計算機硬件課程體系及內容改革的思考

趙若陽　李　寧　庫少平

在當前國內高校計算機應用專業本科生方面，盡管硬件課程的設置已與歐美等計算機發達國家的課程設置基本接軌，但教學知識體系和內容卻不容樂觀，不能適應時代的需求，與現實嚴重脫離，學生的學習積極性不高，學習效果差。

本文對計算機硬件課程體系及內容中存在的問題和不足進行了分析和討論，提出了一些教改思路和方法。

一、當前硬件課程體系中存在的問題

目前硬件教學中主要存在的問題是：教材知識相對落后，學生無法學以致用，即教材無法激發學生的學習積極性；缺乏實踐環節，實驗條件差，學生無法鍛煉實踐能力，教師更無法鼓勵和激發其創新能力；學生電子技術方面的理論基礎較差，其對硬件的分析理解能力受到一定限制，學習困難較大。總體上講，目前國內計算機硬件教學的狀況不容樂觀，重視這一問題，改革相應的教學體系和內容是非常必要的。導致當前狀況的原因是多方面的，總的來說有以下幾個方面。

首先，在認識和條件方面，國內的計算機教育存在著重軟輕硬和急功近利的傾向。由于基礎軟件教學實施起來相對容易，實用性強，設備投資較小，有立竿見影之效果，甚至學生通過自己購買的微機即可完成多數軟件課程的學習；而硬件課程的教學實施比較困難，設備投資大，通常每門課程需要配備專門的實驗設備，相應輔助設備（如示波器等）的價格相對昂貴，實驗設備的維護工作量較大，對實驗室輔導和維護人員的要求也比較高。限于各方面的條件，國內多數高校在硬件課程及實驗條件建設方面都明顯不足，這導致了計算機硬件課程在教學上的不足。

其次，硬件知識特點和教學內容落后。從客觀上來說，計算機硬件知識存在不直觀，講述起來抽象、枯燥，學生學習起來不太容易的現象。其中，“計算機組成原理”、“計算機體系結構”這兩門課程的內容比較抽象，一般教材都與實際聯系不緊密，再加上現有硬件實驗的可視性差、直觀性差，致使學生對硬件知識的理解存在困難。而“微型計算機原理”、“計算機外部設備”等課程的教材內容過于陳舊，無法調動學生的積極性，教學效果較差。

再次，課程缺乏足夠的系統性。計算機是一個由硬件和軟件組成的龐大的復雜系統，計算機知識有著很強的系統性。而在目前的教學中，硬件課程知識與軟件課程知識之間缺乏足夠的交叉和互補，學生無法深入理解計算機的基本工作原理及其在軟件系統中的作用。另外，在硬件課程之間也缺乏充分的銜接，有些知識點重復，有些知識點缺失，這些都導致了學生的知識體系結構不健全。

最后，缺乏足夠的實踐訓練。計算機應用是一門實踐性很強的學科，學生必須具備足夠的動手實踐能力和社會競爭力才能滿足社會要求。而在計算機硬件教學中，實踐教學時間嚴重不足，絕大多數學生不具備基本電路設計、調試和實現的能力。一方面是實驗條件和設施的嚴重缺乏，另一方面是課程考試評價體系（包括社會各類計算機考試評價體系）中對硬件實踐能力的不重視。

根據計算機硬件教學體系中存在的一些主要問題，改革教學內容的先進性、加強教學體系的系統性、增加并提高實踐教學知識和內容已成為國內各高校計算機專業迫在眉睫的任務。

二、提高硬件知識的先進性

由于計算機硬件技術發展非常迅猛，而國內多數高校的主要教學內容基本還停留在十年前的水準,尤其是“微型計算機及接口技術”的課程內容，基本是以8086/8088 CPU為主體進行講述，而學生在實驗室使用的卻都是CPU為Pentium Ⅲ 以上的微機；學生在高級編程中希望了解分頁分段存儲管理技術，而教學中卻只講述分段內存管理技術。因此，學生會對教學的內容感到疑惑、反感甚至是厭惡。

許多客觀條件原因限制計算機硬件教學內容的更新。其一，計算機硬件發展太快，真正能反映當今世界微機領域新技術的微機原理教材太少，相應的實驗設備和條件幾乎沒有。其二，最新的硬件知識往往包含許多較復雜的技術，學生較難學習和理解，由于組織和實施教學的難度非常大，許多教師偏向于講述舊的知識。其三，新知識的過快更新給許多教師帶來了巨大的工作量和工作壓力，熟悉并掌握新的教學知識和內容往往需要幾年時間的摸索和實踐，因此教師往往跟不上新技術的發展。

要解決這個問題，首先要改進計算機硬件教材。計算機硬件的教材應是先進的、能反映目前世界微機領域內硬件新技術、新成就的知識。例如“微機原理及接口技術”的教材至少應涵蓋目前世界上微機領域內最先進的知識及技術，像分支轉移預測技術、超標量執行技術、微機的流水線操作技術、高速緩沖存儲器技術、虛擬存儲器技術（分段存儲管理技術和分頁存儲管理技術）、浮點數據處理技術、高速總線傳輸技術等。正是這些技術，為微型計算機提供了卓越的性能，并構成了各種高性能軟件的載體。

考慮到教學安排的層次性和循序漸進的要求，可以在教材中有選擇地加入部分舊的知識結構。例如“微機原理”教材可以將8086/8088 CPU作為模型機，刪除那些過于陳舊的知識，用8086CPU的結構和基本外圍電路為學生建立微型計算機的概念，然后引入當前的一些新技術和知識。

由于歷史原因，國內多數高校微機原理教學均以Intel公司的處理器為講述對象，而歐美等國一般以Motorola、Alpha或MIPS處理器作為講述對象。從技術的先進性上講，前者不如后者，如果希望與國際接軌，部分有條件的高校可以考慮直接采用國外著名教材。

三、保持教學內容的系統性

硬件和軟件知識是相輔相成的，它們都包含豐富的知識和先進的技術。計算機硬件知識必須對計算機的體系結構、組成及其核心技術進行系統的描述，以使學生能學到先進的硬件知識。硬件知識的學習對學生理解計算機軟件的工作有著非常大的幫助，尤其是系統軟件和底層軟件。而學到計算機軟件知識后，再學習計算機硬件知識，會對軟件的載體——硬件、硬件組成、硬件的工作原理以及軟件是怎樣依附于硬件的全過程有一個飛躍的認識。只有這樣，學生的計算機知識才能達到一個完美的統一，他們才能學到計算機的系統知識，而不是殘缺的計算機知識，最終達到對計算機系統軟、硬件基本知識的融會貫通。

而目前計算機軟硬件教學之間卻基本分離，教師之間缺乏足夠的溝通。學生盡管學習了一些計算機硬件接口知識，但在使用高級語言對硬件進行編程時卻無從下手；盡管學習了操作系統和網絡技術等課程，卻不知道在嵌入式系統如何應用相關理論。當需要綜合運用軟硬件知識來解決問題時，多數學生都是一籌莫展。這些都說明，在計算機教學體系中軟硬件課程間的結合存在問題，學生的知識結構缺乏完整性和系統性。

因此，必須在軟硬件課程的教學內容中進行適當的穿插。例如“操作系統”課程中的CPU調度、內存管理與“計算機組成原理”和“計算機系統結構”課程中的許多知識都密不可分，在理論課程教學中提及相應課程知識，可以引導學生思考，建立必要的知識關聯。在“微機原理及接口技術”的課程中，可以加入一些利用高級語言對硬件進行編程的實例，既可激發學生的興趣，又可提高學生對硬件的編程能力。

另外，計算機硬件課程之間還存在重疊和互補的關系，教學中也應注意相互次序和互補，以保證教學知識的系統性和完備性。

四、增強實踐與設計任務的要求

計算機專業本科階段的實踐教學主要包含課程實驗、課程設計、專業實踐、專業專題訓練、綜合訓練，這些對學生理論學習、實踐能力、創新能力的培養起到了重要作用，也為其將來的工作和研究奠定了基礎。而目前計算機硬件教學中實踐教學的時間過少，而且驗證性實驗占絕大多數，造成學生硬件動手能力普遍低下，其創造力無法得到訓練。其中的客觀原因是學校缺乏足夠的物質條件和經費，比如許多普通高校的硬件實驗設施缺乏，甚至不能應付基本的驗證實驗，根本沒有條件開展自主創新性實踐活動；而其中的主觀原因是實踐能力在考試評價體系中所占比例過小，實驗指導教師的工作積極性不高，指導能力也有限。另外，部分理論教學教師和實驗指導教師之間缺乏足夠的交流與溝通。總的來說，國內高校的計算機硬件教學與國外相比，差距非常明顯。