物联网工程专业操作系统课程教学的几点思考
董跃宇 王晓锐 强振平 胡坤融
[摘 要]大部分院校的物联网工程专业极大地继承了传统的计算机科学与技术、网络信息工程等专业的课程教学体系，因而操作系统等重要的专业基础课依然定位于传统的领域和场景，需要做出适应性的改变。课题组针对物联网操作系统的独特特征、教学对象的特点、操作系统课程改革的共性问题，从教学内容确定、教学侧重点的选择、知识工作自动化等手段的应用进行了有益的思考和探讨，以期对相关专业基础课程的教学改革发挥抛砖引玉的作用。
[关键词]物联网;操作系统;教学研究;系统能力培养
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）05-0109-03
物联网在全世界范围的蓬勃发展，促成了互联网兴起以来的又一次大范围的技术革命浪潮。我国政府提出了“感知中国”战略，将物联网的发展定位到了国家战略的高度。国内广大大专院校争相开设了物联网工程专业。从专业建设的历史沿革来看，新建的物联网工程专业大多脱胎于或依托于原有的计算机科学与技术、网络通信工程等专业。从课程体系的设置，以及物联网知识体系的内涵外延来看，物联网工程专业的课程体系与这些传统专业的课程体系存在继承性和相似性。操作系统是一门重要的专业基础课。物联网是信息技术发展的一个全新阶段和方向，对原有的技术体系存在继承关系，同时也有集成创新等新的发展。物联网专业的新需求促使我们对操作系统课程的教学展开新的思考。
一、物联网操作系统的独特特征
物联网的发展受制于“碎片化的物联网”的状态，进一步的发展迫切需要提供统一的底层技术平台，于是物联网操作系统应运而生。物联网操作系统的基本特征是高度模块化、可裁剪的实时操作系统，可靠性，安全性是其重要的指标。通信能力，尤其是借助不同类型通信技术进行通信的能力是典型的I/O操作。一些厂商提出的概念和实现还包含了云计算的特征，对某些厂商的云服务提供支持。这是一个值得注意的方向。后PC时代之后的移动互联网时代，整个体系相较之前扁平化了许多，前端的小设备通过高速网络直接连接后端的云平台。
（一）实时系统
传感器或执行器需要及时的反应和操作。物联网操作系统应该是实时系统，这是业界的共识。实时性除了强调及时之外，更加强调的是确定的时序关系。以PC为代表的通用计算机，与物联网的硬件平台差异较大。以UNIX为代表的以分时为核心的多用户系统与物联网对于实时系统的需求差异明显，对于实时系统的介绍需要加强。强调实时性即及时性，更需要明确对确定的时序关系的要求。
（二）内核结构
硬件平台的差异性、系统资源的受限性，是物联网操作系统所面对的硬件平台的典型特征。这对操作系统软件的平台移植性能、运行资源需求、能量消耗与管理提出了更加苛刻的要求。与通用计算系统直接面向用户进行交互不同，物联网设备的交互主要在设备与设备之间。对物联网操作系统而言，高度模块化和可裁剪的内核结构是必需的。
（三）I/O管理
传统操作系统课程对于I/O系统的基本认识可概括为“类型多数量多”。物联网设备的I/O相对较为简单，类型主要是传感器、执行器、通信接口等几类。就数量而言，受制于能源等受限因素，也是较为有限的。操作系统这样的系统软件和硬件平台的关系是极为紧密的，面向物联网设备的差异较为明显的I/O系统，操作系统课程中对于I/O管理的描述需要更加有的放矢。
（四）关于云平台
物联网操作系统的碎片化问题相当突出，到今日为止，即使是主流的大公司的产品，如风河、ARM、Google、微软，也都只能运行在特定的硬件上。孤立的嵌入式设备在如今的应用体系中价值大打折扣，或者说体系的大环境的变革将要求或者推动传统的嵌入式操作系统变革为物联网操作系统。
二、本科高年级的教学特点
操作系统课程通常在本科二年级以后的本科高段开设。本科高年级学生在完成了低年级公共基础课和部分专业基础课的学习之后，对于专业理论体系的学习已逐渐入门，迫切希望了解本专业的应用领域和发展前景，因此在教学过程中应该更加注意内容的应用性和专业性。同时，本科高年级学生也是研究生教育的储备人才，在教学过程中要适时地进行科研引导，这样能够让毕业生保持对科学的兴趣，从而为研究生阶段的深造打下基础。四年级的本科生开始着手毕业设计，要注意教学与毕业设计的内容相结合，这样可以让学生提前做好准备，选择适合自己的方向。
三、物联网工程专业操作系统课程自身的特点
现有的操作系统教学一方面存在内容陈旧保守、过于注重形式、教条主义、理论与实践脱节严重等传统问题，同时还面临着新专业、新方向的需求与现有的教学之间存在差距的新挑战。迫于各种客观条件，任课教师往往不能对授课内容添加最新的研究进展，只是依据教材照本宣科地教授传统内容，使学生学习兴趣低下。片面地强调优秀教材，忽视了各学校自身的实际，使教师和学生都很吃力，教学效果不理想。缺乏合理的实践环节设计，会使教学双方都陷在“理论性强”的抱怨中裹足不前。对于新开设的物联网、大数据等专业方向，目前教学中讲授的内容，并没有与专业衔接，更没有反映这些专业方向视角中所观察到的“系统”的实际面貌。传统的操作系统教学，对于实时操作系统、嵌入式操作系统的关注不够充分。
强调计算机系统能力，培养学生具备系统观的操作系统教学，是教师们对操作系统课程教学改革的基本共识。而这一共识的落实，则需要依据不同专业、不同层次学生所要求的“系统”的实际定位来确定教学内容，来针对性地设计实践环节。操作系统课程实践环节的设计，大致分為两种情况：一种是在特定的软硬件环境中，进行操作系统开发、实现的实践;一种则是以模拟的方式，提供操作系统基本概念、原理的感性体验。第一种方式对于科研基础、教学条件、师资、学生素质都有较高的要求，大部分应用型本科院校普遍采用的是第二种方式。传统实践环节的内容往往过于拘泥于经典教材的同步模拟，模拟的内容是孤立的，与实际操作系统是脱节的，这进一步加剧了“理论性强”的抱怨。
四、物聯网工程专业操作系统课程教学的几点思考
（一）只介绍物联网操作系统是个伪命题
在本科教学计划学时不断缩减的大背景下，压缩课程门数、压缩课程学时数是如今大量课程都面临的巨大压力。很多教师提出删减教学内容的对策，于是一些教师很自然地考虑只介绍物联网操作系统。笔者认为，所谓的只介绍物联网操作系统是个伪命题。物联网操作系统，依然只是操作系统的一种类型，并没有脱离或改变操作系统的基本原理。抛弃操作系统基本原理而只介绍物联网操作系统，是根本行不通的。再者，即使如预言的那样出现一个彻底扭转物联网设备操作系统领域严重碎片化局面的统一平台，也无法覆盖整个物联网工程应用的大体系，操作系统的共性基础原理依然是学生学习的基础。
（二）现有教学需要做出改变
1.实时操作系统的相关知识需要加强
物联网操作系统应该是实时系统，这一点上业界已经取得共识。传感器或执行器需要及时的反应和操作。实时性除了强调及时之外，更加强调的是对确定的时序关系的保证。现有的操作系统课程把以UNIX为代表的以分时为核心的多用户系统作为主要的介绍对象，对于实时系统的介绍与物联网的需求差距较大，基本上限于基本概念的介绍，强调的是实时性即及时性，确定的时序关系甚至都没有明确提出。
2.需要将嵌入式系统的概念结合进来
嵌入式系统是物联网实现物联的关键一环，是基于微处理器发展起来的，是与以PC为代表的通用计算机平行发展的另一个大的应用系统分支。技术进步发展到物联网这一阶段后，通用计算系统和嵌入式系统两大分支融合到了一起。而传统的操作系统课程主要介绍的是以PC为代表的通用计算系统上的内容，面向物联网的操作系统课程必须将嵌入式系统的相关概念结合进来，并给予足够的重视。
3.操作系统的结构值得重点关注
多种硬件平台的差异性、系统资源的受限性，是物联网操作系统所面对的硬件平台的典型特征。这对于操作系统软件的平台移植性能、运行资源需求、能量消耗与管理提出了更加苛刻的要求。与通用计算系统多直接面向用户进行交互不同，物联网设备的交互主要是在设备与设备之间进行的。
4.对各种数据通信能力的需求与支持作为I/O管理的重要内容
物联网系统中的I/O设备主要包括传感器、执行器、通信设备几个大类。物联网操作系统需要支持泛在的通信能力，需要支持不同类型的通信技术，同时在这些不同的物理和链路层接口之上的协议之间要能够相互转换——能把从一种协议获取到的数据报文转换成为另外一种协议的报文发送出去，最后还要能够迁移到互联网协议中。因此，作为操作系统的重要功能和操作系统课程重要内容的I/O管理，应该要对数据通信能力的需求与支持做重点的说明。
5.可靠性安全性的特定关注
物联网设备的应用场景决定了其必须高度稳定可靠。对于传感器能否稳定可靠地感知，执行器能否及时可靠地教人动作，设备能否长时间可靠工作无须人工干预，操作系统的作用至关重要。物联网设备及其通信过程是普遍暴露的，设备本身不可能总是固定布置在安全完全可控的机房等环境中，普遍采用无线介质进行通信。安全威胁环境不同于通用计算系统，安全风险更加严峻。
（三）进一步加强系统观
首先是对于系统视野的扩展。以PC为代表的通用计算系统一直以来是操作系统课程讲授系统观的基本平台，操作系统的基本定位与基本功能的确定来自这一基本平台。物联网将通用计算系统和嵌入式计算系统融合到了一起，系统的概念不光包括通用计算系统还包含嵌入式系统。因此，系统观的外延需要扩展，需要将嵌入式系统等包含其中。
其次需要着重于系统观的内涵。在嵌入式系统中，一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，另一方面也利于实现系统安全。主要用于实现物联功能的嵌入式系统所面对的“用户”并非通用计算系统中的人，而是物，系统目标的定位存在着明显的区别。特定的硬件、平台、需求，需要并造就特定的操作系统。
（四）课程建设与教学实施的知识工作自动化问题
所谓知识工作，泛指那些需要专门知识、复杂分析、细致判断及创造性解决问题技巧才能完成的任务。知识工作自动化通常被认为是一种可执行知识工作任务的智能软件系统。它除了包含传统的规则、推理和显性表达式之外，也对隐含知识、模式识别、群体经验等进行模型化，并借助软件化的方式，形成可执行的知识软件系统。这将大大解放知识工作者的重复性劳动。课程建设与教学实施是典型的知识工作，探讨课程建设与教学实施的知识工作自动化问题，是时代的要求，也是信息类专业的研究内容之一。
可采用基于知识图谱的方法，实现课程内容体系的重构、课程群与单一综合课程的融合。首先需要建立课程内容的知识图谱。构建知识图谱的方法可分为两大类：人工构建和自动构建。这两者之间的主要的区别在于实体和关系的识别与提取由人工来完成还是由计算机程序自动完成。从技术成熟程度等方面考虑，完全自动化的方法尚存不少问题亟待解决，因而人工构建或人工整理、规范已有教学文件，用自动方法辅助构建知识图谱，会是较为可行的路径。
以雨课堂为代表的混合式教学工具充分考虑了目前的教学实际，能够继承PPT形式的课件，还能将慕课内容作为素材引入课件，有针对性地推送给学生。从考勤签到到每个知识点掌握情况的反馈，雨课堂等教学工具能够在教学进行的同时形成教学过程记录数据。适当的应用此类工具能够实现对学习者从面上的了解到对个体的关注。基于知识图谱进行查询推理，可以为不同的学习者推送定制的学习内容。
五、结语
物联网操作系统是物联网发展的关键环节。物联网操作系统所依赖的软硬件平台、应用场景具有独特性。现有的物联网工程专业操作系统等重要的专业基础课程，极大地继承了传统的计算机科学与技术、网络信息工程等专业的课程教学体系。面向物联网工程专业的新需求，需要做出适应性的改变。我们需要针对物联网操作系统的独特特征，讲授操作系统基本原理的同时，强化实时、嵌入式操作系统的内容，基于物联网特定的定位贯彻系统观。我们也应结合教学对象的特点、操作系统课程改革的共性问题，积极采用混合式教学等新的信息化手段。我们还可以以知识工作自动化的理念，引入知识图谱等智能化手段开展课程/专业建设，从而有效监控教学过程，保证教学质量。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 何小庆.物联网操作系统浅析[J].单片机与嵌入式系统应用，2015（1）：5-8.
[2] 韩青.物联网操作系统的必备特性[J].今日电子，2014（5）：40-41.
[3] 何立民.物联网概述篇4篇：物联网时代嵌入式系统的华丽转身[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（1）：79-81.
[4] Micrium Christian Legare.第5篇：物联网与实时操作系统[J].江文瑞，译.单片机与嵌入式系统应用，2014（12）：78-79.
[5] 老鬼阿定.物联网操作系统浮出水面[J].计算机世界，2014（40）：15-16.
[6] 李培根.高等工程教育中的边界再设计[J].高等工程教育研究，2007（4）：8-11.
[7] 言十.新工科建设与系统能力培养[J].计算机教育，2018（7）：1-4.
[8] 万力勇，黄志芳，黄焕.大数据驱动的精准教学：操作框架与实施路径[J].现代教育技术，2019（1）：31-37.
[9] 闫维纲.数据驱动背景下的精准教学实践探索[J].课程教育研究，2018（43）：212-213.
[10] 唐文静，孙中红.从应用型本科人才能力培养谈《操作系统》实验教学[J].大学教育，2013（15）：117-118.
[责任编辑：钟 岚]
