基于“三融三促”的操作系统课程教学创新实践.pdf

39计 算 机 教 育Computer Education第 9 期2023 年 9 月 10 日中图分类号：G642基于“三融三促”的操作系统课程教学创新实践何静媛，陈咸彰（重庆大学 计算机学院，重庆 400044）摘 要：分析操作系统课程教学中的问题，提出基于“三融三促”的创新框架，从“Beacon 模式”的思政育人创新、多维度融合的内容重构、基于项目驱动的教学模式与方法创新、分层进阶的案例资源建设、“总结+过程+激励”三位一体的评价创新方面，介绍课程教学创新实践过程。关键词：操作系统；三融三促；新工科文章编号：1672-5913(2023)09-0039-05基金项目：2023 年重庆市高等教育教学改革研究项目“新工科视域下计算机专业课程教学创新的探索”（223201）；2022 年重庆市高等教育教学改革研究项目“101 计划驱动的国家一流程序设计系列课程建设与实践”（222010）；2021 年重庆市课程思政示范项目“操作系统”（2021023S）；华为智能基座金课“操作系统”项目（202211002）；重庆大学第二批荣誉课程建设项目（2023Y008）。第一作者简介：何静媛，女，副教授，研究方向为图像处理、模式识别，ibm_。0引 言我国正在大力推进“四新”建设，重塑高教发展新范式，教育部高教司于 2021 年启动了首届高校教师教学创新大赛，这是纳入教育部直属单位三评一竞赛保留项目清单 中唯一一项高校教师教学竞赛活动，其目的是引导各高校落实以生为本、推进智慧教育、强化教学共同体建设，大赛的宗旨正在成为高校改革的风向标1。1深度学情分析，明晰教学创新的缘由对最近 3 年操作系统课程毕业指标达成度的数据进行统计对比，从学生的态度、能力、思维等维度综合分析，总体而言：计算机专业学生高考录取均分较高，理科基础扎实，具备较强的逻辑思维能力；部分学生对自己有明确的规划，重视未来读研或出国留学，因此过分关注绩点高低，缺少对能力提升的关注；多数学生对新技术有兴趣，但基本上浅尝辄止，一遇到难题，就容易打退堂鼓，自我挑战的意识欠缺。1）学生学习自驱力不足。长期以来重视专业知识的传授，忽略价值观的塑造；教学手段较为单一，难以激发学生的学习兴趣；教学过程缺乏有效的激励机制，这一系列因素导致学生学习内生动力不足。2）课程知识体系欠合理。我国产业界急需具备软硬件协同优化和整体系统观的创新型人才，在当前课程教学方面，对学生“技术创新”与“系统能力”的培养尚有欠缺，许多高阶资源尚未引入课程教学。3）学生基础参差不齐。学生的专业基础和能力水平差别较大，如何因材施教，兼顾不同层次学生的需求是教学过程中面临的挑战。4）课程内容抽象晦涩。操作系统内核的工作机制复杂，知识点多且杂，代码晦涩难懂，难以直观展示工作原理，因此传统的教学方式对于课程内容的表达缺乏张力。2凝练创新理念，构建解决痛点问题的思路以学生发展为根本2，以立德树人为引领，以“两性一度”的金课标准为核心，针对痛点问题，从理念、内容、模式、资源以及评价等方面进行创新改革尝试3，教学创新总体思路如图 1202340计 算 机 教 育Computer Education所示。“三融三促”的创新框架：融合思政引领，促进“情感价值”的提升；融合学科竞赛，促进“系统能力与创新能力”的培养；融合产业前沿，促进“高阶知识”的探究。3聚焦教学过程，践行创新思路的各个环节3.1“Beacon 模式”的思政育人创新教学实践中充分利用信息工具构建了一套“基于 Beacon 模式”的育人路径。Beacon 是建立在低功耗蓝牙协议基础上的一种广播协议，它会每隔一段时间向周边环境广播信息。Beacon 模式的实质就是教师充分发掘生活中的思政资源，因势而谋，顺势而为，高效地利用信息手段，寓教于乐，在任何有需要的时候主动向学生发送教育资源4。在理论教学第一课堂，通过视频嵌入等富有感染力的方式融入思政元素，展示国家成就、行业进步等，增强学生的民族自豪感；实践教学第二课堂中开展线上实践课程，鼓励学生挑战自我；在文化生活第三课堂中使用 QQ、微信、抖音（快手）等年轻人易于接受的平台和方式，主动推送与课程相关的时政新闻并引导学生讨论，锻炼学生的逻辑思辨能力等，润物无声地将思政育人工作渗透到学习和生活中，实现了多角度、全方位的价值引领。情感价值提升知识点多且杂，传统方法缺乏表达张力达成目标痛点问题原因分析解决路径实践探索模式改革学生缺乏学习自驱力知识体系欠合理学生基础参差不齐课程内容抽闲晦涩忽略价值观的塑造教学模式难以激发学习兴趣缺乏激励机制高阶教学资源缺乏原有知识体系难以形成模块化的思维客观存在的差异性思政育人内容重构资源构建评价优化系统能力与创新能力培养高阶知识探究项目驱动，探究教学课程思政，Beacon 模式多维重构，扬“新弘深”信息工具，分层递进强调过程，重视激励创新理念：心怀家国，根植梦想，知行合一图 1 教学创新整体思路3.2多维度融合的内容重构（1）课程强调“系统能力的厚基础型培养”与“创新型人才培养”，需要完成从“程序性开发能力”向“复杂计算系统设计与应用能力”的转换。传统的知识体系以“章节为中心”构成，由于知识点比较松散，学生往往会有学无所用的疑虑，因此可将知识体系重组为以“功能模块为中心”的构架体系（图 2）。这样更有利于学生通过局部功能的逐级叠加，形成对整体构架的全局视野，同时强化关联课程融入，有利于学生从系统工作原理认知到整体设计的新跨越，为项目驱动式教学过程奠定基础。（2）鼓励学生参加“全国大学生计算机系统能力培养大赛”，促使他们主动拓展知识面的深度和广度。将常用竞赛技术方法融入教学中，赛教结合，提升教学内容的创新性和挑战度，使学生“跳一跳，够得着”。（3）重视产教融合，通过“智能基座”合约与华为公司共建，将华为自研 openEuler 操作系统的核心技术融入教学，与产业前沿技术的无缝对接不但提升课程的高阶性，同时也有效助力自主操作系统的生态建立。课程思政第 9 期41课程内容体现“新弘深”的特点，有效地解决“知识体系欠合理”的痛点问题。所谓“新”是指在培养理念上要求学术能够主动掌握新知识、应用新方法并解决新问题，满足计算机专业中知识体系、应用场景和就业岗位快速变化的特点；“弘”是指学生能够学习和整合跨学科知识，开展问题求解和方案设计；“深”是在课程体系围绕若干个关键专业领域，形成高阶性和创造性的能力培养阶梯。1）以贯穿式项目大作业驱动教学。教学活动以完成一个项目大作业为主线贯穿整个教学周期，团队效仿清华大学的 UCore 系统，在龙芯中科公司完全自主研发的国产 CPU龙芯自主指令集架构 LoongArch 上设计并实现一个微型操作系统。“怎样构建一个完整操作系统”的问题驱动着学生主动探索学习。渐进式完成任务后的成就感可以充分激发学生的自信心和求知欲，助力解决“学习自驱力不足”的痛点问题。操作系统内核的设计是综合性很强的任务，除了需要熟悉内核的工作原理之外，还需要理解不同体系架构下指令的工作流程；代码实现时需要优化数据结构与算法，因此这个项目任务实质上融合了多门课程的知识内容，其完成过程就是一次破除课程间壁垒、建立体系架构整体视野的训练，对学生而言是一次很有收获的锻炼 机会。2）基于“线上线下混合”的模式创设探究式教学环境。教学活动基于线上线下混合的方式展开。课前教师在蓝墨云平台上传各种学习资料，学生自学，课中教师合理创设教学情境，进行探究式课堂教学，课后通过线上作业、小组讨论、教师答疑的方式巩固提升。线下课堂中强调“教、学、练、评”四位一体，使用蓝墨云平台实现课前检测和课中练习，随时了解学生情况，及时调整教学进度。对于难点问题，引导学生在课前分小组自学，培养自主学习能力，要求每个小组编写 ppt，课堂上利用15 分钟翻转课堂为大家分享方案成果。分享的小组和主讲人全部采用随机抽签的方式进行，这样每个小组的每个同学都会认真学习准备，客观上有效地促使每位同学真正将学习落到实处。通过探究式课堂，引导大家一起探究讨论解决方案的可行性。实践教学环节中，基于头歌网站开发并部署了线上实验。实验平台采用 docker 容器的模式提供 OpenEuler 的环境，每个实训任务设置多个关卡，只要能够完成对应任务就可以获得积分。这种实验方式效仿游戏冲关模式，可极大提升学生的学习兴趣和自我挑战意识5。3）采用“分级+小组学习共同体”策略实施教学。分级教学的思路建立在学生具有差异性的客观基础上。我们将最前沿的教学方案首先应贯穿式项目大作业破除了课程壁垒，有效融合关联课程计算机组成原理编译原理操作系统数据结构程序设计图 2 课程内容重构202342计 算 机 教 育Computer Education用在卓越工程师班，方案成熟后再推广至其他普通班，这样既可以保障教学过程的平稳开展，又可以保障教学改革的持续推进。针对学有余力的学生，提供更多拓展视野的机会，如邀请部分学生加入教师的科研团队，跟随研究生一起讨论学习，或者在团队教师的指导下进行学科竞赛准备，师生一起面对产业最新技术，挑战自我，践行了师生共建、教学相长。为了兼顾不同层次水平的学生，本着“自由组合+教师调配”的原则，将优秀学生与基础稍差的学生组合成学习共同体。在贯穿整个教学周期的项目大作业中，这样的学习共同体策略发挥了极大的作用，教师充分参与并指导学习过程，面对复杂系统设计问题，优生带动基础稍差的同学，共同商讨解决方案，小组同学共同进步，能有效解决学生基础参差不齐的痛点问题。3.3分层进阶的案例资源建设为适应伴随互联网成长起来的当代学生认知特点和需求，重视建设各类在线课程资源，我们在阿里云平台上开发并部署了操作系统内核模拟演示平台，学生可以在该平台上以动画的方式演示内核的工作原理，使课程晦涩的内容不再难懂。同时基于头歌平台完成在线课堂资源案例库的建设，将课程的核心知识与概念碎片化呈现。遵循“分层建库，逐级递进”的原则多维度融合案例资源,按照具象化表达库层进化题库进阶化案例库的方式构建课程的多层资源。各个层级采用理论学习应用分析综合训练创新实践的内容递进模式（图 3），强化特色资源案例，深度加工真实案例，同时注意思政资源库建设同向同行，将资源建设高阶化。3.4“总结+过程+激励”三位一体的评价创新课程总体评价可分解为“总结性评价+过程性评价+激励性评价”，制订和完善对接各项高阶能力和素养的评价量规，采用线上线下相结合的评价方式，不但对学生的专业能力进行评价，同时也对学生的情感态度与价值观进行合理的评价。应优化指标结构，新增课程网站视频学习及讨论、随堂测试、项目大作业等环节考核，同时引入课堂积分排行榜附加分机制，激励学生课堂积极抢答，营造争先争优的学习氛围（表 1）。表 1 操作系统课程评价细节表评价环节考核内容所占分值评价对象参评主体评价工具设计意图总结性 评价期末考试50学生个体教师人工期末检测学生学习情况半期测试5学生个体教师人工半期检测学习情况过程性 评价实验15个体+小组师评+自评头歌冲关式线上实验，增加学生自评，提升自信项目大 作业10个体+小组师评+互评+自评蓝墨云贯穿式项目，成立小组学习共同体，锻炼团结协作能力，评价中体现情感素质的量规进阶化案例库认知案例应用案例综合设计案例实践项目案例层进化题库概念案例应用分析题库综合设计题库创新挑战题库具象化表达库思政库同向同行提供知识载体实物展示动画演示仿真演示创设教学场景组织实操认知阶段思政引导强化阶段情感激励创新进阶沉浸体验理论学习应用分析综合训练创新实践图 3 案例资源建设原则课程思政第 9 期43参考文献：1 薛栋,冯亚萌.教学何以创新:基于首届全国高校教师教学创新大赛获奖作品的分析J.山东高等教育,2022,10(3):1-9.2 庞海芍,隋艺,张叶晔.以学生为中心的教学创新理念与实践M.北京:北京理工大学出版社,2021:23-24.3 刘秀丽,陈锐.关于高校计算机教学创新的研究J.现代信息科技,2019,3(24):138-140.4 桂小林.新一代信息技术驱动的大学计算机实践体系与方法J.计算机教育,2023(1):11-15.5 刘晓琳,经倩霞.学校信息化环境下教学创新的机制和策略:基于案例的研究J.中国电化教育,2016(4):79-87.6 程晨,周祎,马守明.科教融合视域下高质量本科教学的实效性研究J.高教学刊,2021(7):48-51,56.（编辑：孙怡铭）评价贯穿于整个学习活动过程中，有助于教师跟踪学习动态，及时根据学生情况调整教学策略，针对性地解决学生个性化的问题。教学过程中指导学生开展渐进式自评和互评，利用该环节引导学生真正理解学习成果的评价指标，逐步探寻正确的学习方式，以评促学、以评促教，全面促成教学目标的达成。4结 语经过持续的改革探索，团队教师与学生一起进步成长。未来期待进一步强化科研对教学的支撑力度6，课程改革要坚持不懈继续推动：以教学为根本，继续坚持赛教结合，达成教学“挑战度”的目标；以科研为亮点，巧妙融入辅助教研，达成教学“高阶性”的目标；以产业为主导，紧耦合产学研协同，达成教学“创新性”的目标。同时也希望我们的创新经验成果能为兄弟院校类似专业提供一些借鉴和参考，以共同推进卓越拔尖型人才的培养。续表 1评价环节考核内容所占分值评价对象参评主体评价工具设计意图翻转课堂5个体+小组师评+互评+自评蓝墨云分小组进行、强化自主学习、团队沟通合作课后作业5学生个体教师人工复习并强化课堂所学知识随堂测试5学生个体教师蓝墨云巩固课堂所学、便于教师及时掌握情况网站学习及讨论5学生个体教师蓝墨云、头歌课前及课后线上完成，促使学生自主学习激励性 评价课堂积分排行3学生个体教师人工营造争先争优氛围，提升课堂参与度实验附加分2学生个体教师头歌完成进阶任务可获得额外加分，激励学生挑战自我 注：若总分超过 100，则按比例缩放在 100 分之内。