面向新工科的《操作系统》课程改革研究

曹建芳 武晓军

摘要：《操作系统》是网络工程专业一门重要的专业必修课程。为适应新工科建设需要，对《操作系统》课程教学环节进行改革。通过分析《操作系统》课程教学现状和存在的问题，提出基于工程实践能力培养的《操作系统》课程改革方案。首先，以工程教育理念为指引，确定课程教学目标和核心知识点;然后采用翻转课堂改革理论教学方式，制定进阶式实验项目更新实践环节;最后提出新的课程考核內容与方式。实践表明，该教学改革方案有效提高了学生的专业实践创新能力，取得了一定成效。

关键词：网络工程;操作系统;新工科;教学改革

DOI：10.11907/ejdk.191193开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：G434文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）010-0209-04

0引言

基于国家战略发展的新需求、国际竞争的新形势和立德树人的新要求，教育部在2017年4月公布了《新工科建设行动路线》，旨在推动现有工科专业内涵式改革创新，提升高校创新创业人才培养能力，构建工程科技人才培养的新模式和新体系。我国网络工程专业自教育部获批开始招生仅有10余年时间，属较新的专业。但该专业工程实践性很强，所涉及的专业知识不仅包括计算机、电子信息等专业基础课程，还与IT产业、尤其是网络技术发展现状密切相关。《操作系统》作为网络工程专业一门非常重要的专业必修课，网络设备的智能化、复杂化发展趋势和新工科建设对该课程教学都提出了新的要求。然而，目前在大多数高校网络工程专业人才培养方案中，《操作系统》课程教学大纲还基本上沿用计算机科学与技术专业的教学内容。林峰等尝试采用项目驱动对《嵌入式操作系统》课程进行教学改革;杨健兵等采用基于工作过程对《Windows Server 2008操作系统》课程教学方法进行改革;邱剑锋等将OBE教育理念引入《操作系统》课程，将教学内容驱动转变为学习结果驱动。上述研究对不同类型的操作系统课程进行了一定的改革，但大部分只针对课程某一方面进行改革尝试，并没有专门针对网络工程专业的学生进行研究。网络工程专业在课程教学中需要使用各种类型的网络设备，这些设备对操作系统需求不一样，远远比传统的操作系统复杂。随着网络和通信技术的飞速发展，操作系统的变化会愈来愈明显。显然，如果继续按照传统操作系统的教学大纲对网络工程专业的学生进行教学，已经不能满足该专业人才培养需求。因此，结合新工科人才培养理念和需求，改革网络工程专业操作系统课程的教学模式迫在眉睫。笔者多年从事《操作系统》课程教学，经验丰富，基于新工科建设理念，对网络工程专业《操作系统》课程教学改革进行探讨，提出了相应的教学改革措施。

1《操作系统》课程教学现状及存在的问题

《操作系统》属于网络工程专业的核心课程，目前大部分高校都采用西安电子科技大学出版社出版的《计算机操作系统》作为主要教材，沿用计算机科学与技术专业教学大纲，60-70学时，其中讲授40-50学时，实验20学时，主要以验证性实验为主;考核以期末笔试成绩为主，占70%-80%，平时成绩和实验成绩占20%-30%;一般安排在本科第四学期或第五學期讲授。通过该课程学习，旨在让学生掌握计算机系统的整体概念和操作系统的设计方法，深刻理解计算机操作系统的运行机制并指导后续专业课程学习。这是一门理论性和实践性均很强的课程，对于工程实践性很强的网络工程专业，如果只是按照上述安排讲解《操作系统》基本概念和原理，很难达到新工科建设要求。

1.1概念原理多，知识点繁杂，内容抽象

《操作系统》课程涉及的概念和原理较多，而且知识点繁杂，大多数内容均与计算机底层硬件相关，较为抽象。如在多道程序设计中引入进程概念，虚拟存储器管理中引入逻辑地址和物理地址概念，而且在进程调度和页面置换中涉及多种算法，这些内容均需学生在掌握《数据结构》、《计算机组成原理》等课程的相关知识后才能领会。而一般情况下，学生在学习《操作系统》课程时，这些课程刚结束，或是《计算机组成原理》与《操作系统》两门课程同时开设，相关基础知识较差，导致大部分学生认为课程内容抽象、难以理解。而网络工程专业是一个以工程实践为主的专业，课程中涉及的概念、原理应该与工程实践相结合才能增加课程的趣味性。

1.2以验证性实验为主

教师在讲解《操作系统》课程理论部分时强调的是操作系统本身的设计，而在实验时以操作系统应用为主，大多都是验证性实验。如在讲授信号量机制时，理论内容讲解的是如何设计信号量以实现进程之间的同步，而实验部分则是让学生仿真生产者一消费者问题以更好地理解信号量机制，这导致理论与实践脱节。因此，《操作系统》课程应增加设计性、综合性实验，以提升学生的实践创新能力。

1.3理论、实践学时比例失调

以忻州师范学院计算机系网络工程专业为例，该课程共68学时，其中讲授52学时，实验16学时。这样的学时比例分配，实践环节非常薄弱，明显重理论轻实践，导致学生认为课程枯燥无味。理论部分内容在实验中无法得到应用，学生的实践能力难以得到提高。

2课程改革方案

2.1确定课程教学目标与核心知识点

根据工程教育理念对人才培养目标做出调整，将网络工程专业人才培养目标定位为“满足互联网+时代IT产业需求的应用型网络工程技术人才”。

根据《高等学校网络工程专业规范》对《操作系统》课程教学内容的指导性意见和课程毕业要求，确定《操作系统》课程总体教学目标为：①深刻领会操作系统的基本概念、原理和内部结构;②掌握传统和现代操作系统设计的关键技术和实现方法;③能够按照系统设计原理剖析常见的操作系统实例;④能够使用高级程序设计语言分析和实现操作系统中的核心算法;⑤能够分析、比较和评价操作系统的各种常见算法实现。

修改后的课程教学目标与专业规范中涉及到的《操作系统》课程要求指标之间的对应关系如表1所示。

《操作系统》课程教学的主要目标是：学生在掌握计算机相关工程知识基础上，掌握系统软件开发解决方案，具备从事工程实践的能力，具备终身学习能力。学生毕业后可从事系统设计、分析、开发与维护等。该课程在专业人才培养的核心课程中起着承上启下的作用，其先修课程主要包括《高级语言程序设计》、《数据结构》、《计算机组成原理》，后续课程包括《计算机网络》和《嵌入式系统设计》等，课程总体框架如图l所示。

《操作系统》课程主要包括进程管理、存储器管理、设备管理和文件管理4部分内容。进程管理部分核心知识点有：进程的同步与通信机制、处理机调度与死锁问题;存储器管理的核心知识点包括内存分配与回收、虚拟存储器实现方法、页面置换算法;设备管理部分核心知识点有I/O系统、I/O控制方式和中断处理;文件管理部分核心知识点主要包括文件结构和组织形式、文件的存储方式以及共享和保护。

2.2改革教学方法

2.2.1采用翻转课堂

《操作系统》课程涵盖内容多，而且大部分内容与计算机底层硬件相关，较为抽象。如果仅仅依靠有限的理论讲授学时，难以全面学习操作系统理论内容;而且对于抽象、枯燥的理论，单纯依靠教师讲授很难达到理想的教学效果。结合中国大学MOOC上提供的在线课程，采用翻转课堂和任务驱动式教学，课前布置任务，安排学生利用MOOC在线资源预习，提出问题;课堂上，教师重点讲解抽象的原理和方法，并以小组的形式组织学生分组讨论、解决预习过程中存在的问题;课后安排学生在MOOC上参与交流讨论，通过与在线学习的学生沟通，激发学习兴趣;引导学生自主查阅相关文献资料，逐步提高科学研究能力。通过这些方法，变被动学习为主动学习，学生分析问题和解决问题的能力得到快速提升。如在学习进程同步相关内容时，课前布置预习任务，让学生提前了解进程同步的概念、机制，课堂上教师着重讲授信号量机制解决具体问题的步骤和方法，并引导学生共同讨论，分析解决进程同步问题;课后安排学生通过学习MOOC在线资源和查阅文献资料，编程实现进程同步问题。

2.2.2制定进阶式实验项目

在实践环节，為培养学生的系统分析和设计能力，需要有针对性地、循序渐进地设置实验项目。因此，尝试制定进阶式实验项目，逐步提高学生的实践创新能力，如表2所示。

第一层级为基础的验证性实验，目的是验证《操作系统》课程涉及的核心知识与原理，将抽象的原理在实验中形象化，帮助学生巩固课堂讲授的重点内容;第二层级为设计性实验，是对第一层级验证性实验的拓展。主要分析通用操作系统的核心原理与技术，引导学生使用所学知识分析操作系统核心原理实现过程，逐步提高专业实践能力和素养;第三层级为综合性实验，主要分析Linux操作系统内核，加深学生对操作系统结构的理解，同时提升团队协作和沟通能力;第四层级为创新性实验，主要通过搭建虚拟实验平台和构建实验案例，让学生将所学理论知识应用于实践，了解操作系统构思、设计到最后实现与运行的全过程，培养学生的创新能力。通过进阶式实验，学生的专业实践创新能力在潜移默化中得到大幅度提升。

2.3注重过程性考核，更新考核内容与方式

改革之前，《操作系统》课程采用“平时成绩x（20%-30%）+期末笔试成绩x（70%-80%）”的考核方式。根据新工科建设要求，对课程考核内容与方式进行改革。首先，加大平时成绩比例，将平时成绩占比提高到40%;其次注重过程性考核，更新考核内容，将平时成绩分为课堂表现、小作业、大作业和实验成绩4项，各占比10%，学生的课堂表现不仅仅考核出勤情况，还增加了参与课堂讨论、回答问题，课后线上交流、发帖等情况考核;另外对期末考试内容也做了调整，从原来考核学生对理论知识的掌握情况，转变为重点考核学生对所学知识的理解和应用能力上。《操作系统》课程考核内容和方式的改革，更好地体现了新工科建设对学生工程实践能力的要求，有助于提升学生的实践创新能力。

3课程改革成效

《操作系统》课程改革方案自2017年春季在忻州师范学院计算机系网络工程专业开始试行，经过两年多的实践，取得了一些成效。

3.1学生在线学习情况分析

图2是近年来忻州师范学院计算机系网络工程专业学生使用中国大学MOOC平台选修《操作系统》课程人数比例情况。

从图2可以看出，在未实施改革前，学生很少利用在线学习资源学习，自2017年《操作系统》课程实施改革之后，使用中国大学MOOC平台选修《操作系统》课程学习的人数大幅度增加，这说明课改之后学生的自主学习能力逐步增强，学习已不完全依赖于课堂。网络学习平台打破了传统学习方式在时间和空间上的限制，受到学生的青睐。

3.2学生评教情况分析

表3是《操作系统》课程评教的平均成绩统计。

从表3可以看出，虽然每年上课的学生和任课教师有所不同，但2015年和2016年学生的评教成绩相对不高，究其原因是大部分学生认为《操作系统》课程枯燥、难学，不感兴趣;从2017年开始，在理论和实践环节改革之后，学生评教成绩有了较大提高，对课程的学习兴趣逐渐增强，相应的实践创新能力也有了一定提高。

4结语

为提升网络工程专业的工程实践能力，根据新工科建设要求，本文探讨了《操作系统》课程理论和实践教学环节改革方案，并进行了改革实践。以工程教育理念为指引，确定课程教学目标和核心知识点，采用翻转课堂改革理论教学方式，制定进阶式实验项目，更新实践环节，采用新的课程考核内容和方式。通过在线学习情况和评教情况检验改革成效。数据分析结果表明，课改取得了良好效果。

在推进新工科建设进程中，学生工程实践能力的培养还需要产业界、社会界与高校的深入合作，这也是今后教学改革过程中需要考虑的问题。