操作系統(tǒng)課程改革的啟發(fā)和思考

王 英，王 鑫，左萬(wàn)利

（1.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

操作系統(tǒng)課程改革的啟發(fā)和思考

王 英1，王 鑫2，左萬(wàn)利1

（1.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

分析操作系統(tǒng)概念抽象、知識(shí)點(diǎn)多、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，提出從課程教學(xué)改革總體方案的構(gòu)想、課程內(nèi)容改革與建設(shè)、教學(xué)形式改革與建設(shè)和教學(xué)手段改革與建設(shè)4個(gè)方面，將新型教學(xué)模式慕課和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，闡述以啟發(fā)式教學(xué)和“魚缸”式討論教學(xué)手段為主導(dǎo)的操作系統(tǒng)課程改革措施，以加深學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)課程的深入理解。

操作系統(tǒng)；新型教學(xué)模型；慕課；翻轉(zhuǎn)課堂

1 背 景

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要核心課程之一，同其他課程相比，概念抽象、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)使得學(xué)生深入理解較為困難。另外，自“斯諾登事件”曝光以來(lái)，為了確保信息安全，倪光南院士積極倡導(dǎo)操作系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化。從國(guó)家層面對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的關(guān)注也提升到新的高度，加強(qiáng)操作系統(tǒng)領(lǐng)域相關(guān)人才的培養(yǎng)是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。慕課和翻轉(zhuǎn)課堂是當(dāng)前較為流行的新型教學(xué)模式，通過(guò)慕課激發(fā)學(xué)生課外時(shí)間學(xué)習(xí)的積極性，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂加深學(xué)生對(duì)自學(xué)知識(shí)的深入理解。將慕課和翻轉(zhuǎn)課堂有效地結(jié)合彌補(bǔ)目前操作系統(tǒng)教學(xué)模式存在的諸多問(wèn)題，同時(shí)，以啟發(fā)式教學(xué)和“魚缸”式討論教學(xué)手段為主導(dǎo)，對(duì)于操作系統(tǒng)課程改革和建設(shè)有著重要意義。

2 操作系統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

目前，操作系統(tǒng)在普通高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)情況普遍存在的問(wèn)題包括[1]：

（1）課程內(nèi)容滯后：隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端設(shè)備技術(shù)的迅猛發(fā)展，操作系統(tǒng)智能化和多元化的特點(diǎn)越來(lái)越凸顯，其在概念和技術(shù)上都有了較快的發(fā)展。然而，目前的課程內(nèi)容多為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本原理以及各大組成部分內(nèi)容介紹，遠(yuǎn)不能和當(dāng)前飛速發(fā)展的智能設(shè)備保持同步。

（2）教學(xué)方法陳舊：由于操作系統(tǒng)課程的概念抽象和理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，大多數(shù)的教學(xué)方法很難應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)過(guò)程中。因而，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，即使融入數(shù)字化多媒體技術(shù)，學(xué)生依然感覺(jué)概念難以理解。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不強(qiáng)：在教學(xué)過(guò)程中，大多數(shù)學(xué)生反映操作系統(tǒng)課程概念抽象、內(nèi)容難懂，很難像程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程直接通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，進(jìn)而加深課程的理解。由于較難獲得階段性成果的鼓勵(lì)，學(xué)生往往缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，進(jìn)而產(chǎn)生厭煩情緒。

（4）理論與實(shí)踐脫節(jié)：由于操作系統(tǒng)內(nèi)容理論性強(qiáng)，理論學(xué)時(shí)占據(jù)了大部分課程總學(xué)時(shí)，同時(shí)，操作系統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)涉及面廣，并且要求學(xué)生有較強(qiáng)的綜合分析、設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生不能將理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力不能有效地得到培養(yǎng)。

3 新型教學(xué)模式

隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)迅速發(fā)展，慕課、微課和翻轉(zhuǎn)課堂等一系列新型教學(xué)模式不斷出現(xiàn)，這些教學(xué)模式引起國(guó)內(nèi)高等學(xué)校的廣泛關(guān)注，并發(fā)起一系列理念與技術(shù)相結(jié)合的教育方法的改革研究。

（1）慕課是一種大規(guī)模開(kāi)放式的在線課程，是為了增強(qiáng)知識(shí)傳播而由具有分享和協(xié)作精神的個(gè)人、組織發(fā)布的開(kāi)放課程。目前，開(kāi)設(shè)慕課的高校越來(lái)越多，簡(jiǎn)易的操作可以使得學(xué)生根據(jù)自身實(shí)際情況觀看、學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。慕課的優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生更加容易集中注意力自主選擇學(xué)習(xí)，優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源可以不受地域限制，促進(jìn)學(xué)生廣泛學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。但是，慕課也存在許多不足，如缺少傳統(tǒng)課堂中師生之間相互討論、感染的學(xué)習(xí)氛圍，由于沒(méi)有師生間的互動(dòng)，無(wú)法解決課堂教學(xué)過(guò)程中臨時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。

（2）翻轉(zhuǎn)課堂是將在傳統(tǒng)課堂中講授的知識(shí)讓學(xué)生利用課外時(shí)間自學(xué)，教師在課堂中以啟發(fā)式教學(xué)或討論式教學(xué)等手段講授知識(shí)，以幫助學(xué)生深入理解知識(shí)點(diǎn)[25]。同傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，翻轉(zhuǎn)課堂的主要優(yōu)點(diǎn)包括：①學(xué)生先自學(xué)然后再由教師講授，學(xué)生學(xué)習(xí)方式由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)換為主動(dòng)獲取知識(shí)；②學(xué)生是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過(guò)程中的主角，教師則是配角，主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4 課程教學(xué)改革的啟發(fā)和思考

4.1 課程教學(xué)改革總體方案

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)體系由理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)兩大部分構(gòu)成，并且理論知識(shí)占據(jù)了較大部分的學(xué)時(shí)。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和應(yīng)用能力，應(yīng)制定課程改革方案[68]。

課程教學(xué)改革總體方案如圖1所示，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖1 操作系統(tǒng)課程教學(xué)總體方案

（1）課程內(nèi)容改革：首先，引入最新的前沿技術(shù)，做到課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，達(dá)到與國(guó)際完全接軌的目標(biāo)。其次，因材施教，注重學(xué)生能力培養(yǎng)，采用分層次教學(xué)方式組織教學(xué)內(nèi)容，使不同程度和能力水平的學(xué)生從中獲得最大的收益。

（2）教學(xué)形式改革：引入慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等新型的教學(xué)模式，增加課外學(xué)時(shí)考核方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課外學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，利用課余時(shí)間了解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念以及應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)而改善課堂中較為難懂的理論知識(shí)的教學(xué)效果。

（3）教學(xué)手段改革：通過(guò)采用新型的教學(xué)手段激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而讓學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容產(chǎn)生興趣，促進(jìn)學(xué)生自學(xué)能力的提高，訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。4.2 課程內(nèi)容改革與建設(shè)

課程內(nèi)容改革的總體目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本，關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展。具體改革內(nèi)容如下：

（1）內(nèi)容更新方面：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及分布并行技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不斷更新，并與多個(gè)信息技術(shù)方向交叉。課程內(nèi)容應(yīng)增加反映操作系統(tǒng)最新發(fā)展?fàn)顩r的新內(nèi)容，如多媒體操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、光盤文件系統(tǒng)、固態(tài)硬盤文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)格式化等。同時(shí)，精煉多核與并行操作系統(tǒng)，豐富操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。刪除“作業(yè)管理”等過(guò)時(shí)內(nèi)容。

（2）運(yùn)行機(jī)理方面：針對(duì)操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理這一教學(xué)難點(diǎn)，以中斷為主線，系統(tǒng)周密地闡述多道程序設(shè)計(jì)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)過(guò)程，重點(diǎn)講清“中斷和嵌套中斷現(xiàn)場(chǎng)保存在系統(tǒng)棧中”“核心級(jí)別進(jìn)程切換現(xiàn)場(chǎng)保存在PCB中”這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并通過(guò)“進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換分解圖”闡明每一步進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要完成的工作，給出并發(fā)控制的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，將“操作系統(tǒng)是怎樣轉(zhuǎn)的”這件事交代清楚，使學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)形成完整的概念。

（3）聯(lián)系實(shí)際方面：在系統(tǒng)介紹UNIX實(shí)例的同時(shí)，增加Windows系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)成功技術(shù)的介紹，包括Windows進(jìn)程與線程、Linux進(jìn)程與線程、Windows處理機(jī)調(diào)度、Linux處理機(jī)調(diào)度、Windows同步與通訊、Linux同步與通訊、Windows虛擬存儲(chǔ)管理、Linux虛擬存儲(chǔ)管理、Windows文件系統(tǒng)、Linux文件系統(tǒng)、Windows設(shè)備管理、Linux設(shè)備管理。同時(shí)，對(duì)流行操作系統(tǒng)如Android、IOS、黑莓等操作系統(tǒng)也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)介紹。

（4）理論模型方面：基于自動(dòng)機(jī)的操作系統(tǒng)理論模型一直是我校教材的鮮明特色，經(jīng)過(guò)20余年的傳承，該模型已經(jīng)被一代代優(yōu)秀學(xué)生接受，對(duì)促進(jìn)操作系統(tǒng)理論發(fā)展起到重要作用?？紤]對(duì)多數(shù)學(xué)校來(lái)說(shuō)，該理論模型有些抽象，為使教材篇幅適中，新版教材計(jì)劃暫時(shí)舍棄這部分內(nèi)容。

（5）課程設(shè)計(jì)方面：改革操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化能力和素質(zhì)教育，以“理論原理—實(shí)現(xiàn)機(jī)制—編程實(shí)踐”為主線，構(gòu)建任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)學(xué)生理解抽象原理、引導(dǎo)學(xué)生牢固掌握實(shí)現(xiàn)機(jī)制、切實(shí)提高學(xué)生應(yīng)用編程能力。

4.3 教學(xué)形式改革與建設(shè)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)迅速發(fā)展，慕課、微課和翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)形式已引起廣大教育工作者的關(guān)注。針對(duì)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學(xué)情況普遍存在的問(wèn)題，本課程教學(xué)梯隊(duì)將適當(dāng)?shù)牟糠终n程內(nèi)容采用新型的教學(xué)形式展現(xiàn)給學(xué)生，輔助傳統(tǒng)課堂教學(xué)較難授課的內(nèi)容。具體改革與建設(shè)的方法包括：

（1）實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)慕課和微課的建設(shè)，激發(fā)學(xué)生課外時(shí)間學(xué)習(xí)的積極性。有針對(duì)性地錄制特定問(wèn)題的慕課或微課視頻，將其作為課堂教學(xué)的教學(xué)輔助，從而使課堂教學(xué)能真正轉(zhuǎn)變成“以學(xué)生為中心，以學(xué)為主”，教師角色則轉(zhuǎn)變成“主導(dǎo)者”，發(fā)揮指導(dǎo)和調(diào)控作用，以互動(dòng)為主開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。慕課和微課為學(xué)生利用課外時(shí)間自主學(xué)習(xí)提供了重要的學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生有效地理解操作系統(tǒng)理論知識(shí)并突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，也可利用慕課和微課進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。同時(shí)，設(shè)置合理的學(xué)生課外學(xué)習(xí)評(píng)估策略，激發(fā)學(xué)生利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)的積極性，并考慮將學(xué)生課外學(xué)習(xí)的結(jié)果作為最終考試總成績(jī)的一部分。

（2）實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂建設(shè)，應(yīng)用于理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，首先，教師必須要精心準(zhǔn)備課前教學(xué)資源，選擇適合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的課程內(nèi)容；然后，設(shè)計(jì)和組織高效的翻轉(zhuǎn)課堂活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考并解決問(wèn)題；最后，構(gòu)建合理的評(píng)級(jí)策略，從而判斷學(xué)生是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。將翻轉(zhuǎn)課堂新型的教學(xué)形式應(yīng)用于理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)，有效地克服在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生人數(shù)多、能力差異大，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，師生之間缺乏交互，考核辦法陳舊、依據(jù)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。

4.4 教學(xué)手段改革與建設(shè)

（1）啟發(fā)式教學(xué)：使用啟發(fā)誘導(dǎo)方法，提高學(xué)生積極思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。在講授知識(shí)之前，學(xué)生通過(guò)慕課或微課對(duì)知識(shí)有一定程度的理解。在課堂上，教師就知識(shí)點(diǎn)找一個(gè)切入口，適時(shí)地拋出問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考，使其得出自己的見(jiàn)解。然后，教師對(duì)學(xué)生的見(jiàn)解進(jìn)行點(diǎn)撥，接著進(jìn)一步提出新問(wèn)題，環(huán)環(huán)相扣，最終幫助學(xué)生掌握整個(gè)知識(shí)點(diǎn)[910]。

（2）“魚缸”式討論教學(xué)：對(duì)操作系統(tǒng)中的某些問(wèn)題，如存儲(chǔ)管理、文件管理、中斷裝置等內(nèi)容，可以采用以討論為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，該手段可以看做是實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的一種有效途徑。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，采用“魚缸”模式的討論式教學(xué)手段，以小組為單位，將具體問(wèn)題切分成獨(dú)立的幾個(gè)部分，小組內(nèi)每個(gè)成員負(fù)責(zé)一個(gè)部分。在討論過(guò)程中，不同組的負(fù)責(zé)同一個(gè)部分內(nèi)容的學(xué)生可以深入討論相同主題內(nèi)容，同一小組負(fù)責(zé)不同部分內(nèi)容的學(xué)生也可以互相補(bǔ)充討論內(nèi)容。該討論模式可以讓每位同學(xué)都得到發(fā)言和補(bǔ)充的機(jī)會(huì)，改變學(xué)生習(xí)慣于傳統(tǒng)的傾聽(tīng)模式，使得教學(xué)活動(dòng)更加富有趣味性。討論式教學(xué)能夠有效激發(fā)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生熟練應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的能力、在公共場(chǎng)合下發(fā)言的能力、團(tuán)隊(duì)合作以及解決沖突的能力，極大地提高學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)課程實(shí)施改革措施，將慕課和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，同時(shí)，以啟發(fā)式教學(xué)和討論式教學(xué)手段為主導(dǎo)，使操作系統(tǒng)的理論和實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，為以后從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用提供必要的綜合基礎(chǔ)知識(shí)，為操作系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)培養(yǎng)研發(fā)人才。

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（編輯：郭田珍）

1672-5913(2017)02-0034-04

G642

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61300148，61602057）；吉林大學(xué)2015年度本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2015XYB074）。

王英，女，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、搜索引擎，wangying2010@jlu.edu.cn。