基于柔性模式的操作系统精品课程建设的发展与创新

2019-10-05 版权声明 举报文章

[摘 要] 针对课程内容不断更新和学生培养需求的变化,将“柔性教学模式”引入操作系统课程建设中,实施“一先四优”柔性策略,实现课程指导思想和教学模式的创新。建立了“强内核,柔外壳”的课程构架,增加了面向多核处理器和Android操作系统等新知识,实现课程内容体系创新;构建了柔性的教学模式和教学方法,引入了无意识和无障碍双语教学,积极开展课程竞赛,实现教学方式创新;搭建了自主学台,编写了课程设计指导书,创建了“燕山大学-英特尔多核技术实验室”和“燕山大学-工业与信息部移动互联网创新教育基地”,实现教学资源和环境创新;形成了以专职教师为主、博士生为辅,专职多角色与兼职单角色相结合、优势互补的柔性师资队伍,实现师资管理创新;建立了柔性化考核机制,实现评价机制创新。

[关键词] 操作系统;精品课程;柔性模式;强内核;柔外壳

[中图分类号] G642.4 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634(2014)01-0047-05

计算机操作系统是最核心、最基础的系统软件,是计算机系统的内核与基石。计算机操作系统的设计原理与实现技术是计算机及其密切专业学生必须掌握的基本知识[1],是学生理解计算机系统工作、用户与计算机系统交互、设计开发应用系统等基本知识结构的重要途径。作为一门承前启后的专业基础课、学位课,“操作系统”在计算机及密切专业的课程体系中扮演着重要的角色,是全国计算机科学与技术专业硕士研究生统一入学考试专业科目,也是部分高校博士入学考试科目。“操作系统”课程内容理论性强且与应用紧密相关,涉及理论、算法、技术、实现和应用,学生掌握起来难度很大,因而课程教学更具挑战性。

首先,操作系统技术发展迅速。目前,操作系统向多道、多核、微内核、嵌入式、分布式、多处理机、多方向发展,出现了Unix、Linux、Windows、Mac、Solaris、IOS和Android 等多种主流操作系统。如何将这些存在很大差别的操作系统的原理、技术和应用融会于课程教学中,使教学内容能够适应理论和技术的发展是亟待解决的问题。

其次,操作系统教学对象呈现多样化的特点。操作系统教学对象的学历层次包括本科生和硕士研究生,学科专业包括计算机专业及软件工程、信息安全、教育技术学、信息与计算科学等密切型专业。因此,操作系统精品课的建设和发展既要关注专业间共性问题,又要考虑各个专业的特殊性;既要关注不同学历层次学习要求的差异性,又要考虑各层次间知识的整体性和连贯性。

再次,操作系统精品课的建设需要持续连贯。随着计算机技术、设备的迅速发展和应用需求的拓展,课程内容不断充实更新,计算机操作系统今非昔比。现代操作系统的内容蕴涵了什么?知识结构的重点是什么?操作系统在课程体系中的关系如何?需要不同层次的学生理解和掌握什么?如何加深理解和运用?如何面向不断变化的办学环境和条件以及国家信息化建设对高素质人才的新的需求?这些都是课程建设必须考虑的问题。

为应对上述挑战,教学团队率先将“柔性教学模式”[2]和“学研产互动”的人才培养机制融入操作系统课程建设中,以“学生为本、内容为主、形式为辅;坚持创新、点滴积累、持之以恒”作为指导思想,在教学过程中实施“一先四优”策略,即“以先进的思想培养学生、以优选的知识传授学生、以优秀的教师服务学生、以优质的实践锻炼学生、以优势的手段辅助学生”,从而达到使学生“愿学、会学、会用”的目的。

1 操作系统精品课建设的指导思想

1.1 柔性教学模式――构建“强内核,柔外壳”的 课程体系

实施柔性教学模式,在传统教学模式中注入柔性的基因,使教学更能适应需求变化,更符合学生个性特征[3]。“强内核,柔外壳”的课程体系的构建是实施柔性教学的基础[4]。课程构架中,“强内核”内容为核心的要素,强化了刚性培养目标;“柔外壳”为深化强内核提供了丰富的形式、内容和资源,同时满足了社会需求的变化和学生个性化需求。柔性模式的“操作系统”课程构架如图1。

1.2 “学研产互动”的人才培养机制

将操作系统的课程建设纳入了“学研产互动培养机制”建设中,发挥教学团队职称高、学历高、科研背景浓厚的优势,将科研成果转化为优质的教学资源,充实和更新教学内容;以科研强化教师队伍,培养高素质教师;与企业合作建设实践平台,强化实践环节。通过实施“学研产互动”的人才培养机制,引导学生开展研究型学习。通过参加科研活动、经历生产实践过程获得知识、提高能力和素质,使课程建设向培养“厚基础、强能力、高素质”学生的目标靠近,课堂教学效果显著提高。

2 基于柔性模式的操作系统精品课程建设

2.1 柔性化课程内容体系建设,以优选的知识传 授学生

操作系统课程授课对象范围广,不仅是本科课程也是研究生课程;不仅是计算机和软件工程两个专业的必修课,也是信息安全、教育技术学、信息与计算科学等计算机密切型专业的必修课;而不同学历层次、专业对操作系统课程要求的深度和广度又不尽相同。因此,需要建立柔性化的课程体系,使操作系统课程适应不同学习起点、不同学习能力、不同专业学生的个性化需求。

1)建立了“强内核,柔外壳”的课程内容,以优选的内容吸引学生。如图2所示,提出和实践了“强内核,柔外壳”的课程建设思想,其目的是利用课程设置、教学内容和教学过程的有效调整机制,从知识结构方面满足人才培养的要求和技术发展的需要,实现“厚基础、强能力、高素质”的人才培养目标。

“强内核”内容包括操作系统在计算机系统中的作用、多道程序系统、处理机管理、存储器管理等,要求各专业都必须掌握,但学习的深度可存在差别。“柔外壳”内容包括设备管理、文件系统、网络操作系统、Unix、Windows NT、Linux、多核处理器管理等,要求各专业按照自身特点来自主确定是否掌握以及掌握的深度。见表1。

表1 操作系统的柔性课程体系

章节名称 主要内容 学时 特征

操作系统的目标、作用、层次;

操作系统引论 操作系统的发展过程; 6 内核

操作系统的基本类型;

操作系统的特征、功能与服务;

进程的定义与特征;

进程管理 进程的基本状态; 12 内核

进程同步控制;

进程通信;

调度类型和调度算法; 内核

调度与死锁 多核多处理器系统; 10 1-2-3

处理死锁的方法; 顺序

线程;

程序的装入和链接; 内核

存储器管理 连续分配方式; 12 3/4

分页、分段、段页式存储管理方式; 并行

虚拟存储器管理;

I/O系统;

I/O控制方式; 外壳

设备管理 缓冲管理; 6 4-5

设备分配; 顺序

虚拟设备和SPOOLING系统;

I/O处理过程;

文件的逻辑结构;

外存分配; 外壳

文件系统 目录管理; 8 5-6

文件存储空间的管理、共 顺序

享与文件保护、接口类型;

网络操作系统功能;

网络服务;

Unix/Linux/ Windows 介绍;

网络操作系统 Windows NT/2000/进程管理存储器管理;

高级操作系统 文件管理等简要介绍; 10 外壳

多核处理器管理;

Android基本原理;

云计算操作系统;

总计 64

2)构建了面向多核处理器的课程内容,以优选的知识充实学生。鉴于目前国内教材中还没有系统地融入多核处理器方面的内容,因此精心选取了与多核处理器技术紧密相关的内容,将多核处理器技术系统地引入“操作系统”课程模块,系统地构建了“相互促进、资源共享、协同演化”的课程体系。至今已经培养了八届学生,达1500余人,部分教学改革成果在东北大学秦皇岛分校、大庆石油学院、河北科技师范学院等兄弟院校得到应用和推广。“面向多核处理器的课程模块研究与实践”,获2008年燕山大学教学成果一等奖,2009年河北省教学成果三等奖。

3)设置了基于Android的移动操作系统课程内容,以前沿的知识提升学生。通过该课程的建设,让学生在掌握Android平台体系结构和应用程序框架基础上,学会利用Android SDK进行基础应用开发和高级应用开发,进而使更多的开发者加入到Android开发队伍中来,促进Android手机应用程序开发的普及。2011年9月,成功申请Google校企共建实用课程项目(Google Elite Course Plan)“Android操作系统及程序设计”,Google公司拨专款4万元人民币支持燕山大学在“Android操作系统及程序设计”课程方面的建设工作。2011年10月,组织并指导学生参加第二届Android应用开发中国大学生挑战赛,获华北区三等奖1项、优秀奖2项。

2.2 引入柔性教学模式和教学方法,以先进的理 念培养学生

1)以多样的教学方法、灵活的教学策略培育学生。以“厚基础、强能力、高素质”为指导思想,以专业的资源和环境为依托,采用案例式、探究式、实验式、讨论式、协同式和行动研究式等多种授课形式,多教师交叉授课、自由选择、分层教学相结合的教学组织方法,网络教学和自主学习等多种学习方式,引导学生从被动接受到主动探索,激发学生的学习兴趣和欲望[5],不仅“听中学、看中学”,而且“思中学、问中学、例中学、做中学”,使培养过程和培养的学生具有柔性。

对课程中的重点、难点,使用生动形象的实例给学生解释清楚,让学生不仅记住,而且真正把它消化了。在课堂中,引导学生带着问题去听课,不仅调动了学生听课的积极性,而且培养了学生主动思考的好习惯。在实践中,为学生准备了充分的实验材料,安排专门的辅导老师指导学生课程设计,通过分组设计培养了学生的团队合作精神。鼓励学术学位研究生与本科生组成协作学习组,通过辅导本科生学习,提高了基础理论水平和教学实践水平。加大专业学位研究生实践环节学时数和学分比例,教学过程重视运用团队学习、案例分析、现场研究和模拟训练等方法,培养专业学位研究生解决实际问题的能力。

2)引入了无意识和无障碍双语教学,以高水平的授课丰富学生。选择高教出版社引进的优秀英文教材《Applied Operating System Concept》作为辅助教材,在上课和考试中自然、适当地使用专业英语,让学生在操作系统教学情境中体会和认识到专业英语的含义,使英语不再成为学生理解课程内容的障碍。

3)开展操作系统课程竞赛,以激烈的竞争激励学生。积极组织学生参加国内外举办的课程竞赛活动,在2012年“天翼华为杯”华北五省(市、自治区)及港澳台计算机应用大赛中获得一等奖1项、二等奖2项、三等奖2项;同时,为活跃课堂气氛,了解学生对知识点的掌握情况,定期开展操作系统知识竞赛,及时总结学生的学习情况,并对成绩优异的学生给予表彰,既调动了学生的学习积极性,又建立了师生间有效的反馈机制。

2.3 CAI系统和自主学台建设,以优势的手 段辅助学生

将CAI多媒体课件和传统的板书式教学相结合,传统为主、“课件”为辅。重点及难点内容采用传统的板书式教学,强调思维和理解的过程,吸引学生的注意力。同时,利用操作系统 CAI课件将枯燥难懂的部分进行展现和形象说明,便于学生理解。CAI系统的运用既提高了学生掌握知识的效率,又能够激发学生的学习兴趣,受到了学生的认可和欢迎。

对教学大纲、教材、参考书、《操作系统常见题解析及模拟题》、《操作系统课程设计指导书》等教学资源进行了整合,在燕山大学课程建设项目的支持下,设计开发了集学习、辅导、答疑、讨论、自测系统、提交及修改作业于一体的,网络化、立体化、以学生为中心的“操作系统教学辅助平台”,如图3所示。

在线讨论和答疑教室增强了学生和学生、学生和教师之间的交流,实现了互动学习;练习与考试系统具有课题组编写的完备的试题库,可自动评分,能及时地检测学生对所学知识的掌握程度;作业的在线提交与批改能够反馈学生的理解和动手情况。该平台于2006年投入教学使用,大量的教学组织、辅导、答疑活动在该平台上实用化,作业的布置、提交和批改全部在网上进行,运行效果良好,为老师辅助教学、学生自主学习创造了优良的环境,先后获得国家软件著作登记权、教育部第六届全国多媒体教育软件大赛优秀奖。

2.4 实践环境建设,以优质的实践锻炼学生

1)增设课程设计环节,建设优质的实践内容。增设了1周的“操作系统”课程设计,目的是对学生进行综合性、系统性的专业训练,培养学生的理论知识综合运用能力、团队沟通协作能力、独立思考和解决问题能力、科技文档写作能力等,并将课程设计任务提前到课程进展的中旬部署,使学生提前做好技术和编程语言的准备,并给予专门的培训。在河北省教学改革项目和燕山大学课程与教材建设项目的资助下,总结了多年参加课程设计的经验及体会,设计和编写了“操作系统课程设计指导书”。指导书包括设计目的、任务、开发环境、技术、工具和工期、基本功能要求、运行要求、评分和验收标准、设计的基本步骤、设计说明书内容要求、用户使用说明书、参考文献、技术指导、实例、技术问题等内容,增设面向多核处理器的调度与中断、多线程输入输出系统管理等题目,共计3万字,能满足老师和多层次的、不同能力的学生的需要,能够在课程设计中体现对学生“学习、模仿、改进和创新”的指导作用,具有“题目具体、要求明确、指导到位、问题预测、验收严格”的特点,达到了“能用、会用、好用”的效果。

2)在加强自身建设的同时,积极寻求企业合作。2006年,通过了著名处理器厂商英特尔公司对相关课程模块及实验环境的严格评审,燕山大学获准参加英特尔“多核技术课程”大学计划,创建了“燕山大学-英特尔多核技术实验室”。英特尔公司向燕山大学捐赠了价值16180美元的设备以及软件和技术资料。“面向多核处理器的课程模块研究与实践”获2009年河北省教学成果三等奖。2012年,与工业与信息化部合作创立了“移动互联网创新教育基地”。

3)实行“学研产互动”培养机制,引导学生开展研究型学习。精心准备实际案例和实际教学系统,使学生受到实际需求的感染,激发学习兴趣和创新欲望;鼓励研究生将课程学习与课题研究相结合同步进行,以理论指导实践,以实践验证理论。东软集团已连续两年在燕山大学计算机专业定向招收、培训和录用1个班(30人)的毕业生。笔者指导研究生开发的“基于地理信息系统GIS技术的校园资产导航系统”获2011年“挑战杯动感地带”河北大学生课外学术科技作品竞赛三等奖。

2.5 师资队伍建设,以优秀的教师服务学生

采用多角色、多层次的机制,构建了以专职教师为主、博士研究生与硕士研究生为辅,专职多角色与兼职单角色相结合、优势互补的柔性化师资队伍;充分体现开放式原则,创建进出有序的教师岗位流动机制,允许教师在不同学科专业之间、不同岗位之间有序合理流动。已经建成由博士生导师、教授、副教授、实验师等组成的柔性化的教学研究团队。

将提高知识层次、科研能力和学术水平作为教学团队建设的锲入点,鼓励教师在职攻读博士学位,使教师具有自己的事业、成就、学术、技术和工程背景,教师本身就能够吸引学生。近5年,教学团队的教授人数由1名增加到4名,拥有博士学位教师由1名增加到7名。教学团队获得教研项目12项,获得奖励及成果14项,发表教学改革论文11篇,出版著作和讲义2部,申利民教授2010年评为河北省教学名师。为教师争取参加学术会议和出国开展教学和科研交流的机会,教学团队中有2名教授作为访问学者赴美国进行教学和学术合作与交流,2名副教授赴英国进行教学和学术合作与交流。

目前教学团队中,具有博士学位的教师占 67%,具有高级职称的教师占67%,具有教授职称的教师占50%。“操作系统”课程主讲教师100%具有教授职称、博士学位,是一支稳定的、具有丰富内涵的高素质师资队伍。

2.6 构建柔性化考核机制,以科学的评估体系激 励学生

课程考核采取多元评价的柔性化考核机制,将学生的学习结果、学习过程和学习方法融入到最终的考核结果中,将操作系统编程设计作业作为最终成绩的重要组成,操作系统课程设计设置为单独一周的项目实训课,促进了学生对操作系统知识更深层次的理解,强化了学生的实践能力。通过随堂考试、课后作业、期末考试实现了内容覆盖、过程覆盖和人头覆盖,既注重学生的学习结果,又关注学习过程;通过“教师评价、组内同学互评和自己打分”三部分给出课程设计成绩,体现了评价方式的多元化;通过与学生协商确定实践项目、对进步快的学生给予鼓励、对成绩好的学生设置更高层次的要求等,尊重了学生的个性化、层次性和差异性。近十年的考核实践证明,考核结果能够提升学生的学习动力、增进学生的认知发展、承认学生的创新能力,促进了“厚基础、强能力、高素质”人才培养目标的实现。

参考文献

[1]王敏,申利民,尤殿龙.计算机密切性专业柔性培养模式的研究与实践[J].教学研究,2013,(4):4-7.

[2]Nijhof W J,Anja H,Loek F M N.Shaping Flexibility in Vocational Education and Training[C].springer, Kluwer Academic Publishers,2003:313-320.

[3]王敏,申利民.构建柔性化高等教育体制[J].教学研究,2009,(3):13-16.

[4]王敏,申利民.全日制工程硕士柔性培养模式初探[J].教学研究,2012,(4):11-14.

[5]Wang Min,Shen Li-Min.Flexible strategy of E-learning[J].ICEE,2010,(5):4057-4060.

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