吳慶崗 朱付保 黃偉 錢慎一
(鄭州輕工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,河南鄭州 450001)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力從提出到現(xiàn)在,專家學(xué)者對此進(jìn)行了多次探討,達(dá)成了諸多共識。其中,最具影響力的是2016年舉辦的第四屆高等院校計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)高峰論壇,國防科技大學(xué)王志英教授將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)劃分為三個層次:計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)[2],同時圍繞計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才需要具備的系統(tǒng)能力進(jìn)行了深入的交流與研討。在這些討論的引導(dǎo)下,系統(tǒng)能力培養(yǎng)在重點(diǎn)院校開展得如火如荼。2017年,北京航空航天大學(xué)承辦了第一屆計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽,通過學(xué)科競賽推動專業(yè)建設(shè)和學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)。截至目前,共舉辦了包括操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理和編譯原理等課程在內(nèi)的五屆系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)是讓學(xué)生在掌握計(jì)算系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上,理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件之間的相互關(guān)系,使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問題的能力[3]。系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求課程教學(xué)從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件相關(guān)課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)具有整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動態(tài)性和開放性[4]。結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)離不開計(jì)算機(jī)不同課程內(nèi)容之間的聯(lián)系、理論知識與實(shí)踐能力之間的貫通、多種教學(xué)模式的綜合運(yùn)用和教學(xué)過程性考核的完善。
與重點(diǎn)院校相比,地方院校的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)相對滯后。從第二屆系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽的結(jié)果看,獲得特等獎和一等獎的學(xué)校均為985和211重點(diǎn)院校,而地方院校中僅有濟(jì)南大學(xué)獲得二等獎,河北大學(xué)獲得三等獎[1]。究其原因,主要包括以下兩個方面:首先,從教學(xué)主體看,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)觀念在地方院校教師心目中還未占據(jù)主導(dǎo)地位,導(dǎo)致授課教師只建設(shè)自己所講授的課程,不同課程之間的聯(lián)系沒有給予足夠重視。例如操作系統(tǒng)課程不太重視與計(jì)算機(jī)組成原理和編譯原理等相關(guān)課程的聯(lián)系。其次,從教學(xué)對象看,地方院校學(xué)生由于高考錄取批次的不同,學(xué)生基礎(chǔ)與重點(diǎn)院校相比有較大的差距,容易加大地方院校學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的難度[5]。針對地方院校自身的特點(diǎn),探尋合適的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)為牽引,結(jié)合自身從事操作系統(tǒng)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),對地方院校操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革進(jìn)行探索。
操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重要載體,主要闡述操作系統(tǒng)對處理器、存儲器、I/O設(shè)備、文件和信息等諸多計(jì)算機(jī)資源的管理[6]。從系統(tǒng)能力培養(yǎng)角度看,當(dāng)前操作系統(tǒng)教學(xué)存在如下四個方面的不足:從課程內(nèi)容看,沒有注重課程銜接,學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)通常缺乏不同課程內(nèi)容之間的相互聯(lián)系;從實(shí)驗(yàn)教學(xué)看,課時偏少,不能保障學(xué)生實(shí)戰(zhàn)編程能力得到足夠訓(xùn)練;從教學(xué)模式看,傳統(tǒng)線下教學(xué)容易受到時空約束,不能滿足學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)的需求;從課程考核看,學(xué)生平時對課程知識的掌握難以準(zhǔn)確把握,缺乏過程性考核。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。相應(yīng)地,現(xiàn)有計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程在設(shè)置時大多根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行劃分,任課教師常常囿于本課程的核心內(nèi)容進(jìn)行授課,在很大程度上割裂了不同課程之間內(nèi)容上的緊密聯(lián)系[7]。這種課程設(shè)置方式容易導(dǎo)致關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)間的銜接被嚴(yán)重弱化,引起教師在授課時難以有效地對前驅(qū)課程和后繼課程之間的關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)。操作系統(tǒng)課程概念多,理論抽象,要求學(xué)生具有較好的前驅(qū)計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識儲備。傳統(tǒng)課程教學(xué)將導(dǎo)致學(xué)生僅僅掌握某課程自身獨(dú)有的知識,缺乏系統(tǒng)全局的意識去學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟硬件的知識,進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力不足。
操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課和理論課之間存在緊密聯(lián)系,通過實(shí)驗(yàn)課可以將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際動手能力。然而,實(shí)驗(yàn)課和理論課的總課時是有限的。在這種情況下,為了保證教學(xué)任務(wù)能順利完成,通常實(shí)驗(yàn)課安排較少的學(xué)時,導(dǎo)致沒有充足的時間用于有效訓(xùn)練學(xué)生的動手操作能力。為此,任課老師通常降低實(shí)驗(yàn)難度,僅僅保留對操作系統(tǒng)基本功能和主要算法的模擬驗(yàn)證,同時配以少量綜合型實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)多為模擬驗(yàn)證型,且局限于課本上固有的理論知識,學(xué)生的綜合實(shí)際操作能力無法得到有效訓(xùn)練,難以保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況都屬于不利因素,最終會影響學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)。
目前,線下課堂依然是學(xué)生獲取操作系統(tǒng)知識的主要途徑。但是,傳統(tǒng)操作系統(tǒng)課堂教學(xué)模式單一,學(xué)生只能在固定的時間和地點(diǎn)聽老師講解,而對于特殊情況(如由于疫情的原因不能舉行線下教學(xué)),學(xué)生將無法聆聽教師對相關(guān)知識點(diǎn)系統(tǒng)全面的講解,必然影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和系統(tǒng)能力培養(yǎng)。因此,該教學(xué)模式容易受制于時間和空間的約束。此外,在線下教學(xué)模式中,為了保證教學(xué)進(jìn)度,課堂教學(xué)通常以教師講授為主,容易使學(xué)生感覺自己處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài),鮮有學(xué)生能夠發(fā)揮主觀能動性,做到課前認(rèn)真預(yù)習(xí),課后及時復(fù)習(xí),進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳,不利于學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
操作系統(tǒng)課程考核是教學(xué)活動中的關(guān)鍵一環(huán)。傳統(tǒng)課程考核多以終結(jié)性考核為主,考核依據(jù)主要是學(xué)生的期末考試成績,同時參考學(xué)生課堂出勤率、課后作業(yè)和課堂表現(xiàn)等平時成績。這種終結(jié)性考核在一定程度上可以反映學(xué)生對課程知識的掌握程度,但是不能精細(xì)地監(jiān)控學(xué)生平時的學(xué)習(xí)狀態(tài),故而導(dǎo)致任課教師的反饋相對滯后,教師不能及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況,以便優(yōu)化教學(xué)方法。同時,主要依靠期末考試來評價學(xué)生對知識掌握程度的考核方式不能公平客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,最終影響學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
針對操作系統(tǒng)課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的諸多問題,結(jié)合多年授課經(jīng)驗(yàn),筆者從課程內(nèi)容之間的銜接、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)化、線上線下混合教學(xué)模式和過程性課程考核等四個方面提出改革措施,并在鄭州輕工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的教學(xué)過程中進(jìn)行試點(diǎn),取得令人滿意的教學(xué)效果。具體措施包括以下幾個方面:
(1)擾亂了市場經(jīng)濟(jì)秩序。違法招投標(biāo)不但擾亂了市場經(jīng)濟(jì)秩序而且造成國家固定資產(chǎn)投資規(guī)模的失控,國有資產(chǎn)流失,影響國家宏觀調(diào)控政策的實(shí)施。
操作系統(tǒng)課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系中處于核心位置,起著承上啟下的作用。具體地說,操作系統(tǒng)前驅(qū)課程包括計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成原理等;后續(xù)課程包括編譯原理、并行程序設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等。在教學(xué)過程中,教師應(yīng)當(dāng)注意與前驅(qū)課程的銜接,通過對相關(guān)知識點(diǎn)的串講從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度向?qū)W生講解操作系統(tǒng)的概念和原理,為操作系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)做好鋪墊。下面以C/C++程序設(shè)計(jì)語言課程和編譯原理課程為例,分析如何建立它們與操作系統(tǒng)課程知識之間的聯(lián)系,以更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。
前驅(qū)課程C/C++程序設(shè)計(jì)語言屬于軟件類課程,其中的函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體和文件操作等知識與操作系統(tǒng)課程之間的關(guān)聯(lián)十分緊密。教師對這些知識點(diǎn)進(jìn)行回顧,引導(dǎo)學(xué)生利用課余時間對相關(guān)知識進(jìn)行復(fù)習(xí),為操作系統(tǒng)理論課和實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備,提升學(xué)生閱讀和分析代碼的能力。教師還可以督促學(xué)生落實(shí)代碼編寫規(guī)范,比如變量命名方式、代碼添加注釋等,培養(yǎng)學(xué)生良好的編碼習(xí)慣。后繼課程編譯原理也屬于軟件類課程,主要介紹如何從高級語言轉(zhuǎn)化為匯編語言或機(jī)器語言。教師在講授操作系統(tǒng)課程時,可以給學(xué)生明確計(jì)算機(jī)程序在存儲器中的存儲方式,進(jìn)程或者任務(wù)的執(zhí)行過程等,為后續(xù)課程編譯原理的學(xué)習(xí)做好鋪墊。對操作系統(tǒng)前驅(qū)課程和后繼課程相關(guān)知識點(diǎn)的縱向深入挖掘,可以有效避免不同課程過于強(qiáng)調(diào)課程自身的知識,建立不同課程知識點(diǎn)間的聯(lián)系,有助于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀,促使學(xué)生更好地掌握計(jì)算機(jī)軟硬件知識,從而提高操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果,助推學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
操作系統(tǒng)課程中的實(shí)驗(yàn)根據(jù)難易程度通常分為驗(yàn)證型和綜合型兩大類。其中,驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要復(fù)現(xiàn)課程中算法的執(zhí)行結(jié)果、鞏固和加強(qiáng)理論知識以及培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力,如通過上機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證避免死鎖的銀行家算法等。綜合型實(shí)驗(yàn)則需要學(xué)生首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖孕性O(shè)計(jì)算法,在設(shè)計(jì)算法的過程中綜合考慮各種因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,然后再編寫代碼實(shí)現(xiàn)該算法,如進(jìn)程的動態(tài)高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度實(shí)驗(yàn)等。由此可見,綜合型實(shí)驗(yàn)比驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。然而,綜合型實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中所占比例偏低,這不利于學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
鑒于此,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的必然要求。合理安排操作系統(tǒng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn),可以鍛煉學(xué)生程序設(shè)計(jì)的方法和技巧,提高學(xué)生編寫清晰合理系統(tǒng)程序的能力,進(jìn)而加深學(xué)生對操作系統(tǒng)知識的理解,最終提高學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)操作系統(tǒng)的能力。對于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化,首先,在總課時不變的情況下,適當(dāng)減少驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),增加綜合型實(shí)驗(yàn),為推進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)做好準(zhǔn)備。其次,在實(shí)驗(yàn)課時確定的情況下,驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不變,提高綜合型實(shí)驗(yàn)的難度,采用隨機(jī)抽查方式檢查實(shí)驗(yàn)的完成情況,將有利于督促學(xué)生利用課余時間自主練習(xí)更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化途徑既有區(qū)別又相互補(bǔ)充,其綜合運(yùn)用將有助于提升學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
當(dāng)前,操作系統(tǒng)課程教學(xué)主要采用線下課堂教學(xué)模式,通常能夠比線上教學(xué)模式取得更好的教學(xué)效果。但是,單純的線下教學(xué)模式容易受到時間和空間的限制,不能很好地滿足教學(xué)多樣化的需求,這時線上教學(xué)可作為有益的補(bǔ)充。因此,啟用線上線下混合教學(xué)模式是操作系統(tǒng)教學(xué)發(fā)展的要求,避免線下模式的單一性,有助于更加靈活地進(jìn)行學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)。
在操作系統(tǒng)教學(xué)具體實(shí)施過程中,會存在各種各樣的問題,比如課程教學(xué)計(jì)劃與教學(xué)目標(biāo)需要提前告知學(xué)生;某些過程性考核(如小測驗(yàn))的批改和匯總在線下教學(xué)中需要花費(fèi)較多的時間;有些章節(jié)的內(nèi)容相對容易,學(xué)生可以通過自主學(xué)習(xí)完成,不必采用線下課堂進(jìn)行教學(xué)等。在這種情況下,線上線下混合教學(xué)模式可以彌補(bǔ)單純線下教學(xué)模式的時空局限性。例如,通過建立QQ群在線下教學(xué)之前向?qū)W生發(fā)布課前預(yù)習(xí)提示;讓學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)平臺(如中國大學(xué)MOOC等)觀看視頻和課件等優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源;在線上課堂教學(xué)中更容易實(shí)現(xiàn)對學(xué)生過程性考核結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。因此,線上線下教學(xué)模式能夠充分利用線上線下各種資源開展操作系統(tǒng)教學(xué)活動和教學(xué)創(chuàng)新,更加靈活地培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。
傳統(tǒng)課程考核不能準(zhǔn)確反映學(xué)生真實(shí)學(xué)習(xí)水平,因此增加形成性課程考核所占的比例,強(qiáng)調(diào)自身學(xué)習(xí)過程,提高學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程的主動性,增強(qiáng)對學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。形成性課程考核是對操作系統(tǒng)課程考核的有益補(bǔ)充,可以在開課過程中利用多種現(xiàn)代化教學(xué)工具記錄教學(xué)活動,獲取豐富的形成性評價數(shù)據(jù),更細(xì)致地掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況,對于可能會掉隊(duì)的學(xué)生及時對他們進(jìn)行學(xué)業(yè)預(yù)警,引導(dǎo)學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度。同時,利用課下時間對學(xué)生進(jìn)行針對性輔導(dǎo),幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)成績,重塑學(xué)習(xí)信心。
在操作系統(tǒng)最終課程成績評定中提高形成性評價數(shù)據(jù)所占的比例,課程組制定了包括平時成績(20%)、實(shí)驗(yàn)成績(20%)和期末考試成績(60%)三個方面在內(nèi)的課程考核依據(jù),對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行科學(xué)公平的綜合評定。其中,平時成績包括慕課堂記錄的平時作業(yè)(隨堂作業(yè)或者課后作業(yè))成績、課堂或課后網(wǎng)絡(luò)論壇中學(xué)生參與討論的成績、課堂提問時學(xué)生回答問題的成績以及學(xué)生課堂表現(xiàn)等。實(shí)驗(yàn)成績則包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)完成、實(shí)驗(yàn)報告的撰寫和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收時問題的回答情況等。通過降低期末考試成績所占比重,提升平時成績和實(shí)驗(yàn)成績所占比重,從學(xué)生平時學(xué)習(xí)的過程中加強(qiáng)對學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
近三年,課程組對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)72名學(xué)生集中進(jìn)行操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革試點(diǎn)。學(xué)生學(xué)習(xí)過C/C++程序設(shè)計(jì)語言等前驅(qū)課程。在操作系統(tǒng)課程結(jié)束之后,跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)編譯原理等后繼課程的情況。對于進(jìn)程同步章節(jié)的內(nèi)容,由于進(jìn)程、線程、信號量等基本概念及進(jìn)程互斥和同步等基本原理相對抽象,由教師進(jìn)行線下教學(xué)、重點(diǎn)講解。而處理機(jī)調(diào)度章節(jié)的內(nèi)容相對容易,由學(xué)生自行學(xué)習(xí),教師在線上進(jìn)行問題答疑和組織學(xué)生討論。在授課過程中,通過小測驗(yàn)對學(xué)生進(jìn)行過程性考核,避免單純依靠期末考試終結(jié)性考核。經(jīng)過一系列課程教學(xué)改革,使系統(tǒng)能力培養(yǎng)的落地得到有效保障,大大提升了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生能較完整地掌握計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)知識以及相關(guān)知識點(diǎn)之間的聯(lián)系,過程性考核大大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識,開展系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)班級期末成績平均有了顯著提高。操作系統(tǒng)課程作為重要支撐,學(xué)生獲得省級以上大學(xué)生競賽獎勵10余項(xiàng),每年都有一批優(yōu)秀學(xué)子考入985和211高校研究生繼續(xù)深造,畢業(yè)生應(yīng)聘到網(wǎng)易、滴滴等公司并且其綜合素質(zhì)受到好評。總之,與往屆學(xué)生相比,操作系統(tǒng)課程改革后學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)得到顯著提升。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域教育教學(xué)改革的重要方向之一。為此,地方院校根據(jù)自身特點(diǎn)積極推進(jìn)系統(tǒng)能力培養(yǎng)。在本文中,筆者結(jié)合多年操作系統(tǒng)課程教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)分析當(dāng)前該課程教學(xué)中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)存在的問題,根據(jù)地方院校的特點(diǎn),從課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)模式和課程評價四個方面提出加強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)的改革措施。操作系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐表明,筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過上述改革措施有效提升了學(xué)生的系統(tǒng)能力。隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展,如何在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中引入人工智能最新科研成果,進(jìn)一步提升學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng),是未來值得探索的重要方向。