计算机组成原理课程思政的跨学科改革探索

张海英 黄佳佳 曾文华

关键词：计算机组成原理；课程思政；历史观

0 引言

课程思政是新时代我国高等教育领域为更好落实立德树人根本任务而探索创新的新兴事物。近五年来，课程思政研究作为我国新时代高等教育高质量发展面临的崭新时代课题，已经在习近平新时代中国特色社会主义思想的指导下，迅速成为学界和理论界的研究热点。在大思政背景下，全国各高等院校都相继启动了建设项目，厦门大学于2020年开始启动课程思政建设项目。其建设目标是充分发挥各类课程的思想政治教育功能，构建全面覆盖、类型丰富、层次递进、相互支撑的课程思政体系，促进广大教师课程思政的意识和能力提升，推进课程思政建设的机制更加健全，课程思政教育教学体系更加完善，立德树人成效更加凸显，形成“院院有特色、课课有思政、师师重育人”的良好局面。在这一背景下，探索如何进行课程思政，并实现“特色化”成为当下的改革重点。

近年来，伴随着课程思政的不断深化，高等教育机构陆续推出了众多的探索形式和路径。如：线上研讨、思政讲座、教育大会等。其中，涉及工科、文科、理科等多个学科的个性化思政建设。此外，相关的教改论文也不断见刊，从宏观上探讨课程思政的本质内涵与实践思路或者结合某个具体案例[1-3]和国家大政方针[4-5]，完成在原有课程基础上的思政过程。但是，计算机类课程本身具有理论性强、知识系统迭代快、逻辑严密的特点，如何在有限的学时内，做到思政的“润物细无声”，而不是牵强附会，并且能突出一定的特色，到目前为止，还是一个值得探讨的问题。

从学科发展的角度而言，信息科学在互联网时代得到了迅猛的发展，“互联网+”“人工智能+”使其迅速占据各行各业应用技术的核心地位。不足百年发展史的计算机，其课程群也从不同侧面反映了计算机发展的历史轨迹。计算机组成原理这门课程而言是计算机及其相关专业的必修课程，也是研究生入学必考科目，主要围绕冯·诺依曼现代计算机的三大部件CPU、存储器、I/O介绍其工作原理以及分工协作技术。该课程作为偏向硬件底层的理论课程，对于学生未来进一步从事微处理器芯片设计、开发等研究方向奠定了重要的理论基础。目前我国的芯片产业尚处发展之中，很多方面都要受制于人，属于“卡脖子”技术。可见，我们的课程本身就与国家芯片技术的发展息息相关，课程思政具有必要性和前瞻性。同时，也应体现鲜明的历史性、延续性和时代性特点。

1 计算机组成原理课程教学改革的发展史

高等学校教育改革历经多年，每次改革都提出了新的目标和任务，在这一背景下，作为核心课程的计算机组成原理课程，以此为契机，与时俱进，伴随资源的不断丰富，教学手段和教学理念不断演进，已经成为体系相对完善的示范类课程。

1） 2015年， 厦门大学示范性网络课程建设项目。本次改革主要利用学校提供的网络平台，将课程资源全部上线，包括教学大纲、教学计划、授课PPT等，实现线下课程资源的信息化管理。

2） 2019年，厦门大学课程改革项目。主要聚焦于构建实验仿真虚拟平台，将线下依赖于实体试验箱的实验环节迁移到线上。这一改革措施解决了由于线下平台数量有限、难维护、难复现等诸多问题，便于学生随时随地开展实验环节。而且，这一改革措施为应对新冠疫情等特殊情况下的正常教学提供了保障。

3） 2020年，厦门大学线下一流课程。2019年厦门大学软件工程专业取得国家软件工程认证。在此背景下，我们将以成果产出为导向的教育理念OBE（Outcome-Based Education） [6]引入课程改革中，强调以学生为本，运用逆向思维进行课程体系的建设，关注学生的产出，重视过程管理，并给出持续性改进措施。

4） 2021年，教育部-华为“智能基座”产教融合协同育人基地建设课程。此次教改，我们通过华为提供的平台引入外部资源，在课程内容中嵌入华为鲲鹏芯片作为案例。这一合作方式不仅丰富了课程内容，同时也提升了华为公司在学生中的影响力，为建立青年学生学习华为增强民族自信，励志报国，起到了激励作用。

5） 2022年，厦门大学本科课程思政示范课程。在大思政背景下，课程改革不仅仅局限于理论内容的专业性，更要增强其思想性内涵。因而，探讨如何将思政元素映射到专业课程中，是适应国家教育改革的新形势和新策略的需要。

2 课程思政元素的挖掘

通过前述的梳理，并结合课程特点，我们拟从如下几个角度提取计算机组成原理课程的思政元素，通过挖掘课程“专业性”背后的“思想性”，将其与马克思主义、辩证唯物主义等科学指导思想进行结合，探索课程融入思政的手段。

1） 核心技术的发展。从第一台电子计算机ENIAC的诞生，到现在个人电脑、移动终端、大型服务器、超级计算机的世界性普及，计算机的组成伴随计算机系统架构以及计算机技术的不断发展，呈现出跨越式的发展态势。从CISC到RISC，从单处理器到多核处理器，从通用体系架构到专用体系架构的发展，这就是一部信息技术革命的发展史，每一个核心技术的提出以及发展、变迁都体现了量变到质变，否定之否定等唯物辩证法的哲学思想。 据此，让学生学习如何透过现象看到本质，如何科学地辩证地看待问题、分析问题和解决问题。

2） 科学巨人。人类发明了计算机，这无疑是20 世纪最重要的发明之一。正是这些科学巨人的涌现，推动了计算机技术的飞速发展，使之不断螺旋式上升。其中包括奠定了现代电子计算机体系架构的约翰·冯·诺依曼，“计算机之父”艾伦·麦席森·图灵，信息论的奠基人克劳德·香农，晶体管的发明者威廉·肖克利，以及当代的乔布斯、比尔·盖茨等杰出人物。此外，还有为中国计算机事业起步做出重要贡献的中国科学家们，如被誉为“中国计算机之母”的夏培肃，“龙芯”的设计者黄令仪，以及姚期智、潘云鹤、袁亚湘等。他们如同星河中的璀璨繁星，照亮了人类前进的道路，也温暖了我们的心灵。他们理应成为青年学生学习的榜样和楷模，从他们身上，我们看到了人类孜孜以求、探索未来、不断追寻更高品质生活的奋斗精神。

3） 未解之谜。计算机发展至今，仍有许多未解之谜等待我们去探索，如网络安全、海量信息检索、闲置计算机的利用等问题，以及软件设计、下一代程序设计语言、下一代操作系统、下一代计算机体系架构等研究领域。这些未解之谜不仅为青年一代指明了探索的方向，更是激励他们成为新一代“科学巨人”的强大动力源泉。

通过在历史脉络中映射上述三个角度，我们可以全方位地将思政元素融入课堂，充分体现课程专业的历史性特色。

3 思政案例

通过前述分析，结合教材涉及的具体理论环节，我们提取出本门课程的思政映射点以及相应的实践手段如下：

1） 针对“我国计算机发展历史”这部分内容，着重介绍我国计算机产业的优势，如：国产“天河一号”超级计算机、“神威太湖之光” 超级计算机，曾获全球超级计算机500 强六连冠等。

思政映射：梳理我国计算机发展史上做出重要贡献的代表人物，了解其与国外的技术差距，并强调其近年来在超算方面的国际领先地位，融入马克思辩证唯物主义思想，尤其是量变到质变的哲学思想。让学生学会辩证地看待我国计算机技术发展的优劣，科学看待我国现在发展的不足，既不盲目崇洋媚外，也不妄自菲薄，而应厚积薄发，增强民族自豪感和自信心。

实践方式：观看视频，学生讨论，资料收集，写心得。

2） 针对“计算机系统的组成”这部分内容，主要介绍计算机系统为何需要软件硬件部分以及他们对于整个系统的作用和贡献。

思政映射：强调软硬件只有相互协作才能完成程序的执行过程，它们相对独立，又分工协作，才能支持整机系统。这无疑体现了一种协作精神，让学生懂得团队协作的重要性，强化学生团队协作意识，不要个人英雄主义。

实践方式：案例介绍，学生讨论。

3） 针对“数据信息的表示”这部分内容，介绍计算机的二进位发明来自五千年前的中国，并介绍中国的汉字编码发展历史和关键人物。

思政映射：虽然，计算机是外国人发明的，但是中国在计算机发展史上也有自己的贡献。据此， 融入文化自信，让学生知道中国特色社会主义文化既是中国传统文化现代化的结果，也是马克思主义理论中国化的结晶。

实践方式：案例介绍，观看视频，学生讨论。

4） 针对“运算方法与运算器”这部分，介绍中国古代最早提出了负数的概念，中国古代人如何做乘法、中国古代的阴阳哲学等。

思政映射：中国古代早就有人研究过计算问题，我们的阴阳哲学其实就是二进制的雏形，让学生增强文化自信，树立民族自豪感以及为民族复兴，舍我其谁的志向。

实践方式：案例介绍，观看视频，学生讨论。

5） 针对“存储系统”这部分，介绍DRAM的技术发展史，cache是如何利用程序局部访问性原理进行设计的，存储器为何是一个多级结构等相关知识点。

思政映射：通过技术变革的发展史，培养学生的创新思维，如何尝试从不同角度实现技术的更新迭代。存储系统利用多重技术手段，可以间接地构建一个又快又大的存储空间，解决与CPU的速度和容量矛盾，可以引导学生在解决问题时，学会一定的迂回策略，让他们知道问题的解决在没有直接途径时，可以采取间接手段，就像红军的四渡赤水，同样可以实现目标。

实践方式：案例介绍，观看视频，学生讨论。

6） 针对“指令系统”这部分内容， 介绍复杂指令计算机 CISC到精简指令计算机RISC 的演变历史以及涉及的关键人物。

思政映射： 融入变繁为简、去粗取精、有舍才有得的哲学理念，让学生了解舍得是既对立又统一的矛盾概念，相生相克，相辅相成，在学习和生活中把握适度取舍原则。

实践方式：案例介绍，观看视频。

7） 针对“中央处理器”这部分内容，介绍处理器技术近40年的发展历程，各种技术的更新换代，并着重介绍Moore 定律和登德尔缩放定律为何失效。

思政映射：融入否定之否定的辩证法思想，让学生充分理解世界上一切事物的演变，其背后都符合否定之否定的规律。学会用辩证的否定去认识世界，明白发展是前进性和曲折性的对立统一，只有不忘初心，方得始终。

实践方式：案例介绍，观看视频，学生讨论。

8） 针对“指令流水线”这部分内容，介绍指令流水线技术的发源，其借鉴了工厂产品装配流水线的思想，将复杂问题分割成一系列的小问题，通过时空重叠等手段实现指令的加速。

思政映射：启发学生在解决复杂问题时进行广泛借鉴， 它山之石可以攻玉；同时，培养多维度多角度思考的能力，变繁为简。让学生建立并行计算的思维，时间与空间的并行是计算机广泛采用的技术，其来自实际生活。引导学生多观察和思考，培养他们进行发散思维的能力。

实践方式：案例介绍，学生讨论。

4 结束语

在大思政改革背景下，我们以计算机组成原理课程为案例，探讨其进行思政的可行性道路，并结合理论内容，给出具体的思政映射案例以及实践方式。在授课过程中，通过挖掘技术背后的历史人物、历史事件，突出其思想性，让学生对于道路自信、理论自信、制度自信和文化自信有了具体而深刻的认识。同时，对于我国目前科技发展的现状，尤其是所处的不利环境，能够与个人的前途命运建立关联，让他们对于自己的未来有了更为深刻的思考，不再是“两耳不闻窗外事，一心只读圣贤书”，为塑造青年一代的担当作为起到了积极的推进作用。