“Linux 內(nèi)核定制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

尹航+吳建勝+張玉軍

摘要：“Linux內(nèi)核定制”是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域核心課程之一[1]，是嵌入式系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，具備很強(qiáng)的應(yīng)用針對(duì)性和操作性。本文結(jié)合課程特性和教學(xué)環(huán)境，探討該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系方案，實(shí)驗(yàn)教材改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作，為本科教學(xué)中應(yīng)用型人才培養(yǎng)，實(shí)踐教學(xué)改革深化提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）26-0042-03

隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用逐步擴(kuò)散到各種行業(yè)，多種領(lǐng)域，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。比較熱門的包括智能家居、智能安防、智能交通、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等，都是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[2]，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)具有良好的市場(chǎng)前景，但物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是“軟硬兼施”的課程，對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握程度和自身能力要求較高，涉及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域基礎(chǔ)及專業(yè)課程，針對(duì)性強(qiáng)，要求學(xué)生具備計(jì)算機(jī)領(lǐng)域軟硬件知識(shí)，還要求對(duì)其他相關(guān)技術(shù)有所掌握，其中“Linux內(nèi)核定制”就是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域核心課程之一。

1 課程現(xiàn)狀分析

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間短，專業(yè)教師大多都是從其他專業(yè)選調(diào)過來的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)還在探索之中[3]。目前，“Linux內(nèi)核定制”課程實(shí)踐教學(xué)中存在一定問題亟須解決。

1.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指導(dǎo)針對(duì)性不足

目前，實(shí)驗(yàn)案例多數(shù)由設(shè)備供應(yīng)商提供，但能夠達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的項(xiàng)目指導(dǎo)應(yīng)該由教師在授課經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上制定，另外，由于教師經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺陷，直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備不充分，影響教學(xué)效果。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用率低

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生首先在計(jì)算機(jī)上編寫并編譯程序，然后將編譯生成文件下載至開發(fā)平臺(tái)運(yùn)行，根據(jù)執(zhí)行效果在計(jì)算機(jī)上修改編譯程序，并重復(fù)操作[4]。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中，使用平臺(tái)時(shí)間比較有限，利用率較低。實(shí)際教學(xué)中，往往根據(jù)學(xué)生人數(shù)進(jìn)行分組，但分組過程中若不能有效根據(jù)學(xué)生能力均衡分配成員就會(huì)出現(xiàn)弊端，每個(gè)小組中能力較強(qiáng)同學(xué)參與意向較高，往往獨(dú)立操作，其他成員會(huì)因?yàn)槿蝿?wù)分配或能力問題出現(xiàn)參與程度和參與意向低的情況；

1.3 學(xué)生過分依賴現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)室中往往根據(jù)自身需求集中采購(gòu)某種指定型號(hào)平臺(tái)，平臺(tái)設(shè)備中對(duì)相關(guān)技術(shù)模塊封裝性較強(qiáng)，往往不需要學(xué)生對(duì)其知識(shí)結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)更好的掌握，這將影響學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時(shí)，伴隨實(shí)驗(yàn)平臺(tái)種類、廠商的豐富和增加，更多原來需要由學(xué)生設(shè)計(jì)和完成的部分都由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的某些模塊所替代，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以忽略更多知識(shí)細(xì)節(jié)，轉(zhuǎn)而只要參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)無思維的去模仿即可完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而其中的技術(shù)原理和工作重點(diǎn)學(xué)生根本不用理會(huì)，這種狀態(tài)不但降低實(shí)驗(yàn)難度和意義，而且使學(xué)生在整個(gè)知識(shí)體系的理解和掌握中層次粗糙膚淺，對(duì)于個(gè)中原理和應(yīng)用擴(kuò)展能力方面理解和掌握比較差，無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)

1）規(guī)范網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，完善Linux內(nèi)核定制實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂狀態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目提高實(shí)驗(yàn)室的管理水平和教師的教學(xué)水平及科研能力，培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)，教學(xué)和科研雙過硬的師資隊(duì)伍；同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革解決當(dāng)前學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)困擾問題，通過分層實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生對(duì)Linux內(nèi)核定制課程的認(rèn)知度和興趣，并鼓勵(lì)有能力學(xué)生完成高層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)而參與到科研項(xiàng)目研發(fā)中。

2）通過深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，創(chuàng)新管理運(yùn)行機(jī)制[5]，實(shí)現(xiàn)新時(shí)期符合當(dāng)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，具備高素質(zhì)和實(shí)踐應(yīng)用能力的教學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè)，滿足新時(shí)期實(shí)施素質(zhì)教育和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的教學(xué)改革，探討出適合于本專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)體系等。

3）編寫適合本校Linux內(nèi)核定制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、教材、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。

4）依托物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過承擔(dān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、科研項(xiàng)目，鍛煉教師、學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

3 改革內(nèi)容及實(shí)施方案

本科教學(xué)階段，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用教學(xué)主要是掌握基本物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，Linux內(nèi)核定制課程改革應(yīng)該以“面向工程 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng) 能力培養(yǎng) 全面發(fā)展”的教育理念為指導(dǎo)[6]，充分把學(xué)生轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)主動(dòng)體，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，溝通、協(xié)作和組織能力，進(jìn)而在學(xué)習(xí)能力提升、動(dòng)手能力加強(qiáng)、優(yōu)秀競(jìng)賽作品增加、就業(yè)能力提高等多方面達(dá)到積極促進(jìn)的作用。

3.1 改革內(nèi)容

Linux內(nèi)核定制課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置過程中，首先需要對(duì)授課計(jì)劃合理安排，理論教學(xué)相對(duì)實(shí)驗(yàn)要具備一定前瞻性，然后根據(jù)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中的狀態(tài)，知識(shí)掌握層次，以及動(dòng)手能力等多方面因素合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并注重實(shí)驗(yàn)的分類，注重各類型實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性）的比例，內(nèi)容梯度具有一定關(guān)聯(lián)性。另外，由于受到課程學(xué)時(shí)數(shù)限制，以及不同學(xué)生的基礎(chǔ)情況，可將實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)為三個(gè)層次[7]：

1）初級(jí)入門型實(shí)驗(yàn)

這部分屬于引導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，需要在教師指導(dǎo)下進(jìn)行，旨在使學(xué)生了解開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程，掌握實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具的使用方法，并且熟悉軟件編程環(huán)境，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要讀懂源程序和掌握程序運(yùn)行過程，并要求學(xué)生能夠進(jìn)行修改、組合和補(bǔ)充式的應(yīng)用編程。

2）進(jìn)階提高型實(shí)驗(yàn)

這部分實(shí)驗(yàn)安排從Linux系統(tǒng)的移植到應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)開發(fā)，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生了解基于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)開發(fā)的全過程，實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，主要訓(xùn)練學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

3）綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)

這部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是提供給基礎(chǔ)較好、自學(xué)能力強(qiáng)的學(xué)生深入學(xué)習(xí)的，這類學(xué)生希望能夠?qū)inux系統(tǒng)理論更深入的掌握，并具備主觀意愿參與到具備實(shí)踐性質(zhì)的綜合課題設(shè)計(jì)中。

3.2 實(shí)施方案

1）制定課程建設(shè)方案

首先，分析Linux內(nèi)核定制課程知識(shí)與技術(shù)點(diǎn)，細(xì)分相關(guān)課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)；其次，實(shí)施規(guī)范的課程教研活動(dòng)，定期召開骨干教師的研討會(huì)議，通過相互交流和溝通分解各章節(jié)所需掌握基本知識(shí)點(diǎn)與關(guān)聯(lián)性，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)形成課程內(nèi)容分析表。根據(jù)知識(shí)點(diǎn)掌握程度，參照知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度分析表，制定課程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，并予以實(shí)施。

2）增加多種實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與方式

首先，設(shè)置開放實(shí)驗(yàn)室。目前學(xué)院具有物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備40余套，且配套設(shè)施較為完備，滿足平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的同時(shí)，可以設(shè)置開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高教學(xué)設(shè)施的利用率，增加學(xué)生深層次接觸相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生動(dòng)手與主動(dòng)創(chuàng)新能力，作為理論教學(xué)的有效補(bǔ)充。根據(jù)自愿報(bào)名和教師認(rèn)定雙向選擇方式接收自學(xué)和動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)入教師科研課題中，根據(jù)具體情況給予學(xué)生學(xué)分或物質(zhì)鼓勵(lì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

其次，經(jīng)過“雙選”方式引導(dǎo)學(xué)生參與學(xué)校、公司、協(xié)會(huì)的各類競(jìng)賽項(xiàng)目。如全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽、“挑戰(zhàn)杯”科技競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、Google中國(guó)程序設(shè)計(jì)大賽等。例如，2008年至2014年的7年間，我院學(xué)生已經(jīng)取得國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)6項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)10項(xiàng)，校級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)10余項(xiàng)的優(yōu)異成績(jī)，并對(duì)參賽學(xué)生給與一定獎(jiǎng)勵(lì)，這在學(xué)生中形成一種風(fēng)氣與氛圍，有助提高學(xué)生自主性。學(xué)生團(tuán)隊(duì)完成包括“需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)測(cè)試和系統(tǒng)發(fā)布”等一般物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且提交最終產(chǎn)品報(bào)告，這些也讓學(xué)生通過實(shí)踐體會(huì)到物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和科研設(shè)計(jì)實(shí)施的一般流程，為其今后的工作和科研打下了良好的基礎(chǔ)。

第三，組建嵌入式協(xié)會(huì)，成員以參賽隊(duì)員為主體，并保持吸納和指導(dǎo)新成員這種建設(shè)方式，利用課余時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室開展科研創(chuàng)新活動(dòng)，這樣既可以提升學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，增加學(xué)習(xí)興趣，又可以為各類競(jìng)賽培養(yǎng)參賽成員，為取得優(yōu)異成績(jī)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

第四，在新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念中，采取一系列的措施來保證其開放性，不斷充實(shí)和更新教學(xué)內(nèi)容，以長(zhǎng)期保持課程的生命力和發(fā)展活力[2]，始終和業(yè)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展前沿和趨勢(shì)保持一致。例如，Linux教學(xué)部分由于得到甲骨文公司的大力支持，可以把最新技術(shù)和方案融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。另外，教師也把在物聯(lián)網(wǎng)科研項(xiàng)目上的一些知識(shí)積累有機(jī)地融入課程當(dāng)中，這些都使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容能夠和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的新方向和新趨勢(shì)緊密聯(lián)系，也長(zhǎng)期保持了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的鮮活生命力和可持續(xù)發(fā)展性。

3）改革考核方式

Linux內(nèi)核定制課程是一門面向應(yīng)用的理論基礎(chǔ)課程，對(duì)基礎(chǔ)理論和實(shí)踐能力要求較高，學(xué)生需要通過課堂的理論學(xué)習(xí)理解和掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理，課后通過多種渠道查找相關(guān)資料及應(yīng)用案例實(shí)現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)。所以，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不僅要關(guān)心實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，更要將對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)和考核貫穿于整個(gè)教學(xué)體系，使學(xué)生始終保持對(duì)課程的興趣和重視。在期末考核過程中，安排一次綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，項(xiàng)目要求能夠體現(xiàn)整體課程教學(xué)內(nèi)容，主次分明，具備可擴(kuò)展性，允許成績(jī)優(yōu)異學(xué)生技術(shù)擴(kuò)展，根據(jù)完成情況打分。

4 教學(xué)改革效果

1）完善了Linux內(nèi)核定制課程理論與實(shí)踐教學(xué)銜接。通過理論學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)知識(shí)融會(huì)貫通、信息處理和Linux系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)充分了解，具有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理念和基本的組網(wǎng)設(shè)計(jì)能力[8]。但在應(yīng)用過程中，還要將理論內(nèi)容付諸于實(shí)踐，學(xué)生需要理論聯(lián)系實(shí)際，靈活運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革極大加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

2）授課內(nèi)容豐富化，引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)分層結(jié)構(gòu)，在保證學(xué)生掌握基礎(chǔ)能力同時(shí)，引導(dǎo)部分學(xué)生具備高層次研發(fā)能力。

3）授課形式多樣化，理論聯(lián)系實(shí)際，編寫符合自身需求的實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)教材，保障了實(shí)驗(yàn)效果與質(zhì)量。教師在選擇、使用教學(xué)方法時(shí)應(yīng)具有整體化、最優(yōu)化的意識(shí)，注意多種教學(xué)法之間的有機(jī)配合，充分發(fā)揮教學(xué)方法體系的整體功能[9]。因地制宜、博采眾長(zhǎng)的教學(xué)方法運(yùn)用有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的各種感官積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)習(xí)積極性。

5 結(jié)束語(yǔ)

Linux內(nèi)核定制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不僅豐富課程體系，使得教學(xué)能夠跟上科技發(fā)展步伐，體現(xiàn)高校以社會(huì)需求為出發(fā)點(diǎn)來培養(yǎng)人才的宗旨，而且有助于推動(dòng)教師科研水平提高，有助于推動(dòng)學(xué)生積極參與創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練活動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力，培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的創(chuàng)新型實(shí)踐型卓越人才[10]。

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