物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程教學(xué)的幾點思考

董躍宇 王曉銳 強振平 胡坤融

[摘 要]大部分院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)極大地繼承了傳統(tǒng)的計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息工程等專業(yè)的課程教學(xué)體系，因而操作系統(tǒng)等重要的專業(yè)基礎(chǔ)課依然定位于傳統(tǒng)的領(lǐng)域和場景，需要做出適應(yīng)性的改變。課題組針對物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的獨特特征、教學(xué)對象的特點、操作系統(tǒng)課程改革的共性問題，從教學(xué)內(nèi)容確定、教學(xué)側(cè)重點的選擇、知識工作自動化等手段的應(yīng)用進(jìn)行了有益的思考和探討，以期對相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革發(fā)揮拋磚引玉的作用。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng);操作系統(tǒng);教學(xué)研究;系統(tǒng)能力培養(yǎng)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）05-0109-03

物聯(lián)網(wǎng)在全世界范圍的蓬勃發(fā)展，促成了互聯(lián)網(wǎng)興起以來的又一次大范圍的技術(shù)革命浪潮。我國政府提出了“感知中國”戰(zhàn)略，將物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展定位到了國家戰(zhàn)略的高度。國內(nèi)廣大大專院校爭相開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。從專業(yè)建設(shè)的歷史沿革來看，新建的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)大多脫胎于或依托于原有的計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信工程等專業(yè)。從課程體系的設(shè)置，以及物聯(lián)網(wǎng)知識體系的內(nèi)涵外延來看，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的課程體系與這些傳統(tǒng)專業(yè)的課程體系存在繼承性和相似性。操作系統(tǒng)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展的一個全新階段和方向，對原有的技術(shù)體系存在繼承關(guān)系，同時也有集成創(chuàng)新等新的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的新需求促使我們對操作系統(tǒng)課程的教學(xué)展開新的思考。

一、物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的獨特特征

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展受制于“碎片化的物聯(lián)網(wǎng)”的狀態(tài)，進(jìn)一步的發(fā)展迫切需要提供統(tǒng)一的底層技術(shù)平臺，于是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)運而生。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的基本特征是高度模塊化、可裁剪的實時操作系統(tǒng)，可靠性，安全性是其重要的指標(biāo)。通信能力，尤其是借助不同類型通信技術(shù)進(jìn)行通信的能力是典型的I/O操作。一些廠商提出的概念和實現(xiàn)還包含了云計算的特征，對某些廠商的云服務(wù)提供支持。這是一個值得注意的方向。后PC時代之后的移動互聯(lián)網(wǎng)時代，整個體系相較之前扁平化了許多，前端的小設(shè)備通過高速網(wǎng)絡(luò)直接連接后端的云平臺。

（一）實時系統(tǒng)

傳感器或執(zhí)行器需要及時的反應(yīng)和操作。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)該是實時系統(tǒng)，這是業(yè)界的共識。實時性除了強調(diào)及時之外，更加強調(diào)的是確定的時序關(guān)系。以PC為代表的通用計算機，與物聯(lián)網(wǎng)的硬件平臺差異較大。以UNIX為代表的以分時為核心的多用戶系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)對于實時系統(tǒng)的需求差異明顯，對于實時系統(tǒng)的介紹需要加強。強調(diào)實時性即及時性，更需要明確對確定的時序關(guān)系的要求。

（二）內(nèi)核結(jié)構(gòu)

硬件平臺的差異性、系統(tǒng)資源的受限性，是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)所面對的硬件平臺的典型特征。這對操作系統(tǒng)軟件的平臺移植性能、運行資源需求、能量消耗與管理提出了更加苛刻的要求。與通用計算系統(tǒng)直接面向用戶進(jìn)行交互不同，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的交互主要在設(shè)備與設(shè)備之間。對物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)而言，高度模塊化和可裁剪的內(nèi)核結(jié)構(gòu)是必需的。

（三）I/O管理

傳統(tǒng)操作系統(tǒng)課程對于I/O系統(tǒng)的基本認(rèn)識可概括為“類型多數(shù)量多”。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的I/O相對較為簡單，類型主要是傳感器、執(zhí)行器、通信接口等幾類。就數(shù)量而言，受制于能源等受限因素，也是較為有限的。操作系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)軟件和硬件平臺的關(guān)系是極為緊密的，面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的差異較為明顯的I/O系統(tǒng)，操作系統(tǒng)課程中對于I/O管理的描述需要更加有的放矢。

（四）關(guān)于云平臺

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的碎片化問題相當(dāng)突出，到今日為止，即使是主流的大公司的產(chǎn)品，如風(fēng)河、ARM、Google、微軟，也都只能運行在特定的硬件上。孤立的嵌入式設(shè)備在如今的應(yīng)用體系中價值大打折扣，或者說體系的大環(huán)境的變革將要求或者推動傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)變革為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

二、本科高年級的教學(xué)特點

操作系統(tǒng)課程通常在本科二年級以后的本科高段開設(shè)。本科高年級學(xué)生在完成了低年級公共基礎(chǔ)課和部分專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)之后，對于專業(yè)理論體系的學(xué)習(xí)已逐漸入門，迫切希望了解本專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，因此在教學(xué)過程中應(yīng)該更加注意內(nèi)容的應(yīng)用性和專業(yè)性。同時，本科高年級學(xué)生也是研究生教育的儲備人才，在教學(xué)過程中要適時地進(jìn)行科研引導(dǎo)，這樣能夠讓畢業(yè)生保持對科學(xué)的興趣，從而為研究生階段的深造打下基礎(chǔ)。四年級的本科生開始著手畢業(yè)設(shè)計，要注意教學(xué)與畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容相結(jié)合，這樣可以讓學(xué)生提前做好準(zhǔn)備，選擇適合自己的方向。

三、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程自身的特點

現(xiàn)有的操作系統(tǒng)教學(xué)一方面存在內(nèi)容陳舊保守、過于注重形式、教條主義、理論與實踐脫節(jié)嚴(yán)重等傳統(tǒng)問題，同時還面臨著新專業(yè)、新方向的需求與現(xiàn)有的教學(xué)之間存在差距的新挑戰(zhàn)。迫于各種客觀條件，任課教師往往不能對授課內(nèi)容添加最新的研究進(jìn)展，只是依據(jù)教材照本宣科地教授傳統(tǒng)內(nèi)容，使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下。片面地強調(diào)優(yōu)秀教材，忽視了各學(xué)校自身的實際，使教師和學(xué)生都很吃力，教學(xué)效果不理想。缺乏合理的實踐環(huán)節(jié)設(shè)計，會使教學(xué)雙方都陷在“理論性強”的抱怨中裹足不前。對于新開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等專業(yè)方向，目前教學(xué)中講授的內(nèi)容，并沒有與專業(yè)銜接，更沒有反映這些專業(yè)方向視角中所觀察到的“系統(tǒng)”的實際面貌。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)教學(xué)，對于實時操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)的關(guān)注不夠充分。

強調(diào)計算機系統(tǒng)能力，培養(yǎng)學(xué)生具備系統(tǒng)觀的操作系統(tǒng)教學(xué)，是教師們對操作系統(tǒng)課程教學(xué)改革的基本共識。而這一共識的落實，則需要依據(jù)不同專業(yè)、不同層次學(xué)生所要求的“系統(tǒng)”的實際定位來確定教學(xué)內(nèi)容，來針對性地設(shè)計實踐環(huán)節(jié)。操作系統(tǒng)課程實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計，大致分為兩種情況：一種是在特定的軟硬件環(huán)境中，進(jìn)行操作系統(tǒng)開發(fā)、實現(xiàn)的實踐;一種則是以模擬的方式，提供操作系統(tǒng)基本概念、原理的感性體驗。第一種方式對于科研基礎(chǔ)、教學(xué)條件、師資、學(xué)生素質(zhì)都有較高的要求，大部分應(yīng)用型本科院校普遍采用的是第二種方式。傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容往往過于拘泥于經(jīng)典教材的同步模擬，模擬的內(nèi)容是孤立的，與實際操作系統(tǒng)是脫節(jié)的，這進(jìn)一步加劇了“理論性強”的抱怨。

四、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程教學(xué)的幾點思考

（一）只介紹物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是個偽命題

在本科教學(xué)計劃學(xué)時不斷縮減的大背景下，壓縮課程門數(shù)、壓縮課程學(xué)時數(shù)是如今大量課程都面臨的巨大壓力。很多教師提出刪減教學(xué)內(nèi)容的對策，于是一些教師很自然地考慮只介紹物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。筆者認(rèn)為，所謂的只介紹物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是個偽命題。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，依然只是操作系統(tǒng)的一種類型，并沒有脫離或改變操作系統(tǒng)的基本原理。拋棄操作系統(tǒng)基本原理而只介紹物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，是根本行不通的。再者，即使如預(yù)言的那樣出現(xiàn)一個徹底扭轉(zhuǎn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作系統(tǒng)領(lǐng)域嚴(yán)重碎片化局面的統(tǒng)一平臺，也無法覆蓋整個物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用的大體系，操作系統(tǒng)的共性基礎(chǔ)原理依然是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

（二）現(xiàn)有教學(xué)需要做出改變

1.實時操作系統(tǒng)的相關(guān)知識需要加強

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)該是實時系統(tǒng)，這一點上業(yè)界已經(jīng)取得共識。傳感器或執(zhí)行器需要及時的反應(yīng)和操作。實時性除了強調(diào)及時之外，更加強調(diào)的是對確定的時序關(guān)系的保證?，F(xiàn)有的操作系統(tǒng)課程把以UNIX為代表的以分時為核心的多用戶系統(tǒng)作為主要的介紹對象，對于實時系統(tǒng)的介紹與物聯(lián)網(wǎng)的需求差距較大，基本上限于基本概念的介紹，強調(diào)的是實時性即及時性，確定的時序關(guān)系甚至都沒有明確提出。

2.需要將嵌入式系統(tǒng)的概念結(jié)合進(jìn)來

嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物聯(lián)的關(guān)鍵一環(huán)，是基于微處理器發(fā)展起來的，是與以PC為代表的通用計算機平行發(fā)展的另一個大的應(yīng)用系統(tǒng)分支。技術(shù)進(jìn)步發(fā)展到物聯(lián)網(wǎng)這一階段后，通用計算系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)兩大分支融合到了一起。而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)課程主要介紹的是以PC為代表的通用計算系統(tǒng)上的內(nèi)容，面向物聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)課程必須將嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念結(jié)合進(jìn)來，并給予足夠的重視。

3.操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)值得重點關(guān)注

多種硬件平臺的差異性、系統(tǒng)資源的受限性，是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)所面對的硬件平臺的典型特征。這對于操作系統(tǒng)軟件的平臺移植性能、運行資源需求、能量消耗與管理提出了更加苛刻的要求。與通用計算系統(tǒng)多直接面向用戶進(jìn)行交互不同，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的交互主要是在設(shè)備與設(shè)備之間進(jìn)行的。

4.對各種數(shù)據(jù)通信能力的需求與支持作為I/O管理的重要內(nèi)容

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的I/O設(shè)備主要包括傳感器、執(zhí)行器、通信設(shè)備幾個大類。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需要支持泛在的通信能力，需要支持不同類型的通信技術(shù)，同時在這些不同的物理和鏈路層接口之上的協(xié)議之間要能夠相互轉(zhuǎn)換——能把從一種協(xié)議獲取到的數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換成為另外一種協(xié)議的報文發(fā)送出去，最后還要能夠遷移到互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中。因此，作為操作系統(tǒng)的重要功能和操作系統(tǒng)課程重要內(nèi)容的I/O管理，應(yīng)該要對數(shù)據(jù)通信能力的需求與支持做重點的說明。

5.可靠性安全性的特定關(guān)注

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用場景決定了其必須高度穩(wěn)定可靠。對于傳感器能否穩(wěn)定可靠地感知，執(zhí)行器能否及時可靠地教人動作，設(shè)備能否長時間可靠工作無須人工干預(yù)，操作系統(tǒng)的作用至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其通信過程是普遍暴露的，設(shè)備本身不可能總是固定布置在安全完全可控的機房等環(huán)境中，普遍采用無線介質(zhì)進(jìn)行通信。安全威脅環(huán)境不同于通用計算系統(tǒng)，安全風(fēng)險更加嚴(yán)峻。

（三）進(jìn)一步加強系統(tǒng)觀

首先是對于系統(tǒng)視野的擴展。以PC為代表的通用計算系統(tǒng)一直以來是操作系統(tǒng)課程講授系統(tǒng)觀的基本平臺，操作系統(tǒng)的基本定位與基本功能的確定來自這一基本平臺。物聯(lián)網(wǎng)將通用計算系統(tǒng)和嵌入式計算系統(tǒng)融合到了一起，系統(tǒng)的概念不光包括通用計算系統(tǒng)還包含嵌入式系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)觀的外延需要擴展，需要將嵌入式系統(tǒng)等包含其中。

其次需要著重于系統(tǒng)觀的內(nèi)涵。在嵌入式系統(tǒng)中，一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計及實現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，另一方面也利于實現(xiàn)系統(tǒng)安全。主要用于實現(xiàn)物聯(lián)功能的嵌入式系統(tǒng)所面對的“用戶”并非通用計算系統(tǒng)中的人，而是物，系統(tǒng)目標(biāo)的定位存在著明顯的區(qū)別。特定的硬件、平臺、需求，需要并造就特定的操作系統(tǒng)。

（四）課程建設(shè)與教學(xué)實施的知識工作自動化問題

所謂知識工作，泛指那些需要專門知識、復(fù)雜分析、細(xì)致判斷及創(chuàng)造性解決問題技巧才能完成的任務(wù)。知識工作自動化通常被認(rèn)為是一種可執(zhí)行知識工作任務(wù)的智能軟件系統(tǒng)。它除了包含傳統(tǒng)的規(guī)則、推理和顯性表達(dá)式之外，也對隱含知識、模式識別、群體經(jīng)驗等進(jìn)行模型化，并借助軟件化的方式，形成可執(zhí)行的知識軟件系統(tǒng)。這將大大解放知識工作者的重復(fù)性勞動。課程建設(shè)與教學(xué)實施是典型的知識工作，探討課程建設(shè)與教學(xué)實施的知識工作自動化問題，是時代的要求，也是信息類專業(yè)的研究內(nèi)容之一。

可采用基于知識圖譜的方法，實現(xiàn)課程內(nèi)容體系的重構(gòu)、課程群與單一綜合課程的融合。首先需要建立課程內(nèi)容的知識圖譜。構(gòu)建知識圖譜的方法可分為兩大類：人工構(gòu)建和自動構(gòu)建。這兩者之間的主要的區(qū)別在于實體和關(guān)系的識別與提取由人工來完成還是由計算機程序自動完成。從技術(shù)成熟程度等方面考慮，完全自動化的方法尚存不少問題亟待解決，因而人工構(gòu)建或人工整理、規(guī)范已有教學(xué)文件，用自動方法輔助構(gòu)建知識圖譜，會是較為可行的路徑。

以雨課堂為代表的混合式教學(xué)工具充分考慮了目前的教學(xué)實際，能夠繼承PPT形式的課件，還能將慕課內(nèi)容作為素材引入課件，有針對性地推送給學(xué)生。從考勤簽到到每個知識點掌握情況的反饋，雨課堂等教學(xué)工具能夠在教學(xué)進(jìn)行的同時形成教學(xué)過程記錄數(shù)據(jù)。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用此類工具能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)習(xí)者從面上的了解到對個體的關(guān)注?；谥R圖譜進(jìn)行查詢推理，可以為不同的學(xué)習(xí)者推送定制的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

五、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)所依賴的軟硬件平臺、應(yīng)用場景具有獨特性?，F(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)操作系統(tǒng)等重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，極大地繼承了傳統(tǒng)的計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息工程等專業(yè)的課程教學(xué)體系。面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的新需求，需要做出適應(yīng)性的改變。我們需要針對物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的獨特特征，講授操作系統(tǒng)基本原理的同時，強化實時、嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)容，基于物聯(lián)網(wǎng)特定的定位貫徹系統(tǒng)觀。我們也應(yīng)結(jié)合教學(xué)對象的特點、操作系統(tǒng)課程改革的共性問題，積極采用混合式教學(xué)等新的信息化手段。我們還可以以知識工作自動化的理念，引入知識圖譜等智能化手段開展課程/專業(yè)建設(shè)，從而有效監(jiān)控教學(xué)過程，保證教學(xué)質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]