以能力培養(yǎng)導向的操作系統(tǒng)課程混合式教學探索

[摘 要] 隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代課堂采用混合式教學方式已成為大勢所趨。論文分析了傳統(tǒng)教學方式下操作系統(tǒng)課程的不足，提出了以培養(yǎng)學生能力為導向的操作系統(tǒng)課程線上線下混合式教學方案，并給出了詳細的課程混合式教學方式的建設、實施步驟與方法。實踐證明，通過這種方式的教學可以充分發(fā)揮學生的學習主動性，提高學生的綜合能力。

[關鍵詞] 操作系統(tǒng);混合式教學;能力培養(yǎng)導向;以學生為中心

[作者簡介] 任冬梅（1977—），女，黑龍江訥河人，博士，西南石油大學計算機科學學院副教授，主要從事計算機圖像處理研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）06-0105-04? ? [收稿日期] 2020-10-09

一、課程建設背景

操作系統(tǒng)課程作為大學計算機學科的基礎與核心課程，對整個計算機課程體系的學習起著重要作用。該課程知識點繁雜、理論性強、抽象難懂，一直是學生眼中的“硬骨頭”。以往本校操作系統(tǒng)課程的教學方式主要以知識點的課堂講授為主，學生課下完成作業(yè)教師批閱為輔。雖然學生評教也很好，但是隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的飛速發(fā)展，學生可接觸的課程知識與可選擇的學習方式增多，對課程教學帶來了巨大挑戰(zhàn)，舊的教學方式問題越發(fā)凸顯：①以經(jīng)典的操作系統(tǒng)原理為主要教學內(nèi)容，雖然涵蓋處理機、存儲器、I/O設備、文件等操作系統(tǒng)所有基本功能，但有些過于偏重理論，與實際操作系統(tǒng)關聯(lián)少，學生無法學以致用;②教學手段單一不能吸引學生，難以激發(fā)其學習興趣、調(diào)動其學習主動性，導致理論的內(nèi)化吸收與能力的培養(yǎng)提升效果不佳;③課程學時壓縮，如何在有限學時最大化學生的知識吸收亦是一大難點。因此，如何與時俱進、以能力培養(yǎng)導向的開展操作系統(tǒng)課程的教學改革已迫在眉睫。

混合式教學是近年來新興的一種教學方式，其將傳統(tǒng)教學方式與互聯(lián)網(wǎng)學習的優(yōu)勢相結(jié)合，要求老師在課程設計和知識傳遞中，將課堂教學與多種信息技術(shù)進行有機融合，實現(xiàn)線下（面授教學）與線上（網(wǎng)絡教學）的混合式教學[1]。該方式能充分發(fā)揮學生利用資源進行自主學習、鞏固學習、拓展學習的能動性，提升學生的綜合能力，因此，逐漸被各大中院校所采用。

二、以能力培養(yǎng)導向的課程混合式教學設計

課程組以計算機類2018級大綱修訂為契機，以學生能力培養(yǎng)為課程目標，以線上線下混合式教學為手段，對操作系統(tǒng)課程的學習內(nèi)容、組織形式、教學方式、考核方式等多方面進行了重新的設計與建設[2，3]，并在后續(xù)的教學過程進行了有效的探索與實踐。

（一）教學內(nèi)容的調(diào)整

為了提升學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的綜合能力，課程組首先對教學知識點進行了調(diào)整和補充，如刪除舊知識補充新技術(shù)，增加實際系統(tǒng)的原理體現(xiàn)與應用，強調(diào)多模塊間關聯(lián)建立操作系統(tǒng)整體概念，增加操作系統(tǒng)技術(shù)的實現(xiàn)方法、效率與適用性的討論等。

1.刪除舊知識補充新技術(shù)。隨著計算機新技術(shù)的不斷發(fā)展，操作系統(tǒng)的設計也在不斷推陳出新，因此，課程的教學內(nèi)容也應隨之調(diào)整。如增加分布式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、實時系統(tǒng)與多處理系統(tǒng)的調(diào)度、同步的會和機制與futex方案、虛擬機等新知識點，并略過多道批處理系統(tǒng)下的作業(yè)管理、內(nèi)存空間管理的單一連續(xù)/固定分區(qū)分配等過時知識點。

2.增加實際系統(tǒng)的原理體現(xiàn)與應用。為了避免原理學習的枯燥無趣，讓課程更具實用性，在內(nèi)容上同步增加了該原理在實際操作系統(tǒng)的源碼體現(xiàn)與應用舉例。如以Linux源碼為例學習進程控制塊的內(nèi)容與組織形式，進程控制上加入Linux和Windows的實現(xiàn)方法并舉例，增加Linux下套接字與管道通信的實現(xiàn)方法，引入Windows內(nèi)核線程和Java線程庫，源碼學習Linux的進程調(diào)度算法，增加Windows的FAT和NTFS系統(tǒng)和Linux的混合索引方法介紹等。

3.構(gòu)建操作系統(tǒng)的整體概念。操作系統(tǒng)的各章理論表面上相對零散孤立，但本質(zhì)上密切相關，因此，課程組在教學內(nèi)容上要求教師引導學生以問題導向，將各部分原理有機結(jié)合，從而建立起操作系統(tǒng)的整體概念。如在一個具體系統(tǒng)創(chuàng)建進程的工作，要結(jié)合具體系統(tǒng)特點完成PCB的申請（是否有空白PCB的鏈表？）、內(nèi)存空間的申請（選用何種分配方式？連續(xù)還是分頁？全部裝入還是部分裝入？進程與內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有何變化？）、資源的分配（靜態(tài)還是動態(tài)分配？靜態(tài)如何實現(xiàn)？動態(tài)分配如何避免死鎖）、進程的狀態(tài)變化（變就緒還是新建？系統(tǒng)維護的隊列有？）、進程的切換等。以此培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，并讓學生關注系統(tǒng)整體與局部實現(xiàn)細節(jié)并重。

4.側(cè)重算法的實現(xiàn)與性能分析。操作系統(tǒng)中涉及了大量的算法設計，如進程調(diào)度算法、空間的放置算法、頁面置換算法、磁盤調(diào)度算法等。在教學上除了對算法思想與特點進行教學外，更應與學生討論各算法的實現(xiàn)方法和效率，討論各算法在不同系統(tǒng)的適應性。如FCFS調(diào)度算法雖然有很多不足，但因為簡單卻可用于多處理機系統(tǒng)的調(diào)度;置換算法在用于高速緩存和網(wǎng)站頁面緩存置換時的調(diào)整等，從而讓學生做到學以致用。

（二）線上線下混合式教學方式設計

為了培養(yǎng)學生的自主學習能力，充分發(fā)揮學生作為學習主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性，課程組設計采用線上線下混合式教學方式。在設計時需要考慮線上和線下方式的學時與內(nèi)容分配，線上與線下學習的銜接，以及混合式教學的質(zhì)量保證方法等。

1.線上和線下的學時與內(nèi)容分配。課程組考慮課程的特點，內(nèi)容多且具有一定難度，故線上學時分配不宜占比過多，1/4—1/3學時較為合適。線上教學內(nèi)容可以選取三類內(nèi)容進行：一是基礎知識點，這類知識點理解起來比較容易，適合自學，如操作系統(tǒng)的發(fā)展過程、計算機硬件基礎、處理機調(diào)度概述、基本作業(yè)調(diào)度算法、存儲器層次、文件系統(tǒng);二是相似知識點，這類知識點因與已學某知識點相似，可以對比進行自學，具體如：死鎖的檢測與解除、請求分段技術(shù)等;三是適于進行拓展學習的知識點，此類知識點不局限于教材和大綱的內(nèi)容，學生可以廣泛查閱資料，進行補充與拓展性學習，如操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、經(jīng)典進程同步問題、特殊系統(tǒng)調(diào)度設計等。

2.線上與線下學習的銜接。對于與后續(xù)教學內(nèi)容緊密相關的知識點，它們的線上學習截止時間有嚴格要求，同時在后續(xù)知識點學習前必須在線下課堂結(jié)合練習題進行知識重點的回顧強調(diào)與拓展補充，從而保證教學效果。

3.混合式教學的質(zhì)量保證方法。為了保證學生的線上自主學習效果，課程組從多角度著手設計，具體包括線上課件/視頻資料學習任務點的添加、配套練習題的設計、分小組的線上學習知識點PPT匯報、抽問、線下課堂結(jié)合練習題正確率與匯報情況進行重難點講解與拓展補充。

此外，為了學生能進行拓展學習，課程組提供了較多的拓展學習資料;作業(yè)形式也做了改進，在傳統(tǒng)的問答題和計算題基礎上，增加了調(diào)研題、文獻學習總結(jié)、討論題、上機驗證題、算法性能分析題等非標準答案試題;最后，課程組還配套了大量以知識點為單位的自測題，以供學生了解和檢測自主學習情況。通過這些方法鍛煉了學生的資料查閱、文獻學習與總結(jié)能力，小組協(xié)作與表達能力，培養(yǎng)了學生學習的科學精神，同時增強了學生用理論解決具體復雜工程問題的綜合能力。

（三）考核方式改革

以往的課程考核主要依據(jù)作業(yè)、實驗、期末考試三項成績決定，期末考試占比大?，F(xiàn)根據(jù)課程調(diào)整后的教學內(nèi)容和新的混合式教學方式要求，將綜合考慮學生的小組匯報情況、任務點完成情況、考勤、分類作業(yè)成績、分章測試成績、實驗考核、期末成績等多方面，建立形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的較完善的多元課程考核評價體系[4，5]。其中，小組匯報情況的評分將從知識點的理解能力、知識拓展的創(chuàng)新能力、PPT制作的動手能力、匯報過程的表達能力、團隊分工合作能力等多角度綜合評判。具體考核評價體系調(diào)整前后對比如下表所示。

三、課程的線上線下混合式教學實踐

（一）課程線上資源建設

在以學生為主體的線上線下混合式教學方式下，課程的線上資源建設對于調(diào)動學生學習的主動性，進而提高學生學習效果和課程教學質(zhì)量，是至關重要的。

課程組2018年開始在超星平臺的課程中心進行課程的線上資源建設。為方便學生利用零散時間學習，首先對課程的核心知識點進行分解，建立60余個分知識點，針對每個分知識點構(gòu)建配套的資源，包括風格統(tǒng)一美觀的課件、短小精煉的講解視頻（≤15分鐘）、練習題（客觀題）、拓展學習資料;此外，為了讓學生能及時復習鞏固和檢測學習效果，課程組還設計了分章的測試題（含主觀大題）和題量較大的自測題庫。

（二）線上線下混合式教學實施

該模式自2019年在本院2017-2019級的計算機科學與技術(shù)、軟件工程（卓越班）、物聯(lián)網(wǎng)工程等多個專業(yè)開始實施。為保證教學過程的高質(zhì)量完成，課程組認真分析了可能存在的問題，并有針對性地開展了多項工作。

1.“線上學習導學文檔”撰寫。為了避免學生在線上學習時的茫然無措，課程組首先在開課前撰寫和發(fā)布了“線上學習導學文檔”，在此文檔列出課程需要線上自學的內(nèi)容與學時安排，并針對每個線上學習知識點，詳細地指明它所屬的知識脈絡、學習的資料、自學的思路、應掌握的程度、需要完成的任務點、拓展學習內(nèi)容、完成截止時間點等?！爸R脈絡”以思維導圖形式讓學生了解該知識點在操作系統(tǒng)中所處的地位與作用，“自學的思路”教會學生自學的方法和看待問題的視角，“拓展學習內(nèi)容”的引導，實現(xiàn)對學生的分層教學。

2.線上學習過程質(zhì)量控制。為了保證每個學生線上學習的質(zhì)量，采取了以下措施：①在每個線上學習任務前線下課堂進行提醒與學習引導;② 通過課程中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)，了解學生學習情況，督促未完成學生及時完成任務點;③分析學生在練習題中的易錯點和存在的問題，結(jié)合QQ群答疑情況，在線下課堂后續(xù)知識點前進行補充講解與重點強調(diào);④劃分學習小組，以小組為單位進行學習和匯報，實現(xiàn)除師生交流外的生生交流學習，進一步提高學生學習的主動性;⑤評講小組匯報情況，一方面，由教師和各小組共同為匯報小組評講打分，競爭產(chǎn)生動力，引導小組做到更好，另一方面，教師針對知識點進行問題拓展、分析與講解，與學生討論，打開學生思路。

3.課后延伸形式改進。傳統(tǒng)的課后延伸多以書面作業(yè)教師手工批改為主，在信息化時代存在很多弊端，故課程組對課后延伸形式進行了改進，具體包括：①在超星平臺課程中心發(fā)布作業(yè)，學生可在線回答或書面完成拍照上傳，教師方便地進行批改、打回重做、成績統(tǒng)計，并實現(xiàn)永久存儲;② 豐富課后延伸內(nèi)容，提升學生綜合學習能力。在原有問答題和計算題的基礎上，增加文獻調(diào)研題，如“國產(chǎn)操作系統(tǒng)之我見”“分布式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計”，增加參考資料學習總結(jié)題，如“操作系統(tǒng)硬件基礎”，增加討論題，如“多線程技術(shù)的應用”“讀者寫者問題之寫者優(yōu)先”，增加編程驗證題，如“利用Windows/Linux的系統(tǒng)調(diào)用編程實現(xiàn)一個進程的創(chuàng)建撤銷等進程基本控制”;③實施重要知識點和模塊單元測試，以強調(diào)過程學習的重要性，避免學生只期末考試突擊復習，無法深入理解課程內(nèi)容;④利用數(shù)字化工具將課后延伸轉(zhuǎn)化至課內(nèi)吸收，如通過“雨課堂”將題目作為課堂練習進行推送答題，以實時檢驗學生學習效果。

（三）混合式教學效果

通過課程組的大量前期準備工作和授課期間全程多方式的質(zhì)量把控，較好地實現(xiàn)了課程的線上線下混合式教學推進，提升了學生的綜合能力。

以某教學班（63人）為例，在混合式教學過程中線上資源總訪問次數(shù)16915次，平均觀看時長306.5分鐘，作業(yè)的平均提交度92.8%，作業(yè)平均成績94.19，學生參與主題討論積極。小組匯報的質(zhì)量不斷提高，拓展內(nèi)容增多。通過對比實施混合式教學前后3個教學班的成績發(fā)現(xiàn)，教改班學生的平時成績、期末成績及總成績相比非教改班都有明顯提升。學生問卷調(diào)查顯示，僅有7.5%的學生不支持混合式教學。另有少量學生反映，因為學生課程較多，在一周的兩次線下課間完成線上學習內(nèi)容時間緊張，需后期進行調(diào)整。

四、結(jié)語

針對學校操作系統(tǒng)課程教學現(xiàn)狀，本文提出了以能力培養(yǎng)為導向的線上線下混合式教學思路，重新設計和分割了課程線上與線下教學內(nèi)容，調(diào)整和健全了課程考核體系，建設并不斷完善了課程平臺資源庫。在混合式教學實踐過程中，采用了教學全過程監(jiān)控、調(diào)整課后延伸形式等多種方式保證教學質(zhì)量。實踐效果表明，以能力培養(yǎng)為導向的混合式教學方案，能明顯鍛煉學生自主學習能力，培養(yǎng)學生綜合能力素養(yǎng)，促進課程學習效果的全面提升，為專業(yè)人才培養(yǎng)提供了有力保證。

參考文獻

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[5]邱劍鋒，朱二周，周勇，等.OBE教育模式下的操作系統(tǒng)課程教學改革[J].計算機教育，2015（12）：28-30，34.

Abstract： With the development of "Internet+" technology， the blended teaching model has become the trend of the times. This paper analyzes the shortcomings of the traditional teaching method of Operating System course， puts forward the online and offline blended teaching scheme of this course， which is oriented to cultivate students' ability， and gives the detailed construction and implementation steps and methods of the blended teaching model. Practice has proved that this teaching model can give full play to students' learning initiative and improve students' comprehensive ability.

Key words： Operating System; blended teaching; ability training orientation; student-centered