基于工程教育認(rèn)證的操作系統(tǒng)課程知識圖譜構(gòu)建研究

熊曉蕓 劉秀燕

摘?要：操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)核心課程，學(xué)生在操作系統(tǒng)課程的教學(xué)過程中存在重概念與知識，能力不足的問題。在工程教育認(rèn)證理念的指導(dǎo)下，提出以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的課程目標(biāo)為核心，以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力為目標(biāo)，以問題為驅(qū)動的方法構(gòu)建操作系統(tǒng)課程的知識圖譜，將知識與問題關(guān)聯(lián)，通過解決問題支撐能力的培養(yǎng)，全面提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)課程;知識圖譜;構(gòu)建研究

我國早在2006年就積極參與到工程教育專業(yè)認(rèn)證的工作中，計(jì)算機(jī)專業(yè)是首批試點(diǎn)專業(yè)[1]。經(jīng)過十年的發(fā)展，2016年6月，我國正式加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織，現(xiàn)在已有越來越多的高校通過或正在進(jìn)行工程教育認(rèn)證，以O(shè)BE為核心的教育理念正在推動著教育供給側(cè)改革，使得原有的“以教師為中心”的教學(xué)結(jié)構(gòu)過渡到“以學(xué)生為中心”的教學(xué)結(jié)構(gòu)，從重視學(xué)生學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾晫W(xué)生具備的能力，在學(xué)生的整個(gè)培養(yǎng)過程中，通過直接與間接的評價(jià)方法監(jiān)測學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，對教學(xué)過程產(chǎn)生不斷反饋，從而實(shí)現(xiàn)對自身教育質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的機(jī)制[2]。

在工程教育認(rèn)證核心教學(xué)理念指導(dǎo)下，畢業(yè)要求服務(wù)于培養(yǎng)目標(biāo)，課程體系支撐著畢業(yè)要求，課程體系每門課程的課程目標(biāo)則相應(yīng)支撐著畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，所有教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)施圍繞課程目標(biāo)展開，最終以課程目標(biāo)達(dá)成度作為評價(jià)，進(jìn)行課程質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。因此，在課程教學(xué)與考核過程中，如何將課程中傳授的知識與課程目標(biāo)評價(jià)中學(xué)生具備的能力、素質(zhì)聯(lián)系起來，成為課程教學(xué)改革關(guān)注的重點(diǎn)。

1?操作系統(tǒng)課程的重要性與教學(xué)現(xiàn)狀

在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求下，課程體系中的專業(yè)核心課程承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的重要職責(zé)。操作系統(tǒng)及其開發(fā)問題本身就是復(fù)雜工程問題，在課程教學(xué)過程中要求學(xué)生深入理解其中復(fù)雜的工程原理和理論，并能夠應(yīng)用其解決復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問題[3]。

操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件資源的系統(tǒng)軟件，操作系統(tǒng)課程是高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)核心課程之一，課程內(nèi)容主要涉及操作系統(tǒng)的基本概念、處理機(jī)管理、存儲器管理、設(shè)備管理與文件系統(tǒng)，具有知識面涉及廣、概念多、算法多、原理抽象、理論性與實(shí)踐性并重的特點(diǎn)[4]。通過先修課程“計(jì)算機(jī)組成原理”與“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的學(xué)習(xí)，學(xué)生具備很好的軟硬件基礎(chǔ)，通過操作系統(tǒng)系統(tǒng)課程能將計(jì)算機(jī)的工作原理由內(nèi)而外地串接起來。同時(shí)，操作系統(tǒng)作為一個(gè)大型系統(tǒng)軟件，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的原理對學(xué)生今后設(shè)計(jì)大型應(yīng)用程序有很大的幫助，一方面能夠通過合理分析大型軟件設(shè)計(jì)中的相互制約關(guān)系，高效解決設(shè)計(jì)中并發(fā)、并行帶來的資源管理問題;另一方面能夠通過科學(xué)分析制約程序運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素（CPU、內(nèi)存、外設(shè)），提高代碼的運(yùn)行效率。例如，瀏覽器的開發(fā)，單進(jìn)程瀏覽器面對響應(yīng)速度、魯棒性、安全性方面的挑戰(zhàn)，而多進(jìn)程（線程）瀏覽器如何提高性能，在編程時(shí)多進(jìn)程又是如何進(jìn)行相互合作完成任務(wù)的，這些背后用到的都是操作系統(tǒng)中的知識與原理。因此，在操作系統(tǒng)教學(xué)過程中，將知識的傳授與能力、素質(zhì)的培養(yǎng)銜接起來，同時(shí)將學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果反饋到相應(yīng)知識傳授環(huán)節(jié)就顯得尤其重要。

在以往的教學(xué)過程中，課程的教是以教師在課堂上按照材料章節(jié)講解概念與原理為主，部分學(xué)生對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的定位是用考試成績衡量，在考試環(huán)節(jié)中體現(xiàn)出對知識前后關(guān)聯(lián)較弱，不但課程與課程之間存在知識壁壘，章節(jié)之間也存在知識壁壘，造成學(xué)習(xí)效果不佳;在后續(xù)實(shí)踐環(huán)節(jié)中沒有將操作系統(tǒng)理論應(yīng)用于項(xiàng)目的意識，只是關(guān)注于項(xiàng)目開發(fā)語言本身與單個(gè)功能、單個(gè)應(yīng)用程序，而未考慮多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)環(huán)境下，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與影響性能等的因素，這就造成了這部分的學(xué)生表面上看成績是合格的，但實(shí)際上能力還是存在欠缺，這與工程教育認(rèn)證中畢業(yè)要求不相符。

2?操作系統(tǒng)課程目標(biāo)

在工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，通過借鑒國內(nèi)同類高校操作系統(tǒng)課程工程教育專業(yè)認(rèn)證實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，課程組對操作系統(tǒng)課程的課程目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，以支撐人才培養(yǎng)目標(biāo)中培養(yǎng)“具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力的應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才”的要求。

操作系統(tǒng)課程目標(biāo)對應(yīng)于本專業(yè)畢業(yè)要求中的“工程知識”“問題分析”“設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”“使用現(xiàn)代工具”四個(gè)畢業(yè)要求，課程目標(biāo)與畢業(yè)要求及相應(yīng)指標(biāo)點(diǎn)支撐關(guān)系如下表所列：

3?操作系統(tǒng)課程知識圖譜的構(gòu)建

操作系統(tǒng)課程目標(biāo)的核心問題是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，所有的教學(xué)活動都是圍繞這個(gè)核心問題展開的，解決復(fù)雜工程問題的第一步是問題發(fā)現(xiàn)，后續(xù)在問題發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、評價(jià)、改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)能力的這一目標(biāo)。而在課程教學(xué)中，不管是授課內(nèi)容，輔助學(xué)習(xí)的習(xí)題與訓(xùn)練，考核都是以知識點(diǎn)為基本單位。如何將授課中的知識點(diǎn)與課程目標(biāo)中培養(yǎng)的能力聯(lián)系起來，成為我們教學(xué)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

通過對操作系統(tǒng)課程中的知識點(diǎn)進(jìn)行歸納、總結(jié)與分析，沿著能力培養(yǎng)這根主線，知識點(diǎn)支撐了問題的提出、問題的分解與問題的解決三個(gè)層次，通過知識的支撐，引導(dǎo)學(xué)生在理解、分析、分解與解決問題的過程中，達(dá)到了課程目標(biāo)中培養(yǎng)能力的這個(gè)要求。如圖1所示，問題層是整個(gè)層次中承上啟下的核心層，其中知識點(diǎn)是其中重要的黏合劑，支撐著問題從提出到解決的全流程。

為了更好地描述上述關(guān)系結(jié)構(gòu)圖，使得整個(gè)教學(xué)過程中基本單元的知識點(diǎn)能夠與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，能夠與能力培養(yǎng)相關(guān)聯(lián)，我們采用知識圖譜全面刻畫知識點(diǎn)、問題、子問題、解決方法、課程目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)與邏輯性，從而將能力培養(yǎng)的路徑清晰地描繪出來。在此基礎(chǔ)上，通過題庫將學(xué)生訓(xùn)練與考核的結(jié)果能夠直接反饋到畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)中所培養(yǎng)的能力，為解決課程教學(xué)中的“教”“學(xué)”“反饋”提供科學(xué)依據(jù)。基于此思想，課程知識圖譜的本體模型初步設(shè)計(jì)如圖2所示。

考慮到大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣是按照教材章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，為此在操作系統(tǒng)課程知識圖譜的構(gòu)建過程中，我們增加了章節(jié)本體，章節(jié)與問題之間的關(guān)系為包含關(guān)系，每全章節(jié)都針對課程目標(biāo)構(gòu)建出支撐課程目標(biāo)的問題，再將問題分解為若干子問題，對每個(gè)子問題提出相應(yīng)的解決方法，最后建立不同抽象級別的知識點(diǎn)與問題、子問題、解決方法之間的關(guān)聯(lián)。問題的抽取既要考慮問題的聚焦性，又要考慮問題分解與解決方法間的層次，這項(xiàng)工作以教師提煉為主。

下面以“死鎖問題”為例，列出以問題為核心創(chuàng)建課程內(nèi)容知識圖譜的一種思路。“死鎖問題”可以分解為三個(gè)子問題：“預(yù)防死鎖”“避免死鎖”“檢測并解除死鎖”，每個(gè)子問題又可以分解為若干個(gè)解決方法。該問題的知識圖譜可視化如圖3所示。

根據(jù)課程建設(shè)的需求，對知識圖譜中的本體，我們也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，每個(gè)本體的屬性可以根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)生學(xué)習(xí)以及教學(xué)反饋不同環(huán)節(jié)的需求進(jìn)行修改，通過這種方法，我們將前期課程建設(shè)中構(gòu)建的題庫、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、知識點(diǎn)進(jìn)行了導(dǎo)入，完成了課程知識圖譜的構(gòu)建。

結(jié)語

本文選擇用知識圖譜將操作系統(tǒng)課程中的大量知識與課程目標(biāo)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，將知識傳授通過一系列問題的解決，貫通為一條培養(yǎng)學(xué)生能力的主線，通過老師端的教學(xué)過程設(shè)計(jì)、學(xué)生端的學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)、教與學(xué)的持續(xù)改進(jìn)循環(huán)，全面提升教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生逐步具備解決復(fù)雜工程問題的能力。隨著知識圖譜與深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)的整合，知識圖譜在課程建設(shè)，乃至課程體系、培養(yǎng)目標(biāo)的修訂指導(dǎo)方面，能夠發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]滕秀花.《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》線上線下混合模式的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2021（4）：109112.

[4]李暢.構(gòu)建操作系統(tǒng)教程知識圖譜[J].電腦知識與技術(shù)，2020，01（16）：123124.

基金項(xiàng)目：本文系“2020年度青島理工大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號：F2020062，F(xiàn)2020061）的研究成果

作者簡介：熊曉蕓（1972—?），女，江西南昌人，副教授;劉秀燕（1987—?），女，山東德州人，講師，主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科核心課程的教學(xué)工作等。