陸億紅 于明遠(yuǎn)

摘? 要： 操作系統(tǒng)原理是計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，新工科背景下，課程內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)、教學(xué)方式需要提高“感性和趣味性”。在引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念和基本方法的基礎(chǔ)上，設(shè)置“差異化”教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用混合學(xué)習(xí)和掌握學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)形式。將課程實(shí)踐與課程設(shè)計(jì)結(jié)合，注重知識的拓展，從而強(qiáng)化應(yīng)用基礎(chǔ)性知識點(diǎn)，挖掘?qū)W生潛力。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng)原理; 新工科; 掌握學(xué)習(xí); 混合學(xué)習(xí); 教學(xué)改革探討

中圖分類號：G521? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）04-117-03

Abstract： "Principles of Operating System" is a very important basic course in the computer science specialty. For New Engineering Education， the courses content should keep pace with the times， and the teaching method needs to be improved on the "sensibility and interest". On the basis of guiding students to understand and master the basic concepts and methods of the operating system， the "targeted" teaching content and practice links are offered， as well as the teaching mode combined with blended learning and mastery learning is adopted. By combing course practice with course design and focusing on knowledge expansion， the application of basic knowledge can be enhanced， and students' potential can be exploited.

Key words： principles of operating system; New Engineering Education; mastery learning; blended learning; discussion on teaching reform

0 引言

“操作系統(tǒng)原理”課程的主要目的和任務(wù)是使學(xué)生能較深人地理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念、基本方法、主要功能及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對典型操作系統(tǒng)的性能和組成有一定的了解。新工科是高等工程教育為了主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、 國內(nèi)工程教育發(fā)展形勢和服務(wù)國家戰(zhàn)略而做出的符合中國特色的高等工程教育改革方案，新工科主要包括三個(gè)方面：①傳統(tǒng)工科的改造升級;②面向新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的新的工科專業(yè);③工科與其他學(xué)科交叉融合產(chǎn)生的新專業(yè)[1]。“新”的內(nèi)涵之一是新型，即對傳統(tǒng)及現(xiàn)有學(xué)科進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級形成的新學(xué)科[2]。“新工科”的提出為高等工程教育的改革探索提供了一個(gè)全新視角和“中國方案”[3]。

計(jì)算機(jī)學(xué)科作為典型的工程學(xué)科， 隨著信息化和通信技術(shù)的快速發(fā)展，面向新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的人工智能和大數(shù)據(jù)等新的工科專業(yè)，特別是計(jì)算機(jī)學(xué)科與傳統(tǒng)機(jī)械、土木等其他學(xué)科交叉融合，賦予了交通、水利等傳統(tǒng)基建新內(nèi)涵，形成了新基建內(nèi)容。同時(shí)，計(jì)算機(jī)學(xué)科在新工科背景下，需要調(diào)整和主動適應(yīng)，尤其是操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等最“經(jīng)典”、“最傳統(tǒng)”的專業(yè)課程，因此，如何充實(shí)教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)方式，從而提高教學(xué)質(zhì)量，面臨新的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，在新工科背景下，探討操作系統(tǒng)原理課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)、教學(xué)方式“感性和趣味性”，在托底前提下實(shí)施“差異化”引導(dǎo)，從而強(qiáng)化應(yīng)用基礎(chǔ)性知識點(diǎn)和挖掘?qū)W生潛力。在新工科理念下，以學(xué)生為中心，以提升學(xué)生能力為目標(biāo)，進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，取得了一定的成效。

1 “操作系統(tǒng)原理”課程的特點(diǎn)及教學(xué)內(nèi)容拓展

“操作系統(tǒng)原理”是計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有“不變”與“變”、“經(jīng)典”與“現(xiàn)代”的特點(diǎn)?！安蛔儭笔侵福翰僮飨到y(tǒng)是負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的最基本的系統(tǒng)軟件，計(jì)算機(jī)用戶是通過調(diào)用操作系統(tǒng)的功能來使用計(jì)算機(jī)的，操作系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的原理是基本“不變”的，這也是“經(jīng)典”所在?！白儭笔侵福翰僮飨到y(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處于裸機(jī)與應(yīng)用層之間，對下直接與硬件接口，對上提供方便的用戶接口，涉及面廣、錯綜復(fù)雜;而計(jì)算機(jī)硬件和接口等技術(shù)設(shè)備發(fā)展變化很快，現(xiàn)代技術(shù)層出不窮。

由于“操作系統(tǒng)原理”課程主要講授操作系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的原理，很多同學(xué)會覺得概念抽象、不易理解;上課內(nèi)容很多是文字講述，不像程序或算法類課程可以讓學(xué)生即學(xué)即用以達(dá)到立竿見影的效果。另外，操作系統(tǒng)代碼很多都會涉及到硬件，代碼量大不方便課內(nèi)舉例，代碼例子要花費(fèi)很多時(shí)間講解，并且需要學(xué)生花大量課外時(shí)間才能吸收消化。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺不到這門課程對自己編程或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的作用，部分學(xué)生會失去對“操作系統(tǒng)原理”課程的學(xué)習(xí)興趣。

國內(nèi)的操作系統(tǒng)，基本由微軟的視窗操作系統(tǒng)、蘋果的ios操作系統(tǒng)及谷歌的安卓操作系統(tǒng)所掌控，三方居于市場壟斷地位。在中美貿(mào)易摩擦進(jìn)一步加劇的環(huán)境下，操作系統(tǒng)的核心關(guān)鍵作用進(jìn)一步凸顯，甚至成為競爭博弈的武器和籌碼，美國對華為斷供就是明證。我國操作系統(tǒng)企業(yè)規(guī)模較小，低效競爭的現(xiàn)象普遍存在，難以形成合力。國內(nèi)創(chuàng)新投入依然不足，在開源生態(tài)中參與度與貢獻(xiàn)度較低，技術(shù)話語權(quán)不高。因此，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)亟待進(jìn)一步優(yōu)化，國產(chǎn)操作系統(tǒng)的研發(fā)與使用迫在眉睫[4]。

目前國產(chǎn)操作系統(tǒng)均是基于 Linux內(nèi)核進(jìn)行的二次開發(fā)。Linux是一款由C語言編寫的免費(fèi)開源系統(tǒng)內(nèi)核。憑借其免費(fèi)開源、安全穩(wěn)定、高模塊化程度、廣泛的硬件支持、支持多用戶多任務(wù)等特點(diǎn)，Linux獲得眾多開發(fā)者的推崇。但Linux也具備操作系統(tǒng)的共性，即具有進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理和文件管理功能，這些在操作系統(tǒng)原理中都有敘述。

新工科背景下，學(xué)科交叉越來越緊密、技術(shù)與設(shè)備日新月異，“操作系統(tǒng)原理”課程的教學(xué)內(nèi)容需要調(diào)整和主動適應(yīng)。比如：基于我國自己的IT底層架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，形成自有開放生態(tài)所需的基礎(chǔ)知識;PC端、服務(wù)器、嵌入式和PDA 手持終端操作系統(tǒng)的原理與應(yīng)用拓展等。

2 強(qiáng)化應(yīng)用基礎(chǔ)性知識點(diǎn)和激發(fā)學(xué)生潛力

2.1 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

“操作系統(tǒng)原理”基于小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，簡稱SPOC），采用線上/線下混合教學(xué)模式，將SPOC平臺作為課堂教學(xué)的延伸渠道，學(xué)生通過SPOC平臺，獲取教學(xué)資源，按照自身水平在線下自學(xué)新知識;課堂在講授基礎(chǔ)知識的同時(shí)，進(jìn)行“差異化”引導(dǎo)，從而強(qiáng)化應(yīng)用基礎(chǔ)性知識點(diǎn)和挖掘?qū)W生潛力。

⑴ 課前準(zhǔn)備階段

課前根據(jù)“操作系統(tǒng)原理”課程教學(xué)大綱，設(shè)置單元和具體知識點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)，上傳“學(xué)習(xí)資源包”至超星泛雅平臺（SPOC平臺），為學(xué)生預(yù)留出自學(xué)時(shí)間，“學(xué)習(xí)資源包”結(jié)合新工科背景下的學(xué)科交叉需求和知識拓展。并在超星泛雅平臺上設(shè)置相關(guān)的基礎(chǔ)認(rèn)知型測試題，提供課前思考問題，布置課前作業(yè)。通過測試題，了解個(gè)人對知識點(diǎn)的掌握情況和自學(xué)效果。教師針對學(xué)生課前的學(xué)習(xí)狀況，安排本章節(jié)的課堂教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度。

學(xué)生認(rèn)真完成超星泛雅平臺上上傳的“教學(xué)資源包”、課前測試和課前作業(yè)并思考課前問題;及時(shí)參與線上討論。教師監(jiān)督保障全體同學(xué)理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念和基本方法等;對部分基礎(chǔ)好、興趣廣泛的學(xué)生，開展更深入、更廣泛的“差異化”問題探討，不斷充實(shí)“教學(xué)資源包”中啟發(fā)性和挑戰(zhàn)性的內(nèi)容。通過這三個(gè)方面的工作，學(xué)生在課前對新知識有了初步了解，這會大幅度提升課堂知識吸收效率。

課前教學(xué)模式設(shè)計(jì)體現(xiàn)了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀的核心觀點(diǎn)認(rèn)為，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中不僅要吸收外部環(huán)境中的有關(guān)信息，還要有主動建構(gòu)知識的過程，才能將新知識整合到自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)之中[5]。課前教學(xué)模式設(shè)計(jì)突出了學(xué)生學(xué)習(xí)中的主體地位，并發(fā)揮教師教學(xué)中的引導(dǎo)作用，師生共同充實(shí)新工科背景下的學(xué)科交叉內(nèi)容，豐富 “學(xué)習(xí)資源包”。

⑵ 課堂教學(xué)階段

在課堂實(shí)施中，采用情境教學(xué)和探究學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合學(xué)習(xí)教學(xué)形式，引導(dǎo)學(xué)生在思考中解決課前學(xué)習(xí)中遇到的疑惑?？梢岳糜暾n堂來提高教學(xué)效率，借助雨課堂線上簽到提升課堂出勤率。雨課堂具有 PPT嵌入功能，其課件的共享性非常突出，在授課中方便學(xué)生根據(jù)自身的情況翻閱課件，既可以兼顧不同水平的學(xué)生，又可以增加學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與參與課堂的能力，根據(jù)自身情況展開學(xué)習(xí)，體現(xiàn)“差異化”教學(xué)。雨課堂的彈幕功能可以隨時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，方便及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)討論，降低課程的枯燥程度，增加“趣味性”;考慮到彈幕功能可能影響課堂的流暢性，盡量做些前期溝通和時(shí)段開放功能設(shè)置。雨課堂還有課堂測試功能，可以設(shè)置客觀題和主觀題。客觀題可自動統(tǒng)計(jì);主觀題可通過問題反饋進(jìn)行答案征集并統(tǒng)計(jì)，針對性的進(jìn)行投屏講解。在課堂教學(xué)的最后五分鐘，對整節(jié)課的知識進(jìn)行總結(jié)，突出重點(diǎn)內(nèi)容。

課前學(xué)生已通過對“教學(xué)資源包”的自主學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了對知識的初步消化和吸收，在平臺測試中也發(fā)現(xiàn)了自己對知識點(diǎn)掌握的不足，形成了對知識的自我建構(gòu)。因此，學(xué)生是帶著疑問進(jìn)入課堂，在教師的引導(dǎo)下積極參與課堂學(xué)習(xí)。在課堂中，學(xué)生可通過彈幕功能提出自己的疑問，通過PPT嵌入功能共享課件，利用反饋功能標(biāo)記課件中的疑惑，通過測試知道自己知識掌握的不足。這樣，就引導(dǎo)學(xué)生集中精力跟隨教師的總結(jié)，梳理本節(jié)課的知識，借此完善自己對新知識的建構(gòu)，部分學(xué)生還能找到自己的興趣點(diǎn)和拓展方向。

課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和注重增加教學(xué)反饋環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了混合學(xué)習(xí)理論[6]和掌握學(xué)習(xí)理論[7]的綜合應(yīng)用，有效地克服操作系統(tǒng)原理課程概念抽象、不易理解和乏味等難題。

⑶ 課后拓展和復(fù)習(xí)階段

課后依托超星泛雅平臺和QQ群與學(xué)生深入答疑，為學(xué)生布置個(gè)人或小組作業(yè)，每章布置專題測試題。對學(xué)生上傳的作業(yè)給予評價(jià)，通過分析作業(yè)結(jié)果對學(xué)生個(gè)性化指導(dǎo)，特別要關(guān)注那些基礎(chǔ)好、興趣廣泛的學(xué)生，開展更深入、更廣泛的“差異化”問題交流與探討，“差異化”引導(dǎo)和教學(xué)內(nèi)容比傳統(tǒng)的“因材施教”更廣泛、更深入。在教學(xué)結(jié)束后，及時(shí)做教學(xué)反思，將問題匯總分類，適時(shí)擴(kuò)充更新學(xué)習(xí)資源包。在課后學(xué)習(xí)鞏固階段需要在超星泛雅平臺按照教師要求以個(gè)人或小組形式上傳作業(yè)，完成每章專題測試題以鞏固知識，在積極探索中提高自主學(xué)習(xí)能力和解決實(shí)際問題的能力，完成自身對新知識的建構(gòu)。

操作系統(tǒng)課程教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)問題是如何將理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系起來，使學(xué)生將抽象的原理知識與具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)融會貫通。為了解決這個(gè)難題，除了設(shè)置課程實(shí)驗(yàn)，還在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中引入國內(nèi)外名校廣泛使用的pintos操作系統(tǒng)，學(xué)有余力或感興趣的學(xué)生可以在上“操作系統(tǒng)原理”課程時(shí)即可著手進(jìn)行Pintos實(shí)驗(yàn)。Pintos實(shí)驗(yàn)主要分成四部分：Thread、User Programs、Virtual Memory和File System。通過bochs加載pintos操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)會根據(jù)pintos的實(shí)現(xiàn)打印運(yùn)行結(jié)果，通過比較標(biāo)準(zhǔn)輸出文檔和實(shí)際輸出，來判斷pintos實(shí)現(xiàn)是否符合要求。通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生對pintos這個(gè)操作系統(tǒng)的各種機(jī)制和實(shí)現(xiàn)有更深刻的理解，從而更好地理解和掌握操作系統(tǒng)原理，為能開發(fā)或改進(jìn)操作系統(tǒng)打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.2 學(xué)習(xí)與教學(xué)評價(jià)

傳統(tǒng)教學(xué)過程，課堂上的相關(guān)學(xué)習(xí)與教學(xué)活動很難及時(shí)量化統(tǒng)計(jì)，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)與教學(xué)評價(jià)比較單一。借助超星泛雅平臺和雨課堂，可以將線上評價(jià)與課堂評價(jià)有機(jī)結(jié)合，通過將線上的參與度、線上測試成績、作業(yè)完成情況、線上互動統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)與線下的參與度、互動情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集，針對每一個(gè)學(xué)生產(chǎn)生針對性的學(xué)習(xí)報(bào)表，最終實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)課程的多元化評價(jià)。

3 結(jié)束語

“操作系統(tǒng)原理”是計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有“不變”與“變”，“經(jīng)典”與“現(xiàn)代”的特點(diǎn)。新工科背景下，結(jié)合“操作系統(tǒng)原理”課程特點(diǎn)和內(nèi)容拓展要求，教學(xué)方式上，開展“感性和趣味性”探討，在引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握操作系統(tǒng)的基本概念和基本方法等基礎(chǔ)上，設(shè)置“差異化”教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐環(huán)節(jié)，引導(dǎo)部分優(yōu)秀學(xué)生更深入、更全面地掌握操作系統(tǒng)的原理與應(yīng)用拓展，強(qiáng)化應(yīng)用基礎(chǔ)性知識點(diǎn)并提高課程“趣味性”，有助挖掘?qū)W生潛力。下一步為適應(yīng)日新月異的硬軟件技術(shù)發(fā)展，教學(xué)實(shí)踐還需及時(shí)更新和拓展內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 孫英浩，謝慧.新工科理念基本內(nèi)涵及其特征[J]. 黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2019.7～8：11-15

[2] 林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017.38（2）：26-35

[3] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017.3：1-6

[4] 馬良.推動國產(chǎn)操作系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展亟需緊抓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)遇[J].今日科苑，2020.2：15-17，38

[5] 何克抗.建構(gòu)主義信息技術(shù)革新高校教學(xué)的理論基礎(chǔ)[R].1997年香港“教學(xué)技能與教學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議”特邀報(bào)告.

[6] 何克抗.從Blending Learning看教育技術(shù)理論的新發(fā)展[J].國家教育行政學(xué)院學(xué)報(bào)，2005.9：37-48，79

[7] 聞雪原.基于SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂的全英文專業(yè)課教學(xué)研究——以“操作系統(tǒng)原理”課程為例[D].天津大學(xué)，2018.