談計算機(jī)組成原理課程思政教學(xué)

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摘要:計算機(jī)組成原理是計算機(jī)類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課。為了落實把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人的理念，本文分析了在計算機(jī)組成原理課程教學(xué)中融入思政教育的優(yōu)勢，并從四個方面挖掘課程內(nèi)容中蘊含的思政元素，將思政教育切實地融入到具體的專業(yè)課程教學(xué)中。實踐證明，在計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中，適度融入思政內(nèi)容，不僅不會影響正常教學(xué)，而且能夠充分調(diào)動學(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:計算機(jī)組成原理；思政教育；實踐

1引言

2016年高校思政教育大會中提出，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]。計算機(jī)組成原理是計算類專業(yè)中一門重要的基礎(chǔ)課，在整個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現(xiàn)全程育人、全方位育人的理念。本文以“計算機(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

計算機(jī)組成原理是計算機(jī)硬件課程群中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。它是計算機(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。課程主要講述計算機(jī)系統(tǒng)中運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備及總線的原理和設(shè)計實現(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算機(jī)的基本組成和工作原理、計算機(jī)系統(tǒng)的硬件綜合設(shè)計技術(shù)。計算機(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：（1）該課程的授課對象是所有計算機(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、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人與團(tuán)隊、溝通、項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思政實踐

3.1實踐內(nèi)容

（1）巨型機(jī)研制現(xiàn)狀巨型機(jī)（即超級計算機(jī)），是計算機(jī)中具有最快速度、最高性能和最大規(guī)模的一類計算機(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能獨立研制巨型機(jī)的國家。2010年，每秒2566萬億次的“天河一號”是我國自主研制的首臺千萬億次巨型機(jī)，世界TOP500排名第一，打破了美國在此項目上的長期霸主。2013年，峰值每秒5.49億億次、持續(xù)每秒3.38億億次浮點運算速度的“天河二號”巨型機(jī)，世界TOP500排名第一，并以連續(xù)6次奪得冠軍的成績打破超算領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。2016年，持續(xù)浮點運算速度達(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[3]。目前世界上最快的10臺巨型機(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，知識已經(jīng)成為民族富強(qiáng)有力的引導(dǎo)因素。作為新時代的大學(xué)生，應(yīng)該主動扛起時代賦予的重任，在前人已有成績的基礎(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)備完成一個數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作后，以中斷的方式報告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信息的保存與恢復(fù)，需要額外的時間開銷，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I/O操作的組織和數(shù)據(jù)的傳送都能獨立進(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)展的觀點看待問題，既允許客觀缺陷的暫時存在，也要積極探索，開拓創(chuàng)新，讓缺點成為發(fā)展的支點。貫穿I/O控制方式發(fā)展過程的主線是盡可能減少CPU對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)我們在處事方法上要區(qū)分重點與非重點、主要矛盾與次要矛盾，應(yīng)該著重抓重點、解決主要矛盾。（3）cache的地址映射計算機(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)，并且將塊號填到cache的行標(biāo)記中。這種方式的優(yōu)點是cache空間利用率高，但比較電路過于復(fù)雜難實現(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)點是比較電路簡單易實現(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。基于這一思想，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)動學(xué)生思考的積極性，讓學(xué)生們充分意識到科技的發(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，這類計算機(jī)被稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)（簡稱CISC）[5]。指令系統(tǒng)的龐大不但使計算機(jī)的研制周期變長，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，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)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)（簡稱RISC）[5]。這里可自然融入思政內(nèi)容：辯證唯物主義認(rèn)為，只有實踐才是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這是由實踐的特點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)由實踐來檢驗?，F(xiàn)今，CISC和RISC技術(shù)都在發(fā)展，兩者都具有各自的特點。目前兩種技術(shù)已經(jīng)開始相互融合，這是因為隨著硬件速度、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：每個人都有自身的長處和短處，長處和短處是相對而言的，不要拿自己的長處與別人的短處比，要懂得揚長辟短，多學(xué)習(xí)別人的長處，如此方能克服自身的短處。

3.2實踐效果

針對2017級計算機(jī)1、2班的“計算機(jī)組成原理”課程進(jìn)行了思政實踐，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)生的評價內(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)悟作為新時代大學(xué)生的責(zé)任與使命?！币陨险{(diào)查表明，計算機(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，更是大學(xué)立德樹人的重要舉措[7]。計算機(jī)組成原理是計算機(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)容中蘊含的思政元素，將思政教育自然融入到日常教學(xué)中。實踐證明，在計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中，適度融入思政內(nèi)容，不僅不會影響正常教學(xué)，而且能夠充分調(diào)動學(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)

[1].把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面.光明日報,2016,12,09

[2]金怡濂.巨型機(jī)研究帶給我的體會中國工程院院士.光明日報,2003,06,06

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

[4]張春暉.基于“中國夢”的大學(xué)生思想政治教育.長春工程學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版),2013,14(4):24-26

[5]白中英,戴志濤.計算機(jī)組成原理.北京:科學(xué)出版社,2013

[6]張功萱,顧一禾,鄒建偉,王曉峰.計算機(jī)組成原理.北京:清華大學(xué)出版社,2005

[7]張玉琢,肖飛,向宇.計算機(jī)操作系統(tǒng)“課程思政”教學(xué)實踐探索.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