基于工程教育认证的操作系统课程知识图谱构建研究

熊晓芸 刘秀燕

摘 要：操作系统是计算机专业重要的专业核心课程，学生在操作系统课程的教学过程中存在重概念与知识，能力不足的问题。在工程教育认证理念的指导下，提出以培养解决复杂工程问题的课程目标为核心，以培养解决复杂工程问题的能力为目标，以问题为驱动的方法构建操作系统课程的知识图谱，将知识与问题关联，通过解决问题支撑能力的培养，全面提高课程的教学质量。

关键词：操作系统课程;知识图谱;构建研究

我国早在2006年就积极参与到工程教育专业认证的工作中，计算机专业是首批试点专业[1]。经过十年的发展，2016年6月，我国正式加入国际工程教育《华盛顿协议》组织，现在已有越来越多的高校通过或正在进行工程教育认证，以OBE为核心的教育理念正在推动着教育供给侧改革，使得原有的“以教师为中心”的教学结构过渡到“以学生为中心”的教学结构，从重视学生学习的知识转变为重视学生具备的能力，在学生的整个培养过程中，通过直接与间接的评价方法监测学生培养质量，对教学过程产生不断反馈，从而实现对自身教育质量持续改进的机制[2]。

在工程教育认证核心教学理念指导下，毕业要求服务于培养目标，课程体系支撑着毕业要求，课程体系每门课程的课程目标则相应支撑着毕业要求指标点，所有教学环节的设计与实施围绕课程目标展开，最终以课程目标达成度作为评价，进行课程质量持续改进。因此，在课程教学与考核过程中，如何将课程中传授的知识与课程目标评价中学生具备的能力、素质联系起来，成为课程教学改革关注的重点。

1 操作系统课程的重要性与教学现状

在工程教育认证标准要求下，课程体系中的专业核心课程承担着培养学生解决复杂工程问题能力的重要职责。操作系统及其开发问题本身就是复杂工程问题，在课程教学过程中要求学生深入理解其中复杂的工程原理和理论，并能够应用其解决复杂系统的设计与实现问题[3]。

操作系统是管理计算机系统中软硬件资源的系统软件，操作系统课程是高等院校计算机专业的专业核心课程之一，课程内容主要涉及操作系统的基本概念、处理机管理、存储器管理、设备管理与文件系统，具有知识面涉及广、概念多、算法多、原理抽象、理论性与实践性并重的特点[4]。通过先修课程“计算机组成原理”与“数据结构”的学习，学生具备很好的软硬件基础，通过操作系统系统课程能将计算机的工作原理由内而外地串接起来。同时，操作系统作为一个大型系统软件，学习操作系统的原理对学生今后设计大型应用程序有很大的帮助，一方面能够通过合理分析大型软件设计中的相互制约关系，高效解决设计中并发、并行带来的资源管理问题;另一方面能够通过科学分析制约程序运行性能的关键因素（CPU、内存、外设），提高代码的运行效率。例如，浏览器的开发，单进程浏览器面对响应速度、鲁棒性、安全性方面的挑战，而多进程（线程）浏览器如何提高性能，在编程时多进程又是如何进行相互合作完成任务的，这些背后用到的都是操作系统中的知识与原理。因此，在操作系统教学过程中，将知识的传授与能力、素质的培养衔接起来，同时将学生学习结果反馈到相应知识传授环节就显得尤其重要。

在以往的教学过程中，课程的教是以教师在课堂上按照材料章节讲解概念与原理为主，部分学生对课程学习目标的定位是用考试成绩衡量，在考试环节中体现出对知识前后关联较弱，不但课程与课程之间存在知识壁垒，章节之间也存在知识壁垒，造成学习效果不佳;在后续实践环节中没有将操作系统理论应用于项目的意识，只是关注于项目开发语言本身与单个功能、单个应用程序，而未考虑多道程序设计技术环境下，应用程序设计的复杂性与影响性能等的因素，这就造成了这部分的学生表面上看成绩是合格的，但实际上能力还是存在欠缺，这与工程教育认证中毕业要求不相符。

2 操作系统课程目标

在工程教育认证通用标准与计算机专业补充标准的指导下，通过借鉴国内同类高校操作系統课程工程教育专业认证实践经验，结合我校计算机科学与技术专业发展特点，课程组对操作系统课程的课程目标进行了调整，以支撑人才培养目标中培养“具有较强创新能力的应用型计算机专业人才”的要求。

操作系统课程目标对应于本专业毕业要求中的“工程知识”“问题分析”“设计/开发解决方案”“使用现代工具”四个毕业要求，课程目标与毕业要求及相应指标点支撑关系如下表所列：

3 操作系统课程知识图谱的构建

操作系统课程目标的核心问题是培养学生解决复杂工程问题的能力，所有的教学活动都是围绕这个核心问题展开的，解决复杂工程问题的第一步是问题发现，后续在问题发现的基础上进行分析、设计、评价、改进与实现，进而达到培养能力的这一目标。而在课程教学中，不管是授课内容，辅助学习的习题与训练，考核都是以知识点为基本单位。如何将授课中的知识点与课程目标中培养的能力联系起来，成为我们教学设计中重点关注的内容。

通过对操作系统课程中的知识点进行归纳、总结与分析，沿着能力培养这根主线，知识点支撑了问题的提出、问题的分解与问题的解决三个层次，通过知识的支撑，引导学生在理解、分析、分解与解决问题的过程中，达到了课程目标中培养能力的这个要求。如图1所示，问题层是整个层次中承上启下的核心层，其中知识点是其中重要的黏合剂，支撑着问题从提出到解决的全流程。

为了更好地描述上述关系结构图，使得整个教学过程中基本单元的知识点能够与毕业要求指标点，能够与能力培养相关联，我们采用知识图谱全面刻画知识点、问题、子问题、解决方法、课程目标之间的关联与逻辑性，从而将能力培养的路径清晰地描绘出来。在此基础上，通过题库将学生训练与考核的结果能够直接反馈到毕业要求指标点中所培养的能力，为解决课程教学中的“教”“学”“反馈”提供科学依据。基于此思想，课程知识图谱的本体模型初步设计如图2所示。

考虑到大部分学生的学习习惯是按照教材章节进行学习，为此在操作系统课程知识图谱的构建过程中，我们增加了章节本体，章节与问题之间的关系为包含关系，每全章节都针对课程目标构建出支撑课程目标的问题，再将问题分解为若干子问题，对每个子问题提出相应的解决方法，最后建立不同抽象级别的知识点与问题、子问题、解决方法之间的关联。问题的抽取既要考虑问题的聚焦性，又要考虑问题分解与解决方法间的层次，这项工作以教师提炼为主。

下面以“死锁问题”为例，列出以问题为核心创建课程内容知识图谱的一种思路。“死锁问题”可以分解为三个子问题：“预防死锁”“避免死锁”“检测并解除死锁”，每个子问题又可以分解为若干个解决方法。该问题的知识图谱可视化如图3所示。

根据课程建设的需求，对知识圖谱中的本体，我们也进行了设计，每个本体的属性可以根据教学设计、学生学习以及教学反馈不同环节的需求进行修改，通过这种方法，我们将前期课程建设中构建的题库、实验项目、知识点进行了导入，完成了课程知识图谱的构建。

结语

本文选择用知识图谱将操作系统课程中的大量知识与课程目标产生关联，将知识传授通过一系列问题的解决，贯通为一条培养学生能力的主线，通过老师端的教学过程设计、学生端的学习路径设计、教与学的持续改进循环，全面提升教学质量，使学生逐步具备解决复杂工程问题的能力。随着知识图谱与深度学习等新技术的整合，知识图谱在课程建设，乃至课程体系、培养目标的修订指导方面，能够发挥更为重要的作用。

参考文献：

[1]姚登举，詹晓娟.面向工程教育专业认证的操作系统课程教学改革[J].高师理科学刊，2017，10（37）：9196.

[2]王宪莲，安凤平，陈贵宾.基于优慕课平台与知识图谱的微课课程设计及应用[J].教育现代化，2019，10（79）：195201.

[3]滕秀花.《算法与数据结构》线上线下混合模式的教学设计与实践[J].高教学刊，2021（4）：109112.

[4]李畅.构建操作系统教程知识图谱[J].电脑知识与技术，2020，01（16）：123124.

基金项目：本文系“2020年度青岛理工大学本科教学建设与改革项目”（项目编号：F2020062，F2020061）的研究成果

作者简介：熊晓芸（1972— ），女，江西南昌人，副教授;刘秀燕（1987— ），女，山东德州人，讲师，主要从事计算机科学与技术专业的本科核心课程的教学工作等。