面向新工科育人的操作系统实验课设计

赵恒军

摘要：针对操作系统实验教学缺少层次性、综合性和应用性的局限，提出以问题求解为导向的实验课设计。在教学组织上，设计线上课前预习、面向问题分析的课堂范例讲授、以问题求解为核心的翻转课堂、线上实验拓展和报告评阅等环节。在实验内容上，设置不同层次复杂度的实验任务，有机结合不同知识点形成综合性任务，强化实验任务与实际工程应用的关联性。通过这些举措，有效培养学生分析解决复杂工程问题的能力，达到新工科育人的目标。

关键词： 新工科; 操作系统; 实验课; 教学设计

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）22-0169-02

1 引言

教育部关于开展新工科研究与实践的通知（高教司函[2017]6号） 指出：以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新。新工科的研究与实践越来越受到人们的重视。新工科育人的核心思想是培养学生解决复杂工程问题的能力[1，2]。操作系统课程是计算机科学与技术、软件工程等专业的核心基础课程，对学生理解复杂计算机系统基本原理至关重要[3]。与此同时，操作系统是一门实验性很强的课程[4]，合理的实验课设计不仅能够帮助学生加深对操作系统基本原理的理解，而且能够提升学生分析解决计算机系统复杂工程问题的能力[5]。因此，如何建设好操作系统实验课是面向新工科育人的操作系统课程改革需要思考的核心问题。对此，本文作者及所在教学团队针对现有操作系统实验教学存在的问题，充分利用线上课程平台，以线上线下结合的教学模式，通过层次丰富的实验内容设计，打造以培养学生解决复杂工程问题能力为目标的操作系统实验课堂。

2 操作系统实验课教学现状分析

目前的操作系统实验教学存在两种主要模式：一种是较为传统的模式，即根据理论教学的不同环节，如进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等，设计相应的算法验证型或简单设计型实验;另一种是借鉴国内外知名高校的经验，以一个教学型操作系统的设计和实现贯穿整个理论和实验教学过程[6]。这两种模式各有其优势和适用范围，但在目前新工科育人大背景下，难以有效达成培养学生利用操作系统基本原理自主分析并解决计算机系统复杂工程问题能力的目标，其主要的局限性总结为以下几个方面：

1） 缺乏层次性

现有操作系统实验教学缺乏层次性的设计，主要体现在两个方面。其一，操作系统实验内容的完成通常依赖对相关理论知识的深刻理解以及对相关操作系统API和命令行界面的熟练掌握，这些预备知识的学习（或复习） 往往被糅合到正常实验任务中;其二，实验任务设置单一，没有体现问题复杂度和实现难度的阶梯型增长。层次性缺乏带来的问题是：基础理论知识和实验技能的学习挤占了宝贵的课堂时间，压缩了在课堂上对学生进行能力培养的空间;单一任务的设置忽视了对学生启发式的引导，从而削弱了对学生解决复杂工程问题能力的培养。

2） 缺乏综合性

现有结合理论教学模块的实验设计中，不同模块的实验任务是孤立的，学进程管理则实验进程操作的系统调用，学内存管理则验证页面的置换算法，等，任务之间缺乏系统的有机的联系。工程问题复杂性的体现之一就是问题的综合性，即需要综合运用多种理论、知识、技能才能解决。缺乏综合性的实验设计无法有效培养学生对知识技能进行融会贯通以应对复杂工程问题的能力。

3） 缺乏应用性

不论是依托理论教学内容的简单验证和设计式实验，还是基于教学型操作系统的完整设计与实现式实验，其核心还是通过实验教学加深学生对操作系统原理和实现技术的理解与掌握。但操作系统课程的教学目标不应拘囿于操作系统这一学科，对大部分同学来讲，学习操作系统将来不一定会亲自实现操作系统，但很大可能会利用操作系统的基本原理和技术解决更广阔范围内的复杂工程应用问题。目前操作系统实验的教学没有做到与蓬勃发展的计算机网络、数据库、编程语言等领域的最新技术与现实应用场景接轨，这导致学生难以将在操作系统实验课中学到的技能迁移到实际问题中。

3  以解决问题为导向的课程设计

针对上文讨论的操作系统实验教学的局限，本文提出一种以解决问题为导向、以培养工程能力为目标的操作系统实验课程设计。在教學组织上，我们以线上线下结合的方式对课程进行了阶段划分，更加注重在课堂上对学生分析和解决问题的能力进行引导和培养;在教学内容上，我们设计了全新的实验任务，更加注重实验内容的层次性、关联性和应用性。我们将实验内容的设计和教学环节的划分有机融合起来，形成下列具体措施。

3.1 线上课程导入

实验课程理论内容抽象、实验技术繁杂，教师不得不花大量在基本原理和基本操作的讲授上，以至于在有限课堂时间内无法深入探讨大规模复杂问题的分析与求解。对此，我们主张充分利用网络平台，如超星或者学者网等[7]，将讲授内容中较为基础的知识和技能以及相关实际工程背景设计为课前的预习短视频并在网络发布，敦促学生在课前完成网络平台打卡预习。学生完成线上预习后，在线进行相应知识点识记和理解的测试，此类题目设计不宜过难，主要考察对基本概念和原理的掌握。教师在实验授课前导出学生课前预习的数据，分析预习情况，以便更有针对性地讲授。通过利用网络平台设置课前预习，一方面，相关工程背景的介绍会增添学习的趣味性，提高学生学习的热情;另一方面，可有效减少课堂中基本原理和简单技术的传授，同时也锻炼了学生自主学习和思考的能力。例如，在有关线程的实验教学中，关于线程创建、撤销、等待等基本操作API的定义和使用均可通过预习视频讲授，学生在课前自主完成学习，这样在课堂上可集中精力于如何利用多线程技术解决实际问题。

3.2 面向问题分析的启发式教学

课堂内容的设计与讲授，主要遵循以问题为导向的原则。教师不应拘泥于课本中涉及的知识点，更应该注重知识点和技术所要解决的问题，坚持以问题为导向进行启发式教学，引导学生锻炼自己分析和解决问题的能力。在讲授的主体部分，设计一个具体的实际问题案例，通过三个启发式问题即问题是什么、如何分析、如何解决，将课程内容有机地联系和组织起来。再以线程的实验教学为例，可以设计一个以多线程并发编程提高程序执行效率为目标的实验任务，例如多线程版本的基于蒙特卡洛仿真的圆周率计算。教师在讲授的过程中，首先让学生明确实验任务，然后引入蒙特卡洛仿真的數学原理，在此基础上介绍基于数据划分的并发方式，再围绕圆周率计算这个任务，启发式地分析如何进行数据划分、如何对子任务的结果进行整合，如何选择线程的个数，如何从理论上分析计算程序运行效率的提升情况等;最后通过示例代码完整地呈现问题的求解细节和运行结果。通过以问题为导向的课堂内容设计，让学生认识到所学知识在解决实际问题中的价值，让抽象的知识变得更加具象，让学生对知识的理解更加深刻;同时，能有效激发学生的学习兴趣，增强学生的学习参与度;更重要的是通过范例展示培养了学生面对实际问题时良好的思考分析习惯和能力。

3.3 以问题求解为导向的翻转课堂

结合以教师讲授为主导的问题分析教学环节，以所讲授问题样例为基础，设计问题的迁移，培养学生举一反三的能力和独立解决实际问题的能力。本环节采取以学生自主探究为主，教师引导为辅的翻转课堂教学模式。学生通过小组讨论、头脑风暴等方式自主探讨问题的求解途径，教师根据实际情况讲评和分析，推进问题的解决。自主探究阶段的实验任务与教授讲授的范例相比应该具有更高的理论和实践复杂度，体现出问题的层次性。继续上文的多线程并发编程任务，在自主探究阶段可以设置编写多线程版本的排序算法以提高排序效率这一任务，其数据的准备与划分、子任务的整合、时间效率提升的理论分析等与蒙特卡洛仿真任务相比在难度上均有提升，同时在分析和求解范式上保持了一定的延续性。通过以问题为导向的翻转课堂，学生参与度更高，自主性更强，更能激发学生的积极性;同时为了更好地参与到课堂中，学生在课前预习的工作也越来越积极，实现了正向反馈和强化;更重要的是通过这样的锻炼，学生对本课程在实际工程问题中的应用认识更加有深度，潜移默化地形成了分析问题的正确思维方式，并能提出自己的解决方案。这正是新工科育人环境下，对学生培养最为关键的目标。

3.4 强调实验拓展与反思

本课程设计的最后一个环节重新转入线上，设置拓展性的实验任务供学生进一步加强自主训练。教师在线进行答疑并对学生的实验报告进行分析点评。拓展实验任务的设置应体现更高的综合性和应用性。在综合性方面，拓展任务应注意将操作系统不同的知识点有机联系起来形成具有一定复杂度的问题。以多线程并发编程为例，多线程并发编程与进程同步知识联系起来可以形成进程同步问题求解任务，多线程并发编程与进程调度知识联系起来可以形成多核调度问题求解任务，多线程并发编程与进程通信知识联系起来可以形成即时通信问题求解任务，等。在应用性方面，拓展任务应与时俱进地体现计算机科学发展的技术现状与最新趋势，更加贴近当前工业界生产实践。例如，多线程并发编程知识和进程同步与互斥知识整合在一起，可以形成关于线程池的拓展实验，通过自主完成该实验，学生能对实际生产中普遍使用的Java线程池的原理和优势有深刻理解，从而能在实际复杂工程问题求解中灵活使用。

教师在进行线上实验报告批阅时，应注重报告撰写中有关问题的分析总结与反思部分[8]，可在考查评分细则中提高实验分析、总结与反思部分的比重，向学生明确约定该部分是实验报告撰写和考察的重点。目的是促进学生们分析和反思，提高理论分析能力、数据处理能力、问题发现能力和灵活应变能力，在问题的处理和进一步反思过程中将知识内化形成自己的技能和能力，从而应对实际工程问题的复杂多变性。

4 结论

本文对操作系统实验课的教学改革进行探讨，提出实验课课程的设计环节：课前线上预习引导、面向问题分析的启发式课堂教学、以问题求解为导向的翻转课堂、课后实验拓展、以问题反思为重点的实验报告评估。使学生不但能真正理解现代操作系统的基本原理，更能具备分析和解决复杂软件工程问题和复杂计算机系统问题的能力，达到新工科育人的要求。

参考文献：

[1] 朱丹红，张栋，于元隆，等.复杂工程问题驱动的“新工科”人才培养改革探索——以计算机科学与技术专业为例[J].中国轻工教育，2020（6）：5-10，49.

[2] 文进，顾少轩.新工科背景下以问题驱动的混合式教学设计[J].高教学刊，2021，7（22）：122-125.

[3] 李明星.操作系统课程的教学实践与探索[J].电脑知识与技术，2021，17（24）：252-254.

[4] 邹恒明.操作系统课程实验中的五重奏哲学[J].计算机教育，2009（20）：109-112.

[5] 唐文静，王庆军.新工科背景下坚持问题导向的操作系统课程教学改革[J].中国现代教育装备，2021（15）：99-101.

[6] 陈渝，向勇.“操作系统”课程实验教学探讨[J].计算机教育，2009（14）：135-136.

[7] 林吉红，汤庸，刘海，等.基于学者网课程平台的混合在线教学模式[J].软件导刊，2020，19（3）：257-260.

[8] 张艳玲.实验报告在培养工科大学生综合能力中的重要作用[J].教育教学论坛，2020（30）：376-378.

【通联编辑：王力】