工程认证下操作系统课程实践环节的改革探索

2020-09-26赵伟华

实验技术与管理 2020年4期

赵伟华，董黎，林菲，刘真

（1. 杭州电子科技大学计算机学院，浙江杭州 310018；2. 杭州电子科技大学图书馆，浙江杭州 310018）

1 背景

2016年6月，中国成为《华盛顿协议》正式会员，表明我国工程教育质量已被国际认可。工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，其核心理念是：成果导向、以学生为中心、持续改进。传统的课程教学模式已经不能满足工程教育认证的要求，比如课程目标不够明确、不容易评价，课程教学内容及教学方法不足以支撑课程目标的能力达成，考核方式不能有效评价课程目标的达成情况等。操作系统是计算机类专业的核心课程，概念多、原理性强，为提高教学效果，培养学生解决复杂工程问题的能力，课程设置了独立的操作系统课程实践环节。近几年，我们将工程认证的核心理念引入课程实践环节的教学改革中，以成果导向教学设计，基于学生学习结果评价教学质量，以PDCA循环机制开展课程教学的持续改进，促进了课程教学质量的螺旋式提高。

2 课程教学改革的总体思路

“成果导向、以学生为中心、持续改进”是工程认证的核心理念，基于此，在设计课程教学时，首先应依据社会与行业需求、学校的办学定位以及学生的发展期望反向设计专业的培养目标、毕业要求及指标点、课程体系；然后再根据课程对指标点的支撑情况进行具体的课程教学设计，包括课程教学目标、教学内容、教学手段与方法、考核方式等；在课程教学实施完成后，应采用合理的评价机制有效评价课程教学质量，及时反馈评价结果，并依据评价结果制定切实可行的改进方案，持续改进课程教学，提高课程教学质量。基于工程认证的课程教学改革的总体思路如图1所示。

图1 课程教学改革总体思路

3 基于工程认证核心理念的课程教学设计

3.1 基于成果导向理念设计课程目标

我校计算机科学与技术专业以及软件工程专业按照教育部工程教育专业认证协会颁布的《工程教育认证标准（2014）》设置了12项毕业要求，并进一步分解为33个指标点。根据成果导向的反向设计原则，首先要确定课程对专业毕业要求指标点的支撑，经深入分析后确定操作系统课程实践需支撑6个指标点的能力培养。在此基础上确定课程教学目标，目标的描述必须明确、具体、可测量，这是有效进行达成度评价并进而指导课程教学持续改进的前提[1-4]。为此，操作系统课程目标设置结果如图2所示。

图2中6个课程目标，可概括为培养学生4方面的能力：分析、解决复杂工程问题的能力；沟通交流能力；创新意识；团队协作能力。因此，课程的教学内容及教学模式必须能有效培养学生的这些能力，服务于课程目标的实现；课程的考核方式必须能有效评价学生这些能力的达成情况，服务于课程教学的持续改进。

3.2 基于课程目标设计课程教学内容

为培养学生分析、解决复杂工程问题的能力及创新意识，在设计实验项目时，应充分考虑项目的综合性、分析性与设计性，让学生必须综合应用多方面的知识与技术，运用操作系统原理机制深入分析，才能得到合格的项目结果。同时，项目要有一定的开放性，给学生留出足够的扩展与创新空间，以培养学生的创新意识。为此，根据我校学生实际情况设置了从简单到复杂、从小规模到大规模、循序渐进的操作型、验证型、应用型、设计型四个层次的实验项目[5]，其内容及对课程目标的支撑情况见表1。

图2 基于专业毕业要求指标点的课程目标

表1 教学内容对课程目标的支撑情况

工程教育的基本定位是培养学生解决复杂工程问题的能力。关于复杂工程问题，《华盛顿协议》给出了7个特征，其中第1项是必修的，其余6项是可选的，包括：①必须运用深入的工程原理进行分析才可能解决；②需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；③需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；④不是仅靠常用方法就可以完全解决的；⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中；⑥问题相关各方利益不完全一致；⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[1,6]。对于操作系统这样的核心专业课来说，实践教学环节中必须至少有部分实验项目具备复杂工程问题的特征，以设计性实验项目“简单文件系统的设计与实现”为例，该项目要求设计一个基于多级目录结构的、建立在虚拟磁盘上的文件系统，涉及的工程原理有数据结构的队列、树等相关知识，磁盘设备的特点，文件系统原理知识，C语言编程能力与算法性能分析能力等。学生需要运用多方面知识深入分析，才能设计出满足基本要求的软件系统。同时本实验也留有较大的扩展空间，学生可以充分发挥想象力和创造性，设计出更好的算法及数据结构，得到一个效率更高、用户界面更友好的文件系统，培养学生解决复杂工程问题的能力及创新意识。

3.3 以学生为中心设计课程教学模式

在以促进学生能力发展为目标的多维度、综合性的人才培养体系下，沟通、工程社会观、伦理道德、社会责任感、职业规范、团队协作、终身学习能力等非技术性能力的培养，并不能仅仅通过知识点学习来有效达成，要更多地从教学方法与手段、教学组织形式等教学模式的实施过程获得。

传统的教学方法是以教师为中心，关注教什么、怎么教、教得怎么样，这样的教学模式是单向的信息传递，学生是被动的接受者，不利于学生主动地进行创造性学习，因此必须改革。以学生为中心，关注的是学什么、怎么学、学的怎么样，教师的角色是学习的指导者和组织者，其作用更重要的是为学生提供有效的学习途径、学习资源和学习环境，这种自主式探究学习是能力发展的最有效途径。

根据课程的教学目标及实验内容的难易程度，在教学设施过程中采用了多种教学模式，具体说明如下：

1）引入翻转课堂教学模式。

工程认证的“以学生为中心”理念，认为只要为学生提供合适的条件，所有学生都能学习成功，但并不是所有学生都是以相同的方法、速度来学习的。事实上，在同一个教学班中，学生的知识基础、编程能力及学习能力通常存在差异，要求所有学生按同样的进度完成所有实验项目是很难实现的，因此教师必须为学生提供更灵活的学习时间及资源以满足学生的个体差异需要。翻转课堂理念使教学活动由“以教导学”转变为“以学定教”，促进了课内、课外学习的密切结合，使学生能够根据自身情况自主规划学习内容和学习节奏，学习活动由课内向课外延伸，课内课外有机结合。

为配合翻转课堂教学模式的顺利实施，首先需要建设相关教学资源，最主要的是教学微视频的制作。分别依据每个实验项目的特点，如涉及知识点的数量、综合性的高低等，将其拆解为若干相对独立的部分，如项目任务要求、背景知识介绍、扩展知识推荐、主要功能模块的划分及建议设计思路等，再录制成教学微视频，每个视频尽量控制在 5～10分钟。然后，我们借助浙江省高等学校在线开放课程共享平台，建设翻转课堂的教学环境，包括所有的教学微视频、课件、扩展阅读资料、课程教学大纲、教学计划、考核评价方式、设计报告模板等。翻转课堂教学实施方法设计如下：

（1）课前在线学习和项目编程实现。教师在开学初按照操作系统原理课程的教学安排制定课程实践的教学计划，详细说明每个实验项目的截止验收时间，并上传到网络平台上。学生可根据原理知识学习进度、自身学习能力、学习任务的繁忙程度等，利用各种移动终端设备，自行安排视频学习时间和地点，自主选择学习扩展资料，遇到问题发起在线师生讨论。由于课内实验时间有限，因此项目的设计及编程实现工作主要在课外进行，以给予学生更充足和更自由的项目实现时间安排。课前的自主学习也培养了学生的终身学习意识和能力。

（2）课中指导、讨论与项目验收。课堂上机过程中，教师的主要工作是引导、答疑、与学生讨论、项目验收等。学生将课前视频学习、项目设计与编程实现中遇到的问题带到课堂中与老师或其他同学进行讨论和分析，教师还可根据每个学生或小组项目的具体实现情况分别给予针对性的指导和改进建议，引导和鼓励学生用新思路、新方法去解决所遇到的问题，培养学生对现有知识进行思考、质疑、灵活运用、创新改造的意识和能力[2]，真正实现因材施教，满足学生个性化学习的需要。

（3）课后学生改进项目实现质量，完成课程设计报告。课堂上机结束后，学生根据讨论情况改进项目设计与实现，提高项目实现质量，如界面设计、性能优化等。撰写课程设计报告，报告内容应包括：总体设计方案的思路、数据结构及算法设计、模块接口设计等的详细说明，程序运行结果的分析，项目实现过程中遇到的问题及所采用的解决办法，项目的创新点说明，阅读的参考文献，项目的进一步改进思路，等等。课程设计报告的完成，有助于培养学生的实验结果分析能力、文档撰写能力、文字表达能力等。

2）个人独立完成、同伴互教与小组协作完成相结合。

对操作型实验、Linux中添加系统调用及内核模块，代码量少，难度较低，因此要求个人独立完成；对代码量较大的Linux进程通信程序及简单文件系统的设计与实现，采用小组协作方式进行：以小组讨论方式完成总体方案及模块接口的设计，依据项目设计分成若干功能模块，每个成员完成其中的一部分；同时采用“同伴互教法”[7-8]，要求每个成员将其完成内容的设计思路、数据结构、代码具体实现等详细教会给小组其他成员，这样做的目的有二：一是保证每个成员都能全面理解整个项目的实现思路及方法，培养系统化分析问题的能力；二是成员在相互讲解、讨论过程中，更能发现自己设计中存在的问题，即所谓的“教学相长”；最后需将各成员完成的模块集成为一个统一的可执行程序。在这个过程中，既培养学生对复杂问题的独立分析及解决能力，又培养了学生的团队协作能力，使得学生能够在团队合作中承担个体、团队成员及负责人的角色；此外，学生在完成项目过程中，能够将所学知识应用到方案设计及编程实现中，并进一步尝试改进性能，培养创新思维。

3）项目上机验收。

对每个学生进行上机验收工作，教师可针对项目的解决方案设计、数据结构及算法设计、编程实现细节、程序运行结果分析等多个方面提出问题，由学生现场解释说明。该教学环节能够培养学生的沟通交流能力，包括就复杂工程问题陈述发言、清晰表达或回应指令的能力。同时因为现场验收，也促使学生在项目实现过程中投入更多精力，提高实际动手能力及解决问题的能力。

3.4 以能力评价为中心设计课程考核评价方式

依据本课程所需达成的教学目标，采用形成性评价与终结性评价相结合的方法，注重学习的全过程和评价的多元性，实行以能力为中心、以过程为重点的开放式、全程化考核。工程教育认证强调以学生个人能力发展为中心，其评价关注的是自我比较，而不是学生之间的比较。因此评价时不能设置各成绩等级的比例，而是根据课程目标明确给出每项评价内容（对应相关能力要求）的评价标准，依据每个学生的能力达成程度，给予从“不熟练”到“优秀”不同的评定等级。实施评价时要充分尊重个体差异，允许学生“多次评价、先后达标”，使考核评价体现学生发展的独特性。

做好评价设计是成功实施评价的关键，包括评价目标、评价内容及相关标准、评价方式等。具体设计见表2。

表2 操作系统课程实践考核评价设计表

为增加评价的科学性和规范性，对每项评价内容，都制定了可测量的评价标准，以项目验收中的“项目质量”及“回答问题”两项内容为例，制定的评价标准见表3。

表3 成绩评价标准举例

4 基于学习结果评价课程教学质量

4.1 以学生为中心的学生评教指标体系设置

以学生为中心的学生评教指标体系，要能体现基本的高校教学原则，能对教师的具体教学状况、学生的真实学习情况及学习效果作出评价，能表现出“教师激发学生学习动机和充分发挥学生个体主观能动性”的特征，具体设置情况见表4[9-11]。

学生评教工作通常是在期末课程即将结束时进行，这是终结性评价，评价结果不能用于当前学期课程教学的及时改进，存在“重结果、轻过程；重评价、轻诊断”的问题。为此，在进行期中教学检查时，增加课程中期学习调查，由课程组具体实施，加强形成性评价，对各教学环节进行实时质量监控，及时调整和改进教学过程，通过“评价诊断→信息反馈→修正改进→提高质量”几个阶段的工作，逐步提升教学质量。

4.2 课程目标达成度评价机制

所谓课程目标达成度是指教师根据课程目标进行教学设计（教学内容、教学方法等）且实施后，学生通过本课程学习所获得能力达到课程目标的程度。要获得有效的评价结果，做好评价设计是关键，包括依据课程目标设计评价依据、评价标准、计算方法等。具体操作思路是：

1）使用所有学生（含不及格）的平均成绩计算。

表4 学生评教指标体系

2）为保证考核的全面性和可靠性，要求对每个课程目标选择两个及以上考核项目进行支撑计算。

3）各考核项目对某个课程目标的支撑权重，由课程组及教师根据授课情况灵活设计。

4）课程目标达成度计算方法：

（1）确定对课程目标达成有支撑的考核项目，可以是（且不仅限于）：项目实现质量、项目验收回答问题质量、实验结果分析质量、项目实现的创新性、课程设计报告撰写质量、文献阅读情况、小组分工合理性、上机考勤等。

（2）确定各个考核项目对课程目标的支撑权重，权重之和为1。

（3）根据学生各个考核项目的平均得分率（0～1之间，含不及格学生），与其支撑权重进行加权求和，即得到课程目标的达成度评价值。

根据操作系统实践环节本身的特点，各课程目标达成度的评价依据及计算方法见表5。

表5 课程目标的评价内容及评价依据设置

5 基于PDCA循环构建持续改进机制

PDCA是英语单词plan（计划）、do（执行）、check（检查）和 action（处理）的第一个字母，PDCA循环是全面质量管理所应遵循的工作步骤[12]。将PDCA循环机制应用于操作系统实践教学环节的质量监控与持续改进，以学生为中心，层层递进，每次循环中发现的问题是下一次课程教学设计及实施中的重点改进内容，通过总结整改，使课程教学质量螺旋式改进，如图3所示。