計算機組成原理課程思政的跨學科改革探索

張海英 黃佳佳 曾文華

關鍵詞：計算機組成原理；課程思政；歷史觀

0 引言

課程思政是新時代我國高等教育領域為更好落實立德樹人根本任務而探索創(chuàng)新的新興事物。近五年來，課程思政研究作為我國新時代高等教育高質量發(fā)展面臨的嶄新時代課題，已經在習近平新時代中國特色社會主義思想的指導下，迅速成為學界和理論界的研究熱點。在大思政背景下，全國各高等院校都相繼啟動了建設項目，廈門大學于2020年開始啟動課程思政建設項目。其建設目標是充分發(fā)揮各類課程的思想政治教育功能，構建全面覆蓋、類型豐富、層次遞進、相互支撐的課程思政體系，促進廣大教師課程思政的意識和能力提升，推進課程思政建設的機制更加健全，課程思政教育教學體系更加完善，立德樹人成效更加凸顯，形成“院院有特色、課課有思政、師師重育人”的良好局面。在這一背景下，探索如何進行課程思政，并實現(xiàn)“特色化”成為當下的改革重點。

近年來，伴隨著課程思政的不斷深化，高等教育機構陸續(xù)推出了眾多的探索形式和路徑。如：線上研討、思政講座、教育大會等。其中，涉及工科、文科、理科等多個學科的個性化思政建設。此外，相關的教改論文也不斷見刊，從宏觀上探討課程思政的本質內涵與實踐思路或者結合某個具體案例[1-3]和國家大政方針[4-5]，完成在原有課程基礎上的思政過程。但是，計算機類課程本身具有理論性強、知識系統(tǒng)迭代快、邏輯嚴密的特點，如何在有限的學時內，做到思政的“潤物細無聲”，而不是牽強附會，并且能突出一定的特色，到目前為止，還是一個值得探討的問題。

從學科發(fā)展的角度而言，信息科學在互聯(lián)網時代得到了迅猛的發(fā)展，“互聯(lián)網+”“人工智能+”使其迅速占據(jù)各行各業(yè)應用技術的核心地位。不足百年發(fā)展史的計算機，其課程群也從不同側面反映了計算機發(fā)展的歷史軌跡。計算機組成原理這門課程而言是計算機及其相關專業(yè)的必修課程，也是研究生入學必考科目，主要圍繞馮·諾依曼現(xiàn)代計算機的三大部件CPU、存儲器、I/O介紹其工作原理以及分工協(xié)作技術。該課程作為偏向硬件底層的理論課程，對于學生未來進一步從事微處理器芯片設計、開發(fā)等研究方向奠定了重要的理論基礎。目前我國的芯片產業(yè)尚處發(fā)展之中，很多方面都要受制于人，屬于“卡脖子”技術。可見，我們的課程本身就與國家芯片技術的發(fā)展息息相關，課程思政具有必要性和前瞻性。同時，也應體現(xiàn)鮮明的歷史性、延續(xù)性和時代性特點。

1 計算機組成原理課程教學改革的發(fā)展史

高等學校教育改革歷經多年，每次改革都提出了新的目標和任務，在這一背景下，作為核心課程的計算機組成原理課程，以此為契機，與時俱進，伴隨資源的不斷豐富，教學手段和教學理念不斷演進，已經成為體系相對完善的示范類課程。

1） 2015年， 廈門大學示范性網絡課程建設項目。本次改革主要利用學校提供的網絡平臺，將課程資源全部上線，包括教學大綱、教學計劃、授課PPT等，實現(xiàn)線下課程資源的信息化管理。

2） 2019年，廈門大學課程改革項目。主要聚焦于構建實驗仿真虛擬平臺，將線下依賴于實體試驗箱的實驗環(huán)節(jié)遷移到線上。這一改革措施解決了由于線下平臺數(shù)量有限、難維護、難復現(xiàn)等諸多問題，便于學生隨時隨地開展實驗環(huán)節(jié)。而且，這一改革措施為應對新冠疫情等特殊情況下的正常教學提供了保障。

3） 2020年，廈門大學線下一流課程。2019年廈門大學軟件工程專業(yè)取得國家軟件工程認證。在此背景下，我們將以成果產出為導向的教育理念OBE（Outcome-Based Education） [6]引入課程改革中，強調以學生為本，運用逆向思維進行課程體系的建設，關注學生的產出，重視過程管理，并給出持續(xù)性改進措施。

4） 2021年，教育部-華為“智能基座”產教融合協(xié)同育人基地建設課程。此次教改，我們通過華為提供的平臺引入外部資源，在課程內容中嵌入華為鯤鵬芯片作為案例。這一合作方式不僅豐富了課程內容，同時也提升了華為公司在學生中的影響力，為建立青年學生學習華為增強民族自信，勵志報國，起到了激勵作用。

5） 2022年，廈門大學本科課程思政示范課程。在大思政背景下，課程改革不僅僅局限于理論內容的專業(yè)性，更要增強其思想性內涵。因而，探討如何將思政元素映射到專業(yè)課程中，是適應國家教育改革的新形勢和新策略的需要。

2 課程思政元素的挖掘

通過前述的梳理，并結合課程特點，我們擬從如下幾個角度提取計算機組成原理課程的思政元素，通過挖掘課程“專業(yè)性”背后的“思想性”，將其與馬克思主義、辯證唯物主義等科學指導思想進行結合，探索課程融入思政的手段。

1） 核心技術的發(fā)展。從第一臺電子計算機ENIAC的誕生，到現(xiàn)在個人電腦、移動終端、大型服務器、超級計算機的世界性普及，計算機的組成伴隨計算機系統(tǒng)架構以及計算機技術的不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展態(tài)勢。從CISC到RISC，從單處理器到多核處理器，從通用體系架構到專用體系架構的發(fā)展，這就是一部信息技術革命的發(fā)展史，每一個核心技術的提出以及發(fā)展、變遷都體現(xiàn)了量變到質變，否定之否定等唯物辯證法的哲學思想。 據(jù)此，讓學生學習如何透過現(xiàn)象看到本質，如何科學地辯證地看待問題、分析問題和解決問題。

2） 科學巨人。人類發(fā)明了計算機，這無疑是20 世紀最重要的發(fā)明之一。正是這些科學巨人的涌現(xiàn)，推動了計算機技術的飛速發(fā)展，使之不斷螺旋式上升。其中包括奠定了現(xiàn)代電子計算機體系架構的約翰·馮·諾依曼，“計算機之父”艾倫·麥席森·圖靈，信息論的奠基人克勞德·香農，晶體管的發(fā)明者威廉·肖克利，以及當代的喬布斯、比爾·蓋茨等杰出人物。此外，還有為中國計算機事業(yè)起步做出重要貢獻的中國科學家們，如被譽為“中國計算機之母”的夏培肅，“龍芯”的設計者黃令儀，以及姚期智、潘云鶴、袁亞湘等。他們如同星河中的璀璨繁星，照亮了人類前進的道路，也溫暖了我們的心靈。他們理應成為青年學生學習的榜樣和楷模，從他們身上，我們看到了人類孜孜以求、探索未來、不斷追尋更高品質生活的奮斗精神。

3） 未解之謎。計算機發(fā)展至今，仍有許多未解之謎等待我們去探索，如網絡安全、海量信息檢索、閑置計算機的利用等問題，以及軟件設計、下一代程序設計語言、下一代操作系統(tǒng)、下一代計算機體系架構等研究領域。這些未解之謎不僅為青年一代指明了探索的方向，更是激勵他們成為新一代“科學巨人”的強大動力源泉。

通過在歷史脈絡中映射上述三個角度，我們可以全方位地將思政元素融入課堂，充分體現(xiàn)課程專業(yè)的歷史性特色。

3 思政案例

通過前述分析，結合教材涉及的具體理論環(huán)節(jié)，我們提取出本門課程的思政映射點以及相應的實踐手段如下：

1） 針對“我國計算機發(fā)展歷史”這部分內容，著重介紹我國計算機產業(yè)的優(yōu)勢，如：國產“天河一號”超級計算機、“神威太湖之光” 超級計算機，曾獲全球超級計算機500 強六連冠等。

思政映射：梳理我國計算機發(fā)展史上做出重要貢獻的代表人物，了解其與國外的技術差距，并強調其近年來在超算方面的國際領先地位，融入馬克思辯證唯物主義思想，尤其是量變到質變的哲學思想。讓學生學會辯證地看待我國計算機技術發(fā)展的優(yōu)劣，科學看待我國現(xiàn)在發(fā)展的不足，既不盲目崇洋媚外，也不妄自菲薄，而應厚積薄發(fā)，增強民族自豪感和自信心。

實踐方式：觀看視頻，學生討論，資料收集，寫心得。

2） 針對“計算機系統(tǒng)的組成”這部分內容，主要介紹計算機系統(tǒng)為何需要軟件硬件部分以及他們對于整個系統(tǒng)的作用和貢獻。

思政映射：強調軟硬件只有相互協(xié)作才能完成程序的執(zhí)行過程，它們相對獨立，又分工協(xié)作，才能支持整機系統(tǒng)。這無疑體現(xiàn)了一種協(xié)作精神，讓學生懂得團隊協(xié)作的重要性，強化學生團隊協(xié)作意識，不要個人英雄主義。

實踐方式：案例介紹，學生討論。

3） 針對“數(shù)據(jù)信息的表示”這部分內容，介紹計算機的二進位發(fā)明來自五千年前的中國，并介紹中國的漢字編碼發(fā)展歷史和關鍵人物。

思政映射：雖然，計算機是外國人發(fā)明的，但是中國在計算機發(fā)展史上也有自己的貢獻。據(jù)此， 融入文化自信，讓學生知道中國特色社會主義文化既是中國傳統(tǒng)文化現(xiàn)代化的結果，也是馬克思主義理論中國化的結晶。

實踐方式：案例介紹，觀看視頻，學生討論。

4） 針對“運算方法與運算器”這部分，介紹中國古代最早提出了負數(shù)的概念，中國古代人如何做乘法、中國古代的陰陽哲學等。

思政映射：中國古代早就有人研究過計算問題，我們的陰陽哲學其實就是二進制的雛形，讓學生增強文化自信，樹立民族自豪感以及為民族復興，舍我其誰的志向。

實踐方式：案例介紹，觀看視頻，學生討論。

5） 針對“存儲系統(tǒng)”這部分，介紹DRAM的技術發(fā)展史，cache是如何利用程序局部訪問性原理進行設計的，存儲器為何是一個多級結構等相關知識點。

思政映射：通過技術變革的發(fā)展史，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，如何嘗試從不同角度實現(xiàn)技術的更新迭代。存儲系統(tǒng)利用多重技術手段，可以間接地構建一個又快又大的存儲空間，解決與CPU的速度和容量矛盾，可以引導學生在解決問題時，學會一定的迂回策略，讓他們知道問題的解決在沒有直接途徑時，可以采取間接手段，就像紅軍的四渡赤水，同樣可以實現(xiàn)目標。

實踐方式：案例介紹，觀看視頻，學生討論。

6） 針對“指令系統(tǒng)”這部分內容， 介紹復雜指令計算機 CISC到精簡指令計算機RISC 的演變歷史以及涉及的關鍵人物。

思政映射： 融入變繁為簡、去粗取精、有舍才有得的哲學理念，讓學生了解舍得是既對立又統(tǒng)一的矛盾概念，相生相克，相輔相成，在學習和生活中把握適度取舍原則。

實踐方式：案例介紹，觀看視頻。

7） 針對“中央處理器”這部分內容，介紹處理器技術近40年的發(fā)展歷程，各種技術的更新?lián)Q代，并著重介紹Moore 定律和登德爾縮放定律為何失效。

思政映射：融入否定之否定的辯證法思想，讓學生充分理解世界上一切事物的演變，其背后都符合否定之否定的規(guī)律。學會用辯證的否定去認識世界，明白發(fā)展是前進性和曲折性的對立統(tǒng)一，只有不忘初心，方得始終。

實踐方式：案例介紹，觀看視頻，學生討論。

8） 針對“指令流水線”這部分內容，介紹指令流水線技術的發(fā)源，其借鑒了工廠產品裝配流水線的思想，將復雜問題分割成一系列的小問題，通過時空重疊等手段實現(xiàn)指令的加速。

思政映射：啟發(fā)學生在解決復雜問題時進行廣泛借鑒， 它山之石可以攻玉；同時，培養(yǎng)多維度多角度思考的能力，變繁為簡。讓學生建立并行計算的思維，時間與空間的并行是計算機廣泛采用的技術，其來自實際生活。引導學生多觀察和思考，培養(yǎng)他們進行發(fā)散思維的能力。

實踐方式：案例介紹，學生討論。

4 結束語

在大思政改革背景下，我們以計算機組成原理課程為案例，探討其進行思政的可行性道路，并結合理論內容，給出具體的思政映射案例以及實踐方式。在授課過程中，通過挖掘技術背后的歷史人物、歷史事件，突出其思想性，讓學生對于道路自信、理論自信、制度自信和文化自信有了具體而深刻的認識。同時，對于我國目前科技發(fā)展的現(xiàn)狀，尤其是所處的不利環(huán)境，能夠與個人的前途命運建立關聯(lián)，讓他們對于自己的未來有了更為深刻的思考，不再是“兩耳不聞窗外事，一心只讀圣賢書”，為塑造青年一代的擔當作為起到了積極的推進作用。