面向新工科育人的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課設(shè)計

趙恒軍

摘要：針對操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺少層次性、綜合性和應(yīng)用性的局限，提出以問題求解為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)課設(shè)計。在教學(xué)組織上，設(shè)計線上課前預(yù)習(xí)、面向問題分析的課堂范例講授、以問題求解為核心的翻轉(zhuǎn)課堂、線上實(shí)驗(yàn)拓展和報告評閱等環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，設(shè)置不同層次復(fù)雜度的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，有機(jī)結(jié)合不同知識點(diǎn)形成綜合性任務(wù)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)任務(wù)與實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性。通過這些舉措，有效培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力，達(dá)到新工科育人的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 新工科; 操作系統(tǒng); 實(shí)驗(yàn)課; 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0169-02

1 引言

教育部關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知（高教司函[2017]6號） 指出：以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。新工科的研究與實(shí)踐越來越受到人們的重視。新工科育人的核心思想是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[1，2]。操作系統(tǒng)課程是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對學(xué)生理解復(fù)雜計算機(jī)系統(tǒng)基本原理至關(guān)重要[3]。與此同時，操作系統(tǒng)是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的課程[4]，合理的實(shí)驗(yàn)課設(shè)計不僅能夠幫助學(xué)生加深對操作系統(tǒng)基本原理的理解，而且能夠提升學(xué)生分析解決計算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力[5]。因此，如何建設(shè)好操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課是面向新工科育人的操作系統(tǒng)課程改革需要思考的核心問題。對此，本文作者及所在教學(xué)團(tuán)隊針對現(xiàn)有操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，充分利用線上課程平臺，以線上線下結(jié)合的教學(xué)模式，通過層次豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計，打造以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂。

2 操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在兩種主要模式：一種是較為傳統(tǒng)的模式，即根據(jù)理論教學(xué)的不同環(huán)節(jié)，如進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理等，設(shè)計相應(yīng)的算法驗(yàn)證型或簡單設(shè)計型實(shí)驗(yàn);另一種是借鑒國內(nèi)外知名高校的經(jīng)驗(yàn)，以一個教學(xué)型操作系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)貫穿整個理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程[6]。這兩種模式各有其優(yōu)勢和適用范圍，但在目前新工科育人大背景下，難以有效達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生利用操作系統(tǒng)基本原理自主分析并解決計算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜工程問題能力的目標(biāo)，其主要的局限性總結(jié)為以下幾個方面：

1） 缺乏層次性

現(xiàn)有操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏層次性的設(shè)計，主要體現(xiàn)在兩個方面。其一，操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成通常依賴對相關(guān)理論知識的深刻理解以及對相關(guān)操作系統(tǒng)API和命令行界面的熟練掌握，這些預(yù)備知識的學(xué)習(xí)（或復(fù)習(xí)） 往往被糅合到正常實(shí)驗(yàn)任務(wù)中;其二，實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)置單一，沒有體現(xiàn)問題復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度的階梯型增長。層次性缺乏帶來的問題是：基礎(chǔ)理論知識和實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)擠占了寶貴的課堂時間，壓縮了在課堂上對學(xué)生進(jìn)行能力培養(yǎng)的空間;單一任務(wù)的設(shè)置忽視了對學(xué)生啟發(fā)式的引導(dǎo)，從而削弱了對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。

2） 缺乏綜合性

現(xiàn)有結(jié)合理論教學(xué)模塊的實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，不同模塊的實(shí)驗(yàn)任務(wù)是孤立的，學(xué)進(jìn)程管理則實(shí)驗(yàn)進(jìn)程操作的系統(tǒng)調(diào)用，學(xué)內(nèi)存管理則驗(yàn)證頁面的置換算法，等，任務(wù)之間缺乏系統(tǒng)的有機(jī)的聯(lián)系。工程問題復(fù)雜性的體現(xiàn)之一就是問題的綜合性，即需要綜合運(yùn)用多種理論、知識、技能才能解決。缺乏綜合性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計無法有效培養(yǎng)學(xué)生對知識技能進(jìn)行融會貫通以應(yīng)對復(fù)雜工程問題的能力。

3） 缺乏應(yīng)用性

不論是依托理論教學(xué)內(nèi)容的簡單驗(yàn)證和設(shè)計式實(shí)驗(yàn)，還是基于教學(xué)型操作系統(tǒng)的完整設(shè)計與實(shí)現(xiàn)式實(shí)驗(yàn)，其核心還是通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深學(xué)生對操作系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的理解與掌握。但操作系統(tǒng)課程的教學(xué)目標(biāo)不應(yīng)拘囿于操作系統(tǒng)這一學(xué)科，對大部分同學(xué)來講，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)將來不一定會親自實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)，但很大可能會利用操作系統(tǒng)的基本原理和技術(shù)解決更廣闊范圍內(nèi)的復(fù)雜工程應(yīng)用問題。目前操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)沒有做到與蓬勃發(fā)展的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、編程語言等領(lǐng)域的最新技術(shù)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景接軌，這導(dǎo)致學(xué)生難以將在操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中學(xué)到的技能遷移到實(shí)際問題中。

3? 以解決問題為導(dǎo)向的課程設(shè)計

針對上文討論的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，本文提出一種以解決問題為導(dǎo)向、以培養(yǎng)工程能力為目標(biāo)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計。在教學(xué)組織上，我們以線上線下結(jié)合的方式對課程進(jìn)行了階段劃分，更加注重在課堂上對學(xué)生分析和解決問題的能力進(jìn)行引導(dǎo)和培養(yǎng);在教學(xué)內(nèi)容上，我們設(shè)計了全新的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，更加注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的層次性、關(guān)聯(lián)性和應(yīng)用性。我們將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計和教學(xué)環(huán)節(jié)的劃分有機(jī)融合起來，形成下列具體措施。

3.1 線上課程導(dǎo)入

實(shí)驗(yàn)課程理論內(nèi)容抽象、實(shí)驗(yàn)技術(shù)繁雜，教師不得不花大量在基本原理和基本操作的講授上，以至于在有限課堂時間內(nèi)無法深入探討大規(guī)模復(fù)雜問題的分析與求解。對此，我們主張充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺，如超星或者學(xué)者網(wǎng)等[7]，將講授內(nèi)容中較為基礎(chǔ)的知識和技能以及相關(guān)實(shí)際工程背景設(shè)計為課前的預(yù)習(xí)短視頻并在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，敦促學(xué)生在課前完成網(wǎng)絡(luò)平臺打卡預(yù)習(xí)。學(xué)生完成線上預(yù)習(xí)后，在線進(jìn)行相應(yīng)知識點(diǎn)識記和理解的測試，此類題目設(shè)計不宜過難，主要考察對基本概念和原理的掌握。教師在實(shí)驗(yàn)授課前導(dǎo)出學(xué)生課前預(yù)習(xí)的數(shù)據(jù)，分析預(yù)習(xí)情況，以便更有針對性地講授。通過利用網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)置課前預(yù)習(xí)，一方面，相關(guān)工程背景的介紹會增添學(xué)習(xí)的趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情;另一方面，可有效減少課堂中基本原理和簡單技術(shù)的傳授，同時也鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考的能力。例如，在有關(guān)線程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，關(guān)于線程創(chuàng)建、撤銷、等待等基本操作API的定義和使用均可通過預(yù)習(xí)視頻講授，學(xué)生在課前自主完成學(xué)習(xí)，這樣在課堂上可集中精力于如何利用多線程技術(shù)解決實(shí)際問題。

3.2 面向問題分析的啟發(fā)式教學(xué)

課堂內(nèi)容的設(shè)計與講授，主要遵循以問題為導(dǎo)向的原則。教師不應(yīng)拘泥于課本中涉及的知識點(diǎn)，更應(yīng)該注重知識點(diǎn)和技術(shù)所要解決的問題，堅持以問題為導(dǎo)向進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生鍛煉自己分析和解決問題的能力。在講授的主體部分，設(shè)計一個具體的實(shí)際問題案例，通過三個啟發(fā)式問題即問題是什么、如何分析、如何解決，將課程內(nèi)容有機(jī)地聯(lián)系和組織起來。再以線程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，可以設(shè)計一個以多線程并發(fā)編程提高程序執(zhí)行效率為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，例如多線程版本的基于蒙特卡洛仿真的圓周率計算。教師在講授的過程中，首先讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)，然后引入蒙特卡洛仿真的數(shù)學(xué)原理，在此基礎(chǔ)上介紹基于數(shù)據(jù)劃分的并發(fā)方式，再圍繞圓周率計算這個任務(wù)，啟發(fā)式地分析如何進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分、如何對子任務(wù)的結(jié)果進(jìn)行整合，如何選擇線程的個數(shù)，如何從理論上分析計算程序運(yùn)行效率的提升情況等;最后通過示例代碼完整地呈現(xiàn)問題的求解細(xì)節(jié)和運(yùn)行結(jié)果。通過以問題為導(dǎo)向的課堂內(nèi)容設(shè)計，讓學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)知識在解決實(shí)際問題中的價值，讓抽象的知識變得更加具象，讓學(xué)生對知識的理解更加深刻;同時，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度;更重要的是通過范例展示培養(yǎng)了學(xué)生面對實(shí)際問題時良好的思考分析習(xí)慣和能力。

3.3 以問題求解為導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂

結(jié)合以教師講授為主導(dǎo)的問題分析教學(xué)環(huán)節(jié)，以所講授問題樣例為基礎(chǔ)，設(shè)計問題的遷移，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力和獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。本環(huán)節(jié)采取以學(xué)生自主探究為主，教師引導(dǎo)為輔的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。學(xué)生通過小組討論、頭腦風(fēng)暴等方式自主探討問題的求解途徑，教師根據(jù)實(shí)際情況講評和分析，推進(jìn)問題的解決。自主探究階段的實(shí)驗(yàn)任務(wù)與教授講授的范例相比應(yīng)該具有更高的理論和實(shí)踐復(fù)雜度，體現(xiàn)出問題的層次性。繼續(xù)上文的多線程并發(fā)編程任務(wù)，在自主探究階段可以設(shè)置編寫多線程版本的排序算法以提高排序效率這一任務(wù)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備與劃分、子任務(wù)的整合、時間效率提升的理論分析等與蒙特卡洛仿真任務(wù)相比在難度上均有提升，同時在分析和求解范式上保持了一定的延續(xù)性。通過以問題為導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂，學(xué)生參與度更高，自主性更強(qiáng)，更能激發(fā)學(xué)生的積極性;同時為了更好地參與到課堂中，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的工作也越來越積極，實(shí)現(xiàn)了正向反饋和強(qiáng)化;更重要的是通過這樣的鍛煉，學(xué)生對本課程在實(shí)際工程問題中的應(yīng)用認(rèn)識更加有深度，潛移默化地形成了分析問題的正確思維方式，并能提出自己的解決方案。這正是新工科育人環(huán)境下，對學(xué)生培養(yǎng)最為關(guān)鍵的目標(biāo)。

3.4 強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)拓展與反思

本課程設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)重新轉(zhuǎn)入線上，設(shè)置拓展性的實(shí)驗(yàn)任務(wù)供學(xué)生進(jìn)一步加強(qiáng)自主訓(xùn)練。教師在線進(jìn)行答疑并對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行分析點(diǎn)評。拓展實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)置應(yīng)體現(xiàn)更高的綜合性和應(yīng)用性。在綜合性方面，拓展任務(wù)應(yīng)注意將操作系統(tǒng)不同的知識點(diǎn)有機(jī)聯(lián)系起來形成具有一定復(fù)雜度的問題。以多線程并發(fā)編程為例，多線程并發(fā)編程與進(jìn)程同步知識聯(lián)系起來可以形成進(jìn)程同步問題求解任務(wù)，多線程并發(fā)編程與進(jìn)程調(diào)度知識聯(lián)系起來可以形成多核調(diào)度問題求解任務(wù)，多線程并發(fā)編程與進(jìn)程通信知識聯(lián)系起來可以形成即時通信問題求解任務(wù)，等。在應(yīng)用性方面，拓展任務(wù)應(yīng)與時俱進(jìn)地體現(xiàn)計算機(jī)科學(xué)發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀與最新趨勢，更加貼近當(dāng)前工業(yè)界生產(chǎn)實(shí)踐。例如，多線程并發(fā)編程知識和進(jìn)程同步與互斥知識整合在一起，可以形成關(guān)于線程池的拓展實(shí)驗(yàn)，通過自主完成該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能對實(shí)際生產(chǎn)中普遍使用的Java線程池的原理和優(yōu)勢有深刻理解，從而能在實(shí)際復(fù)雜工程問題求解中靈活使用。

教師在進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)報告批閱時，應(yīng)注重報告撰寫中有關(guān)問題的分析總結(jié)與反思部分[8]，可在考查評分細(xì)則中提高實(shí)驗(yàn)分析、總結(jié)與反思部分的比重，向?qū)W生明確約定該部分是實(shí)驗(yàn)報告撰寫和考察的重點(diǎn)。目的是促進(jìn)學(xué)生們分析和反思，提高理論分析能力、數(shù)據(jù)處理能力、問題發(fā)現(xiàn)能力和靈活應(yīng)變能力，在問題的處理和進(jìn)一步反思過程中將知識內(nèi)化形成自己的技能和能力，從而應(yīng)對實(shí)際工程問題的復(fù)雜多變性。

4 結(jié)論

本文對操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革進(jìn)行探討，提出實(shí)驗(yàn)課課程的設(shè)計環(huán)節(jié)：課前線上預(yù)習(xí)引導(dǎo)、面向問題分析的啟發(fā)式課堂教學(xué)、以問題求解為導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂、課后實(shí)驗(yàn)拓展、以問題反思為重點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)報告評估。使學(xué)生不但能真正理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本原理，更能具備分析和解決復(fù)雜軟件工程問題和復(fù)雜計算機(jī)系統(tǒng)問題的能力，達(dá)到新工科育人的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱丹紅，張棟，于元隆，等.復(fù)雜工程問題驅(qū)動的“新工科”人才培養(yǎng)改革探索——以計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例[J].中國輕工教育，2020（6）：5-10，49.

[2] 文進(jìn)，顧少軒.新工科背景下以問題驅(qū)動的混合式教學(xué)設(shè)計[J].高教學(xué)刊，2021，7（22）：122-125.

[3] 李明星.操作系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐與探索[J].電腦知識與技術(shù)，2021，17（24）：252-254.

[4] 鄒恒明.操作系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中的五重奏哲學(xué)[J].計算機(jī)教育，2009（20）：109-112.

[5] 唐文靜，王慶軍.新工科背景下堅持問題導(dǎo)向的操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2021（15）：99-101.

[6] 陳渝，向勇.“操作系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].計算機(jī)教育，2009（14）：135-136.

[7] 林吉紅，湯庸，劉海，等.基于學(xué)者網(wǎng)課程平臺的混合在線教學(xué)模式[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（3）：257-260.

[8] 張艷玲.實(shí)驗(yàn)報告在培養(yǎng)工科大學(xué)生綜合能力中的重要作用[J].教育教學(xué)論壇，2020（30）：376-378.

【通聯(lián)編輯：王力】