OBE理念下的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實踐

李 娜，李 征，王 鵬，劉 杰，王 磊

（陜西理工大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，陜西漢中 723000）

0 引言

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。2016 年，我國加入了國際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織，標(biāo)志著高等教育正式啟動工程教育改革。遵循成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進原則是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心。2017 年，教育部高教司推出了工程教育改革新工科計劃，其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。在工程專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)的新時代教育改革大背景下，計算機類專業(yè)的核心課程必須要加快改革進程，以滿足國家新時代人才培養(yǎng)需求。

在計算機類專業(yè)中，操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是一門核心課程，與數(shù)據(jù)庫、編譯原理合稱“三座大山”。這三門課程的教學(xué)內(nèi)容與方法等一直備受關(guān)注，其共同特點為內(nèi)容抽象、教師難教、學(xué)生難學(xué)，是進行教學(xué)改革的重點和難點。因此，借助教育部實施一流本科課程“雙萬計劃”的時代機遇，以成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，OBE）為目標(biāo)，打造計算機類線上線下混合式教學(xué)“金課”，是計算機專業(yè)核心課程改革的重要方向。

1 線上線下混合教學(xué)模式的必要性

傳統(tǒng)OS 課程的主要教學(xué)方式為線下教學(xué)+課程實驗，模式單一。課堂教學(xué)以教師講授為主，學(xué)生參與度低，學(xué)習(xí)主動性不足，效果較差；實踐教學(xué)環(huán)節(jié)以驗證性實驗為主，對學(xué)生動手能力、思辨能力、主動學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)不足；考核方式以期末閉卷考試為主，考試內(nèi)容重知識輕能力、重理論輕實踐、重結(jié)果輕過程；課程內(nèi)容缺乏創(chuàng)新實踐、交流協(xié)作、持續(xù)學(xué)習(xí)，課程思政等環(huán)節(jié)，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不足。以上是OS 課程傳統(tǒng)教學(xué)方式面臨的主要問題，無法滿足新工科建設(shè)對于專業(yè)課程教學(xué)的要求。因此，根據(jù)實際情況，對計算機類核心課程進行線上線下混合式教學(xué)改革，重塑課程內(nèi)容迫在眉睫。

當(dāng)前關(guān)于OS 課程改革的研究較多，例如文獻［3］提出基于MOOC 的線上線下混合教學(xué)實踐應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘課程，能夠保證學(xué)生知識獲取質(zhì)量，滿足教師對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考察需求；文獻［4］采用課前預(yù)習(xí)、課堂互動和課后鞏固的混合式教學(xué)模式進行OS 課程改革，是一種新型高效的教學(xué)模式，能顯著提高教學(xué)質(zhì)量；文獻［5］以O(shè)BE 教育理念為指導(dǎo)對OS 課程進行教學(xué)改革，學(xué)生學(xué)習(xí)成績穩(wěn)步提升；文獻［6］從培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力的角度出發(fā)設(shè)計了系統(tǒng)性模塊化教學(xué)內(nèi)容和全覆蓋的知識體系；文獻［7］重構(gòu)了OS 課程內(nèi)容，提升了學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。

為建設(shè)一流本科課程，提升教學(xué)質(zhì)量，本文借鑒前人經(jīng)驗，并結(jié)合地方應(yīng)用型高校學(xué)生的實際情況，研究了OBE 理念下多方位的OS 課程改革，從課程內(nèi)容重塑、線上線下教學(xué)資源構(gòu)建、教學(xué)模式設(shè)計等多個環(huán)節(jié)進行改革實踐。

2 OBE 理念在計算機類專業(yè)核心課程中的引入

OBE 理念倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向。2013 年6 月，我國加入“華盛頓協(xié)議”，同時引入OBE 理念進行工程教育改革，至今已取得豐碩成果，對高校工科類專業(yè)教育水平的提高起著巨大的推動作用。在工程教育改革大背景下，在計算機類專業(yè)核心課程中引入OBE 教育理念進行教學(xué)改革勢在必行。計算機類專業(yè)的特點為理論與實踐并重，傳統(tǒng)與創(chuàng)新兼顧，這就要求任課教師圍繞OBE 教育理念進行課程體系構(gòu)建，以滿足工程教育對計算機類專業(yè)的要求。

3 課程教學(xué)內(nèi)容重塑

計算機科學(xué)體系主要分為硬件和軟件兩個部分。OS處于所有硬件的最上層和所有軟件的最下層，是連接兩者的跨界角色。OS課程主要研究的是OS內(nèi)核。為提升教學(xué)質(zhì)量，建設(shè)一流線上線下混合式OS 課程，課程組在課程內(nèi)容、形式方面持續(xù)改進，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系。課程組以陜西理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2018 版本科培養(yǎng)方案修訂為契機，按照培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求，根據(jù)以學(xué)生為中心的教育理念，對OS 課程內(nèi)容、知識點進行梳理和優(yōu)化，重塑知識體系，并構(gòu)建支持線上線下混合教學(xué)模式的學(xué)習(xí)資源。

3.1 課程內(nèi)容優(yōu)化

OS 課程內(nèi)容優(yōu)化主要從理論和實踐兩個方面展開。OS 最重要的功能為對軟硬件資源進行管理，圍繞該功能對課程理論知識進行深入分析，建立脈絡(luò)清晰的課程內(nèi)容框架。OS 課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括操作系統(tǒng)引論、進程描述與控制、處理機調(diào)度與死鎖、存儲器管理、虛擬存儲器、輸入輸出系統(tǒng)、文件管理、磁盤存儲器管理以及操作系統(tǒng)接口，教學(xué)的3 個核心為進程、內(nèi)存和存儲。課程共計54 學(xué)時，其中理論課為42 學(xué)時，實驗課為12 學(xué)時。綜合課程總體情況、教學(xué)重點以及教學(xué)學(xué)時3 方面因素優(yōu)化該課程知識體系結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。

首先，全面梳理并重新構(gòu)建課程理論知識內(nèi)容。進程是操作系統(tǒng)中比較抽象的概念，課本中花了大量篇幅介紹其基本內(nèi)涵。但對于學(xué)生來說，單純的文字內(nèi)容過于抽象，不易理解和應(yīng)用。在內(nèi)容優(yōu)化過程中，課程組從進程的功能著手，先略過晦澀的進程概念部分，重點使學(xué)生弄清進程與CPU 的對應(yīng)關(guān)系，即計算機所謂的計算指的就是CPU 運算，運算的內(nèi)容就是進程。通過在多道程序下多個進程如何在一個CPU 中運行的問題引出調(diào)度、資源競爭、進程同步、死鎖等衍生知識點，使學(xué)生理解進程的定義和概念。同時，在進程管理、處理機調(diào)度與死鎖部分引入關(guān)聯(lián)知識點，并增加課時和實驗項目；其次，優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容。實驗學(xué)時由原來的8 學(xué)時增加至12 學(xué)時，必做實驗項目由原來的4 個變?yōu)? 個，增加1 個選做實驗。增加的實驗項目為列舉系統(tǒng)啟動項目（必做）、共享內(nèi)存實驗（必做）、處理機調(diào)度實驗（選做）。

3.2 線上線下平臺資源構(gòu)建

Fig.1 Optimized OS course knowledge architecture圖1 優(yōu)化后的OS課程知識體系結(jié)構(gòu)

課程內(nèi)容分為理論與實踐兩大部分。各個章節(jié)、功能模塊對應(yīng)的知識點是分散的，但又相互融合。各章節(jié)的理論知識點配置了豐富的學(xué)習(xí)資源，包括教學(xué)大綱、課程標(biāo)準(zhǔn)、PPT、知識點視頻、算法動畫、電子書、章節(jié)作業(yè)、隨堂測及自測等。借助學(xué)習(xí)通平臺，構(gòu)建線上學(xué)習(xí)資源。在實踐操作方面，課程組將實驗項目分為驗證型、設(shè)計型和綜合型3 個類型。教師會提前將相關(guān)實驗項目及案例上傳至PTA 平臺，學(xué)生可依據(jù)個人能力和學(xué)習(xí)進度選擇合適的資源主動學(xué)習(xí)。當(dāng)前實踐中，線上學(xué)習(xí)為線下學(xué)習(xí)服務(wù)，線下學(xué)習(xí)是線上學(xué)習(xí)的有益補充。因此，課程組根據(jù)課程內(nèi)容要求教師將以案例的形式講授重難點，將OS 中的進程、內(nèi)存和存儲等零散抽象的知識點緊密聯(lián)系起來，幫助學(xué)生完成對知識的遷移。同時通過師生、學(xué)生之間問題討論等，幫助學(xué)生內(nèi)化有聯(lián)系的知識點以組織成結(jié)構(gòu)完善、層次分明的知識網(wǎng)絡(luò)，完成OS 知識體系的構(gòu)建，使其能夠利用所學(xué)知識綜合分析、解決實際問題，提升探索創(chuàng)新能力。OS線上線下課程資源架構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 OS online and offline course resources architecture圖2 OS線上線下課程資源架構(gòu)

4 線上線下混合教學(xué)模式設(shè)計

為達到課程教學(xué)目標(biāo)，OS 課程基于學(xué)習(xí)通平臺進行線上線下混合教學(xué)模式改革，將課程的理論與實踐項目緊密結(jié)合起來，目前已形成課前—課中—課后一體化教學(xué)，具體教學(xué)模式如圖3所示。

Fig.3 Online and offline mixed teaching mode based on Xuexitong圖3 基于學(xué)習(xí)通的線上線下混合教學(xué)模式

5 教學(xué)實踐與效果

5.1 教學(xué)實踐

在開課前，課程組提前準(zhǔn)備好線上線下教學(xué)資源，并制定詳細的課程計劃和應(yīng)急預(yù)案。課前，根據(jù)教學(xué)安排，教師需提前一周發(fā)布本周學(xué)習(xí)任務(wù)，包括學(xué)習(xí)視頻、PPT、自測等。學(xué)生可以借助電腦、手機等終端隨時隨地自主學(xué)習(xí)，并記錄學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，也可以在線上進行討論。同時，教師可根據(jù)學(xué)習(xí)進度、討論內(nèi)容、自測情況等監(jiān)控學(xué)情，及時發(fā)現(xiàn)問題，并將一些共性問題放到課堂上解決。教師通過了解學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡，進一步完善課堂教學(xué)內(nèi)容。課中，教師根據(jù)課前學(xué)情反饋，及時調(diào)整課堂教學(xué)模式，根據(jù)需要選取重難點講授、翻轉(zhuǎn)課堂、問題討論等教學(xué)形式。在師生、學(xué)生互動過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維、積極思考。課后，學(xué)生在學(xué)習(xí)通上完成作業(yè)、測驗，線下完成必做和選做實驗項目，教師及時進行答疑。

以避免死鎖教學(xué)為例，最終目標(biāo)是使學(xué)生掌握避免死鎖的基本理論與銀行家算法。課前，由教師下發(fā)預(yù)習(xí)任務(wù)、設(shè)計板書，學(xué)生借助超星課程平臺完成預(yù)習(xí)任務(wù)。需要完成翻轉(zhuǎn)課堂的小組提前準(zhǔn)備上課資料，課中由老師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題：生活中有哪些解決死鎖的方法？OS 中避免死鎖的方法是什么？接著由學(xué)生進行課堂教學(xué)：類比銀行放貸業(yè)務(wù)解釋銀行家算法的基本思想，結(jié)合資源分配的例子給出銀行家算法的基本實現(xiàn)思路，并詳細講解注意事項。最后進行分組討論，梳理與死鎖進程相關(guān)的諸多問題。課后，學(xué)生完成作業(yè)以及小測驗。根據(jù)學(xué)生課堂講解中所用素材（包括PPT、動畫、板書設(shè)計等）是否豐富，普通話是否標(biāo)準(zhǔn)，講解是否清晰易懂，課堂氣氛是否活躍等方面進行分組評價，包含組員自評、組間互評、教師評價幾個方面。

綜上所述，依托線上線下混合式教學(xué)模式，OS 課程形成了課前自主學(xué)習(xí)—課中翻轉(zhuǎn)課堂、分組問題討論—課后練習(xí)鞏固三位一體的教學(xué)過程，既能保證學(xué)生對基本概念、算法知識的掌握，又可以滿足其拓展延伸的需求。

5.2 教學(xué)效果

重塑的OS 課程內(nèi)容與教學(xué)模式在2018 級計算機類本科學(xué)生中開始實施。經(jīng)過1 個教學(xué)周期，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，學(xué)習(xí)效果顯著。課堂氣氛活躍，大部分學(xué)生積極參與到翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論中，由傳統(tǒng)的被動接受變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)；在課前預(yù)習(xí)自測、課后作業(yè)完成質(zhì)量方面，題目正確率明顯提高；在實踐環(huán)節(jié)，根據(jù)所學(xué)內(nèi)容自主設(shè)計實驗方案、積極完成實驗的學(xué)生數(shù)量比往屆大幅提高。

對2019-2020-1 學(xué)期的計算機專業(yè)2017 級2 個班、2020-2021-1 學(xué)期計算機專業(yè)2018 級6 個班學(xué)生的成績分布進行了統(tǒng)計分析，見表1。可以看出，在計算機專業(yè)2018 級學(xué)生人數(shù)遠多于2017 級的情況下，2018 級學(xué)生成績分布無論從最高分、最低分、平均分、中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差等方面均優(yōu)于2017級，說明OS課程教學(xué)改革成效顯著。

6 結(jié)語

本文基于OBE 理念，從課程內(nèi)容重塑、教學(xué)資源構(gòu)建、教學(xué)模式設(shè)計等多個教學(xué)環(huán)節(jié)進行了OS 課程線上線下混合式教學(xué)改革。經(jīng)過一個教學(xué)周期的實踐證明，課程改革頗有成效，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析與解決問題的能力。該課程的改革方案也可為計算機類專業(yè)其他課程的建設(shè)提供借鑒。今后計算機類專業(yè)課程的改革將繼續(xù)圍繞OBE 理念進行，線上線下混合教學(xué)是未來課程教學(xué)的主要模式，但在線資源建設(shè)方面仍需繼續(xù)引入優(yōu)質(zhì)課程資源，并建設(shè)適合學(xué)生實際情況的在線課程平臺，這將是課題組下一步教學(xué)改革的重點。

Table 1 Comparison of grade distribution between grade 2017 and grade 2018 students of Computer major表1 2017級與2018級計算機專業(yè)學(xué)生成績分布比較