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“创客”理念在《Linux操作系统》课程中的应用

范文

申海杰　陈晓范　田新志　边倩　王振铎

摘要：《Linux操作系统》是西安思源学院网络工程专业的专业方向课，本课程结合项目驱动进行案例式教学，整个教学过程突出以学生为中心的思想，并建立了“思政+知识+能力”的科学、客观、公正的基于过程化管理的教学效果评价体系。实现了创新与实践的有机结合，提高了学生主动实践、终身学习的能力。该文主要介绍了基于项目式教学的创客教育理念在该课程改革中的应用。

關键词：创客;Linux;课程

中图分类号：G712? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）06-0146-03

1研究现状

1.1“创客”理念

“创客”来源于英语中的“Maker”[1]。现在，创客运动不仅在技术上、制造业上和商业上体现出变革力量，而且对教育带来了不可估量的变革作用。人们纷纷开始探索创客运动对教育领域的巨大作用 [2]。

“创客”理念与“实践教学”的思想是契合一致的，而且可以结合到学生创新创业能力的培养中[3]。“创客”理念主要包括“体验教育”“项目教学”“创新教育”“DIY”等，将其融入课程教学中可以提高学生解决问题的能力，和提升学生的综合素养。

1.2 Linux系统

Linux操作系统诞生于1991年10月5日，创始人是芬兰赫尔辛基大学计算机专业大三的学生Linus Benedict Torvalds，它是一个基于UNIX的一个新的操作系统[4]。Linux操作系统的源代码开放，全世界所有的编程爱好者都可以通过Internet免费获取进行研究[5]。Linux的另外一个特点就是可裁剪，在保障稳定运行的同时可以裁剪的非常小巧，所以在嵌入式领域中Linux操作系统的应用非常广泛。目前，《Linux操作系统》课程也是很多工科院校计算机相关专业的重要专业课。为适应社会发展及学生就业的需要，西安思源学院电子信息工程学院网络工程专业（物联网方向）针对物联网人才能力需求特点，将《Linux操作系统》课程安排为本专业必修专业课。

2 研究内容

随着国家对大学生创新创业能力培养的重视，如何培养学生的创新创业能力成了很多高校的研究目标。而5G通信、物联网、大数据、人工智能的发展也对传统教学方式提出了新的挑战。如何结合新技术提升学生的创新创业能力已经成为值得我们深入研究的全新课题[2]。

本文的研究目标是将“创客”理念融入《Linux操作系统》课程的教学过程中。研究《Linux操作系统》课程教学的文章有很多，有关创客教育的研究也很多，不过国内尚未见“创客”理念在《Linux操作系统》课程教学中的应用的文章。但是“创客”理念与Linux操作系统紧密相关，由于Linux本身是开源软件，很多创客产品都是基于Linux操作系统实现的。所以，研究“创客”理念在《Linux操作系统》课程教学中的应用具有切实的应用前景[6]。

3 研究思路

首先，“创客”理念强调的DIY能力和课程目标中的学生动手能力的培养是一致的;其次，“创客”理念中的以学生为中心和“OBE”理念中的以学生为中心培养学生自主学习能力也是一致的;然后，“创客”理念强调的通过实践来学习也和创新教育理念中的“从实践中来到实践中去”不谋而合;最后，“创客”项目驱动的学习方式也和OBE教育的理念中的成果导向不谋而合。通过将“创客”理念融入《Linux操作系统》课程的教学中可以培养学生的动手能力、自主学习能力和创新创业能力[7]。

4 “创客”理念在《Linux操作系统》课程中的应用

本节介绍“创客”理念结合《Linux操作系统》课程进行项目式教学的具体应用情况。

我校网络工程专业《Linux操作系统》课程考核形式为完成“基于Linux的人脸识别考勤系统”的项目式大作业。通过该项目作业最终使学生能够了解项目开发基本流程，并且掌握设计的Linux常用命令、Linux下常用的软件安装方法、Linux脚本程序的编写、计算机网络通信等课程相关知识。

4.1 项目名称

基于Linux的人脸识别考勤系统。

4.2 需求分析

“基于Linux的人脸识别考勤系统”的一大功能就是实现刷脸考勤，与传统纸质签到、口头点名、手动刷卡不同，该系统利用开源代码基于Linux平台实现，无须专门硬件设备，通过摄像头抓拍上课学生的人脸信息，和后台云端事先录入学生的人脸进行对比，最终实现人脸识别考勤。由于AI技术的发展已非常成熟，相对传统方式考勤该系统可以缩短考勤时间提升考勤效率，还可以避免传统考勤方式互相代签的现象，使教学管理更加高效准确。

4.3项目设计

本系统后台使用开源平项目Home Assistant，将笔记本电脑自带的摄像头连接虚拟机中的Linux虚拟机，通过MJPEG-streamer 将采集图像发布为Web方式，再通过Web摄像头方式接入 Home Assistant，使用Python程序进行人脸识别，识别后使用自动化处理，TTS语音播报学生姓名，并微信推送到教师手机。“基于Linux的人脸识别考勤系统”实现了学生上课考勤的自动化，通过使用人脸识别考勤改进了传统考勤系统统计的准确性，还可以避免传统考勤普遍存在的作弊现象，结合脚本程序将考勤结果保存为报表则为课堂出勤统计提供了依据。最大的优势是本系统无须购置专门的考勤机设备，基本上实现了零成本考勤。总体方案原理如图1所示。

4.4 项目具体实施

学生依据前面项目分析、项目设计阶段生成的系统框架方案图，结合学习过的“Linux操作系统”课程知识，结合GitHub平台的开源代码完成系统各个功能模块的实现，最终完成整个系统。

HomeAssistant是基于Python语言开发的一款可用于智慧空间构建的神器。基于HomeAssistant，可以方便地连接各种外部设备（智能设备、摄像头、邮件、短消息、云服务等，成熟的可连接组件有近千种），手动或按照自己的需求自动化地联动这些外部设备，构建随心所欲的智慧空间。并且HomeAssistant是开源的：它不属于任何商业公司，用户可以无偿使用。

本项目实施过程中首先搭建HomeAssistant平台，然后将功能分解为多个模块，每次集成一个模块，模块设计与模块集成同步进行，具体集成方式为每次设计新的模块后即进行本模块的集成，如集成未通过则进行排错，直到全部模块均集成完毕。如图2所示。

具体模块包括：

1） mjpg-streamer摄像头画面采集模块

mjpg_streamer的作用是从摄像頭采集图像，并把画面以流的形式，通过基于IP的网络传输到浏览器端。

a.安装mjpg-streamer软件：

安装成功后，可以通过浏览器访问摄像头画面

b.开机自动连接摄像头：

c.在homeassistant中集成摄像头：

camera：

- platform： mjpeg

mjpeg_url： http：//127.0.0.1：8080/？action=stream

name： camera

2）人脸识别模块

本插件使用GitHub开源代码，模块利用python语音实现对接百度AI人脸识别服务并处理返回结果。

a.添加人脸识别插件：

b.在homeassistant中集成人脸识别sensor

sensor：

- platform ：baidu_face

app_id： "*******"

api_key： "*******"

secret_key： "*******"

group_list： "*******"

entity_id： "*******"

access_token： "*******"

3）语音播报模块

TTS 是 Text To Speech 的缩写，即“从文本到语音”。它是同时运用语言学和心理学的杰出之作，在内置芯片的支持之下，通过神经网络的设计，把文字智能地转化为自然语音流。本系统刷脸签到后会使用TTS将“XXX同学已签到！”文字转为语音并调用MPD播放器进行本地播报。

a. 配置tts

b. 安装mpd播放器

c. 在homeassistant中集成mpd播放器和tts

tts：

- platform： baidu

#app_id，api_key，secret_key从百度云上注册得到

app_id： "**********"

api_key： "**********"

secret_key： "**********"

speed： 5

pitch： 5

volume： 15

person： 0

media_player：

- platform： mpd

host： 127.0.0.1

d. 在homeassistant中定义自动化流程

4）微信推送模块

本插件使用GitHub开源代码，模块利用python语音实现对接企业微信服务并按照预先配置实现消息定向推送。

a. 在homeassistant中集成企业微信插件

notify：

- platform： Qiyeweichat

name： weixin_sign_in

corpid： **********

agentId： **********

secret： **********

touser： '**********'

b. 在homeassistant中定义自动化流程

4.5 项目测试

项目实施与项目测试同步进行，具体测试方式为每次集成新的模块后即进行本模块的运行测试，如运行未通过则进行排错，直到运行测试通过。全部模块均集成完毕后对整个系统运行效果进行最终测试。测试运行效果如图3所示。

4.6 项目完成成果形式及创新性

本项目完成成果形式为学生通过搭建homeassistant平台并集成各模块组件最终实现“基于Linux的人脸识别考勤系统”，要求系统能够实际运行并测试通过。

该项目系统还具有以下创新点：

1）精准的学生考勤

本系统使用人脸识别技术签到，相对于传统考勤方式准确度更高、可避免学生间互相代签行为。

2）功能实现场地要求低

本系统成本低廉，适用多种场景，市场化前景乐观。

3）安全性

本系统支持活体检测，可避免学生用照片替人代签行为。

4）公开透明性

本系统使用TTS技术实现签到后实时语音播报学生姓名信息功能。

5）微信推送

本系统签到信息可第一时间通过企业微信功能推送至老师手机。

5 总结

Linux是自由软件项目的重要组成部分，它目前广泛地应用于大数据、云计算和人工智能等领域中。本课程结合项目驱动进行案例式教学，整个教学过程突出以学生为中心的思想，并建立了“思政+知识+能力”的科学、客观、公正的基于过程化管理的教学效果评价体系。实现了创新与实践的有机结合，提高了学生主动实践、终身学习的能力。

参考文献：

[1] 赵广元，王文庆，蔡秀梅.创客教育视野下“计算机网络”课程实验设计[J].现代教育技术，2015，25（9）：116-121.

[2] 章晓敏，慈艳柯，李永平，等.创客理念在《嵌入式操作系统高级编程》课程中的应用[J].价值工程，2017，36（26）：180-182.

[3] 祝智庭，孙妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育，2015（1）：14-21.

[4] 吴强.翻转课堂在Linux系统课程教学中的应用[J].绍兴文理学院学报（教育版），2018，38（1）：51-54.

[5] 韩丽霞，李昕.Linux操作系统教学改革初探[J].教育教学论坛，2018（35）：117-118.

[6] 于士军，刘豪睿，朱恒伟.基于OBE的交通运输专业（车联网方向）Linux操作系统教学改革[J].电子世界，2019（2）：88，90.

[7] 王克朝，王甜甜，宗明魁，等.面向能力培养的“Linux应用”课程教学改革[J].计算机教育，2013（6）：72-75，79.

【通联编辑：朱宝贵】

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