計(jì)算機(jī)組成原理課程思政的跨學(xué)科改革探索

張海英 黃佳佳 曾文華

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；課程思政；歷史觀

0 引言

課程思政是新時(shí)代我國高等教育領(lǐng)域?yàn)楦寐鋵?shí)立德樹人根本任務(wù)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(shí)代高等教育高質(zhì)量發(fā)展面臨的嶄新時(shí)代課題，已經(jīng)在習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想的指導(dǎo)下，迅速成為學(xué)界和理論界的研究熱點(diǎn)。在大思政背景下，全國各高等院校都相繼啟動(dòng)了建設(shè)項(xiàng)目，廈門大學(xué)于2020年開始啟動(dòng)課程思政建設(shè)項(xiàng)目。其建設(shè)目標(biāo)是充分發(fā)揮各類課程的思想政治教育功能，構(gòu)建全面覆蓋、類型豐富、層次遞進(jìn)、相互支撐的課程思政體系，促進(jìn)廣大教師課程思政的意識(shí)和能力提升，推進(jìn)課程思政建設(shè)的機(jī)制更加健全，課程思政教育教學(xué)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(jìn)行課程思政，并實(shí)現(xiàn)“特色化”成為當(dāng)下的改革重點(diǎn)。

近年來，伴隨著課程思政的不斷深化，高等教育機(jī)構(gòu)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(huì)等。其中，涉及工科、文科、理科等多個(gè)學(xué)科的個(gè)性化思政建設(shè)。此外，相關(guān)的教改論文也不斷見刊，從宏觀上探討課程思政的本質(zhì)內(nèi)涵與實(shí)踐思路或者結(jié)合某個(gè)具體案例[1-3]和國家大政方針[4-5]，完成在原有課程基礎(chǔ)上的思政過程。但是，計(jì)算機(jī)類課程本身具有理論性強(qiáng)、知識(shí)系統(tǒng)迭代快、邏輯嚴(yán)密的特點(diǎn)，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，做到思政的“潤物細(xì)無聲”，而不是牽強(qiáng)附會(huì)，并且能突出一定的特色，到目前為止，還是一個(gè)值得探討的問題。

從學(xué)科發(fā)展的角度而言，信息科學(xué)在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代得到了迅猛的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能+”使其迅速占據(jù)各行各業(yè)應(yīng)用技術(shù)的核心地位。不足百年發(fā)展史的計(jì)算機(jī)，其課程群也從不同側(cè)面反映了計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷史軌跡。計(jì)算機(jī)組成原理這門課程而言是計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的必修課程，也是研究生入學(xué)必考科目，主要圍繞馮·諾依曼現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的三大部件CPU、存儲(chǔ)器、I/O介紹其工作原理以及分工協(xié)作技術(shù)。該課程作為偏向硬件底層的理論課程，對(duì)于學(xué)生未來進(jìn)一步從事微處理器芯片設(shè)計(jì)、開發(fā)等研究方向奠定了重要的理論基礎(chǔ)。目前我國的芯片產(chǎn)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(shù)。可見，我們的課程本身就與國家芯片技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，課程思政具有必要性和前瞻性。同時(shí)，也應(yīng)體現(xiàn)鮮明的歷史性、延續(xù)性和時(shí)代性特點(diǎn)。

1 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革的發(fā)展史

高等學(xué)校教育改革歷經(jīng)多年，每次改革都提出了新的目標(biāo)和任務(wù)，在這一背景下，作為核心課程的計(jì)算機(jī)組成原理課程，以此為契機(jī)，與時(shí)俱進(jìn)，伴隨資源的不斷豐富，教學(xué)手段和教學(xué)理念不斷演進(jìn)，已經(jīng)成為體系相對(duì)完善的示范類課程。

1） 2015年， 廈門大學(xué)示范性網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)項(xiàng)目。本次改革主要利用學(xué)校提供的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將課程資源全部上線，包括教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、授課PPT等，實(shí)現(xiàn)線下課程資源的信息化管理。

2） 2019年，廈門大學(xué)課程改革項(xiàng)目。主要聚焦于構(gòu)建實(shí)驗(yàn)仿真虛擬平臺(tái)，將線下依賴于實(shí)體試驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)遷移到線上。這一改革措施解決了由于線下平臺(tái)數(shù)量有限、難維護(hù)、難復(fù)現(xiàn)等諸多問題，便于學(xué)生隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。而且，這一改革措施為應(yīng)對(duì)新冠疫情等特殊情況下的正常教學(xué)提供了保障。

3） 2020年，廈門大學(xué)線下一流課程。2019年廈門大學(xué)軟件工程專業(yè)取得國家軟件工程認(rèn)證。在此背景下，我們將以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育理念OBE（Outcome-Based Education） [6]引入課程改革中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為本，運(yùn)用逆向思維進(jìn)行課程體系的建設(shè)，關(guān)注學(xué)生的產(chǎn)出，重視過程管理，并給出持續(xù)性改進(jìn)措施。

4） 2021年，教育部-華為“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地建設(shè)課程。此次教改，我們通過華為提供的平臺(tái)引入外部資源，在課程內(nèi)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(nèi)容，同時(shí)也提升了華為公司在學(xué)生中的影響力，為建立青年學(xué)生學(xué)習(xí)華為增強(qiáng)民族自信，勵(lì)志報(bào)國，起到了激勵(lì)作用。

5） 2022年，廈門大學(xué)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(nèi)容的專業(yè)性，更要增強(qiáng)其思想性內(nèi)涵。因而，探討如何將思政元素映射到專業(yè)課程中，是適應(yīng)國家教育改革的新形勢(shì)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(jié)合課程特點(diǎn)，我們擬從如下幾個(gè)角度提取計(jì)算機(jī)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(xué)指導(dǎo)思想進(jìn)行結(jié)合，探索課程融入思政的手段。

1） 核心技術(shù)的發(fā)展。從第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC的誕生，到現(xiàn)在個(gè)人電腦、移動(dòng)終端、大型服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)的世界性普及，計(jì)算機(jī)的組成伴隨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展態(tài)勢(shì)。從CISC到RISC，從單處理器到多核處理器，從通用體系架構(gòu)到專用體系架構(gòu)的發(fā)展，這就是一部信息技術(shù)革命的發(fā)展史，每一個(gè)核心技術(shù)的提出以及發(fā)展、變遷都體現(xiàn)了量變到質(zhì)變，否定之否定等唯物辯證法的哲學(xué)思想。 據(jù)此，讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，如何科學(xué)地辯證地看待問題、分析問題和解決問題。

2） 科學(xué)巨人。人類發(fā)明了計(jì)算機(jī)，這無疑是20 世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。正是這些科學(xué)巨人的涌現(xiàn)，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的約翰·馮·諾依曼，“計(jì)算機(jī)之父”艾倫·麥席森·圖靈，信息論的奠基人克勞德·香農(nóng)，晶體管的發(fā)明者威廉·肖克利，以及當(dāng)代的喬布斯、比爾·蓋茨等杰出人物。此外，還有為中國計(jì)算機(jī)事業(yè)起步做出重要貢獻(xiàn)的中國科學(xué)家們，如被譽(yù)為“中國計(jì)算機(jī)之母”的夏培肅，“龍芯”的設(shè)計(jì)者黃令儀，以及姚期智、潘云鶴、袁亞湘等。他們?nèi)缤呛又械蔫卜毙牵樟亮巳祟惽斑M(jìn)的道路，也溫暖了我們的心靈。他們理應(yīng)成為青年學(xué)生學(xué)習(xí)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(zhì)生活的奮斗精神。

3） 未解之謎。計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，仍有許多未解之謎等待我們?nèi)ヌ剿?，如網(wǎng)絡(luò)安全、海量信息檢索、閑置計(jì)算機(jī)的利用等問題，以及軟件設(shè)計(jì)、下一代程序設(shè)計(jì)語言、下一代操作系統(tǒng)、下一代計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)等研究領(lǐng)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(lì)他們成為新一代“科學(xué)巨人”的強(qiáng)大動(dòng)力源泉。

通過在歷史脈絡(luò)中映射上述三個(gè)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(jié)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(diǎn)以及相應(yīng)的實(shí)踐手段如下：

1） 針對(duì)“我國計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史”這部分內(nèi)容，著重介紹我國計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)，如：國產(chǎn)“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)、“神威太湖之光” 超級(jí)計(jì)算機(jī)，曾獲全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500 強(qiáng)六連冠等。

思政映射：梳理我國計(jì)算機(jī)發(fā)展史上做出重要貢獻(xiàn)的代表人物，了解其與國外的技術(shù)差距，并強(qiáng)調(diào)其近年來在超算方面的國際領(lǐng)先地位，融入馬克思辯證唯物主義思想，尤其是量變到質(zhì)變的哲學(xué)思想。讓學(xué)生學(xué)會(huì)辯證地看待我國計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的優(yōu)劣，科學(xué)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(yīng)厚積薄發(fā)，增強(qiáng)民族自豪感和自信心。

實(shí)踐方式：觀看視頻，學(xué)生討論，資料收集，寫心得。

2） 針對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成”這部分內(nèi)容，主要介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為何需要軟件硬件部分以及他們對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的作用和貢獻(xiàn)。

思政映射：強(qiáng)調(diào)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(duì)獨(dú)立，又分工協(xié)作，才能支持整機(jī)系統(tǒng)。這無疑體現(xiàn)了一種協(xié)作精神，讓學(xué)生懂得團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，強(qiáng)化學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，不要個(gè)人英雄主義。

實(shí)踐方式：案例介紹，學(xué)生討論。

3） 針對(duì)“數(shù)據(jù)信息的表示”這部分內(nèi)容，介紹計(jì)算機(jī)的二進(jìn)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(guān)鍵人物。

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

實(shí)踐方式：案例介紹，觀看視頻，學(xué)生討論。

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

思政映射：中國古代早就有人研究過計(jì)算問題，我們的陰陽哲學(xué)其實(shí)就是二進(jìn)制的雛形，讓學(xué)生增強(qiáng)文化自信，樹立民族自豪感以及為民族復(fù)興，舍我其誰的志向。

實(shí)踐方式：案例介紹，觀看視頻，學(xué)生討論。

5） 針對(duì)“存儲(chǔ)系統(tǒng)”這部分，介紹DRAM的技術(shù)發(fā)展史，cache是如何利用程序局部訪問性原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，存儲(chǔ)器為何是一個(gè)多級(jí)結(jié)構(gòu)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

思政映射：通過技術(shù)變革的發(fā)展史，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，如何嘗試從不同角度實(shí)現(xiàn)技術(shù)的更新迭代。存儲(chǔ)系統(tǒng)利用多重技術(shù)手段，可以間接地構(gòu)建一個(gè)又快又大的存儲(chǔ)空間，解決與CPU的速度和容量矛盾，可以引導(dǎo)學(xué)生在解決問題時(shí)，學(xué)會(huì)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(shí)，可以采取間接手段，就像紅軍的四渡赤水，同樣可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

實(shí)踐方式：案例介紹，觀看視頻，學(xué)生討論。

6） 針對(duì)“指令系統(tǒng)”這部分內(nèi)容， 介紹復(fù)雜指令計(jì)算機(jī) CISC到精簡指令計(jì)算機(jī)RISC 的演變歷史以及涉及的關(guān)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(xué)理念，讓學(xué)生了解舍得是既對(duì)立又統(tǒng)一的矛盾概念，相生相克，相輔相成，在學(xué)習(xí)和生活中把握適度取舍原則。

實(shí)踐方式：案例介紹，觀看視頻。

7） 針對(duì)“中央處理器”這部分內(nèi)容，介紹處理器技術(shù)近40年的發(fā)展歷程，各種技術(shù)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(xué)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(xué)會(huì)用辯證的否定去認(rèn)識(shí)世界，明白發(fā)展是前進(jìn)性和曲折性的對(duì)立統(tǒng)一，只有不忘初心，方得始終。

實(shí)踐方式：案例介紹，觀看視頻，學(xué)生討論。

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

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

實(shí)踐方式：案例介紹，學(xué)生討論。

4 結(jié)束語

在大思政改革背景下，我們以計(jì)算機(jī)組成原理課程為案例，探討其進(jìn)行思政的可行性道路，并結(jié)合理論內(nèi)容，給出具體的思政映射案例以及實(shí)踐方式。在授課過程中，通過挖掘技術(shù)背后的歷史人物、歷史事件，突出其思想性，讓學(xué)生對(duì)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(rèn)識(shí)。同時(shí)，對(duì)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(gè)人的前途命運(yùn)建立關(guān)聯(lián)，讓他們對(duì)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(dān)當(dāng)作為起到了積極的推進(jìn)作用。