機所謂的計算指的就是CPU 運算，運算的內容就是進程。通過在多道程序下多個進程如何在一個CPU 中運行的問題引出調度、資源競爭、進程同步、死鎖等衍生知識點，使學生理解進程的定義和概念。同時，在進程管理、處理機調度與死鎖部分引入關聯知識點，并增加課時和實驗項目；其次，優化實驗教學內容。實驗學時由原來的8 學時增加至12 學時，必做實驗項目由原來的4 個變為6 個，增加1 個選做實驗。增加的實驗項目為列舉系統啟動項目（必做）、共享內存實驗（必做）、處理機調度實驗（選做）。

3.2 線上線下平臺資源構建

Fig.1 Optimized OS course knowledge architecture圖1 優化后的OS課程知識體系結構

課程內容分為理論與實踐兩大部分。各個章節、功能模塊對應的知識點是分散的，但又相互融合。各章節的理論知識點配置了豐富的學習資源，包括教學大綱、課程標準、PPT、知識點視頻、算法動畫、電子書、章節作業、隨堂測及自測等。借助學習通平臺，構建線上學習資源。在實踐操作方面，課程組將實驗項目分為驗證型、設計型和綜合型3 個類型。教師會提前將相關實驗項目及案例上傳至PTA 平臺，學生可依據個人能力和學習進度選擇合適的資源主動學習。當前實踐中，線上學習為線下學習服務，線下學習是線上學習的有益補充。因此，課程組根據課程內容要求教師將以案例的形式講授重難點，將OS 中的進程、內存和存儲等零散抽象的知識點緊密聯系起來，幫助學生完成對知識的遷移。同時通過師生、學生之間問題討論等，幫助學生內化有聯系的知識點以組織成結構完善、層次分明的知識網絡，完成OS 知識體系的構建，使其能夠利用所學知識綜合分析、解決實際問題，提升探索創新能力。OS線上線下課程資源架構如圖2所示。

Fig.2 OS online and offline course resources architecture圖2 OS線上線下課程資源架構

4 線上線下混合教學模式設計

為達到課程教學目標，OS 課程基于學習通平臺進行線上線下混合教學模式改革，將課程的理論與實踐項目緊密結合起來，目前已形成課前—課中—課后一體化教學，具體教學模式如圖3所示。

Fig.3 Online and offline mixed teaching mode based on Xuexitong圖3 基于學習通的線上線下混合教學模式

5 教學實踐與效果

5.1 教學實踐

在開課前，課程組提前準備好線上線下教學資源，并制定詳細的課程計劃和應急預案。課前，根據教學安排，教師需提前一周發布本周學習任務，包括學習視頻、PPT、自測等。學生可以借助電腦、手機等終端隨時隨地自主學習，并記錄學習過程中遇到的問題，也可以在線上進行討論。同時，教師可根據學習進度、討論內容、自測情況等監控學情，及時發現問題，并將一些共性問題放到課堂上解決。教師通過了解學生的學習軌跡，進一步完善課堂教學內容。課中，教師根據課前學情反饋，及時調整課堂教學模式，根據需要選取重難點講授、翻轉課堂、問題討論等教學形式。在師生、學生互動過程中，教師引導學生發散思維、積極思考。課后，學生在學習通上完成作業、測驗，線下完成必做和選做實驗項目，教師及時進行答疑。

以避免死鎖教學為例，最終目標是使學生掌握避免死鎖的基本理論與銀行家算法。課前，由教師下發預習任務、設計板書，學生借助超星課程平臺完成預習任務。需要完成翻轉課堂的小組提前準備上課資料，課中由老師引導學生發現問題：生活中有哪些解決死鎖的方法？OS 中避免死鎖的方法是什么？接著由學生進行課堂教學：類比銀行放貸業務解釋銀行家算法的基本思想，結合資源分配的例子給出銀行家算法的基本實現思路，并詳細講解注意事項。最后進行分組討論，梳理與死鎖進程相關的諸多問題。課后，學生完成作業以及小測驗。根據學生課堂講解中所用素材（包括PPT、動畫、板書設計等）是否豐富，普通話是否標準，講解是否清晰易懂，課堂氣氛是否活躍等方面進行分組評價，包含組員自評、組間互評、教師評價幾個方面。

綜上所述，依托線上線下混合式教學模式，OS 課程形成了課前自主學習—課中翻轉課堂、分組問題討論—課后練習鞏固三位一體的教學過程，既能保證學生對基本概念、算法知識的掌握，又可以滿足其拓展延伸的需求。

5.2 教學效果

重塑的OS 課程內容與教學模式在2018 級計算機類本科學生中開始實施。經過1 個教學周期，學生學習積極性明顯提高，學習效果顯著。課堂氣氛活躍，大部分學生積極參與到翻轉課堂、分組討論中，由傳統的被動接受變為主動學習；在課前預習自測、課后作業完成質量方面，題目正確率明顯提高；在實踐環節，根據所學內容自主設計實驗方案、積極完成實驗的學生數量比往屆大幅提高。

對2019-2020-1 學期的計算機專業2017 級2 個班、2020-2021-1 學期計算機專業2018 級6 個班學生的成績分布進行了統計分析，見表1。可以看出，在計算機專業2018 級學生人數遠多于2017 級的情況下，2018 級學生成績分布無論從最高分、最低分、平均分、中位數和標準差等方面均優于2017級，說明OS課程教學改革成效顯著。

6 結語

本文基于OBE 理念，從課程內容重塑、教學資源構建、教學模式設計等多個教學環節進行了OS 課程線上線下混合式教學改革。經過一個教學周期的實踐證明，課程改革頗有成效，培養了學生自主學習、分析與解決問題的能力。該課程的改革方案也可為計算機類專業其他課程的建設提供借鑒。今后計算機類專業課程的改革將繼續圍繞OBE 理念進行，線上線下混合教學是未來課程教學的主要模式，但在線資源建設方面仍需繼續引入優質課程資源，并建設適合學生實際情況的在線課程平臺，這將是課題組下一步教學改革的重點。

Table 1 Comparison of grade distribution between grade 2017 and grade 2018 students of Computer major表1 2017級與2018級計算機專業學生成績分布比較