智慧教学工具在操作系统课程教学中的应用研究

曹晓梅，陈丹伟

（南京邮电大学 计算机学院，江苏 南京 210023）

操作系统是现代计算平台的基础和核心支撑系统，当前我国正全面推进经济与社会数字化转型、网络化重构和智能化提升，操作系统等基础软件的自主可控是深度信息化进程的关键［1］。操作系统人才培养的根基在于大学阶段的操作系统教学［2］，该课程作为计算机本科专业的主干课程，受到了国内计算机专业教师的高度重视。

操作系统课程围绕处理器管理、内存管理、设备管理、文件管理的基本概念、设计思想、管理策略和实现机制展开，具有概念抽象、内容复杂、覆盖面广等特点。在传统课堂教学模式中存在以下3个突出问题［3］：

（1）教学方式单一，教学效果欠佳。传统授课方式场所固定，课时受限，教师以PPT 课件形式向学生传授学习内容，教学活动往往由教师主导，学生被动接受，缺乏独立思考的能力，对教材中的理论知识缺乏兴趣，对课程内容理解的宽度和深度还远远不够。由于缺乏有效沟通与反馈渠道，导致教师难以及时掌握学生学习情况。

（2）教学内容陈旧，与最新技术发展相脱节。当前，以云计算、大数据、人工智能等为代表的新型应用场景，不同架构的CPU、GPU、加速器等为代表的新型硬件，嵌入式、移动计算、云计算等不同规模的计算系统，使操作系统的内涵和外延发生了重大变化［2］。然而，目前课程教学内容仍然侧重于操作系统资源管理的基本概念与关键技术，难以适应新计算时代所带来的新要求与挑战。

（3）考勤与作业批改、统计效率低下，教学反馈迟缓。目前，南京邮电大学计算机学院信息安全专业操作系统教学团队2 位教师每学年需完成信息安全专业6 个小班约200 名学生的教学任务，教师口头点名、手工批改作业及统计成绩的传统方式效率低下，花费了大量的课堂时间和精力，统计结果也不够准确、快速，直接影响了综合考评和持续改进的有效实施。

学生学习投入是学习的先决条件，是影响学习成绩和持久性的重要变量，也是评价教育机构和项目质量的重要指标［4］。如何确保学生学习投入，切实有效提升操作系统课程的教学效果，落实使学生理解操作系统的工作流程和各功能模块的设计原则，培养学生抽象思维与逻辑思维能力，并能运用基本原理和方法识别、分析、解决计算机软件开发领域中复杂工程问题的特点的能力教学要求，使学生们成长为符合时代要求、能担当重任的系统研发人才，是操作系统课程教学改革的首要目标。

为了解决传统教学中的突出问题，实现课程教学改革目标，南京邮电大学计算机学院教学团队于2020 学年开始引入智慧教学工具辅助操作系统课堂教学，在分析、比较不同教学工具的设计目标、适用场景和使用特点后，形成以超星泛雅网络教学平台和雨课堂在线学堂为依托的“一课双平台”混合教学模式。本文对课程改革的动机、设计思路、实施细节、效果及反思进行概括和总结。

作为一种将现代教育信息技术与传统课堂教学相融合的教学模式，针对混合式教学模式的研究与实践日益普及［5］。操作系统课程相关的混合式教学改革成果主要集中于基于微课的翻转课堂［6-7］、线上教学门户的建设与应用［3，8-10］、雨课堂辅助教学［11-12］等方面。王英等［6-7］提出基于微课与翻转课堂的教学模式，通过增加课外学时考核方法调动学生课外学习的主动性。刘霞林等［8］通过搭建云学习平台开展课前线上学习。孙增国等［9］在BB（Black-Board）平台上建课，引入翻转课堂模式授课。祁晖等［3］基于超星学习通平台建设课程资源，测试比较发现借助平台的自动评分系统平均可减少45.5%的评阅时间。马宏琳等［10］在超星学习通搭建教学执行平台，采用问题驱动教学（Problem Based Learning，PBL）机制，通过分组互动激发学生主动参与和深度思考。周军海等［11］将雨课堂引入操作系统课堂教学，提高考勤效率，调动学生学习积极性。肖尧等［12］将雨课堂的层级管理运用到教学过程中，证明使用层级管理可提升混合式教学效果。

上述针对操作系统课程混合式教学模式的研究成果在不同层面实现了创新，取得了较好的效果。其中，借助网络平台搭建教学门户，整合包括微课、教案、拓展资料等教学资源作为传统课堂的补充或延伸，可使学生随时随地进行课程预习和巩固［3，8-10］；
利用雨课堂在辅助课堂教学时具有显著优势，能实现无缝连接考勤、授课和随堂测试等，便于教师实时掌握授课过程中的各项数据，并对授课内容进行及时调整［11-12］。

然而，文献［6-7］侧重于介绍利用微课和翻转课堂提升学习效果，并未对如何有效组织微课资源作出说明。文献［3，8-12］均聚焦运用单一教学工具，仅能部分解决传统操作系统课程中教学方式单一枯燥、课程内容陈旧、教学效率低下等问题。

基于上述原因，本文将研究重点放在充分发挥不同智慧教学工具的优势上，使其应用范围覆盖课前、课中和课后各阶段及虚拟、现实各场景，协助教师精确把控整个教学过程，全面提升课程教学质量。具体的，在超星泛雅平台搭建线上课程门户，归纳与拓展教学内容，为学生课前预习、课后练习与巩固提供有力支撑，打造适合学生自主学习、主动参与的泛在化学习环境；
在课堂教学中应用雨课堂实施实时扫码考勤、随堂测试，提高考勤效率，活跃课堂气氛，便于教师及时了解学生学习情况，并对授课内容作出快速调整；
综合利用智慧教学工具所提供的自动化评分和统计功能提升教师工作绩效，构建全过程课程评价体系，实时反馈课程教学效果。

学生学习到的学习资源质量，取决于教师是否对收集的课程素材进行了针对性的设计与改造［13］。围绕课程的能力教学目标，南京邮电大学计算机学院教学团队在超星泛雅平台上创建课程门户，打造涵盖基础理论、案例剖析和实践指导的“三位一体”优质课程资源，形成较为系统、完善的视频库、资源库和习题库。此外，为了便于学生在线自主学习，通过编撰在线学习手册，提高课程资源的使用效率。

2.1 章节资源

平台的章节模块可使教师构建脉络清晰的课程体系。操作系统的课程章节资源以主题突出、目标明确的微课为主，重点阐述知识点的重难点问题、实操环节、经典操作系统案例剖析、实验环节指导等。目前，课程视频库包含70个微课视频，每个微课一般不超过18min，累计约1 340min。

2.2 课程资料

随着计算平台与环境的扩展和泛化，操作系统教学素材和内容应与时俱进，不断完善。课程资料不仅包含授课计划、教案、教学PPT、慕课等课内辅助资料，还结合了操作系统领域国内外学术界和工业界的最新发展，提供书籍、参考文献、网站、微信公众号等推荐课外参考资料列表，开拓学生视野，强化学生思考与理论结合实际的能力。

2.3 题库资源

超星泛雅平台提供的题型全面，包括单选、多选、填空、判断、简答、论述和计算等。在设置题目时，除题干外，需确定参考答案、难易程度、所属知识点、答案解析。其中，系统将自动批改客观题，主观题可设置为教师批改或生生互评。题目来源可从本地上传，也可选择借鉴超星泛雅平台内丰富的教学资源库。经过一段时间建设，现阶段题库中包含各类题目约700 个，为课后作业、阶段性测试等提供了有力支撑。

在教学实践中，操作系统课程设计了“一课双平台”的混合式教学模式（见图1），结合超星泛雅网络教学平台和雨课堂在线学堂，充分发挥不同教学工具在不同教学场景的优势，引导学生自主探究，提升学生学习兴趣。同时，对课程考核方式进行改革，建立全过程课程评价体系，实现多层次课程重构。

Fig.1 Process analysis of the "one lesson，two platforms" hybrid teaching mode图1 “一课双平台”混合式教学模式过程剖析

3.1 基于线上课程资料库的课前自学与课后巩固

利用在超星泛雅平台中创建的课程资料库及平台所提供的在线互动功能，从章节微课资料、课程拓展资料、线上讨论模块、线上作业发布与批改4 个方面，为课前、课后学习提供有效辅助。

3.1.1 微课辅助学习

教学平台课程资源库中提供了70 个微课视频，鼓励学生观看视频进行预习、复习，夯实基础知识，加深对重难点知识的理解。教师可随时了解学生观看时长、次数等信息，通过平台监督、提醒学生完成视频自学。微课辅助学习满足了不同学生的个性化学习需求，解决了传统教学模式因课时受限所导致“学生学不透，跟不上”的问题。

3.1.2 课内知识拓展

当前，操作系统技术发展迅速，随着新处理器、新加速器架构、新应用场景的出现而不断涌现出新的问题，许多经典问题也会出现新的解决方法。因此，在设计系统学习操作系统核心原理时，教师应充分了解当前操作系统领域的前沿研究与工业界实践［2］，在资源库中提供优选的课程资料作为课前预习并布置作业，尽可能开拓学生视野，突破传统操作系统教学在深度、广度、时效性等方面的局限性。

3.1.3 线上分组讨论

利用超星泛雅平台的PBL 分组讨论功能，发布研讨主题，根据学生知识和能力特点，采取优势互补的原则分组，进行小组讨论和学习，通过组间互评、教师评价得出每个小组成绩。例如，对进程同步经典模型的读者写者问题开展分组讨论，将学生分为5 人一组，提供必要的阅读材料，引导学生分组讨论信号量、管程等不同机制进行模型仿真时的区别和优劣，启发学生深入思考，提出具有更高优先权的解决方案。实践统计，每个学习小组平均发布讨论6条，平均得分95 分，所有小组均全员参与讨论。因此，分组讨论不仅可引发学生对重难点的思考，加深对知识的理解、掌握和运用，还可提升学生的竞争意识、表达能力和团队协作能力等综合素质。

3.1.4 线上作业发布与批改

通过超星泛雅平台发布、提交与批改课后作业，根据课程特点、作业形式和难度，采用多样化、多层次设计，课程采用单选题、填空题、简答题、论述题、计算题等形式，按难度由浅入深设计常规基础类、综合实践类和能力拓展类题目。其中，单选题、填空题等客观题由平台根据参考答案自动打分，主观题则采用互评模式。教师提供明确的评分标准，每位学生的作业由同班两名学生以匿名形式打分，从而降低感情分的可能性。在互评模式中，学生作为批改作业的主角，加深了对易错问题的理解，增加了自身责任感，提高了作业批改效率。

3.2 雨课堂辅助的课堂教学

雨课堂是一款旨在提升教学课堂体验的智慧教学工具，在整个教学过程中起到了促进教师与学生互动的作用，受到广大师生欢迎［14］。在操作系统线下课堂教学中，教师重点关注与讲解学生在预习时遇到的问题，利用雨课堂提高课堂效率，激发学生学习思考的积极性，改善教学效果。

3.2.1 线上考勤

借助雨课堂提供的手机扫码或文字验证码签到功能进行线上考勤，一方面提高了考勤效率，另一方面便于教师查看、统计学生出勤情况。然而，在教学实践中发现少数学生通过已扫码的学生获取二维码或验证码，进行远程签到，导致雨课堂后台记录的签到数据存在水分。

3.2.2 随机点名

教师通过雨课堂的随机点名功能，考察学生听课效果，活跃课堂气氛，促进师生间的交流互动。同时强调，随机点名与考勤签到不一致将会影响平时成绩，从而对学生远程签到起到一定的威慑作用。

3.2.3 随堂限时答题

在PPT 中，雨课堂提供了多种可插题目，包括选择题、投票、填空题等。每当一个知识点讲解完毕，教师会发布相关课堂练习，限时要求学生作答。答题时间结束后，以直方图形式呈现学生做题结果。教师可根据直方图中的统计数据，及时、准确地判断学生薄弱知识点，对知识点进行强调与补充，形成问题驱动和数据驱动的教学过程。

3.3 智能统计数据的应用

智慧教学工具可为各教学环节提供数据化、智能化的信息支持，为教师教学提供全周期、全方位的教学数据分析，保证教学效果，提高教学质量［15］。

3.3.1 教学过程的改进与定点帮扶

超星泛雅平台提供了直观、详细的学业统计和作业统计，教师通过检查章节任务点的完成情况和每道题的准确性，有针对性地讲解错误率高的题目，根据学生自学情况调整课程教学内容与进度。借助雨课堂的学习过程数据，教师可查看并导出课堂教学活动中产生的所有数据，汇总分析学生出勤率、随堂答题得分率等，督促上课率低的学生按时上课，预警和帮扶得分率低的学生。

3.3.2 全过程课程评价体系的构建

由于缺乏有效的平时成绩统计手段，传统操作系统课程评价体系往往以期末考试成绩为主要评判依据，然而考试结果无法客观反映学生在整个学期的学习情况，未能对学生学习过程施加积极影响［8］。为激发学生学习动机，强化学生学习效果，持续改进课程提供科学依据。课程构建了全过程评价体系，总评成绩由考勤、作业、实验、随堂测试和期末考试5个部分构成，如表1所示。

由表1 可知，考勤、随堂测试、作业、实验等过程性数据占50%，均通过智慧教学工具进行统计；
期末成绩占50%，侧重于考核学生对操作系统中关键算法及问题的分析与应用能力。

Table 1 Full course evaluation rules表1 全过程课程评价细则

2020 年后，南京邮电大学计算机学院教学团队对2018-2020 级信息安全专业学生，开展线上线下混合式教学实践。统计数据显示，超过90%的学生全部完成了在线学习任务，相较于传统线下教学，学生的参与度、完成率具有大幅提升。然后，对南京邮电大学计算机学院2019 级信息安全专业3 个小班共计123 位学生进行课程满意度调查，如表2所示。

Table 2 Course satisfaction survey表2 课程满意度调查

由表2 可知，大多数学生对混合式教学模式的实际效果表示认同，但在考核方式等方面还需进一步细分。南京邮电大学计算机学院教学团队对课程过程性数据与期末考试成绩的一致性关系进行统计分析，将每个过程性环节转换为百分制，并与期末考试成绩计算比值，如图2所示。

Fig.2 Comparison of consistency between end-of-term grades and process data图2 期末成绩与过程性数据一致性比较

由图2 可见，期末考试成绩与平时作业分数比值的中位值相较于1 存在一定偏差，表明期末考试与平时作业存在不一致情况。调查发现，课后书面作业存在一定的抄袭行为，同样的问题也反映在实验成绩与期末成绩的偏差上。期末考试成绩与考勤的一致性偏差最大，说明网上考勤成绩存在水分，需通过其他手段加以补充，例如增加随机点名次数等。期末考试成绩与随堂测试成绩之比的中位数最接近于1，即期末成绩与随堂测试成绩大体一致，说明课堂实时答题结果能真实反映学生对基础知识的掌握程度。

综上，在考虑学生平时成绩时，教师应对随堂测试赋予较高权重，降低其他过程环节的权重，引入学生在分组讨论中的贡献度等其他检验标准，以加强过程性评价的公正性与合理性。

本文基于南京邮电大学计算机学院教学团队近年来的教学改革实践与积累，在对不同教学工具的特点进行充分调研后，构建基于超星泛雅的课程资料库，并使之应用于课前自学、课后巩固与练习环节；
雨课堂被用于课堂教学环节，在提升课堂效率、互动效果、实时统计数据等方面发挥了重要作用。实践表明，该教学模式突破了传统教学模式操作系统教学的局限性，取得了较为显著的教学效果。目前，我国操作系统受制于人的问题仍非常突出，作为操作系统课程的讲授者，任重道远。

示范教学包是超星集团为开展全国信息化教学而打造的资源共享中心，能促进优质课程传播，推动优质资源共享。南京邮电大学计算机学院教学团队将紧跟国内外前沿发展和工业界的最新实践，持续丰富资源类型与数量，优化、完善各类资源品质，申请成为能被其他教师引用并编辑的示范教学包，为推动操作系统课程混合式教学发展，提升系统研发人才培养质量作出积极贡献。

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