地方高校操作系统课程改革探索

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摘要：操作系统是计算机及许多相关专业的专业基础课。以适应新兴工业市场为目标，对操作系统的教学内容、教学方法、实践教学和学科发展等方面提出改进措施，探索适应地方经济发展需求的教学模式。

关键词：新工科；操作系统；课程改革；教学模式；地方高校

0引言

目前，我国工业在经过几十年传统工业的发展之后，重点正在向新兴产业靠拢，要想使新兴产业迅速发展起来，就必须有足够的人才作为支撑。但是目前各个新兴工业都存在着人才不足的情况，教育部门为社会输送的人才无论从数量上还是从知识结构上来说，都无法满足新兴工业发展的需求。为此2017年2月教育部《关于开展新工科研究与实践的通知》，标志教育部在各高校开展“新工科研究与实践”项目，推动工程教育的改革。这是教育部针对当前以新技术、新业态、新产业为特点的新经济蓬勃发展形势下，为高校培养具备更高创新能力和跨界整合能力的新型工程技术人才做出的变革［1］。长期以来，我国高校的工程教育目标不明确，定位不清晰，所有院校按照自己的想法进行人才培养，工程教育与企业需求不匹配，不能很好地满足经济发展的需要，使工科学生存在综合素质与知识结构方面的缺陷［2］。“新工科”的提出将解决这个矛盾。按照教育部的规划，从人才培养方式和培养目标上进行划分，全国高校被分为工科优势高校、综合性高校和地方高校，分别为社会输送不同类型的工程人才。兰州理工大学是地处西部的地方高校，发展重点应该落在“区域”上，学校定位是“深化产教融合、校企合作、协同育人，推动传统工科专业改造升级”［3］。高校的人才培养最后都要落实在专业课程教学质量提升的基础上。操作系统是计算机专业的专业基础课，同时还是许多计算机相关专业的主干课程，是一门概念抽象，理论性强，实践要求高的专业课程。在“新工科”背景下，从兰州理工大学实际出发，探讨当前操作系统课程存在的问题及多方面的改革方法。

1“新工科”背景下操作系统课程存在的问题

1．1学生对操作系统课程认识不足

操作系统课程主要讲述计算机各个部分的功能及原理，学习计算机如何利用硬件和软件资源协同工作。所以该课程不仅有与硬件相关的理论知识，又需要进行软件方面的实践，是一门包含软硬件知识的综合性课程。该校操作系统课程开设在大三的上学期，之前学生已经学习过C语言程序设计、计算机组成原理和数据结构课程。与C语言程序设计和数据结构这类纯软件课程不同，操作系统原理在编程过程中的作用是管理内存、组织线程、调配资源，尤其是在大型程序设计过程中发挥重要作用。作为刚刚接触编程的大三学生正在从简单程序入手学习编程，很难接触到大型软件项目，所以体会不到操作系统在编程中的作用，学生也由此产生“操作系统课程对我们编程没有什么帮助”的想法，认为操作系统课程不重要。实际上，操作系统在工程实践中提供了底层软件对硬件操作的基础知识，操作系统课程为大学后续各种课程打下基础，在整个计算机课程体系中起着承上启下的作用［4］。

1．2教师对操作系统课程定位偏差

由于教育部没有对高校课程的教学大纲做统一规定，所以在“新工科”项目出来之前，所有高校的专业课程教学内容都是有各个学校自行制定。操作系统作为一门计算机的专业基础课，在计算机专业课程群中的重要性毋庸置疑，上课时教师总是希望学生能把操作系统课程学好学深，为学生工作打下良好的基础。在教学过程中，很多教师的教育理念是学习要系统、覆盖要全面、理论要深入，基本操作系统的每个知识点都要讲到，每个理论都要深入探讨，这种教学方式使学生在每一节课上学习的内容非常饱满又难以消化，容易导致学生产生厌学情绪。

2“新工科”背景下操作系统课程的改革

2．1以需求为导向，选择教学内容

“新工科”建设明确高校的教学活动是以市场需求为导向，培养适应新兴工业需要的各个层次的工程人才。该校属于地方型本科高校，计算机专业的学生毕业后主要从事软件开发、测试和运维等工作，要求学生对复杂的计算机问题具有良好的分析、抽象、设计能力。目前各个高校使用的操作系统教材内容涵盖的知识点很多，从绪论开始介绍操作系统发展和分类，然后是进程管理、CPU管理、存储器管理、设备管理、文件系统、网络操作系统、分布式操作系统、Linux／Unix操作系统等，教材的厚度一般在500页左右，让学生一个学期掌握所有这些内容，对学生来说是比较困难的。从学生实际情况看，学习操作系统课程的目的不是编写一个操作系统程序，而是掌握操作系统原理，学会将操作系统原理应用到编程中，以提高程序效率。所以以此目的为原则，对操作系统课程的内容进行适当筛选。由于当前学生毕业后的工作以网站、安卓／ios和前端开发为主，因此可以删除课本中网络操作系统和分布式操作系统的内容，而学生后续还会开设《Linux与嵌入式操作系统》课程，所以Linux／Unix操作系统部分内容也全部删除。这样给其他的课程内容腾出很多学时，像内存分配、程序并发、进程通信等概念，是在工程实践中经常遇到的问题，需要学生熟练掌握，教师可以有时间对这些知识点进行详细讲解。

2．2以知识为载体，丰富教学手段

高校要彻底摆脱面向课程的教育，真正走向面向产出的教育，就要将知识作为载体，向学生传授解决计算机类复杂工程问题的思想、方法和专业技能［5］。传统的教学方式都是围绕着教师进行的，上课教师在讲台讲课，学生坐在下面听课；课后教师布置作业，学生做作业；然后教师批改作业，学生就掌握了作业中的内容，学生学习到的是操作系统的知识，而忽略了培养使用操作系统解决问题的思想。“新工科”建设是培养具有具有创新意识，能够解决复杂问题的工程人才，教育的重点在理论与工程的结合上，需要采用丰富的教学方式，侧重学生各层次能力的培养［6］。（1）“翻转课堂”教学法。翻转课堂是斯坦福大学提出的教学方法，就是将先学习知识再培养能力的过程变为先锻炼能力再学习知识。学生先在课下自己完成知识的学习，而课堂是教师进行答疑解惑的场所。操作系统是计算机的基础软件，所有学生在没有学习计算机课程之前都接触过操作系统，或多或少会使用操作系统，而且已经开设的操作系统的微课，提供了操作系统中各个知识点的教学视频，使操作系统课程非常适合于应用翻转课堂教学法。在教学过程中，根据翻转课堂教学方式的特点，选择学生熟悉、易于理解的内容让学生先自行学习。例如文件系统是操作系统中对文件进行组织和管理的部分，对文件操作也是学生在未学习操作系统前最熟悉的内容，所以这部分可以采用翻转教学。首先教师给出学生自学时必须学习的知识点“文件的逻辑结构”、“文件控制块”、“树型目录结构”、“共享方法”、“访问矩阵”等，学生自学后在课堂上由教师进行答疑，加深学生对这些知识点的认识。最后是教师与学生的互动，教师可以提出一些问题让学生思考，如“文件目录管理的优点是什么”，“文件共享方式各有什么缺点”，“对文件系统的安全的看法”，这些问题有助于培养学生用操作系统思想去思考问题的能力。（2）模拟学习法。操作系统中有很多是对计算机处理过程的描述，这些部分内容琐碎，过程复杂，描述繁复，学生即使死记硬背记住概念，但也不会应用到实际中。让学生模拟这些处理过程，甚至去亲身演示模拟这个过程，有助于学生对知识的理解。例如信号量是进程同步中的重要概念，利用信号量实现进程同步有许多经典算法，例如生产者－消费者问题、读者－写者问题、哲学家问题，这些也是学生在学习中的难点。在教学中将学生分成若干组，在教室中找一块区域当作临界区，这些学生分别代表计算机资源和进程，另一个学生在黑板记录变换过程中信号量的值，他们共同演示使用这些算法进行进程同步时资源、进程及信号量的变化过程。学生在这种像“小品”一样的模拟过程中即感受到了学习的快乐，又加深了对这些知识点的理解，取得了非常好的效果。

2．3以工程为基础，加强实践环节

在“新工科”建设中，更加重视学生工程能力的培养，需要学生在不同背景下，综合多个学科，分析多方面的因素，甚至包括人文、经济、法律等非工科因素，以解决复杂的工程问题，这种能力的培养仅靠课堂听课是很难达到的。学习操作系统课程既需要有计算机的硬件知识，又要有程序设计基础，操作系统在计算机工程问题中是承接计算机软硬件的桥梁，因此在教学过程中应该更加注重实践教学环节。操作系统的实践环节主要分为两类，一类是验证型，一类是综合型。验证型实验是模拟操作系统工作过程或工作原理，通过实验把概念及原理演示出来，例如进程的创建与撤销、处理机调度算法、内存分配算法、页面置换算法和磁盘调度算法等，实验的目的是理解这些抽象的理论。由于教学内容中删除了部分内容，留出较多课时，所以这些实验大多可以在课堂上通过该校新使用的操作系统实验平台完成，以帮助学生加深对当天课程内容的理解。对于学习较好的同学，还鼓励他们课后在该实验平台上继续深究算法，完善功能。第二类综合型实验目的不仅是使学生学会操作系统中的原理，还应培养学生从操作系统的角度思考问题，提高解决计算机工程问题的能力。操作系统中的资源管理、程序并发执行、进程通信、系统中断都是计算机工程实践中的关键点，它们与具体程序设计语言无关，与要解决题目的抽象本身有关，在解决工程问题时应该何时何地使用操作系统概念，以及怎样使用操作系统概念都需要学生通过实践的训练获得。

2．4以科技为中心，关注学科发展

“新工科”人才应该是“新”的，也就是要立足现在，面向未来，关注学科前沿，抓住产业发展趋势，具有对新知识、新科技、新技术的敏锐洞察力。但是计算机科技日新月异，教材中的内容很难跟上学科发展的脚步，所以在学习课本知识的同时要引导学生学会利用各种媒介资源去获取所需的最新信息。为此在操作系统的第一次课上给学生布置一个作业，要求学生用一个学期的时间从各种渠道收集操作系统有关的最新信息，完成一份学科前沿报告，并将成绩计入到平时成绩。通过这样的作业，让学生学提升学习兴趣，拓宽视野，养成关注学科前沿的习惯。

3结束语

“新工科”的提出说明我国经济在由传统工业向新兴工业转型过程中，教育部门培养的人才无法满足市场需求。高校应该及时对这种需求做出反应，以市场为目标，以科技为基础，转变传统观念，在教学活动中尽可能地向市场靠拢，培养市场需要的具有专业素养和工程能力的人才。而要实现这个目标，必须从高校的教学改革入手，尤其是学科专业课的改革，使之适应产业发展是人才培养的关键。计算机行业是我国新兴工业的主力军，也是其他新兴工业发展的推动力，作为计算机专业基础课，操作系统课程的教学即要重视理论基础，又要加强实践训练，同时培养学生的自学能力和创新意识，为学生今后走向工作岗位打下坚实基础。

参考文献：

［1］李艳．半路杀出个“新工科”瞬间就“火”了［N］．科技日报，2017－04－10（008）．

［2］王庆环．“新工科”新在哪儿［N］．光明日报，2017－04－03（005）．

［3］教育部高等教育司．关于开展新工科研究与实践的通知［Z］．教高司函（2017）6号．

［4］周崇松，刘卉，何贵，等．新工科背景下《计算机在专业中的应用》课程教学改革实践［J］．山东化工，2017，46（16）：180，187．

［5］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．

［6］傅雷扬，饶元．新工科背景下软件课程教学模式研究———以安徽农业大学为例［J］．重庆科技学院学报：社会科学版，2017（10）：116－117，128

作者:刘嘉 单位:兰州理工大学