計算機硬件課程建設探討

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摘要：為提高物聯網時代計算機硬件課程的教學質量，文章分析了當前高校計算機硬件相關課程教學存在教材、課程體系、實驗條件和“雙師型”教師等方面的不足，以計算機硬件課程建設為基礎，以實現高質量就業為目標，提出了物聯網時代計算機硬件課程系統結構調整、優化和改進計算機硬件的教學環境、教學方法等舉措，不斷提高學生創新意識和實踐能力，努力培養出社會需要的高素質計算機硬件人才。

關鍵詞：物聯網；計算機硬件；課程建設

硬件（Hardware）是計算機硬件的簡稱，是指計算機系統中由電子，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、生產和制造。物聯網（InternetofThings）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、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、監管等功能[2]。隨著物聯網發展的產業化、標準化時代的到來，物聯網廣泛應用于各行各業。近幾年，智能硬件（智能可穿戴、智能家居、智能醫療、智能交通等）市場規模逐年遞增，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，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展步伐計算機硬件技術發展迅速，到目前為止，計算機硬件的發展符合摩爾定律。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展，數字設計的規模也越來越大，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，僅介紹成熟和傳統的技術方法顯然不符合時代發展的需求[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，課程的系統性很強。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節，目前，大部分高校從事理論教學的專業教師比例較大，特別是職業院校、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、博士是應屆畢業生，實踐技能基礎比較單薄，很少有企業、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、協助指導PCBLAYOUT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、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學生嚴謹的科學態度、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、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、嵌入式系統及應用等課程。這些知識模塊描述了從芯片到系統、從獨立系統到多機系統，使學生可以從物理結構和系統結構建立計算機系統的完整性概念，并具有先進的應用能力。但在物聯網時代，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。課程架構由專業基礎課程、專業課程、專業選修課和綜合訓練分四個部分組成，如表1所示。專業基礎課程中，“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”、“嵌入式系統和接口技術”和“通信原則”是上下聯系的紐帶，是基本應用和系統課程。為了突出物聯網的特點，在專業選修課程中，通過增加“Matlab仿真設計”、“嵌入式操作系統”、“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節，并通過最終的“物聯網應用系統集成設計”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境和教學方法

2.3.1合理規劃課程體系，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范統一。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，實現教學與考試的分離，制定一套統一考試的實施規則[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、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節。

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律模式，在思維和實際應用過程中進行創新。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，提升人才培養質量校企合作是當前學校和企業雙方共同參與培養人才，以市場和社會需求為導向，培養企業所需人才的辦學模式[9]。高校應與物聯網企業建立合作，利用企業的設備優勢和企業技術人才優勢，開展學生實踐教學和“雙師”型教師培訓。從設備優勢上，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，學校可以利用合作企業設施設備優勢，解決高校在RFID原理及應用、嵌入式系統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，深化學校與企業的合作，充分利用企業先進的設備、技術資源，把理論學習放在課堂上，實踐放在企業，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]。隨著互聯網的迅速發展，物聯網已經成為勢不可當的浪潮，物聯網相關企業對人才有著極大的需求，預計2022年物聯網產業規模將接近72376億元，人才需求將進一步擴大。高校在培養專業人才時一定要熟悉企業、社會對人才需求的現狀，適時調整相關課程體系，努力培養學生的自身學習能力、動手能力和團隊協作能力，進一步提升學生的競爭力，促進實現學生高質量的就業。

參考文獻：

[1]陳偉，曹海軍，劉曉光,等.基于物聯網思維框架下新型糧情測溫系統研究[J].現代食品，2019(20):10-15.

[2]戴春平.新一代信息技術賦能高職專業人才培養實施路徑研究———以物聯網技術導論課程為例[J].工程技術研究，2021,6(11):225-227.

[3]李東波.可穿戴計算機硬件技術的應用研究[J].電子測試，2022,36(10):18-20.

[4]聶躍光，戶曉玲.基于物聯網的實驗室管理系統設計[J].物聯網技術，2020,10(6):98-101,105.

[5]劉曾輝.井下無線物聯網與智能終端的有效應用[J].長江信息通信，2022,35(4):60-62.

作者:傅勇 單位:江西開放大學