劉 嘉

(蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅蘭州730050)

0 引言

目前，我國工業(yè)在經(jīng)過幾十年傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展之后，重點正在向新興產(chǎn)業(yè)靠攏，要想使新興產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，就必須有足夠的人才作為支撐。但是目前各個新興工業(yè)都存在著人才不足的情況，教育部門為社會輸送的人才無論從數(shù)量上還是從知識結(jié)構(gòu)上來說，都無法滿足新興工業(yè)發(fā)展的需求。為此2017年2月教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，標志教育部在各高校開展“新工科研究與實踐”項目，推動工程教育的改革。這是教育部針對當前以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展形勢下，為高校培養(yǎng)具備更高創(chuàng)新能力和跨界整合能力的新型工程技術(shù)人才做出的變革[1]。

長期以來，我國高校的工程教育目標不明確，定位不清晰，所有院校按照自己的想法進行人才培養(yǎng)，工程教育與企業(yè)需求不匹配，不能很好地滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，使工科學生存在綜合素質(zhì)與知識結(jié)構(gòu)方面的缺陷[2]?！靶鹿た啤钡奶岢鰧⒔鉀Q這個矛盾。按照教育部的規(guī)劃，從人才培養(yǎng)方式和培養(yǎng)目標上進行劃分，全國高校被分為工科優(yōu)勢高校、綜合性高校和地方高校，分別為社會輸送不同類型的工程人才。蘭州理工大學是地處西部的地方高校，發(fā)展重點應該落在“區(qū)域”上，學校定位是“深化產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同育人，推動傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級”[3]。

高校的人才培養(yǎng)最后都要落實在專業(yè)課程教學質(zhì)量提升的基礎(chǔ)上。操作系統(tǒng)是計算機專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時還是許多計算機相關(guān)專業(yè)的主干課程，是一門概念抽象，理論性強，實踐要求高的專業(yè)課程。在“新工科”背景下，從蘭州理工大學實際出發(fā)，探討當前操作系統(tǒng)課程存在的問題及多方面的改革方法。

1 “新工科”背景下操作系統(tǒng)課程存在的問題

1.1 學生對操作系統(tǒng)課程認識不足

操作系統(tǒng)課程主要講述計算機各個部分的功能及原理，學習計算機如何利用硬件和軟件資源協(xié)同工作。所以該課程不僅有與硬件相關(guān)的理論知識，又需要進行軟件方面的實踐，是一門包含軟硬件知識的綜合性課程。該校操作系統(tǒng)課程開設(shè)在大三的上學期，之前學生已經(jīng)學習過C語言程序設(shè)計、計算機組成原理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程。與C語言程序設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這類純軟件課程不同，操作系統(tǒng)原理在編程過程中的作用是管理內(nèi)存、組織線程、調(diào)配資源，尤其是在大型程序設(shè)計過程中發(fā)揮重要作用。作為剛剛接觸編程的大三學生正在從簡單程序入手學習編程，很難接觸到大型軟件項目，所以體會不到操作系統(tǒng)在編程中的作用，學生也由此產(chǎn)生“操作系統(tǒng)課程對我們編程沒有什么幫助”的想法，認為操作系統(tǒng)課程不重要。實際上，操作系統(tǒng)在工程實踐中提供了底層軟件對硬件操作的基礎(chǔ)知識，操作系統(tǒng)課程為大學后續(xù)各種課程打下基礎(chǔ)，在整個計算機課程體系中起著承上啟下的作用[4]。

1.2 教師對操作系統(tǒng)課程定位偏差

由于教育部沒有對高校課程的教學大綱做統(tǒng)一規(guī)定，所以在“新工科”項目出來之前，所有高校的專業(yè)課程教學內(nèi)容都是有各個學校自行制定。操作系統(tǒng)作為一門計算機的專業(yè)基礎(chǔ)課，在計算機專業(yè)課程群中的重要性毋庸置疑，上課時教師總是希望學生能把操作系統(tǒng)課程學好學深，為學生工作打下良好的基礎(chǔ)。在教學過程中，很多教師的教育理念是學習要系統(tǒng)、覆蓋要全面、理論要深入，基本操作系統(tǒng)的每個知識點都要講到，每個理論都要深入探討，這種教學方式使學生在每一節(jié)課上學習的內(nèi)容非常飽滿又難以消化，容易導致學生產(chǎn)生厭學情緒。

2 “新工科”背景下操作系統(tǒng)課程的改革

2.1 以需求為導向，選擇教學內(nèi)容

“新工科”建設(shè)明確高校的教學活動是以市場需求為導向，培養(yǎng)適應新興工業(yè)需要的各個層次的工程人才。該校屬于地方型本科高校，計算機專業(yè)的學生畢業(yè)后主要從事軟件開發(fā)、測試和運維等工作，要求學生對復雜的計算機問題具有良好的分析、抽象、設(shè)計能力。目前各個高校使用的操作系統(tǒng)教材內(nèi)容涵蓋的知識點很多，從緒論開始介紹操作系統(tǒng)發(fā)展和分類，然后是進程管理、CPU管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、Linux/Unix操作系統(tǒng)等，教材的厚度一般在500頁左右，讓學生一個學期掌握所有這些內(nèi)容，對學生來說是比較困難的。從學生實際情況看，學習操作系統(tǒng)課程的目的不是編寫一個操作系統(tǒng)程序，而是掌握操作系統(tǒng)原理，學會將操作系統(tǒng)原理應用到編程中，以提高程序效率。所以以此目的為原則，對操作系統(tǒng)課程的內(nèi)容進行適當篩選。由于當前學生畢業(yè)后的工作以網(wǎng)站、安卓/ios和前端開發(fā)為主，因此可以刪除課本中網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的內(nèi)容，而學生后續(xù)還會開設(shè)《Linux與嵌入式操作系統(tǒng)》課程，所以Linux/Unix操作系統(tǒng)部分內(nèi)容也全部刪除。這樣給其他的課程內(nèi)容騰出很多學時，像內(nèi)存分配、程序并發(fā)、進程通信等概念，是在工程實踐中經(jīng)常遇到的問題，需要學生熟練掌握，教師可以有時間對這些知識點進行詳細講解。

2.2 以知識為載體，豐富教學手段

高校要徹底擺脫面向課程的教育，真正走向面向產(chǎn)出的教育，就要將知識作為載體，向?qū)W生傳授解決計算機類復雜工程問題的思想、方法和專業(yè)技能[5]。傳統(tǒng)的教學方式都是圍繞著教師進行的，上課教師在講臺講課，學生坐在下面聽課；課后教師布置作業(yè)，學生做作業(yè)；然后教師批改作業(yè)，學生就掌握了作業(yè)中的內(nèi)容，學生學習到的是操作系統(tǒng)的知識，而忽略了培養(yǎng)使用操作系統(tǒng)解決問題的思想?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)是培養(yǎng)具有具有創(chuàng)新意識，能夠解決復雜問題的工程人才，教育的重點在理論與工程的結(jié)合上，需要采用豐富的教學方式，側(cè)重學生各層次能力的培養(yǎng)[6]。

(1)“翻轉(zhuǎn)課堂”教學法。翻轉(zhuǎn)課堂是斯坦福大學提出的教學方法，就是將先學習知識再培養(yǎng)能力的過程變?yōu)橄儒憻捘芰υ賹W習知識。學生先在課下自己完成知識的學習，而課堂是教師進行答疑解惑的場所。操作系統(tǒng)是計算機的基礎(chǔ)軟件，所有學生在沒有學習計算機課程之前都接觸過操作系統(tǒng)，或多或少會使用操作系統(tǒng)，而且已經(jīng)開設(shè)的操作系統(tǒng)的微課，提供了操作系統(tǒng)中各個知識點的教學視頻，使操作系統(tǒng)課程非常適合于應用翻轉(zhuǎn)課堂教學法。在教學過程中，根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學方式的特點，選擇學生熟悉、易于理解的內(nèi)容讓學生先自行學習。例如文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中對文件進行組織和管理的部分，對文件操作也是學生在未學習操作系統(tǒng)前最熟悉的內(nèi)容，所以這部分可以采用翻轉(zhuǎn)教學。首先教師給出學生自學時必須學習的知識點“文件的邏輯結(jié)構(gòu)”、“文件控制塊”、“樹型目錄結(jié)構(gòu)”、“共享方法”、“訪問矩陣”等，學生自學后在課堂上由教師進行答疑，加深學生對這些知識點的認識。最后是教師與學生的互動，教師可以提出一些問題讓學生思考，如“文件目錄管理的優(yōu)點是什么”，“文件共享方式各有什么缺點”，“對文件系統(tǒng)的安全的看法”，這些問題有助于培養(yǎng)學生用操作系統(tǒng)思想去思考問題的能力。

(2)模擬學習法。操作系統(tǒng)中有很多是對計算機處理過程的描述，這些部分內(nèi)容瑣碎，過程復雜，描述繁復，學生即使死記硬背記住概念，但也不會應用到實際中。讓學生模擬這些處理過程，甚至去親身演示模擬這個過程，有助于學生對知識的理解。例如信號量是進程同步中的重要概念，利用信號量實現(xiàn)進程同步有許多經(jīng)典算法，例如生產(chǎn)者-消費者問題、讀者-寫者問題、哲學家問題，這些也是學生在學習中的難點。在教學中將學生分成若干組，在教室中找一塊區(qū)域當作臨界區(qū)，這些學生分別代表計算機資源和進程，另一個學生在黑板記錄變換過程中信號量的值，他們共同演示使用這些算法進行進程同步時資源、進程及信號量的變化過程。學生在這種像“小品”一樣的模擬過程中即感受到了學習的快樂，又加深了對這些知識點的理解，取得了非常好的效果。

2.3 以工程為基礎(chǔ)，加強實踐環(huán)節(jié)

在“新工科”建設(shè)中，更加重視學生工程能力的培養(yǎng)，需要學生在不同背景下，綜合多個學科，分析多方面的因素，甚至包括人文、經(jīng)濟、法律等非工科因素，以解決復雜的工程問題，這種能力的培養(yǎng)僅靠課堂聽課是很難達到的。學習操作系統(tǒng)課程既需要有計算機的硬件知識，又要有程序設(shè)計基礎(chǔ)，操作系統(tǒng)在計算機工程問題中是承接計算機軟硬件的橋梁，因此在教學過程中應該更加注重實踐教學環(huán)節(jié)。操作系統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)主要分為兩類，一類是驗證型，一類是綜合型。驗證型實驗是模擬操作系統(tǒng)工作過程或工作原理，通過實驗把概念及原理演示出來，例如進程的創(chuàng)建與撤銷、處理機調(diào)度算法、內(nèi)存分配算法、頁面置換算法和磁盤調(diào)度算法等，實驗的目的是理解這些抽象的理論。由于教學內(nèi)容中刪除了部分內(nèi)容，留出較多課時，所以這些實驗大多可以在課堂上通過該校新使用的操作系統(tǒng)實驗平臺完成，以幫助學生加深對當天課程內(nèi)容的理解。對于學習較好的同學，還鼓勵他們課后在該實驗平臺上繼續(xù)深究算法，完善功能。第二類綜合型實驗目的不僅是使學生學會操作系統(tǒng)中的原理，還應培養(yǎng)學生從操作系統(tǒng)的角度思考問題，提高解決計算機工程問題的能力。操作系統(tǒng)中的資源管理、程序并發(fā)執(zhí)行、進程通信、系統(tǒng)中斷都是計算機工程實踐中的關(guān)鍵點，它們與具體程序設(shè)計語言無關(guān)，與要解決題目的抽象本身有關(guān)，在解決工程問題時應該何時何地使用操作系統(tǒng)概念，以及怎樣使用操作系統(tǒng)概念都需要學生通過實踐的訓練獲得。

2.4 以科技為中心，關(guān)注學科發(fā)展

“新工科”人才應該是“新”的，也就是要立足現(xiàn)在，面向未來，關(guān)注學科前沿，抓住產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，具有對新知識、新科技、新技術(shù)的敏銳洞察力。但是計算機科技日新月異，教材中的內(nèi)容很難跟上學科發(fā)展的腳步，所以在學習課本知識的同時要引導學生學會利用各種媒介資源去獲取所需的最新信息。為此在操作系統(tǒng)的第一次課上給學生布置一個作業(yè)，要求學生用一個學期的時間從各種渠道收集操作系統(tǒng)有關(guān)的最新信息，完成一份學科前沿報告，并將成績計入到平時成績。通過這樣的作業(yè)，讓學生學提升學習興趣，拓寬視野，養(yǎng)成關(guān)注學科前沿的習慣。

3 結(jié)束語

“新工科”的提出說明我國經(jīng)濟在由傳統(tǒng)工業(yè)向新興工業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，教育部門培養(yǎng)的人才無法滿足市場需求。高校應該及時對這種需求做出反應，以市場為目標，以科技為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，在教學活動中盡可能地向市場靠攏，培養(yǎng)市場需要的具有專業(yè)素養(yǎng)和工程能力的人才。而要實現(xiàn)這個目標，必須從高校的教學改革入手，尤其是學科專業(yè)課的改革，使之適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。計算機行業(yè)是我國新興工業(yè)的主力軍，也是其他新興工業(yè)發(fā)展的推動力，作為計算機專業(yè)基礎(chǔ)課，操作系統(tǒng)課程的教學即要重視理論基礎(chǔ)，又要加強實踐訓練，同時培養(yǎng)學生的自學能力和創(chuàng)新意識，為學生今后走向工作崗位打下堅實基礎(chǔ)。