计算机硬件基础课程的思政元素挖掘与融入研究

计算机硬件基础课程的思政元素挖掘与融入研究1系统能力培养与计算机组成原理系统能力是依据确定的系统功能，设计与开发系统结构，实现工程目标的能力。计算机系统能力，要求对计算机系统有深刻理解，在掌握相关计算机基本原理的基础上，能够从不同角度去分析计算机的属性，在计算机系统各层次上分析、设计、实现和优化计算机软硬件。系统观要求深入掌握计算机系统内部的工作原理、构造方法以及软硬件的相互协同关系。仅在单门课程教学局部上培养学生的系统观收效不大，因此要从顶层的专业培养目标出发，构建层次递进的创新人才培养课程体系，统一规划各课程教学内容，将各课程有机地衔接起来，构建一个完整的计算机系统知识体系。为此，笔者建立系统能力综合课程群，由数字逻辑、计算机组成原理、编译原理、操作系统、计算机系统结构等多门课程相互融合、联动形成系统知识体系。其中，计算机组成原理课程是计算机系统能力培养课程群中的核心专业基础课，具有承上启下的作用，安排在第4学期开设，其前导课是数字逻辑，其他课程都是其后续课。有了计算机结构和组成原理基础，才能从计算机系统整体角度理解操作系统和编译原理。计算机组成原理全面介绍计算机五大功能部件的组成结构、工作原理以及相互关联，使学生掌握计算机硬件的基本架构、组成部件和实现机制，是理论性、技术性很强的主干课程。培养学生的计算机系统能力，首先在教学上必须树立整体系统观，把计算机组成原理与课程群中的其他课程联系起来，站在全局角度深入挖掘相关课程的关联内容和结合点。使学生学会在不同层面把握不同层次的系统，并全面考虑系统各部分与外界的逻辑与联系，能够完成一定规模的系统设计。在五大功能部件硬件的组成结构与工作原理上，计算机组成原理与数字逻辑等硬件课程相关联，要梳理清楚相关硬件课程体系的相互关系，构建软/硬件协同的整体系统概念。在与软件类课程，如程序设计、编译原理和操作系统的关联上，要与相关课程互相渗透。计算机组成原理要运用数字逻辑课程中的组合逻辑和时序逻辑电路来设计功能部件、指令集和微指令集。程序设计基础课程中数据类型与计算机组成原理课程中机器数的表示及存储关联，指针与内存地址关联。操作系统课程中的处理器管理、存储管理、文件管理、通信和死锁等均与计算机组成结构中的硬件资源关联，才能协同完成特定任务。编译原理课程设计优化编译器，将高级语言转换为CPU能够直接识别并执行的机器语言，其中指令就是机器语言的一个语句，而指令的格式和设计是计算机组成原理课程中指令系统的内容。计算机体系结构课程从机器语言程序设计者的角度研究逻辑结构和功能特征，确定硬件和软件的界面，而逻辑实现则由计算机组成原理完成。在具体专业课教学实施过程中，应根据每门课程在课程体系中的时序、教学内容、教学目标、授课对象及与其他课程之间的关系，探索采用不同的教学方法和手段，挖掘不同的思想政治教育资源。重点培养学生清晰的逻辑思维、抽象思维能力和不畏艰难、不断追求的科学精神。实现课程思政建设，教师队伍是“主力军”，课程建设是“主战场”，课堂教学是“主渠道”。所有教师和课程都要承担好育人责任，构建全员全程全方位育人大格局。首先在教学大纲中，明确课程的教学目标和思政教育目标，将思政教育与科学精神的培养结合起来。专业教学目标应包含知识、能力和素质目标等内容，使学生知识、能力、素质协调发展。思政教育目标培养学生爱国情怀、社会责任、文化自信、工程伦理、科学精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。其次在课程主要内容与学时分配中，除教学内容和能力培养外，还应包含思政映射内容、素质培养等相关的思政元素。最后对照课程教学内容，挖掘思政教育切入点，形成体现课程思政改革的教案。系统能力课程中，计算机组成原理课程侧重培养学生计算机硬件的系统级认知能力和计算机系统的设计能力，并与操作系统、编译原理和微机原理与接口技术等课程融合为计算机系统综合课程设计，以培养学生的基本创新能力。在计算机组成原理课程教学引入思政教育，对加强培养学生的社会主义核心价值观和爱国情怀，服务国家战略，激发学生学习的内生动力是至关重要的。2计算机组成原理课程的思政元素挖掘计算机组成原理是典型的工科课程，内容枯燥、单调、抽象，在教学过程中遇到极大的挑战——学生没有学习目标和内生动力，只求考试及格。这种局面与教学过程中只重视专业知识传授有很大关系。计算机组成原理作为工科专业核心课程，专业术语多、概念抽象、逻辑性强，要自然而然地融入思政元素有一定的难度。教师首先要有较强的“课程思政”的意识，意识到学生的爱国情怀有利于端正学习态度，在教学活动中展现出严谨的治学精神和积极的人生态度。其次在课程教学大纲中加入思政工作内容，挖掘专业课程中固有的思政元素。改革传统教学方法，坚持知识灌输与思想渗透相结合，促进大学生通过参与和思考，实现认知、情感、理性和行为认同。在教学过程中，要从整体上把握计算机系统各部件的功能，分析其关系和联系，形成关于计算机组成的系统论。将学科史、科技史教育融入教学内容。结合计算机的发展史、国内外名人事迹，引导学生聚焦世界科技前沿，提升学习专注度，引发知识共鸣、情感共鸣和价值共鸣。结合存储系统和微处理器的设计过程以及我国在芯片存储器和CPU芯片上的追赶过程，融入科技工作者的创新、奉献和合作精神，主动聚焦国家重大战略需求，为国家和民族的发展出力争光。根据课程教学内容和教学对象的专业认知水平，深入挖掘提炼课程所蕴含的德育元素，把社会主义核心价值观、科学精神和职业素养融入课程教学中。2.1计算机系统概论的思政切入点通过介绍计算机界的名人和世界第一台计算机的诞生过程，培养学生的历史观，激发科学研究意识和爱国情怀。图灵和冯·诺依曼都具有非凡的数学水平，二战时期，因各自国家的战略发展需要，图灵提出了计算机的原理和模型，冯·诺依曼在此基础上做出了硬件完善的二进制计算机。冯·诺依曼提出的“存储程序通用电子计算机方案”奠定了计算机的5个部分：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，对世界第一台电子计算机ENIAC起到关键作用，其存储程序及二进制编码等对后继计算机的设计有决定性的影响，至今仍采用。将图灵和冯·诺依曼的贡献与计算机发展简史联系起来，使学生理解计算机的硬件组成要素及各部件的关联，开阔视野，向计算机界的先驱学习，提高对数学知识的理解，激发勇攀科学高峰的责任感和使命感。2.2存储系统的思政切入点芯片存储器已成为人类信息化社会的重要支撑，作为全球最大的电子产品制造国和重要的电子产品消费市场，中国对存储芯片有着巨大的需求，但是中国存储芯片几乎完全依赖进口，自产的存储器低于5%（美国50%，韩国25%）。从DRAM存储器历史，存储系统的层次结构，芯片存储器的设计、制造到建立生态应用，激发学生创新意识和科技报国的使命担当。说明中国不能依赖于芯片进口，鼓励学生立足于国家的集成电路产业发展创新战略，努力学习，补好芯片存储器短板。存储领域的发展取决于制造设备和材料，结合中国科学技术大学郭光灿院士团队研究组李传锋、周宗权研制的“按需式读取”可集成固态量子存储器和中国科学院上海微系统所陶虎课题组实现的基于蚕丝蛋白的高容量生物存储，培养学生精益求精的大国工匠精神，为实现信息产业的芯片存储器底层基础设施“中国造”努力学习。2.3指令系统的思政切入点在2021年5月28日召开的两院院士大会和中国科协第十次全国代表大会上，习近平主席强调：科技攻关要坚持问题导向，奔着最紧急、最紧迫的问题去[9]。国产芯片+操作系统是当前紧急、紧迫的方向之一，制约CPU芯片性能的因素，除了制造环节外，还有一个基础且关键的环节是指令集（架构）。目前市场上的主流指令集有X86、MIPS、ARM、RISC-V。国内厂商中，天津海光、上海兆芯等基于X86架构；龙芯中科先是采用MIPS架构，2021年发布完全自研的指令集LoongArch；华为鲲鹏、天津飞腾基于ARM架构；申威基于Alpha架构；全志科技的芯片、兆易创新的MCU产品和阿里的早期芯片采用RISC-V架构。2021年5月28日，阿里云峰会上发布自主研发的云计算操作系统——飞天操作系统兼容X86、ARM、RISC-V等多种芯片架构，实现“一云多芯”，有望适配不同架构的国产芯片，带动国内产业链发展，将遍布全球的百万级服务器连成一台超级计算机，以在线公共服务的方式为社会提供计算能力。以上述内容开阔学生的国际视野，培养其精益求精的科学精神，激发敬业精神、科技报国的责任感和使命感。2.4中央处理器的思政切入点中央处理器的讲解涉及CPU的功能和组成、指令周期、时序产生器、控制方式、微程序控制器的原理以及硬连线控制器的基本思想和工作原理。结合2018年美国制裁中兴事件以及自2020年12月以来中国汽车缺芯停产，引出课程思政的内容：核心技术受制于人，造成的影响难以估量。必须科技创新，自主研发芯片，才有机会与国际巨头平等对话。半导体领域的投入和研发是一个长期的过程，从IC设计、芯片生产到芯片商用，重科技、重资产、重人力、回报周期长。以华为海思的麒麟980为例，研发周期长达3年，投入超过3亿美元，10