新工科背景下課程體系和教學內(nèi)容的改革與探索——以《操作系統(tǒng)》課程為例

劉小兵 楊 杰 李小武 扈樂華 胡麗霞 譚道軍

新工科背景下課程體系和教學內(nèi)容的改革與探索——以《操作系統(tǒng)》課程為例

劉小兵 楊 杰 李小武 扈樂華 胡麗霞 譚道軍

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199）

新工科背景下，課程體系的研究與實踐創(chuàng)新是加快工程教育改革的途徑之一。本文通過改革創(chuàng)新現(xiàn)有《操作系統(tǒng)》教學內(nèi)容和課程體系，將科學的教學方法與先進的計算機技術相結(jié)合，打造值得信賴的校企合作伙伴，探索領先的計算機人才培養(yǎng)解決方案，以滿足計算機行業(yè)綜合應用型人才的培養(yǎng)要求，提升學生學習操作系統(tǒng)的積極、主動性，培養(yǎng)學生的工程實踐能力，提高教師的教學效果。

新工科；課程體系；教學內(nèi)容；操作系統(tǒng)

2017年2月教育部下發(fā)了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，新工科研究與實踐越來越受到人們的重視[1]，工程教育改革勢在必行。新工科背景下，地方本科院校在發(fā)揮自身優(yōu)勢，利用本地特色資源，滿足地方經(jīng)濟發(fā)展和企業(yè)創(chuàng)新需要上有獨特的優(yōu)勢，因此，加快工程教育改革，深化校企合作、協(xié)作育人，推動傳統(tǒng)工程技術的轉(zhuǎn)型升級，開展新工科的課程體系研究與實踐以適應本學科發(fā)展尤為急迫。

1 《操作系統(tǒng)》課程改革的必要性

《操作系統(tǒng)》課程是計算機類專業(yè)的專業(yè)核心課程。該課程要求學生熟知操作系統(tǒng)的基本概念和原理、設計思想和具體實現(xiàn)方法。學生需對各大主流操作系統(tǒng)設計思想有清楚的認識，了解操作系統(tǒng)相關領域最前沿的信息。《操作系統(tǒng)》課程講述計算機中最基礎、最復雜的系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)方法，學生在學習過程中會遇到知識點多、抽像、理論性強、不易理解等難題，教師往往在教學中因現(xiàn)有課程體系和教學內(nèi)容不合理，而沒能取得較好的教學效果。隨著計算機技術的發(fā)展，越來越多的新功能、新技術不斷地融入操作系統(tǒng)中，使得操作系統(tǒng)的功能越來越強大，其結(jié)構(gòu)越來越復雜，任課老師在教學活動中需要在有限的課時內(nèi)盡可能清楚和全面地為學生講解操作系統(tǒng)的原理和新技術發(fā)展趨勢，實為一大挑戰(zhàn)。此外，在新工科背景下，因傳統(tǒng)實踐教學的內(nèi)容與理論知識脫節(jié)或?qū)嶒瀮?nèi)容太陳舊，而難以引起學生足夠的學習興趣，從而不能很好地培養(yǎng)學生的實際動手能力和綜合創(chuàng)新能力。

2 《操作系統(tǒng)》課程改革目標

隨著新工科教育理念的深入人心，《操作系統(tǒng)》課程改革需要進一步完善理論和實踐課程內(nèi)容，加強系統(tǒng)能力培養(yǎng)，在教學內(nèi)容和形式上進行擴展，使學生在《操作系統(tǒng)》課程的學習中，掌握扎實的理論基礎，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、實踐動手能力，具備解決復雜問題的系統(tǒng)設計能力。同時在新工科背景下，高校《操作系統(tǒng)》課程改革還應該著力于探索校企協(xié)同育人、產(chǎn)教融合的體制機制，改革創(chuàng)新現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式，充分利用企業(yè)的教育資源，加強與企業(yè)全面合作，進行優(yōu)勢互補。作為地方本科院校，更需要借助企業(yè)的資源優(yōu)勢，積極探尋特色專業(yè)共建、校企聯(lián)合等辦學方式，提升學校整體競爭力，提高本科教育質(zhì)量，實現(xiàn)工程教育認證，完成新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的目標。

3 《操作系統(tǒng)》課程改革措施

新工科背景下，傳統(tǒng)的《操作系統(tǒng)》課程已無法滿足新形勢下高校一流本科專業(yè)和一流課程建設發(fā)展的需求。為適應互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的快速發(fā)展和國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略的實施，《操作系統(tǒng)》課程應做出相應的調(diào)整和變革。《操作系統(tǒng)》的課程改革必須要從優(yōu)化重建課程體系和整合擴展教學內(nèi)容開始入手，進一步落實培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、工程思維和綜合能力、科研學術能力、適應行業(yè)標準和企業(yè)需求的能力。

3.1 優(yōu)化重建課程體系

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程學時分配是44學時理論，12學時實驗。在新工科背景下，我校操作系統(tǒng)課程學時分配方案改為“32 學時 +32 學時”，需要優(yōu)化重建原有的課程體系。在重建后的課程體系中, 我們采用大量系統(tǒng)設計實例融入教學，生動地講述了操作系統(tǒng)教學中的臨界資源的訪問、同步機制的演變、死鎖的避免、分頁存儲到請求分頁的發(fā)展和操作系統(tǒng)設計等重點和難點問題，而簡化了操作系統(tǒng)內(nèi)核以外的內(nèi)容，如多媒體系統(tǒng)、多處理機技術、光盤技術、系統(tǒng)安全等。這樣形成了不同于其他同類操作系統(tǒng)課程的體系，新舊課程體系具體變化對比見表1。改革后的操作系統(tǒng)課程體系使得知識點緊密聯(lián)系、前后銜接, 而且實驗教學學時增加，內(nèi)容更加豐富，學生在學習過程中感覺更加連貫和更具獲得感，會更加容易記憶、理解和掌握操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容, 從而會極大地提高對課程的學習積極性和興趣性。

表1 操作系統(tǒng)課程體系優(yōu)化重建前后知識結(jié)構(gòu)對比

3.2 整合“課程思政”教學內(nèi)容

計算機類專業(yè)學生就業(yè)范圍廣，普遍具有理工學生存在的淡化意識形態(tài)的特點，故此在操作系統(tǒng)課程教學中，很有必要開展“課程思政”。我們可以將中國夢、科學精神、學術素養(yǎng)、優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、家國情懷等內(nèi)容引入課堂，不斷提高學生的精神文化素養(yǎng)，培養(yǎng)學生做社會主義事業(yè)接班人的高尚情懷。《操作系統(tǒng)》是計算機相關專業(yè)的一門專業(yè)基礎課、核心課，其特點是理論內(nèi)容抽象、繁多，而實驗資源復雜、匱乏。《操作系統(tǒng)》常常會成為一門學習難度相對較高、學生興趣較低的專業(yè)課[2]。要想在這樣的課程中開展“課程思政”教學實踐，教師必須立足于學科專業(yè)性質(zhì)不變、本位不變的基礎上，堅持教書育人的宗旨，充分挖掘本課程的內(nèi)在價值、精神和哲理，并生動形象地傳授給學生。本人經(jīng)過長期實踐和探索，結(jié)合思政教育對《操作系統(tǒng)》教學內(nèi)容進行了精心設計。在課程的知識體系中找到與思政教育的“結(jié)合點”，具體可以從以下四個方面進行了思政內(nèi)容的挖掘[3]。

3.2.1 中國夢和大國崛起

眾所周知，當今主流的操作系統(tǒng)在電腦端有Windows、MAC、UNIX、Linux等，手機端有安卓系統(tǒng)、IOS系統(tǒng)、塞班等。可以引入華為的鴻蒙操作系統(tǒng)對操作系統(tǒng)概述進行深層次講解。在2019年8月9日，華為發(fā)布了Harmony（鴻蒙）OS，一款“面向未來”、面向全場景（移動辦公、運動健康、社交通信、媒體娛樂等）的分布式操作系統(tǒng)。鴻蒙操作系統(tǒng)宣告問世，打破美國的蘋果和微軟對操作系統(tǒng)的壟斷，中國終于有了自主版權(quán)的操作系統(tǒng)，華為在高科技領域取得一個戰(zhàn)略突圍點，中國在解決諸多卡脖子問題時多了一把利器。以此可以進一步激勵同學們樹立獨立發(fā)展本國核心技術的決心，并立志為中國高科技的戰(zhàn)略突圍貢獻自己的力量。同學們也該知曉，我們和中國高科技產(chǎn)業(yè)一樣，都已經(jīng)沒有退路，只有堅定往前走，邁過短時間的困難期，因為歷史不會給中國崛起提供另一種編程。

3.2.2 科學精神與工匠精神

以操作系統(tǒng)的發(fā)展為例，操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由簡單到復雜、由低級到高級的過程。操作系統(tǒng)的鼻祖來自MULTICS（多路信息計算系統(tǒng)），我們在這里簡稱為M系統(tǒng)，此時計算機一次只能接受一個任務，多人的任務需要排隊執(zhí)行。后來，原M系統(tǒng)設計成員肯·湯普森因為想把一套名為“太空旅游”的游戲移植到他們實驗室的一臺機器上而開發(fā)了一套軟件Unics（單路信息計算系統(tǒng)）。1971年，肯·湯普森和丹尼斯·里奇為了使當時的Unics具有更好的移植性、適用于不同的硬件設施，創(chuàng)造了C語言。他們于1973年，以C語言重新改寫與編譯Unics的核心，并正式命名為Unix，形成Unix的初代版本。該版本減輕了對底層硬件依賴的問題，從而可以廣泛地在各種機器上使用。初代的Unix采用了200多條程序命令，雖然內(nèi)核很小，但是功能極為精簡強悍。當時傳統(tǒng)需要用100行到1000行代碼的程序，用Unix不超過10條命令就可解決。

由此可見操作系統(tǒng)是多位科學家畢其一生心血，竭盡全部智慧，共同打造成的軟件藝術品。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程就是一個持續(xù)優(yōu)化，提升效率的過程，展現(xiàn)了科學精神與工匠精神，以至于研究操作系統(tǒng)的人越來越多，并直接誕生了一門新的學科——軟件工程。

3.2.3 創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神

在琳瑯滿目的各種操作系統(tǒng)中，Windows絕對是不得不提的操作系統(tǒng)，以比爾·蓋茨和他創(chuàng)建的微軟商業(yè)帝國為例。1973年，蓋茨進入哈佛大學學習，在這里遇到了史蒂夫·鮑爾默（如今的微軟首席CEO），兩個人都是計算機天才，并且還住在了一個房間。剛進入哈佛學習不久，對計算機非常感興趣的蓋茨就在第一臺微型計算機—MITS Altair上另辟蹊徑，開發(fā)了一個BASIC編程語言的版本。在哈佛學習的第三年，蓋茨投入大量精力與兒時好友保羅·艾倫創(chuàng)建了微軟公司，并輟學離開了哈佛。在創(chuàng)建微軟之初，他們就將使計算機成為每個家庭、每個辦公室中最重要的工具這樣的信念作為引導，他為個人計算機開發(fā)具備各種功能的軟件[4]。蓋茨對個人計算機的獨具慧眼，將創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神發(fā)揮到極致，他的遠見卓識促使微軟取得舉世矚目的成功。蓋茨不斷地發(fā)展改進技術，讓軟件設計得更加使用方便，產(chǎn)品更加節(jié)約成本和充滿樂趣。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，微軟已然成為全球最大的電腦軟件供應商。

3.2.4 中庸與平衡的哲學思想

操作系統(tǒng)的主要功能是CPU、內(nèi)存、外存、I/O等管理，它們構(gòu)成了計算機資源管理的核心機制，而計算機進行資源管理和人類管理一切資源一樣，都遵循著協(xié)調(diào)有序地發(fā)掘、管理、分配和回收資源的基本準則。除此之外，操作系統(tǒng)還要盡量保證計算機處于安全運轉(zhuǎn)狀態(tài)，它就需要盡可能使自身不出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或信息泄露，因為這是計算機能夠?qū)崿F(xiàn)其他一切功能的基本保障。在我們?nèi)祟惿鐣搀w現(xiàn)這樣的哲學思想，比如人類持續(xù)發(fā)展必須以保護好自然環(huán)境作為開發(fā)利用資源的前提，古人稱為天人合一。我們在學習過程中如果把握了資源的根本屬性，即資源管理必然涉及共享和競爭的管理，就容易理解操作系統(tǒng)必須首先保障自己的安全運轉(zhuǎn)，就會理解操作系統(tǒng)的種種行為。前者指引著操作系統(tǒng)功能的設計與進化，后者則推動著操作系統(tǒng)可靠性地演變。

3.3 擴展項目化的實踐教學

在新工科背景下，《操作系統(tǒng)》實踐教學改革必須牢牢緊扣應用型人才培養(yǎng)目標，融入IT行業(yè)最新的發(fā)展技術和前沿成果，按照企業(yè)、行業(yè)最新的用人需求，應該做好可以下四個方面的工作：第一，校企共同制定專業(yè)發(fā)展策劃、專業(yè)設置和培養(yǎng)方案，打造基于項目驅(qū)動、技術導向的實踐教學模式;第二，結(jié)合課程相關項目(包括各級各類大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、計算機程序設計競賽、物聯(lián)網(wǎng)競賽、智能導航競賽等)，優(yōu)化實踐課程體系，豐富實踐教學資源；第三，全面加強實踐教學環(huán)節(jié)，采用項目驅(qū)動教學為主、知識驅(qū)動教學為輔的方式，融合企業(yè)真實的項目資源，進行高強度的代碼訓練，講解必要的基礎知識，統(tǒng)一規(guī)劃實驗實訓、企業(yè)實習、課程設計、畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)，使之成為緊密有序銜接的有機整體[5]；第四，實踐教學中邀請企業(yè)技術人員授課，引入項目孵化器模式，由企業(yè)一線的項目開發(fā)團隊指導學生進行實際項目設計與開發(fā)，切實加強學生工程實踐能力，提升實踐教學水平[6]。

4 結(jié)束語

課程體系與教學內(nèi)容對一流課程建設與高質(zhì)量人才培養(yǎng)起到?jīng)Q定作用，是新工科建設中需要進行研究與探索的重要問題。本文根據(jù)新工科建設對人才培養(yǎng)提出的新要求，以提升學校整體競爭力、提高本科教育質(zhì)量為目標，以實現(xiàn)工程教育認證、培養(yǎng)新工科專業(yè)人才為引領，對《操作系統(tǒng)》課程體系進行了優(yōu)化與重建，對教學內(nèi)容進行了整合與擴展。改革后的課程體系更趨合理，教學內(nèi)容更重視學科交叉融合，學生綜合能力逐步增強，教師教學效果明顯提升。

[1]劉小兵,楊杰,譚道軍.新工科背景下“C語言程序設計”課程改革探討[J].湖南科技學院學報,2019,40(10):104-106.

[2]張玉琢,肖飛,向宇.操作系統(tǒng)“課程思政”教學實踐探索[J].科學咨詢(科技·管理),2020(08):71-72.

[3]羅琳.新工科背景下微積分課程體系重構(gòu)與教學內(nèi)容改革的研究與實踐——以我校微積分課程教學為例[J].上海第二工業(yè)大學學報,2018,35(03):230-233.

[4]李學信.在信息技術教學中注重背景知識的教學[J].中國教育技術裝備,2012(25):84-85.

[5]熊偉程,崔忠偉.基于項目驅(qū)動的大數(shù)據(jù)類專業(yè)實踐教學改革——以貴州師范學院數(shù)學與計算機科學學院為例[J].貴州師范學院學報,2017,33(10):69-71.

[6]邵新慧,劉玲,李春梅.基于校企合作模式下的學生實踐能力的培養(yǎng)與提升[J].教育現(xiàn)代化,2018,5(50):21-22.

G642.0；TP311

A

1673-2219（2021）03-0105-03

2020-12-14

湖南省普通高等學校教學改革研究項目（湖南省教育廳湘教通〔2019〕291號）；湖南省普通高等學校“十三五”專業(yè)綜合改革試點項目（湘教通〔2016〕276號）；湖南省教育廳教改項目（湘教通〔2018〕436號）；湖南科技學院計算機科學與技術應用特色學科資助。

劉小兵（1989－），男，湖南永州人，碩士，講師，研究方向為智能控制和系統(tǒng)建模。

（責任編校：文春生）