基于虛擬仿真實驗的操作系統課程教學模式創新與實踐

近年，高等教育正處于數字化轉型的浪潮中。虛擬仿真實驗課程憑借其高度交互性、資源共享性和成本效益等優勢，逐漸成為高校教學的重要組成部分。特別是隨著教育部線上一流課程評選工作的推進，虛擬仿真實驗教學被廣泛應用于課程實踐，其在教學中的重要性日益凸顯。

操作系統課程內容抽象難懂、理論性強，實驗開展困難。受學校機房資源配置不均、學生設備性能差異大等因素影響，許多學生難以順利完成實驗教學環節，影響了實踐教學效果。

為應對上述挑戰，教學團隊提出了一種基于虛擬仿真實驗的操作系統課程教學創新方案。該方案充分利用Web端虛擬實驗平臺等技術手段，使學生能夠突破硬件限制，隨時隨地進行實驗操作，從而提升學習的靈活性和自主性。研究表明，這種創新教學模式不僅能夠優化實踐教學效果，提高學生的實驗操作能力，還能降低實驗成本，提高教學質量，為操作系統課程的教學改革提供新的思路和實踐經驗。

一、操作系統課程傳統教學模式現狀

操作系統課程是計算機科學與技術專業的核心課程，涉及計算機資源管理、進程調度、內存管理、文件系統等多個復雜概念。然而，傳統教學模式主要以課堂講授為主、實驗教學為輔。學生在學習過程中以被動接受知識為主，缺乏互動和實踐操作機會，對理論知識的理解較為淺顯，難以形成系統的知識體系。

在實驗教學方面，操作系統實驗課程具有很強的理論性和實踐性，但受限于實驗室設備數量和課時安排，學生只能在規定課時內，在教師指導下完成部分實驗操作，課后缺少進一步練習的機會。這種模式不僅影響了學生對實驗技能的掌握，還使他們難以獨立完成實驗任務和深入理解操作系統的工作原理。同時，實驗設備的維護和更新成本較高，導致實驗教學內容難以靈活調整，限制了實驗設計的多樣性和深度。

此外，由于操作系統相關知識較為抽象，學生初次接觸實驗項目時常常難以理解實驗內容，而書本上的理論講解往往無法有效支撐實驗操作的預習和復習，導致學生的自主學習能力受限，影響了學習效果和興趣。在高等教育數字化轉型的背景下，傳統的操作系統課程教學模式已逐漸顯現出諸多局限，迫切需要更靈活、高效的教學方式提升教學質量和學生的實踐能力。

二、虛擬仿真技術在操作系統課程中的創新應用

在操作系統課程中引入虛擬仿真實驗平臺，有助于提升教學質量和學生的實踐能力。可以結合當前主流的Unity3D開發技術，構建虛擬仿真教學平臺，并結合虛擬操作系統，為學生提供更加逼真的模擬實驗環境。虛擬仿真技術突破了傳統實驗教學對物理設備的依賴，使學生能夠隨時隨地進行實驗操作，提高了學習的靈活性和自主性。同時，仿真平臺提供高度逼真的操作系統環境，方便學生反復練習實驗操作，加深對復雜概念的理解和應用。相比傳統實驗模式，虛擬仿真實驗不僅降低了實驗設備的維護成本，還具備數據記錄與分析功能，能夠幫助教師精準評估學生的學習情況，為個性化教學提供支持。

（一）模塊化教學與虛擬仿真實驗結合

針對傳統操作系統課程教學中理論與實踐脫節的問題，教學團隊對教學模式進行了創新，采用模塊化教學與虛擬仿真實驗相結合的方式，以加深學生對操作系統核心概念的理解，提升學生的實踐能力。教學內容被劃分為若干核心模塊，如進程管理、內存管理、文件系統、設備管理等，每個模塊既涵蓋理論知識，又配備相應的實驗內容，使學生能夠在理論學習的同時進行實踐操作，從而加深對模塊知識的理解和應用。

在課程實施過程中，每個理論模塊講授完成后，教學團隊立即安排相關實驗，以“理論一實踐一反饋”的循環模式強化學生的學習效果。例如，在學習進程管理模塊時，學生不僅需要掌握進程的概念、狀態轉換和調度算法，還需要在虛擬仿

作者簡介：朱彥松（1979—），男，中原工學院副教授，研究方向為個性化推薦、軟件工程教育；竇桂琴（1979—），女，中原工學院講師，研究方向為軟件工程教育；劉衛光（1966—），男，中原工學院教授，研究方向為計算機系統、軟件工程教育。

真實驗平臺上編寫和測試進程調度算法，如先來先服務（FCFS）、最短作業優先（SJF）、時間片輪轉（RR）等，以直觀理解不同調度策略的特點和性能。這種模式不僅優化了課程結構，還使學生能夠在實驗操作中發現問題、思考問題并解決問題，從而提高學習效率和知識應用能力。

虛擬仿真實驗平臺的引入進一步增強了實驗教學的靈活性和擴展性。學生可以隨時隨地進行實驗操作，不再受限于實驗室設備和課時安排，極大地增加了實踐機會。同時，實驗平臺能夠記錄學生的操作過程和實驗數據，教師可據此進行過程性評價，分析學生的學習情況，并提供有針對性的指導。這種結合模塊化教學與虛擬仿真實驗的教學模式，既解決了傳統教學中理論與實踐脫節的問題，又提升了學生的自主學習能力和動手實踐能力，為操作系統課程的教學改革提供了新思路

（二）翻轉課堂與互動式教學相結合

在操作系統課程的教學方法上，教學團隊結合虛擬仿真實驗平臺，創新性地采用翻轉課堂與互動式教學相結合的模式，以提高教學效果和學生的實踐能力。在這一模式下，學生可在課前通過虛擬仿真平臺自主學習基礎知識，提前熟悉相關概念和實驗操作，課堂時間則主要用于師生互動、問題討論與實驗實踐，從而提升學習的主動性和課堂參與度。

在翻轉課堂環節，學生課前可通過虛擬仿真實驗平臺觀看教學視頻、閱讀電子教材、完成交互式實驗模擬，形成對基本概念的初步理解。例如，在學習進程調度相關內容時，學生可以先在平臺上學習進程調度算法的理論知識，并進行簡單的模擬實驗，觀察不同算法的運行效果，為課堂討論做好準備。

課堂教學過程中，教師不再進行傳統的單向知識灌輸，而是以互動式教學為主，采用提問、案例分析、小組討論、實驗演示等多種方式引導學生深入思考。例如，在學習內存管理時，教師可以引導學生探討分頁與分段管理的區別，并通過仿真實驗平臺讓學生親自模擬不同的內存分配策略，觀察不同策略在實際應用中的表現。

虛擬仿真實驗平臺的優勢在于它不僅能夠提供高度仿真的操作環境，還支持學生在虛擬環境中反復模擬不同實驗場景，如進程調度算法的比較、內存分配策略的測試、文件系統的操作等。學生可以根據實驗反饋不斷調整實驗步驟，加深對理論知識的理解和應用，同時降低對物理實驗設備的依賴，使實驗教學更加靈活高效。

（三）學情反饋與個性化指導

在操作系統課程教學中，引入虛擬仿真實驗平臺既提升了學生的實踐能力，也極大地提升了教師對學生學習情況的實時掌握能力。虛擬仿真實驗平臺能夠自動記錄學生的實驗過程、操作數據和實驗成果，包括實驗完成時間、錯誤操作次數、實驗結果準確度等關鍵指標。這些數據的積累和分析，使教師能夠更加精準地評估學生的學習狀態，及時發現問題并提供針對性指導，從而有效提升教學質量。

在傳統的實驗教學模式下，由于教師需要面對大量學生，難以及時跟蹤每個學生的學習進度，了解實驗操作情況，往往只能通過期末考試或少量的課堂提問評估學生的知識掌握程度。這種模式不僅反饋滯后，而且難以提供個性化教學。而虛擬仿真實驗平臺的引入，則使得學情分析變得更加細致高效。教師可以通過系統后臺查看學生的實驗記錄，包括實驗步驟、關鍵操作的正確率、完成實驗所需時長等信息，從而判斷學生是否真正理解相關知識點。例如，如果某個學生在進程調度實驗中頻繁選用不合適的調度策略，系統能夠自動記錄該錯誤操作，教師可以在課后為其提供定向輔導，幫助其糾正錯誤并加深理解。

此外，虛擬仿真實驗平臺還可以基于數據分析提供個性化學習建議。例如，系統可以根據學生的實驗表現，為其推薦相關的補充練習或復習內容，幫助學生鞏固薄弱環節。該平臺還能實現學習數據的可視化，以圖表、熱力圖等形式直觀展示學生的學習情況。例如，某個實驗模塊的錯誤率過高，可能表明該知識點存在普遍性理解難點，教師可以據此調整教學內容，增加該部分的講解和練習。

綜上，這種教學創新模式既提高了學生的自主學習能力和實踐操作能力，也為操作系統課程的教學改革提供了新思路和方法，有助于實現更加科學、高效、個性化的教學目標。

三、結語

本研究基于對計算機操作系統課程教學改革的研究和實踐，探索了虛擬仿真實驗平臺在教學中的應用路徑，創新了教學方法，提升了教學效果，并總結了教學改革的經驗和成效。教學改革是一個不斷探索和發展的過程。未來，應持續改進虛擬仿真實驗平臺的功能，優化用戶操作體驗，不斷創新教學方法，提高教學質量和學生的學習效果。同時，應加強教師培訓和資源建設，推動教學改革的廣泛應用和持續發展，為培養高素質的計算機專業人才作出更大貢獻。

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責編：勉耘