以能力培养导向的操作系统课程混合式教学探索

[摘 要] 随着互联网+技术的发展，现代课堂采用混合式教学方式已成为大势所趋。论文分析了传统教学方式下操作系统课程的不足，提出了以培养学生能力为导向的操作系统课程线上线下混合式教学方案，并给出了详细的课程混合式教学方式的建设、实施步骤与方法。实践证明，通过这种方式的教学可以充分发挥学生的学习主动性，提高学生的综合能力。

[关键词] 操作系统;混合式教学;能力培养导向;以学生为中心

[作者简介] 任冬梅（1977—），女，黑龙江讷河人，博士，西南石油大学计算机科学学院副教授，主要从事计算机图像处理研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）06-0105-04    [收稿日期] 2020-10-09

一、课程建设背景

操作系统课程作为大学计算机学科的基础与核心课程，对整个计算机课程体系的学习起着重要作用。该课程知识点繁杂、理论性强、抽象难懂，一直是学生眼中的“硬骨头”。以往本校操作系统课程的教学方式主要以知识点的课堂讲授为主，学生课下完成作业教师批阅为辅。虽然学生评教也很好，但是随着互联网+技术的飞速发展，学生可接触的课程知识与可选择的学习方式增多，对课程教学带来了巨大挑战，旧的教学方式问题越发凸显：①以经典的操作系统原理为主要教学内容，虽然涵盖处理机、存储器、I/O设备、文件等操作系统所有基本功能，但有些过于偏重理论，与实际操作系统关联少，学生无法学以致用;②教学手段单一不能吸引学生，难以激发其学习兴趣、调动其学习主动性，导致理论的内化吸收与能力的培养提升效果不佳;③课程学时压缩，如何在有限学时最大化学生的知识吸收亦是一大难点。因此，如何与时俱进、以能力培养导向的开展操作系统课程的教学改革已迫在眉睫。

混合式教学是近年来新兴的一种教学方式，其将传统教学方式与互联网学习的优势相结合，要求老师在课程设计和知识传递中，将课堂教学与多种信息技术进行有机融合，实现线下（面授教学）与线上（网络教学）的混合式教学[1]。该方式能充分发挥学生利用资源进行自主学习、巩固学习、拓展学习的能动性，提升学生的综合能力，因此，逐渐被各大中院校所采用。

二、以能力培养导向的课程混合式教学设计

课程组以计算机类2018级大纲修订为契机，以学生能力培养为课程目标，以线上线下混合式教学为手段，对操作系统课程的学习内容、组织形式、教学方式、考核方式等多方面进行了重新的设计与建设[2，3]，并在后续的教学过程进行了有效的探索与实践。

（一）教学内容的调整

为了提升学生的学习兴趣、培养学生的综合能力，课程组首先对教学知识点进行了调整和补充，如删除旧知识补充新技术，增加实际系统的原理体现与应用，强调多模块间关联建立操作系统整体概念，增加操作系统技术的实现方法、效率与适用性的讨论等。

1.刪除旧知识补充新技术。随着计算机新技术的不断发展，操作系统的设计也在不断推陈出新，因此，课程的教学内容也应随之调整。如增加分布式操作系统的结构设计、实时系统与多处理系统的调度、同步的会和机制与futex方案、虚拟机等新知识点，并略过多道批处理系统下的作业管理、内存空间管理的单一连续/固定分区分配等过时知识点。

2.增加实际系统的原理体现与应用。为了避免原理学习的枯燥无趣，让课程更具实用性，在内容上同步增加了该原理在实际操作系统的源码体现与应用举例。如以Linux源码为例学习进程控制块的内容与组织形式，进程控制上加入Linux和Windows的实现方法并举例，增加Linux下套接字与管道通信的实现方法，引入Windows内核线程和Java线程库，源码学习Linux的进程调度算法，增加Windows的FAT和NTFS系统和Linux的混合索引方法介绍等。

3.构建操作系统的整体概念。操作系统的各章理论表面上相对零散孤立，但本质上密切相关，因此，课程组在教学内容上要求教师引导学生以问题导向，将各部分原理有机结合，从而建立起操作系统的整体概念。如在一个具体系统创建进程的工作，要结合具体系统特点完成PCB的申请（是否有空白PCB的链表？）、内存空间的申请（选用何种分配方式？连续还是分页？全部装入还是部分装入？进程与内存的数据结构有何变化？）、资源的分配（静态还是动态分配？静态如何实现？动态分配如何避免死锁）、进程的状态变化（变就绪还是新建？系统维护的队列有？）、进程的切换等。以此培养学生的发散思维，并让学生关注系统整体与局部实现细节并重。

4.侧重算法的实现与性能分析。操作系统中涉及了大量的算法设计，如进程调度算法、空间的放置算法、页面置换算法、磁盘调度算法等。在教学上除了对算法思想与特点进行教学外，更应与学生讨论各算法的实现方法和效率，讨论各算法在不同系统的适应性。如FCFS调度算法虽然有很多不足，但因为简单却可用于多处理机系统的调度;置换算法在用于高速缓存和网站页面缓存置换时的调整等，从而让学生做到学以致用。

（二）线上线下混合式教学方式设计

为了培养学生的自主学习能力，充分发挥学生作为学习主体的主动性、积极性与创造性，课程组设计采用线上线下混合式教学方式。在设计时需要考虑线上和线下方式的学时与内容分配，线上与线下学习的衔接，以及混合式教学的质量保证方法等。

1.线上和线下的学时与内容分配。课程组考虑课程的特点，内容多且具有一定难度，故线上学时分配不宜占比过多，1/4—1/3学时较为合适。线上教学内容可以选取三类内容进行：一是基础知识点，这类知识点理解起来比较容易，适合自学，如操作系统的发展过程、计算机硬件基础、处理机调度概述、基本作业调度算法、存储器层次、文件系统;二是相似知识点，这类知识点因与已学某知识点相似，可以对比进行自学，具体如：死锁的检测与解除、请求分段技术等;三是适于进行拓展学习的知识点，此类知识点不局限于教材和大纲的内容，学生可以广泛查阅资料，进行补充与拓展性学习，如操作系统的结构设计、经典进程同步问题、特殊系统调度设计等。

2.线上与线下学习的衔接。对于与后续教学内容紧密相关的知识点，它们的线上学习截止时间有严格要求，同时在后续知识点学习前必须在线下课堂结合练习题进行知识重点的回顾强调与拓展补充，从而保证教学效果。

3.混合式教学的质量保证方法。为了保证学生的线上自主学习效果，课程组从多角度着手设计，具体包括线上课件/视频资料学习任务点的添加、配套练习题的设计、分小组的线上学习知识点PPT汇报、抽问、线下课堂结合练习题正确率与汇报情况进行重难点讲解与拓展补充。

此外，为了学生能进行拓展学习，课程组提供了较多的拓展学习资料;作业形式也做了改进，在传统的问答题和计算题基础上，增加了调研题、文献学习总结、讨论题、上机验证题、算法性能分析题等非标准答案试题;最后，课程组还配套了大量以知识点为单位的自测题，以供学生了解和检测自主学习情况。通过这些方法锻炼了学生的资料查阅、文献学习与总结能力，小组协作与表达能力，培养了学生学习的科学精神，同时增强了学生用理论解决具体复杂工程问题的综合能力。

（三）考核方式改革

以往的课程考核主要依据作业、实验、期末考试三项成绩决定，期末考试占比大。现根据课程调整后的教学内容和新的混合式教学方式要求，将综合考虑学生的小组汇报情况、任务点完成情况、考勤、分类作业成绩、分章测试成绩、实验考核、期末成绩等多方面，建立形成性评价与总结性评价相结合的较完善的多元课程考核评价体系[4，5]。其中，小组汇报情况的评分将从知识点的理解能力、知识拓展的创新能力、PPT制作的动手能力、汇报过程的表达能力、团队分工合作能力等多角度综合评判。具体考核评价体系调整前后对比如下表所示。

三、课程的线上线下混合式教学实践

（一）课程线上资源建设

在以学生为主体的线上线下混合式教学方式下，课程的線上资源建设对于调动学生学习的主动性，进而提高学生学习效果和课程教学质量，是至关重要的。

课程组2018年开始在超星平台的课程中心进行课程的线上资源建设。为方便学生利用零散时间学习，首先对课程的核心知识点进行分解，建立60余个分知识点，针对每个分知识点构建配套的资源，包括风格统一美观的课件、短小精炼的讲解视频（≤15分钟）、练习题（客观题）、拓展学习资料;此外，为了让学生能及时复习巩固和检测学习效果，课程组还设计了分章的测试题（含主观大题）和题量较大的自测题库。

（二）线上线下混合式教学实施

该模式自2019年在本院2017-2019级的计算机科学与技术、软件工程（卓越班）、物联网工程等多个专业开始实施。为保证教学过程的高质量完成，课程组认真分析了可能存在的问题，并有针对性地开展了多项工作。

1.“线上学习导学文档”撰写。为了避免学生在线上学习时的茫然无措，课程组首先在开课前撰写和发布了“线上学习导学文档”，在此文档列出课程需要线上自学的内容与学时安排，并针对每个线上学习知识点，详细地指明它所属的知识脉络、学习的资料、自学的思路、应掌握的程度、需要完成的任务点、拓展学习内容、完成截止时间点等。“知识脉络”以思维导图形式让学生了解该知识点在操作系统中所处的地位与作用，“自学的思路”教会学生自学的方法和看待问题的视角，“拓展学习内容”的引导，实现对学生的分层教学。

2.线上学习过程质量控制。为了保证每个学生线上学习的质量，采取了以下措施：①在每个线上学习任务前线下课堂进行提醒与学习引导;② 通过课程中心统计数据，了解学生学习情况，督促未完成学生及时完成任务点;③分析学生在练习题中的易错点和存在的问题，结合QQ群答疑情况，在线下课堂后续知识点前进行补充讲解与重点强调;④划分学习小组，以小组为单位进行学习和汇报，实现除师生交流外的生生交流学习，进一步提高学生学习的主动性;⑤评讲小组汇报情况，一方面，由教师和各小组共同为汇报小组评讲打分，竞争产生动力，引导小组做到更好，另一方面，教师针对知识点进行问题拓展、分析与讲解，与学生讨论，打开学生思路。

3.课后延伸形式改进。传统的课后延伸多以书面作业教师手工批改为主，在信息化时代存在很多弊端，故课程组对课后延伸形式进行了改进，具体包括：①在超星平台课程中心发布作业，学生可在线回答或书面完成拍照上传，教师方便地进行批改、打回重做、成绩统计，并实现永久存储;② 丰富课后延伸内容，提升学生综合学习能力。在原有问答题和计算题的基础上，增加文献调研题，如“国产操作系统之我见”“分布式操作系统结构设计”，增加参考资料学习总结题，如“操作系统硬件基础”，增加讨论题，如“多线程技术的应用”“读者写者问题之写者优先”，增加编程验证题，如“利用Windows/Linux的系统调用编程实现一个进程的创建撤销等进程基本控制”;③实施重要知识点和模块单元测试，以强调过程学习的重要性，避免学生只期末考试突击复习，无法深入理解课程内容;④利用数字化工具将课后延伸转化至课内吸收，如通过“雨课堂”将题目作为课堂练习进行推送答题，以实时检验学生学习效果。

（三）混合式教学效果

通过课程组的大量前期准备工作和授课期间全程多方式的质量把控，较好地实现了课程的线上线下混合式教学推进，提升了学生的综合能力。

以某教学班（63人）为例，在混合式教学过程中线上资源总访问次数16915次，平均观看时长306.5分钟，作业的平均提交度92.8%，作业平均成绩94.19，学生参与主题讨论积极。小组汇报的质量不断提高，拓展内容增多。通过对比实施混合式教学前后3个教学班的成绩发现，教改班学生的平时成绩、期末成绩及总成绩相比非教改班都有明显提升。学生问卷调查显示，仅有7.5%的学生不支持混合式教学。另有少量学生反映，因为学生课程较多，在一周的两次线下课间完成线上学习内容时间紧张，需后期进行调整。

四、結语

针对学校操作系统课程教学现状，本文提出了以能力培养为导向的线上线下混合式教学思路，重新设计和分割了课程线上与线下教学内容，调整和健全了课程考核体系，建设并不断完善了课程平台资源库。在混合式教学实践过程中，采用了教学全过程监控、调整课后延伸形式等多种方式保证教学质量。实践效果表明，以能力培养为导向的混合式教学方案，能明显锻炼学生自主学习能力，培养学生综合能力素养，促进课程学习效果的全面提升，为专业人才培养提供了有力保证。

参考文献

[1]聂爱国.高等院校教学改革中的混合式教学模式探究[J].教育教学论坛，2016（38）：101-102.

[2]王英，王鑫，左万利.操作系统课程改革的启发和思考[J].计算机教育，2017（2）：34-37.

[3]翟高寿.面向系统能力培养的操作系统优质课程建设[J].计算机教育，2018（5）：108-111.

[4]李华昱，张琼声，郑秋梅，等.操作系统课程知识体系建设及教学探索[J].高等理科教育，2018（3）：109-114.

[5]邱剑锋，朱二周，周勇，等.OBE教育模式下的操作系统课程教学改革[J].计算机教育，2015（12）：28-30，34.

Abstract： With the development of "Internet+" technology， the blended teaching model has become the trend of the times. This paper analyzes the shortcomings of the traditional teaching method of Operating System course， puts forward the online and offline blended teaching scheme of this course， which is oriented to cultivate students' ability， and gives the detailed construction and implementation steps and methods of the blended teaching model. Practice has proved that this teaching model can give full play to students' learning initiative and improve students' comprehensive ability.

Key words： Operating System; blended teaching; ability training orientation; student-centered