何軼，龍陳鋒

（湖南農業(yè)大學信息科學技術學院，長沙 410128）

0 引言

物聯網專業(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網專業(yè)的學生。物聯網專業(yè)涉獵比較廣泛，需要學習硬件、軟件、網絡等多方面的課程，但是有些傳統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，主要體現在課程之間缺乏關聯性，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》是計算機學科的核心專業(yè)課程[1]?！恫僮飨到y》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。由于操作系統的概念抽象，涉及的代碼量大且難理解；學生的編程經驗不足，增加了教學難度。

目前，物聯網專業(yè)《操作系統》課程的主要內容與計算機科學與技術等專業(yè)所學內容基本相同，主要為Windows系統的存儲管理、系統調度等。實驗課程中通過編程實現對Windows調度算法、存儲管理等算法進行模擬實現?；诓僮飨到y的應用已經不再局限于PC，各種物聯網設備和嵌入式系統中都需要操作系統來進行控制，許多復雜嵌入式系統的開發(fā)都是基于小型的嵌入式操作系統，但是學生對此了解不多，無法動手。因此，僅僅了解傳統教學大綱中關于Windows的系統調度以及系統管理知識已經不能滿足當前的需要。物聯網專業(yè)的學生需要更多了解其他物聯網操作系統以及嵌入式系統的知識，由于嵌入式系統等課程往往開設在《操作系統》課程之后，所以在《操作系統》課程的教學中應該改變以往的方式，更多地融入其他系統的介紹，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，在湖南農業(yè)大學信息科學技術學院2016級物聯網專業(yè)的《操作系統》課程教學中采取了如下改革措施。

2.1 按需調整課程教學內容

目前，移動云計算、嵌入式系統、物聯網等新興產業(yè)的發(fā)展和新技術的應用都離不開操作系統。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，在物聯網專業(yè)《操作系統》課程教學中，對原有基本調度算法等理論的講解之外應加入更多實時系統的介紹。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系統都是基于Linux為內核，大多是對Linux進行了部分功能的刪減。所以要想讓《操作系統》課程教學與后續(xù)教學能夠較好地融合，需要加強對Linux中各種系統調度、任務分配和存儲管理等內容的了解。因此，在原來的內容上增加了關于Linux系統的相關操作演示與實驗，如表1所示，并在我院物聯網專業(yè)2016級中進行了實施。

表1 課程相關擴展和實驗課內容

通過以上實驗，學生掌握Windows中內存管理、進程管理、文件系統等基本理論的基礎上，同時掌握了Linux系統中具體的調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 深入挖掘物聯網操作系統內涵

作為物聯網專業(yè)的學生，首先應該熟悉物聯網操作系統的新特征，這些特征能夠體現物聯網操作系統與物聯網的其他層次緊密關系、方便數據共享，同時反映了物聯網操作系統安全的各種因素。本文選取10個有代表性的物聯網操作系統[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，同時對物聯網操作系統和嵌入式操作系統的主要特征進行了比較，如表3所示。

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

（2）可定制性。物聯網操作系統需要對系統功能精確定位，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嵌入式操作系統要求更高。對于硬件配置多種樣式的物聯網終端，有小到幾千字節(jié)內存的微型嵌入式應用，也有高達幾十兆字節(jié)內存的復雜應用領域。所以對于同一個操作系統，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個常用物聯網操作系統特性

（3）協同互用性。物聯網操作系統之間通信協調的要求更好，且需求還會持續(xù)上升。物聯網環(huán)境下各種設備之間相互協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嵌入式系統將不能勝任未來的工作要求。

（4）自動與智能化。隨著物聯網應用技術發(fā)展，物聯網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，物聯網操作系統比傳統的嵌入式操作系統更加智能[5]。

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

表3 物聯網操作系統與傳統嵌入式系統特征比較

學生通過熟練使用這些物聯網操作系統，才能達到物聯網專業(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。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內核只有3個.c文件，全部圍繞任務調度，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，只需要任務調度。FreeRTOS免費開源更易于教師和學生掌握其內涵及其源碼，方便教學。

因為學生還未學習嵌入式系統和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函數的調用來介紹，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*/

通過這些函數調用，結合任務刪除函數vTaskDe?lete(xTaskHandle pxTask)、創(chuàng)建函數 xTaskCreate(…)等，將教材中所學到的生產者算法、內存調度算法能編程實現。

3 實踐效果

物聯網專業(yè)的《操作系統》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網操作系統及其內涵，而不再局限于Windows。通過對FreeRTOS系統調度函數的演示，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。根據課程考試成績統計，采用新的教學內容后，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》教學中穿插了Linux對應的命令與系統調度方式教學后，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。