董 錚 徐德剛 楊建強(qiáng) 金 鑫

(1.湖北文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053 2.湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053)

引言

為貫徹落實(shí)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，近日工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室、科技部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)、國(guó)家能源局等八部門聯(lián)合印發(fā)《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃(2021—2023 年)》[1]。足見(jiàn)物聯(lián)網(wǎng)將是我國(guó)“十四五”時(shí)期建設(shè)的重中之重。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過(guò)信息傳感設(shè)備采集原始信息，再經(jīng)由設(shè)定的程序和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，將物與網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息互傳[2]。如今，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)滲透到日常的學(xué)習(xí)、工作的方方面面，如智慧交通、快遞儲(chǔ)存、家居智能、環(huán)境監(jiān)控、人員監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)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(chǔ)，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(shè)置中的重要的基礎(chǔ)部分，也是后續(xù)其它課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)[3]。

目前我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)按照“拓寬基礎(chǔ)、強(qiáng)化應(yīng)用、重視實(shí)踐、整體優(yōu)化”原則制定培養(yǎng)計(jì)劃，堅(jiān)持“以素質(zhì)教育為基礎(chǔ)、以學(xué)業(yè)教育為中心、以就業(yè)創(chuàng)業(yè)教育為目標(biāo)”的工作理念，強(qiáng)化綜合素質(zhì)教育和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。計(jì)算機(jī)硬件類課程的教學(xué)目的是使學(xué)生樹(shù)立計(jì)算機(jī)硬件的相關(guān)概念，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程，使學(xué)生能夠勝任在科研部門、教育單位、企事業(yè)、技術(shù)和行政管理等單位的計(jì)算機(jī)的相關(guān)工作[4]。目前尚處于專業(yè)發(fā)展的成長(zhǎng)期，存在著以下的現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(biāo)不能較好適應(yīng)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(kāi)設(shè)相應(yīng)課程，但課程之間銜接關(guān)系不緊密，有些課程內(nèi)容出現(xiàn)部分重復(fù)，缺乏全面的認(rèn)識(shí)該專業(yè)的課程體系，尤其在硬件類課程方向上，教學(xué)“投入”與“產(chǎn)出”往往差強(qiáng)人意，導(dǎo)致部分課程學(xué)時(shí)緊張，學(xué)生消化時(shí)間較少。在課程設(shè)置上，以理論課程的“點(diǎn)”為主導(dǎo)，實(shí)踐能力培養(yǎng)的“面”聚焦較少，課程體系目標(biāo)無(wú)法得到有效串聯(lián)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該專業(yè)的理解不夠透徹。

各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性較弱，硬件類課程實(shí)踐主要分成課程實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)和基地實(shí)習(xí)三個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)之間應(yīng)該是環(huán)環(huán)相扣，緊密連接的。實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證課堂理論的重要認(rèn)知手段。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)是對(duì)前某一個(gè)階段的知識(shí)綜合考量，也是對(duì)前期部分實(shí)驗(yàn)的有效檢測(cè)手段。目前教師講授實(shí)踐和開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)只涉及課程實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)本身，但兩者關(guān)聯(lián)性不是太強(qiáng)，這也就造成學(xué)生只會(huì)完成特定條件下的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)任務(wù)，而一到校外進(jìn)行實(shí)踐實(shí)習(xí)時(shí)，要到需求項(xiàng)目時(shí)往往不知所措，無(wú)法用學(xué)到的知識(shí)去解決。

學(xué)生參與實(shí)踐項(xiàng)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(xué)生畢業(yè)后不了解當(dāng)前社會(huì)需求，無(wú)法掌握其中的“竅門”。面對(duì)社會(huì)需求時(shí)，無(wú)法進(jìn)行合理的項(xiàng)目規(guī)劃和考察，這也導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)際科研能力有所欠缺，很少受到用人單位的青睞。

實(shí)踐場(chǎng)所及設(shè)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(kāi)始招生，其中實(shí)踐場(chǎng)所均為13年新建，距今已有9年，實(shí)踐所用設(shè)備存在不同程度老化及損壞，師生進(jìn)行專業(yè)教學(xué)及研究顯得有些力不從心。

針對(duì)上述存在現(xiàn)實(shí)狀況，應(yīng)加快實(shí)踐改革步伐，完善物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)機(jī)制，加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)及知識(shí)傳授，使培養(yǎng)的學(xué)生能真正的滿足地方經(jīng)濟(jì)文化，“契合”社會(huì)發(fā)展的需要和企業(yè)的迫切需求，故提出構(gòu)建遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系。

1 遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建原則

按照“拓寬基礎(chǔ)、強(qiáng)化應(yīng)用、重視實(shí)踐、整體優(yōu)化”原則制定培養(yǎng)計(jì)劃，堅(jiān)持“以素質(zhì)教育為基礎(chǔ)、以學(xué)業(yè)教育為中心、以就業(yè)創(chuàng)業(yè)教育為目標(biāo)”的工作理念，強(qiáng)化綜合素質(zhì)教育和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。結(jié)合實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的基本原則，強(qiáng)化、打通各課程之間跨層次的關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)“壁壘”，探索一條“遞進(jìn)式”物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新的模式。

2 遞進(jìn)式多級(jí)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建內(nèi)容

2.1 遞進(jìn)式多級(jí)實(shí)踐教學(xué)體系內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)硬件類課程主要包括程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計(jì)等多門課程。根據(jù)學(xué)生掌握的難易程度，可設(shè)立“初級(jí)(程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯)，中級(jí)(具備基本輸入/輸出功能，能進(jìn)行交叉編譯)，高級(jí)(運(yùn)行教學(xué)操作系統(tǒng)的能運(yùn)行應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī))三級(jí)逐步遞進(jìn)的課程體系，逐步提高學(xué)生興趣，建立物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程體系樹(shù)如圖一所示：

其中對(duì)于各課程需要進(jìn)行適當(dāng)刪減，例如：數(shù)字邏輯課程和計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)課程可以把部分內(nèi)容合并講解，基本邏輯門單元可以協(xié)調(diào)各任課老師，進(jìn)行課時(shí)相應(yīng)縮減。對(duì)于單片機(jī)原理部分應(yīng)用等章節(jié)，可以調(diào)到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理課程上一并講解，由此來(lái)彌補(bǔ)課程學(xué)時(shí)緊張的局面。計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)其他硬件類課程的“敲門磚”，學(xué)好了這門課，才會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件體系的架構(gòu)及關(guān)鍵的中斷機(jī)制有深刻的了解和掌握，而單片機(jī)原理起著各門課程相互銜接的“橋梁”課程，也是學(xué)生對(duì)掌握的理論知識(shí)的轉(zhuǎn)化為應(yīng)用能力的“有力”課程。通過(guò)上述階段的課程開(kāi)設(shè)，加上操作系統(tǒng)的“配合”，又為學(xué)生綜合實(shí)踐課程--物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理打下良好的“基礎(chǔ)”。

圖1 專業(yè)硬件課程體系

2.2 明確多級(jí)實(shí)踐教學(xué)體系及課程教學(xué)內(nèi)容取舍

由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)所學(xué)課程比較多，前期課程多偏向理論。尤其像“數(shù)字邏輯”“計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)”這類課程，而后續(xù)“物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理”等課程更應(yīng)用于實(shí)踐。這就需要權(quán)衡各課程之間的內(nèi)容取舍，做到“精簡(jiǎn)”，但又不能使各體系內(nèi)容相互出現(xiàn)“斷裂”。 對(duì)于單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中部分應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理等實(shí)踐課程內(nèi)容合并，并將其中理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，用來(lái)使學(xué)生基本學(xué)習(xí)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(chǔ)課程是數(shù)字邏輯，該課程宜采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)案列教學(xué)等方法，讓學(xué)生理解硬件的相關(guān)基本電路，掌握基本組成電路的設(shè)計(jì)規(guī)則和原理,尤其需要注重時(shí)序邏輯的生成，這也是后續(xù)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)課程是整個(gè)硬件課程體系的核心，設(shè)計(jì)小型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)將CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等的理論教學(xué)與CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備等的實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，將基礎(chǔ)模塊 CPU、存儲(chǔ)器、I/設(shè)備等功能模塊進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)[7]。單片機(jī)原理課程中以AT89系列單片機(jī)系列為基礎(chǔ)講授其體系結(jié)構(gòu)與原理，要求學(xué)生開(kāi)發(fā)小型的尋跡小車來(lái)激發(fā)學(xué)習(xí)該課程的興趣。一些常見(jiàn)的組合邏輯器件以集成芯片的形式出現(xiàn)，為了使學(xué)生能更加深刻了解工作原理，可以通過(guò)自己搭建基本邏輯器件的方式來(lái)使學(xué)生領(lǐng)悟，并可以通過(guò)比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)加深對(duì)某類芯片的了解和掌握。

2.4 建立高效有利于持續(xù)改進(jìn)的多目標(biāo)、遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)考核

物聯(lián)網(wǎng)硬件專業(yè)的課程具有跨學(xué)科性，涉及內(nèi)容較廣泛。設(shè)立“初級(jí)(程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯計(jì)算)，中級(jí)(具備基本輸入/輸出功能，能進(jìn)行交叉編譯)，高級(jí)(運(yùn)行教學(xué)操作系統(tǒng)的能運(yùn)行應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī))的三級(jí)逐步遞進(jìn)式模式，使學(xué)生從“動(dòng)”起來(lái)到 “走”起來(lái)，再到“跑”起來(lái)的過(guò)程，逐步提高學(xué)生興趣。

由于硬件類課程涉及“交叉”課程較多，可通過(guò)構(gòu)建多元化的考核評(píng)價(jià)體系，從知識(shí)、實(shí)踐、能力三個(gè)層次進(jìn)行考察，體現(xiàn)過(guò)程評(píng)價(jià)，例如：引入小組討論，每學(xué)期布置大作業(yè)，課下自行分組，期末進(jìn)行小組互相打分，允許一次改進(jìn)后再次打分。注重學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，充分利用信息技術(shù)，搭建線上學(xué)習(xí)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試平臺(tái)，全程記錄學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，及時(shí)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)效果和反饋效果，深入分析課程目標(biāo)達(dá)成度，診斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，采取積極有效手段，持續(xù)進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)。

2.5 優(yōu)化專業(yè)實(shí)踐能力培養(yǎng)體系

學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)需要一個(gè)遞進(jìn)的過(guò)程，認(rèn)知過(guò)程需要通過(guò)螺旋式上升，從理論到實(shí)踐，再內(nèi)化為個(gè)人能力，其整個(gè)課程體系如圖3所示。英國(guó)教育心理學(xué)家托尼 · 斯托克維爾指出：“要想快速而有效地學(xué)習(xí)任何東西，你必須去看它、聽(tīng)它、感覺(jué)它[6]。因此首先是要加強(qiáng)每位同學(xué)對(duì)自身專業(yè)的認(rèn)知能力，從硬件專業(yè)課基礎(chǔ)“數(shù)字邏輯”開(kāi)始，通過(guò)應(yīng)用案列直接使學(xué)生感受這門課程的“魅力”。引入 “智能問(wèn)答”，“智能感應(yīng)風(fēng)扇”等模塊增強(qiáng)課程趣味性和實(shí)用性，從而使專業(yè)知識(shí)也得到綜合拓展和訓(xùn)練。

課程實(shí)習(xí)階段將嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)原理、傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用課程列為重點(diǎn)，通過(guò)一系列綜合實(shí)踐項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)，學(xué)生自身專業(yè)知識(shí)得以進(jìn)一步明晰和加強(qiáng)，為進(jìn)一步工程實(shí)踐認(rèn)知打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在工程實(shí)踐認(rèn)知階段，與襄陽(yáng)市多家信息企業(yè)進(jìn)行合作，使學(xué)生自身專業(yè)認(rèn)識(shí)得以升華，也使學(xué)生能認(rèn)識(shí)到當(dāng)今社會(huì)的需求，推動(dòng)了學(xué)生能從校園向社會(huì)“走”出去，實(shí)現(xiàn)自身高質(zhì)量的發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

近兩年來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)效果有了明顯提升。2021年，學(xué)生獲得“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽國(guó)賽銀獎(jiǎng)，全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。學(xué)院與多家企業(yè)建立產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，共建大學(xué)生就業(yè)實(shí)習(xí)基地18個(gè)，卓越計(jì)劃合作單位5個(gè)?；谶f進(jìn)式課程體系建設(shè)已初現(xiàn)成效，在提升教學(xué)效果中具有較好的適用和推廣價(jià)值。