基于RAG 的師范類專業(yè)操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)探索

摘要：針對師范類計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在操作系統(tǒng)課程要求及培養(yǎng)目標(biāo)不同的現(xiàn)狀，提出利用STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)部分替代傳統(tǒng)操作系統(tǒng)工程類實(shí)踐教學(xué)的方法。此外，由于師范生自身專長、興趣及未來教學(xué)學(xué)段各有側(cè)重，對教學(xué)實(shí)踐學(xué)習(xí)的訴求各不相同，為更好地因材施教，提出“大模型+RAG（Retrieval-AugmentedGeneration）”輔助學(xué)生完成STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)研究。以操作系統(tǒng)中“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)的遷移展開為例，詳細(xì)介紹“大模型+RAG”用于引導(dǎo)不同學(xué)段STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐實(shí)施，探索在大模型時(shí)代背景下提高信息科技師范生跨學(xué)科綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：大模型；RAG；師范類；STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)；操作系統(tǒng)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）35-0169-05開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

0引言

操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最核心和基礎(chǔ)的底層軟件[1]，是所有依賴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的智能化設(shè)備中必備的龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)軟件[2]。因此，作為計(jì)算機(jī)知識體系中不可或缺的重要組成部分[3]，操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)課程中扮演著承上啟下的角色[4]，是一門理論與實(shí)踐并重的核心課程，重點(diǎn)考查學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中靈活運(yùn)用理論進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新、解決真實(shí)問題的能力。

對于師范類計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來說，他們畢業(yè)后絕大多數(shù)將從事教育事業(yè)，需要能夠淺顯易懂地講授或解釋操作系統(tǒng)的基本原理[3]。同時(shí)，鑒于操作系統(tǒng)在信息系統(tǒng)中的重要作用，操作系統(tǒng)國產(chǎn)化和操作系統(tǒng)安全已上升到國家戰(zhàn)略地位。因此，激發(fā)學(xué)生對民族振興的熱忱，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的興趣，能夠深入淺出地講授操作系統(tǒng)的原理，并提高系統(tǒng)化思維和解決真實(shí)問題的能力，是師范生操作系統(tǒng)課程的核心目標(biāo)。

STEAM教育作為當(dāng)今教育領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，注重跨學(xué)科的整合，強(qiáng)調(diào)知識的融會貫通[5]，能夠培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)造力[6]，這與師范類操作系統(tǒng)的實(shí)踐目標(biāo)高度契合。因此，基于師范生的人才培養(yǎng)要求和基礎(chǔ)教育的新課標(biāo)，結(jié)合操作系統(tǒng)的實(shí)踐內(nèi)容，選取部分知識點(diǎn)，采用設(shè)計(jì)STEAM教學(xué)完成操作系統(tǒng)實(shí)踐的新方法，不僅為其未來工作奠定扎實(shí)基礎(chǔ)，也順應(yīng)了教育改革的潮流。

本文以“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)全方位、結(jié)構(gòu)清晰的教學(xué)模式，為師范類操作系統(tǒng)課程建立了一條可推廣的實(shí)踐教學(xué)路徑。

1概述

1.1課程及學(xué)情分析

1.1.1課程情況分析

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)類所有專業(yè)的必修核心課程。然而，由于不同學(xué)校和專業(yè)的定位不同，其人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)目標(biāo)也有所差異。例如，工科類操作系統(tǒng)課程考核培養(yǎng)成效的重要指標(biāo)之一是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力[1]，而師范類操作系統(tǒng)課程則主要側(cè)重培養(yǎng)系統(tǒng)化思維和遷移解決真實(shí)問題的能力[3]。因此，操作系統(tǒng)教學(xué)的開展需要結(jié)合不同學(xué)校和專業(yè)的培養(yǎng)特色，對教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。師范類的操作系統(tǒng)課程教學(xué)不能照搬工科類的內(nèi)容。

操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)除了加深對教學(xué)內(nèi)容的理解外，還承擔(dān)著將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力的重要職責(zé)。鑒于師范類操作系統(tǒng)的培養(yǎng)目標(biāo)，首先需要對其實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行變革[7]。

1.1.2學(xué)生分析

由于操作系統(tǒng)理論較為抽象且難以理解，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，大多數(shù)學(xué)生對理論講解感到枯燥無趣，并且誤認(rèn)為理論知識只須在考試前突擊復(fù)習(xí)即可[8]。他們往往不認(rèn)真聽課，對這些理論的實(shí)際應(yīng)用場景缺乏了解，腦海中無法形成系統(tǒng)性的知識地圖，同時(shí)對本課程缺乏主動鉆研的興趣。

因此，筆者設(shè)計(jì)并選取操作系統(tǒng)“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)開展STEAM實(shí)踐教學(xué)。在幫助師范生理解“進(jìn)程”這一概念的基礎(chǔ)上，通過開展基于“通信”主題的STEAM教學(xué)活動，引導(dǎo)他們將“通信”原理運(yùn)用到實(shí)際生活的各個(gè)方面。這不僅可以鍛煉他們講授“通信”原理的能力，還能讓他們熟悉今后工作中可能采用的先進(jìn)教學(xué)理念，從而探索師范類操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的可行性路徑。

然而，由于基礎(chǔ)教育的學(xué)段跨度較大，各學(xué)段的學(xué)情存在差異，加之師范生擅長的知識領(lǐng)域和擬從事的教學(xué)學(xué)段不同，且其STEAM教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和知識儲備不足，因此在開展基于“通信”主題的STEAM教學(xué)活動時(shí)也面臨一定困難。這需要“因材施教”[9]，通過個(gè)性化引導(dǎo)來克服這些問題。

1.2人工智能教育現(xiàn)狀

自2022年以ChatGPT為代表的生成式智能技術(shù)涌現(xiàn)以來，整個(gè)教育行業(yè)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段都需要適應(yīng)大模型技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行改革與創(chuàng)新[11]。

教育部高度重視大語言模型等新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展。教育部部長懷進(jìn)鵬在“攜手推動數(shù)字教育應(yīng)用、共享與創(chuàng)新”主旨演講中提出，要促進(jìn)智能技術(shù)與教育教學(xué)（AIforEducation）、科學(xué)研究（AIforSci?ence）、社會（AIforSociety）的深度融合，積極推動以智助學(xué)，開發(fā)智能學(xué)伴，實(shí)施智能輔導(dǎo)，讓每個(gè)學(xué)生成為最好的自己。同時(shí)，要積極引導(dǎo)智能技術(shù)的合理應(yīng)用，讓技術(shù)進(jìn)步造福師生[10]。

在應(yīng)用這一技術(shù)提升學(xué)習(xí)者實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維方面，不少學(xué)者已開展相關(guān)探索。翟潔等[12]提出了基于決策樹和大模型的學(xué)生能力評估模型，創(chuàng)建智能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師代理，不僅提升了學(xué)生個(gè)性化實(shí)驗(yàn)的效率，還為學(xué)生提供了靈活、有趣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。吳忭等[13]將ChatGPT引入本科生科研體驗(yàn)（CUREs）教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生的科研學(xué)習(xí)動機(jī)，進(jìn)而提升了他們的科研知識水平、科研技能水平和科研情感水平。

然而，“高科技是一把雙刃劍”，如果使用不當(dāng)，大模型可能會淪為學(xué)生學(xué)習(xí)的“槍手”。此外，大模型的輸出依賴于訓(xùn)練語料、提示詞和上下文語境，可能會生成一些錯(cuò)誤或不存在的內(nèi)容。因此，一方面，需要促進(jìn)學(xué)生形成正確的實(shí)踐觀，培養(yǎng)批判性思維，理性運(yùn)用大模型工具[7]；另一方面，需要構(gòu)建事實(shí)性專業(yè)知識庫，通過RAG（Retrieval-AugmentedGeneration）技術(shù)，提高智能輔助能力。

2基于“大模型+RAG”的師范生實(shí)踐教學(xué)改革研究

基于上述分析，針對師范類操作系統(tǒng)課程，提出借助“大模型+RAG”技術(shù)個(gè)性化輔助師范生進(jìn)行STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)活動，從而部分替代傳統(tǒng)工程類操作系統(tǒng)編程實(shí)踐教學(xué)的方法，并開展相關(guān)研究。

2.1研究思路

師范類操作系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，本質(zhì)上是希望在達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的個(gè)性化，讓學(xué)生獲得更先進(jìn)、更智能化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

基于這一思路開展研究，一方面，為達(dá)成師范生的教學(xué)目標(biāo)，需要學(xué)生“理解操作系統(tǒng)內(nèi)部的原理，能夠深入淺出地講授相關(guān)知識點(diǎn)原理，并具備系統(tǒng)化思維和遷移解決真實(shí)問題的能力”。為此，本文提出在實(shí)踐教學(xué)中開展“STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)活動”的措施；另一方面，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)的個(gè)性化，需要構(gòu)建分層教學(xué)資源，同時(shí)關(guān)聯(lián)學(xué)生的特征數(shù)據(jù)，并及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，因此需要構(gòu)建知識圖譜；最后，為實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)、更智能的“助學(xué)”，需要借助大模型優(yōu)秀的通用問答能力，同時(shí)構(gòu)建教學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)的專業(yè)知識資源庫，結(jié)合RAG技術(shù)，提供更準(zhǔn)確的STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手功能。

2.2實(shí)施路徑

2.2.1“分層”教學(xué)資源

按照課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要、“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生興趣，分層個(gè)性化設(shè)置實(shí)踐教學(xué)資源，做到因材施教[9]。具體教學(xué)資源包括以下內(nèi)容：

1）整理各層次的題庫案例，并結(jié)合真實(shí)生活實(shí)例、應(yīng)用實(shí)踐案例、思政元素實(shí)例[14]，融入知識點(diǎn)，構(gòu)建層次性學(xué)習(xí)資源庫。通過分層闖關(guān)的形式，鍛煉學(xué)生對知識的理解能力以及遷移解決真實(shí)問題的能力；

2）結(jié)合線上教學(xué)平臺，收集學(xué)生線上課堂全過程活動數(shù)據(jù)，以及問卷調(diào)查、練習(xí)、作業(yè)等數(shù)據(jù)，作為學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行學(xué)情分析。

通過梳理和沉淀，目前共整理出489道題庫。其中，基礎(chǔ)知識理解題324道，綜合應(yīng)用題149道，另外還有針對師范專業(yè)學(xué)生的教學(xué)類實(shí)踐主題16個(gè)。

2.2.2“動靜結(jié)合”知識圖譜

基于前述教學(xué)資源，構(gòu)建包含知識單元、知識點(diǎn)、思政元素、題庫、能力、素質(zhì)、學(xué)生、技能、興趣、就業(yè)方向、專業(yè)等節(jié)點(diǎn)類型的操作系統(tǒng)課程知識圖譜。并使用FuzzyCDF離散型認(rèn)知診斷模型對學(xué)生知識掌握情況進(jìn)行及時(shí)分析和追蹤，構(gòu)建學(xué)生的技能矩陣。具體而言，采用模糊交計(jì)算學(xué)生對客觀題的掌握情況，采用模糊并計(jì)算學(xué)生對主觀題的掌握情況[15]。

2.2.3“大模型+RAG”的STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手

構(gòu)建“STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手”，提供“蘇格拉底式”的問答系統(tǒng)。一方面，基于學(xué)生的問題構(gòu)建提示詞，通過多輪問答，引導(dǎo)學(xué)生一步步自主得到答案，完善自己的知識體系；另一方面，在使用大模型的基礎(chǔ)上，沉淀基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)知識庫，并在關(guān)聯(lián)操作系統(tǒng)課程知識圖譜后，結(jié)合學(xué)生的個(gè)性化需求，輸出滿足學(xué)生學(xué)段要求的優(yōu)秀教學(xué)資源和教學(xué)設(shè)計(jì)參考案例，擴(kuò)展學(xué)生的STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)思路，輔助學(xué)生更好地理解和完成STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)活動。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

要提供準(zhǔn)確、專業(yè)的“STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手”，離不開豐富的基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)知識庫。因此，需要各學(xué)段、各學(xué)科優(yōu)秀教師的指導(dǎo)，并持續(xù)獲取線上豐富的專業(yè)教學(xué)資源，從而沉淀更專業(yè)、更優(yōu)秀、更豐富的全學(xué)段多學(xué)科教學(xué)知識庫。

3“進(jìn)程通信”實(shí)踐教學(xué)案例

下面以“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)為例，討論兼顧不同學(xué)情的師范生操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革實(shí)施方案。

3.1實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)和思政指導(dǎo)綱要的要求，“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)在師范類專業(yè)中，結(jié)合學(xué)生學(xué)情的個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)（三維）如表1所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于借助基于大模型的助手能力，要求師范生提供大模型輔助實(shí)踐的具體報(bào)告[7]。

3.2教學(xué)開展

本教學(xué)模塊共包括3次課，計(jì)5節(jié)課。其中，第1次課為1節(jié)課，采用案例驅(qū)動教學(xué)法，通過開放性問題引導(dǎo)學(xué)生達(dá)成知識目標(biāo)和部分素質(zhì)目標(biāo)；第2次課的2節(jié)課通過實(shí)踐教學(xué)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流、生生交流、師生交流，達(dá)成部分能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)；第3次課的2節(jié)課通過小組說課活動，最終達(dá)成全部的知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。

3.2.1教學(xué)活動設(shè)計(jì)

1）第一次課：情景化理論學(xué)習(xí)。

第1次課（1個(gè)課時(shí)）為理論知識教學(xué)。由于“進(jìn)程”概念較為抽象，需要通過生活實(shí)例遷移，幫助師范生具象化理解。結(jié)合分層教學(xué)資源，個(gè)性化幫助師范生掌握“進(jìn)程通信”的原理、具備遷移到“通信”主題的能力，并能夠解釋實(shí)際生活中的通信現(xiàn)象。

導(dǎo)入：將多個(gè)獨(dú)立進(jìn)程類比為多個(gè)獨(dú)立的“人”。

情景引入：設(shè)置“現(xiàn)代社會的我們（人）是怎么通信的？”情景，結(jié)合生活案例，引導(dǎo)師范生逐步了解不同的進(jìn)程通信方式、其原理及適用場景。

分層練習(xí)：通過分層教學(xué)資源，引導(dǎo)師范生將“進(jìn)程通信”原理遷移到實(shí)際生活中的通信問題，并理解解決方案。

安全性討論：引入“棱鏡門”事件，引導(dǎo)師范生討論通信的安全性，培養(yǎng)通信安全、信息安全和國家安全的底線意識。

問題驅(qū)動：通過加入時(shí)間、效率、成本等實(shí)際因素的小組討論，逐步培養(yǎng)師范生制定和選擇不同通信策略方案的能力。

2）第二次課：分組STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)活動。

第2次課（2個(gè)課時(shí)）為實(shí)踐教學(xué)。根據(jù)師范生從教學(xué)段興趣和專業(yè)優(yōu)勢的不同，將學(xué)生分成8個(gè)小組，各小組以“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)遷移為基礎(chǔ)，開展基于“通信”主題的STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)活動。

實(shí)踐要求：每個(gè)小組需合理分工，基于“STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手”完成以下任務(wù)：針對感興趣的學(xué)段設(shè)計(jì)個(gè)性化的“通信”主題STEAM教學(xué)；完成8分鐘的說課；提交1節(jié)課（40分鐘）的教案、PPT及20分鐘的課堂試講視頻錄制。其中，8分鐘的說課將在第三次課進(jìn)行現(xiàn)場展示。

3）第三次課：小組說課演示，提高現(xiàn)場教學(xué)能力。

第3次課（2個(gè)課時(shí)）組織現(xiàn)場演示，以提高師范生的現(xiàn)場教學(xué)能力。通過現(xiàn)場答辯，開展組內(nèi)自評、小組互評和教師指導(dǎo)評價(jià)。

活動安排如下，場地：智慧課室，現(xiàn)場錄播每個(gè)小組的展示和答辯過程。時(shí)間安排：每組8分鐘說課，2分鐘提問與回答。評價(jià)比例：小組內(nèi)互評10%，組長評分30%，教師評分60%。評選：優(yōu)秀設(shè)計(jì)1組，最佳教態(tài)1名，最佳創(chuàng)意1名，最佳點(diǎn)評1名，最佳PPT制作2名。線上平臺支持：各小組需在答辯前將相關(guān)資料上傳至線上平臺，供師生查閱?，F(xiàn)場錄播的視頻也將上傳至平臺，供學(xué)生后續(xù)觀摩和改進(jìn)。

3.2.2教學(xué)評價(jià)

本次實(shí)踐教學(xué)的評價(jià)主體多元、形式多樣。評價(jià)主體包括教師、師范生和小組；評價(jià)形式結(jié)合過程性評價(jià)與終結(jié)性評價(jià)，同時(shí)引入增值評價(jià)，通過對師范生學(xué)前與學(xué)后作業(yè)情況的對比，量化教學(xué)效果。表2為師范生過程性評價(jià)的量規(guī)表。

表3是STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)評價(jià)量規(guī)表，分別從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源、教學(xué)過程和教學(xué)評價(jià)幾個(gè)維度，為自評、小組互評和教師評分提供標(biāo)準(zhǔn)。

3.3基于“大模型+RAG”的STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手效果

在優(yōu)秀教師指導(dǎo)下，“通信”主題的多學(xué)科、多學(xué)段教學(xué)資源和案例（包括國家中小學(xué)智慧教育平臺等官方資源）已存入基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)知識庫。

測試顯示，STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)助手部分效果如圖2所示：（a）為師范生基于小學(xué)學(xué)段的問答截圖，（b）為初中學(xué)段的問答截圖。助手通過“蘇格拉底問答法”輔助學(xué)生開展STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)。

4結(jié)束語

通過對“進(jìn)程通信”知識點(diǎn)遷移開展基于“通信”主題的不同學(xué)段STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)的探索發(fā)現(xiàn)，借助“大模型+RAG”進(jìn)行師范生操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革，可以幫助師范生更系統(tǒng)地理解操作系統(tǒng)原理知識，并進(jìn)行更具象、更針對性的實(shí)踐鍛煉，充分體現(xiàn)因材施教和以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。后續(xù)，師范類操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)將深入挖掘更多知識點(diǎn)，繼續(xù)探索借助“大模型+RAG”進(jìn)行STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐替代模式，并推動其推廣應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項(xiàng)目：廣東第二師范學(xué)院2023年高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“結(jié)合就業(yè)能力評估數(shù)據(jù)的多模態(tài)知識圖譜在《操作系統(tǒng)》實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究”（2023jxgg41）；2023年度廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目（875）；廣東第二師范學(xué)院教學(xué)成果培育項(xiàng)目（廣東二師〔2024〕95號）；廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2023KTSCX098）；廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（高等教育專項(xiàng)）（2023GXJK422）；廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（高等教育專項(xiàng)）（2024GXJK635）；廣東第二師范學(xué)院2023年高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2023jxgg44）；廣東第二師范學(xué)院2022年高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2022jxgg16）；廣東第二師范學(xué)院2023年高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2023jxgg39）