面向泛在操作系统课程的实践教学改革路径探索

xuos 2026-04-28 15:07:41

本文分享发表于《计算机教育》的论文。

作者：王璿，燕彩蓉，方志军，李继云，万燕，罗辛（东华大学计算机科学与技术学院，上海201620）

摘要：针对现有操作系统课程实践环节中前沿性内容融入不足、与产业需求对接不紧密的问题，提出引入矽璓工业物联泛在操作系统作为教学案例，通过课程内容的深度研磨与更新、教学方法的创新改革、产教深度融合以及教学与实践竞赛的双轮驱动，探索提升学生计算机系统实践能力和创新能力培养的有效路径，推动新工科发展，实现高素质计算机人才培养目标。

关键词：新工科；操作系统课程；计算机系统实践能力；泛在操作系统

DOI:10.16512/j.cnki.jsjjy.2025.05.038

0 引言

随着科技的飞速发展，新工科计算机人才的培养已成为教育领域的重要议题。在新时代背景下，计算机人才不仅需要扎实的理论知识，更须具备系统实践能力和创新精神，以应对日益复杂多变的技术挑战[1]。课程是人才培养的载体，是教学建设的重点和教学改革的核心。计算机专业基础知识的传授与实践技能的培养，对高层次人才的培养具有无可替代的关键作用与深远意义。特别是在“核高基”国家重大科技专项的实施过程中所折射出来的计算机专业人才培养的短板和瓶颈，凸显了加强计算机系统能力培养的紧迫性和必要性[2]。操作系统是计算机专业的一门理论性和实践性并重的核心主干课程。面向计算机系统能力培养目标，着力推进操作系统优质课程建设非常必要。

操作系统行业作为信息技术的中枢领域，其发展正面临新的挑战。随着云计算、大数据、人工智能等技术的不断涌现，以及新型硬件资源的发展和应用模式的革新，操作系统不断演化和变迁[3]。操作系统生态开始多元化，未来的操作系统可能是多生态并存的。这一变化对计算机教育提出了新的要求，要求我们培养出能够掌握新技术、适应新需求的高素质人才。

在国家创新驱动发展战略推进的大背景下，为促进教育链、产业链、创新链衔接，综合提升学生专业素质、实际应用能力与创新创业能力，结合教学团队在课程建设和改革中的经验与反思，分析出目前操作系统课程的实践教学环节仍存在两个亟待解决的问题。①课程内容往往滞后于行业发展，前沿性内容融入不足。②实践教学与产业需求对接不紧密，导致学生难以将所学知识应用于实际工作中。这些问题严重制约了学生实践能力和创新精神的培养，也影响了计算机专业教育的质量和效果。因此，针对操作系统课程实践环节进行改革显得尤为紧迫。

1 泛在操作系统驱动教育革新

梳理操作系统发展的重要事件及其时间节点，其重大变迁存在“20 年周期律”，即每 20 年出现一次跨越式发展机遇，诞生新一代操作系统 [4]。互联网发展至今呈现 “人 — 机 — 物” 融合的特点，引领信息技术走向泛在计算时代。泛在操作系统是面向新的泛在计算模式的操作系统，是传统操作系统的泛化和延伸。

虽然泛在操作系统的概念[5] 在 2018 年才被正式提出，但是其相关的研究已开展多年，在国内外学术与产业领域，已涌现出多样化、新形态泛在计算应用模式的操作系统，例如谷歌的 Fuchsia OS 项目、阿里巴巴的移动操作平台 AliOS、华为 openEular、矽璓 XiUOS 等。它们源于传统嵌入式操作系统的技术途径，针对特定泛在计算场景进行切入和扩展，在资源管理、网络协同、人机交互等方面进行了新的技术探索。

产业结构的不断升级和新兴技术的迅猛发展，对于计算机人才培养和课程建设提出了新的要求。以操作系统课程为例，主要体现在3个方面。①更新课程体系，跟踪最新技术发展趋势，引入泛在操作系统理念，确保课程内容与技术发展同步。②提升实践教学质量，搭建实践平台，为学生研究与创新提供良好支撑。强化实验环节，让学生通过实际的案例或项目动手体验泛在操作系统，进而掌握其应用。同时，进一步加强校企合作共建课程资源，企业专家参与或指导课程实践环节，让学生了解对泛在操作系统的需求和期望。③鼓励创新能力，鼓励学生基于泛在操作系统开展研究与创新，通过竞赛、创业项目等课程内容的延伸，加强对学生团队协作、沟通能力、项目管理等方面的培养，以适应复杂项目的开发需求。

2 操作系统课程实践实施路径

操作系统课程契合“101 计划”的工作要点，多年来通过优化教学设计、转换教学方法、拓展教学手段等方式，持续深化教学建设，取得了一定的成果。为适应快速发展的技术环境，操作系统课程提出了基于思—教—赛—创有机融合的课程模式，以产业需求和专业定位为导向，以计算机系统能力培养为核心，突出以学生为主体，强调在实践过程中对理论知识的重构，通过强化思政引领、课程群的知识关联、递进式实验、以赛创提能等途径，培养学生解决复杂问题的系统能力，提升学生的可持续竞争能力（如图1所示）。

操作系统课程基础理论部分共3学时，主要面向现代操作系统讲授基础理论和关键技术，结合内核分析和核心算法验证实验进行学习。操作系统课程实践部分在6学时的专业实习（含组成原理、嵌入式系统等课程群内容）中体现，增加泛在操作系统技术发展的前沿讲座内容，并结合操作系统课程的特色资源矽璓XiUOS工业物联泛在操作系统的实践案例，将泛在操作系统实际场景引入教学实践环节。操作系统理论和实践环节课程内容设置如图2所示。

3 基于工业物联泛在操作系统的教学实践

1）实践环境

教学团队所在院校在纺织工业领域具有一定引领作用，计算机专业的人才培养也侧重于赋能纺织行业的技术发展与创新，因此，教学团队选择工业物联泛在计算场景作为课程实践背景。为了让实践场景“看得见，摸得着”，2023年与北京大学信息技术高等研究院成立了“泛在计算与工业大数据联合实验室”，配备 ARM 架构和 RISC‑V 架构的 XiUOS 处理器100台，结合矽璓 XiUOS 案例展开实践教学。同时，课程还借助国产主流操作系统开源社区，如OpenEular OS、Kylin OS，通过内核剖析的模拟实验，让学生直观地了解操作系统的特征和应用范围，深入理解操作系统中如进程管理、处理器管理、存储器管理、文件管理等主要知识点的内涵。

2）前沿讲座

课程实践教学环节，邀请了操作系统领域专家和企业技术研发专家进行前沿讲座，使学生了解最新技术趋势，帮助拓宽视野。

领域专家站在泛在操作系统结构的高度，横向对比最新技术的优缺点，为学生深入剖析新时代操作系统的设计理念、技术架构以及未来趋势。例如，云原生技术、容器化技术和边缘计算等新兴技术正在重塑操作系统的技术架构，为操作系统带来了新的发展机遇，但同时也带来了挑战，如安全性、可管理性和标准化等问题。通过横向对比和深入剖析，学生形成对课程认知的大局观，有助于在未来的学习或就业中更好地把握操作系统的发展方向，为推动操作系统的创新和进步作出贡献。

企业专家从具体的应用场景出发，纵向深入地讲解操作系统产品落地实际场景的部署过程，让学生了解操作系统如何支持不同的应用场景并根据具体需求进行订制和优化。例如，某工厂部署智能感知系统，专家详细介绍了基于XiUOS 操作系统的感知框架，采集工业环境数据如温度、湿度、压力等，为工厂的智能化管理提供数据支持的过程；还演示了基于 XiUOS 的多任务管理功能，展示了如何实现并发地管理多个主动上报和被动应答的传感器。通过这一功能，工厂能够实现对多个传感器的实时监控和管理，确保生产过程的稳定性和可靠性。通过与企业面对面的交流，学生直观地理解了操作系统在工厂智能化管理中的作用，帮助学生切实掌握操作系统的核心技术和应用方法。

3）实践案例

在具体应用场景中，工业物联泛在操作系统需要解决“感、联、知、控”4个方面的问题。① 感：复杂多样的工业生产实体智能地识别、感知和采集生产相关数据；② 联：工业数据在互联互通的网络上进行传输和汇聚；③ 知：对这些网络化的工业大数据形成快速处理和实效分析；④ 控：将数据分析所得到的信息反馈到工业生产中，对生产活动进行改善。

为覆盖实际场景需要解决的问题，结合XiUOS 处理器的功能及其支撑的应用，教学团队与企业研发人员合作，抽取实际产品应用的技术方案，设计了全面感知、泛在互联、实时认知、精准控制4 个综合实践案例，学生 2-3 人组队完成实践案例。以 “全面感知”为例，实践案例的设计内容说明见表1。

综合实践案例有助于学生理解工业物联泛在操作系统有效地隐藏底层传感器设备的硬件细节、对外提供统一的数据采集接口，从而简化传感器应用与驱动的开发应用过程。学生通过理论与实践相结合，形成了“学习—验证—应用实践—总结—学习”的闭环迭代优化模式，培养了创造性思维能力，提高了解决复杂工程问题的能力。

4 产赛教深度融合

教学模式改革为课程实践带来了成效，在更高层次的创新创业人才培养方面，教学团队以课程实践为延伸，通过意识培养、能力提升、品质养成的梯度持续引导，激发学生内生原动力，有效提升创新创业能力。

（1）教学团队定期与企业开展双向交流和信息共享，与行业发展技术紧密对接，同时，参加了XiUOS、openEuler、Kylin 等面向高校教师的系列师资培训，提升团队教师的创新创业意识和教学能力。

（2）推进教学延伸，以赛促教。目前，国内有一系列颇具规模的国产操作系统的开源竞赛，面向研究生和本科生展开，为学生提供了一个绝佳的提升系统能力的平台。例如，在2023 年全国CCF开源大赛矽璓赛道，操作系统课程班的 3 位同学组队参加比赛并选择了“FTP 传输”的赛题，探究基于矽璓已实现的LwIP 协议栈，在 ARM 架构上实现 FTP 协议的 Client 功能，最终获得了二等奖。指导教师与同学团队一起，深入理解XiUOS 中 FTP 任务传输协议的概念，在XiUOS操作系统上搭建FTP传输功能，根据已有协议栈设计赛题要求的内容，编写代码完成赛题。团队竞赛的过程，是多学科知识的综合运用，是学生对泛在计算应用模式及泛在操作系统的深入理解。既培养了团队协作能力，也让学生紧跟技术发展趋势，深入学习并解决实际问题。

（3）驱动产教转化。教学团队依托联合实验室、校企合作实践基地，与企业导师合作，帮助学生打磨创业项目，实施创业计划，促使学生围绕专业进行创新创业。例如，课程实践案例“传感器数据采集与展示”，要借助矽璓设备“矽数通”硬件及XiUOS操作系统的底层设计，实现对温度、湿度等数据采集和智能控制，实现物联层面的数字化建设。案例中的 PLC 采集、传输及设备物联的实现技术同样适用于智能立体仓库的环境监测，其核心技术与团队成员牵头的“某乳业智慧立体仓库可视化监控”横向项目契合，该项目产教转化的成果体现为本科生毕业设计两篇、软件著作权一项、创新创业比赛一项。

为进一步激励学生学习兴趣及产赛教深度融合，课程未来改革环节考虑修改课程评价标准，逐步完善创新创业环节的评价机制，支持学生以专业创新竞赛成绩替代专业课程学分，以专业创新设计代替毕业设计，以创业实践代替专业实习。

5 结语

泛在计算模式是未来行业发展的新趋势，泛在操作系统已得到了广泛的研究与应用，但现有操作系统课程建设未能及时适应新的技术需求对计算机人才培养提出的新要求。为此，我们以矽璓工业物联泛在操作系统为场景，探索了操作系统实践课程改革的新路径，采用了基于思—教—赛—创有机融合的课程模式。未来，操作系统课程团队将持续关注国家发展及产业需求的变化，调整和优化课程结构，深入探索操作系统发展的路径，有效落实“新工科”建设理念。

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