新工科背景下《操作系统》课程教学改革探索

马立肖，许冀伟

（河北地质大学信息工程学院，石家庄050031）

0 引言

互联网及人工智能等新技术的发展推动了新一轮科技革命与产业变革，教育部积极推进“新工科”，建设工程教育强国、培养创新创业卓越工程技术人才，成为了我国高等教育机构新的使命和价值追求[1-2]。新工科建设的推进，对包括计算机学科在内的工程学科的发展提出了新的挑战。《操作系统》课程是计算机科学教育的基本组成部分，在计算机专业课程体系中扮演着重要的角色，是学生建立计算机系统观及认识其内部运行机制的重要途径[3]。如何在新工科工程教育理念的指导下，深刻理解《操作系统》课程内涵、原理和结构，更新《操作系统》课程的课程体系及教学模式，培养学生的计算思维，提升其解决复杂问题的系统能力，是《操作系统》课程教学中需要思考和解决的问题。

1 《操作系统》课程面临的挑战

《操作系统》课程最主要的特点在于，知识内容体系庞大复杂，具有较强的抽象性和理论性，学生理解起来较为困难，教师教授难度也比较大[5-6]。该课程教学现状难以满足操作系统领域相关人才培养的社会需求，特别是“新工科”提出后，《操作系统》课程的教学更是面临着诸多挑战。

1.1 重知识轻思维难以培养创新能力

《操作系统》课程知识庞杂，教师多按章节模块讲解知识点，对于知识背后的思想方法挖掘不够，作业的设置也多以知识点为核心，缺少发散性思维的训练，学生往往“知其然，不知其所以然”，无法真正认识和理解经典算法和成熟设计思想，无法将抽象思维、哲学思想转换为学生的内在素质，难以有效提升学生综合设计能力以及适应技术发展的创新能力。

1.2 重理论轻实践难以训练系统能力

《操作系统》课程理论性和实践性都很强，但实际教学中，多数高校偏重理论教学，而轻视实践教学，在实验设置上无法达到真正理解并应用操作系统原理技术的目标。大多数高校仍然侧重于操作系统算法层面的训练，学生实践能力不足，动手意识薄弱；实验单元设置各自独立，不能很好地建立计算机系统的完整概念，缺乏系统观，综合分析、设计和应用能力较弱，不足以培养学生系统设计能力，解决复杂问题的能力。

1.3 知识死板无法激起学生学习兴趣

操作系统是计算机的大管家，从按下开机按钮那一刻各管理模块有条不紊开始工作，所以操作系统是一个富有生命力的动态的系统。而传统教学中，普遍将操作系统的各个管理功能割裂，鲜有将进程管理、内存管理、设备管理融入到一个动态的系统中，使得本来逻辑严谨的系统软件失去了生命力，无法唤起学生学习的真正兴趣，更难以帮助学生建立起计算机系统的整机概念。

综上，《操作系统》课程在教学内容、教学理念上都有待进一步创新改革，以便更进一步切合新工科建设目标，加强学生计算机系统能力的培养。

2 《操作系统》课程教学改革设计

为了配合河北地质大学计算机科学与技术专业“卓越班”的教学改革，我院在《操作系统》课程实践教学上进行了深入的研究和探讨[4]。随着新工科教育理念的推进，课程组进一步完善理论和实践教学体系，加强系统能力培养，融合了理论、思维、实践的“三维一体”教学体系。

2.1 原则与思路

在教育部新工科教育理念指导下，结合课程的教学现状，课程组对《操作系统》课程教学改革提出应遵循的几个建议性原则：

（1）以建立“计算机系统”整机概念为目标构建教学内容

《操作系统》是连接计算机软硬件的系统软件，无时无刻不在管理计算机资源，是计算机的大管家。因此从“计算机系统运行”这一动态视角去构建教学内容体系和实践教学体系，从开机启动到处理机运行、内存管理、文件及设备管理，始终围绕一台正在运行的计算机系统展开线索，帮助学生形成计算机整机概念。

（2）关注“知识背后的思维”，加强系统能力和创新意识培养

操作系统管理着计算机的软件和硬件资源，是最复杂的系统软件，其中包含了许多复杂的管理学思想，哲学思维[7]。教师需要在授课中将操作系统的精彩片段以及睿智的思想呈现在学生面前，让学生体会并理解操作系统的强大并从中汲取创新的智慧，同时引导学生一起分析问题、发现其背后的思维模式，训练其解决实际问题的能力，从而增强学生的探索能力和研究精神，提升创新意识。

基于以上原则，在操作系统的理论和实践教学安排上建立层次化、完整性、系统性、循序渐进的理论和实践课程体系，课程总体设计框架图如图1 所示。

图1 操作系统课程总体设计框架图

2.2 “三维一体”操作系统教学新模式

“三维一体”教学模式旨在《操作系统》课程总体设计中，以计算机启动及运行为线索，打通并融合“理论、思维、实践”，基于理论训练思维，基于实践培养系统能力，构建操作系统理论和实践教学体系，如图2 所示。

图2 “三维一体”教学新模式

2.3 理论——打实理论基础

《操作系统》课程理论性极强，扎实的理论基础，是提升计算思维和加强系统实践能力的基石。在教学改革中，通过全面分析和理清课程内容，提炼教学重点，参照如图3 的逻辑，以计算机系统启动运行为线索，在保证学生操作系统知识整体性基础上，进行知识整合和模块化，以动态的视角，抽取各模块之间的联系，保持模块内知识的完整，又体现模块之间的关联，使学生的学习更加立体化，在头脑中建立一台正在运行的计算机系统的完整认知。

2.4 思维——训练计算思维提升创新意识

操作系统是计算机系统的基础，在计算机软硬件之间起到承上启下的作用。其中融合了大量的管理学思维和优化思想，例如同步互斥保证进程的并发或并行执行，进程调度算法中的各种优化思想，另外操作系统的设计还蕴含着折中和平衡的哲学思想，在各种算法的性能指标中寻求平衡，虚拟存储中时间换空间与空间换时间的折中等。这些思想和方法既来源于生活，又将在实际问题的求解中起指导作用。在教学改革中，教师可参照图4 所示，在教学过程中挖掘理论知识背后的思维和思想，培养学生的计算思维和哲学思维，将其内化为自身素质，并在实际的问题求解、系统设计中加以实践，可有效地培养学生对新技术、新方向具有敏锐的观察力和判断力，以期达到培养学生创新能力的目标。

图3 理论知识模块化整合

图4 课程中思维及方法的挖掘

2.5 实践——培养计算机系统能力

有效的实践教学体系是操作系统课程培养计算机系统能力的重要保障。在该教学新模式中，实践是进一步加深对理论的理解，内化思维意识的关键环节。为了提高教学质量，在实验教学中遵循“规模适中，降低难度，突出重点，强调整体”的原则，选择最能反映操作系统的实验方法与技能的核心实验内容，像“搭积木”一样循序渐进地构建一个微型操作系统。具体实验单元内容如表1 所示。

为了辅助实践教学的顺利开设，需要为学生提供基础的内核代码框架、编码规范、测试规范等。学生在此基础上以“搭积木”的形式，完成各单元的设计，最终形成一个简单的操作系统原型。在该实践教学中，要紧密贴合理论知识要点，同时留有一定的空间给有能力的学生进行自主设计和创新，使得学生有机会去验证操作系统理论及思维认识。

表1 实验教学内容体系

3 《操作系统》课程与其他密切相关课程的关系处理

参照系统科学所强调的整体与部分、部分与部分、系统本身与外部环境之间互相依存的观点，我们除了在《操作系统》课程内部，通过融合“理论、思维、实践”的三维一体教学体系，深入挖掘和培养学生“计算机系统能力”之外，在当前人工智能、机器学习、大数据、新工科等外部环境所带来的系统观点的启发下，我们还结合自身在教学、科研、服务社会等一系列工作中的经验和教训，借助抽象、分析与综合等方法，总结出《操作系统》课程与其他密切相关课程的关系和处理的一种方法：以存储程序式的冯·诺依曼机体系结构和工作原理为主线，把握以抽象代数中代数系统的对象、运算、态射为研究中心的构造性思想内涵，通过具体的计算机系统层次结构中硬件层相关课程计算机组成原理、系统软件层相关课程《操作系统》（尤其是存储管理和进程管理的内容）、应用软件层相关课程数据库应用等课程外延实例的学习和训练，鼓励和帮助学生自主建构对课程体系的整体认知。其意义在于，在课时压缩的现实下，通过消除冗余、求同存异的融合方式，培养学生应对现实世界复杂问题时的系统大局观和系统行动力。

4 结语

新工科背景对《操作系统》课程教学既是机遇更是挑战，针对当前《操作系统》教学中面临的一些问题，“三维一体”的教学新模式在教学体系中特别提炼了“理论、思维、实践”三个环节，在教学内容和形式上进行重构，使学生在《操作系统》课程的学习中，以“计算机系统”整机概念的认识为核心，具备扎实的理论基础、训练创新思维、培养实践动手能力，训练其解决复杂问题的系统设计能力。课程教学改革在一定程度上能够激发学生的学习兴趣，提升学生的技能水平。在本文的最后，我们通过总结《操作系统》课程与其他密切相关课程的关系处理方法，指出了进一步工作的思路和研究方向。