新工科背景下操作系統(tǒng)原理課程教學(xué)探索*

蔡迅華

（廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院，廣西 南寧 530225）

操作系統(tǒng)軟件是推廣和普及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此，操作系統(tǒng)原理課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程。操作系統(tǒng)原理課程旨在培養(yǎng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生掌握操作系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)、管理和控制計(jì)算機(jī)硬件資源，以及組織和管理應(yīng)用軟件資源等方面的能力。然而，僅限于對(duì)原理的描述和探究難以滿足新工科發(fā)展的需要。隨著國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的推廣和普及，以Linux 為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)逐漸在辦公、生產(chǎn)和生活領(lǐng)域得到應(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)合人工智能和物聯(lián)網(wǎng)需求的智能設(shè)備終端也在社會(huì)生活中普遍應(yīng)用，這對(duì)從業(yè)者的操作系統(tǒng)知識(shí)的要求必然進(jìn)一步提高。本文結(jié)合民辦高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，分析操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，并結(jié)合新工科背景下民辦高校實(shí)踐育人教學(xué)體系的要求，探討以下改進(jìn)措施：一是更新操作系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容；二是構(gòu)建服務(wù)于新興產(chǎn)業(yè)的教學(xué)目標(biāo)；三是采用因地制宜的教學(xué)方式；四是打造育人實(shí)踐環(huán)境；五是開(kāi)展基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合能力評(píng)估的結(jié)果分析。

一、新工科背景下的人才培養(yǎng)要求及應(yīng)對(duì)措施

（一） 社會(huì)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的要求

新工科建設(shè)是為了適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支持服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的相關(guān)要求。教育部加快推進(jìn)新工科建設(shè)，旨在推動(dòng)高校教育機(jī)制創(chuàng)新，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，以增強(qiáng)工程教育的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，并滿足新興產(chǎn)業(yè)對(duì)高素質(zhì)復(fù)合型人才的需求[1]。因此，新工科背景下民辦高校計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生要能為社會(huì)新興產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)，并具備相應(yīng)的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

（二） 新興產(chǎn)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求

隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，新興產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱之一。新興產(chǎn)業(yè)涵蓋了許多領(lǐng)域，包括人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、生物技術(shù)、新能源等[2]，并表現(xiàn)為多學(xué)科融合。例如，新能源汽車作為人工智能、新材料、新能源、先進(jìn)制造等領(lǐng)域高技術(shù)的重要集成應(yīng)用載體。新工科背景下，學(xué)科交叉越來(lái)越緊密、技術(shù)與設(shè)備日新月異，隨著系統(tǒng)硬件和并行技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)也在不斷演化，并與多學(xué)科交叉融合[3]。操作系統(tǒng)在現(xiàn)代科技中的重要性和多樣化體現(xiàn)在以下的場(chǎng)景。一是在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，操作系統(tǒng)可以利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)優(yōu)化資源管理、調(diào)度和決策，以提高系統(tǒng)性能和效率。例如，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)預(yù)測(cè)用戶行為，并作出相應(yīng)的資源分配決策，或是使用深度學(xué)習(xí)算法來(lái)改進(jìn)任務(wù)調(diào)度算法。二是在嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，操作系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)中扮演著重要的角色。它們需要適應(yīng)各種硬件設(shè)備和通信協(xié)議，并提供穩(wěn)定、安全和高效的運(yùn)行環(huán)境。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)需要考慮到設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸、能源管理等方面的需求。三是在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)密切相關(guān)，特別是在企業(yè)級(jí)應(yīng)用和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理方面。操作系統(tǒng)需要提供對(duì)文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理、緩存、鎖定機(jī)制等方面的支持，以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和管理。四是在網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域，現(xiàn)代操作系統(tǒng)需要具備網(wǎng)絡(luò)和通信功能，以支持分布式計(jì)算、云計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算等應(yīng)用。操作系統(tǒng)需要處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、數(shù)據(jù)傳輸、連接管理等方面的問(wèn)題，并保障可靠的數(shù)據(jù)傳輸和通信安全。五是在數(shù)字安全與隱私方面，操作系統(tǒng)對(duì)于安全和隱私的保護(hù)十分重要。操作系統(tǒng)需要提供強(qiáng)大的安全機(jī)制，防止惡意軟件、未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)泄露。

目前，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)均開(kāi)設(shè)有操作系統(tǒng)原理、Linux 操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等和操作系統(tǒng)相關(guān)的課程，這就意味著民辦高校在學(xué)科建設(shè)中需要結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)和科技發(fā)展現(xiàn)狀，及時(shí)在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、課程思政等方面進(jìn)行調(diào)整與完善。

（三） 民辦高校的相關(guān)應(yīng)對(duì)措施

一些民辦高校在吸引人才和教學(xué)資源投入等方面缺少優(yōu)勢(shì)，科研能力有待加強(qiáng)。此外，民辦高校也面臨著部分學(xué)生入學(xué)分?jǐn)?shù)不高、基礎(chǔ)不牢以及學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠強(qiáng)等客觀因素。然而，在新興產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)的背景下，民辦高校需要充分認(rèn)識(shí)自身的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，明確發(fā)展的方向和目標(biāo)。相對(duì)于公辦高校，民辦高校與企業(yè)融合方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，這種融合有助于提升教學(xué)實(shí)踐資源，尤其是在新工科專業(yè)的發(fā)展方面。通過(guò)與企業(yè)的合作，民辦高校可以更好地了解行業(yè)需求，并靈活調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)與時(shí)代發(fā)展相符合的應(yīng)用型人才。民辦高校要立足新工科建設(shè)，不斷推陳出新，符合時(shí)代發(fā)展要求的教學(xué)實(shí)踐資源有利于促進(jìn)民辦高校的發(fā)展。例如廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院，應(yīng)抓住發(fā)展機(jī)遇，積極投入資金建設(shè)超算中心、現(xiàn)代制造加工中心、人工智能與汽車實(shí)驗(yàn)室、金融交易仿真中心等。同時(shí)，持續(xù)深化課程改革促進(jìn)教學(xué)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變，重構(gòu)課程體系，重組課程內(nèi)容，開(kāi)展100 門(mén)應(yīng)用型示范課程和52 門(mén)專業(yè)核心課程建設(shè)項(xiàng)目。操作系統(tǒng)原理課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有廣泛的服務(wù)范圍，可以很好地參與各項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目。

二、課程改革的問(wèn)題分析及改進(jìn)措施

（一） 問(wèn)題分析

首先，操作系統(tǒng)原理課程的特點(diǎn)是圍繞操作系統(tǒng)的五大基本功能構(gòu)建知識(shí)體系，包括概述、進(jìn)程管理、處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、文件管理和設(shè)備管理。部分民辦高校該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)安排主要包括操作系統(tǒng)概述章節(jié)配套系統(tǒng)管理實(shí)驗(yàn)（2 個(gè)學(xué)時(shí)）、進(jìn)程管理章節(jié)配套進(jìn)程控制算法實(shí)驗(yàn)（6 個(gè)學(xué)時(shí)）、銀行家算法實(shí)驗(yàn)（4 個(gè)學(xué)時(shí)）、進(jìn)程調(diào)度算法實(shí)驗(yàn)（6 個(gè)學(xué)時(shí)）、存儲(chǔ)管理章節(jié)配套虛存管理實(shí)驗(yàn)（2 個(gè)學(xué)時(shí)）、頁(yè)面置換算法實(shí)驗(yàn)（4 個(gè)學(xué)時(shí)）[4]。這使得課程內(nèi)容偏重算法和理論，概念比較抽象，與其他課程銜接也不夠緊密，容易導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。對(duì)于基礎(chǔ)理論知識(shí)，不少學(xué)生認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)上的教學(xué)資源已經(jīng)很豐富，從中國(guó)大學(xué)慕課等線上平臺(tái)能獲取許多學(xué)習(xí)資源，如果民辦高校的線下課程仍是采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，將難以發(fā)揮學(xué)生思維訓(xùn)練的作用。大多數(shù)學(xué)生喜歡的學(xué)習(xí)方式是通過(guò)實(shí)際操作和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)來(lái)理解和應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，教師要引入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)元素，通過(guò)操作系統(tǒng)相關(guān)的創(chuàng)新項(xiàng)目和創(chuàng)業(yè)案例，提升學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐能力。其次，該課程部分實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展。目前，操作系統(tǒng)原理課程教材的源碼，有的難以進(jìn)行驗(yàn)證，操作系統(tǒng)仿真存在困難，難以重現(xiàn)運(yùn)行結(jié)果，這也加大了操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難度。此類教學(xué)資源難以滿足課程教學(xué)與人才培養(yǎng)的要求。

針對(duì)以上操作系統(tǒng)原理課程問(wèn)題的相關(guān)分析，結(jié)合前述的高等教育對(duì)新工科建設(shè)的要求，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，并從創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力評(píng)估的視角考察改進(jìn)后的情況。

（二） 教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

在計(jì)算機(jī)專業(yè)中，將Linux 操作系統(tǒng)課程作為必修課程有助于學(xué)生工作能力的培養(yǎng)，因?yàn)楫?dāng)前的許多國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)是基于Linux 內(nèi)核進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)的。然而，現(xiàn)有的人才培養(yǎng)方案是先學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理，再學(xué)習(xí)Linux 操作系統(tǒng)，這不利于學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)原理很多概念和方法都源于UNIX 操作系統(tǒng)，而Linux 是類UNIX 操作系統(tǒng)。因此，在低年級(jí)起就接觸Linux 操作系統(tǒng)有利于原理課程的學(xué)習(xí)，可以安排32 或48 個(gè)課時(shí)。

基礎(chǔ)理論部分包括操作系統(tǒng)概述、進(jìn)程管理、處理機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、文件管理和設(shè)備管理。其中，操作系統(tǒng)概述章節(jié)應(yīng)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，這個(gè)實(shí)驗(yàn)以Linux 內(nèi)核源碼0.11 版本為基礎(chǔ)，通過(guò)使用GNU 編輯器生成可引導(dǎo)鏡像文件，在配置好的虛擬環(huán)境下運(yùn)行基本的Linux 操作系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)涉及操作系統(tǒng)編譯、設(shè)備仿真、操作系統(tǒng)引導(dǎo)、操作系統(tǒng)接口等基本概念和方法，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定實(shí)踐的基礎(chǔ)。

進(jìn)程管理章節(jié)的算法原理對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)不夠牢固的學(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)難點(diǎn)，在考試中得分率不高，其原因是學(xué)生對(duì)于線程、進(jìn)程控制等概念比較模糊，不了解這些概念的應(yīng)用場(chǎng)景。如果輔以Linux的進(jìn)程控制命令相關(guān)知識(shí)，并在題庫(kù)中增加類似的題目，可以幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。

設(shè)備管理章節(jié)在課程學(xué)習(xí)中也很重要，但在大學(xué)慕課等微課視頻中能找到的參考資料比較少，在嵌入式開(kāi)發(fā)的工作中，該部分的知識(shí)屬于基礎(chǔ)性知識(shí)。建議設(shè)計(jì)和完成“基于Linux 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以在VMWare 和CentOS7的環(huán)境上完成，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)踐掌握I/O 操作、緩沖區(qū)管理和設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等相關(guān)概念。從實(shí)踐教學(xué)反映來(lái)看，許多學(xué)生在兩個(gè)課時(shí)內(nèi)可以完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

文件管理章節(jié)難以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，但可以利用基于Linux 0.11 版本源碼的操作系統(tǒng)中的虛擬文件系統(tǒng)procfs 進(jìn)行實(shí)踐，以進(jìn)一步加深對(duì)基于inode 的文件系統(tǒng)的理解。

（三） 教學(xué)方法的改進(jìn)

在新工科背景下，操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)改革對(duì)教師提出了更高的要求。除了滿足操作系統(tǒng)課程內(nèi)容的教學(xué)要求外，教師還需要具備豐富的人工智能、大數(shù)據(jù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的知識(shí)，同時(shí)，在教學(xué)方法上也需要適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展與變化。

一是教師應(yīng)在實(shí)際的教學(xué)中及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)應(yīng)用能力不足的問(wèn)題，解決學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的困惑。通過(guò)開(kāi)展工程教育，將操作系統(tǒng)的概念、方法與其他學(xué)科進(jìn)行聯(lián)系。例如，在操作系統(tǒng)概述章節(jié)中增加闡述超算中操作系統(tǒng)、手機(jī)操作系統(tǒng)、汽車操作系統(tǒng)之間區(qū)別與聯(lián)系的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)方法上注重引入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的示例，比如，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，根據(jù)用戶需求和成本選擇合適的硬件，然后進(jìn)行UBOOT 軟件配置，操作系統(tǒng)裁剪的方法和過(guò)程，用戶應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)，軟件整體架構(gòu)等教學(xué)內(nèi)容。

二是針對(duì)部分學(xué)生創(chuàng)新能力不強(qiáng)、實(shí)踐能力不足的問(wèn)題，教師需要積極挖掘?qū)W生的新穎想法和觀點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的積極性。例如，在線上線下交流時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極參加學(xué)科比賽，包括“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”比賽、“人工智能大賽”，同時(shí)引導(dǎo)發(fā)揮學(xué)生“傳幫帶”的作用，共同參與工程創(chuàng)新活動(dòng)。例如，在教學(xué)中需要引入工程案例，引導(dǎo)并提示學(xué)生思考基于Linux 操作系統(tǒng)應(yīng)用方案來(lái)解決工程創(chuàng)新的問(wèn)題。

三是新工科背景下教師需要具有因地制宜的教學(xué)方式，由于新興產(chǎn)業(yè)和技術(shù)不斷地涌現(xiàn)，會(huì)帶來(lái)教學(xué)環(huán)境的快速變化，需要根據(jù)教學(xué)環(huán)境來(lái)進(jìn)行教學(xué)安排。例如，廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院采用一體機(jī)終端的教學(xué)設(shè)備，這種終端機(jī)實(shí)際上是一個(gè)虛擬機(jī)顯示終端，其服務(wù)端是在中心機(jī)房。該教學(xué)環(huán)境是在中心機(jī)房中虛擬一臺(tái)Linux 服務(wù)器，接著在這臺(tái)服務(wù)器中創(chuàng)建大量學(xué)生的賬號(hào)，然后在這個(gè)服務(wù)器上安裝GNU 編譯器，從而構(gòu)建操作系統(tǒng)和Linux 課程的實(shí)踐環(huán)境。當(dāng)前，新建實(shí)驗(yàn)室普遍采用PC 機(jī)組合服務(wù)端的配置方式，PC機(jī)運(yùn)算能力較強(qiáng)，可以運(yùn)行VMWare 的虛擬機(jī)，這為搭建運(yùn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境創(chuàng)建了條件。但是，創(chuàng)建的虛擬鏡像文件在學(xué)生電腦上有時(shí)不能正常運(yùn)行，需要教師及時(shí)排查問(wèn)題。而未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)是采用云計(jì)算環(huán)境，由廠家提供對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)課程資源，可以直接在云平臺(tái)上完成教學(xué)，需要教師整合廠家提供的教學(xué)資源以完善教學(xué)方案。

（四） 驗(yàn)證教學(xué)改進(jìn)的方法

新工科建設(shè)背景下課程的改革效果，單從考試方面難以全面反映學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，但是，通過(guò)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的視角可以觀察到學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。本文所介紹的操作系統(tǒng)課程內(nèi)容和教學(xué)方式應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)專業(yè)和大數(shù)據(jù)專業(yè)2019 級(jí)、2020 級(jí)和2021 級(jí)三個(gè)年級(jí)的10 個(gè)班級(jí)，課堂上學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度較高，課后有半數(shù)的學(xué)生參加了“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國(guó)機(jī)器人及人工智能大賽”等活動(dòng)，從廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院參與活動(dòng)的數(shù)量可知，參與活動(dòng)的人數(shù)從2018 年開(kāi)始逐年增長(zhǎng)。在題目選擇上，2018年以前偏向于互聯(lián)網(wǎng)賦能有關(guān)行業(yè)，比如“3D 模擬試衣APP”“建基行事一站式VR 互動(dòng)家裝平臺(tái)”等，而2018 年后出現(xiàn)與新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)的項(xiàng)目，比如“智能移動(dòng)電樁”“多場(chǎng)景應(yīng)用的汽車橫向硬件懸掛系統(tǒng)”等。

三、結(jié)語(yǔ)

新工科建設(shè)的核心以新興產(chǎn)業(yè)的需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)具有面向未來(lái)的卓越工程創(chuàng)新人才。不同的高校在師資、學(xué)生素質(zhì)、教學(xué)設(shè)備等方面存在差異，操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)也會(huì)受到這些因素的影響。本文通過(guò)探索新工科背景下人才培養(yǎng)要求及民辦高校的應(yīng)對(duì)措施，改革操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式，采用因地制宜的教學(xué)方法，能夠提高民辦高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。通過(guò)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)視角下的大學(xué)生綜合素質(zhì)能力評(píng)估，了解操作系統(tǒng)原理課程改革對(duì)人才培養(yǎng)的積極作用。