計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程的思政元素挖掘與融入研究

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程的思政元素挖掘與融入研究1系統(tǒng)能力培養(yǎng)與計(jì)算機(jī)組成原理系統(tǒng)能力是依據(jù)確定的系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)的能力。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，要求對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有深刻理解，在掌握相關(guān)計(jì)算機(jī)基本原理的基礎(chǔ)上，能夠從不同角度去分析計(jì)算機(jī)的屬性，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各層次上分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化計(jì)算機(jī)軟硬件。系統(tǒng)觀要求深入掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的工作原理、構(gòu)造方法以及軟硬件的相互協(xié)同關(guān)系。僅在單門課程教學(xué)局部上培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀收效不大，因此要從頂層的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，構(gòu)建層次遞進(jìn)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)課程體系，統(tǒng)一規(guī)劃各課程教學(xué)內(nèi)容，將各課程有機(jī)地銜接起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系。為此，筆者建立系統(tǒng)能力綜合課程群，由數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、編譯原理、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多門課程相互融合、聯(lián)動(dòng)形成系統(tǒng)知識(shí)體系。其中，計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程群中的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，具有承上啟下的作用，安排在第4學(xué)期開(kāi)設(shè)，其前導(dǎo)課是數(shù)字邏輯，其他課程都是其后續(xù)課。有了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和組成原理基礎(chǔ)，才能從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體角度理解操作系統(tǒng)和編譯原理。計(jì)算機(jī)組成原理全面介紹計(jì)算機(jī)五大功能部件的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及相互關(guān)聯(lián)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件的基本架構(gòu)、組成部件和實(shí)現(xiàn)機(jī)制，是理論性、技術(shù)性很強(qiáng)的主干課程。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，首先在教學(xué)上必須樹(shù)立整體系統(tǒng)觀，把計(jì)算機(jī)組成原理與課程群中的其他課程聯(lián)系起來(lái)，站在全局角度深入挖掘相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)內(nèi)容和結(jié)合點(diǎn)。使學(xué)生學(xué)會(huì)在不同層面把握不同層次的系統(tǒng)，并全面考慮系統(tǒng)各部分與外界的邏輯與聯(lián)系，能夠完成一定規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在五大功能部件硬件的組成結(jié)構(gòu)與工作原理上，計(jì)算機(jī)組成原理與數(shù)字邏輯等硬件課程相關(guān)聯(lián)，要梳理清楚相關(guān)硬件課程體系的相互關(guān)系，構(gòu)建軟/硬件協(xié)同的整體系統(tǒng)概念。在與軟件類課程，如程序設(shè)計(jì)、編譯原理和操作系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)上，要與相關(guān)課程互相滲透。計(jì)算機(jī)組成原理要運(yùn)用數(shù)字邏輯課程中的組合邏輯和時(shí)序邏輯電路來(lái)設(shè)計(jì)功能部件、指令集和微指令集。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中數(shù)據(jù)類型與計(jì)算機(jī)組成原理課程中機(jī)器數(shù)的表示及存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)，指針與內(nèi)存地址關(guān)聯(lián)。操作系統(tǒng)課程中的處理器管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、通信和死鎖等均與計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)中的硬件資源關(guān)聯(lián)，才能協(xié)同完成特定任務(wù)。編譯原理課程設(shè)計(jì)優(yōu)化編譯器，將高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為CPU能夠直接識(shí)別并執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言，其中指令就是機(jī)器語(yǔ)言的一個(gè)語(yǔ)句，而指令的格式和設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)組成原理課程中指令系統(tǒng)的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程從機(jī)器語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)者的角度研究邏輯結(jié)構(gòu)和功能特征，確定硬件和軟件的界面，而邏輯實(shí)現(xiàn)則由計(jì)算機(jī)組成原理完成。在具體專業(yè)課教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)每門課程在課程體系中的時(shí)序、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、授課對(duì)象及與其他課程之間的關(guān)系，探索采用不同的教學(xué)方法和手段，挖掘不同的思想政治教育資源。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生清晰的邏輯思維、抽象思維能力和不畏艱難、不斷追求的科學(xué)精神。實(shí)現(xiàn)課程思政建設(shè)，教師隊(duì)伍是“主力軍”，課程建設(shè)是“主戰(zhàn)場(chǎng)”，課堂教學(xué)是“主渠道”。所有教師和課程都要承擔(dān)好育人責(zé)任，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局。首先在教學(xué)大綱中，明確課程的教學(xué)目標(biāo)和思政教育目標(biāo)，將思政教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)。專業(yè)教學(xué)目標(biāo)應(yīng)包含知識(shí)、能力和素質(zhì)目標(biāo)等內(nèi)容，使學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。思政教育目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷、社會(huì)責(zé)任、文化自信、工程倫理、科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。其次在課程主要內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配中，除教學(xué)內(nèi)容和能力培養(yǎng)外，還應(yīng)包含思政映射內(nèi)容、素質(zhì)培養(yǎng)等相關(guān)的思政元素。最后對(duì)照課程教學(xué)內(nèi)容，挖掘思政教育切入點(diǎn)，形成體現(xiàn)課程思政改革的教案。系統(tǒng)能力課程中，計(jì)算機(jī)組成原理課程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)知能力和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，并與操作系統(tǒng)、編譯原理和微機(jī)原理與接口技術(shù)等課程融合為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)，以培養(yǎng)學(xué)生的基本創(chuàng)新能力。在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)引入思政教育，對(duì)加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)主義核心價(jià)值觀和愛(ài)國(guó)情懷，服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力是至關(guān)重要的。2計(jì)算機(jī)組成原理課程的思政元素挖掘計(jì)算機(jī)組成原理是典型的工科課程，內(nèi)容枯燥、單調(diào)、抽象，在教學(xué)過(guò)程中遇到極大的挑戰(zhàn)——學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)生動(dòng)力，只求考試及格。這種局面與教學(xué)過(guò)程中只重視專業(yè)知識(shí)傳授有很大關(guān)系。計(jì)算機(jī)組成原理作為工科專業(yè)核心課程，專業(yè)術(shù)語(yǔ)多、概念抽象、邏輯性強(qiáng)，要自然而然地融入思政元素有一定的難度。教師首先要有較強(qiáng)的“課程思政”的意識(shí)，意識(shí)到學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷有利于端正學(xué)習(xí)態(tài)度，在教學(xué)活動(dòng)中展現(xiàn)出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和積極的人生態(tài)度。其次在課程教學(xué)大綱中加入思政工作內(nèi)容，挖掘?qū)I(yè)課程中固有的思政元素。改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，堅(jiān)持知識(shí)灌輸與思想滲透相結(jié)合，促進(jìn)大學(xué)生通過(guò)參與和思考，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知、情感、理性和行為認(rèn)同。在教學(xué)過(guò)程中，要從整體上把握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件的功能，分析其關(guān)系和聯(lián)系，形成關(guān)于計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)論。將學(xué)科史、科技史教育融入教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合計(jì)算機(jī)的發(fā)展史、國(guó)內(nèi)外名人事跡，引導(dǎo)學(xué)生聚焦世界科技前沿，提升學(xué)習(xí)專注度，引發(fā)知識(shí)共鳴、情感共鳴和價(jià)值共鳴。結(jié)合存儲(chǔ)系統(tǒng)和微處理器的設(shè)計(jì)過(guò)程以及我國(guó)在芯片存儲(chǔ)器和CPU芯片上的追趕過(guò)程，融入科技工作者的創(chuàng)新、奉獻(xiàn)和合作精神，主動(dòng)聚焦國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，為國(guó)家和民族的發(fā)展出力爭(zhēng)光。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對(duì)象的專業(yè)認(rèn)知水平，深入挖掘提煉課程所蘊(yùn)含的德育元素，把社會(huì)主義核心價(jià)值觀、科學(xué)精神和職業(yè)素養(yǎng)融入課程教學(xué)中。2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論的思政切入點(diǎn)通過(guò)介紹計(jì)算機(jī)界的名人和世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的誕生過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的歷史觀，激發(fā)科學(xué)研究意識(shí)和愛(ài)國(guó)情懷。圖靈和馮·諾依曼都具有非凡的數(shù)學(xué)水平，二戰(zhàn)時(shí)期，因各自國(guó)家的戰(zhàn)略發(fā)展需要，圖靈提出了計(jì)算機(jī)的原理和模型，馮·諾依曼在此基礎(chǔ)上做出了硬件完善的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼提出的“存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案”奠定了計(jì)算機(jī)的5個(gè)部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出設(shè)備，對(duì)世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC起到關(guān)鍵作用，其存儲(chǔ)程序及二進(jìn)制編碼等對(duì)后繼計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)有決定性的影響，至今仍采用。將圖靈和馮·諾依曼的貢獻(xiàn)與計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的硬件組成要素及各部件的關(guān)聯(lián)，開(kāi)闊視野，向計(jì)算機(jī)界的先驅(qū)學(xué)習(xí)，提高對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的理解，激發(fā)勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感。2.2存儲(chǔ)系統(tǒng)的思政切入點(diǎn)芯片存儲(chǔ)器已成為人類信息化社會(huì)的重要支撐，作為全球最大的電子產(chǎn)品制造國(guó)和重要的電子產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)，中國(guó)對(duì)存儲(chǔ)芯片有著巨大的需求，但是中國(guó)存儲(chǔ)芯片幾乎完全依賴進(jìn)口，自產(chǎn)的存儲(chǔ)器低于5%（美國(guó)50%，韓國(guó)25%）。從DRAM存儲(chǔ)器歷史，存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，芯片存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)、制造到建立生態(tài)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和科技報(bào)國(guó)的使命擔(dān)當(dāng)。說(shuō)明中國(guó)不能依賴于芯片進(jìn)口，鼓勵(lì)學(xué)生立足于國(guó)家的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新戰(zhàn)略，努力學(xué)習(xí)，補(bǔ)好芯片存儲(chǔ)器短板。存儲(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展取決于制造設(shè)備和材料，結(jié)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)研究組李傳鋒、周宗權(quán)研制的“按需式讀取”可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所陶虎課題組實(shí)現(xiàn)的基于蠶絲蛋白的高容量生物存儲(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，為實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)的芯片存儲(chǔ)器底層基礎(chǔ)設(shè)施“中國(guó)造”努力學(xué)習(xí)。2.3指令系統(tǒng)的思政切入點(diǎn)在2021年5月28日召開(kāi)的兩院院士大會(huì)和中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上，習(xí)近平主席強(qiáng)調(diào)：科技攻關(guān)要堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，奔著最緊急、最緊迫的問(wèn)題去[9]。國(guó)產(chǎn)芯片+操作系統(tǒng)是當(dāng)前緊急、緊迫的方向之一，制約CPU芯片性能的因素，除了制造環(huán)節(jié)外，還有一個(gè)基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是指令集（架構(gòu)）。目前市場(chǎng)上的主流指令集有X86、MIPS、ARM、RISC-V。國(guó)內(nèi)廠商中，天津海光、上海兆芯等基于X86架構(gòu)；龍芯中科先是采用MIPS架構(gòu)，2021年發(fā)布完全自研的指令集LoongArch；華為鯤鵬、天津飛騰基于ARM架構(gòu)；申威基于Alpha架構(gòu)；全志科技的芯片、兆易創(chuàng)新的MCU產(chǎn)品和阿里的早期芯片采用RISC-V架構(gòu)。2021年5月28日，阿里云峰會(huì)上發(fā)布自主研發(fā)的云計(jì)算操作系統(tǒng)——飛天操作系統(tǒng)兼容X86、ARM、RISC-V等多種芯片架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“一云多芯”，有望適配不同架構(gòu)的國(guó)產(chǎn)芯片，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，將遍布全球的百萬(wàn)級(jí)服務(wù)器連成一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，以在線公共服務(wù)的方式為社會(huì)提供計(jì)算能力。以上述內(nèi)容開(kāi)闊學(xué)生的國(guó)際視野，培養(yǎng)其精益求精的科學(xué)精神，激發(fā)敬業(yè)精神、科技報(bào)國(guó)的責(zé)任感和使命感。2.4中央處理器的思政切入點(diǎn)中央處理器的講解涉及CPU的功能和組成、指令周期、時(shí)序產(chǎn)生器、控制方式、微程序控制器的原理以及硬連線控制器的基本思想和工作原理。結(jié)合2018年美國(guó)制裁中興事件以及自2020年12月以來(lái)中國(guó)汽車缺芯停產(chǎn)，引出課程思政的內(nèi)容：核心技術(shù)受制于人，造成的影響難以估量。必須科技創(chuàng)新，自主研發(fā)芯片，才有機(jī)會(huì)與國(guó)際巨頭平等對(duì)話。半導(dǎo)體領(lǐng)域的投入和研發(fā)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，從IC設(shè)計(jì)、芯片生產(chǎn)到芯片商用，重科技、重資產(chǎn)、重人力、回報(bào)周期長(zhǎng)。以華為海思的麒麟980為例，研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)3年，投入超過(guò)3億美元，10