遞進式實踐能力培養(yǎng)研究
——以物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)硬件類課程為例

董 錚 徐德剛 楊建強 金 鑫

(1.湖北文理學院 計算機工程學院 湖北 襄陽 441053 2.湖北文理學院 物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

引言

為貫徹落實“十四五”發(fā)展規(guī)劃，近日工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)絡安全和信息化委員會辦公室、科技部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設部、農業(yè)農村部、國家衛(wèi)生健康委員會、國家能源局等八部門聯(lián)合印發(fā)《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎設施建設三年行動計劃(2021—2023 年)》[1]。足見物聯(lián)網(wǎng)將是我國“十四五”時期建設的重中之重。物聯(lián)網(wǎng)技術是通過信息傳感設備采集原始信息，再經(jīng)由設定的程序和網(wǎng)絡信號，將物與網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)信息互傳[2]。如今，物聯(lián)網(wǎng)的應用非常廣泛，已經(jīng)滲透到日常的學習、工作的方方面面，如智慧交通、快遞儲存、家居智能、環(huán)境監(jiān)控、人員監(jiān)測等各個領域。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的課程可分為硬件類課程和軟件類課程，其中硬件類課程是基礎，軟件類課程是靈魂。硬件類課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程設置中的重要的基礎部分，也是后續(xù)其它課程學習的基礎[3]。

目前我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)按照“拓寬基礎、強化應用、重視實踐、整體優(yōu)化”原則制定培養(yǎng)計劃，堅持“以素質教育為基礎、以學業(yè)教育為中心、以就業(yè)創(chuàng)業(yè)教育為目標”的工作理念，強化綜合素質教育和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。計算機硬件類課程的教學目的是使學生樹立計算機硬件的相關概念，理解計算機系統(tǒng)的計算過程，使學生能夠勝任在科研部門、教育單位、企事業(yè)、技術和行政管理等單位的計算機的相關工作[4]。目前尚處于專業(yè)發(fā)展的成長期，存在著以下的現(xiàn)實問題：

專業(yè)理論課程前后聯(lián)系不緊密，人才培養(yǎng)定位和目標不能較好適應物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。目前按照專業(yè)規(guī)范開設相應課程，但課程之間銜接關系不緊密，有些課程內容出現(xiàn)部分重復，缺乏全面的認識該專業(yè)的課程體系，尤其在硬件類課程方向上，教學“投入”與“產(chǎn)出”往往差強人意，導致部分課程學時緊張，學生消化時間較少。在課程設置上，以理論課程的“點”為主導，實踐能力培養(yǎng)的“面”聚焦較少，課程體系目標無法得到有效串聯(lián)，導致學生對該專業(yè)的理解不夠透徹。

各個實踐環(huán)節(jié)關聯(lián)性較弱，硬件類課程實踐主要分成課程實驗、系統(tǒng)開發(fā)實訓和基地實習三個環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)之間應該是環(huán)環(huán)相扣，緊密連接的。實驗是驗證課堂理論的重要認知手段。系統(tǒng)開發(fā)實訓是對前某一個階段的知識綜合考量，也是對前期部分實驗的有效檢測手段。目前教師講授實踐和開發(fā)實訓只涉及課程實驗及實訓本身，但兩者關聯(lián)性不是太強，這也就造成學生只會完成特定條件下的實驗、實訓任務，而一到校外進行實踐實習時，要到需求項目時往往不知所措，無法用學到的知識去解決。

學生參與實踐項目較少，物聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)專業(yè)教師有課題，但往往由所帶研究生協(xié)助完成，本科生一般不能參與，這也造成學生畢業(yè)后不了解當前社會需求，無法掌握其中的“竅門”。面對社會需求時，無法進行合理的項目規(guī)劃和考察，這也導致學生的實際科研能力有所欠缺，很少受到用人單位的青睞。

實踐場所及設備較為落后，我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)于2012年著手籌備物聯(lián)網(wǎng)工程本科教育，2013年9 月物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)正式開始招生，其中實踐場所均為13年新建，距今已有9年，實踐所用設備存在不同程度老化及損壞，師生進行專業(yè)教學及研究顯得有些力不從心。

針對上述存在現(xiàn)實狀況，應加快實踐改革步伐，完善物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)機制，加強實踐能力培養(yǎng)及知識傳授，使培養(yǎng)的學生能真正的滿足地方經(jīng)濟文化，“契合”社會發(fā)展的需要和企業(yè)的迫切需求，故提出構建遞進式實踐教學體系。

1 遞進式實踐教學體系構建原則

按照“拓寬基礎、強化應用、重視實踐、整體優(yōu)化”原則制定培養(yǎng)計劃，堅持“以素質教育為基礎、以學業(yè)教育為中心、以就業(yè)創(chuàng)業(yè)教育為目標”的工作理念，強化綜合素質教育和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。結合實踐教學設計的基本原則，強化、打通各課程之間跨層次的關聯(lián)知識點“壁壘”，探索一條“遞進式”物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實踐創(chuàng)新的模式。

2 遞進式多級實踐教學體系構建內容

2.1 遞進式多級實踐教學體系內涵

物聯(lián)網(wǎng)硬件類課程主要包括程序設計基礎、計算機組成與體系結構、單片機原理及應用、嵌入式系統(tǒng)與設計等多門課程。根據(jù)學生掌握的難易程度，可設立“初級(程序設計、數(shù)字邏輯)，中級(具備基本輸入/輸出功能，能進行交叉編譯)，高級(運行教學操作系統(tǒng)的能運行應用程序的計算機)三級逐步遞進的課程體系，逐步提高學生興趣，建立物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系樹如圖一所示：

其中對于各課程需要進行適當刪減，例如：數(shù)字邏輯課程和計算機組成原理與體系結構課程可以把部分內容合并講解，基本邏輯門單元可以協(xié)調各任課老師，進行課時相應縮減。對于單片機原理部分應用等章節(jié)，可以調到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理課程上一并講解，由此來彌補課程學時緊張的局面。計算機組成原理與體系結構作為重要的專業(yè)基礎課，是學習其他硬件類課程的“敲門磚”，學好了這門課，才會對計算機硬件體系的架構及關鍵的中斷機制有深刻的了解和掌握，而單片機原理起著各門課程相互銜接的“橋梁”課程，也是學生對掌握的理論知識的轉化為應用能力的“有力”課程。通過上述階段的課程開設，加上操作系統(tǒng)的“配合”，又為學生綜合實踐課程--物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理打下良好的“基礎”。

圖1 專業(yè)硬件課程體系

2.2 明確多級實踐教學體系及課程教學內容取舍

由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)所學課程比較多，前期課程多偏向理論。尤其像“數(shù)字邏輯”“計算機組成原理與體系結構”這類課程，而后續(xù)“物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理”等課程更應用于實踐。這就需要權衡各課程之間的內容取舍，做到“精簡”，但又不能使各體系內容相互出現(xiàn)“斷裂”。 對于單片機原理與應用課程中部分應用系統(tǒng)設計可以與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理等實踐課程內容合并，并將其中理論與實踐教學相結合，用來使學生基本學習能力層次得以提高[6]。

2.3 統(tǒng)籌各課程系統(tǒng)層次之間聯(lián)系

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的硬件基礎課程是數(shù)字邏輯，該課程宜采用項目驅動案列教學等方法，讓學生理解硬件的相關基本電路，掌握基本組成電路的設計規(guī)則和原理,尤其需要注重時序邏輯的生成，這也是后續(xù)電路設計的基礎。計算機組成原理與體系結構課程是整個硬件課程體系的核心，設計小型計算機硬件系統(tǒng)的任務驅動將CPU、存儲器、I/O設備等的理論教學與CPU、存儲器、I/O設備等的實踐教學相結合，將基礎模塊 CPU、存儲器、I/設備等功能模塊進行綜合開發(fā)[7]。單片機原理課程中以AT89系列單片機系列為基礎講授其體系結構與原理，要求學生開發(fā)小型的尋跡小車來激發(fā)學習該課程的興趣。一些常見的組合邏輯器件以集成芯片的形式出現(xiàn)，為了使學生能更加深刻了解工作原理，可以通過自己搭建基本邏輯器件的方式來使學生領悟，并可以通過比較兩者的優(yōu)缺點來加深對某類芯片的了解和掌握。

2.4 建立高效有利于持續(xù)改進的多目標、遞進式實踐教學考核

物聯(lián)網(wǎng)硬件專業(yè)的課程具有跨學科性，涉及內容較廣泛。設立“初級(程序設計、數(shù)字邏輯計算)，中級(具備基本輸入/輸出功能，能進行交叉編譯)，高級(運行教學操作系統(tǒng)的能運行應用程序的計算機)的三級逐步遞進式模式，使學生從“動”起來到 “走”起來，再到“跑”起來的過程，逐步提高學生興趣。

由于硬件類課程涉及“交叉”課程較多，可通過構建多元化的考核評價體系，從知識、實踐、能力三個層次進行考察，體現(xiàn)過程評價，例如：引入小組討論，每學期布置大作業(yè)，課下自行分組，期末進行小組互相打分，允許一次改進后再次打分。注重學習效果評價，充分利用信息技術，搭建線上學習、作業(yè)、實驗、考試平臺，全程記錄學生學習數(shù)據(jù)，及時獲取學生學習效果和反饋效果，深入分析課程目標達成度，診斷總結教學經(jīng)驗，采取積極有效手段，持續(xù)進行教學改進。

2.5 優(yōu)化專業(yè)實踐能力培養(yǎng)體系

學生實踐能力的培養(yǎng)需要一個遞進的過程，認知過程需要通過螺旋式上升，從理論到實踐，再內化為個人能力，其整個課程體系如圖3所示。英國教育心理學家托尼 · 斯托克維爾指出：“要想快速而有效地學習任何東西，你必須去看它、聽它、感覺它[6]。因此首先是要加強每位同學對自身專業(yè)的認知能力，從硬件專業(yè)課基礎“數(shù)字邏輯”開始，通過應用案列直接使學生感受這門課程的“魅力”。引入 “智能問答”，“智能感應風扇”等模塊增強課程趣味性和實用性，從而使專業(yè)知識也得到綜合拓展和訓練。

課程實習階段將嵌入式系統(tǒng)、單片機原理、傳感網(wǎng)原理及應用課程列為重點，通過一系列綜合實踐項目和課程設計，學生自身專業(yè)知識得以進一步明晰和加強，為進一步工程實踐認知打下堅實的基礎。

在工程實踐認知階段，與襄陽市多家信息企業(yè)進行合作，使學生自身專業(yè)認識得以升華，也使學生能認識到當今社會的需求，推動了學生能從校園向社會“走”出去，實現(xiàn)自身高質量的發(fā)展。

3 結語

近兩年來，學生學習效果有了明顯提升。2021年，學生獲得“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽國賽銀獎，全國大學生工程訓練綜合能力競賽一等獎一項，全國大學生物聯(lián)網(wǎng)設計競賽二等獎一項。學院與多家企業(yè)建立產(chǎn)學研合作關系，共建大學生就業(yè)實習基地18個，卓越計劃合作單位5個。基于遞進式課程體系建設已初現(xiàn)成效，在提升教學效果中具有較好的適用和推廣價值。