智慧教學工具在操作系統課程教學中的應用研究

曹曉梅，陳丹偉

（南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

操作系統是現代計算平臺的基礎和核心支撐系統，當前我國正全面推進經濟與社會數字化轉型、網絡化重構和智能化提升，操作系統等基礎軟件的自主可控是深度信息化進程的關鍵［1］。操作系統人才培養的根基在于大學階段的操作系統教學［2］，該課程作為計算機本科專業的主干課程，受到了國內計算機專業教師的高度重視。

操作系統課程圍繞處理器管理、內存管理、設備管理、文件管理的基本概念、設計思想、管理策略和實現機制展開，具有概念抽象、內容復雜、覆蓋面廣等特點。在傳統課堂教學模式中存在以下3個突出問題［3］：

（1）教學方式單一，教學效果欠佳。傳統授課方式場所固定，課時受限，教師以PPT 課件形式向學生傳授學習內容，教學活動往往由教師主導，學生被動接受，缺乏獨立思考的能力，對教材中的理論知識缺乏興趣，對課程內容理解的寬度和深度還遠遠不夠。由于缺乏有效溝通與反饋渠道，導致教師難以及時掌握學生學習情況。

（2）教學內容陳舊，與最新技術發展相脫節。當前，以云計算、大數據、人工智能等為代表的新型應用場景，不同架構的CPU、GPU、加速器等為代表的新型硬件，嵌入式、移動計算、云計算等不同規模的計算系統，使操作系統的內涵和外延發生了重大變化［2］。然而，目前課程教學內容仍然側重于操作系統資源管理的基本概念與關鍵技術，難以適應新計算時代所帶來的新要求與挑戰。

（3）考勤與作業批改、統計效率低下，教學反饋遲緩。目前，南京郵電大學計算機學院信息安全專業操作系統教學團隊2 位教師每學年需完成信息安全專業6 個小班約200 名學生的教學任務，教師口頭點名、手工批改作業及統計成績的傳統方式效率低下，花費了大量的課堂時間和精力，統計結果也不夠準確、快速，直接影響了綜合考評和持續改進的有效實施。

學生學習投入是學習的先決條件，是影響學習成績和持久性的重要變量，也是評價教育機構和項目質量的重要指標［4］。如何確保學生學習投入，切實有效提升操作系統課程的教學效果，落實使學生理解操作系統的工作流程和各功能模塊的設計原則，培養學生抽象思維與邏輯思維能力，并能運用基本原理和方法識別、分析、解決計算機軟件開發領域中復雜工程問題的特點的能力教學要求，使學生們成長為符合時代要求、能擔當重任的系統研發人才，是操作系統課程教學改革的首要目標。

為了解決傳統教學中的突出問題，實現課程教學改革目標，南京郵電大學計算機學院教學團隊于2020 學年開始引入智慧教學工具輔助操作系統課堂教學，在分析、比較不同教學工具的設計目標、適用場景和使用特點后，形成以超星泛雅網絡教學平臺和雨課堂在線學堂為依托的“一課雙平臺”混合教學模式。本文對課程改革的動機、設計思路、實施細節、效果及反思進行概括和總結。

1 相關研究

作為一種將現代教育信息技術與傳統課堂教學相融合的教學模式，針對混合式教學模式的研究與實踐日益普及［5］。操作系統課程相關的混合式教學改革成果主要集中于基于微課的翻轉課堂［6-7］、線上教學門戶的建設與應用［3，8-10］、雨課堂輔助教學［11-12］等方面。王英等［6-7］提出基于微課與翻轉課堂的教學模式，通過增加課外學時考核方法調動學生課外學習的主動性。劉霞林等［8］通過搭建云學習平臺開展課前線上學習。孫增國等［9］在BB（Black-Board）平臺上建課，引入翻轉課堂模式授課。祁暉等［3］基于超星學習通平臺建設課程資源，測試比較發現借助平臺的自動評分系統平均可減少45.5%的評閱時間。馬宏琳等［10］在超星學習通搭建教學執行平臺，采用問題驅動教學（Problem Based Learning，PBL）機制，通過分組互動激發學生主動參與和深度思考。周軍海等［11］將雨課堂引入操作系統課堂教學，提高考勤效率，調動學生學習積極性。肖堯等［12］將雨課堂的層級管理運用到教學過程中，證明使用層級管理可提升混合式教學效果。

上述針對操作系統課程混合式教學模式的研究成果在不同層面實現了創新，取得了較好的效果。其中，借助網絡平臺搭建教學門戶，整合包括微課、教案、拓展資料等教學資源作為傳統課堂的補充或延伸，可使學生隨時隨地進行課程預習和鞏固［3，8-10］；利用雨課堂在輔助課堂教學時具有顯著優勢，能實現無縫連接考勤、授課和隨堂測試等，便于教師實時掌握授課過程中的各項數據，并對授課內容進行及時調整［11-12］。

然而，文獻［6-7］側重于介紹利用微課和翻轉課堂提升學習效果，并未對如何有效組織微課資源作出說明。文獻［3，8-12］均聚焦運用單一教學工具，僅能部分解決傳統操作系統課程中教學方式單一枯燥、課程內容陳舊、教學效率低下等問題。

基于上述原因，本文將研究重點放在充分發揮不同智慧教學工具的優勢上，使其應用范圍覆蓋課前、課中和課后各階段及虛擬、現實各場景，協助教師精確把控整個教學過程，全面提升課程教學質量。具體的，在超星泛雅平臺搭建線上課程門戶，歸納與拓展教學內容，為學生課前預習、課后練習與鞏固提供有力支撐，打造適合學生自主學習、主動參與的泛在化學習環境；在課堂教學中應用雨課堂實施實時掃碼考勤、隨堂測試，提高考勤效率，活躍課堂氣氛，便于教師及時了解學生學習情況，并對授課內容作出快速調整；綜合利用智慧教學工具所提供的自動化評分和統計功能提升教師工作績效，構建全過程課程評價體系，實時反饋課程教學效果。

2 基于超星泛雅平臺“三位一體”的課程資源建設

學生學習到的學習資源質量，取決于教師是否對收集的課程素材進行了針對性的設計與改造［13］。圍繞課程的能力教學目標，南京郵電大學計算機學院教學團隊在超星泛雅平臺上創建課程門戶，打造涵蓋基礎理論、案例剖析和實踐指導的“三位一體”優質課程資源，形成較為系統、完善的視頻庫、資源庫和習題庫。此外，為了便于學生在線自主學習，通過編撰在線學習手冊，提高課程資源的使用效率。

2.1 章節資源

平臺的章節模塊可使教師構建脈絡清晰的課程體系。操作系統的課程章節資源以主題突出、目標明確的微課為主，重點闡述知識點的重難點問題、實操環節、經典操作系統案例剖析、實驗環節指導等。目前，課程視頻庫包含70個微課視頻，每個微課一般不超過18min，累計約1 340min。

2.2 課程資料

隨著計算平臺與環境的擴展和泛化，操作系統教學素材和內容應與時俱進，不斷完善。課程資料不僅包含授課計劃、教案、教學PPT、慕課等課內輔助資料，還結合了操作系統領域國內外學術界和工業界的最新發展，提供書籍、參考文獻、網站、微信公眾號等推薦課外參考資料列表，開拓學生視野，強化學生思考與理論結合實際的能力。

2.3 題庫資源

超星泛雅平臺提供的題型全面，包括單選、多選、填空、判斷、簡答、論述和計算等。在設置題目時，除題干外，需確定參考答案、難易程度、所屬知識點、答案解析。其中，系統將自動批改客觀題，主觀題可設置為教師批改或生生互評。題目來源可從本地上傳，也可選擇借鑒超星泛雅平臺內豐富的教學資源庫。經過一段時間建設，現階段題庫中包含各類題目約700 個，為課后作業、階段性測試等提供了有力支撐。

3 “一課雙平臺”混合式教學模式的設計與實施

在教學實踐中，操作系統課程設計了“一課雙平臺”的混合式教學模式（見圖1），結合超星泛雅網絡教學平臺和雨課堂在線學堂，充分發揮不同教學工具在不同教學場景的優勢，引導學生自主探究，提升學生學習興趣。同時，對課程考核方式進行改革，建立全過程課程評價體系，實現多層次課程重構。

Fig.1 Process analysis of the "one lesson，two platforms" hybrid teaching mode圖1 “一課雙平臺”混合式教學模式過程剖析

3.1 基于線上課程資料庫的課前自學與課后鞏固

利用在超星泛雅平臺中創建的課程資料庫及平臺所提供的在線互動功能，從章節微課資料、課程拓展資料、線上討論模塊、線上作業發布與批改4 個方面，為課前、課后學習提供有效輔助。

3.1.1 微課輔助學習

教學平臺課程資源庫中提供了70 個微課視頻，鼓勵學生觀看視頻進行預習、復習，夯實基礎知識，加深對重難點知識的理解。教師可隨時了解學生觀看時長、次數等信息，通過平臺監督、提醒學生完成視頻自學。微課輔助學習滿足了不同學生的個性化學習需求，解決了傳統教學模式因課時受限所導致“學生學不透，跟不上”的問題。

3.1.2 課內知識拓展

當前，操作系統技術發展迅速，隨著新處理器、新加速器架構、新應用場景的出現而不斷涌現出新的問題，許多經典問題也會出現新的解決方法。因此，在設計系統學習操作系統核心原理時，教師應充分了解當前操作系統領域的前沿研究與工業界實踐［2］，在資源庫中提供優選的課程資料作為課前預習并布置作業，盡可能開拓學生視野，突破傳統操作系統教學在深度、廣度、時效性等方面的局限性。

3.1.3 線上分組討論

利用超星泛雅平臺的PBL 分組討論功能，發布研討主題，根據學生知識和能力特點，采取優勢互補的原則分組，進行小組討論和學習，通過組間互評、教師評價得出每個小組成績。例如，對進程同步經典模型的讀者寫者問題開展分組討論，將學生分為5 人一組，提供必要的閱讀材料，引導學生分組討論信號量、管程等不同機制進行模型仿真時的區別和優劣，啟發學生深入思考，提出具有更高優先權的解決方案。實踐統計，每個學習小組平均發布討論6條，平均得分95 分，所有小組均全員參與討論。因此，分組討論不僅可引發學生對重難點的思考，加深對知識的理解、掌握和運用，還可提升學生的競爭意識、表達能力和團隊協作能力等綜合素質。

3.1.4 線上作業發布與批改

通過超星泛雅平臺發布、提交與批改課后作業，根據課程特點、作業形式和難度，采用多樣化、多層次設計，課程采用單選題、填空題、簡答題、論述題、計算題等形式，按難度由淺入深設計常規基礎類、綜合實踐類和能力拓展類題目。其中，單選題、填空題等客觀題由平臺根據參考答案自動打分，主觀題則采用互評模式。教師提供明確的評分標準，每位學生的作業由同班兩名學生以匿名形式打分，從而降低感情分的可能性。在互評模式中，學生作為批改作業的主角，加深了對易錯問題的理解，增加了自身責任感，提高了作業批改效率。

3.2 雨課堂輔助的課堂教學

雨課堂是一款旨在提升教學課堂體驗的智慧教學工具，在整個教學過程中起到了促進教師與學生互動的作用，受到廣大師生歡迎［14］。在操作系統線下課堂教學中，教師重點關注與講解學生在預習時遇到的問題，利用雨課堂提高課堂效率，激發學生學習思考的積極性，改善教學效果。

3.2.1 線上考勤

借助雨課堂提供的手機掃碼或文字驗證碼簽到功能進行線上考勤，一方面提高了考勤效率，另一方面便于教師查看、統計學生出勤情況。然而，在教學實踐中發現少數學生通過已掃碼的學生獲取二維碼或驗證碼，進行遠程簽到，導致雨課堂后臺記錄的簽到數據存在水分。

3.2.2 隨機點名

教師通過雨課堂的隨機點名功能，考察學生聽課效果，活躍課堂氣氛，促進師生間的交流互動。同時強調，隨機點名與考勤簽到不一致將會影響平時成績，從而對學生遠程簽到起到一定的威懾作用。

3.2.3 隨堂限時答題

在PPT 中，雨課堂提供了多種可插題目，包括選擇題、投票、填空題等。每當一個知識點講解完畢，教師會發布相關課堂練習，限時要求學生作答。答題時間結束后，以直方圖形式呈現學生做題結果。教師可根據直方圖中的統計數據，及時、準確地判斷學生薄弱知識點，對知識點進行強調與補充，形成問題驅動和數據驅動的教學過程。

3.3 智能統計數據的應用

智慧教學工具可為各教學環節提供數據化、智能化的信息支持，為教師教學提供全周期、全方位的教學數據分析，保證教學效果，提高教學質量［15］。

3.3.1 教學過程的改進與定點幫扶

超星泛雅平臺提供了直觀、詳細的學業統計和作業統計，教師通過檢查章節任務點的完成情況和每道題的準確性，有針對性地講解錯誤率高的題目，根據學生自學情況調整課程教學內容與進度。借助雨課堂的學習過程數據，教師可查看并導出課堂教學活動中產生的所有數據，匯總分析學生出勤率、隨堂答題得分率等，督促上課率低的學生按時上課，預警和幫扶得分率低的學生。

3.3.2 全過程課程評價體系的構建

由于缺乏有效的平時成績統計手段，傳統操作系統課程評價體系往往以期末考試成績為主要評判依據，然而考試結果無法客觀反映學生在整個學期的學習情況，未能對學生學習過程施加積極影響［8］。為激發學生學習動機，強化學生學習效果，持續改進課程提供科學依據。課程構建了全過程評價體系，總評成績由考勤、作業、實驗、隨堂測試和期末考試5個部分構成，如表1所示。

由表1 可知，考勤、隨堂測試、作業、實驗等過程性數據占50%，均通過智慧教學工具進行統計；期末成績占50%，側重于考核學生對操作系統中關鍵算法及問題的分析與應用能力。

Table 1 Full course evaluation rules表1 全過程課程評價細則

4 教學效果分析與反思

2020 年后，南京郵電大學計算機學院教學團隊對2018-2020 級信息安全專業學生，開展線上線下混合式教學實踐。統計數據顯示，超過90%的學生全部完成了在線學習任務，相較于傳統線下教學，學生的參與度、完成率具有大幅提升。然后，對南京郵電大學計算機學院2019 級信息安全專業3 個小班共計123 位學生進行課程滿意度調查，如表2所示。

Table 2 Course satisfaction survey表2 課程滿意度調查

由表2 可知，大多數學生對混合式教學模式的實際效果表示認同，但在考核方式等方面還需進一步細分。南京郵電大學計算機學院教學團隊對課程過程性數據與期末考試成績的一致性關系進行統計分析，將每個過程性環節轉換為百分制，并與期末考試成績計算比值，如圖2所示。

Fig.2 Comparison of consistency between end-of-term grades and process data圖2 期末成績與過程性數據一致性比較

由圖2 可見，期末考試成績與平時作業分數比值的中位值相較于1 存在一定偏差，表明期末考試與平時作業存在不一致情況。調查發現，課后書面作業存在一定的抄襲行為，同樣的問題也反映在實驗成績與期末成績的偏差上。期末考試成績與考勤的一致性偏差最大，說明網上考勤成績存在水分，需通過其他手段加以補充，例如增加隨機點名次數等。期末考試成績與隨堂測試成績之比的中位數最接近于1，即期末成績與隨堂測試成績大體一致，說明課堂實時答題結果能真實反映學生對基礎知識的掌握程度。

綜上，在考慮學生平時成績時，教師應對隨堂測試賦予較高權重，降低其他過程環節的權重，引入學生在分組討論中的貢獻度等其他檢驗標準，以加強過程性評價的公正性與合理性。

5 結語

本文基于南京郵電大學計算機學院教學團隊近年來的教學改革實踐與積累，在對不同教學工具的特點進行充分調研后，構建基于超星泛雅的課程資料庫，并使之應用于課前自學、課后鞏固與練習環節；雨課堂被用于課堂教學環節，在提升課堂效率、互動效果、實時統計數據等方面發揮了重要作用。實踐表明，該教學模式突破了傳統教學模式操作系統教學的局限性，取得了較為顯著的教學效果。目前，我國操作系統受制于人的問題仍非常突出，作為操作系統課程的講授者，任重道遠。

示范教學包是超星集團為開展全國信息化教學而打造的資源共享中心，能促進優質課程傳播，推動優質資源共享。南京郵電大學計算機學院教學團隊將緊跟國內外前沿發展和工業界的最新實踐，持續豐富資源類型與數量，優化、完善各類資源品質，申請成為能被其他教師引用并編輯的示范教學包，為推動操作系統課程混合式教學發展，提升系統研發人才培養質量作出積極貢獻。