基于OBE理念的操作系統(tǒng)原理課程教學(xué)改革實(shí)踐探析

童莉　劉三民

摘要：基于工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的操作系統(tǒng)原理課程，在分析原有課堂教學(xué)弊端的基礎(chǔ)上，為了提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，在課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面進(jìn)行了深入探索和研究。實(shí)踐證明，以學(xué)生為中心、以提升解決問題的能力為導(dǎo)向的教學(xué)模式，在提高教學(xué)效果的同時(shí)，促進(jìn)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證；產(chǎn)出為導(dǎo)向；教學(xué)目標(biāo)；教學(xué)模式；復(fù)雜工程問題

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）34-0146-03

1 引言

操作系統(tǒng)原理是計(jì)算機(jī)類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，在整個(gè)課程體系中起著承上啟下的重要作用。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，以及高等教育新形勢(shì)下的要求，將OBE模式引入操作系統(tǒng)原理課程的教學(xué)管理中，對(duì)其教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法等方面進(jìn)行了梳理與探索，并在連續(xù)四個(gè)教學(xué)年開展了“以學(xué)生為中心”的教育教學(xué)工作。在教學(xué)過程中，能夠依據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成度，不斷進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的相關(guān)能力。

2 OBE教學(xué)理念

OBE（Outcome Based Education） 成果導(dǎo)向教育是當(dāng)前國(guó)內(nèi)工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心思想[1]，主張以學(xué)生為中心，堅(jiān)持以教學(xué)成果為導(dǎo)向，反向設(shè)計(jì)教學(xué)，不斷進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。這就要求教師和學(xué)生首先要明確教與學(xué)目標(biāo)，不僅是熟練掌握教材中的概念和原理，更重要的是在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力和素養(yǎng)。其次，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上都要以學(xué)習(xí)成果目標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成度作為導(dǎo)向，對(duì)教學(xué)過程中的各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反向設(shè)計(jì)。最后要堅(jiān)持持續(xù)改進(jìn)。這樣，整個(gè)教學(xué)過程就可以形成閉環(huán)，循環(huán)往復(fù)，才能使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法不斷得到優(yōu)化，相互促進(jìn)，共同提升。

3 教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程，一般安排56-64 學(xué)時(shí)的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，主要包含理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)部分。經(jīng)過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在課程教學(xué)中普遍存在以下問題[2]：

1） 課程中需要的前期知識(shí)儲(chǔ)備較多。

操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，涉及的前期知識(shí)儲(chǔ)備較多，主要包括計(jì)算機(jī)組成原理、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等相關(guān)課程。不同專業(yè)的培養(yǎng)方案中，關(guān)于課程開設(shè)的時(shí)間有所不同，很多時(shí)候會(huì)同步進(jìn)行授課。教材中涉及概念諸如中斷、時(shí)鐘、邏輯地址與物理地址等，學(xué)生大多不理解，結(jié)果導(dǎo)致在講解存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理時(shí)，學(xué)生概念不清，很難理解。

2） 基本概念多，內(nèi)容抽象而理論性較強(qiáng)。

操作系統(tǒng)這門課程，概念非常多，理論性極強(qiáng)。相比較計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的直觀性，很多學(xué)生覺得這門課程不涉及具體的計(jì)算機(jī)操作或是代碼設(shè)計(jì)，而是介紹各種操作的底層支持原理，非常抽象，不易深入學(xué)習(xí)。

3） 授課方式比較單一[3]。

操作系統(tǒng)課程理論學(xué)時(shí)相對(duì)較多，占到總學(xué)時(shí)的80%左右。理論教學(xué)大都以教師課堂講授為主，學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)的能力，只能被動(dòng)地在課堂上接受老師教授的內(nèi)容。老師傳授多少，就接受多少，很少能自行深入進(jìn)去探索，學(xué)習(xí)效果一般，自主解決問題的能力得不到鍛煉與提高。學(xué)習(xí)只能局限于知識(shí)的層次，而達(dá)不到能力的培養(yǎng)。

4） 實(shí)踐環(huán)節(jié)較為薄弱[4]。

操作系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置的學(xué)時(shí)相對(duì)較少，內(nèi)容也較為零散，大都為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，即不需要學(xué)生進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)和編程，缺乏對(duì)實(shí)際操作系統(tǒng)的分解與分析研究。譬如實(shí)驗(yàn)三的進(jìn)程通信，是通過給定的程序代碼去模擬父進(jìn)程和子進(jìn)程之間的通信，學(xué)生只需讀懂程序即可；而實(shí)驗(yàn)四的處理機(jī)調(diào)度算法，只是通過c語言程序，來模擬優(yōu)先級(jí)算法、分時(shí)算法，并沒有從操作系統(tǒng)的整體架構(gòu)出發(fā)，去分析操作系統(tǒng)的各部分及其功能算法，所以很難培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

5） 考核方式單一[5]。

操作系統(tǒng)課程的考核以閉卷筆試為主，雖然在平時(shí)成績(jī)考核中增加了作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)等環(huán)節(jié)，但也僅僅是用作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果來核算學(xué)生的平時(shí)成績(jī)，體現(xiàn)不出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中分析問題、解決問題的能力的培養(yǎng)，考核結(jié)果比較片面。

4 操作系統(tǒng)課程改革實(shí)踐

工程教育專業(yè)認(rèn)證工作于2015年正式啟動(dòng)。圍繞以產(chǎn)出為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，對(duì)課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)等核心理念，修訂了適合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面開展了教育教學(xué)改革。

4.1 重新定位課程目標(biāo)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，希望學(xué)生通過四年的學(xué)習(xí)，能夠成為具有良好的人文科學(xué)素養(yǎng)和職業(yè)道德，扎實(shí)掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)以及物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力、良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通能力和自主學(xué)習(xí)能力，能夠從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)軟硬件產(chǎn)品開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)及維護(hù)以及項(xiàng)目管理等工作的高素質(zhì)應(yīng)用型人才?；诖?，結(jié)合操作系統(tǒng)課程在整個(gè)課程體系中的作用，制定了本課程的課程目標(biāo)，并與畢業(yè)要求相對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示。

4.2 合理選取教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，首先要注重的是對(duì)各章節(jié)、各知識(shí)點(diǎn)的引入，因?yàn)檫@樣能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們進(jìn)入知識(shí)的學(xué)習(xí)。譬如第一章中對(duì)整個(gè)課程的引入部分，能讓學(xué)生從整體上對(duì)操作系統(tǒng)有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解：它是一個(gè)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(fā)展歷程等。這就可以讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到操作系統(tǒng)不同于硬件，但又與硬件密不可分，幫助學(xué)生從計(jì)算機(jī)主要硬件出發(fā)，利用線索將計(jì)算機(jī)的幾大功能串聯(lián)起來，建立思維導(dǎo)圖，有助于后續(xù)學(xué)習(xí)。

其次，在教學(xué)內(nèi)容的選擇中，還要充分考慮本課程和其他計(jì)算機(jī)相關(guān)課程如計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的傳承性，并以此為出發(fā)點(diǎn)，深挖課程間知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。這樣既可以促使學(xué)生更深入透徹地掌握本課程的知識(shí)，更能通過課程內(nèi)容的橫向貫通，幫助學(xué)生建立起一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)軟、硬件知識(shí)的體系框架。譬如在講到進(jìn)程通信時(shí)，客戶機(jī)－服務(wù)器系統(tǒng)就會(huì)涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用，可以擴(kuò)展與發(fā)散；在講到同步與互斥控制的信號(hào)量機(jī)制時(shí)，也需要涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)中的相關(guān)知識(shí)，通過橫向貫通，就能讓學(xué)生更深刻地掌握記錄型信號(hào)量；在講到虛擬存儲(chǔ)管理的LRU算法的實(shí)現(xiàn)時(shí)，又涉及了寄存器和堆棧的使用；在介紹文件管理的記錄、數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，又會(huì)涉及數(shù)據(jù)庫的相關(guān)知識(shí)。通過諸如此類的教學(xué)內(nèi)容，可以將各學(xué)科的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使學(xué)生帶著熟悉感進(jìn)入知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，并且還能通過新的知識(shí)學(xué)習(xí)，加深對(duì)原有知識(shí)點(diǎn)的深刻認(rèn)識(shí)，并以此引導(dǎo)學(xué)生，通過知識(shí)點(diǎn)的相通性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力，這也高度契合了工程認(rèn)證的目標(biāo)。

此外，還需要注意引入課程最新的前沿知識(shí)，做到與時(shí)俱進(jìn)，拓展學(xué)生的知識(shí)面，調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，從而引發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

4.3 精心設(shè)計(jì)教學(xué)方法

在課程教學(xué)過程中，通過不斷實(shí)踐，利用形式多樣的教學(xué)方法和教學(xué)輔助工具，充分發(fā)揮學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的主體作用，營(yíng)造活躍的課堂教學(xué)氛圍，積極引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)，取得良好的教學(xué)效果。

4.3.1 類比法

類比教學(xué)法是用生活中學(xué)生容易理解的事物及場(chǎng)景來對(duì)操作系統(tǒng)中的抽象概念及原理進(jìn)行類比，達(dá)到幫助學(xué)生理解的目的。譬如在介紹死鎖避免問題時(shí)，可以用生活中銀行貸款的操作來類比進(jìn)程的資源分配。銀行批準(zhǔn)的貸款總額就是進(jìn)程的最大資源需求，已發(fā)放貸款額就是進(jìn)程的已分配資源，每一次的貸款資金請(qǐng)求就是進(jìn)程提出的資源請(qǐng)求，這樣就能使學(xué)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(shí)的類比方法。譬如在講到設(shè)備管理或是缺頁中斷時(shí)，可以介紹中斷的過程，結(jié)合計(jì)算機(jī)組成中的相關(guān)知識(shí)，可以讓學(xué)生溫故而知新，了解不同科目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系，從而建立更加完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)[5]。

4.3.2 翻轉(zhuǎn)課堂[6]

操作系統(tǒng)原理課程面向的學(xué)生，一般處于大三的學(xué)習(xí)階段。通過前期學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)有了一定的計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)，但不夠全面和系統(tǒng)。為此，將整個(gè)課程的教學(xué)劃分成課前、課中、課后三個(gè)階段。課前主要完成相關(guān)教學(xué)平臺(tái)中的教學(xué)視頻、教學(xué)課件的學(xué)習(xí)和簡(jiǎn)單、有針對(duì)性的小練習(xí)，以此達(dá)成對(duì)知識(shí)的初步學(xué)習(xí)，針對(duì)不清楚的問題學(xué)會(huì)提問；而課中則是在課堂教學(xué)中完成知識(shí)的具體學(xué)習(xí)、解決問題的方法；最后在課后要完成對(duì)知識(shí)的總結(jié)反饋。這一教學(xué)方式，密切圍繞著“提問－回答－總結(jié)”這一思想，著重培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、自學(xué)能力等方有了顯著提升。

4.3.3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法[7]

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法主要是為了培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱、 團(tuán)隊(duì)協(xié)作、分析及解決問題的能力和遵守專業(yè)道德規(guī)范的意識(shí)。需要教師課前精心準(zhǔn)備任務(wù)，并與課程教授的知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生鏈接，讓學(xué)生在完成任務(wù)的同時(shí)，可以加深對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的掌握，提高他們分析、解決現(xiàn)實(shí)問題的綜合能力，如查閱文獻(xiàn)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等。

譬如在講解文件管理中目錄的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，課前布置兩個(gè)任務(wù)：一是了解Linux系統(tǒng)的文件目錄結(jié)構(gòu)是什么樣的？二是Linux系統(tǒng)中，查找一個(gè)文件的具體過程是什么樣的？為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，方便學(xué)生交流，可以讓他們進(jìn)行分組討論，相互打分，并以此計(jì)入平時(shí)成績(jī)考核。首先按學(xué)號(hào)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，每10名同學(xué)一組，推選小組長(zhǎng)進(jìn)行任務(wù)分解分配，讓學(xué)生去查閱資料，然后分組進(jìn)行討論，最后以小組為單位，集體撰寫書面報(bào)告，并在課堂上進(jìn)行分享，查漏補(bǔ)缺，從而達(dá)到掌握知識(shí)、鍛煉解決問題能力的目的。

4.3.4 基于雨課堂、學(xué)習(xí)通、博思等教學(xué)平臺(tái)的混合式教學(xué)[8]

學(xué)習(xí)通、雨課堂以及博思平臺(tái)，都是輔助教學(xué)的工具。既可以提供豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)，自主學(xué)習(xí)；也可以在課堂教學(xué)中提供形式多樣的教學(xué)互動(dòng)，如讓學(xué)生進(jìn)行課堂討論，發(fā)送隨堂練習(xí)，搶答等；同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化教學(xué)，幫助教師及時(shí)地了解學(xué)生的參與度以及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整授課節(jié)奏。

5 踐行與效果

操作系統(tǒng)原理經(jīng)過四個(gè)教學(xué)周期的探析與實(shí)踐，始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心開展教學(xué)工作，采用形式多樣的教學(xué)方式，加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)與指導(dǎo)，在教學(xué)過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并持續(xù)改進(jìn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行優(yōu)化，形成閉環(huán)，取得了一定的效果。

表3是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的達(dá)成度計(jì)算依據(jù)。

表4是大綱中課堂表現(xiàn)的評(píng)分依據(jù)。

圖1是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)生的課程達(dá)成度對(duì)比情況。

6 結(jié)束語

在新工科建設(shè)的社會(huì)背景下，基于OBE理念展開操作系統(tǒng)課程教學(xué)，主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面進(jìn)行實(shí)踐探析。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生普遍反映在知識(shí)獲取上獲益匪淺，同時(shí)在復(fù)雜工程問題的分析與解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及創(chuàng)新意識(shí)等方面也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣宗禮.新工科建設(shè)背景下的計(jì)算機(jī)類專業(yè)改革[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，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(tǒng)原理教學(xué)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，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(tǒng)課程教學(xué)改革 [J].計(jì)算機(jī)教育， 2015 （12）： 28-30，34.

[4] 周崇松，劉卉，何篤貴，等.新工科背景下《計(jì)算機(jī)在專業(yè)中的應(yīng)用》課程教學(xué)改革實(shí)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(tǒng)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2022，23（1）：121-124，129.

[6] 馬行空，付紹靜，趙文濤，等.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)在網(wǎng)絡(luò)安全程序設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（5）：68-71.

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

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

【通聯(lián)編輯：王力】