新工科背景下基于OBE的操作系统原理教学研究

黄金洲 李勇 徐德刚

摘要：在新工科教育改革的大背景下，该文分析了操作系统原理教学的现状，提出了基于OBE理念的操作系统原理课程的教学研究。以培养学生自主学习能力为目标，优化课程目标设计，梳理本课程的教学内容，探索“以生为本”的课堂教学模式，探讨“以生为本”的教学理念的创新思路，并提出本课程的评价方案。通过全方位的课程建设和教学方式改革，在地方本科高校人才培养实践中取得了较好的成效。

关键词：OBE理念;以生为本;操作系统;翻转课堂;教学研究

中图分类号：G642          文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）22-0128-02

1 引言

教育部在2017年提出面向国际竞争新形势、立德树人新要求，号召高校开展“新工科”的研究实践，推进“新工科”的建设与深化工程教育改革，强调人才培养的实际应用能力。

操作系统原理是计算机科学与技术专业的核心课程，然而多年来一直是一门教材厚、知识点多、自学困难的课程，学生的掌握情况不理想，围绕操作系统的教学方法的教学改革一直备受国内外学者的关注。传统的课堂教学方式以教师为中心，教学目标和教学内容设计主要围绕操作系统的基本概念、原理和算法等进行讲解，将课程切割为一个个独立的知识单元，而忽略了知识的系统性、整体性、多学科整合等特性，存在知识传授和教学效果相背离的现象。教学与考核不能很好地反映学习效果，学生通过课堂学习虽然可以很好地掌握基本概念和知识，但是很难做到学以致用，导致教学目标难以实现，需对操作系统课程进行教学模式改革，改变课程设计理念，加强学生的参与度，全面提升学生对操作系统原理课程的设计、研究和创新能力。

2 OBE理念简介

OBE理念起源于欧美教育体系，一种以学生为中心的学习成果（Learning Outcomes） 为导向的教育理念，以目标为基础的教育标准和理论，践行以终为始的教育方法。因此，OBE理念要求授课教师必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想和认知，然后设计合适的教学方案来保证学生教育经历结束后，能够达到预期目标[1]。所以在OBE理念下，教学目标明确，课堂教学和风格具有很高的自由度，教师按照制定的教学目标可以扮演教練、培训师、指导者等多种角色，学生不仅仅是听众，还可以是讲授者等身份。在国际上，OBE理念和教育方法被公认为是现代教育的追求教学质量的有效方法，受到国内外高校的广泛青睐[2]。

3 操作系统原理教学及现状分析

操作系统原理是计算机专业的核心课程，具有综合性强、内容范围广、实践性强的特点，在计算机知识体系具有承上启下的重要作用。本课程旨在全面介绍计算机运行的底层系统逻辑，通过本课程的学习，学生可以掌握操作系统的基本概念和功能，引导学生理解大型系统软件的基本结构、模型和算法，包括操作系统的历史、进程管理、处理机调度算法、死锁、同步/互斥通信机制、分页/分段的内存管理、设备管理、文件系统管理等，帮助学生建立系统的知识体系，掌握各类系统的集成应用[3]。

自从2016年6月，在我国加入《华盛顿协议》以来，我国工程教育专业认证以OBE为核心理念，操作系统原理教学研究的探索不断涌现。我国的操作系统原理课程教学研究取得了很大的发展，但在仍然存在课程设计和实际操作的效果不匹配、教学体系缺乏整体考虑和布局、以生为本的课堂教学模式的手段缺乏等问题。因此，文章针对这些问题，提出以生为本的教学思路的探索，从而提高操作系统原理课程的教学效果和效率。

4 基于OBE的操作系统原理课程教学探索

4.1 着力培养OBE人才的课程目标设计

按照OBE人才培养理念的要求，课程以襄阳市区域经济发展的需要确定湖北文理学院计算机工程学院的人才培养目标。课程着重学生系统观的培养，通过重点讲述操作系统的内部结构、工作原理及典型技术的实现，使学生建立起对操作系统的整体认识，从而系统地掌握计算机系统的专业知识，进一步提升学生的软件开发乃至系统软件开发能力，为后续相关课程的学习打下良好基础，为后续职业发展奠定基石。

课程的教学目标：通过本课程的学习，培养和提高学生计算思维能力、算法分析及设计能力、大规模软件设计与实现能力，以及计算机软硬件系统的认知、分析、设计与应用能力。课程目标及能力要求如下：

目标1：掌握现代计算机操作系统的基本概念、功能组成、系统结构及运行环境配置和优化，具备理解计算机系统复杂工程问题的能力。

目标2：理解多道程序并发环境中各种异步事件产生的原因，掌握多道程序处理系统中各类问题和冲突的解决方案，培养学生初步的系统分析与设计能力。

目标3：理解并掌握分时操作系统各功能模块设计原理以及主要算法的实现方法，具有从程序员视角理解计算机系统设计，从系统设计的视角理解程序设计与执行的思想，建立完整的计算机系统概念，进行高效的和系统化的程序设计的能力。

4.2 梳理和优化课程内容

课程组按照OBE理念，设计培养要求和课程教学目标，对学生毕业要求指标点所基于的知识点进行梳理，重构知识体系，建立一个脉络清晰的课程内容框架。结合本课程的特点，围绕操作系统的五大基本功能，构建知识体系结构，具体包括操作系统概述、进程管理、处理机管理、存储管理、文件管理和设备管理。各个章节的学时与课堂教学需进行一定的调整，比如进程管理、存储管理等需要学生重点掌握，适当增加学时。同时，在重点章节中，引入线上线下、翻转课堂、分组讨论等课堂教学模式探索，利用生活事例引入关联知识点，合理拓展课程深度，使学生对知识的理解更加深入。然后，课程优化实验教学内容，提高学生的实验动手能力，对操作系统的重点内容适当增加实验学时，从而进一步加强学生对课程的理解和掌握。课程的知识体系结构如下图所示：

4.3 “以生为本”的课堂教学模式探索

（1） 知识拓展

知识的学习目的就在于应用，尤其是在计算机非常普及的情况下，学生对操作系统的应用并不陌生，但是对于操作系统原理中涉及的技术就不一定理解。应当积极运用生活中的例子来阐述原理，启发学生的学习热情和积极性，同时积极引入技术前沿知识，激发学生的创新热情。

随着云计算的兴起，在课堂中除了将知识传授给学生，还可以引入云操作系统的讨论。如今智慧家居、物联网技术、人工智能技术的高速发展，应当引入嵌入式操作系统在当前应用背景下的广泛用途，比如智能家居中的传感器智能管理、智慧城市中交通运输网络、自动驾驶技术中的万物互联、机器人及工业控制等生活中各个领域。随着信息安全问题越来越受到重视，应当在适当时候引入国产操作系统的发展现状，鼓励学生积极参与到国产操作系统的研发，培养学生自主学习能力。

（2） 线上线下混合

线上线下混合的教学模式采用了在线课堂和线下课堂相结合的方式[4]，充分发挥了互联网的优势，将教学的时间和空间维度扩大，加强学生自学力度，通过互联网查找资料，对知识进行深度整合运用，使得学生从被动接受知识转化为学生主动学习，有利于实现OBE教学理念，培养学生自我学习能力、整合知识能力以及实践应用能力。

线下线上混合教学模式通常包括线上预习自学、线下课堂讨论和答疑、线下实践操作、线上作业巩固四部分内容[5]。线上学习由学生课外时间完成，主要包括学生预习、自学、线上作业。线下课堂主要进行操作系统原理重难点知识的串讲、答疑、讨论，采用启发式教学模式，激发学生主动学习的兴趣，通过线上线下混合的教学模式，可以培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学汲取知识。

（3） 翻转课堂

在操作系统原理课程中引入翻转课堂的教学模式，就是将教学过程分为课前准备、课中活动和课后评测三个阶段[6]。在上课前，教师梳理本课程教学内容，将其划分为若干知识点，制作课件和视频，然后让学生自学，学生通过观看视频初步学习知识点，这样的教学方式可以满足不同层次学生的个性化需求;在课堂上，教师不再是教授课程知识，而是由学生与教师共同参与问题讨论，解答课前准备阶段学生存在的疑惑和问题，这样能够促进学生的知识的内化，激发学生的学习热情和积极性;在上课后，采用课后评测的方式及时巩固所学知识，通过课后作业方式的强化学生对知识的理解，及时了解學生的学习效果，判断是否达成教学目标，进而调整后续课程内容和教学活动安排，从而提高教学质量。

（4） 分组试讲

鉴于学生自学能力的差异化，应当因材施教，采用课堂讲授和翻转课堂相结合的方式。可以考虑将学生分成若干个小组，然后按照课程内容的设计，给每个小组选择一个章节内容重点学习，由小组内部推举一位同学作为小组长，并成为本章节内容的授课讲师，其他同学作为辅助，帮助该组长一起完成本章节内容的课堂讲授。教师可以作为教练的身份，督促组长完成讲课准备工作，并在课堂讲课过程及时掌握教学效果。通过这个分组试讲的方式，可以有效地培养学生的独立思考、组织沟通能力，同时也调动了学生的学习主动性，引导学生更加全面地掌握知识。

4.4 “以生为本”的教学创新思路的探讨

OBE理念的核心思想是以生为本，关键还是要学生能够主动学习，积极参与。如何在操作系统原理课程教学中，充分发挥学生为主体性作用，是一个值得深思的问题。

（1） 教师要践行“以生为本”的教学理念

与传统的“师本位”教学理念不同，以生为本的教学理念强调学生的主动性，将学生的学习兴趣、学习需求作为课堂教学的出发点和落脚点。因此，教师要在教学过程中，时刻牢记这一点，不要越俎代庖，时刻围绕学生的“学”展开自己的教学工作。

（2） 增强学生自学能力的培养

在“以生为本”的教学模式下，学生的自学能力非常关键。然而，由于传统教育模式的根深蒂固，很多学生不会自学，或者说自学的方式方法不对，没有自学能力。因此，让学生自学不是放任不管，而是要从旁引导，循序渐进地帮助学生养成良好的自学习惯。而且要允许一部分自学能力不强的同学也能够有参与课堂讨论的机会，能够充分调动学习的积极性。

（3） 加强对学生自学情况的线上答疑和指导

对于翻转课堂而言，最重要一点就是发挥学生主体性作用，提高课堂教学的应用性和知识输出的效果，这有赖于教师的课堂引导、课外学习与答疑的全过程支持。因此，以生为本的教学需要教师除重视课堂教学效果外，还要在课外积极鼓励学生主动学习、积极提问、广泛交流以外，并加强对学生课外答疑辅导，帮助学生树立良好的自主学习意识和提问、解决问题的能力。

（4） 完善学生主体性学习效果评价体系

基于OBE的教学理念，关键是时刻以目标为导向，所有的教学手段和过程都是围绕教学目标开展的。评价可以分为两个方面，一方面是学习自主性学习的效果，另一个方面是教师引导学生自主性学习过程的方法和作用。因此，这不仅仅是在考查学生的学习质量，也是在考察教师的教学质量。当前高校课堂教学过程中学生主体性作用评价缺失，以及教师的评价体系不完善，需要探索完善的学生主体性作用发挥情况和教师的教学质量评价内容和方法。

5 教学实践与评价方案

5.1 教学模式的应用实践

针对以上“以生为本”的课堂教学模式的探索，在操作系统原理课程授课中采用多种教学方式相结合，始终坚持以目标为导向，开展有针对性的教学方法。比如，在讲解操作的发展过程、进程调度等知识点的时候，可以采用知识拓展的方法，更好地激发学习的学习兴趣。比如在讲授进程调度、处理机调度、存储管理等重点章节的时候，采用线上线下相结合与翻转课堂的方式，让学生线上自学，然后带着问题，结合课堂答疑和讨论，在教师的引导和启发下，更加深入地掌握知识。在讲解进程同步、设备管理、文件管理等内容的时候，可以采用分组试讲的方式，同时结合生活中实例，让学生能够找到学以致用的乐趣，从而激发学习潜力。在讲存储管理中分区分配算法、页面置换算法时，可采用多种教学方式联动，因材施教的方式，让学生能够自主学习，提高学习兴趣和质量。然后，通过课后指导，调查和反馈等方式及时了解学习的学习效果。

5.2 课程考核与学业评价方案

基于OBE的教学理念，建立多元化的考核评价体系，课程考核可结合平时成绩、实验考核和期末试卷考核等进行。（1） 平时成绩：主要考查学生参与度，包括学生的自学打卡情况、课堂讨论参与度、回答问题的情况、分组试讲效果等决定。（2） 实验成绩：针对本课程设计了6个实验，学生可以自主分组开展实验，每次实验完成相应的需要完成实验报告，教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评分。期末记录成绩时，可以取6次实验的平均成绩为实验成绩。（3） 期末试卷考核：检验学生对本课程知识点的掌握程度，按照课程目标选择考核的内容，期末考试的题型分为有简答分析题、计算题、分析计算题、综合分析题等四种题型，全部都采用主观题型，着重考查学生对知识的理解掌握能力。考试分值比例应与各章节知识点占比基本一致，简答分析题主要考察基本概念，分值占20%;计算题和分析计算题主要考查学生对算法的理解程度，分值占50%;综合分析题重点考查学生综合应用能力，分值占30%。最后的总成绩中，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%） 。

6 结论

本文提出了基于OBE理念的操作系统原理课程的教学研究和探索，以培养学生的学习能力为主要目标，梳理本课程的教学内容，并优化和设计了教学目标，探索了“以生为本”的课堂教学模式，探讨了如何践行“以生为本”的教学理念，最后提出本课程的评价方案。本课程通过全方位的课程建设和教学方式改革，在实施中取得了较好的成效。

然而，这种新的教学方式也存在一些不足的地方。一个显著的问题就是学生的自主学习能力有差异，部分学习自学能力差的学生无所适从，不愿意参与到翻转课堂、分组试讲等课堂活动中去，导致对知识的理解和掌握比较慢。因此，针对这一部分学生，教师应该适时地进行引导，并结合学生的表现、反馈进行适当干预，提高他们自主学习的积极性，协助学生达到课程的培养目标。

参考文献：

[1] 张秋红，刘杨涛.基于OBE理念的操作系统原理课程教学内容重组[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2021，35（2）：107-112.

[2] 王新颖，张国平，屈俊峰.基于OBE的Web应用软件开发实训教学改革与实践[J].輕工科技，2021，37（2）：151-152.

[3] 张玉琢，肖飞，向宇.计算机操作系统“课程思政”教学实践探索[J].科学咨询（科技·管理），2020（8）：71-72.

[4] 金虎.课程思政的探索与实践——以“操作系统”课程为例[J].黑龙江教育（理论与实践），2020（1）：1-2.

[5] 冯诚，夏添，景维鹏.基于OBE理念的“操作系统”课程线下线上混合教学模式改革[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2021（7）：55-56.

[6] 李燕歌.翻转课堂教学在《Linux操作系统》课程中的应用[J].电脑知识与技术，2021，17（4）：113-114，144.

【通联编辑：闻翔军】