谈计算机组成原理课程思政教学

关键词:计算机组成原理；思政教育；实践 1引言 2016年高校思政教育大会中提出，高校各类课程应该与思政理论课同向而行，在立德树人环节上形成协同效应[1]。计算机组成原理是计算类专业中一门重要的基础课，在整个课程体系中有着承上启下的作用。在该课程教学中融入思政教育能够更好地实现全程育人、全方位育人的理念。本文以“计算机组成原理”课程为例，就如何把思政教育贯穿于具体教学内容中进行探析。 2课程的地位 计算机组成原理是计算机硬件课程群中至关重要的一个环节。它是计算机类专业的一门核心主干课程，在先导课程和后续课程之间起着承上启下的作用。课程主要讲述计算机系统中运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备及总线的原理和设计实现方法，从硬件层次上建立整机系统概念。通过课程的学习，能够使学生真正理解和掌握计算机的基本组成和工作原理、计算机系统的硬件综合设计技术。计算机组成原理的课程地位决定了该课程教学中融入思政教育的优势：（1）该课程的授课对象是所有计算机大类相关的专业，故在此课程中融入思政教育能够影响更多的学生。（2）该课程大纲在工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人与团队、沟通、项目管理等方面有指明的毕业要求，与课程思政教育方向一致，因此，在该课程教学中融入思政教育本身就是教学设计的要求。（3）课程的教学内容，如我国大型机的发展现状、计算机指令系统的发展演变、I/O控制方式的发展过程、主存与cache的地址映射方式等，本身就具有显著的现实教育意义，因此在该课程教学中可以很自然的融入思政内容。 3思政实践 3.1实践内容 （1）巨型机研制现状巨型机（即超级计算机），是计算机中具有最快速度、最高性能和最大规模的一类计算机[2]。改革开放以来，我国巨型机的研制经历了从无到有、从落后到领先的艰难历程，实现了从关键技术引进到全方位自主创新[3]。2000年，每秒1万亿次的“银河-IV”使得中国成为世界上第三个能独立研制巨型机的国家。2010年，每秒2566万亿次的“天河一号”是我国自主研制的首台千万亿次巨型机，世界TOP500排名第一，打破了美国在此项目上的长期霸主。2013年，峰值每秒5.49亿亿次、持续每秒3.38亿亿次浮点运算速度的“天河二号”巨型机，世界TOP500排名第一，并以连续6次夺得冠军的成绩打破超算领域的世界纪录。2016年，持续浮点运算速度达每秒9.3亿亿次的“神威太湖之光”，世界TOP500排名第一，斩获年度戈登贝尔奖[3]。目前世界上最快的10台巨型机，中国占两席，分别是“神威太湖之光”和“天河-2A”，在超算总数上位居第一[3]。这里自然融入当代大学生的责任和使命。现今，知识已经成为民族富强有力的引导因素。作为新时代的大学生，应该主动扛起时代赋予的重任，在前人已有成绩的基础上，努力学习，勇于开拓，为科技强国建设、中华民族的伟大复兴做出应有的贡献[4]。（2）I/O控制方式早期，CPU对I/O设备的控制采取程序查询方式，即CPU向对应设备发送I/O指令后，启动查询程序检查设备状态，直到I/O设备完成数据处理。该方式中，CPU与I/O设备串行工作，CPU的利用率非常低。为此，引入了中断控制方式，即CPU向对应设备发送I/O指令后，处理其它程序（主程序），当设备完成一个数据的准备工作后，以中断的方式报告CPU，若CPU给予响应，则暂停原程序（又称主程序）的执行，为该设备服务（即转去执行与设备对应的服务子程序），服务完成后返回原程序继续执行。在该方式中，CPU与I/O设备并行工作，CPU的利用率得到很大程度提高，但仍以字（字节）为单位进行I/O，而中断过程涉及断点信息的保存与恢复，需要额外的时间开销，故不适合块设备的数据传送。随着DMA技术的出现，从以字节为单位改为以数据块为单位进行传输，大大地改善了块设备的I/O性能。I/O通道的出现，又使对I/O操

作的组织和数据的传送都能独立进行，而无需CPU的干预。此处可适度融入思政内容。I/O控制方式的发展过程就是遇到问题、解决问题的过程，要用发展的观点看待问题，既允许客观缺陷的暂时存在，也要积极探索，开拓创新，让缺点成为发展的支点。贯穿I/O控制方式发展过程的主线是尽可能减少CPU对I/O控制的干预，充分减轻CPU的I/O负担，以便CPU更多精力处理其它事务。这里启发我们在处事方法上要区分重点与非重点、主要矛盾与次要矛盾，应该着重抓重点、解决主要矛盾。（3）cache的地址映射计算机系统中，为了解决CPU与主存之间速度不匹配问题，基于程序访问的局部性原理，引入了高速缓冲存储器cache。与主存容量相比，cache的容量很小，它保存主存一小部分内容的副本，两者之间以数据块为单位传输数据。为了把主存数据块复制到cache中，必须采用某种方法把主存地址定位到cache中，称为地址映射[5]。 在全相联映射方式中，主存数据块可以复制到cache的任意行内，并且将块号填到cache的行标记中。这种方式的优点是cache空间利用率高，但比较电路过于复杂难实现[3]。在直接映射方式中，主存数据块只能复制到cache的特定行中，这种方式的优点是比较电路简单易实现，但cache空间利用率很低[5]。通过比较以上两种映射方式，不难发现，它们的优缺点正好互补，可以采用折中方案解决cache空间利用率和比较电路复杂性问题。基于这一思想，引入了组相联映射方式，即将cache分组管理，每组包含相同的行数，主存同样采用分组管理，每组的块数与cache中每组的行数相同，组间采用直接映射，组内采用全相联映射，如此，cache的空间利用率和比较电路的复杂性都得到了有效解决[5]。在专业知识教学过程中，教师可以通过启发式教学方法引导学生积极思考，尽可能地调动学生思考的积极性，让学生们充分意识到科技的发展就是在不断地发现问题、分析问题并解决问题的过程中完成的。（4）指令系统的发展上世纪70年代末期，随着VLSI技术的飞速发展，计算机硬件结构越来越复杂化，指令系统拥有几百条指令，这类计算机被称为复杂指令系统计算机（简称CISC）[5]。指令系统的庞大不但使计算机的研制周期变长，且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费，产生指令集所谓的百分比20:80的规律，即最常使用的简单指令仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。为此，人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机（简称RISC）[5]。这里可自然融入思政内容：辩证唯物主义认为，只有实践才是检验真理的唯一标准，这是由实践的特点和真理的本性所决定的。CISC追求大而全，RISC最求小而精，是大而全好还是小而精好，都不可妄论，应由实践来检验。现今，CISC和RISC技术都在发展，两者都具有各自的特点。目前两种技术已经开始相互融合，这是因为随着硬件速度、芯片密度的不断提高，RISC系统也开始采用CISC的一些设计思想，使得系统日趋复杂；而CISC也在不断地部分采用RISC的先进技术，其性能也得到了提高[6]。这里可自然融入思政内容：每个人都有自身的长处和短处，长处和短处是相对而言的，不要拿自己的长处与别人的短处比，要懂得扬长辟短，多学习别人的长处，如此方能克服自身的短处。 3.2实践效果 针对2017级计算机1、2班的“计算机组成原理”课程进行了思政实践，并在期末做了相关调查。78名学生中，有75人明确表示课程思政对课程的学习和思想教育有帮助，3人表示不反感。此处列举部分学生的评价内容。学生A：“课程思政使我深感生活、学习、工作中应该科学的处理问题。”学生B：“课程思政使我不再觉得课程枯燥乏味，有了更深的学习兴趣。”学生C：“课程思政提高了我的思想觉悟，深深领悟作为新时代大学生的责任与使命。”以上调查表明，计算机组成原理课程教学中融入思政教育有助于调动学生的学习热情，培养学生的学习能力和敬业精神。 4结束语 高校专业课程教学中贯穿思想政治教育是课程教改的趋势，更是大学立德树人的重要举

措[7]。计算机组成原理是计算机类专业的重要专业基础课之一，因此，要充分利用该课程的主导地位，挖掘课程内容中蕴含的思政元素，将思政教育自然融入到日常教学中。实践证明，在计算机组成原理课程的教学中，适度融入思政内容，不仅不会影响正常教学，而且能够充分调动学生的学习热情，培养学生的学习能力和敬业精神。