一流本科課程操作系統(tǒng)混合式教學(xué)模式探索

祁 暉，李 奇，底曉強(qiáng)，武 巖，劉 丹

（1.長春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院；2.長春理工大學(xué)信息化中心，吉林 長春 130022）

0 引言

操作系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，它對(duì)下實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操縱，控制各種資源的分配與使用，擴(kuò)充硬件功能；對(duì)上為用戶程序和其他軟件、工具提供環(huán)境和服務(wù)，方便用戶使用。因而，該課程在培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才中起著非常重要的作用，是一門承上啟下的課程。長春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院一直十分重視操作系統(tǒng)課程建設(shè)，將其設(shè)為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的必修課。經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐，該課程先后被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀課程、校級(jí)精品課程和省級(jí)優(yōu)秀課程。

盡管操作系統(tǒng)課程內(nèi)容和資源已發(fā)展成熟且完備，教學(xué)團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定，但在實(shí)際教學(xué)中仍然存在下列問題：①教學(xué)手段單一。仍然依賴課堂教學(xué)，教學(xué)方式不靈活，無法滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求，同時(shí)課堂教學(xué)因受學(xué)時(shí)限制，無法充分?jǐn)U展知識(shí)點(diǎn)；②教學(xué)內(nèi)容陳舊。沿用傳統(tǒng)知識(shí)概念，偏重理論教學(xué)，注重算法學(xué)習(xí)，而忽略實(shí)際操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，因此學(xué)生在完成課程后仍然停留在操作系統(tǒng)接口層面，不知道實(shí)際操作系統(tǒng)是如何設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的；③教學(xué)工作繁重。目前教學(xué)團(tuán)隊(duì)共有4 名教師，每學(xué)年需要完成12個(gè)班共400 余名學(xué)生的教學(xué)任務(wù)，平均每名教師面對(duì)100余名學(xué)生，無法實(shí)現(xiàn)小班教學(xué)，除備課之外的作業(yè)批改、試卷批改任務(wù)繁重，反過來也影響了備課質(zhì)量。

為提高教學(xué)質(zhì)量，長春理工大學(xué)于2020 年開展了一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目立項(xiàng)工作，本課程被列為線上線下混合式一流課程。為了解決上述痛點(diǎn)，課程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了廣泛調(diào)研，采用混合式教學(xué)模式成為團(tuán)隊(duì)成員的共識(shí)。在傳統(tǒng)教學(xué)中引入線上教學(xué)資源是目前操作系統(tǒng)課程改革的重要方向［1-3］，也是后疫情時(shí)代教育模式轉(zhuǎn)變的一個(gè)趨勢(shì)［4］。當(dāng)然，目前混合教學(xué)模式主要還是解決“教學(xué)手段單一”的問題，而本文提出的混合模式，則延伸到了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，是涵蓋整個(gè)教學(xué)過程的混合模式。

1 相關(guān)研究

隨著教育信息化的發(fā)展，混合教學(xué)模式已逐漸被師生所接受，尤其是受疫情影響，該模式顯現(xiàn)出普及化的趨勢(shì)。但目前混合教學(xué)模式主要還是將線上教學(xué)資源作為傳統(tǒng)課堂的補(bǔ)充或延伸。如文獻(xiàn)［5］在課前采用云學(xué)習(xí)平臺(tái)開展線上教學(xué)；文獻(xiàn)［6］采用BB 平臺(tái)，并引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式；文獻(xiàn)［7］利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)補(bǔ)充課前、課中和課后的教學(xué)活動(dòng)；文獻(xiàn)［8］將騰訊課堂和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，增加線上實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；文獻(xiàn)［9］利用雨課堂開展線上翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)；文獻(xiàn)［10］在線上教學(xué)方面提出多樣化的教學(xué)形式，引入了案例驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)教學(xué)模式和研究型教學(xué)模式；文獻(xiàn)［11］將基于問題的學(xué)習(xí)策略引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式；文獻(xiàn)［12］提出基于深度學(xué)習(xí)的“階梯式加深混合教學(xué)一般模式”，聚焦混合教學(xué)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。

上述混合教學(xué)模式均借助線上教學(xué)平臺(tái)，在教學(xué)方法上有一定創(chuàng)新，取得了較好的效果。但正如本文引言部分所述，目前的混合模式主要還是解決“教學(xué)手段單一”的問題，重在教學(xué)方法上的混合。如文獻(xiàn)［5-8］均較少涉及教學(xué)內(nèi)容改革；文獻(xiàn)［9-10］重在線上教學(xué)過程，并未充分論述如何進(jìn)行線上教學(xué)評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)［11］盡管涉及教學(xué)內(nèi)容改革，但新增內(nèi)容主要還是以操作系統(tǒng)接口層面為主，并未觸及系統(tǒng)核心；文獻(xiàn)［12］雖然在教學(xué)方法和評(píng)價(jià)上均引入線上線下混合模式，但未考慮如何提升教學(xué)效率。綜上，文獻(xiàn)［5-12］均未關(guān)注教學(xué)效率方面，而這是本文關(guān)注的一個(gè)重要方面，對(duì)充分挖掘混合教學(xué)模式的潛力有積極意義。

2 建設(shè)目標(biāo)與內(nèi)容

為破解教學(xué)手段單一、教學(xué)內(nèi)容陳舊和教學(xué)工作繁重這3 個(gè)痛點(diǎn)問題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)圍繞下列3 個(gè)方面開展課程建設(shè)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評(píng)價(jià)上均采用混合模式。

2.1 構(gòu)建分層次混合的教學(xué)內(nèi)容

為適應(yīng)學(xué)生的差異化教學(xué)，建立層次化的操作系統(tǒng)課程理論及實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容?；A(chǔ)理論課程內(nèi)容主要面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)自然班的學(xué)生，以西安電子科技大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（第四版）》為藍(lán)本，結(jié)合中國大學(xué)MOOC 線上平臺(tái)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)《操作系統(tǒng)》資源，重點(diǎn)講授操作系統(tǒng)內(nèi)核中關(guān)于處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理和文件系統(tǒng)的基本概念、設(shè)計(jì)原理、方法與技術(shù)，注重基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)。而面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生，在上述基礎(chǔ)理論課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將Linux 作為操作系統(tǒng)的實(shí)例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜系統(tǒng)工程問題的能力。同樣，在操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中，在傳統(tǒng)算法實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上引入操作系統(tǒng)內(nèi)核修改實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)難易程度進(jìn)行劃分，將中等及以下難度實(shí)驗(yàn)作為普通課程實(shí)驗(yàn)，而將中等以上難度實(shí)驗(yàn)作為課程設(shè)計(jì)題目。全面訓(xùn)練學(xué)生的編程能力，以促進(jìn)學(xué)生深刻了解操作系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。通過概念原理和內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的混合，解決教學(xué)內(nèi)容陳舊問題。

2.2 開展線上線下混合教學(xué)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，慕課等一批優(yōu)質(zhì)線上教學(xué)平臺(tái)進(jìn)一步豐富了教學(xué)手段。只依賴于線上教學(xué)容易導(dǎo)致面對(duì)面交流機(jī)會(huì)缺乏，學(xué)習(xí)效果難以評(píng)估，而傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式雖然已經(jīng)融合了多媒體等多個(gè)元素，但教學(xué)資源相對(duì)單一、教學(xué)模式死板，基于線上線下的混合式教學(xué)方法將發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量。鑒于此，采用基于SPOC 的線上線下混合教學(xué)模式，即SPOC=MOOC+課堂。具體教學(xué)過程：根據(jù)教學(xué)大綱，每周定期發(fā)布視頻教學(xué)材料，布置作業(yè)和組織網(wǎng)上討論。學(xué)生在學(xué)習(xí)清單的引導(dǎo)下按照時(shí)間點(diǎn)完成視頻觀看、作業(yè)和參加討論。在課堂上，教師進(jìn)行課堂授課，處理網(wǎng)絡(luò)課程答疑，并進(jìn)行課堂測(cè)試。SPOC 利用MOOC 技術(shù)支持教師將時(shí)間和精力轉(zhuǎn)向更高價(jià)值的活動(dòng)中，如討論、任務(wù)協(xié)作和面對(duì)面交流互動(dòng)等。此外，通過雨課堂與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，并根據(jù)課上學(xué)生大數(shù)據(jù)分析及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度，保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過線上自主和線下互動(dòng)的混合，解決教學(xué)手段單一問題。

2.3 改革考核方式，引入智能評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的“操作系統(tǒng)”課程偏重理論知識(shí)考核。為了鼓勵(lì)學(xué)生積極動(dòng)手實(shí)踐，需要改革課程考核方式，將問題分析和解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等列入成績的評(píng)定指標(biāo)中。調(diào)整期末考試和平時(shí)成績比例，分別占60%和40%。調(diào)整平時(shí)成績的考核指標(biāo)，從學(xué)習(xí)態(tài)度、應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、個(gè)人修養(yǎng)等4 個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定方式采取組內(nèi)自評(píng)、組間互評(píng)和教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。為支持能力考查，需要增加主觀題比重，而大量主觀題的出題和評(píng)分勢(shì)必增加教師的工作負(fù)擔(dān)。為此，引入主觀題自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，以機(jī)器+人工的方式提高評(píng)分效率，并保證評(píng)分結(jié)果的客觀性。通過線上智能評(píng)價(jià)和線下過程考核的混合，解決教學(xué)工作繁重問題。

3 建設(shè)進(jìn)展

3.1 課程資源建設(shè)與完善

基于課程教學(xué)需要，將中國慕課中的優(yōu)質(zhì)資源引入課堂，包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)李治軍、北京交通大學(xué)翟高壽、北京郵電大學(xué)蔣硯軍、常州大學(xué)莊麗華等主講的操作系統(tǒng)課程及Linux 操作系統(tǒng)編程的部分內(nèi)容。

基于學(xué)習(xí)通平臺(tái)，建設(shè)操作系統(tǒng)課程資源，包括：課程介紹、負(fù)責(zé)人團(tuán)隊(duì)介紹、課程公告、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、教案或演示文稿、重難點(diǎn)指導(dǎo)、在線作業(yè)、在線測(cè)驗(yàn)、教材、參考資料和課程教學(xué)視頻等。明確線上資源定位，主要將Linux 內(nèi)核實(shí)現(xiàn)相關(guān)介紹移到線上，作為理論課程的重要補(bǔ)充。為了督促學(xué)生開展線上學(xué)習(xí)，將線上作業(yè)、測(cè)驗(yàn)結(jié)果作為過程性評(píng)價(jià)的重要來源，建立過程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的多元化考核評(píng)價(jià)模式。

3.2 教學(xué)內(nèi)容與方式改革

建設(shè)校內(nèi)課程資源、結(jié)合校外優(yōu)質(zhì)課程資源、引入研討教學(xué)、案例教學(xué)和項(xiàng)目教學(xué)等多樣化手段與方法，開展“以學(xué)生發(fā)展為中心”的教學(xué)。改革實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，在原有算法實(shí)驗(yàn)題目基礎(chǔ)上，引入Linux 內(nèi)核修改實(shí)驗(yàn)（見表1），并對(duì)實(shí)驗(yàn)難易程度進(jìn)行劃分，將最難的兩個(gè)題目作為綜合性的選做題，學(xué)生可在課程設(shè)計(jì)時(shí)任選一道題目，從而銜接了理論教學(xué)和課程設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了課程的教學(xué)過程［13-16］。

Table 1 Operating system experiment topics表1 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)題目

3.3 操作系統(tǒng)題庫與作業(yè)庫建設(shè)

開發(fā)了考試系統(tǒng)，并引入人工智能技術(shù)對(duì)主觀題進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分，以減輕教師的批改工作負(fù)擔(dān)，使其將更多精力投入備課等環(huán)節(jié)，以提高教學(xué)質(zhì)量?？紤]到人工智能技術(shù)目前還不完善［17-18］，因此考試系統(tǒng)采用的是機(jī)器+人工的批改方式（見圖1），機(jī)器僅僅是給出建議得分，最終得分仍然需要人工復(fù)核，以確保成績的準(zhǔn)確性。

Fig.1 Exam system scoring interface圖1 考試系統(tǒng)評(píng)分界面

目前已在考試系統(tǒng)中規(guī)范化錄入試題3 000 多道，包括選擇題、填空題、判斷題、簡答題、計(jì)算題等，既包括各章節(jié)練習(xí)題，也包括往年考研真題，建成了層次化試題庫。同時(shí)，根據(jù)每小節(jié)的講授內(nèi)容設(shè)計(jì)了作業(yè)庫。

4 建設(shè)成果

本課程借助于學(xué)習(xí)通平臺(tái)，對(duì)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)情況，包括出勤、討論、作業(yè)、單元測(cè)驗(yàn)、隨堂小測(cè)驗(yàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。截至2021 年5 月，學(xué)生在學(xué)習(xí)通平臺(tái)的章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)統(tǒng)計(jì)達(dá)到14 772 次（見圖2）。

Fig.2 Xuexitong platform statistics圖2 學(xué)習(xí)通平臺(tái)統(tǒng)計(jì)

發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)18 個(gè)、非任務(wù)點(diǎn)2 個(gè)。其中包括12 個(gè)慕課線上自學(xué)視頻任務(wù)，8 個(gè)章節(jié)小測(cè)驗(yàn)，學(xué)生完成率在96%以上（見圖3）?？梢?，課程改革后，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性很高。

Fig.3 Completion of online resource learning圖3 線上資源學(xué)習(xí)完成度

由于引入了自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，教師閱卷時(shí)僅需復(fù)核即可，極大減少了人工操作量。為了驗(yàn)證自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的實(shí)際效果，課程團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩組對(duì)比測(cè)試：一組測(cè)試不同人在有自動(dòng)評(píng)分輔助和無自動(dòng)評(píng)分輔助時(shí)，評(píng)閱每道題所需時(shí)間（測(cè)試結(jié)果見圖4）；另一組測(cè)試同一個(gè)人在有自動(dòng)評(píng)分輔助和無自動(dòng)評(píng)分輔助時(shí)評(píng)閱每道題所需時(shí)間（測(cè)試結(jié)果見圖5）。綜合來看，引入自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)平均可以減少45.5%的評(píng)閱時(shí)間。

Fig.4 Test results of first set圖4 第一組測(cè)試結(jié)果

Fig.5 Test results of second set圖5 第二組測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

本文闡述了操作系統(tǒng)課程的混合式教學(xué)模式，該模式將混合教學(xué)應(yīng)用于教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，以解決目前教學(xué)實(shí)踐中存在的痛點(diǎn)。通過一年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生參與度明顯提升，教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)也得以較大程度地減輕。就課程本身而言，重點(diǎn)是解決了傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程理論知識(shí)過重的弊端，將實(shí)際操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引入課堂，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，以及分析問題和解決問題的能力，使其在今后的職業(yè)生涯中，面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，能夠提出創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和解決方案，為我國突破核心關(guān)鍵技術(shù)貢獻(xiàn)力量。