“新工科”背景下地方高校操作系統(tǒng)課程改革的探索

劉 嘉

(蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅蘭州730050)

0 引言

目前，我國(guó)工業(yè)在經(jīng)過幾十年傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展之后，重點(diǎn)正在向新興產(chǎn)業(yè)靠攏，要想使新興產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，就必須有足夠的人才作為支撐。但是目前各個(gè)新興工業(yè)都存在著人才不足的情況，教育部門為社會(huì)輸送的人才無論從數(shù)量上還是從知識(shí)結(jié)構(gòu)上來說，都無法滿足新興工業(yè)發(fā)展的需求。為此2017年2月教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，標(biāo)志教育部在各高校開展“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目，推動(dòng)工程教育的改革。這是教育部針對(duì)當(dāng)前以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展形勢(shì)下，為高校培養(yǎng)具備更高創(chuàng)新能力和跨界整合能力的新型工程技術(shù)人才做出的變革[1]。

長(zhǎng)期以來，我國(guó)高校的工程教育目標(biāo)不明確，定位不清晰，所有院校按照自己的想法進(jìn)行人才培養(yǎng)，工程教育與企業(yè)需求不匹配，不能很好地滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，使工科學(xué)生存在綜合素質(zhì)與知識(shí)結(jié)構(gòu)方面的缺陷[2]。“新工科”的提出將解決這個(gè)矛盾。按照教育部的規(guī)劃，從人才培養(yǎng)方式和培養(yǎng)目標(biāo)上進(jìn)行劃分，全國(guó)高校被分為工科優(yōu)勢(shì)高校、綜合性高校和地方高校，分別為社會(huì)輸送不同類型的工程人才。蘭州理工大學(xué)是地處西部的地方高校，發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)該落在“區(qū)域”上，學(xué)校定位是“深化產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同育人，推動(dòng)傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級(jí)”[3]。

高校的人才培養(yǎng)最后都要落實(shí)在專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量提升的基礎(chǔ)上。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)還是許多計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的主干課程，是一門概念抽象，理論性強(qiáng)，實(shí)踐要求高的專業(yè)課程。在“新工科”背景下，從蘭州理工大學(xué)實(shí)際出發(fā)，探討當(dāng)前操作系統(tǒng)課程存在的問題及多方面的改革方法。

1 “新工科”背景下操作系統(tǒng)課程存在的問題

1.1 學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)課程認(rèn)識(shí)不足

操作系統(tǒng)課程主要講述計(jì)算機(jī)各個(gè)部分的功能及原理，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)如何利用硬件和軟件資源協(xié)同工作。所以該課程不僅有與硬件相關(guān)的理論知識(shí)，又需要進(jìn)行軟件方面的實(shí)踐，是一門包含軟硬件知識(shí)的綜合性課程。該校操作系統(tǒng)課程開設(shè)在大三的上學(xué)期，之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過C語言程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。與C語言程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這類純軟件課程不同，操作系統(tǒng)原理在編程過程中的作用是管理內(nèi)存、組織線程、調(diào)配資源，尤其是在大型程序設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮重要作用。作為剛剛接觸編程的大三學(xué)生正在從簡(jiǎn)單程序入手學(xué)習(xí)編程，很難接觸到大型軟件項(xiàng)目，所以體會(huì)不到操作系統(tǒng)在編程中的作用，學(xué)生也由此產(chǎn)生“操作系統(tǒng)課程對(duì)我們編程沒有什么幫助”的想法，認(rèn)為操作系統(tǒng)課程不重要。實(shí)際上，操作系統(tǒng)在工程實(shí)踐中提供了底層軟件對(duì)硬件操作的基礎(chǔ)知識(shí)，操作系統(tǒng)課程為大學(xué)后續(xù)各種課程打下基礎(chǔ)，在整個(gè)計(jì)算機(jī)課程體系中起著承上啟下的作用[4]。

1.2 教師對(duì)操作系統(tǒng)課程定位偏差

由于教育部沒有對(duì)高校課程的教學(xué)大綱做統(tǒng)一規(guī)定，所以在“新工科”項(xiàng)目出來之前，所有高校的專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容都是有各個(gè)學(xué)校自行制定。操作系統(tǒng)作為一門計(jì)算機(jī)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程群中的重要性毋庸置疑，上課時(shí)教師總是希望學(xué)生能把操作系統(tǒng)課程學(xué)好學(xué)深，為學(xué)生工作打下良好的基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，很多教師的教育理念是學(xué)習(xí)要系統(tǒng)、覆蓋要全面、理論要深入，基本操作系統(tǒng)的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都要講到，每個(gè)理論都要深入探討，這種教學(xué)方式使學(xué)生在每一節(jié)課上學(xué)習(xí)的內(nèi)容非常飽滿又難以消化，容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

2 “新工科”背景下操作系統(tǒng)課程的改革

2.1 以需求為導(dǎo)向，選擇教學(xué)內(nèi)容

“新工科”建設(shè)明確高校的教學(xué)活動(dòng)是以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)適應(yīng)新興工業(yè)需要的各個(gè)層次的工程人才。該校屬于地方型本科高校，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后主要從事軟件開發(fā)、測(cè)試和運(yùn)維等工作，要求學(xué)生對(duì)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)問題具有良好的分析、抽象、設(shè)計(jì)能力。目前各個(gè)高校使用的操作系統(tǒng)教材內(nèi)容涵蓋的知識(shí)點(diǎn)很多，從緒論開始介紹操作系統(tǒng)發(fā)展和分類，然后是進(jìn)程管理、CPU管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、Linux/Unix操作系統(tǒng)等，教材的厚度一般在500頁左右，讓學(xué)生一個(gè)學(xué)期掌握所有這些內(nèi)容，對(duì)學(xué)生來說是比較困難的。從學(xué)生實(shí)際情況看，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程的目的不是編寫一個(gè)操作系統(tǒng)程序，而是掌握操作系統(tǒng)原理，學(xué)會(huì)將操作系統(tǒng)原理應(yīng)用到編程中，以提高程序效率。所以以此目的為原則，對(duì)操作系統(tǒng)課程的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)篩選。由于當(dāng)前學(xué)生畢業(yè)后的工作以網(wǎng)站、安卓/ios和前端開發(fā)為主，因此可以刪除課本中網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的內(nèi)容，而學(xué)生后續(xù)還會(huì)開設(shè)《Linux與嵌入式操作系統(tǒng)》課程，所以Linux/Unix操作系統(tǒng)部分內(nèi)容也全部刪除。這樣給其他的課程內(nèi)容騰出很多學(xué)時(shí)，像內(nèi)存分配、程序并發(fā)、進(jìn)程通信等概念，是在工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的問題，需要學(xué)生熟練掌握，教師可以有時(shí)間對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解。

2.2 以知識(shí)為載體，豐富教學(xué)手段

高校要徹底擺脫面向課程的教育，真正走向面向產(chǎn)出的教育，就要將知識(shí)作為載體，向?qū)W生傳授解決計(jì)算機(jī)類復(fù)雜工程問題的思想、方法和專業(yè)技能[5]。傳統(tǒng)的教學(xué)方式都是圍繞著教師進(jìn)行的，上課教師在講臺(tái)講課，學(xué)生坐在下面聽課；課后教師布置作業(yè)，學(xué)生做作業(yè)；然后教師批改作業(yè)，學(xué)生就掌握了作業(yè)中的內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)到的是操作系統(tǒng)的知識(shí)，而忽略了培養(yǎng)使用操作系統(tǒng)解決問題的思想?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)是培養(yǎng)具有具有創(chuàng)新意識(shí)，能夠解決復(fù)雜問題的工程人才，教育的重點(diǎn)在理論與工程的結(jié)合上，需要采用豐富的教學(xué)方式，側(cè)重學(xué)生各層次能力的培養(yǎng)[6]。

(1)“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)法。翻轉(zhuǎn)課堂是斯坦福大學(xué)提出的教學(xué)方法，就是將先學(xué)習(xí)知識(shí)再培養(yǎng)能力的過程變?yōu)橄儒憻捘芰υ賹W(xué)習(xí)知識(shí)。學(xué)生先在課下自己完成知識(shí)的學(xué)習(xí)，而課堂是教師進(jìn)行答疑解惑的場(chǎng)所。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)軟件，所有學(xué)生在沒有學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程之前都接觸過操作系統(tǒng)，或多或少會(huì)使用操作系統(tǒng)，而且已經(jīng)開設(shè)的操作系統(tǒng)的微課，提供了操作系統(tǒng)中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)視頻，使操作系統(tǒng)課程非常適合于應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法。在教學(xué)過程中，根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式的特點(diǎn)，選擇學(xué)生熟悉、易于理解的內(nèi)容讓學(xué)生先自行學(xué)習(xí)。例如文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中對(duì)文件進(jìn)行組織和管理的部分，對(duì)文件操作也是學(xué)生在未學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)前最熟悉的內(nèi)容，所以這部分可以采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)。首先教師給出學(xué)生自學(xué)時(shí)必須學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)“文件的邏輯結(jié)構(gòu)”、“文件控制塊”、“樹型目錄結(jié)構(gòu)”、“共享方法”、“訪問矩陣”等，學(xué)生自學(xué)后在課堂上由教師進(jìn)行答疑，加深學(xué)生對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。最后是教師與學(xué)生的互動(dòng)，教師可以提出一些問題讓學(xué)生思考，如“文件目錄管理的優(yōu)點(diǎn)是什么”，“文件共享方式各有什么缺點(diǎn)”，“對(duì)文件系統(tǒng)的安全的看法”，這些問題有助于培養(yǎng)學(xué)生用操作系統(tǒng)思想去思考問題的能力。

(2)模擬學(xué)習(xí)法。操作系統(tǒng)中有很多是對(duì)計(jì)算機(jī)處理過程的描述，這些部分內(nèi)容瑣碎，過程復(fù)雜，描述繁復(fù)，學(xué)生即使死記硬背記住概念，但也不會(huì)應(yīng)用到實(shí)際中。讓學(xué)生模擬這些處理過程，甚至去親身演示模擬這個(gè)過程，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。例如信號(hào)量是進(jìn)程同步中的重要概念，利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步有許多經(jīng)典算法，例如生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題、哲學(xué)家問題，這些也是學(xué)生在學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。在教學(xué)中將學(xué)生分成若干組，在教室中找一塊區(qū)域當(dāng)作臨界區(qū)，這些學(xué)生分別代表計(jì)算機(jī)資源和進(jìn)程，另一個(gè)學(xué)生在黑板記錄變換過程中信號(hào)量的值，他們共同演示使用這些算法進(jìn)行進(jìn)程同步時(shí)資源、進(jìn)程及信號(hào)量的變化過程。學(xué)生在這種像“小品”一樣的模擬過程中即感受到了學(xué)習(xí)的快樂，又加深了對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的理解，取得了非常好的效果。

2.3 以工程為基礎(chǔ)，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

在“新工科”建設(shè)中，更加重視學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，需要學(xué)生在不同背景下，綜合多個(gè)學(xué)科，分析多方面的因素，甚至包括人文、經(jīng)濟(jì)、法律等非工科因素，以解決復(fù)雜的工程問題，這種能力的培養(yǎng)僅靠課堂聽課是很難達(dá)到的。學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程既需要有計(jì)算機(jī)的硬件知識(shí)，又要有程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)工程問題中是承接計(jì)算機(jī)軟硬件的橋梁，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該更加注重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。操作系統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要分為兩類，一類是驗(yàn)證型，一類是綜合型。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是模擬操作系統(tǒng)工作過程或工作原理，通過實(shí)驗(yàn)把概念及原理演示出來，例如進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷、處理機(jī)調(diào)度算法、內(nèi)存分配算法、頁面置換算法和磁盤調(diào)度算法等，實(shí)驗(yàn)的目的是理解這些抽象的理論。由于教學(xué)內(nèi)容中刪除了部分內(nèi)容，留出較多課時(shí)，所以這些實(shí)驗(yàn)大多可以在課堂上通過該校新使用的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成，以幫助學(xué)生加深對(duì)當(dāng)天課程內(nèi)容的理解。對(duì)于學(xué)習(xí)較好的同學(xué)，還鼓勵(lì)他們課后在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上繼續(xù)深究算法，完善功能。第二類綜合型實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟粌H是使學(xué)生學(xué)會(huì)操作系統(tǒng)中的原理，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生從操作系統(tǒng)的角度思考問題，提高解決計(jì)算機(jī)工程問題的能力。操作系統(tǒng)中的資源管理、程序并發(fā)執(zhí)行、進(jìn)程通信、系統(tǒng)中斷都是計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐中的關(guān)鍵點(diǎn)，它們與具體程序設(shè)計(jì)語言無關(guān)，與要解決題目的抽象本身有關(guān)，在解決工程問題時(shí)應(yīng)該何時(shí)何地使用操作系統(tǒng)概念，以及怎樣使用操作系統(tǒng)概念都需要學(xué)生通過實(shí)踐的訓(xùn)練獲得。

2.4 以科技為中心，關(guān)注學(xué)科發(fā)展

“新工科”人才應(yīng)該是“新”的，也就是要立足現(xiàn)在，面向未來，關(guān)注學(xué)科前沿，抓住產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，具有對(duì)新知識(shí)、新科技、新技術(shù)的敏銳洞察力。但是計(jì)算機(jī)科技日新月異，教材中的內(nèi)容很難跟上學(xué)科發(fā)展的腳步，所以在學(xué)習(xí)課本知識(shí)的同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用各種媒介資源去獲取所需的最新信息。為此在操作系統(tǒng)的第一次課上給學(xué)生布置一個(gè)作業(yè)，要求學(xué)生用一個(gè)學(xué)期的時(shí)間從各種渠道收集操作系統(tǒng)有關(guān)的最新信息，完成一份學(xué)科前沿報(bào)告，并將成績(jī)計(jì)入到平時(shí)成績(jī)。通過這樣的作業(yè)，讓學(xué)生學(xué)提升學(xué)習(xí)興趣，拓寬視野，養(yǎng)成關(guān)注學(xué)科前沿的習(xí)慣。

3 結(jié)束語

“新工科”的提出說明我國(guó)經(jīng)濟(jì)在由傳統(tǒng)工業(yè)向新興工業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，教育部門培養(yǎng)的人才無法滿足市場(chǎng)需求。高校應(yīng)該及時(shí)對(duì)這種需求做出反應(yīng)，以市場(chǎng)為目標(biāo)，以科技為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，在教學(xué)活動(dòng)中盡可能地向市場(chǎng)靠攏，培養(yǎng)市場(chǎng)需要的具有專業(yè)素養(yǎng)和工程能力的人才。而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須從高校的教學(xué)改革入手，尤其是學(xué)科專業(yè)課的改革，使之適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。計(jì)算機(jī)行業(yè)是我國(guó)新興工業(yè)的主力軍，也是其他新興工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力，作為計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課，操作系統(tǒng)課程的教學(xué)即要重視理論基礎(chǔ)，又要加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生今后走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。