基于CDIO的成教操作系统课程教学设计
时间：2020-10-18 07:52:32 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘要：结合成人教育的特点，提出基于CDIO的课程教学构架，指出应首先确定课程教学内容与知识体系并由此设计教学方案，从教学流程规划、课堂表达、算法演示、实验教学平台搭建、辅助学习平台构建5个方面规划并制定一套适合该课程的教学设计。
关键词：CDIO；操作系统；课程教学；设计；算法
0、引言
操作系统课程是高等学校计算机各专业的一门专业基础课，该课程从操作系统实现资源管理的观点出发，阐述如何对计算机系统中的硬、软件资源进行管理，使计算机协调一致地、有效地为各个用户服务，充分发挥资源的使用效率，提高计算机系统的服务质量Ⅲ。通过该课程的学习，学生应具备研制、维护和使用操作系统的基本能力并具有从事操作系统方面研究的理论基础，但在面向成教的操作系统课程教学中，由于成教生计算机理论基础知识相对薄弱，逻辑思维能力较为欠缺，对该课程中的相关原理理解较为困难，不能将理论与实际有机结合，操作动手能力较差，因而使得课程教学效果与预期的教学目标相差较远，没有真正实现开设此门课程的意义。笔者结合近几年的教学体会与分析研究，基于CDIO教学理念提出并制定了一套适合该课程的教学构架。
1、基于CDIO的操作系统课程教学设计
CDIO是一种全新的国际化工程教育模式，是Conceiving，Designing，Implementing andOperating的缩写，即“构思、设计、实现、运作”，是“做中学”和“基于项目教育和学习”（Pmiect-based education and learning）的集中概括和抽象表达。CDIO强调在加强基础教育的同时关注工程实践，加强实践环节；强调个人职业技能与人际沟通的技能并重；强调综合创新能力，与社会大环境协调发展。
对比以前，传统的教学模式主要包括组织上课、复习回顾、新课讲授、巩固运用、课程小结5个环节，而教师对课堂的组织贯穿于整个教学过程中。随着多媒体技术和计算机技术的不断发展，教师已将文字、图片、声音、视频等多媒体教学手段融入到课堂教学中，教师应充分利用这些教学资源，巧妙构思并组织教学内容，让学生实实在在地感受到知识的魅力与用处。例如，教师在讲授操作系统发展史时可以分析演示几个典型的操作系统演变过程；在讲授进程死锁时可从多岔路口交通灯的管制过程出发分析其工作原理及作用。将生活中的常见事例引入课堂能活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣。
笔者结合操作系统课程自身特点及授课对象具体情况，以CDIO教育模式为指导，着重从以下几个方面展开教学：深入浅出地引入知识模块；结合动画演示效果分析操作系统中常用算法的原理及执行过程；合理搭建实验教学平台；利用网络平台拓宽学习空间。
1.1 CDIO环节之构思——确定课程教学内容与知识体系
根据操作系统课程的性质及成教生自身特点，教师可规划并制定科学合理的教学内容及知识体系，从了解、理解、掌握、应用4个层面划分知识点，将教学内容划分为以下知识模块：①操作系统基础知识介绍；②进程管理与调度；③处理机调度与管理；④存储管理；⑤设备管理；⑥文件管理。教师在每一模块的教学过程中都应该准确地将相关知识点定位在各个层面。授课教师也可以根据学生的具体情况，参照教学大纲适当调整教学内容和知识容量，真正做到因材施教，切实提高学生的实际动手及应用能力。
1.2 CDIO环节之设计——设计教学方案
这一环节要求提高学生的感性认识，为学生主动建构打下基础。教师可按照从感性到理性的原则安排课程教学，结合实际案例组织教学，提高学生学习兴趣，帮助学生实现主动建构；利用多媒体教学手段和多种形式的教学资源，在各个教学环节中保护学生的积极性；创造交互式的学习环境，使学生的主动建构得以保障；开发网络化教学平台，为学生创造一个交互式的学习环境，能满足个性化学习的要求；注重能力培养，使学生的主动建构得以发展。
教师在授课过程中应该合理组织教学流程，精心策划教学方案，可以“内容复习一新课引入一主题教学一总结回顾一课堂练习”作为主线开展教学。在每一章中引入该章内容导读，概述该章主要内容及教学要求，让学生先从整体上了解该章的知识框架，清楚地认识到该章的重、难点所在。在某一具体章节的教学中，教师可将微格教学思想及微格教学5个环节（导人、板书、提问、讲解、课结）很好地融入该门课程。
教师需要构建和谐的课堂教学氛围，将教学过程视为是教师有目的、有计划引导学生在掌握系统的科学文化基础知识和形成基本技能的基础上，促进学生身心全面发展的过程。教学过程是学生在教师指导下的一种积极主动认知过程，是师生的双向交流与合作过程。教师应重视课堂提问，以操作系统中的一些基础理论或简单应用为提问内容，可以请学生参与回答，也可以自问自答，这样既能帮助巩固知识，又能活跃课堂气氛并将学生的学习成效及时反馈给任课教师。
1.3 CDIO环节之实现
1）课堂表达。
考虑到成教生的自身特点，教师在该门课程教学中应尽量做到用语通俗易懂，将一些操作系统中本身较为抽象的术语及定义转变为更为形象化及生活化的语言。对于某些基本概念，教材的定义都非常严谨而规范，但是教师可以通过自己的理解将其简化，不要求学生死记硬背，而是知其意，概其义，如讲到进程与程序之间的关系时，教师可以这样描述：程序好比一份菜谱，是静态的，而进程就像一位厨师按照菜谱炒菜的过程，是运行的、动态的，二者相辅相成，进程存在的目的就是为了执行程序，而程序又是以进程的形式存在以接受操作系统的调度。
再以存储管理为例，学生通常不容易建立起存储管理的过程思维图，教师可将其与生活中的实际结合起来进行阐述。操作系统的存储管理如同一个大农场主管理着一个大庄园，当有农户需要租用田地时，农场主就分配一块地给他种（用户区分配），等到地里长出了果实（结果出来后），农场主还得收回这块地（存储空间回收）。为了管好这片田地，农场主还要管好庄园的门，凡是要进去种地的，都得由他根据申请人的需要让其到位置确定的实际田地干活（把逻辑地址转换成物理地址）。庄园里还有一些大家可以共同使用的地方，如农场主的花园、工具房等，大家可以进去，也可以使用，但是不许改变任何现有的东西，还有每个农户只能在自己的地里耕种，如果有人越权侵犯别人的领土就要受到惩罚（共享和保护）。当然，再大的地也不够多，农场主为了多赚些钱，当把所有的地都租出去的时候，他会想办法把有些种田人暂时不种的那块地里的东西连地皮一起挖出来，放到仓库里堆着，然后把地腾出来租给别人种（这就是“虚拟存储”）。通过这样一个生活中的实例，教师可以更加形象、直观地让学生理解存储管理的过程及相关定义，再以此为基础分析其工作原理，让学生由感性认识上升为理性认识，这也是一个知识逐步升华的过程。
2）算法演示。
操作系统课程中有一些重要的算法，教材中一般会给出相关算法的思想及应用举例，那么如何能更生动地分析算法的执行过程呢？笔者认为可以设计基于Flash的算法演示动画，如进程状态变迁图、银行家算法、进程死锁、地址转换、页面调度等一系列算法均可以由教师设计成Flash动画，通过其动态演示效果分析算法的思想及执行过程，帮助学生更好地理解算法原理，进而达到算法应用的目的。教师在算法演示中应遵循循序渐进的原则，首先介绍算法思想，然后由此推导出算法模型及相关公式，再过渡到分步骤的动态演示，期间应设置暂停按钮，允许以交互式的方式控制算法的执行。
1.4 GDIO环节之运作
1）搭建实验教学平台。
对于某些基础性的重要算法，还可结合算法思想编程实现并在虚拟机环境下安装相应版本的操作系统加以运行，如并发过程中的进程创建、进程通信，文件管理中虚拟文件系统的创建，设备管理中驱动程序的工作过程等。学习操作系统课程的目的是为了理解操作系统的基本原理，进而过渡到使用、维护并具备一定的开发能力，因此实践环节尤为重要，教师可结合CDIO理念中提出的“做中学”及“基于项目教学”思想，按照CDIO大纲要求，努力培养学生团队合作和人际沟通的能力。
教师可以设置若干个综合性实验，让学生以小组合作的形式完成实验项目，将任务划分为方案设计、代码调试、报告填写，小组内的成员可以自行决定其扮演的角色。每个小组根据事先计划完成实验项目的开发，最终形成一份项目总结报告并制作PPT文稿，分组进行演示答辩。这样既能够让学生根据自己的特长参与到项目实训中，又增强了他们的团队协作能力，同时鉴于成教生的编程功底较弱，因此整个实验教学平台的侧重点在于程序的运行调试上，教师在项目执行的中期可以针对较复杂的实验项目给出一部分实验源代码，各小组只需将空缺代码补齐即可运行，让学生着重体会程序的运行效果并由此联系自己在使用操作系统过程中对诸如此类功能的设置等。这样将书中原理过渡到实际应用，才能让学生真正理解操作系统的5大功能如何发挥作用。
2）构建辅助学习平台。
·教师可利用开发设计的辅助学习平台为学生提供交流学习的空间。结合操作系统课程特点开发相应的网络学习平台是新形势下课程发展的必然趋势。成教生基于自身特点，可能由于工作原因不能兼顾每一次的课堂教学：如果缺席了相关内容的课堂教学又没有及时补救，那么就会造成知识脱节，因此利用网络教学平台将使学生的学习不再仅局限于课堂内，学习过程不再受时间、空间的限制，也为学生的自主学习创造了条件，充分体现CDIO的“做中学”。
图1所示为典型的辅助学习平台架构。观察该图的各个模块可以发现，通过网络答疑能及时解决学生提出的问题，也能增强师生间的交流与互动。在“问题讨论”区中，学习者之间也可以互动合作，分享学习过程中的经验体会，推荐优秀的学习资源，这种方式能将大家凝聚为一个团队，相互推动，相互进步。在“课程学习”模块中，学生可以自主选择“在线练习”或“在线测试”对所学知识进行自我检测，以此发现自己学习中的不足并实时补救。
2、效果评价
在面向成人教育的操作系统课程教学中，将CDIO教学理念引入其中，充分考虑学生的主动性及能动性，令学生的自主学习能力、团队协作能力及综合运用知识能力得到锻炼与提升，学习效果良好，自考合格率有较大提高，学生对课程的教学评定为优秀。我们对近3年来学习该门课程学生的情况进行对比，通过汇总学生学习情况数据，发现基于CDIO模式的课程教学效果理想，学生掌握了更多的理论知识，提升了实践能力，提高了自我认可度和对授课教师的认可度。操作系统课程教学情况汇总见表1。
3、结语
现今计算机软硬件资源更新迅速，这也决定操作系统是一门不断变化与发展的课程。教师应该紧跟时代发展的脚步，以发展的眼光对待教学，以CDIO教学理念为指导，有步骤、有计划地过渡到“教师指导下的以学生为中心”的教学模式，同时应充分考虑到成人教育的特殊性，在教学过程中更多地引入案例教学，以理论为主、实践为辅的模式展开课堂教学，将培养目标定位为具备相关理论知识的应用型人才，让其真正服务于社会。
