新工科背景下操作系統原理課程教學探索*

蔡迅華

（廣西民族大學相思湖學院，廣西 南寧 530225）

操作系統軟件是推廣和普及計算機應用的基礎。因此，操作系統原理課程是計算機類專業必修的基礎課程。操作系統原理課程旨在培養計算機類專業的學生掌握操作系統軟件，實現協調、管理和控制計算機硬件資源，以及組織和管理應用軟件資源等方面的能力。然而，僅限于對原理的描述和探究難以滿足新工科發展的需要。隨著國產操作系統的推廣和普及，以Linux 為基礎的操作系統逐漸在辦公、生產和生活領域得到應用，嵌入式操作系統結合人工智能和物聯網需求的智能設備終端也在社會生活中普遍應用，這對從業者的操作系統知識的要求必然進一步提高。本文結合民辦高校計算機專業的教學特點，分析操作系統原理課程的教學現狀，并結合新工科背景下民辦高校實踐育人教學體系的要求，探討以下改進措施：一是更新操作系統課程的教學內容；二是構建服務于新興產業的教學目標；三是采用因地制宜的教學方式；四是打造育人實踐環境；五是開展基于創新創業綜合能力評估的結果分析。

一、新工科背景下的人才培養要求及應對措施

（一） 社會發展對人才培養的要求

新工科建設是為了適應新一輪科技革命和產業變革，支持服務創新驅動發展的相關要求。教育部加快推進新工科建設，旨在推動高校教育機制創新，培養具有實踐能力、創新能力和競爭能力的高素質復合型新工科人才，以增強工程教育的國際競爭力，并滿足新興產業對高素質復合型人才的需求[1]。因此，新工科背景下民辦高校計算機專業培養的學生要能為社會新興產業提供服務，并具備相應的工程實踐能力、創新能力和國際競爭力。

（二） 新興產業對人才培養的要求

隨著科技的不斷進步和經濟的不斷增長，新興產業已經成為國家經濟發展的重要支柱之一。新興產業涵蓋了許多領域，包括人工智能、互聯網、生物技術、新能源等[2]，并表現為多學科融合。例如，新能源汽車作為人工智能、新材料、新能源、先進制造等領域高技術的重要集成應用載體。新工科背景下，學科交叉越來越緊密、技術與設備日新月異，隨著系統硬件和并行技術的發展，操作系統也在不斷演化，并與多學科交叉融合[3]。操作系統在現代科技中的重要性和多樣化體現在以下的場景。一是在人工智能和機器學習領域，操作系統可以利用人工智能和機器學習技術來優化資源管理、調度和決策，以提高系統性能和效率。例如，使用機器學習算法來預測用戶行為，并作出相應的資源分配決策，或是使用深度學習算法來改進任務調度算法。二是在嵌入式系統和物聯網領域，操作系統在嵌入式系統和物聯網中扮演著重要的角色。它們需要適應各種硬件設備和通信協議，并提供穩定、安全和高效的運行環境。操作系統的設計和開發需要考慮到設備互聯、數據傳輸、能源管理等方面的需求。三是在大數據領域，操作系統與數據庫系統密切相關，特別是在企業級應用和大規模數據處理方面。操作系統需要提供對文件系統、存儲管理、緩存、鎖定機制等方面的支持，以實現高效的數據訪問和管理。四是在網絡和通信領域，現代操作系統需要具備網絡和通信功能，以支持分布式計算、云計算和移動計算等應用。操作系統需要處理網絡協議棧、數據傳輸、連接管理等方面的問題，并保障可靠的數據傳輸和通信安全。五是在數字安全與隱私方面，操作系統對于安全和隱私的保護十分重要。操作系統需要提供強大的安全機制，防止惡意軟件、未經授權的訪問和數據泄露。

目前，計算機相關專業均開設有操作系統原理、Linux 操作系統、嵌入式系統、分布式系統等和操作系統相關的課程，這就意味著民辦高校在學科建設中需要結合自身優勢，針對當前產業和科技發展現狀，及時在教學目標、教學方法、教學內容、課程思政等方面進行調整與完善。

（三） 民辦高校的相關應對措施

一些民辦高校在吸引人才和教學資源投入等方面缺少優勢，科研能力有待加強。此外，民辦高校也面臨著部分學生入學分數不高、基礎不牢以及學習主動性不夠強等客觀因素。然而，在新興產業不斷涌現新技術的背景下，民辦高校需要充分認識自身的優勢與挑戰，明確發展的方向和目標。相對于公辦高校，民辦高校與企業融合方面具有一定的優勢，這種融合有助于提升教學實踐資源，尤其是在新工科專業的發展方面。通過與企業的合作，民辦高校可以更好地了解行業需求，并靈活調整教學內容，培養與時代發展相符合的應用型人才。民辦高校要立足新工科建設，不斷推陳出新，符合時代發展要求的教學實踐資源有利于促進民辦高校的發展。例如廣西民族大學相思湖學院，應抓住發展機遇，積極投入資金建設超算中心、現代制造加工中心、人工智能與汽車實驗室、金融交易仿真中心等。同時，持續深化課程改革促進教學向應用型轉變，重構課程體系，重組課程內容，開展100 門應用型示范課程和52 門專業核心課程建設項目。操作系統原理課程作為計算機專業的基礎課程，具有廣泛的服務范圍，可以很好地參與各項建設項目。

二、課程改革的問題分析及改進措施

（一） 問題分析

首先，操作系統原理課程的特點是圍繞操作系統的五大基本功能構建知識體系，包括概述、進程管理、處理機管理、存儲管理、文件管理和設備管理。部分民辦高校該課程的實驗教學內容及課時安排主要包括操作系統概述章節配套系統管理實驗（2 個學時）、進程管理章節配套進程控制算法實驗（6 個學時）、銀行家算法實驗（4 個學時）、進程調度算法實驗（6 個學時）、存儲管理章節配套虛存管理實驗（2 個學時）、頁面置換算法實驗（4 個學時）[4]。這使得課程內容偏重算法和理論，概念比較抽象，與其他課程銜接也不夠緊密，容易導致教學效果不佳。對于基礎理論知識，不少學生認為網絡上的教學資源已經很豐富，從中國大學慕課等線上平臺能獲取許多學習資源，如果民辦高校的線下課程仍是采用傳統的教學方式，將難以發揮學生思維訓練的作用。大多數學生喜歡的學習方式是通過實際操作和項目開發來理解和應用所學的知識，教師要引入創新創業元素，通過操作系統相關的創新項目和創業案例，提升學生的綜合能力和實踐能力。其次，該課程部分實驗難以開展。目前，操作系統原理課程教材的源碼，有的難以進行驗證，操作系統仿真存在困難，難以重現運行結果，這也加大了操作系統課程實驗設計的難度。此類教學資源難以滿足課程教學與人才培養的要求。

針對以上操作系統原理課程問題的相關分析，結合前述的高等教育對新工科建設的要求，本文主要從以下幾個方面進行教學改革，并從創新創業能力評估的視角考察改進后的情況。

（二） 教學內容的改進

在計算機專業中，將Linux 操作系統課程作為必修課程有助于學生工作能力的培養，因為當前的許多國產操作系統是基于Linux 內核進行重新開發的。然而，現有的人才培養方案是先學習操作系統原理，再學習Linux 操作系統，這不利于學生系統地學習，因為操作系統原理很多概念和方法都源于UNIX 操作系統，而Linux 是類UNIX 操作系統。因此，在低年級起就接觸Linux 操作系統有利于原理課程的學習，可以安排32 或48 個課時。

基礎理論部分包括操作系統概述、進程管理、處理機管理、存儲管理、文件管理和設備管理。其中，操作系統概述章節應與實驗相結合，這個實驗以Linux 內核源碼0.11 版本為基礎，通過使用GNU 編輯器生成可引導鏡像文件，在配置好的虛擬環境下運行基本的Linux 操作系統。該實驗涉及操作系統編譯、設備仿真、操作系統引導、操作系統接口等基本概念和方法，為后續學習奠定實踐的基礎。

進程管理章節的算法原理對基礎知識不夠牢固的學生來說是個難點，在考試中得分率不高，其原因是學生對于線程、進程控制等概念比較模糊，不了解這些概念的應用場景。如果輔以Linux的進程控制命令相關知識，并在題庫中增加類似的題目，可以幫助學生提高學習效率。

設備管理章節在課程學習中也很重要，但在大學慕課等微課視頻中能找到的參考資料比較少，在嵌入式開發的工作中，該部分的知識屬于基礎性知識。建議設計和完成“基于Linux 字符設備驅動”的實驗，這個實驗可以在VMWare 和CentOS7的環境上完成，通過該實驗，可以幫助學生通過實踐掌握I/O 操作、緩沖區管理和設備數據結構等相關概念。從實踐教學反映來看，許多學生在兩個課時內可以完成這個實驗。

文件管理章節難以開展實驗，但可以利用基于Linux 0.11 版本源碼的操作系統中的虛擬文件系統procfs 進行實踐，以進一步加深對基于inode 的文件系統的理解。

（三） 教學方法的改進

在新工科背景下，操作系統原理課程的教學改革對教師提出了更高的要求。除了滿足操作系統課程內容的教學要求外，教師還需要具備豐富的人工智能、大數據、電子技術、自動化技術等相關專業的知識，同時，在教學方法上也需要適應行業的發展與變化。

一是教師應在實際的教學中及時發現學生跨學科學習應用能力不足的問題，解決學生學習過程中存在的困惑。通過開展工程教育，將操作系統的概念、方法與其他學科進行聯系。例如，在操作系統概述章節中增加闡述超算中操作系統、手機操作系統、汽車操作系統之間區別與聯系的教學內容。在教學方法上注重引入系統開發過程的示例，比如，在系統開發中，根據用戶需求和成本選擇合適的硬件，然后進行UBOOT 軟件配置，操作系統裁剪的方法和過程，用戶應用程序的結構，軟件整體架構等教學內容。

二是針對部分學生創新能力不強、實踐能力不足的問題，教師需要積極挖掘學生的新穎想法和觀點，激發學生發現和解決問題的積極性。例如，在線上線下交流時，引導學生積極參加學科比賽，包括“互聯網+”創新創業大賽、“挑戰杯”比賽、“人工智能大賽”，同時引導發揮學生“傳幫帶”的作用，共同參與工程創新活動。例如，在教學中需要引入工程案例，引導并提示學生思考基于Linux 操作系統應用方案來解決工程創新的問題。

三是新工科背景下教師需要具有因地制宜的教學方式，由于新興產業和技術不斷地涌現，會帶來教學環境的快速變化，需要根據教學環境來進行教學安排。例如，廣西民族大學相思湖學院采用一體機終端的教學設備，這種終端機實際上是一個虛擬機顯示終端，其服務端是在中心機房。該教學環境是在中心機房中虛擬一臺Linux 服務器，接著在這臺服務器中創建大量學生的賬號，然后在這個服務器上安裝GNU 編譯器，從而構建操作系統和Linux 課程的實踐環境。當前，新建實驗室普遍采用PC 機組合服務端的配置方式，PC機運算能力較強，可以運行VMWare 的虛擬機，這為搭建運行實驗環境創建了條件。但是，創建的虛擬鏡像文件在學生電腦上有時不能正常運行，需要教師及時排查問題。而未來發展的趨勢是采用云計算環境，由廠家提供對應的操作系統課程資源，可以直接在云平臺上完成教學，需要教師整合廠家提供的教學資源以完善教學方案。

（四） 驗證教學改進的方法

新工科建設背景下課程的改革效果，單從考試方面難以全面反映學生的實踐能力、創新能力和競爭能力，但是，通過創新創業活動的視角可以觀察到學生的學習情況。本文所介紹的操作系統課程內容和教學方式應用于計算機科學技術專業和大數據專業2019 級、2020 級和2021 級三個年級的10 個班級，課堂上學生的學習參與度較高，課后有半數的學生參加了“互聯網+”“中國機器人及人工智能大賽”等活動，從廣西民族大學相思湖學院參與活動的數量可知，參與活動的人數從2018 年開始逐年增長。在題目選擇上，2018年以前偏向于互聯網賦能有關行業，比如“3D 模擬試衣APP”“建基行事一站式VR 互動家裝平臺”等，而2018 年后出現與新興產業相關的項目，比如“智能移動電樁”“多場景應用的汽車橫向硬件懸掛系統”等。

三、結語

新工科建設的核心以新興產業的需求為導向，培養具有面向未來的卓越工程創新人才。不同的高校在師資、學生素質、教學設備等方面存在差異，操作系統原理課程的教學也會受到這些因素的影響。本文通過探索新工科背景下人才培養要求及民辦高校的應對措施，改革操作系統原理課程的教學內容、教學方式，采用因地制宜的教學方法，能夠提高民辦高校計算機專業的教學水平，培養學生的工程實踐能力和創新能力。通過創新創業視角下的大學生綜合素質能力評估，了解操作系統原理課程改革對人才培養的積極作用。