微機(jī)原理課程思政案例設(shè)計與實踐

左冬紅

［摘 要］高等學(xué)校人才培養(yǎng)是育人與育才相統(tǒng)一的過程。課程組設(shè)計了與課程教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)的思政案例，并將其融入線上教學(xué)、理論教學(xué)、實驗教學(xué)的全過程。實踐結(jié)果表明，課程思政一方面能幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，另一方面能提高學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情。

［關(guān)鍵詞］課程思政；案例設(shè)計；微機(jī)原理

［中圖分類號］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）05-0104-03

微機(jī)原理課程是電子信息類非計算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，該課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解軟件控制硬件的基本原理，建立微機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，同時具備利用計算機(jī)軟、硬件技術(shù)解決實際問題的基本思路和能力。該教學(xué)目標(biāo)側(cè)重于知識傳授和能力培養(yǎng)。新時代的人才培養(yǎng)要求是將育人與育才相統(tǒng)一，在知識傳授和能力培養(yǎng)的同時幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀[1]。計算機(jī)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，在對其進(jìn)行設(shè)計、研發(fā)的過程中，各種問題的解決和方案的實施無不蘊含著人類先進(jìn)的思想價值和精神內(nèi)涵。因此，挖掘和提煉微機(jī)原理課程中的思想價值和精神內(nèi)涵，形成合理有效的微機(jī)原理課程思政案例，是本文研究的主要內(nèi)容。

基于《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指導(dǎo)思想，并結(jié)合筆者多年從事微機(jī)原理課程教學(xué)實踐、教學(xué)研究工作的相關(guān)經(jīng)驗，本文總結(jié)出了以下微機(jī)原理課程思政案例及實施方案。

一、課程思政線上教學(xué)

（一）引入中國計算機(jī)發(fā)展歷史

為幫助學(xué)生了解CPU在我國的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神，增強(qiáng)學(xué)生對中華民族偉大復(fù)興的責(zé)任感、自信心和自豪感，課程組有針對性地引入我國計算機(jī)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀介紹，以及在我國計算機(jī)發(fā)展進(jìn)程中做出卓越貢獻(xiàn)的人物和具有較大影響力的事件。這不僅能增強(qiáng)課程的人文性、引領(lǐng)性和時代性，還能引導(dǎo)學(xué)生了解國情，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。

實施方案：將相關(guān)視頻的鏈接上傳到線上的課程思政欄目，在課間或課外供學(xué)生觀看。課程思政視頻涉及內(nèi)容有：（1）國產(chǎn)計算機(jī)發(fā)展歷史；（2）中國龍芯之母黃令儀；（3）科學(xué)脊梁——胡偉武與龍芯CPU；（4）為AI裝上中國芯；（5）胡偉武報告：自主CPU發(fā)展之路；（6）天才簡史——圖靈；（7）天才簡史——馮·諾伊曼；（8）5分鐘看懂芯片如何制造；（9）最高科學(xué)成就獎獲得者感言。

（二）引入計算機(jī)學(xué)科大師的處世感言

為幫助學(xué)生樹立良好的品格，課程組引入計算機(jī)學(xué)科大師胡偉武在從事計算機(jī)科學(xué)研究以及在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中所發(fā)表的相關(guān)文章，讓學(xué)生明白基本的處世哲學(xué)：（1）復(fù)雜系統(tǒng)需要在不斷試錯中發(fā)展，不可能一蹴而就，試錯需要時間和耐心；（2）不僅要擼起袖子加油干，還要耐著性子堅持干；（3）核心技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的難點不在科學(xué)原理，而在于工程細(xì)節(jié)的完善；（4）要在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)；（5）既在成績面前保持清醒的頭腦，又在困難面前堅定必勝的信心[2-4]。

將有關(guān)文章上傳到線上的課程思政欄目，供學(xué)生課間或課外閱讀，讓學(xué)生在了解大師處世態(tài)度和觀點的同時，潛移默化地形成正確的世界觀、人生觀、價值觀，增強(qiáng)創(chuàng)新精神、創(chuàng)造意識，提高個人的愛國、敬業(yè)、誠信、友善等修養(yǎng)。

二、課程思政理論教學(xué)

（一）培養(yǎng)對立統(tǒng)一辯證思維

辯證思維，即運用唯物辯證立場、觀點、方法（尤其是對立統(tǒng)一規(guī)律）來分析問題、解決問題的思維方法。唯物辯證法認(rèn)為一切事物都是對立統(tǒng)一的，并在一定條件下相互依存、相互轉(zhuǎn)化[5]。

計算機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程存在大量對立統(tǒng)一辯證思維的事例。在講授相關(guān)知識時，需明確指出并反復(fù)強(qiáng)調(diào)這些事例，同時提醒學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)工作中，要根據(jù)實際情況靈活運用相關(guān)技術(shù)，甚至改造現(xiàn)有技術(shù)。案例如下：

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)采用單一總線、單一存儲器；而哈佛體系結(jié)構(gòu)采用多總線、多存儲器。哈佛體系結(jié)構(gòu)解決了馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)在CPU高速發(fā)展之后的存儲訪問瓶頸問題，但是CPU外部總線增加又帶來了硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化問題。現(xiàn)代CPU則依托緩存技術(shù)將二者進(jìn)行融合。

CISC指令架構(gòu)在底層電路層面為每一條指令編寫完整的控制和運算邏輯，豐富了指令的種類和數(shù)量，簡化了軟件人員的工作；RISC指令架構(gòu)僅由最基本的指令組成，復(fù)雜操作由軟件人員采用基本指令實現(xiàn)，提高了硬件執(zhí)行效率。隨著指令架構(gòu)的不斷發(fā)展，RISC指令集和CISC指令集的邊界越來越模糊，兩者相互借鑒、取長補(bǔ)短。

高速緩存直接映射時，內(nèi)存中某行的數(shù)據(jù)只能映射到高速緩存的特定行，易導(dǎo)致緩存較高的替換率和較低的利用率；全相聯(lián)映射時，則內(nèi)存中的數(shù)據(jù)可以映射到高速緩存中任意行，雖提升了緩存的利用率，但同時提高了緩存的管理代價和存儲代價。現(xiàn)代計算機(jī)緩存映射策略采用多路組相聯(lián)映射，將兩者融合起來，形成組間直接映射、組內(nèi)全相聯(lián)映射。

在教學(xué)過程中，向?qū)W生明確分析這些示例的對立面和統(tǒng)一性，通過對這些技術(shù)發(fā)展過程的闡述，啟發(fā)學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中增強(qiáng)問題意識、堅持問題導(dǎo)向，正視矛盾的普遍性、客觀性，正確分析矛盾，在對立中把握統(tǒng)一、在統(tǒng)一中把握對立，克服極端化、片面化，不斷提升辯證思維能力[6]。

（二）樹立人類命運共同體理念

計算機(jī)系統(tǒng)的各個構(gòu)成部件雖具有一定的獨立性，但為實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序工作，各個部件之間的通信必須遵守相應(yīng)的總線規(guī)范，任一設(shè)備長期強(qiáng)占總線，都將造成計算機(jī)系統(tǒng)性能下降。人類社會對于公共資源的使用，同樣應(yīng)遵守相應(yīng)的規(guī)則，強(qiáng)權(quán)和霸權(quán)只會阻礙人類社會發(fā)展，甚至導(dǎo)致其倒退。

通過計算機(jī)系統(tǒng)總線規(guī)范的解讀，一方面幫助學(xué)生理解習(xí)近平總書記提出的構(gòu)建人類命運共同體思想的深刻內(nèi)涵與時代價值，引導(dǎo)學(xué)生建立“不依附別人、更不掠奪別人，同各國人民一道努力構(gòu)建人類命運共同體，把世界建設(shè)得更加美好”[7]的崇高理想；另一方面培養(yǎng)學(xué)生利用法治思維和法治方法解決問題的能力，形成遵紀(jì)守法、誠信友善的職業(yè)品格。

（三）培養(yǎng)社會主義核心價值觀

社會主義核心價值觀就是要弘揚共同理想，凝聚精神力量，形成全民族奮發(fā)向上、團(tuán)結(jié)和睦的精神紐帶，是人們的精神支柱、行動向?qū)8]。只有全民族共同努力，才能實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興。

計算機(jī)系統(tǒng)就如同一個國家，其部件如計算、存儲和輸入輸出等，都不是單一結(jié)構(gòu)，而是要協(xié)同工作，各盡其能，從而實現(xiàn)高性能、低成本的計算機(jī)整機(jī)。

如，計算部件不僅有CPU，還有FPU、GPU、DPU、FPGA等；存儲部件不僅有內(nèi)存，還有高速緩存、聯(lián)機(jī)硬盤、移動硬盤等；IO數(shù)據(jù)傳輸控制方式不僅有查詢、中斷，還有DMA、通道等。計算機(jī)系統(tǒng)整體性能提升既不能單純追求部件或技術(shù)種類的繁多，也不能追求某個部件單一性能的提高，只有各個部件性能協(xié)同提升，才能實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)整體性能的提升。

通過對這些技術(shù)或解決方案進(jìn)行剖析，引導(dǎo)學(xué)生把國家、社會、公民的價值要求融為一體，提高個人的愛國、敬業(yè)、誠信、友善等修養(yǎng)，自覺把小我融入大我，形成正確的職業(yè)道德。

（四）培養(yǎng)精益求精的大國工匠精神

為培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，理論課堂教學(xué)不僅要介紹各類問題的解決方案，還要進(jìn)一步探討其原因，即探討不同解決方案的性能，如時間復(fù)雜度（速度）、空間復(fù)雜度（資源）及其適應(yīng)性等，并進(jìn)行對比分析。

如，匯編語言指令實現(xiàn)C語言程序段中的while語句以及switch語句，引導(dǎo)學(xué)生分析不同實現(xiàn)方案的性能、優(yōu)缺點和適應(yīng)性；針對匯編語言指令實現(xiàn)C語言中指針和數(shù)組，引導(dǎo)學(xué)生分析C語言這兩種實現(xiàn)方案的性能和代價；針對快速中斷和普通中斷模式，引導(dǎo)學(xué)生分析兩種方式的性能和代價；針對分級存儲系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生分析計算機(jī)采用分級存儲系統(tǒng)的原因；針對高速緩存映射策略，引導(dǎo)學(xué)生分析同一程序段在不同映射策略下的性能以及代價；針對IO接口數(shù)據(jù)傳輸控制方式，引導(dǎo)學(xué)生分析不同控制方式下的軟硬件開銷、性能以及可能帶來的問題。

三、課程思政實踐教學(xué)

（一）對比實驗

微機(jī)原理課程接口技術(shù)實驗根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式分為并行接口和串行接口，而根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸控制方式則分為程序控制和中斷。計算機(jī)外部設(shè)備種類繁多，為了讓學(xué)生在有限的實驗學(xué)時內(nèi)快速掌握相關(guān)知識，并能深刻體會不同解決方案的優(yōu)缺點和適應(yīng)性，單元實驗采用對比實驗和協(xié)同學(xué)習(xí)的課程思政教學(xué)方案。如每個學(xué)生針對同一外部設(shè)備采用不同接口數(shù)據(jù)傳輸控制方式進(jìn)行對比實驗，而同一組學(xué)生則針對不同外部設(shè)備分別進(jìn)行實驗。每個學(xué)生在實驗驗收及實驗報告中都要明確指出不同數(shù)據(jù)傳輸控制方式下的特點，以及針對不同外部設(shè)備如何進(jìn)行控制程序及接口電路的修改。

（二）綜合實驗

單元實驗注重培養(yǎng)學(xué)生某一方面的能力，而綜合實驗則要求學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決某個與實踐緊密相關(guān)的具體問題，其功能相對復(fù)雜。為培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力、領(lǐng)導(dǎo)能力以及良好的職業(yè)品格和行為習(xí)慣，綜合實驗采用開放選題、團(tuán)隊合作的方式進(jìn)行。綜合實驗驗收工作包括：（1）提交團(tuán)隊實驗報告、所有團(tuán)隊成員參與的實驗過程視頻、實驗工程源碼；（2）所有團(tuán)隊成員參與答辯；（3）各團(tuán)隊之間互評和團(tuán)隊成員自評；（4）將完成度、難度、創(chuàng)新性以及性能等作為驗收的主要指標(biāo)。

四、課程思政實施成效

（一）學(xué)生對線上課程思政反響熱烈

微機(jī)原理線上課程設(shè)計了4個話題：（1）請節(jié)選部分你印象較深的胡偉武文章中的觀點，并發(fā)表你的感想；（2）請發(fā)表你觀看胡偉武報告后的感想；（3）請發(fā)表你觀看中國芯相關(guān)視頻的觀后感；（4）從陳云霽的文章中，你看到了什么？上課班級對4個話題的回復(fù)數(shù)將近100條，閱讀數(shù)將近150次。從收集的學(xué)生感言中，可以看出學(xué)生在了解與本課程緊密相關(guān)的國情、人與事之后，激發(fā)了中國心、中國情，增強(qiáng)了責(zé)任感。

（二）學(xué)生參與科創(chuàng)活動的積極性提高

全流程的課程思政教學(xué)實施后，選擇跟隨任課教師參與科研活動的學(xué)生人數(shù)明顯增多，積極性明顯提高。（1）參與任課教師指導(dǎo)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的學(xué)生人數(shù)明顯多于往年；（2）參與任課教師指導(dǎo)的大學(xué)生電子設(shè)計大賽的學(xué)生人數(shù)增多；（3）開放選題中的綜合項目的多樣性、創(chuàng)新性增強(qiáng)，部分學(xué)生所設(shè)計的綜合項目選題內(nèi)容不再局限于本課程，融合了高階課程的元素，如將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、結(jié)合數(shù)字語音處理的嵌入式系統(tǒng)等。

五、結(jié)語

本文結(jié)合微機(jī)原理課程的特點，深挖與課程緊密相關(guān)的思政案例，并融入課程教學(xué)的全過程，實現(xiàn)專業(yè)課程教學(xué)與思政教育的有機(jī)結(jié)合。實踐結(jié)果表明，課程思政教學(xué)一方面能幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，另一方面能提高學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 中華人民共和國教育部.高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要[EB/OL].（2020-06-01）[2023-02-15]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[2］ 胡偉武.龍芯CPU15年研發(fā)歷程[J].中國經(jīng)濟(jì)周刊， 2018 （17） ：18-21.

[3］ 胡偉武.核心技術(shù)需要在試錯中發(fā)展[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2018，48（8）：1097-1101.

[4］ 胡偉武.發(fā)展自主CPU應(yīng)該走市場帶技術(shù)的道路[J].信息安全研究，2019，5（5）：450-453.

[5］ 陳忠禹.習(xí)近平關(guān)于辯證思維重要論述的科學(xué)內(nèi)涵研究[J].中共福建省委黨校（福建行政學(xué)院）學(xué)報，2022（2）：45-52.

[6］ 中共中央黨校哲學(xué)教研部.習(xí)近平關(guān)于讀經(jīng)典學(xué)哲學(xué)用哲學(xué)論述摘編[M].北京：中共中央黨校出版社，2015.

[7］ 習(xí)近平.在紀(jì)念馬克思誕辰200周年大會上的講話[M].北京：人民出版社，2018.

[8］ 劉云山.著力培育和踐行社會主義核心價值觀[J].求是，2014（2）：3-6.

［責(zé)任編輯：鐘 嵐］