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新工科背景下的操作系统课程教学改革与实践

2025-01-23 123 上传者：管理员

摘要：为解决《操作系统》课程教学过程中存在的理论与实际脱节现象，本文提出了课程教学改革的方案。改革的目标立足于教学资源信息化、课程内容重构化、教学模式多样化、实验项目驱动化、教学考核过程化。实践效果表明，该方案的实施，有助于增强学生的计算思维、工程思维、创新思维能力。

关键词：
产业变革
传统工科
操作系统课程
教学改革
新工科
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1、引言

新工科是指在科技革命和产业变革背景下,为了应对新兴产业的需求,对传统工科进行改革和创新而形成的一种新的工程教育模式[1]｡新工科的建设具有引领性､交融性､创新性､跨界性和发展性五个维度的特征[2]｡建设新工科需要重点突破协同育人､人才培养与国家需求适应性､教育回归工程等三个方面[3]｡不同类型高校需要结合自身特点规划新工科建设的总体思路和路径选择[4]｡

《操作系统》课程是计算机类专业必修的一门专业核心课,其特点是概念多且抽象､应用广且具体､操作难且适用｡如何提高学生对《操作系统》相关理论知识的掌握程度和实践运用能力,要求任课教师进行的教学改革之路任重道远｡

本文以湖南工学院计算机科学与工程学院学生为研究蓝本,从“新工科”课程建设需要的视角出发,基于成果导向的教学原则,从教学资源信息化､课程内容重构化､教学模式多样化､实验项目驱动化､教学考核过程化等五个方面进行改革,着力提升学生的计算思维､工程思维､创新思维｡

2、教学改革需解决的问题

对于《操作系统》课程,教学改革的目标是要解决以下的问题:

(1)理论教学偏重,教学手段单一｡由于《操作系统》课程涵盖了操作系统的基本概念､基本原理､功能算法､设计方法､数据结构和实现技术等内容,传统的黑板板书和语言描述传授知识的教学方式,往往会导致学生被动接收枯燥无味的专业知识,最终导致部分学生失去学习本课程的兴趣[5]｡针对该问题,众多学者对传统讲授法提出了许多改进的方法,先后提出多元化教学方法､分层次教学法[､提问+反问式教学法､启发式教学方法等[6-9], 以凸显学生在学习过程中的主体地位｡但是,这些研究方法受到学生个体的差异性､教学资源建设力度､授课空间和时间限制等因素影响,导致理论教学的效果与教学改革的期望值存在一定的差距｡

(2)实践教学偏弱,创新动力不足｡目前《操作系统》课程中,实验的内容主要是验证性实验｡这些实验的流程化操作不能很好地激发学生的学习爱好和探索精神[10]｡针对这一状况,学者们先后提出了项目驱动､分层设计实验､同伴互教等方法改进实践环节[11-14]｡这些教学改革不但可以引导学生提高学习兴趣,而且提高了学生创新意识与创业能力,但对于复杂工程的创新实践课场需要教师投入更多时间和精力｡

(3)考核形式单一,难以持续改进｡传统的考核方式主要是以卷面成绩的高低来评定学习的好坏,考察更多的是学生识记的能力,而不是学生应用的能力｡识记的东西往往是碎片化的､阶段性的,容易忘记且无法对课程体系形成系统的概念｡这种考核方式使得部分学生学习的目标仅仅是为了应付考试,学生的计算能力无法得到提高,更难于将操作系统理论运用于工程实践[15]｡同时,传统的以分数高低评定学习情况的方式,难以实现工程教育专业认证过程中,专业课程对毕业要求指标点的支撑,达成度的评价无法彰显,达成度评价结果难以对课程教学进行持续改进｡

3、改革方案

新工科背景下的《操作系统》课程的教学改革, 有以下五个方面:教学资源信息化､课程内容重构化､教学模式多样化､实验项目驱动化和教学考核过程化(“五化一体”模式),如图1所示｡

3.1 教学资源信息化

教学资源信息化包括教材､线上教学资源及自制教学资源等｡其中教材又包括主从教材和从教材｡主教材主要是授课使用的教材《计算机操作系统》｡从教材是辅助教材,如《操作系统概念》､《现代操作系统》､《OSTEP》等｡自制教学资源有微视频､Flash课件和算法演示平台等资源｡同时鼓励学生充分利用线上教学资源,包括:Git Hub､大学慕课､公开课､知乎､微博等｡通过教学资源信息化激发了学生学习动力和激情,拓宽了学生视野,丰富的信息化教学资源可以满足学生个体对知识的需求度｡教学资源信息化的包络如图2所示｡

图1 “五化一体”模式的教改思路

图2 教学资源信息化包络图

3.2 课程内容重构化

为了实现教学内容与实际需求的融合度,对《操作系统》课程知识点采用“纵横交叉”的方式进行梳理,形成模块化课程体系｡在纵向上,围绕进程管理､处理机管理､存储器管理､设备管理､文件管理､操作系统接口及系统安全性等七大知识点,根据课程内容的难易程度和历届学生实训操作要求,适当调整各章节的教学方式和学时｡例如, 进程管理､存储器管理和文件管理等增加实验课, 磁盘空间管理章节由理论课改为实验课｡在横向上,依据市场需求,提升教学内容的深度和扩展知识面｡例如,在讲解相关章节中的算法实例时,引入一些系统的内核源代码(如 Windows 操作系统中P､V操作函数),或者直接采用仿真演示,使得学生更加直面了解算法技术的实现｡同时,补充前沿科学技术发展知识的讲解｡例如,在讲解操作系统的发展跟分类时,可以引入网络操作系统并讲解､讨论国产操作系统的现状和发展,在讲解处理机调度与死锁时,可以引入多核操作系统的调度算法等｡

重构后的课程知识体系结构如图3所示｡

图3 重构后的课程知识体系

3.3 教学模式多样化

关于教学模式的改革,近年的研究比较多,尤其是翻转课堂教学模式成为教育实践热点｡翻转课堂力图使学生真正成为学习的“主人”,通过线上线下的学习和讨论,充分发挥学生的自学能力和钻研精神｡但是,实际操作中出现部分学生参与度不高,讨论往往流于形式｡根据课程目标达成度的要求,将现有传统的“三步式”翻转课堂教学模式创新为“四步式”,即课后观看视频､课堂分组讨论､教师总结提升和核心内容讲授｡按照教师布置的任务,学生自主完成课下观看视频､课堂分组讨论｡这样不但可以启发学生的思维,还能培养其创新精神,提高团队合作能力｡此外,教师总结提高和核心内容讲授也是必不可少的｡教师总结提高是对学生自学和讨论的总结和归纳,并针对分组讨论的结果更深层地讲解,进一步启发学生思维并提高学生对操作系统课程的学习兴趣｡核心内容一般以教师板书和讲解为主,通过教师的讲授可以使得学生自主学习的零碎､抽象的知识结构化､具体化｡在讲授的过程中,教师结合教与学的逻辑关系可以采用不同的教学方式｡例如采用“启发式”教学讲解算法设计与分析､采用“案例式”教学讲解存储器管理､I/O管理及文件管理等｡

3.4 实验项目驱动化

《操作系统》课程按照循序渐进的教学规律设置操作型､验证型､应用型､设计型四个层次的实验(具体见图 3)｡每一个实验均有明确任务,通过具体项目进行驱动,以提高学生实践的操作能力｡实验环节要求学生课前按照引例的实现步骤进行项目的设计以及编码,在实验课上进行调试,通过“做中学”来增长知识｡同时教师要对学生实验过程进行全程跟踪,学生于实验结束后提交实验报告,并将源程序以及程序调试过程中的截图打包后上传到课程网站｡教师可对学生上传的文档进行分析,结合实验报告以及上机情况综合评定成绩｡

3.5 教学考核过程化

教学考核过程化分为定量考核和定性考核｡其中定量考核依据课程目标达成度进行评价,占总成绩的90%｡定性考核采用问卷调查和自我评价,占总成绩的10%｡定量评价又分为平时成绩和期末考试成绩,分别占比40%､60%｡平时成绩构成方式为课堂活跃度占10%,作业部分占30%,实验部分占30%,小组讨论占30%｡小组讨论､实验及期末考试的考核目的集中放在操作系统的基础知识､基本原理和方法掌握的基础上,重点关注学生对操作系统的结构设计､性能评估､关键算法分析,以及结合其他相关编程类课程的学习｡定性考核在课程的最后一节课以问卷的调查形式完成｡问卷调查的栏目设置有四个方面,分别是课程目标达成(按照知识点分)､学习体验､意见建议和总体自我评价｡通过定性考核,既可以使学生反思学习的态度和效果,也能帮助教师了解学生的需求点及改进的方向,真正实现持续改进(PDCA)的机制｡

4、改革效果分析

对湖南工学院的网络工程､软件工程两个专业进行改革试点,将实践的结果与非试点的计算机科学与技术专业进行对比｡2019级(改革前)和2022 级(改革后)三个专业的《操作系统》课程考试成绩结果进行了统计分析,结果如表1和表2所示｡

表1 改革前《操作系统》课程成绩统计分析

从表1可以看出:在教学改革前,对比班级的平均成绩相近,分别为 66.63 分和67.07 分;从标准差方面来看,对比班级的分数的离散程度较为接近,分数的分布层次基本一致;从P值上可以看到, 对比班级在教学改革前的成绩没有差异(P>0.05)｡

表2 改革后《操作系统》课程成绩统计分析

由表2可以看出:与改革前相比,对比班级的平均成绩都有所提高,其中试点班级的平均分提高了13.54 分,非试点班的平均分仅提高1.48分,改革后试点班级比非试点班级的平均成绩高出 11.62 分｡这个差异经统计学检验,有P =0.019(<0.05), 说明教学改革后对比班级的成绩具有显著差异性｡

实施改革两年来,这两个专业的学生依托本门课程参加的学科竞赛取得了丰硕成绩,共获得国家级一等奖 16项､二等奖 44项､其他级别奖项 33 项｡

5、结语

本文通过对《操作系统》五化一体的系统改革, 达到教学资源满足不同群体的个性化需求,实现学生对知识的需求度;课程内容体现交叉融合和模块结构,加深教学内容与实际需求的融合度;教学模式符合人才核心素养的要求,提高毕业生质量的达成度;课程实施强化工程项目的实践环节,加强学生实践的操作度;课程评价注重形成性和学生的作用,提升教学质量的效果度等“五度”的目标｡

在实施教学改革过程中,可能会出现个别学生学习不认真､合作过程不融洽的现象｡如何调动每一位学生的积极性和发挥每一位学生的优势,是今后持续改革需要改善的地方｡同时目前市场上还没有按照工作过程来编写的对应教材｡为满足“新工科”课程建设要求,如何将现有通用教材与教学改革的课程模块合理兼容是今后持续改进力方向｡

参考文献:

[1]教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知,

[2]钟登华.新工科建设的内涵与行动.高等工程教育研究,2017(03):1-6

[3]李家俊.以新工科教育引领高等教育“质量革命”.高等工程教育研究, 2020(02):6-11,17

[4]林健.面向未来的中国新工科建设.清华大学教育研究, 2017,38(02):26-35

[5]李津蓉,蔡伟建.面向应用型人才培养的“计算机网络”教学研究.中国电力教育,2010(21):72-73

[6]李凌云,田生文.操作系统课程多元化教学方法探讨.中国现代化教育装备,2019(1):47-48,54

[7]张辉,李军,张兴福,等.分层次教学在操作系统课程中的应用.科技创新导报,2020,17(9):196-197

[8]柳春华,何勇,郭华平,等.“提问+反问”式教学方法在“操作系统” 课堂中的应用探讨.信阳农林学院学报,2019,29(4):128-130,133

[9]赵静云,刘翔,石蕴玉,等.操作系统课程启发式教学方法探索.教育教学论坛,2020(10):240-241

[10]刘丹丹.应用型大学的操作系统课程教学改革研究.福建电脑,2021,37(2):79-80

[11]张瑞.“沉浸式”项目驱动教学法在创新创业基础课程中的探索与实践.山西青年,2022(04):127-130