一流本科课程操作系统混合式教学模式探索

祁 晖，李 奇，底晓强，武 岩，刘 丹

（1.长春理工大学 计算机科学技术学院；2.长春理工大学信息化中心，吉林 长春 130022）

0 引言

操作系统是整个计算机系统的基础和核心，它对下实现对硬件的操纵，控制各种资源的分配与使用，扩充硬件功能；对上为用户程序和其他软件、工具提供环境和服务，方便用户使用。因而，该课程在培养计算机专业人才中起着非常重要的作用，是一门承上启下的课程。长春理工大学计算机科学技术学院一直十分重视操作系统课程建设，将其设为计算机科学与技术专业、软件工程专业和网络工程专业的必修课。经过多年教学实践，该课程先后被评为校级优秀课程、校级精品课程和省级优秀课程。

尽管操作系统课程内容和资源已发展成熟且完备，教学团队稳定，但在实际教学中仍然存在下列问题：①教学手段单一。仍然依赖课堂教学，教学方式不灵活，无法满足学生多样化的学习需求，同时课堂教学因受学时限制，无法充分扩展知识点；②教学内容陈旧。沿用传统知识概念，偏重理论教学，注重算法学习，而忽略实际操作系统的实现，因此学生在完成课程后仍然停留在操作系统接口层面，不知道实际操作系统是如何设计及实现的；③教学工作繁重。目前教学团队共有4 名教师，每学年需要完成12个班共400 余名学生的教学任务，平均每名教师面对100余名学生，无法实现小班教学，除备课之外的作业批改、试卷批改任务繁重，反过来也影响了备课质量。

为提高教学质量，长春理工大学于2020 年开展了一流本科课程建设项目立项工作，本课程被列为线上线下混合式一流课程。为了解决上述痛点，课程团队进行了广泛调研，采用混合式教学模式成为团队成员的共识。在传统教学中引入线上教学资源是目前操作系统课程改革的重要方向［1-3］，也是后疫情时代教育模式转变的一个趋势［4］。当然，目前混合教学模式主要还是解决“教学手段单一”的问题，而本文提出的混合模式，则延伸到了教学内容和教学评价等方面，是涵盖整个教学过程的混合模式。

1 相关研究

随着教育信息化的发展，混合教学模式已逐渐被师生所接受，尤其是受疫情影响，该模式显现出普及化的趋势。但目前混合教学模式主要还是将线上教学资源作为传统课堂的补充或延伸。如文献［5］在课前采用云学习平台开展线上教学；文献［6］采用BB 平台，并引入翻转课堂教学模式；文献［7］利用学习通平台补充课前、课中和课后的教学活动；文献［8］将腾讯课堂和虚拟仿真技术相结合，增加线上实验环节；文献［9］利用雨课堂开展线上翻转课堂实验教学；文献［10］在线上教学方面提出多样化的教学形式，引入了案例驱动的启发教学模式和研究型教学模式；文献［11］将基于问题的学习策略引入翻转课堂教学模式；文献［12］提出基于深度学习的“阶梯式加深混合教学一般模式”，聚焦混合教学系统化设计。

上述混合教学模式均借助线上教学平台，在教学方法上有一定创新，取得了较好的效果。但正如本文引言部分所述，目前的混合模式主要还是解决“教学手段单一”的问题，重在教学方法上的混合。如文献［5-8］均较少涉及教学内容改革；文献［9-10］重在线上教学过程，并未充分论述如何进行线上教学评价；文献［11］尽管涉及教学内容改革，但新增内容主要还是以操作系统接口层面为主，并未触及系统核心；文献［12］虽然在教学方法和评价上均引入线上线下混合模式，但未考虑如何提升教学效率。综上，文献［5-12］均未关注教学效率方面，而这是本文关注的一个重要方面，对充分挖掘混合教学模式的潜力有积极意义。

2 建设目标与内容

为破解教学手段单一、教学内容陈旧和教学工作繁重这3 个痛点问题，教学团队围绕下列3 个方面开展课程建设，在教学内容、教学方法和教学评价上均采用混合模式。

2.1 构建分层次混合的教学内容

为适应学生的差异化教学，建立层次化的操作系统课程理论及实践教学内容。基础理论课程内容主要面向计算机科学与技术专业自然班的学生，以西安电子科技大学出版社出版的《计算机操作系统（第四版）》为蓝本，结合中国大学MOOC 线上平台的哈尔滨工业大学《操作系统》资源，重点讲授操作系统内核中关于处理机管理、内存管理、设备管理和文件系统的基本概念、设计原理、方法与技术，注重基础知识的学习。而面向计算机科学与技术专业创新实验班的学生，在上述基础理论课程内容的基础上，将Linux 作为操作系统的实例教学，培养学生分析复杂系统工程问题的能力。同样，在操作系统实践教学中，在传统算法实验基础上引入操作系统内核修改实验，并对实验难易程度进行划分，将中等及以下难度实验作为普通课程实验，而将中等以上难度实验作为课程设计题目。全面训练学生的编程能力，以促进学生深刻了解操作系统原理和实现，培养学生的创新意识和创新设计能力。通过概念原理和内核实现的混合，解决教学内容陈旧问题。

2.2 开展线上线下混合教学

随着网络技术的发展，慕课等一批优质线上教学平台进一步丰富了教学手段。只依赖于线上教学容易导致面对面交流机会缺乏，学习效果难以评估，而传统的线下教学模式虽然已经融合了多媒体等多个元素，但教学资源相对单一、教学模式死板，基于线上线下的混合式教学方法将发挥二者的优点，提高教学质量。鉴于此，采用基于SPOC 的线上线下混合教学模式，即SPOC=MOOC+课堂。具体教学过程：根据教学大纲，每周定期发布视频教学材料，布置作业和组织网上讨论。学生在学习清单的引导下按照时间点完成视频观看、作业和参加讨论。在课堂上，教师进行课堂授课，处理网络课程答疑，并进行课堂测试。SPOC 利用MOOC 技术支持教师将时间和精力转向更高价值的活动中，如讨论、任务协作和面对面交流互动等。此外，通过雨课堂与学生进行互动，并根据课上学生大数据分析及时调整教学内容及进度，保证学生的学习效果。通过线上自主和线下互动的混合，解决教学手段单一问题。

2.3 改革考核方式，引入智能评价

传统的“操作系统”课程偏重理论知识考核。为了鼓励学生积极动手实践，需要改革课程考核方式，将问题分析和解决能力、团队协作能力等列入成绩的评定指标中。调整期末考试和平时成绩比例，分别占60%和40%。调整平时成绩的考核指标，从学习态度、应用能力、团队协作、个人修养等4 个方面进行评定，评定方式采取组内自评、组间互评和教师评价相结合的方式。为支持能力考查，需要增加主观题比重，而大量主观题的出题和评分势必增加教师的工作负担。为此，引入主观题自动评分系统，以机器+人工的方式提高评分效率，并保证评分结果的客观性。通过线上智能评价和线下过程考核的混合，解决教学工作繁重问题。

3 建设进展

3.1 课程资源建设与完善

基于课程教学需要，将中国慕课中的优质资源引入课堂，包括哈尔滨工业大学李治军、北京交通大学翟高寿、北京邮电大学蒋砚军、常州大学庄丽华等主讲的操作系统课程及Linux 操作系统编程的部分内容。

基于学习通平台，建设操作系统课程资源，包括：课程介绍、负责人团队介绍、课程公告、教学大纲、教学日历、教案或演示文稿、重难点指导、在线作业、在线测验、教材、参考资料和课程教学视频等。明确线上资源定位，主要将Linux 内核实现相关介绍移到线上，作为理论课程的重要补充。为了督促学生开展线上学习，将线上作业、测验结果作为过程性评价的重要来源，建立过程性评价和终结性评价相结合的多元化考核评价模式。

3.2 教学内容与方式改革

建设校内课程资源、结合校外优质课程资源、引入研讨教学、案例教学和项目教学等多样化手段与方法，开展“以学生发展为中心”的教学。改革实验课程内容，在原有算法实验题目基础上，引入Linux 内核修改实验（见表1），并对实验难易程度进行划分，将最难的两个题目作为综合性的选做题，学生可在课程设计时任选一道题目，从而衔接了理论教学和课程设计，扩展了课程的教学过程［13-16］。

Table 1 Operating system experiment topics表1 操作系统实验题目

3.3 操作系统题库与作业库建设

开发了考试系统，并引入人工智能技术对主观题进行自动评分，以减轻教师的批改工作负担，使其将更多精力投入备课等环节，以提高教学质量。考虑到人工智能技术目前还不完善［17-18］，因此考试系统采用的是机器+人工的批改方式（见图1），机器仅仅是给出建议得分，最终得分仍然需要人工复核，以确保成绩的准确性。

Fig.1 Exam system scoring interface图1 考试系统评分界面

目前已在考试系统中规范化录入试题3 000 多道，包括选择题、填空题、判断题、简答题、计算题等，既包括各章节练习题，也包括往年考研真题，建成了层次化试题库。同时，根据每小节的讲授内容设计了作业库。

4 建设成果

本课程借助于学习通平台，对学生的在线学习情况，包括出勤、讨论、作业、单元测验、随堂小测验等数据进行统计。截至2021 年5 月，学生在学习通平台的章节学习次数统计达到14 772 次（见图2）。

Fig.2 Xuexitong platform statistics图2 学习通平台统计

发布学习任务点18 个、非任务点2 个。其中包括12 个慕课线上自学视频任务，8 个章节小测验，学生完成率在96%以上（见图3）。可见，课程改革后，学生的学习积极性很高。

Fig.3 Completion of online resource learning图3 线上资源学习完成度

由于引入了自动评分系统，教师阅卷时仅需复核即可，极大减少了人工操作量。为了验证自动评分系统的实际效果，课程团队进行了两组对比测试：一组测试不同人在有自动评分辅助和无自动评分辅助时，评阅每道题所需时间（测试结果见图4）；另一组测试同一个人在有自动评分辅助和无自动评分辅助时评阅每道题所需时间（测试结果见图5）。综合来看，引入自动评分系统平均可以减少45.5%的评阅时间。

Fig.4 Test results of first set图4 第一组测试结果

Fig.5 Test results of second set图5 第二组测试结果

5 结语

本文阐述了操作系统课程的混合式教学模式，该模式将混合教学应用于教学内容、教学手段和教学评价等方面，以解决目前教学实践中存在的痛点。通过一年的教学实践，学生参与度明显提升，教师的教学负担也得以较大程度地减轻。就课程本身而言，重点是解决了传统的操作系统课程理论知识过重的弊端，将实际操作系统设计与实现引入课堂，培养学生动手能力，以及分析问题和解决问题的能力，使其在今后的职业生涯中，面对复杂系统，能够提出创新的设计和解决方案，为我国突破核心关键技术贡献力量。