基于RAG 的师范类专业操作系统实践教学探索

摘要：针对师范类计算机专业学生在操作系统课程要求及培养目标不同的现状，提出利用STEAM教学设计部分替代传统操作系统工程类实践教学的方法。此外，由于师范生自身专长、兴趣及未来教学学段各有侧重，对教学实践学习的诉求各不相同，为更好地因材施教，提出“大模型+RAG（Retrieval-AugmentedGeneration）”辅助学生完成STEAM教学设计的实践教学研究。以操作系统中“进程通信”知识点的迁移展开为例，详细介绍“大模型+RAG”用于引导不同学段STEAM教学设计的实践实施，探索在大模型时代背景下提高信息科技师范生跨学科综合素养和创新能力的培养模式。

关键词：大模型；RAG；师范类；STEAM教学设计；操作系统；实践教学

中图分类号：G424文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）35-0169-05开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0引言

操作系统作为计算机系统最核心和基础的底层软件[1]，是所有依赖计算机系统的智能化设备中必备的庞大且复杂的系统软件[2]。因此，作为计算机知识体系中不可或缺的重要组成部分[3]，操作系统在计算机专业相关课程中扮演着承上启下的角色[4]，是一门理论与实践并重的核心课程，重点考查学生在实际应用中灵活运用理论进行实践创新、解决真实问题的能力。

对于师范类计算机专业学生来说，他们毕业后绝大多数将从事教育事业，需要能够浅显易懂地讲授或解释操作系统的基本原理[3]。同时，鉴于操作系统在信息系统中的重要作用，操作系统国产化和操作系统安全已上升到国家战略地位。因此，激发学生对民族振兴的热忱，培养学生学习操作系统的兴趣，能够深入浅出地讲授操作系统的原理，并提高系统化思维和解决真实问题的能力，是师范生操作系统课程的核心目标。

STEAM教育作为当今教育领域的重要发展方向，注重跨学科的整合，强调知识的融会贯通[5]，能够培养学生的跨学科思维、解决实际问题的能力和创造力[6]，这与师范类操作系统的实践目标高度契合。因此，基于师范生的人才培养要求和基础教育的新课标，结合操作系统的实践内容，选取部分知识点，采用设计STEAM教学完成操作系统实践的新方法，不仅为其未来工作奠定扎实基础，也顺应了教育改革的潮流。

本文以“进程通信”知识点为例，设计了一个全方位、结构清晰的教学模式，为师范类操作系统课程建立了一条可推广的实践教学路径。

1概述

1.1课程及学情分析

1.1.1课程情况分析

操作系统是计算机类所有专业的必修核心课程。然而，由于不同学校和专业的定位不同，其人才培养目标和课程教学目标也有所差异。例如，工科类操作系统课程考核培养成效的重要指标之一是计算机系统能力[1]，而师范类操作系统课程则主要侧重培养系统化思维和迁移解决真实问题的能力[3]。因此，操作系统教学的开展需要结合不同学校和专业的培养特色，对教学目标进行个性化调整。师范类的操作系统课程教学不能照搬工科类的内容。

操作系统实践教学除了加深对教学内容的理解外，还承担着将理论知识转化为实践能力的重要职责。鉴于师范类操作系统的培养目标，首先需要对其实践教学内容进行变革[7]。

1.1.2学生分析

由于操作系统理论较为抽象且难以理解，在传统教学过程中，大多数学生对理论讲解感到枯燥无趣，并且误认为理论知识只须在考试前突击复习即可[8]。他们往往不认真听课，对这些理论的实际应用场景缺乏了解，脑海中无法形成系统性的知识地图，同时对本课程缺乏主动钻研的兴趣。

因此，笔者设计并选取操作系统“进程通信”知识点开展STEAM实践教学。在帮助师范生理解“进程”这一概念的基础上，通过开展基于“通信”主题的STEAM教学活动，引导他们将“通信”原理运用到实际生活的各个方面。这不仅可以锻炼他们讲授“通信”原理的能力，还能让他们熟悉今后工作中可能采用的先进教学理念，从而探索师范类操作系统实践教学的可行性路径。

然而，由于基础教育的学段跨度较大，各学段的学情存在差异，加之师范生擅长的知识领域和拟从事的教学学段不同，且其STEAM教学实践经验和知识储备不足，因此在开展基于“通信”主题的STEAM教学活动时也面临一定困难。这需要“因材施教”[9]，通过个性化引导来克服这些问题。

1.2人工智能教育现状

自2022年以ChatGPT为代表的生成式智能技术涌现以来，整个教育行业的教学内容、教学方法和教学手段都需要适应大模型技术的发展，进行改革与创新[11]。

教育部高度重视大语言模型等新一代人工智能技术的发展。教育部部长怀进鹏在“携手推动数字教育应用、共享与创新”主旨演讲中提出，要促进智能技术与教育教学（AIforEducation）、科学研究（AIforSci⁃ence）、社会（AIforSociety）的深度融合，积极推动以智助学，开发智能学伴，实施智能辅导，让每个学生成为最好的自己。同时，要积极引导智能技术的合理应用，让技术进步造福师生[10]。

在应用这一技术提升学习者实践能力和创新思维方面，不少学者已开展相关探索。翟洁等[12]提出了基于决策树和大模型的学生能力评估模型，创建智能实验指导教师代理，不仅提升了学生个性化实验的效率，还为学生提供了灵活、有趣的学习体验。吴忭等[13]将ChatGPT引入本科生科研体验（CUREs）教学中，激发了学生的科研学习动机，进而提升了他们的科研知识水平、科研技能水平和科研情感水平。

然而，“高科技是一把双刃剑”，如果使用不当，大模型可能会沦为学生学习的“枪手”。此外，大模型的输出依赖于训练语料、提示词和上下文语境，可能会生成一些错误或不存在的内容。因此，一方面，需要促进学生形成正确的实践观，培养批判性思维，理性运用大模型工具[7]；另一方面，需要构建事实性专业知识库，通过RAG（Retrieval-AugmentedGeneration）技术，提高智能辅助能力。

2基于“大模型+RAG”的师范生实践教学改革研究

基于上述分析，针对师范类操作系统课程，提出借助“大模型+RAG”技术个性化辅助师范生进行STEAM教学设计活动，从而部分替代传统工程类操作系统编程实践教学的方法，并开展相关研究。

2.1研究思路

师范类操作系统的实践教学，本质上是希望在达成教学目标的基础上，实现教学的个性化，让学生获得更先进、更智能化的学习体验。

基于这一思路开展研究，一方面，为达成师范生的教学目标，需要学生“理解操作系统内部的原理，能够深入浅出地讲授相关知识点原理，并具备系统化思维和迁移解决真实问题的能力”。为此，本文提出在实践教学中开展“STEAM教学设计活动”的措施；另一方面，为实现教学的个性化，需要构建分层教学资源，同时关联学生的特征数据，并及时掌握学生的学习进度，因此需要构建知识图谱；最后，为实现更先进、更智能的“助学”，需要借助大模型优秀的通用问答能力，同时构建教学设计相关的专业知识资源库，结合RAG技术，提供更准确的STEAM教学设计助手功能。

2.2实施路径

2.2.1“分层”教学资源

按照课程思政建设指导纲要、“两性一度”标准和学生兴趣，分层个性化设置实践教学资源，做到因材施教[9]。具体教学资源包括以下内容：

1）整理各层次的题库案例，并结合真实生活实例、应用实践案例、思政元素实例[14]，融入知识点，构建层次性学习资源库。通过分层闯关的形式，锻炼学生对知识的理解能力以及迁移解决真实问题的能力；

2）结合线上教学平台，收集学生线上课堂全过程活动数据，以及问卷调查、练习、作业等数据，作为学生个性化学习数据，以便进行学情分析。

通过梳理和沉淀，目前共整理出489道题库。其中，基础知识理解题324道，综合应用题149道，另外还有针对师范专业学生的教学类实践主题16个。

2.2.2“动静结合”知识图谱

基于前述教学资源，构建包含知识单元、知识点、思政元素、题库、能力、素质、学生、技能、兴趣、就业方向、专业等节点类型的操作系统课程知识图谱。并使用FuzzyCDF离散型认知诊断模型对学生知识掌握情况进行及时分析和追踪，构建学生的技能矩阵。具体而言，采用模糊交计算学生对客观题的掌握情况，采用模糊并计算学生对主观题的掌握情况[15]。

2.2.3“大模型+RAG”的STEAM教学设计助手

构建“STEAM教学设计助手”，提供“苏格拉底式”的问答系统。一方面，基于学生的问题构建提示词，通过多轮问答，引导学生一步步自主得到答案，完善自己的知识体系；另一方面，在使用大模型的基础上，沉淀基础学科教学知识库，并在关联操作系统课程知识图谱后，结合学生的个性化需求，输出满足学生学段要求的优秀教学资源和教学设计参考案例，扩展学生的STEAM教学设计思路，辅助学生更好地理解和完成STEAM教学设计活动。具体的结构如图1所示。

要提供准确、专业的“STEAM教学设计助手”，离不开丰富的基础学科教学知识库。因此，需要各学段、各学科优秀教师的指导，并持续获取线上丰富的专业教学资源，从而沉淀更专业、更优秀、更丰富的全学段多学科教学知识库。

3“进程通信”实践教学案例

下面以“进程通信”知识点为例，讨论兼顾不同学情的师范生操作系统实践教学改革实施方案。

3.1实践教学目标

结合“两性一度”标准和思政指导纲要的要求，“进程通信”知识点在师范类专业中，结合学生学情的个性化实践教学目标（三维）如表1所示。需要强调的是，由于借助基于大模型的助手能力，要求师范生提供大模型辅助实践的具体报告[7]。

3.2教学开展

本教学模块共包括3次课，计5节课。其中，第1次课为1节课，采用案例驱动教学法，通过开放性问题引导学生达成知识目标和部分素质目标；第2次课的2节课通过实践教学实现人机交流、生生交流、师生交流，达成部分能力目标和素质目标；第3次课的2节课通过小组说课活动，最终达成全部的知识目标、能力目标和素质目标。

3.2.1教学活动设计

1）第一次课：情景化理论学习。

第1次课（1个课时）为理论知识教学。由于“进程”概念较为抽象，需要通过生活实例迁移，帮助师范生具象化理解。结合分层教学资源，个性化帮助师范生掌握“进程通信”的原理、具备迁移到“通信”主题的能力，并能够解释实际生活中的通信现象。

导入：将多个独立进程类比为多个独立的“人”。

情景引入：设置“现代社会的我们（人）是怎么通信的？”情景，结合生活案例，引导师范生逐步了解不同的进程通信方式、其原理及适用场景。

分层练习：通过分层教学资源，引导师范生将“进程通信”原理迁移到实际生活中的通信问题，并理解解决方案。

安全性讨论：引入“棱镜门”事件，引导师范生讨论通信的安全性，培养通信安全、信息安全和国家安全的底线意识。

问题驱动：通过加入时间、效率、成本等实际因素的小组讨论，逐步培养师范生制定和选择不同通信策略方案的能力。

2）第二次课：分组STEAM教学设计活动。

第2次课（2个课时）为实践教学。根据师范生从教学段兴趣和专业优势的不同，将学生分成8个小组，各小组以“进程通信”知识点迁移为基础，开展基于“通信”主题的STEAM教学设计活动。

实践要求：每个小组需合理分工，基于“STEAM教学设计助手”完成以下任务：针对感兴趣的学段设计个性化的“通信”主题STEAM教学；完成8分钟的说课；提交1节课（40分钟）的教案、PPT及20分钟的课堂试讲视频录制。其中，8分钟的说课将在第三次课进行现场展示。

3）第三次课：小组说课演示，提高现场教学能力。

第3次课（2个课时）组织现场演示，以提高师范生的现场教学能力。通过现场答辩，开展组内自评、小组互评和教师指导评价。

活动安排如下，场地：智慧课室，现场录播每个小组的展示和答辩过程。时间安排：每组8分钟说课，2分钟提问与回答。评价比例：小组内互评10%，组长评分30%，教师评分60%。评选：优秀设计1组，最佳教态1名，最佳创意1名，最佳点评1名，最佳PPT制作2名。线上平台支持：各小组需在答辩前将相关资料上传至线上平台，供师生查阅。现场录播的视频也将上传至平台，供学生后续观摩和改进。

3.2.2教学评价

本次实践教学的评价主体多元、形式多样。评价主体包括教师、师范生和小组；评价形式结合过程性评价与终结性评价，同时引入增值评价，通过对师范生学前与学后作业情况的对比，量化教学效果。表2为师范生过程性评价的量规表。

表3是STEAM教学设计评价量规表，分别从教学目标、教学内容、教学方法、教学资源、教学过程和教学评价几个维度，为自评、小组互评和教师评分提供标准。

3.3基于“大模型+RAG”的STEAM教学设计助手效果

在优秀教师指导下，“通信”主题的多学科、多学段教学资源和案例（包括国家中小学智慧教育平台等官方资源）已存入基础学科教学知识库。

测试显示，STEAM教学设计助手部分效果如图2所示：（a）为师范生基于小学学段的问答截图，（b）为初中学段的问答截图。助手通过“苏格拉底问答法”辅助学生开展STEAM教学设计。

4结束语

通过对“进程通信”知识点迁移开展基于“通信”主题的不同学段STEAM教学设计的探索发现，借助“大模型+RAG”进行师范生操作系统实践教学改革，可以帮助师范生更系统地理解操作系统原理知识，并进行更具象、更针对性的实践锻炼，充分体现因材施教和以学生为中心的教学理念。后续，师范类操作系统实践教学将深入挖掘更多知识点，继续探索借助“大模型+RAG”进行STEAM教学设计的实践替代模式，并推动其推广应用。

参考文献：

[1]张元，杨晓文，李玲，等.面向计算机系统能力培养的操作系统课程教学改革[J].计算机教育，2023（8）：36-41.

[2]王俊超，姚金阳，单征，等.面向网络空间安全专业的操作系统原理与分析课程“三维立体式”教学改革[J].计算机教育，2020（10）：121-124，129.

[3]雷丽晖，李鹏.师范类专业操作系统课程实验教学探索[J].计算机教育，2021（8）：66-70.

[4]陈向群“.101计划”操作系统课程知识体系建设及知识点关联性研究[J].计算机教育，2024（5）：16-19.

[5]朱立明，宋乃庆.STEAM教育理念下深度学习测评指标体系构建研究[J].四川师范大学学报（社会科学版），2022，49（4）：125-133.

[6]易恒，郑艺，付铁，等.基于STEAM的BPL教学研究与实践：以“基于尤克里里制作的实践创新训练”课程为例[J].实验技术与管理，2023，40（S1）：34-37.

[7]李清勇，耿阳李敖，彭文娟，等“.私教”还是“枪手”：基于大模型的计算机实践教学探索[J].实验技术与管理，2024，41（5）：1-8.

[8]陈忆群，周如旗，张钢，等.基于OBE的分层实验设计[J].计算机教育，2024（7）：193-196.

[9]国务院.中国教育现代化2035[EB/OL].（2019-02-23）[2023-10-09].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_5367987.htm.

[10]怀进鹏.携手推动数字教育应用、共享与创新：在2024世界数字教育大会上的主旨演讲[EB/OL].（2024-02-01）[2024-02-01].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/moe_176/202402/t20240201_1113761.html.

[11]姜春茂，段莹.ChatGPT背景下的计算机实践类课程改革初探[J].实验技术与管理，2023，40（12）：1-7，23.

[12]翟洁，李艳豪，孟天鑫，等.基于决策树和大模型的个性化计算机实验教学探索与实践[J].实验技术与管理，2023，40（12）：8-15.

[13]吴忭，李凤鸣，胡艺龄.生成式人工智能赋能本科生科研能力培养：ChatGPT支持的CUREs教学模式[J].现代远程教育研究，2024，36（3）：3-10，28.

[14]林穗，李敏.操作系统课程思政教学设计与实践[J].计算机教育，2023（3）：115-118.

[15]袁恩，陈卫卫，张所娟，等.面向个性化学习的认知诊断实践探索[J].计算机教育，2024（4）：91-95.

【通联编辑：唐一东】

基金项目：广东第二师范学院2023年高等教育教学改革项目“结合就业能力评估数据的多模态知识图谱在《操作系统》实践教学中的应用研究”（2023jxgg41）；2023年度广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目（875）；广东第二师范学院教学成果培育项目（广东二师〔2024〕95号）；广东省普通高校特色创新项目（自然科学）（2023KTSCX098）；广东省教育科学规划课题（高等教育专项）（2023GXJK422）；广东省教育科学规划课题（高等教育专项）（2024GXJK635）；广东第二师范学院2023年高等教育教学改革项目（2023jxgg44）；广东第二师范学院2022年高等教育教学改革项目（2022jxgg16）；广东第二师范学院2023年高等教育教学改革项目（2023jxgg39）