基于OBE理念的操作系統原理課程教學改革實踐探析

童莉　劉三民

摘要：基于工程教育專業認證背景下的操作系統原理課程，在分析原有課堂教學弊端的基礎上，為了提高學生的自主學習能力，在課程的教學目標、教學內容、教學方法等方面進行了深入探索和研究。實踐證明，以學生為中心、以提升解決問題的能力為導向的教學模式，在提高教學效果的同時，促進了學生解決復雜工程問題能力的培養。

關鍵詞：工程教育專業認證；產出為導向；教學目標；教學模式；復雜工程問題

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）34-0146-03

1 引言

操作系統原理是計算機類相關專業的基礎核心課程，在整個課程體系中起著承上啟下的重要作用。隨著時代的不斷發展，以及高等教育新形勢下的要求，將OBE模式引入操作系統原理課程的教學管理中，對其教學目標、教學內容以及教學方法等方面進行了梳理與探索，并在連續四個教學年開展了“以學生為中心”的教育教學工作。在教學過程中，能夠依據課程目標達成度，不斷進行持續改進，切實培養學生解決復雜工程問題的相關能力。

2 OBE教學理念

OBE（Outcome Based Education） 成果導向教育是當前國內工程教育專業認證的核心思想[1]，主張以學生為中心，堅持以教學成果為導向，反向設計教學，不斷進行持續改進。這就要求教師和學生首先要明確教與學目標，不僅是熟練掌握教材中的概念和原理，更重要的是在教學過程中培養學生分析和解決復雜工程問題的能力和素養。其次，在教學內容和教學方法上都要以學習成果目標作為驅動，以學習目標的達成度作為導向，對教學過程中的各項教學活動和評價標準進行反向設計。最后要堅持持續改進。這樣，整個教學過程就可以形成閉環，循環往復，才能使教學內容和教學方法不斷得到優化，相互促進，共同提升。

3 教學中存在的問題

傳統的操作系統課程，一般安排56-64 學時的教學時長，主要包含理論教學和實驗教學兩個部分。經過多年的教學經驗總結，發現在課程教學中普遍存在以下問題[2]：

1） 課程中需要的前期知識儲備較多。

操作系統課程的學習，涉及的前期知識儲備較多，主要包括計算機組成原理、高級語言程序設計、數據結構等相關課程。不同專業的培養方案中，關于課程開設的時間有所不同，很多時候會同步進行授課。教材中涉及概念諸如中斷、時鐘、邏輯地址與物理地址等，學生大多不理解，結果導致在講解存儲管理、設備管理時，學生概念不清，很難理解。

2） 基本概念多，內容抽象而理論性較強。

操作系統這門課程，概念非常多，理論性極強。相比較計算機基礎、高級語言程序設計、數據結構等課程的直觀性，很多學生覺得這門課程不涉及具體的計算機操作或是代碼設計，而是介紹各種操作的底層支持原理，非常抽象，不易深入學習。

3） 授課方式比較單一[3]。

操作系統課程理論學時相對較多，占到總學時的80%左右。理論教學大都以教師課堂講授為主，學生缺乏自主學習的能力，只能被動地在課堂上接受老師教授的內容。老師傳授多少，就接受多少，很少能自行深入進去探索，學習效果一般，自主解決問題的能力得不到鍛煉與提高。學習只能局限于知識的層次，而達不到能力的培養。

4） 實踐環節較為薄弱[4]。

操作系統課程的實驗教學設置的學時相對較少，內容也較為零散，大都為驗證型實驗，即不需要學生進行大量的設計和編程，缺乏對實際操作系統的分解與分析研究。譬如實驗三的進程通信，是通過給定的程序代碼去模擬父進程和子進程之間的通信，學生只需讀懂程序即可；而實驗四的處理機調度算法，只是通過c語言程序，來模擬優先級算法、分時算法，并沒有從操作系統的整體架構出發，去分析操作系統的各部分及其功能算法，所以很難培養學生分析問題、解決問題的能力。

5） 考核方式單一[5]。

操作系統課程的考核以閉卷筆試為主，雖然在平時成績考核中增加了作業、實驗、課堂表現等環節，但也僅僅是用作業、實驗報告的結果來核算學生的平時成績，體現不出學生在學習過程中分析問題、解決問題的能力的培養，考核結果比較片面。

4 操作系統課程改革實踐

工程教育專業認證工作于2015年正式啟動。圍繞以產出為導向，培養學生解決復雜工程問題的能力，對課程教學持續改進等核心理念，修訂了適合物聯網專業的培養方案和教學大綱，在教學目標、教學內容、教學方法等方面開展了教育教學改革。

4.1 重新定位課程目標

針對物聯網工程專業，希望學生通過四年的學習，能夠成為具有良好的人文科學素養和職業道德，扎實掌握數學、自然科學等基礎知識以及物聯網工程領域的相關專業知識，具備較強的實踐能力、良好的團隊協作溝通能力和自主學習能力，能夠從事物聯網相關軟硬件產品開發、物聯網應用系統的設計開發及維護以及項目管理等工作的高素質應用型人才?；诖?，結合操作系統課程在整個課程體系中的作用，制定了本課程的課程目標，并與畢業要求相對應，對應關系如下表所示。

4.2 合理選取教學內容

在教學內容的選擇上，首先要注重的是對各章節、各知識點的引入，因為這樣能極大地激發學生的學習興趣，引導他們進入知識的學習。譬如第一章中對整個課程的引入部分，能讓學生從整體上對操作系統有一個簡單的了解：它是一個怎樣的工具，硬件還是軟件？能夠幫助我們干些什么？有什么樣的發展歷程等。這就可以讓學生深刻認識到操作系統不同于硬件，但又與硬件密不可分，幫助學生從計算機主要硬件出發，利用線索將計算機的幾大功能串聯起來，建立思維導圖，有助于后續學習。

其次，在教學內容的選擇中，還要充分考慮本課程和其他計算機相關課程如計算機組成原理、數據結構、計算機網絡等的傳承性，并以此為出發點，深挖課程間知識點的關聯。這樣既可以促使學生更深入透徹地掌握本課程的知識，更能通過課程內容的橫向貫通，幫助學生建立起一個完整的計算機軟、硬件知識的體系框架。譬如在講到進程通信時，客戶機－服務器系統就會涉及計算機網絡的一些應用，可以擴展與發散；在講到同步與互斥控制的信號量機制時，也需要涉及數據結構、程序設計中的相關知識，通過橫向貫通，就能讓學生更深刻地掌握記錄型信號量；在講到虛擬存儲管理的LRU算法的實現時，又涉及了寄存器和堆棧的使用；在介紹文件管理的記錄、數據項時，又會涉及數據庫的相關知識。通過諸如此類的教學內容，可以將各學科的相關知識點進行關聯，使學生帶著熟悉感進入知識點的學習，并且還能通過新的知識學習，加深對原有知識點的深刻認識，并以此引導學生，通過知識點的相通性，培養學生自主學習和創新的能力，這也高度契合了工程認證的目標。

此外，還需要注意引入課程最新的前沿知識，做到與時俱進，拓展學生的知識面，調動學生的興趣，從而引發學生自主學習。

4.3 精心設計教學方法

在課程教學過程中，通過不斷實踐，利用形式多樣的教學方法和教學輔助工具，充分發揮學生在課堂學習中的主體作用，營造活躍的課堂教學氛圍，積極引導學生主動參與教學活動，取得良好的教學效果。

4.3.1 類比法

類比教學法是用生活中學生容易理解的事物及場景來對操作系統中的抽象概念及原理進行類比，達到幫助學生理解的目的。譬如在介紹死鎖避免問題時，可以用生活中銀行貸款的操作來類比進程的資源分配。銀行批準的貸款總額就是進程的最大資源需求，已發放貸款額就是進程的已分配資源，每一次的貸款資金請求就是進程提出的資源請求，這樣就能使學生直觀地了解銀行家算法和安全性算法，從而更好地掌握抽象的原理。此外，還可以采用基于已有知識的類比方法。譬如在講到設備管理或是缺頁中斷時，可以介紹中斷的過程，結合計算機組成中的相關知識，可以讓學生溫故而知新，了解不同科目相關知識點之間的區別與聯系，從而建立更加完善的知識結構[5]。

4.3.2 翻轉課堂[6]

操作系統原理課程面向的學生，一般處于大三的學習階段。通過前期學習，學生已經有了一定的計算機相關知識的基礎，但不夠全面和系統。為此，將整個課程的教學劃分成課前、課中、課后三個階段。課前主要完成相關教學平臺中的教學視頻、教學課件的學習和簡單、有針對性的小練習，以此達成對知識的初步學習，針對不清楚的問題學會提問；而課中則是在課堂教學中完成知識的具體學習、解決問題的方法；最后在課后要完成對知識的總結反饋。這一教學方式，密切圍繞著“提問－回答－總結”這一思想，著重培養學生分析、解決問題的能力，在提高學生學習興趣、自學能力等方有了顯著提升。

4.3.3 任務驅動法[7]

任務驅動法主要是為了培養學生的文獻查閱、 團隊協作、分析及解決問題的能力和遵守專業道德規范的意識。需要教師課前精心準備任務，并與課程教授的知識點產生鏈接，讓學生在完成任務的同時，可以加深對相應知識點的掌握，提高他們分析、解決現實問題的綜合能力，如查閱文獻、團隊協作等。

譬如在講解文件管理中目錄的知識點時，課前布置兩個任務：一是了解Linux系統的文件目錄結構是什么樣的？二是Linux系統中，查找一個文件的具體過程是什么樣的？為了調動學生的積極性，方便學生交流，可以讓他們進行分組討論，相互打分，并以此計入平時成績考核。首先按學號對學生進行分組，每10名同學一組，推選小組長進行任務分解分配，讓學生去查閱資料，然后分組進行討論，最后以小組為單位，集體撰寫書面報告，并在課堂上進行分享，查漏補缺，從而達到掌握知識、鍛煉解決問題能力的目的。

4.3.4 基于雨課堂、學習通、博思等教學平臺的混合式教學[8]

學習通、雨課堂以及博思平臺，都是輔助教學的工具。既可以提供豐富的網絡教學資源，供學生提前預習，自主學習；也可以在課堂教學中提供形式多樣的教學互動，如讓學生進行課堂討論，發送隨堂練習，搶答等；同時還可以實現數據化教學，幫助教師及時地了解學生的參與度以及對知識點的掌握情況，進而及時調整授課節奏。

5 踐行與效果

操作系統原理經過四個教學周期的探析與實踐，始終堅持以學生為中心開展教學工作，采用形式多樣的教學方式，加強了實踐環節的教學與指導，在教學過程中不斷發現問題并持續改進，對教學內容和方法進行優化，形成閉環，取得了一定的效果。

表3是物聯網專業的達成度計算依據。

表4是大綱中課堂表現的評分依據。

圖1是物聯網工程專業2018級和2019級學生的課程達成度對比情況。

6 結束語

在新工科建設的社會背景下，基于OBE理念展開操作系統課程教學，主要從教學內容、教學方式等方面進行實踐探析。經過教學實踐，學生普遍反映在知識獲取上獲益匪淺，同時在復雜工程問題的分析與解決能力、團隊協作能力及創新意識等方面也有了長足進步。

參考文獻：

[1] 蔣宗禮.新工科建設背景下的計算機類專業改革[J].中國大學教學，2017（8）：34-39．

[2] 黃金洲，李勇，徐德剛.新工科背景下基于OBE的操作系統原理教學研究[J].電腦知識與技術，2022，18（22）：128-129，131.

[3] 邱劍鋒，朱二周，周勇等. OBE教育模式下的操作系統課程教學改革 [J].計算機教育， 2015 （12）： 28-30，34.

[4] 周崇松，劉卉，何篤貴，等.新工科背景下《計算機在專業中的應用》課程教學改革實踐[J].山東化工，2017，46（16）：180，187.

[5] 張華，張素莉.基于OBE教育理念的操作系統教學改革與實踐[J].長春工程學院學報（社會科學版），2022，23（1）：121-124，129.

[6] 馬行空，付紹靜，趙文濤，等.翻轉課堂教學在網絡安全程序設計課程中的應用[J].計算機教育，2016（5）：68-71.

[7] 王秋芬，王永新.基于OBE的操作系統原理課程教學方法改革與實踐[J].教育教學論壇， 2019， 12 （3）：167-168.

[8] 米熱古麗·克比爾.線上線下混合教學模式的“操作系統”課程教學研究[J].電子元器件與信息技術，2022，6（6）：242-245，249.

【通聯編輯：王力】