操作系統課程的敏捷式教學實踐與探索

鄧 松，楊樂嬋

（1.南京郵電大學先進技術研究院，江蘇南京 210042；2.金陵科技學院軟件工程學院，江蘇南京 211169）

0 引言

操作系統是計算機專業學生的核心課程，也是重要的專業基礎課程［1-2］。該課程所涉及的知識面較廣，包含計算機硬件及軟件兩方面。同時，操作系統本身作為一個發展多年的系統軟件，功能強大、形式多樣，教師難以在規定課時內將課程知識點完全傳授給學生［3-7］。

如果按照傳統教學方法對系統軟件的原理、架構、設計、實現代碼等方面進行全方位講解，學生通常難以完全掌握課程的重點內容。并且，由于課程中的概念和基本原理較為抽象，例如提供服務功能的接口、系統調用過程和原理、中斷技術的實現原理等，學習難度較大，會導致學生學習積極性下降。

傳統操作系統課程教學強調以教學內容和教學進程為導向，以教學內容驅動教學過程，要求學生按預定的教學計劃、教學進度進行學習，授課過程以教師講授理論知識為主。然而，這種教學方式忽視了學生在教學過程中的主體地位和學生間存在的差異，未能針對不同學生動態調整教學方式。

2018 年，教育部高等學校教學指導委員會通過結合國內外教學改革實踐與我國大學教學實際情況提出敏捷教學體系［8］。該體系能應對新時代多元化的教學目標和個性化的人才需求，是一種具有高度靈活性和動態適應性的教學形態［9-11］。以學生發展為中心，高效協同理論、技術、實踐教學及跨校、跨界教育資源，通過多輪迭代提升學生知識學習能力。

目前，國內教學工作者已對敏捷式教學的實踐過程進行研究和探討。例如，蘇海英［8］從課程內容重構、敏捷式教學處理、過程考核與學習效果評估4 個方面闡述大學計算機課程中敏捷式教學的實踐過程。黃旭等［9］基于敏捷教學理念，對大學生工程實踐訓練模式進行探討。李忠偉等［12］在信息安全導論通識課程建設過程中引入敏捷教學模式，對教學單元、教學內容與知識點進行合理設計，取得了良好的課程建設效果。姜屏等［13］在土木工程施工課程設計課程教學中根據敏捷教育的基本思想，采用小組形式進行課程設計，并在教學實踐中采用科學合理的過程性考核方式。馮筠等［15］對程序設計基礎課程進行知識圖譜及能力層次構建，提出適合程序設計基礎課程的一種混合敏捷教學模式。

通過分析上述方法，本文將敏捷教學引入操作系統課程教學實踐中，突出追蹤和響應特征，詳細闡述實踐細節，并重點考核評估標準的細化與及時反饋。教學實踐表明，敏捷教學相較于傳統教學方式，能夠更好地達到操作系統的課程目標達成度。

1 敏捷教學

敏捷教學考慮了學生間的個體差異性，是一種結合知識、能力、素質等方面的教學體系［14］。既采用因人而異的教學方式和手段，又緊密結合課程教學大綱的內容；既考慮學生的個人興趣、學習能力差異等方面，又依據學校規定的教學培養目標，制定個性化的培養方案。

該模型有效激發學生的內在動力，并且隨著社會需求和相關技術的發展，通過靈活組織、整合各種教學資源，能夠實現知識的不斷迭代［15-16］。

隨著教學逐步深入，要求學生首先從宏觀角度了解教學內容，然后逐步全面理解、掌握課程知識點，并且教師會根據學生間的差異開展針對性教學，使基礎相對薄弱的學生最少掌握課程的基本知識點。為了保證教學效果，敏捷教學制定全新的課程考核評估方式與及時的反饋機制［17］，使教師能夠得到更多的信息和時間調整教學過程［18-19］，開展針對性教學。

2 教學實踐

敏捷教學注重以學生為中心，強調教學體系的靈活性、整體性、迭代性及教學資源的協同性，從課程內容、教學過程、考核評估與及時反饋機制3 個方面開展操作系統課程的教學改革實踐。

2.1 課程內容

由于操作系統課程的知識點較多，教師注重基本功能實現原理及算法知識點，忽略了操作系統課程的整體觀，但該課程的整體觀對學生理解操作系統結構、內核功能的基本原理和方法至關重要。在教學實踐中發現，當學生對操作系統的整體觀把握較差或對具體知識點和整體目標的關系理解不準確時，容易產生困惑。例如，當學生對Linux 系統調用執行流程的整體理解不準確時，在學習進程上下文切換與處理器狀態轉換知識點時，會誤認為系統調用處理程序的運行在用戶態，或認為應用程序執行系統調用時已經發生了進程上下文切換。

因此，在課程實踐中，要求學生對操作系統在用戶層提供服務的基本原理具有初步的認識和理解，并且在敏捷教學理念指導下，對系統調用的基本原理和實現過程進行反復學習、理解，同時對操作系統作為“服務者”這一本質性產生整體性認識。如此，將有助于快速推進學生對操作系統產生整體性認識。圖1 為課程部分內容的訓練過程。

Fig.1 Training process of some contents of operating system course圖1 操作系統課程部分內容的訓練過程

由圖1 可見，讀文件read（）系統調用的處理過程為應用程序通過陷入指令進入系統調用陷阱機制，首先通過系統調用號查找入口地址表，再由入口地址尋找相應的讀文件的系統調用服務例程sys_read（）。通過對系統調用實現原理的反復教學，使得學生在整體理解操作系統“提供服務”這一基本原理。

隨著課程內容復雜程度上升，促使學生逐步理解設備和文件管理的具體實現技術方法，具體訓練過程如圖2所示。

Fig.2 Iterative training process of system call（including equipment and file management）in operating system teaching圖2 操作系統教學的系統調用（包含設備和文件管理）迭代訓練過程

2.2 教學過程

2.2.1 突出追蹤和響應特征

由于敏捷式教學理念考慮學生間的差異性，因此教師需要關注學生的個性特征，包括專業歸屬、知識基礎、能力水平、班級規模等。在教學過程中，通過動態追蹤和響應不同學生的實際學習情況，及時制定具有針對性的教學方案，既體現教學過程的敏捷性，又能夠激發學生的學習興趣、提升學習成就感。具體的，當教師追蹤到學生的學習的差異性后，應當及時進行響應并調整后續教學內容及教學方式，完成針對性迭代訓練。對于基礎相對薄弱的學生，需要首先進行基礎原理的教學講解、完成概念性練習、基礎性編碼；對于學習能力較強的學生，教學過程則主要由學生提出重難點問題，教師進行針對性解答并引導學生進行思考與討論。圖3 為敏捷式教學過程的3 個組成部分。

Fig.3 Agile teaching process characterized by timely tracking and response圖3 以及時追蹤和響應為特征的敏捷式教學過程

（1）課前部分。課程教學采用線上線下混合式教學模式。課前部分要求學生在超星平臺上觀看相關課程視頻并預習課程內容，教師通過后臺數據監控學生是否觀看視頻、觀看視頻的時間、百分比等，然后通過系統提醒未完成要求的學生盡快完成任務。

教師通過平臺設置課前練習題和討論題，學生觀看完視頻后可自行練習并進行線上討論，教師則通過后臺數據了解學生課前學習的整體情況，包括哪些學生自主學習能力較強、知識基礎較好等，便于教師及時掌握學生間的差異性，進行針對性的教學調整。例如，設置課前基礎、思維拓展兩個層次的課前預習題型，統計學生完成這兩類題型的準確率，以掌握學生對課程內容的預習情況，如果學生已基本掌握基礎概念知識，教師則需要調整課堂教學內容對應的授課時間，將課堂大部分時間放在重難點知識點方面。相較于傳統教學方式，敏捷教學模式能夠使教師實時掌握學生的預習情況，及時調整教學方式，設置課堂問題、演練的題目及難點的討論內容。

（2）課堂部分。教師在課前針對課程重難點知識設計教學內容并拋出問題給學生自行解答，課堂中根據課前學習情況選擇學生進行回答，以掌握學生的預習情況。同時，考慮到學生學習效果的差異性，反復對基礎較為薄弱的學生講述基礎原理，指導其完成基礎練習題；對于學習能力較強的學生，則要求其完成具有一定難度的綜合題。此外，選擇任務完成最快、最準確的學生上臺對練習題的計算過程進行演示，鍛煉學生的語言表達能力。

（3）課后部分。課后通過線上線下教學方式給學生設置適當難度的作業和任務，以鞏固課堂學習所學知識點。教師應該根據實際教學情況設置作業難度，如果作業設置的難度較小，則失去考核的目的，但難度較大則會使學生產生挫敗感。因此，合理設置作業難度能使學生產生成就感，成就感是學生學習興趣的源泉，也在一定程度上體現了敏捷教學的核心理念。

2.2.2 實踐教學的敏捷性

在實踐教學過程中，教師通過設計影響課程目標達成的關鍵實踐內容，動態跟蹤實踐教學產出、學生對課內實踐練習操作的效果。

對實踐教學內容進行講解和演示，根據學生各方面學習情況的差異性布置不同難度的課內實踐練習。具體的，可將課內實踐練習分為基礎練習和綜合練習。學生首先完成基礎練習，然后完成進階綜合練習，或根據自身的實際情況只選擇其中一種進行練習。教師動態跟蹤學生的實踐操作情況，針對不同學生間的差異性，定制個性化教學方式。

2.3 考核評估與及時反饋機制

由于操作系統課程考核不僅包括期末試卷成績，還涉及課后單元測試、期中考試、平常實驗考核、實踐報告撰寫和課內課后作業的具體表現。因此，應針對各方面分別制定評價標準，并折算成分數以體現課程目標達成度。例如，課內實踐綜合練習的完成時間越短、完成的準確度越高將獲得更高的分數；學生實驗報告的內容越充實、格式越準確則評分越高。

此外，還需要細化考核評估標準和注重評語反饋，及時將課后作業、實踐報告中存在的問題反饋給學生，以便于學生及時了解自身不足，促使其在后續學習過程中進行改進。

3 教學效果

為了量化操作系統課程的敏捷式教學效果，通過整理和分析該課程的工程認證教學材料，包括各項成績記錄和總評、課程目標達成度計算表和評價報告、課程目標達成學生自評表等，對教改前后的課程期末總評成績及課程目標達成度進行比較（見圖4）。其中，期末總評成績由期末試卷成績、課堂測試、期中考試、平常實驗考核、實踐報告撰寫和課后作業組成。采用教學改革實踐的班級稱為教改班級，人數為31 人；采用傳統教學方法的對比班級，人數為30 人。并且，兩個班級入學的高考成績分布基本相同，教材、教學大綱和考核方式均一致。

由圖4 可見，敏捷教學模式對學生的能力水平及知識點的掌握程度均具有一定程度的提高，教改班級的不及格的人數占比為0%，80-89 分的人數占比為41.8%，90 分以上的人數占比為9.7%；傳統班級60 分以下的人數為4 人，占比13.3%，70-79 分與80-89 分的人數占比分別為26.7%和33.3%，90分以上的人數占比為0%。

Fig.4 Comparison of proportion of people in each score section of the final general evaluation results of the teaching reform class and traditional class圖4 教改班與傳統班期末總評成績各分數段的人數占比比較

接下來，對課程目標達成度方面進行比較（見圖5）。其中，根據課程內容可將目標分為：①深入理解操作系統對進程、存儲器、外圍設備和文件管理的相關原理；②理解操作系統管理功能的關鍵算法；③具備計算機操作系統處理問題的思維模式；④具備分析現行操作系統的基本能力。

由圖5 可見，教改班級的課程目標①-③的達成度在81%～83%之間，課程目標④的達成度為77%；傳統班級課程目標④的達成度最低為69%，課程目標①和③的達成度分別為72%和76%，課程目標②的達成度為80%。

最后，從課程目標達到程度、課內練習是否有助于課程理解兩個層面設計指標參數表（見表1）。

將指標參數表分發至教改班級的學生進行打分，然后對打分數據進行歸一化處理形成自評表進行匯總分析。其中，課程目標達到程度評分為“完全達到”的平均分約為92 分，占比約為90%；課程目標達到程度為“基本達到”的平均分約為87 分，占比約為10%，選擇課內練習有助于課程理解的平均分約為95 分，占比約為90%，選擇課內練習部分有助于課程理解的平均分約為85分，占比約為10%。

Fig.5 Comparison of achievement degree of curriculum objectives between teaching reform level and traditional level圖5 教改級與傳統級各課程目標達成度比較

Table 1 Quantitative parameters of agile teaching effect for operating system course表1 面向操作系統課程的敏捷式教學效果量化參數

4 結語

本文提出基于敏捷式教學的操作系統課程教學模式，實現學生和教學效果的互動反饋，顯著提高操作系統的教學效果。該教學模型強調學生的主體地位和個體差異性，突顯課程的整體觀念，注重教學體系的靈活性、整體性、迭代性及教學資源的協同性。

教學實踐表明，敏捷教學理念對操作系統課程的教學改革實起到了良好效果，但將其真正融入操作系統課程教學中還需要教學工作者進行更深層次的探索和實踐。下一步，將持續加強操作系統課程敏捷教學的教學效果反饋機制，通過大數據對敏捷教學的效果進行定量分析。