面向ＣＤＩＯ的“操作系统”教学改革探讨与实践

杨　柳　胡志刚　李　玺　谭长庚　任胜兵　宋　虹

摘要:CDIO是当前高等工程教育的一种新型教育模式,它以培养下一代国际化工程师为目标。本文通过分析CDIO的高等工程教育模式,针对“操作系统”课程的教学现状,探讨了基于CDIO教学理念的“操作系统”教学改革与实践,提出了该课程教学改革的具体措施。课程评价及实践表明,相关教学改革取得了很好的效果。

关键词:CDIO;操作系统;教学改革

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

CDIO作为当今国际高等工程教育的一种创新模式,是由麻省理工学院(MIT)和瑞典皇家工学院等四所大学共同倡导,集多国工程教育精英耗资数百万美元所建立的一整套工程教育理念和实施体系,这种模式更注重扎实的工程基础理论和专业知识的培养,并通过贯穿于整个人才培养过程团队设计和创新实践环节的训练,培养既有过硬的专业技能,又有良好的职业道德的国际化工程师。

“操作系统”课程是计算机学科最重要的专业基础课程,该课程重点介绍操作系统的基本原理和实现技术,是理解计算机系统工作原理、用户界面接口技术、应用系统设计开发方法等基本知识结构的重要途径,其内容涉及理论、算法、技术、实现和应用等方面。针对目前“操作系统”课程教学模式中存在的重概念轻能力培养等问题,探讨面向CDIO工程教育模式的“操作系统”课程教学改革与实践,对学生专业技能和工程能力培养都具有重要意义。

2CDIO高等工程教育模式

2.1CDIO的内涵

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)与运行(Operate),它是“做中学”(Learn by doing)原则和“基于项目的教育和学习”(Project based education and learning)的集中体现。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。基于当前工程教育中重理论轻实践的现状,CDIO高等工程教育模式以构思、设计、实践及运作全过程为载体来培养学生的工程能力,该能力不仅包括个人的学术能力,还包括学生的终身学习能力、团队能力和大系统掌控能力。

2.2CDIO人才培养模式

CDIO人才培养模式的理念主要体现在以下四个方面:

(1) 具有国际先进性。为了应对全球化带来的机遇和挑战,CDIO 国际组织动用大量的教育专家制定了一整套全面的、以能力培养为目标的实施计划和教学大纲,以国际化的教育理念和框架培养具有国际竞争力的人才。

(2) 具有实践可操作性。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念,更重要的是系统地提出了能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果验证的12条标准,具有很强的可操作性。

(3) 具有全面系统性。CDIO教学大纲以能力培养为目标,将学生能力分为四类,包括技术知识和推理能力、个人的职业技能和职业道德、团队协作和交流能力以及项目的构思、设计、实现和运作能力,这四类能力又可具体化为17组能力,再细化为73条技能,力求以科学的培养模式全面系统地提高学生的综合素质。

(4) 具有广泛适应性。CDIO的具体目标就是为工程教育创造出一个合理、完整、通用、可概括性的教学目标,重点将个人、社会和系统的制造技术和基本原理相结合,使之适合工程学的所有领域 。

计算机操作系统是计算机系统中最不可缺少、最常用、最核心、最接近于计算机硬件的系统软件,它涉及到对各种资源(包括硬件和软件资源)的有效管理,又为高层软件的运行提供良好的工作环境,起到承上启下,纵横贯通的作用。其原理、设计思想与方法及应用的掌握,不仅需要注重学生的专业知识教育,更重要的是要重视学生的工程实践能力培养,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,培养学生自学创新能力,以及系统分析、设计和实践的能力。而这些能力培养完全符合CDIO教学大纲提出的培养学生四类能力的要求,因此针对“操作系统”课程的教学现状,CDIO人才培养模式理念对“操作系统”课程进行教学改革具有很强的指导意义。

3 “操作系统”课程的教学现状

“操作系统”课程的教学目标是:一方面实现对学生专业基础知识的综合与提升,帮助学生建立系统、完整的专业基础理论体系,培养学生初步的系统分析与设计能力,培养学生的创新型思维和实践动手能力;另一方面使学生从深层次了解操作系统的组成、结构、功能和应用,增强学生大型系统软件的开发能力,不断提高学生专业素养,为学生以后参与系统软件分析和开发奠定基础。

目前,“操作系统”课程的传统教学模式中主要存在以下问题:

(1) 概念和原理枯燥难懂。由于很多教材和课堂讲解内容都很少与实际应用相联系,学生往往觉得课程中大量的概念和原理抽象费解,由此对课程学习缺乏兴趣。

(2) 课程内容陈旧过时。操作系统的发展日新月异,而目前课程教材内容远远落后于领域最新的研究成果与技术应用背景。

(3) 课程实践与实际应用脱节。传统的实验环节通常是操作系统原理和实现方法的模拟或验证,主要考察学生对所学内容的理解,而缺少设计性、综合性实验以及项目设计,忽略了对学生创新能力和工程实践能力的培养。

4面向CDIO的教学改革实践

针对目前“操作系统”课程教学存在的问题,我们课程组以CDIO工程教育理念和CDIO教育大纲内容为教学改革指导思想,设计了面向CDIO的“操作系统”教学模式,如图1所示。其指导思想是:

(1) 以实验(包括基础性实验、设计性实验、综合性实验)和项目设计为核心,采取重基础、重实践、重创新的多方位教学模式;

(2) 课堂教学过程中采用双语教学和启发式教学,课外通过网络教学互动平台加强师生交流和研讨,注重操作系统基本原理和专业知识;

(3) 构建案例库,通过案例讲述操作系统的关键技术和应用实践方法,注重培养学生的工程推理和解决问题能力,学生通过Windows分析报告提高探寻知识能力;

(4) 利用项目组开发的虚拟实验室,指导学生完成大型实验和项目设计,培养学生团队协作能力,以及系统分析、设计和实践的能力。所有教学模式都以实验和项目设计为核心,形成一个互相融合、互相影响的有机整体,从而达到CDIO大纲的教育要求。

4.1以实验和项目设计为核心

CDIO是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现。在“操作系统”课程教学过程中,实验和项目设计贯穿于教学始终。

基础性实验“进程调度”、“作业调度”、“存储管理”等,加深学生对操作系统的基本概念和核心知识的理解,这些实验是后续实验的基础;设计性实验“利用共享内存进行进程同步”、“文件管理”、“磁盘存储空间的分配和回收”等,培养学生分析问题、解决问题的能力,以及初步的系统分析与设计能力;综合性实验要求学生对Linux内核进行深入分析,对调度算法、驱动程序、文件系统等部分进行修改和设计,培养学生的系统思维能力,以及在实验中探寻知识、勇于创新的能力;项目设计以课程组开发的“虚拟操作系统实验平台”为基础,以小组为单位设计完成一个模拟的操作系统项目,包括处理机管理、存储器管理、文件管理和简单的设备管理,培养学生团队协作能力,以及系统的构思、设计、实施和运行的能力。

将上述四个层次的实践环节贯穿于操作系统教学过程中,较好地实现了以能力培养为目标CDIO 教学大纲的培养学生四类能力的要求。

4.2构建案例库

根据学生设计的优秀作品、教师科研相关课题项目以及企业提供相关实例,指导学生构建和完善操作系统案例库,结合课程网站平台,形成网络化、互动式、多元化的教学模式。案例库中包括有限缓冲区、同步与异步、银行家算法、进程创建fork、动态分区存储器分配、分页等案例,这些既可用于教学过程,也可作为学生项目设计的素材,学生通过即学即用,提高了发现问题、分析问题和解决问题的能力,同时引导学生由浅入深、由基础到综合、由硬件到软件、由验证到创新地进行实践,多层次地加强学生对理论知识的理解,增强了学生的实践与创新能力。

4.3实施案例化教学

针对“操作系统”原理的主要内容,在教学过程中采用案例化教学。一方面,从案例库中挑选具有代表性的实例和学生一起分析其设计思想和应用方法,如:同步与异步、银行家算法等;另一方面,将开源操作系统Linux作为实例教学,如介绍进程调度、虚拟存储、设备驱动和文件系统管理等内容时,引导学生对Linux内核进行深入分析,以便在综合性实验中对Linux相关内核进行修改和设计。通过案例分析和“做中学”,使学生能够更深刻地理解操作系统中的原理、算法,进一步了解操作系统的实现技术,同时培养学生对系统软件进行分析、设计和开发的能力,不断提高其职业技能。

4.4经典操作系统分析报告

鼓励学生在使用操作系统时,结合实际的操作(如多任务并发运行,文件存取,使用共享打印机,利用API编程等),来分析Unix、Windows操作系统的CPU管理、文件系统管理、设备管理、系统调用以及用户接口等。要求学生通过查阅资料,针对Windows的实际操作,按照操作系统的五大功能模块来分组讨论分析经典操作系统采用的实际算法和技术,并以PPT阐述分析和书写分析报告两种方式提交分析报告结果。这种分析报告是课程内容的延伸,一方面通过理论联系实际,加深学生对所学理论知识的理解,促进对知识的运用,培养他们探寻知识的能力;另一方面也激发了学生的学习兴趣,提高了他们的团队协作能力和交流能力;同时,教师依据学生所做的分析报告,考查了他们对知识理解的程度和运用知识的能力,为评价学生综合能力提供了有力依据。

4.5建立虚拟实验室平台

为了给学生提供一个开放、自主和交互的实验环境,课程组设计开发了操作系统虚拟实验平台。以该“虚拟操作系统实验平台”为基础,指导学生以小组为单位共同完成Linux环境下操作系统的各功能模块的项目设计和实现。基于项目需求要求学生从构思、设计、实现、运作四个流程,完成一个实际项目的分析、设计、实现和模拟运作四个过程。通过“基于项目的教育和学习”,使得学生能够综合理解Linux操作系统的实现机制,创造性地构造新算法、新模块并添加新功能,同时也培养了学生的团队合作及工程项目研发能力,提高了学生在项目规划、队伍组织、工作分配、成员交流等多方面的能力。

4.6建设网络教学互动平台

为了给学生营造一个良好的自主学习氛围,课题组建设了“操作系统”教学网站,将教学从课堂延伸到课外。网站中的电子教案、课后练习、实验辅导、教学录像等教学资源为学生提供课外自学的网络环境;在线答疑、作业提交、网上留言为师生提供了实时和非实时两种方式的交流互动平台。同时网站随时更新课堂上介绍的操作系统新发展动向和技术等相关资料,如:Microsoft、Intel、IBM等知名企业最新技术,以及多核技术、多线程技术、大型主机等相关知识。学生可通过网络环境极为便利地实现自主学习和教与学的互动。

5基于能力成熟度的课程评价

美国Carnegie Mellon 大学软件工程研究所SEI提出的能力成熟度模型CMM是目前流行的能力评价模型。中南大学软件学院将CMM引入到人才培养的实施、评估和优化,以关键教学课程为关键实践,以关键课程系列为关键过程域,构建了面向本科生的能力成熟度模型,在加强对学生基本知识、基本技能考核的同时,注重动手能力、综合运用能力、社会实践能力、团队协作以及创新能力考核,以期更科学地对学生能力进行综合评价。

在本科生能力成熟度评估过程中,通过与操作系统相关知识的问卷调查、相关实践环节评价、分模块的学生报告评价、课程考试、现场走访和学生座谈等方式,完成对计算机“操作系统”课程关键实践的评估。评估结果表明,通过引入CDIO教学理念,学生动手能力大大增强,在操作系统知识的综合运用和团队协作等方面有明显的改善,大多数学生对操作系统目前存在的问题和研究热点有较好了解,学生的各项综合能力明显增强。

6总结

CDIO大纲以构思、设计、实现和运作为主线,综合考虑了专业基础知识,个人和职业的技能以及团队协作与沟通的人际技能,以及在整个企业/社会环境下进行CDIO的过程。在强调学生理论基础知识的同时,注重培养学生理论应用能力、团队合作能力以及大系统掌控能力。因此,在目前计算机操作系统从广度和深度上应用需求不断增加的背景下,将CDIO理念引入“操作系统”课程改革与实践中是切实可行的。同时,通过面向CDIO的教学改革实践,以实验和项目设计为核心,采取的重基础、重实践、重创新的多方位教学模式,达到了本课程的教学目标,提高了学生的课程学习兴趣,为“操作系统”后续课程如Linux程序开发环境、嵌入式系统、并行计算等课程奠定了扎实的理论和实践基础,同时也培养了学生的CDIO能力,取得了很好的教学效果,得到了同行专家的高度评价和学生的欢迎。

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