新工科背景下Linux系統(tǒng)課程教學(xué)研究

燕彩蓉，朱黎華，劉瑜琪，馮向陽

（東華大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

“新工科”指的就是為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支持服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略[1]。其中，“工科”是指工程學(xué)科，包括計算機學(xué)科；“新”的內(nèi)涵之一是新型，即對傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的學(xué)科進行轉(zhuǎn)型、改造和升級形成的新學(xué)科[2]?！靶鹿た啤钡奶岢鰹楦叩裙こ探逃母母锾剿魈峁┝艘粋€全新視角和“中國方案”[3]。

隨著人工智能時代的到來、我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，以及高等教育深化改革和“雙一流”建設(shè)的推進，建設(shè)工程教育強國、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型卓越工程技術(shù)人才，成為當前我國高等教育機構(gòu)新的使命和價值追求[4]。Linux系統(tǒng)作為計算機學(xué)科領(lǐng)域非常重要的一門專業(yè)課程，是人工智能及新工科背景下必須改革的一門課程[5-6]。Linux發(fā)展如此迅速，原因并不在其界面的設(shè)計上，而在于開源、提供豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、具有可靠的安全性，以及對嵌入式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用和機器學(xué)習(xí)的支持[7]。

1 Linux系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

Linux系統(tǒng)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容十分豐富，包括操作系統(tǒng)原理、系統(tǒng)使用與管理、網(wǎng)絡(luò)配置、內(nèi)核開發(fā)、程序開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)等。通過分析和比較各大高校（主要是“985”“211”高校）Linux系統(tǒng)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，將其分為五大類。

1.1 與操作系統(tǒng)原理課程相結(jié)合

Linux是一個經(jīng)典實用的、值得學(xué)習(xí)和研究的操作系統(tǒng)，若將Linux作為實驗平臺與操作系統(tǒng)原理課程相結(jié)合來進行授課，學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)理論知識的同時，還可以在Linux平臺中通過實驗來檢驗和鞏固理論，這樣的授課方式既能增強學(xué)生對于理論知識的了解，也能加強學(xué)生的實際動手能力。采用這種方式，學(xué)生將主要掌握Linux系統(tǒng)的基本使用方法、進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、內(nèi)核結(jié)構(gòu)等。表1展示了將Linux與操作系統(tǒng)原理課程進行不同程度結(jié)合的高校及其課程內(nèi)容。

1.2 與程序設(shè)計類課程相結(jié)合

Linux系統(tǒng)的最大優(yōu)勢之一是它支持各種應(yīng)用開發(fā)，而且兼容性好。通過將Linux系統(tǒng)與程序設(shè)計類課程相結(jié)合，一方面可以熟悉Linux系統(tǒng)的使用、管理與配置，另一方面能強化Linux下的各種編程能力，主要包括C/C++編程、Python編程、Shell編程、Web開發(fā)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、系統(tǒng)編程、Android開發(fā)等。相關(guān)高校課程及內(nèi)容見表2。

1.3 側(cè)重網(wǎng)絡(luò)配置及集群服務(wù)器搭建

Linux網(wǎng)絡(luò)功能非常強大。在幾臺運行Linux的PC機上，不需要購買昂貴的專用硬件設(shè)備，只要加入相應(yīng)的集群軟件，就可以組成具有超強可靠性、負載能力和計算能力的Linux集群。高可用性集群的目的是在系統(tǒng)出現(xiàn)某些故障的情況下，仍能繼續(xù)對外提供服務(wù)；負載均衡集群的目的是提供和節(jié)點個數(shù)成正比的負載能力，這種集群很適合提供大訪問量的Web服務(wù)；超級計算集群的目的是提供高性能的計算能力。相關(guān)高校課程見表3。

1.4 與嵌入式系統(tǒng)結(jié)合

嵌入式Linux是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式Linux既繼承了Internet上無限開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。將Linux系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合進行教學(xué)，可以有效解決國內(nèi)嵌入式技術(shù)教學(xué)與設(shè)計人才的缺乏問題。目前，在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，有超過一半的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。相關(guān)高校課程見表4。

1.5 側(cè)重內(nèi)核分析

所謂內(nèi)核就是指操作系統(tǒng)，是連接硬件與軟件的系統(tǒng)。Linux內(nèi)核的主要模塊分為存儲管理、CPU和進程管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理和驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)通信，以及系統(tǒng)的初始化（引導(dǎo)）、系統(tǒng)調(diào)用等。將分析Linux系統(tǒng)內(nèi)核作為Linux的教學(xué)內(nèi)容可以使學(xué)生從更深的層面上了解Linux系統(tǒng)的機制及其原理。在了解Linux的內(nèi)核之后，無論是在其環(huán)境下進行開發(fā)還是對Linux系統(tǒng)進行管理配置都會變得簡單明了。相關(guān)高校課程見表5。

表1 將Linux系統(tǒng)融入到操作系統(tǒng)課程的幾個典型高校及課程

表2 將Linux系統(tǒng)與程序設(shè)計類課程相結(jié)合的高校及課程

表3 將Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能與服務(wù)器搭建的高校及課程

表4 將Linux系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的高校及課程

表5 主要關(guān)注Linux系統(tǒng)內(nèi)核的高校及課程

2 Linux系統(tǒng)教學(xué)對象、授課方式、課時以及考核方式

為了對各高校的Linux系統(tǒng)相關(guān)課程進一步地了解，從課程名稱、教學(xué)對象、授課方式、授課時間和考核方式進行了比較（見表6）。由于表1—表5中已經(jīng)列出課程對應(yīng)的學(xué)校，而且有些學(xué)校開設(shè)的課程名稱相同，所以表6中沒有顯示學(xué)校名稱。

從表6可知：①大部分高校的Linux相關(guān)課程都是面向本科生，即Linux課程是一門計算機本科生必須要接觸、了解和熟悉的課程，少數(shù)面向研究生的課程是在本科生課程內(nèi)容之上的進階，如嵌入式編程、高級編程，或者內(nèi)核分析；②授課方式基本都是理論課與實驗課相結(jié)合的綜合授課方式，由此可以看出Linux系統(tǒng)相關(guān)的課程實踐部分非常重要，理論部分也必不可少；③授課時間不統(tǒng)一，如果與操作系統(tǒng)原理相結(jié)合，那么課時會比較多，如果僅是Linux本身的內(nèi)容，那么課時會比較少；④考核方式包括考試與考查，從考核方式中的理論成績與實驗成績綜合作為最終成績這一點也能看出Linux相關(guān)課程對于理論與實踐的重視程度并重。

3 東華大學(xué)Linux系統(tǒng)課程

東華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的Linux系統(tǒng)相關(guān)課程包括面向本科的Linux系統(tǒng)（選修）和操作系統(tǒng)原理（必修），面向研究生的操作系統(tǒng)分析（必修）。在新工科背景下，作為一所211院校的計算機專業(yè)課，要對現(xiàn)有課程進行改造和升級，讓各門課程之間進行交叉，課程內(nèi)容緊跟IT發(fā)展。目前，操作系統(tǒng)原理主要講述操作系統(tǒng)的基本工作原理，包括進程管理、處理器管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、設(shè)備管理機制等；研究生操作系統(tǒng)分析課程則主要剖析Linux系統(tǒng)的內(nèi)核以及系統(tǒng)編程。Linux系統(tǒng)課程一門重要的本科生專業(yè)課程，包括2個部分：①面向初學(xué)者，分別從系統(tǒng)使用者、網(wǎng)絡(luò)管理者、shell程序開發(fā)者、應(yīng)用程序開發(fā)者和內(nèi)核開發(fā)者的角度，全方位地介紹Linux操作環(huán)境、操作命令，以及基本的開發(fā)方法。教學(xué)內(nèi)容為Linux系統(tǒng)概述、文件管理（主要講解Linux的文件系統(tǒng)和文件操作命令）、用戶與組管理（主要講解Linux下的用戶與組的管理和文件權(quán)限與安全性）、網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)配置、內(nèi)核及其配置、Shell編程擴展和應(yīng)用開發(fā)（主要講解Linux下的C程序開發(fā)、Java程序開發(fā)、Web開發(fā)和版本控制等）；②面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的開發(fā)者，介紹基于Linux系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)計算平臺、存儲平臺，以及幾個廣泛使用的應(yīng)用開發(fā)和分析工具。教學(xué)內(nèi)容為：大數(shù)據(jù)開發(fā)平臺（介紹Hadoop與MapReduce及其使用，同時還介紹Spark和Storm）、大數(shù)據(jù)存儲（主要介紹大數(shù)據(jù)的存儲方法和相關(guān)軟件，包括NoSql、HBase數(shù)據(jù)庫、OpenTSDB數(shù)據(jù)庫等）和大數(shù)據(jù)分析工具（包括Hive數(shù)據(jù)分析工具、Pig數(shù)據(jù)分析平臺和Mahout數(shù)據(jù)挖掘平臺），以及機器學(xué)習(xí)（TensorFlow平臺與基本的機器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用）。

表6 本科生與研究生Linux系統(tǒng)相關(guān)課程統(tǒng)計（按課程名稱排序）

授課方式采用理論與實際相結(jié)合，采用自編教材“Linux系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用”。本課程所具有的特色可以歸納為4點（如圖1所示）：①課程覆蓋與Linux相關(guān)的所有知識點，從系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理到內(nèi)核開發(fā)與應(yīng)用開發(fā)，讓學(xué)生能夠認識到各知識點并非獨立，而是緊密相關(guān)，并且可以融會貫通；②授課方式采用大部分高校都使用的理論與實踐相結(jié)合，只是在實踐中添加了課外項目和項目演示，讓學(xué)生能夠在項目中把知識點串聯(lián)起來；③課程內(nèi)容適合并覆蓋計算機相關(guān)的所有專業(yè)，包括計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)、軟件工程專業(yè)和信息安全專業(yè)；④把Linux的使用、管理與大數(shù)據(jù)應(yīng)用和機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，這是目前的熱點方向，由于大數(shù)據(jù)框架和機器學(xué)習(xí)框架都離不開Linux系統(tǒng)，所以希望借此應(yīng)用提高學(xué)生的動手積極性。

圖1 東華大學(xué)Linux系統(tǒng)課程特色

4 結(jié) 語

通過展示和分析當前環(huán)境下各大高校關(guān)于Linux系統(tǒng)相關(guān)課程的不同教學(xué)風(fēng)格與教學(xué)內(nèi)容，全面介紹新工科背景下東華大學(xué)面向本科的Linux系統(tǒng)課程規(guī)劃與特色，希望能夠為高校的Linux系統(tǒng)課程建設(shè)提供參考，為課程教學(xué)改革提供新思路。