新工科背景下操作系统原理课程教学探索*

蔡迅华

（广西民族大学相思湖学院，广西 南宁 530225）

操作系统软件是推广和普及计算机应用的基础。因此，操作系统原理课程是计算机类专业必修的基础课程。操作系统原理课程旨在培养计算机类专业的学生掌握操作系统软件，实现协调、管理和控制计算机硬件资源，以及组织和管理应用软件资源等方面的能力。然而，仅限于对原理的描述和探究难以满足新工科发展的需要。随着国产操作系统的推广和普及，以Linux 为基础的操作系统逐渐在办公、生产和生活领域得到应用，嵌入式操作系统结合人工智能和物联网需求的智能设备终端也在社会生活中普遍应用，这对从业者的操作系统知识的要求必然进一步提高。本文结合民办高校计算机专业的教学特点，分析操作系统原理课程的教学现状，并结合新工科背景下民办高校实践育人教学体系的要求，探讨以下改进措施：一是更新操作系统课程的教学内容；二是构建服务于新兴产业的教学目标；三是采用因地制宜的教学方式；四是打造育人实践环境；五是开展基于创新创业综合能力评估的结果分析。

一、新工科背景下的人才培养要求及应对措施

（一） 社会发展对人才培养的要求

新工科建设是为了适应新一轮科技革命和产业变革，支持服务创新驱动发展的相关要求。教育部加快推进新工科建设，旨在推动高校教育机制创新，培养具有实践能力、创新能力和竞争能力的高素质复合型新工科人才，以增强工程教育的国际竞争力，并满足新兴产业对高素质复合型人才的需求[1]。因此，新工科背景下民办高校计算机专业培养的学生要能为社会新兴产业提供服务，并具备相应的工程实践能力、创新能力和国际竞争力。

（二） 新兴产业对人才培养的要求

随着科技的不断进步和经济的不断增长，新兴产业已经成为国家经济发展的重要支柱之一。新兴产业涵盖了许多领域，包括人工智能、互联网、生物技术、新能源等[2]，并表现为多学科融合。例如，新能源汽车作为人工智能、新材料、新能源、先进制造等领域高技术的重要集成应用载体。新工科背景下，学科交叉越来越紧密、技术与设备日新月异，随着系统硬件和并行技术的发展，操作系统也在不断演化，并与多学科交叉融合[3]。操作系统在现代科技中的重要性和多样化体现在以下的场景。一是在人工智能和机器学习领域，操作系统可以利用人工智能和机器学习技术来优化资源管理、调度和决策，以提高系统性能和效率。例如，使用机器学习算法来预测用户行为，并作出相应的资源分配决策，或是使用深度学习算法来改进任务调度算法。二是在嵌入式系统和物联网领域，操作系统在嵌入式系统和物联网中扮演着重要的角色。它们需要适应各种硬件设备和通信协议，并提供稳定、安全和高效的运行环境。操作系统的设计和开发需要考虑到设备互联、数据传输、能源管理等方面的需求。三是在大数据领域，操作系统与数据库系统密切相关，特别是在企业级应用和大规模数据处理方面。操作系统需要提供对文件系统、存储管理、缓存、锁定机制等方面的支持，以实现高效的数据访问和管理。四是在网络和通信领域，现代操作系统需要具备网络和通信功能，以支持分布式计算、云计算和移动计算等应用。操作系统需要处理网络协议栈、数据传输、连接管理等方面的问题，并保障可靠的数据传输和通信安全。五是在数字安全与隐私方面，操作系统对于安全和隐私的保护十分重要。操作系统需要提供强大的安全机制，防止恶意软件、未经授权的访问和数据泄露。

目前，计算机相关专业均开设有操作系统原理、Linux 操作系统、嵌入式系统、分布式系统等和操作系统相关的课程，这就意味着民办高校在学科建设中需要结合自身优势，针对当前产业和科技发展现状，及时在教学目标、教学方法、教学内容、课程思政等方面进行调整与完善。

（三） 民办高校的相关应对措施

一些民办高校在吸引人才和教学资源投入等方面缺少优势，科研能力有待加强。此外，民办高校也面临着部分学生入学分数不高、基础不牢以及学习主动性不够强等客观因素。然而，在新兴产业不断涌现新技术的背景下，民办高校需要充分认识自身的优势与挑战，明确发展的方向和目标。相对于公办高校，民办高校与企业融合方面具有一定的优势，这种融合有助于提升教学实践资源，尤其是在新工科专业的发展方面。通过与企业的合作，民办高校可以更好地了解行业需求，并灵活调整教学内容，培养与时代发展相符合的应用型人才。民办高校要立足新工科建设，不断推陈出新，符合时代发展要求的教学实践资源有利于促进民办高校的发展。例如广西民族大学相思湖学院，应抓住发展机遇，积极投入资金建设超算中心、现代制造加工中心、人工智能与汽车实验室、金融交易仿真中心等。同时，持续深化课程改革促进教学向应用型转变，重构课程体系，重组课程内容，开展100 门应用型示范课程和52 门专业核心课程建设项目。操作系统原理课程作为计算机专业的基础课程，具有广泛的服务范围，可以很好地参与各项建设项目。

二、课程改革的问题分析及改进措施

（一） 问题分析

首先，操作系统原理课程的特点是围绕操作系统的五大基本功能构建知识体系，包括概述、进程管理、处理机管理、存储管理、文件管理和设备管理。部分民办高校该课程的实验教学内容及课时安排主要包括操作系统概述章节配套系统管理实验（2 个学时）、进程管理章节配套进程控制算法实验（6 个学时）、银行家算法实验（4 个学时）、进程调度算法实验（6 个学时）、存储管理章节配套虚存管理实验（2 个学时）、页面置换算法实验（4 个学时）[4]。这使得课程内容偏重算法和理论，概念比较抽象，与其他课程衔接也不够紧密，容易导致教学效果不佳。对于基础理论知识，不少学生认为网络上的教学资源已经很丰富，从中国大学慕课等线上平台能获取许多学习资源，如果民办高校的线下课程仍是采用传统的教学方式，将难以发挥学生思维训练的作用。大多数学生喜欢的学习方式是通过实际操作和项目开发来理解和应用所学的知识，教师要引入创新创业元素，通过操作系统相关的创新项目和创业案例，提升学生的综合能力和实践能力。其次，该课程部分实验难以开展。目前，操作系统原理课程教材的源码，有的难以进行验证，操作系统仿真存在困难，难以重现运行结果，这也加大了操作系统课程实验设计的难度。此类教学资源难以满足课程教学与人才培养的要求。

针对以上操作系统原理课程问题的相关分析，结合前述的高等教育对新工科建设的要求，本文主要从以下几个方面进行教学改革，并从创新创业能力评估的视角考察改进后的情况。

（二） 教学内容的改进

在计算机专业中，将Linux 操作系统课程作为必修课程有助于学生工作能力的培养，因为当前的许多国产操作系统是基于Linux 内核进行重新开发的。然而，现有的人才培养方案是先学习操作系统原理，再学习Linux 操作系统，这不利于学生系统地学习，因为操作系统原理很多概念和方法都源于UNIX 操作系统，而Linux 是类UNIX 操作系统。因此，在低年级起就接触Linux 操作系统有利于原理课程的学习，可以安排32 或48 个课时。

基础理论部分包括操作系统概述、进程管理、处理机管理、存储管理、文件管理和设备管理。其中，操作系统概述章节应与实验相结合，这个实验以Linux 内核源码0.11 版本为基础，通过使用GNU 编辑器生成可引导镜像文件，在配置好的虚拟环境下运行基本的Linux 操作系统。该实验涉及操作系统编译、设备仿真、操作系统引导、操作系统接口等基本概念和方法，为后续学习奠定实践的基础。

进程管理章节的算法原理对基础知识不够牢固的学生来说是个难点，在考试中得分率不高，其原因是学生对于线程、进程控制等概念比较模糊，不了解这些概念的应用场景。如果辅以Linux的进程控制命令相关知识，并在题库中增加类似的题目，可以帮助学生提高学习效率。

设备管理章节在课程学习中也很重要，但在大学慕课等微课视频中能找到的参考资料比较少，在嵌入式开发的工作中，该部分的知识属于基础性知识。建议设计和完成“基于Linux 字符设备驱动”的实验，这个实验可以在VMWare 和CentOS7的环境上完成，通过该实验，可以帮助学生通过实践掌握I/O 操作、缓冲区管理和设备数据结构等相关概念。从实践教学反映来看，许多学生在两个课时内可以完成这个实验。

文件管理章节难以开展实验，但可以利用基于Linux 0.11 版本源码的操作系统中的虚拟文件系统procfs 进行实践，以进一步加深对基于inode 的文件系统的理解。

（三） 教学方法的改进

在新工科背景下，操作系统原理课程的教学改革对教师提出了更高的要求。除了满足操作系统课程内容的教学要求外，教师还需要具备丰富的人工智能、大数据、电子技术、自动化技术等相关专业的知识，同时，在教学方法上也需要适应行业的发展与变化。

一是教师应在实际的教学中及时发现学生跨学科学习应用能力不足的问题，解决学生学习过程中存在的困惑。通过开展工程教育，将操作系统的概念、方法与其他学科进行联系。例如，在操作系统概述章节中增加阐述超算中操作系统、手机操作系统、汽车操作系统之间区别与联系的教学内容。在教学方法上注重引入系统开发过程的示例，比如，在系统开发中，根据用户需求和成本选择合适的硬件，然后进行UBOOT 软件配置，操作系统裁剪的方法和过程，用户应用程序的结构，软件整体架构等教学内容。

二是针对部分学生创新能力不强、实践能力不足的问题，教师需要积极挖掘学生的新颖想法和观点，激发学生发现和解决问题的积极性。例如，在线上线下交流时，引导学生积极参加学科比赛，包括“互联网+”创新创业大赛、“挑战杯”比赛、“人工智能大赛”，同时引导发挥学生“传帮带”的作用，共同参与工程创新活动。例如，在教学中需要引入工程案例，引导并提示学生思考基于Linux 操作系统应用方案来解决工程创新的问题。

三是新工科背景下教师需要具有因地制宜的教学方式，由于新兴产业和技术不断地涌现，会带来教学环境的快速变化，需要根据教学环境来进行教学安排。例如，广西民族大学相思湖学院采用一体机终端的教学设备，这种终端机实际上是一个虚拟机显示终端，其服务端是在中心机房。该教学环境是在中心机房中虚拟一台Linux 服务器，接着在这台服务器中创建大量学生的账号，然后在这个服务器上安装GNU 编译器，从而构建操作系统和Linux 课程的实践环境。当前，新建实验室普遍采用PC 机组合服务端的配置方式，PC机运算能力较强，可以运行VMWare 的虚拟机，这为搭建运行实验环境创建了条件。但是，创建的虚拟镜像文件在学生电脑上有时不能正常运行，需要教师及时排查问题。而未来发展的趋势是采用云计算环境，由厂家提供对应的操作系统课程资源，可以直接在云平台上完成教学，需要教师整合厂家提供的教学资源以完善教学方案。

（四） 验证教学改进的方法

新工科建设背景下课程的改革效果，单从考试方面难以全面反映学生的实践能力、创新能力和竞争能力，但是，通过创新创业活动的视角可以观察到学生的学习情况。本文所介绍的操作系统课程内容和教学方式应用于计算机科学技术专业和大数据专业2019 级、2020 级和2021 级三个年级的10 个班级，课堂上学生的学习参与度较高，课后有半数的学生参加了“互联网+”“中国机器人及人工智能大赛”等活动，从广西民族大学相思湖学院参与活动的数量可知，参与活动的人数从2018 年开始逐年增长。在题目选择上，2018年以前偏向于互联网赋能有关行业，比如“3D 模拟试衣APP”“建基行事一站式VR 互动家装平台”等，而2018 年后出现与新兴产业相关的项目，比如“智能移动电桩”“多场景应用的汽车横向硬件悬挂系统”等。

三、结语

新工科建设的核心以新兴产业的需求为导向，培养具有面向未来的卓越工程创新人才。不同的高校在师资、学生素质、教学设备等方面存在差异，操作系统原理课程的教学也会受到这些因素的影响。本文通过探索新工科背景下人才培养要求及民办高校的应对措施，改革操作系统原理课程的教学内容、教学方式，采用因地制宜的教学方法，能够提高民办高校计算机专业的教学水平，培养学生的工程实践能力和创新能力。通过创新创业视角下的大学生综合素质能力评估，了解操作系统原理课程改革对人才培养的积极作用。