趙恒軍

摘要：針對操作系統(tǒng)實驗教學缺少層次性、綜合性和應(yīng)用性的局限，提出以問題求解為導向的實驗課設(shè)計。在教學組織上，設(shè)計線上課前預習、面向問題分析的課堂范例講授、以問題求解為核心的翻轉(zhuǎn)課堂、線上實驗拓展和報告評閱等環(huán)節(jié)。在實驗內(nèi)容上，設(shè)置不同層次復雜度的實驗任務(wù)，有機結(jié)合不同知識點形成綜合性任務(wù)，強化實驗任務(wù)與實際工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性。通過這些舉措，有效培養(yǎng)學生分析解決復雜工程問題的能力，達到新工科育人的目標。

關(guān)鍵詞： 新工科; 操作系統(tǒng); 實驗課; 教學設(shè)計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0169-02

1 引言

教育部關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知（高教司函[2017]6號） 指出：以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，對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創(chuàng)新。新工科的研究與實踐越來越受到人們的重視。新工科育人的核心思想是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力[1，2]。操作系統(tǒng)課程是計算機科學與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對學生理解復雜計算機系統(tǒng)基本原理至關(guān)重要[3]。與此同時，操作系統(tǒng)是一門實驗性很強的課程[4]，合理的實驗課設(shè)計不僅能夠幫助學生加深對操作系統(tǒng)基本原理的理解，而且能夠提升學生分析解決計算機系統(tǒng)復雜工程問題的能力[5]。因此，如何建設(shè)好操作系統(tǒng)實驗課是面向新工科育人的操作系統(tǒng)課程改革需要思考的核心問題。對此，本文作者及所在教學團隊針對現(xiàn)有操作系統(tǒng)實驗教學存在的問題，充分利用線上課程平臺，以線上線下結(jié)合的教學模式，通過層次豐富的實驗內(nèi)容設(shè)計，打造以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力為目標的操作系統(tǒng)實驗課堂。

2 操作系統(tǒng)實驗課教學現(xiàn)狀分析

目前的操作系統(tǒng)實驗教學存在兩種主要模式：一種是較為傳統(tǒng)的模式，即根據(jù)理論教學的不同環(huán)節(jié)，如進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理等，設(shè)計相應(yīng)的算法驗證型或簡單設(shè)計型實驗;另一種是借鑒國內(nèi)外知名高校的經(jīng)驗，以一個教學型操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)貫穿整個理論和實驗教學過程[6]。這兩種模式各有其優(yōu)勢和適用范圍，但在目前新工科育人大背景下，難以有效達成培養(yǎng)學生利用操作系統(tǒng)基本原理自主分析并解決計算機系統(tǒng)復雜工程問題能力的目標，其主要的局限性總結(jié)為以下幾個方面：

1） 缺乏層次性

現(xiàn)有操作系統(tǒng)實驗教學缺乏層次性的設(shè)計，主要體現(xiàn)在兩個方面。其一，操作系統(tǒng)實驗內(nèi)容的完成通常依賴對相關(guān)理論知識的深刻理解以及對相關(guān)操作系統(tǒng)API和命令行界面的熟練掌握，這些預備知識的學習（或復習） 往往被糅合到正常實驗任務(wù)中;其二，實驗任務(wù)設(shè)置單一，沒有體現(xiàn)問題復雜度和實現(xiàn)難度的階梯型增長。層次性缺乏帶來的問題是：基礎(chǔ)理論知識和實驗技能的學習擠占了寶貴的課堂時間，壓縮了在課堂上對學生進行能力培養(yǎng)的空間;單一任務(wù)的設(shè)置忽視了對學生啟發(fā)式的引導，從而削弱了對學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)。

2） 缺乏綜合性

現(xiàn)有結(jié)合理論教學模塊的實驗設(shè)計中，不同模塊的實驗任務(wù)是孤立的，學進程管理則實驗進程操作的系統(tǒng)調(diào)用，學內(nèi)存管理則驗證頁面的置換算法，等，任務(wù)之間缺乏系統(tǒng)的有機的聯(lián)系。工程問題復雜性的體現(xiàn)之一就是問題的綜合性，即需要綜合運用多種理論、知識、技能才能解決。缺乏綜合性的實驗設(shè)計無法有效培養(yǎng)學生對知識技能進行融會貫通以應(yīng)對復雜工程問題的能力。

3） 缺乏應(yīng)用性

不論是依托理論教學內(nèi)容的簡單驗證和設(shè)計式實驗，還是基于教學型操作系統(tǒng)的完整設(shè)計與實現(xiàn)式實驗，其核心還是通過實驗教學加深學生對操作系統(tǒng)原理和實現(xiàn)技術(shù)的理解與掌握。但操作系統(tǒng)課程的教學目標不應(yīng)拘囿于操作系統(tǒng)這一學科，對大部分同學來講，學習操作系統(tǒng)將來不一定會親自實現(xiàn)操作系統(tǒng)，但很大可能會利用操作系統(tǒng)的基本原理和技術(shù)解決更廣闊范圍內(nèi)的復雜工程應(yīng)用問題。目前操作系統(tǒng)實驗的教學沒有做到與蓬勃發(fā)展的計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、編程語言等領(lǐng)域的最新技術(shù)與現(xiàn)實應(yīng)用場景接軌，這導致學生難以將在操作系統(tǒng)實驗課中學到的技能遷移到實際問題中。

3? 以解決問題為導向的課程設(shè)計

針對上文討論的操作系統(tǒng)實驗教學的局限，本文提出一種以解決問題為導向、以培養(yǎng)工程能力為目標的操作系統(tǒng)實驗課程設(shè)計。在教學組織上，我們以線上線下結(jié)合的方式對課程進行了階段劃分，更加注重在課堂上對學生分析和解決問題的能力進行引導和培養(yǎng);在教學內(nèi)容上，我們設(shè)計了全新的實驗任務(wù)，更加注重實驗內(nèi)容的層次性、關(guān)聯(lián)性和應(yīng)用性。我們將實驗內(nèi)容的設(shè)計和教學環(huán)節(jié)的劃分有機融合起來，形成下列具體措施。

3.1 線上課程導入

實驗課程理論內(nèi)容抽象、實驗技術(shù)繁雜，教師不得不花大量在基本原理和基本操作的講授上，以至于在有限課堂時間內(nèi)無法深入探討大規(guī)模復雜問題的分析與求解。對此，我們主張充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺，如超星或者學者網(wǎng)等[7]，將講授內(nèi)容中較為基礎(chǔ)的知識和技能以及相關(guān)實際工程背景設(shè)計為課前的預習短視頻并在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，敦促學生在課前完成網(wǎng)絡(luò)平臺打卡預習。學生完成線上預習后，在線進行相應(yīng)知識點識記和理解的測試，此類題目設(shè)計不宜過難，主要考察對基本概念和原理的掌握。教師在實驗授課前導出學生課前預習的數(shù)據(jù)，分析預習情況，以便更有針對性地講授。通過利用網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)置課前預習，一方面，相關(guān)工程背景的介紹會增添學習的趣味性，提高學生學習的熱情;另一方面，可有效減少課堂中基本原理和簡單技術(shù)的傳授，同時也鍛煉了學生自主學習和思考的能力。例如，在有關(guān)線程的實驗教學中，關(guān)于線程創(chuàng)建、撤銷、等待等基本操作API的定義和使用均可通過預習視頻講授，學生在課前自主完成學習，這樣在課堂上可集中精力于如何利用多線程技術(shù)解決實際問題。

3.2 面向問題分析的啟發(fā)式教學

課堂內(nèi)容的設(shè)計與講授，主要遵循以問題為導向的原則。教師不應(yīng)拘泥于課本中涉及的知識點，更應(yīng)該注重知識點和技術(shù)所要解決的問題，堅持以問題為導向進行啟發(fā)式教學，引導學生鍛煉自己分析和解決問題的能力。在講授的主體部分，設(shè)計一個具體的實際問題案例，通過三個啟發(fā)式問題即問題是什么、如何分析、如何解決，將課程內(nèi)容有機地聯(lián)系和組織起來。再以線程的實驗教學為例，可以設(shè)計一個以多線程并發(fā)編程提高程序執(zhí)行效率為目標的實驗任務(wù)，例如多線程版本的基于蒙特卡洛仿真的圓周率計算。教師在講授的過程中，首先讓學生明確實驗任務(wù)，然后引入蒙特卡洛仿真的數(shù)學原理，在此基礎(chǔ)上介紹基于數(shù)據(jù)劃分的并發(fā)方式，再圍繞圓周率計算這個任務(wù)，啟發(fā)式地分析如何進行數(shù)據(jù)劃分、如何對子任務(wù)的結(jié)果進行整合，如何選擇線程的個數(shù)，如何從理論上分析計算程序運行效率的提升情況等;最后通過示例代碼完整地呈現(xiàn)問題的求解細節(jié)和運行結(jié)果。通過以問題為導向的課堂內(nèi)容設(shè)計，讓學生認識到所學知識在解決實際問題中的價值，讓抽象的知識變得更加具象，讓學生對知識的理解更加深刻;同時，能有效激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的學習參與度;更重要的是通過范例展示培養(yǎng)了學生面對實際問題時良好的思考分析習慣和能力。

3.3 以問題求解為導向的翻轉(zhuǎn)課堂

結(jié)合以教師講授為主導的問題分析教學環(huán)節(jié)，以所講授問題樣例為基礎(chǔ)，設(shè)計問題的遷移，培養(yǎng)學生舉一反三的能力和獨立解決實際問題的能力。本環(huán)節(jié)采取以學生自主探究為主，教師引導為輔的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式。學生通過小組討論、頭腦風暴等方式自主探討問題的求解途徑，教師根據(jù)實際情況講評和分析，推進問題的解決。自主探究階段的實驗任務(wù)與教授講授的范例相比應(yīng)該具有更高的理論和實踐復雜度，體現(xiàn)出問題的層次性。繼續(xù)上文的多線程并發(fā)編程任務(wù)，在自主探究階段可以設(shè)置編寫多線程版本的排序算法以提高排序效率這一任務(wù)，其數(shù)據(jù)的準備與劃分、子任務(wù)的整合、時間效率提升的理論分析等與蒙特卡洛仿真任務(wù)相比在難度上均有提升，同時在分析和求解范式上保持了一定的延續(xù)性。通過以問題為導向的翻轉(zhuǎn)課堂，學生參與度更高，自主性更強，更能激發(fā)學生的積極性;同時為了更好地參與到課堂中，學生在課前預習的工作也越來越積極，實現(xiàn)了正向反饋和強化;更重要的是通過這樣的鍛煉，學生對本課程在實際工程問題中的應(yīng)用認識更加有深度，潛移默化地形成了分析問題的正確思維方式，并能提出自己的解決方案。這正是新工科育人環(huán)境下，對學生培養(yǎng)最為關(guān)鍵的目標。

3.4 強調(diào)實驗拓展與反思

本課程設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)重新轉(zhuǎn)入線上，設(shè)置拓展性的實驗任務(wù)供學生進一步加強自主訓練。教師在線進行答疑并對學生的實驗報告進行分析點評。拓展實驗任務(wù)的設(shè)置應(yīng)體現(xiàn)更高的綜合性和應(yīng)用性。在綜合性方面，拓展任務(wù)應(yīng)注意將操作系統(tǒng)不同的知識點有機聯(lián)系起來形成具有一定復雜度的問題。以多線程并發(fā)編程為例，多線程并發(fā)編程與進程同步知識聯(lián)系起來可以形成進程同步問題求解任務(wù)，多線程并發(fā)編程與進程調(diào)度知識聯(lián)系起來可以形成多核調(diào)度問題求解任務(wù)，多線程并發(fā)編程與進程通信知識聯(lián)系起來可以形成即時通信問題求解任務(wù)，等。在應(yīng)用性方面，拓展任務(wù)應(yīng)與時俱進地體現(xiàn)計算機科學發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)狀與最新趨勢，更加貼近當前工業(yè)界生產(chǎn)實踐。例如，多線程并發(fā)編程知識和進程同步與互斥知識整合在一起，可以形成關(guān)于線程池的拓展實驗，通過自主完成該實驗，學生能對實際生產(chǎn)中普遍使用的Java線程池的原理和優(yōu)勢有深刻理解，從而能在實際復雜工程問題求解中靈活使用。

教師在進行線上實驗報告批閱時，應(yīng)注重報告撰寫中有關(guān)問題的分析總結(jié)與反思部分[8]，可在考查評分細則中提高實驗分析、總結(jié)與反思部分的比重，向?qū)W生明確約定該部分是實驗報告撰寫和考察的重點。目的是促進學生們分析和反思，提高理論分析能力、數(shù)據(jù)處理能力、問題發(fā)現(xiàn)能力和靈活應(yīng)變能力，在問題的處理和進一步反思過程中將知識內(nèi)化形成自己的技能和能力，從而應(yīng)對實際工程問題的復雜多變性。

4 結(jié)論

本文對操作系統(tǒng)實驗課的教學改革進行探討，提出實驗課課程的設(shè)計環(huán)節(jié)：課前線上預習引導、面向問題分析的啟發(fā)式課堂教學、以問題求解為導向的翻轉(zhuǎn)課堂、課后實驗拓展、以問題反思為重點的實驗報告評估。使學生不但能真正理解現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本原理，更能具備分析和解決復雜軟件工程問題和復雜計算機系統(tǒng)問題的能力，達到新工科育人的要求。

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【通聯(lián)編輯：王力】