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        面向新工科的《操作系統(tǒng)》課程改革研究

        2019-12-04 01:47:08曹建芳武曉軍
        軟件導刊 2019年10期
        關鍵詞:操作系統(tǒng)網(wǎng)絡工程新工科

        曹建芳 武曉軍

        摘要:《操作系統(tǒng)》是網(wǎng)絡工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課程。為適應新工科建設需要,對《操作系統(tǒng)》課程教學環(huán)節(jié)進行改革。通過分析《操作系統(tǒng)》課程教學現(xiàn)狀和存在的問題,提出基于工程實踐能力培養(yǎng)的《操作系統(tǒng)》課程改革方案。首先,以工程教育理念為指引,確定課程教學目標和核心知識點;然后采用翻轉(zhuǎn)課堂改革理論教學方式,制定進階式實驗項目更新實踐環(huán)節(jié);最后提出新的課程考核內(nèi)容與方式。實踐表明,該教學改革方案有效提高了學生的專業(yè)實踐創(chuàng)新能力,取得了一定成效。

        關鍵詞:網(wǎng)絡工程;操作系統(tǒng);新工科;教學改革

        DOI:10.11907/ejdk.191193開放科學(資源服務)標識碼(OSID):

        中圖分類號:G434文獻標識碼:A 文章編號:1672-7800(2019)010-0209-04

        0引言

        基于國家戰(zhàn)略發(fā)展的新需求、國際競爭的新形勢和立德樹人的新要求,教育部在2017年4月公布了《新工科建設行動路線》,旨在推動現(xiàn)有工科專業(yè)內(nèi)涵式改革創(chuàng)新,提升高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)能力,構建工程科技人才培養(yǎng)的新模式和新體系。我國網(wǎng)絡工程專業(yè)自教育部獲批開始招生僅有10余年時間,屬較新的專業(yè)。但該專業(yè)工程實踐性很強,所涉及的專業(yè)知識不僅包括計算機、電子信息等專業(yè)基礎課程,還與IT產(chǎn)業(yè)、尤其是網(wǎng)絡技術發(fā)展現(xiàn)狀密切相關?!恫僮飨到y(tǒng)》作為網(wǎng)絡工程專業(yè)一門非常重要的專業(yè)必修課,網(wǎng)絡設備的智能化、復雜化發(fā)展趨勢和新工科建設對該課程教學都提出了新的要求。然而,目前在大多數(shù)高校網(wǎng)絡工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中,《操作系統(tǒng)》課程教學大綱還基本上沿用計算機科學與技術專業(yè)的教學內(nèi)容。林峰等嘗試采用項目驅(qū)動對《嵌入式操作系統(tǒng)》課程進行教學改革;楊健兵等采用基于工作過程對《Windows Server 2008操作系統(tǒng)》課程教學方法進行改革;邱劍鋒等將OBE教育理念引入《操作系統(tǒng)》課程,將教學內(nèi)容驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習結(jié)果驅(qū)動。上述研究對不同類型的操作系統(tǒng)課程進行了一定的改革,但大部分只針對課程某一方面進行改革嘗試,并沒有專門針對網(wǎng)絡工程專業(yè)的學生進行研究。網(wǎng)絡工程專業(yè)在課程教學中需要使用各種類型的網(wǎng)絡設備,這些設備對操作系統(tǒng)需求不一樣,遠遠比傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)復雜。隨著網(wǎng)絡和通信技術的飛速發(fā)展,操作系統(tǒng)的變化會愈來愈明顯。顯然,如果繼續(xù)按照傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的教學大綱對網(wǎng)絡工程專業(yè)的學生進行教學,已經(jīng)不能滿足該專業(yè)人才培養(yǎng)需求。因此,結(jié)合新工科人才培養(yǎng)理念和需求,改革網(wǎng)絡工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程的教學模式迫在眉睫。筆者多年從事《操作系統(tǒng)》課程教學,經(jīng)驗豐富,基于新工科建設理念,對網(wǎng)絡工程專業(yè)《操作系統(tǒng)》課程教學改革進行探討,提出了相應的教學改革措施。

        1《操作系統(tǒng)》課程教學現(xiàn)狀及存在的問題

        《操作系統(tǒng)》屬于網(wǎng)絡工程專業(yè)的核心課程,目前大部分高校都采用西安電子科技大學出版社出版的《計算機操作系統(tǒng)》作為主要教材,沿用計算機科學與技術專業(yè)教學大綱,60-70學時,其中講授40-50學時,實驗20學時,主要以驗證性實驗為主;考核以期末筆試成績?yōu)橹?,?0%-80%,平時成績和實驗成績占20%-30%;一般安排在本科第四學期或第五學期講授。通過該課程學習,旨在讓學生掌握計算機系統(tǒng)的整體概念和操作系統(tǒng)的設計方法,深刻理解計算機操作系統(tǒng)的運行機制并指導后續(xù)專業(yè)課程學習。這是一門理論性和實踐性均很強的課程,對于工程實踐性很強的網(wǎng)絡工程專業(yè),如果只是按照上述安排講解《操作系統(tǒng)》基本概念和原理,很難達到新工科建設要求。

        1.1概念原理多,知識點繁雜,內(nèi)容抽象

        《操作系統(tǒng)》課程涉及的概念和原理較多,而且知識點繁雜,大多數(shù)內(nèi)容均與計算機底層硬件相關,較為抽象。如在多道程序設計中引入進程概念,虛擬存儲器管理中引入邏輯地址和物理地址概念,而且在進程調(diào)度和頁面置換中涉及多種算法,這些內(nèi)容均需學生在掌握《數(shù)據(jù)結(jié)構》、《計算機組成原理》等課程的相關知識后才能領會。而一般情況下,學生在學習《操作系統(tǒng)》課程時,這些課程剛結(jié)束,或是《計算機組成原理》與《操作系統(tǒng)》兩門課程同時開設,相關基礎知識較差,導致大部分學生認為課程內(nèi)容抽象、難以理解。而網(wǎng)絡工程專業(yè)是一個以工程實踐為主的專業(yè),課程中涉及的概念、原理應該與工程實踐相結(jié)合才能增加課程的趣味性。

        1.2以驗證性實驗為主

        教師在講解《操作系統(tǒng)》課程理論部分時強調(diào)的是操作系統(tǒng)本身的設計,而在實驗時以操作系統(tǒng)應用為主,大多都是驗證性實驗。如在講授信號量機制時,理論內(nèi)容講解的是如何設計信號量以實現(xiàn)進程之間的同步,而實驗部分則是讓學生仿真生產(chǎn)者一消費者問題以更好地理解信號量機制,這導致理論與實踐脫節(jié)。因此,《操作系統(tǒng)》課程應增加設計性、綜合性實驗,以提升學生的實踐創(chuàng)新能力。

        1.3理論、實踐學時比例失調(diào)

        以忻州師范學院計算機系網(wǎng)絡工程專業(yè)為例,該課程共68學時,其中講授52學時,實驗16學時。這樣的學時比例分配,實踐環(huán)節(jié)非常薄弱,明顯重理論輕實踐,導致學生認為課程枯燥無味。理論部分內(nèi)容在實驗中無法得到應用,學生的實踐能力難以得到提高。

        2課程改革方案

        2.1確定課程教學目標與核心知識點

        根據(jù)工程教育理念對人才培養(yǎng)目標做出調(diào)整,將網(wǎng)絡工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標定位為“滿足互聯(lián)網(wǎng)+時代IT產(chǎn)業(yè)需求的應用型網(wǎng)絡工程技術人才”。

        根據(jù)《高等學校網(wǎng)絡工程專業(yè)規(guī)范》對《操作系統(tǒng)》課程教學內(nèi)容的指導性意見和課程畢業(yè)要求,確定《操作系統(tǒng)》課程總體教學目標為:①深刻領會操作系統(tǒng)的基本概念、原理和內(nèi)部結(jié)構;②掌握傳統(tǒng)和現(xiàn)代操作系統(tǒng)設計的關鍵技術和實現(xiàn)方法;③能夠按照系統(tǒng)設計原理剖析常見的操作系統(tǒng)實例;④能夠使用高級程序設計語言分析和實現(xiàn)操作系統(tǒng)中的核心算法;⑤能夠分析、比較和評價操作系統(tǒng)的各種常見算法實現(xiàn)。

        修改后的課程教學目標與專業(yè)規(guī)范中涉及到的《操作系統(tǒng)》課程要求指標之間的對應關系如表1所示。

        《操作系統(tǒng)》課程教學的主要目標是:學生在掌握計算機相關工程知識基礎上,掌握系統(tǒng)軟件開發(fā)解決方案,具備從事工程實踐的能力,具備終身學習能力。學生畢業(yè)后可從事系統(tǒng)設計、分析、開發(fā)與維護等。該課程在專業(yè)人才培養(yǎng)的核心課程中起著承上啟下的作用,其先修課程主要包括《高級語言程序設計》、《數(shù)據(jù)結(jié)構》、《計算機組成原理》,后續(xù)課程包括《計算機網(wǎng)絡》和《嵌入式系統(tǒng)設計》等,課程總體框架如圖l所示。

        《操作系統(tǒng)》課程主要包括進程管理、存儲器管理、設備管理和文件管理4部分內(nèi)容。進程管理部分核心知識點有:進程的同步與通信機制、處理機調(diào)度與死鎖問題;存儲器管理的核心知識點包括內(nèi)存分配與回收、虛擬存儲器實現(xiàn)方法、頁面置換算法;設備管理部分核心知識點有I/O系統(tǒng)、I/O控制方式和中斷處理;文件管理部分核心知識點主要包括文件結(jié)構和組織形式、文件的存儲方式以及共享和保護。

        2.2改革教學方法

        2.2.1采用翻轉(zhuǎn)課堂

        《操作系統(tǒng)》課程涵蓋內(nèi)容多,而且大部分內(nèi)容與計算機底層硬件相關,較為抽象。如果僅僅依靠有限的理論講授學時,難以全面學習操作系統(tǒng)理論內(nèi)容;而且對于抽象、枯燥的理論,單純依靠教師講授很難達到理想的教學效果。結(jié)合中國大學MOOC上提供的在線課程,采用翻轉(zhuǎn)課堂和任務驅(qū)動式教學,課前布置任務,安排學生利用MOOC在線資源預習,提出問題;課堂上,教師重點講解抽象的原理和方法,并以小組的形式組織學生分組討論、解決預習過程中存在的問題;課后安排學生在MOOC上參與交流討論,通過與在線學習的學生溝通,激發(fā)學習興趣;引導學生自主查閱相關文獻資料,逐步提高科學研究能力。通過這些方法,變被動學習為主動學習,學生分析問題和解決問題的能力得到快速提升。如在學習進程同步相關內(nèi)容時,課前布置預習任務,讓學生提前了解進程同步的概念、機制,課堂上教師著重講授信號量機制解決具體問題的步驟和方法,并引導學生共同討論,分析解決進程同步問題;課后安排學生通過學習MOOC在線資源和查閱文獻資料,編程實現(xiàn)進程同步問題。

        2.2.2制定進階式實驗項目

        在實踐環(huán)節(jié),為培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析和設計能力,需要有針對性地、循序漸進地設置實驗項目。因此,嘗試制定進階式實驗項目,逐步提高學生的實踐創(chuàng)新能力,如表2所示。

        第一層級為基礎的驗證性實驗,目的是驗證《操作系統(tǒng)》課程涉及的核心知識與原理,將抽象的原理在實驗中形象化,幫助學生鞏固課堂講授的重點內(nèi)容;第二層級為設計性實驗,是對第一層級驗證性實驗的拓展。主要分析通用操作系統(tǒng)的核心原理與技術,引導學生使用所學知識分析操作系統(tǒng)核心原理實現(xiàn)過程,逐步提高專業(yè)實踐能力和素養(yǎng);第三層級為綜合性實驗,主要分析Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核,加深學生對操作系統(tǒng)結(jié)構的理解,同時提升團隊協(xié)作和溝通能力;第四層級為創(chuàng)新性實驗,主要通過搭建虛擬實驗平臺和構建實驗案例,讓學生將所學理論知識應用于實踐,了解操作系統(tǒng)構思、設計到最后實現(xiàn)與運行的全過程,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。通過進階式實驗,學生的專業(yè)實踐創(chuàng)新能力在潛移默化中得到大幅度提升。

        2.3注重過程性考核,更新考核內(nèi)容與方式

        改革之前,《操作系統(tǒng)》課程采用“平時成績x(20%-30%)+期末筆試成績x(70%-80%)”的考核方式。根據(jù)新工科建設要求,對課程考核內(nèi)容與方式進行改革。首先,加大平時成績比例,將平時成績占比提高到40%;其次注重過程性考核,更新考核內(nèi)容,將平時成績分為課堂表現(xiàn)、小作業(yè)、大作業(yè)和實驗成績4項,各占比10%,學生的課堂表現(xiàn)不僅僅考核出勤情況,還增加了參與課堂討論、回答問題,課后線上交流、發(fā)帖等情況考核;另外對期末考試內(nèi)容也做了調(diào)整,從原來考核學生對理論知識的掌握情況,轉(zhuǎn)變?yōu)橹攸c考核學生對所學知識的理解和應用能力上?!恫僮飨到y(tǒng)》課程考核內(nèi)容和方式的改革,更好地體現(xiàn)了新工科建設對學生工程實踐能力的要求,有助于提升學生的實踐創(chuàng)新能力。

        3課程改革成效

        《操作系統(tǒng)》課程改革方案自2017年春季在忻州師范學院計算機系網(wǎng)絡工程專業(yè)開始試行,經(jīng)過兩年多的實踐,取得了一些成效。

        3.1學生在線學習情況分析

        圖2是近年來忻州師范學院計算機系網(wǎng)絡工程專業(yè)學生使用中國大學MOOC平臺選修《操作系統(tǒng)》課程人數(shù)比例情況。

        從圖2可以看出,在未實施改革前,學生很少利用在線學習資源學習,自2017年《操作系統(tǒng)》課程實施改革之后,使用中國大學MOOC平臺選修《操作系統(tǒng)》課程學習的人數(shù)大幅度增加,這說明課改之后學生的自主學習能力逐步增強,學習已不完全依賴于課堂。網(wǎng)絡學習平臺打破了傳統(tǒng)學習方式在時間和空間上的限制,受到學生的青睞。

        3.2學生評教情況分析

        表3是《操作系統(tǒng)》課程評教的平均成績統(tǒng)計。

        從表3可以看出,雖然每年上課的學生和任課教師有所不同,但2015年和2016年學生的評教成績相對不高,究其原因是大部分學生認為《操作系統(tǒng)》課程枯燥、難學,不感興趣;從2017年開始,在理論和實踐環(huán)節(jié)改革之后,學生評教成績有了較大提高,對課程的學習興趣逐漸增強,相應的實踐創(chuàng)新能力也有了一定提高。

        4結(jié)語

        為提升網(wǎng)絡工程專業(yè)的工程實踐能力,根據(jù)新工科建設要求,本文探討了《操作系統(tǒng)》課程理論和實踐教學環(huán)節(jié)改革方案,并進行了改革實踐。以工程教育理念為指引,確定課程教學目標和核心知識點,采用翻轉(zhuǎn)課堂改革理論教學方式,制定進階式實驗項目,更新實踐環(huán)節(jié),采用新的課程考核內(nèi)容和方式。通過在線學習情況和評教情況檢驗改革成效。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,課改取得了良好效果。

        在推進新工科建設進程中,學生工程實踐能力的培養(yǎng)還需要產(chǎn)業(yè)界、社會界與高校的深入合作,這也是今后教學改革過程中需要考慮的問題。

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