基于OBE理念的操作系统原理课程教学内容重组

张秋红，刘杨涛

(南阳理工学院 计算机与软件学院，河南 南阳 473004)

0 引言

在计算机科学与技术专业中，操作系统原理是专业核心课程，围绕操作系统的教学内容、教学方法等教学改革多年来在国内外一直备受关注.传统的操作系统课程内容主要围绕操作系统的基本概念、基本原理和相关算法等进行介绍.这种传统的教学内容中存在知识传授与教学结果相背离的现象，学习结果不能很好地支撑毕业要求，导致教学目标难以实现.学生在完成操作系统课程学习后，虽然对课程涉及的概念和算法能够较好地掌握，但却难以将该门课程与相关课程的知识关联，难以将所学内容进一步提升为操作系统的设计、实现、研究及创新等方面的能力.为了更好地实现课程的培养目标、适应时代发展的新趋势和“一流课程”建设的需要，笔者引入了基于学习产出教育模式(Outcome-Based Education，OBE)的指导思想，对操作系统原理课程的知识体系进行了系统的梳理和优化[1].

1 OBE理念

OBE是指基于学习产出的教育模式，即成果导向教育.在OBE教育系统中，教育者必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想，然后寻求设计适宜的教育结构来保证学生达到这些预期目标.

在传统的教育中，主要以学科为导向，没有注重专业需求,其设计过程是：设计课程体系→确定毕业要求→确定专业培养目标→社会需求，这个设计是正向的，但这个正向设计得到的教育结果不一定能满足社会发展需要.而成果导向教育的设计是相反的，它的设计过程是：了解社会的需求→确定培养目标→确定毕业要求→确定专业的课程体系，而具体实施时又是正向进行的.这样可以保证教育的目标与教育的结果一致.基于学习产出的教育模式是一种先进的教育理念，目前加拿大、英国和美国等国家已将其作为主流理念用于国家的教育改革，我们国家也于2016年在工程教育改革中引入，目前此理念在我国教育界掀起了一股新的热潮[2].

2 操作系统原理课程内容重组

2.1 确定课程培养目标

根据OBE人才培养理念的要求，首先以社会及区域经济发展的需要确定南阳理工学院计算机科学与技术专业的人才培养目标.教育部相关专家指出，新形势下计算机专业人才培养目标需要围绕“系统能力”的培养.按照操作系统原理课程在人才培养中的地位和作用，以人才培养目标为导向，明确操作系统原理课程所要实现的目标为：①掌握操作系统的基本概念、设计原理和相关技术；②深入理解计算机系统的软硬件相互作用关系；③具备调研和分析操作系统实例的系统结构、对各功能模块进行设计和模拟实现的能力；④具备对操作系统相关问题解决方案进行分析、比较和评价的能力.下面将围绕以上目标对该课程内容进行重组.

2.2 梳理和优化课程内容

课程组以2018版本科培养方案的修订为契机，按照培养要求和课程教学目标，根据OBE理念，对毕业要求指标点所基于的知识点进行梳理，重构知识体系.

首先对课程理论知识进行深入分析，以“横向、纵向交叉”模式进行梳理[3]，建立一个脉络清晰的课程内容框架.在纵向上以课程知识体系为线索组织教学内容，根据本课程的特点，主要从操作系统管理资源的角度出发，紧紧围绕5大基本功能展开，具体包括：操作系统引论、进程管理、处理机调度与死锁、存储器管理、设备管理、文件管理、操作系统接口及系统安全性.章节的学时也根据需要进行了调整，比如进程管理、存储器管理和文件管理等因引入关联知识点等，适当增加了学时.系统接口一章，因为理论少、实践多，因此减少了理论学时.在横向上，以知识点为线索扩展教学内容，一是针对每个章节中的核心理论或算法，引入一些系统的内核源代码(如Linux)作为实例，或者进行仿真演示，让学生了解相关模块的技术实现；二是引入其它课程的关联知识点，合理拓展课程深度.通过“横向、纵向交叉”模式梳理课程内容，使学生更好地把握知识的重难点，借助相关实例，使学生对知识的理解更加深入.

其次，优化实验教学内容[4].在16版的操作系统原理大纲中只有4个实验项目，为了让学生更加深入、全面地掌握操作系统各模块的相关算法和实现原理，在18版大纲中增设了两个实验，分别是进程间通信和处理机调度.重构后18版大纲的课程知识体系结构如下图1所示.

图1 重构后的课程知识体系结构

2.3 引入关联知识点

针对系统能力的培养，国内外很多高校将数据结构、算法设计、操作系统、计算机组成原理、计算机系统结构等课程相关内容进行有机融合[5].在本校，操作系统作为专业核心课程，与其他支撑培养目标实现的课程相关知识间存在多方面、多层次的交叉和渗透.因此，在相关章节中引入其他课程的关联知识点，构建“以综合能力培养为主线，以基本概念、设计原理和相关技术为核心，以关联知识为延伸”的操作系统原理课程知识体系[4,6-7].操作系统课程内容与其它课程知识关联如下表1所列.

表1 《操作系统原理》课程内容与其它课程知识关联

续表1：

针对以上关联知识点，教学中不只是进行简单的关联和知识重复，要进行重构和优化，要保证知识的完整性、科学性、交叉性和发展性[5].

2.4 引入思政元素

按照“一流课程”建设要求，要促进专业教育与思想政治教育的有机融合，实现全方位育人，为社会发展培养专业技能与职业道德兼备的高素质人才[8].因此要将课程思政理念融入操作系统课程的教学实践.

为推进课程思政建设的实施，促使教师开展课程思政教学设计，实现知识传授、能力培养与价值引领有机统一的关键举措就在于思政元素与专业课知识点的巧妙融合[9].下面将社会主义核心价值观、大国崛起、科学精神与工匠精神、创新精神、折中与平衡的哲学思想等潜移默化地融入到操作系统的专业教学中，从而达到思政教育的目的.课题组成员提炼了课程思政点与专业知识点的融合，如下表2所列.

表2 《操作系统原理》课程专业知识点与思政融入点相契合的部分授课内容

续表1：

总之，“课程思政”是高校课程教学改革的必然趋势，也是高校实现立德树人目标的必然选择.

2.5 引入前沿知识

积极引入科学技术发展的前沿知识.现在多核处理器的应用比较盛行，因此在讲解处理机调度与死锁章节时可以引入多核或者众核操作系统.云计算也是现在的一种风尚，因此在课堂中引入了云操作系统的讨论.在文件系统章节中引入分布式文件系统.针对现在嵌入式系统的应用前景非常广泛，比如在交通管理、家庭智能管理、POS网络及电子商务、环境工程与自然、机器人及工业控制等领域，因此在课堂中引入嵌入式操作系统的讨论.另外，多媒体设备层出不穷，针对数字化的音频和视频等信息如何进行处理、存储和传输，在教学中引入了多媒体操作系统的讨论.随着人们对信息安全越来越重视，很多国家都在开发自己的国产操作系统，因此在课堂中引入国产操作系统的现状和发展等.通过前沿知识的引入，在教学内容中将经典与现代进行了融合，这样既可以满足一般学生对基础知识学习的需要，又能为学有余力的学生提供学习和探索空间，激发学生学习兴趣，培养学生自主学习能力.

3 实施方法

3.1 教学方式

重组后的操作系统原理课程，其知识体系关联多门核心课程，相互间有内容的交叉和渗透.要求老师在授课过程中对其他课程的关联知识点要做相应的拓展和延伸.在授课中采用多种教学方式，比如在讲解操作系统的发展过程、处理机调度算法、程序的装入和链接方式、分区分配算法、页面置换算法及磁盘调度算法等内容时可采用“启发式”教学：让学生带着问题学习，可结合课堂讨论，在老师的引导和启发下，逐步丰裕理论知识[5]；在讲解进程同步问题、CPU调度、存储管理、I/O管理及文件管理等内容时可采用“案例式”教学：借助Linux源码，了解Linux操作系统的管理方法，以加深学生对操作系统原理的理解和掌握；在讲解分区分配算法、页面置换算法及I/O控制方式等内容时可采用“参与式”教学，鼓励学生参与课堂教学，即学生可结合课本和课程网站中各知识点的视频进行课前自学，课中分组展讲、老师指导，课后测评和检验等[5].

虽然课堂学时有所增加，但增加学时毕竟有限，所以在老师授课之后，学生可根据自身掌握情况再自主查阅资料学习相关知识点，完成实验项目和课后作业.老师在课后通过网络平台或其它通信工具为学生答疑辅导.将传统以教师讲授为主的方式过渡到“自学-讲授-辅导”三位一体的教学模式，突出学生的自主性.

3.2 考核机制

建立多元化的考核评价体系，课程考核可结合学生参与度、在线章节测试、实验及期末试卷考核等进行.

(1)学生参与度：可通过学生平时课堂回答问题情况和展讲参与情况决定.

(2)在线章节测试：本课程有课程资源网站，网站上每个章节有章节测试题，每个章节学习完成后会要求学生在线完成章节测试，老师会提前为每章在线形成若干套试题，学生将随机抽取到一套题进行在线作答.系统会为客观题自动打分，主观题老师在线打分.期末可从网站导出学生各个章节的测试成绩及平均成绩.

(3)实验成绩：本学院有自主研发的实验管理系统，每次实验课完成后学生可登录实验系统完成实验报告的填写，老师可从实验目的和要求、实验内容和步骤、实验设计方案和程序清单、实验总结等方面综合打分.期末可从实验系统导出学生各个实验的成绩及平均实验成绩.

(4)期末试卷考核：检验学生对本课程知识点的掌握程度.期末考题有选择题、填空题、简答题、综合应用题等题型.考试分值比例应与各章节知识点占比基本一致.考题基本概念和知识题占总比例的80%左右，重点考查学生综合应用能力试题分值占20%左右.

学生参与度和章节测试合计为平时成绩，占总评成绩的20%，实验成绩占总评成绩的20%，期末考核成绩占总评成绩的60%.期末总评成绩如下：

总评成绩 = 平时成绩(20%)+ 实验成绩(20%)+ 期末试卷成绩(60%).

4 实践效果

学校为“一流课程”的改革与建设有效实施提供了有力支持，该课程教学模式在18级计算机科学与技术专业本科生中开始实施.在新的教学内容及教学方式下，学生课堂学习的积极性明显提高，学习气氛高涨，大部分学生都积极参与到各类课堂活动中，比如回答问题、讨论及展讲等，能将被动学习变为主动学习；在章节测试完成方面，与往届学生相比，题目的正确率大大提高；在实验方面，与往届学生相比，学生实验课的积极性也显著提高，大部分学生都能与同学及老师积极探讨实验方案，能根据自己对知识的理解大胆提出一些新的想法，积极完成实验内容；在期末考试中，其难易度与往年不相上下，但与上一届相比，平均末考成绩及平均综合成绩都有大幅提高.总之，通过一学期的实践，本课程的教学质量在各个方面都有所提升，取得了比较满意的结果.

然而，新的教学模式也有不足的地方，由于课程内容有拓展和延伸，所以要学好这门课需要借助学生平时的自主学习，而极少数自主学习能力差的、平时也不愿意参与到课堂活动中的学生提升将会比较慢，所以在今后的教学改革中要注重这方面的改进，争取让所有学生都能够积极参与到课程的学习中来.

5 结束语

本文提出的基于OBE理念的课程知识体系建设，以服务培养目标为目的，采用“横向、纵向交叉”模式梳理、规划课程教学内容，适当拓展课程深度、增加课程难度，引入学科前沿知识，教学内容中融入课程思政，从而培养了学生的高级思维及解决复杂问题的综合能力,切实提高了课程教学质量.该课程教学模式的实施取得了显著成果，也可为高校类似课程的建设和改革提供借鉴.