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。