談?dòng)?jì)算機(jī)組成原理課程思政教學(xué)

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摘要:計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。為了落實(shí)把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人的理念，本文分析了在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中融入思政教育的優(yōu)勢(shì)，并從四個(gè)方面挖掘課程內(nèi)容中蘊(yùn)含的思政元素，將思政教育切實(shí)地融入到具體的專業(yè)課程教學(xué)中。實(shí)踐證明，在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中，適度融入思政內(nèi)容，不僅不會(huì)影響正常教學(xué)，而且能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和敬業(yè)精神。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成原理；思政教育；實(shí)踐

1引言

2016年高校思政教育大會(huì)中提出，高校各類課程應(yīng)該與思政理論課同向而行，在立德樹人環(huán)節(jié)上形成協(xié)同效應(yīng)[1]。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算類專業(yè)中一門重要的基礎(chǔ)課，在整個(gè)課程體系中有著承上啟下的作用。在該課程教學(xué)中融入思政教育能夠更好地實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人的理念。本文以“計(jì)算機(jī)組成原理”課程為例，就如何把思政教育貫穿于具體教學(xué)內(nèi)容中進(jìn)行探析。

2課程的地位

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)硬件課程群中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。它是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的一門核心主干課程，在先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下的作用。課程主要講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備及總線的原理和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，從硬件層次上建立整機(jī)系統(tǒng)概念。通過課程的學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生真正理解和掌握計(jì)算機(jī)的基本組成和工作原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件綜合設(shè)計(jì)技術(shù)。計(jì)算機(jī)組成原理的課程地位決定了該課程教學(xué)中融入思政教育的優(yōu)勢(shì)：（1）該課程的授課對(duì)象是所有計(jì)算機(jī)大類相關(guān)的專業(yè)，故在此課程中融入思政教育能夠影響更多的學(xué)生。（2）該課程大綱在工程與社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個(gè)人與團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理等方面有指明的畢業(yè)要求，與課程思政教育方向一致，因此，在該課程教學(xué)中融入思政教育本身就是教學(xué)設(shè)計(jì)的要求。（3）課程的教學(xué)內(nèi)容，如我國大型機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀、計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的發(fā)展演變、I/O控制方式的發(fā)展過程、主存與cache的地址映射方式等，本身就具有顯著的現(xiàn)實(shí)教育意義，因此在該課程教學(xué)中可以很自然的融入思政內(nèi)容。

3思政實(shí)踐

3.1實(shí)踐內(nèi)容

（1）巨型機(jī)研制現(xiàn)狀巨型機(jī)（即超級(jí)計(jì)算機(jī)），是計(jì)算機(jī)中具有最快速度、最高性能和最大規(guī)模的一類計(jì)算機(jī)[2]。改革開放以來，我國巨型機(jī)的研制經(jīng)歷了從無到有、從落后到領(lǐng)先的艱難歷程，實(shí)現(xiàn)了從關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)到全方位自主創(chuàng)新[3]。2000年，每秒1萬億次的“銀河-IV”使得中國成為世界上第三個(gè)能獨(dú)立研制巨型機(jī)的國家。2010年，每秒2566萬億次的“天河一號(hào)”是我國自主研制的首臺(tái)千萬億次巨型機(jī)，世界TOP500排名第一，打破了美國在此項(xiàng)目上的長(zhǎng)期霸主。2013年，峰值每秒5.49億億次、持續(xù)每秒3.38億億次浮點(diǎn)運(yùn)算速度的“天河二號(hào)”巨型機(jī)，世界TOP500排名第一，并以連續(xù)6次奪得冠軍的成績(jī)打破超算領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。2016年，持續(xù)浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)每秒9.3億億次的“神威太湖之光”，世界TOP500排名第一，斬獲年度戈登貝爾獎(jiǎng)[3]。目前世界上最快的10臺(tái)巨型機(jī)，中國占兩席，分別是“神威太湖之光”和“天河-2A”，在超算總數(shù)上位居第一[3]。這里自然融入當(dāng)代大學(xué)生的責(zé)任和使命?，F(xiàn)今，知識(shí)已經(jīng)成為民族富強(qiáng)有力的引導(dǎo)因素。作為新時(shí)代的大學(xué)生，應(yīng)該主動(dòng)扛起時(shí)代賦予的重任，在前人已有成績(jī)的基礎(chǔ)上，努力學(xué)習(xí)，勇于開拓，為科技強(qiáng)國建設(shè)、中華民族的偉大復(fù)興做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)[4]。（2）I/O控制方式早期，CPU對(duì)I/O設(shè)備的控制采取程序查詢方式，即CPU向?qū)?yīng)設(shè)備發(fā)送I/O指令后，啟動(dòng)查詢程序檢查設(shè)備狀態(tài)，直到I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)處理。該方式中，CPU與I/O設(shè)備串行工作，CPU的利用率非常低。為此，引入了中斷控制方式，即CPU向?qū)?yīng)設(shè)備發(fā)送I/O指令后，處理其它程序（主程序），當(dāng)設(shè)備完成一個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作后，以中斷的方式報(bào)告CPU，若CPU給予響應(yīng)，則暫停原程序（又稱主程序）的執(zhí)行，為該設(shè)備服務(wù)（即轉(zhuǎn)去執(zhí)行與設(shè)備對(duì)應(yīng)的服務(wù)子程序），服務(wù)完成后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。在該方式中，CPU與I/O設(shè)備并行工作，CPU的利用率得到很大程度提高，但仍以字（字節(jié)）為單位進(jìn)行I/O，而中斷過程涉及斷點(diǎn)信息的保存與恢復(fù)，需要額外的時(shí)間開銷，故不適合塊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。隨著DMA技術(shù)的出現(xiàn)，從以字節(jié)為單位改為以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸，大大地改善了塊設(shè)備的I/O性能。I/O通道的出現(xiàn)，又使對(duì)I/O操作的組織和數(shù)據(jù)的傳送都能獨(dú)立進(jìn)行，而無需CPU的干預(yù)。此處可適度融入思政內(nèi)容。I/O控制方式的發(fā)展過程就是遇到問題、解決問題的過程，要用發(fā)展的觀點(diǎn)看待問題，既允許客觀缺陷的暫時(shí)存在，也要積極探索，開拓創(chuàng)新，讓缺點(diǎn)成為發(fā)展的支點(diǎn)。貫穿I/O控制方式發(fā)展過程的主線是盡可能減少CPU對(duì)I/O控制的干預(yù)，充分減輕CPU的I/O負(fù)擔(dān)，以便CPU更多精力處理其它事務(wù)。這里啟發(fā)我們?cè)谔幨路椒ㄉ弦獏^(qū)分重點(diǎn)與非重點(diǎn)、主要矛盾與次要矛盾，應(yīng)該著重抓重點(diǎn)、解決主要矛盾。（3）cache的地址映射計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了解決CPU與主存之間速度不匹配問題，基于程序訪問的局部性原理，引入了高速緩沖存儲(chǔ)器cache。與主存容量相比，cache的容量很小，它保存主存一小部分內(nèi)容的副本，兩者之間以數(shù)據(jù)塊為單位傳輸數(shù)據(jù)。為了把主存數(shù)據(jù)塊復(fù)制到cache中，必須采用某種方法把主存地址定位到cache中，稱為地址映射[5]。

在全相聯(lián)映射方式中，主存數(shù)據(jù)塊可以復(fù)制到cache的任意行內(nèi)，并且將塊號(hào)填到cache的行標(biāo)記中。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是cache空間利用率高，但比較電路過于復(fù)雜難實(shí)現(xiàn)[3]。在直接映射方式中，主存數(shù)據(jù)塊只能復(fù)制到cache的特定行中，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是比較電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但cache空間利用率很低[5]。通過比較以上兩種映射方式，不難發(fā)現(xiàn)，它們的優(yōu)缺點(diǎn)正好互補(bǔ)，可以采用折中方案解決cache空間利用率和比較電路復(fù)雜性問題?；谶@一思想，引入了組相聯(lián)映射方式，即將cache分組管理，每組包含相同的行數(shù)，主存同樣采用分組管理，每組的塊數(shù)與cache中每組的行數(shù)相同，組間采用直接映射，組內(nèi)采用全相聯(lián)映射，如此，cache的空間利用率和比較電路的復(fù)雜性都得到了有效解決[5]。在專業(yè)知識(shí)教學(xué)過程中，教師可以通過啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生積極思考，盡可能地調(diào)動(dòng)學(xué)生思考的積極性，讓學(xué)生們充分意識(shí)到科技的發(fā)展就是在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的過程中完成的。（4）指令系統(tǒng)的發(fā)展上世紀(jì)70年代末期，隨著VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜化，指令系統(tǒng)擁有幾百條指令，這類計(jì)算機(jī)被稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱CISC）[5]。指令系統(tǒng)的龐大不但使計(jì)算機(jī)的研制周期變長(zhǎng)，且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費(fèi)，產(chǎn)生指令集所謂的百分比20:80的規(guī)律，即最常使用的簡(jiǎn)單指令僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%。為此，人們又提出了便于VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱RISC）[5]。這里可自然融入思政內(nèi)容：辯證唯物主義認(rèn)為，只有實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這是由實(shí)踐的特點(diǎn)和真理的本性所決定的。CISC追求大而全，RISC最求小而精，是大而全好還是小而精好，都不可妄論，應(yīng)由實(shí)踐來檢驗(yàn)?，F(xiàn)今，CISC和RISC技術(shù)都在發(fā)展，兩者都具有各自的特點(diǎn)。目前兩種技術(shù)已經(jīng)開始相互融合，這是因?yàn)殡S著硬件速度、芯片密度的不斷提高，RISC系統(tǒng)也開始采用CISC的一些設(shè)計(jì)思想，使得系統(tǒng)日趨復(fù)雜；而CISC也在不斷地部分采用RISC的先進(jìn)技術(shù)，其性能也得到了提高[6]。這里可自然融入思政內(nèi)容：每個(gè)人都有自身的長(zhǎng)處和短處，長(zhǎng)處和短處是相對(duì)而言的，不要拿自己的長(zhǎng)處與別人的短處比，要懂得揚(yáng)長(zhǎng)辟短，多學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處，如此方能克服自身的短處。

3.2實(shí)踐效果

針對(duì)2017級(jí)計(jì)算機(jī)1、2班的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程進(jìn)行了思政實(shí)踐，并在期末做了相關(guān)調(diào)查。78名學(xué)生中，有75人明確表示課程思政對(duì)課程的學(xué)習(xí)和思想教育有幫助，3人表示不反感。此處列舉部分學(xué)生的評(píng)價(jià)內(nèi)容。學(xué)生A：“課程思政使我深感生活、學(xué)習(xí)、工作中應(yīng)該科學(xué)的處理問題?！睂W(xué)生B：“課程思政使我不再覺得課程枯燥乏味，有了更深的學(xué)習(xí)興趣?！睂W(xué)生C：“課程思政提高了我的思想覺悟，深深領(lǐng)悟作為新時(shí)代大學(xué)生的責(zé)任與使命?！币陨险{(diào)查表明，計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中融入思政教育有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和敬業(yè)精神。

4結(jié)束語

高校專業(yè)課程教學(xué)中貫穿思想政治教育是課程教改的趨勢(shì)，更是大學(xué)立德樹人的重要舉措[7]。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，因此，要充分利用該課程的主導(dǎo)地位，挖掘課程內(nèi)容中蘊(yùn)含的思政元素，將思政教育自然融入到日常教學(xué)中。實(shí)踐證明，在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中，適度融入思政內(nèi)容，不僅不會(huì)影響正常教學(xué)，而且能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和敬業(yè)精神。

參考文獻(xiàn)

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[3]夏麗萍,張立杰.從中國超級(jí)計(jì)算機(jī)看科技強(qiáng)國建設(shè).求賢,2020(10):50-52

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[7]張玉琢,肖飛,向宇.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)“課程思政”教學(xué)實(shí)踐探索.科學(xué)咨詢/科技管理,2020(32):71-72

作者：花小朋 單位：鹽城工學(xué)院