新工科背景下基于OBE教育模式的操作系統(tǒng)教學(xué)改革研究與實(shí)踐

摘? 要：傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程教學(xué)以知識導(dǎo)向?yàn)橹?，難以有效提高學(xué)生分析和解決較復(fù)雜操作系統(tǒng)問題的能力。在教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)的大背景下，本文采用基于成果導(dǎo)向的教育理念（Outcomes-Based Education，OBE），以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、分析和解決較復(fù)雜問題的能力為目標(biāo)，對操作系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式進(jìn)行了改革和探索，采用了翻轉(zhuǎn)課堂、智慧教室、雨課堂等先進(jìn)的教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)施和軟件工具進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐并取得了較好的實(shí)踐效果。

關(guān)鍵詞：新工科;OBE;操作系統(tǒng);雨課堂;智慧教室

中圖分類號：TP316? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Traditional course teaching of the operating system is mainly knowledge-oriented，which is difficult to effectively improve students' ability to analyze and solve complex operating system problems.Under the background of the construction of New Engineering，which is actively promoted by the Ministry of education，this paper adopts the ideas of outcome-based education（OBE） to cultivate students' capability of innovative thinking，analysis and solving complex problems.This paper reforms and explores the teaching content，teaching method and assessment method of operating system course，and use the advanced teaching methods，teaching facilities，and software tools such as flipped classroom，intelligent classroom，and rain classroom to carry out the teaching reform practice and achieve good practical results.

Keywords：new engineering;OBE;operating system;rain classroom;smart classroom

1? ?引言（Introduction）

隨著國家不斷推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)得以蓬勃發(fā)展，進(jìn)而對工程科技人才培養(yǎng)提出了更高要求，迫切需要進(jìn)一步推進(jìn)工程教育的改革創(chuàng)新。2017年2月以來，教育部提出了積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)的重大教育改革舉措，其指導(dǎo)思想是以市場對人才的實(shí)際需求為導(dǎo)向，大力培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問題的工科人才[1]。在此背景下，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)作為工業(yè)革命4.0的核心技能之一，操作系統(tǒng)課程業(yè)已成為工科院校軟件工程專業(yè)的必修課程之一。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展和“新工科”建設(shè)的新要求，我們引入基于成果導(dǎo)向的OBE教育模式，對操作系統(tǒng)課程進(jìn)行了全方位的教學(xué)改革。

2? ?OBE理念（OBE concept）

OBE是基于成果或產(chǎn)出為導(dǎo)向的一種教育模式，最初是美國和澳大利亞等國在其基礎(chǔ)教育改革中開始應(yīng)用。它以學(xué)生預(yù)期的學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實(shí)施和評價(jià)教育活動[2]。從20世紀(jì)90年代開始，《華盛頓協(xié)議》的成員國美國、英國和加拿大等國將OBE模式作為其教育改革的主流理念，并完全應(yīng)用于工程教育的專業(yè)認(rèn)證中[3]。2016年6月，我國正式成為《華盛頓協(xié)議》的會員國，拉開了具有國際實(shí)質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認(rèn)證的帷幕。工程教育專業(yè)認(rèn)證有三個(gè)基本理念：成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心和持續(xù)改進(jìn)。采用成果導(dǎo)向的教育模式開展工程教育改革，對于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力的工科人才具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

OBE教育理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，注重教學(xué)過程的輸出而不是其輸入，需要我們以學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)出為出發(fā)點(diǎn)，反向設(shè)計(jì)教學(xué)活動和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5]。如何構(gòu)建科學(xué)的課程教學(xué)體系，以學(xué)生為中心進(jìn)行研究型的教學(xué)，并制定多元化和梯次的教學(xué)效果評價(jià)方法來實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的規(guī)范化評估，是OBE教育理念實(shí)踐中亟待解決的關(guān)鍵問題。本文在新工科建設(shè)的大背景下，基于OBE教育理念對操作系統(tǒng)課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐，探索如何構(gòu)建符合OBE理念的軟件工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程的教學(xué)體系和多元、量化的教學(xué)效果評價(jià)方法，以期不斷改進(jìn)和提升操作系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐水平。

3? ?操作系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀（The current situation of operating system teaching）

操作系統(tǒng)課程的系統(tǒng)性和理論性較強(qiáng)，所包含的概念多且較為抽象，相關(guān)原理的講解也較困難，學(xué)生對知識點(diǎn)的理解往往不夠透徹。課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)往往也較為薄弱，學(xué)生對操作系統(tǒng)技術(shù)方面的細(xì)節(jié)所知甚少，對操作系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制大多缺乏深入的理解[6]。在以往的教學(xué)過程中也是以知識傳授為主，重點(diǎn)關(guān)注的是學(xué)生掌握現(xiàn)有課程知識的情況，忽視了對學(xué)生獨(dú)立分析和解決較復(fù)雜問題能力的考核，不利于學(xué)生系統(tǒng)綜合分析、設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力的提升。

4? 基于OBE的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革（Teaching reform of operating system course based on OBE）

4.1? ?教學(xué)方式改革

在操作系統(tǒng)課程中我們不斷嘗試和創(chuàng)新教學(xué)方法，活躍課堂氣氛，以學(xué)生為課堂的主體，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生積極、主動參與教學(xué)活動，取得良好的教學(xué)效果。

（1）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法

該方法以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)和分析研究解決問題的能力。教師在課前提供相關(guān)的教學(xué)視頻及適當(dāng)?shù)拈喿x材料，要求學(xué)生在課前自學(xué)課程的內(nèi)容，在課堂上則不再詳細(xì)地從頭講解課程內(nèi)容，而主要是重點(diǎn)講解核心的概念，啟發(fā)課堂討論，解答學(xué)生在自學(xué)過程中遇到的問題，同時(shí)做一些相應(yīng)的測試來鞏固和加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解。

為了實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”需要制作較好的視頻材料，在此次教改中，我們將主要的精力放在如何組織課堂的設(shè)計(jì)上，視頻素材主要參考了清華大學(xué)的向勇副教授和北京大學(xué)的陳向群教授的相關(guān)視頻。因?yàn)閷W(xué)生事先學(xué)習(xí)了相關(guān)的課程視頻，在課堂上一些概念性的內(nèi)容和基本的原理可快速地進(jìn)行介紹，如何支配較傳統(tǒng)課堂上多出來的時(shí)間成為我們課堂教學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)調(diào)課前的預(yù)習(xí)和課堂教學(xué)的結(jié)合，可充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢，教師不能照本宣科地完成課堂教學(xué)任務(wù)，而需要根據(jù)學(xué)生情況來靈活地安排課堂對話與討論，對于授課教師提出了更高的要求。此次教改我們僅對操作系統(tǒng)存儲管理的部分內(nèi)容采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式。

通過以微視頻的形式讓學(xué)生預(yù)習(xí)課堂內(nèi)容，可以讓學(xué)生帶著問題進(jìn)課堂，老師在課堂上主要是針對性地解答學(xué)生的疑問和組織學(xué)生開展充分的互動交流。老師在課堂上只是起到一個(gè)輔助教學(xué)的作用，課堂以學(xué)生作為中心，老師從旁指導(dǎo)，把課堂上更多的時(shí)間留給學(xué)生進(jìn)行討論和互動，充分體現(xiàn)了學(xué)生的課堂主體地位。而對于課堂上的對話與討論，則需要授課教師事先進(jìn)行精心的準(zhǔn)備。老師在課前需查找大量資料，準(zhǔn)備討論的問題和測試的練習(xí)題，以及在課堂上因勢力導(dǎo)地現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題開展討論，進(jìn)而構(gòu)建富有成效的面對面互動教學(xué)活動。

例如在講解內(nèi)存管理部分內(nèi)容時(shí)，我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式，事先提供了北京大學(xué)陳向群教授的教學(xué)視頻和一些閱讀材料讓學(xué)生自學(xué)，在課堂上主要是解答學(xué)生的問題并組織學(xué)生討論，然后通過課堂小測試發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題并開展針對性的教學(xué)，而不是單純地由教師傳授信息，極大地調(diào)動了課堂氣氛，取得了較滿意的教學(xué)效果。

（2）智慧課堂教學(xué)法

學(xué)校教務(wù)處近年來投入大量資金建設(shè)了多間智慧教室，來促進(jìn)合作式的探究學(xué)習(xí)、增進(jìn)課堂高效互動和幫助學(xué)生激發(fā)潛能、發(fā)展智慧。在操作系統(tǒng)的課程教學(xué)中，我們多次使用智慧教室來實(shí)現(xiàn)動態(tài)開放的課堂教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的獨(dú)立性、自主性，通過智慧課堂的方式幫助學(xué)生地積極參與到課堂中來表達(dá)自己的見解，在課堂上采用分組討論、合作探究的方式就教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題開展深入的互動交流和探索，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時(shí)通過智慧教室可及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，并給予及時(shí)的引導(dǎo)和幫助，有力地促進(jìn)了學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。

（3）雨課堂教學(xué)法

為更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)過程情況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學(xué)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣和效率，我們在操作系統(tǒng)課程教學(xué)過程中，使用了清華大學(xué)研發(fā)的雨課堂軟件。

雨課堂將學(xué)生中普遍使用的微信和課堂教學(xué)的PPT進(jìn)行了融合，搭建起了課堂教學(xué)和課外學(xué)習(xí)的溝通橋梁，實(shí)現(xiàn)了課堂互動的24小時(shí)在線。授課教師通過雨課堂可將各類教學(xué)資源便捷地放入幻燈片，也可隨時(shí)隨地將授課PPT、練習(xí)題、微視頻等教學(xué)資源通過微信推送給學(xué)生。學(xué)生只要掃二維碼或輸入課堂暗號進(jìn)入課堂，就可以非常便捷地在微信小程序中查看老師實(shí)時(shí)推送的各種學(xué)習(xí)資料。對于不理解的幻燈片，學(xué)生還可以在該頁幻燈片上點(diǎn)擊“不懂”按鈕進(jìn)行標(biāo)注反饋，教師可以根據(jù)學(xué)生點(diǎn)擊不懂的幻燈片的人數(shù)和頁數(shù)掌握學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的問題并及時(shí)地進(jìn)行答疑，進(jìn)而為這些學(xué)生提供個(gè)性化的指導(dǎo)。

學(xué)生通過雨課堂可及時(shí)地找到老師提供的各種學(xué)習(xí)資料，還可以匿名或?qū)嵜姆绞浇o老師提建議，靈活地與教師開展全天候的互動。授課教師通過雨課堂給學(xué)生發(fā)送練習(xí)題和測試問卷，實(shí)時(shí)地了解學(xué)生對知識的掌握情況，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整授課的節(jié)奏，還可通過開啟課堂彈幕和學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)的溝通，極大地拓展了教學(xué)的趣味性和實(shí)用性。

通過雨課堂提供的全周期的教學(xué)數(shù)據(jù)分析，授課老師對于課前、課堂和課后的學(xué)生學(xué)習(xí)情況都可以及時(shí)地獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而為幫助學(xué)生掌握理解知識、增強(qiáng)分析和解決問題的能力提供了強(qiáng)有力地支撐。

（4）采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

為培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和解決問題能力，操作系統(tǒng)課程采用了任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法[5]對虛擬機(jī)的安裝與使用、進(jìn)程通信機(jī)制、多線程應(yīng)用和經(jīng)典同步問題等內(nèi)容組織了小班討論。要求學(xué)生以小組為單位，分工協(xié)作、查閱資料、編寫演示程序和撰寫書面報(bào)告，并在課堂上分享討論。通過課堂上的分析與辯論激發(fā)新思想，促進(jìn)學(xué)生深入地掌握知識、鍛煉團(tuán)隊(duì)合作和自主解決問題的能力。

在教學(xué)過程中我們始終以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)研究型的教學(xué)模式，注重教學(xué)過程中的輸出，把難度較低的知識內(nèi)容留給學(xué)生自學(xué)，教師主要關(guān)注核心概念和重要算法的講解，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析解決問題，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)問題的能力。同時(shí)在課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融入實(shí)際的操作系統(tǒng)，以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力訓(xùn)練。

4.2? ?教學(xué)內(nèi)容改革

在教學(xué)內(nèi)容方面，我們強(qiáng)調(diào)學(xué)生對操作系統(tǒng)整體知識和邏輯體系的把握，并加大實(shí)踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，具體從兩個(gè)方面進(jìn)行了改革。首先，課程組在教材方面選擇國內(nèi)外廣泛認(rèn)可的亞伯拉罕·西爾伯沙茨等編著的《Operating System Concepts， 9th Edition》作為主要教材，并將北京大學(xué)陳向群教授等譯的《操作系統(tǒng)—精髓與設(shè)計(jì)原理》作為教學(xué)參考書。

基于軟件工程專業(yè)工程認(rèn)證的要求，課程教學(xué)組結(jié)合OBE教學(xué)理念對課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了全面的定位與規(guī)劃，如表1所示。

根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)我們對課程的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行了重新規(guī)劃，課程共計(jì)80學(xué)時(shí)，48學(xué)時(shí)的理論授課，16學(xué)時(shí)的小班討論，16學(xué)時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)，共計(jì)16周。課程教學(xué)計(jì)劃如表2所示。

其次，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面我們將傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)調(diào)整為設(shè)計(jì)型或綜合性的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)，如《向Linux內(nèi)核增加系統(tǒng)調(diào)用》的實(shí)驗(yàn)等，將學(xué)生對Linux操作系統(tǒng)的基本原理從知識理解層面提升到實(shí)踐應(yīng)用層面，注重增強(qiáng)學(xué)生的綜合分析設(shè)計(jì)能力和實(shí)際開發(fā)能力。

4.3? ?考核方式改革

課程采用了多元化、梯次的考核方式，避免了以期未考試一考定成績的情況。課程利用學(xué)校提供的課程中心平臺，建立了課程網(wǎng)站及課程的習(xí)題庫，利用習(xí)題庫進(jìn)行了分章節(jié)的網(wǎng)上測試，同時(shí)利用課程網(wǎng)站的網(wǎng)上論壇增強(qiáng)師生之間，以及同學(xué)之間的互動，對互動較積極的同學(xué)給予必要的平時(shí)成績獎勵(lì)。課程綜合了課堂平時(shí)情況成績、期中考試成績、網(wǎng)上測試成績和小班分組討論成績、實(shí)驗(yàn)成績和期末考試成績來確定學(xué)生的最終課程成績，獲得了較好的學(xué)習(xí)成果評定效果。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

在新工科建設(shè)的大背景下，我們基于OBE成果導(dǎo)向的教育理念，主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式三個(gè)方面探索了操作系統(tǒng)課程教學(xué)的改革。雖然在課程教改實(shí)踐的初期學(xué)生感覺學(xué)習(xí)難度和壓力較大，并有一些報(bào)怨情緒，但在課程結(jié)束后，學(xué)生們普遍反映在知識獲取和能力提高上獲益非淺。基于OBE模式的操作系統(tǒng)教學(xué)改革，有效地提高了學(xué)生分析和解決較復(fù)雜操作系統(tǒng)問題的能力。

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作者簡介：

周軍海（1974-），男，博士，助理教授. 研究領(lǐng)域：軟件工程，無線傳感器網(wǎng)絡(luò).