在新工科背景下计算机操作系统原理的教学改革探讨与实践

陆亿红 于明远

摘  要： 操作系统原理是计算机学科领域非常重要的一门专业基础课，新工科背景下，课程内容需要与时俱进、教学方式需要提高“感性和趣味性”。在引导学生理解和掌握操作系统的基本概念和基本方法的基础上，设置“差异化”教学内容与实践环节，采用混合学习和掌握学习相结合的教学形式。将课程实践与课程设计结合，注重知识的拓展，从而强化应用基础性知识点，挖掘学生潜力。

关键词： 操作系统原理; 新工科; 掌握学习; 混合学习; 教学改革探讨

中图分类号：G521          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）04-117-03

Abstract： "Principles of Operating System" is a very important basic course in the computer science specialty. For New Engineering Education， the courses content should keep pace with the times， and the teaching method needs to be improved on the "sensibility and interest". On the basis of guiding students to understand and master the basic concepts and methods of the operating system， the "targeted" teaching content and practice links are offered， as well as the teaching mode combined with blended learning and mastery learning is adopted. By combing course practice with course design and focusing on knowledge expansion， the application of basic knowledge can be enhanced， and students' potential can be exploited.

Key words： principles of operating system; New Engineering Education; mastery learning; blended learning; discussion on teaching reform

0 引言

“操作系统原理”课程的主要目的和任务是使学生能较深人地理解和掌握操作系统的基本概念、基本方法、主要功能及其实现技术，对典型操作系统的性能和组成有一定的了解。新工科是高等工程教育为了主动应对新一轮科技革命与产业变革、 国内工程教育发展形势和服务国家战略而做出的符合中国特色的高等工程教育改革方案，新工科主要包括三个方面：①传统工科的改造升级;②面向新经济产生的新的工科专业;③工科与其他学科交叉融合产生的新专业[1]。“新”的内涵之一是新型，即对传统及现有学科进行转型、改造和升级形成的新学科[2]。“新工科”的提出为高等工程教育的改革探索提供了一个全新视角和“中国方案”[3]。

计算机学科作为典型的工程学科， 随着信息化和通信技术的快速发展，面向新经济产生的人工智能和大数据等新的工科专业，特别是计算机学科与传统机械、土木等其他学科交叉融合，赋予了交通、水利等传统基建新内涵，形成了新基建内容。同时，计算机学科在新工科背景下，需要调整和主动适应，尤其是操作系统和数据库等最“经典”、“最传统”的专业课程，因此，如何充实教学内容、改变教学方式，从而提高教学质量，面临新的挑战。

本文结合教学实践，在新工科背景下，探讨操作系统原理课程内容与时俱进、教学方式“感性和趣味性”，在托底前提下实施“差异化”引导，从而强化应用基础性知识点和挖掘学生潜力。在新工科理念下，以学生为中心，以提升学生能力为目标，进行教学改革实践，取得了一定的成效。

1 “操作系统原理”课程的特点及教学内容拓展

“操作系统原理”是计算机学科领域非常重要的一门专业基础课，具有“不变”与“变”、“经典”与“现代”的特点。“不变”是指：操作系统是负责管理计算机系统资源的最基本的系统软件，计算机用户是通过调用操作系统的功能来使用计算机的，操作系统功能实现的原理是基本“不变”的，这也是“经典”所在。“变”是指：操作系统在计算机系统中处于裸机与应用层之间，对下直接与硬件接口，对上提供方便的用户接口，涉及面广、错综复杂;而计算机硬件和接口等技术设备发展变化很快，现代技术层出不穷。

由于“操作系统原理”课程主要讲授操作系统功能实现的原理，很多同学会觉得概念抽象、不易理解;上课内容很多是文字讲述，不像程序或算法类课程可以让学生即学即用以达到立竿见影的效果。另外，操作系统代码很多都会涉及到硬件，代码量大不方便课内举例，代码例子要花费很多时间讲解，并且需要学生花大量课外时间才能吸收消化。很多学生在学习过程中感觉不到这门课程对自己编程或系统实现中的作用，部分学生会失去对“操作系统原理”课程的学习兴趣。

国内的操作系统，基本由微软的视窗操作系统、苹果的ios操作系统及谷歌的安卓操作系统所掌控，三方居于市场垄断地位。在中美贸易摩擦进一步加剧的环境下，操作系统的核心关键作用进一步凸显，甚至成为竞争博弈的武器和筹码，美国对华为断供就是明证。我国操作系统企业规模较小，低效竞争的现象普遍存在，难以形成合力。国内创新投入依然不足，在開源生态中参与度与贡献度较低，技术话语权不高。因此，产业创新生态系统亟待进一步优化，国产操作系统的研发与使用迫在眉睫[4]。

目前国产操作系统均是基于 Linux内核进行的二次开发。Linux是一款由C语言编写的免费开源系统内核。凭借其免费开源、安全稳定、高模块化程度、广泛的硬件支持、支持多用户多任务等特点，Linux获得众多开发者的推崇。但Linux也具备操作系统的共性，即具有进程管理、内存管理、设备管理和文件管理功能，这些在操作系统原理中都有叙述。

新工科背景下，学科交叉越来越紧密、技术与设备日新月异，“操作系统原理”课程的教学内容需要调整和主动适应。比如：基于我国自己的IT底层架构和标准，形成自有开放生态所需的基础知识;PC端、服务器、嵌入式和PDA 手持终端操作系统的原理与应用拓展等。

2 强化应用基础性知识点和激发学生潜力

2.1 教学模式设计

“操作系统原理”基于小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，简称SPOC），采用线上/线下混合教学模式，将SPOC平台作为课堂教学的延伸渠道，学生通过SPOC平台，获取教学资源，按照自身水平在线下自学新知识;课堂在讲授基础知识的同时，进行“差异化”引导，从而强化应用基础性知识点和挖掘学生潜力。

⑴ 课前准备阶段

课前根据“操作系统原理”课程教学大纲，设置单元和具体知识点教学目标，上传“学习资源包”至超星泛雅平台（SPOC平台），为学生预留出自学时间，“学习资源包”结合新工科背景下的学科交叉需求和知识拓展。并在超星泛雅平台上设置相关的基础认知型测试题，提供课前思考问题，布置课前作业。通过测试题，了解个人对知识点的掌握情况和自学效果。教师针对学生课前的学习状况，安排本章节的课堂教学内容和进度。

学生认真完成超星泛雅平台上上传的“教学资源包”、课前测试和课前作业并思考课前问题;及时参与线上讨论。教师监督保障全体同学理解和掌握操作系统的基本概念和基本方法等;对部分基础好、兴趣广泛的学生，开展更深入、更广泛的“差异化”问题探讨，不断充实“教学资源包”中启发性和挑战性的内容。通过这三个方面的工作，学生在课前对新知识有了初步了解，这会大幅度提升课堂知识吸收效率。

课前教学模式设计体现了建构主义学习观。建构主义学习观的核心观点认为，学习者在学习过程中不仅要吸收外部环境中的有关信息，还要有主动建构知识的过程，才能将新知识整合到自己原有认知结构之中[5]。课前教学模式设计突出了学生学习中的主体地位，并发挥教师教学中的引导作用，师生共同充实新工科背景下的学科交叉内容，丰富 “学习资源包”。

⑵ 课堂教学阶段

在课堂实施中，采用情境教学和探究学习相结合的混合学习教学形式，引导学生在思考中解决课前学习中遇到的疑惑。可以利用雨课堂来提高教学效率，借助雨课堂线上签到提升课堂出勤率。雨课堂具有 PPT嵌入功能，其课件的共享性非常突出，在授课中方便学生根据自身的情况翻阅课件，既可以兼顾不同水平的学生，又可以增加学生的自主学习与参与课堂的能力，根据自身情况展开学习，体现“差异化”教学。雨课堂的弹幕功能可以随时反馈学生的学习状态，方便及时调整教学策略，启发学生进行实时讨论，降低课程的枯燥程度，增加“趣味性”;考虑到弹幕功能可能影响课堂的流畅性，尽量做些前期沟通和时段开放功能设置。雨课堂还有课堂测试功能，可以设置客观题和主观题。客观题可自动统计;主观题可通过问题反馈进行答案征集并统计，针对性的进行投屏讲解。在课堂教学的最后五分钟，对整节课的知识进行总结，突出重点内容。

课前学生已通过对“教学资源包”的自主学习实现了对知识的初步消化和吸收，在平台测试中也发现了自己对知识点掌握的不足，形成了对知识的自我建构。因此，学生是带着疑问进入课堂，在教师的引导下积极参与课堂学习。在课堂中，学生可通过弹幕功能提出自己的疑问，通过PPT嵌入功能共享课件，利用反馈功能标记课件中的疑惑，通过测试知道自己知识掌握的不足。这样，就引导学生集中精力跟随教师的总结，梳理本节课的知识，借此完善自己对新知识的建构，部分学生还能找到自己的兴趣点和拓展方向。

课堂教学模式设计注重激发学生学习兴趣和注重增加教学反馈环节，体现了混合学习理论[6]和掌握学习理论[7]的综合应用，有效地克服操作系统原理课程概念抽象、不易理解和乏味等难题。

⑶ 课后拓展和复习阶段

课后依托超星泛雅平台和QQ群与学生深入答疑，为学生布置个人或小组作业，每章布置专题测试题。对学生上传的作业给予评价，通过分析作业结果对学生个性化指导，特别要关注那些基础好、兴趣广泛的学生，开展更深入、更广泛的“差异化”问题交流与探讨，“差异化”引导和教学内容比传统的“因材施教”更广泛、更深入。在教学结束后，及时做教学反思，将问题汇总分类，适时扩充更新学习资源包。在课后学习巩固阶段需要在超星泛雅平台按照教师要求以个人或小组形式上传作业，完成每章专题测试题以巩固知识，在积极探索中提高自主学习能力和解决实际问题的能力，完成自身对新知识的建构。

操作系统课程教学的一个难点问题是如何将理论与实践紧密联系起来，使学生将抽象的原理知识与具体的实现技术融会贯通。为了解决这个难题，除了设置课程实验，还在操作系统设计课程中引入国内外名校广泛使用的pintos操作系统，学有余力或感兴趣的学生可以在上“操作系统原理”课程时即可着手进行Pintos实验。Pintos实验主要分成四部分：Thread、User Programs、Virtual Memory和File System。通过bochs加载pintos操作系统，该操作系统会根据pintos的实现打印运行结果，通过比较标准输出文档和实际输出，来判断pintos实现是否符合要求。通过课程设计使学生对pintos这个操作系统的各种机制和实现有更深刻的理解，从而更好地理解和掌握操作系统原理，为能开发或改进操作系统打下扎实的理论基础。

2.2 学习与教学评价

传统教学过程，课堂上的相关学习与教学活动很难及时量化统计，从而导致传统的学习与教学评价比较单一。借助超星泛雅平台和雨课堂，可以将线上评价与课堂评价有机结合，通过将线上的参与度、线上测试成绩、作业完成情况、线上互动统计等数据与线下的参与度、互动情况等数据进行统一采集，针对每一个学生产生针对性的学习报表，最终实现操作系统课程的多元化评价。

3 结束语

“操作系统原理”是计算机学科领域非常重要的一门专业基础课，具有“不变”与“变”，“经典”与“现代”的特点。新工科背景下，结合“操作系统原理”课程特點和内容拓展要求，教学方式上，开展“感性和趣味性”探讨，在引导学生理解和掌握操作系统的基本概念和基本方法等基础上，设置“差异化”教学内容与实践环节，引导部分优秀学生更深入、更全面地掌握操作系统的原理与应用拓展，强化应用基础性知识点并提高课程“趣味性”，有助挖掘学生潜力。下一步为适应日新月异的硬软件技术发展，教学实践还需及时更新和拓展内容，激发学生兴趣。

参考文献（References）：

[1] 孙英浩，谢慧.新工科理念基本内涵及其特征[J]. 黑龙江教育（理论与实践），2019.7～8：11-15

[2] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017.38（2）：26-35

[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017.3：1-6

[4] 马良.推动国产操作系统创新发展亟需紧抓工业互联网发展机遇[J].今日科苑，2020.2：15-17，38

[5] 何克抗.建构主义信息技术革新高校教学的理论基础[R].1997年香港“教学技能与教学技术学术会议”特邀报告.

[6] 何克抗.从Blending Learning看教育技术理论的新发展[J].国家教育行政学院学报，2005.9：37-48，79

[7] 闻雪原.基于SPOC+翻转课堂的全英文专业课教学研究——以“操作系统原理”课程为例[D].天津大学，2018.