劉小兵 楊 杰 李小武 扈樂華 胡麗霞 譚道軍

新工科背景下課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革與探索——以《操作系統(tǒng)》課程為例

劉小兵 楊 杰 李小武 扈樂華 胡麗霞 譚道軍

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

新工科背景下，課程體系的研究與實(shí)踐創(chuàng)新是加快工程教育改革的途徑之一。本文通過改革創(chuàng)新現(xiàn)有《操作系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容和課程體系，將科學(xué)的教學(xué)方法與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，打造值得信賴的校企合作伙伴，探索領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)解決方案，以滿足計(jì)算機(jī)行業(yè)綜合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，提升學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的積極、主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高教師的教學(xué)效果。

新工科；課程體系；教學(xué)內(nèi)容；操作系統(tǒng)

2017年2月教育部下發(fā)了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，新工科研究與實(shí)踐越來越受到人們的重視[1]，工程教育改革勢在必行。新工科背景下，地方本科院校在發(fā)揮自身優(yōu)勢，利用本地特色資源，滿足地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和企業(yè)創(chuàng)新需要上有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此，加快工程教育改革，深化校企合作、協(xié)作育人，推動(dòng)傳統(tǒng)工程技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，開展新工科的課程體系研究與實(shí)踐以適應(yīng)本學(xué)科發(fā)展尤為急迫。

1 《操作系統(tǒng)》課程改革的必要性

《操作系統(tǒng)》課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的專業(yè)核心課程。該課程要求學(xué)生熟知操作系統(tǒng)的基本概念和原理、設(shè)計(jì)思想和具體實(shí)現(xiàn)方法。學(xué)生需對(duì)各大主流操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想有清楚的認(rèn)識(shí)，了解操作系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域最前沿的信息。《操作系統(tǒng)》課程講述計(jì)算機(jī)中最基礎(chǔ)、最復(fù)雜的系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)遇到知識(shí)點(diǎn)多、抽像、理論性強(qiáng)、不易理解等難題，教師往往在教學(xué)中因現(xiàn)有課程體系和教學(xué)內(nèi)容不合理，而沒能取得較好的教學(xué)效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新功能、新技術(shù)不斷地融入操作系統(tǒng)中，使得操作系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，任課老師在教學(xué)活動(dòng)中需要在有限的課時(shí)內(nèi)盡可能清楚和全面地為學(xué)生講解操作系統(tǒng)的原理和新技術(shù)發(fā)展趨勢，實(shí)為一大挑戰(zhàn)。此外，在新工科背景下，因傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容與理論知識(shí)脫節(jié)或?qū)嶒?yàn)內(nèi)容太陳舊，而難以引起學(xué)生足夠的學(xué)習(xí)興趣，從而不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和綜合創(chuàng)新能力。

2 《操作系統(tǒng)》課程改革目標(biāo)

隨著新工科教育理念的深入人心，《操作系統(tǒng)》課程改革需要進(jìn)一步完善理論和實(shí)踐課程內(nèi)容，加強(qiáng)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，在教學(xué)內(nèi)容和形式上進(jìn)行擴(kuò)展，使學(xué)生在《操作系統(tǒng)》課程的學(xué)習(xí)中，掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、實(shí)踐動(dòng)手能力，具備解決復(fù)雜問題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。同時(shí)在新工科背景下，高校《操作系統(tǒng)》課程改革還應(yīng)該著力于探索校企協(xié)同育人、產(chǎn)教融合的體制機(jī)制，改革創(chuàng)新現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式，充分利用企業(yè)的教育資源，加強(qiáng)與企業(yè)全面合作，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。作為地方本科院校，更需要借助企業(yè)的資源優(yōu)勢，積極探尋特色專業(yè)共建、校企聯(lián)合等辦學(xué)方式，提升學(xué)校整體競爭力，提高本科教育質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證，完成新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

3 《操作系統(tǒng)》課程改革措施

新工科背景下，傳統(tǒng)的《操作系統(tǒng)》課程已無法滿足新形勢下高校一流本科專業(yè)和一流課程建設(shè)發(fā)展的需求。為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展和國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，《操作系統(tǒng)》課程應(yīng)做出相應(yīng)的調(diào)整和變革?！恫僮飨到y(tǒng)》的課程改革必須要從優(yōu)化重建課程體系和整合擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容開始入手，進(jìn)一步落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、工程思維和綜合能力、科研學(xué)術(shù)能力、適應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)需求的能力。

3.1 優(yōu)化重建課程體系

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程學(xué)時(shí)分配是44學(xué)時(shí)理論，12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)。在新工科背景下，我校操作系統(tǒng)課程學(xué)時(shí)分配方案改為“32 學(xué)時(shí) +32 學(xué)時(shí)”，需要優(yōu)化重建原有的課程體系。在重建后的課程體系中, 我們采用大量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例融入教學(xué)，生動(dòng)地講述了操作系統(tǒng)教學(xué)中的臨界資源的訪問、同步機(jī)制的演變、死鎖的避免、分頁存儲(chǔ)到請(qǐng)求分頁的發(fā)展和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)等重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，而簡化了操作系統(tǒng)內(nèi)核以外的內(nèi)容，如多媒體系統(tǒng)、多處理機(jī)技術(shù)、光盤技術(shù)、系統(tǒng)安全等。這樣形成了不同于其他同類操作系統(tǒng)課程的體系，新舊課程體系具體變化對(duì)比見表1。改革后的操作系統(tǒng)課程體系使得知識(shí)點(diǎn)緊密聯(lián)系、前后銜接, 而且實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)增加，內(nèi)容更加豐富，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺更加連貫和更具獲得感，會(huì)更加容易記憶、理解和掌握操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容, 從而會(huì)極大地提高對(duì)課程的學(xué)習(xí)積極性和興趣性。

表1 操作系統(tǒng)課程體系優(yōu)化重建前后知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.2 整合“課程思政”教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生就業(yè)范圍廣，普遍具有理工學(xué)生存在的淡化意識(shí)形態(tài)的特點(diǎn)，故此在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中，很有必要開展“課程思政”。我們可以將中國夢、科學(xué)精神、學(xué)術(shù)素養(yǎng)、優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、家國情懷等內(nèi)容引入課堂，不斷提高學(xué)生的精神文化素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生做社會(huì)主義事業(yè)接班人的高尚情懷?！恫僮飨到y(tǒng)》是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課、核心課，其特點(diǎn)是理論內(nèi)容抽象、繁多，而實(shí)驗(yàn)資源復(fù)雜、匱乏?！恫僮飨到y(tǒng)》常常會(huì)成為一門學(xué)習(xí)難度相對(duì)較高、學(xué)生興趣較低的專業(yè)課[2]。要想在這樣的課程中開展“課程思政”教學(xué)實(shí)踐，教師必須立足于學(xué)科專業(yè)性質(zhì)不變、本位不變的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持教書育人的宗旨，充分挖掘本課程的內(nèi)在價(jià)值、精神和哲理，并生動(dòng)形象地傳授給學(xué)生。本人經(jīng)過長期實(shí)踐和探索，結(jié)合思政教育對(duì)《操作系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。在課程的知識(shí)體系中找到與思政教育的“結(jié)合點(diǎn)”，具體可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行了思政內(nèi)容的挖掘[3]。

3.2.1 中國夢和大國崛起

眾所周知，當(dāng)今主流的操作系統(tǒng)在電腦端有Windows、MAC、UNIX、Linux等，手機(jī)端有安卓系統(tǒng)、IOS系統(tǒng)、塞班等?？梢砸肴A為的鴻蒙操作系統(tǒng)對(duì)操作系統(tǒng)概述進(jìn)行深層次講解。在2019年8月9日，華為發(fā)布了Harmony（鴻蒙）OS，一款“面向未來”、面向全場景（移動(dòng)辦公、運(yùn)動(dòng)健康、社交通信、媒體娛樂等）的分布式操作系統(tǒng)。鴻蒙操作系統(tǒng)宣告問世，打破美國的蘋果和微軟對(duì)操作系統(tǒng)的壟斷，中國終于有了自主版權(quán)的操作系統(tǒng)，華為在高科技領(lǐng)域取得一個(gè)戰(zhàn)略突圍點(diǎn)，中國在解決諸多卡脖子問題時(shí)多了一把利器。以此可以進(jìn)一步激勵(lì)同學(xué)們樹立獨(dú)立發(fā)展本國核心技術(shù)的決心，并立志為中國高科技的戰(zhàn)略突圍貢獻(xiàn)自己的力量。同學(xué)們也該知曉，我們和中國高科技產(chǎn)業(yè)一樣，都已經(jīng)沒有退路，只有堅(jiān)定往前走，邁過短時(shí)間的困難期，因?yàn)闅v史不會(huì)給中國崛起提供另一種編程。

3.2.2 科學(xué)精神與工匠精神

以操作系統(tǒng)的發(fā)展為例，操作系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)的過程。操作系統(tǒng)的鼻祖來自MULTICS（多路信息計(jì)算系統(tǒng)），我們在這里簡稱為M系統(tǒng)，此時(shí)計(jì)算機(jī)一次只能接受一個(gè)任務(wù)，多人的任務(wù)需要排隊(duì)執(zhí)行。后來，原M系統(tǒng)設(shè)計(jì)成員肯·湯普森因?yàn)橄氚岩惶酌麨椤疤章糜巍钡挠螒蛞浦驳剿麄儗?shí)驗(yàn)室的一臺(tái)機(jī)器上而開發(fā)了一套軟件Unics（單路信息計(jì)算系統(tǒng)）。1971年，肯·湯普森和丹尼斯·里奇為了使當(dāng)時(shí)的Unics具有更好的移植性、適用于不同的硬件設(shè)施，創(chuàng)造了C語言。他們于1973年，以C語言重新改寫與編譯Unics的核心，并正式命名為Unix，形成Unix的初代版本。該版本減輕了對(duì)底層硬件依賴的問題，從而可以廣泛地在各種機(jī)器上使用。初代的Unix采用了200多條程序命令，雖然內(nèi)核很小，但是功能極為精簡強(qiáng)悍。當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)需要用100行到1000行代碼的程序，用Unix不超過10條命令就可解決。

由此可見操作系統(tǒng)是多位科學(xué)家畢其一生心血，竭盡全部智慧，共同打造成的軟件藝術(shù)品。操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程就是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化，提升效率的過程，展現(xiàn)了科學(xué)精神與工匠精神，以至于研究操作系統(tǒng)的人越來越多，并直接誕生了一門新的學(xué)科——軟件工程。

3.2.3 創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神

在琳瑯滿目的各種操作系統(tǒng)中，Windows絕對(duì)是不得不提的操作系統(tǒng)，以比爾·蓋茨和他創(chuàng)建的微軟商業(yè)帝國為例。1973年，蓋茨進(jìn)入哈佛大學(xué)學(xué)習(xí)，在這里遇到了史蒂夫·鮑爾默（如今的微軟首席CEO），兩個(gè)人都是計(jì)算機(jī)天才，并且還住在了一個(gè)房間。剛進(jìn)入哈佛學(xué)習(xí)不久，對(duì)計(jì)算機(jī)非常感興趣的蓋茨就在第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)—MITS Altair上另辟蹊徑，開發(fā)了一個(gè)BASIC編程語言的版本。在哈佛學(xué)習(xí)的第三年，蓋茨投入大量精力與兒時(shí)好友保羅·艾倫創(chuàng)建了微軟公司，并輟學(xué)離開了哈佛。在創(chuàng)建微軟之初，他們就將使計(jì)算機(jī)成為每個(gè)家庭、每個(gè)辦公室中最重要的工具這樣的信念作為引導(dǎo)，他為個(gè)人計(jì)算機(jī)開發(fā)具備各種功能的軟件[4]。蓋茨對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)的獨(dú)具慧眼，將創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)精神發(fā)揮到極致，他的遠(yuǎn)見卓識(shí)促使微軟取得舉世矚目的成功。蓋茨不斷地發(fā)展改進(jìn)技術(shù)，讓軟件設(shè)計(jì)得更加使用方便，產(chǎn)品更加節(jié)約成本和充滿樂趣。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，微軟已然成為全球最大的電腦軟件供應(yīng)商。

3.2.4 中庸與平衡的哲學(xué)思想

操作系統(tǒng)的主要功能是CPU、內(nèi)存、外存、I/O等管理，它們構(gòu)成了計(jì)算機(jī)資源管理的核心機(jī)制，而計(jì)算機(jī)進(jìn)行資源管理和人類管理一切資源一樣，都遵循著協(xié)調(diào)有序地發(fā)掘、管理、分配和回收資源的基本準(zhǔn)則。除此之外，操作系統(tǒng)還要盡量保證計(jì)算機(jī)處于安全運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，它就需要盡可能使自身不出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰或信息泄露，因?yàn)檫@是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)其他一切功能的基本保障。在我們?nèi)祟惿鐣?huì)也體現(xiàn)這樣的哲學(xué)思想，比如人類持續(xù)發(fā)展必須以保護(hù)好自然環(huán)境作為開發(fā)利用資源的前提，古人稱為天人合一。我們在學(xué)習(xí)過程中如果把握了資源的根本屬性，即資源管理必然涉及共享和競爭的管理，就容易理解操作系統(tǒng)必須首先保障自己的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，就會(huì)理解操作系統(tǒng)的種種行為。前者指引著操作系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與進(jìn)化，后者則推動(dòng)著操作系統(tǒng)可靠性地演變。

3.3 擴(kuò)展項(xiàng)目化的實(shí)踐教學(xué)

在新工科背景下，《操作系統(tǒng)》實(shí)踐教學(xué)改革必須牢牢緊扣應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，融入IT行業(yè)最新的發(fā)展技術(shù)和前沿成果，按照企業(yè)、行業(yè)最新的用人需求，應(yīng)該做好可以下四個(gè)方面的工作：第一，校企共同制定專業(yè)發(fā)展策劃、專業(yè)設(shè)置和培養(yǎng)方案，打造基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、技術(shù)導(dǎo)向的實(shí)踐教學(xué)模式;第二，結(jié)合課程相關(guān)項(xiàng)目(包括各級(jí)各類大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)競賽、物聯(lián)網(wǎng)競賽、智能導(dǎo)航競賽等)，優(yōu)化實(shí)踐課程體系，豐富實(shí)踐教學(xué)資源；第三，全面加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)為主、知識(shí)驅(qū)動(dòng)教學(xué)為輔的方式，融合企業(yè)真實(shí)的項(xiàng)目資源，進(jìn)行高強(qiáng)度的代碼訓(xùn)練，講解必要的基礎(chǔ)知識(shí)，統(tǒng)一規(guī)劃實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、企業(yè)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，使之成為緊密有序銜接的有機(jī)整體[5]；第四，實(shí)踐教學(xué)中邀請(qǐng)企業(yè)技術(shù)人員授課，引入項(xiàng)目孵化器模式，由企業(yè)一線的項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)，切實(shí)加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，提升實(shí)踐教學(xué)水平[6]。

4 結(jié)束語

課程體系與教學(xué)內(nèi)容對(duì)一流課程建設(shè)與高質(zhì)量人才培養(yǎng)起到?jīng)Q定作用，是新工科建設(shè)中需要進(jìn)行研究與探索的重要問題。本文根據(jù)新工科建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求，以提升學(xué)校整體競爭力、提高本科教育質(zhì)量為目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證、培養(yǎng)新工科專業(yè)人才為引領(lǐng)，對(duì)《操作系統(tǒng)》課程體系進(jìn)行了優(yōu)化與重建，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合與擴(kuò)展。改革后的課程體系更趨合理，教學(xué)內(nèi)容更重視學(xué)科交叉融合，學(xué)生綜合能力逐步增強(qiáng)，教師教學(xué)效果明顯提升。

[1]劉小兵,楊杰,譚道軍.新工科背景下“C語言程序設(shè)計(jì)”課程改革探討[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2019,40(10):104-106.

[2]張玉琢,肖飛,向宇.操作系統(tǒng)“課程思政”教學(xué)實(shí)踐探索[J].科學(xué)咨詢(科技·管理),2020(08):71-72.

[3]羅琳.新工科背景下微積分課程體系重構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容改革的研究與實(shí)踐——以我校微積分課程教學(xué)為例[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2018,35(03):230-233.

[4]李學(xué)信.在信息技術(shù)教學(xué)中注重背景知識(shí)的教學(xué)[J].中國教育技術(shù)裝備,2012(25):84-85.

[5]熊偉程,崔忠偉.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的大數(shù)據(jù)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革——以貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院為例[J].貴州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2017,33(10):69-71.

[6]邵新慧,劉玲,李春梅.基于校企合作模式下的學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)與提升[J].教育現(xiàn)代化,2018,5(50):21-22.

G642.0；TP311

A

1673-2219（2021）03-0105-03

2020-12-14

湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湖南省教育廳湘教通〔2019〕291號(hào)）；湖南省普通高等學(xué)校“十三五”專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目（湘教通〔2016〕276號(hào)）；湖南省教育廳教改項(xiàng)目（湘教通〔2018〕436號(hào)）；湖南科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用特色學(xué)科資助。

劉小兵（1989－），男，湖南永州人，碩士，講師，研究方向?yàn)橹悄芸刂坪拖到y(tǒng)建模。

（責(zé)任編校：文春生）