工程認證下操作系統課程實踐環節的改革探索

趙偉華，董 黎，林 菲，劉 真

（1. 杭州電子科技大學 計算機學院，浙江 杭州 310018；2. 杭州電子科技大學 圖書館，浙江 杭州 310018）

1 背景

2016年6月，中國成為《華盛頓協議》正式會員，表明我國工程教育質量已被國際認可。工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，其核心理念是：成果導向、以學生為中心、持續改進。傳統的課程教學模式已經不能滿足工程教育認證的要求，比如課程目標不夠明確、不容易評價，課程教學內容及教學方法不足以支撐課程目標的能力達成，考核方式不能有效評價課程目標的達成情況等。操作系統是計算機類專業的核心課程，概念多、原理性強，為提高教學效果，培養學生解決復雜工程問題的能力，課程設置了獨立的操作系統課程實踐環節。近幾年，我們將工程認證的核心理念引入課程實踐環節的教學改革中，以成果導向教學設計，基于學生學習結果評價教學質量，以PDCA循環機制開展課程教學的持續改進，促進了課程教學質量的螺旋式提高。

2 課程教學改革的總體思路

“成果導向、以學生為中心、持續改進”是工程認證的核心理念，基于此，在設計課程教學時，首先應依據社會與行業需求、學校的辦學定位以及學生的發展期望反向設計專業的培養目標、畢業要求及指標點、課程體系；然后再根據課程對指標點的支撐情況進行具體的課程教學設計，包括課程教學目標、教學內容、教學手段與方法、考核方式等；在課程教學實施完成后，應采用合理的評價機制有效評價課程教學質量，及時反饋評價結果，并依據評價結果制定切實可行的改進方案，持續改進課程教學，提高課程教學質量。基于工程認證的課程教學改革的總體思路如圖1所示。

圖1 課程教學改革總體思路

3 基于工程認證核心理念的課程教學設計

3.1 基于成果導向理念設計課程目標

我校計算機科學與技術專業以及軟件工程專業按照教育部工程教育專業認證協會頒布的《工程教育認證標準（2014）》設置了12項畢業要求，并進一步分解為33個指標點。根據成果導向的反向設計原則，首先要確定課程對專業畢業要求指標點的支撐，經深入分析后確定操作系統課程實踐需支撐6個指標點的能力培養。在此基礎上確定課程教學目標，目標的描述必須明確、具體、可測量，這是有效進行達成度評價并進而指導課程教學持續改進的前提[1-4]。為此，操作系統課程目標設置結果如圖2所示。

圖2中6個課程目標，可概括為培養學生4方面的能力：分析、解決復雜工程問題的能力；溝通交流能力；創新意識；團隊協作能力。因此，課程的教學內容及教學模式必須能有效培養學生的這些能力，服務于課程目標的實現；課程的考核方式必須能有效評價學生這些能力的達成情況，服務于課程教學的持續改進。

3.2 基于課程目標設計課程教學內容

為培養學生分析、解決復雜工程問題的能力及創新意識，在設計實驗項目時，應充分考慮項目的綜合性、分析性與設計性，讓學生必須綜合應用多方面的知識與技術，運用操作系統原理機制深入分析，才能得到合格的項目結果。同時，項目要有一定的開放性，給學生留出足夠的擴展與創新空間，以培養學生的創新意識。為此，根據我校學生實際情況設置了從簡單到復雜、從小規模到大規模、循序漸進的操作型、驗證型、應用型、設計型四個層次的實驗項目[5]，其內容及對課程目標的支撐情況見表1。

圖2 基于專業畢業要求指標點的課程目標

表1 教學內容對課程目標的支撐情況

工程教育的基本定位是培養學生解決復雜工程問題的能力。關于復雜工程問題，《華盛頓協議》給出了7個特征，其中第1項是必修的，其余6項是可選的，包括：①必須運用深入的工程原理進行分析才可能解決；②需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中；⑥問題相關各方利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題[1,6]。對于操作系統這樣的核心專業課來說，實踐教學環節中必須至少有部分實驗項目具備復雜工程問題的特征，以設計性實驗項目“簡單文件系統的設計與實現”為例，該項目要求設計一個基于多級目錄結構的、建立在虛擬磁盤上的文件系統，涉及的工程原理有數據結構的隊列、樹等相關知識，磁盤設備的特點，文件系統原理知識，C語言編程能力與算法性能分析能力等。學生需要運用多方面知識深入分析，才能設計出滿足基本要求的軟件系統。同時本實驗也留有較大的擴展空間，學生可以充分發揮想象力和創造性，設計出更好的算法及數據結構，得到一個效率更高、用戶界面更友好的文件系統，培養學生解決復雜工程問題的能力及創新意識。

3.3 以學生為中心設計課程教學模式

在以促進學生能力發展為目標的多維度、綜合性的人才培養體系下，溝通、工程社會觀、倫理道德、社會責任感、職業規范、團隊協作、終身學習能力等非技術性能力的培養，并不能僅僅通過知識點學習來有效達成，要更多地從教學方法與手段、教學組織形式等教學模式的實施過程獲得。

傳統的教學方法是以教師為中心，關注教什么、怎么教、教得怎么樣，這樣的教學模式是單向的信息傳遞，學生是被動的接受者，不利于學生主動地進行創造性學習，因此必須改革。以學生為中心，關注的是學什么、怎么學、學的怎么樣，教師的角色是學習的指導者和組織者，其作用更重要的是為學生提供有效的學習途徑、學習資源和學習環境，這種自主式探究學習是能力發展的最有效途徑。

根據課程的教學目標及實驗內容的難易程度，在教學設施過程中采用了多種教學模式，具體說明如下：

1）引入翻轉課堂教學模式。

工程認證的“以學生為中心”理念，認為只要為學生提供合適的條件，所有學生都能學習成功，但并不是所有學生都是以相同的方法、速度來學習的。事實上，在同一個教學班中，學生的知識基礎、編程能力及學習能力通常存在差異，要求所有學生按同樣的進度完成所有實驗項目是很難實現的，因此教師必須為學生提供更靈活的學習時間及資源以滿足學生的個體差異需要。翻轉課堂理念使教學活動由“以教導學”轉變為“以學定教”，促進了課內、課外學習的密切結合，使學生能夠根據自身情況自主規劃學習內容和學習節奏，學習活動由課內向課外延伸，課內課外有機結合。

為配合翻轉課堂教學模式的順利實施，首先需要建設相關教學資源，最主要的是教學微視頻的制作。分別依據每個實驗項目的特點，如涉及知識點的數量、綜合性的高低等，將其拆解為若干相對獨立的部分，如項目任務要求、背景知識介紹、擴展知識推薦、主要功能模塊的劃分及建議設計思路等，再錄制成教學微視頻，每個視頻盡量控制在 5～10分鐘。然后，我們借助浙江省高等學校在線開放課程共享平臺，建設翻轉課堂的教學環境，包括所有的教學微視頻、課件、擴展閱讀資料、課程教學大綱、教學計劃、考核評價方式、設計報告模板等。翻轉課堂教學實施方法設計如下：

（1）課前在線學習和項目編程實現。教師在開學初按照操作系統原理課程的教學安排制定課程實踐的教學計劃，詳細說明每個實驗項目的截止驗收時間，并上傳到網絡平臺上。學生可根據原理知識學習進度、自身學習能力、學習任務的繁忙程度等，利用各種移動終端設備，自行安排視頻學習時間和地點，自主選擇學習擴展資料，遇到問題發起在線師生討論。由于課內實驗時間有限，因此項目的設計及編程實現工作主要在課外進行，以給予學生更充足和更自由的項目實現時間安排。課前的自主學習也培養了學生的終身學習意識和能力。

（2）課中指導、討論與項目驗收。課堂上機過程中，教師的主要工作是引導、答疑、與學生討論、項目驗收等。學生將課前視頻學習、項目設計與編程實現中遇到的問題帶到課堂中與老師或其他同學進行討論和分析，教師還可根據每個學生或小組項目的具體實現情況分別給予針對性的指導和改進建議，引導和鼓勵學生用新思路、新方法去解決所遇到的問題，培養學生對現有知識進行思考、質疑、靈活運用、創新改造的意識和能力[2]，真正實現因材施教，滿足學生個性化學習的需要。

（3）課后學生改進項目實現質量，完成課程設計報告。課堂上機結束后，學生根據討論情況改進項目設計與實現，提高項目實現質量，如界面設計、性能優化等。撰寫課程設計報告，報告內容應包括：總體設計方案的思路、數據結構及算法設計、模塊接口設計等的詳細說明，程序運行結果的分析，項目實現過程中遇到的問題及所采用的解決辦法，項目的創新點說明，閱讀的參考文獻，項目的進一步改進思路，等等。課程設計報告的完成，有助于培養學生的實驗結果分析能力、文檔撰寫能力、文字表達能力等。

2）個人獨立完成、同伴互教與小組協作完成相結合。

對操作型實驗、Linux中添加系統調用及內核模塊，代碼量少，難度較低，因此要求個人獨立完成；對代碼量較大的Linux進程通信程序及簡單文件系統的設計與實現，采用小組協作方式進行：以小組討論方式完成總體方案及模塊接口的設計，依據項目設計分成若干功能模塊，每個成員完成其中的一部分；同時采用“同伴互教法”[7-8]，要求每個成員將其完成內容的設計思路、數據結構、代碼具體實現等詳細教會給小組其他成員，這樣做的目的有二：一是保證每個成員都能全面理解整個項目的實現思路及方法，培養系統化分析問題的能力；二是成員在相互講解、討論過程中，更能發現自己設計中存在的問題，即所謂的“教學相長”；最后需將各成員完成的模塊集成為一個統一的可執行程序。在這個過程中，既培養學生對復雜問題的獨立分析及解決能力，又培養了學生的團隊協作能力，使得學生能夠在團隊合作中承擔個體、團隊成員及負責人的角色；此外，學生在完成項目過程中，能夠將所學知識應用到方案設計及編程實現中，并進一步嘗試改進性能，培養創新思維。

3）項目上機驗收。

對每個學生進行上機驗收工作，教師可針對項目的解決方案設計、數據結構及算法設計、編程實現細節、程序運行結果分析等多個方面提出問題，由學生現場解釋說明。該教學環節能夠培養學生的溝通交流能力，包括就復雜工程問題陳述發言、清晰表達或回應指令的能力。同時因為現場驗收，也促使學生在項目實現過程中投入更多精力，提高實際動手能力及解決問題的能力。

3.4 以能力評價為中心設計課程考核評價方式

依據本課程所需達成的教學目標，采用形成性評價與終結性評價相結合的方法，注重學習的全過程和評價的多元性，實行以能力為中心、以過程為重點的開放式、全程化考核。工程教育認證強調以學生個人能力發展為中心，其評價關注的是自我比較，而不是學生之間的比較。因此評價時不能設置各成績等級的比例，而是根據課程目標明確給出每項評價內容（對應相關能力要求）的評價標準，依據每個學生的能力達成程度，給予從“不熟練”到“優秀”不同的評定等級。實施評價時要充分尊重個體差異，允許學生“多次評價、先后達標”，使考核評價體現學生發展的獨特性。

做好評價設計是成功實施評價的關鍵，包括評價目標、評價內容及相關標準、評價方式等。具體設計見表2。

表2 操作系統課程實踐考核評價設計表

為增加評價的科學性和規范性，對每項評價內容，都制定了可測量的評價標準，以項目驗收中的“項目質量”及“回答問題”兩項內容為例，制定的評價標準見表3。

表3 成績評價標準舉例

4 基于學習結果評價課程教學質量

4.1 以學生為中心的學生評教指標體系設置

以學生為中心的學生評教指標體系，要能體現基本的高校教學原則，能對教師的具體教學狀況、學生的真實學習情況及學習效果作出評價，能表現出“教師激發學生學習動機和充分發揮學生個體主觀能動性”的特征，具體設置情況見表4[9-11]。

學生評教工作通常是在期末課程即將結束時進行，這是終結性評價，評價結果不能用于當前學期課程教學的及時改進，存在“重結果、輕過程；重評價、輕診斷”的問題。為此，在進行期中教學檢查時，增加課程中期學習調查，由課程組具體實施，加強形成性評價，對各教學環節進行實時質量監控，及時調整和改進教學過程，通過“評價診斷→信息反饋→修正改進→提高質量”幾個階段的工作，逐步提升教學質量。

4.2 課程目標達成度評價機制

所謂課程目標達成度是指教師根據課程目標進行教學設計（教學內容、教學方法等）且實施后，學生通過本課程學習所獲得能力達到課程目標的程度。要獲得有效的評價結果，做好評價設計是關鍵，包括依據課程目標設計評價依據、評價標準、計算方法等。具體操作思路是：

1）使用所有學生（含不及格）的平均成績計算。

表4 學生評教指標體系

2）為保證考核的全面性和可靠性，要求對每個課程目標選擇兩個及以上考核項目進行支撐計算。

3）各考核項目對某個課程目標的支撐權重，由課程組及教師根據授課情況靈活設計。

4）課程目標達成度計算方法：

（1）確定對課程目標達成有支撐的考核項目，可以是（且不僅限于）：項目實現質量、項目驗收回答問題質量、實驗結果分析質量、項目實現的創新性、課程設計報告撰寫質量、文獻閱讀情況、小組分工合理性、上機考勤等。

（2）確定各個考核項目對課程目標的支撐權重，權重之和為1。

（3）根據學生各個考核項目的平均得分率（0～1之間，含不及格學生），與其支撐權重進行加權求和，即得到課程目標的達成度評價值。

根據操作系統實踐環節本身的特點，各課程目標達成度的評價依據及計算方法見表5。

表5 課程目標的評價內容及評價依據設置

5 基于PDCA循環構建持續改進機制

PDCA是英語單詞plan（計劃）、do（執行）、check（檢查）和 action（處理）的第一個字母，PDCA循環是全面質量管理所應遵循的工作步驟[12]。將PDCA循環機制應用于操作系統實踐教學環節的質量監控與持續改進，以學生為中心，層層遞進，每次循環中發現的問題是下一次課程教學設計及實施中的重點改進內容，通過總結整改，使課程教學質量螺旋式改進，如圖3所示。

圖3 基于PDCA循環機制實施課程教學及持續改進

6 實踐與效果

課程經過近三年的改革研究與實踐，促進了教學質量的提高，表 6是計算機科學與技術專業 2014—2016級三個教學班的課程目標達成度，表7是對應三個學期課程組教師的學生評教的平均統計數據。

表6 2014—2016級計算機科學與技術專業課程目標達成度

表7 最近三個學期課程組教師學生評教的平均統計數據

從上述各項統計數據可以看出，在實驗項目難度及驗收要求相差不大的情況下，依據既定評價機制得到的課程目標達成度逐年提高，學生對教師的評價及滿意度也是逐步提高。

7 結語

在工程教育專業認證背景下，將其核心理念貫徹到操作系統課程實踐教學的各個環節中，以成果為導向，以學生為中心，引導學生自主學習、合作學習。教學實踐證明，課程的教學改革提高了課程教學質量，對培養學生復雜問題的分析與解決能力、團隊協作能力及創新意識具有重要意義。