“創客”理念在《Linux操作系統》課程中的應用

申海杰　陳曉范　田新志　邊倩　王振鐸

摘要：《Linux操作系統》是西安思源學院網絡工程專業的專業方向課，本課程結合項目驅動進行案例式教學，整個教學過程突出以學生為中心的思想，并建立了“思政+知識+能力”的科學、客觀、公正的基于過程化管理的教學效果評價體系。實現了創新與實踐的有機結合，提高了學生主動實踐、終身學習的能力。該文主要介紹了基于項目式教學的創客教育理念在該課程改革中的應用。

關鍵詞：創客;Linux;課程

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）06-0146-03

1研究現狀

1.1“創客”理念

“創客”來源于英語中的“Maker”[1]。現在， 創客運動不僅在技術上、制造業上和商業上體現出變革力量， 而且對教育帶來了不可估量的變革作用。人們紛紛開始探索創客運動對教育領域的巨大作用 [2]。

“創客”理念與“實踐教學”的思想是契合一致的，而且可以結合到學生創新創業能力的培養中[3]。“創客”理念主要包括“體驗教育”“項目教學”“創新教育”“DIY”等，將其融入課程教學中可以提高學生解決問題的能力，和提升學生的綜合素養。

1.2 Linux系統

Linux操作系統誕生于1991年10月5日，創始人是芬蘭赫爾辛基大學計算機專業大三的學生Linus Benedict Torvalds，它是一個基于UNIX的一個新的操作系統[4]。Linux操作系統的源代碼開放，全世界所有的編程愛好者都可以通過Internet免費獲取進行研究[5]。Linux的另外一個特點就是可裁剪，在保障穩定運行的同時可以裁剪的非常小巧，所以在嵌入式領域中Linux操作系統的應用非常廣泛。目前，《Linux操作系統》課程也是很多工科院校計算機相關專業的重要專業課。為適應社會發展及學生就業的需要，西安思源學院電子信息工程學院網絡工程專業 （物聯網方向） 針對物聯網人才能力需求特點，將《Linux操作系統》課程安排為本專業必修專業課。

2 研究內容

隨著國家對大學生創新創業能力培養的重視，如何培養學生的創新創業能力成了很多高校的研究目標。而5G通信、物聯網、大數據、人工智能的發展也對傳統教學方式提出了新的挑戰。如何結合新技術提升學生的創新創業能力已經成為值得我們深入研究的全新課題[2]。

本文的研究目標是將“創客”理念融入《Linux操作系統》課程的教學過程中。研究《Linux操作系統》課程教學的文章有很多，有關創客教育的研究也很多， 不過國內尚未見“創客”理念在《Linux操作系統》課程教學中的應用的文章。但是“創客”理念與Linux操作系統緊密相關， 由于Linux本身是開源軟件，很多創客產品都是基于Linux操作系統實現的。所以，研究“創客”理念在《Linux操作系統》課程教學中的應用具有切實的應用前景[6]。

3 研究思路

首先，“創客”理念強調的DIY能力和課程目標中的學生動手能力的培養是一致的;其次，“創客”理念中的以學生為中心和“OBE”理念中的以學生為中心培養學生自主學習能力也是一致的;然后，“創客”理念強調的通過實踐來學習也和創新教育理念中的“從實踐中來到實踐中去”不謀而合;最后，“創客”項目驅動的學習方式也和OBE教育的理念中的成果導向不謀而合。通過將“創客”理念融入《Linux操作系統》課程的教學中可以培養學生的動手能力、自主學習能力和創新創業能力[7]。

4 “創客”理念在《Linux操作系統》課程中的應用

本節介紹“創客”理念結合《Linux操作系統》課程進行項目式教學的具體應用情況。

我校網絡工程專業《Linux操作系統》課程考核形式為完成“基于Linux的人臉識別考勤系統”的項目式大作業。通過該項目作業最終使學生能夠了解項目開發基本流程， 并且掌握設計的Linux常用命令、Linux下常用的軟件安裝方法、Linux腳本程序的編寫、計算機網絡通信等課程相關知識。

4.1 項目名稱

基于Linux的人臉識別考勤系統。

4.2 需求分析

“基于Linux的人臉識別考勤系統”的一大功能就是實現刷臉考勤，與傳統紙質簽到、口頭點名、手動刷卡不同，該系統利用開源代碼基于Linux平臺實現，無須專門硬件設備，通過攝像頭抓拍上課學生的人臉信息，和后臺云端事先錄入學生的人臉進行對比，最終實現人臉識別考勤。由于AI技術的發展已非常成熟，相對傳統方式考勤該系統可以縮短考勤時間提升考勤效率，還可以避免傳統考勤方式互相代簽的現象，使教學管理更加高效準確。

4.3項目設計

本系統后臺使用開源平項目Home Assistant，將筆記本電腦自帶的攝像頭連接虛擬機中的Linux虛擬機，通過MJPEG-streamer 將采集圖像發布為Web方式，再通過Web攝像頭方式接入 Home Assistant，使用Python程序進行人臉識別，識別后使用自動化處理，TTS語音播報學生姓名，并微信推送到教師手機。“基于Linux的人臉識別考勤系統”實現了學生上課考勤的自動化，通過使用人臉識別考勤改進了傳統考勤系統統計的準確性，還可以避免傳統考勤普遍存在的作弊現象，結合腳本程序將考勤結果保存為報表則為課堂出勤統計提供了依據。最大的優勢是本系統無須購置專門的考勤機設備，基本上實現了零成本考勤。總體方案原理如圖1所示。

4.4 項目具體實施

學生依據前面項目分析、項目設計階段生成的系統框架方案圖， 結合學習過的“Linux操作系統”課程知識， 結合GitHub平臺的開源代碼完成系統各個功能模塊的實現，最終完成整個系統。

HomeAssistant是基于Python語言開發的一款可用于智慧空間構建的神器。基于HomeAssistant，可以方便地連接各種外部設備（智能設備、攝像頭、郵件、短消息、云服務等，成熟的可連接組件有近千種），手動或按照自己的需求自動化地聯動這些外部設備，構建隨心所欲的智慧空間。并且HomeAssistant是開源的：它不屬于任何商業公司，用戶可以無償使用。

本項目實施過程中首先搭建HomeAssistant平臺， 然后將功能分解為多個模塊，每次集成一個模塊，模塊設計與模塊集成同步進行，具體集成方式為每次設計新的模塊后即進行本模塊的集成，如集成未通過則進行排錯，直到全部模塊均集成完畢。如圖2所示。

具體模塊包括：

1） mjpg-streamer攝像頭畫面采集模塊

mjpg_streamer的作用是從攝像頭采集圖像，并把畫面以流的形式，通過基于IP的網絡傳輸到瀏覽器端。

a.安裝mjpg-streamer軟件：

安裝成功后，可以通過瀏覽器訪問攝像頭畫面

b.開機自動連接攝像頭：

c.在homeassistant中集成攝像頭：

camera：

- platform： mjpeg

mjpeg_url： http：//127.0.0.1：8080/？action=stream

name： camera

2） 人臉識別模塊

本插件使用GitHub開源代碼，模塊利用python語音實現對接百度AI人臉識別服務并處理返回結果。

a.添加人臉識別插件：

b.在homeassistant中集成人臉識別sensor

sensor：

- platform ：baidu_face

app_id： "*******"

api_key： "*******"

secret_key： "*******"

group_list： "*******"

entity_id： "*******"

access_token： "*******"

3） 語音播報模塊

TTS 是 Text To Speech 的縮寫，即“從文本到語音”。它是同時運用語言學和心理學的杰出之作，在內置芯片的支持之下，通過神經網絡的設計，把文字智能地轉化為自然語音流。本系統刷臉簽到后會使用TTS將“XXX同學已簽到！”文字轉為語音并調用MPD播放器進行本地播報。

a. 配置tts

b. 安裝mpd播放器

c. 在homeassistant中集成mpd播放器和tts

tts：

- platform： baidu

#app_id，api_key，secret_key從百度云上注冊得到

app_id： "**********"

api_key： "**********"

secret_key： "**********"

speed： 5

pitch： 5

volume： 15

person： 0

media_player：

- platform： mpd

host： 127.0.0.1

d. 在homeassistant中定義自動化流程

4） 微信推送模塊

本插件使用GitHub開源代碼，模塊利用python語音實現對接企業微信服務并按照預先配置實現消息定向推送。

a. 在homeassistant中集成企業微信插件

notify：

- platform： Qiyeweichat

name： weixin_sign_in

corpid： **********

agentId： **********

secret： **********

touser： '**********'

b. 在homeassistant中定義自動化流程

4.5 項目測試

項目實施與項目測試同步進行，具體測試方式為每次集成新的模塊后即進行本模塊的運行測試，如運行未通過則進行排錯，直到運行測試通過。全部模塊均集成完畢后對整個系統運行效果進行最終測試。測試運行效果如圖3所示。

4.6 項目完成成果形式及創新性

本項目完成成果形式為學生通過搭建homeassistant平臺并集成各模塊組件最終實現“基于Linux的人臉識別考勤系統”，要求系統能夠實際運行并測試通過。

該項目系統還具有以下創新點：

1）精準的學生考勤

本系統使用人臉識別技術簽到，相對于傳統考勤方式準確度更高、可避免學生間互相代簽行為。

2）功能實現場地要求低

本系統成本低廉，適用多種場景，市場化前景樂觀。

3）安全性

本系統支持活體檢測，可避免學生用照片替人代簽行為。

4）公開透明性

本系統使用TTS技術實現簽到后實時語音播報學生姓名信息功能。

5）微信推送

本系統簽到信息可第一時間通過企業微信功能推送至老師手機。

5 總結

Linux是自由軟件項目的重要組成部分，它目前廣泛地應用于大數據、云計算和人工智能等領域中。本課程結合項目驅動進行案例式教學，整個教學過程突出以學生為中心的思想，并建立了“思政+知識+能力”的科學、客觀、公正的基于過程化管理的教學效果評價體系。實現了創新與實踐的有機結合，提高了學生主動實踐、終身學習的能力。

參考文獻：

[1] 趙廣元，王文慶，蔡秀梅.創客教育視野下“計算機網絡”課程實驗設計[J].現代教育技術，2015，25（9）：116-121.

[2] 章曉敏，慈艷柯，李永平，等.創客理念在《嵌入式操作系統高級編程》課程中的應用[J].價值工程，2017，36（26）：180-182.

[3] 祝智庭，孫妍妍.創客教育：信息技術使能的創新教育實踐場[J].中國電化教育，2015（1）：14-21.

[4] 吳強.翻轉課堂在Linux系統課程教學中的應用[J].紹興文理學院學報（教育版），2018，38（1）：51-54.

[5] 韓麗霞，李昕.Linux操作系統教學改革初探[J].教育教學論壇，2018（35）：117-118.

[6] 于士軍，劉豪睿，朱恒偉.基于OBE的交通運輸專業（車聯網方向）Linux操作系統教學改革[J].電子世界，2019（2）：88，90.

[7] 王克朝，王甜甜，宗明魁，等.面向能力培養的“Linux應用”課程教學改革[J].計算機教育，2013（6）：72-75，79.

【通聯編輯：朱寶貴】