面向新工科育人的操作系統實驗課設計

趙恒軍

摘要：針對操作系統實驗教學缺少層次性、綜合性和應用性的局限，提出以問題求解為導向的實驗課設計。在教學組織上，設計線上課前預習、面向問題分析的課堂范例講授、以問題求解為核心的翻轉課堂、線上實驗拓展和報告評閱等環節。在實驗內容上，設置不同層次復雜度的實驗任務，有機結合不同知識點形成綜合性任務，強化實驗任務與實際工程應用的關聯性。通過這些舉措，有效培養學生分析解決復雜工程問題的能力，達到新工科育人的目標。

關鍵詞： 新工科; 操作系統; 實驗課; 教學設計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0169-02

1 引言

教育部關于開展新工科研究與實踐的通知（高教司函[2017]6號） 指出：以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。新工科的研究與實踐越來越受到人們的重視。新工科育人的核心思想是培養學生解決復雜工程問題的能力[1，2]。操作系統課程是計算機科學與技術、軟件工程等專業的核心基礎課程，對學生理解復雜計算機系統基本原理至關重要[3]。與此同時，操作系統是一門實驗性很強的課程[4]，合理的實驗課設計不僅能夠幫助學生加深對操作系統基本原理的理解，而且能夠提升學生分析解決計算機系統復雜工程問題的能力[5]。因此，如何建設好操作系統實驗課是面向新工科育人的操作系統課程改革需要思考的核心問題。對此，本文作者及所在教學團隊針對現有操作系統實驗教學存在的問題，充分利用線上課程平臺，以線上線下結合的教學模式，通過層次豐富的實驗內容設計，打造以培養學生解決復雜工程問題能力為目標的操作系統實驗課堂。

2 操作系統實驗課教學現狀分析

目前的操作系統實驗教學存在兩種主要模式：一種是較為傳統的模式，即根據理論教學的不同環節，如進程管理、內存管理、文件管理、設備管理等，設計相應的算法驗證型或簡單設計型實驗;另一種是借鑒國內外知名高校的經驗，以一個教學型操作系統的設計和實現貫穿整個理論和實驗教學過程[6]。這兩種模式各有其優勢和適用范圍，但在目前新工科育人大背景下，難以有效達成培養學生利用操作系統基本原理自主分析并解決計算機系統復雜工程問題能力的目標，其主要的局限性總結為以下幾個方面：

1） 缺乏層次性

現有操作系統實驗教學缺乏層次性的設計，主要體現在兩個方面。其一，操作系統實驗內容的完成通常依賴對相關理論知識的深刻理解以及對相關操作系統API和命令行界面的熟練掌握，這些預備知識的學習（或復習） 往往被糅合到正常實驗任務中;其二，實驗任務設置單一，沒有體現問題復雜度和實現難度的階梯型增長。層次性缺乏帶來的問題是：基礎理論知識和實驗技能的學習擠占了寶貴的課堂時間，壓縮了在課堂上對學生進行能力培養的空間;單一任務的設置忽視了對學生啟發式的引導，從而削弱了對學生解決復雜工程問題能力的培養。

2） 缺乏綜合性

現有結合理論教學模塊的實驗設計中，不同模塊的實驗任務是孤立的，學進程管理則實驗進程操作的系統調用，學內存管理則驗證頁面的置換算法，等，任務之間缺乏系統的有機的聯系。工程問題復雜性的體現之一就是問題的綜合性，即需要綜合運用多種理論、知識、技能才能解決。缺乏綜合性的實驗設計無法有效培養學生對知識技能進行融會貫通以應對復雜工程問題的能力。

3） 缺乏應用性

不論是依托理論教學內容的簡單驗證和設計式實驗，還是基于教學型操作系統的完整設計與實現式實驗，其核心還是通過實驗教學加深學生對操作系統原理和實現技術的理解與掌握。但操作系統課程的教學目標不應拘囿于操作系統這一學科，對大部分同學來講，學習操作系統將來不一定會親自實現操作系統，但很大可能會利用操作系統的基本原理和技術解決更廣闊范圍內的復雜工程應用問題。目前操作系統實驗的教學沒有做到與蓬勃發展的計算機網絡、數據庫、編程語言等領域的最新技術與現實應用場景接軌，這導致學生難以將在操作系統實驗課中學到的技能遷移到實際問題中。

3? 以解決問題為導向的課程設計

針對上文討論的操作系統實驗教學的局限，本文提出一種以解決問題為導向、以培養工程能力為目標的操作系統實驗課程設計。在教學組織上，我們以線上線下結合的方式對課程進行了階段劃分，更加注重在課堂上對學生分析和解決問題的能力進行引導和培養;在教學內容上，我們設計了全新的實驗任務，更加注重實驗內容的層次性、關聯性和應用性。我們將實驗內容的設計和教學環節的劃分有機融合起來，形成下列具體措施。

3.1 線上課程導入

實驗課程理論內容抽象、實驗技術繁雜，教師不得不花大量在基本原理和基本操作的講授上，以至于在有限課堂時間內無法深入探討大規模復雜問題的分析與求解。對此，我們主張充分利用網絡平臺，如超星或者學者網等[7]，將講授內容中較為基礎的知識和技能以及相關實際工程背景設計為課前的預習短視頻并在網絡發布，敦促學生在課前完成網絡平臺打卡預習。學生完成線上預習后，在線進行相應知識點識記和理解的測試，此類題目設計不宜過難，主要考察對基本概念和原理的掌握。教師在實驗授課前導出學生課前預習的數據，分析預習情況，以便更有針對性地講授。通過利用網絡平臺設置課前預習，一方面，相關工程背景的介紹會增添學習的趣味性，提高學生學習的熱情;另一方面，可有效減少課堂中基本原理和簡單技術的傳授，同時也鍛煉了學生自主學習和思考的能力。例如，在有關線程的實驗教學中，關于線程創建、撤銷、等待等基本操作API的定義和使用均可通過預習視頻講授，學生在課前自主完成學習，這樣在課堂上可集中精力于如何利用多線程技術解決實際問題。

3.2 面向問題分析的啟發式教學

課堂內容的設計與講授，主要遵循以問題為導向的原則。教師不應拘泥于課本中涉及的知識點，更應該注重知識點和技術所要解決的問題，堅持以問題為導向進行啟發式教學，引導學生鍛煉自己分析和解決問題的能力。在講授的主體部分，設計一個具體的實際問題案例，通過三個啟發式問題即問題是什么、如何分析、如何解決，將課程內容有機地聯系和組織起來。再以線程的實驗教學為例，可以設計一個以多線程并發編程提高程序執行效率為目標的實驗任務，例如多線程版本的基于蒙特卡洛仿真的圓周率計算。教師在講授的過程中，首先讓學生明確實驗任務，然后引入蒙特卡洛仿真的數學原理，在此基礎上介紹基于數據劃分的并發方式，再圍繞圓周率計算這個任務，啟發式地分析如何進行數據劃分、如何對子任務的結果進行整合，如何選擇線程的個數，如何從理論上分析計算程序運行效率的提升情況等;最后通過示例代碼完整地呈現問題的求解細節和運行結果。通過以問題為導向的課堂內容設計，讓學生認識到所學知識在解決實際問題中的價值，讓抽象的知識變得更加具象，讓學生對知識的理解更加深刻;同時，能有效激發學生的學習興趣，增強學生的學習參與度;更重要的是通過范例展示培養了學生面對實際問題時良好的思考分析習慣和能力。

3.3 以問題求解為導向的翻轉課堂

結合以教師講授為主導的問題分析教學環節，以所講授問題樣例為基礎，設計問題的遷移，培養學生舉一反三的能力和獨立解決實際問題的能力。本環節采取以學生自主探究為主，教師引導為輔的翻轉課堂教學模式。學生通過小組討論、頭腦風暴等方式自主探討問題的求解途徑，教師根據實際情況講評和分析，推進問題的解決。自主探究階段的實驗任務與教授講授的范例相比應該具有更高的理論和實踐復雜度，體現出問題的層次性。繼續上文的多線程并發編程任務，在自主探究階段可以設置編寫多線程版本的排序算法以提高排序效率這一任務，其數據的準備與劃分、子任務的整合、時間效率提升的理論分析等與蒙特卡洛仿真任務相比在難度上均有提升，同時在分析和求解范式上保持了一定的延續性。通過以問題為導向的翻轉課堂，學生參與度更高，自主性更強，更能激發學生的積極性;同時為了更好地參與到課堂中，學生在課前預習的工作也越來越積極，實現了正向反饋和強化;更重要的是通過這樣的鍛煉，學生對本課程在實際工程問題中的應用認識更加有深度，潛移默化地形成了分析問題的正確思維方式，并能提出自己的解決方案。這正是新工科育人環境下，對學生培養最為關鍵的目標。

3.4 強調實驗拓展與反思

本課程設計的最后一個環節重新轉入線上，設置拓展性的實驗任務供學生進一步加強自主訓練。教師在線進行答疑并對學生的實驗報告進行分析點評。拓展實驗任務的設置應體現更高的綜合性和應用性。在綜合性方面，拓展任務應注意將操作系統不同的知識點有機聯系起來形成具有一定復雜度的問題。以多線程并發編程為例，多線程并發編程與進程同步知識聯系起來可以形成進程同步問題求解任務，多線程并發編程與進程調度知識聯系起來可以形成多核調度問題求解任務，多線程并發編程與進程通信知識聯系起來可以形成即時通信問題求解任務，等。在應用性方面，拓展任務應與時俱進地體現計算機科學發展的技術現狀與最新趨勢，更加貼近當前工業界生產實踐。例如，多線程并發編程知識和進程同步與互斥知識整合在一起，可以形成關于線程池的拓展實驗，通過自主完成該實驗，學生能對實際生產中普遍使用的Java線程池的原理和優勢有深刻理解，從而能在實際復雜工程問題求解中靈活使用。

教師在進行線上實驗報告批閱時，應注重報告撰寫中有關問題的分析總結與反思部分[8]，可在考查評分細則中提高實驗分析、總結與反思部分的比重，向學生明確約定該部分是實驗報告撰寫和考察的重點。目的是促進學生們分析和反思，提高理論分析能力、數據處理能力、問題發現能力和靈活應變能力，在問題的處理和進一步反思過程中將知識內化形成自己的技能和能力，從而應對實際工程問題的復雜多變性。

4 結論

本文對操作系統實驗課的教學改革進行探討，提出實驗課課程的設計環節：課前線上預習引導、面向問題分析的啟發式課堂教學、以問題求解為導向的翻轉課堂、課后實驗拓展、以問題反思為重點的實驗報告評估。使學生不但能真正理解現代操作系統的基本原理，更能具備分析和解決復雜軟件工程問題和復雜計算機系統問題的能力，達到新工科育人的要求。

參考文獻：

[1] 朱丹紅，張棟，于元隆，等.復雜工程問題驅動的“新工科”人才培養改革探索——以計算機科學與技術專業為例[J].中國輕工教育，2020（6）：5-10，49.

[2] 文進，顧少軒.新工科背景下以問題驅動的混合式教學設計[J].高教學刊，2021，7（22）：122-125.

[3] 李明星.操作系統課程的教學實踐與探索[J].電腦知識與技術，2021，17（24）：252-254.

[4] 鄒恒明.操作系統課程實驗中的五重奏哲學[J].計算機教育，2009（20）：109-112.

[5] 唐文靜，王慶軍.新工科背景下堅持問題導向的操作系統課程教學改革[J].中國現代教育裝備，2021（15）：99-101.

[6] 陳渝，向勇.“操作系統”課程實驗教學探討[J].計算機教育，2009（14）：135-136.

[7] 林吉紅，湯庸，劉海，等.基于學者網課程平臺的混合在線教學模式[J].軟件導刊，2020，19（3）：257-260.

[8] 張艷玲.實驗報告在培養工科大學生綜合能力中的重要作用[J].教育教學論壇，2020（30）：376-378.

【通聯編輯：王力】