新工科背景下课程体系和教学内容的改革与探索——以《操作系统》课程为例

刘小兵 杨 杰 李小武 扈乐华 胡丽霞 谭道军

新工科背景下课程体系和教学内容的改革与探索——以《操作系统》课程为例

刘小兵 杨 杰 李小武 扈乐华 胡丽霞 谭道军

（湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

新工科背景下，课程体系的研究与实践创新是加快工程教育改革的途径之一。本文通过改革创新现有《操作系统》教学内容和课程体系，将科学的教学方法与先进的计算机技术相结合，打造值得信赖的校企合作伙伴，探索领先的计算机人才培养解决方案，以满足计算机行业综合应用型人才的培养要求，提升学生学习操作系统的积极、主动性，培养学生的工程实践能力，提高教师的教学效果。

新工科；课程体系；教学内容；操作系统

2017年2月教育部下发了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，新工科研究与实践越来越受到人们的重视[1]，工程教育改革势在必行。新工科背景下，地方本科院校在发挥自身优势，利用本地特色资源，满足地方经济发展和企业创新需要上有独特的优势，因此，加快工程教育改革，深化校企合作、协作育人，推动传统工程技术的转型升级，开展新工科的课程体系研究与实践以适应本学科发展尤为急迫。

1 《操作系统》课程改革的必要性

《操作系统》课程是计算机类专业的专业核心课程。该课程要求学生熟知操作系统的基本概念和原理、设计思想和具体实现方法。学生需对各大主流操作系统设计思想有清楚的认识，了解操作系统相关领域最前沿的信息。《操作系统》课程讲述计算机中最基础、最复杂的系统软件的实现方法，学生在学习过程中会遇到知识点多、抽像、理论性强、不易理解等难题，教师往往在教学中因现有课程体系和教学内容不合理，而没能取得较好的教学效果。随着计算机技术的发展，越来越多的新功能、新技术不断地融入操作系统中，使得操作系统的功能越来越强大，其结构越来越复杂，任课老师在教学活动中需要在有限的课时内尽可能清楚和全面地为学生讲解操作系统的原理和新技术发展趋势，实为一大挑战。此外，在新工科背景下，因传统实践教学的内容与理论知识脱节或实验内容太陈旧，而难以引起学生足够的学习兴趣，从而不能很好地培养学生的实际动手能力和综合创新能力。

2 《操作系统》课程改革目标

随着新工科教育理念的深入人心，《操作系统》课程改革需要进一步完善理论和实践课程内容，加强系统能力培养，在教学内容和形式上进行扩展，使学生在《操作系统》课程的学习中，掌握扎实的理论基础，培养创新思维、实践动手能力，具备解决复杂问题的系统设计能力。同时在新工科背景下，高校《操作系统》课程改革还应该着力于探索校企协同育人、产教融合的体制机制，改革创新现有人才培养模式，充分利用企业的教育资源，加强与企业全面合作，进行优势互补。作为地方本科院校，更需要借助企业的资源优势，积极探寻特色专业共建、校企联合等办学方式，提升学校整体竞争力，提高本科教育质量，实现工程教育认证，完成新工科专业人才培养的目标。

3 《操作系统》课程改革措施

新工科背景下，传统的《操作系统》课程已无法满足新形势下高校一流本科专业和一流课程建设发展的需求。为适应互联网、大数据、人工智能等技术的快速发展和国家创新驱动发展、“一带一路”“互联网+”等重大战略的实施，《操作系统》课程应做出相应的调整和变革。《操作系统》的课程改革必须要从优化重建课程体系和整合扩展教学内容开始入手，进一步落实培养学生创新创业意识、工程思维和综合能力、科研学术能力、适应行业标准和企业需求的能力。

3.1 优化重建课程体系

传统的操作系统课程学时分配是44学时理论，12学时实验。在新工科背景下，我校操作系统课程学时分配方案改为“32 学时 +32 学时”，需要优化重建原有的课程体系。在重建后的课程体系中, 我们采用大量系统设计实例融入教学，生动地讲述了操作系统教学中的临界资源的访问、同步机制的演变、死锁的避免、分页存储到请求分页的发展和操作系统设计等重点和难点问题，而简化了操作系统内核以外的内容，如多媒体系统、多处理机技术、光盘技术、系统安全等。这样形成了不同于其他同类操作系统课程的体系，新旧课程体系具体变化对比见表1。改革后的操作系统课程体系使得知识点紧密联系、前后衔接, 而且实验教学学时增加，内容更加丰富，学生在学习过程中感觉更加连贯和更具获得感，会更加容易记忆、理解和掌握操作系统的核心内容, 从而会极大地提高对课程的学习积极性和兴趣性。

表1 操作系统课程体系优化重建前后知识结构对比

3.2 整合“课程思政”教学内容

计算机类专业学生就业范围广，普遍具有理工学生存在的淡化意识形态的特点，故此在操作系统课程教学中，很有必要开展“课程思政”。我们可以将中国梦、科学精神、学术素养、优秀传统文化、家国情怀等内容引入课堂，不断提高学生的精神文化素养，培养学生做社会主义事业接班人的高尚情怀。《操作系统》是计算机相关专业的一门专业基础课、核心课，其特点是理论内容抽象、繁多，而实验资源复杂、匮乏。《操作系统》常常会成为一门学习难度相对较高、学生兴趣较低的专业课[2]。要想在这样的课程中开展“课程思政”教学实践，教师必须立足于学科专业性质不变、本位不变的基础上，坚持教书育人的宗旨，充分挖掘本课程的内在价值、精神和哲理，并生动形象地传授给学生。本人经过长期实践和探索，结合思政教育对《操作系统》教学内容进行了精心设计。在课程的知识体系中找到与思政教育的“结合点”，具体可以从以下四个方面进行了思政内容的挖掘[3]。

3.2.1 中国梦和大国崛起

众所周知，当今主流的操作系统在电脑端有Windows、MAC、UNIX、Linux等，手机端有安卓系统、IOS系统、塞班等。可以引入华为的鸿蒙操作系统对操作系统概述进行深层次讲解。在2019年8月9日，华为发布了Harmony（鸿蒙）OS，一款“面向未来”、面向全场景（移动办公、运动健康、社交通信、媒体娱乐等）的分布式操作系统。鸿蒙操作系统宣告问世，打破美国的苹果和微软对操作系统的垄断，中国终于有了自主版权的操作系统，华为在高科技领域取得一个战略突围点，中国在解决诸多卡脖子问题时多了一把利器。以此可以进一步激励同学们树立独立发展本国核心技术的决心，并立志为中国高科技的战略突围贡献自己的力量。同学们也该知晓，我们和中国高科技产业一样，都已经没有退路，只有坚定往前走，迈过短时间的困难期，因为历史不会给中国崛起提供另一种编程。

3.2.2 科学精神与工匠精神

以操作系统的发展为例，操作系统的发展经历了由简单到复杂、由低级到高级的过程。操作系统的鼻祖来自MULTICS（多路信息计算系统），我们在这里简称为M系统，此时计算机一次只能接受一个任务，多人的任务需要排队执行。后来，原M系统设计成员肯·汤普森因为想把一套名为“太空旅游”的游戏移植到他们实验室的一台机器上而开发了一套软件Unics（单路信息计算系统）。1971年，肯·汤普森和丹尼斯·里奇为了使当时的Unics具有更好的移植性、适用于不同的硬件设施，创造了C语言。他们于1973年，以C语言重新改写与编译Unics的核心，并正式命名为Unix，形成Unix的初代版本。该版本减轻了对底层硬件依赖的问题，从而可以广泛地在各种机器上使用。初代的Unix采用了200多条程序命令，虽然内核很小，但是功能极为精简强悍。当时传统需要用100行到1000行代码的程序，用Unix不超过10条命令就可解决。

由此可见操作系统是多位科学家毕其一生心血，竭尽全部智慧，共同打造成的软件艺术品。操作系统的发展历程就是一个持续优化，提升效率的过程，展现了科学精神与工匠精神，以至于研究操作系统的人越来越多，并直接诞生了一门新的学科——软件工程。

3.2.3 创新和创业精神

在琳琅满目的各种操作系统中，Windows绝对是不得不提的操作系统，以比尔·盖茨和他创建的微软商业帝国为例。1973年，盖茨进入哈佛大学学习，在这里遇到了史蒂夫·鲍尔默（如今的微软首席CEO），两个人都是计算机天才，并且还住在了一个房间。刚进入哈佛学习不久，对计算机非常感兴趣的盖茨就在第一台微型计算机—MITS Altair上另辟蹊径，开发了一个BASIC编程语言的版本。在哈佛学习的第三年，盖茨投入大量精力与儿时好友保罗·艾伦创建了微软公司，并辍学离开了哈佛。在创建微软之初，他们就将使计算机成为每个家庭、每个办公室中最重要的工具这样的信念作为引导，他为个人计算机开发具备各种功能的软件[4]。盖茨对个人计算机的独具慧眼，将创新和创业精神发挥到极致，他的远见卓识促使微软取得举世瞩目的成功。盖茨不断地发展改进技术，让软件设计得更加使用方便，产品更加节约成本和充满乐趣。经过半个世纪的发展，微软已然成为全球最大的电脑软件供应商。

3.2.4 中庸与平衡的哲学思想

操作系统的主要功能是CPU、内存、外存、I/O等管理，它们构成了计算机资源管理的核心机制，而计算机进行资源管理和人类管理一切资源一样，都遵循着协调有序地发掘、管理、分配和回收资源的基本准则。除此之外，操作系统还要尽量保证计算机处于安全运转状态，它就需要尽可能使自身不出现系统崩溃或信息泄露，因为这是计算机能够实现其他一切功能的基本保障。在我们人类社会也体现这样的哲学思想，比如人类持续发展必须以保护好自然环境作为开发利用资源的前提，古人称为天人合一。我们在学习过程中如果把握了资源的根本属性，即资源管理必然涉及共享和竞争的管理，就容易理解操作系统必须首先保障自己的安全运转，就会理解操作系统的种种行为。前者指引着操作系统功能的设计与进化，后者则推动着操作系统可靠性地演变。

3.3 扩展项目化的实践教学

在新工科背景下，《操作系统》实践教学改革必须牢牢紧扣应用型人才培养目标，融入IT行业最新的发展技术和前沿成果，按照企业、行业最新的用人需求，应该做好可以下四个方面的工作：第一，校企共同制定专业发展策划、专业设置和培养方案，打造基于项目驱动、技术导向的实践教学模式;第二，结合课程相关项目(包括各级各类大学生创新创业项目、计算机程序设计竞赛、物联网竞赛、智能导航竞赛等)，优化实践课程体系，丰富实践教学资源；第三，全面加强实践教学环节，采用项目驱动教学为主、知识驱动教学为辅的方式，融合企业真实的项目资源，进行高强度的代码训练，讲解必要的基础知识，统一规划实验实训、企业实习、课程设计、毕业设计等实践环节，使之成为紧密有序衔接的有机整体[5]；第四，实践教学中邀请企业技术人员授课，引入项目孵化器模式，由企业一线的项目开发团队指导学生进行实际项目设计与开发，切实加强学生工程实践能力，提升实践教学水平[6]。

4 结束语

课程体系与教学内容对一流课程建设与高质量人才培养起到决定作用，是新工科建设中需要进行研究与探索的重要问题。本文根据新工科建设对人才培养提出的新要求，以提升学校整体竞争力、提高本科教育质量为目标，以实现工程教育认证、培养新工科专业人才为引领，对《操作系统》课程体系进行了优化与重建，对教学内容进行了整合与扩展。改革后的课程体系更趋合理，教学内容更重视学科交叉融合，学生综合能力逐步增强，教师教学效果明显提升。

[1]刘小兵,杨杰,谭道军.新工科背景下“C语言程序设计”课程改革探讨[J].湖南科技学院学报,2019,40(10):104-106.

[2]张玉琢,肖飞,向宇.操作系统“课程思政”教学实践探索[J].科学咨询(科技·管理),2020(08):71-72.

[3]罗琳.新工科背景下微积分课程体系重构与教学内容改革的研究与实践——以我校微积分课程教学为例[J].上海第二工业大学学报,2018,35(03):230-233.

[4]李学信.在信息技术教学中注重背景知识的教学[J].中国教育技术装备,2012(25):84-85.

[5]熊伟程,崔忠伟.基于项目驱动的大数据类专业实践教学改革——以贵州师范学院数学与计算机科学学院为例[J].贵州师范学院学报,2017,33(10):69-71.

[6]邵新慧,刘玲,李春梅.基于校企合作模式下的学生实践能力的培养与提升[J].教育现代化,2018,5(50):21-22.

G642.0；TP311

A

1673-2219（2021）03-0105-03

2020-12-14

湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湖南省教育厅湘教通〔2019〕291号）；湖南省普通高等学校“十三五”专业综合改革试点项目（湘教通〔2016〕276号）；湖南省教育厅教改项目（湘教通〔2018〕436号）；湖南科技学院计算机科学与技术应用特色学科资助。

刘小兵（1989－），男，湖南永州人，硕士，讲师，研究方向为智能控制和系统建模。

（责任编校：文春生）