面向ＣＤＩＯ的“操作系統(tǒng)”教學改革探討與實踐

楊　柳　胡志剛　李　璽　譚長庚　任勝兵　宋　虹

摘要:CDIO是當前高等工程教育的一種新型教育模式,它以培養(yǎng)下一代國際化工程師為目標。本文通過分析CDIO的高等工程教育模式,針對“操作系統(tǒng)”課程的教學現(xiàn)狀,探討了基于CDIO教學理念的“操作系統(tǒng)”教學改革與實踐,提出了該課程教學改革的具體措施。課程評價及實踐表明,相關教學改革取得了很好的效果。

關鍵詞:CDIO;操作系統(tǒng);教學改革

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

1引言

CDIO作為當今國際高等工程教育的一種創(chuàng)新模式,是由麻省理工學院(MIT)和瑞典皇家工學院等四所大學共同倡導,集多國工程教育精英耗資數(shù)百萬美元所建立的一整套工程教育理念和實施體系,這種模式更注重扎實的工程基礎理論和專業(yè)知識的培養(yǎng),并通過貫穿于整個人才培養(yǎng)過程團隊設計和創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)的訓練,培養(yǎng)既有過硬的專業(yè)技能,又有良好的職業(yè)道德的國際化工程師。

“操作系統(tǒng)”課程是計算機學科最重要的專業(yè)基礎課程,該課程重點介紹操作系統(tǒng)的基本原理和實現(xiàn)技術,是理解計算機系統(tǒng)工作原理、用戶界面接口技術、應用系統(tǒng)設計開發(fā)方法等基本知識結構的重要途徑,其內容涉及理論、算法、技術、實現(xiàn)和應用等方面。針對目前“操作系統(tǒng)”課程教學模式中存在的重概念輕能力培養(yǎng)等問題,探討面向CDIO工程教育模式的“操作系統(tǒng)”課程教學改革與實踐,對學生專業(yè)技能和工程能力培養(yǎng)都具有重要意義。

2CDIO高等工程教育模式

2.1CDIO的內涵

CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)與運行(Operate),它是“做中學”(Learn by doing)原則和“基于項目的教育和學習”(Project based education and learning)的集中體現(xiàn)。它以產品研發(fā)到產品運行的生命周期為載體,讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。基于當前工程教育中重理論輕實踐的現(xiàn)狀,CDIO高等工程教育模式以構思、設計、實踐及運作全過程為載體來培養(yǎng)學生的工程能力,該能力不僅包括個人的學術能力,還包括學生的終身學習能力、團隊能力和大系統(tǒng)掌控能力。

2.2CDIO人才培養(yǎng)模式

CDIO人才培養(yǎng)模式的理念主要體現(xiàn)在以下四個方面:

(1) 具有國際先進性。為了應對全球化帶來的機遇和挑戰(zhàn),CDIO 國際組織動用大量的教育專家制定了一整套全面的、以能力培養(yǎng)為目標的實施計劃和教學大綱,以國際化的教育理念和框架培養(yǎng)具有國際競爭力的人才。

(2) 具有實踐可操作性。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念,更重要的是系統(tǒng)地提出了能力培養(yǎng)、全面的實施指導、完整的實施過程和嚴格的結果驗證的12條標準,具有很強的可操作性。

(3) 具有全面系統(tǒng)性。CDIO教學大綱以能力培養(yǎng)為目標,將學生能力分為四類,包括技術知識和推理能力、個人的職業(yè)技能和職業(yè)道德、團隊協(xié)作和交流能力以及項目的構思、設計、實現(xiàn)和運作能力,這四類能力又可具體化為17組能力,再細化為73條技能,力求以科學的培養(yǎng)模式全面系統(tǒng)地提高學生的綜合素質。

(4) 具有廣泛適應性。CDIO的具體目標就是為工程教育創(chuàng)造出一個合理、完整、通用、可概括性的教學目標,重點將個人、社會和系統(tǒng)的制造技術和基本原理相結合,使之適合工程學的所有領域 。

計算機操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最不可缺少、最常用、最核心、最接近于計算機硬件的系統(tǒng)軟件,它涉及到對各種資源(包括硬件和軟件資源)的有效管理,又為高層軟件的運行提供良好的工作環(huán)境,起到承上啟下,縱橫貫通的作用。其原理、設計思想與方法及應用的掌握,不僅需要注重學生的專業(yè)知識教育,更重要的是要重視學生的工程實踐能力培養(yǎng),培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,培養(yǎng)學生自學創(chuàng)新能力,以及系統(tǒng)分析、設計和實踐的能力。而這些能力培養(yǎng)完全符合CDIO教學大綱提出的培養(yǎng)學生四類能力的要求,因此針對“操作系統(tǒng)”課程的教學現(xiàn)狀,CDIO人才培養(yǎng)模式理念對“操作系統(tǒng)”課程進行教學改革具有很強的指導意義。

3 “操作系統(tǒng)”課程的教學現(xiàn)狀

“操作系統(tǒng)”課程的教學目標是:一方面實現(xiàn)對學生專業(yè)基礎知識的綜合與提升,幫助學生建立系統(tǒng)、完整的專業(yè)基礎理論體系,培養(yǎng)學生初步的系統(tǒng)分析與設計能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新型思維和實踐動手能力;另一方面使學生從深層次了解操作系統(tǒng)的組成、結構、功能和應用,增強學生大型系統(tǒng)軟件的開發(fā)能力,不斷提高學生專業(yè)素養(yǎng),為學生以后參與系統(tǒng)軟件分析和開發(fā)奠定基礎。

目前,“操作系統(tǒng)”課程的傳統(tǒng)教學模式中主要存在以下問題:

(1) 概念和原理枯燥難懂。由于很多教材和課堂講解內容都很少與實際應用相聯(lián)系,學生往往覺得課程中大量的概念和原理抽象費解,由此對課程學習缺乏興趣。

(2) 課程內容陳舊過時。操作系統(tǒng)的發(fā)展日新月異,而目前課程教材內容遠遠落后于領域最新的研究成果與技術應用背景。

(3) 課程實踐與實際應用脫節(jié)。傳統(tǒng)的實驗環(huán)節(jié)通常是操作系統(tǒng)原理和實現(xiàn)方法的模擬或驗證,主要考察學生對所學內容的理解,而缺少設計性、綜合性實驗以及項目設計,忽略了對學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)。

4面向CDIO的教學改革實踐

針對目前“操作系統(tǒng)”課程教學存在的問題,我們課程組以CDIO工程教育理念和CDIO教育大綱內容為教學改革指導思想,設計了面向CDIO的“操作系統(tǒng)”教學模式,如圖1所示。其指導思想是:

(1) 以實驗(包括基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗)和項目設計為核心,采取重基礎、重實踐、重創(chuàng)新的多方位教學模式;

(2) 課堂教學過程中采用雙語教學和啟發(fā)式教學,課外通過網(wǎng)絡教學互動平臺加強師生交流和研討,注重操作系統(tǒng)基本原理和專業(yè)知識;

(3) 構建案例庫,通過案例講述操作系統(tǒng)的關鍵技術和應用實踐方法,注重培養(yǎng)學生的工程推理和解決問題能力,學生通過Windows分析報告提高探尋知識能力;

(4) 利用項目組開發(fā)的虛擬實驗室,指導學生完成大型實驗和項目設計,培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力,以及系統(tǒng)分析、設計和實踐的能力。所有教學模式都以實驗和項目設計為核心,形成一個互相融合、互相影響的有機整體,從而達到CDIO大綱的教育要求。

4.1以實驗和項目設計為核心

CDIO是“做中學”原則和“基于項目的教育和學習”的集中體現(xiàn)。在“操作系統(tǒng)”課程教學過程中,實驗和項目設計貫穿于教學始終。

基礎性實驗“進程調度”、“作業(yè)調度”、“存儲管理”等,加深學生對操作系統(tǒng)的基本概念和核心知識的理解,這些實驗是后續(xù)實驗的基礎;設計性實驗“利用共享內存進行進程同步”、“文件管理”、“磁盤存儲空間的分配和回收”等,培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力,以及初步的系統(tǒng)分析與設計能力;綜合性實驗要求學生對Linux內核進行深入分析,對調度算法、驅動程序、文件系統(tǒng)等部分進行修改和設計,培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維能力,以及在實驗中探尋知識、勇于創(chuàng)新的能力;項目設計以課程組開發(fā)的“虛擬操作系統(tǒng)實驗平臺”為基礎,以小組為單位設計完成一個模擬的操作系統(tǒng)項目,包括處理機管理、存儲器管理、文件管理和簡單的設備管理,培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力,以及系統(tǒng)的構思、設計、實施和運行的能力。

將上述四個層次的實踐環(huán)節(jié)貫穿于操作系統(tǒng)教學過程中,較好地實現(xiàn)了以能力培養(yǎng)為目標CDIO 教學大綱的培養(yǎng)學生四類能力的要求。

4.2構建案例庫

根據(jù)學生設計的優(yōu)秀作品、教師科研相關課題項目以及企業(yè)提供相關實例,指導學生構建和完善操作系統(tǒng)案例庫,結合課程網(wǎng)站平臺,形成網(wǎng)絡化、互動式、多元化的教學模式。案例庫中包括有限緩沖區(qū)、同步與異步、銀行家算法、進程創(chuàng)建fork、動態(tài)分區(qū)存儲器分配、分頁等案例,這些既可用于教學過程,也可作為學生項目設計的素材,學生通過即學即用,提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,同時引導學生由淺入深、由基礎到綜合、由硬件到軟件、由驗證到創(chuàng)新地進行實踐,多層次地加強學生對理論知識的理解,增強了學生的實踐與創(chuàng)新能力。

4.3實施案例化教學

針對“操作系統(tǒng)”原理的主要內容,在教學過程中采用案例化教學。一方面,從案例庫中挑選具有代表性的實例和學生一起分析其設計思想和應用方法,如:同步與異步、銀行家算法等;另一方面,將開源操作系統(tǒng)Linux作為實例教學,如介紹進程調度、虛擬存儲、設備驅動和文件系統(tǒng)管理等內容時,引導學生對Linux內核進行深入分析,以便在綜合性實驗中對Linux相關內核進行修改和設計。通過案例分析和“做中學”,使學生能夠更深刻地理解操作系統(tǒng)中的原理、算法,進一步了解操作系統(tǒng)的實現(xiàn)技術,同時培養(yǎng)學生對系統(tǒng)軟件進行分析、設計和開發(fā)的能力,不斷提高其職業(yè)技能。

4.4經典操作系統(tǒng)分析報告

鼓勵學生在使用操作系統(tǒng)時,結合實際的操作(如多任務并發(fā)運行,文件存取,使用共享打印機,利用API編程等),來分析Unix、Windows操作系統(tǒng)的CPU管理、文件系統(tǒng)管理、設備管理、系統(tǒng)調用以及用戶接口等。要求學生通過查閱資料,針對Windows的實際操作,按照操作系統(tǒng)的五大功能模塊來分組討論分析經典操作系統(tǒng)采用的實際算法和技術,并以PPT闡述分析和書寫分析報告兩種方式提交分析報告結果。這種分析報告是課程內容的延伸,一方面通過理論聯(lián)系實際,加深學生對所學理論知識的理解,促進對知識的運用,培養(yǎng)他們探尋知識的能力;另一方面也激發(fā)了學生的學習興趣,提高了他們的團隊協(xié)作能力和交流能力;同時,教師依據(jù)學生所做的分析報告,考查了他們對知識理解的程度和運用知識的能力,為評價學生綜合能力提供了有力依據(jù)。

4.5建立虛擬實驗室平臺

為了給學生提供一個開放、自主和交互的實驗環(huán)境,課程組設計開發(fā)了操作系統(tǒng)虛擬實驗平臺。以該“虛擬操作系統(tǒng)實驗平臺”為基礎,指導學生以小組為單位共同完成Linux環(huán)境下操作系統(tǒng)的各功能模塊的項目設計和實現(xiàn)。基于項目需求要求學生從構思、設計、實現(xiàn)、運作四個流程,完成一個實際項目的分析、設計、實現(xiàn)和模擬運作四個過程。通過“基于項目的教育和學習”,使得學生能夠綜合理解Linux操作系統(tǒng)的實現(xiàn)機制,創(chuàng)造性地構造新算法、新模塊并添加新功能,同時也培養(yǎng)了學生的團隊合作及工程項目研發(fā)能力,提高了學生在項目規(guī)劃、隊伍組織、工作分配、成員交流等多方面的能力。

4.6建設網(wǎng)絡教學互動平臺

為了給學生營造一個良好的自主學習氛圍,課題組建設了“操作系統(tǒng)”教學網(wǎng)站,將教學從課堂延伸到課外。網(wǎng)站中的電子教案、課后練習、實驗輔導、教學錄像等教學資源為學生提供課外自學的網(wǎng)絡環(huán)境;在線答疑、作業(yè)提交、網(wǎng)上留言為師生提供了實時和非實時兩種方式的交流互動平臺。同時網(wǎng)站隨時更新課堂上介紹的操作系統(tǒng)新發(fā)展動向和技術等相關資料,如:Microsoft、Intel、IBM等知名企業(yè)最新技術,以及多核技術、多線程技術、大型主機等相關知識。學生可通過網(wǎng)絡環(huán)境極為便利地實現(xiàn)自主學習和教與學的互動。

5基于能力成熟度的課程評價

美國Carnegie Mellon 大學軟件工程研究所SEI提出的能力成熟度模型CMM是目前流行的能力評價模型。中南大學軟件學院將CMM引入到人才培養(yǎng)的實施、評估和優(yōu)化,以關鍵教學課程為關鍵實踐,以關鍵課程系列為關鍵過程域,構建了面向本科生的能力成熟度模型,在加強對學生基本知識、基本技能考核的同時,注重動手能力、綜合運用能力、社會實踐能力、團隊協(xié)作以及創(chuàng)新能力考核,以期更科學地對學生能力進行綜合評價。

在本科生能力成熟度評估過程中,通過與操作系統(tǒng)相關知識的問卷調查、相關實踐環(huán)節(jié)評價、分模塊的學生報告評價、課程考試、現(xiàn)場走訪和學生座談等方式,完成對計算機“操作系統(tǒng)”課程關鍵實踐的評估。評估結果表明,通過引入CDIO教學理念,學生動手能力大大增強,在操作系統(tǒng)知識的綜合運用和團隊協(xié)作等方面有明顯的改善,大多數(shù)學生對操作系統(tǒng)目前存在的問題和研究熱點有較好了解,學生的各項綜合能力明顯增強。

6總結

CDIO大綱以構思、設計、實現(xiàn)和運作為主線,綜合考慮了專業(yè)基礎知識,個人和職業(yè)的技能以及團隊協(xié)作與溝通的人際技能,以及在整個企業(yè)/社會環(huán)境下進行CDIO的過程。在強調學生理論基礎知識的同時,注重培養(yǎng)學生理論應用能力、團隊合作能力以及大系統(tǒng)掌控能力。因此,在目前計算機操作系統(tǒng)從廣度和深度上應用需求不斷增加的背景下,將CDIO理念引入“操作系統(tǒng)”課程改革與實踐中是切實可行的。同時,通過面向CDIO的教學改革實踐,以實驗和項目設計為核心,采取的重基礎、重實踐、重創(chuàng)新的多方位教學模式,達到了本課程的教學目標,提高了學生的課程學習興趣,為“操作系統(tǒng)”后續(xù)課程如Linux程序開發(fā)環(huán)境、嵌入式系統(tǒng)、并行計算等課程奠定了扎實的理論和實踐基礎,同時也培養(yǎng)了學生的CDIO能力,取得了很好的教學效果,得到了同行專家的高度評價和學生的歡迎。

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