“雙一流”背景下地方高校操作系統課程教學改革研究

李 娜，李 征，王 鵬，達列雄，王 磊，2

（1.陜西理工大學數學與計算機科學學院，陜西漢中 723000；2.西安理工大學計算機科學與工程學院，陜西西安 710048）

0 引言

教學改革的目的是提升教學質量。2017 年，教育部提出積極推進“新工科”建設。教高〔2019〕8 號文件中指出，課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。新時代全國高等學校本科教育工作必須深化教育教學改革，必須把教學改革成果落實到課程建設上。這一系列政策與舉措均體現了“以學生為中心、基于產出導向、持續改進”的教學理念，以成果導向教育（outcomes-based education，OBE）理念支持下的課程改革提升教學質量是大有裨益的。

操作系統是計算機類一門很重要的必修專業基礎課程，理論和實踐并重。“雙一流”建設背景下地方高校培養應用型高級專業人才的目標定位［1］對操作系統課程教學提出了新挑戰，因此如何改進傳統操作系統課程教學策略以滿足社會需要、實現學科發展目標并促進教學效果提升成為亟待解決的問題。馬宏琳等［2］“以學為中心”改進操作系統教學范式，建立多維度考核、評價和持續改進機制，以培養學生創新性能力；曹建芳等［3］以工程教育理念為指引，提出基于工程實踐能力培養的操作系統課程改革方案；周軍海［4］采用翻轉課堂、智慧教室、雨課堂等先進的教學方法、教學設施和軟件工具進行教學改革實踐，取得了較好的實踐效果。筆者根據多年操作系統課程教學實踐經驗，在教學策略上進行探索，采用線上線下混合教學模式，實施科學課程評價，為計算機類操作系統一流課程建設發揮積極作用。

1 教學現狀

操作系統課程是高等院校計算機類本科專業必修課程［5］。在計算機系統中，操作系統處于核心位置。作為一門原理性課程，其內容繁雜，涉及計算機系統各個方面。課程理論性強，概念抽象，其中進程、線程、虛擬內存是主要三大抽象概念，不易理解。學生面對晦澀枯燥的內容，學習興趣低，不會學、學不懂、更不會用，形成惡性循環。但同時該課程實踐要求高，教師很難在原理性課程中找到理論與實踐的平衡，授課難度較大。

1.1 教學存在的問題

陜西理工大學屬于地方應用型本科高校，國家投入經費不足。作為教學主體的老師，高層次人才比較匱乏，教學壓力大。而作為教學主體的學生，也存在諸多問題。首先，學生學習主動性和參與度不夠。在教學過程中，教學目標確定、教學內容設計、教學方式選取大都由教師完成，學生僅被動完成作業和實驗。傳統教學方法缺乏師生互動，沒有以學生為中心，忽視了學生主體作用，學生學習目的僅是為了應付期末考試，拿到學分。這種方式嚴重制約了學生自主學習能力和創新能力發展，也不符合新時期高等學校培養服務區域經濟的應用型人才目標；其次，課程設計和教學沒有充分考慮學生個體差異。采用大班授課，在同樣的教學方法和進度下，教師難以準確掌握每個學生的學習狀態；最后，理論和實驗結合度不夠。僅憑期末筆試測試難以保證學生學習效果。

1.2 教學改革目標

一流本科課程建設明確課程改革的目的是提升教學質量，培養創新型、復合型及應用型人才。因此，必須對傳統教學方式、教學內容等加以改進，提升學生學習主動性，鍛煉學生自主學習能力，使學生完成課程內容后能達到預期的學習效果。

2 課程教學改革方案

課程改革最終落點是教學改革，深化教學改革是提高教育質量的核心要義。教學改革首先需改變教學觀念，其次改變教學方式，最后改變教學評價。基于一流本科課程改革的目的與新工科建設的主要思想，教育理念需從面向課程的教育（CBE）轉向面向產出的教育（OBE）［6］。OBE實施框架是1 個三角形［7］，包括1 個核心目標、兩個重要條件、3 個關鍵前提、4 個實施原則、5 個實施要點，如圖1 所示。

圖1 OBE 三角形實施框架

其中5 個實施要點之一是確定教學策略。美國哥倫比亞大學Joanssen 博士［8］認為教學策略就是“為實現既定教學目標而制定的、付諸于教學過程實施的整體方案，它包括合理組織教學過程，選擇具體的教學方法和材料，制定教師與學生所遵守的教學行為程序”。其廣義上包括兩個方面：教的策略和學的策略。具體涉及教學理念、教學資源、教學方法、授課團隊等要素。

2.1 OBE 教學理念

在教學活動中，教學理念貫穿整個教學過程。OBE 教育理念強調學生學習成果，突出以學生發展為中心。在操作系統課程教學目標設定、教學內容設計、教學組織策略、教學活動和教學評價設計等方面均體現學生主體地位，并且要確定操作系統課程的學習成果，注重知識、能力和素質培養。圍繞預期的學習效果和教學評價需求，對教學內容、教學組織、教學活動等整體規劃，合理設計，如圖2 所示。

圖2 課程教學改革框架

2.2 教學內容

目前，陜西理工大學計算機專業在大三第一學期學習該門課程。在2018 版培養計劃中，課程組經過多次討論研究定制了操作系統課程目標。要求計算機專業學生了解操作系統基本概念、作用、特征以及發展歷史，通過學習可以獲得操作系統基本知識、基本理論；掌握操作系統四大管理功能以及相關重要算法，對如何設計和實現操作系統功能模塊有直接體驗，獲得應用所學知識解決實際操作系統問題的基本技能，進而培養分析、解決復雜計算機系統問題的能力，并為將來理解算法分析與設計、網絡操作系統配置和實現技術打下良好基礎。為了便于評價學習過程，課程組將課程總目標進行細化，根據教學內容給學生定制每周知識點和學習目標，使學生學習進度安排更為具體。

在學時安排上，從14 版計劃中的48 學時變為18 版計劃中的54 學時。在教材選取上，使用內容豐富、西安電子科技大學出版社出版、湯小丹等編著的部級優秀教材——《計算機操作系統第四版》。由于本專業學生在大三第二學期會劃分專業方向，教師根據實際需求，從十二章里選取前九章內容，重點學習操作系統引論、進程描述與控制、處理機調度與死鎖、存儲器管理、虛擬存儲器、輸入輸出系統、文件管理、磁盤存儲器管理及操作系統接口等內容。在每章教學內容編排中，由淺入深，由簡單到復雜，劃分重點難點，遵循學生認知規律，培養學生知識能力。

為了使操作系統原理和功能模塊有機結合，培養學生實踐能力，課程組基于Windows 和Linux 平臺設計多個實驗項目，其中4 個必做（包含1 個綜合性項目）、10 個選做。如進程管理這部分，在單處理機環境下，在實現進程并發執行的過程中可能會產生很多問題。為了便于學生理解進程這個抽象概念、掌握這些問題的基本含義以及直觀解決辦法，在Windows 平臺上精心設計5 個階梯性實驗項目：①列舉系統啟動進程；②創建子進程；③信號量解決互斥；④信號量解決同步；⑤進程管理。經過兩個教學周期的實踐，學生在完成5 個實踐項目之后，對進程認識、感受和操控能力有質的飛躍。

2.3 線上線下混合式教學

以提升教學效果為目的，課程組采用線上線下混合教學模式。借助Moodle 和超星學習平臺，構建操作系統在線課程。在這兩個平臺上給學生提供大量教學資源。在資源形式上，涵蓋PPT、視頻、動畫、習題集、測驗、留言板等，豐富多樣。在資源內容上，增加課程目標、教學大綱、每章的知識點和學習目標、實驗指導書等，契合課程目標。

課前，學生可通過平臺線上課程進行預習。預習任務由老師在平臺發布，具體內容和類型由課程組根據每周學習目標和知識點確定。根據學生個體差異，學生要完成每次預習任務至少需要2 小時以上。每周理論課學時平均為4～6 小時，這樣就能保證學生線上自主學習時間達到20%。在課堂，采用學生演講、學生分組討論、教師講授重難點并點評的混合方式。在課后，學生在線上完成作業、測驗，線下完成實驗。由課前和課后組成的線上學習可以借助于超星、微信、QQ 等平臺進行師生互動、生生互動；由課堂構成的線下學習，杜絕教師滿堂灌、學生被動聽的現象。

通過提供豐富多樣的教學資源，精心的教學設計，采用線上線下混合教學模式，以學生為中心，開啟學生主動探索的教學方法提高學習效果。

2.4 過程評價制度

以激發學生學習動力和專業志趣為著力點實施科學課程評價。操作系統課程考核采用5+2+3 模式，同時關注過程和結果。其中5 是期末考試成績占比，2 是實驗過程和實驗結果成績占比，3 是預習效果、小測驗、分組討論成績占比。不像傳統的一考制決定學生學習成果，該評價模式從多方面考慮，只要學生最終達到學習預期效果即可。通過加強對學生線上線下、課堂內外的評價，強化閱讀量、閱讀能力、實踐能力的考查，提升課程學習的廣度和深度。通過加強學生演講、分組討論、實踐項目等非標準化評價，提升課程學習挑戰性。

2.5 育人課程思政

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要用好課堂教學這個主渠道，各類課程都要與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。價值觀的塑造處于比專業技能培養更為重要的位置。當前，大學專業課程教學教書和育人互相脫節的現象較為常見。如何將專業教學和思政聯系起來，立德樹人，全面滲透到學校教育教學全過程，培養學生正確的價值觀，發揮課程育人功能，需進行積極探索。

課程組挖掘出多個操作系統課程中的思政部分與專業教學有機融合。譬如，每期第一次課程為學生講解世界操作系統發展史。通過對當前主流操作系統Unix、Windows、Linux 的介紹，分析其特點。微軟Windows 是一款應用普及的商業軟件，但其操作系統內核及原理不對外開放。因此，一些先鋒領軍人物開辟了另一種新的開源操作系統，Linux 操作系統就是其中最有影響力的代表。學生通過對Linux 歷程的感性了解，容易引起共鳴，增強創新意愿。除此之外，教師還可將國產操作系統作為對比，結合華為公司鴻蒙操作系統研發到發布，借機對學員開展思想政治教育和愛國主義教育。

3 課程教學改革與實踐結果分析

3.1 學生在線學習數據與考試成績統計分析

根據系統日志記錄統計最近兩學期班級人數、學生在平臺上學習操作的人均次數、最小和最大次數，如表1 所示。

表1 系統日志統計記錄

針對是否采用線上線下混合式教學改革與實踐的學生進行比較分析，對最近兩學期、3 個教學班的學生成績進行統計，包括2018-2019-1 學期，計算機1601、1602（線上線下混合式教學）；2019-2020-1 學期，計算機1701、1702（線上線下混合式教學）；2019-2020-1 學期，網絡工程1701、1702（傳統方式教學）。

3 個教學班級學生成績基本數據統計如表2 所示。

表2 學生成績基本數據

由以上數據可看出2017 級比2016 級學生成績區分度更高，線上線下混合式教學成績整體高于傳統教學成績。

3.2 學生評教情況分析

同一位老師近3 學期操作系統課程學生評教情況如表3 所示。

表3 評教情況

從表3 可以看出，針對不同的上課學生，同一位教師的評教成績逐步提高。教學方式改革后，大部分學生從被動學習轉變為主動學習，從而教師評教成績有大幅提升，說明學生對課程改革的認可。

3.3 課程建設成果

在2019 年度，課程組申報了學校金課并獲批。在此基礎上，操作系統課程于2020 年獲批陜西省線上線下混合式一流本科課程。

4 結語

課題組以OBE 教育理念為指導，對5 個實施要點之一的教學策略進行改革，通過精心組織課程教學內容，采用線上線下混合教學模式，實施科學課程評價，并將課程思政融入專業教學全過程，對陜西理工大學計算機科學與技術和網絡工程專業學生進行兩學期課程探索與實踐，發現學生學習效果穩步提升，教學質量進一步提高，課程組在2019 年底獲批操作系統省級一流課程。

高質量的課程是科研與教學的交匯點，沒有一流的課程，“雙一流”無法實現。對操作系統課程進行教學改革不是一蹴而就的，還需要教師、學生和多部門共同努力，努力打造一流精品課程并進一步提高本科教學質量。