物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)《操作系統(tǒng)》課程教學改革探索

何軼，龍陳鋒

（湖南農(nóng)業(yè)大學信息科學技術學院，長沙 410128）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是一個近幾年興起的熱門專業(yè)，很多高校從2014年開始招收第一批物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉獵比較廣泛，需要學習硬件、軟件、網(wǎng)絡等多方面的課程，但是有些傳統(tǒng)課程的開設按照以往的教學方法并不適合于該專業(yè)學生的學習，主要體現(xiàn)在課程之間缺乏關聯(lián)性，課程大綱大多照搬計算機科學與技術專業(yè)對應課程，與新專業(yè)相脫節(jié)。

1 課程教學中存在的問題

《操作系統(tǒng)》是計算機學科的核心專業(yè)課程[1]。《操作系統(tǒng)》中知識的學習兼具理論理解與實踐運用，也是進一步學習其他課程的基礎，在計算機專業(yè)教學中占有舉足輕重的地位。由于操作系統(tǒng)的概念抽象，涉及的代碼量大且難理解；學生的編程經(jīng)驗不足，增加了教學難度。

目前，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)《操作系統(tǒng)》課程的主要內(nèi)容與計算機科學與技術等專業(yè)所學內(nèi)容基本相同，主要為Windows系統(tǒng)的存儲管理、系統(tǒng)調(diào)度等。實驗課程中通過編程實現(xiàn)對Windows調(diào)度算法、存儲管理等算法進行模擬實現(xiàn)。基于操作系統(tǒng)的應用已經(jīng)不再局限于PC，各種物聯(lián)網(wǎng)設備和嵌入式系統(tǒng)中都需要操作系統(tǒng)來進行控制，許多復雜嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都是基于小型的嵌入式操作系統(tǒng)，但是學生對此了解不多，無法動手。因此，僅僅了解傳統(tǒng)教學大綱中關于Windows的系統(tǒng)調(diào)度以及系統(tǒng)管理知識已經(jīng)不能滿足當前的需要。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生需要更多了解其他物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)的知識，由于嵌入式系統(tǒng)等課程往往開設在《操作系統(tǒng)》課程之后，所以在《操作系統(tǒng)》課程的教學中應該改變以往的方式，更多地融入其他系統(tǒng)的介紹，為以后的其他專業(yè)課程學習做好準備[2]。

2 改革方案研究

針對目前存在的問題，在湖南農(nóng)業(yè)大學信息科學技術學院2016級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的《操作系統(tǒng)》課程教學中采取了如下改革措施。

2.1 按需調(diào)整課程教學內(nèi)容

目前，移動云計算、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和新技術的應用都離不開操作系統(tǒng)。學生日常生活中使用的智能設備增多，不再局限于普通PC的使用。因此，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)《操作系統(tǒng)》課程教學中，對原有基本調(diào)度算法等理論的講解之外應加入更多實時系統(tǒng)的介紹。讓學生能夠在學習該課程的同時與其他課程融會貫通。

鑒于很多嵌入式操作系統(tǒng)系統(tǒng)都是基于Linux為內(nèi)核，大多是對Linux進行了部分功能的刪減。所以要想讓《操作系統(tǒng)》課程教學與后續(xù)教學能夠較好地融合，需要加強對Linux中各種系統(tǒng)調(diào)度、任務分配和存儲管理等內(nèi)容的了解。因此，在原來的內(nèi)容上增加了關于Linux系統(tǒng)的相關操作演示與實驗，如表1所示，并在我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)2016級中進行了實施。

表1 課程相關擴展和實驗課內(nèi)容

通過以上實驗，學生掌握Windows中內(nèi)存管理、進程管理、文件系統(tǒng)等基本理論的基礎上，同時掌握了Linux系統(tǒng)中具體的調(diào)度管理的命令和過程，即加深了對課本知識的理解，也為后續(xù)課程的學習打好了基礎。

2.2 深入挖掘物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)涵

作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生，首先應該熟悉物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的新特征，這些特征能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的其他層次緊密關系、方便數(shù)據(jù)共享，同時反映了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)安全的各種因素。本文選取10個有代表性的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)[1]，對各自的主要特征進行了總結（如表2所示），并對其重要特征進行了提煉歸納，得到了5個重要特征，同時對物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)的主要特征進行了比較，如表3所示。

（1）可移植性。因為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)移植性更高，對操作系統(tǒng)內(nèi)核與驅動的可分離性要求也更高，各個物聯(lián)網(wǎng)設備異構性較大。為了滿足不同的設備會有不同的固件與驅動程序的要求，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)提高了操作系統(tǒng)內(nèi)核的適用性和可移植性[1]。

（2）可定制性。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)需要對系統(tǒng)功能精確定位，合理使用硬件資源，因此其可裁剪性和配置性的要求比傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)要求更高。對于硬件配置多種樣式的物聯(lián)網(wǎng)終端，有小到幾千字節(jié)內(nèi)存的微型嵌入式應用，也有高達幾十兆字節(jié)內(nèi)存的復雜應用領域。所以對于同一個操作系統(tǒng)，通過裁剪或動態(tài)配置，既需要適應低端的需求，又需要具備滿足高端復雜的需求的能力。

表2 10個常用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)特性

（3）協(xié)同互用性。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)之間通信協(xié)調(diào)的要求更好，且需求還會持續(xù)上升。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下各種設備之間相互協(xié)同工作的任務會越來越多，而大多獨立完成某個單一的任務的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)將不能勝任未來的工作要求。

（4）自動與智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)應用技術發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設備需要人為干預的操作更少，而自動化與智能化的操作越來越多，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)比傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)更加智能[5]。

（5）安全可信性。物聯(lián)網(wǎng)設備需要連接網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳送，隨著物聯(lián)網(wǎng)設備在工業(yè)與生活中的普及，網(wǎng)絡攻擊的威脅將會是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)設備存儲和使用的數(shù)據(jù)將更加敏感和重要。這些系統(tǒng)被控制后將對個人、企業(yè)和社會造成嚴重的影響。而傳統(tǒng)工業(yè)設備的嵌入式操作系統(tǒng)處于封閉環(huán)境中，傳統(tǒng)的嵌入式設備與用戶的關聯(lián)不緊密。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)設備的安全和可信性提出了更高的要求。

表3 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)特征比較

學生通過熟練使用這些物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，才能達到物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學需求，為以后更深入的學習做好準備。

2.3 不斷加強實踐能力培養(yǎng)

引入小型項目的實踐教學到課程教學中。我們采用了在具有RTOS的STM32Cube上來開發(fā)應用。在STM32Cube固件中，通過ARM提供的通用CMSIS-OS封裝層，將FreeRTOS用作實時操作系統(tǒng)。使用FreeR?TOS的樣例和應用可直接移植到其他任何RTOS而不需要修改高層API，在此情況下僅需更改CMSIS-OS封裝。

FreeRTOS是RTOS的一種，尺寸非常小，可運行于微控制器上，但其使用并不限于微控制器應用。Fre?eRTOS內(nèi)核只有3個.c文件，全部圍繞任務調(diào)度，沒有任何其他干擾，便于理解學習，而且根本不需要其他繁多的功能，只需要任務調(diào)度。FreeRTOS免費開源更易于教師和學生掌握其內(nèi)涵及其源碼，方便教學。

因為學生還未學習嵌入式系統(tǒng)和STM32課程，所以我們實驗演示的目的只在于了解FreeRTOS的運行機制。因此我們直接通過API函數(shù)的調(diào)用來介紹，例如：

osSemaphoreDef(SEM);/*定義信號量*/

osSemaphoreId osSemaphore=osSemaphoreCreate(osSemaphore(SEM),1);/*創(chuàng)建信號量*/

osMutexDef(osMutex);/*定義互斥量*/

osMutexId osMutex=osMutexCreate(osMutex(osMutex));/*創(chuàng)建互斥量*/

osMessageQDef(osqueue,Queue_Size,uint16_t);/*定義隊列，Queue_Size占2個字節(jié)*/

osMessageQId osQueue=osMessageCreate(osMessageQ(os?queue),NULL);/*創(chuàng)建隊列*/

通過這些函數(shù)調(diào)用，結合任務刪除函數(shù)vTaskDe?lete(xTaskHandle pxTask)、創(chuàng)建函數(shù) xTaskCreate(…)等，將教材中所學到的生產(chǎn)者算法、內(nèi)存調(diào)度算法能編程實現(xiàn)。

3 實踐效果

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的《操作系統(tǒng)》教學改革通過實踐后，在2016級學生中取得了如下效果：

一是擴充了學生知識面。通過課程教學，學生熟悉了更多的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)及其內(nèi)涵，而不再局限于Windows。通過對FreeRTOS系統(tǒng)調(diào)度函數(shù)的演示，并將其與教材中相關算法進行結合，學生更深入的掌握了教材中的算法，也能看到程序具體運行的效果。

二是提升了教學效果。根據(jù)課程考試成績統(tǒng)計，采用新的教學內(nèi)容后，2016級學生成績提高比較明顯，優(yōu)秀率明顯提升，同時不及格率有所下降，如表4所示。

表4 課程教學效果比較

三是強化了專業(yè)學習興趣。在2016級《操作系統(tǒng)》教學中穿插了Linux對應的命令與系統(tǒng)調(diào)度方式教學后，學生學習興趣明顯提高，實驗課動手機會增多。促進了學生有目的進入創(chuàng)新實驗室參與項目開發(fā)，在“一周一匯報”基礎上，選擇優(yōu)秀的同學組成創(chuàng)新團隊參與全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，讓優(yōu)秀成績激發(fā)更多同學參與項目開發(fā)、撰寫開發(fā)日記；同時安排同學及時總結自己創(chuàng)新成果，將它們轉化為論文與專利發(fā)表，在推免試研究生的資格上具有更大優(yōu)勢。表5是本專業(yè)2015級到2017級申請項目和軟件著作權、參與創(chuàng)新比賽等情況。

表5 2015-2018年本專業(yè)2015-2017級學生成果比較

課程教學的改革說明這種教學的改革讓學生學習興趣提高很多，參與創(chuàng)新實驗室與比賽的學生人數(shù)也越來越多，取得的成果也越來越明顯。目前已形成了非常好的創(chuàng)新實驗室風氣，組成了穩(wěn)定的“教師+研究生+本科生”的優(yōu)秀團隊，并形成高年級帶低年級的良好風氣，當前學生在項目開發(fā)方面的進展非常不錯，能較好處理團隊成員的合作與分工，對項目功能擴展，能提出比較合理的建議與設想。