“Linux 内核定制”实验教学改革与探索

尹航+吴建胜+张玉军

摘要：“Linux内核定制”是物联网领域核心课程之一[1]，是嵌入式系统研究的基础，具备很强的应用针对性和操作性。本文结合课程特性和教学环境，探讨该课程实验教学体系方案，实验教材改革和实验室建设工作，为本科教学中应用型人才培养，实践教学改革深化提供参考。

关键词：物联网；实验教学体系；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）26-0042-03

随着信息化、智能化、网络化的发展，物联网技术应用逐步扩散到各种行业，多种领域，是当前最具发展前景的IT应用领域之一。比较热门的包括智能家居、智能安防、智能交通、医疗仪器、航天航空设备等，都是典型的物联网应用[2]，学习物联网相关技术具有良好的市场前景，但物联网应用是“软硬兼施”的课程，对学生知识掌握程度和自身能力要求较高，涉及计算机领域基础及专业课程，针对性强，要求学生具备计算机领域软硬件知识，还要求对其他相关技术有所掌握，其中“Linux内核定制”就是物联网领域核心课程之一。

1 课程现状分析

由于物联网技术出现时间短，专业教师大多都是从其他专业选调过来的，实验教学体系建设还在探索之中[3]。目前，“Linux内核定制”课程实践教学中存在一定问题亟须解决。

1.1 实验项目指导针对性不足

目前，实验案例多数由设备供应商提供，但能够达到预期教学效果的项目指导应该由教师在授课经验积累的基础上制定，另外，由于教师经验和实验设备缺陷，直接导致实验准备不充分，影响教学效果。

1.2 物联网实验平台利用率低

实验过程中，学生首先在计算机上编写并编译程序，然后将编译生成文件下载至开发平台运行，根据执行效果在计算机上修改编译程序，并重复操作[4]。学生进行实验过程中，使用平台时间比较有限，利用率较低。实际教学中，往往根据学生人数进行分组，但分组过程中若不能有效根据学生能力均衡分配成员就会出现弊端，每个小组中能力较强同学参与意向较高，往往独立操作，其他成员会因为任务分配或能力问题出现参与程度和参与意向低的情况；

1.3 学生过分依赖现有的实验平台

实验室中往往根据自身需求集中采购某种指定型号平台，平台设备中对相关技术模块封装性较强，往往不需要学生对其知识结构和核心技术更好的掌握，这将影响学生创造性思维和创新能力的培养。同时，伴随实验平台种类、厂商的丰富和增加，更多原来需要由学生设计和完成的部分都由实验平台的某些模块所替代，学生在实验过程中可以忽略更多知识细节，转而只要参照实验指导无思维的去模仿即可完成实验任务，而其中的技术原理和工作重点学生根本不用理会，这种状态不但降低实验难度和意义，而且使学生在整个知识体系的理解和掌握中层次粗糙肤浅，对于个中原理和应用扩展能力方面理解和掌握比较差，无法达到实验教学目的。

2 实验教学改革目标

1）规范网络工程专业实验教学环节，完善Linux内核定制实验教学课堂状态。通过实验教学改革项目提高实验室的管理水平和教师的教学水平及科研能力，培养动手能力强，教学和科研双过硬的师资队伍；同时，通过实验教学改革解决当前学生实验教学困扰问题，通过分层实验提高学生对Linux内核定制课程的认知度和兴趣，并鼓励有能力学生完成高层次实验项目，进而参与到科研项目研发中。

2）通过深化实验教学改革，优化实验教学体系，创新管理运行机制[5]，实现新时期符合当代实验教学需求，具备高素质和实践应用能力的教学师资队伍建设，满足新时期实施素质教育和培养创新型人才的需要，推动网络工程专业的教学改革，探讨出适合于本专业实验课程的教学模式、教学内容及教学体系等。

3）编写适合本校Linux内核定制课程的实验教学大纲、教材、实验指导书。

4）依托物联网实验平台，通过承担创新创业项目、科研项目，锻炼教师、学生的科研创新能力。

3 改革内容及实施方案

本科教学阶段，物联网应用教学主要是掌握基本物联网开发技术，培养学生对物联网开发的兴趣，增强学生动手能力，Linux内核定制课程改革应该以“面向工程 项目驱动 能力培养 全面发展”的教育理念为指导[6]，充分把学生转为学习主动体，培养自主学习能力，沟通、协作和组织能力，进而在学习能力提升、动手能力加强、优秀竞赛作品增加、就业能力提高等多方面达到积极促进的作用。

3.1 改革内容

Linux内核定制课程实验项目设置过程中，首先需要对授课计划合理安排，理论教学相对实验要具备一定前瞻性，然后根据学生在理论学习中的状态，知识掌握层次，以及动手能力等多方面因素合理设置实验学时，安排实验内容，并注重实验的分类，注重各类型实验（验证性、设计性和综合性）的比例，内容梯度具有一定关联性。另外，由于受到课程学时数限制，以及不同学生的基础情况，可将实验教学体系设计为三个层次[7]：

1）初级入门型实验

这部分属于引导性实验，需要在教师指导下进行，旨在使学生了解开发环境和开发流程，掌握实验开发工具的使用方法，并且熟悉软件编程环境，根据实验教材内容开展实验。实验过程中，学生需要读懂源程序和掌握程序运行过程，并要求学生能够进行修改、组合和补充式的应用编程。

2）进阶提高型实验

这部分实验安排从Linux系统的移植到应用程序的设计开发，循序渐进地让学生了解基于物联网操作系统开发的全过程，实验以设计性实验项目为主，主要训练学生综合实验设计能力。

3）综合应用型实验

这部分实验设计是提供给基础较好、自学能力强的学生深入学习的，这类学生希望能够对Linux系统理论更深入的掌握，并具备主观意愿参与到具备实践性质的综合课题设计中。

3.2 实施方案

1）制定课程建设方案

首先，分析Linux内核定制课程知识与技术点，细分相关课程的重点、难点；其次，实施规范的课程教研活动，定期召开骨干教师的研讨会议，通过相互交流和沟通分解各章节所需掌握基本知识点与关联性，根据知识点形成课程内容分析表。根据知识点掌握程度，参照知识点关联度分析表，制定课程标准与实验教学大纲，并予以实施。

2）增加多种实践教学内容与方式

首先，设置开放实验室。目前学院具有物联网实验设备40余套，且配套设施较为完备，满足平时实验教学需求的同时，可以设置开放实验项目，提高教学设施的利用率，增加学生深层次接触相关领域技术的机会，提高学生动手与主动创新能力，作为理论教学的有效补充。根据自愿报名和教师认定双向选择方式接收自学和动手能力较强的学生进入教师科研课题中，根据具体情况给予学生学分或物质鼓励，引导学生进行创新性实验。

其次，经过“双选”方式引导学生参与学校、公司、协会的各类竞赛项目。如全国大学生物联网设计竞赛、全国大学生嵌入式设计大赛、“挑战杯”科技竞赛、大学生创新创业训练计划、Google中国程序设计大赛等。例如，2008年至2014年的7年间，我院学生已经取得国家级奖项6项，省级奖项10项，校级奖项10余项的优异成绩，并对参赛学生给与一定奖励，这在学生中形成一种风气与氛围，有助提高学生自主性。学生团队完成包括“需求分析、系统设计、系统实现、系统测试和系统发布”等一般物联网研发的各个环节，并且提交最终产品报告，这些也让学生通过实践体会到物联网开发和科研设计实施的一般流程，为其今后的工作和科研打下了良好的基础。

第三，组建嵌入式协会，成员以参赛队员为主体，并保持吸纳和指导新成员这种建设方式，利用课余时间在实验室开展科研创新活动，这样既可以提升学生动手能力，培养创新性思维，增加学习兴趣，又可以为各类竞赛培养参赛成员，为取得优异成绩打下坚实基础。

第四，在新的实验教学理念中，采取一系列的措施来保证其开放性，不断充实和更新教学内容，以长期保持课程的生命力和发展活力[2]，始终和业内技术的发展前沿和趋势保持一致。例如，Linux教学部分由于得到甲骨文公司的大力支持，可以把最新技术和方案融入到实验教学中。另外，教师也把在物联网科研项目上的一些知识积累有机地融入课程当中，这些都使实验教学内容能够和物联网应用发展的新方向和新趋势紧密联系，也长期保持了实验教学内容的鲜活生命力和可持续发展性。

3）改革考核方式

Linux内核定制课程是一门面向应用的理论基础课程，对基础理论和实践能力要求较高，学生需要通过课堂的理论学习理解和掌握系统结构、原理，课后通过多种渠道查找相关资料及应用案例实现应用设计。所以，实验教学改革不仅要关心实验环节，更要将对学生能力的培养和考核贯穿于整个教学体系，使学生始终保持对课程的兴趣和重视。在期末考核过程中，安排一次综合性实验项目，项目要求能够体现整体课程教学内容，主次分明，具备可扩展性，允许成绩优异学生技术扩展，根据完成情况打分。

4 教学改革效果

1）完善了Linux内核定制课程理论与实践教学衔接。通过理论学习，学生对知识融会贯通、信息处理和Linux系统内核架构充分了解，具有物联网系统的理念和基本的组网设计能力[8]。但在应用过程中，还要将理论内容付诸于实践，学生需要理论联系实际，灵活运用。实验教学改革极大加强学生动手能力的培养。

2）授课内容丰富化，引入实验教学分层结构，在保证学生掌握基础能力同时，引导部分学生具备高层次研发能力。

3）授课形式多样化，理论联系实际，编写符合自身需求的实验大纲、实验教材，保障了实验效果与质量。教师在选择、使用教学方法时应具有整体化、最优化的意识，注意多种教学法之间的有机配合，充分发挥教学方法体系的整体功能[9]。因地制宜、博采众长的教学方法运用有利于充分调动学生的各种感官积极参与实验教学活动，提高学习积极性。

5 结束语

Linux内核定制实验教学改革不仅丰富课程体系，使得教学能够跟上科技发展步伐，体现高校以社会需求为出发点来培养人才的宗旨，而且有助于推动教师科研水平提高，有助于推动学生积极参与创新、创业训练活动，通过实验教学改革，提高学生的创新应用能力，培养出适应社会发展需要的创新型实践型卓越人才[10]。

参考文献：

[1] 孙冠男. 基于ZigBee协议的物联网实验教学平台的设计与开发[D]. 济南： 山东师范大学， 2014.

[2] 温如春， 王祖麟， 张振利， 等. 项目驱动教学法在“嵌入式系统技术”课程中的改革探索[J]. 中国电力教育， 2012（8）： 77-78.

[3] 欧阳志友， 孙知信. 物联网专业创新型实验教学体系建设与实践[J]. 物联网技术， 2013（7）： 73-74.

[4] 冼进， 贾德良， 毕盛 等. 嵌入式系统实验课的教学改革初探[J]. 实验室研究与探索， 2011， 30（8）： 282-284.

[5] 杨祖幸， 孙群， 赖春霞 等. 浅析我校国家级生物科学实验教学示范中心的建设[J]. 实验科学与技术， 2008， 25（4）： 107-110.

[6] 杨斌. 分层次“嵌入式系统”课程实验教学体系的构建与实践[J]. 计算机教育， 2007（11）： 120-122.

[7] 陈国荣， 向毅. “嵌入式软件和系统”专业教学改革思路探索[J]. 重庆科技学院学报：社会科学版， 2009（12）： 203-205.

[8] 李媛， 方建军， 龙浩. 面向“应用型”人才培养的物联网工程教学体系探索[J]. 物联网技术， 2014（1）： 77-79.

[9] 任延峰. 浅谈新形势下教师在素质教育中的角色转变[J]. 教育教学论坛， 2014（38）： 34-35.

[10] 王伟， 孟祥贵， 安寅， 等. “创新人才培养模式”下的实验教学改革探索[J]. 实验科学与技术， 2013， 11（2）： 144-146.