微機原理課程思政案例設計與實踐

左冬紅

［摘 要］高等學校人才培養是育人與育才相統一的過程。課程組設計了與課程教學內容緊密相關的思政案例，并將其融入線上教學、理論教學、實驗教學的全過程。實踐結果表明，課程思政一方面能幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，另一方面能提高學生的專業學習熱情。

［關鍵詞］課程思政；案例設計；微機原理

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）05-0104-03

微機原理課程是電子信息類非計算機專業的核心基礎課，該課程的教學目標是讓學生了解軟件控制硬件的基本原理，建立微機系統的整機概念，同時具備利用計算機軟、硬件技術解決實際問題的基本思路和能力。該教學目標側重于知識傳授和能力培養。新時代的人才培養要求是將育人與育才相統一，在知識傳授和能力培養的同時幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀[1]。計算機是一個復雜系統，在對其進行設計、研發的過程中，各種問題的解決和方案的實施無不蘊含著人類先進的思想價值和精神內涵。因此，挖掘和提煉微機原理課程中的思想價值和精神內涵，形成合理有效的微機原理課程思政案例，是本文研究的主要內容。

基于《高等學校課程思政建設指導綱要》指導思想，并結合筆者多年從事微機原理課程教學實踐、教學研究工作的相關經驗，本文總結出了以下微機原理課程思政案例及實施方案。

一、課程思政線上教學

（一）引入中國計算機發展歷史

為幫助學生了解CPU在我國的發展歷史和現狀，培養學生的愛國主義精神，增強學生對中華民族偉大復興的責任感、自信心和自豪感，課程組有針對性地引入我國計算機發展歷史、現狀介紹，以及在我國計算機發展進程中做出卓越貢獻的人物和具有較大影響力的事件。這不僅能增強課程的人文性、引領性和時代性，還能引導學生了解國情，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。

實施方案：將相關視頻的鏈接上傳到線上的課程思政欄目，在課間或課外供學生觀看。課程思政視頻涉及內容有：（1）國產計算機發展歷史；（2）中國龍芯之母黃令儀；（3）科學脊梁——胡偉武與龍芯CPU；（4）為AI裝上中國芯；（5）胡偉武報告：自主CPU發展之路；（6）天才簡史——圖靈；（7）天才簡史——馮·諾伊曼；（8）5分鐘看懂芯片如何制造；（9）最高科學成就獎獲得者感言。

（二）引入計算機學科大師的處世感言

為幫助學生樹立良好的品格，課程組引入計算機學科大師胡偉武在從事計算機科學研究以及在產業發展過程中所發表的相關文章，讓學生明白基本的處世哲學：（1）復雜系統需要在不斷試錯中發展，不可能一蹴而就，試錯需要時間和耐心；（2）不僅要擼起袖子加油干，還要耐著性子堅持干；（3）核心技術產品開發的難點不在科學原理，而在于工程細節的完善；（4）要在應用中發現問題，并根據發現的問題進行持續改進；（5）既在成績面前保持清醒的頭腦，又在困難面前堅定必勝的信心[2-4]。

將有關文章上傳到線上的課程思政欄目，供學生課間或課外閱讀，讓學生在了解大師處世態度和觀點的同時，潛移默化地形成正確的世界觀、人生觀、價值觀，增強創新精神、創造意識，提高個人的愛國、敬業、誠信、友善等修養。

二、課程思政理論教學

（一）培養對立統一辯證思維

辯證思維，即運用唯物辯證立場、觀點、方法（尤其是對立統一規律）來分析問題、解決問題的思維方法。唯物辯證法認為一切事物都是對立統一的，并在一定條件下相互依存、相互轉化[5]。

計算機技術發展歷程存在大量對立統一辯證思維的事例。在講授相關知識時，需明確指出并反復強調這些事例，同時提醒學生在今后的學習工作中，要根據實際情況靈活運用相關技術，甚至改造現有技術。案例如下：

馮·諾依曼體系結構采用單一總線、單一存儲器；而哈佛體系結構采用多總線、多存儲器。哈佛體系結構解決了馮·諾依曼體系結構計算機在CPU高速發展之后的存儲訪問瓶頸問題，但是CPU外部總線增加又帶來了硬件結構復雜化問題。現代CPU則依托緩存技術將二者進行融合。

CISC指令架構在底層電路層面為每一條指令編寫完整的控制和運算邏輯，豐富了指令的種類和數量，簡化了軟件人員的工作；RISC指令架構僅由最基本的指令組成，復雜操作由軟件人員采用基本指令實現，提高了硬件執行效率。隨著指令架構的不斷發展，RISC指令集和CISC指令集的邊界越來越模糊，兩者相互借鑒、取長補短。

高速緩存直接映射時，內存中某行的數據只能映射到高速緩存的特定行，易導致緩存較高的替換率和較低的利用率；全相聯映射時，則內存中的數據可以映射到高速緩存中任意行，雖提升了緩存的利用率，但同時提高了緩存的管理代價和存儲代價。現代計算機緩存映射策略采用多路組相聯映射，將兩者融合起來，形成組間直接映射、組內全相聯映射。

在教學過程中，向學生明確分析這些示例的對立面和統一性，通過對這些技術發展過程的闡述，啟發學生在生活和學習中增強問題意識、堅持問題導向，正視矛盾的普遍性、客觀性，正確分析矛盾，在對立中把握統一、在統一中把握對立，克服極端化、片面化，不斷提升辯證思維能力[6]。

（二）樹立人類命運共同體理念

計算機系統的各個構成部件雖具有一定的獨立性，但為實現計算機系統協調有序工作，各個部件之間的通信必須遵守相應的總線規范，任一設備長期強占總線，都將造成計算機系統性能下降。人類社會對于公共資源的使用，同樣應遵守相應的規則，強權和霸權只會阻礙人類社會發展，甚至導致其倒退。

通過計算機系統總線規范的解讀，一方面幫助學生理解習近平總書記提出的構建人類命運共同體思想的深刻內涵與時代價值，引導學生建立“不依附別人、更不掠奪別人，同各國人民一道努力構建人類命運共同體，把世界建設得更加美好”[7]的崇高理想；另一方面培養學生利用法治思維和法治方法解決問題的能力，形成遵紀守法、誠信友善的職業品格。

（三）培養社會主義核心價值觀

社會主義核心價值觀就是要弘揚共同理想，凝聚精神力量，形成全民族奮發向上、團結和睦的精神紐帶，是人們的精神支柱、行動向導[8]。只有全民族共同努力，才能實現中華民族偉大復興。

計算機系統就如同一個國家，其部件如計算、存儲和輸入輸出等，都不是單一結構，而是要協同工作，各盡其能，從而實現高性能、低成本的計算機整機。

如，計算部件不僅有CPU，還有FPU、GPU、DPU、FPGA等；存儲部件不僅有內存，還有高速緩存、聯機硬盤、移動硬盤等；IO數據傳輸控制方式不僅有查詢、中斷，還有DMA、通道等。計算機系統整體性能提升既不能單純追求部件或技術種類的繁多，也不能追求某個部件單一性能的提高，只有各個部件性能協同提升，才能實現計算機系統整體性能的提升。

通過對這些技術或解決方案進行剖析，引導學生把國家、社會、公民的價值要求融為一體，提高個人的愛國、敬業、誠信、友善等修養，自覺把小我融入大我，形成正確的職業道德。

（四）培養精益求精的大國工匠精神

為培養學生精益求精的大國工匠精神，理論課堂教學不僅要介紹各類問題的解決方案，還要進一步探討其原因，即探討不同解決方案的性能，如時間復雜度（速度）、空間復雜度（資源）及其適應性等，并進行對比分析。

如，匯編語言指令實現C語言程序段中的while語句以及switch語句，引導學生分析不同實現方案的性能、優缺點和適應性；針對匯編語言指令實現C語言中指針和數組，引導學生分析C語言這兩種實現方案的性能和代價；針對快速中斷和普通中斷模式，引導學生分析兩種方式的性能和代價；針對分級存儲系統，引導學生分析計算機采用分級存儲系統的原因；針對高速緩存映射策略，引導學生分析同一程序段在不同映射策略下的性能以及代價；針對IO接口數據傳輸控制方式，引導學生分析不同控制方式下的軟硬件開銷、性能以及可能帶來的問題。

三、課程思政實踐教學

（一）對比實驗

微機原理課程接口技術實驗根據數據傳輸方式分為并行接口和串行接口，而根據數據傳輸控制方式則分為程序控制和中斷。計算機外部設備種類繁多，為了讓學生在有限的實驗學時內快速掌握相關知識，并能深刻體會不同解決方案的優缺點和適應性，單元實驗采用對比實驗和協同學習的課程思政教學方案。如每個學生針對同一外部設備采用不同接口數據傳輸控制方式進行對比實驗，而同一組學生則針對不同外部設備分別進行實驗。每個學生在實驗驗收及實驗報告中都要明確指出不同數據傳輸控制方式下的特點，以及針對不同外部設備如何進行控制程序及接口電路的修改。

（二）綜合實驗

單元實驗注重培養學生某一方面的能力，而綜合實驗則要求學生綜合運用所學知識解決某個與實踐緊密相關的具體問題，其功能相對復雜。為培養學生的團隊合作能力、領導能力以及良好的職業品格和行為習慣，綜合實驗采用開放選題、團隊合作的方式進行。綜合實驗驗收工作包括：（1）提交團隊實驗報告、所有團隊成員參與的實驗過程視頻、實驗工程源碼；（2）所有團隊成員參與答辯；（3）各團隊之間互評和團隊成員自評；（4）將完成度、難度、創新性以及性能等作為驗收的主要指標。

四、課程思政實施成效

（一）學生對線上課程思政反響熱烈

微機原理線上課程設計了4個話題：（1）請節選部分你印象較深的胡偉武文章中的觀點，并發表你的感想；（2）請發表你觀看胡偉武報告后的感想；（3）請發表你觀看中國芯相關視頻的觀后感；（4）從陳云霽的文章中，你看到了什么？上課班級對4個話題的回復數將近100條，閱讀數將近150次。從收集的學生感言中，可以看出學生在了解與本課程緊密相關的國情、人與事之后，激發了中國心、中國情，增強了責任感。

（二）學生參與科創活動的積極性提高

全流程的課程思政教學實施后，選擇跟隨任課教師參與科研活動的學生人數明顯增多，積極性明顯提高。（1）參與任課教師指導的大學生創新創業項目的學生人數明顯多于往年；（2）參與任課教師指導的大學生電子設計大賽的學生人數增多；（3）開放選題中的綜合項目的多樣性、創新性增強，部分學生所設計的綜合項目選題內容不再局限于本課程，融合了高階課程的元素，如將神經網絡應用于嵌入式系統、結合數字語音處理的嵌入式系統等。

五、結語

本文結合微機原理課程的特點，深挖與課程緊密相關的思政案例，并融入課程教學的全過程，實現專業課程教學與思政教育的有機結合。實踐結果表明，課程思政教學一方面能幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，另一方面能提高學生的專業學習熱情。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 中華人民共和國教育部.高等學校課程思政建設指導綱要[EB/OL].（2020-06-01）[2023-02-15]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[2］ 胡偉武.龍芯CPU15年研發歷程[J].中國經濟周刊， 2018 （17） ：18-21.

[3］ 胡偉武.核心技術需要在試錯中發展[J].中國科學：信息科學，2018，48（8）：1097-1101.

[4］ 胡偉武.發展自主CPU應該走市場帶技術的道路[J].信息安全研究，2019，5（5）：450-453.

[5］ 陳忠禹.習近平關于辯證思維重要論述的科學內涵研究[J].中共福建省委黨校（福建行政學院）學報，2022（2）：45-52.

[6］ 中共中央黨校哲學教研部.習近平關于讀經典學哲學用哲學論述摘編[M].北京：中共中央黨校出版社，2015.

[7］ 習近平.在紀念馬克思誕辰200周年大會上的講話[M].北京：人民出版社，2018.

[8］ 劉云山.著力培育和踐行社會主義核心價值觀[J].求是，2014（2）：3-6.

［責任編輯：鐘 嵐］