递进式实践能力培养研究——以物联网专业硬件类课程为例

董 铮 徐德刚 杨建强 金 鑫

(1.湖北文理学院 计算机工程学院 湖北 襄阳 441053 2.湖北文理学院 物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

引言

为贯彻落实“十四五”发展规划，近日工业和信息化部、中央网络安全和信息化委员会办公室、科技部、生态环境部、住房和城乡建设部、农业农村部、国家卫生健康委员会、国家能源局等八部门联合印发《物联网新型基础设施建设三年行动计划(2021—2023 年)》[1]。足见物联网将是我国“十四五”时期建设的重中之重。物联网技术是通过信息传感设备采集原始信息，再经由设定的程序和网络信号，将物与网络连接起来，实现信息互传[2]。如今，物联网的应用非常广泛，已经渗透到日常的学习、工作的方方面面，如智慧交通、快递储存、家居智能、环境监控、人员监测等各个领域。

物联网专业的课程可分为硬件类课程和软件类课程，其中硬件类课程是基础，软件类课程是灵魂。硬件类课程是物联网专业课程设置中的重要的基础部分，也是后续其它课程学习的基础[3]。

目前我院物联网专业按照“拓宽基础、强化应用、重视实践、整体优化”原则制定培养计划，坚持“以素质教育为基础、以学业教育为中心、以就业创业教育为目标”的工作理念，强化综合素质教育和实践创新能力培养。计算机硬件类课程的教学目的是使学生树立计算机硬件的相关概念，理解计算机系统的计算过程，使学生能够胜任在科研部门、教育单位、企事业、技术和行政管理等单位的计算机的相关工作[4]。目前尚处于专业发展的成长期，存在着以下的现实问题：

专业理论课程前后联系不紧密，人才培养定位和目标不能较好适应物联网产业的发展要求。目前按照专业规范开设相应课程，但课程之间衔接关系不紧密，有些课程内容出现部分重复，缺乏全面的认识该专业的课程体系，尤其在硬件类课程方向上，教学“投入”与“产出”往往差强人意，导致部分课程学时紧张，学生消化时间较少。在课程设置上，以理论课程的“点”为主导，实践能力培养的“面”聚焦较少，课程体系目标无法得到有效串联，导致学生对该专业的理解不够透彻。

各个实践环节关联性较弱，硬件类课程实践主要分成课程实验、系统开发实训和基地实习三个环节，各个环节之间应该是环环相扣，紧密连接的。实验是验证课堂理论的重要认知手段。系统开发实训是对前某一个阶段的知识综合考量，也是对前期部分实验的有效检测手段。目前教师讲授实践和开发实训只涉及课程实验及实训本身，但两者关联性不是太强，这也就造成学生只会完成特定条件下的实验、实训任务，而一到校外进行实践实习时，要到需求项目时往往不知所措，无法用学到的知识去解决。

学生参与实践项目较少，物联网大多数专业教师有课题，但往往由所带研究生协助完成，本科生一般不能参与，这也造成学生毕业后不了解当前社会需求，无法掌握其中的“窍门”。面对社会需求时，无法进行合理的项目规划和考察，这也导致学生的实际科研能力有所欠缺，很少受到用人单位的青睐。

实践场所及设备较为落后，我院物联网专业于2012年着手筹备物联网工程本科教育，2013年9 月物联网工程专业正式开始招生，其中实践场所均为13年新建，距今已有9年，实践所用设备存在不同程度老化及损坏，师生进行专业教学及研究显得有些力不从心。

针对上述存在现实状况，应加快实践改革步伐，完善物联网专业人才培养机制，加强实践能力培养及知识传授，使培养的学生能真正的满足地方经济文化，“契合”社会发展的需要和企业的迫切需求，故提出构建递进式实践教学体系。

1 递进式实践教学体系构建原则

按照“拓宽基础、强化应用、重视实践、整体优化”原则制定培养计划，坚持“以素质教育为基础、以学业教育为中心、以就业创业教育为目标”的工作理念，强化综合素质教育和实践创新能力培养。结合实践教学设计的基本原则，强化、打通各课程之间跨层次的关联知识点“壁垒”，探索一条“递进式”物联网专业实践创新的模式。

2 递进式多级实践教学体系构建内容

2.1 递进式多级实践教学体系内涵

物联网硬件类课程主要包括程序设计基础、计算机组成与体系结构、单片机原理及应用、嵌入式系统与设计等多门课程。根据学生掌握的难易程度，可设立“初级(程序设计、数字逻辑)，中级(具备基本输入/输出功能，能进行交叉编译)，高级(运行教学操作系统的能运行应用程序的计算机)三级逐步递进的课程体系，逐步提高学生兴趣，建立物联网专业课程体系树如图一所示：

其中对于各课程需要进行适当删减，例如：数字逻辑课程和计算机组成原理与体系结构课程可以把部分内容合并讲解，基本逻辑门单元可以协调各任课老师，进行课时相应缩减。对于单片机原理部分应用等章节，可以调到物联网数据处理课程上一并讲解，由此来弥补课程学时紧张的局面。计算机组成原理与体系结构作为重要的专业基础课，是学习其他硬件类课程的“敲门砖”，学好了这门课，才会对计算机硬件体系的架构及关键的中断机制有深刻的了解和掌握，而单片机原理起着各门课程相互衔接的“桥梁”课程，也是学生对掌握的理论知识的转化为应用能力的“有力”课程。通过上述阶段的课程开设，加上操作系统的“配合”，又为学生综合实践课程--物联网数据处理打下良好的“基础”。

图1 专业硬件课程体系

2.2 明确多级实践教学体系及课程教学内容取舍

由于物联网专业所学课程比较多，前期课程多偏向理论。尤其像“数字逻辑”“计算机组成原理与体系结构”这类课程，而后续“物联网数据处理”等课程更应用于实践。这就需要权衡各课程之间的内容取舍，做到“精简”，但又不能使各体系内容相互出现“断裂”。 对于单片机原理与应用课程中部分应用系统设计可以与物联网数据处理等实践课程内容合并，并将其中理论与实践教学相结合，用来使学生基本学习能力层次得以提高[6]。

2.3 统筹各课程系统层次之间联系

物联网专业的硬件基础课程是数字逻辑，该课程宜采用项目驱动案列教学等方法，让学生理解硬件的相关基本电路，掌握基本组成电路的设计规则和原理,尤其需要注重时序逻辑的生成，这也是后续电路设计的基础。计算机组成原理与体系结构课程是整个硬件课程体系的核心，设计小型计算机硬件系统的任务驱动将CPU、存储器、I/O设备等的理论教学与CPU、存储器、I/O设备等的实践教学相结合，将基础模块 CPU、存储器、I/设备等功能模块进行综合开发[7]。单片机原理课程中以AT89系列单片机系列为基础讲授其体系结构与原理，要求学生开发小型的寻迹小车来激发学习该课程的兴趣。一些常见的组合逻辑器件以集成芯片的形式出现，为了使学生能更加深刻了解工作原理，可以通过自己搭建基本逻辑器件的方式来使学生领悟，并可以通过比较两者的优缺点来加深对某类芯片的了解和掌握。

2.4 建立高效有利于持续改进的多目标、递进式实践教学考核

物联网硬件专业的课程具有跨学科性，涉及内容较广泛。设立“初级(程序设计、数字逻辑计算)，中级(具备基本输入/输出功能，能进行交叉编译)，高级(运行教学操作系统的能运行应用程序的计算机)的三级逐步递进式模式，使学生从“动”起来到 “走”起来，再到“跑”起来的过程，逐步提高学生兴趣。

由于硬件类课程涉及“交叉”课程较多，可通过构建多元化的考核评价体系，从知识、实践、能力三个层次进行考察，体现过程评价，例如：引入小组讨论，每学期布置大作业，课下自行分组，期末进行小组互相打分，允许一次改进后再次打分。注重学习效果评价，充分利用信息技术，搭建线上学习、作业、实验、考试平台，全程记录学生学习数据，及时获取学生学习效果和反馈效果，深入分析课程目标达成度，诊断总结教学经验，采取积极有效手段，持续进行教学改进。

2.5 优化专业实践能力培养体系

学生实践能力的培养需要一个递进的过程，认知过程需要通过螺旋式上升，从理论到实践，再内化为个人能力，其整个课程体系如图3所示。英国教育心理学家托尼 · 斯托克维尔指出：“要想快速而有效地学习任何东西，你必须去看它、听它、感觉它[6]。因此首先是要加强每位同学对自身专业的认知能力，从硬件专业课基础“数字逻辑”开始，通过应用案列直接使学生感受这门课程的“魅力”。引入 “智能问答”，“智能感应风扇”等模块增强课程趣味性和实用性，从而使专业知识也得到综合拓展和训练。

课程实习阶段将嵌入式系统、单片机原理、传感网原理及应用课程列为重点，通过一系列综合实践项目和课程设计，学生自身专业知识得以进一步明晰和加强，为进一步工程实践认知打下坚实的基础。

在工程实践认知阶段，与襄阳市多家信息企业进行合作，使学生自身专业认识得以升华，也使学生能认识到当今社会的需求，推动了学生能从校园向社会“走”出去，实现自身高质量的发展。

3 结语

近两年来，学生学习效果有了明显提升。2021年，学生获得“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛国赛银奖，全国大学生工程训练综合能力竞赛一等奖一项，全国大学生物联网设计竞赛二等奖一项。学院与多家企业建立产学研合作关系，共建大学生就业实习基地18个，卓越计划合作单位5个。基于递进式课程体系建设已初现成效，在提升教学效果中具有较好的适用和推广价值。