物聯(lián)網時代下計算機硬件課程的建設研究

0 引言

硬件（Hardware）是計算機硬件的簡稱，是指計算機系統(tǒng)中由電子，機械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱。計算機硬件業(yè)主要包括從材料、芯片、板卡、顯示、存儲到整機產品等各方面的研發(fā)、生產和制造。

物聯(lián)網（Internet of Things）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術[1]，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化感知、識別、定位、監(jiān)管等功能[2]。

隨著物聯(lián)網發(fā)展的產業(yè)化、標準化時代的到來，物聯(lián)網廣泛應用于各行各業(yè)。近幾年，智能硬件（智能可穿戴、智能家居、智能醫(yī)療、智能交通等）市場規(guī)模逐年遞增，2021 年中國智能硬件終端產品出貨量達8.8 億臺[3]。以計算機硬件為基礎的電子產品越來越被廣泛應用于各行各業(yè)，支撐著電子產品軟件的正常運行。因此，需要有更多的計算機硬件人才負責產品的硬件設計和維護維修。然而，計算機硬件人才不僅僅在社會上缺乏專業(yè)培訓和教育，即使在一些高校對計算機硬件教學的重視程度明顯落后于軟件。

1 計算機硬件課程教學存在的主要問題

1.1 教材知識相對落后，跟不上計算機硬件技術的發(fā)展步伐

計算機硬件技術發(fā)展迅速，到目前為止，計算機硬件的發(fā)展符合摩爾定律。然而，高校所使用的計算機硬件系列課程更新太慢、教材案例無法跟上計算機硬件技術的高速發(fā)展，有關最新計算機技術的教材內容變得過時和落后。例如：隨著微電子技術的迅速發(fā)展，數字設計的規(guī)模也越來越大，而目前數字邏輯大多數教材的核心內容極少涉及大型集成電路，通常局限在中、小型集成電路，僅介紹成熟和傳統(tǒng)的技術方法顯然不符合時代發(fā)展的需求[4]。

1.2 課程缺乏課程體系，課程內容銜接不足，教學效率不高

計算機是一個由硬件和軟件組成的復雜系統(tǒng)，課程的系統(tǒng)性很強。但在目前的教學中，課程知識缺乏足夠的交叉和互補，學生無法理解計算機的基本工作原理和軟件系統(tǒng)的影響，而在硬件系列課程教學中，教師通常在授課過程中一般更強調每門課程內容的完整性和獨立性，比較容易忽視課程與課程之間的銜接和整體優(yōu)化，部分課程內容易出現重復，部分知識點易出現缺失，導致教學效率不高、學生知識體系結構不全的現象。

1.3 教師教學過程和學生學習過程中存在著“重軟件輕硬件”現象

計算機軟件教學相對簡單，實用性較強，需要的設備資金投入較小，普通計算機可以選擇大多數軟件課程；硬件課程教學難度較大，需要投入大量設備資金，通常每門課程都需要配備特殊的實驗設備，價格較貴，實驗室人員指導和監(jiān)督的要求相對較高。由于許多方面的影響，大多數高校在硬件實驗室建設方面存在不足，這對計算機硬件課程的教學效果有著直接的影響。此外，計算機硬件知識不直觀、抽象、乏味，不容易學習，導致學生普遍存在“重軟件輕硬件”的現象。

1.4 實驗條件和設施缺乏，實踐能力薄弱

計算機科學是一門實踐學科，實踐教學是計算機硬件教學的重要組成部分。然而，在一些課程實踐教學過程中，教師和學生對課堂教學的重視程度都大于對計算機實驗實踐，大部分的實驗優(yōu)先進行驗證實驗，綜合實驗較少，缺乏獨立的實驗課程，課程理論教學和實驗實踐的聯(lián)系并不十分緊密，只是停留在鞏固理論知識的邊緣階段。另一方面，學校沒有建立固定的實習教學基地，企業(yè)提供給實習學生的崗位較少；有的高校對學生實習認識不足，造成松懈管理，導致實習敷衍，走形式；課程設計東抄西拼應付教師，其結果一定是畢業(yè)生缺乏解決實際問題的經驗和分析解決問題的能力。

1.5 有企業(yè)工作經驗的“雙師”型教師不足

“雙師”型教師是提高教學質量的重要環(huán)節(jié)，目前，大部分高校從事理論教學的專業(yè)教師比例較大，特別是職業(yè)院校、應用型本科高校，教師招聘時學歷要求是首位的，大多數碩士、博士是應屆畢業(yè)生，實踐技能基礎比較單薄，很少有企業(yè)、實際工程項目的經驗，但為了提升學校師資學歷層次總體水平，聘任后會安排進入教學隊伍主要負責理論教學，因此，會出現“黑板上開機器，PPT 上講工藝”的現象。

2 計算機硬件課程建設的思考

2.1 計算機硬件工程師的基本技能

計算機硬件工程師主要是負責整個產品的硬件設計（包括：硬件電路設計、硬件設計開發(fā)流程）。按照工作能力計算機硬件工程師分為初級硬件工程師、普通硬件工程師、資深硬件工程師、專家級硬件工程師[5]。作為高校主要是培養(yǎng)具備初級硬件工程師能力的大學生，可以在別人的指導下完成硬件詳細設計說明書、原理圖繪制評審、協(xié)助指導PCB LAYOUT 并制作BOM、硬件調試記錄、參與相關測試、獲取測試報告、缺席修復并輸出相關案例等工作。具體的來說，計算機硬件工程師應掌握以下基本技能，一是由需求分析到總體方案、詳細設計的創(chuàng)造能力；二是熟練運用設計工具，設計原理圖、EPLD、FPGA 調試程序的能力；三是運用仿真設備、示波器、邏輯分析儀調測硬件的能力；四是掌握常用的標準電路的設計能力，如ID 電路、WDT 電路、高速信號傳輸線的匹配電路等；五是故障定位、解決問題的能力。

2.2 計算機硬件課程組的建設

課程組建設的基本思想是將課程建設為一個具有緊密關聯(lián)、邏輯性強、屬于同一范疇的課程組，打破了課程內容的歸屬。課程小組建設對于培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度、嚴謹的邏輯思維能力和科學的世界觀起著不可替代的作用，對提高學生的判斷能力、分析問題能力和決策能力有很大的幫助。

計算機硬件系列課程包括模擬電路、數字電路、微機原理、電路系統(tǒng)、單片機技術、匯編語言、集成電路設計導論、計算機接口技術、計算機架構、嵌入式系統(tǒng)及應用等課程。這些知識模塊描述了從芯片到系統(tǒng)、從獨立系統(tǒng)到多機系統(tǒng)，使學生可以從物理結構和系統(tǒng)結構建立計算機系統(tǒng)的完整性概念，并具有先進的應用能力。但在物聯(lián)網時代，掌握計算機硬件基礎技術還不夠，還需要添加一些課程到突出的網絡功能作為補充。

針對物聯(lián)網時代對計算機硬件技術的需求，本文提出了以下計算機硬件課程體系結構。課程架構由專業(yè)基礎課程、專業(yè)課程、專業(yè)選修課和綜合訓練分四個部分組成，如表1 所示。

表1 計算機硬件課程架構

專業(yè)基礎課程中，“計算機組成原理”介紹計算機的基本組成和原理，解決計算機的整體概念；“操作系統(tǒng)”、“嵌入式系統(tǒng)和接口技術”和“通信原則”是上下聯(lián)系的紐帶，是基本應用和系統(tǒng)課程。為了突出物聯(lián)網的特點，在專業(yè)選修課程中，通過增加“Matlab 仿真設計”、“嵌入式操作系統(tǒng)”、“PCB 設計”、“信號完整性分析”和“M2M 數據算法模型”以及一些實用的、高度集成的課程作為選修課，拓寬了學生硬件設計的實踐能力。每個課程都配有相應的實驗環(huán)節(jié)，并通過最終的“物聯(lián)網應用系統(tǒng)集成設計”綜合實驗，加強學生對基礎知識和綜合應用的掌握[6]。

2.3 改進計算機硬件的教學環(huán)境和教學方法

2.3.1 合理規(guī)劃課程體系，建立課程教學大綱

原來的硬件系列課程雖然都是獨立的，但在某些內容上是交叉重疊的，但不同的教師往往有不同的教學計劃和教學大綱。在有限的上課時間內，每門課程都無法講得詳細和透徹。為此，應該規(guī)劃教學內容，課程組應該共同建立課程教學大綱，將課程知識點分到每門課程中，針對同一課程，教學計劃和課時應該規(guī)范統(tǒng)一。在此基礎上，還應選擇最權威、最新版的教材，建立測試數據庫和自動測試系統(tǒng)，實現教學與考試的分離，制定一套統(tǒng)一考試的實施規(guī)則[7]。

2.3.2 積極建設網絡課程數字化學習資源和線上仿真實驗平臺

數字化學習資源平臺的建設包括教學網站、APP 的建設、網絡教學資源的建設，教學網站，APP 應該具有基本功能，還應該具有課堂討論、課后作業(yè)、考試等功能，線上仿真實驗平臺建設需實現在線編程、綜合仿真、仿真波形等實驗功能。為了保證師生之間必要的課外交流，加強學生與教師的互動，提高學習效率，教師還可以開設微博課程、B 站課程、微課直播課程，作為教學輔助的支持。教師和學生可以利用網絡平臺的留言、彈幕等方式進行互動交流，教師可以及時幫助解決學生提出的問題，并及時獲得學生反饋的信息，及時調整和改進教學環(huán)節(jié)。

2.3.3 注重實踐過程，復習考試方法，加強課程設計

實驗課程是計算機硬件教學的重要組成部分。學生將掌握實驗探索中的規(guī)律模式，在思維和實際應用過程中進行創(chuàng)新。實驗教學質量直接影響著學生的理論學習課程和未來的工作表現。教師應加強線下實驗課程和線上仿真實驗的全程管理[8]，將實驗的分數比例提高至50%，以激勵學生更加注重實驗過程，從而提高自己的實踐能力，使學生真正了解計算機系統(tǒng)的結構，擁有扎實的實踐能力。

2.3.4 深化校企合作，提升人才培養(yǎng)質量

校企合作是當前學校和企業(yè)雙方共同參與培養(yǎng)人才，以市場和社會需求為導向，培養(yǎng)企業(yè)所需人才的辦學模式[9]。高校應與物聯(lián)網企業(yè)建立合作，利用企業(yè)的設備優(yōu)勢和企業(yè)技術人才優(yōu)勢，開展學生實踐教學和“雙師”型教師培訓。從設備優(yōu)勢上，比如：射頻識別（RFID）的核心組件成本過高，大部分的高校在引進這些設備方面都遇到了資金困難，目前只有清華大學、上海交通大學等為數不多的大學擁有RFID 的核心組件。因此，學?？梢岳煤献髌髽I(yè)設施設備優(yōu)勢，解決高校在RFID 原理及應用、嵌入式系統(tǒng)與接口技術課程的實踐過程中存在的問題，教學效果令人滿意。因此，深化學校與企業(yè)的合作，充分利用企業(yè)先進的設備、技術資源，把理論學習放在課堂上，實踐放在企業(yè)，可以為學生掌握最新硬件知識能力起到至關重要的作用，同時為教師提供學習、實踐的機會，使教師有機會不斷提升實踐技能，達到校企合作的互惠雙贏。

3 結束語

根據中華人民共和國人力資源和社會保障部發(fā)布的信息，計算機硬件人才供需比為1∶5，意味著計算機硬件人才十分短缺，每年嵌入式人才缺口達50 萬人左右[10]。隨著互聯(lián)網的迅速發(fā)展，物聯(lián)網已經成為勢不可當的浪潮，物聯(lián)網相關企業(yè)對人才有著極大的需求，預計2022 年物聯(lián)網產業(yè)規(guī)模將接近72 376 億元，人才需求將進一步擴大。高校在培養(yǎng)專業(yè)人才時一定要熟悉企業(yè)、社會對人才需求的現狀，適時調整相關課程體系，努力培養(yǎng)學生的自身學習能力、動手能力和團隊協(xié)作能力，進一步提升學生的競爭力，促進實現學生高質量的就業(yè)。