操作系统课程改革的启发和思考

王 英，王 鑫，左万利

（1.吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；2.长春工程学院 计算机技术与工程学院，吉林 长春 130012）

操作系统课程改革的启发和思考

王 英1，王 鑫2，左万利1

（1.吉林大学 计算机科学与技术学院，吉林 长春 130012；2.长春工程学院 计算机技术与工程学院，吉林 长春 130012）

分析操作系统概念抽象、知识点多、理论性强等特点，提出从课程教学改革总体方案的构想、课程内容改革与建设、教学形式改革与建设和教学手段改革与建设4个方面，将新型教学模式慕课和翻转课堂相结合，阐述以启发式教学和“鱼缸”式讨论教学手段为主导的操作系统课程改革措施，以加深学生对操作系统课程的深入理解。

操作系统；新型教学模型；慕课；翻转课堂

1 背 景

操作系统是计算机专业的重要核心课程之一，同其他课程相比，概念抽象、理论性强等特点使得学生深入理解较为困难。另外，自“斯诺登事件”曝光以来，为了确保信息安全，倪光南院士积极倡导操作系统国产化。从国家层面对国产操作系统的关注也提升到新的高度，加强操作系统领域相关人才的培养是高校计算机专业一项紧迫的任务。慕课和翻转课堂是当前较为流行的新型教学模式，通过慕课激发学生课外时间学习的积极性，通过翻转课堂加深学生对自学知识的深入理解。将慕课和翻转课堂有效地结合弥补目前操作系统教学模式存在的诸多问题，同时，以启发式教学和“鱼缸”式讨论教学手段为主导，对于操作系统课程改革和建设有着重要意义。

2 操作系统教学存在的问题

目前，操作系统在普通高校计算机专业的教学情况普遍存在的问题包括[1]：

（1）课程内容滞后：随着互联网、移动终端设备技术的迅猛发展，操作系统智能化和多元化的特点越来越凸显，其在概念和技术上都有了较快的发展。然而，目前的课程内容多为计算机操作系统的基本原理以及各大组成部分内容介绍，远不能和当前飞速发展的智能设备保持同步。

（2）教学方法陈旧：由于操作系统课程的概念抽象和理论性强的特点，大多数的教学方法很难应用到实际教学过程中。因而，传统的教学方法无法激发学生的学习兴趣，即使融入数字化多媒体技术，学生依然感觉概念难以理解。

（3）学生学习的主动性不强：在教学过程中，大多数学生反映操作系统课程概念抽象、内容难懂，很难像程序设计、数据结构等课程直接通过实践发现问题和解决问题，进而加深课程的理解。由于较难获得阶段性成果的鼓励，学生往往缺乏学习的主动性，进而产生厌烦情绪。

（4）理论与实践脱节：由于操作系统内容理论性强，理论学时占据了大部分课程总学时，同时，操作系统实践环节涉及面广，并且要求学生有较强的综合分析、设计和解决问题的能力。学生不能将理论与实践相结合，实践能力和创新能力不能有效地得到培养。

3 新型教学模式

随着互联网和多媒体技术迅速发展，慕课、微课和翻转课堂等一系列新型教学模式不断出现，这些教学模式引起国内高等学校的广泛关注，并发起一系列理念与技术相结合的教育方法的改革研究。

（1）慕课是一种大规模开放式的在线课程，是为了增强知识传播而由具有分享和协作精神的个人、组织发布的开放课程。目前，开设慕课的高校越来越多，简易的操作可以使得学生根据自身实际情况观看、学习和掌握相关知识点。慕课的优点在于学生更加容易集中注意力自主选择学习，优质的教学资源可以不受地域限制，促进学生广泛学习和终身学习。但是，慕课也存在许多不足，如缺少传统课堂中师生之间相互讨论、感染的学习氛围，由于没有师生间的互动，无法解决课堂教学过程中临时产生的问题。

（2）翻转课堂是将在传统课堂中讲授的知识让学生利用课外时间自学，教师在课堂中以启发式教学或讨论式教学等手段讲授知识，以帮助学生深入理解知识点[25]。同传统教学模式相比，翻转课堂的主要优点包括：①学生先自学然后再由教师讲授，学生学习方式由被动接受转换为主动获取知识；②学生是翻转课堂教学过程中的主角，教师则是配角，主要负责引导学生、激发学生学习的积极性。

4 课程教学改革的启发和思考

4.1 课程教学改革总体方案

传统的操作系统课程教学体系由理论知识和实验两大部分构成，并且理论知识占据了较大部分的学时。为了培养学生的综合能力和应用能力，应制定课程改革方案[68]。

课程教学改革总体方案如图1所示，主要体现在以下几个方面：

图1 操作系统课程教学总体方案

（1）课程内容改革：首先，引入最新的前沿技术，做到课程内容与时俱进，达到与国际完全接轨的目标。其次，因材施教，注重学生能力培养，采用分层次教学方式组织教学内容，使不同程度和能力水平的学生从中获得最大的收益。

（2）教学形式改革：引入慕课、微课、翻转课堂等新型的教学模式，增加课外学时考核方法，充分调动学生课外学习的主动性，利用课余时间了解和掌握操作系统的基本概念以及应用场景，进而改善课堂中较为难懂的理论知识的教学效果。

（3）教学手段改革：通过采用新型的教学手段激发学生的学习积极性，进而让学生对课程内容产生兴趣，促进学生自学能力的提高，训练学生分析和解决问题的能力。4.2 课程内容改革与建设

课程内容改革的总体目标是强调以学生为本，关注学生的全面发展。具体改革内容如下：

（1）内容更新方面：随着计算机网络及分布并行技术的不断发展，操作系统设计与实现不断更新，并与多个信息技术方向交叉。课程内容应增加反映操作系统最新发展状况的新内容，如多媒体操作系统、嵌入式操作系统、光盘文件系统、固态硬盘文件系统、存储格式化等。同时，精炼多核与并行操作系统，丰富操作系统设计。删除“作业管理”等过时内容。

（2）运行机理方面：针对操作系统运行机理这一教学难点，以中断为主线，系统周密地阐述多道程序设计的内部实现过程，重点讲清“中断和嵌套中断现场保存在系统栈中”“核心级别进程切换现场保存在PCB中”这两个关键环节，并通过“进程状态转换分解图”阐明每一步进程状态转换系统需要完成的工作，给出并发控制的实现细节，将“操作系统是怎样转的”这件事交代清楚，使学生对操作系统形成完整的概念。

（3）联系实际方面：在系统介绍UNIX实例的同时，增加Windows系统和Linux系统成功技术的介绍，包括Windows进程与线程、Linux进程与线程、Windows处理机调度、Linux处理机调度、Windows同步与通讯、Linux同步与通讯、Windows虚拟存储管理、Linux虚拟存储管理、Windows文件系统、Linux文件系统、Windows设备管理、Linux设备管理。同时，对流行操作系统如Android、IOS、黑莓等操作系统也应进行适当介绍。

（4）理论模型方面：基于自动机的操作系统理论模型一直是我校教材的鲜明特色，经过20余年的传承，该模型已经被一代代优秀学生接受，对促进操作系统理论发展起到重要作用。考虑对多数学校来说，该理论模型有些抽象，为使教材篇幅适中，新版教材计划暂时舍弃这部分内容。

（5）课程设计方面：改革操作系统实验和课程设计教学环节，强化能力和素质教育，以“理论原理—实现机制—编程实践”为主线，构建任务驱动式实验和课程设计，从而促进学生理解抽象原理、引导学生牢固掌握实现机制、切实提高学生应用编程能力。

4.3 教学形式改革与建设

随着互联网和多媒体技术迅速发展，慕课、微课和翻转课堂等新型教学形式已引起广大教育工作者的关注。针对传统的操作系统教学情况普遍存在的问题，本课程教学梯队将适当的部分课程内容采用新型的教学形式展现给学生，辅助传统课堂教学较难授课的内容。具体改革与建设的方法包括：

（1）实现操作系统慕课和微课的建设，激发学生课外时间学习的积极性。有针对性地录制特定问题的慕课或微课视频，将其作为课堂教学的教学辅助，从而使课堂教学能真正转变成“以学生为中心，以学为主”，教师角色则转变成“主导者”，发挥指导和调控作用，以互动为主开展教学活动。慕课和微课为学生利用课外时间自主学习提供了重要的学习资源，帮助学生有效地理解操作系统理论知识并突破学习难点，也可利用慕课和微课进行查缺补漏。同时，设置合理的学生课外学习评估策略，激发学生利用课余时间学习的积极性，并考虑将学生课外学习的结果作为最终考试总成绩的一部分。

（2）实现操作系统的翻转课堂建设，应用于理论教学、实验教学和课程设计环节，提高学生的综合实践能力。为了更好地激发学生的学习积极性，首先，教师必须要精心准备课前教学资源，选择适合翻转课堂教学模式的课程内容；然后，设计和组织高效的翻转课堂活动，引导学生积极思考并解决问题；最后，构建合理的评级策略，从而判断学生是否达到教学目标。将翻转课堂新型的教学形式应用于理论教学、实验教学和课程设计，有效地克服在理论教学、实验教学和课程设计过程中，学生人数多、能力差异大，实验学时少，师生之间缺乏交互，考核办法陈旧、依据性不强等缺点。

4.4 教学手段改革与建设

（1）启发式教学：使用启发诱导方法，提高学生积极思考问题、分析问题、解决问题的能力。在讲授知识之前，学生通过慕课或微课对知识有一定程度的理解。在课堂上，教师就知识点找一个切入口，适时地抛出问题，启发学生思考，使其得出自己的见解。然后，教师对学生的见解进行点拨，接着进一步提出新问题，环环相扣，最终帮助学生掌握整个知识点[910]。

（2）“鱼缸”式讨论教学：对操作系统中的某些问题，如存储管理、文件管理、中断装置等内容，可以采用以讨论为基础的教学方法，该手段可以看做是实现翻转课堂的一种有效途径。在实际的教学过程中，采用“鱼缸”模式的讨论式教学手段，以小组为单位，将具体问题切分成独立的几个部分，小组内每个成员负责一个部分。在讨论过程中，不同组的负责同一个部分内容的学生可以深入讨论相同主题内容，同一小组负责不同部分内容的学生也可以互相补充讨论内容。该讨论模式可以让每位同学都得到发言和补充的机会，改变学生习惯于传统的倾听模式，使得教学活动更加富有趣味性。讨论式教学能够有效激发学生的积极性，培养学生熟练应用专业知识的能力、在公共场合下发言的能力、团队合作以及解决冲突的能力，极大地提高学生独立思考和创新的能力。

5 结 语

通过对操作系统课程实施改革措施，将慕课和翻转课堂相结合，同时，以启发式教学和讨论式教学手段为主导，使操作系统的理论和实践相结合，提高学生的学习效率，为以后从事计算机系统的研究与应用提供必要的综合基础知识，为操作系统的国产化目标培养研发人才。

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[3] Bergmann J, Sams A. Flip your classroom: Reach every student in every class every day[M]. Arlington, VA: International Society for Technology in Education, 2012.

[4] 王莉莉, 陈德运, 唐远新. 计算机程序设计课程翻转课堂的探索与实践[J]. 计算机教育, 2015(16): 53-62.

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[8] 梁正平, 李炎然, 王志强. 计算思维导向的操作系统课程教学改革[J]. 计算机教育, 2012(19): 27-30.

[9] 刁春娟, 罗晓清. 操作系统课程的多元化教学[J].计算机教育, 2015(13): 103-105.

[10] 李华, 高文宇. 计算机操作系统启发式教学研究[J].计算机教育, 2013(3): 62-65.

（编辑：郭田珍）

1672-5913(2017)02-0034-04

G642

国家自然科学基金项目（61300148，61602057）；吉林大学2015年度本科教学改革研究项目（2015XYB074）。

王英，女，副教授，研究方向为数据挖掘、搜索引擎，wangying2010@jlu.edu.cn。