董躍宇 王曉銳 強振平 胡坤融

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

[關鍵詞]物聯(lián)網;操作系統(tǒng);教學研究;系統(tǒng)能力培養(yǎng)

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

物聯(lián)網在全世界范圍的蓬勃發(fā)展，促成了互聯(lián)網興起以來的又一次大范圍的技術革命浪潮。我國政府提出了“感知中國”戰(zhàn)略，將物聯(lián)網的發(fā)展定位到了國家戰(zhàn)略的高度。國內廣大大專院校爭相開設了物聯(lián)網工程專業(yè)。從專業(yè)建設的歷史沿革來看，新建的物聯(lián)網工程專業(yè)大多脫胎于或依托于原有的計算機科學與技術、網絡通信工程等專業(yè)。從課程體系的設置，以及物聯(lián)網知識體系的內涵外延來看，物聯(lián)網工程專業(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)基礎課。物聯(lián)網是信息技術發(fā)展的一個全新階段和方向，對原有的技術體系存在繼承關系，同時也有集成創(chuàng)新等新的發(fā)展。物聯(lián)網專業(yè)的新需求促使我們對操作系統(tǒng)課程的教學展開新的思考。

一、物聯(lián)網操作系統(tǒng)的獨特特征

物聯(lián)網的發(fā)展受制于“碎片化的物聯(lián)網”的狀態(tài)，進一步的發(fā)展迫切需要提供統(tǒng)一的底層技術平臺，于是物聯(lián)網操作系統(tǒng)應運而生。物聯(lián)網操作系統(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。通信能力，尤其是借助不同類型通信技術進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)網時代，整個體系相較之前扁平化了許多，前端的小設備通過高速網絡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和操作。物聯(lián)網操作系統(tǒng)應該是實時系統(tǒng)，這是業(yè)界的共識。實時性除了強調及時之外，更加強調的是確定的時序關系。以PC為代表的通用計算機，與物聯(lián)網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。強調實時性即及時性，更需要明確對確定的時序關系的要求。

（二）內核結構

硬件平臺的差異性、系統(tǒng)資源的受限性，是物聯(lián)網操作系統(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)直接面向用戶進行交互不同，物聯(lián)網設備的交互主要在設備與設備之間。對物聯(lián)網操作系統(tǒng)而言，高度模塊化和可裁剪的內核結構是必需的。

（三）I/O管理

傳統(tǒng)操作系統(tǒng)課程對于I/O系統(tǒng)的基本認識可概括為“類型多數(shù)量多”。物聯(lián)網設備的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系是極為緊密的，面向物聯(lián)網設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）關于云平臺

物聯(lián)網操作系統(tǒng)的碎片化問題相當突出，到今日為止，即使是主流的大公司的產品，如風河、ARM、Google、微軟，也都只能運行在特定的硬件上。孤立的嵌入式設備在如今的應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)網操作系統(tǒng)。

二、本科高年級的教學特點

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

三、物聯(lián)網工程專業(yè)操作系統(tǒng)課程自身的特點

現(xiàn)有的操作系統(tǒng)教學一方面存在內容陳舊保守、過于注重形式、教條主義、理論與實踐脫節(jié)嚴重等傳統(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容添加最新的研究進展，只是依據(jù)教材照本宣科地教授傳統(tǒng)內容，使學生學習興趣低下。片面地強調優(yōu)秀教材，忽視了各學校自身的實際，使教師和學生都很吃力，教學效果不理想。缺乏合理的實踐環(huán)節(jié)設計，會使教學雙方都陷在“理論性強”的抱怨中裹足不前。對于新開設的物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等專業(yè)方向，目前教學中講授的內容，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，對于實時操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)的關注不夠充分。

強調計算機系統(tǒng)能力，培養(yǎng)學生具備系統(tǒng)觀的操作系統(tǒng)教學，是教師們對操作系統(tǒng)課程教學改革的基本共識。而這一共識的落實，則需要依據(jù)不同專業(yè)、不同層次學生所要求的“系統(tǒng)”的實際定位來確定教學內容，來針對性地設計實踐環(huán)節(jié)。操作系統(tǒng)課程實踐環(huán)節(jié)的設計，大致分為兩種情況：一種是在特定的軟硬件環(huán)境中，進行操作系統(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、教學條件、師資、學生素質都有較高的要求，大部分應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)的內容往往過于拘泥于經典教材的同步模擬，模擬的內容是孤立的，與實際操作系統(tǒng)是脫節(jié)的，這進一步加劇了“理論性強”的抱怨。

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

（一）只介紹物聯(lián)網操作系統(tǒng)是個偽命題

在本科教學計劃學時不斷縮減的大背景下，壓縮課程門數(shù)、壓縮課程學時數(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內容的對策，于是一些教師很自然地考慮只介紹物聯(lián)網操作系統(tǒng)。筆者認為，所謂的只介紹物聯(lián)網操作系統(tǒng)是個偽命題。物聯(lián)網操作系統(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)網操作系統(tǒng)，是根本行不通的。再者，即使如預言的那樣出現(xiàn)一個徹底扭轉物聯(lián)網設備操作系統(tǒng)領域嚴重碎片化局面的統(tǒng)一平臺，也無法覆蓋整個物聯(lián)網工程應用的大體系，操作系統(tǒng)的共性基礎原理依然是學生學習的基礎。

（二）現(xiàn)有教學需要做出改變

1.實時操作系統(tǒng)的相關知識需要加強

物聯(lián)網操作系統(tǒng)應該是實時系統(tǒng)，這一點上業(yè)界已經取得共識。傳感器或執(zhí)行器需要及時的反應和操作。實時性除了強調及時之外，更加強調的是對確定的時序關系的保證?，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)網的需求差距較大，基本上限于基本概念的介紹，強調的是實時性即及時性，確定的時序關系甚至都沒有明確提出。

2.需要將嵌入式系統(tǒng)的概念結合進來

嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網實現(xiàn)物聯(lián)的關鍵一環(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)展的另一個大的應用系統(tǒng)分支。技術進步發(fā)展到物聯(lián)網這一階段后，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)上的內容，面向物聯(lián)網的操作系統(tǒng)課程必須將嵌入式系統(tǒng)的相關概念結合進來，并給予足夠的重視。

3.操作系統(tǒng)的結構值得重點關注

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)多直接面向用戶進行交互不同，物聯(lián)網設備的交互主要是在設備與設備之間進行的。

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

物聯(lián)網系統(tǒng)中的I/O設備主要包括傳感器、執(zhí)行器、通信設備幾個大類。物聯(lián)網操作系統(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，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換——能把從一種協(xié)議獲取到的數(shù)據(jù)報文轉換成為另外一種協(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)課程重要內容的I/O管理，應該要對數(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注

物聯(lián)網設備的應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，設備能否長時間可靠工作無須人工干預，操作系統(tǒng)的作用至關重要。物聯(lián)網設備及其通信過程是普遍暴露的，設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，普遍采用無線介質進行通信。安全威脅環(huán)境不同于通用計算系統(tǒng)，安全風險更加嚴峻。

（三）進一步加強系統(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)觀的內涵。在嵌入式系統(tǒng)中，一般沒有系統(tǒng)軟件和應用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設計及實現(xiàn)上過于復雜，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）課程建設與教學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、復雜分析、細致判斷及創(chuàng)造性解決問題技巧才能完成的任務。知識工作自動化通常被認為是一種可執(zhí)行知識工作任務的智能軟件系統(tǒng)。它除了包含傳統(tǒng)的規(guī)則、推理和顯性表達式之外，也對隱含知識、模式識別、群體經驗等進行模型化，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性勞動。課程建設與教學實施是典型的知識工作，探討課程建設與教學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)的研究內容之一。

可采用基于知識圖譜的方法，實現(xiàn)課程內容體系的重構、課程群與單一綜合課程的融合。首先需要建立課程內容的知識圖譜。構建知識圖譜的方法可分為兩大類：人工構建和自動構建。這兩者之間的主要的區(qū)別在于實體和關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，因而人工構建或人工整理、規(guī)范已有教學文件，用自動方法輔助構建知識圖譜，會是較為可行的路徑。

以雨課堂為代表的混合式教學工具充分考慮了目前的教學實際，能夠繼承PPT形式的課件，還能將慕課內容作為素材引入課件，有針對性地推送給學生。從考勤簽到到每個知識點掌握情況的反饋，雨課堂等教學工具能夠在教學進行的同時形成教學過程記錄數(shù)據(jù)。適當?shù)膽么祟惞ぞ吣軌驅崿F(xiàn)對學習者從面上的了解到對個體的關注。基于知識圖譜進行查詢推理，可以為不同的學習者推送定制的學習內容。

五、結語

物聯(lián)網操作系統(tǒng)是物聯(lián)網發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。物聯(lián)網操作系統(tǒng)所依賴的軟硬件平臺、應用場景具有獨特性。現(xiàn)有的物聯(lián)網工程專業(yè)操作系統(tǒng)等重要的專業(yè)基礎課程，極大地繼承了傳統(tǒng)的計算機科學與技術、網絡信息工程等專業(yè)的課程教學體系。面向物聯(lián)網工程專業(yè)的新需求，需要做出適應性的改變。我們需要針對物聯(lián)網操作系統(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)的內容，基于物聯(lián)網特定的定位貫徹系統(tǒng)觀。我們也應結合教學對象的特點、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，從而有效監(jiān)控教學過程，保證教學質量。

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[責任編輯：鐘 嵐]