嵌入式操作系统教学改革研究

嵌入式操作系统教学改革研究
摘要：linux是一个完全免费、开放、跨平台的操作系统。

随着linux内核的日益完善，应用越来越广泛。

本文针对我校计算机科学与技术专业嵌入式方向的学生学习linux的情况，结合本人的教学经验，从授课内容、理论教学、实践教学及考核方式四个方面进行了研究。

关键词：linux；理论教学；实践教学
中图分类号：g642
虽然计算机的应用已渗透到各行各业，可是计算机科学与技术专业的学生就业形势却不太好，主要是由计算机科学与技术专业的专业特色不明确，无法满足社会需求所致。

目前，嵌入式计算机技术正在迅速发展，市场对各类嵌入式产品提出了巨大的需求。

因此，作为计算机科学与技术专业，突出专业特色的出路理应在嵌入式系统方面多下功夫。

而嵌入式操作系统是计算机科学与技术专业嵌入式方向的核心课程之一，在教学中起着至关重要的作用，是嵌入式系统开发与设计的灵魂。

嵌入式操作系统的种类很多，如linux、c/os、windows ce、vxworks 等，而我们之所以选择linux操作系统，是因为：linux是一个免费的操作系统，用户可以免费获得其源代码，并能够随意修改。

它是在gnu的公用许可证gpl保护下发行的自由软件[1]；同时由于它与arm的结合，是一种主流的解决方案，已经广泛应用于掌上电脑、消费电子、工业控制等领域，具有良好的市场前景。

1 教学内容选取
根据培养方向和教学内容的不同，将linux课程体系也相应分为应用开发和系统管理两类[2]。

系统管理主要以应用为主，讲解linux对计算机的管理功能、shell编程基础和服务器管理的应用，包括：linux用户/文件系统管理、linux网络管理、linux磁盘管理、系统和日志维护管理、linux安全优化、linux系统恢复与备份、shell初步编程、linux各类服务器管理等；应用开发主要理解和把握linux内核，将linux操作系统的原理、结构、内核特征及编程技术联系在一起，包括：shell编程基础、基于linux的c 语言程序开发、内核基础及实施细节及其程序设计等。

针对计算机科学与技术专业培养方向划分教学内容，选择应用开发，讲解linux内核的概念、数据结构、工作原理及实现，同时增加linux操作系统的定制及移植，以及嵌入式系统开发过程中用到的交叉编译、交叉调试等开发方法，为嵌入式系统开发奠定基础。

2 理论教学
要提高教学质量，最重要的一环是改进课堂教学，除了采用传统的教学方法外，还需依据课程特点、学生特点采用不同的教学方法，保持教学内容相对稳定，同时穿插linux的发展动向和科研成果，使学生掌握linux的基本原理、实现和应用。

2.1 把握整体与局部的关系。

在讲解linux操作系统时，主要是讲解存储管理、进程管理、设备管理及文件管理几部分[3]。

在具体讲解每一部分时，主要讲解其数据结构，对学习能力一般的同学
要求掌握内核源码实现的具体过程，而对学习能力强的同学要求阅读源码。

在讲解完每一模块的时候，都要引导学生从宏观的角度把握每一部分内容对应的数据结构与其它部分数据结构的关系。

比如，讲存储管理时，用到的数据结构有虚存区域vm_area_struct
结构体，其中有一个vm_mm结构体指针变量指向进程的mm_struct 结构体，该结构体用来定义它的虚存用户区。

而讲进程时，当创建一个进程，即创建一个pcb块（进程控制块），用task_struct结构体表示，在该结构体中创建进程的虚存用户区，mm和active_mm 结构体指针变量指向进程的mm_struct结构体。

这样学生容易让从整体上把握操作系统几部分之间的关系，有助于理解具体的实现过程。

2.2 采用启发式教学方法。

所谓启发式教学，就是指根据教学目的、内容、学生的知识水平和掌握知识的规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习。

启发式教学不是具体的教学方法，而是一种教学思想，是教学原则和教学观。

启发式教学注重培养学生分析问题，解决问题的能力和创新思维，使学生学会学习，具有自我开拓和独立获取知识的能力[4]。

传统的以教师为主的教学方式可以保证教学内容的充实性，但教学效果一般，甚至会使学生丧失主动性和积极性。

启发式教学可以调动学生的学习积极性，使学生从被动的“要我学”转变到主动的“我要学”。

比如在学习进程间的通信时，首先要解决的问题是进程间为什么要通信，提示学生从进程的存储空间考虑，引导学
生分析问题，然后进程间该如何通信，继而引出共享内存、消息队列、管道等通信机制，探求解决问题的方法；这样，在了解操作系统的设计思路后，进行系统框架设计分析及部分代码分析，找到实现方法，完成启发式教学。

总之，教学过程中要让学生积极参与，参与思考和设计的整个过程。

3 实践教学
实践教学采用分层次教学，由基础性实验、综合性实验和创新性实验三个层次构成。

3.1 基础性实验。

主要包括课程内的相关实验，完成shell基本命令、linux下c语言程序设计、进程创建、进程同步、内存管理等课内知识的验证性实验，目的是巩固和加强课堂所学的基础理论知识。

3.2 综合性实验。

主要包括课程设计，目的是对课程知识的提高和综合运用。

通过重构核心模块方式扩充linux系统功能。

每届课程设计给出多道设计题，比如：使用linux图形库，实现多窗口同时显示并发进程的运行结果；在linux系统中增加一个新的系统调用（通过编译内核方法）；用图形界面实现linux系统监控（通过/proc文件）；设计并实现一个模拟的文件系统等，难度逐题加大，鼓励学生依据自身情况选题。

通过这些实验学生可以更加深入理解linux操作系统理论知识，培养学生的实验操作能力、分析问题和解决问题的能力。

引导学生综合理解linux操作系统的实现机制，深入理解某个专题的实现机理和过程。

3.3 创新性实验。

以“团队”为基础，以“重创新”为目标，提供学生的综合能力。

鼓励学生积极参加大学生电子竞赛、嵌入式系统设计竞赛、挑战杯、高等教育质量创新工程实践项目等各类创新实践活动；在创业大赛中对优秀团队学生实行导师制，使学生有机会在教师的指导下完成相应的创业项目或科研作品，得到初步的创新能力训练。

主要目的是培养学生综合分析、设计、自主研究及创新能力，培养一定的工程素养。

在三层实践教学体系中，前两层的实践内容一定要在实践学时内完成。

第三层为选做，由学院提供实践环境。

学生只有通过大量的实践训练，才能真正掌握linux操作系统的原理知识，逐步理解和掌握linux 操作系统设计的思想和方法，才能培养学生的创新精神和创新思维，激发学生创造性地解决问题的能力。

4 考核方式
为了提高学生学习linux的积极性，将linux理论知识与实践结合起来，课程具体考核方式为书面考试（60%）+平时作业及考勤（10%）+实践环节（30%）。

书面考试即通常的试卷作答，主要考察学生对linux操作系统的基本概念和原理的理解及掌握程度；平时作业及考勤可以反馈学生的学习积极性及对课堂所学内容的理解
和掌握程度，便于及时调整教学过程和教学方法；实践环节可以体现学生的动手能力，成绩由基础性实验（10%）和综合性实验（20%）两部分构成。

通过这三方面的综合考察，有助于全面衡量学生的学习情况，提高教学质量。

5 总结
嵌入式操作系统是嵌入式系统开发中一门很重要的课程，结合多年的嵌入式操作系统课程教学，对嵌入式操作系统课程教学进行了初步研究。

我们将继续探索尝试新的教学方法，促进该课程的教学。

参考文献：
[1]俞辉，李永.arm嵌入式linux系统设计与开发[m].北京：机械工业出版社，2010，5：27.
[2]罗俊丽.高校linux系统课程教学探讨[j].软件导刊，2012，11（6）：180-181.
[3]孙天泽.嵌入式linux操作系统[m].北京：人民邮电出版社，2009，8：2.
[4]余井权.浅析启发式教育在高等数学教学中的应用[j].青年
与社会，2011，59（12）：83-84.
作者简介：王维（1981.5-），女，河北保定人，讲师，硕士学位，研究方向：上下文感知计算，物联网研究。

作者单位：咸阳师范学院信息工程学院，陕西咸阳 712000
基金项目：咸阳师范学院教改项目（201102026），计算机科学与技术专业2011年省级人才培养模式创新实验示范区建设项目（陕教高〔2011〕38号）。