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(yáng)

（東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(dòng)應(yīng)對(duì)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(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略[1]。其中，“工科”是指工程學(xué)科，包括計(jì)算機(jī)學(xué)科；“新”的內(nèi)涵之一是新型，即對(duì)傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的學(xué)科進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)形成的新學(xué)科[2]。“新工科”的提出為高等工程教育的改革探索提供了一個(gè)全新視角和“中國(guó)方案”[3]。

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

1 Linux系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)、程序開(kāi)發(fā)、嵌入式系統(tǒng)等。通過(guò)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(gè)經(jīng)典實(shí)用的、值得學(xué)習(xí)和研究的操作系統(tǒng)，若將Linux作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與操作系統(tǒng)原理課程相結(jié)合來(lái)進(jìn)行授課，學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)理論知識(shí)的同時(shí)，還可以在Linux平臺(tái)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和鞏固理論，這樣的授課方式既能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的了解，也能加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(jì)類課程相結(jié)合

Linux系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)之一是它支持各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)，而且兼容性好。通過(guò)將Linux系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)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(qiáng)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(kāi)發(fā)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、系統(tǒng)編程、Android開(kāi)發(fā)等。相關(guān)高校課程及內(nèi)容見(jiàn)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(qiáng)大。在幾臺(tái)運(yùn)行Linux的PC機(jī)上，不需要購(gòu)買(mǎi)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(qiáng)可靠性、負(fù)載能力和計(jì)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(duì)外提供服務(wù)；負(fù)載均衡集群的目的是提供和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)成正比的負(fù)載能力，這種集群很適合提供大訪問(wèn)量的Web服務(wù)；超級(jí)計(jì)算集群的目的是提供高性能的計(jì)算能力。相關(guān)高校課程見(jiàn)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(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式Linux既繼承了Internet上無(wú)限開(kāi)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(jìn)行教學(xué)，可以有效解決國(guó)內(nèi)嵌入式技術(shù)教學(xué)與設(shè)計(jì)人才的缺乏問(wèn)題。目前，在開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，有超過(guò)一半的項(xiàng)目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。相關(guān)高校課程見(jiàn)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(chǔ)管理、CPU和進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理和驅(qū)動(dòng)、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L(zhǎng)inux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(jī)制及其原理。在了解Linux的內(nèi)核之后，無(wú)論是在其環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)還是對(duì)Linux系統(tǒng)進(jìn)行管理配置都會(huì)變得簡(jiǎn)單明了。相關(guān)高校課程見(jiàn)表5。

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

表2 將Linux系統(tǒng)與程序設(shè)計(jì)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(duì)象、授課方式、課時(shí)以及考核方式

為了對(duì)各高校的Linux系統(tǒng)相關(guān)課程進(jìn)一步地了解，從課程名稱、教學(xué)對(duì)象、授課方式、授課時(shí)間和考核方式進(jìn)行了比較（見(jiàn)表6）。由于表1—表5中已經(jīng)列出課程對(duì)應(yīng)的學(xué)校，而且有些學(xué)校開(kāi)設(shè)的課程名稱相同，所以表6中沒(méi)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(mén)計(jì)算機(jī)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(jìn)階，如嵌入式編程、高級(jí)編程，或者內(nèi)核分析；②授課方式基本都是理論課與實(shí)驗(yàn)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(shí)踐部分非常重要，理論部分也必不可少；③授課時(shí)間不統(tǒng)一，如果與操作系統(tǒng)原理相結(jié)合，那么課時(shí)會(huì)比較多，如果僅是Linux本身的內(nèi)容，那么課時(shí)會(huì)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(jī)與實(shí)驗(yàn)成績(jī)綜合作為最終成績(jī)這一點(diǎn)也能看出Linux相關(guān)課程對(duì)于理論與實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專業(yè)課，要對(duì)現(xiàn)有課程進(jìn)行改造和升級(jí)，讓各門(mén)課程之間進(jìn)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(jìn)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(jī)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(mén)重要的本科生專業(yè)課程，包括2個(gè)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(kāi)發(fā)者、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者和內(nèi)核開(kāi)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(kāi)發(fā)方法。教學(xué)內(nèi)容為L(zhǎng)inux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(kuò)展和應(yīng)用開(kāi)發(fā)（主要講解Linux下的C程序開(kāi)發(fā)、Java程序開(kāi)發(fā)、Web開(kāi)發(fā)和版本控制等）；②面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者，介紹基于Linux系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)、存儲(chǔ)平臺(tái)，以及幾個(gè)廣泛使用的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和分析工具。教學(xué)內(nèi)容為：大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)（介紹Hadoop與MapReduce及其使用，同時(shí)還介紹Spark和Storm）、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（主要介紹大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法和相關(guān)軟件，包括NoSql、HBase數(shù)據(jù)庫(kù)、OpenTSDB數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)和Mahout數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)），以及機(jī)器學(xué)習(xí)（TensorFlow平臺(tái)與基本的機(jī)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(jì)（按課程名稱排序）

授課方式采用理論與實(shí)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(diǎn)（如圖1所示）：①課程覆蓋與Linux相關(guān)的所有知識(shí)點(diǎn)，從系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理到內(nèi)核開(kāi)發(fā)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)，讓學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到各知識(shí)點(diǎn)并非獨(dú)立，而是緊密相關(guān)，并且可以融會(huì)貫通；②授課方式采用大部分高校都使用的理論與實(shí)踐相結(jié)合，只是在實(shí)踐中添加了課外項(xiàng)目和項(xiàng)目演示，讓學(xué)生能夠在項(xiàng)目中把知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)；③課程內(nèi)容適合并覆蓋計(jì)算機(jī)相關(guān)的所有專業(yè)，包括計(jì)算機(jī)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(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，這是目前的熱點(diǎn)方向，由于大數(shù)據(jù)框架和機(jī)器學(xué)習(xí)框架都離不開(kāi)Linux系統(tǒng)，所以希望借此應(yīng)用提高學(xué)生的動(dòng)手積極性。

圖1 東華大學(xué)Linux系統(tǒng)課程特色

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)展示和分析當(dāng)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?yàn)楦咝５腖inux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。