计算机硬件课程体系及内容改革的思考

赵若阳　李　宁　库少平

在当前国内高校计算机应用专业本科生方面，尽管硬件课程的设置已与欧美等计算机发达国家的课程设置基本接轨，但教学知识体系和内容却不容乐观，不能适应时代的需求，与现实严重脱离，学生的学习积极性不高，学习效果差。

本文对计算机硬件课程体系及内容中存在的问题和不足进行了分析和讨论，提出了一些教改思路和方法。

一、当前硬件课程体系中存在的问题

目前硬件教学中主要存在的问题是：教材知识相对落后，学生无法学以致用，即教材无法激发学生的学习积极性；缺乏实践环节，实验条件差，学生无法锻炼实践能力，教师更无法鼓励和激发其创新能力；学生电子技术方面的理论基础较差，其对硬件的分析理解能力受到一定限制，学习困难较大。总体上讲，目前国内计算机硬件教学的状况不容乐观，重视这一问题，改革相应的教学体系和内容是非常必要的。导致当前状况的原因是多方面的，总的来说有以下几个方面。

首先，在认识和条件方面，国内的计算机教育存在着重软轻硬和急功近利的倾向。由于基础软件教学实施起来相对容易，实用性强，设备投资较小，有立竿见影之效果，甚至学生通过自己购买的微机即可完成多数软件课程的学习；而硬件课程的教学实施比较困难，设备投资大，通常每门课程需要配备专门的实验设备，相应辅助设备（如示波器等）的价格相对昂贵，实验设备的维护工作量较大，对实验室辅导和维护人员的要求也比较高。限于各方面的条件，国内多数高校在硬件课程及实验条件建设方面都明显不足，这导致了计算机硬件课程在教学上的不足。

其次，硬件知识特点和教学内容落后。从客观上来说，计算机硬件知识存在不直观，讲述起来抽象、枯燥，学生学习起来不太容易的现象。其中，“计算机组成原理”、“计算机体系结构”这两门课程的内容比较抽象，一般教材都与实际联系不紧密，再加上现有硬件实验的可视性差、直观性差，致使学生对硬件知识的理解存在困难。而“微型计算机原理”、“计算机外部设备”等课程的教材内容过于陈旧，无法调动学生的积极性，教学效果较差。

再次，课程缺乏足够的系统性。计算机是一个由硬件和软件组成的庞大的复杂系统，计算机知识有着很强的系统性。而在目前的教学中，硬件课程知识与软件课程知识之间缺乏足够的交叉和互补，学生无法深入理解计算机的基本工作原理及其在软件系统中的作用。另外，在硬件课程之间也缺乏充分的衔接，有些知识点重复，有些知识点缺失，这些都导致了学生的知识体系结构不健全。

最后，缺乏足够的实践训练。计算机应用是一门实践性很强的学科，学生必须具备足够的动手实践能力和社会竞争力才能满足社会要求。而在计算机硬件教学中，实践教学时间严重不足，绝大多数学生不具备基本电路设计、调试和实现的能力。一方面是实验条件和设施的严重缺乏，另一方面是课程考试评价体系（包括社会各类计算机考试评价体系）中对硬件实践能力的不重视。

根据计算机硬件教学体系中存在的一些主要问题，改革教学内容的先进性、加强教学体系的系统性、增加并提高实践教学知识和内容已成为国内各高校计算机专业迫在眉睫的任务。

二、提高硬件知识的先进性

由于计算机硬件技术发展非常迅猛，而国内多数高校的主要教学内容基本还停留在十年前的水准,尤其是“微型计算机及接口技术”的课程内容，基本是以8086/8088 CPU为主体进行讲述，而学生在实验室使用的却都是CPU为Pentium Ⅲ 以上的微机；学生在高级编程中希望了解分页分段存储管理技术，而教学中却只讲述分段内存管理技术。因此，学生会对教学的内容感到疑惑、反感甚至是厌恶。

许多客观条件原因限制计算机硬件教学内容的更新。其一，计算机硬件发展太快，真正能反映当今世界微机领域新技术的微机原理教材太少，相应的实验设备和条件几乎没有。其二，最新的硬件知识往往包含许多较复杂的技术，学生较难学习和理解，由于组织和实施教学的难度非常大，许多教师偏向于讲述旧的知识。其三，新知识的过快更新给许多教师带来了巨大的工作量和工作压力，熟悉并掌握新的教学知识和内容往往需要几年时间的摸索和实践，因此教师往往跟不上新技术的发展。

要解决这个问题，首先要改进计算机硬件教材。计算机硬件的教材应是先进的、能反映目前世界微机领域内硬件新技术、新成就的知识。例如“微机原理及接口技术”的教材至少应涵盖目前世界上微机领域内最先进的知识及技术，像分支转移预测技术、超标量执行技术、微机的流水线操作技术、高速缓冲存储器技术、虚拟存储器技术（分段存储管理技术和分页存储管理技术）、浮点数据处理技术、高速总线传输技术等。正是这些技术，为微型计算机提供了卓越的性能，并构成了各种高性能软件的载体。

考虑到教学安排的层次性和循序渐进的要求，可以在教材中有选择地加入部分旧的知识结构。例如“微机原理”教材可以将8086/8088 CPU作为模型机，删除那些过于陈旧的知识，用8086CPU的结构和基本外围电路为学生建立微型计算机的概念，然后引入当前的一些新技术和知识。

由于历史原因，国内多数高校微机原理教学均以Intel公司的处理器为讲述对象，而欧美等国一般以Motorola、Alpha或MIPS处理器作为讲述对象。从技术的先进性上讲，前者不如后者，如果希望与国际接轨，部分有条件的高校可以考虑直接采用国外著名教材。

三、保持教学内容的系统性

硬件和软件知识是相辅相成的，它们都包含丰富的知识和先进的技术。计算机硬件知识必须对计算机的体系结构、组成及其核心技术进行系统的描述，以使学生能学到先进的硬件知识。硬件知识的学习对学生理解计算机软件的工作有着非常大的帮助，尤其是系统软件和底层软件。而学到计算机软件知识后，再学习计算机硬件知识，会对软件的载体——硬件、硬件组成、硬件的工作原理以及软件是怎样依附于硬件的全过程有一个飞跃的认识。只有这样，学生的计算机知识才能达到一个完美的统一，他们才能学到计算机的系统知识，而不是残缺的计算机知识，最终达到对计算机系统软、硬件基本知识的融会贯通。

而目前计算机软硬件教学之间却基本分离，教师之间缺乏足够的沟通。学生尽管学习了一些计算机硬件接口知识，但在使用高级语言对硬件进行编程时却无从下手；尽管学习了操作系统和网络技术等课程，却不知道在嵌入式系统如何应用相关理论。当需要综合运用软硬件知识来解决问题时，多数学生都是一筹莫展。这些都说明，在计算机教学体系中软硬件课程间的结合存在问题，学生的知识结构缺乏完整性和系统性。

因此，必须在软硬件课程的教学内容中进行适当的穿插。例如“操作系统”课程中的CPU调度、内存管理与“计算机组成原理”和“计算机系统结构”课程中的许多知识都密不可分，在理论课程教学中提及相应课程知识，可以引导学生思考，建立必要的知识关联。在“微机原理及接口技术”的课程中，可以加入一些利用高级语言对硬件进行编程的实例，既可激发学生的兴趣，又可提高学生对硬件的编程能力。

另外，计算机硬件课程之间还存在重叠和互补的关系，教学中也应注意相互次序和互补，以保证教学知识的系统性和完备性。

四、增强实践与设计任务的要求

计算机专业本科阶段的实践教学主要包含课程实验、课程设计、专业实践、专业专题训练、综合训练，这些对学生理论学习、实践能力、创新能力的培养起到了重要作用，也为其将来的工作和研究奠定了基础。而目前计算机硬件教学中实践教学的时间过少，而且验证性实验占绝大多数，造成学生硬件动手能力普遍低下，其创造力无法得到训练。其中的客观原因是学校缺乏足够的物质条件和经费，比如许多普通高校的硬件实验设施缺乏，甚至不能应付基本的验证实验，根本没有条件开展自主创新性实践活动；而其中的主观原因是实践能力在考试评价体系中所占比例过小，实验指导教师的工作积极性不高，指导能力也有限。另外，部分理论教学教师和实验指导教师之间缺乏足够的交流与沟通。总的来说，国内高校的计算机硬件教学与国外相比，差距非常明显。