基于OBE理念的操作系统原理课程教学改革实践探析

2022-02-20童莉刘三民

电脑知识与技术 2022年34期

童莉　刘三民

摘要：基于工程教育专业认证背景下的操作系统原理课程，在分析原有课堂教学弊端的基础上，为了提高学生的自主学习能力，在课程的教学目标、教学内容、教学方法等方面进行了深入探索和研究。实践证明，以学生为中心、以提升解决问题的能力为导向的教学模式，在提高教学效果的同时，促进了学生解决复杂工程问题能力的培养。

关键词：工程教育专业认证；产出为导向；教学目标；教学模式；复杂工程问题

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）34-0146-03

1 引言

操作系统原理是计算机类相关专业的基础核心课程，在整个课程体系中起着承上启下的重要作用。随着时代的不断发展，以及高等教育新形势下的要求，将OBE模式引入操作系统原理课程的教学管理中，对其教学目标、教学内容以及教学方法等方面进行了梳理与探索，并在连续四个教学年开展了“以学生为中心”的教育教学工作。在教学过程中，能够依据课程目标达成度，不断进行持续改进，切实培养学生解决复杂工程问题的相关能力。

2 OBE教学理念

OBE（Outcome Based Education）成果导向教育是当前国内工程教育专业认证的核心思想[1]，主张以学生为中心，坚持以教学成果为导向，反向设计教学，不断进行持续改进。这就要求教师和学生首先要明确教与学目标，不仅是熟练掌握教材中的概念和原理，更重要的是在教学过程中培养学生分析和解决复杂工程问题的能力和素养。其次，在教学内容和教学方法上都要以学习成果目标作为驱动，以学习目标的达成度作为导向，对教学过程中的各项教学活动和评价标准进行反向设计。最后要坚持持续改进。这样，整个教学过程就可以形成闭环，循环往复，才能使教学内容和教学方法不断得到优化，相互促进，共同提升。

3 教学中存在的问题

传统的操作系统课程，一般安排56-64 学时的教学时长，主要包含理论教学和实验教学两个部分。经过多年的教学经验总结，发现在课程教学中普遍存在以下问题[2]：

1）课程中需要的前期知识储备较多。

操作系统课程的学习，涉及的前期知识储备较多，主要包括计算机组成原理、高级语言程序设计、数据结构等相关课程。不同专业的培养方案中，关于课程开设的时间有所不同，很多时候会同步进行授课。教材中涉及概念诸如中断、时钟、逻辑地址与物理地址等，学生大多不理解，结果导致在讲解存储管理、设备管理时，学生概念不清，很难理解。

2）基本概念多，内容抽象而理论性较强。

操作系统这门课程，概念非常多，理论性极强。相比较计算机基础、高级语言程序设计、数据结构等课程的直观性，很多学生觉得这门课程不涉及具体的计算机操作或是代码设计，而是介绍各种操作的底层支持原理，非常抽象，不易深入学习。

3）授课方式比较单一[3]。

操作系统课程理论学时相对较多，占到总学时的80%左右。理论教学大都以教师课堂讲授为主，学生缺乏自主学习的能力，只能被动地在课堂上接受老师教授的内容。老师传授多少，就接受多少，很少能自行深入进去探索，学习效果一般，自主解决问题的能力得不到锻炼与提高。学习只能局限于知识的层次，而达不到能力的培养。

4）实践环节较为薄弱[4]。

操作系統课程的实验教学设置的学时相对较少，内容也较为零散，大都为验证型实验，即不需要学生进行大量的设计和编程，缺乏对实际操作系统的分解与分析研究。譬如实验三的进程通信，是通过给定的程序代码去模拟父进程和子进程之间的通信，学生只需读懂程序即可；而实验四的处理机调度算法，只是通过c语言程序，来模拟优先级算法、分时算法，并没有从操作系统的整体架构出发，去分析操作系统的各部分及其功能算法，所以很难培养学生分析问题、解决问题的能力。

5）考核方式单一[5]。

操作系统课程的考核以闭卷笔试为主，虽然在平时成绩考核中增加了作业、实验、课堂表现等环节，但也仅仅是用作业、实验报告的结果来核算学生的平时成绩，体现不出学生在学习过程中分析问题、解决问题的能力的培养，考核结果比较片面。

4 操作系统课程改革实践

工程教育专业认证工作于2015年正式启动。围绕以产出为导向，培养学生解决复杂工程问题的能力，对课程教学持续改进等核心理念，修订了适合物联网专业的培养方案和教学大纲，在教学目标、教学内容、教学方法等方面开展了教育教学改革。

4.1 重新定位课程目标

针对物联网工程专业，希望学生通过四年的学习，能够成为具有良好的人文科学素养和职业道德，扎实掌握数学、自然科学等基础知识以及物联网工程领域的相关专业知识，具备较强的实践能力、良好的团队协作沟通能力和自主学习能力，能够从事物联网相关软硬件产品开发、物联网应用系统的设计开发及维护以及项目管理等工作的高素质应用型人才。基于此，结合操作系统课程在整个课程体系中的作用，制定了本课程的课程目标，并与毕业要求相对应，对应关系如下表所示。

4.2 合理选取教学内容

在教学内容的选择上，首先要注重的是对各章节、各知识点的引入，因为这样能极大地激发学生的学习兴趣，引导他们进入知识的学习。譬如第一章中对整个课程的引入部分，能让学生从整体上对操作系统有一个简单的了解：它是一个怎样的工具，硬件还是软件？能够帮助我们干些什么？有什么样的发展历程等。这就可以让学生深刻认识到操作系统不同于硬件，但又与硬件密不可分，帮助学生从计算机主要硬件出发，利用线索将计算机的几大功能串联起来，建立思维导图，有助于后续学习。

其次，在教学内容的选择中，还要充分考虑本课程和其他计算机相关课程如计算机组成原理、数据结构、计算机网络等的传承性，并以此为出发点，深挖课程间知识点的关联。这样既可以促使学生更深入透彻地掌握本课程的知识，更能通过课程内容的横向贯通，帮助学生建立起一个完整的计算机软、硬件知识的体系框架。譬如在讲到进程通信时，客户机－服务器系统就会涉及计算机网络的一些应用，可以扩展与发散；在讲到同步与互斥控制的信号量机制时，也需要涉及数据结构、程序设计中的相关知识，通过横向贯通，就能让学生更深刻地掌握记录型信号量；在讲到虚拟存储管理的LRU算法的实现时，又涉及了寄存器和堆栈的使用；在介绍文件管理的记录、数据项时，又会涉及数据库的相关知识。通过诸如此类的教学内容，可以将各学科的相关知识点进行关联，使学生带着熟悉感进入知识点的学习，并且还能通过新的知识学习，加深对原有知识点的深刻认识，并以此引导学生，通过知识点的相通性，培养学生自主学习和创新的能力，这也高度契合了工程认证的目标。

此外，还需要注意引入课程最新的前沿知识，做到与时俱进，拓展学生的知识面，调动学生的兴趣，从而引发学生自主学习。

4.3 精心设计教学方法

在课程教学过程中，通过不断实践，利用形式多样的教学方法和教学辅助工具，充分发挥学生在课堂学习中的主体作用，营造活跃的课堂教学氛围，积极引导学生主动参与教学活动，取得良好的教学效果。

4.3.1 类比法

类比教学法是用生活中学生容易理解的事物及场景来对操作系统中的抽象概念及原理进行类比，达到帮助学生理解的目的。譬如在介绍死锁避免问题时，可以用生活中银行贷款的操作来类比进程的资源分配。银行批准的贷款总额就是进程的最大资源需求，已发放贷款额就是进程的已分配资源，每一次的贷款资金请求就是进程提出的资源请求，这样就能使学生直观地了解银行家算法和安全性算法，从而更好地掌握抽象的原理。此外，还可以采用基于已有知识的类比方法。譬如在讲到设备管理或是缺页中断时，可以介绍中断的过程，结合计算机组成中的相关知识，可以让学生温故而知新，了解不同科目相关知识点之间的区别与联系，从而建立更加完善的知识结构[5]。

4.3.2 翻转课堂[6]

操作系统原理课程面向的学生，一般处于大三的学习阶段。通过前期学习，学生已经有了一定的计算机相关知识的基础，但不够全面和系统。为此，将整个课程的教学划分成课前、课中、课后三个阶段。课前主要完成相关教学平台中的教学视频、教学课件的学习和简单、有针对性的小练习，以此达成对知识的初步学习，针对不清楚的问题学会提问；而课中则是在课堂教学中完成知识的具体学习、解决问题的方法；最后在课后要完成对知识的总结反馈。这一教学方式，密切围绕着“提问－回答－总结”这一思想，着重培养学生分析、解决问题的能力，在提高学生学习兴趣、自学能力等方有了显著提升。

4.3.3 任务驱动法[7]

任务驱动法主要是为了培养学生的文献查阅、团队协作、分析及解决问题的能力和遵守专业道德规范的意识。需要教师课前精心准备任务，并与课程教授的知识点产生链接，让学生在完成任务的同时，可以加深对相应知识点的掌握，提高他们分析、解决现实问题的综合能力，如查阅文献、团队协作等。

譬如在讲解文件管理中目录的知识点时，课前布置两个任务：一是了解Linux系统的文件目录结构是什么样的？二是Linux系统中，查找一个文件的具体过程是什么样的？为了调动学生的积极性，方便学生交流，可以让他们进行分组讨论，相互打分，并以此计入平时成绩考核。首先按学号对学生进行分组，每10名同学一组，推选小组长进行任务分解分配，让学生去查阅资料，然后分组进行讨论，最后以小组为单位，集体撰写书面报告，并在课堂上进行分享，查漏补缺，从而达到掌握知识、锻炼解决问题能力的目的。

4.3.4 基于雨课堂、学习通、博思等教学平台的混合式教学[8]

学习通、雨课堂以及博思平台，都是辅助教学的工具。既可以提供丰富的网络教学资源，供学生提前预习，自主学习；也可以在课堂教学中提供形式多样的教学互动，如让学生进行课堂讨论，发送随堂练习，抢答等；同时还可以实现数据化教学，帮助教师及时地了解学生的参与度以及对知识点的掌握情况，进而及时调整授课节奏。

5 践行与效果

操作系统原理经过四个教学周期的探析与实践，始终坚持以学生为中心开展教学工作，采用形式多样的教学方式，加强了实践环节的教学与指导，在教学过程中不断发现问题并持续改进，对教学内容和方法进行优化，形成闭环，取得了一定的效果。

表3是物联网专业的达成度计算依据。

表4是大纲中课堂表现的评分依据。

图1是物联网工程专业2018级和2019级学生的课程达成度对比情况。

6 结束语

在新工科建设的社会背景下，基于OBE理念展开操作系统课程教学，主要从教学内容、教学方式等方面进行实践探析。经过教学实践，学生普遍反映在知识获取上获益匪浅，同时在复杂工程问题的分析与解决能力、团队协作能力及创新意识等方面也有了长足进步。

参考文献：

[1] 蒋宗礼.新工科建设背景下的计算机类专业改革[J].中国大学教学，2017（8）：34-39．

[2] 黄金洲，李勇，徐德刚.新工科背景下基于OBE的操作系统原理教学研究[J].电脑知识与技术，2022，18（22）：128-129，131.